JP2007299691A - 車両駆動用燃料電池における空気供給システムおよび空気供給方法 - Google Patents

Abstract

【課題】要求される広い運転範囲（空気流量と圧力）において効率が高く、また高流量運転時における騒音が低い長寿命な車両駆動用燃料電池における空気供給システムとする。
【解決手段】容量の大きい圧縮機２のロータ軸３０Ａ、３２Ａを、大小圧縮機２、３から燃料電池１への供給通路を分岐させて形成した空気導入通路１７および空気導入通路１７を開閉する遮断弁１８を介して導入する圧縮空気により作動する空気軸受２０で支持し、燃料電池１に要求される出力が比較的少ない場合には小圧縮機３を運転し、要求される出力が高まるに対応して、前記遮断弁１８を開放して供給空気の一部を大圧縮機２の空気軸受２０に供給した状態で大圧縮機２を起動運転させ、さらなる要求出力の増加に対して小圧縮機３を停止させて大圧縮機２に運転を切換えるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両駆動用燃料電池における空気供給システムおよび空気供給方法に関するものである。

車両用燃料電池システムにおいては、燃料電池による発電に必要な空気を圧縮機や送風機を用いて供給している。また、車両用燃料電池システムにおいては、車両の運転状態に応じた発電を行なうために、圧縮機から供給する空気流量も変化させる必要がある。例えば、アイドリング時等の低出力時においては、数十〜数百［Ｌ／ｍｉｎ］の空気が必要となるが、最高出力時等では、数千［Ｌ／ｍｉｎ］もの高流量の空気を必要とする。このような数十〜数千［Ｌ／ｍｉｎ］の広範囲において、一つの圧縮機の駆動回転数を増減させて前記必要空気量を供給する場合には、低出力運転時において燃料電池システム効率が低下する問題や、高出力運転時に高回転する圧縮機より発生する軸受騒音や吐出脈動による高周波騒音が発生する問題がある。

従来から、前者の燃料電池システム効率の低下を抑制するために、大小２つの圧縮機を運転状態に応じて切換運転することで広い運転範囲内での効率を高める空気供給システムが提案されている（特許文献１参照）。

また、後者の送風機等の高回転運転時における振動・騒音を抑制するために、機械的に支持する構造の軸受に代えて加圧吸入した空気を利用してラジアル荷重およびスラスト荷重を支持する空気軸受を用いるものも提案されている（特許文献２参照）。
特開平１１−２８８７３１号公報 特開平６−２２９３９４号公報

そこで、上記従来例における大小２つの圧縮機を運転状態に応じて切換運転させると共に各圧縮機の軸受機構に空気軸受を用いるよう構成して、前記した前者および後者の問題を同時に解消することが想起される。しかしながら、アイドリングなど低出力運転時には空気供給量も低流量であり且つ低圧力でよいため、空気軸受に必要な圧力を得られない問題がある。しかも、車両駆動用燃料電池においては、頻繁に停止や運転が繰返されるため、空気軸受の損傷が積重なることによる寿命低下も問題となる。

そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、要求される広い運転範囲（空気流量と圧力）において効率が高く、また高流量運転時における騒音が低い長寿命な車両駆動用燃料電池における空気供給システムおよび空気供給方法を提供することを目的とする。

本発明は、燃料電池へ空気を供給する吐出容量の異なる大小複数の圧縮機を備える空気供給装置と、前記燃料電池に要求される出力に対応して前記燃料電池へ空気を送るように前記複数の圧縮機を切換えて制御する制御手段と、を備える燃料電池への空気供給システムにおいて、前記容量の大きい圧縮機のロータ軸を、両圧縮機から燃料電池への供給通路を分岐させて形成した空気導入通路および空気導入通路を開閉する遮断弁を介して導入する圧縮空気により作動する空気軸受で支持させ、前記制御手段により、燃料電池に要求される出力が比較的少ない場合には容量の小さい圧縮機を運転し、要求される出力が高まるに対応して、前記遮断弁を開放して供給空気の一部を容量の大きい圧縮機の空気軸受に供給した状態で容量の大きい圧縮機を起動運転させ、さらなる要求出力の増加に対して容量の小さい圧縮機を停止させて容量の大きい圧縮機に運転を切換えるようにした。

したがって、本発明では、容量の大きい圧縮機のロータ軸を、大小圧縮機から燃料電池への供給通路を分岐させて形成した空気導入通路および空気導入通路を開閉する遮断弁を介して導入する圧縮空気により作動する空気軸受で支持させ、制御手段により、燃料電池に要求される出力が比較的少ない場合には容量の小さい圧縮機を運転し、要求される出力が高まるに対応して、前記遮断弁を開放して供給空気の一部を容量の大きい圧縮機の空気軸受に供給した状態で容量の大きい圧縮機を起動運転させ、さらなる要求出力の増加に対して容量の小さい圧縮機を停止させて容量の大きい圧縮機に運転を切換えるようにした。このため、運転開始時は小圧縮機で運転して、効率良く運転できる。そして、ある閾値、すなわち大圧縮機の空気軸受の作動に必要な空気圧力付近となると、大圧縮機の運転が開始され、アイドリング運転等のように空気軸受における動圧が低い運転状態においても、空気軸受の損傷を抑えることができる。また、大圧縮機は高流量域での効率が良いのに加え、軸受部の軸受面同士の接触がないためフリクションも少なく、低騒音、低振動とでき、また、潤滑油が使用されないため、燃料電池に流れ入るリスクもない。

以下、本発明の燃料電池への空気供給システムおよび空気供給方法の一実施形態を図１〜図４に基づいて説明する。図１は、本発明を適用した燃料電池への空気供給システムの第１実施形態を示すシステム構成図である。

図１において、燃料電池への空気供給システムは、燃料電池１への空気供給を、大圧縮機２と小圧縮機３の吐出空気を切換供給することで行なう。前記大圧縮機２は空気流量の大きな圧縮機であり、小圧縮機３はそれよりも空気流量の小さな圧縮機であって、例えば大圧縮機２は定格点（最大馬力発生域）近傍に最大効率発生流量を有するものであり、小圧縮機３は部分負荷域（例えば都市走行モード域：車両にもよるが通常、燃料電池出力が１０［ｋＷ］以下の領域）に最大効率発生流量を有するものである。各圧縮機２、３には夫々の定格に見合った駆動力を発揮する駆動用モータ２Ａ、３Ａが連結され、インバータ４を介してバッテリ５からの駆動電力により駆動されるよう構成している。各駆動用モータ２Ａ、３Ａの起動・停止および駆動回転数は、インバータ４をコントローラ６により制御することにより夫々設定され且つ調整される。

前記各圧縮機２、３の吸入側には配管１０を介してエアクリーナ１１に接続され、各圧縮機２、３の吐出側は配管１２を介して互いに接続され、吸入空気の温度を調節する温調用の熱交換器１３および吸入空気に含まれるコンタミを除去するマイクロフィルタ１４等を介して燃料電池１のカソード極の図示しない入口マニホールドへ接続されている。大圧縮機２の吐出側には、圧縮機２から吐出される供給空気の脈動（圧力変動）を抑制する気槽１５が接続されている。燃料電池１のカソード極の圧力は図示しない出口マニホールドからの排出通路に配置された圧力制御弁１６によって調整される。前記圧力制御弁１６の制御圧力は、燃料電池１により発生する電流・電圧および車両の要求駆動力等に応じてコントローラ６により制御される。

前記大圧縮機２は、その回転軸を支持する軸受機構として、燃料電池１のカソード極への供給通路を分岐して形成した導入配管１７を介して導入した供給空気により作動する空気軸受２０を用いている。前記導入配管１７の途中には切換弁１８が配置され、燃料電池１のカソード極への供給空気を切換弁１８を介して、前記空気軸受２０に導入可能となっている。前記導入通路１７には、通路内の圧力を検出する圧力センサ１９が配置され、検出した圧力信号はコントローラ６に入力される。前記切換弁１８は、前記圧力信号に基づいて、コントローラ６により切換制御される。例えば、大圧縮機２を始動させる際には、導入配管１７内の圧力が空気軸受２０が作動可能な圧力に達している場合にその空気を空気軸受２０に導入するよう切換えられる。

一方、燃料電池１のアノード極には、水素貯蔵合金や水素タンク等から構成した水素供給源２１からの水素ガスが供給される。水素供給源２１として、メタノール等の燃料を改質器（触媒装置）で改質するものであってもよい。燃料電池１は、供給された空気中の酸素と高圧水素タンクから供給された水素とを電解質を介して電気化学的に反応させることにより電気を発生させる。燃料電池車両においては、発生した電力が図示しない駆動モータへの動力として利用される。燃料電池１により発生する電流・電圧は各センサを介してコントローラ６に入力される。

さらにコントローラ６は、例えば、アクセル開度信号２２、および車速信号２３に基づいて、予め定められた演算を行なって燃料電池の出力を決定し、水素供給源２１、および大圧縮機２、小圧縮機３へ所定量の空気と水素を燃料電池へ供給するように運転指示信号を出力する。そしてコントローラ６には燃料電池１の出力信号がフィードバックされる。

前記小圧縮機３は、前記したように、部分負荷域（例えば都市走行モード域：車両にもよるが通常、燃料電池出力が１０［ｋＷ］以下の領域）に最大効率発生流量を有するものであり、比較的低速領域において、必要な流量と圧力を発生する容積形圧縮機が使用される。この容積形圧縮機は、一定容積内に気体を閉じ込め、順次送出すことにより、気体の圧力を高めるものである。容積形圧縮機には、回転式と往復式があり、回転式はケーシング内に設置されたロータの回転により吸込んだ気体を昇圧するものであり、往復式はシリンダ内を往復するピストンの働きにより容積縮小とともに気体を昇圧するものである。回転式は広い流量範囲で運転が可能であり、また最高効率も高く車両用として適している。

前記大圧縮機２は、定格点（最大馬力発生域）近傍に最大効率発生流量を有するものであり、比較的高速領域において、必要な流量と圧力が確保される圧縮機が選定される。大圧縮機としては、容積形圧縮機若しくはターボ形圧縮機が使用される。

大圧縮機２として使用する容積形圧縮機としては、回転式容積形圧縮機が、広い流量範囲で運転が可能であり、また最高効率も高く車両用として適している。

前記ターボ形圧縮機は、気体中で羽根車を回転させ、羽根の作用により通過気体の速度と圧力を増加させることを作動原理としている。このターボ形圧縮機には、遠心式、軸流式、そして遠心式と軸流式の中間に位置する斜流式がある。遠心式圧縮機は軸方向から吸込まれた空気を円周方向から吐出するものであり、軸流式圧縮機は軸方向から吸込まれた空気を軸方向の反対側から吐出するものである。斜流式圧縮機は、軸方向から吸込まれた空気を軸と傾斜した方向に吐出す構成をもち、構造的、性能的に遠心式と軸流式の中間に位置する。

図２は、大圧縮機２の一実施例としての回転式容積形圧縮機を示す内部構造の概略図であり、メスロータ３０に駆動用モータ２Ａからの動力が入力され、タイミングギア３１Ａ、３１Ｂとを介してオスロータ３２を駆動する構成としている。前記２つのロータ３０、３２の回転により、吸気口３３から空気が吸込まれ、吸気ポート３４を経由してロータ３０、３２間の歯溝に吸込まれ、歯溝の容積の減少により空気は圧縮され、吐出口３５から圧縮された空気が吐出される。

前記空気軸受２０は、各ロータ３０、３２の支軸３０Ａ、３２Ａを支える軸受部Ａ〜Ｄに配置され、各軸受部Ａ〜Ｄはラジアル方向の荷重を支持するラジアル軸受３６Ａおよびスラスト方向の荷重を支持するスラスト軸受３６Ｂの組合せにより構成されている。各軸受部Ａ〜Ｄの対面する両軸受面には、互いに方向が異なるヘリングボーン溝Ｅ（ｈｅｒｒｉｎｇｂｏｎｅ）が形成され、軸３０Ａ、３２Ａが回転することにより両軸受面が気流による動圧により互いに反発する作用を発生するよう構成している。また、各軸受部Ａ〜Ｄには、前記導入配管１７、および内部通路３７を介して圧縮空気が導入され、導入した空気は、先ずラジアル軸受３６Ａに導入され、ラジアル軸受３６Ａを経由してスラスト軸受３６Ｂに供給され、圧縮機２の吸入口３４に排出されるよう構成している。

前記空気軸受２０は、導入した空気圧力と各ロータ３０、３２の支軸３０Ａ、３２Ａの回転による動圧とにより、各軸３０Ａ、３２Ａを浮上させ、夫々ラジアル荷重およびスラスト荷重を受けるよう作動する。したがって、アイドリング等のように圧力が低い運転状態を除いて、ある程度の圧力が確保できる運転状態においては、空気軸受２０の軸受面同士の金属接触（損傷）を抑制でき、高流量域での効率が良いのに加え、軸受面同士の接触がないため、フリクションも少なく、低騒音、低振動の運転が可能である。しかも、軸受に必須であった潤滑油を必要としないことでも、燃料電池１に適用する場合に効果を発揮する。

前記温調用の熱交換器１３は、大圧縮機２の空気軸受部２０へ供給する加圧ガスの温度を低くすることができ、空気軸受部２０の冷却が可能になり、軸受隙間の寸法を小さく抑えることができ、軸受寿命を延ばすことができる。また、前記コンタミを除去するマイクロフィルタ１４は、大圧縮機２の空気軸受部２０へ供給する加圧ガス中のマイクロメートルオーダのコンタミを除去することが可能になり、空気軸受２０の損傷を抑えて、その軸受寿命を延ばすことができる。

また、空気軸受２０を通過した加圧ガスである空気は、外気へ放出されずに、再度圧縮機（小圧縮機３および／または大圧縮機２）の吸気側へ戻すようにしていることで、両圧縮機２、３の上流に配置されたエアクリーナ１１を通過する空気流量を増加させることがなく、その目詰まり量を低減することができる。

以上の構成の燃料電池への空気供給システムにおける空気供給方法について、以下に説明する。上記のように大小２つの圧縮機２、３を備える場合における圧縮機制御の例として、大圧縮機２は定格点（最大出力発生域）近傍に最大効率点を設定し、小圧縮機３は部分負荷域に最大効率点を設定する。

そして、図３に示すように、車両運転状態に応じて燃料電池１に要求される空気流量が小圧縮機３の最大効率発生流量を超える領域までは小圧縮機３を単独運転し、さらに要求空気流量が増加される範囲において小圧縮機３での単独運転での供給効率に対して大圧縮機２での供給効率が上回る領域では小圧縮機３から大圧縮機２へ運転状態を切換える制御方法が一制御方法として考えられる。即ち、車両運転状態から要求される燃料電池システムの出力に対応した空気量を、効率良く発生できる方の圧縮機３または２を動作させるように制御する方法である。この運転方法では、小圧縮機３から大圧縮機２への切換点近傍で空気供給効率が若干低下する。

また、図４に示すように、車両運転状態に応じて燃料電池１に要求される空気流量が、小圧縮機３の最大効率発生流量よりも小さい範囲では、小圧縮機３を単独運転し、要求される空気量が小圧縮機３の最大効率発生流量を超える場合には、大小圧縮機２、３の内の何れか効率の高い圧縮機からの供給空気量に何れか効率の低い圧縮機からの供給空気量を加算して必要な空気量を確保し、大圧縮機２の最大効率発生流量よりも大きい範囲では、大圧縮機２を単独運転するよう、各圧縮機の運転領域を設定する運転制御方法も考えられる。このように、大小の圧縮機２、３を運転することで、システム効率は、落ち込みが無く全域で高効率とできる。

即ち、燃料電池システムの始動時においては、導入配管１７に配置された遮断弁１８が閉じられた状態において、コントローラ６によりインバータ４を作動させて小圧縮機３の駆動モータ３Ａのみを作動させ、大圧縮機２は駆動されずに停止した状態とする。小圧縮機３は、エアクリーナ１１を介して外気を吸入する。小圧縮機３から吐出された空気は熱交換器１３で温調され、マイクロフィルタ１４にてコンタミが取り去られ、燃料電池１のカソード極へ供給される。燃料電池１カソード極の圧力は圧力制御弁１６によって調整される。導入配管１７に配置した遮断弁１８が閉じているため、大圧縮機２の空気軸受２０には、圧縮空気が導入されない。燃料電池１は、小圧縮機３から供給される圧縮空気と水素供給源２１から供給される水素ガスとの電気化学反応により発電し、発電電力を図示しないインバータを介して図示しない走行駆動モータに供給する。

車両の運転状態（アクセル開度および車速の増加により）により要求される供給空気量が増加するに連れて、小圧縮機３を駆動している駆動モータ３Ａの回転数が増加され、回転数の増加に応じて小圧縮機３より吐出される空気量を増加させ、供給空気量の供給圧力も上昇される。

小圧縮機３より吐出される供給空気量が小圧縮機３における最大効率運転点を超える時点においては、供給圧力が大圧縮機２の空気軸受２０を作動可能な圧力に上昇されており、導入配管１７に配置した圧力センサ１９からの圧力信号によりコントローラ６に入力される。

この時点で遮断弁１８が開放されて、導入配管１７を経由して圧縮空気が大圧縮機２の空気軸受２０に供給される。導入された圧縮空気は、各軸受部Ａ〜Ｄのラジアル軸受３６Ａにおける環状空間において軸部を軸受面から浮上させ、次いで、スラスト軸受３６Ｂに流入して、その円錐状空間において軸部の円錐面を円錐状の軸受面から浮上させ、通路３８を経由して吸入口３４に排出され、小圧縮機３の吸入口に流れて、小圧縮機３に吸入される。

図４の制御においては、前記遮断弁１８が開放されて供給空気が大圧縮機２の空気軸受２０に供給された段階で、大圧縮機２の駆動モータ２Ａが作動され、大圧縮機２による空気供給が開始される。大圧縮機２による空気吐出量は小圧縮機３の１回転当りの空気吐出効率の落ち込みを補助する程度の吐出量であるため、そのロータ３０、３２の回転数はまだアイドリング状態であるが、ロータ３０、３２の各軸３０Ａ、３２Ａは導入配管１７を経由して導入した圧縮空気により浮上作動している空気軸受２０により軸受面が接触させることなく回転支持されている。このため、フリクションも少なく、低騒音・低振動である。大圧縮機２の作動により吐出された供給空気は、気槽室１５で脈動が緩和されて、小圧縮機３からの供給空気と合流する。図３の制御においては、小圧縮機３での吐出量がさらに増加された段階で、大圧縮機２が同様に起動される。

車両運転状態により要求される供給空気量がさらに増加すると、大圧縮機２の駆動モータ２Ａの回転数が上昇され、それに連れて小圧縮機３の駆動モータ３Ａの回転数が低下される。小圧縮機３による吐出空気量が低下するに連れて大圧縮機２による吐出空気量が増加する。

図３の制御においては、大圧縮機２の駆動回転数が予め設定した所定回転数に達した段階で、小圧縮機３の駆動モータ３Ａが停止され、以降の空気供給量の増加は大圧縮機２の駆動モータ２Ａの回転数を上昇させることにより実行される。図４の制御においては、大圧縮機２の駆動回転数が最大効率運転点の近傍に達した段階で、小圧縮機３の駆動モータ３Ａが停止され、以降の空気供給量の増加は大圧縮機２の駆動モータ２Ａの回転数を上昇させることにより実行される。

車両運転状態により要求される供給空気量が減少すると、大圧縮機２の駆動モータ２Ａの回転数が低下される。図４の制御においては、大圧縮機２が最大効率運転点を過ぎて低下された時点で、小圧縮機３の駆動モータ３Ａが回転開始され、大圧縮機２の駆動モータ２Ａの回転数低下に応じて小圧縮機３の駆動モータ３Ａの回転数が増加される。そして、小圧縮機３の最大効率運転点の近傍まで供給空気量が低下された段階で大圧縮機２の駆動モータ２Ａが停止され、それ以下の空気供給量の領域では、小圧縮機３の駆動モータ３Ａの回転数を増減させることにより、供給空気量が調節される。

図３の制御においては、大圧縮機２が最大効率運転点を過ぎて低下され、小圧縮機３と大圧縮機２との両者の最大効率運転点の中間の空気供給量に低減された時点で、小圧縮機３の駆動モータ３Ａが回転開始され、さらに空気供給量が低下された段階で大圧縮機２の駆動モータ２Ａが停止され、それ以下の空気供給量の領域では、小圧縮機３の駆動モータ３Ａの回転数を増減させることにより、供給空気量が調節される。

大圧縮機２の空気軸受に導入配管１７を経由して導入されている圧縮空気は、小圧縮機３の最大効率運転点に空気供給量が低下された段階で、導入配管１７の圧力センサ１９によりその圧力値が検出され、コントローラ６により遮断弁１８が閉じられ、大圧縮機２の空気軸受２０の浮上作動が停止される。

なお、上記実施形態において、導入通路１７に設けた遮断弁１８の動作開始圧力として、小圧縮機３の最大効率運転点での圧力値を検出した時点で遮断弁１８を開放するものについて説明したが、図示はしないが、大圧縮機２がアイドリング回転する場合であっても、大圧縮機２に設けた空気軸受２０の軸受面を浮上させることができる程度の圧力値を超えた領域において開放させるようにしてもよく、その場合には、大圧縮機２の作動領域をより供給空気量が低い段階から作動させることができる。

また、上記実施形態において、小圧縮機３は供給空気量が大きい領域において駆動が停止されて稼動されることがないものについて説明したが、この小圧縮機３を燃料電池よりの排空気により駆動して、駆動モータ３Ａを発電機として回転させてエネルギを回収するようにしてもよい。図５はそのための構成を示すものである。即ち、小圧縮機３の上流および下流に通路の切換弁４０、４１を配置し、小圧縮機３の吸込み側を燃料電池１の下流に配置した圧力制御弁１６から排出される排気を導入可能とし、小圧縮機３の下流を切換弁４１により大気に開放可能にする。そして、前記供給空気量が大きい領域の駆動が停止された段階において、切換弁４０、４１を夫々切換えて、燃料電池１からの排空気を切換弁４０を介して小圧縮機３に導入し、小圧縮機３からの排気を切換弁４１を介して大気に放出させて、小圧縮機３を回転させ、駆動モータ３Ａを駆動するようにしたものである。駆動モータ３Ａからの発電電力はインバータ４を介してバッテリ５に充電させるか若しくは図示しない車両駆動モータに供給することができる。

本実施形態においては、以下に記載する効果を奏することができる。

（ア）本発明は、燃料電池１へ空気を供給する吐出容量の異なる大小複数の圧縮機２、３を備える空気供給装置と、前記燃料電池１に要求される出力に対応して前記燃料電池１へ空気を送るように前記複数の圧縮機２、３を切換えて制御する制御手段６と、を備える燃料電池への空気供給システムにおいて、前記容量の大きい圧縮機２のロータ軸３０Ａ、３２Ａを、両圧縮機２、３から燃料電池１への供給通路を分岐させて形成した空気導入通路１７および空気導入通路１７を開閉する遮断弁１８を介して導入する圧縮空気により作動する空気軸受２０で支持し、前記制御手段６により、燃料電池１に要求される出力が比較的少ない場合には容量の小さい圧縮機３を運転し、要求される出力が高まるに対応して、前記遮断弁１８を開放して供給空気の一部を容量の大きい圧縮機２の空気軸受２０に供給した状態で容量の大きい圧縮機２を起動運転させ、さらなる要求出力の増加に対して容量の小さい圧縮機３を停止させて容量の大きい圧縮機２に運転を切換えるようにした。

このため、運転開始時は小圧縮機３で運転して、効率良く運転できる。そして、ある閾値、すなわち大圧縮機２の空気軸受２０の作動に必要な空気圧力となると、大圧縮機２の運転が開始され、アイドリング運転等のように空気軸受２０における動圧が低い運転状態においても、空気軸受２０の損傷を抑えることができる。また、大圧縮機２は高流量域での効率が良いのに加え、軸受部の軸受面同士の接触がないためフリクションも少なく、低騒音、低振動とでき、また、潤滑油が使用されないため、燃料電池１に流れ入るリスクもない。

（イ）容量の大きい圧縮機２とその空気軸受部２０への導入通路１７が分岐する部分との間で容量の小さい圧縮機３よりの通路を合流させることにより、小圧縮機３の吐出圧力を大圧縮機２の空気軸受部２０に作用させて大圧縮機２の軸を浮上させることができ、燃料電池１運転の始動時の軸受面同士の例えば、金属接触による損傷を防ぐことができる。また、燃料電池１停止時には、大圧縮機２の回転が停止するまで小圧縮機３の吐出圧力を作用させることができ、軸受面同士の金属接触による損傷を防ぐことができる。また、加圧タンクなどの部品が不要でシステムを簡素化できる。

（ウ）導入通路１７への分岐部分の上流に、燃料電池１へ供給する空気の温調用の熱交換器１３を配置して備えることにより、大圧縮機２の空気軸受部２０へ供給する加圧ガスの温度を低くすることができ、軸受部の冷却が可能になり、軸受面同士の隙間寸法を小さく抑えることができ、軸受寿命を延ばすことができる。

（エ）導入通路１７への分岐部分の上流に、燃料電池１へ供給する空気中に含まれる不純物を取除くマイクロフィルタ１４を配置して備えることにより、大圧縮機２の空気軸受部２０へ供給する加圧ガス中のマイクロメートルオーダのコンタミを除去することが可能になり、空気軸受２０の損傷を抑え、軸受の寿命を延ばすことができる。

（オ）空気軸受２０から排出される作動空気は、圧縮機２、３に吸入されることにより、空気軸受２０の作動に使用した空気を外気へ放出させずに再度圧縮機２、３に吸気させて戻すことで、各圧縮機２、３の上流に位置するエアクリーナ１１の目詰まり量を低減することができる。

（カ）容量の小さい圧縮機３を容積形圧縮機により構成し、容量の大きい圧縮機２をターボ形圧縮機により構成することにより、小圧縮機３に容積形圧縮機を使用して、ターボ形圧縮機よりも低流量での吐出圧力を高くすることができ、騒音上、燃費上有利であり、また、大圧縮機２にターボ形圧縮機を使用して、大圧縮機２に容積形圧縮機を使用した場合よりも吐出圧力脈動を低減することができ、気槽部品１５がなくても圧力脈動の少ない加圧空気を空気軸受２０の作動に使用でき、軸受の軸心振れや共振による騒音悪化を低減することができる。

（キ）容量の小さい圧縮機３の上下流部に切換弁４０、４１を設け、容量の大きい圧縮機２からの吐出空気による燃料電池１運転中の燃料電池１の排空気を切換弁４０、４１を経由させて当該圧縮機３に流入させて、当該圧縮機３を回転させることによりその駆動モータ３Ａにより発電させることにより、供給空気の高流量時に使用しない小圧縮機３により、燃料電池１から排気されるオフガス中のエネルギを電気エネルギとして回収することができ、システム効率を高めることができる。

本発明の一実施形態を示す燃料電池への空気供給システムのシステム構成図。 同じく大圧縮機の一実施例としての回転式容積形圧縮機の概略断面図。 圧縮機の制御方法の一例を示す説明図。 圧縮機の制御方法の他の一例を示す説明図。 小圧縮機の利用方法を示す空気回路図。

符号の説明

１ 燃料電池
２ 容量の大きい圧縮機である大圧縮機
３ 容量の小さい圧縮機である小圧縮機
４ インバータ
５ バッテリ
６ 制御手段であるコントローラ
１１ エアクリーナ
１３ 熱交換器
１４ マイクロフィルタ
１５ 気槽
１６ 圧力制御弁
１７ 導入通路
１８ 遮断弁
１９ 圧力センサ
２０ 空気軸受
２１ 水素供給源

Claims (8)

1. 燃料電池へ空気を供給する吐出容量の異なる大小複数の圧縮機を備える空気供給装置と、前記燃料電池に要求される出力に対応して前記燃料電池へ空気を送るように前記複数の圧縮機を切換えて制御する制御手段と、を備える燃料電池への空気供給システムにおいて、
   前記容量の大きい圧縮機のロータ軸を、両圧縮機から燃料電池への供給通路を分岐させて形成した空気導入通路および空気導入通路を開閉する遮断弁を介して導入する圧縮空気により作動する空気軸受で支持させ、
   前記制御手段により、燃料電池に要求される出力が比較的少ない場合には容量の小さい圧縮機を運転し、要求される出力が高まるに対応して、前記遮断弁を開放して供給空気の一部を容量の大きい圧縮機の空気軸受に供給し、その状態で容量の大きい圧縮機を起動運転させ、さらなる要求出力の増加に対応して容量の小さい圧縮機を停止させて容量の大きい圧縮機に運転を切換えることを特徴とする燃料電池への空気供給システム。
2. 前記容量の大きい圧縮機とその空気軸受部への導入通路が分岐する部分との間で容量の小さい圧縮機よりの通路が合流することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池への空気供給システム。
3. 前記導入通路への分岐部分の上流に、燃料電池へ供給する空気の温調用の熱交換器を配置して備えることを特徴とする請求項１および請求項２に記載の燃料電池への空気供給システム。
4. 前記導入通路への分岐部分の上流に、燃料電池へ供給する空気中に含まれる不純物を取除くマイクロフィルタを配置して備えることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一つに記載の燃料電池への空気供給システム。
5. 前記空気軸受から排出される作動空気は、圧縮機に吸入されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一つに記載の燃料電池への空気供給システム。
6. 前記容量の小さい圧縮機を容積形圧縮機により構成し、容量の大きい圧縮機をターボ形圧縮機により構成したことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一つに記載の燃料電池への空気供給システム。
7. 前記容量の小さい圧縮機の上下流部に切換弁を設け、容量の大きい圧縮機からの吐出空気による燃料電池運転中の燃料電池の排空気を切換弁を経由させて当該圧縮機に流入させて、当該圧縮機を回転させることによりその駆動モータにより発電させることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一つに記載の燃料電池への空気供給システム。
8. 燃料電池へ空気を供給する吐出容量の異なる大小複数の圧縮機を備える空気供給装置と、前記燃料電池に要求される出力に対応して前記燃料電池へ空気を送るように前記複数の圧縮機を切換えて制御する制御手段と、を備え、
   前記容量の大きい圧縮機のロータ軸を、両圧縮機から燃料電池への供給通路を分岐させて設けた空気導入通路および空気導入通路を開閉する遮断弁を介して導入する圧縮空気により作動する空気軸受で支持させ、
   前記制御手段により、燃料電池に要求される出力が比較的少ない場合には容量の小さい圧縮機を運転し、要求される出力が高まるに対応して、前記遮断弁を開放して供給空気の一部を容量の大きい圧縮機の空気軸受に供給した状態で容量の大きい圧縮機を起動運転させ、さらなる要求出力の増加に対しては容量の小さい圧縮機を停止させて容量の大きい圧縮機に運転を切換えることを特徴とする燃料電池への空気供給方法。

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