JP2003129961A - 燃料電池用圧縮機 - Google Patents
燃料電池用圧縮機Info
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- Control Of Positive-Displacement Pumps (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 車載用燃料電池の負荷に応じて圧縮機吐出圧
を可変とし、燃料電池の必要空気量を圧縮して動力損失
を低減することにより省エネを図る。 【解決手段】 燃料電池15の空気供給用圧縮機を低圧段
2と高圧段3の２段で構成し、各々をモータ1とクラッチ
6、7で接続し、更に低圧段圧縮機2の吐出配管10に切換
弁13を備え、これにより低圧段吐出空気をそのまま燃料
電池15に供給する配管20と、高圧段圧縮機3を経由して
供給する配管21、11とを設けた。本発明により、負荷低
下の場合は、低圧段空気の供給により圧縮機駆動動力が
低減し省エネ効果が得られる。又、モータ1をインバー
タ制御で可変速駆動することで圧縮機回転数も制御でき
更に省エネ効果が得られる。又、吐出空気が燃料電池動
作温度となる圧力比で運転可能であり、吐出空気が冷却
不要となる。
を可変とし、燃料電池の必要空気量を圧縮して動力損失
を低減することにより省エネを図る。 【解決手段】 燃料電池15の空気供給用圧縮機を低圧段
2と高圧段3の２段で構成し、各々をモータ1とクラッチ
6、7で接続し、更に低圧段圧縮機2の吐出配管10に切換
弁13を備え、これにより低圧段吐出空気をそのまま燃料
電池15に供給する配管20と、高圧段圧縮機3を経由して
供給する配管21、11とを設けた。本発明により、負荷低
下の場合は、低圧段空気の供給により圧縮機駆動動力が
低減し省エネ効果が得られる。又、モータ1をインバー
タ制御で可変速駆動することで圧縮機回転数も制御でき
更に省エネ効果が得られる。又、吐出空気が燃料電池動
作温度となる圧力比で運転可能であり、吐出空気が冷却
不要となる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は燃料電池用圧縮機に
係り、特に、車載用燃料電池に圧縮空気を供給する空気
圧縮機を２段機で構成することによって、圧縮機運転の
省エネを図るのに好適な技術に関する。
係り、特に、車載用燃料電池に圧縮空気を供給する空気
圧縮機を２段機で構成することによって、圧縮機運転の
省エネを図るのに好適な技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】燃料電池は、水素を直接供給したり、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
供給したりして、水素と酸素が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。
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
供給したりして、水素と酸素が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。
【０００３】水素と反応させる酸素は、通常は大気に含
まれているものを利用し、空気を燃料電池内部に取り込
み、含有する酸素を水素と反応させる。燃料電池の出力
向上あるいは小型化のためには、燃料電池の大きさ寸法
で、単位寸法当たりの出力増加が必要である。そのた
め、水素と酸素が結合する反応を活発に促進するため
に、多くは供給する空気を大気圧以上に昇圧する方法が
用いられている。
まれているものを利用し、空気を燃料電池内部に取り込
み、含有する酸素を水素と反応させる。燃料電池の出力
向上あるいは小型化のためには、燃料電池の大きさ寸法
で、単位寸法当たりの出力増加が必要である。そのた
め、水素と酸素が結合する反応を活発に促進するため
に、多くは供給する空気を大気圧以上に昇圧する方法が
用いられている。
【０００４】例えば、特開平７−１４５９９号公報（特
許第２７４３１４７号）には、大気から取り入れた空気
を圧縮供給する事例が述べられている。しかし、空気を
昇圧して供給した場合、燃料電池では酸素のみが消費さ
れ、反応しない窒素等は燃料電池から大気圧より高い圧
力で排出されるため、圧縮機における圧縮エネルギが無
駄に排出されることになる。
許第２７４３１４７号）には、大気から取り入れた空気
を圧縮供給する事例が述べられている。しかし、空気を
昇圧して供給した場合、燃料電池では酸素のみが消費さ
れ、反応しない窒素等は燃料電池から大気圧より高い圧
力で排出されるため、圧縮機における圧縮エネルギが無
駄に排出されることになる。
【０００５】また、車の必要とする動力（負荷）は運転
モードによって大きく変化し、常に最大の動力（負荷）
を必要とはしていない。しかし、車の性能としては最大
の動力（負荷）を確保できる容量に燃料電池の発電能力
を設定するため、空気供給用圧縮機の能力も最大に設定
している。そのため、部分負荷での運転時には、圧縮し
た空気のエネルギの多くがそのまま排出されることにな
り、エネルギの損失が大きい。
モードによって大きく変化し、常に最大の動力（負荷）
を必要とはしていない。しかし、車の性能としては最大
の動力（負荷）を確保できる容量に燃料電池の発電能力
を設定するため、空気供給用圧縮機の能力も最大に設定
している。そのため、部分負荷での運転時には、圧縮し
た空気のエネルギの多くがそのまま排出されることにな
り、エネルギの損失が大きい。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】上記の問題に対して、
例えば、特開平１１−２８８７３０号公報には、空気容
量の異なる圧縮機を２台用いて、動力（負荷）に応じて
容量の大きい圧縮機と、容量の小さい圧縮機とを切り換
えて運転する方法が述べられている。しかし、２台の吐
出圧は一定のため、必要とする空気量が各圧縮機の仕様
空気量より少ない範囲ではエネルギの損失が大きい。
例えば、特開平１１−２８８７３０号公報には、空気容
量の異なる圧縮機を２台用いて、動力（負荷）に応じて
容量の大きい圧縮機と、容量の小さい圧縮機とを切り換
えて運転する方法が述べられている。しかし、２台の吐
出圧は一定のため、必要とする空気量が各圧縮機の仕様
空気量より少ない範囲ではエネルギの損失が大きい。
【０００７】また、１段で燃料電池に必要な圧力まで大
気圧から昇圧すると、通常は断熱圧縮により吐出空気温
度は高温になる。そのため、燃料電池の動作温度まで冷
却装置により冷却する必要がある。
気圧から昇圧すると、通常は断熱圧縮により吐出空気温
度は高温になる。そのため、燃料電池の動作温度まで冷
却装置により冷却する必要がある。
【０００８】本発明の目的は、燃料電池の負荷に応じて
圧縮機の吐出圧を可変とし、燃料電池からの排気による
動力の損失を低減して省エネを図り、さらには、吐出空
気温度を燃料電池の動作温度に合わせることで、圧縮機
の吐出空気を冷却しなくてもすむシステムを提供するこ
とである。
圧縮機の吐出圧を可変とし、燃料電池からの排気による
動力の損失を低減して省エネを図り、さらには、吐出空
気温度を燃料電池の動作温度に合わせることで、圧縮機
の吐出空気を冷却しなくてもすむシステムを提供するこ
とである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、燃料電池に空気を供給する圧縮機を、低圧
段圧縮機と高圧段圧縮機の２段で構成し、該２つの圧縮
機の駆動軸を、それぞれクラッチを介して駆動源に接続
すると共に、前記低圧段圧縮機の吐出配管に切換弁を設
置し、該切換弁を介して前記高圧段圧縮機を経由して前
記燃料電池に圧縮空気を供給する系路と、前記切換弁を
介して前記燃料電池に圧縮空気を供給するバイパス系路
とを備えたことを特徴とするものである。
に本発明は、燃料電池に空気を供給する圧縮機を、低圧
段圧縮機と高圧段圧縮機の２段で構成し、該２つの圧縮
機の駆動軸を、それぞれクラッチを介して駆動源に接続
すると共に、前記低圧段圧縮機の吐出配管に切換弁を設
置し、該切換弁を介して前記高圧段圧縮機を経由して前
記燃料電池に圧縮空気を供給する系路と、前記切換弁を
介して前記燃料電池に圧縮空気を供給するバイパス系路
とを備えたことを特徴とするものである。
【００１０】本発明によれば、通常定格運転時は、高圧
段圧縮機を経由し、低圧段および高圧段の２段階で圧縮
した圧縮空気を燃料電池に供給し、燃料電池の負荷が低
下したときは、低圧段圧縮機の圧縮空気をバイパス系路
から燃料電池に直接供給して高圧段圧縮機の運転を停止
できる。
段圧縮機を経由し、低圧段および高圧段の２段階で圧縮
した圧縮空気を燃料電池に供給し、燃料電池の負荷が低
下したときは、低圧段圧縮機の圧縮空気をバイパス系路
から燃料電池に直接供給して高圧段圧縮機の運転を停止
できる。
【００１１】また、駆動源であるモータをインバータ制
御機で可変速駆動することで、吐出空気量を可変にで
き、さらに、圧縮機の吐出配管に圧力調整用バルブを設
け、このバルブの開度を調節することにより、吐出空気
温度が燃料電池の動作する設定温度となる圧力比で運転
できるようにした。また、上記圧縮機はスクリュー圧縮
機、スクロール圧縮機、レシプロ圧縮機等の容積形圧縮
機が容易に採用できる。
御機で可変速駆動することで、吐出空気量を可変にで
き、さらに、圧縮機の吐出配管に圧力調整用バルブを設
け、このバルブの開度を調節することにより、吐出空気
温度が燃料電池の動作する設定温度となる圧力比で運転
できるようにした。また、上記圧縮機はスクリュー圧縮
機、スクロール圧縮機、レシプロ圧縮機等の容積形圧縮
機が容易に採用できる。
【００１２】また、高圧段圧縮機の前流側に、低圧段圧
縮機の吐出空気を冷却するインタークーラを備えたこと
により、高圧段圧縮機から燃料電池に供給する圧縮空気
温度を、燃料電池の動作温度に合わせることが可能とな
る。また、低圧段圧縮機の運転を停止し、低圧段圧縮機
より容量の小さい高圧段圧縮機に外部空気を直接吸入し
て運転することにより、上記低圧段圧縮機の単独運転時
より更に燃料電池の負荷が低下したときにも、効率的な
対応ができる。
縮機の吐出空気を冷却するインタークーラを備えたこと
により、高圧段圧縮機から燃料電池に供給する圧縮空気
温度を、燃料電池の動作温度に合わせることが可能とな
る。また、低圧段圧縮機の運転を停止し、低圧段圧縮機
より容量の小さい高圧段圧縮機に外部空気を直接吸入し
て運転することにより、上記低圧段圧縮機の単独運転時
より更に燃料電池の負荷が低下したときにも、効率的な
対応ができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を、図面を参
照して説明する。本発明の概略は、燃料電池用圧縮機
を、低圧段圧縮機２と高圧段圧縮機３の２段で構成し、
それぞれの駆動軸をクラッチ６、７を介してモータ１に
接続すると共に、低圧段圧縮機２の吐出配管１０に切換
弁１３を設置し、切換弁１３から高圧段圧縮機３を経由
する高圧空気供給系路と、切換弁１３からバイパス配管
２０経由の圧縮空気供給系路とを備えたものである（図
１参照）。なお、高圧段圧縮機３を小容量とし、外部空
気吸入配管２４を設けて単独運転可能にもできる（図２
参照）。
照して説明する。本発明の概略は、燃料電池用圧縮機
を、低圧段圧縮機２と高圧段圧縮機３の２段で構成し、
それぞれの駆動軸をクラッチ６、７を介してモータ１に
接続すると共に、低圧段圧縮機２の吐出配管１０に切換
弁１３を設置し、切換弁１３から高圧段圧縮機３を経由
する高圧空気供給系路と、切換弁１３からバイパス配管
２０経由の圧縮空気供給系路とを備えたものである（図
１参照）。なお、高圧段圧縮機３を小容量とし、外部空
気吸入配管２４を設けて単独運転可能にもできる（図２
参照）。
【００１４】こうして、通常運転時は２段階で昇圧した
高圧空気を燃料電池に供給し、燃料電池の負荷に応じ
て、低圧段空気あるいは高圧段空気を任意に供給可能と
することにより、圧縮機の無駄な運転が抑制され、燃料
電池用圧縮機における省エネ運転を実現した。
高圧空気を燃料電池に供給し、燃料電池の負荷に応じ
て、低圧段空気あるいは高圧段空気を任意に供給可能と
することにより、圧縮機の無駄な運転が抑制され、燃料
電池用圧縮機における省エネ運転を実現した。
【００１５】以下、図１により、高圧および低圧の吐出
空気の供給が可能な２段圧縮機のシステムについて説明
する。圧縮機は低圧段圧縮機２とそれより容量の小さい
高圧段圧縮機３の２段で構成され、各圧縮機の駆動軸
は、駆動源であるモータ１の駆同軸に、クラッチ６、
７、および、プーリやベルトなどの動力伝達手段５を介
して接続され、駆動される。また、モータ１はインバー
タ制御機４により可変速での駆動が可能である。
空気の供給が可能な２段圧縮機のシステムについて説明
する。圧縮機は低圧段圧縮機２とそれより容量の小さい
高圧段圧縮機３の２段で構成され、各圧縮機の駆動軸
は、駆動源であるモータ１の駆同軸に、クラッチ６、
７、および、プーリやベルトなどの動力伝達手段５を介
して接続され、駆動される。また、モータ１はインバー
タ制御機４により可変速での駆動が可能である。
【００１６】次に、低圧段圧縮機２の吐出配管１０は、
高圧段圧縮機３の吸入ポート９へ接続する配管２１と、
燃料電池１５の空気供給配管１７へ接続するバイパス配
管２０とに、切換弁１３を介して接続しており、配管２
１は、間に吐出空気を冷却するインタークーラ１２を介
して高圧段圧縮機３へ接続している。また、高圧段圧縮
機３の吐出配管１１と上記バイパス配管２０とは、切換
弁１４を介して燃料電池１５の空気供給配管１７に接続
している。
高圧段圧縮機３の吸入ポート９へ接続する配管２１と、
燃料電池１５の空気供給配管１７へ接続するバイパス配
管２０とに、切換弁１３を介して接続しており、配管２
１は、間に吐出空気を冷却するインタークーラ１２を介
して高圧段圧縮機３へ接続している。また、高圧段圧縮
機３の吐出配管１１と上記バイパス配管２０とは、切換
弁１４を介して燃料電池１５の空気供給配管１７に接続
している。
【００１７】燃料電池１５には、そのほかに、水素を供
給する配管１６から水素が供給される。また、反応によ
り生成した水蒸気（水）は排出管１９より排出され、一
部は水素を生成する改質器へ送られて加熱用に使われ
る。また、酸素を消費した空気は空気排出管１８から排
出される。
給する配管１６から水素が供給される。また、反応によ
り生成した水蒸気（水）は排出管１９より排出され、一
部は水素を生成する改質器へ送られて加熱用に使われ
る。また、酸素を消費した空気は空気排出管１８から排
出される。
【００１８】次に、圧縮機の運転方法について説明す
る。通常の定格運転では、低圧段圧縮機２も高圧段圧縮
機３も、各駆動軸はクラッチ６、７のオンで駆動され、
低圧段圧縮機２の吐出空気は、切替弁１３によってイン
タークーラ１２を経由して高圧段圧縮機３へ供給される
ようにセットされている。
る。通常の定格運転では、低圧段圧縮機２も高圧段圧縮
機３も、各駆動軸はクラッチ６、７のオンで駆動され、
低圧段圧縮機２の吐出空気は、切替弁１３によってイン
タークーラ１２を経由して高圧段圧縮機３へ供給される
ようにセットされている。
【００１９】そのため、インタークーラ１２で冷却され
た圧縮空気は、高圧段圧縮機３の吸入ポート９に導入さ
れ、更に高圧に圧縮された後、吐出配管１１から吐出さ
れ、吐出配管１１が切替弁１４によって燃料電池空気供
給配管１７と接続してセットされているため、高圧の圧
縮空気が燃料電池１５に供給される。
た圧縮空気は、高圧段圧縮機３の吸入ポート９に導入さ
れ、更に高圧に圧縮された後、吐出配管１１から吐出さ
れ、吐出配管１１が切替弁１４によって燃料電池空気供
給配管１７と接続してセットされているため、高圧の圧
縮空気が燃料電池１５に供給される。
【００２０】また、２段階で昇圧された圧縮空気は、燃
料電池の負荷に応じて、インバータの制御により、モー
タ１の回転数を変えて空気量を制御可能である。さらに
燃料電池の負荷が減少した場合、高圧段圧縮機３の駆動
軸のクラッチ７をオフにして回転を停止させ、切換弁１
３をバイパス配管２０に接続すると共に、切換弁１４
を、バイパス配管２０と燃料電池空気供給配管１７とを
接続するようにセットする。その結果、燃料電池１５へ
は低圧段圧縮機２の吐出空気が供給される。
料電池の負荷に応じて、インバータの制御により、モー
タ１の回転数を変えて空気量を制御可能である。さらに
燃料電池の負荷が減少した場合、高圧段圧縮機３の駆動
軸のクラッチ７をオフにして回転を停止させ、切換弁１
３をバイパス配管２０に接続すると共に、切換弁１４
を、バイパス配管２０と燃料電池空気供給配管１７とを
接続するようにセットする。その結果、燃料電池１５へ
は低圧段圧縮機２の吐出空気が供給される。
【００２１】この状態では高圧段圧縮機３を停止できる
ので、消費動力はおよそ半分以下になる。また、低圧段
圧縮機２の吐出空気は、吐出圧を０.１Ｍｐａとすると
温度が約８０℃であり、燃料電池の設定する反応温度８
０℃に近いため、冷却が不要となり、少なくとも冷却装
置を省略できる分だけ構造が簡素になる。
ので、消費動力はおよそ半分以下になる。また、低圧段
圧縮機２の吐出空気は、吐出圧を０.１Ｍｐａとすると
温度が約８０℃であり、燃料電池の設定する反応温度８
０℃に近いため、冷却が不要となり、少なくとも冷却装
置を省略できる分だけ構造が簡素になる。
【００２２】次に、本発明の別の実施形態を説明する。
本例は、図２に示すように、インタークーラ１２と高圧
段圧縮機３の吸入ポート９との間の配管に、更に切換弁
２３を設け、吸入配管２４から高圧段圧縮機３に外部空
気を直接吸入可能な構成としたものである。図２を用い
て、高圧段圧縮機を単独で低圧段として使用する例を、
通常の定格運転から、燃料電池の負荷が低減した場合を
例にして説明する。
本例は、図２に示すように、インタークーラ１２と高圧
段圧縮機３の吸入ポート９との間の配管に、更に切換弁
２３を設け、吸入配管２４から高圧段圧縮機３に外部空
気を直接吸入可能な構成としたものである。図２を用い
て、高圧段圧縮機を単独で低圧段として使用する例を、
通常の定格運転から、燃料電池の負荷が低減した場合を
例にして説明する。
【００２３】通常の定格空気量の運転では、低圧段圧縮
機２と高圧段圧縮機３を共に稼動し、低圧段圧縮機２の
吐出空気を切換弁１３によってインタークーラ１２へ接
続して冷却した後、高圧段圧縮機３で更に昇圧し、その
吐出空気を切換弁１４を介して燃料電池１５に供給す
る。さらに、燃料電池の負荷が低下した場合、先に説明
したように、低圧段圧縮機２の吐出空気を切替弁１３に
よりバイパス配管２０を経由して燃料電池１５に直接供
給する。
機２と高圧段圧縮機３を共に稼動し、低圧段圧縮機２の
吐出空気を切換弁１３によってインタークーラ１２へ接
続して冷却した後、高圧段圧縮機３で更に昇圧し、その
吐出空気を切換弁１４を介して燃料電池１５に供給す
る。さらに、燃料電池の負荷が低下した場合、先に説明
したように、低圧段圧縮機２の吐出空気を切替弁１３に
よりバイパス配管２０を経由して燃料電池１５に直接供
給する。
【００２４】ここで、さらに、燃料電池の負荷が低下し
た場合、図２において、低圧段圧縮機２の駆動軸のクラ
ッチ６をオフにし、低圧段圧縮機２より小容量の高圧段
圧縮機３の駆動軸のクラッチ７をオンにし、高圧段圧縮
機３の吐出空気が燃料電池１５の空気供給配管１７に供
給されるように、切換弁１４を設定することで、低圧段
圧縮機２と同じ低圧の吐出空気を、効率よくしかも低圧
段圧縮機２より少ない空気量で燃料電池１５に供給でき
る。
た場合、図２において、低圧段圧縮機２の駆動軸のクラ
ッチ６をオフにし、低圧段圧縮機２より小容量の高圧段
圧縮機３の駆動軸のクラッチ７をオンにし、高圧段圧縮
機３の吐出空気が燃料電池１５の空気供給配管１７に供
給されるように、切換弁１４を設定することで、低圧段
圧縮機２と同じ低圧の吐出空気を、効率よくしかも低圧
段圧縮機２より少ない空気量で燃料電池１５に供給でき
る。
【００２５】次に、図３により、低圧段圧縮機と高圧段
圧縮機の駆動軸を、モータ軸に直列に接続した実施形態
について説明する。低圧段圧縮機２と高圧段圧縮機３は
駆動軸を各々モータ１の両軸にカップリング２６、２７
およびクラッチ６、７を介して接続される。
圧縮機の駆動軸を、モータ軸に直列に接続した実施形態
について説明する。低圧段圧縮機２と高圧段圧縮機３は
駆動軸を各々モータ１の両軸にカップリング２６、２７
およびクラッチ６、７を介して接続される。
【００２６】低圧段圧縮機２の吐出配管１０は、切換弁
１３を介して、インタークーラ１２を経由して高圧段圧
縮機３と接続し、また、切換弁１３を介して、バイパス
配管２０を経由して燃料電池１５の空気供給配管１７と
接続されている。
１３を介して、インタークーラ１２を経由して高圧段圧
縮機３と接続し、また、切換弁１３を介して、バイパス
配管２０を経由して燃料電池１５の空気供給配管１７と
接続されている。
【００２７】定格運転では、低圧段圧縮機２および高圧
段圧縮機３をクラッチ６、７をオンにして駆動し、低圧
段圧縮機２の吐出配管１０を切換弁１３によりインター
クーラ１２に接続して吐出空気を冷却した後、高圧段圧
縮機３の吸入ポート９へ供給する。高圧段圧縮機３の吐
出配管１１は切換弁１４により燃料電池１５の空気供給
配管１７に接続している。
段圧縮機３をクラッチ６、７をオンにして駆動し、低圧
段圧縮機２の吐出配管１０を切換弁１３によりインター
クーラ１２に接続して吐出空気を冷却した後、高圧段圧
縮機３の吸入ポート９へ供給する。高圧段圧縮機３の吐
出配管１１は切換弁１４により燃料電池１５の空気供給
配管１７に接続している。
【００２８】ここで、燃料電池１５の負荷が低下した場
合、高圧段の圧縮機３の駆動軸のクラッチ７をオフとし
て低圧段圧縮機２のみを駆動し、切換弁１３および切換
弁１４を切り換えて、低圧段圧縮機２の吐出空気がバイ
パス配管２０を経由して燃料電池１５へ供給される。
合、高圧段の圧縮機３の駆動軸のクラッチ７をオフとし
て低圧段圧縮機２のみを駆動し、切換弁１３および切換
弁１４を切り換えて、低圧段圧縮機２の吐出空気がバイ
パス配管２０を経由して燃料電池１５へ供給される。
【００２９】本例によれば、低圧段および高圧段の圧縮
機駆動軸を、モータ軸に直列に接続することにより、燃
料電池用圧縮機の駆動系が単純で簡素な構造となり、ま
た、車載用として細長い配置構成が要求された場合など
に好適に適応できる。
機駆動軸を、モータ軸に直列に接続することにより、燃
料電池用圧縮機の駆動系が単純で簡素な構造となり、ま
た、車載用として細長い配置構成が要求された場合など
に好適に適応できる。
【００３０】次に、圧縮機の吐出空気温度を燃料電池の
動作温度に近くなるように、圧縮機の吐出配管中に設け
た圧力調整用バルブの開度を調整することにより、吐出
圧を調節する場合について、図４を用いて説明する。な
お、図１〜図３において、低圧段圧縮機２および高圧段
圧縮機３の吐出配管１０および１１には、それぞれ圧力
調整用バルブ１０ａおよび１１ａを設け、バルブ開度を
調整することにより多少の吐出圧が調整可能となってい
る。
動作温度に近くなるように、圧縮機の吐出配管中に設け
た圧力調整用バルブの開度を調整することにより、吐出
圧を調節する場合について、図４を用いて説明する。な
お、図１〜図３において、低圧段圧縮機２および高圧段
圧縮機３の吐出配管１０および１１には、それぞれ圧力
調整用バルブ１０ａおよび１１ａを設け、バルブ開度を
調整することにより多少の吐出圧が調整可能となってい
る。
【００３１】図４は横軸に吐出空気温度を示し、縦軸に
吐出空気圧力を示す。但し、吸込空気温度は２０℃と
し、吸込空気の圧力は大気圧とする。なお、圧縮機は１
段とし、圧縮は断熱圧縮とする。図から、燃料電池の動
作温度を８０℃とすると、吐出圧は約０.１Ｍｐａであ
り、これは、２段機で吐出圧を０.２Ｍｐａとしたとき
の低圧段の吐出圧と同じである。
吐出空気圧力を示す。但し、吸込空気温度は２０℃と
し、吸込空気の圧力は大気圧とする。なお、圧縮機は１
段とし、圧縮は断熱圧縮とする。図から、燃料電池の動
作温度を８０℃とすると、吐出圧は約０.１Ｍｐａであ
り、これは、２段機で吐出圧を０.２Ｍｐａとしたとき
の低圧段の吐出圧と同じである。
【００３２】図４より、２段機の吐出圧を０.２Ｍｐａ
としたとき、１段目の吐出空気をインタークーラで２０
℃近くまで冷却し、その後、高圧段で圧縮すると、同様
に高圧段の吐出空気温度は８０℃近くであり、吐出後に
冷却せずにそのまま燃料電池へ供給できることがわか
る。
としたとき、１段目の吐出空気をインタークーラで２０
℃近くまで冷却し、その後、高圧段で圧縮すると、同様
に高圧段の吐出空気温度は８０℃近くであり、吐出後に
冷却せずにそのまま燃料電池へ供給できることがわか
る。
【００３３】上述のとおり、本発明の実施形態によれ
ば、燃料電池に圧縮空気を供給する圧縮機において、低
圧段圧縮機の後流側に小容量の高圧段圧縮機を配置する
２段階構成とし、別に低圧段圧縮機からバイパス配管を
経由して燃料電池に直接供給する供給路とを設けたの
で、燃料電池の負荷が低下した場合、高圧段圧縮機の運
転を停止して、低圧段圧縮機の吐出空気を燃料電池へ供
給でき、圧縮機の駆動動力を大きく低減可能であり、省
エネ効果が得られる。
ば、燃料電池に圧縮空気を供給する圧縮機において、低
圧段圧縮機の後流側に小容量の高圧段圧縮機を配置する
２段階構成とし、別に低圧段圧縮機からバイパス配管を
経由して燃料電池に直接供給する供給路とを設けたの
で、燃料電池の負荷が低下した場合、高圧段圧縮機の運
転を停止して、低圧段圧縮機の吐出空気を燃料電池へ供
給でき、圧縮機の駆動動力を大きく低減可能であり、省
エネ効果が得られる。
【００３４】また、駆動源であるモータをインバータ制
御することにより、圧縮機の回転数も制御でき、更に省
エネ効果が得られる。また、高圧段圧縮機に外部空気を
吸入可能とすることにより、燃料電池の負荷がさらに低
下した場合、低圧段圧縮機の運転を停止し、容量の小さ
い高圧段圧縮機のみで対応できる。
御することにより、圧縮機の回転数も制御でき、更に省
エネ効果が得られる。また、高圧段圧縮機に外部空気を
吸入可能とすることにより、燃料電池の負荷がさらに低
下した場合、低圧段圧縮機の運転を停止し、容量の小さ
い高圧段圧縮機のみで対応できる。
【００３５】また、圧縮機の吐出空気温度を燃料電池の
動作温度に合わせることで、吐出後の圧縮空気の冷却が
不要となる。さらに、吐出空気が燃料電池の動作温度と
なる圧力比で、圧縮機を運転可能であり、吐出空気が冷
却不要となる。
動作温度に合わせることで、吐出後の圧縮空気の冷却が
不要となる。さらに、吐出空気が燃料電池の動作温度と
なる圧力比で、圧縮機を運転可能であり、吐出空気が冷
却不要となる。
【００３６】なお、従来用いられる例として、吐出圧力
を一定として、燃料電池から排出される圧力を有する排
気空気から、エネルギを回収する膨張機を設けた例があ
る。しかしながら、ここで燃料電池の負荷を５０％と仮
定した場合、本発明による吐出圧力比を定格の半分とす
ると圧縮機の消費動力はおおよそ５０％になる。しか
し、膨張機で排気空気のエネルギを回収しても、膨張機
の効率すなわち損失動力分が差し引かれるため、回収動
力は５０％以下となり、吐出圧力を下げる本発明ほどの
省エネルギ効果は得られない。
を一定として、燃料電池から排出される圧力を有する排
気空気から、エネルギを回収する膨張機を設けた例があ
る。しかしながら、ここで燃料電池の負荷を５０％と仮
定した場合、本発明による吐出圧力比を定格の半分とす
ると圧縮機の消費動力はおおよそ５０％になる。しか
し、膨張機で排気空気のエネルギを回収しても、膨張機
の効率すなわち損失動力分が差し引かれるため、回収動
力は５０％以下となり、吐出圧力を下げる本発明ほどの
省エネルギ効果は得られない。
【００３７】
【発明の効果】以上のとおり本発明によれば、燃料電池
に供給する圧縮機吐出空気の圧力を、燃料電池の負荷に
応じて可変としたので、圧縮機の駆動動力が大きく低減
でき、省エネ効果が得られる。また、インバータ制御に
より、圧縮機の回転数も制御可能となり、更に省エネ効
果が得られる。また、圧縮機の吐出圧を変えることによ
り、吐出空気温度を燃料電池の動作温度に合わせること
が可能となり、吐出後の圧縮空気の冷却が不要となる。
に供給する圧縮機吐出空気の圧力を、燃料電池の負荷に
応じて可変としたので、圧縮機の駆動動力が大きく低減
でき、省エネ効果が得られる。また、インバータ制御に
より、圧縮機の回転数も制御可能となり、更に省エネ効
果が得られる。また、圧縮機の吐出圧を変えることによ
り、吐出空気温度を燃料電池の動作温度に合わせること
が可能となり、吐出後の圧縮空気の冷却が不要となる。
【図１】本発明の燃料電池用圧縮機の一実施形態を示す
システム図である。
システム図である。
【図２】本発明の燃料電池用圧縮機の別の実施形態を示
すシステム図である。
すシステム図である。
【図３】本発明の燃料電池用圧縮機の更に別の実施形態
を示すシステム図である。
を示すシステム図である。
【図４】圧縮機における吐出圧力と吐出温度との関係を
示す図である。
示す図である。
１ モータ
２ 低圧段圧縮機
３ 高圧段圧縮機
４ インバータ制御機
５ 動力伝達手段
６ 低圧段圧縮機クラッチ
７ 高圧段圧縮機クラッチ
８ 低圧段吸入ポート
９ 高圧段圧縮機吸入ポート
１０ 低圧段圧縮機吐出配管
１１ 高圧段圧縮機吐出配管
１２ インタークーラ
１３、１４ 切替弁
１５ 燃料電池
１６ 水素供給配管
１７ 空気供給配管
１８ 空気排気管
１９ 水蒸気排出管
２０ バイパス配管
２１、２２ 配管
２３ 切換弁
２４ 吸入配管
２５ 吐出配管
２６、２７ カップリング
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 西村 仁
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
(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） 3H029 AA02 AA03 AA18 AB02 AB08
BB12 BB42 BB53 CC02 CC06
CC07 CC15 CC23 CC27 CC47
CC54 CC56 CC58 CC62 CC85
CC87
3H045 AA03 AA05 AA15 AA26 AA39
BA20 BA32 CA03 CA09 DA07
DA37
3H076 AA01 AA16 AA38 BB07 BB21
BB34 CC07 CC44 CC95 CC97
5H027 AA02 BC11 KK02
Claims (6)
- 【請求項１】 燃料電池に空気を供給する圧縮機を、低
圧段圧縮機と高圧段圧縮機の２段で構成し、該２つの圧
縮機の駆動軸を、それぞれクラッチを介して駆動源に接
続すると共に、前記低圧段圧縮機の吐出配管に切換弁を
設置し、該切換弁を介して前記高圧段圧縮機を経由して
前記燃料電池に圧縮空気を供給する系路と、前記切換弁
を介して前記燃料電池に圧縮空気を供給するバイパス系
路とを備えたことを特徴とする燃料電池用圧縮機。 - 【請求項２】 請求項１に記載の燃料電池用圧縮機にお
いて、前記駆動源であるモータを、可変速駆動するため
のインバータ制御機を備えたことを特徴とする燃料電池
用圧縮機。 - 【請求項３】 請求項１に記載の燃料電池用圧縮機にお
いて、前記高圧段圧縮機の前流側に、前記低圧段圧縮機
の吐出空気を冷却するインタークーラを備えたことを特
徴とする燃料電池用圧縮機。 - 【請求項４】 請求項１に記載の燃料電池用圧縮機にお
いて、前記高圧段圧縮機を前記低圧段圧縮機より小さい
容量で構成すると共に、該高圧段圧縮機は外部空気を直
接吸入する配管を有することを特徴とする燃料電池用圧
縮機。 - 【請求項５】 請求項１に記載の燃料電池用圧縮機にお
いて、前記低圧段圧縮機および高圧段圧縮機は、それぞ
れ吐出配管に圧力調整用バルブを備え、それぞれの吐出
空気温度が、前記燃料電池の動作温度となる圧力比で運
転可能であることを特徴とする燃料電池用圧縮機。 - 【請求項６】 請求項１〜５のうちいずれか１項に記載
の燃料電池用圧縮機において、前記圧縮機は、スクリュ
ー圧縮機、スクロール圧縮機、レシプロ圧縮機の容積形
圧縮機であることを特徴とする燃料電池用圧縮機。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001327997A JP2003129961A (ja) | 2001-10-25 | 2001-10-25 | 燃料電池用圧縮機 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001327997A JP2003129961A (ja) | 2001-10-25 | 2001-10-25 | 燃料電池用圧縮機 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003129961A true JP2003129961A (ja) | 2003-05-08 |
Family
ID=19144142
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001327997A Pending JP2003129961A (ja) | 2001-10-25 | 2001-10-25 | 燃料電池用圧縮機 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003129961A (ja) |
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- 2001-10-25 JP JP2001327997A patent/JP2003129961A/ja active Pending
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