JP2001351655A - 燃料電池用ガス供給装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料電池の下流側のガス温度をコントロール
する際に、排出ガス移動手段の駆動力の増加が少ない燃
料電池用ガス供給装置を提供することを目的とする。 【解決手段】 燃料電池１の下流側に設けた排出ガス移
動手段（容積型圧縮機２４）の下流側にタービン（Ｔ／
Ｃタービン２７）を配設し、燃料電池１の上流側にコン
プレッサ（Ｔ／Ｃコンプレッサ２６）を配し、該コンプ
レッサ（Ｔ／Ｃコンプレッサ２６）と前記タービン（Ｔ
／Ｃタービン２７）とは連動すべく連結されてなること
を特徴とする燃料電池用ガス供給装置を解決手段とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池用ガス供
給装置に関し、さらに詳しくは、燃料電池の下流側に設
けた排出ガス移動手段の下流側にタービンを配し、燃料
電池の上流側にコンプレッサを設けて２つが連動するよ
うにした燃料電池用ガス供給装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の燃料電池用ガス供給装置は、燃料
電池の上流側に空気圧縮機および加湿器を設けて、燃料
電池に供給する空気を加湿して供給していた。しかしな
がら、空気圧縮機下流側の機器・配管の圧力損失が大き
いので、空気圧縮機の駆動力が大きくなり、空気圧縮機
の吐出側のガス温度が上昇するために燃料電池入口のガ
ス温度を調整するための温度調整装置（熱交換器、配管
等）が必要であった。ところで、従来の燃料電池用ガス
供給装置の構成を簡略化し熱効率を高めるためには、空
気圧縮機を燃料電池の下流側に備えることが考えられ
る。この燃料電池用ガス供給装置は、図６に示すよう
に、燃料電池１００の上流側には、エアクリーナ１２１
及び水透過膜型加湿器１２３を上流から下流に向かって
順番に備え、燃料電池１００の下流側には、空気圧縮機
１２４、前記水透過膜型加湿器１２３、空気圧縮機１２
４の吐出温度を制御する圧力制御弁１２５を上流から下
流に順番に備えている。この燃料電池用ガス供給装置
は、燃料電池１００の下流側で空気圧縮機１２４を駆動
させることにより、燃料電池１００内の水を排出させ、
また空気圧縮機１２４下流側の圧力制御弁１２５で空気
圧縮機１２４の吐出圧力をコントロールすることで空気
圧縮機１２４の吐出温度をコントロールする。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この燃
料電池用ガス供給装置は、水透過膜型加湿器１２３にお
ける水透過効率を上げるために、空気圧縮機１２４の下
流側にある圧力制御弁１２５を調整して空気圧縮機１２
４の圧力比を上げ、断熱圧縮させることにより空気圧縮
機１２４の下流のガス温度を上げる構成をとるものであ
る。そのため、空気圧縮機１２４の駆動力が増加してし
まう懸念があり、これを改善することが望まれる。ま
た、燃料電池１００へ供給する供給空気の圧力が低いの
で、燃料電池１００内で水分が蒸発しやすくなり、その
結果、燃料電池１００内の固体高分子膜が乾燥しやすく
なる傾向がある。このため、燃料電池１００内の固体高
分子膜が乾燥しないように、水透過膜型加湿器１２３に
おける燃料電池１００へ供給する供給空気の水回収量
（加湿量）を増やす必要があり、水透過効率を上げるた
めに更に空気圧縮機１２４の吐出温度を上げなければな
らなくなって空気圧縮機１２４の駆動力が更に増えてし
まう懸念があり、これを改善することが望まれる。

【０００４】本発明は前記課題を解決するためになされ
たものであって、燃料電池の下流側のガス温度をコント
ロールする際に、排出ガス移動手段の駆動力の増加が少
ない燃料電池用ガス供給装置を提供することを目的とす
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
になされた本発明の請求項１に係る燃料電池用ガス供給
装置の発明は、燃料電池の下流側に設けた排出ガス移動
手段の下流側にタービンを配設し、燃料電池の上流側に
コンプレッサを配し、該コンプレッサと前記タービンと
は連動すべく連結されてなることを特徴とするものであ
る。

【０００６】このように、燃料電池の下流側に設けた排
出ガス移動手段の下流側にタービンを配設し、燃料電池
の上流側にコンプレッサを配し、該コンプレッサと前記
タービンとは連動すべく連結したことにより、排出ガス
移動手段の下流圧力を上昇させつつエネルギーを回収す
る手段と、その回収されたエネルギーを排出ガス移動手
段の駆動力に還元できるので排出ガス移動手段の駆動力
が低減できる。

【０００７】前記課題を解決するためになされた本発明
の請求項２に係る燃料電池用ガス供給装置の発明は、前
記タービンには、該タービンの前後を連通する連通路を
設け、該連通路は燃料電池の状態に応じて開閉してなる
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用ガス供給
装置である。

【０００８】このように、前記タービンには、該タービ
ンの前後を連通する連通路を設け、該連通路は燃料電池
の状態に応じて開閉してなるようにすることにより、タ
ービンの前後を連通する連通路のガス流量をコントロー
ルすることで、燃料電池内の圧力を正圧にも負圧にも調
整できる。正圧にした場合は、燃料電池へ供給する空気
の加湿条件の緩和と排出ガス移動手段の駆動力の低下
に、負圧にした場合は、燃料電池内の生成水の排出に効
果を発揮する。

【０００９】

【発明の実施の形態】車両に搭載される本発明に係る燃
料電池用ガス供給装置の実施の形態について図面を参照
して説明する。図１は、本発明に係る燃料電池用ガス供
給装置及び燃料電池システムを示す全体ブロック図、図
２は、ターボチャージャを設けたことによる燃料電池の
出力に対する容積型圧縮機の消費電力の低減率を示す
図、図３は、燃料電池の出力をパラメータとしたときの
水透過膜型加湿器の入口ガス温度に対する水回収率を示
す図、図４は、ターボチャージャを設けたことによる燃
料電池の出力に対する燃料電池入口空気中の水分量低減
率を示す図、図５は、第２実施の形態で使用されるウエ
ストゲートバルブの開度制御フローチャートである。

【００１０】最初に、図１を参照して、本発明に係る燃
料電池用ガス供給装置の第１実施の形態について説明す
る。尚、第１実施の形態の燃料電池用ガス供給装置は、
図1のタービン２７の前後を連通する連通路であるバイ
パス路及びウエストゲートバルブ２８を除いた装置であ
る。車両に搭載される本発明に係る第１実施の形態であ
る燃料電池用ガス供給装置を含む燃料電池システムは、
燃料電池１のカソード極側の上流側にはエアクリーナ２
１と、ターボチャージャのコンプレッサ２６（以下、Ｔ
／Ｃコンプレッサ２６という）と、水透過膜型加湿器２
３が上流から下流に向かって順番に設けられている。一
方、燃料電池１のカソード極側の下流側には容積型圧縮
機２４と、前記水透過膜型加湿器２３と、ターボチャー
ジャのタービン２７（以下、Ｔ／Ｃタービン２７とい
う）が上流から下流に向かって順番に設けられている。
燃料電池１のアノード極側には水素を循環しながらアノ
ード極側に供給するための水素循環ポンプ等の水素供給
設備が設けられている。尚、前記ターボチャージャは、
Ｔ／Ｃコンプレッサ２６とＴ／Ｃタービン２７とを連結
して構成される。

【００１１】エアクリーナ２１は、濾材が紙製のカート
リッジフィルタであり、燃料電池１のカソード極側に供
給される空気中のごみを濾過して分離するためのもので
ある。エアクリーナ２１の材質としては、紙以外にも樹
脂製、金属製の濾材が使用できる。

【００１２】Ｔ／Ｃコンプレッサ２６は、燃料電池１の
下流側に設けられるＴ／Ｃタービン２７と連結されて連
動するようになっている。Ｔ／Ｃコンプレッサ２６は、
燃料電池１の下流側で水透過膜型加湿器２３から排出さ
れるガスのエネルギーをＴ／Ｃタービン２７で動力とし
て回収し、その動力を使ってエアクリーナ２１から供給
される空気を圧縮して水透過膜型加湿器２３へ供給する
ものである。

【００１３】水透過膜型加湿器２３は、ハウジング内に
長手方向に沿って多数の水透過性の中空糸膜を配してお
り、前記中空糸膜の内側と外側にそれぞれ水分含有量の
異なる気体を通流して、前記気体間で水分交換を行い、
水分含有量の少ない乾燥気体を加湿するための装置であ
る。本燃料電池システムでは、水分含有量の高いガスが
燃料電池１の排出ガスであり、水分含有量の低いガスが
エアクリーナ２１を通流してＴ／Ｃコンプレッサ２６に
送られてくる空気である。従って容積型圧縮機２４の吐
出圧力を大きくすれば、出口ガス温度が上昇するので、
水の飽和蒸気圧が大きくなり、エアクリーナ２１を通流
してＴ／Ｃコンプレッサ２６に送られてくる空気中の水
蒸気分圧と容積型圧縮機２４の出口ガス中の水蒸気分圧
との差が大きくなる結果、水透過膜型加湿器２３におけ
る水分交換量が増える（図３参照）。

【００１４】燃料電池１では、アノード極側に供給水素
が供給されるとアノード極側で水素が触媒作用によりイ
オン化してプロトンが生成し、生成したプロトンは、固
体高分子電解質膜中を移動してカソード極側に到達す
る。そしてカソード極側に到達したプロトンは、触媒の
存在下、カソード極側に供給される供給空気中の酸素か
ら生成した酸素イオンと直ちに反応して水を生成する。
このときの化学反応のエネルギーが電気エネルギーとし
て取り出される。生成した水及び未反応の酸素を含む供
給空気は、排出空気として燃料電池１のカソード極側の
出口から排出される。

【００１５】排出ガス移動手段は、リショルム型の容積
型圧縮機２４であり、スクリュウ型コンプレッサを使用
している。スクリュウ型コンプレッサは、特殊な歯型を
持つ１対の雌雄ロータを噛み合い回転させ、噛み合い中
に形成される歯型空間容積を連続的に減少させることに
より、閉じこんだガスや空気を圧縮し圧力を上昇させる
回転型コンプレッサである。無給油式スクリュウ型コン
プレッサのため、雌雄ロータが一定の微小隙間を同期歯
車によって保ちながら非接触で高速回転し空気を圧縮す
るもので、完全にオイルフリーな空気を供給できる。
尚、リショルム型の容積型圧縮機にはヘリカルルーツ型
の圧縮機もあり、どちらも排出ガス移動手段として使用
できる。

【００１６】Ｔ／Ｃタービン２７は、燃料電池１の下流
側に設けられた水透過膜型加湿器２３の出口ガスのエネ
ルギーを動力として回収し、反対側に連結して連動する
Ｔ／Ｃコンプレッサ２６を回転させるためのものであ
る。

【００１７】次に、これらから構成される本発明に係る
燃料電池用ガス供給装置の第１実施の形態を含む燃料電
池システムの作用・効果について説明する。 （１）燃料電池１下流に設けた容積型圧縮機２４を駆動
すると、エアクリーナ２１でゴミを濾過・分離され、Ｔ
／Ｃコンプレッサ２６を通過した空気は、更に水透過膜
型加湿器２３で加湿された後、燃料電池１のカソード極
側に供給空気として供給される。 （２）一方、燃料電池１のアノード極側には、水素が供
給されており、燃料電池本体が所定の温度（例えば２０
℃）になると空気中の酸素との反応が始まり発電が行わ
れる。 （３）燃料電池１内のカソード極側のガスは、容積型圧
縮機２４に吸引され、高温・高湿度の排出空気として排
出される。容積型圧縮機２４に吸引された排出空気は、
容積型圧縮機２４内で断熱圧縮されて吐出温度を上昇さ
せ、出口から排出される。排出空気は、次に前記水透過
膜型加湿器２３に導入される。水透過膜型加湿器２３で
は、前段のＴ／Ｃコンプレッサ２６から送られてくる供
給空気と容積型圧縮機２４から排出される排出空気との
間で水分交換が行われ、燃料電池１に供給される供給空
気が加湿される。 （４）水透過膜型加湿器２３を通った排出空気は、Ｔ／
Ｃタービン２７に導入される。 （５）Ｔ／Ｃタービン２７は、水透過膜型加湿器２３か
ら排出される排出空気のエネルギーを動力として回収
し、その動力を使ってエアクリーナ２１から供給される
空気を圧縮して水透過膜型加湿器２３へ供給する。この
ように、従来は、図６に示すような、圧力制御弁を用い
て空気圧縮機の吐出圧力を上げ空気圧縮機の吐出温度を
制御していたが、本発明においては圧力制御弁の替わり
にＴ／Ｃタービン２７を配置することにより、容積型圧
縮機２４の吐出圧力を上昇させつつそのエネルギーが回
収できる。また、Ｔ／Ｃタービン２７と連結して連動す
るＴ／Ｃコンプレッサ２６を駆動させることにより、Ｔ
／Ｃコンプレッサ２６の下流に過給圧が発生し、発生し
た過給圧から水透過膜型加湿器２３の圧力損失と燃料電
池本体の圧力損失とを加えた値を引いた圧力が容積型圧
縮機２４の上流にかかることにより、容積型圧縮機２４
の圧力比が低減され、容積型圧縮機２４の断熱圧縮仕事
量が減るため消費電力が低減できる（図２参照）。

【００１８】以下、さらにデータにもとづいて本発明に
係る燃料電池用ガス供給装置の第１実施の形態を含む燃
料電池システムの作用・効果を説明する。ターボチャー
ジャを設けたことによる燃料電池１の出力に対する容積
型圧縮機２４の消費電力低減率との関係を図２に示す。
この図からも分かるように、ターボチャージャを設けた
ことにより、燃料電池１の出力が大きくなると容積型圧
縮機２４の消費電力低減率は略一定となる。

【００１９】燃料電池１の出力をパラメータとしたとき
の水透過膜型加湿器２３の排出空気の入口ガス温度に対
する水回収率との関係を図３に示す。この図からも分か
るように、燃料電池１の出力によらず水透過膜型加湿器
２３の排出空気の入口ガス温度が高いほど水透過膜型加
湿器２３での水回収率（水分交換量）が高く（多く）な
る。

【００２０】ターボチャージャを設けたことによる燃料
電池１の出力に対する燃料電池１の入口における空気中
の水分量低減率との関係を図４に示す。この図からも分
かるように、燃料電池１の出力が大きくなるにつれて燃
料電池１の入口における空気中の水分量低減率が大きく
なる。この理由として、燃料電池１の出力の増加につれ
て燃料電池１の排出空気量が増える結果、Ｔ／Ｃタービ
ン２７での動力回収量が増えてＴ／Ｃコンプレッサ２６
の下流に発生する過給圧が大きくなり、燃料電池１の入
口に供給される供給空気の圧力が高くなるので、燃料電
池１の入口空気中の相対湿度を保持するのに必要な水分
量を減らすことができる。

【００２１】次に、第２実施の形態の燃料電池用ガス供
給装置を含む燃料電池システムについて図１を参照して
説明する。尚、第２実施の形態の燃料電池用ガス供給装
置は、第１実施の形態の燃料電池用ガス供給装置のＴ／
Ｃタービン２７の前後に連通路であるバイパス路及びウ
エストゲートバルブ２８を設けた装置であるので、連通
路であるバイパス路及びウエストゲートバルブ２８以外
の構成機器・配管については説明を省略する。

【００２２】ウエストゲートバルブ２８は、前記Ｔ／Ｃ
タービン２７の前後を連通する連通路であるバイパス路
に設けられＴ／Ｃタービン２７に通流する排出空気の流
量を調整するための流量調整弁である。ウエストゲート
バルブ２８を閉めてＴ／Ｃタービン２７の動力回収量を
大きくすると、容積型圧縮機２４の吐出圧力が高くなる
ので、水透過膜型加湿器２３で燃料電池１の排出空気と
水分交換して燃料電池１へ供給される供給空気は温度お
よび湿度が高いものが供給される。一方、ウエストゲー
トバルブ２８を開けてＴ／Ｃタービン２７の動力回収量
を小さくすると、容積型圧縮機２４の吐出圧力が低くな
るので、水透過膜型加湿器２３で燃料電池１の排出空気
と水分交換して燃料電池１へ供給される供給空気は温度
および湿度が低いものが供給される。

【００２３】次に、Ｔ／Ｃタービン２７のバイパス路に
設けられたウエストゲートバルブ２８の開度を調整して
燃料電池１を正圧運転又は負圧運転をするときの運転方
法について図５を参照して述べる。 １．定常運転においてはウエストゲートバルブ２８は全
閉とした状態にしておく（Ｓ１）。 ２．燃料電池１の単セルの電圧を検知する電圧モニタＣ
Ｖ１（図１参照）の出力値であるセルＶの値が０．３ボ
ルト未満であるかどうかを判断する（Ｓ２）。セルＶの
値が０．３ボルト未満の場合は、燃料電池１内に水が溜
まっているのでウエストゲートバルブ２８を開く（Ｓ
３）。ここで０．３ボルトという値は、燃料電池１内に
水が溜まっているかどうか判断する判断基準の値であ
る。 ３．ウエストゲートバルブ２８を開いて（Ｓ３）、カソ
ード極側を負圧にして燃料電池１内に溜まった水を排出
させた後、セルＶの値が０．５ボルトを超えているかど
うかを判断する（Ｓ４）。 ａ．セルＶの値が０．５ボルトを超えている場合は、ウ
エストゲートバルブ２８を全閉とし定常運転に戻す（Ｓ
１）。 ｂ．セルＶの値が０．５ボルト以下の場合は、ウエスト
ゲートバルブ２８を開き続ける（Ｓ３に戻る）。セルＶ
の値が０．５ボルトを超えた場合は（Ｓ４）、ウエスト
ゲートバルブ２８を全閉とし定常運転に戻す（Ｓ１）。 ４．前記２項におけるセルＶの値が０．３ボルト以上の
場合は、さらに、燃料電池１の入口の空気温度を温度セ
ンサＴ２（図１参照）で測定し７５℃（設定値）を超え
ているかどうかを判断する（Ｓ５）。実際の燃料電池１
の入口の空気温度の上限値は８０℃である。 ａ．７５℃以下の場合は、Ｓ１に戻る。 ｂ．７５℃を超えている場合は、ウエストゲートバルブ
２８を開ける（Ｓ６）。ウエストゲートバルブ２８を開
けることにより、容積型圧縮機２４の出口から容積型圧
縮機２４下流側のＴ／Ｃタービン２７までの圧力損失を
小さくすることにより、容積型圧縮機２４の吐出温度を
下げることができる。 ５．ウエストゲートバルブ２８を開いた（Ｓ６）結果、
燃料電池１の入口の空気温度が６５℃未満かどうかを判
断する（Ｓ７）。 ａ．６５℃以上の場合は、ウエストゲートバルブ２８を
開き続ける（Ｓ６に戻る）。ｂ．燃料電池１の入口の空
気温度が６５℃未満となったならばＳ１に戻る。このよ
うに定常運転においてはウエストゲートバルブ２８を閉
じた状態で運転し、セルＶの低下または燃料電池１の入
口の空気温度が上限設定値を超えた場合はウエストゲー
トバルブ２８を開くようにすることで、燃料電池１の運
転状態に応じて好適に燃料電池用ガス供給装置を運転で
きる。

【００２４】また、燃料電池１へ供給する空気中の相対
湿度の低下が認められた場合は、ウエストゲートバルブ
２８を閉じることにより、容積型圧縮機２４の断熱圧縮
仕事量を増加させることで、水透過膜型加湿器２３の燃
料電池１の排出空気入口側のガス温度を上げて水透過膜
型加湿器２３の水分交換率を上げる（供給空気側への水
回収量を増やす）（図３参照）と共に、ウエストゲート
バルブ２８を閉じることによりＴ／Ｃタービン２７に回
収されるエネルギーが増えることでＴ／Ｃコンプレッサ
２６の吐出圧力が上がるため、燃料電池１への供給空気
の圧力も上がり、供給空気の相対湿度（例えば１００
％）を保つために必要な水分量を減らすことができる。
このようにウエストゲートバルブ２８を閉じることによ
り、燃料電池１内を正圧運転することができる。

【００２５】一方、燃料電池内１に生成水が溜まり、単
セル電圧の降下が見られた場合には、ウエストゲートバ
ルブ２８を開放することでＴ／Ｃタービン２７における
エネルギー回収量を減らし、Ｔ／Ｃコンプレッサ２６の
過給圧を下げて燃料電池１のカソード極側を負圧にして
水を排出することができる。このようにウエストゲート
バルブ２８を開放することにより燃料電池１内を負圧運
転することができる。

【００２６】本発明は、以上述べた実施の形態に限定さ
れるものではなく、本発明の技術的範囲を逸脱しない範
囲で適宜変更して実施可能である。

【００２７】

【発明の効果】以上説明した構成と作用から明らかなよ
うに、 １．本発明の請求項１に係る燃料電池用ガス供給装置の
発明によれば、燃料電池の下流側に設けた排出ガス移動
手段の下流側にタービンを配設し、燃料電池の上流側に
コンプレッサを配し、該コンプレッサと前記タービンと
は連動すべく連結したことにより、排出ガス移動手段の
下流圧力を上昇させつつエネルギーを回収する手段と、
その回収されたエネルギーを排出ガス移動手段の駆動力
に還元できるので排出ガス移動手段の駆動力が低減でき
る。 ２．本発明の請求項２に係る燃料電池用ガス供給装置の
発明によれば、前記タービンには、該タービンの前後を
連通する連通路を設け、該連通路は燃料電池の状態に応
じて開閉してなるようにすることにより、タービンの前
後を連通する連通路のガス流量をコントロールすること
で、燃料電池内の圧力を正圧にも負圧にも調整できる。
正圧にした場合は、燃料電池へ供給する空気の加湿条件
の緩和と排出ガス移動手段の駆動力の低下に、負圧にし
た場合は、燃料電池内の生成水の排出に効果を発揮す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る燃料電池用ガス供給装置及び燃料
電池システムを示す全体のブロック図である。

【図２】ターボチャージャを設けたことによる燃料電池
の出力に対する容積型圧縮機の消費電力の低減率を示す
図である。

【図３】燃料電池の出力をパラメータとしたときの水透
過膜型加湿器の入口ガス温度に対する水回収率を示す図
である。

【図４】ターボチャージャを設けたことによる燃料電池
の出力に対する燃料電池入口空気中の水分量低減率を示
す図である。

【図５】第２実施の形態で使用されるウエストゲートバ
ルブの開度制御フローチャートである。

【図６】従来の燃料電池用ガス供給装置及び燃料電池シ
ステムを示す全体のブロック図である。

【符号の説明】

１ 燃料電池 ２４ 容積型圧縮機（排出ガス移
動手段） ２６ Ｔ／Ｃコンプレッサ（コン
プレッサ） ２７ Ｔ／Ｃタービン（タービ
ン） ２８ ウエストゲートバルブ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 縫谷 芳雄 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内 Ｆターム(参考） 5H027 AA02 KK00 KK02 KK03 KK05 KK44 KK54 MM01

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料電池の下流側に設けた排出ガス移動
   手段の下流側にタービンを配設し、燃料電池の上流側に
   コンプレッサを配し、該コンプレッサと前記タービンと
   は連動すべく連結されてなることを特徴とする燃料電池
   用ガス供給装置。
2. 【請求項２】 前記タービンには、該タービンの前後を
   連通する連通路を設け、該連通路は燃料電池の状態に応
   じて開閉してなることを特徴とする請求項１に記載の燃
   料電池用ガス供給装置。