(57)【要約】【課題】コンプレッサの能力を十分に発揮させ、燃料電池の効率を向上させる。【解決手段】燃料電池システム１０であって、燃料ガスと酸化ガスとを反応させて発電を行う燃料電池１００と、ハウジング３０１と、前記ハウジング内部において回転可能に配置され、回転軸と３０４内部に冷却媒体が流動する媒体流路３０６とを有するロータ３０２と、を備え、前記酸化ガスを前記燃料電池に供給するコンプレッサ３００と、前記コンプレッサ３００に対して前記冷却媒体を供給する冷却媒体供給部３７０とを備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
燃料ガスと酸化ガスとを反応させて発電を行う燃料電池と、
ハウジングと、前記ハウジング内部において回転可能に配置され、回転軸と内部に冷却媒体が流動する媒体流路とを有するロータとを備え、前記酸化ガスを前記燃料電池に供給するコンプレッサと、
前記コンプレッサに対して前記冷却媒体を供給する冷却媒体供給部とを備える、
燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記冷却媒体供給部は、冷却媒体として前記燃料電池における反応により生成する水を用いる、燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記ロータは、
孔を表面に有し、
前記媒体流路と前記孔とを連通する分岐流路を備える、燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
前記ロータの表面は、水湿潤性を有するコーティングが施されている、燃料電池システム。
【請求項５】
請求項３または請求項４に記載の燃料電池システムにおいてさらに、
前記冷却媒体供給部は、前記コンプレッサに供給する冷却媒体を昇圧するポンプを備える、燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記媒体流路は、前記回転軸に設けられている、燃料電池システム。
【請求項７】
請求項６に記載の燃料電池システムにおいてさらに、
前記媒体流路の内部に媒体分散部を備える、燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１から請求項７に記載の燃料電池システムにおいて、
前記コンプレッサは、ルーツ式またはスクリュー式のコンプレッサである、燃料電池システム。
【請求項９】
コンプレッサであって、
ハウジングと、
前記ハウジング内部において回転可能に配置され、回転軸と内部に冷却媒体が流動する媒体流路とを有するロータとを備える、コンプレッサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池に関し、特に酸化ガスの供給に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池では、一般的に酸化ガスは、コンプレッサによって圧縮され、カソードに供給される。一方、ガスは圧縮されると高温になる。高温になった酸化ガスを冷却する技術として、例えば、ラジエータを用いた技術が知られている。（特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１８５９２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、コンプレッサにおいて高温となるのはガスだけでなく、コンプレッサ自身もロータとハウジングの摩擦により高温になる。コンプレッサは高温になると吐出ガスの温度を上昇させ、体積効率を低下させるため、十分な能力を発揮できない。
【０００５】
本発明は、上記課題の少なくとも１つを解決するためになされたものであり、コンプレッサの能力を十分に発揮させ、燃料電池の効率を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題の少なくとも一部を解決するために、本発明は以下の態様をとる。
【０００７】
本発明の第１の態様は、燃料電池システムであって、燃料ガスと酸化ガスとを反応させて発電を行う燃料電池と、前記酸化ガスを前記燃料電池に供給するコンプレッサと、前記コンプレッサに対して前記冷却媒体を供給する冷却媒体供給部とを備える。前記ロータは、ハウジングと、前記ハウジング内部において回転可能に配置され、回転軸と内部に冷却媒体が流動する媒体流路とを有するロータとを備える。この態様によれば、ロータ内部の媒体流路を流れる冷却媒体によってロータを冷却することによりコンプレッサを冷却することができる。その結果、コンプレッサの能力を十分に発揮させることができる。
【０００８】
本発明の第１の態様において、前記冷却媒体供給部は、冷却媒体として前記燃料電池における反応により生成する水を用いてもよい。この態様によれば、冷却媒体タンクを別途設ける必要がない。
【０００９】
本発明の第１の態様において、前記ロータは、孔を表面に有し、前記媒体流路と前記孔とを連通する分岐流路を備えてもよい。この態様によれば、冷却水によりロータを表面から冷却できる。
【００１０】
本発明の第１の態様において、前記ロータの表面は、水湿潤性を有するコーティングが施されていてもよい。この態様によれば、湿潤水でロータを冷却し、ロータの熱膨張を抑制できる。湿潤水の気化潜熱によりロータを冷却できる。
【００１１】
本発明の第１の態様においてさらに、前記冷却媒体供給部は、前記コンプレッサに供給する冷却媒体を昇圧するポンプを備えていてもよい。この態様によれば、冷却媒体の逆流を抑制できる。
【００１２】
本発明の第１の態様において、前記媒体流路は、前記回転軸に設けられていてもよい。この態様によれば、回転軸はぶれにくいので、冷却媒体が漏れにくい。
【００１３】
本発明の第１の態様においてさらに、前記媒体流路の内部に媒体分散部を備えていてもよい。この態様によれば、媒体分散部により冷却媒体をロータ内部に分散させることができる。
【００１４】
本発明の第１の態様において、前記コンプレッサは、ルーツ式またはスクリュー式のコンプレッサであってもよい。この態様によれば、ロータの回転軸がぶれないのでロータの媒体流路に冷却媒体を流しやすい。
【００１５】
本発明の第２態様は、コンプレッサであって、ハウジングと、前記ハウジング内部において回転可能に配置され、回転軸と内部に冷却媒体が流動する媒体流路とを有するロータとを備える。この態様によれば、ロータ内部の媒体流路を流れる冷却媒体によってロータを冷却することによりコンプレッサを冷却することができる。その結果、コンプレッサの能力を十分に発揮させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下本発明に係る燃料電池システムを実施例に基づいて説明する。図１は、本実施例に係る燃料電池システムの構成を示す説明図である。燃料電池システム１０は、燃料電池１００、燃料タンク２００、コンプレッサ３００、及び冷却水供給配管３７０を備える。
【００１７】
燃料電池１００は、燃料ガス及び酸化ガスを反応させて発電を行う。本実施例では、固体高分子型の燃料電池が用いられている。燃料タンク２００は、燃料ガスとして水素を貯蔵する。本実施例では、燃料タンク２００として、高圧水素タンクを用いているが、例えば、水素貯蔵合金を用いた燃料タンクを用いてもよい。燃料タンク２００は、燃料ガス供給配管２１０を介して燃料電池１００の燃料ガス供給マニホールド（図示せず）と接続されている。燃料ガス供給配管２１０上の燃料タンク２００近傍には、メインバルブ２２０、レギュレータ２３０が設けられている。メインバルブ２２０は、開かれると燃料タンク２００から燃料電池に燃料ガスを供給する。レギュレータ２３０は、燃料ガスの供給量を制御する。燃料電池１００の燃料ガス排出マニホールド（図示せず）には燃料ガス排気管２４０が接続され、未反応の燃料ガスが燃料電池１００の外部に排気される。燃料ガス排気管２４０上には調圧弁２５０が設けられ、燃料電池１００内の燃料ガスの圧力を制御する。
【００１８】
コンプレッサ３００は、空気を圧縮し、酸化ガスとして燃料電池１００に供給する。コンプレッサ３００は、酸化ガス供給配管３１０を介して燃料電池１００の酸化ガス供給マニホールド（図示せず）に接続されている。コンプレッサには３００には、コンプレッサ３００を駆動するためのモータ３６０が接続されている。燃料電池１００の酸化ガス排出マニホールド（図示せず）には酸化ガス排気管３４０が接続され、未反応の酸化ガス及び反応により生じた水が燃料電池１００の外部に排気される。酸化ガス排気管３４０上には調圧弁３５０が設けられ、燃料電池１００内の酸化ガスの圧力を制御する。
【００１９】
冷却水供給配管３７０は、コンプレッサ３００及び酸化ガス排気管３４０に接続され、燃料ガスの反応により生じる水をコンプレッサ３００の冷却媒体としてコンプレッサに供給する。冷却水供給配管３７０上にはポンプ３８０が設けられ、コンプレッサ３００に供給される冷却水が逆流しないように昇圧している。コンプレッサ３００には、冷却水を排出するための冷却水排出管３９０が設けられている。
【００２０】
図２から図５を用いて、本実施例のコンプレッサについて説明する。図２は、コンプレッサの平面透過図である。図３は、コンプレッサの側面透過図である。図４は、図２において示したロータが４５度回転したときのコンプレッサの平面透過図である。図５は、図３において示したロータが４５度回転したときのコンプレッサの側面透過図である。
【００２１】
コンプレッサ３００は、ハウジング３０１及びロータ３０２を備える。ハウジング３０１は、平面断面がまゆ形の空間３０３を有し、２個のロータ３０２Ａ及び３０２Ｂを格納する。以下の説明において、２つのロータを区別して説明する場合には、符号の末尾にＡ、Ｂを付して区別する。ハウジング３０１のまゆ形の凹部には、酸化ガス吸気管３０９と酸化ガス供給配管３１０が接続されている。酸化ガス吸気管３０９からコンプレッサ３００の内部に空気が供給され、酸化ガス供給配管３１０から圧縮された空気が排出される。
【００２２】
ロータ３０２は、まゆ形の断面を有している。ロータ３０２の中心には、ロータ３０２を貫通する孔が空けられ、中空部３０６を有する回転軸３０４は、孔に差し込まれて取り付けられている。中空部３０６は、冷却水流路として機能する。ロータ３０２Ｂの回転軸３０４Ｂには、モータ３６０が接続されている。回転軸３０４Ｂのモータ３６０との接続部には栓３０５が設けられ中空部３０６を流れる冷却水のモータ３６０側への漏れを抑制する。ロータ３０２には、中空部３０６とロータ３０２の表面の間を連通する分岐流路３０８が設けられている。ロータ３０２の表面には、例えば、ポリエステル樹脂のような水湿潤性を有する樹脂がコーティングされている。
【００２３】
冷却水供給配管３７０と回転軸３０４との接続部にはインジェクタ３７２が設けられ、中空部３０６に冷却水を噴射する。インジェクタ３７２と回転軸３０４の間には冷却水が漏れないようにシール部３７４が設けられている。中空部３０６内には、一方の端がシール部３７４に接続され、捻れた板状部材であるヘリカルプレート３７６が配置されている。ヘリカルプレート３７６は、中空部３０６を流れる冷却水が冷却水排出管３９０に素通りすることを抑制し、冷却水を分岐流路３０８方向に分散させる。
【００２４】
以下、コンプレッサ３００の動作について説明する。モータ３６０は、ロータ３０２Ｂを回転させる。ロータ３０２Ｂの回転の向きは、図２に示す平面透過図上で反時計回りである。ロータ３０２Ｂが反時計回りに回転すると、ロータ３０２Ａはロータ３０２Ｂの側面に押されて、時計回りに回転する。酸化ガス吸気管３０９からコンプレッサに供給された酸化ガスは、ロータ３０２が回転することにより、ロータ３０２とハウジング３０１閉じこめられ、ハウジング３０１に沿って移動させられ、圧縮されて酸化ガス供給配管３１０に押し出される。
【００２５】
コンプレッサ３００は動作すると、ハウジング３０１とロータ３０２との摩擦、ロータ３０２同士の摩擦により高温になる。また、気体は、圧縮されると高温になる。一般にコンプレッサは高温になると吐出ガスの温度を上昇させ、体積効率を低下させるため、本実施例では、コンプレッサを冷却している。以下、本実施例におけるコンプレッサ３００の冷却について説明する。
【００２６】
本実施例の燃料電池システム１０は、水素ガスと空気中の酸素とを反応させて発電を行っているため、燃料電池の電気化学反応により水が生成する。燃料電池システム１０は、生成した水を回収し、冷却水供給配管３７０及びポンプ３８０を用いてコンプレッサ３００に供給する。コンプレッサ３００に供給された水は、インジェクタ３７２により回転軸３０４の中空部３０６に噴射される。噴射された水は、ヘリカルプレート３７６に当たり分散する。分散した水の一部は分岐流路３０８に入る。分岐流路３０８に入った水は、ロータ３０２の回転による遠心力により、ロータ３０２の表面に移動する。なお、遠心力に加え、中空部３０６及び分岐流路３０８は、ポンプ３８０により昇圧されているので、分岐流路に入った水は逆流しにくい。ロータ３０２の表面に達した水は、毛管現象により、ロータ３０２の表面にコーティングされた水湿潤性樹脂に広がる。水湿潤性樹脂に広がった水は、気化しやすく、気化するときにロータ３０２から気化潜熱を奪い、ロータ３０２を冷却する。気化した水は、圧縮された酸化ガスに含まれ、酸化ガスを加湿する。分岐流路３０８に導かれなかった水は、中空部３０６側からロータ３０２を冷却し、冷却水排出管３９０から排出される。
【００２７】
以上、本実施例によれば、ロータ３０２の回転軸３０４に中空部３０６を備えているので、中空部３０６に冷却水を流すことにより、ロータ３０２を冷却することができるようになる。その結果、内部からコンプレッサ３００を冷却し、コンプレッサ３００の能力を十分に発揮させることができる。
【００２８】
本実施例によれば、コンプレッサ３００を冷却する冷却媒体として、燃料電池１００における電気化学反応により生じた水を用いている。その結果、冷却水用のタンクを別途備える必要がない。
【００２９】
本実施例によれば、分岐流路３０８により冷却水をロータ３０２表面に導いている。その結果、ロータ３０２を表面から冷却することができる。なお、冷却水は、ロータ３０２が回転する際の潤滑剤としても機能する。
【００３０】
本実施例では、ロータ３０２の表面は、水湿潤性樹脂がコーティングされている。水湿潤性樹脂は、毛管現象により分岐流路３０８から流れ出てきた水をロータ３０２の表面に分散させる。その結果、湿潤水を用いてロータ３０２を表面から冷却し、ロータ３０２の熱膨張を抑制することができる。また、湿潤水の気化潜熱によりロータを冷却することができ、気化した水は、酸化ガスを加湿するために用いることができる。
【００３１】
本実施例では、冷却水を昇圧するポンプ３８０を備えている。この結果、分岐流路３０８を流れる冷却水の逆流を抑制できる。
【００３２】
本実施例では、回転軸３０４の中空部３０６に冷却水を供給している。回転軸３０４は、ロータ３０２の回転によってぶれることはない、したがって回転軸３０４と冷却水供給配管３７０との接合部から冷却水が漏れにくい。
【００３３】
本実施例では、中空部３０６にヘリカルプレート３７６を備える。この結果、ヘリカルプレート３７６を用いてインジェクタ３７２から噴射された水を分散させ、分岐流路３０８に導くことができる。
【００３４】
本実施例では、コンプレッサとしてルーツ式のコンプレッサを用いている。ルーツ式のコンプレッサは、回転軸３０４がブレないので、回転軸３０４と冷却水供給配管３７０との接合部から冷却水が漏れにくく、中空部３０６に冷却水を供給しやすい。
【００３５】
変形例１：
図６、図７を用いて変形例１について説明する。図６は、変形例１に係るロータ３０２の平面透過図である。図７は、変形例１に係るロータ３０２の側面透過図である。本実施例では、ロータ３０２は、中空部３０６とロータ３０２の表面とを連通する分岐流路３０８を備えているが、中空部３０６をらせん形の流路としてもよい。変形例１によれば、冷却水の流路長が長くなるので、ロータ３０２を冷却しやすい。なお、図６、図７に示す変形例では、分岐流路３０８を設けていないが、分岐流路３０８を設けてもよい。らせんの部分は、ロータ３０２の回転により遠心力がかかるので、ヘリカルプレート３７６を不要とできる。なお、内部にらせん形の中空部３０６を有するロータ３０２は、分割構成とすることにより容易に製造できる。
【００３６】
変形例２：
図８を用いて変形例２について説明する。図８は、変形例２に係るコンプレッサに用いられるロータの斜視図である。変形例２は、スクリュー式（リショルム式）のコンプレッサである。本実施例で説明したルーツ式のコンプレッサでは、ロータ３０２Ａとロータ３０２Ｂは、まゆ型をしているが、変形例２のスクリュー式コンプレッサでは、ロータ３０２Ｃとロータ３０２Ｄはネジ型をしている。なお、動作については、本実施例で説明したルーツ式のコンプレッサとほぼ同じであるので説明を省略する。スクリュー式コンプレッサについても、回転軸３０４はブレないので、回転軸３０４と冷却水供給配管３７０との接合部から冷却水が漏れにくい。スクリュー式のコンプレッサは内部圧縮があるので、ルーツ式のコンプレッサよりも圧縮効率を高めることができる。
【００３７】
変形例３：
本実施例では、モータ３６０が接続される回転軸３０４Ａには栓３０５が嵌められ、中空部３０６Ａに噴射された水がモータ３６０側に流れ出さないようになっているが、モータ３６０と回転軸３０４Ａを直結せずに、例えば、ギアを用いて接続することにより、中空部３０６Ａに噴射された水を、中空部３０６Ａから排出させるように構成してもよい。ロータ３０２Ａとロータ３０２Ｂを同等に冷却することができる。
【００３８】
本実施例、変形例では説明しなかったが、さらに、ハウジング３０１内部に冷却媒体流路を備えていてもよいのは言うまでもない。
【００３９】
以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本実施例に係る燃料電池システムの構成を示す説明図である。
【図２】コンプレッサの平面透過図である。
【図３】コンプレッサの側面透過図である。
【図４】図２において示したロータが４５度回転したときのコンプレッサの平面透過図である。
【図５】図３において示したロータが４５度回転したときのコンプレッサの側面透過図である。
【図６】変形例１に係るロータ３０２の平面透過図である。
【図７】変形例１に係るロータ３０２の側面透過図である。
【図８】変形例２に係るコンプレッサに用いられるロータの斜視図である。
【符号の説明】
【００４１】
１０…燃料電池システム
１００…燃料電池
２００…燃料タンク
２１０…燃料ガス供給配管
２２０…メインバルブ
２３０…レギュレータ
２４０…燃料ガス排気管
２５０…調圧弁
３００…コンプレッサ
３０１…ハウジング
３０２…ロータ
３０３…空間
３０４…回転軸
３０５…栓
３０６…中空部
３０８…分岐流路
３０９…酸化ガス吸気管
３１０…酸化ガス供給配管
３４０…酸化ガス排気管
３５０…調圧弁
３６０…モータ
３７０…冷却水供給配管
３７２…インジェクタ
３７４…シール部
３７６…ヘリカルプレート
３８０…ポンプ
３９０…冷却水排出管
【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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【図８】
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