JP2006286558A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池スタックに供給される水素ガスがクリーンで、スタックの交換なしに長期間使用することのできる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 高圧水素タンク６から燃料電池スタックＳに連通する水素供給配管１の途中に、その回転部分が空気動圧軸受で支承されたタービン発電機１０を配置し、発生する電気を補助蓄電手段４に充電するとともに、この補助蓄電手段４に蓄えられた電力によって、タービンコンプレッサ２０を電動駆動する。以上の構成により、スタックＳに供給される水素ガス、あるいは水素ガスと加圧空気の両者に不純物の混入がなく、このスタックＳの寿命ひいては燃料電池システム全体の寿命を向上させることができる。また、この燃料電池システムは、スタックＳから得られる電力を電動タービンコンプレッサ２０に振り分ける必要がなく、システム全体としての効率が向上する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、車両搭載用途や各家庭での発電用途に利用される、寿命の長い燃料電池システムに関する。

燃料電池は、燃料である水素ガスと酸化剤である空気等を電気化学的に反応させることにより、燃料の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換するものである。燃料電池は、排気がクリーンであり、かつ、高エネルギー効率であることから、化石燃料による大気汚染や二酸化炭素による地球温暖化の問題に対処し得る技術として注目されており、車両搭載用途や各家庭での発電用途に実用化されつつある。

例えば、固体高分子型の燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜の両側にそれぞれアノード側電極およびカソード側電極を配置した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持することにより構成されている。この種の燃料電池は、通常、電解質膜・電極構造体およびセパレータからなる発電セルを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。

また、燃料電池においては、アノード側電極に燃料ガス、例えば、水素含有ガス（水素ガス）が供給されており、この水素ガスが電極触媒上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質膜を介してカソード側電極へと移動することにより、その移動の間に生じた電子が外部回路に取り出されて、直流の電気エネルギーとして利用されている。一方、燃料電池のカソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、空気等の酸素含有ガスが供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素ガスが反応して水が生成される。

そのため、この燃料電池を用いた発電システム（燃料電池システム）では、燃料電池スタックに、燃料である水素と加圧された空気を供給する必要があり、この水素供給源として、高圧の水素ガスが充填された高圧水素ガスタンクを用いる試みがなされている（例えば、特許文献１等を参照。）。

また、高圧水素ガスが流れる配管の途中に、水素の膨張エネルギーを回転機械エネルギーとして取り出す膨張機を配設し、この回転機械エネルギーを用いてファンの駆動や発電を行うシステムの提案がなされている（特許文献２を参照）。

なお、酸化剤としての空気は、エアフィルタを通して取り入れた外気（大気）を、コンプレッサあるいはスーパーチャージャ等により加圧して供給されている（特許文献２〜３等を参照。）。
特開２００４−１６２８１２号公報 特開２００３−２１７６４１号公報 特開２００５−３２６４５号公報

ところで、現在、燃料電池システムの普及の問題点の１つは、電解質膜・電極構造体およびセパレータを積層した燃料電池スタックの寿命であり、その要因として、スタックに供給される水素ガスおよび空気の清浄度（クリーン度）が挙げられている。

本発明は、上記する課題に対処するためになされたものであり、燃料電池スタックに供給される水素ガスがクリーンで、スタックの交換なしに長期間使用することのできる燃料電池システムを提供することを目的としている。

前記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、電解質膜・電極構造体およびセパレータを積層した燃料電池のスタックと、このスタックに水素ガスを供給する高圧水素タンクと、前記スタックに加圧空気を供給する電動タービンコンプレッサとを備えるとともに、前記スタックと前記高圧水素タンクとの間に、水素ガスの流れにより駆動されるタービン発電機が配設されてなる燃料電池システムにおいて、前記タービン発電機の回転部分が、気体を潤滑流体とする動圧軸受で支持されていることを特徴とする。

本発明は、高圧水素タンクから燃料電池スタックに供給される水素ガスの流れを利用して発電を行う燃料電池システムにおいて、発電機の回転軸を空気動圧軸受で支承することにより、スタックへ供給する水素ガスのクリーン度を高めようとするものである。

すなわち、請求項１に記載の発明によれば、水素ガスの供給配管の途中に配設されるタービン発電機の回転軸支持に、気体を潤滑流体とした動圧軸受を用いたことにより、この水素ガスに潤滑油等の不純物が混入するのを防止することができる。従って、本発明の燃料電池スタックに供給される水素ガスは、タービン発電機を途中に配設してもクリーン度が高く、このスタックの寿命低下を招くことがない。

また、前記タービン発電機と同様、前記電動タービンコンプレッサの回転部分も、気体を潤滑流体とする動圧軸受で支持することが望ましい（請求項２）。

この構成により、燃料電池のスタックに供給する加圧空気にも、潤滑油等の不純物が混入するのを防止することができる。従って、本発明はスタックに供給される空気のクリーン度を低下させることがなく、この燃料電池スタックの寿命を更に向上させることができる。

次に、請求項３に記載の発明は、燃料電池システムの効率向上を目的としたものであって、前記タービン発電機から得られた電気を補助蓄電手段に充電するとともに、この補助蓄電手段に蓄えられた電気により前記電動タービンコンプレッサが駆動されることを特徴とする。

通常、燃料電池は二次電池とは異なり、電気エネルギーを蓄えておくことができず、始動後もその出力レベルが上昇するまでタイムラグがある。そのため、従来の燃料電池システムでは、燃料電池の始動前から作動させておくことが必要な補助装置（コンプレッサ等）や発電の制御等に用いられる電力は、燃料電池スタックに繋がるバッテリ等に予め蓄電しておくか、あるいは外部から供給する必要があった。

しかしながら、本発明の請求項３に係る発明によれば、燃料電池からの出力がない始動前あるいは出力レベルの低い初動時に、前記タービン発電機から補助蓄電手段に蓄えられた電力を電動タービンコンプレッサの駆動に使用することにより、本発明の燃料電池システムは、スタックから得られる電力をこのコンプレッサに振り分ける必要がなく、その出力を燃料電池の設置目的により多く使用できる。従って、本発明の燃料電池システムは、従来の燃料電池システムに比べ、システム全体としての発電効率が向上する。

なお、本発明における補助蓄電手段とは、燃料電池スタックに接続されたバッテリ等とは異なり、前記電動タービンコンプレッサに専ら電力を供給するために、別途設けられたものである。また、補助蓄電手段に蓄えられた電気は、水素ガスと加圧空気の圧力制御やスタックの温度・湿度制御、あるいは、スタックの加湿装置や未反応水素の回収装置の運転等、燃料電池に付随するその他の補助機器の運転や燃料電池の運用（発電制御）に使用することもできる。この場合、当該燃料電池あるいは外部からの電力供給を受けることなく、燃料電池の補助装置を自立運転することも可能となる。

以上のように、本発明の燃料電池システムは、燃料電池スタックに供給される水素ガス、あるいは水素ガスと加圧空気の両者に不純物の混入がなく、そのスタックの寿命ひいては燃料電池システム全体の寿命を向上させることができる。

また、本発明の燃料電池システムは、スタックから得られる電力を補助装置に振り分ける割合が低下し、燃料電池の設置目的に対して効率的に使用することが可能となるため、システム全体としての発電効率が向上する。

以下、図面を参照しつつこの発明を実施するための形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態における燃料電池システムの構成を表す図である。また、図２は、この燃料電池システムに用いられるタービン発電機の構造を示す軸方向断面図であり、図３は、このシステムに用いられる電動タービンコンプレッサの構造を示す軸方向断面図である。なお、図１に記載の燃料電池システムは、燃料電池スタックからの排気に含まれる水分および未反応水素の回生装置、燃料電池スタックに水を供給する加湿装置、燃料電池スタックを冷却する冷却装置、および水素配管内の不純物や窒素等を除去するためのパージ機構等、従来の燃料電池システムと同じの構成は図示を省略している。

本実施形態における燃料電池システムには、固体高分子型の燃料電池が用いられており、例えば燃料電池自動車等に搭載されるシステムである。この燃料電池システムは、燃料電池自動車の駆動電力を発電する燃料電池スタックＳと、この駆動電力を蓄電し、車両走行用モータ等に電力を供給する車載バッテリＢとを備える。また、この燃料電池スタックＳには、燃料である水素ガスを供給する水素供給装置と、酸化剤である空気を供給する空気供給装置とが接続されている。

燃料電池スタックＳは、電解質膜・電極構造体およびセパレータからなる発電セルを所定数だけ積層することにより構成されており、電気化学反応により化学エネルギーを電気エネルギーに変換する。なお、発電セルは、水素が供給される水素極（アノード側電極）と、酸素（空気）が供給される酸素極（カソード側電極）と、電極間に配置された電解質膜とからなり、これらをセパレータによって挟持した構成である。

水素供給装置は、水素供給配管１と、高圧水素タンク６と、流量制御バルブ７等からなり、水素供給源である高圧水素タンク６から供給される高純度水素ガスが、この水素供給配管１の途中に配設されたタービン発電機１０（後述）を通って、燃料電池スタックＳの水素極へと供給される。

また、空気供給装置は、空気供給配管２と、外気（大気）の取り入れ口近傍に配置されたエアフィルタ５と、空気供給配管２の途中に配設された電動タービンコンプレッサ２０（後述）とを備え、取り入れた外気（空気）を、このタービンコンプレッサ２０により加圧して、燃料電池スタックＳの酸素極へと供給している。また、前記水素供給装置の水素供給配管１の途中には、このタービンコンプレッサ２０を運転するための電力を供給するタービン発電機１０が配置されており、このタービン発電機１０で発電された電気が、コントローラ３を通じて補助蓄電手段４に蓄えられる。

なお、この補助蓄電手段４は、燃料電池スタックＳに接続されたバッテリＢ等とは異なり、この空気供給装置に専ら電力を供給するために、特に設けられたものである。蓄電手段４の具体例としては、鉛蓄電池、アルカリマンガン電池、リチウムイオン電池等の二次電池や、大容量のコンデンサや電気二重層キャパシタ等が挙げられる。また、蓄電手段４に充電された電気は、燃料電池の発電制御やその他の補助機器の運用に用いても良い。

次に、本実施形態の燃料電池システムに用いられるタービン発電機１０の詳細について説明する。水素ガス流により発電を行うタービン発電機１０は、図２に示すように、高圧水素タンク６から供給される水素ガスの流れにより回転するタービンＴ_１と、このタービンＴ_１と同軸（回転軸１２）に配置されたジェネレータＧとが同一のハウジング１１内に収容されたものである。タービンＴ_１は周方向に複数の羽根（ブレード）を備え、図示上方から流入する水素ガスにより、高速で回転する。また、ジェネレータＧ部は、ハウジング１１側に配置された発電機のステータコア１４およびコイル１５と、回転軸１２側に固定された発電機のロータコア１６およびマグネット１７とからなる。

回転軸１２は、その一端が前記タービンＴ_１に接続され、他端側が、ハウジング１１中央に設けられた穴からジェネレータＧ側に挿通されているとともに、ロータコア１６の軸方向両側の回転軸１２周囲には、それぞれ軸受スリーブ１３，１３が配置されている。また、この軸受スリーブ１３，１３の内周面には、例えば周方向に略Ｖ字状、ヘリングボーン状あるいはスパイラル状等の溝（動圧溝１３ｖ，１３ｖ）が設けられており、ラジアル動圧軸受として構成されている。これらの２つのラジアル動圧軸受は、空気を潤滑流体とする空気動圧軸受であり、動圧溝１３ｖ，１３ｖのポンピング効果により、回転軸１２の回転を非接触に支持する。なお、これらの動圧溝は、各軸受スリーブの内周面に対向する回転軸１２の外周面側に形成しても良い。

また、この回転軸１２におけるタービンＴ_１の近傍には、回転軸１２と同心状に円筒状部材１８が取り付けられており、この円筒状部材１８に対向するハウジング１１側には、円板状部材１９が配設されている。これら円筒状部材１８と円板状部材１９の対向面の少なくとも一方には、例えば周方向に略Ｖ字状、ヘリングボーン状あるいはスパイラル状等の溝（動圧溝）が設けられており、スラスト（アキシャル）方向の荷重を受け止める空気動圧軸受が形成されている。

以上の構成により、このタービン発電機１０は、燃料電池スタックＳの寿命低下の原因となる潤滑油等の不純物を水素ガスに混入させることなく、高効率の発電を行うことができる。

次に、燃料電池スタックＳの酸素極へ加圧空気を供給する電動タービンコンプレッサ２０の構造について説明する。このタービンコンプレッサ２０は、図３のように、ハウジング２１と、このハウジング２１の中に収容されたモータＭ部と、このモータＭの回転軸２２の一端に固定されたタービンＴ_２とからなる。

モータＭ部は、ハウジング２１側に配置されたモータのステータコア２４およびコイル２５と、回転軸２２側に固定されたモータのロータコア２６およびマグネット２７とから構成されている。また、そのロータコア２６の軸方向両側には、前記タービン発電機１０と同様、回転軸２２の回転を支持する２つのラジアル動圧軸受が形成されている。これらのラジアル動圧軸受も、空気を潤滑流体とする空気動圧軸受であり、軸方向に距離を置いて配置された軸受スリーブ２３，２３の内周面にそれぞれ設けられた動圧溝２３ｖ，２３ｖのポンピング効果により、回転軸２２の回転を非接触に支持する。

なお、これらのラジアル動圧溝は、回転軸２２の外周面側に形成しても良い。また、この回転軸２２におけるタービンＴ_２の近傍には、前記タービン発電機１０と同様、回転軸２２に取り付けられた円筒状部材２８と、ハウジング２１側に配設された円板状部材２９とからなるスラスト空気動圧軸受が形成されている。

以上の構成により、この電動タービンコンプレッサ２０は、前記のタービン発電機１０と同様、供給する加圧空気に対する潤滑油等の不純物の混入がなく、燃料電池スタックＳの寿命を向上させることができる。

さて、以上のような構成の燃料電池システムの動作について説明する。
通常、燃料電池は、そのスタックＳに燃料となる水素ガスと酸化剤となる加圧空気を送り込むことにより始動する。本実施形態における燃料電池システムの場合は、高圧水素タンク６からの水素ガス供給が始まるのと前後して、予め補助蓄電手段４に蓄えられた電力により、タービンコンプレッサ２０の電動駆動が開始され、スタックＳに加圧空気が送り込まれる。また、同時にスタックＳに供給される水素ガスの流れにより、タービン発電機１０のタービンＴ_１が回転して、このタービン発電機１０による発電が始まる。

従って、本実施形態における燃料電池システムは、燃料電池の初動時にも、従来のシステムのように燃料電池に繋がるバッテリＢや外部からの電力供給を受けることなく、その燃料電池を始動させることができる。

なお、この電動タービンコンプレッサ２０に対する補助蓄電手段４からの電力供給は、タービン発電機１０の発電量が十分に上昇するまで行われる。また、タービン発電機１０の発電量が所定値以上に上昇した後は、前記タービンコンプレッサ２０の電動駆動に用いられる以上の余剰の電力が補助蓄電手段４に蓄えられ、燃料電池の次回の始動時等に用いられることとなる。そのため、本実施形態における燃料電池システムの補助装置は、燃料電池あるいは外部からの電力供給を受けずとも、自立して運転し続けることが可能である。

また、この燃料電池システムは、スタックＳから得られる電力をこれら補助装置に振り分ける必要がなく、燃料電池の出力のロスがない。従って、本実施形態の燃料電池システムは、その出力を燃料電池の設置目的（車両の走行等）により多く使用することが可能であり、従来の燃料電池システムに比べ、システム全体としての発電効率が向上する。

以上の実施形態においては、燃料電池システムに使用された発電機とコンプレッサの一例を示したが、本発明に用いることのできるタービン発電機とタービンコンプレッサの構成は、これらに限定されるものではない。例えば、タービン発電機とタービンプレッサの回転軸を支承するラジアルおよびスラスト動圧軸受の位置も、その構成に合わせ、適宜変更すれば良く、スラスト動圧軸受に代わり、各タービンと反対側の回転軸端部を半球状としてピボット軸受を構成したり、あるいは磁気軸受を採用することもできる。

本発明の実施形態における燃料電池システムの構成を表す図である。 本発明の実施形態における燃料電池システムに用いられるタービン発電機の構成を示す断面図である。 本発明の実施形態における燃料電池システムに用いられる電動タービンコンプレッサの構成を示す断面図である。

符号の説明

１ 水素供給配管
２ 空気供給配管
３ コントローラ
４ 蓄電手段
５ エアフィルタ
６ 高圧水素タンク
７ 流量制御バルブ
１０ タービン発電機
１１ ハウジング
１２ 回転軸
１３ 軸受スリーブ
１４ ステータコア
１５ コイル
１６ ロータコア
１７ マグネット
１８ 円筒状部材
１９ 円板状部材
２０ タービンコンプレッサ
２１ ハウジング
２２ 回転軸
２３ 軸受スリーブ
２４ ステータコア
２５ コイル
２６ ロータコア
２７ マグネット
２８ 円筒状部材
２９ 円板状部材
Ｂ バッテリ
Ｇ ジェネレータ
Ｍ モータ
Ｓ スタック
Ｔ タービン

Claims (3)

1. 電解質膜・電極構造体およびセパレータを積層した燃料電池のスタックと、このスタックに水素ガスを供給する高圧水素タンクと、前記スタックに加圧空気を供給する電動タービンコンプレッサとを備えるとともに、前記スタックと前記高圧水素タンクとの間に、水素ガスの流れにより駆動されるタービン発電機が配設されてなる燃料電池システムにおいて、
   前記タービン発電機の回転部分が、気体を潤滑流体とする動圧軸受で支持されていることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記電動タービンコンプレッサの回転部分が、気体を潤滑流体とする動圧軸受で支持されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記タービン発電機から得られた電気を補助蓄電手段に充電するとともに、この補助蓄電手段に蓄えられた電気により前記電動タービンコンプレッサが駆動されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
   

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