JP2007165000A - 作業ガス加圧システム、燃料電池車 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池で用いられる高圧の水素の圧力を用いて、機器に圧縮空気を供給する。
【解決手段】燃料電池２４のアノードに供給される高圧の水素が、加圧装置４４の水素用シリンダ４８内の空間４８ａに供給される。また、燃料電池２４のカソードに供給される空気は、加圧装置４４の空気用シリンダ４６内の空間４６ａに供給される。一般に、空間４８ａの方が、空間４６ａよりも高圧であり、空間４６ａ内の空気はピストン５０に押し出されて機器供給用のエアタンク７０に送出される。しかし、空気用シリンダ４６の断面積の方が、水素用シリンダ４８の断面積よりも大きいため、空間４８ａ内の水素圧を若干低下させることで、ピストン５０を右に動かし、空間４６ａに新たな空気を導くことができる。ゆえに、水素圧を繰り返し変化させることで、持続的に高圧の空気を機器に供給することが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池を用いたシステム、特に、燃料電池で使用されるガスを利用する技術に関する。

下記特許文献１には、車載用燃料電池の空気供給システムであって、燃料電池に供給するために圧縮機により圧縮された空気を、多目的の圧力容器に貯蔵し、燃料電池以外の機器に供給するシステムが開示されている。しかし、この文献においては、空気の圧縮過程で、水素の圧力を活用する技術は一切記載されていない。

特開２００３−１２３８２２号公報

本発明の目的は、燃料電池で用いられる高圧のアノードガス（燃料ガス）の圧力を有効利用する新たな技術を開発することにある。

本発明の別の目的は、高圧のガスを使用する機器にガス供給を行う新たな技術を確立することにある。

本発明の作業ガス加圧システムは、燃料電池のアノードに供給される高圧のアノードガスの圧力を用いて作業ガスを加圧する作業ガス加圧機構と、作業ガス加圧機構によって加圧された高圧の作業ガスを、高圧のガスを使用する機器に供給する供給機構と、を備える。

燃料電池は、カソードとアノードと呼ばれる対となる電極を備え、各電極に供給されるガス（気体）の化学反応を利用して、電力を取り出す装置である。例えば、リン酸形燃料電池では、アノードにアノードガスとして水素を含むガスが、カソードにカソードガスとして酸素を含むガスが供給され、化学反応により水素と酸素から水が生成される過程で、電気エネルギが取り出される。一般に、アノードガスは、貯蔵効率を高めに高圧状態で貯蔵されている。ここで、高圧とは、少なくとも大気圧よりも高い圧力をいうが、通常の場合には、アノードガスは、大気圧の１０倍あるいは１００倍といったオーダの極めて高い圧力（例えば３５ＭＰａや７０ＭＰａ）で貯蔵される。作業ガス加圧機構は、アノードガスがもつこの圧力を用いて作業ガスを加圧するものである。加圧機構における加圧は、例えば、シリンダとピストン（プランジャ）を用いることで実施することができる。

作業ガスは、高圧のガスを使用する機器に供給されるガスである。この場合にも、高圧とは、少なくとも大気圧よりも高い圧力をいうが、通常は、機器が要求する圧力はアノードガスの貯蔵圧力よりも低く、大気圧の１０倍程度以下の圧力であることが多い。ここで、機器とは、機械、器具、装置などを指す用語であり、電気回路の有無や、可動部の有無などは問わず、また、単体で用いられるものであっても、他機器の部品として用いられるものであってもよい。機器がガスを使用する態様は特に限定されるものではなく、例えば、ガスの流れを利用して洗浄や冷却などを行う態様、ガスの断熱特性を利用する態様、ガスの弾力特性を利用する態様、ガスの音響特性あるいは防音特性を利用する態様などを挙げることができる。もちろん、このようなガスの特性を複合的に利用してもよい。

供給機構は、作業ガス加圧機構で加圧された作業ガスを、前記機器に供給する。供給機構は、典型的には作業ガスが流される流路を備え、さらに、流れを分岐する流路、流れ方向や量を制御する弁、減圧または加圧を行う装置や弁、作業ガスを貯蔵するタンクなどを備えることもできる。

本作業ガス加圧システムは、高圧のアノードガスに仕事をさせて、作業ガスの加圧を行うものである。一般に、アノードガスは、燃料電池で用いられる際には、貯蔵時よりも低い圧力（例えば０．２ＭＰａ）にまで減圧される。しかし、従来においては、この減圧に伴うエネルギは必ずしも十分に活用されず、無駄に捨てられていた。これに対し、本作業ガス加圧システムでは、貯蔵されたアノードガスの高圧を有効利用するため、省エネルギ化を図ることができる。また、作業ガスの圧力を高めるためのコンプレッサの省略化や小型化を実現し、さらには、低騒音化を達成することも可能となる。

本発明の作業ガス加圧システムの一態様においては、作業ガスは、燃料電池のカソードに供給されるカソードガスであり、燃料電池にカソードガスを供給するコンプレッサを利用して、加圧機構に送り込まれる。すなわち、作業ガスは、コンプレッサを利用して加圧機構に送り込まれ、送り込まれた作業ガスは、アノードガスの圧力によって加圧される。

なお、ここでは、カソードガスの語を、カソードで使用されるガス、カソードで使用されたガス、あるいはカソードで使用されるものから分岐されたガスなどを広く表す用語として用いている。すなわち、カソードガスは、例えば、カソード供給用のコンプレッサによって圧縮されたカソードガスのうち、カソード供給前の一部を分岐して取りだし、カソードには供給されないものであってもよい。また、カソード供給用のコンプレッサによって圧縮されたカソードガスのうち、カソード供給前の一部を分岐して又は全部を取りだし、後にカソードに供給されるものであってもよい。あるいは、カソード供給用のコンプレッサによって圧縮されたカソードガスのうち、カソードに供給され使用された後にカソードから排出されたガスの一部又は全部であっても構わない。なお、作業ガス（カソードガス）としては、典型的には、安価かつ入手容易であることを理由として、空気が用いられる。

本発明の作業ガス加圧システムの一態様においては、加圧機構は、アノードガス減圧用レギュレータの上流側における相対的に高圧のアノードガスの圧力を用いて作業ガスを加圧して供給機構に排出し、レギュレータの下流側における相対的に低圧のアノードガスの圧力を用いて作業ガスを加圧機構に送り込ませる。これらの過程を繰り返すことで、大量の作業ガスを加圧機構に送り込むことができる。

本発明の燃料電池車においては、前記作業ガス加圧システムと、前記燃料電池とを備え、燃料電池が発電する電力で駆動される。本発明の燃料電池車の一態様においては、供給機構が作業ガスを供給する前記機器は、車両の機械的制御用部品である。機械的制御用部品とは、車両の姿勢制御（揺れや傾き）や、速度制御を機械的に行う部品であり、例えば、エアサスペンション、タイヤ、エアブレーキなどを例示することができる。また、本発明の燃料電池車の一態様においては、供給機構が作業ガスを供給する前記機器は、車両ぎ装機器である。車両ぎ装装置とは、車両の動力系統（燃料電池やモータ）以外に用いられる補助的な機器であり、空調装置用のエアコンプレッサや、パワーステアリング用コンプレッサ、エアサスペンションなどを例示することができる。

図１は、本実施の形態にかかる燃料電池バス１０の構成例を示す概略図である。図においては、バスに設けられる運転系統や、乗車スペースなど、一般的な構成要素を省略している。また、この燃料電池バスは、典型的には、内燃機関を併用したハイブリッド車両として構成されるが、そのための構成要素も省略している。

燃料電池バス１０は、高圧（例えば７０ＭＰａ）の水素を充填した水素タンク１２を備えている。水素タンク１２からは、水素供給路が伸びている。この水素供給路は、７０ＭＰａの水素が流される７０ＭＰａライン１４、水素を０．８ＭＰａに減圧する減圧弁１６、０．８ＭＰａの水素が流される０．８ＭＰａライン１８、水素を０．２ＭＰａに減圧する減圧弁２０、０．２ＭＰａの水素が流され、燃料電池２４のアノードに水素を供給する０．２ＭＰａライン２２からなる。燃料電池２４で消費された水素ガスの残りは、水素の燃焼処理等を受けた上で、排気路２６から排出される。

燃料電池２４のカソードには、圧縮空気が供給される。すなわち、空気取り込み流路２８によって取り込まれた空気は、その圧力を０．１５ＭＰａ（１．５気圧）程度にまで高めるエアコンプレッサ（圧縮機）３０によって圧縮され、酸素供給路３２を経て燃料電池２４のカソードに供給される。カソードでは、空気中の酸素が消費され、低酸素化した空気は排気路３４を経て外部に放出される。

燃料電池２４においては、アノードに供給された水素とカソードに供給された空気中の酸素との間で、水を生成する化学反応が行われる。そして、この化学反応の過程で電気エネルギが取り出され、モータ３６の駆動等に用いられる。モータ３６は、電気エネルギを回転する運動エネルギに変換して、燃料電池バス１０の後輪３８（や前輪）を駆動する。

エアコンプレッサ３０において圧縮された空気の一部は、分路４０に流される。分路４０は、その途上に、流れの逆流を防ぐチェック弁４２を備えた経路であり、エアコンプレッサ３０において圧縮された空気を加圧装置４４に導くものである。

加圧装置４４は、分路４０を通じて取り込んだ圧縮空気を、さらに高圧化するための装置である。加圧装置４４は、分路４０からの圧縮空気が注入される空気用シリンダ４６と、水素タンクからの水素が注入される水素用シリンダ４８を備えている。空気用シリンダ４６と水素用シリンダ４８は、別部材によって形成され、圧縮された空気と圧縮された水素とが接触しないように配慮されている。また、この空気用シリンダ４６と水素用シリンダ４８は、同軸に配置された円筒形状からなるが、その直径は空気用シリンダ４６の方が大きい。

空気用シリンダ４６と水素用シリンダ４８の内部には、ダンベル型をなすピストン（プランジャ）５０が設置されている。すなわち、このピストン５０は、一端においてシール部材によって空気用シリンダ４６の内部に接しながらスライドすると同時に、他端においてシール部材によって水素用シリンダ４８の内部に接しながらスライドする。ピストン５０は金属などの固い部材によって作られるため、空気用シリンダ４６と水素用シリンダ４８の内部における変位は常に等しくなる。

空気用シリンダ４６において、ピストン５０の外側（図の左側）にできる空間４６ａは、分路４０から流れ込む圧縮空気が注入され圧縮される部分である。また、空気用シリンダ４６において、ピストン５０の内側にできる空間４６ｂは、開口部４６ｃによって空気が自由に出入りできる部分であり、その圧力は常に大気圧に保たれる。同様にして、水素用シリンダ４８において、ピストン５０の外側（図の右側）にできる空間４８ａは、水素タンク１２からの高圧の水素が流れ込む部分である。また、水素用シリンダ４８において、ピストン５０の内側にできる空間４８ｂは、開口部４８ｃによって空気が自由に出入りできる部分であり、その圧力は常に大気圧に保たれる。

空気用シリンダ４６の空間４６ｂには、ピストン５０が右端に移動したことを検知する位置センサ５２が設置されている。また、水素用シリンダ４８の空間４８ｂには、ピストン５０が左端に移動したことを検知する位置センサ５４が設置されている。これらの位置センサ５２，５４の検知結果は、制御部５６に出力される。制御部５６は、演算機能を備えた装置であり、位置センサ５２，５４の検知結果に基づいて、水素弁５８，６０の開閉を行う。さらには、必要に応じて、空気用シリンダ４６の空間４６ａや水素用シリンダ４８の空間４８ａにおける圧力を検知し、その検知結果にも基づいて水素弁５８，６０の開閉を精密に制御するようにしてもよい。

水素弁５８は、０．８ＭＰａライン１８から水素用シリンダ４８の空間４８ａに水素を流し込む分路６２上に設けられている。そして、水素弁６０は、水素用シリンダ４８の空間４８ａから０．２ＭＰａライン２２に水素を還流させる分路６４上に設けられている。したがって、水素弁５８を開弁し、水素弁６０を閉弁することで空間４８ａには、０．８ＭＰａの水素が流入する。また、水素弁５８を閉弁し、水素弁６０を開弁することで空間４８ａの圧力は、０．２ＭＰａにまで減少し、その減少に対応した量の水素が０．２ＭＰａライン２２に還流する。

空間４８ａの水素の圧力は、ピストン５０の右端を左向きに押す力を作用させる。その力の大きさは、空間４８ａの圧力をＰ_H2、大気圧をＰ₀、水素用シリンダ４８の断面積をＳ_H2とすると、（Ｐ_H2−Ｐ₀）×Ｓ_H2である。

空気用シリンダ４６内の空間４６ａには、分路４０を通じて、エアコンプレッサ３０により圧縮された空気が流入する。チェック弁４２の構造にもよるが、単純には、空間４６ａへの流入は、エアコンプレッサ３０により作られた圧力の方が、空間４６ａの圧力よりも大きな場合に起こることとなる。また、この空間４６ａからは、高圧化された空気を排出する排出路６６が設けられている。排出路６６は、その途上にチェック弁６８を備え、逆流を防ぎながら高圧の空気をエアタンク７０に送り込む。

したがって、空間４６ａの圧力は、エアコンプレッサ３０による圧縮圧力よりも高く保たれ、かつ、エアタンク７０の圧力よりも低く保たれる。そして、ピストン５０の移動によって、その圧力が変化し、エアコンプレッサ３０による圧縮圧力よりも若干低くなった場合には、エアコンプレッサ３０からの空気の供給を受け、エアタンク７０の圧力よりも若干高くなった場合には、エアタンク７０へ高い圧力をもつ空気を排出する。なお、チェック弁６８の動作圧力を適当に設定したり、チェック弁６８の代わりに制御部５６が制御する弁を採用したりして、エアタンク７０の圧力を所望の値に制御することも有効である。

空間４６ａの空気による圧力は、ピストン５０の左端を右向きに押す力を作用させる。その力の大きさは、空間４６ａの圧力をＰ_O2、大気圧をＰ₀、空気用シリンダ４６の断面積をＳ_O2とすると、（Ｐ_O2−Ｐ₀）×Ｓ_O2である。

エアタンク７０には、高圧（例えば０．７ＭＰａ）の空気が一時的に貯蔵される。そして、エアタンク７０からは、ガス圧を利用した車両制御用部品に対して、高圧化した空気が供給される。図示した供給路７２は、エアサスペンション７４に圧縮空気を送出する流路である。エアサスペンション７４は、前輪７６（や後輪３８）に対し、弾力的に車体を設置するために用いられる機器である。この他、エアタンク７０の空気は、エアブレーキやタイヤなどに供給することもできる。また、その供給路には、必要に応じて、減圧弁などの圧力調整弁を設けることも有効である。

続いて、図２及び図３を用いて、加圧装置４４の動作について説明する。なお、図２及び図３において、図１と同一の構成には、同一の番号を付している。

図２は、エアタンク７０へと高圧の圧縮空気を注入している段階を示す模式図である。ここでは、制御部５６は、分路６２の水素弁５８を開弁し、分路６４の水素弁６０を閉弁しており、水素用シリンダ４８の空間４８ａ内の圧力は、Ｐ’_H2＝０．８ＭＰａに保たれている。

この時の空気用シリンダ４６の空間４６ａの圧力をＰ’_O2とすると、シリンダ５０は、
Ｆ’＝（Ｐ’_H2−Ｐ₀）×Ｓ_H2 −（Ｐ’_O2−Ｐ₀）×Ｓ_O2
の力を受ける（左向きを正としている）。エアコンプレッサ３０によって圧縮された空気の圧力は、０．１５ＭＰａ程度であるので、少なくとも、分路６２を開放した初期の段階では、
Ｐ’_O2−Ｐ₀ ＜＜ Ｐ’_H2−Ｐ₀
である。したがって、
Ｓ_O2 ＞ Ｓ_H2
の設定をした場合には、Ｆ’＞０であり、ピストン５０は左向きに運動する。この結果空間４６ａの圧力は増加し（つまり圧縮過程と言える）、エアタンク７０の圧力よりも高くなった時点で、排出路６６から高圧の空気がエアタンク７０に流れ出す（つまり掃気過程と言える）。

位置センサ５４によって、ピストン５０が左端に達したことが検知されると、制御部５６は、分路６２の水素弁５８を閉じ、分路６４の水素弁６０を開く。図３は、この場合について説明する模式図である。

この場合、空間４８ａの圧力は減少し、最終的にはＰ’’_H2＝０．２ＭＰａとなる。この時の空間４６ａの圧力をＰ’’_O2とすると、シリンダ５０は、
Ｆ’’＝（Ｐ’’_H2−Ｐ₀）×Ｓ_H2 −（Ｐ’’_O2−Ｐ₀）×Ｓ_O2
の力を受ける（左向きを正としている）。今の場合には、
Ｐ’’_O2−Ｐ₀ ＜ Ｐ’’_H2−Ｐ₀
であるため、Ｓ_O2とＳ_H2の比率の設定次第では、Ｆ’’＜０として、ピストン５０を右向きに運動させることができる。この結果、空間４６ａの体積が大きくなり、Ｐ’’_O2の圧力は低下するが、Ｐ’’_O2＜０．１５ＭＰａとなった時点で、エアコンプレッサ３０から０．１５ＭＰａの空気が、分路４０を通じて流入し（つまり吸気過程と言える）、Ｐ’’_O2＝０．１５ＭＰａの値が維持されることとなる。このため、Ｓ_O2とＳ_H2の比率の設定次第では、ピストン５０は右向きに運動を続けることができる。

ピストン５０が右端に到達すると、位置センサ５２はこれを検知し、制御部５６は、再び、分路６２の水素弁５８を開弁し、分路６４の水素弁６０を閉弁する。これによって、図２で説明したように、ピストンの左向きの運動が開始され、空間４６ａに流入した新たな圧縮空気がエアタンク７０に送り込まれる（再び圧縮過程と掃気過程が行われている）。このようにして、上述の操作を繰り返すことで、エアタンク７０に持続的に圧縮空気を送り込むことができる。

なお、ここに示した加圧装置４４では、空気用シリンダ４６と水素用シリンダ４８とを隣接配置し、ピストン５０によって圧力の伝達を行った。しかし、例えば、ピストンをリンク構造や第２の流体配管に置き換えることで、空気用シリンダ４６と水素用シリンダ４８を遠隔配置することが可能となり、搭載の自由度を高めることができるようになる。また、以上の説明においては、燃料電池バス１０を例に挙げて説明を行ったが、それ以外の燃料電池車はもとより、車両以外の分野における燃料電池システムにも、本実施の形態を適用できることは言うまでもない。

燃料電池バスの構成例を説明する図である。 エアタンクに圧縮空気が送出される過程を説明する図である。 エアコンプレッサからの空気が流入する過程を説明する図である。

符号の説明

１０ 燃料電池バス、１２ 水素タンク、１４ ７０ＭＰａライン、１６，２０ 減圧弁、１８ ０．８ＭＰライン、２２ ０．２ＭＰａライン、２４ 燃料電池、２６，３４ 排気路、２８ 流路、３０ エアコンプレッサ、３２ 酸素供給路、３６ モータ、３８ 後輪、４０，６２，６４ 分路、４２，６８ チェック弁、４４ 加圧装置、４６ 空気用シリンダ、４６ 酸素用シリンダ、４６ａ，４６ｂ，４８ａ，４８ｂ 空間、４６ｃ，４８ｃ 開口部、４８ 水素用シリンダ、５０ シリンダ、５０ ピストン、５２，５４ 位置センサ、５６ 制御部、５８，６０ 水素弁、６６ 排出路、７０ エアタンク、７２ 供給路、７４ エアサスペンション、７６ 前輪。

Claims (6)

1. 燃料電池のアノードに供給される高圧のアノードガスの圧力を用いて作業ガスを加圧する作業ガス加圧機構と、
   作業ガス加圧機構によって加圧された高圧の作業ガスを、高圧のガスを使用する機器に供給する供給機構と、
   を備える、ことを特徴とする作業ガス加圧システム。
2. 請求項１に記載の作業ガス加圧システムにおいて、
   作業ガスは、燃料電池のカソードに供給されるカソードガスであり、燃料電池にカソードガスを供給するコンプレッサを利用して、加圧機構に送り込まれる、ことを特徴とする作業ガス加圧システム。
3. 請求項１又は２に記載の作業ガス加圧システムにおいて、
   加圧機構は、アノードガス減圧用レギュレータの上流側における相対的に高圧のアノードガスの圧力を用いて作業ガスを加圧して供給機構に排出し、レギュレータの下流側における相対的に低圧のアノードガスの圧力を用いて作業ガスを加圧機構に送り込ませる、ことを特徴とする作業ガス加圧システム。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の作業ガス加圧システムと、
   前記燃料電池とを備え、
   燃料電池が発電する電力で駆動されることを特徴とする燃料電池車。
5. 請求項４に記載の燃料電池車において、
   供給機構が作業ガスを供給する前記機器は、車両の機械的制御用部品である、ことを特徴とする燃料電池車。
6. 請求項４に記載の燃料電池車において、
   供給機構が作業ガスを供給する前記機器は、車両ぎ装機器である、ことを特徴とする燃料電池車。

Images