(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気圧縮機と、該空気圧縮機から圧縮空気が供給される燃料電池と、該空気圧縮機をインバータにより変速可能なモータによって駆動させる駆動手段とを備え、該空気圧縮機と該燃料電池との間の圧縮空気供給路に、該圧縮空気を大気に解放する放気弁と、該放気弁の下流側で圧縮空気を前記燃料電池へ供給もしくは供給停止する二方仕切弁とを配置してなり、
前記駆動手段は、前記燃料電池へ圧縮空気を供給する必要のない無負荷運転時には、前記モータの回転速度を負荷運転時の下限値となる第１の回転速度まで低下させて、前記放気弁を開とし、前記二方仕切弁を閉とし、この状態を保持して、前記モータの回転速度を前記第１の回転速度よりも低い第２の回転速度まで減速させることを特徴とする燃料電池用圧縮空気供給システム。
【請求項２】
空気圧縮機から燃料電池へ圧縮空気を供給する空気圧縮機の運転方法において、前記空気圧縮機は、インバータにより変速可能なモータによって駆動され、前記燃料電池へ圧縮空気を供給する必要のない無負荷運転時は、前記モータの回転速度を負荷運転時の下限値へ低下させた状態で、前記燃料電池への圧縮空気の供給を停止して該圧縮空気を大気に解放した後、この状態を保持して、前記モータの回転速度を前記下限値よりもさらに低下させて、前記空気圧縮機を連続運転することを特徴とする空気圧縮機の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池用圧縮空気供給システムに係り、特に、車載用あるいは自家発電用等で、水素と酸素を電極上で反応させて電力を得る燃料電池に供給する圧縮空気の供給制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術は特開平７−１４５９９号公報に開示されているが、インバータでモータ回転速度、さらにはモータに直結駆動される圧縮機本体回転速度を変化させ、燃料電池側へ供給する圧縮空気量を調整する構造である。しかも、燃料電池側の負荷がなく圧縮空気を供給する必要がない場合、モータ、圧縮機本体を停止させる構造であった。
【０００３】
また、従来の汎用インバータ可変速型無給油式スクリュー圧縮機では、圧縮機と空気貯留槽とを連結し、空気貯留槽側に圧力センサを設け、圧力センサが検知する圧力が設定した値の範囲内となるように、負荷運転と無負荷運転とを繰り返し、利用機器側への圧縮空気供給量を容量制御していた。
【０００４】
しかし、この場合、上記圧力幅を小さくして吐出圧力を一定値に近づけるため、さらに、上記繰り返しの時間幅をある程度大きくして容量制御を安定させるためには、大容量の空気貯留槽が必要となり、燃料電池車などの車載用には不適であった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記特開平７−１４５９９号公報等に記載された技術では、燃料電池側の負荷がない場合、モータ、圧縮機本体を停止させる構造では、燃料電池側の負荷が急激に変動を繰り返す場合は、モータ、圧縮機本体の起動停止頻度が大きくなり、モータおよび圧縮機本体内の内部機器の温度が上昇するという問題が生じる。
【０００６】
また、例えば、燃料電池車が急発進する場合など、燃料電池側の負荷が急激に大きくなる場合は、モータが停止状態から最高回転速度まで到達するのにある程度の時間が必要となり、過渡的に必要な空気が供給できなくなる場合が生じる。
【０００７】
本発明の目的は、車載用等の燃料電池に圧縮空気を供給するシステムにおいて、圧縮機本体およびモータを停止させない状態で、燃料電池側の負荷変動に対し吐出空気量の増減を制御可能とし、同時に、燃料電池側へ空気を供給しない圧縮機無負荷運転時においては圧縮機軸動力を低減し、さらには、空気貯留槽を用いないで圧縮空気供給量を制御することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池用空気供給システムは、空気圧縮機と、該空気圧縮機から圧縮空気が供給される燃料電池と、該空気圧縮機をインバータにより変速可能なモータによって駆動させる駆動手段とを備え、該空気圧縮機と該燃料電池との間の圧縮空気供給路に、該圧縮空気を大気に解放する放気弁と、該放気弁の下流側で圧縮空気を前記燃料電池へ供給もしくは供給停止する二方仕切弁とを配置してなり、前記駆動手段は、前記燃料電池へ圧縮空気を供給する必要のない無負荷運転時には、前記モータの回転速度を負荷運転時の下限値となる第１の回転速度まで低下させて、前記放気弁を開とし、前記二方仕切弁を閉とし、この状態を保持して、前記モータの回転速度を前記第１の回転速度よりも低い第２の回転速度まで減速させることを特徴とするものである。
【０００９】
本発明によれば、空気圧縮機の運転を停止させない状態で、かつ従来の空気貯留槽を用いずに、燃料電池側の負荷変動に対応して吐出空気量の増減が可能となる。また同時に、燃料電池側へ空気を供給しない無負荷運転時には、空気圧縮機の回転速度を負荷運転状態から２段階で減速させることにより、圧縮機軸動力を低減した連続省エネ運転が可能となり、さらに、圧縮空気の供給が必要な負荷運転時には、圧縮機が連続運転状態なので、過渡的に必要空気が供給できない事態が回避され、円滑な供給量の増加ができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態の概略は、燃料電池車や自家発電用等に使用され、空気圧縮機から燃料電池へ圧縮空気を供給するシステムにおいて、圧縮機本体１と燃料電池１４との間に放気弁１８とさらにその後流に二方弁１９を配置し（図１参照）、燃料電池へ圧縮空気を供給する必要のない無負荷運転時には、放気弁１８を開、二方弁１９を閉として、圧縮機吐出空気を燃料電池の上流側で放気することにより、圧縮機本体を運転停止せずに低速回転状態を保持できるようにしたものである。
【００１１】
これにより、無負荷運転時の圧縮機駆動力が低減されるとともに、圧縮空気の供給が必要な負荷運転時には、圧縮機が連続運転状態なので円滑な供給量の増加ができ、例えば、空気貯留槽がなくても、停止した圧縮機の起動時に生じるような過渡的に必要空気が供給できないという事態を回避することができる。
【００１２】
以下、本発明の第１の実施形態を、図１〜図３を参照して説明する。図１は燃料電池圧縮空気供給システムの系統図、図２は圧縮機本体の構造図、図３は圧縮機の運転制御パターンを説明する図であり、図３の横軸にモータ回転速度Ｎを取り、縦軸にはそれぞれＰ（圧縮機吐出圧力）、Ｑ（圧縮機吐出空気量）、Ｗ（燃料電池圧縮空気供給量）、Ｌ（圧縮機軸動力）を取ったグラフである。
【００１３】
圧縮機本体１は、図２に示すように、スクリュー圧縮機とし、互いに噛み合う雄ロータ２、雌ロータ３と、これらのロータ２、３を支持する軸受４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、ロータ２、３を同期回転させるタイミングギヤ５ａ、５ｂ、ケーシング６等より構成される。そして、吸込口７から吸込まれた空気は、ロータ２、３の回転によるロータ歯溝空間容積の縮小により圧縮され、吐出口８から吐出される。
【００１４】
圧縮機本体１は、雄ロータ軸端２ａとモータ１１の軸端１１ａとが、図１に示すように、カップリング９で連結されている。モータ１１はインバータ１２と電気的に連結され、インバータ１２が電源側周波数を変化させることによりモータ１１を可変速駆動する。
【００１５】
圧縮機本体１の吐出口８は、吐出空気を冷却するアフタークーラ１３を介して燃料電池１４と吐出配管１５と吐出配管１６で連結されている。本実施形態では吐出配管１６ａ中に分岐配管１７を設け放気電磁弁１８を接続した。さらに分岐配管１７より下流側の吐出配管１６ａ中に、二方仕切電磁弁１９を接続した。
【００１６】
燃料電池１４側へ圧縮空気を供給する負荷運転時は、図３に示すように、供給する空気量に応じてモータ回転速度を上限値Ｎ４から下限値Ｎ３までの範囲で変化させる。
【００１７】
一方、燃料電池１４側へ圧縮空気を供給する必要のない無負荷運転時は、モータ回転速度を下限値Ｎ３へ低下させた状態で、すなわち、圧縮機本体の回転速度を下限値に保持した状態で、放気電磁弁１８を開とし、二方仕切電磁弁１９を閉とする。
【００１８】
この際、圧縮機本体１の吐出口８から吐出された圧縮空気は、全量が放気電磁弁１８から大気へ放出される。放気電磁弁１８の流路有効径を適当な大きさとすれば、圧縮機吐出圧力をＰ３からＰ２へ低く設定でき、圧縮機軸動力をＬ３からＬ２へ低くすることが可能となる。
【００１９】
本発明の第１の実施形態によれば、燃料電池１４側へ圧縮空気を供給する必要のない無負荷運転時に、空気貯留槽がなくても、モータ１１を停止させることなく、無負荷運転時に負荷運転範囲で圧縮機本体１を連続運転でき、しかも、無負荷運転時に圧縮機軸駆動力を低く抑えることができる。
【００２０】
次に、本発明の第２の実施形態を、図４、５を用いて説明する。図４に示すように、システム構造は図１とほぼ同様であり、相違点は二方仕切電磁弁１９の位置に、弁流路面積を任意に変化させて圧縮空気の流量を調整できる機能を備えた電磁式の流量調整弁２０を配置した点である。
【００２１】
第２の実施形態は、図１の例と同様に、燃料電池圧縮空気供給量がＷ３〜Ｗ４の範囲では、モータ回転速度をＮ３〜Ｎ４まで変化させ、圧縮機吐出空気量をＱ３〜Ｑ４まで変化させる。一方、燃料電池圧縮空気供給量がゼロ〜Ｗ３の軽負荷運転時は、図５に示すように、モータ回転速度をＮ３に固定し、流量調整弁２０の流量調整と放気電磁弁１８の放気量調整とにより、燃料電池圧縮空気供給量を必要な値に設定する。
【００２２】
燃料電池用の圧縮機は、従来技術のような吐出圧力一定制御の必要はなく、図７に示すように、吐出空気量が増大すると吐出圧力も増大する特性が一般的に要求される。また、燃料電池側の通気抵抗を一定の条件とすれば、吐出空気量の変化に対し、圧縮機吐出圧力は、上述した図７に示すような特性となる。
【００２３】
そのため、圧縮機からの吐出空気量の調整のみで、吐出圧力および吐出空気量を同時に所定の目標値へ制御できる。したがって、軽負荷時の燃料電池圧縮空気供給量の増減は、放気弁１８の開度調整と流量調整弁１９の開度調整とにより制御できることになる。
【００２４】
上記本発明の第２の実施形態によれば、無負荷時の圧縮機の連続運転を保持した状態で、燃料電池側へ供給する空気量を、軽負荷運転時を含めた全負荷領域で、目的の値へ可変制御できる。
【００２５】
次に、図１、図６により、本発明の第３の実施形態を説明する。システムの構造は図１の例と同様であるが、運転制御方法が異なり、その制御方法を図６を参照して説明する。
【００２６】
燃料電池１４側へ圧縮空気を供給する必要のない無負荷運転時は、モータ回転速度を下限値Ｎ３へ低下させた状態で放気電磁弁１８を開とし二方仕切電磁弁１９を閉とする。さらに、この状態を保持してモータ回転速度をＮ３より低いＮ１まで低下させる運転ができる。
【００２７】
以上のように、無負荷運転時は、図６に示すように、モータ回転速度をＮ３より低いＮ１まで２段階で減速させることにより、圧縮機本体の回転速度が低下した分、吸込空気量を減少させ、圧縮機軸動力の圧縮動力分を低下させることができる。
【００２８】
また、圧縮機ロータ２、３の回転速度を低下させた分、圧縮機軸動力の機械損失動力（軸受５の機械損失動力）を低下させることができ、圧縮動力と機械損失動力をトータルした圧縮機軸動力をＬ２からＬ１へ低減できる。そのため、本第３の実施形態では、無負荷運転開始時に負荷運転状態から二段階で減速させ、無負荷時の圧縮機軸動力をさらに低減できる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、次の効果がある。すなわち、空気圧縮機を用いて燃料電池側へ圧縮空気を供給するシステムにおいて、燃料電池側へ空気を供給しない無負荷時でも圧縮機本体を連続運転でき、燃料電池側の負荷変動に対し圧縮空気供給の追従性を高めることができる。さらに、二段階減速放気制御構造を用いることにより、燃料電池側が無負荷時の場合の圧縮機軸動力を低く抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池圧縮空気供給システムの系統図。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る圧縮機本体構造図。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る圧縮機本体の運転制御パターンを示す図。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池圧縮空気供給システムの系統図。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る圧縮機本体の運転制御パターンを示す図。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る圧縮機本体の運転制御パターンを示す図。
【図７】本発明の第１および第２の実施形態に係る燃料電池供給空気の圧力および流量特性を示す図。
【符号の説明】
１  圧縮機本体
１１  モータ
１２  インバータ
１３  アフタークーラ
１４  燃料電池
１５、１６ａ、１６  吐出配管
１７  分岐配管
１８  放気電磁弁
１９  二方仕切電磁弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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