(57)【要約】【課題】酸化剤ガスの熱エネルギーをより有効に利用して、エキスパンダでのエネルギー回収量を増加させると共に、コンプレッサ及びエキスパンダと熱交換器とをコンパクトに配置した酸化剤ガス供給装置を供給する。【解決手段】酸化剤供給路１１及び酸化剤排出路１２の途中に接続され、酸化剤供給路１１を流通する酸化剤ガスからの熱により、酸化剤排出路１２を流通するオフガスを加熱する熱交換器３０ａを備え、コンプレッサ４０の吸入方向及びエキスパンダ４２の吐出方向が、コンプレッサ４０及びエキスパンダ４２の共通の回転軸９０の方向とされると共に、コンプレッサ４０の吐出方向が熱交換器３０ａの酸化剤供給路１１の上流側の接続口３１ａと対向し、エキスパンダ４２の吸入方向が熱交換器３０ａの酸化剤排出路１２の下流側の接続口３１ｄと対向して配置されている。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池のカソード極に接続されてカソード極に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給路に、酸化剤ガスを送出するコンプレッサと、
前記コンプレッサを駆動する電動機と、
前記コンプレッサと回転軸を共通として形成され、前記燃料電池のカソード極からオフガスが排気される酸化剤排出路に接続され、該酸化剤排出路から排気されるオフガスにより駆動されて、前記コンプレッサに動力を伝達するエキスパンダと
を備えた酸化剤ガス供給装置であって、
前記酸化剤供給路及び前記酸化剤排出路の途中に架け渡されて接続され、前記酸化剤供給路を流通する酸化剤ガスからの熱により、前記酸化剤排出路を流通するオフガスを加熱する熱交換器を備え、
前記コンプレッサの吸入方向及び前記エキスパンダの吐出方向が、前記コンプレッサ及び前記エキスパンダの共通の回転軸方向とされると共に、
前記コンプレッサの吐出方向が前記熱交換器の前記酸化剤供給路側の吸入口と対向し、前記エキスパンダの吸入方向が前記熱交換器の前記酸化剤排出路側の吐出口と対向して配置されていることを特徴とする酸化剤ガス供給装置。
【請求項２】
請求項１に記載の酸化剤ガス供給装置において、
前記コンプレッサの吐出方向が前記コンプレッサの回転方向と直交すると共に、前記エキスパンダの吸入方向が前記エキスパンダの回転方向と直交し、
前記コンプレッサと前記熱交換器との間の前記酸化剤供給路と、前記エキスパンダと前記熱交換器との間の前記酸化剤排出路とが、平行に配置されていることを特徴とする酸化剤ガス供給装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の酸化剤ガス供給装置において、
前記熱交換器は、前記酸化剤供給路と接続された酸化剤ガスの流通路と、前記酸化剤排出路と接続されたオフガスの流通路とを、交差して接触配置することにより、酸化剤ガスとオフガス間の熱交換を行うことを特徴とする酸化剤ガス供給装置。
【請求項４】
燃料電池と、
前記燃料電池のカソード極に接続されて、カソード極に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給路と、
前記燃料電池のカソード極に接続されて、カソード極からオフガスが排出される酸化剤排出路と、
前記酸化剤供給路に酸化剤ガスを送出するコンプレッサと、
前記コンプレッサを駆動する電動機と、
前記コンプレッサと回転軸を共通として形成され、酸化剤排出路から排気されるオフガスにより駆動されて、前記コンプレッサに動力を伝達するエキスパンダと
を備えた燃料電池システムであって、
前記酸化剤供給路及び前記酸化剤排出路の途中に架け渡されて接続され、前記酸化剤供給路を流通する酸化剤ガスからの熱により、前記酸化剤排出路を流通するオフガスを加熱する熱交換器を備え、
前記コンプレッサの吸入方向及び前記エキスパンダの吐出方向が、前記コンプレッサ及び前記エキスパンダの共通の回転軸方向とされると共に、
前記コンプレッサの吐出方向が前記熱交換器の前記酸化剤供給路側の吸入口と対向し、前記エキスパンダの吸入方向が前記熱交換器の前記酸化剤排出路側の吐出口と対向して配置されていることを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池のオフガスからエネルギーを回収するエキスパンダを備えた酸化剤ガス供給装置及び燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、燃料電池システムにおいて、燃料電池から排出されるオフガスにより駆動されるエキスパンダを、燃料電池に空気（酸化剤ガス）を送出するコンプレッサと同軸に設けることにより、オフガスのエネルギーを回収するようにした構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、コンプレッサから送出される空気の流路と燃料電池から排出されるオフガス流路に架け渡された熱交換器により、コンプレッサから送出される高温の空気を、湿潤性のオフガスにより冷却すると共に加湿するようにした燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第２７４３１４７号公報
【特許文献２】特許第４７７３７２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献２に記載された燃料電池システムにおいては、熱交換器で回収された酸化剤ガスの熱エネルギーは外部に無駄に捨てられてしまう。また、エキスパンダを備えた酸化剤ガスの供給系に熱交換器を組み合わせる場合、コンプレッサ及びエキスパンダと熱交換器を含む酸化剤ガスをコンパクトに配置することが望まれる。
【０００６】
本発明はかかる背景に鑑みてなされたものであり、熱交換器で回収された酸化剤ガスの熱エネルギーをより有効に利用して、エキスパンダでのエネルギー回収量を増加させると共に、コンプレッサ及びエキスパンダと熱交換器とをコンパクトに配置した酸化剤ガス供給装置及び燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は上記目的を達成するためになされたものであり、本発明の酸化剤ガス供給装置は、
燃料電池のカソード極に接続されてカソード極に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給路に、酸化剤ガスを送出するコンプレッサと、
前記コンプレッサを駆動する電動機と、
前記コンプレッサと回転軸を共通として形成され、前記燃料電池のカソード極からオフガスが排気される酸化剤排出路に接続され、該酸化剤排出路から排気されるオフガスにより駆動されて、前記コンプレッサに動力を伝達するエキスパンダと
を備える。
【０００８】
そして、
前記酸化剤供給路及び前記酸化剤排出路の途中に架け渡されて接続され、前記酸化剤供給路を流通する酸化剤ガスからの熱により、前記酸化剤排出路を流通するオフガスを加熱する熱交換器を備え、
前記コンプレッサの吸入方向及び前記エキスパンダの吐出方向が、前記コンプレッサ及び前記エキスパンダの共通の回転軸方向とされると共に、
前記コンプレッサの吐出方向が前記熱交換器の前記酸化剤供給路側の吸入口と対向し、前記エキスパンダの吸入方向が前記熱交換器の前記酸化剤排出路側の吐出口と対向して配置されていることを特徴とする（第１発明）。
【０００９】
第１発明によれば、前記コンプレッサの吸入方向及び前記エキスパンダの吐出方向を、前記コンプレッサ及び前記エキスパンダの共通の回転軸方向とすると共に、前記コンプレッサの吐出方向が前記熱交換器の前記酸化剤供給側の吸入口と対向し、前記エキスパンダの吸入方向が前記熱交換器の前記酸化剤排出路側の吐出口と対向した配置にすることによって、前記コンプレッサ及び前記エキスパンダを、前記熱交換器に接近して配置することができる。そのため、前記コンプレッサ及び前記エキスパンダと前記熱交換器を、コンパクトに配置して、前記エキスパンダにより燃料電池からのオフガスから効率良くエネルギーを回収することができる。
【００１０】
また、第１発明において、
前記コンプレッサの吐出方向が前記コンプレッサの回転方向と直交すると共に、前記エキスパンダの吸入方向が前記エキスパンダの回転方向と直交し、
前記コンプレッサと前記熱交換器との間の前記酸化剤供給路と、前記エキスパンダと前記熱交換器との間の前記酸化剤排出路とが、平行に配置されていることを特徴とする（第２発明）。
【００１１】
第２発明によれば、前記コンプレッサと前記熱交換器間の前記酸化剤供給路と、前記エキスパンダと前記熱交換器間の前記酸化剤排出路とをさらに短くして、前記コンプレッサ及び前記エキスパンダと前記熱交換器とを接近させて配置することができる。
【００１２】
また、第１発明又は第２発明において、
前記熱交換器は、前記酸化剤供給路と接続された酸化剤ガスの流通路と、前記酸化剤排出路と接続されたオフガスの流通路とを、交差して接触配置することにより、酸化剤ガスとオフガス間の熱交換を行うことを特徴とする（第３発明）。
【００１３】
第３発明によれば、前記熱交換器における酸化剤ガスとオフガス間の熱交換の性能を向上させることができると共に、前記熱交換器に接続される燃料電池との接続形態を良好なものとすることができる。
【００１４】
次に、本発明の燃料電池システムは、
燃料電池と、
前記燃料電池のカソード極に接続されて、カソード極に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給路と、
前記燃料電池のカソード極に接続されて、カソード極からオフガスが排出される酸化剤排出路と、
前記酸化剤供給路に酸化剤ガスを送出するコンプレッサと、
前記コンプレッサを駆動する電動機と、
前記コンプレッサと回転軸を共通として形成され、酸化剤排出路から排気されるオフガスにより駆動されて、前記コンプレッサに動力を伝達するエキスパンダと
を備える。
【００１５】
そして、
前記酸化剤供給路及び前記酸化剤排出路の途中に架け渡されて接続され、前記酸化剤供給路を流通する酸化剤ガスからの熱により、前記酸化剤排出路を流通するオフガスを加熱する熱交換器を備え、
前記コンプレッサの吸入方向及び前記エキスパンダの吐出方向が、前記コンプレッサ及び前記エキスパンダの共通の回転軸方向とされると共に、
前記コンプレッサの吐出方向が前記熱交換器の前記酸化剤供給路側の吸入口と対向し、前記エキスパンダの吸入方向が前記熱交換器の前記酸化剤排出路側の吐出口と対向して配置されていることを特徴とする（第４発明）。
【００１６】
第４発明によれば、前記コンプレッサの吸入方向及び前記エキスパンダの吐出方向を、前記コンプレッサ及び前記エキスパンダの共通の回転軸方向とすると共に、前記コンプレッサの吐出方向が前記熱交換器の前記酸化剤供給路側の吸入口と対向し、前記エキスパンダの吸入方向が前記熱交換器の前記酸化剤排出路側の吐出口と対向した配置とすることによって、前記コンプレッサ及び前記エキスパンダを、前記熱交換器に接近して配置することができる。そのため、前記コンプレッサ及び前記エキスパンダと前記熱交換器を、コンパクトに配置して、前記エキスパンダにより燃料電池からのオフガスから効率良くエネルギーを回収することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】燃料電池システムの構成図。
【図２】第１実施形態における酸化剤ガス供給装置の構成図。
【図３】第２実施形態における酸化剤ガス供給装置の構成図。
【図４】第３実施形態における酸化剤ガス供給装置の構成図。
【図５】第４実施形態における酸化剤ガス供給装置の構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の実施形態について、図１〜図５を参照して説明する。図１を参照して、本実施形態の燃料電池システムは、例えば燃料電池自動車に搭載されるものであり、燃料電池（燃料電池スタック）１０、燃料電池１０のカソード極（空気極）に接続されて空気（酸化剤ガス）を供給する酸化剤供給路１１、燃料電池１０のカソード極に接続されて反応後の酸化剤オフガスが排出される酸化剤排出路１２、燃料電池１０のアノード極（燃料極）に接続されて水素（燃料ガス）を供給する燃料供給路１３、図示しない水素ガスタンクからの水素を燃料供給路１３に送出するエザクタ５０、及び、燃料電池１０のアノード極に接続されて残留水素を燃料供給路１３に戻す燃料ガス排出路１４を備えている。
【００１９】
また、燃料電池システムは、酸化剤供給路１１に空気を送出するコンプレッサ４０を駆動する電動機４１、コンプレッサ４０と回転軸を共通として電動機４１に連結され、酸化剤排出路１２を流通するオフガスによりタービン（図示しない）が回転するエキスパンダ４２、酸化剤供給路１１及び酸化剤排出路１２の途中に架け渡されて接続された加湿器２０と熱交換器３０、燃料電池１０の冷却水路（図示しない）中を流れる冷却水の温度を検出する冷却水温度センサ１５、及び、燃料電池システムの全体的な作動を制御するコントローラ６０を備えている。
【００２０】
加湿器２０は、例えば中空糸膜や平膜等の、流体中の水分のみを移動させる構成を備えており、酸化剤排出路１２を流通するオフガス中の水分を用いて、酸化剤供給路１１を流通する空気を加湿する水分透過型の加湿器である。熱交換器３０は、例えば、ステンレス製の複数のプレートをろう材（銅、ニッケル等）を介して重ね合わせて高温加熱により一体化した伝熱部材に、酸化剤供給路１１が接続される空気の流路と酸化剤排出路１２が接続されるオフガスの流路とを形成した、プレート式熱交換器である。
【００２１】
なお、コンプレッサ４０、電動機４１、エキスパンダ４２、熱交換器３０、コンプレッサ４０と熱交換器３０間の酸化剤供給路１１、及びエキスパンダ４２と熱交換器３０間の酸化剤排出路１２により、酸化剤ガス供給装置７０が構成されている。
【００２２】
コントローラ６０は、ＣＰＵ、メモリ等により構成された電子ユニットであり、メモリに保持された燃料電池システムの制御用プログラムをＣＰＵで実行することにより、燃料電池システムの作動を制御する機能を果す。
【００２３】
コントローラ６０には、冷却水温度センサ１５の温度検出信号が入力される。また、コントローラ６０から出力される制御信号によって、電動機４１の作動が制御される。コントローラ６０は、冷却水温度センサ１５の温度検出信号によって燃料電池１０の温度を認識しつつ、電動機４１の回転速度により燃料電池１０への空気の供給流量を調節して、燃料電池１０の出力（発電量）を制御する。
【００２４】
ここで、コンプレッサ４０から酸化剤供給路１１に送出される空気は、コンプレッサ４０で圧縮されて温度が上昇している。そして、このように、温度が上昇した空気は、酸化剤供給路１１の途中に設けられた熱交換器３０を流通する際に放熱し、この熱が熱交換器３０のオフガスの流路側に伝わって、酸化剤排出路１２を流通するオフガスが加熱される。
【００２５】
熱交換器３０での加熱により、酸化剤排出路１２からエキスパンダ４２に供給されるオフガスのエネルギーが増大し、エキスパンダ４２でオフガスから回収されてコンプレッサ４０に伝達される動力（エネルギー）が増加する。そのため、燃料電池システムの運転効率を高めることができる。
【００２６】
さらに熱交換器３０により温度が下げられた空気は、酸化剤供給路１１を通って加湿器２０に供給される。このとき加湿器２０の構成部材は、供給される空気の温度が高過ぎることがないため、機能可能な温度を超えることなく、加湿器２０は正常に機能し続けることができる。これにより、適切に燃料電池１０への供給空気を加湿して効率の良い運転を継続させることができる。
【００２７】
［第１実施形態］
次に、図２を参照して、酸化剤ガス供給装置７０の第１実施形態について説明する。図２に示した第１実施形態の酸化剤ガス供給装置７０ａにおいて、コンプレッサ４０とエキスパンダ４２は、コンプレッサ４０の吸入口４０ａからの空気の吸入方向と、エキスパンダ４２の吐出口４２ｂからのオフガスの吐出方向を、コンプレッサ４０と電動機４１とエキスパンダ４２の共通の回転軸９０の軸方向（回転軸方向）として構成されている。
【００２８】
また、コンプレッサ４０の吐出口４０ｂからの空気の吐出方向は、コンプレッサ４０の回転方向Ａと直交する向きとされ、エキスパンダ４２の吸入口４２ａへのオフガスの吸入方向は、エキスパンダ４２の回転方向Ｂと直交する向きとされている。
【００２９】
また、コンプレッサ４０の吐出口４０ｂと熱交換器３０ａの酸化剤供給路１１側の吸入口３１ａとが対向すると共に、エキスパンダ４２の吸入口４２ａと熱交換器３０ａの酸化剤排出路１２側の吐出口３１ｄとが対向して、配置されている。
【００３０】
さらに、コンプレッサ４０の吐出口４０ｂと熱交換器３０ａの吸入口３１ａとの間の酸化剤供給路１１と、エキスパンダ４２の吸入口４２ａと熱交換器３０ａの吐出口３１ｄとの間の酸化剤排出路１２が、平行に配置されている。
【００３１】
このように、コンプレッサ４０及びエキスパンダ４２と熱交換器３０ａを配置した構成とすることによって、コンプレッサ４０及びエキスパンダ４２を熱交換器３０ａに接近させて配置することができるため、酸化剤ガス供給装置７０ａをコンパクトに構成することができる。
【００３２】
そして、熱交換器３０ａにより、コンプレッサ４０から吐出されて酸化剤供給路１１を流通する高温の空気と、燃料電池１０から排出されて酸化剤排出路１２を流通するオフガスとの間で熱交換することにより、酸化剤排出路１２からエキスパンダ４２に供給されるオフガスが加熱されてオフガスのエネルギーが増大し、エキスパンダ４２でオフガスから回収されるエネルギーが増加する。そのため、燃料電池システムの運転効率を高めることができる。
【００３３】
［第２実施形態］
次に、図３を参照して、酸化剤ガス供給装置７０の第２実施形態について説明する。図４に示した第２実施形態の酸化剤ガス供給装置７０ｂは、図２に示した第１実施形態の酸化剤ガス供給装置７０ａの、コンプレッサ４０の吐出口４０ｂと熱交換器３０ａの吸入口３１ａを直結すると共に、エキスパンダ４２の吸入口４２ａと熱交換器３０ａの酸化剤排出路１２側の吐出口３１ｄを直結して、構成されている。
【００３４】
この構成によれば、コンプレッサ４０及びエキスパンダ４２と熱交換器３０ａを一体構造とすることにより、さらにコンパクトな酸化剤ガス供給装置７０ｂを構成することができる。
【００３５】
［第３実施形態］
次に、図４を参照して、酸化剤ガス供給装置７０の第３実施形態について説明する。図４に示した第３実施形態の酸化剤ガス供給装置７０ｃは、図２に示した第１実施形態の酸化剤ガス供給装置７０ａの熱交換器３０ａを熱交換器３０ｂに置き換えたものであり、他の構成は第１実施形態の酸化剤ガス供給装置７０ａと同様である。
【００３６】
熱交換器３０ｂは、酸化剤供給路１１側の吸入口３２ａと吐出口３２ｂ間の空気の流通路３２ｅと、酸化剤排出路１２側の吸入口３２ｃと吐出口３２ｄとの間のオフガスの流通路３２ｆとを、並列に接触させた構成とされている。この構成によれば、流通路３２ｅと流通路３２ｆの接触面積を増大させることができるため、流通路３２ｅを流通する空気と流通路３２ｆを流通するオフガスとの間の熱交換量を増大させて、エキスパンダ４２に供給される熱エネルギーを増加させることができる。
【００３７】
［第４実施形態］
次に、図５を参照して、図５を参照して、酸化剤ガス供給装置７０の第４実施形態について説明する。第５に示した第４実施形態の酸化剤ガス供給装置７０ｄは、コンプレッサ４０の吐出口４０ｂを熱交換器３０ｄの酸化剤供給路１１側の吸入口３４ａに接続し、エキスパンダ４２の吸入口４２ａを熱交換器３０ｄの酸化剤排出路１２側の吐出口３４ｄに接続して配置されている。
【００３８】
また、熱交換器３０ｄ内の酸化剤供給路１１側の吸入口３４ａと吐出口３４ｂとの間の流通路３４ｅと、酸化剤排出路１２側の吸入口３４ｃと吐出口３４ｄとの間の流通路３４ｆが、交差して配置されている。
【００３９】
このように、熱交換器３０ｄ内で流通路３４ｅと流通路３４ｆを交差させて配置することによって、熱交換器３０ｄの側面３５と対向した、横方向に積層するタイプの燃料電池１０の発電面１０ｓの対角線上に空気の吸入口１０ａとオフガスの吐出口１０ｂを配置することができ、発電面１０ｓを有効に利用することができる。また、熱交換器３０ｄにおいて、コンプレッサ４０からの空気の流通路３４ｅと燃料電池１０からのオフガスの流通路３４ｆを、対角線状に配置することで、空気とオフガス間の熱交換性能を向上させることができる。
【００４０】
また、コンプレッサ４０及びエキスパンダ４２と熱交換器３０ｄと燃料電池１０とを、同一方向で同一高さとすることで、コンプレッサ４０及びエキスパンダ４２と熱交換器３０ｄと燃料電池１０とを、より直線的に配置することが可能となる。
【００４１】
なお、図２〜図５に示した酸化剤ガス供給装置７０ａ〜７０ｄにおいては、コンプレッサ４０及びエキスパンダ４２と熱交換器３０ａ〜３０ｄとの間の酸化剤供給路１１と酸化剤排出路１２を平行に配置したが、必ずしも平行に配置する必要はなく、コンプレッサ４０の吐出口４０ｂと熱交換器３０の酸化剤供給路１１側の吸入口を対向配置すると共に、エキスパンダ４２の吸入口４２ａと熱交換器３０の酸化剤排出路１２側の吐出口を対向配置することによって、本発明の効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００４２】
１０…燃料電池、１１…酸化剤供給路、１２…酸化剤排出路、１５…冷却水温度センサ、２０…加湿器、３０，３０ａ〜３０ｄ…熱交換器、４０…コンプレッサ、４１…モータ、４２…エキスパンダ、６０…コントローラ、７０，７０ａ〜７０ｄ…酸化剤ガス供給装置。
【図１】
2013168308.tif 000003
【図２】
2013168308.tif 000004
【図３】
2013168308.tif 000005
【図４】
2013168308.tif 000006
【図５】
2013168308.tif 000007