JP4375963B2 - 燃料電池装置および冷空気プロセス空調装置または冷空気プロセスヒートポンプに用いられる空気圧縮装置 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、特に燃料電池装置車両に用いられる装置であって、コンプレッサが設けられており、該コンプレッサが、冷空気プロセス空調装置または冷空気プロセスヒートポンプの作業媒体を成す空気を圧縮するようになっている形式のものに関する。さらに、本発明は、冷空気プロセス空調装置または冷空気プロセスヒートポンプの特殊な使用および圧縮された空気を燃料電池装置に供給するコンプレッサの特殊な使用に関する。
【０００２】
燃料電池装置という概念は、ここでは、本来の燃料電池のほかに、場合によっては改質器も含んでいてよい。たとえば燃料電池装置車両に用いられる燃料電池装置が、この燃料電池装置を（場合によって存在する燃料改質器も含めて）運転するためにエアコンプレッサもしくはコンプレッサを必要とすることが知られている。このコンプレッサは、燃料電池装置の内部で行われるプロセスのために必要となる空気を圧縮し、これによって、空気が、たとえば１ｂａｒであってよい周囲圧から、たとえば２ｂａｒ以上のより高い圧力に圧縮される。これに相俟って、たとえばピストン（往復動）コンプレッサ、スクロールコンプレッサまたはターボコンプレッサを使用することが知られている。この場合、コンプレッサを駆動するためには電動モータが使用される。実施されたコンプレッサ作業の一部を、燃料電池装置の排ガス系統に設けられた膨張器もしくは膨張機械によって再び取り戻すことが可能となる。この事例では、コンプレッサと、このコンプレッサを駆動する電動モータと、膨張器とが、たとえば１つの共通の軸に配置されていてよい。燃料電池プロセスおよび場合によって設けられた改質器プロセスと潤滑オイルとの不適合性のため、一般的にオイルなしのコンプレッサと膨張器とが使用される。
【０００３】
さらに、燃料電池装置車両に相俟って、このような形式の車両に空調装置を装備することが知られている。この空調装置は冷蒸気圧縮プロセスに基づき作業する。このような形式の空調装置のコンプレッサは、たとえば気密なコンプレッサとして形成されていてよい。このコンプレッサでは、コンプレッサの電動式の駆動モータとコンプレッサとが１つの共通のハウジング内に軸貫通案内なしに収納されている。
【０００４】
さらに、空調技術の分野に基づき、冷空気プロセス空調装置が知られている。この冷空気プロセス空調装置では、空気が冷却プロセスもしくは冷房プロセスのための作業媒体を成している。このような形式の既知の冷空気プロセス空調装置は図１に示してある。図１に示した冷空気プロセス空調装置はコンプレッサ１を有している。このコンプレッサ１は電動モータ２によって駆動される。コンプレッサ１は、周囲または規定された室から吸い込まれた空気を圧縮する。これによって、この空気が暖められる。その後、暖められて圧縮された空気が熱交換器５に供給される。この熱交換器５では、圧縮された空気から熱エネルギが奪い取られる。この熱エネルギは、図示の事例では、たとえば車両キャビン４から到来し得る空気に供給される。圧縮された空気が熱交換器５を通過した後、圧縮された空気は膨張器３に供給される。この場合、膨張過程によって空気の温度が低下する。その後、（コンプレッサ１によって吸い込まれる空気よりも）低い温度を有する空気を、たとえば車両キャビン４に供給することができる。膨張器３を介して、コンプレッサ作業の一部を取り戻すことができる。なぜならば、膨張機械もしくは膨張器３と、電動モータ２と、コンプレッサ１とが、図１によれば、１つの共通の軸に配置されているからである。
【０００５】
前述した説明から、公知先行技術によれば、たとえば空調装置を装備した燃料電池装置車両が、２つの駆動装置を備えた２つのコンプレッサを有していることが生ぜしめられる。これによって、たとえば車両重量が望ましくない形式で増加する。
【０００６】
発明の利点
本発明による装置では、コンプレッサによって圧縮された空気の少なくとも一部が、燃料電池装置に供給されるようになっていることによって、装置がただ１つのコンプレッサさえ有していればよい。これによって、たとえば装置の重量および／または総費用を削減することができる。このことは、たとえば燃料電池装置車両において極めて有利に作用する。
【０００７】
本発明による装置の有利な構成では、冷空気プロセス空調装置が、第１の熱交換器を有しており、該第１の熱交換器に、コンプレッサによって圧縮された空気の、燃料電池装置に供給されない部分が供給されるようになっている。第１の熱交換器は、圧縮された空気から熱エネルギを奪い取るために働く。この熱エネルギは、たとえば空気流に供給することができる。この空気流は第１の熱交換器を通って案内される。当然ながら、熱エネルギは別の媒体に伝達されてもよい。これに相俟って、たとえば冷空気空調プロセスまたは冷空気ヒートポンププロセスのための自体公知の回路を使用することができる。この場合、１つまたはそれ以上のコンプレッサ段と、１つまたはそれ以上の膨張段もしくは膨張器とが設けられていてよい。
【０００８】
本発明による装置の有利な構成では、燃料電池装置に供給される圧縮された空気が、１．５ｂａｒよりも高い圧力、たとえば２ｂａｒの圧力を有している。２ｂａｒの圧力レベルは、多くの事例において、自体公知の燃料電池装置を運転するために適している。
【０００９】
さらに、本発明による装置の有利な構成では、第１の熱交換器から流出した圧縮された空気が、第１の膨張器に供給されるようになっている。空気の膨張によって空気の温度が低下する。この場合、一般的には、コンプレッサによって吸い込まれる空気が有する温度値よりも著しく低い温度値が得られる。
【００１０】
特に燃料電池装置から流出した圧縮された空気の温度もしくは流出した圧縮された排ガスの温度が高い場合には、有利には、燃料電池装置に第２の熱交換器が後置されており、この第２の熱交換器によって、燃料電池装置から流出した圧縮された空気もしくは圧縮された排ガスが冷却されるようになっている。
【００１１】
付加的または択一的には、本発明による装置の有利な構成では、燃料電池装置から流出した圧縮された空気もしくは流出した圧縮された排ガスが、（場合によっては第２の熱交換器を介して）第２の膨張器に供給されるようになっている。これは、特に第１の膨張器から流出した空気が、たとえば乗客室の冷房のために使用されることが望ましく、かつ燃料電池装置から流出した空気もしくは流出した排ガスが、冷房のために使用される空気と混合されることが望まれていない場合に有利となり得る。
【００１２】
低い温度を備えた、第１の膨張器から流出した空気は、上述したように、たとえば車両の車両内室に供給することができる。これによって、この車両内室が冷房される。
【００１３】
これに相俟って、本発明による装置の有利な構成では、第１の膨張器から流出した空気が、第３の熱交換器に供給されるようになっている。この第３の熱交換器は、たとえば冷房のために使用される空気の温度を低下させるために設けることができる。この構成は、特に燃料電池装置から流出した圧縮された空気もしくは流出した圧縮された排ガスおよび第１の熱交換器から流出した圧縮された空気が同じ（第１の）膨張器に供給され、かつ燃料電池装置から流出した空気もしくは流出した排ガスが冷空気として直接使用されることが見込まれていない場合に使用することができる。
【００１４】
上述したように、圧縮された空気から第１の熱交換器で熱エネルギが奪い取られるようになっている。
【００１５】
このためには、第１の熱交換器に、圧縮された空気の熱エネルギが伝達される媒体が供給されるようになっていると有利である。この場合、第１の熱交換器に供給される媒体は、たとえば冷空気プロセス空調装置によって冷房された室、たとえば上述した車両内室からの空気であってよい。これに対して、ヒートポンプ運転では、たとえば車両内室が暖房され、周囲から熱が奪い取られる。
【００１６】
コンプレッサが、電動モータの形の電気機械によって駆動されると有利である。
【００１７】
さらに、効率を改善するためには、第１の膨張器および／または第２の膨張器もしくは膨張機械が、圧縮作業の一部を再び取り戻すようになっていると有利である。
【００１８】
本発明による装置の有利な構成では、第１の膨張器および／または第２の膨張器から取り戻された圧縮作業をシステムに再び供給するために、コンプレッサと、該コンプレッサを駆動する電動モータと、第１の膨張器および／または第２の膨張器とが、動力を伝達するように結合可能である。
【００１９】
この目的のためには、コンプレッサと、該コンプレッサを駆動する電動モータと、第１の膨張器および／または第２の膨張器とが、１つの共通の軸に配置されているかまたは伝動装置によって連結された軸に配置されていると有利である。
【００２０】
本発明による装置の有利な構成では、コンプレッサの出力および／またはコンプレッサを駆動する電動モータの出力が、燃料電池装置によって要求されたピーク出力に相当しているように設定されている。この事例では、空調の省略によって、燃料電池装置により生ぜしめられる比較的まれなピーク負荷事例の間、多くの事例において、通常、燃料電池装置に空気を供給するコンプレッサのためにいずれにせよ提供される出力にほぼ相当する出力を備えたコンプレッサを使用することができる。
【００２１】
本発明の特許請求の範囲には、燃料電池装置に供給される圧縮された空気のための源としての冷空気プロセス空調装置または冷空気プロセスヒートポンプのあらゆる使用が含まれる。
【００２２】
本発明の特許請求の範囲には、類似して、空調装置またはヒートポンプの作業媒体を成すかまたは一緒に成す圧縮された空気のための源としての、圧縮された空気を燃料電池装置に供給するコンプレッサのあらゆる使用が含まれる。
【００２３】
本発明は、たとえば燃料電池装置車両を可能にしている。この燃料電池装置車両は空調装置とエアコンプレッサとを有している。この場合、公知先行技術に比べてほぼ同じ効率の場合には、車両総重量だけでなく費用も低減することができる。相乗効果および同時効果に基づき、構成に応じて、使用されるコンプレッサの出力を、公知先行技術により使用される両コンプレッサの総和よりも少なくすることができる。
【００２４】
実施例の説明
以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。
【００２５】
図２には、本発明による装置の第１の構成が示してある。この第１の構成には、ただ１つのコンプレッサ１しか設けられていない。このコンプレッサ１は電動モータ２によって駆動される。コンプレッサ１は周囲空気を吸い込み、この周囲空気を圧縮する。これによって、圧縮された空気は、コンプレッサ１によって吸い込まれる空気よりも高い温度を有している。コンプレッサ１によって圧縮された空気の一部は第１の熱交換器５に供給される。この第１の熱交換器５は冷空気プロセス空調装置の構成要素である。第１の熱交換器５では、通流する圧縮された空気から、この空気が、図示の事例では車両キャビン４から到来する空気に伝達されることによって熱エネルギが奪い取られる。コンプレッサ１によって圧縮された空気の、第１の熱交換器５に供給されない部分は燃料電池装置６に供給される。これによって、この燃料電池装置６の運転が可能となる。第１の熱交換器５から流出した空気だけでなく、燃料電池装置６から流出した空気も、図２に示した構成では、第１の膨張器３に供給される。空気の膨張によって空気の温度が低下するので、第１の膨張器３から流出した空気は、たとえば車両キャビン４の冷房のために使用することができる。さらに、第１の膨張器３は、コンプレッサ作業の一部を取り戻しかつこの取り戻されたエネルギをコンプレッサ１の駆動システムに供給するために適している。このためには、第１の膨張器３もしくは膨張機械３と、電動モータ２と、コンプレッサ１とが１つの共通の軸に配置されている。
【００２６】
図３には、本発明による装置の第２の構成が示してある。この第２の構成では、燃料電池装置６から流出した空気もしくは流出した排ガスと、冷房のために提供される冷空気との混合が回避される。この目的のためには、第２の膨張器７が設けられている。この第２の膨張器７には、燃料電池装置６から流出した圧縮された空気もしくは流出した圧縮された排ガスが供給される。第２の膨張器７も、圧縮作業の一部を取り戻しかつこの取り戻されたエネルギをコンプレッサ１の駆動システムに供給するために適している。この目的のためには、第２の膨張器７が、コンプレッサ１、電動モータ２および第１の膨張器３と同じ軸に配置されている。
【００２７】
図４には、本発明による装置の第３の構成が示してある。この第３の構成は、図２に示した第１の構成にほぼ相当している。図４に示した本発明による装置の第３の構成では、燃料電池装置６に第２の熱交換器８が後置されている。この第２の熱交換器８は、燃料電池装置６から流出した圧縮された空気もしくは流出した圧縮された排ガスを、第１の膨張器３に供給する前に冷却するために働く。
【００２８】
図５には、本発明による装置の第４の構成が示してある。この第４の構成は、図４に示した第３の構成で形成されている。図４に示した第３の構成に比べて、図５に示した本発明による装置の第４の構成は第３の熱交換器９を有している。この第３の熱交換器９は第１の膨張器３に後置されている。この構成では、確かに第１の熱交換器５から流出した空気が、燃料電池装置６から流出した空気もしくは燃料電池装置６から流出した排ガスと混合されるが、しかし、第１の膨張器３から流出した混合された空気は車両内室に直接供給されない。その代わりに、第１の膨張器３から流出した冷空気は、たとえば車両内室を冷房するために提供される空気の温度を低下させるために第３の熱交換器９に使用される。
【００２９】
当業者にとって明らかであるように、図２〜図５に示した本発明の構成は適切に組み合わせることができる。
【００３０】
本発明は、燃料電池装置車両での使用に限定されるものではなく、たとえば建物へのエネルギ供給および建物の冷房のための燃料電池装置だけでなく空調装置が設けられている至るところで使用することができる。
【００３１】
本発明による実施例の前記説明は図解目的のためにしか使用されず、本発明の限定の目的のためには使用されない。本発明の範囲ならびに本発明の等価性を逸脱することなしに、本発明の枠内で種々異なる変更および修正が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 公知先行技術による冷空気プロセス空調装置を示す図である。
【図２】 本発明による装置の第１の構成を示す図である。
【図３】 燃料電池装置排ガスと冷空気との混合が回避される、本発明による装置の第２の構成を示す図である。
【図４】 燃料電池装置から流出した空気もしくは流出した排ガスのための冷却器が設けられた、本発明による装置の第３の構成を示す図である。
【図５】 第３の構成にほぼ相当しているものの、冷空気を使用するための熱交換器を付加的に装備した、本発明による装置の第４の構成を示す図である。
【符号の説明】
１ コンプレッサ、２ 電動モータ、３ 第１の膨張器、４ 車両キャビン、５ 第１の熱交換器、６ 燃料電池装置、７ 第２の膨張器、８ 第２の熱交換器、９ 第３の熱交換器

Claims (15)

1. 燃料電池装置車両に用いられる装置であって、コンプレッサ（１）が設けられており、該コンプレッサ（１）が、冷空気プロセス空調装置または冷空気プロセスヒートポンプの作業媒体を成す空気を圧縮するようになっている形式のものにおいて、コンプレッサ（１）によって圧縮された空気の少なくとも一部が、燃料電池装置（６）に供給されるようになっており、冷空気プロセス空調装置が、第１の熱交換器（５）を有しており、該第１の熱交換器（５）に、コンプレッサ（１）によって圧縮された空気の、燃料電池装置（６）に供給されない部分が供給されるようになっており、第１の熱交換器（５）から流出した圧縮された空気が、第１の膨張器（３）に供給されるようになっていることを特徴とする、装置。
2. 燃料電池装置（６）に、２ｂａｒの圧力を有する圧縮された空気が供給されるようになっている、請求項１記載の装置。
3. 燃料電池装置（６）から流出した圧縮された空気もしくは流出した圧縮された排ガスが、第１の膨張器（３）に供給されるようになっている、請求項１記載の装置。
4. 燃料電池装置（６）に第２の熱交換器（８）が後置されており、これによって、燃料電池装置（６）から流出した圧縮された空気もしくは流出した圧縮された排ガスが冷却されるようになっている、請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
5. 燃料電池装置（６）から流出した圧縮された空気もしくは流出した圧縮された排ガスが、第２の膨張器（７）に供給されるようになっている、請求項１または２記載の装置。
6. 第１の膨張器（３）から流出した空気が、燃料電池装置車両の車両内室に供給されるようになっている、請求項１記載の装置。
7. 第１の膨張器（３）から流出した空気が、第３の熱交換器（９）に供給されるようになっている、請求項１記載の装置。
8. 圧縮された空気から第１の熱交換器（５）で熱エネルギが奪い取られるようになっている、請求項１記載の装置。
9. 第１の熱交換器（５）に、圧縮された空気の熱エネルギが伝達される媒体が供給されるようになっている、請求項１記載の装置。
10. 第１の熱交換器（５）に供給される媒体が、冷空気プロセス空調装置によって冷房された室（４）からの空気である、請求項１記載の装置。
11. コンプレッサ（１）が、電動モータ（２）によって駆動されるようになっている、請求項１から１０までのいずれか１項記載の装置。
12. 第１の膨張器（３）または第２の膨張器（７）または第１の膨張器（３）および第２の膨張器（７）が、圧縮作業の少なくとも一部を再び取り戻すようになっている、請求項５記載の装置。
13. コンプレッサ（１）と、該コンプレッサ（１）を駆動する電動モータ（２）と、第１の膨張器（３）または第２の膨張器（７）とが、動力を伝達するように結合されているかまたはコンプレッサ（１）と、該コンプレッサ（１）を駆動する電動モータ（２）と、第１の膨張器（３）と、第２の膨張器（７）とが、動力を伝達するように結合されている、請求項５記載の装置。
14. コンプレッサ（１）と、該コンプレッサ（１）を駆動する電動モータ（２）と、第１の膨張器（３）または第２の膨張器（７）とが、１つの共通の軸に配置されているかまたは伝動装置によって連結された軸に配置されているかまたはコンプレッサ（１）と、該コンプレッサ（１）を駆動する電動モータ（２）と、第１の膨張器（３）と、第２の膨張器（７）とが、１つの共通の軸に配置されているかまたは伝動装置によって連結された軸に配置されている、請求項５または１３記載の装置。
15. コンプレッサ（１）の出力またはコンプレッサ（１）を駆動する電動モータ（２）の出力が、燃料電池装置（６）によって要求されたピーク出力に相当しているかまたは該ピーク出力を上回るように設定されている、請求項１から１４までのいずれか１項記載の装置。

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