JP2006286559A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 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と、タービン発電機による排気エネルギーの回収効率の高い燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 スタックＳの燃料極Ａに供給された燃料ガスおよび空気極Ｃに供給された空気を用いて発電する燃料電池と、空気を圧縮して空気極Ｃへ供給する電動タービンコンプレッサ１０と、空気極Ｃからの排気で作動するタービン発電機２０と、を備える燃料電池システムにおいて、前記電動タービンコンプレッサ１０の回転部分を、空気動圧軸受で支持する。この構成によって、スタックＳに供給される加圧空気に潤滑油等の不純物が混入することが防止され、燃料電池の寿命が向上する。また、前記タービン発電機２０の回転部分を、摩擦損失が小さく、かつ、高速回転域における安定性の高い空気動圧軸受で支持することにより、このタービン発電機２０の発電効率を向上させることができる。
【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燃料電池システムに関する。

燃料電池においては、燃料電池セルのアノード側電極（燃料極）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（空気極）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。

この燃料電池のタイプとしては、小型で作動温度の低い（常温〜約９０℃）固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣあるいはＰＥＭ）、中規模のコージェネレーション発電に向いたリン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）および固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）、大規模のコージェネレーション発電に利用される溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）等が知られている。また、燃料電池を分類するカテゴリーの一つとして、セルへ供給する燃料ガスおよび空気を加圧状態で供給するか否かによる区分があり、加圧供給を行う加圧型燃料電池と、特に加圧を行わずに供給する常圧型（低圧型）燃料電池とがある。

これらの燃料電池は、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、小型化の容易な固体高分子型燃料電池は、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。

ところで、従来の燃料電池における燃料極での水素の利用率は、一般に７０〜８０％であり、残りの水素は燃料極排ガスとして排出されている。また、空気極での空気中の酸素利用率は５０〜６０％であり、残りの空気は空気極排空気として排出されている。そのため、燃料電池システム、特に加圧型燃料電池を用いた発電システムにおいては、これら排出される気体（流体）のエネルギーを、タービン発電機を用いて電力として回収（回生）する提案がなされている（例えば、特許文献１〜３等を参照）。
特開平６−２２３８５１号公報 特開２００４−１１１１２７号公報 特開２００４−２９６３３９号公報

しかしながら、以上のような流体エネルギーの回生機構を有する従来の燃料電池システムでは、タービン発電機によるエネルギー回収が十分でなく、その発電効率の更なる向上が望まれている。

また、現在の燃料電池システムにおける普及上の問題点の１つは、燃料電池セルを積層したスタックの寿命であり、その寿命を左右する要因として、スタックに供給される加圧空気の清浄度（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、請求項１に記載の発明は、燃料極に供給された燃料ガスおよび空気極に供給された空気を用いて発電する燃料電池と、空気を圧縮して前記空気極へ供給する電動タービンコンプレッサとを備える燃料電池システムにおいて、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。

すなわち、請求項１に記載の発明によれば、加圧空気を供給するタービンコンプレッサの回転部分（回転軸）の支持に、空気動圧軸受を用いることにより、この加圧空気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。また、この燃料電池システムは、スタックに供給される加圧空気がクリーンであることから、スタックの寿命低下を招くことがない。従って、本発明の燃料電池システムは、スタックの交換なしに長期間使用することが可能となる。

また、請求項２に記載の発明は、排気エネルギーを高効率で回収することのできる燃料電池システムを目的としたものであって、燃料極に供給された燃料ガスおよび空気極に供給された空気を用いて発電する燃料電池と、前記空気極からの排気で作動するタービン発電機とを備え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。

燃料電池からの排気により作動するタービン発電機の発電効率を向上させるためには、回転部分のイナーシャ（慣性）を小さくして、高速（１００，０００ｒｐｍ以上、好ましくは数十万ｒｐｍ）で回転させることが望ましい。しかしながら、従来のタービン発電機に用いられている転がり軸受では、このように高速で回転する回転軸の支持は不可能である。また、従来この種の高速回転軸の軸支持に用いられている浮動ブッシュなどでは給油機構が必須であり、電気系発電部に対するオイルシール等が不可欠となって、システム全体としての効率を低下させてしまう。従って、本発明に用いるタービン発電機の回転部分（回転軸）を支持する軸受には、オイル潤滑装置等の補機を必要とせずコンパクトで、摩擦損失が小さく、かつ、高速回転域における安定性の高い空気動圧軸受が好ましい。

ここで、請求項１に記載の電動タービンコンプレッサと、請求項２に記載のタービン発電機とは、同一システム内に同時に配設しても良い（請求項３）。この構成により、燃料電池スタックの寿命向上と排気エネルギーの回収効率向上とを同時に達成することが可能となる。

次に、請求項４に記載の発明は、燃料電池システムの更なる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力により、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。

この構成によって、燃料電池は、スタックから得られる電力を電動タービンコンプレッサ（空気供給装置）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効率が向上する。

また、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し、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を駆動しても良い（請求項５）。

以上の構成によって、本発明の燃料電池システムに用いられている電動タービンコンプレッサ（空気供給装置）は、当該燃料電池から電力の供給を受けることなく運転できるようになるとともに、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も、タービン発電機から補助蓄電手段に蓄えられた電力により、スタックに加圧空気を供給することができる。従って、本発明の燃料電池システムに用いられている空気供給装置は、外部からの電力供給を受けることなく、自立して運転することが可能になる。

なお、本発明における補助蓄電手段とは、燃料電池本体に接続されたバッテリ等とは異なり、この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、前記補助蓄電手段に蓄えられた電気は、燃料電池に付随するその他の補助機器の運転や、この燃料電池の運用（発電制御）に使用することもできる。

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加圧空気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、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、本発明の第１実施形態における燃料電池システムの構成図である。また、図２は、この燃料電池システムに用いられてい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り、図３は、このシステムに用いられているタービン発電機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、燃料電池スタックの冷却装置、スタックからの排気に含まれる水分の回収装置およびスタックに水を供給する加湿装置等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は、例えば燃料電池自動車等に搭載されるシステムであり、固体高分子型の燃料電池が用いられている。このシステムは、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、駆動電力を蓄電して車両走行用モータ等に電気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。なお、図中の符号２は調圧弁、３はエアフィルタ、４は車載バッテリＢの充放電を制御するコントローラであり、Ｐは水素ガスを循環させる水素循環ポンプである。

燃料電池のスタック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、水素が供給される燃料極（アノード側電極）Ａと、酸素（空気）が供給される空気極（カソード側電極）Ｃ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、水素タンク１と、水素供給配管および調圧弁２等からなり、水素供給源である水素タンク１から供給される高純度水素ガスを、スタックＳの燃料極入口へ供給している。なお、一般に、燃料電池は燃料極Ａや空気極Ｃの隅々まで燃料ガスや空気を行き渡らせるために、消費量以上の水素ガスおよび空気を供給する必要があることから、本実施形態においても、燃料極Ａには消費量を超える水素ガスが供給されている。また、燃料極Ａで消費されなかった過剰な水素ガス（燃料極排ガス）は燃料極出口から排出され、水素循環ポンプＰを介して新規供給水素と混合された後、再度燃料極入口に供給される。

空気供給装置は、電動タービンコンプレッサ１０と、空気供給配管およびエアフィルタ３等からなり、取り入れた外気（空気）を、このタービンコンプレッサ１０により加圧して、燃料電池スタックＳの空気極Ｃへと供給している。なお、コンプレッサ１０により加圧され高温となった空気は、熱交換機（図示省略）等で冷却された後、スタックＳの空気極入口へ供給されている。

次に、燃料電池スタックＳの空気極Ｃへ加圧空気を供給する電動タービンコンプレッサ１０の構造について説明する。このタービンコンプレッサ１０は、図２のように、ハウジング１１と、このハウジング１１の中に収容されたモータＭ部と、このモータＭの回転軸１２の一端に固定されたタービンＴ_１とからなる。また、モータＭ部は、ハウジング１１側に配置されたモータのステータコア１４およびコイル１５と、回転軸１２側に固定されたモータのロータコア１６およびマグネット１７とから構成されている。

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モータＭ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１３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動圧溝（図示省略）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、この電動タービンコンプレッサ１０は、スタックＳに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、燃料電池スタックの寿命を向上させることができる。

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２０の詳細について説明する。スタックＳのからの排気により発電を行うタービン発電機２０は、図３に示すように、この排気の気流により回転するタービンＴ_２と、このタービンＴ_２と同軸（回転軸２２）に配置されたジェネレータＧとが同一のハウジング２１内に収容されたものである。タービンＴ_２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排空気により、高速で回転する。また、ジェネレータＧ部は、ハウジング２１側に配置された発電機のステータコア２４およびコイル２５と、回転軸２２側に固定された発電機のロータコア２６およびマグネット２７とからなる。

回転軸２２は、その一端が前記タービンＴ_２に接続され、他端側が、ハウジング２１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２６の軸方向両側の回転軸２２周囲には、軸方向に距離を開けて軸受スリーブ２３，２３が配置されている。また、これら軸受スリーブ２３，２３の内周面には、前記電動タービンコンプレッサ１０と同様、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動圧溝２３ｖ，２３ｖ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、これらの動圧溝は、各軸受スリーブ２３の内周面に対向する回転軸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、回転軸２２と同心状に円筒状部材２８が取り付けられており、この円筒状部材２８に対向するハウジング２１側には、円板状部材２９が配設されている。これら円筒状部材２８と円板状部材２９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動圧溝（図示省略）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２０は、高速（１００，０００回転以上）での回転が可能となり、電動タービンコンプレッサ１０等の燃料電池用補機に電力を供給するのに十分な、高効率の発電を行うことができるようになる。また、軸の回転の支持に空気動圧軸受を用いたことから、環境に悪影響を与える油分等を排出せず、燃料電池のクリーンな排気を維持することができる。

なお、本発明の燃料電池システムに用いられる電動コンプレッサとタービン発電機の構成は、これら実施形態での例に限定されるものではない。また、電動タービンコンプレッサとタービン発電機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、動圧溝型動圧軸受の代わりに、フォイル型動圧溝を形成しても良い。また更に、それぞれ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。

次に、本発明の第２実施形態について説明する。
図４は、本発明の第２実施形態における燃料電池システムの構成図である。

本実施形態における燃料電池システムも、基本的な構成は第１実施形態における燃料電池システムと同様である。この燃料電池システムが、図１に示した第１実施形態と異なる点は、燃料極Ａで消費されなかった過剰な水素ガス（燃料極排ガス）を循環させる水素循環経路内に、水素配管内の不純物や窒素等を定期的に掃気（パージ）するためのパージ機構が形成されている点である。

また、本実施形態における燃料電池システムは、前記水素循環経路に、掃気時に使用される切換弁５が配設されているとともに、この掃気のおりに排出された排ガス（含水素ガス）および空気極Ｃからの排空気を燃焼させる燃焼器６と、燃焼器６の排気で作動するタービン発電機２０から得られる電気を蓄える補助蓄電手段７と、この補助蓄電手段７に蓄えられた電力により電動タービンコンプレッサ１０を駆動するドライバ８と、を備えている。

なお、この補助蓄電手段７は、燃料電池スタックＳに接続された車載バッテリＢとは異なり、このタービンコンプレッサ１０（空気供給装置）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。補助蓄電手段７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、補助蓄電手段７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。

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、水素タンク１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７に蓄えられた電力により、タービンコンプレッサ１０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から排出される排気、あるいは燃焼器６からの燃焼排気によりタービン発電機２０のタービンＴ_２が回転して、このタービン発電機２０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スタックＳに繋がる車載バッテリ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１０に対する補助蓄電手段７からの電力供給は、タービン発電機２０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２０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１０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７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、固体高分子型燃料電池を用いたシステムについて説明したが、本発明の燃料電池システムの構成は、特にこれらの例に限定されるものではなく、リン酸型燃料電池、固体電解質型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池等、セルへ供給する燃料ガスおよび空気を加圧状態で供給する加圧型燃料電池に、広く適用することができる。

本発明の第１実施形態における燃料電池システムの構成図である。 本発明の第１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。 本発明の第１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。 本発明の第２実施形態における燃料電池システムの構成図である。

符号の説明

１ 水素タンク
２ 調圧弁
３ エアフィルタ
４ コントローラ
５ 切換弁
６ 燃焼器
７ 補助蓄電手段
８ ドライバ
１０ タービンコンプレッサ
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 タービン発電機
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
Ａ 燃料極（アノード側電極）
Ｃ 空気極（カソード側電極）
Ｂ バッテリ
Ｇ ジェネレータ
Ｍ モータ
Ｐ ポンプ
Ｓ スタック
Ｔ タービン

Claims (5)

1. 燃料極に供給された燃料ガスおよび空気極に供給された空気を用いて発電する燃料電池と、空気を圧縮して前記空気極へ供給する電動タービンコンプレッサとを備える燃料電池システムにおいて、
   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燃料電池システム。
2. 燃料極に供給された燃料ガスおよび空気極に供給された空気を用いて発電する燃料電池と、前記空気極からの排気で作動するタービン発電機とを備え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。
3. 請求項１に記載の電動タービンコンプレッサと、請求項２に記載のタービン発電機とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
4. 前記タービン発電機から得られた電力により、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３に記載の燃料電池システム。
5. 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３または請求項４に記載の燃料電池システム。
   

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