JP2018092795A - 燃料電池用エアコンプレッサ - Google Patents

Abstract

【課題】エキスパンダの信頼性を向上させることができる燃料電池用エアコンプレッサを提供する。【解決手段】燃料電池用エアコンプレッサ３０は、燃料電池ＦＣに酸化ガスを圧送するコンプレッサ３２と、カソードオフガスのエネルギーを回収するエキスパンダ３６とを備え、エキスパンダ３６は、回収したエネルギーを動力に変換し、該変換した動力を伝達するシャフト３８を介してコンプレッサ３２に連結されるタービン３６２と、タービン３６２を収容する二重構造のハウジング３６４、３６６とを有し、内側ハウジング３６４には、燃料電池から排出された水を排出する連通孔３６５が設けられ、外側ハウジング３６６には、連通孔３６５を通過した水を外部に排出する排水用ドレイン３６８が設けられている。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池用エアコンプレッサに関する。

従来から、燃料電池システムにおいて、燃料電池から排出されるオフガスにより駆動されるエキスパンダを、燃料電池に空気（酸化ガス）を送出するエアコンプレッサと同軸に設け、オフガスのエネルギーを回収するようにした構成が提案されている（例えば、下記特許文献１参照）。

下記特許文献１に記載された燃料電池システムでは、エアコンプレッサとエキスパンダとは、回転駆動力を伝達する伝達軸で互いに連結されており、エキスパンダ（エキスパンダ内のタービン）の回生エネルギーをエアコンプレッサの動力として回収することができる。つまり、エアコンプレッサは、モーターにより駆動すると共に、タービンの回生エネルギーを利用して駆動可能に構成されている。このような燃料電池システムによれば、オフガスのエネルギーを回収することによって、燃料電池システムの運転効率を高めることができる、とされている。

特開２００９−３０１８４５号公報

ところで、上記エキスパンダを具備した燃料電池システムでは、燃料電池のカソードから排出された水分がエキスパンダ内を通過する。このように水が通過して、水分が（エアコンプレッサとエキスパンダとを連結する）伝達軸を伝わり、エアコンプレッサの動力源となるモーターの室内に入った場合、絶縁性が低下することがあり、エキスパンダの信頼性が落ちるおそれがあった。

そこで、本発明は、エキスパンダの信頼性を向上させることができる燃料電池用エアコンプレッサを提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池用のエアコンプレッサは、燃料電池に酸化ガスを圧送するコンプレッサと、燃料電池から排出されるカソードオフガスのエネルギーを回収するエキスパンダと、を備え、エキスパンダは、回収したエネルギーを動力に変換し、該変換した動力を伝達する伝達軸を介してコンプレッサに連結されるタービンホイールと、タービンホイールを収容するハウジングと、を有し、ハウジングは、断面視略環状の二層構造となっており、二層のうち内側に位置する内側ハウジングには、燃料電池から排出された水を通す連通孔が設けられ、二層のうち外側に位置する外側ハウジングには、連通孔を通過した水を外部に排出する排水用ドレインが設けられている。

本発明によれば、カソードオフガスが断面視略環状の二層構造のハウジング内に流入すると、当該カソードオフガスに含まれる水分に遠心力が加わり、遠心分離された水分が内側ハウジングに形成された連通孔を通り外側に排出される。連通孔を通った水分は、外側ハウジングに設けた排水用ドレインによって外部に排出される。このように水分を排出することにより、水分が例えば伝達軸を伝わり、エアコンプレッサの動力源となるモーター室内に入ることが抑制され、その結果、エキスパンダの信頼性を向上させることができる。

本発明によれば、エキスパンダの信頼性を向上させることができる燃料電池用エアコンプレッサを提供することができる。

本実施形態における燃料電池用エアコンプレッサを備える燃料電池システムの構成を説明するための図である。 図１に示す燃料電池用エアコンプレッサを示す概略構成図である。 図２に示すＡ−Ａ断面図である。

以下添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

図１は、燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。燃料電池システムＦＳは、燃料電池ＦＣと、燃料ガス供給系ＦＳＳと、酸化ガス供給系ＡＳＳとを備える。燃料ガス供給系ＦＳＳは、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池ＦＣに供給するための系である。酸化ガス供給系ＡＳＳは、酸化ガスとしての空気を燃料電池ＦＣに供給するための系である。燃料電池ＦＣは、アノード電極に燃料ガスとしての水素、カソード電極に酸化ガスとしての空気又は酸素が供給されることにより、電気化学反応にて電力を発電する。なお、図１は、燃料電池システムにおける燃料ガス供給系及び酸化ガス供給系を簡略化した図を示しており、例えば水素タンクや水素ポンプ等の燃料電池システムに通常設けられる構成の図示を省略している。

図１に示すように、燃料ガス供給系ＦＳＳは、燃料ガス供給流路４１と、燃料オフガス排出流路４２とを有する。燃料ガス供給流路４１は、燃料電池ＦＣに燃料ガスを供給するための流路であり、燃料オフガス排出流路４２は、燃料電池ＦＣから排出されるオフガス（燃料オフガス）を排出するための流路である。

燃料ガス供給流路４１には、図示は省略するが、水素供給装置からの燃料ガスの供給及び停止を制御する遮断弁や、燃料ガスの圧力調整を行うレギュレータ等が配設される。燃料ガス供給流路４１を介して燃料電池ＦＣに供給された燃料ガスは、燃料電池ＦＣの内部で起電反応に供された後、燃料オフガスとして燃料電池ＦＣから排出される。こうして燃料電池ＦＣから排出された燃料オフガスは、必要に応じて、一時貯留部５０に溜められる。燃料オフガスの一部は、排気排水弁Ｖｅの作動によって、燃料オフガス排出流路４２を介して酸化オフガスと共に外部に排出される。

酸化ガス供給系ＡＳＳは、酸化ガス供給流路２１と、酸化オフガス排出流路２２と、バイパス流路２３とを有する。酸化ガス供給流路２１は、燃料電池ＦＣに酸化ガスを供給するための流路であり、その途中には燃料電池ＦＣに酸化ガスを圧送するコンプレッサ３２等が配設される。酸化オフガス排出流路２２は、燃料電池ＦＣから排出される酸化オフガス（カソードオフガス）を排出するための流路であり、その途中にはカソードオフガスのエネルギーを回収するエキスパンダ３６等が配設される。

酸化ガス供給流路２１に配設されるコンプレッサ３２は、モーター３４、及びエキスパンダ３６内のタービン３６２（図３）とシャフト３８（伝達軸）を介して連結されており、モーター３４やタービン３６２の回転力によって駆動する。つまり、図１及び図２に示すエアコンプレッサ３０（燃料電池用エアコンプレッサ）は、モーター３４で駆動するコンプレッサ３２と、酸化オフガスによって駆動するエキスパンダ３６とを互いに連結した構成を有し、エキスパンダ３６で回収された酸化オフガスのエネルギーをコンプレッサ３２側に伝達するように構成されている。コンプレッサ３２を駆動するモーター３４は、図示しない制御部によりその駆動が制御される。エキスパンダ３６内の構造の詳細は、図３を参照しながら後述する。

酸化ガス供給流路２１には、上述したコンプレッサ３２の他に、インタークーラー９０、調整弁Ｖａ、各種センサ（温度センサ９１、圧力センサ９２等）が設けられている。

インタークーラー９０はコンプレッサ３２の下流側に配設されており、このインタークーラー９０によって、圧縮されて温度が上昇した空気が冷却される。酸化ガス供給流路２１内を流れる空気の温度や圧力は、それぞれ温度センサ９１や圧力センサ９２で検出される。これら検出信号に基づき制御部（図示略）は、各種機器（例えばモーター３４の駆動や調整弁Ｖａ、Ｖｂ，Ｖｃの開度等）を制御して流路を流れる空気の温度や圧力を制御する。

調整弁Ｖａは、燃料電池ＦＣの上流側に配設され、燃料電池ＦＣに供給される酸化ガスの供給量を調整する電磁バルブである。調整弁Ｖａの開閉は、制御部（図示略）により制御され、調整弁Ｖａを開くと、コンプレッサ３２を介して圧縮された圧縮空気（酸化ガス）が、燃料電池ＦＣのカソード電極に供給される。

バイパス流路２３は、酸化ガス供給流路２１からの酸化ガスを、燃料電池ＦＣをバイパスして酸化オフガス排出流路２２に流すための流路である。バイパス流路２３には、制御部（図示略）によりその開閉が制御される調整弁Ｖｃが配設され、この調整弁Ｖｃの開度調整によりバイパス流路２３内を流れる酸化ガスの流量が調整される。調整弁Ｖｃを開き、調整弁Ｖａ、Ｖｂを閉じると、酸化ガス供給流路２１内を流れる酸化ガスは、燃料電池ＦＣを通ることなく酸化オフガス排出流路２２に流れ、希釈器６０、マフラー７０を通して排出される。

酸化オフガス排出流路２２は、燃料電池ＦＣからの酸化オフガスを排出するための流路であり、その途中には調整弁Ｖｂやエキスパンダ３６等が配設されている。

調整弁Ｖｂは、燃料電池ＦＣの下流側に配設され、燃料電池ＦＣから排出される酸化オフガスの流量を調整する電磁バルブである。調整弁Ｖｂの開閉は、制御部（図示略）により制御され、調整弁Ｖｂを開くと、燃料電池ＦＣからの酸化オフガスが酸化オフガス排出流路２２内を流れ、希釈器６０、マフラー７０を通して排出される。

なお、上述した各種センサ（温度センサ９１、圧力センサ９２等）の検出信号等の情報を制御部（図示略）が受けて、システム内の各種機器（モーター３４の駆動や調整弁Ｖａ〜Ｖｅの開度）を制御する。なお、制御部は、コンピュータシステムによって構成され、かかるコンピュータシステムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイ等を備えるものであり、ＲＯＭに記録された各種制御プログラムをＣＰＵが読み込んで実行することにより、各種制御動作が実現されるようになっている。

エキスパンダ３６の構成について図３を参照しながら説明する。図３は、図２に示すＡ−Ａ断面図である。図１及び図２を参照しながら説明したように、エキスパンダ３６は、燃料電池ＦＣの下流側の酸化オフガス排出流路２２に配設され、その内部に燃料電池ＦＣのカソード側から排気される酸化オフガスが流入する。

図３に示すように、エキスパンダ３６は、酸化オフガスによって駆動するタービン３６２（タービンホイール）を内包する二重構造のハウジング（外側ハウジング３６６、内側ハウジング３６４）を有する。このタービン３６２は、エキスパンダ３６内に導入された酸化オフガスのエネルギーを機械エネルギーに変換する機能を有し、タービン３６２の動力をコンプレッサ３２に伝達するシャフト３８（動力伝達機構）が接合されている。シャフト３８としては、タービン３６２の駆動軸と、コンプレッサ３２の被駆動軸を同軸に構成して動力伝達効率を高めるものが望ましい。

タービン３６２を内包する二重構造のハウジング（外側ハウジング３６６、内側ハウジング３６４）は、それぞれ断面視略環状に形成されている。二重構造のハウジングのうち内側には内側ハウジング３６４が位置し、この内側ハウジング３６４の外側には外側ハウジング３６６が位置している。タービン３６２は、内側ハウジング３６４に内包されているが、内側ハウジング３６４内のうちタービン３６２が設けられる位置は、酸化オフガスが内側ハウジング３６４内に流入したときに、酸化オフガスに含まれる水分がタービン３６２に衝突することが抑制される位置であることが好ましい。例えば、内側ハウジング３６４内におけるタービン３６２の設ける位置を、内側ハウジング３６４内のうちガス導入側から遠い側の領域とすることが好ましい。内側ハウジング３６４内のうちガス導入側から遠い側の領域とは、内側ハウジング３６４のうちガス導入側の端部３６４ａ（図３）を通りガス流入方向（図３の白抜矢印が示す方向）に延長した線Ｐよりも、タービン３６２外縁のうちガス導入側外縁の位置Ｒが、図３における右側に位置していることを示す。

また内側ハウジング３６４には、図３に示すように、内部に導入された酸化オフガスに含有される水分を、内側ハウジング３６４外に排出させることが可能な連通孔３６５が複数形成されている。連通孔３６５は、内側ハウジング３６４を構成する隔壁の内周面から外周面まで貫通して形成されている。連通孔３６５が形成される位置、個数や形状等は、酸化オフガスに含有される水分を内側ハウジング３６４外に通すことが可能な孔であればその形状等は任意であるが、水分を円滑に外部に排出させる観点から、内側ハウジング３６４の広範囲に亘って所定間隔を設けて複数形成されていることが好ましい。好適には、酸化オフガスを重力方向上側（図３では上側）から内側ハウジング３６４内に導入するようにエキスパンダ３６を配置した場合に、内側ハウジング３６４の内周面に沿って流れる酸化オフガスに含まれる水分が、内側から外側に向かって円滑に排出されるように、内側ハウジング３６４のうち重力方向下側（図３では下側）に連通孔３６５が形成されていることが好ましい。

このような内側ハウジング３６４を有するエキスパンダ３６内に酸化オフガスが流入すると、内側ハウジング３６４内に流入した酸化オフガスは、断面視略環状の内側ハウジング３６４の内周面に沿うように流れる（図３の矢印Ｇ１）。これにより酸化オフガスに含まれる水分には遠心力が働き、その水分の一部が内側ハウジング３６４に形成された連通孔３６５を通して外側ハウジング３６６側に流入する（図３の矢印Ｇ２）。連通孔３６５を通して内側ハウジング３６４外に流れた酸化オフガス（水分を含む）は、外側ハウジング３６６に形成された排水用ドレイン３６８を介してエキスパンダ３６外に排出され、希釈器６０、マフラー７０を通して外部に排出される。

なお、外側ハウジング３６６に形成された排水用ドレイン３６８の位置、個数や形状等は、エキスパンダ３６外に水を排出することが可能であれば任意である。しかしながら、連通孔３６５を介して外側に排出された水分を円滑にエキスパンダ３６外に排出する観点から、排水用ドレイン３６８は、外側ハウジング３６６のうち重力方向下側（図３では下方側）の位置に設けられていることが好ましい。なお、排水用ドレイン３６８から外部に排出されるガス（水分を含む）の量を調整可能な調整弁Ｖｄ（排出用バルブ）がエキスパンダ３６下流側に配設されており、図示しない制御部によってこの調整弁Ｖｄの開閉が制御されて排出ガス（水分を含む）の量が調整される。

以上説明した実施形態において、タービン３６２を収容する二重構造ハウジングのうち内層と外層を隔てる隔壁（すなわち内側ハウジング３６４）は、外側ハウジング３６６と別部品で構成し、内側ハウジング３６４と外側ハウジング３６６とを接合してエキスパンダ３６を構成しても良い。

また以上説明した実施形態において、エキスパンダ３６内において遠心分離された酸化オフガスに含まれる水の排出先が、加湿器の水タンクとしても良い。

以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。実施形態が備える各要素並びにその配置、材料、条件、形状及びサイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、異なる実施形態で示した構成同士を部分的に置換し又は組み合わせることが可能である。

２１…酸化ガス供給流路
２２…酸化オフガス排出流路
２３…バイパス流路
３０…エアコンプレッサ（燃料電池用エアコンプレッサ）
３０…燃料電池用エアコンプレッサ
３２…コンプレッサ
３４…モーター
３６…エキスパンダ
３８…シャフト（伝達軸）
４１…燃料ガス供給流路
４２…燃料オフガス排出流路
７０…マフラー
９０…インタークーラー
９１…温度センサ
９２…圧力センサ
３６２…タービン（タービンホイール）
３６４…内側ハウジング
３６５…連通孔
３６６…外側ハウジング
３６８…排水用ドレイン
ＡＳＳ…酸化ガス供給系
ＦＣ…燃料電池
ＦＳＳ…燃料ガス供給系

Claims (1)

1. 燃料電池に酸化ガスを圧送するコンプレッサと、
   前記燃料電池から排出されるカソードオフガスのエネルギーを回収するエキスパンダと、を備え、
   前記エキスパンダは、前記回収したエネルギーを動力に変換し、該変換した動力を伝達する伝達軸を介して前記コンプレッサに連結されるタービンホイールと、
   前記タービンホイールを収容するハウジングと、を有し、
   前記ハウジングは、断面視略環状の二層構造となっており、
   前記二層のうち内側に位置する内側ハウジングには、前記燃料電池から排出された水を通す連通孔が設けられ、
   前記二層のうち外側に位置する外側ハウジングには、前記連通孔を通過した水を外部に排出する排水用ドレインが設けられている、
   燃料電池用のエアコンプレッサ。