JP2013182781A

JP2013182781A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2013182781A
Application number: JP2012045716A
Authority: JP
Inventors: Seiji Honda; 清二本多
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2012-03-01
Filing date: 2012-03-01
Publication date: 2013-09-12

Abstract

【課題】圧縮空気の温度を十分に下げることができ、駆動効率を向上させることができる燃料電池システムを提供する。また、加湿器を小型化できる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】空気供給流路１１におけるコンプレッサ１０と空冷式インタークーラ１４との間と、カソードオフガス流路１２におけるエキスパンダタービン１７の下流側との間に架け渡されるように設けられ、空気供給流路１１を流通する供給空気と、カソードオフガス流路１２を流通するカソードオフガスとの間で熱の移動を行う熱回生器１３と、カソードオフガス流路１２における加湿器１５とエキスパンダタービン１７との間に設けられ、加湿器１５から排出されたカソードオフガスの水分を除去し、この除去されたカソードオフガスをエキスパンダタービン１７に供給するための水蒸気分離器４１とを備えた。
【選択図】図１

Description

この発明は、燃料電池システムに関するものである。

一般に、燃料電池システムの燃料電池には水素ガスと圧縮空気とが供給されるが、圧縮されたばかりの空気は高温であるので、燃料電池に適する温度まで冷却する必要がある。このため、圧縮空気生成用圧縮機と燃料電池との間の圧縮空気供給ラインに、空冷式の熱交換器が設けられている場合がある。

また、圧縮空気を圧縮空気生成用圧縮機のみで行おうとすると、圧縮空気生成用圧縮機の駆動電力が大きくなるので、圧縮空気生成用圧縮機の負荷を低減するために、燃料電池からの排出ガスのエネルギーを空気の圧縮に利用するターボチャージャを設けたものがある。ターボチャージャを設けた場合、ターボチャージャのコンプレッサから排出された圧縮空気が高温になる。このため、ターボチャージャの下流側にも大型の熱交換器、例えば水冷式の熱交換器が設けられる。

ここで、燃料電池からの排出ガスは高温であるが、ターボチャージャのタービンを通過すると断熱膨張により冷却される。このため、タービンと空気式の熱交換器とを空気排出流路（排出ガスライン）により接続し、空気式の熱交換器に導入される排出ガスを冷却ガスとして利用して、これからコンプレッサに入る空気を冷却する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
また、燃料電池とターボチャージャとの間に、加湿器を設ける場合が多い。これにより、燃料電池に導入される空気を、燃料電池から排出された水蒸気（生成水）を含む排出ガスを利用し、燃料電池に導入される空気を加湿するようになっている。

特開２００２−５６８６５号公報

しかしながら、上述の従来技術にあっては、燃料電池からの排出ガス中に含まれる水蒸気を、加湿器によって十分に集積することが困難であるので、排出ガス中に水蒸気を含んだままターボチャージャのタービンに導入されてしまう。ここで、タービンを通過した排出ガスが断熱膨張により冷却されると、排出ガス中の水蒸気が凝縮される。

この水蒸気が凝縮される際に凝縮潜熱が放熱される、つまり、水蒸気を凝縮するために熱が出るので、タービンから排出された排出ガスの温度は期待されるほど下がらない。
このため、排出ガスと熱交換される導入空気もさほど冷却されないことから、圧縮空気生成用圧縮機から吐出された圧縮空気の温度が十分に下がりにくく、燃料電池システムの駆動効率が低下してしまうという課題がある。また、排出ガス中の水蒸気を十分に集積しようとすれば加湿器を大型化する必要があるという課題がある。

そこで、この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、圧縮空気の温度を十分に下げることができ、駆動効率を向上させることができる燃料電池システムを提供するものである。
また、加湿器を小型化できる燃料電池システムを提供するものである。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、燃料、及び酸化剤により発電する燃料電池（例えば、実施形態における燃料電池スタック２）と、前記燃料電池に供給される空気が流通する空気供給流路（例えば、実施形態における空気供給流路１１）と、前記燃料電池から排出された前記空気が流通する空気排出流路（例えば、実施形態におけるカソードオフガス流路１２）と、前記空気供給流路に接続されて、この空気供給流路に前記空気を供給する空気供給回転機（例えば、実施形態におけるコンプレッサ１０）と、前記空気排出流路に配置されて前記空気供給回転機の回転軸（例えば、実施形態における回転軸１８）と同軸に連結された回転軸（例えば、実施形態における回転軸１８）を有するエキスパンダ（例えば、実施形態におけるエキスパンダタービン１７）と、前記空気供給流路の前記空気供給回転機よりも下流側に設けられ、前記空気を冷却する冷却器（例えば、実施形態における空冷式インタークーラ１４）と、前記空気供給流路の前記冷却器よりも下流側と前記空気排出流路との間に架け渡されるように設けられ、前記空気供給流路を流通する前記空気と、前記空気排出流路を流通する前記空気との間で水分の移動を行う加湿器（例えば、実施形態における加湿器１５）と、前記空気供給流路における前記空気供給回転機と前記冷却器との間と、前記空気排出流路における前記エキスパンダの下流側との間に架け渡されるように設けられ、前記空気供給流路を流通する前記空気と、前記空気排出流路を流通する前記空気との間で熱の移動を行う熱交換器（例えば、実施形態における熱回生器１３）と、前記空気排出流路における前記加湿器と前記エキスパンダとの間に設けられ、前記加湿器から排出された前記空気の水分を除去し、この除去された前記空気を前記エキスパンダに供給するための水蒸気分離器（例えば、実施形態における水蒸気分離器４１）とを備えたことを特徴とする。

このように構成することで、加湿器から排出された空気の水分を従来よりも除去でき、エキスパンダで凝縮潜熱が生じてしまうことを防止できる。このため、エキスパンダから排出された空気の温度を従来よりも下げることができる。この排出された空気の温度を下げることにより、熱交換器での熱移動量を従来よりも増大させることができる。

請求項２に記載した発明は、前記空気供給回転機は、前記回転軸が動圧軸受（例えば、実施形態における空気動圧軸受９２）にて軸支され、前記空気供給回転機によって前記空気供給流路に供給された前記空気を分流し、前記動圧軸受に導入する動圧用空気流路（例えば、第１実施形態における分岐空気流路１１ａ、第２実施形態における分岐オフガス流路１２ａ）が設けられ、この動圧空気流路が前記水蒸気分離器に設けられた排出空気導入部（例えば、実施形態における分流空気排出流路１１ｂ）に接続されていることを特徴とする。

このように構成することで、動圧軸受に導入する空気として空気供給流路に供給された空気を利用することができ、燃料電池システムの簡素化を図ることができる。また、水蒸気分離器によって空気から分離された水分を、空気供給流路に供給された空気を利用して脱離させる処理（パージ処理）を行うことができる。

請求項３に記載した発明は、前記動圧空気流路は、前記空気排出流路における前記エキスパンダの下流側から分岐して前記動圧軸受に接続されていることを特徴とする。

このように構成することで、エキスパンダにより膨張して温度が低下した空気を動圧軸受に導入することができるので、空気供給回転機、回転軸、及びエキスパンダで生じる熱の放熱性能を向上させることができる。

請求項１に記載した発明によれば、加湿器から排出された空気の水分を従来よりも除去でき、エキスパンダで凝縮潜熱が生じてしまうことを防止できる。このため、エキスパンダから排出された空気の温度を従来よりも下げることができる。また、加湿器から排出された空気の水分を従来よりも除去できる分、エキスパンダの凍結を防止できる。
さらに、エキスパンダから排出された空気の温度を下げることにより、熱交換器での熱移動量を従来よりも増大させることができる。このため、加湿器への給気温度が低下し、加湿器の加湿性能が向上するので、燃料電池システムの駆動効率を向上させることができる。また、加湿性能が向上する分、加湿器を小型化することも可能になる。

請求項２に記載した発明によれば、動圧軸受に導入する空気として空気供給流路に供給された空気を利用することができ、燃料電池システムの簡素化を図ることができる。また、水蒸気分離器によって空気から分離された水分を、空気供給流路に供給された空気を利用して脱離させる処理（パージ処理）を行うことができる。このため、さらに燃料電池システムの簡素化を図ることができる。

請求項３に記載した発明によれば、エキスパンダにより膨張して温度が低下した空気を動圧軸受に導入することができるので、空気供給回転機、回転軸、及びエキスパンダで生じる熱の放熱性能を向上させることができる。このため、さらに、燃料電池システムの駆動効率を向上させることができる。また、放熱性能を向上させる分、燃料電池システム全体の小型化を図ることが可能になる。

本発明の第１実施形態における燃料電池システムの概略構成図である。本発明の第１実施形態における凝縮潜熱の変化を示すグラフである。本発明の第１実施形態における温度上昇△Ｔの変化を示すグラフである。本発明の実施形態における収束温度の変化を示すグラフである。本発明の実施形態における燃料電池スタックの入口付近における供給空気の湿度を示すグラフである。本発明の第２実施形態における燃料電池システムの概略構成図である。

（第１実施形態）
（燃料電池システム）
次に、この発明の第１実施形態を図１〜図５に基づいて説明する。尚、この実施形態における燃料電池システムは、燃料電池車両に搭載された態様である。
図１は、燃料電池システム１の概略構成図である。
同図に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池スタック（ＳＴＫ）２と、エゼクタ４と、コンプレッサ（Ｃｏｍｐ）１０と、熱回生器（熱交換器、ＨＥＸ）１３と、加湿器（ＨＵＭ）１５と、エキスパンダタービン（Ｅｘｐ）１７と、モータ（Ｍ）１９と、水蒸気分離器４１とを主要構成として備えている。

燃料電池スタック２は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜を、アノードとカソードとで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されている。そして、アノードに燃料として水素（燃料）を供給し、カソードに酸化剤として酸素を含む空気を供給すると、アノードで触媒作用により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで空気中の酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。

図示しない水素タンクから供給される水素は、水素供給流路３、エゼクタ４を通って燃料電池スタック２のアノードに供給される。燃料電池スタック２で消費されなかった未反応の水素は、燃料電池スタック２からアノードオフガスとして排出され、アノードオフガス流路５を通ってエゼクタ４に戻され、水素タンクから供給される新鮮な水素と合流し再び燃料電池スタック２のアノードに供給される。

空気はコンプレッサ１０によって加圧され、空気供給流路１１を通って燃料電池スタック２のカソードに供給される。この空気中の酸素が酸化剤として発電に供された後、燃料電池スタック２からカソードオフガスとして排出され、カソードオフガス流路１２を通って排出される。尚、以下の説明では、燃料電池スタック２に供給される空気を供給空気と称す。

空気供給流路１１においてコンプレッサ１０よりも下流には、上流側から順に、熱回生器１３、空冷式インタークーラ（Ｉ／Ｃ）１４、加湿器１５が設けられている。加湿器１５は、空気供給流路１１とカソードオフガス流路１２との間に設けられており、カソードオフガス中の水分を膜を介して供給空気に移動させることによって供給空気を加湿する、いわゆる膜加湿器で構成されている。

カソードオフガス流路１２において加湿器１５よりも下流には、その上流側から順に、水蒸気分離器４１、エキスパンダタービン１７が設けられている。すなわち、カソードオフガス流路１２における加湿器１５とエキスパンダタービン１７との間に、水蒸気分離器４１が設けられている。
水蒸気分離器４１は、水蒸気分離膜や、水蒸気を選択的に透過させるイオン交換樹脂などを備えている。水蒸気分離膜としては、例えばセラミックスを微細な細孔を有する多孔質の薄膜にすることによって得られる。尚、水蒸気分離膜の水蒸気分離機構については特に限定するものではないが、水蒸気が凝縮性であることから、細孔内での表面拡散、あるいは毛管凝縮機構が支配的になると考えられる。

エキスパンダタービン１７とコンプレッサ１０は、共通の回転軸１８によって連結されており、回転軸１８を回転する駆動モータ１９を備えている。駆動モータ１９は、モータケーシング９１を有しており、このモータケーシング９１内に空気動圧軸受９２が設けられている。

空気動圧軸受９２は、空気供給流路１１から分岐する分岐空気流路１１ａに接続され、コンプレッサ１０によって空気供給流路１１に供給された空気のうち、分岐空気流路１１ａに分流した分流空気によって、モータケーシング９１に対して回転軸１８を回転自在に支持する。また、空気動圧軸受９２は、分流空気を排出する分流空気排出流路１１ｂの一端が接続されている。
ここで、分流空気排出流路１１ｂの一端は、水蒸気分離器４１に接続されている。そして、水蒸気分離器４１によって分離された水分を、分流空気排出流路１１ｂに流通された分流空気によって、水蒸気分離器４１から脱離させる処理（パージ処理）を行うように構成されている。

コンプレッサ１０は、駆動モータ１９と、カソードオフガスの有するエネルギーによって作動するエキスパンダタービン１７とによって駆動される。
熱回生器１３は、コンプレッサ１０と空冷式インタークーラ１４との間の空気供給流路１１と、カソードオフガス流路１２におけるエキスパンダタービン１７の下流側との間に架け渡されて設置されており、空気供給流路１１を流通する供給空気とエキスパンダタービン１７から排出されたカソードオフガスとの間で熱の授受をするように構成されている。

このような構成のもと、加湿器１５によって回収しきれなかったカソードオフガス中の水分が、水蒸気分離器４１によってカソードオフガスから分離される。このため、エキスパンダタービン１７で凝縮潜熱が生じてしまうことが防止され、エキスパンダタービン１７を通過したカソードオフガスが断熱膨張により冷却される。以下、より具体的に説明する。

図２は、縦軸をカソードオフガス流路１２を流通するカソードオフガスの凝縮潜熱（ｋＷ）とし、横軸をエキスパンダタービン１７の入口付近の水蒸気流量（ＮＬＭ）としたときの凝縮潜熱の変化を示すグラフである。
同図に示すように、エキスパンダタービン１７の入口付近の水蒸気流量が少ないと、凝縮潜熱が低いことが確認できる。

図３は、縦軸をカソードオフガスの凝縮潜熱が放熱されることによる温度上昇△Ｔ（℃）とし、横軸をエキスパンダタービン１７の入口付近の水蒸気流量（ＮＬＭ）としたときの温度上昇△Ｔの変化を示すグラフである。
同図に示すように、エキスパンダタービン１７の入口付近の水蒸気流量が少ないと、凝縮潜熱が低いので、温度上昇も低いことが確認できる。

このため、エキスパンダタービン１７により断熱膨張されたカソードオフガスの温度が十分低下する。この断熱膨張されたカソードオフガスは、熱回生器１３によって空気供給流路１１を流通する供給空気との間で熱の授受を行う。これにより、コンプレッサ１０により加圧された供給空気が冷却される。さらに、この供給空気が、空冷式インタークーラ１４により冷却され、この後、加湿器１５を介して燃料電池スタック２に導入される。

また、空気供給流路１１から分岐空気流路１１ａによって分流された分流空気が空気動圧軸受９２、及び分流空気排出流路１１ｂを介して水蒸気分離器４１に導入される。すなわち、分流空気は、水蒸気分離器４１によってカソードオフガスから分離された水分を、水蒸気分離器４１から脱離させるパージ処理用として用いられる。

（効果）
したがって、上述の第１実施形態によれば、カソードオフガス流路１２における加湿器１５とエキスパンダタービン１７との間に、水蒸気分離器４１を設けることによってエキスパンダタービン１７から排出されるカソードオフガスの温度を下げることができる。また、水蒸気分離器４１によってカソードオフガスから水分を除去出来る分、エキスパンダタービン１７の凍結を防止することができる。

これに加え、コンプレッサ１０と空冷式インタークーラ１４との間の空気供給流路１１と、カソードオフガス流路１２におけるエキスパンダタービン１７の下流側との間に、熱回生器１３が架け渡されて設置されているので、十分温度が下がったカソードオフガスと供給空気との間で熱の授受が促進される。このため、空気供給流路１１における熱回生器１３の出口の収束温度を従来よりも下げることができる。以下に、より具体的に示す。

図４は、縦軸を収束温度（℃）とし、横軸をコンプレッサ１０の出口、空気供給流路１１における熱回生器１３の出口、空冷式インタークーラ１４、及び加湿器１５の入口とした場合の、各部の収束温度の変化を示し、従来と、本第１実施形態、及び後述の第２実施形態とを比較したグラフである。
同図に示すように、空気供給流路１１における熱回生器１３の出口の収束温度が従来よりも下がることが確認できる。

このように、熱回生器１３の出口の収束温度が従来よりも下がるので、空気供給流路１１における熱回生器１３よりも下流側に設けられている空冷式インタークーラ１４の小型化を図ることができる。また、加湿器１５への給気温度が低下するので、加湿器１５の加湿性能が向上する。以下に、より具体的に示す。

図５は、燃料電池スタック２の入口付近における供給空気の湿度（Ｒｈ％）を、従来と、本第１実施形態、及び後述の第２実施形態とで比較したグラフである。
同図に示すように、加湿器１５の加湿性能が向上することにより、燃料電池スタック２の入口付近における供給空気の湿度が向上することが確認できる。このように、加湿器１５の加湿性能が向上することにより、燃料電池システム１の駆動効率を向上させることができる。また、加湿性能が向上するので、加湿器１５自体を小型化することも可能である。

さらに、上述の第１実施形態によれば、空気動圧軸受９２と水蒸気分離器４１との間に架け渡されるように分流空気排出流路１１ｂが設けられ、空気動圧軸受９２に利用された分流空気を、さらに水蒸気分離器４１から脱離させる処理（パージ処理）を行うために利用するように構成しているので、燃料電池システム１の簡素化を図ることができる。

（第２実施形態）
次に、この発明の第２実施形態を図６に基づいて説明する。
図６は、第２実施形態における燃料電池システム２１の概略構成図である。尚、第１実施形態と同一態様には、同一符号を付して説明する。
この第２実施形態において、燃料電池システム２１は、燃料電池スタック２と、エゼクタ４と、コンプレッサ１０と、熱回生器１３と、加湿器１５と、エキスパンダタービン１７と、駆動モータ１９と、水蒸気分離器４１とを主要構成として備えている点、カソードオフガス流路１２における加湿器１５とエキスパンダタービン１７との間に、水蒸気分離器４１が設けられている点、熱回生器１３は、コンプレッサ１０と空冷式インタークーラ１４との間の空気供給流路１１と、カソードオフガス流路１２におけるエキスパンダタービン１７の下流側との間に架け渡されて設置されている点等の基本的構成は、前述した第１実施形態と同様である。

ここで、第２実施形態と第１実施形態との相違点は、第１実施形態の駆動モータ１９のモータケーシング９１内に設けられている空気動圧軸受９２には、コンプレッサ１０によって空気供給流路１１に供給された空気のうち、分岐空気流路１１ａに分流した分流空気が供給されているのに対し、第２実施形態の空気動圧軸受９２には、エキスパンダタービン１７から排出されてカソードオフガスが分流されて供給されている点にある。

すなわち、カソードオフガス流路１２におけるエキスパンダタービン１７と熱回生器１３との間には、カソードオフガス流路１２から分岐する分岐オフガス流路１２ａの一端が接続されている。一方、この分岐オフガス流路１２ａの他端は、空気動圧軸受９２に接続されている。これにより、エキスパンダタービン１７から排出されたカソードオフガスのうち、分岐オフガス流路１２ａに分流した分流オフガスによって、モータケーシング９１に対し、回転軸１８が回転自在に支持される。

また、空気動圧軸受９２は、分流空気を排出する分流空気排出流路１１ｂの一端が接続されており、分岐オフガス流路１２ａに流通された分流オフガスによって、水蒸気分離器４１で分離された水分を水蒸気分離器４１から脱離させるよう構成されている（パージ処理のための構成）。

したがって、上述の第２実施形態では、前述の第１実施形態と同様の効果を奏することができる。つまり、図４に示すように、空気供給流路１１における熱回生器１３の出口の収束温度を従来よりも下がることができ、空冷式インタークーラ１４の小型化を図ることができる。
また、図５に示すように、燃料電池スタック２の入口付近における供給空気の湿度を向上させることができるので、燃料電池システム２１の駆動効率を向上させることができる。また、加湿性能が向上するので、加湿器１５自体を小型化することも可能である。

さらに、上述の第２実施形態では、エキスパンダタービン１７により断熱膨張され、十分に温度が低下したカソードオフガスを空気動圧軸受９２に供給しているので、コンプレッサ１０、回転軸１８、駆動モータ１９、及びエキスパンダタービン１７で生じる熱の放熱性能を向上させることができる。このため、燃料電池システム１の駆動効率を向上させることができる。

尚、本発明は上述の実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述の実施形態に種々の変更を加えたものを含む。
例えば、上述の実施形態では、水蒸気分離器４１は、水蒸気分離膜や、水蒸気を選択的に透過させるイオン交換樹脂などを備えている場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、カソードオフガス中に含まれる水蒸気を分離できるものであればよい。

１、２１燃料電池システム
２燃料電池スタック（燃料電池）
１０コンプレッサ（空気供給回転機）
１１空気供給流路
１１ａ分岐空気流路（動圧空気流路）
１１ｂ分流空気排出流路（排出空気導入部）
１２カソードオフガス流路（空気排出流路）
１２ａ分岐オフガス流路（動圧空気流路）
１３熱回生器（熱交換器）
１４空冷式インタークーラ（冷却器）
１５加湿器
１７エキスパンダタービン（エキスパンダ）
１８回転軸
４１水蒸気分離器
９２空気動圧軸受（動圧軸受）

Claims

燃料、及び酸化剤により発電する燃料電池と、
前記燃料電池に供給される空気が流通する空気供給流路と、
前記燃料電池から排出された前記空気が流通する空気排出流路と、
前記空気供給流路に接続されて、この空気供給流路に前記空気を供給する空気供給回転機と、
前記空気排出流路に配置されて前記空気供給回転機の回転軸と同軸に連結された回転軸を有するエキスパンダと、
前記空気供給流路の前記空気供給回転機よりも下流側に設けられ、前記空気を冷却する冷却器と、
前記空気供給流路の前記冷却器よりも下流側と前記空気排出流路との間に架け渡されるように設けられ、前記空気供給流路を流通する前記空気と、前記空気排出流路を流通する前記空気との間で水分の移動を行う加湿器と、
前記空気供給流路における前記空気供給回転機と前記冷却器との間と、前記空気排出流路における前記エキスパンダの下流側との間に架け渡されるように設けられ、前記空気供給流路を流通する前記空気と、前記空気排出流路を流通する前記空気との間で熱の移動を行う熱交換器と、
前記空気排出流路における前記加湿器と前記エキスパンダとの間に設けられ、前記加湿器から排出された前記空気の水分を除去し、この除去された前記空気を前記エキスパンダに供給するための水蒸気分離器とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。
前記空気供給回転機は、前記回転軸が動圧軸受にて軸支され、
前記空気供給回転機によって前記空気供給流路に供給された前記空気を分流し、前記動圧軸受に導入する動圧用空気流路が設けられ、
この動圧空気流路が前記水蒸気分離器に設けられた排出空気導入部に接続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。
前記動圧空気流路は、前記空気排出流路における前記エキスパンダの下流側から分岐して前記動圧軸受に接続されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。