JP2009301845A - 燃料電池システム、燃料電池車両 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、高吐出圧の状況下でも、燃料電池に対して流量を大きくして空気供給を行うことができる構成を備えた燃料電池システムを提供することを目的とする。また、この発明の他の目的は、燃料電池への空気供給に関する構成が改良された燃料電池システムを搭載した燃料電池車両を提供することである。
【解決手段】燃料電池スタック１０のカソードに、スクロールコンプレッサ２２とターボコンプレッサ３０を用いて空気を供給する。ターボコンプレッサ３０がスクロールコンプレッサ２２の吸気圧を増加させることにより、スクロールコンプレッサ２２の流量を増加する。
【選択図】図１

Description

この発明は、燃料電池システム、および、燃料電池システムを搭載した燃料電池車両に関する。

水素および酸素を反応ガスとして発電を行う燃料電池システムに関し、実用化に向けて様々な検討が行われている。その中で、燃料電池に空気を供給するための空気供給系について、種々の構成が提案されている。特開２００７−９５４８５号公報では、ターボ型エアコンプレッサを用いて燃料電池に空気を供給する燃料電池システムが提案されている。

特開２００７−９５４８５号公報 特表２００５−５０７１３６号公報 特開２００５−１３５９１０号公報 特開２００３−１２９９６１号公報

エアコンプレッサを燃料電池システムの空気供給機構として用いる場合、通常、エアコンプレッサには次に述べる２つの機能が期待されている。１つめの機能は、燃料電池に対して、発電に必要な分の酸素量を含む十分な量の空気を、ある程度大きな流量で供給するという機能である。この機能は、燃料電池の発電時に発電電流量に応じた量の空気を送らなければならないという背景から要求される。２つめの機能は、高吐出圧でも大流量の空気供給が可能であるという機能である。この機能は、燃料電池の発電中にカソード側の背圧を高くしたいという背景や、空気供給系の圧損を考慮するという背景から、要求される。

上記従来の燃料電池システムでは、ターボ型エアコンプレッサを用いて、燃料電池に空気を供給している。しかしながら、ターボ型エアコンプレッサは、漏れ量が多いため、吐出圧が高くなると流量を大きく確保することができない。このため、カソード側の背圧が高い場合には大流量での空気供給を行うことが困難となり、前述の２つの要求機能の双方を両立させることが難しい。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、高吐出圧の状況下でも、燃料電池に対して流量を大きくして空気供給を行うことができる構成を備えた燃料電池システムを提供することを目的とする。

また、この発明の他の目的は、燃料電池への空気供給に関する構成が改良された燃料電池システムを搭載した燃料電池車両を提供することである。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
空気の供給を受けて発電する燃料電池と、
前記燃料電池に空気を供給する容積型エアコンプレッサと、
前記容積型エアコンプレッサの吸気口に接続し、該吸気口に圧縮空気を供給することができるターボ型エアコンプレッサと、
を備えることを特徴とする。

また、第２の発明は、上記の目的を達成するため、
第１の発明の燃料電池システムを搭載し、該燃料電池システムの発電した電力を利用して走行する燃料電池車両であって、
前記燃料電池車両を移動させるための回転動力を発生する駆動モータと、
前記駆動モータと前記容積型エアコンプレッサとを接続して該駆動モータの回転動力の一部を該容積型エアコンプレッサに伝達することにより、該容積型エアコンプレッサを駆動する伝達機構と、
をさらに備えることを特徴とする。

また、第３の発明は、第２の発明において、
前記伝達機構が、前記駆動モータと前記容積型エアコンプレッサとを所定の変速比で接続する機構であり、
前記駆動モータとは別のモータであって、前記ターボ型エアコンプレッサを駆動するための回転動力を発生するエアコンプレッサ用モータと、
前記燃料電池車両の加速時に、前記エアコンプレッサ用モータを制御することにより、前記容積型エアコンプレッサの吸気圧が上昇するように前記ターボ型エアコンプレッサを駆動させる加速時制御手段と、
を備えることを特徴とする。

また、第４の発明は、第２または第３の発明において、
前記燃料電池車両の減速時に、前記容積型エアコンプレッサの吸気圧を低下させる圧力低下手段を備えることを特徴とする。

また、第５の発明は、第４の発明において、
前記ターボ型エアコンプレッサが、前記容積型エアコンプレッサの吸気口に向かってガスを送る方向とは反対の向きにタービンを回転させる逆回転モードで動作可能であり、
前記圧力低下手段が、前記燃料電池車両の減速時に前記ターボ型エアコンプレッサを前記逆回転モードで動作させることにより、前記容積型エアコンプレッサの吸気圧を低下させることを特徴とする。

また、第６の発明は、上記の目的を達成するため、
第１の発明の燃料電池システムを搭載し、該燃料電池システムの発電した電力を利用して走行する燃料電池車両であって、
前記燃料電池車両の走行抵抗相当の電力を発電可能な量の空気が前記燃料電池に対して供給されるように、該燃料電池車両の走行速度が大きければ大きいほど、前記容積型エアコンプレッサの回転数を多くする第１制御手段と、
前記燃料電池車両の加速時に、前記容積型エアコンプレッサの吸気圧が上昇するように、前記ターボ型エアコンプレッサを駆動させる第２制御手段と、
をさらに備えることを特徴とする。

第１の発明によれば、高吐出圧の状況下での空気供給機能を容積型エアコンプレッサによって確保し、その上で、ターボ型コンプレッサの支援により大流量の空気供給機能を確保することができる。具体的には、第１の発明によれば、容積型エアコンプレッサが燃料電池に空気を供給している状況下で、ターボ型エアコンプレッサによって容積型エアコンプレッサの吸気圧を上昇させることができる。容積型エアコンプレッサの吸気圧を増加させることにより、燃料電池への空気流量を増加することができる。

第２の発明によれば、駆動モータが、燃料電池車両を移動させるための動力を発生するとともに、容積型エアコンプレッサの駆動も行う。これにより、容積型エアコンプレッサを駆動するための専用のモータを、小型化又は省略することができる。

第３の発明によれば、駆動モータの回転数が大きくなるほど容積型エアコンプレッサの回転数が増加する。このため、燃料電池車両の走行速度の上昇に応じて、容積型エアコンプレッサが燃料電池に供給する空気量を増加させることができる。その上で、第３の発明によれば、燃料電池車両の加速時に、ターボ型コンプレッサが容積型エアコンプレッサの吸気圧を上昇させる。これにより、燃料電池車両の加速時に、加速に必要な電力を発電するための空気が供給されるように、燃料電池への空気供給量を増加することができる。

第４の発明によれば、燃料電池車両の減速時に、容積型エアコンプレッサの吸気圧を低下させることができる。容積型エアコンプレッサの吸気圧が低下すると、容積型エアコンプレッサの圧縮比が増加する。これにより、容積型エアコンプレッサの仕事量が増加する。容積型エアコンプレッサが駆動モータと接続しているため、結果的に駆動モータの制動力を得ることができる。

第５の発明によれば、タービンを逆回転させることにより容積型エアコンプレッサの吸気圧を低下させ、駆動モータの制動力を得ることができる。

第６の発明によれば、容積型エアコンプレッサに、燃料電池車両の定常走行に必要となる分相当の空気供給の役割を分担させ、ターボ型エアコンプレッサに、燃料電池車両の加速時の空気供給の役割を分担させることができる。

実施の形態１．
以下、実施の形態１の燃料電池システムと、この燃料電池システムを搭載する実施の形態１の燃料電池車両とを説明する。図１は、本発明の実施の形態１にかかる、燃料電池システムおよび燃料電池車両の構成を示す。図１では、説明の簡略化のため、燃料電池車両の構成のうち本実施形態で特に言及しない構成を省略している。

［実施の形態１のシステム構成］
実施の形態１の燃料電池システムは、燃料電池スタック１０を備えている。燃料電池スタック１０は、多数の単位セルが積層されることにより構成されたものである。個々の単位セルは、その内部に、膜電極接合体（MEA：Membrane Electrode Assembly）を備えている。膜電極接合体は、プロトン伝導性の固体高分子電解質膜の両面に電極触媒層が設けられたものである。膜電極接合体の両面のうち、一方の面がアノードとして、他方の面がカソードとして機能する。

膜電極接合体のアノード側には、水素を面内に流通させるためのガス流路が形成されている。また、膜電極接合体のカソード側には、空気を面内に流通させるためのガス流路が形成されている。個々の単位セルは、アノードに水素の供給を受け、カソードに空気の供給を受け、水素と酸素とによる電気化学的反応によって発電する。さらに、個々の単位セルは、集電板（セパレータ）によって隣接する単位セルから隔離されている。燃料電池スタック１０には、図示しないカソードガスマニホールドが形成されている。カソードマニホールドは、個々の単位セルのカソード側のガス流路と接続する。このように複数の単位セルを積層して構成された燃料電池スタックの構成は公知であるため、これ以上の説明は省略する。

実施の形態１の燃料電池システムでは、燃料電池スタック１０に対して、２つのエアコンプレッサが接続されている。

第１のエアコンプレッサは、容積型コンプレッサであるスクロール型のコンプレッサ２２（以下、スクロールコンプレッサ２２と称す）である。実施の形態１の燃料電池システムでは、図１に示すように、スクロールコンプレッサ２２の吐出口と、燃料電池スタック１０のカソードマニホールドの入口とが、管路２０を介して接続される。

第２のエアコンプレッサは、ターボ型のエアコンプレッサ３０（以下、ターボコンプレッサ３０と称す）である。ターボコンプレッサ３０のタービン３２と、スクロールコンプレッサ２２の吸気口とが、管路２４を介して連通する。ターボコンプレッサ３０は、タービン３２と、タービン３２を回転させるためのモータ３４と、エキスパンダ３６とを備える。タービン３２は、管路２６を介して大気を取り込み、スクロールコンプレッサ２２の吸気口側に送ることができる。

このようなシステム構成によれば、スクロールコンプレッサ２２が燃料電池スタック１０に空気を供給している状況下で、ターボコンプレッサ３０によって管路２４に圧縮空気を供給することができる。

容積型エアコンプレッサの流量は、ほぼ吸気口側の圧力（吸気圧）に比例する。つまり、容積型のエアコンプレッサは、吐出口側の圧力を一定とした場合、吸気口側の圧力が高くなればなるほどそれに比例して多くの空気を流すことができる。従って、実施の形態１によれば、必要に応じて、スクロールコンプレッサ２２の吸気口側の圧力を上昇させ、スクロールコンプレッサ２２による燃料電池スタック１０への空気流量を増加することができる。

一方、図１に示すように、実施の形態１の燃料電池システムは、燃料電池スタック１０のカソードマニホールドの出口に接続する管路４０を備えている。管路４０は、調圧弁４２を介して、さらに管路４４に接続する。調圧弁４２を操作することにより、燃料電池スタック１０のカソード側の背圧を調節できる。管路４４は、ターボコンプレッサ３０のエキスパンダ３６と、管路４６とに順次連通する。

実施の形態１では、次に述べる理由により、少なくとも通常発電中には、燃料電池スタック１０のカソード側の背圧がある程度高い状態で燃料電池システムを運転する。発電中、燃料電池スタック１０内部の電解質膜は、適度な湿潤状態に置かれることが好ましい。仮に、燃料電池スタック１０のカソード側を大気開放状態にして発電を行った場合、カソードを流れる空気による水分の持ち去り量が多くなりすぎて、電解質膜が乾燥してしまうおそれがある。このような事態を防ぐために、実施の形態１では、カソード側の背圧をある程度高くして水分の持ち去り量を抑えるように、調圧弁４２の開度が調節される。

実施の形態１にかかる燃料電池車両は、駆動モータ５６を備えている。駆動モータ５６は、図示しないバッテリやインバータなどの車両駆動用の各種機器と接続する。駆動モータ５６は、これらの機器を介して、燃料電池スタック１０の発電電力を利用することにより回転する。駆動モータ５６は、ギア５２、５４を回転させる。ギア５４は実施の形態１の燃料電池車両の車輪（図示せず）と接続しており、ギア５４が駆動モータ５６からの回転動力をこの車輪へと伝達する。

実施の形態１では、スクロールコンプレッサ２２を駆動するための動力を、駆動モータ５６から得る。具体的には、図１に示すように、スクロールコンプレッサ２２が、ギア５０、５２を介して、駆動モータ５６に機械的に接続している。このような構成によれば、駆動モータ５６が、図示しない車輪を駆動するとともに、スクロールコンプレッサ２２も駆動させる。これにより、スクロールコンプレッサ２２を駆動するための専用のモータを省略することができる。

スクロール型のコンプレッサを含む種々の容積型エアコンプレッサは、高吐出圧であっても回転数に比例した量の空気を供給することができる。このため、燃料電池のカソード側の背圧を高くしてシステムを運転するという観点からは、容積型エアコンプレッサは好適である。

しかしながら、容積型エアコンプレッサによって高吐出圧のもとで空気を流入させるには、相応の高いトルクを発する大型のモータが必要になる。このため、容積型エアコンプレッサを用いる場合、容積型エアコンプレッサ駆動用の専用モータの体格が大型化し、結果的に燃料電池システムの大型化を招くおそれがある。

この点、実施の形態１では、駆動モータ５６によってスクロールコンプレッサ２２を駆動させている。これにより、スクロールコンプレッサ２２を駆動するためのモータを省略し、システムの大型化を防ぐことができる。

実施の形態１に係る燃料電池システムは、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）６０を備えている。ＥＣＵ６０は、モータ３４（具体的には図示しないモータコントローラ）や調圧弁４２に接続している。

なお、実施の形態１の燃料電池システムは、図示しない水素タンクや水素調圧弁等を含む水素供給系を備えている。水素供給系については公知の構成であるので、ここでは説明を省略する。

［実施の形態１の燃料電池車両の動作］
次に、実施の形態１の燃料電池車両の動作を説明する。

（定常走行時）
実施の形態１の燃料電池車両が定常走行を行っているときには、スクロールコンプレッサ２２のみが駆動し、ターボコンプレッサ３０は基本的に空回しの状態とされる。つまり、モータ３４に対して電力が供給されない状態とされる。

燃料電池車両の燃料電池システムは、少なくとも、定常走行中（速度一定の運転中）に車両が受ける走行抵抗（R/L: Road load）分の電力と、加速時に必要なエネルギー分の電力と、を発電する必要がある。車両の走行抵抗（R/L：Road load）は、車両の移動速度が大きいほど、大きくなる。従って、車速が大きくなればなるほど定常走行のために発電すべき電力量は多くなり、これに伴って燃料電池スタック１０に供給すべき空気量も多くなる。

上述したように、実施の形態１では、駆動モータ５６からスクロールコンプレッサ２２にギア５０、５２を介して回転動力が伝達されるので、駆動モータ５６の回転数が大きくなるほどスクロールコンプレッサ２２の回転数も増加する。このため、燃料電池車両の走行速度の上昇に応じて、スクロールコンプレッサ２２が燃料電池スタック１０に供給する空気量が増加することになる。このように、実施の形態１によれば、定常走行用の発電量が増加するのに合わせて、空気供給量を増加していくことができる。

なお、一例として、ギア５０、５２のギア比は、下記（１）〜（４）の手順で定めることができる。
（１）先ず、ある車速（例えば車両の最高速度）を基準車速として決定し、基準車速における走行抵抗を求める。
（２）続いて、基準車速における走行抵抗相当の電力を発生するために燃料電池スタック１０が必要とする単位時間当りの空気流量（以下、Ｑ_１と記す）を、算出する。
（３）次いで、この空気流量Ｑ_１を実現するスクロールコンプレッサ２２の回転数を、スクロールコンプレッサ２２の回転数−流量特性から特定する。
（４）基準車速時における駆動モータ５６の回転数が、空気流量Ｑ_１を実現するスクロールコンプレッサ２２の回転数に変速されるように、ギア５０、５２を設計する。

このような構成によれば、燃料電池車両が基準車速で走行しているときに、スクロールコンプレッサ２２のみの駆動によって、基準車速の走行抵抗相当の電力を発電可能な量の空気が燃料電池スタック１０に供給される。なお、実施の形態１では、２つのギアで駆動モータ５６とスクロールコンプレッサ２２を接続するように図示しているが、ギアの数やレイアウトは必要に応じて変更してもよい。また、実施の形態１ではギア比を固定にしているが、複数のギア比に切替可能な機構を採用してもよい。

（加速時）
実施の形態１の燃料電池車両の加速時には、ＥＣＵ６０の制御信号によってモータ３４が制御され、管路２４へと空気を送り込むようにターボコンプレッサ３０が動作する。これにより、ターボコンプレッサ３０がスクロールコンプレッサ２２の吸気口側の圧力を上昇させ、燃料電池スタック１０への空気流量が増加する。その結果、燃料電池スタック１０に、定常走行中の走行抵抗分相当の空気量に加えて、加速に必要な電力を発電するための空気を供給することができる。

なお、実施の形態１の燃料電池システムによれば、調圧弁４２から排出されたカソードオフガスの流れを、エキスパンダ３６によってターボコンプレッサ３０の駆動に利用することができる。

（減速時）
実施の形態１の燃料電池車両の減速時には、先ず、駆動モータ５６を利用した回生制動を行い、バッテリ（不図示）を充電する。そして、実施の形態１では、バッテリが満充電である場合には、スクロールコンプレッサ２２の吸気口側の空気の圧力が低下するようにターボコンプレッサ３０を駆動させる。具体的には、ＥＣＵ６０が制御信号を発し、上記の加速時とは反対の向きにタービン３２が回転するように、モータ３４を駆動する。

このような動作によりスクロールコンプレッサ２２の吸気圧が低下し、スクロールコンプレッサ２２の圧縮比（吐出口側の圧力と吸気口側の圧力の比）が増加する。その結果スクロールコンプレッサ２２の仕事量が増加し、スクロールコンプレッサ２２が駆動モータ５６と接続しているため駆動モータ５６側の負荷が増加する。結果として、駆動モータ５６の制動力を得ることができる。

［実施の形態１の変形例］
実施の形態１では、駆動モータ５６とスクロールコンプレッサ２２とを、ギア５０、５２を用いて接続した。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。例えばベルトを用いて、駆動モータ５６の回転動力をスクロールコンプレッサ２２に供給しても良い。

実施の形態１では、容積型エアコンプレッサの１つであるスクロールコンプレッサ２２を利用して、システムを構築した。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。スクロールコンプレッサ２２を、他の容積型エアコンプレッサと交換してもよい。例えば、ルーツ型のエアコンプレッサを、スクロールコンプレッサ２２に変えて用いても良い。なお、実施の形態１ではエキスパンダ３６を用いたが、本発明はこれに限られず、エキスパンダを設けなくとも良い。なお、ターボコンプレッサ３０とスクロールコンプレッサ２２を、ターボコンプレッサ３０の使用時以外は接続せずに、必要な場合にのみ接続できるようにしてもよい。

なお、実施の形態１では、スクロールコンプレッサ２２の動力を駆動モータ５６から得たが、本発明はこれに限られるものではない。スクロールコンプレッサ２２の駆動用に専用のモータを備えてもよい。この場合、ＥＣＵ６０に、スクロールコンプレッサ２２のモータとターボコンプレッサ３０のモータ３４とを、下記の（i）および（ii）のように制御させてもよい。
（i）燃料電池車両の走行抵抗相当の電力を発電可能な量の空気が燃料電池スタック１０に供給されるように、燃料電池車両の走行速度が大きければ大きいほどスクロールコンプレッサ２２の回転数を多くする。
（ii）実施の形態１と同様に、燃料電池車両の加速時にターボコンプレッサ３０によるアシストを行い、燃料電池スタック１０への空気供給量を増大する。

これにより、スクロールコンプレッサ２２に、燃料電池車両の定常走行分の空気供給の役割を分担させ、ターボコンプレッサ３０に、燃料電池車両の加速時の空気供給の役割を分担させることができる。

なお、上記の説明では、実施の形態１の燃料電池システムが車両に搭載されていることを前提にしている。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。図１の構成において駆動モータ５６およびギア５０、５２、５４を備えず、スクロールコンプレッサ２２の駆動用に専用のモータを備える燃料電池システムを構築してもよい。このような構成においても、必要に応じてターボコンプレッサ３０によってスクロールコンプレッサ２２の吸気口側の圧力を上昇させ、燃料電池スタック１０への空気流量を増加することができる。

本発明の実施の形態１の燃料電池システムおよび燃料電池車両を示す図である。

符号の説明

１０ 燃料電池スタック
２０、２４、２６ 管路
２２ スクロールコンプレッサ
３０ ターボコンプレッサ
３２ タービン
３４ モータ
３６ エキスパンダ
４０、４４、４６ 管路
４２ 調圧弁
５０、５２、５４ ギア
５６ 駆動モータ

Claims (6)

1. 空気の供給を受けて発電する燃料電池と、
   前記燃料電池に空気を供給する容積型エアコンプレッサと、
   前記容積型エアコンプレッサの吸気口に接続し、該吸気口に圧縮空気を供給することができるターボ型エアコンプレッサと、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムを搭載し、該燃料電池システムの発電した電力を利用して走行する燃料電池車両であって、
   前記燃料電池車両を移動させるための回転動力を発生する駆動モータと、
   前記駆動モータと前記容積型エアコンプレッサとを接続して該駆動モータの回転動力の一部を該容積型エアコンプレッサに伝達することにより、該容積型エアコンプレッサを駆動する伝達機構と、
   をさらに備えることを特徴とする燃料電池車両。
3. 前記伝達機構が、前記駆動モータと前記容積型エアコンプレッサとを所定の変速比で接続する機構であり、
   前記駆動モータとは別のモータであって、前記ターボ型エアコンプレッサを駆動するための回転動力を発生するエアコンプレッサ用モータと、
   前記燃料電池車両の加速時に、前記エアコンプレッサ用モータを制御することにより、前記容積型エアコンプレッサの吸気圧が上昇するように前記ターボ型エアコンプレッサを駆動させる加速時制御手段と、
   を備えることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池車両。
4. 前記燃料電池車両の減速時に、前記容積型エアコンプレッサの吸気圧を低下させる圧力低下手段を備えることを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池車両。
5. 前記ターボ型エアコンプレッサが、前記容積型エアコンプレッサの吸気口に向かってガスを送る方向とは反対の向きにタービンを回転させる逆回転モードで動作可能であり、
   前記圧力低下手段が、前記燃料電池車両の減速時に前記ターボ型エアコンプレッサを前記逆回転モードで動作させることにより、前記容積型エアコンプレッサの吸気圧を低下させることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池車両。
6. 請求項１に記載の燃料電池システムを搭載し、該燃料電池システムの発電した電力を利用して走行する燃料電池車両であって、
   前記燃料電池車両の走行抵抗相当の電力を発電可能な量の空気が前記燃料電池に対して供給されるように、該燃料電池車両の走行速度が大きければ大きいほど、前記容積型エアコンプレッサの回転数を多くする第１制御手段と、
   前記燃料電池車両の加速時に、前記容積型エアコンプレッサの吸気圧が上昇するように、前記ターボ型エアコンプレッサを駆動させる第２制御手段と、
   をさらに備えることを特徴とする燃料電池車両。

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