JP2002083618A

JP2002083618A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2002083618A
Application number: JP2000274996A
Authority: JP
Inventors: Hirochika Kametani; 裕敬亀谷; Hidetomo Mori; 英智茂利; Masayuki Kasahara; 雅之笠原
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2000-09-06
Filing date: 2000-09-06
Publication date: 2002-03-22
Anticipated expiration: 2020-09-06
Also published as: JP3664062B2

Abstract

(57)【要約】【課題】燃料電池を小型化し、エネルギ効率を向上す
る。【解決手段】空気圧縮機２から空気室１６、水捕集器
３、膨張器４までの空気流路と貯水槽３１を高圧に維持
する。貯水槽３１の水は弁３３を経由し圧縮機２内の圧
縮室に差圧で注入する。センサ３４と３５により各部温
度を検知し、水注入量を弁３３で増減することにより各
部温度を適正範囲に制御する。停止直前には自動的に水
注入量を減らす。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は燃料電池システムに
係わり、特に、車載用に好適な大気を圧縮する空気圧縮
機を備えた燃料電池システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】排ガス中のＮＯｘ，ＣＯ，ＣＯ２ガス等
を低減可能な燃料電池車の空気圧縮に必要なエネルギ消
費を最小にして燃料電池装置の発生出力を最適化する方
法が、特開平7-14599号公報に記載されている。この公
報では、燃料電池の出力を調整するため、空気供給導管
中に回転数可変の圧縮機を設け、空気排出導管中に吸収
能力の可変な膨張機を設けている。そして、空気容積流
量を圧縮機の回転数を介して所定の目標値に調整し、同
時に膨張機の吸収能力を制御して、燃料電池装置を所定
運転圧力に調整している。

【０００３】また、燃料電池発電装置において、体積効
率及び温度効率を高め、圧縮機の所要動力を小さくかつ
小型軽量化することが、特開平10-189010号公報に記載
されている。この公報においては、燃料電池発電装置は
燃料電池とリショルムコンプレッサを備え、燃料電池で
発生した水分を凝縮して気液分離装置に保有させ、気液
分離装置からリショルムコンプレッサの吸入側に噴射ポ
ンプで水を噴射している。これにより、圧縮空気と水と
を熱交換し吐出空気を冷却するとともに、噴射水により
リショルムコンプレッサ内の漏れ通路をシールしてい
る。

【０００４】さらに、燃料電池システム内に残留した水
の凍結を防止して確実な始動を可能にすることが特開平
2000-21430号公報に記載されている。この公報では、燃
料電池システムは、改質器と燃料電池セルとを有してい
る。さらに、メタノールを貯留するメタノールタンク
と、燃料電池セル等から排出される水分を貯留する水回
収タンクと、メタノールおよび水を混合するメタノール
水溶液タンクと、このタンクの下部に接続され、水回収
タンク内及び水経路内の水を排水可能な切り換えバルブ
をも備えている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記いずれ
の公知例においても、燃料電池本体に供給する空気と水
の圧力条件を最適化することまでは考慮されていない。
したがって、燃料電池システム全体のエネルギ効率が必
ずしも満足の行くものではなかった。例えば、特開平７
―１４５９９号公報では、供給空気の温度を制御して燃
料電池本体を適正温度範囲に制御することが記載されて
いるが、モニタリングに必要な温度をどこでどのように
測定するかについては十分考慮されておらず、燃料電池
システムの最適化が困難であった。

【０００６】また、特開平10-189010号公報に記載のも
のは、ポンプを必要とせずに水注入が可能で空気圧縮機
の効率向上が期待できる。しかし、燃料電池本体の上流
側で水を冷却分離しているので、分離後の空気による燃
料電池本体の温度低下や乾燥障害による性能低下を引き
起こすおそれがある。したがって、燃料電池システム全
体を最適化することについての配慮が不十分である。さ
らに、特開平2000-21430号公報に記載のものは、空気圧
縮機を燃料電池に使用することが考慮されていない。

【０００７】本発明は上記従来技術の不具合に鑑みなさ
れたものであり、その目的は、燃料電池システム全体の
エネルギ効率を向上することにある。本発明の他の目的
は、燃料電池を安定に運転開始し、障害を回避した信頼
性の高い燃料電池を実現することにある。そして、これ
らのいずれかを達成することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明の第1の特徴は、燃料電池本体と、この燃料電
池本体に大気を圧縮して供給する容積型の圧縮機と、燃
料電池本体の排気から水分を分離捕集する水捕集手段
と、捕集した水分を貯える貯水手段と、水分を分離した
排気を減圧する減圧手段とを備えた燃料電池システムに
おいて、空気圧縮機に吸込まれた大気が、この空気圧縮
機の吐出口、燃料電池本体の空気室、水捕集手段および
減圧手段の順に流通する空気流路を形成し、この空気流
路と貯水手段とは圧縮機の吐出圧に耐えるものであり、
燃料電池本体が運転中は貯水手段から圧縮機に差圧で分
離した水分を供給可能としたことにある。

【０００９】そしてこの特徴において、燃料電池本体に
供給される空気の温度を検出する温度検出手段を有し、
貯水手段から圧縮機に導かれる水分が流通する流路に流
路抵抗可変手段を介在させ、温度検出手段が検出した温
度信号を入力し、流路抵抗可変手段を制御する制御信号
を出力する制御装置を設けることが望ましい。

【００１０】また、起動時及び停止時の少なくともいず
れかにおいて、制御装置は流路抵抗可変手段が通常運転
時よりも少量の水分を圧縮機に供給するように制御する
ことが望ましい。

【００１１】上記目的を達成するための本発明の第2の
特徴は、燃料電池本体と、この燃料電池本体に大気を圧
縮して供給する容積型の圧縮機と、燃料電池本体の排気
から水分を分離捕集する水捕集手段と、捕集した水分を
貯える貯水手段と、水分を分離した排気を減圧する減圧
手段とを備えた燃料電池システムにおいて、貯水手段は
この貯水手段に溜められた水の温度を検出する温度検出
手段とこの水を加熱する加熱手段とを有し、燃料電池本
体で発電した電気を蓄える蓄電池とこの蓄電池の充電量
を監視する手段とを設け、水温検出手段が検出した温度
が、予め定めた設定値以下となったときには加熱手段に
蓄電池から電力を送り、監視手段が監視する充電量が予
め定めた設定値以下になったときには、燃料電池本体を
作動させて通常運転を開始して蓄電池に充電するよう指
令する制御手段を設けたものである。

【００１２】

【発明の実施の形態】燃料電池は水素を直接、あるいは
水素を含む燃料から改質により発生させた水素を酸素と
結合する化学反応を利用して電力を生み出すエネルギ変
換器の一種で、近年、研究開発が進められている。水素
と反応させる酸素としては、大気中の酸素を利用してい
る。燃料電池の出力向上あるいは小型化のためには、単
位容積当たりの出力増加が必要である。そこで、水素と
酸素の結合反応を促進するため、供給する空気を大気圧
以上に昇圧している。

【００１３】また、燃料電池を連続して運転するために
は、水の供給も不可欠である。現在有望な燃料電池であ
る固体高分子型の燃料電池（ＰＥＦＣ）では、燃料電池
本体内にイオン交換可能な電解質膜を備え、この電解質
膜を水で濡らしている。燃料電池の排気中には水素と酸
素が反応して発生した水蒸気が多量に含まれているの
で、この水蒸気を分離回収して電解質膜を濡らす水とし
ている。

【００１４】このような原理を用いた本発明に係る燃料
電池システムの一実施例を、図面を用いて説明する。図
１は燃料電池システムの系統図である。この図1におい
ては、燃料電池本体への圧縮空気供給系と水の循環系と
を詳述している。また、改質器やその周辺機器、発生電
力の交流への変換器、及び制御機器については、図示を
省略または簡略化して示している。

【００１５】燃料電池本体１は、電解質膜１１を水素極
（アノード）１３と酸素極（カソード）１４とで挟んで
いる。そして、アノード13とカソード14から、電力線１
２を用いて直流電力を取り出している。電解質１１は燃
料電池の種類によりその材質が異なる。本実施例では高
分子電解質膜を用いている。アノード１３に、燃料気体
が供給される水素室１５が形成されており、カソード14
には空気室が形成されている。

【００１６】なお、燃料気体は、水素を多く含む気体で
あり、例えばメタノールガスや水素ガスそのものであ
る。水素室１５に水素を供給する方法としては、貯蔵し
た水素を用いる方法や改質器において水素を含有する化
合物から水素を取り出す方法がある。

【００１７】次に、空気室１６へ大気中の空気を圧縮し
て送り込む流路系について説明する。空気取入れ端に、
空気中を浮遊する塵埃などの進入を防止する空気濾過器
２１を設ける。空気濾過器21を経た空気は、吸入流路２
２を介してスクリュー式の空気圧縮機２の吸入口に至
る。空気圧縮機2で圧縮された空気は、空気圧縮機２の
吐出口に接続された耐圧配管製の上流流路２３を経て空
気室１６へ導かれる。

【００１８】なお、本実施例では空気圧縮機２としてス
クリュー圧縮機を採用しているが、容積形の圧縮機であ
ればスクロール式あるいは往復動式などであってもかま
わない。スクリュー圧縮機では雌雄一対のロータに形成
された歯溝間に吸入されたガスを、ロータが回転するこ
とにより一方の軸端から他方の軸端まで移送する。その
際、吸入されたガスを収容する圧縮室が吸入側端面で形
成され、ロータの回転に伴ってその容積を拡大した後に
縮小に転じ、吐出側端面で消滅する。圧縮室形成から最
大容積になる間にスクリュー圧縮機の吸入口と連通して
空気を吸い込む。その後、圧縮室が閉じたまま容積を縮
小し続ける。その結果、圧縮室の内圧が上昇する。内圧
が所定圧力に達したらスクリュー圧縮機の吐出口に連通
するように、ケーシングに吐出口が形成されている。

【００１９】空気室１６の出口に接続された下流配管２
４も、耐圧構造となっている。この下流配管24の途中に
は、水捕集器３が設けられている。水捕集器3を経た圧
縮ガスは、膨張機４に導かれ、減圧する。膨張機４を出
たガスは、サイレンサ２５から大気へ開放される。

【００２０】水捕集器３では、圧縮空気を一旦露点以下
に冷却する。そして、液化析出した水分を重力で分離し
ている。水捕集器３の下部には貯水槽３１が形成されて
おり、その底面には水配管３２が接続されている。水配
管３２には、電動弁３３が設けられており、流路抵抗を
変えることができる。電動弁３３を経た水は、圧縮機２
のケーシングを貫通する流路を通って圧縮機内部に形成
される圧縮室に導かれる。

【００２１】この水の注入位置は圧縮機の性能や信頼性
に重要な意味を持つ。注入位置が吐出側に近過ぎるか、
あるいは吐出口よりも下流にあると、水を注入しても空
気の圧縮により発生する熱を効率よく奪うことができな
い。したがって、圧縮動力の低減には役立たない。さら
に、注入位置の内圧が高いので、差圧吸入が困難にな
る。

【００２２】一方、注入位置が吸入口よりも上流側にあ
ると、水が気化した分だけ空気の吸入が阻害されて体積
効率の低下が生じる。また、流路壁面が濡れるので停止
時に凍結したり内部の腐食を促進するなどの好ましくな
い現象を発生しやすい。そこで、本実施例では圧縮室が
最大容積となって吸入口を閉じると同時あるいは直前
に、水の注入が開始されるように注入口を形成する。

【００２３】ところで、膨張機４の回転動力を出力する
出力軸と圧縮機２の回転動力の入力軸を共通軸６として
一体化している。これは、膨張機４で発生する回転動力
を圧縮機２の駆動動力に利用するためである。しかしな
がら、通常の運転条件では膨張機４の出力は圧縮機２の
駆動に要する動力より小さい。そこで、共通軸６に動力
を供給する電動機５の出力軸を連結している。

【００２４】上流流路２３の内部には、流路内を流れる
空気の温度を検出する温度センサ３４が配設されてい
る。また酸素極１４の表面にも温度センサ３７が備えら
れている。これら温度センサ３４、３７の出力は制御装
置７に入力される。制御装置７は、温度センサ３４、３
７が検出した温度に基づいて、水配管３２に介在させた
電動弁３３に制御信号３６を出力する。

【００２５】貯水槽３１には貯水温度を検出する温度セ
ンサ３５が取付けられている。貯水槽３１の底部背面側
には、電熱線ヒータ４１が設けられている。このヒータ
４１及び貯水槽３１を断熱材４１が覆っている。ヒータ
４１および蓄電池４４には、制御盤４３を介して燃料電
池本体１で発生した電力が供給されている。この燃料電
池本体１からの電力線の途中には、必要に応じて電圧変
換器が設けられている。なお、制御盤４３からの電力の
供給/停止を、制御装置７が指令している。

【００２６】次にこのように構成した本実施例の動作に
ついて、説明する。初めに、定常運転について説明す
る。空気圧縮機２に吸い込まれた大気は、圧縮室の拡大
過程で吸入口から圧縮室に吸い込まれる。そして、圧縮
室容積がほぼ最大の時に吸入口が閉じられ、その後容積
が縮小することにより圧縮される。圧縮開始と相前後し
て水が注入される。水の温度は圧縮機に吸入された空気
の温度と同じか僅かに高い程度である。したがって、圧
縮されて温度上昇した空気に対して、注入された水は相
当低い温度であるから、熱交換して空気を冷却する。水
は空気に比較して単位体積当たりの比熱が非常に大き
い。しかも水は、高温では気化する際に潜熱を奪うか
ら、圧縮された空気に注水すると、水の注入の無い乾燥
状態に比較して格段に空気温度が低下する。水の冷却効
果で空気は等温圧縮に近づくので、圧縮動力が低減され
る。圧縮室は所定の位置で吐出口を開口し、圧縮した空
気を吐き出す。

【００２７】圧縮機２に水を注入すると空気を冷却でき
るが、さらに、シール効果も得られる。つまり、従来、
雌雄両ロータ間やケーシングと各ロータ間に形成される
僅かな隙間から漏洩する空気が圧縮機の効率を低下させ
ているが、水を注入することにより水が隙間を塞ぐため
である。

【００２８】燃料電池本体１の電解質膜１１は、水で濡
れた状態で機能する。そして、乾燥高温空気が空気室１
６に流れると、酸素極１４とともに乾燥し効率が低下す
る。本実施例では供給空気が水蒸気を多く含むので、酸
素極１４を透過して電解質膜１１から散逸する水の量を
減らすことができる。また、温度条件によっては酸素極
１４の面に結露させることにより水分を供給することも
できる。

【００２９】酸素極１４では、水素極１４から電解質膜
１１を透過してきた水素イオンと電力線１２を経由して
きた電子が空気中の酸素と結合して水を発生する。その
一部は、水蒸気として空気室１６に放出される。このた
め、燃料電池本体１から排出される空気には水蒸気が多
量に含まれる。そこで、水捕集器３では排出する空気を
一旦冷却し、この空気に含まれる水蒸気を液化して空気
から分離する。水分を分離した空気は、膨張機４を通過
する際に圧力が降下する。このとき、回転動力を発生し
て圧縮機２の駆動動力の一部に用いられる。圧力が低下
した空気は、サイレンサ２５から大気に放出される。

【００３０】水捕集器３で分離された水は、水捕集器３
の下部に形成した貯水槽３１に滴下する。貯水槽３１に
一時的に貯えられた水は、水配管３２を通じて圧縮機２
に導かれ、再び吸入空気に注入される。水捕集器３内の
圧力は貯水槽３１部分をも含めて、ほぼ大気圧である圧
縮開始位置における圧縮室内の圧力より高い。そのた
め、水を供給するためのポンプは不要であり、圧縮室内
圧力と貯水槽内の圧力との差圧だけで、圧縮機１へ注水
が可能になる。

【００３１】燃料電池本体１の発電能力は、電解質膜１
１ならびにその周囲の温度にも依存する。これらの温度
は、大気温よりも高いことが望ましい。燃料電池の通常
運転時には、燃料電池自身の発熱と供給される空気や燃
料の温度および放熱をバランスさせることにより、最適
な温度範囲で運転されている。この温度制御について以
下に説明する。

【００３２】燃料電池本体１の温度を検出するため、酸
素極１４に温度センサ３５を設けている。この温度セン
サ３５が検出した温度と、燃料電池に供給される空気の
温度を検出する温度センサ３４が検出した空気温度とを
制御装置７に入力する。制御装置７はこれらの温度情報
に基づいて、電動弁３３に開度調整を制御信号３６で指
示する。例えば温度が高すぎる場合には流路損失を減ら
して流量を増し、多くの水で空気を冷却する。逆に温度
が低すぎる場合には、水の流量を減らす。

【００３３】次に、起動時の運転について説明する。起
動時には本システム全体が大気温に近い温度であるか
ら、そのままでは発電能力が低い。燃料電池の用途によ
っては早急な立ち上がり、すなわち短い暖気運転時間が
要求される。その場合は、次のように運転する。

【００３４】起動直後の予め設定した時間だけあるいは
所定の温度に達するまで、制御装置７は制御弁３３を制
御して、通常運転時より水注入量を減らすかあるいは水
注入を停止する。圧縮機２の吐出空気は圧縮熱で温度上
昇する。この温度上昇した空気を空気室１６に供給して
燃料電池本体１を暖める。このようにすることにより、
燃料電池全体の温度を、速やかに最適値に近づけること
が可能になる。この暖気運転の過程では圧縮機２の動力
は通常運転時よりも多くなるが、暖気時間は通常運転時
間に比較して短いので、エネルギ消費量への影響は小さ
い。また、水蒸気の含有が少ない空気を供給するので電
解質膜１１に含まれる水が散逸するおそれがあるが、暖
気運転時間は短い時間であるから、すぐに水を供給する
ことにより電解質膜１１を濡れた状態に維持できる。な
お、水分の散逸が懸念される場合には、ポンプ等を設け
て水を供給することで対応可能である。

【００３５】燃料電池を寒冷条件で用いると、停止後に
凍結する恐れがある。そこで、燃料電池を停止する前に
乾燥運転する。乾燥運転は、起動運転と同様に水注入を
停止した運転である。水を注入せずに、圧縮機２や空気
流路２３、２４内部の水分を減らし、その後運転を停止
する。圧縮機２の停止後に電動弁３３を開放すると、水
配管３２内に残った水は重力で貯水槽３１に戻される。
貯水槽３１に貯えた水は、一個所に集中しているから、
保温や電熱などの手段を講ずることにより容易に凍結を
防止できる。

【００３６】本実施例では、燃料電池を停止している時
でも制御装置７は稼動状態にある。そして、貯水槽３１
に貯えた水の温度は、温度センサ３７で監視し続けられ
る。水の温度が次第に下降して、所定の温度（例えば５
℃）以下になったことをセンサ３７が感知したら、制御
装置７は配電盤４３に蓄電池４４の電力をヒータ４１に
流すように指令する。これにより水が加熱される。水の
温度が予め設定した値（例えば７℃以上）まで上昇した
ことを温度センサ３７が確認したら、加熱を停止する。
このようにして、貯水槽内の水の凍結を防止できる。

【００３７】上述した凍結防止を長期間にわたり実行す
ると、蓄電池４４に貯えた電力が消費し尽くされヒータ
による加熱が困難となる。そこで、蓄電池４４の蓄電量
を検出する手段を設け、蓄電量の消費状態を制御装置７
に入力し、その状態に応じて燃料電池を自動運転する。
この蓄電量の消費による運転も通常の起動運転と同様で
ある。蓄電池本体１で発生した電力は制御盤４３を介し
て蓄電池４４に送られる。そして、蓄電池４４が十分に
充電されたことを蓄電量検出手段が検出したら、燃料電
池の運転を停止し、再び通常の凍結防止運転に戻る。

【００３８】なお、上記実施例においては、空気室の下
流側に膨張機４を設けているが、燃料電池システムの容
量が小さい時や空気室の設定圧力が低い場合には膨張機
で取り出す動力は有効なほどの量にならないので、膨張
機４に代えて膨張弁を用いるようにしてもよい。その場
合、共通軸８を廃して圧縮機２を電動機等の駆動手段で
駆動するようにする。その結果、圧縮機２と排気流路を
簡素化できる。

【００３９】以上述べたように本実施例によれば、燃料
電池システムを小形化しながらエネルギ効率を向上する
ことができる。また、起動から通常の運転に至るまでの
暖気時間も短く、寒冷条件における停止後の凍結防止も
可能である。さらに、長期間停止に対しても凍結防止が
有効、で高い信頼性と使い勝手向上を実現している。

【００４０】

【発明の効果】本発明によれば、大気から分離した水分
を圧縮機に注水するようにしたので、燃料電池システム
の小形化とエネルギ効率の向上の双方を実現できる。ま
た凍結防止手段を設けたので、長期にわたり信頼性高く
燃料電池を運転することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る燃料電池システムの一実施例の系
統図である。

【符号の説明】

１……燃料電池本体、２……空気圧縮機、３……水捕集
器、４……膨張機、５……電動機、６……共通軸、７…
…制御装置、１１……電解質膜、１２……電力端子、１
３……水素極、１４……酸素極、１５……水素室、１６
……空気室、２１……空気濾過器、２２……吸入流路、
２３……上流流路、２４……下流流路、２５……サイレ
ンサ、３１……貯水槽、３２……水流路、３３……電動
弁、３４…温度センサ、３５……温度センサ、３６……
制御信号、４１……ヒータ、４２……断熱材、４３……
制御盤、４４…蓄電池。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｍ 8/04 Ｈ０１Ｍ 8/04 Ｙ 8/00 8/00 Ａ 8/10 8/10 (72)発明者笠原雅之静岡県清水市村松390番地株式会社日立製作所産業機器グループ内Ｆターム(参考） 5H026 AA06 5H027 AA06 BC11 DD03 KK44 MM04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料電池本体と、この燃料電池本体に大気
を圧縮して供給する容積型の圧縮機と、前記燃料電池本
体の排気から水分を分離捕集する水捕集手段と、捕集し
た水分を貯える貯水手段と、水分を分離した排気を減圧
する減圧手段とを備えた燃料電池システムにおいて、前
記空気圧縮機に吸込まれた大気が、この空気圧縮機の吐
出口、前記燃料電池本体の空気室、前記水捕集手段およ
び前記減圧手段の順に流通する空気流路を形成し、この
空気流路と前記貯水手段とは前記圧縮機の吐出圧に耐え
るものであり、前記燃料電池本体が運転中は前記貯水手
段から前記圧縮機に差圧で分離した水分を供給可能とし
たことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】前記燃料電池本体に供給される空気の温度
を検出する温度検出手段を有し、前記貯水手段から前記
圧縮機に導かれる水分が流通する流路に流路抵抗可変手
段を介在させ、前記温度検出手段が検出した温度信号を
入力し、前記流路抵抗可変手段を制御する制御信号を出
力する制御装置を設けたことを特徴とする請求項１に記
載の燃料電池システム。
【請求項３】起動時及び停止時の少なくともいずれかに
おいて、前記制御装置は前記流路抵抗可変手段が通常運
転時よりも少量の水分を前記圧縮機に供給するように制
御することを特徴とする請求項2に記載の燃料電池シス
テム。
【請求項４】燃料電池本体と、この燃料電池本体に大気
を圧縮して供給する容積形の圧縮機と、前記燃料電池本
体の排気から水分を分離捕集する水捕集手段と、捕集し
た水分を貯える貯水手段と、水分を分離した排気を減圧
する減圧手段とを備えた燃料電池システムにおいて、前
記貯水手段はこの貯水手段に溜められた水の温度を検出
する温度検出手段とこの水を加熱する加熱手段とを有
し、前記燃料電池本体で発電した電気を蓄える蓄電池と
この蓄電池の充電量を監視する手段とを設け、前記水温
検出手段が検出した温度が、予め定めた設定値以下とな
ったときには前記加熱手段に蓄電池から電力を送り、前
記監視手段が監視する充電量が予め定めた設定値以下に
なったときには、燃料電池本体を作動させて通常運転を
開始して蓄電池に充電するよう指令する制御手段を設け
たことを特徴とする燃料電池システム。