(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気室を有する燃料電池本体と、この空気室に圧縮空気を供給する容積形の圧縮機と、空気室から排出される排気を膨張させる膨張機とを備えた燃料電池において、
前記圧縮機と前記膨張機とを前記燃料電池本体の空気室を介して接続する配管と、この配管内を流通する空気の圧力を検出する圧力検出手段と、前記圧力検出手段が検出した空気圧力に基いて前記圧縮機の空気流量または前記膨張機が吸入する排気流量の少なくともいずれかを制御するフィードバック制御手段とを設け、
前記膨張機は容積形であり、前記膨張機の動力出力軸と前記圧縮機の動力入力軸は共通軸となっており、圧縮機と膨張機の少なくともいずれかの軸１回転当たりの吸込み容積は可変であり、前記圧力検出手段が検出した圧力に基づいてこの吸込み容積を変化させることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素と酸素から発電する燃料電池に係り、特にこの燃料電池に空気を供給する圧縮空気供給システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池の圧縮空気供給システムの従来例が、特開平7-14599号公報に記載されている。この公報に記載の燃料電池システムでは、大気から取り入れた空気を圧縮して燃料電池に供給している。そして、燃料電池本体からの排気が大気圧よりも高い圧力であるので、排気を大気に放出する際に動力を回収し、回収した動力を吸入した空気の圧縮に再利用している。
【０００３】
従来の燃料電池システムの他の例が、特開２００１−９３５５３号公報に記載されている。この公報に記載の燃料電池システムでは、鏡板の両側に形成したスクロール流体機械の一方のスクロールを空気の圧縮に、他方のスクロールを燃料電池の排気の動力回収に用いている。そして、圧縮機と膨張機の容積比を特定して、燃料電池の空気室の内圧を所定値に近づけ高いエネルギ効率を得ている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池の空気室に供給する空気圧力の適正値は、燃料電池の種類や仕様により異なる。燃料電池本体の発電効率のみを考えれば供給圧力が高い方が空気室内の酸素分圧が高くなり、反応が促進され好ましい。そして、機器を小型化できるので、車載用燃料電池の場合には車載重量が減るという利点も生じる。しかし供給圧力を高くすると、空気を圧縮するのに要するエネルギが多くなる。また、高い圧力で使用する機器の耐圧強度を確保する必要があり、車載用では重量が増す懸念もある。このような相反する条件を総合的に検討し、さらに燃料電池本体自身の特性をも考慮して最適圧力を決定する。燃料電池では、供給する空気圧力のみならず、流量についても最適値が存在する。つまり、反応に使用される酸素を十分供給しないと反応が遅くなる一方、過剰に供給すれば反応に使用されない無駄な酸素が増える。
【０００５】
ところで、燃料電池の使用条件は常に同じではない。大気圧や気温、湿度などの環境条件は季節および時間帯により変動するし、燃料電池の出力電力量への要求条件も時々刻々変化する。特に車載用燃料電池においては、車両が低地から高地に移動するとき、トンネルへ出入りするとき、坂道を上り下りするときまたは急加速が要求されるときには使用条件の変動が激しい。これらの使用条件が変動すると、空気室の内圧は変化する。このとき、供給空気の圧力や流量の最適値も上述の理由により変化する。上記従来の技術の項で述べた公報においては、この使用条件が変化することは何ら記載されておらず、特に車載用の燃料電池において顕著なこの使用条件の変化に応じた圧縮空気供給システムを実現することについては、何ら考慮が無い。
【０００６】
また、特開平６0-１６０５７３号公報には圧縮室の圧力を検出してタービン流量を制御する燃料電池用ターボコンプレッサシステムが記載されているが、この燃料電池システムはターボコンプレッサを使用しているので急激な負荷変動のある燃料電池車に用いるのは困難である。そして、この公報では定置用を前提としているので圧力室の圧力に基づいて制御している。その結果、圧力検出点と制御弁との間の距離が長くなり、制御が安定するまでに長時間を要する。
【０００７】
本発明は上記従来技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は、燃料電池において環境条件や要求条件が変動しても迅速に圧縮空気を供給できるようにすることにある。本発明の他の目的は、車載用の燃料電池において、信頼性を向上させることにある。本発明のさらに他の目的は、高効率な車載用燃料電池を実現することにある。そして本発明は、少なくともこれらのいずれかの目的を達成することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の特徴は、空気室を有する燃料電池本体と、この空気室に圧縮空気を供給する容積形の圧縮機と、空気室から排出される排気を膨張させる膨張機とを備えた燃料電池において、圧縮機と膨張機とを燃料電池本体の空気室を介して接続する配管と、この配管内を流通する空気の圧力を検出する圧力検出手段と、この圧力検出手段が検出した空気圧力に基いて圧縮機の空気流量または膨張機が吸入する排気流量の少なくともいずれかを制御するフィードバック制御手段とを設け、前記膨張機は容積形であり、前記膨張機の動力出力軸と前記圧縮機の動力入力軸は共通軸となっており、圧縮機と膨張機の少なくともいずれかの軸１回転当たりの吸込み容積は可変であり、前記圧力検出手段が検出した圧力に基づいてこの吸込み容積を変化させることにある。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のいくつかの実施例を図面を用いて説明する。図１に、燃料電池システム５１系統図を示す。燃料電池本体である燃料電池スタック５２では、水素あるいは水素を多く含む気体を通す水素室５３に接する水素極５４と、圧縮空気が供給される空気室５５に接する酸素極５６とが、水素イオン透過膜５７を挟んで位置している。
【００１５】
大気から取り入れた空気はエアクリーナ５８で粉塵を取り除き、容積形の圧縮機５９で昇圧されて上流側圧力配管６５を経て空気室５５へ送られる。空気室５５に導かれた空気中の酸素は、燃料電池スタック５２内の反応で減少するとともに、反応に用いられた酸素からは水あるいは水蒸気が生じる。
【００１６】
燃料電池スタック５２内を通過するときの圧縮空気の通過圧損は、大きくない。例えば、大気圧0.1MPaを圧縮機５９で0.3MPaまで昇圧した場合でも0.02MPa程度である。したがって、空気室５５から排出される排気の圧力は、0.28MPa程度の圧力となっており、この圧力のいくらかでも回収できれば、燃料電池の効率が向上する。そこで、空気室の排気を下流側圧力配管６６を介して膨張機６０に入力し動力を回収する。なお、圧縮機５９の吐出口から空気室５５を経て膨張機６０の吸入口に至る配管６５、６６の内圧は大気圧以上になるので、その圧力に耐える圧力配管としている。
【００１７】
回収した動力は、圧縮機５９と膨張機６０とを連結する連結軸６１を通じて圧縮機５９に送られる。なお、燃料電池スタック５２に供給する空気の圧縮に要する動力はこれだけでは不十分なので、圧縮機５９と膨張機６０との接続側とは反対側に電動機６２を設けている。これにより、空気室へ供給する空気の圧縮に不足な動力を補っている。
【００１８】
燃料電池に吸込まれる空気の状態は、気温や湿度および大気圧などの環境条件により変化する。また、燃料電池が発生する電力量の要求も、使用者の要求条件により変化する。したがって、これらの環境条件や要求条件を満足する最適な空気室の内圧や供給空気流量も変化する。空気流量は、圧縮機の回転速度を変化させることにより、比較的容易に制御できる。しかし、圧縮空気の圧力は、圧縮機内を流通する圧縮空気や膨張機内を流通する排気の流量、燃料電池スタックにおける水生成反応、生成された水蒸気の液化等の影響を受ける。そのため、燃料電池システムの圧縮空気供給システムの各部の圧力を最適にするのが困難であった。
【００１９】
そこで本発明においては、圧縮空気供給システムの各部の圧力を適正にすることにより燃料電池システムを高効率にしている。特に、車両に用いられる場合には、高効率化により燃料電池システムを小型化することが可能になる。
【００２０】
図１では、圧力センサ１を下流側圧力配管６６に設けている。そして、圧力センサ１の下流側に電動式の絞り弁２を設けている。圧力センサ１は、空気室５５から排出される排気の動圧を受けないように、下流側圧力配管６６の管壁に直角に固定されている。圧力センサ１が検出した圧力に比例した電圧信号が圧力センサ１から出力され、この出力に応じて電動式の絞り弁２の開度が変化する。なお、電動式の絞り弁２には電動機２aが付設されており、絞り弁２を電気的に開閉する。
【００２１】
このように構成した本実施例の動作を、以下に示す。燃料電池システムを起動させるときには、絞り弁２を可変範囲の最小開度まで閉じる。この最小開度は全閉ではない。圧縮機５９を起動すると、大気から空気が吸い込まれる。吸込まれた空気は圧縮機５９により昇圧され、上流側圧力配管６５に送り出される。圧縮空気は圧損の小さい空気室５５を通過した後、下流側圧力配管６６に排出される。
【００２２】
圧力センサ１は、この下流側圧力配管に流れ込んだ圧縮空気の圧力を検出する。圧縮機５９を起動した直後は絞り弁２の開度が小さいので、絞り弁２より上流側の圧力が次第に上昇する。圧力が十分上昇したことが圧力センサ１により感知されると、絞り弁２の電動機２ａを作動させ、絞り弁２を次第に開く。絞り弁２を開く動作を継続するうちに、圧縮機５９で圧縮される空気量と膨張機６０から排出される空気量がバランスし、絞り弁２で検出される圧力が安定する。この安定した圧力で運転を継続しているときに大気圧や温度や湿度が変化しても、絞り弁２を開閉するだけで空気室５５の圧力をほぼ一定に制御することができる。
【００２３】
本実施例では圧力センサ１の出力を電動式絞り弁２に直接導いているが、マイコンなどの制御装置に圧力センサ１の出力を導いて、この制御装置が電動式絞り弁２を制御するようにしてもよい。制御装置を有すると、非線形的な制御や燃料電池スタック５２が発生する電力量を制御変数に用いることもできる。
【００２４】
燃料電池システムの上位システムから、燃料電池スタック５２が発生する電力量を増加させるように指示があったとする。通常は、圧縮機５９の運転速度を加速して空気流量を増大させるが、加速時間が長くなり迅速な対応ができず、車載用では現実的ではない。そこで、圧縮機の運転速度を増す前に、絞り弁２を少し閉じ空気室５５の内圧を上げる。これにより、燃料電池スタック５２の反応速度を増す。その後、圧縮機５９の回転速度が上昇したら絞り弁２の開度を元に戻す。この一連の操作により、上位システムの指示に対して迅速に応答することが可能になる。
【００２５】
本実施例によれば、圧力検出部と制御対象の絞り弁との流路に沿った距離が短いので、検出してから制御対象が操作されるまでの時間遅れが短かくなり、応答性がよくなるとともにハンチングなどの不安定現象を発生しにくくなる。なお、上記実施例では圧力センサ１を用いて電動式絞り弁を制御しているが、圧力センサの代わりに分岐管を、電動式絞り弁２の代わりに分岐管から導いた圧力で作動するピストンシリンダ式の絞り弁を用いてもよい。その場合、電気で動作する機機が不要となり、電磁ノイズや断線などによる誤動作を回避できる。また、圧力センサを、測定精度が確保できる範囲で出きるだけ絞り弁に近づけて配置する。このように圧力測定位置と流量制御部とを近づけると、車載用の燃料電池のように急激な負荷変動のある場合にも、すぐに応答できる。しかも、ハンチング等の不安定な制御状態を回避でき、燃料電池を効果的に活用できる。
【００２６】
本発明の他の実施例を、図２に示す。本実施例は、図１に示した実施例とは、空気室の出口に設ける空気圧力及び流量制御手段が異なっている。空気室５５を出た下流側圧力配管６６aに分岐部１１を設ける。一方の配管６６ｃ内を流れる排気は制御弁１２を経由させ、他方の配管６６ｂ内を流れる排気は熱交換器１６を経由させる。その後、２つの流れを合流させる。合流点の下流側には、水回収器１３が設けられている。水回収器１３は圧力容器で、冷却水と熱交換する熱交換器１４が内蔵されている。水回収器１３の下部は回収した水１５を溜める水溜まりとなっている。水回収器１３を出た排気は、熱交換器１６で制御弁１２をバイパスした排気と熱交換し、配管６６e内を流通して膨張機６０に導かれる。
【００２７】
本実施例の動作は以下のとおりである。制御弁１２は通常は閉じているので、空気室５５を出た水蒸気を多く含む排気は、熱交換器１６を経由して水回収器１３に入る。排気は、熱交換器１６を通過する際冷却される。熱交換器１６で冷却された排気は、水回収器１３に内蔵された熱交換器１４において冷却水により冷却され、排気中に含まれる水蒸気が液化する。液化した水は、回収器１３の底部１５に溜められる。その後、熱交換器１６を通過する際に加熱されて膨張機６０に導かれる。
【００２８】
下流側圧力配管６６aに圧力センサ１を取付け、この圧力センサの出力を電動機１２aで駆動される電動絞り弁１２に入力する。圧力センサ１が検出した配管６６aの内部圧力が高すぎると、電動絞り弁２に入力された圧力信号により、制御弁１２が閉じ始める。そして、熱交換器１６に流れ込む排気流量を制限する。それとともに回収器１３に内蔵された熱交換器１４の冷却能力を増すために、冷却水流量を増加させる。
【００２９】
水回収器１３において十分に温度低下した排気は、熱交換器１６で絞り弁１２をバイパスした排気と熱交換するが、バイパスした排気量が減少しているので交換熱量が減少する。そのため、通常の場合より温度上昇量が低下して、膨張機６０に吸入される。膨張機６０に吸入される空気の温度が低下しているので、空気の密度が増しその分だけ体積が減少する。その結果、単位時間当たりの膨張機６０の吸入空気質量が増加する。これにより、膨張機から外部に放出される空気量は増すので圧力室の圧力上昇が抑制され、圧力室の内圧を安定した値に制御できる。
【００３０】
本実施例によれば、圧縮機から膨張機までの空気流路に圧損の大きい絞り要素が無いので、圧縮空気の空気の圧力降下が少ない。そのため、エネルギ効率を向上できる。特に通常時には、回収器で排気から水を回収し、水分を減少させた排気を熱交換器で加熱し膨張機で熱膨張させているので、膨張機で発生する動力を増大できる。
【００３１】
図３及び図４に、上記図１及び図２の実施例に用いる圧縮機と膨張機の詳細を示す。図３は圧縮機と膨張機の上面断面図であり、図４はその正面断面図である。これらの図では、圧縮機と膨張機とは一体化されている。一体化された圧縮膨張機３１は、雌雄一対のロータを有するスクリュー式圧縮機３２と同じく雌雄一対のロータを有するスクリュー式膨張機３３とを軸部で連結したものである。
【００３２】
圧縮機３２は軸端側に吸入口３７を、中央部よりに吐出口３８備えている。吸入口３７から吸込まれた空気は、従来のスクリュー圧縮機と同様原理で圧縮作動室の容積の減少とともに圧縮され吐出口３８から吐出される。
【００３３】
膨張機３３は、吸入完了位置を可変にするスライド弁３４を備えている。スライド弁３４には、吸入ポート３５が形成されている。スライド弁３４は、雌ロータと雄ロータの噛合い部の上方に設けられており、雌ロータと雄ロータの歯先部に接している。なお、図３では、簡単化してスライド弁３４の外形と吸入ポート３５の輪郭のみを示している。スライド弁３４の端部にはピストン３６が取付けられており、ピストン３６はシリンダ３６aに収容されている。ピストン３６の前後面に付加される圧力の圧力差により、スライド弁３４は軸方向（図中で左右方向）に移動する。なお、膨張機の吸入口３９は吸入ポート３５に連通しており、膨張機３３の軸端側で吸入口と反対側には吐出口４０が形成されている。
【００３４】
圧力センサ１が検出した空気室の内圧が不足していると判断したときには、ピストン３６を図中左方向に動かす。これによりシリンダ３６aの内圧が制御され、スライド弁３４も左へ移動する。このとき、スライド弁３４に形成された吐出ポート３５がロータに開口する面積は、スライド弁３４の移動とともに次第に縮小する。
【００３５】
雄雌ロータとそれらを囲むケーシングにより形成される膨張作動室は、吐出ポート３５の輪郭により吸入動作の終了時容積が規定される。つまり、スライド弁３４に形成した吐出ポート３５が左方向に移動すると、吸入する排気の容積が減少する。スライド弁３４を移動させて膨張機３３が吸込む排気量を減少させると、それに伴い燃料電池スタックの空気室内の圧力が次第に上昇する。空気室内の圧力が適正範囲に近づいたら、スライド弁３４の位置を元に戻し、空気室内の圧力の適正範囲で圧縮膨張機３１を運転する。
【００３６】
本実施例によれば、圧縮機から膨張機までの圧縮空気流路から絞り等を省いたので、圧縮空気流路における圧力降下量を減少させ、燃料電池スタックを高効率化できる。また、圧縮機と膨張機を一体化したので、燃料電池スタックを小型化できるとともに、機械損失を低減できる。
【００３７】
本発明のさらに他の実施例を、図５に示す。本実施例が図１に示した実施例と相違する点は、下流側に圧力配管に電動絞り弁を設ける代わりに、圧縮機と膨張機とを接続する回転軸に変速機を設けたことにある。圧縮機５９の動力入力軸４１と膨張機６０の動力出力軸４２との間に変速機４３を設けている。変速機４３は、圧縮機５９の入力軸４１と膨張機６０出力軸４２との２軸の回転速度比を無段階で１：２から２：１まで可変である。
【００３８】
最大出力時あるいは最も頻繁に使用される出力時に燃料電池スタックが高効率になるように燃料電池スタックの空気室の内圧を選択する。そしてこの内圧を実現するように、圧縮機容量と膨張機容量とを選定する。この時の変速機の速比は１：１である。したがって、定常運転時に変速機４３の速比をほぼ１：１にして運転すれば、空気室の内圧が最適範囲になる。変速機の速比は、下流側圧力配管６６に取付けた圧力センサ２の出力に基づいて変更される。
【００３９】
環境条件や要求条件が変化して、圧力センサ１が検出した下流側圧力配管の内圧が最適範囲より高い方に外れたら、変速機４３の速比を膨張機側の回転速度が大である１：２の方にシフトする。圧縮機の回転速度に比べ膨張機の回転速度が増すので、圧力室に圧縮機から導かれる圧縮空気よりも圧力室から膨張機へ導かれる排気の量が増して、圧力室の内圧が下がる。これに対し、圧力センサが検出した下流側圧力配管の内圧が最適範囲から低い方に外れたら、変速機４３の速比を圧縮機の回転速度が大である２：１にシフトする。これにより、圧力室の内圧を低下させ、最適範囲に制御する。
【００４０】
本実施例によれば、燃料電池用圧縮空気供給システムの圧損を低減したので、高効率の燃料電池システムが得られる。また、圧縮機を変速するのに要する時間が比較的短いので、応答性にも優れている。なお、本実施例では圧力センサを用いているが、圧力センサの代わりに、下流側圧力配管から分岐した管路を流通する排気により作動するピストンを有するピストン・シリンダ機構を用いてもよい。
【００４１】
また、本明細書に記載した各実施例は例示的なものであり、限定的なものではない。本発明の範囲は特許請求の範囲に示されており、それらの請求項の意味の中に入るすべての変形例は本発明に含まれるものである。
【００４２】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、燃料電池の動作する環境条件や要求される出力電力量条件が変化したとしても、迅速に供給空気を適切な圧力および流量に制御できる。その結果、燃料電池システムの信頼性が向上する。また、燃料電池を高効率で運転できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの一実施例の系統図である。
【図２】本発明に係る燃料電池システムの他の実施例の系統図である。
【図３】本発明に係る燃料電池用空気圧縮膨張機の一実施例の横断面図である。
【図４】図３に示した空気圧縮膨張機の縦断面図である。
【図５】本発明に係る燃料電池システムのさらに他の実施例の系統図である。
【符号の説明】
１……圧力センサ、２……電動式絞り弁(制御弁)、１１……配管の分岐、１２……制御弁、１３……水回収器、１４……熱交換器、１５……回収した水、１６……熱交換器、３１……圧縮膨張機、３２……圧縮機側、３３……膨張機側、３４……スライド弁、３５……窪み、３６……ピストン、３７……吸入口、３８……吐出口、３９……吸入口、４０……吐出口、４１……動力入力軸、４２……動力出力軸、４３……変速機、５１……燃料電池システム、５２……燃料電池スタック、５３……水素室、５４……水素極、５５……空気室、５６……酸素極、５７……透過膜、５８……エアクリーナ、５９……圧縮機、６０……膨張機。
【図１】
0004534401.tif 000002
【図２】
0004534401.tif 000003
【図３】
0004534401.tif 000004
【図４】
0004534401.tif 000005
【図５】
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