JP2006099996A - 燃料電池システムおよび燃料電池自動車 - Google Patents

Abstract

【課題】 圧縮空気に対する冷却効率を向上させる。
【解決手段】 水素容器に貯蔵した圧縮水素および、コンプレッサ１３Ａで圧縮した圧縮空気の供給を受けて発電する燃料電池を備え、燃料電池から排出される排出水素を循環させて再度燃料電池に供給する水素循環ポンプ２１Ａを備える。コンプレッサ１３Ａと水素循環ポンプ２１Ａとは、互いに共用するハウジング４３を備え、ハウジング４３内に、空気を取り入れて空気を圧縮する第１空間４９と、減圧されて低温下した水素が流入する第２空間５３とを形成する。これら各空間４９，５３相互間に、コンプレッサ用のモータ５９と水素循環用のモータ６１とかなるモータ部４５を配置し、高温の圧縮空気と低温の水素との間で熱交換を行って圧縮空気を冷却する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、燃料電池に、水素容器に貯蔵した圧縮水素を減圧して供給するとともに、コンプレッサで圧縮した圧縮空気を供給し、燃料電池から排出される排出水素を循環させて再度燃料電池に供給する水素循環ポンプを備えた燃料電池システムおよび燃料電池自動車に関する。

燃料電池自動車では、燃料電池に７０℃〜８０℃程度に制御された圧縮空気を供給する必要があるが、空気コンプレッサからの吐出空気温度は圧縮後に約２００℃程度となるので、圧縮空気の冷却が必要である。

圧縮空気の冷却方法としては、例えば下記特許文献１に記載されているようなアフタークーラを使用するもの、あるいは下記特許文献２に記載されているような排ガスの気化熱を利用するものなどがある。
特開２００３−１１８３９６号公報 特開２００２−５６８６５号公報

ところで、圧縮空気を約２００℃程度から７０℃〜８０℃程度まで冷却するには、冷却器の能力を高くする必要があり、空気コンプレッサを駆動するモータも高温になることも考慮すると、特許文献１に記載のものでは冷却器（アフタークーラ）が大型化してしまい、また特許文献２に記載のもののように排ガスの気化熱だけでは不充分であり、大型の冷却器が別途必要となる。

そこで、本発明は、圧縮空気に対する冷却効率を向上させることを目的としている。

本発明は、燃料電池に、水素容器に貯蔵した圧縮水素を減圧して供給するとともに、コンプレッサで圧縮した圧縮空気を供給し、前記燃料電池から排出される排出水素を循環させて再度前記燃料電池に供給する水素循環ポンプを備えた燃料電池システムにおいて、前記コンプレッサと前記水素循環ポンプとを互いに一体化して、この一体化部分にて熱交換を行うことを最も主要な特徴とする。

本発明によれば、空気を圧縮するコンプレッサと、圧縮水素を減圧して温度低下した水素が流れる水素循環ポンプとを互いに一体化し、この一体化部分にて熱交換を行うことで、コンプレッサにより圧縮した空気に対する冷却効率が向上し、圧縮空気を冷却するための冷却器の小型化もしくは廃止が可能となり、燃料電池システム全体の小型化を達成することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図１は、本発明の基本となる、燃料電池自動車に搭載する燃料電池システムの全体構成図である。

本燃料電池システムは、水素を燃料とする燃料電池１を備えており、水素容器３に貯蔵した高圧の圧縮水素が、水素供給弁５から水素供給配管７に流出して水素調圧弁９で減圧され、加湿器１１で最適温度に温調されて加湿された後、燃料電池１の水素極に供給される。一方空気は、コンプレッサ１３で圧縮された後、空気供給配管１５を通って加湿器１１で温調加湿されながら、燃料電池１の空気極に供給される。このようにして水素と空気の供給を受けて燃料電池１は発電する。

発電後の燃料電池１は、空気排出管１７を経て外部に空気を排出し、水素排出管１９を経て外部に水素を排出するとともに、この水素の一部は水素循環ポンプ２１を備えた水素循環配管２３を経て、水素調圧弁９と加湿器１１との間の水素供給管７に戻される。

加湿器１１には、ラジエータファン２５を有するラジエータ２７およびポンプ２９を備えた配管３１を接続している。

燃料電池１で発電した電力は、補機３３あるいは駆動モータ用インバータ３５、加湿器１１に付属するポンプ２９などに供給され、車両の駆動輪３７を駆動する駆動モータ３９や補機３３を駆動しながら、余剰電力は２次電池４１へ供給して蓄電する。

また、車両の減速により生じる回生電力は、駆動モータ用インバータ３５から補機３３あるいは２次電池４１へ供給し蓄電する。

燃料電池システムにおける発電要求に対して、燃料電池１の発電電力が足りないときは、２次電池４１に蓄電した電力から、燃料電池システムの発電要求の不足分を、アシスト電源として、補機３３あるいは駆動モータ用インバータ３５へ供給する。

本発明の実施形態では、上記のような基本となる燃料電池システムにおいて、空気用のコンプレッサ１３と水素循環ポンプ２１とを互いに一体化して、この一体化部分２２（図２参照）にて熱交換を行えるようにしている。

図２は、前記図１に示したコンプレッサ１３と水素循環ポンプ２１とを一体化した燃料電池システムの概略的な全体構成図、図３はその要部（一体化部分２２）の拡大した断面図である。ここでの空気圧縮用のコンプレッサ１３Ａおよび水素循環ポンプ２１Ａは、それぞれのハウジングを互いに一体化して一つのハウジング４３としている。このハウジング４３の材質は、熱伝導のよい金属とすることが望ましい。

上記したハウジング４３は、中央にモータ部４５を備えてその図３中で上部側に、第１隔壁４７を介して第１空間４９を備えるとともに、同下部側に、第２隔壁５１を介して第２空間５３を備えている。第１空間４９と第２空間５３との間は、ガスシールした構造としている。第２隔壁５１は、その外周端部をハウジング４３に固定するリング部５１Ａと、リング部５１Ａの第２空間５３と反対側に装着する円板部５１Ｂとを備える。リング部５１Ａおよび円板部５１Ｂには、第２空間５３とモータ部４５側の空間とを連通する通気孔５１ａおよび５１ｂをそれぞれ形成する。

第１空間４９に対応する図３中で左側のハウジング側壁５５には空気流入孔５５ａを、同右側のハウジング側壁５７には、空気流出孔５７ａを、それぞれ設け、これら各孔５５ａ，５７ａに、前記した空気供給配管１５を接続する。したがって、燃料電池１に供給するための空気は、空気流入孔５５ａを通って第１空間４９に流入する。

また、第２空間５３に対応する図３中で左側のハウジング側壁５３には水素流入孔５５ｂを、同右側のハウジング側壁５５には水素流出孔５７ｂを、それぞれ設け、これら各孔５５ｂ，５７ｂに、前記した水素供給配管７を接続する。したがって、水素容器３内の高圧水素は、水素調圧弁９で減圧された後、水素流入孔５５ｂを通って第２空間５３に流入する。なお、水素循環配管２３は、上記した一体化部分２２と水素調圧弁９との間の水素供給配管７に接続し、水素循環配管２３を流れる循環水素も、水素流入孔５５ｂを通って第２空間５３に流入する。

前記したモータ部４５は、コンプレッサ用モータ５９の第１駆動軸６３と、水素循環ポンプ用モータ６１の第２駆動軸６５とを、互いに同軸上に備えた２軸モータであり、第１駆動軸６３には羽根車６７を回転可能に取り付け、羽根車６７の回転により、空気流入孔５５ａから第１空間４９に流入してくる空気を圧縮して空気流出孔５７ａから流出させる。

一方、水素循環用モータ６１の第２駆動軸６５には羽根車６９を回転可能に取り付け、羽根車６９の回転により、水素流入孔５５ｂから第２空間５３に流入してくる水素を圧縮して水素流出孔５７ｂから流出させる。

コンプレッサ用モータ５９の第１駆動軸６３は、前記した第１隔壁４７にベアリング７１を介して回転可能に支持されており、その図３中で下方の端部を、第１ロータ７３に連結する。第１ロータ７３は、第１駆動軸６３に連結されるカップ状の基部７３ａと、基部７３ａの図３中で下部の先端外周に装着する円板部７３ｂと、円板部７３ｂの外周端の図３中で下面に装着する円筒部７３ｃと、円筒部７３ｃの円板部７３ｂと反対側の端部にて内方に向けて突出するリング部７３ｄとを、それぞれ備えている。

そして、カップ状の基部７３ａを、第１隔壁４７の第１空間４９と反対側に設けた支持壁７５に対しベアリング７７を介して回転可能に支持するとともに、リング部７３ｄの内周端部を、第２隔壁５１における円板部５１Ｂの外周端にベアリング７９を介して回転可能に支持する。したがって、コンプレッサ用モータ５９は、第１駆動軸６３および第１ロータ７３を備える回転部分が、三つのベアリング７１，７７，７９によって回転支持されることになる。

上記した第１ロータ７３における円筒部７３ｃの内周面には、磁石８１を装着し、第２隔壁５１の円板部５１Ｂ上には、磁石８１に対向する第１ステータ８３の図３中で下端部を固定する。第１ステータ８３にはコイルを巻きまわし、このコイルに、第１ロータ７３を回転させるための磁界を発生させる周波数の電流を、第１インバータ８５から供給する。

水素循環用モータ６１の第２駆動軸６５は、コンプレッサ用モータ５９の第１駆動軸６３と同軸上に位置し、第２隔壁５１の円板部５１Ｂを貫通して羽根車６９と反対側の端部を、前記した第１ロータ７３におけるカップ状の基部７３ａ内に挿入し、基部７３ａの内周面に対しベアリング８７を介して回転可能に支持させる。また、第２駆動軸６５の羽根車６９の近傍部分は、ベアリング８９を介して第２隔壁５１の円板部５１Ｂに回転可能に支持させる。

上記した第２駆動軸６５のベアリング８７，８９相互間の中央部分には、第２ロータ９１を装着し、第２ロータ９１には磁石９３を埋め込む。一方、第２ロータ９１の外周面に対向するよう第２ステータ９５を配置し、第２ステータ９５の図３中で下端を第２隔壁５１の円板部５１Ｂ上に、前記した第１ステータ８３に隣接した状態で固定する。

第２ステータ９５にはコイルを巻きまわし、このコイルに、第２ロータ９１を回転させるための磁界を発生させる周波数の電流を、第２インバータ９７から供給する。

ここで、第１ロータ７３と第２ロータ９１とを独立制御する方法は周知技術であるので省略するが、第１ロータ７３と第２ロータ９１の磁石８１，９３の極対数を互いに異ならせることにより、第１ステータ８３に流れる第１ロータ７３のための磁界は、第２ロータ９１に対して回転磁界として作用しない。同様に第２ステータ９５の磁界は第１ロータ７３に作用しない。

次に、動作について説明する。

第１空間４９に流入する空気は、羽根車６５の回転により圧縮され、一体化部分２２の下流側に設けた冷却器９９で冷却され、さらに加湿器１１で加湿された後、燃料電池１に送り込まれる。このとき、圧縮熱により空気温度は最大２００℃（運転時間、発電量により温度は異なる）程度まで上昇する。

また、水素容器３から水素調圧弁９を通って減圧された水素は、燃料電池１から排出されて戻ってきた循環水素とともに、第２空間５３において、最低−４０℃程度（循環水素の量により温度は異なる）となり、水素循環ポンプ２１Ａにより加圧され燃料電池１に送り込まれる。

この際、減圧されて冷えている水素により、第２隔壁５１を隔てて配置してあるコンプレッサ用モータ５９および水素循環用モータ６１の双方を冷却する。ここで、各モータ５９，６１の第１，第２ステータ８３，９５は、低温の第２空間５３側の第２隔壁５１に固定しているので、各モータ５９，６１に対する冷却効率が向上する。なお、第２空間５３は、モータ部４５を設置している空間と必ずしも連通している必要はなく、冷却性能が充分であれば通気孔５１ａ，５１ｂを廃止してもよい。

また、空気雰囲気である第１空間４９と、水素雰囲気中である第２空間５３との間で、一体化したハウジング４３を介して熱交換を行うことにより、空気が冷却され、空気と水素との温度差を小さくした上で燃料電池１に供給することができる。

また、圧縮空気を水素によって冷却することにより、圧縮空気に対する冷却効率が向上するため、図２に示す冷却器９９の小型化もしくは廃止が可能となる。

さらに、コンプレッサ用モータ５９の冷却も水素により行うので、コンプレッサ用モータ５９に対する冷却装置が不要となり、また仮に冷却装置が必要な場合には、その小型化が可能である。

なお、本実施形態では、コンプレッサ１３Ａと水素循環ポンプ２１Ａとの間で、ハウジング４３を一体化して同一材料としているが、第１空間４９と第２空間５３との間の温度差により、ハウジング４３の金属膨張が異なる部分が発生するので、第１空間４９に対応する部分と第２空間５３に対応する部分のハウジングを別部材として、金属膨張分を吸収できるように（別部材が互いにスライド可能に）、かつ熱交換可能なように近接して設けてもよい。つまり、コンプレッサ１３Ａおよび水素循環ポンプ２１Ａのそれぞれのハウンジングを互いに一体化して共有する構成とは、第１空間４９内の空気と第２空間５３内の水素との間で互いに熱交換を行える状態であればよい。

また、本実施形態ではコンプレッサ１３Ａと水素循環ポンプ２１Ａとを一体的に構成する観点から、両者のモータ５９，６１を互いに近接して配置している。ここで、二つのモータを単に近接しただけでは相互の磁界が干渉する虞があるが、本実施形態では、前述したように各ロータ７３，９１の磁石８１，９３の極対数を互いに異ならせることで、磁界の干渉を防止することができる。

また、モータ部４５は、本実施形態のように、インナモータ（水素循環ポンプ用モータ６１）・アウタロータ（コンプレッサ用モータ５９）とした２軸式以外にも、二つのモータを単に軸方向に並べる方法もあるが、軸長を短くして小型化を図るという観点から本実施形態の方が好ましい。

ここで、コンプレッサ１３Ａと水素循環ポンプ２１Ａは、その一例として羽根車６７，６９を使用する圧縮方式としているが、例えばスクロール方式などでもよく、圧縮方式はなんら制限されるものではない。

以上のように、空気圧縮用のコンプレッサ１３Ａと水素循環ポンプ２１Ａとの間で、ハウジング４３を共有するなどで一体化を図ることにより、モータ部４５の小型化、圧縮空気に対する冷却効率の向上による、燃料電池システム全体の小型化を達成することができる。

また、燃料電池システムを車両に搭載する際には、小型化した燃料電池システムを車両の床下に容易に収納でき、これにより燃料電池システムや他部品の車両におけるレイアウト性が向上する。

図４は、前記図２に示した本実施形態に対する比較例で、空気供給配管１５に設けたコンプレッサ１０１と、水素供給配管７に設けた水素循環ポンプ１０３とは、互いに別々に設置している。

この場合、コンプレッサ１０１を駆動するモータ１０１ａは水冷式、または空冷式の冷却装置を備え、水冷式であればラジエータなどから供給する冷却水に放熱し、空冷式であれば、例えばモータ軸に一体に設けられた冷却ファンを回転させることにより自身を冷却する。水冷式、空冷式いずれにせよ、ラジエータまたは発電装置に負担をかけることになるので燃料電システムの冷却システムに対する負担となる。

本発明の基本となる、燃料電池自動車に搭載する燃料電池システムの全体構成図である。 コンプレッサと水素循環ポンプとを一体化した燃料電池システムの概略的な全体構成図である。 図２のモータ部を拡大した断面図である。 図２に示した本実施形態に対する比較例を示す燃料電池システムの概略的な全体構成図である。

符号の説明

１ 燃料電池
１３Ａ 空気圧縮用のコンプレッサ
２１Ａ 水素循環ポンプ
４３ ハウジング
４５ モータ部
４７ 第１隔壁
４９ 第１空間
５１ 第２隔壁
５３ 第２空間
５９ コンプレッサ用のモータ
６１ 水素循環用のモータ
８３ 第１ステータ
９５ 第２ステータ

Claims (6)

1. 燃料電池に、水素容器に貯蔵した圧縮水素を減圧して供給するとともに、コンプレッサで圧縮した圧縮空気を供給し、前記燃料電池から排出される排出水素を循環させて再度前記燃料電池に供給する水素循環ポンプを備えた燃料電池システムにおいて、前記コンプレッサと前記水素循環ポンプとを互いに一体化して、この一体化部分にて熱交換を行うことを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、前記コンプレッサおよび前記水素循環ポンプは、ハウジングを一体化して共有していることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、前記ハウジング内に、空気が流入する第１空間と、水素が流入する第２空間とをそれぞれ設け、前記第１空間と前記第２空間との間に、前記コンプレッサを駆動するモータおよび前記水素循環ポンプを駆動するモータをそれぞれ配置したことを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、前記コンプレッサを駆動するモータおよび前記水素循環ポンプを駆動するモータは、駆動軸を互いに同軸上に配置した２軸モータであることを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、前記２軸モータを中心としてその両側に、それぞれ隔壁を介して、前記第１空間および前記第２空間を設け、前記第２空間側の隔壁に、前記２軸モータのステータを取り付けたことを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の燃料電池システムを車両に搭載したことを特徴とする燃料電池自動車。

Images