JP2021190219A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】エアコンプレッサの冷却性能が向上した燃料電池システムを提供することを課題とする。【解決手段】燃料電池と、前記燃料電池に酸化剤ガスとして酸素を含む空気を圧送するエアコンプレッサを含む酸化剤ガス供給系と、前記燃料電池に燃料ガスである水素ガスを供給する燃料ガス供給系と、前記エアコンプレッサから前記燃料電池に向けて流れる空気の一部と、前記燃料電池から排出された水素オフガスとを、冷媒として、前記エアコンプレッサのモータの回転軸を支持するエアベアリング内に供給する冷媒供給機構と、を備えた燃料電池システム。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

エアベアリングの熱を熱伝導部材を介してインペラに伝達することによって冷却されるエアコンプレッサが知られている（例えば特許文献１参照）。

特開２０１１−０８９４５９号公報

エアコンプレッサが高速で回転する場合には、冷却性能が不十分となる恐れがある。

本発明は、エアコンプレッサの冷却性能が向上した燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的は、燃料電池と、前記燃料電池に酸化剤ガスとして酸素を含む空気を圧送するエアコンプレッサを含む酸化剤ガス供給系と、前記燃料電池に燃料ガスである水素ガスを供給する燃料ガス供給系と、前記エアコンプレッサから前記燃料電池に向けて流れる空気の一部と、前記燃料電池から排出された水素オフガスとを、冷媒として、前記エアコンプレッサのモータの回転軸を支持するエアベアリング内に供給する冷媒供給機構と、を備えた燃料電池システムによって達成できる。

本発明によれば、エアコンプレッサの冷却性能が向上した燃料電池システムを提供できる。

図１は、燃料電池システムの概略構成図である。

［燃料電池システムの概略構成］
図１は、燃料電池システム１の概略構成図である。燃料電池システム１は、例えば燃料電池自動車、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両に搭載されるが、車両以外の各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボット等）や定置型電源にも適用可能である。燃料電池システム１は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）３、ＦＣスタック４、酸化剤ガス供給系１０、燃料ガス供給系２０を含む。

ＦＣスタック４は、酸化剤ガスと燃料ガスの供給を受けて発電する燃料電池スタックである。ＦＣスタック４は、固体高分子電解質型の単セルを複数積層している。単セルは、電解質膜の両面に電極を配置した発電体である膜電極接合体と、膜電極接合体を挟持する一対のセパレータと、を備える。電解質膜は、スルホン酸基を有するフッ素系樹脂材料又は炭化水素系樹脂材料で形成された固体高分子膜であり、湿潤状態において良好なプロトン伝導性を有する。電極は、カーボン担体と、スルホン酸基を有する固体高分子であって湿潤状態で良好なプロトン伝導性を有するアイオノマーと、を含んで構成されている。カーボン担体には、発電反応を促進させるための触媒（例えば白金又は白金−コバルト合金など）が担持されている。各単セルには、反応ガスや冷却水を流すためのマニホールドが設けられている。マニホールドを流れる反応ガスは、各単セルに設けられたガス流路を介して、各単セルの発電領域に供給される。

酸化剤ガス供給系１０は、酸化剤ガスとして酸素を含む空気をＦＣスタック４に供給し、供給管１１、排出管１２、バイパス管１３及び１４、冷媒供給管１５ａ、冷媒排出管１５ｂ、エアコンプレッサ１６、インタークーラ１７、三方弁１８ａ、バイパス弁１８ｃ、背圧弁１８ｂ、及び加湿器１９を含む。供給管１１は、ＦＣスタック４のカソード入口マニホールドに接続されている。排出管１２は、ＦＣスタック４のカソード出口マニホールドに接続されている。バイパス管１３は、供給管１１及び排出管１２を連通している。バイパス管１４は、加湿器１９よりも上流側の供給管１１と下流側の供給管１１とに接続して加湿器１９をバイパスしている。

冷媒供給管１５ａは、詳しくは後述するが、インタークーラ１７よりも下流側の供給管１１と、エアコンプレッサ１６のモータ１６ｃの回転軸１６ｄを支持するエアベアリング１６ｅ内に混合ガスを供給する。冷媒排出管１５ｂは、回転軸１６ｄを支持するエアベアリング１６ｆから排出された混合ガスを、タービン１６ｂよりも下流側の排出管１２に排出する。エアベアリング１６ｅ及び１６ｆは、例えばフォイル式気体軸受である。

エアコンプレッサ１６は、コンプレッサ１６ａ、タービン１６ｂ、及びモータ１６ｃを有している。モータ１６ｃが回転することによりコンプレッサ１６ａ及びタービン１６ｂは回転する。コンプレッサ１６ａ及びタービン１６ｂは、それぞれ供給管１１及び排出管１２上に配置される。コンプレッサ１６ａが回転することにより、圧縮された空気が供給管１１を介してＦＣスタック４に供給される。タービン１６ｂが回転することにより、ＦＣスタック４から排出された空気が排出管１２を介して外部に排出することが促進される。モータ１６ｃの回転速度は、ＥＣＵ３により制御される。また、上述したようにモータ１６ｃの回転軸１６ｄは、コンプレッサ１６ａ側をエアベアリング１６ｅにより支持されており、タービン１６ｂ側はエアベアリング１６ｆにより支持されている。

インタークーラ１７は、コンプレッサ１６ａよりも下流側の供給管１１上に設けられている。インタークーラ１７では、冷却水とコンプレッサ１６ａにより圧縮されて高温となった空気との間で熱交換が行われる。これにより、ＦＣスタック４に供給される空気の量を確保することができる。

三方弁１８ａは、加湿器１９よりも上流側での供給管１１とバイパス管１４との接続部位に設けられている。三方弁１８ａにより、加湿器１９により加湿されてＦＣスタック４へ供給される空気の流量と、加湿器１９をバイパスして加湿されることなくＦＣスタック４へ供給される空気の流量との比を調整することができる。背圧弁１８ｂは、排出管１２上であって、加湿器１９よりも下流側であり、排出管１２とバイパス管１３との接続部分よりも上流側に配置されている。背圧弁１８ｂは、ＦＣスタック４のカソード側の背圧を調整する。バイパス弁１８ｃは、バイパス管１３に設けられている。バイパス弁１８ｃは供給管１１とバイパス管１３との連通状態を切り替える。三方弁１８ａ、背圧弁１８ｂ、及びバイパス弁１８ｃの駆動は、ＥＣＵ３により制御される。背圧弁１８ｂ及びバイパス弁１８ｃの開度や、モータ１６ｃの回転速度を制御することにより、ＦＣスタック４に供給される空気の流量を調整することができる。

加湿器１９は、ＦＣスタック４から排出された酸化剤オフガスである空気中に含まれる水分を利用して、ＦＣスタック４に供給される酸化剤ガスである空気を加湿する。加湿器１９内には、供給管１１と排出管１２とを仕切るように水分透過膜が設けられている。この水分透過膜を介して酸化剤オフガス中の水分が酸化剤ガス側に透過することにより、酸化剤ガスが加湿される。

燃料ガス供給系２０は、燃料ガスとして水素ガスをＦＣスタック４に供給し、不図示のタンク、供給管２１、排出管２２、循環管２３、排水管２４ａ、排気管２４ｂ、気液分離器２５、インジェクタ２６、排水弁２８ａ、排気弁２８ｂ、循環ポンプ２９、及び圧力センサＰｓを含む。供給管２１は、タンクとＦＣスタック４のアノード入口マニホールドに接続されている。タンクには、燃料ガスである水素ガスが貯留されている。排出管２２は、ＦＣスタック４のアノード出口マニホールドと気液分離器２５に接続されている。循環管２３は、気液分離器２５とインジェクタ２６よりも下流側の供給管２１とに接続されている。排水管２４ａは、気液分離器２５とタービン１６ｂよりも下流側の排出管１２に接続されている。排気管２４ｂは、気液分離器２５と冷媒供給管１５ａに接続されている。

気液分離器２５には、排出管２２から排出された水素オフガスから液水を分離して貯留する。インジェクタ２６は、供給管２１上に設けられている。上述したように気液分離器２５には排水管２４ａ及び排気管２４ｂが接続され、排水管２４ａは気液分離器２５内に貯留された液水の排出に用いられ、排気管２４ｂはＦＣスタック４から排出された水素オフガスをエアベアリング１６ｅに供給するために用いられる。ここで、排気管２４ｂ内への液水の混入を防止するために、排気管２４ｂの気液分離器２５に接続された一端には、フィルタ（例えばＰＴＦＥ多孔質フィルタ）が設けられている。また、排気管２４ｂ内への液水の混入を防止するために、気液分離器２５に接続される排気管２４ｂの一端の位置を、気液分離器２５内で貯留された液水の液面よりも高い位置に設定してもよい。排水弁２８ａ及び排気弁２８ｂは、それぞれ排水管２４ａ及び排気管２４ｂ上に設けられている。排水弁２８ａを開くことにより、気液分離器２５に貯留された液水が排水管２４ａ及び排出管１２を介して外部へと排出される。排気弁２８ｂを開くことにより、気液分離器２５から排気管２４ｂを介して水素オフガスが冷媒供給管１５ａに供給され、冷媒供給管１５ａを流れる空気と共にエアベアリング１６ｅに供給される。

インジェクタ２６がタンクに貯留された水素ガスを噴射することにより、ＦＣスタック４に水素ガスが供給される。循環ポンプ２９は、循環管２３上に設けられている。ＦＣスタック４から排出された水素オフガスは、循環ポンプ２９によって適度に加圧され、供給管２１を介してＦＣスタック４へ供給される。インジェクタ２６、排水弁２８ａ、排気弁２８ｂ、及び循環ポンプ２９の駆動は、ＥＣＵ３により制御される。圧力センサＰｓは、供給管２１に設けられており、ＦＣスタック４の入口圧力を検出する。圧力センサＰｓはＥＣＵ３に電気的に接続されている。

ＥＣＵ３は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）を含む。ＥＣＵ３は、ＦＣスタック４への要求出力に応じて、エアコンプレッサ１６、バイパス弁１８ｃ、背圧弁１８ｂ、インジェクタ２６、循環ポンプ２９等を制御して、ＦＣスタック４に供給される酸化剤ガス及び燃料ガスの流量を制御する。

尚、燃料電池システム１は、ＦＣスタック４の発電電力をコンバータやインバータを用いて制御する電力制御系や、ＦＣスタック４をラジエータとの間で循環させる冷却水により冷却する冷却系が設けられている。

［エアコンプレッサの冷却構造］
上述したようにエアベアリング１６ｅ内、即ちエアベアリング１６ｅと回転軸１６ｄの間には、コンプレッサ１６ａにより圧縮されインタークーラ１７により冷却された空気の一部が冷媒供給管１５ａから供給されると共に、ＦＣスタック４から排出された水素オフガスが排気管２４ｂ及び冷媒供給管１５ａから供給される。即ち、空気と水素オフガスとの混合ガスが冷媒としてエアベアリング１６ｅ内に供給される。エアベアリング１６ｅ内に供給された混合ガスは、コンプレッサ１６ａ側から、回転軸１６ｄと不図示のステータとの間に形成された冷媒通路内をタービン１６ｂ側に流れて、エアベアリング１６ｆ内から冷媒排出管１５ｂに排出され、排出管１２から外部へと排出される。ここで、排気管２４ｂを介して供給される水素オフガスは排気弁２８ｂが開いている間のみ供給される。このため、冷媒供給管１５ａ、排気管２４ｂ、及び排気弁２８ｂは、空気と水素オフガスとの混合ガスを冷媒としてエアベアリング１６ｅ及び１６ｆ内に供給するための冷媒供給機構に相当する。

このようにエアベアリング１６ｅ及び１６ｆに供給される冷媒は、空気と水素オフガスとの混合ガスである。水素は、空気中に含まれる窒素や酸素よりも熱伝導率が大きい。また、一般的にコンプレッサ１６ａにより圧縮されてインタークーラ１７で冷却された後の空気の温度よりも、水素オフガスの温度の方が低い。従って、空気のみをエアベアリング１６ｅ及び１６ｆ内に供給するよりも、モータ１６ｃの回転軸を十分に冷却することができ、エアコンプレッサ１６の冷却性能が向上する。また、空気のみならず水素オフガスをもエアベアリング１６ｅ及び１６ｆ内に供給することにより、ＦＣスタック４に供給されずにエアベアリング１６ｅ及び１６ｆ内に供給される空気の流量を、削減することができる。これにより、ＦＣスタック４に供給される空気の流量を確保することができ、その分だけモータ１６ｃの仕事量を削減できるため、モータ１６ｃの電力消費量を抑制できる。

尚、排気弁２８ｂが全閉している状態では、エアベアリング内に水素オフガスが供給されることはないが、例えばモータ１６ｃの回転速度が所定速度以上となった高速状態が検出された場合に、排気弁２８ｂを開いて空気と水素オフガスとの混合ガスをエアベアリング１６ｅ及び１６ｆ内に供給するようにしてもよい。また、圧力センサＰｓにより検出される圧力が所定値以上の高圧となった場合に、排気弁２８ｂを開いて、ＦＣスタック４に供給される水素ガスの圧力を適切な値に保ちつつ、混合ガスをエアベアリング１６ｅ及び１６ｆ内に供給するようにしてもよい。また、エアベアリング１６ｅ及び１６ｆの一方のみに空気と水素オフガスとの混合ガスを供給し、他方に空気のみを供給してもよい。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１ 燃料電池システム
３ ＥＣＵ
４ ＦＣスタック（燃料電池）
１０ 酸化剤ガス供給系
１１、２１ 供給管
１２、２２ 排出管
１３、１４ バイパス管
１５ａ 冷媒供給管（冷媒供給機構）
１５ｂ 冷媒排出管（冷媒供給機構）
１６ エアコンプレッサ
１６ａ コンプレッサ
１６ｂ タービン
１６ｃ モータ
１６ｄ 回転軸
１６ｅ、１６ｆ エアベアリング
１７ インタークーラ
１８ａ 三方弁
１８ｂ 背圧弁
１８ｃ バイパス弁
２０ 燃料ガス供給系
２３ 循環管
２４ａ 排水管
２４ｂ 排気管
２５ 気液分離器
２６ インジェクタ
２８ａ 排水弁
２８ｂ 排気弁
２９ 循環ポンプ
Ｐｓ 圧力センサ

Claims (1)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池に酸化剤ガスとして酸素を含む空気を圧送するエアコンプレッサを含む酸化剤ガス供給系と、
   前記燃料電池に燃料ガスである水素ガスを供給する燃料ガス供給系と、
   前記エアコンプレッサから前記燃料電池に向けて流れる空気の一部と、前記燃料電池から排出された水素オフガスとを、冷媒として、前記エアコンプレッサのモータの回転軸を支持するエアベアリング内に供給する冷媒供給機構と、
   を備えた燃料電池システム。
   

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