JP2002056865A - 燃料電池用圧縮空気供給装置 - Google Patents
燃料電池用圧縮空気供給装置Info
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- JP2002056865A JP2002056865A JP2000245435A JP2000245435A JP2002056865A JP 2002056865 A JP2002056865 A JP 2002056865A JP 2000245435 A JP2000245435 A JP 2000245435A JP 2000245435 A JP2000245435 A JP 2000245435A JP 2002056865 A JP2002056865 A JP 2002056865A
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Abstract
(57)【要約】
【課題】 圧縮機にかかる負荷を低減しながら圧縮空気
の冷却効率を向上させた圧縮空気供給装置を提供する。 【解決手段】 燃料電池10に圧縮空気を供給する燃料電
池用圧縮空気供給装置は、燃料電池10に連通する圧縮空
気供給ライン11に設けられたコンプレッサ15ａと排出ガ
スライン17に設けられたタービン15ｂからなるターボチ
ャージャ15を具備するとともに、圧縮空気供給ライン11
のうちターボチャージャ15のコンプレッサ15ａより上流
の位置に空冷式熱交換器14を有する。空冷式熱交換器14
には圧縮空気供給ライン11及び排出ガスライン17が通
る。さらにターボチャージャ15のコンプレッサ15ａの下
流の位置で圧縮空気供給ライン11に水冷式熱交換器16が
設けられている。
の冷却効率を向上させた圧縮空気供給装置を提供する。 【解決手段】 燃料電池10に圧縮空気を供給する燃料電
池用圧縮空気供給装置は、燃料電池10に連通する圧縮空
気供給ライン11に設けられたコンプレッサ15ａと排出ガ
スライン17に設けられたタービン15ｂからなるターボチ
ャージャ15を具備するとともに、圧縮空気供給ライン11
のうちターボチャージャ15のコンプレッサ15ａより上流
の位置に空冷式熱交換器14を有する。空冷式熱交換器14
には圧縮空気供給ライン11及び排出ガスライン17が通
る。さらにターボチャージャ15のコンプレッサ15ａの下
流の位置で圧縮空気供給ライン11に水冷式熱交換器16が
設けられている。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は圧縮空気供給ライン
にターボチャージャを具備する燃料電池用圧縮空気供給
装置に関し、特に圧縮空気生成用圧縮機の消費電力を低
減できるとともにターボチャージャを小型化した燃料電
池用圧縮空気供給装置に関する。
にターボチャージャを具備する燃料電池用圧縮空気供給
装置に関し、特に圧縮空気生成用圧縮機の消費電力を低
減できるとともにターボチャージャを小型化した燃料電
池用圧縮空気供給装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】石油等の化石燃料の枯渇化及び化石燃料
の燃焼による地球温暖化に鑑み、種々の代替燃料による
発電が行われているが、なかでも燃料電池は水素と酸素
との反応による発電であり、クリーンで地球温暖化の問
題がなく、自動車や発電所を始めとする種々の分野に使
用されつつある。
の燃焼による地球温暖化に鑑み、種々の代替燃料による
発電が行われているが、なかでも燃料電池は水素と酸素
との反応による発電であり、クリーンで地球温暖化の問
題がなく、自動車や発電所を始めとする種々の分野に使
用されつつある。
【０００３】燃料電池には水素ガスと圧縮空気とが供給
されるが、圧縮されたばかりの空気は高温であるので、
燃料電池に適する温度まで冷却する必要がある。そのた
め、通常は圧縮機と燃料電池との間の圧縮空気供給ライ
ンに水冷式熱交換器が設けられている。このような構成
の圧縮空気供給装置では、空気の圧縮は圧縮機のみで行
われるので、圧縮機の駆動電力が大きいという問題があ
る。
されるが、圧縮されたばかりの空気は高温であるので、
燃料電池に適する温度まで冷却する必要がある。そのた
め、通常は圧縮機と燃料電池との間の圧縮空気供給ライ
ンに水冷式熱交換器が設けられている。このような構成
の圧縮空気供給装置では、空気の圧縮は圧縮機のみで行
われるので、圧縮機の駆動電力が大きいという問題があ
る。
【０００４】圧縮空気を生成する圧縮機の負荷を低減す
るために、排出ガスのエネルギーを空気の圧縮に利用す
るターボチャージャを設けることが提案された（特開平
7-14599 号）。また圧縮機から排出されたばかりの圧縮
空気は燃料電池に適する温度より高温であるので、燃料
電池に入れる前に冷却する必要がある。冷却手段として
通常水冷式熱交換器が用いられている。特にターボチャ
ージャを付加した場合、ターボチャージャのコンプレッ
サから出た圧縮空気は高温であるので、大型の水冷式熱
交換器が必要になる。
るために、排出ガスのエネルギーを空気の圧縮に利用す
るターボチャージャを設けることが提案された（特開平
7-14599 号）。また圧縮機から排出されたばかりの圧縮
空気は燃料電池に適する温度より高温であるので、燃料
電池に入れる前に冷却する必要がある。冷却手段として
通常水冷式熱交換器が用いられている。特にターボチャ
ージャを付加した場合、ターボチャージャのコンプレッ
サから出た圧縮空気は高温であるので、大型の水冷式熱
交換器が必要になる。
【０００５】図８はターボチャージャ及び水冷式熱交換
器を具備する従来の圧縮空気供給装置の一例を示す。燃
料電池80に連通する圧縮空気供給ライン81には、上流か
ら順にエアクリーナ82、圧縮機83、ターボチャージャ85
のコンプレッサ85ａ、及び水冷式熱交換器86が設けられ
ている。また燃料電池80の排出ガスライン87には、圧力
調整弁88及びターボチャージャ85のタービン85ｂが設け
られている。圧縮機83を出た圧縮空気はさらにターボチ
ャージャ85のコンプレッサ85ａにより圧縮され、非常に
高温になる。そのため、水冷式熱交換器86により所望の
温度まで冷却される。燃料電池80の排出ガスは圧力調整
弁88により圧力を調整した後、ターボチャージャ85のタ
ービン85ｂを駆動する。タービン85ｂとコンプレッサ85
ａとは軸85ｃにより連結しているので、排出ガスのエネ
ルギーは圧縮空気のさらなる圧縮に利用されることにな
る。
器を具備する従来の圧縮空気供給装置の一例を示す。燃
料電池80に連通する圧縮空気供給ライン81には、上流か
ら順にエアクリーナ82、圧縮機83、ターボチャージャ85
のコンプレッサ85ａ、及び水冷式熱交換器86が設けられ
ている。また燃料電池80の排出ガスライン87には、圧力
調整弁88及びターボチャージャ85のタービン85ｂが設け
られている。圧縮機83を出た圧縮空気はさらにターボチ
ャージャ85のコンプレッサ85ａにより圧縮され、非常に
高温になる。そのため、水冷式熱交換器86により所望の
温度まで冷却される。燃料電池80の排出ガスは圧力調整
弁88により圧力を調整した後、ターボチャージャ85のタ
ービン85ｂを駆動する。タービン85ｂとコンプレッサ85
ａとは軸85ｃにより連結しているので、排出ガスのエネ
ルギーは圧縮空気のさらなる圧縮に利用されることにな
る。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ターボ
チャージャ85のコンプレッサ85ａにより圧縮された空気
は非常に高温になり、それを冷却するための水冷式熱交
換器86の容量を大きくしなければならないという問題が
ある。
チャージャ85のコンプレッサ85ａにより圧縮された空気
は非常に高温になり、それを冷却するための水冷式熱交
換器86の容量を大きくしなければならないという問題が
ある。
【０００７】従って、本発明の目的は、圧縮機等装置全
体の負荷を低減しながら、圧縮空気の冷却効率を向上さ
せた圧縮空気供給装置を提供することである。
体の負荷を低減しながら、圧縮空気の冷却効率を向上さ
せた圧縮空気供給装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的に鑑み鋭意研究
の結果、本発明者は、圧縮空気供給ラインにターボチャ
ージャのコンプレッサを設けるとともに前記コンプレッ
サの上流に空冷式熱交換器及び／又は水冷式熱交換器を
設けることにより、圧縮機の負荷を低減しながら、圧縮
空気の冷却効率を向上することができることを発見し、
本発明に想到した。
の結果、本発明者は、圧縮空気供給ラインにターボチャ
ージャのコンプレッサを設けるとともに前記コンプレッ
サの上流に空冷式熱交換器及び／又は水冷式熱交換器を
設けることにより、圧縮機の負荷を低減しながら、圧縮
空気の冷却効率を向上することができることを発見し、
本発明に想到した。
【０００９】すなわち、燃料電池に圧縮空気を供給する
圧縮機を備えた本発明の燃料電池用圧縮空気供給装置
は、圧縮空気供給ラインに設けられたコンプレッサと排
出ガスラインに設けられたタービンからなるターボチャ
ージャを具備するとともに、圧縮空気供給ラインのうち
前記ターボチャージャのコンプレッサより少なくとも上
流の位置に、前記圧縮空気を冷却する冷却手段を有する
ことを特徴とする。この冷却手段により、ターボチャー
ジャのコンプレッサに導入される圧縮空気の温度が低下
するので、圧縮機の負荷が低減するのみならず、コンプ
レッサの出口温度の低下にともない、空冷式又は水冷式
の熱交換器を小型化することができる。
圧縮機を備えた本発明の燃料電池用圧縮空気供給装置
は、圧縮空気供給ラインに設けられたコンプレッサと排
出ガスラインに設けられたタービンからなるターボチャ
ージャを具備するとともに、圧縮空気供給ラインのうち
前記ターボチャージャのコンプレッサより少なくとも上
流の位置に、前記圧縮空気を冷却する冷却手段を有する
ことを特徴とする。この冷却手段により、ターボチャー
ジャのコンプレッサに導入される圧縮空気の温度が低下
するので、圧縮機の負荷が低減するのみならず、コンプ
レッサの出口温度の低下にともない、空冷式又は水冷式
の熱交換器を小型化することができる。
【００１０】本発明の好ましい一実施例では、前記冷却
手段は前記圧縮空気とタービンからの排出ガスとを熱交
換する空冷式熱交換器である。ターボチャージャのコン
プレッサの下流の位置で、圧縮空気供給ラインにさらに
水冷式熱交換器を設けるのが好ましい。
手段は前記圧縮空気とタービンからの排出ガスとを熱交
換する空冷式熱交換器である。ターボチャージャのコン
プレッサの下流の位置で、圧縮空気供給ラインにさらに
水冷式熱交換器を設けるのが好ましい。
【００１１】本発明の好ましい別の実施例では、前記冷
却手段は、ターボチャージャのコンプレッサの上流の位
置で前記圧縮空気供給ラインに設けられた水冷式熱交換
器である。この水冷式熱交換器により、圧縮空気と燃料
電池の冷却水とを熱交換する。水冷式熱交換器は、ター
ボチャージャのコンプレッサの上流及び下流の位置で圧
縮空気供給ラインに２つ設けても良い。
却手段は、ターボチャージャのコンプレッサの上流の位
置で前記圧縮空気供給ラインに設けられた水冷式熱交換
器である。この水冷式熱交換器により、圧縮空気と燃料
電池の冷却水とを熱交換する。水冷式熱交換器は、ター
ボチャージャのコンプレッサの上流及び下流の位置で圧
縮空気供給ラインに２つ設けても良い。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下本発明を添付図面を参照して
詳細に説明する。
詳細に説明する。
【００１３】[1] 第一の実施例 図１は本発明の第一の実施例の圧縮空気供給装置を示
す。燃料電池10に連通する圧縮空気供給ライン11に上流
から順に、エアクリーナ12、圧縮空気生成用圧縮機13、
空冷式熱交換器14、ターボチャージャ15のコンプレッサ
15ａ、及び水冷式熱交換器16が設けられている。また燃
料電池10の排出ガスライン17には上流から順に、圧力調
整弁18及びターボチャージャ15のタービン15ｂが設けら
れており、タービン15ｂを出た排出ガスは空冷式熱交換
器14を通過するようになっている。コンプレッサ15ａと
タービン15ｂとは軸15ｃにより連結している。
す。燃料電池10に連通する圧縮空気供給ライン11に上流
から順に、エアクリーナ12、圧縮空気生成用圧縮機13、
空冷式熱交換器14、ターボチャージャ15のコンプレッサ
15ａ、及び水冷式熱交換器16が設けられている。また燃
料電池10の排出ガスライン17には上流から順に、圧力調
整弁18及びターボチャージャ15のタービン15ｂが設けら
れており、タービン15ｂを出た排出ガスは空冷式熱交換
器14を通過するようになっている。コンプレッサ15ａと
タービン15ｂとは軸15ｃにより連結している。
【００１４】一般に排出ガスは高温であるが、ターボチ
ャージャ15のタービン15ｂを通過すると、断熱膨張によ
り冷却される。従って、空冷式熱交換器14に入る排出ガ
スは冷却ガスとして作用する。
ャージャ15のタービン15ｂを通過すると、断熱膨張によ
り冷却される。従って、空冷式熱交換器14に入る排出ガ
スは冷却ガスとして作用する。
【００１５】図２は空冷式熱交換器14による冷却効果を
示す。圧縮空気供給ライン11を通る圧縮空気Ａ及び排出
ガスライン17を通る圧縮空気Ｂ（排出ガス）の温度効率
はそれぞれ下記の通りである。 ＥA ＝（Ｔ2 −Ｔ1 ）／（Ｔ3 −Ｔ1 ） ＥB ＝（Ｔ3 −Ｔ4 ）／（Ｔ3 −Ｔ1 ） 圧縮空気Ａ及びＢの水当量（流量×比熱で表される）を
それぞれｗ×ｃ及びＷ×Ｃとすると、圧縮空気Ａの水当
量比は ＲA ＝（ｗ×ｃ）／（Ｗ×Ｃ）＝（Ｔ3 −Ｔ4 ）／（Ｔ
2 −Ｔ1 ） と定義される。
示す。圧縮空気供給ライン11を通る圧縮空気Ａ及び排出
ガスライン17を通る圧縮空気Ｂ（排出ガス）の温度効率
はそれぞれ下記の通りである。 ＥA ＝（Ｔ2 −Ｔ1 ）／（Ｔ3 −Ｔ1 ） ＥB ＝（Ｔ3 −Ｔ4 ）／（Ｔ3 −Ｔ1 ） 圧縮空気Ａ及びＢの水当量（流量×比熱で表される）を
それぞれｗ×ｃ及びＷ×Ｃとすると、圧縮空気Ａの水当
量比は ＲA ＝（ｗ×ｃ）／（Ｗ×Ｃ）＝（Ｔ3 −Ｔ4 ）／（Ｔ
2 −Ｔ1 ） と定義される。
【００１６】圧縮空気Ａ及びＢとも流量が同等であり、
かつ乾燥空気の比熱も例えば20℃で0.240 kcal/kg4℃
で、160 ℃で0.243 kcal/kg4℃とほぼ等しいので、ＲA
≒１とすることができる。従って、 Ｔ4 ＝Ｔ3 ＋Ｔ1 −Ｔ2 となる。空冷式熱交換器14を通過した後の圧縮空気Ａ
（供給ライン11内を流れる圧縮空気）の温度Ｔ2 が圧縮
空気Ｂ（排出ガス）の温度Ｔ4 とほぼ等しいと仮定し
て、空冷式熱交換器14の冷却効果をシミュレーションに
より求めることができる。
かつ乾燥空気の比熱も例えば20℃で0.240 kcal/kg4℃
で、160 ℃で0.243 kcal/kg4℃とほぼ等しいので、ＲA
≒１とすることができる。従って、 Ｔ4 ＝Ｔ3 ＋Ｔ1 −Ｔ2 となる。空冷式熱交換器14を通過した後の圧縮空気Ａ
（供給ライン11内を流れる圧縮空気）の温度Ｔ2 が圧縮
空気Ｂ（排出ガス）の温度Ｔ4 とほぼ等しいと仮定し
て、空冷式熱交換器14の冷却効果をシミュレーションに
より求めることができる。
【００１７】[2] 第二の実施例 図３は本発明の第二の実施例の圧縮空気供給装置を示
す。燃料電池30に連通する圧縮空気供給ライン31に上流
から順に、エアクリーナ32、圧縮空気生成用圧縮機33、
水冷式熱交換器34、及びターボチャージャ35のコンプレ
ッサ35ａが設けられている。また燃料電池30の排出ガス
ライン37には上流から順に、圧力調整弁38及びターボチ
ャージャ35のタービン35ｂが設けられており、コンプレ
ッサ35ａとタービン35ｂとは軸35ｃにより連結してい
る。
す。燃料電池30に連通する圧縮空気供給ライン31に上流
から順に、エアクリーナ32、圧縮空気生成用圧縮機33、
水冷式熱交換器34、及びターボチャージャ35のコンプレ
ッサ35ａが設けられている。また燃料電池30の排出ガス
ライン37には上流から順に、圧力調整弁38及びターボチ
ャージャ35のタービン35ｂが設けられており、コンプレ
ッサ35ａとタービン35ｂとは軸35ｃにより連結してい
る。
【００１８】ターボチャージャ35のコンプレッサ35ａに
導入される圧縮空気は水冷式熱交換器34により冷却され
ているので、空気の体積が小さくなり、ターボチャージ
ャ35の効率が向上する。圧縮機33の負担が低減するの
で、その駆動電力を低減することができる。ターボチャ
ージャ35のコンプレッサ35ａによる圧縮により上昇する
圧縮空気温度を見込んで、水冷式熱交換器34の制御を行
う。ただし、燃料電池30の出力を上昇させた場合、圧縮
空気温度は瞬時に上昇するが、水冷式熱交換器34の水冷
の追従は遅れるので、第一の実施例よりは圧縮空気温度
の制御性は劣る。
導入される圧縮空気は水冷式熱交換器34により冷却され
ているので、空気の体積が小さくなり、ターボチャージ
ャ35の効率が向上する。圧縮機33の負担が低減するの
で、その駆動電力を低減することができる。ターボチャ
ージャ35のコンプレッサ35ａによる圧縮により上昇する
圧縮空気温度を見込んで、水冷式熱交換器34の制御を行
う。ただし、燃料電池30の出力を上昇させた場合、圧縮
空気温度は瞬時に上昇するが、水冷式熱交換器34の水冷
の追従は遅れるので、第一の実施例よりは圧縮空気温度
の制御性は劣る。
【００１９】[3] 第三の実施例 図４は本発明の第三の実施例の圧縮空気供給装置を示
す。燃料電池40に連通する圧縮空気供給ライン41に上流
から順に、エアクリーナ42、圧縮空気生成用圧縮機43、
水冷式熱交換器44、ターボチャージャ45のコンプレッサ
45ａ、及び水冷式熱交換器46が設けられている。また燃
料電池40の排出ガスライン47には上流から順に、圧力調
整弁48及びターボチャージャ45のタービン45ｂが設けら
れており、コンプレッサ45ａとタービン45ｂとは軸45ｃ
により連結している。
す。燃料電池40に連通する圧縮空気供給ライン41に上流
から順に、エアクリーナ42、圧縮空気生成用圧縮機43、
水冷式熱交換器44、ターボチャージャ45のコンプレッサ
45ａ、及び水冷式熱交換器46が設けられている。また燃
料電池40の排出ガスライン47には上流から順に、圧力調
整弁48及びターボチャージャ45のタービン45ｂが設けら
れており、コンプレッサ45ａとタービン45ｂとは軸45ｃ
により連結している。
【００２０】この実施例では、２つの水冷式熱交換器4
4，46を具備することにより、燃料電池40に導入される
圧縮空気の温度制御は正確に行うことができる。また第
二の実施例と同様に圧縮機43の負荷も低減する。ただ
し、２つの水冷式熱交換器44，46を設けた分、冷媒循環
用ポンプの駆動電力は増大する。
4，46を具備することにより、燃料電池40に導入される
圧縮空気の温度制御は正確に行うことができる。また第
二の実施例と同様に圧縮機43の負荷も低減する。ただ
し、２つの水冷式熱交換器44，46を設けた分、冷媒循環
用ポンプの駆動電力は増大する。
【００２１】
【実施例】本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説
明するが、本発明はそれらに限定されるものではない。
明するが、本発明はそれらに限定されるものではない。
【００２２】実施例１ 図１及び図２に示す圧縮空気供給装置を使用して、圧縮
空気を燃料電池に供給するシミュレーション実験を行っ
た。シミュレーションの条件は下記の通りであった。 (1) 導入する空気（外気）の温度：35℃。 (2) 燃料電池10の入口での圧縮空気温度：70℃に調節。 (3) 水冷式熱交換器16の冷却水：燃料電池10からの冷却
水（60℃）。 (4) 燃料電池10の排出ガス：80℃（燃料電池10の発電に
より加温されるので）。 (5) 空冷式熱交換器14を通過した供給ライン11中の圧縮
空気Ａの温度Ｔ2 ＝空冷式熱交換器14を通過した圧縮空
気Ｂ（排出ガス）の温度Ｔ4 。 (6) 圧力調整弁18：全開。 (7) 燃料電池10から出た排出ガスの温度＝タービン15ｂ
に供給される排出ガスの温度（80℃）。 (8) 配管途中の熱ロス：なし。 (9) 圧縮機13の出口温度：導入する空気の流量に応じて
上昇（流量が０m3/minのとき外気温度35℃と同じで、最
大流量のとき140 ℃）。
空気を燃料電池に供給するシミュレーション実験を行っ
た。シミュレーションの条件は下記の通りであった。 (1) 導入する空気（外気）の温度：35℃。 (2) 燃料電池10の入口での圧縮空気温度：70℃に調節。 (3) 水冷式熱交換器16の冷却水：燃料電池10からの冷却
水（60℃）。 (4) 燃料電池10の排出ガス：80℃（燃料電池10の発電に
より加温されるので）。 (5) 空冷式熱交換器14を通過した供給ライン11中の圧縮
空気Ａの温度Ｔ2 ＝空冷式熱交換器14を通過した圧縮空
気Ｂ（排出ガス）の温度Ｔ4 。 (6) 圧力調整弁18：全開。 (7) 燃料電池10から出た排出ガスの温度＝タービン15ｂ
に供給される排出ガスの温度（80℃）。 (8) 配管途中の熱ロス：なし。 (9) 圧縮機13の出口温度：導入する空気の流量に応じて
上昇（流量が０m3/minのとき外気温度35℃と同じで、最
大流量のとき140 ℃）。
【００２３】圧縮空気の種々の流量において、圧縮機13
を出た圧縮空気の温度（圧縮機13の出口温度）、空冷式
熱交換器14を通過した後の圧縮空気の温度、及びターボ
チャージャ15のコンプレッサ15ａを通過した後の圧縮空
気の温度（T/C 15ａの出口温度、熱交有）を図５に示
す。
を出た圧縮空気の温度（圧縮機13の出口温度）、空冷式
熱交換器14を通過した後の圧縮空気の温度、及びターボ
チャージャ15のコンプレッサ15ａを通過した後の圧縮空
気の温度（T/C 15ａの出口温度、熱交有）を図５に示
す。
【００２４】比較例１ 空冷式熱交換器がない以外実施例１の装置と全く同じ図
８に示す圧縮空気供給装置について、圧縮機83の出口温
度、及びターボチャージャ85のコンプレッサ85ａの入口
温度及び出口温度、及びターボチャージャ85のタービン
85ｂの出口温度を求めた。ターボチャージャ85のコンプ
レッサ85ａの出口温度を図５に示し、ターボチャージャ
85のコンプレッサ85ａの入口温度及び出口温度、並びに
及びターボチャージャ85のタービン85ｂの出口温度を図
９に示す。図９から、ターボチャージャ85のコンプレッ
サ85ａを通過すると、圧縮空気の温度は、例えば３m3/m
inの圧縮空気流量の場合に、約50℃上昇することが分か
る。ただし、図９において、ターボチャージャ85のコン
プレッサ85ａの入口温度及び出口温度はそれぞれ「Com
p. 85ａ入口温度」及び「Comp. 85ａ出口温度」と表
す。またターボチャージャ85のタービン85ｂの出口温度
は「Turbi.85ｂ出口温度」と表す。
８に示す圧縮空気供給装置について、圧縮機83の出口温
度、及びターボチャージャ85のコンプレッサ85ａの入口
温度及び出口温度、及びターボチャージャ85のタービン
85ｂの出口温度を求めた。ターボチャージャ85のコンプ
レッサ85ａの出口温度を図５に示し、ターボチャージャ
85のコンプレッサ85ａの入口温度及び出口温度、並びに
及びターボチャージャ85のタービン85ｂの出口温度を図
９に示す。図９から、ターボチャージャ85のコンプレッ
サ85ａを通過すると、圧縮空気の温度は、例えば３m3/m
inの圧縮空気流量の場合に、約50℃上昇することが分か
る。ただし、図９において、ターボチャージャ85のコン
プレッサ85ａの入口温度及び出口温度はそれぞれ「Com
p. 85ａ入口温度」及び「Comp. 85ａ出口温度」と表
す。またターボチャージャ85のタービン85ｂの出口温度
は「Turbi.85ｂ出口温度」と表す。
【００２５】また、［空冷式熱交換器14を有する場合
（実施例１）のターボチャージャ15のコンプレッサ15ａ
の出口温度］−［空冷式熱交換器を有さない場合（比較
例１）のターボチャージャ85のコンプレッサ85ａの出口
温度］を計算し、空冷式熱交換器14を設けたことによる
冷却効果を求めた。結果を温度差として図６に示す。
（実施例１）のターボチャージャ15のコンプレッサ15ａ
の出口温度］−［空冷式熱交換器を有さない場合（比較
例１）のターボチャージャ85のコンプレッサ85ａの出口
温度］を計算し、空冷式熱交換器14を設けたことによる
冷却効果を求めた。結果を温度差として図６に示す。
【００２６】図５及び図６の結果から明らかなように、
空冷式熱交換器14を有する場合（図５で白丸で表示）、
ターボチャージャのコンプレッサ15ａの出口温度（図５
では「T/C 15ａ出口温度、熱交有」と表示）は、圧縮機
13の出口温度より著しく低下した。これに対して、空冷
式熱交換器14を有さない場合（図５で黒丸で表示）、タ
ーボチャージャのコンプレッサ15ａの出口温度（図５で
は「T/C 15ａ出口温度、熱交無」と表示）は、圧縮機13
の出口温度より余り低下しなかった。ターボチャージャ
のコンプレッサの出口温度について実施例１及び比較例
１を比較すると、図６に示すように、ターボチャージャ
のコンプレッサの出口温度の差は流量の増大につれて著
しく増大した。これらの結果から、空冷式熱交換器とタ
ーボチャージャとの組合せにより、圧縮空気の冷却効果
は著しいことが分かる。
空冷式熱交換器14を有する場合（図５で白丸で表示）、
ターボチャージャのコンプレッサ15ａの出口温度（図５
では「T/C 15ａ出口温度、熱交有」と表示）は、圧縮機
13の出口温度より著しく低下した。これに対して、空冷
式熱交換器14を有さない場合（図５で黒丸で表示）、タ
ーボチャージャのコンプレッサ15ａの出口温度（図５で
は「T/C 15ａ出口温度、熱交無」と表示）は、圧縮機13
の出口温度より余り低下しなかった。ターボチャージャ
のコンプレッサの出口温度について実施例１及び比較例
１を比較すると、図６に示すように、ターボチャージャ
のコンプレッサの出口温度の差は流量の増大につれて著
しく増大した。これらの結果から、空冷式熱交換器とタ
ーボチャージャとの組合せにより、圧縮空気の冷却効果
は著しいことが分かる。
【００２７】実施例２ 図３に示す圧縮空気供給装置において、水冷式熱交換器
34に循環させる冷却水温度を60℃に設定した場合に、燃
料電池30に導入する圧縮空気の温度を70℃にするのに要
する圧縮機33の消費電力を計算した。結果を図７に示
す。ただし、シミュレーションの条件は上記と同じであ
った。
34に循環させる冷却水温度を60℃に設定した場合に、燃
料電池30に導入する圧縮空気の温度を70℃にするのに要
する圧縮機33の消費電力を計算した。結果を図７に示
す。ただし、シミュレーションの条件は上記と同じであ
った。
【００２８】比較例２ 水冷式熱交換器34を有さない以外図３に示す装置と全く
同じ図８の圧縮空気供給装置を用いて、燃料電池30に導
入する圧縮空気の温度を70℃にするのに要する圧縮機33
の消費電力を計算した。結果を図７に示す。
同じ図８の圧縮空気供給装置を用いて、燃料電池30に導
入する圧縮空気の温度を70℃にするのに要する圧縮機33
の消費電力を計算した。結果を図７に示す。
【００２９】図７から明らかなように、水冷式熱交換器
34を設けることにより、圧縮機33の消費電力は低下し
た。なお圧縮空気の流量が約３m3/minを超えると消費電
力の差が低下したが、これはターボチャージャの能力限
界に達したためであると考えられる。
34を設けることにより、圧縮機33の消費電力は低下し
た。なお圧縮空気の流量が約３m3/minを超えると消費電
力の差が低下したが、これはターボチャージャの能力限
界に達したためであると考えられる。
【００３０】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明の燃料電池
用圧縮空気供給装置は、排出ガスの圧力エネルギーを利
用するターボチャージャを具備するとともに、圧縮空気
供給ラインのうちターボチャージャのコンプレッサの少
なくとも上流の位置に空冷式又は水冷式の熱交換器が設
けられているので、ターボチャージャのコンプレッサに
吸入される圧縮空気の温度が低下し、ターボチャージャ
の効率が向上するのみならず、圧縮空気生成用圧縮機の
駆動電力を低減させることができる。またターボチャー
ジャのコンプレッサの出口温度の低下に伴い、空冷式又
は水冷式の熱交換器を小型化することが可能となる。さ
らにターボチャージャへ供給されるガス温度が低下する
ので、耐熱性を上げる必要がなくなり、ターボチャージ
ャを樹脂化することも可能となる。ターボチャージャの
樹脂化により、金属製のものと比較して軽量化され、シ
ステム全体の軽量化が図れる。以上により、圧縮空気供
給に要する全負荷量を低減できるとともに、燃料電池に
導入される圧縮空気の温度制御を正確に行うことができ
る。
用圧縮空気供給装置は、排出ガスの圧力エネルギーを利
用するターボチャージャを具備するとともに、圧縮空気
供給ラインのうちターボチャージャのコンプレッサの少
なくとも上流の位置に空冷式又は水冷式の熱交換器が設
けられているので、ターボチャージャのコンプレッサに
吸入される圧縮空気の温度が低下し、ターボチャージャ
の効率が向上するのみならず、圧縮空気生成用圧縮機の
駆動電力を低減させることができる。またターボチャー
ジャのコンプレッサの出口温度の低下に伴い、空冷式又
は水冷式の熱交換器を小型化することが可能となる。さ
らにターボチャージャへ供給されるガス温度が低下する
ので、耐熱性を上げる必要がなくなり、ターボチャージ
ャを樹脂化することも可能となる。ターボチャージャの
樹脂化により、金属製のものと比較して軽量化され、シ
ステム全体の軽量化が図れる。以上により、圧縮空気供
給に要する全負荷量を低減できるとともに、燃料電池に
導入される圧縮空気の温度制御を正確に行うことができ
る。
【００３１】特にターボチャージャのタービンを駆動し
た後の排出ガスは断熱膨張により冷却されるので、これ
を冷媒として利用する空冷式熱交換器をターボチャージ
ャのコンプレッサの上流に設けることにより、圧縮空気
生成用圧縮機及びターボチャージャの負荷を著しく低減
することができるとともに、水冷式熱交換器の冷媒の循
環用ポンプの負荷も低減することができ、もって圧縮空
気供給効率を向上させることができる。圧縮空気供給の
負荷は燃料電池の出力から引かれるので、結局本発明の
圧縮空気供給装置を利用することにより、燃料電池の出
力を向上させることができる。
た後の排出ガスは断熱膨張により冷却されるので、これ
を冷媒として利用する空冷式熱交換器をターボチャージ
ャのコンプレッサの上流に設けることにより、圧縮空気
生成用圧縮機及びターボチャージャの負荷を著しく低減
することができるとともに、水冷式熱交換器の冷媒の循
環用ポンプの負荷も低減することができ、もって圧縮空
気供給効率を向上させることができる。圧縮空気供給の
負荷は燃料電池の出力から引かれるので、結局本発明の
圧縮空気供給装置を利用することにより、燃料電池の出
力を向上させることができる。
【図１】 本発明の第一の実施例による燃料電池用圧縮
空気供給装置を示す概略図である。
空気供給装置を示す概略図である。
【図２】 第一の実施例の圧縮空気供給装置における空
冷式熱交換器の作用を示す概略図である。
冷式熱交換器の作用を示す概略図である。
【図３】 本発明の第二の実施例による燃料電池用圧縮
空気供給装置を示す概略図である。
空気供給装置を示す概略図である。
【図４】 本発明の第三の実施例による燃料電池用圧縮
空気供給装置を示す概略図である。
空気供給装置を示す概略図である。
【図５】 圧縮空気の流量と実施例１及び比較例１にお
ける各部の圧縮空気温度との関係を示すグラフである。
ける各部の圧縮空気温度との関係を示すグラフである。
【図６】 ［実施例１におけるターボチャージャのコン
プレッサの出口温度］−［比較例１におけるターボチャ
ージャのコンプレッサの出口温度］（温度差）と、圧縮
空気流量との関係を示すグラフである。
プレッサの出口温度］−［比較例１におけるターボチャ
ージャのコンプレッサの出口温度］（温度差）と、圧縮
空気流量との関係を示すグラフである。
【図７】 実施例２及び比較例２において、圧縮空気の
流量と圧縮空気生成用圧縮機の消費電力との関係を示す
グラフである。
流量と圧縮空気生成用圧縮機の消費電力との関係を示す
グラフである。
【図８】 従来の燃料電池用圧縮空気供給装置を示す概
略図である。
略図である。
【図９】 比較例１における圧縮空気の流量と温度との
関係を示すグラフである。
関係を示すグラフである。
10，30，40・・・燃料電池 11，31，41・・・圧縮空気供給ライン 12，32，42・・・エアクリーナ 13，33，43・・・圧縮空気生成用圧縮機 14・・・空冷式熱交換器 15，35，45・・・ターボチャージャ 15a ，35a ，45a ・・・ターボチャージャのコンプレッ
サ 15b ，35b ，45b ターボチャージャのタービン 15c ，35c ，45c ・・・ターボチャージャの軸 16，34，44，46・・・水冷式熱交換器 17，37，47・・・排出ガスライン 18，38，48・・・圧力調整弁
サ 15b ，35b ，45b ターボチャージャのタービン 15c ，35c ，45c ・・・ターボチャージャの軸 16，34，44，46・・・水冷式熱交換器 17，37，47・・・排出ガスライン 18，38，48・・・圧力調整弁
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成１２年９月２０日（２０００．９．２
０）
０）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１６】圧縮空気Ａ及びＢとも流量が同等であり、
かつ乾燥空気の比熱も例えば20℃で0.240kcal/kg・℃
で、160℃で0.243kcal/kg・℃とほぼ等しいので、ＲＡ≒
１とすることができる。従って、 Ｔ4＝Ｔ3＋Ｔ1−Ｔ2 となる。空冷式熱交換器14を通過した後の圧縮空気Ａ
（供給ライン11内を流れる圧縮空気）の温度Ｔ2が圧縮
空気Ｂ（排出ガス）の温度Ｔ4とほぼ等しいと仮定し
て、空冷式熱交換器14の冷却効果をシミュレーションに
より求めることができる。
かつ乾燥空気の比熱も例えば20℃で0.240kcal/kg・℃
で、160℃で0.243kcal/kg・℃とほぼ等しいので、ＲＡ≒
１とすることができる。従って、 Ｔ4＝Ｔ3＋Ｔ1−Ｔ2 となる。空冷式熱交換器14を通過した後の圧縮空気Ａ
（供給ライン11内を流れる圧縮空気）の温度Ｔ2が圧縮
空気Ｂ（排出ガス）の温度Ｔ4とほぼ等しいと仮定し
て、空冷式熱交換器14の冷却効果をシミュレーションに
より求めることができる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松本 広嗣 埼玉県和光市中央一丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内 Ｆターム(参考） 5H027 AA02 BC11 KK44
Claims (4)
- 【請求項１】 燃料電池に圧縮空気を供給する圧縮機を
備えた燃料電池用圧縮空気供給装置であって、圧縮空気
供給ラインに設けられたコンプレッサと排出ガスライン
に設けられたタービンからなるターボチャージャを具備
するとともに、圧縮空気供給ラインのうち前記ターボチ
ャージャのコンプレッサより少なくとも上流の位置に、
前記圧縮空気を冷却する冷却手段を有することを特徴と
する燃料電池用圧縮空気供給装置。 - 【請求項２】 請求項１に記載の燃料電池用圧縮空気供
給装置において、前記冷却手段は前記圧縮空気と前記タ
ービンからの排出ガスとを熱交換する空冷式熱交換器で
あることを特徴とする燃料電池用圧縮空気供給装置。 - 【請求項３】 請求項１に記載の燃料電池用圧縮空気供
給装置において、前記冷却手段は前記圧縮空気と前記燃
料電池を冷却する冷却水とを熱交換する水冷式熱交換器
であることを特徴とする燃料電池用圧縮空気供給装置。 - 【請求項４】 請求項２又は３に記載の燃料電池用圧縮
空気供給装置において、前記コンプレッサの下流の位置
で前記圧縮空気供給ラインに水冷式熱交換器が設けられ
ていることを特徴とする燃料電池用圧縮空気供給装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000245435A JP2002056865A (ja) | 2000-08-11 | 2000-08-11 | 燃料電池用圧縮空気供給装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000245435A JP2002056865A (ja) | 2000-08-11 | 2000-08-11 | 燃料電池用圧縮空気供給装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002056865A true JP2002056865A (ja) | 2002-02-22 |
Family
ID=18735964
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000245435A Pending JP2002056865A (ja) | 2000-08-11 | 2000-08-11 | 燃料電池用圧縮空気供給装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002056865A (ja) |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1463135A1 (en) | 2003-03-27 | 2004-09-29 | Nissan Motor Co., Ltd. | Fuel cell system |
| JP2008226676A (ja) * | 2007-03-14 | 2008-09-25 | Toyota Industries Corp | 燃料電池システム |
| US7442457B2 (en) * | 2002-03-08 | 2008-10-28 | General Motors Corporation | Fuel cell system with compressor and also a method for operating such a fuel cell system |
| KR100897113B1 (ko) | 2007-11-09 | 2009-05-14 | 현대자동차주식회사 | 연료전지 차량용 공기블로워 냉각 시스템 |
| US20160164121A1 (en) * | 2014-12-09 | 2016-06-09 | Hyundai Motor Company | Fuel cell system |
| DE102018106534A1 (de) | 2017-03-27 | 2018-09-27 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Brennstoffzellensystem |
| CN109372775A (zh) * | 2018-11-20 | 2019-02-22 | 势加透博（北京）科技有限公司 | 一种燃料电池的两级压缩空气供给系统 |
| CN110661020A (zh) * | 2019-11-05 | 2020-01-07 | 大连依勒斯涡轮增压技术有限公司 | 一种燃料电池的空气系统 |
| DE102019128431A1 (de) * | 2019-10-22 | 2021-04-22 | Audi Ag | Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung, Brennstoffzellenvorrichtung sowie Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung |
| JP7433361B2 (ja) | 2022-04-28 | 2024-02-19 | 本田技研工業株式会社 | 燃料電池システム |
-
2000
- 2000-08-11 JP JP2000245435A patent/JP2002056865A/ja active Pending
Cited By (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| EP1463135A1 (en) | 2003-03-27 | 2004-09-29 | Nissan Motor Co., Ltd. | Fuel cell system |
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| US20180277869A1 (en) * | 2017-03-27 | 2018-09-27 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell system |
| US10707505B2 (en) | 2017-03-27 | 2020-07-07 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell system |
| CN109372775A (zh) * | 2018-11-20 | 2019-02-22 | 势加透博（北京）科技有限公司 | 一种燃料电池的两级压缩空气供给系统 |
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| CN110661020A (zh) * | 2019-11-05 | 2020-01-07 | 大连依勒斯涡轮增压技术有限公司 | 一种燃料电池的空气系统 |
| JP7433361B2 (ja) | 2022-04-28 | 2024-02-19 | 本田技研工業株式会社 | 燃料電池システム |
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