JP3440825B2 - 燃料電池システム - Google Patents
燃料電池システムInfo
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- JP3440825B2 JP3440825B2 JP15382998A JP15382998A JP3440825B2 JP 3440825 B2 JP3440825 B2 JP 3440825B2 JP 15382998 A JP15382998 A JP 15382998A JP 15382998 A JP15382998 A JP 15382998A JP 3440825 B2 JP3440825 B2 JP 3440825B2
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
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- Fuel Cell (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、車両などに適用さ
れる燃料電池システムに関し、特に圧縮機の駆動力を適
正化してシステム効率を高めることができる燃料電池シ
ステムに関する。
れる燃料電池システムに関し、特に圧縮機の駆動力を適
正化してシステム効率を高めることができる燃料電池シ
ステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】この種の燃料電池システムは、燃料が有
するエネルギを直接電気エネルギに変換する装置であ
り、電解質を挟んで設けられた一対の電極のうちのアノ
ード（燃料極、正極）に水素を含有する燃料ガスを供給
するとともに、他方のカソード（酸化剤極、負極）に酸
素を含有する燃料ガスを供給し、これら一対の電極の電
解質側の表面で生じる下記の電気化学反応を利用して電
極から電気エネルギを取り出すものである。
するエネルギを直接電気エネルギに変換する装置であ
り、電解質を挟んで設けられた一対の電極のうちのアノ
ード（燃料極、正極）に水素を含有する燃料ガスを供給
するとともに、他方のカソード（酸化剤極、負極）に酸
素を含有する燃料ガスを供給し、これら一対の電極の電
解質側の表面で生じる下記の電気化学反応を利用して電
極から電気エネルギを取り出すものである。
【０００３】
【化１】アノード
反応：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- カソード
反応：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2
Ｏ 一対の電極に供給される燃料ガスを生成する装置として
は、水素を含有する燃料ガスを生成する装置として、メ
タノールを水蒸気改質して、水素を多量に含む燃料ガス
とする改質器、酸素を含有する燃料ガスを生成する装置
として、空気を取り入れて圧縮空気とする圧縮機が知ら
れている。そして、たとえば図３に示すように、圧縮機
３からの圧縮空気をインタークーラ４で冷却したのち燃
料電池１のカソードへ供給する一方で、改質器２からの
水素含有ガスを燃料電池１のアノードに供給する。
Ｏ 一対の電極に供給される燃料ガスを生成する装置として
は、水素を含有する燃料ガスを生成する装置として、メ
タノールを水蒸気改質して、水素を多量に含む燃料ガス
とする改質器、酸素を含有する燃料ガスを生成する装置
として、空気を取り入れて圧縮空気とする圧縮機が知ら
れている。そして、たとえば図３に示すように、圧縮機
３からの圧縮空気をインタークーラ４で冷却したのち燃
料電池１のカソードへ供給する一方で、改質器２からの
水素含有ガスを燃料電池１のアノードに供給する。
【０００４】こうしたシステムにおいて、燃料電池１を
通過する圧縮空気の半分（常態時）乃至大半（システム
起動時）は、改質器２に設けられた燃焼器に供給するた
めのものであり、燃料電池１における発電（上記電気化
学反応）には何ら寄与しない。しかしながら、燃料電池
１内の空気通路は狭小で迷路のように構成されており、
不必要な空気を供給することで圧力損失が増加し、その
ぶん圧縮機３の駆動力を増加させる必要が生じる。これ
はシステム効率の低下につながる。
通過する圧縮空気の半分（常態時）乃至大半（システム
起動時）は、改質器２に設けられた燃焼器に供給するた
めのものであり、燃料電池１における発電（上記電気化
学反応）には何ら寄与しない。しかしながら、燃料電池
１内の空気通路は狭小で迷路のように構成されており、
不必要な空気を供給することで圧力損失が増加し、その
ぶん圧縮機３の駆動力を増加させる必要が生じる。これ
はシステム効率の低下につながる。
【０００５】このような問題を解消するために、たとえ
ば図４に示すように、燃料電池１の手前に流量分配器５
を設け、燃料電池１では不要な圧縮空気をバイパス通路
６に分配して改質器２に供給することも考えられる。
ば図４に示すように、燃料電池１の手前に流量分配器５
を設け、燃料電池１では不要な圧縮空気をバイパス通路
６に分配して改質器２に供給することも考えられる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、こうし
たシステムであっても、圧縮機３は一つであるため、燃
料電池１と改質器２とに供給される圧縮空気の空気圧は
同一にならざるを得ない。ここで、燃料電池１への供給
空気圧は２ｋｇ／ｃｍ2 程度が好ましいとされる一方
で、改質器２の燃焼器が必要とする空気圧は０．３ｋｇ
／ｃｍ2 程度であるが、改質器２の燃焼器が必要とする
空気量は燃料電池１が必要とする空気量と同レベルであ
る。したがって、こうした１．７ｋｇ／ｃｍ2 程度の差
圧が、やはり圧縮機３の駆動力の増加を引き起こし、無
視できないシステム効率の低下につながることになる。
たシステムであっても、圧縮機３は一つであるため、燃
料電池１と改質器２とに供給される圧縮空気の空気圧は
同一にならざるを得ない。ここで、燃料電池１への供給
空気圧は２ｋｇ／ｃｍ2 程度が好ましいとされる一方
で、改質器２の燃焼器が必要とする空気圧は０．３ｋｇ
／ｃｍ2 程度であるが、改質器２の燃焼器が必要とする
空気量は燃料電池１が必要とする空気量と同レベルであ
る。したがって、こうした１．７ｋｇ／ｃｍ2 程度の差
圧が、やはり圧縮機３の駆動力の増加を引き起こし、無
視できないシステム効率の低下につながることになる。
【０００７】本発明は、このような従来技術の問題点に
鑑みてなされたものであり、圧縮機の駆動力を適正化す
ることでシステム効率を高めることができる燃料電池シ
ステムを提供することを目的とする。
鑑みてなされたものであり、圧縮機の駆動力を適正化す
ることでシステム効率を高めることができる燃料電池シ
ステムを提供することを目的とする。
【０００８】
【０００９】
【００１０】
【００１１】
【００１２】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１記載の燃料電池システムは、燃料電池と、
燃焼器を有し前記燃料電池に燃料ガスを供給する改質器
と、少なくとも前記燃料電池に空気を供給する第１の圧
縮機と、前記改質器の燃焼器へ直接空気を供給する第２
の圧縮機とを備えた燃料電池システムにおいて、 前記燃
料電池を経由した空気を膨張させて温度降下させ、この
低温空気を、前記第１および／または第２の圧縮機の発
熱部を介して前記改質器の燃焼器へ供給する空気供給系
をさらに備えたことを特徴とする。
に、請求項１記載の燃料電池システムは、燃料電池と、
燃焼器を有し前記燃料電池に燃料ガスを供給する改質器
と、少なくとも前記燃料電池に空気を供給する第１の圧
縮機と、前記改質器の燃焼器へ直接空気を供給する第２
の圧縮機とを備えた燃料電池システムにおいて、 前記燃
料電池を経由した空気を膨張させて温度降下させ、この
低温空気を、前記第１および／または第２の圧縮機の発
熱部を介して前記改質器の燃焼器へ供給する空気供給系
をさらに備えたことを特徴とする。
【００１３】この請求項１記載の燃料電池システムで
は、燃料電池から排出された圧縮空気を断熱膨張により
低温化し、これを用いて第１および／または第２の圧縮
機の発熱部を冷却するので、この冷却された第１および
／または第２の圧縮機の駆動力が低減され、これにより
システム効率が向上することになる。
は、燃料電池から排出された圧縮空気を断熱膨張により
低温化し、これを用いて第１および／または第２の圧縮
機の発熱部を冷却するので、この冷却された第１および
／または第２の圧縮機の駆動力が低減され、これにより
システム効率が向上することになる。
【００１４】請求項２記載の燃料電池システムは、燃料
電池と、燃焼器を有し前記燃料電池に燃料ガスを供給す
る改質器と、少なくとも前記燃料電池に空気を供給する
第１の圧縮機と、前記改質器の燃焼器へ直接空気を供給
する第２の圧縮機とを備えた燃料電池システムにおい
て、前記第１の圧縮機の吐出空気を冷却するインターク
ーラと、前記燃料電池を経由した空気を膨張させて温度
降下させ、この低温空気を、前記インタークーラを介し
て前記改質器の燃焼器へ供給する空気供給系とをさらに
備えたことを特徴とする。
電池と、燃焼器を有し前記燃料電池に燃料ガスを供給す
る改質器と、少なくとも前記燃料電池に空気を供給する
第１の圧縮機と、前記改質器の燃焼器へ直接空気を供給
する第２の圧縮機とを備えた燃料電池システムにおい
て、前記第１の圧縮機の吐出空気を冷却するインターク
ーラと、前記燃料電池を経由した空気を膨張させて温度
降下させ、この低温空気を、前記インタークーラを介し
て前記改質器の燃焼器へ供給する空気供給系とをさらに
備えたことを特徴とする。
【００１５】この請求項２記載の燃料電池システムで
は、燃料電池から排出された圧縮空気を断熱膨張により
低温化し、これをインタークーラの冷却用媒体に用いる
ので、水冷式インタークーラに比べると冷却水用ポンプ
の駆動力が低減され、また空冷式インタークーラに比べ
るとレイアウトの設計自由度が高まることになる。さら
に、水冷式インタークーラと同程度の小型化を図ること
もできる。
は、燃料電池から排出された圧縮空気を断熱膨張により
低温化し、これをインタークーラの冷却用媒体に用いる
ので、水冷式インタークーラに比べると冷却水用ポンプ
の駆動力が低減され、また空冷式インタークーラに比べ
るとレイアウトの設計自由度が高まることになる。さら
に、水冷式インタークーラと同程度の小型化を図ること
もできる。
【００１６】請求項３記載の燃料電池システムは、前記
改質器の燃焼器には、前記第１および第２の圧縮機から
異なる空気供給口を介して空気が供給されることを特徴
とする。
改質器の燃焼器には、前記第１および第２の圧縮機から
異なる空気供給口を介して空気が供給されることを特徴
とする。
【００１７】この請求項３記載の燃料電池システムで
は、異なる空気供給口を介して第１および第２の圧縮機
からの空気が供給されるので、第１の圧縮機からの空気
圧が高くても第２の圧縮機の背圧の上昇を防止すること
ができ、これにより低圧のままで必要な空気量を供給す
ることができる。
は、異なる空気供給口を介して第１および第２の圧縮機
からの空気が供給されるので、第１の圧縮機からの空気
圧が高くても第２の圧縮機の背圧の上昇を防止すること
ができ、これにより低圧のままで必要な空気量を供給す
ることができる。
【００１８】請求項４記載の燃料電池システムは、前記
空気供給系には、前記圧縮機または前記インタークーラ
を迂回するバイパス通路が設けられていることを特徴と
する。
空気供給系には、前記圧縮機または前記インタークーラ
を迂回するバイパス通路が設けられていることを特徴と
する。
【００１９】この請求項４記載の燃料電池システムで
は、空気供給系に記圧縮機またはインタークーラを迂回
するバイパス通路が設けられているので、燃料電池から
の排出空気の温度が低すぎる場合であっても、これを迂
回させることで燃料電池に供給される圧縮空気の温度を
適切な温度範囲に維持することができる。
は、空気供給系に記圧縮機またはインタークーラを迂回
するバイパス通路が設けられているので、燃料電池から
の排出空気の温度が低すぎる場合であっても、これを迂
回させることで燃料電池に供給される圧縮空気の温度を
適切な温度範囲に維持することができる。
【００２０】
【００２１】
【００２２】
【発明の効果】 請求項１
記載の燃料電池システムによれ
ば、燃料電池から排出された圧縮空気を低温化し、これ
を用いて第１および／または第２の圧縮機の発熱部を冷
却するので、この冷却された第１および／または第２の
圧縮機の駆動力が低減され、これによりシステム効率が
向上することになる。
ば、燃料電池から排出された圧縮空気を低温化し、これ
を用いて第１および／または第２の圧縮機の発熱部を冷
却するので、この冷却された第１および／または第２の
圧縮機の駆動力が低減され、これによりシステム効率が
向上することになる。
【００２３】請求項２記載の燃料電池システムによれ
ば、水冷式インタークーラに比べると冷却水用ポンプの
駆動力が低減され、また空冷式インタークーラに比べる
とレイアウトの設計自由度が高まることになる。さら
に、水冷式インタークーラと同程度の小型化を図ること
もできる。
ば、水冷式インタークーラに比べると冷却水用ポンプの
駆動力が低減され、また空冷式インタークーラに比べる
とレイアウトの設計自由度が高まることになる。さら
に、水冷式インタークーラと同程度の小型化を図ること
もできる。
【００２４】請求項３記載の燃料電池システムによれ
ば、第１の圧縮機からの空気圧が高くても第２の圧縮機
の背圧の上昇を防止することができるので、第２の圧縮
機は低圧のままで必要な空気量を供給することができ
る。
ば、第１の圧縮機からの空気圧が高くても第２の圧縮機
の背圧の上昇を防止することができるので、第２の圧縮
機は低圧のままで必要な空気量を供給することができ
る。
【００２５】請求項４記載の燃料電池システムによれ
ば、燃料電池からの排出空気の温度が低すぎる場合であ
っても、これを迂回させることで燃料電池に供給される
圧縮空気の温度を適切な温度範囲に維持することができ
る。
ば、燃料電池からの排出空気の温度が低すぎる場合であ
っても、これを迂回させることで燃料電池に供給される
圧縮空気の温度を適切な温度範囲に維持することができ
る。
【００２６】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。 第１実施形態 図１は本発明の燃料電池システムの第１実施形態を示す
ブロック図であり、本実施形態の燃料電池システムは、
電解質を挟んで対電極が設けられた燃料電池１を有し、
この燃料電池１のカソード側に圧縮機３（第１の圧縮
機）からの圧縮空気が供給され、アノード側に改質器２
からの水素含有ガスが供給される。
基づいて説明する。 第１実施形態 図１は本発明の燃料電池システムの第１実施形態を示す
ブロック図であり、本実施形態の燃料電池システムは、
電解質を挟んで対電極が設けられた燃料電池１を有し、
この燃料電池１のカソード側に圧縮機３（第１の圧縮
機）からの圧縮空気が供給され、アノード側に改質器２
からの水素含有ガスが供給される。
【００２７】圧縮機３は、外気等を取り入れてこれを２
ｋｇ／ｃｍ2 程度まで圧縮して燃料電池１に供給する
が、その型式は特に限定されず、ピストン式圧縮機、ス
クロール式圧縮機あるいはターボ式圧縮機等々を用いる
ことができる。
ｋｇ／ｃｍ2 程度まで圧縮して燃料電池１に供給する
が、その型式は特に限定されず、ピストン式圧縮機、ス
クロール式圧縮機あるいはターボ式圧縮機等々を用いる
ことができる。
【００２８】燃料電池１に供給される空気は８０〜８５
℃の温度が望ましいが、圧縮機３で圧縮された空気は約
１７０℃となっているので、これを上記温度範囲まで冷
却するために、圧縮機３と燃料電池１との間にはインタ
ークーラ４が設けられている。このインタークーラ４
は、図示する水冷式の他にも空冷式のものも用いること
ができる。
℃の温度が望ましいが、圧縮機３で圧縮された空気は約
１７０℃となっているので、これを上記温度範囲まで冷
却するために、圧縮機３と燃料電池１との間にはインタ
ークーラ４が設けられている。このインタークーラ４
は、図示する水冷式の他にも空冷式のものも用いること
ができる。
【００２９】一方、改質器２は、たとえばメタノールを
水蒸気改質して、水素を多量に含む燃料ガスとするもの
で、メタノールおよび水の供給を受けて下記式に示すメ
タノールの分解反応と一酸化炭素の変性反応とを同時進
行させて水素と二酸化炭素とを含有する改質ガスを生成
する改質部と、この改質部で得られた改質ガス中の未反
応の一酸化炭素と水とを同じ変性反応により水素と二酸
化炭素とに変性して水素含有量の多い燃料ガスを生成す
るシフト部とを備える。
水蒸気改質して、水素を多量に含む燃料ガスとするもの
で、メタノールおよび水の供給を受けて下記式に示すメ
タノールの分解反応と一酸化炭素の変性反応とを同時進
行させて水素と二酸化炭素とを含有する改質ガスを生成
する改質部と、この改質部で得られた改質ガス中の未反
応の一酸化炭素と水とを同じ変性反応により水素と二酸
化炭素とに変性して水素含有量の多い燃料ガスを生成す
るシフト部とを備える。
【００３０】
【化２】メタノール反応：ＣＨ3 ＯＨ→ＣＯ＋２Ｈ2 −
２１．７kcal/mol 変性反応 ：ＣＯ＋Ｈ2 Ｏ→ＣＯ2 ＋Ｈ2 ＋９．８
kcal/mol 全体反応 ：ＣＨ3 ＯＨ＋Ｈ2 Ｏ→ＣＯ2 ＋３Ｈ2
−１１．９kcal/mol また、改質器２には、上述した改質部およびシフト部に
おける反応部分を加熱するためのバーナーを有する燃焼
器が設けられており、改質器２自体で生成した燃料ガス
の一部と、燃料電池１からの排出ガスが送り込まれ、当
該排出ガス中の未反応の水素ガスはここで燃焼すること
になる。
２１．７kcal/mol 変性反応 ：ＣＯ＋Ｈ2 Ｏ→ＣＯ2 ＋Ｈ2 ＋９．８
kcal/mol 全体反応 ：ＣＨ3 ＯＨ＋Ｈ2 Ｏ→ＣＯ2 ＋３Ｈ2
−１１．９kcal/mol また、改質器２には、上述した改質部およびシフト部に
おける反応部分を加熱するためのバーナーを有する燃焼
器が設けられており、改質器２自体で生成した燃料ガス
の一部と、燃料電池１からの排出ガスが送り込まれ、当
該排出ガス中の未反応の水素ガスはここで燃焼すること
になる。
【００３１】この燃焼器には、これらの水素ガス以外に
も、圧縮機３および圧縮機７からの空気が燃焼用空気と
して供給される。
も、圧縮機３および圧縮機７からの空気が燃焼用空気と
して供給される。
【００３２】すなわち、本実施形態の燃料電池システム
では、上述したように圧縮機３から吐出された２ｋｇ／
ｃｍ2 、１７０℃程度の高温圧縮空気は、インタークー
ラ４で８０〜８５℃に冷却されて燃料電池１に供給され
るが、この燃料電池１を経由して排出された空気は、多
少の圧力損失はあるもののゲージ圧で２ｋｇ／ｃｍ2に
近い値を保っている。ただし、都市走行モードなどの低
負荷領域では、システム効率を高めるために、たとえば
ゲージ圧で１ｋｇ／ｃｍ2 程度の極限まで低下せしめら
れる。
では、上述したように圧縮機３から吐出された２ｋｇ／
ｃｍ2 、１７０℃程度の高温圧縮空気は、インタークー
ラ４で８０〜８５℃に冷却されて燃料電池１に供給され
るが、この燃料電池１を経由して排出された空気は、多
少の圧力損失はあるもののゲージ圧で２ｋｇ／ｃｍ2に
近い値を保っている。ただし、都市走行モードなどの低
負荷領域では、システム効率を高めるために、たとえば
ゲージ圧で１ｋｇ／ｃｍ2 程度の極限まで低下せしめら
れる。
【００３３】この比較的低温低圧の排出空気を圧縮機３
の直前で膨張させ、その温度をさらに低下させたのち、
圧縮機３の発熱部に供給する。排出空気を膨張させて温
度を低下させる具体的手段としては、たとえば圧縮機３
の直前で空気配管の流路断面積を急激に拡大させればよ
い。実際には配管周囲との熱交換があるので厳密な意味
での断熱膨張ではないが、こうした実質的な断熱膨張を
行う手段が挙げられる。この断熱膨張で調整される膨張
後の圧力は、後述する圧縮機７の吐出空気圧に近い値と
することが望ましい。
の直前で膨張させ、その温度をさらに低下させたのち、
圧縮機３の発熱部に供給する。排出空気を膨張させて温
度を低下させる具体的手段としては、たとえば圧縮機３
の直前で空気配管の流路断面積を急激に拡大させればよ
い。実際には配管周囲との熱交換があるので厳密な意味
での断熱膨張ではないが、こうした実質的な断熱膨張を
行う手段が挙げられる。この断熱膨張で調整される膨張
後の圧力は、後述する圧縮機７の吐出空気圧に近い値と
することが望ましい。
【００３４】また、このようにしてさらに低温となった
空気が供給される圧縮機３の発熱部としては、たとえば
ピストン式圧縮機であればピストンがストロークする部
分のケーシング、スクロール式圧縮機であれば回転する
スクロールの側壁面、ターボ式圧縮機であれば羽根車を
覆っているカバー（シュラウド）等々が挙げられる。
空気が供給される圧縮機３の発熱部としては、たとえば
ピストン式圧縮機であればピストンがストロークする部
分のケーシング、スクロール式圧縮機であれば回転する
スクロールの側壁面、ターボ式圧縮機であれば羽根車を
覆っているカバー（シュラウド）等々が挙げられる。
【００３５】このような圧縮機３の発熱部を経由した排
出空気は、改質器２の燃焼器に送られ燃焼用空気として
用いられるが、本実施形態では、この空気に付加して、
さらに改質器２で必要とされる空気を供給するための圧
縮機（第２の圧縮機）７が設けられている。この圧縮機
７は、改質器２の燃焼器に燃焼用空気を供給するために
設けられたものであり、燃焼器に必要とされる最低限の
空気圧、たとえば０．３ｋｇ／ｃｍ2 程度の空気を供給
する。
出空気は、改質器２の燃焼器に送られ燃焼用空気として
用いられるが、本実施形態では、この空気に付加して、
さらに改質器２で必要とされる空気を供給するための圧
縮機（第２の圧縮機）７が設けられている。この圧縮機
７は、改質器２の燃焼器に燃焼用空気を供給するために
設けられたものであり、燃焼器に必要とされる最低限の
空気圧、たとえば０．３ｋｇ／ｃｍ2 程度の空気を供給
する。
【００３６】次に作用を説明する。圧縮機３は外気を取
り入れ、これを適宜１〜２ｋｇ／ｃｍ2 に圧縮し、イン
タークーラ４を介して８０〜８５℃の適温としたのち、
この圧縮空気は燃料電池１のカソード側に供給される。
一方、改質器２で生成された水素含有ガスは、燃料電池
１のアノード側に供給され、これら酸素と水素との電気
化学反応によって燃料電池１から電力が取り出される。
り入れ、これを適宜１〜２ｋｇ／ｃｍ2 に圧縮し、イン
タークーラ４を介して８０〜８５℃の適温としたのち、
この圧縮空気は燃料電池１のカソード側に供給される。
一方、改質器２で生成された水素含有ガスは、燃料電池
１のアノード側に供給され、これら酸素と水素との電気
化学反応によって燃料電池１から電力が取り出される。
【００３７】燃料電池１のカソード側を通過した圧縮空
気は、断熱膨張されてさらに低温の空気とされたのち、
圧縮機３の発熱部に供給されて当該圧縮機３を冷却す
る。さらにこの空気は、改質器２の燃焼器に送られ燃焼
に供される。これと同時に、圧縮機７は、外気を０．３
ｋｇ／ｃｍ2 程度の低圧空気として所望の流量で改質器
２の燃焼器に供給し、上述した圧縮機３からの空気とと
もに燃焼に供する。一方、燃料電池１のアノード側を通
過した水素含有燃料ガスは、改質器２の燃焼器に供給さ
れ、ここで未反応の水素ガスが燃焼に供される。
気は、断熱膨張されてさらに低温の空気とされたのち、
圧縮機３の発熱部に供給されて当該圧縮機３を冷却す
る。さらにこの空気は、改質器２の燃焼器に送られ燃焼
に供される。これと同時に、圧縮機７は、外気を０．３
ｋｇ／ｃｍ2 程度の低圧空気として所望の流量で改質器
２の燃焼器に供給し、上述した圧縮機３からの空気とと
もに燃焼に供する。一方、燃料電池１のアノード側を通
過した水素含有燃料ガスは、改質器２の燃焼器に供給さ
れ、ここで未反応の水素ガスが燃焼に供される。
【００３８】ところで、燃料電池１の排出空気から動力
エネルギを回収する方法として、膨張機やタービンなど
が提案されているが、燃料電池１からの排出空気は、上
述したように比較的低エネルギ（８０〜８５℃、１〜２
ｋｇ／ｃｍ2 ）であることから、これらの方法は必ずし
も適切な方法とはいえない。こうした低エネルギの排出
空気から回収できる動力は小さく、しかも膨張機やター
ビンには必ず無視できない程度の摩擦損失をともなうか
らである。
エネルギを回収する方法として、膨張機やタービンなど
が提案されているが、燃料電池１からの排出空気は、上
述したように比較的低エネルギ（８０〜８５℃、１〜２
ｋｇ／ｃｍ2 ）であることから、これらの方法は必ずし
も適切な方法とはいえない。こうした低エネルギの排出
空気から回収できる動力は小さく、しかも膨張機やター
ビンには必ず無視できない程度の摩擦損失をともなうか
らである。
【００３９】これに対して、本実施形態の燃料電池シス
テムでは、燃料電池１からの排出空気を断熱膨張させて
温度降下させ、この低温低圧空気を用いて圧縮機３の発
熱部を冷却するので、摩擦損失などのような動力増加
（すなわちシステム効率の低下）といった問題は生じな
い。圧縮機３の発熱部を冷却することで、どの程度圧縮
機３の駆動力を低減（すなわち動力回収）できるかは、
圧縮機３の吐出圧力や圧縮機３の型式乃至は°のように
して断熱膨張した空気を吹き付けて冷却するかといった
具体的手法によって相違するため一概には断定できない
が、冷却することで確実に駆動力を低減することはでき
る。
テムでは、燃料電池１からの排出空気を断熱膨張させて
温度降下させ、この低温低圧空気を用いて圧縮機３の発
熱部を冷却するので、摩擦損失などのような動力増加
（すなわちシステム効率の低下）といった問題は生じな
い。圧縮機３の発熱部を冷却することで、どの程度圧縮
機３の駆動力を低減（すなわち動力回収）できるかは、
圧縮機３の吐出圧力や圧縮機３の型式乃至は°のように
して断熱膨張した空気を吹き付けて冷却するかといった
具体的手法によって相違するため一概には断定できない
が、冷却することで確実に駆動力を低減することはでき
る。
【００４０】たとえば、燃料電池１からの排出空気がゲ
ージ圧で１．５ｋｇ／ｃｍ2 、８０℃であり、これを
０．３ｋｇ／ｃｍ2 まで断熱膨張させた場合を想定する
と、排出空気温度は約２０℃となる。このとき、圧縮機
３の吐出空気圧がゲージ圧で２ｋｇ／ｃｍ2 であったと
すると、冷却がない場合には、圧縮機効率が８０％と高
くても、吸入空気温度を３０℃として、吐出空気温度は
約１７０℃となる。すなわち、上述した約２０℃の排出
空気を用いて約１７０℃となるまでの圧縮空気を冷却す
るのであるから、かかる大きな差温により圧縮機３の圧
縮行程の中間冷却が確実に行われることになり、少なく
ともそのぶん圧縮機３の駆動力は低減されるといえる。
ージ圧で１．５ｋｇ／ｃｍ2 、８０℃であり、これを
０．３ｋｇ／ｃｍ2 まで断熱膨張させた場合を想定する
と、排出空気温度は約２０℃となる。このとき、圧縮機
３の吐出空気圧がゲージ圧で２ｋｇ／ｃｍ2 であったと
すると、冷却がない場合には、圧縮機効率が８０％と高
くても、吸入空気温度を３０℃として、吐出空気温度は
約１７０℃となる。すなわち、上述した約２０℃の排出
空気を用いて約１７０℃となるまでの圧縮空気を冷却す
るのであるから、かかる大きな差温により圧縮機３の圧
縮行程の中間冷却が確実に行われることになり、少なく
ともそのぶん圧縮機３の駆動力は低減されるといえる。
【００４１】ちなみに、圧縮機３を冷却する排出空気の
流量は、この排出空気で冷却される圧縮機３の吐出空気
の流量に比べて、燃料電池１で消費される酸素のぶんだ
け少なくなるが、ほぼ同等の流量といえる。
流量は、この排出空気で冷却される圧縮機３の吐出空気
の流量に比べて、燃料電池１で消費される酸素のぶんだ
け少なくなるが、ほぼ同等の流量といえる。
【００４２】また、本実施形態の燃料電池システムで
は、燃料電池１からの排出空気を断熱膨張させるにあた
りその断熱膨張後の空気圧を圧縮機７の空気圧に近い値
とし、さらに改質器２の燃焼器への空気導入口を異なる
導入口としているので、圧縮機７の背圧が上昇するおそ
れもなく、したがって圧縮機７は、改質器２が要求する
空気流量を低圧で供給することができ、これによっても
圧縮機７の駆動効率を高めることができる。
は、燃料電池１からの排出空気を断熱膨張させるにあた
りその断熱膨張後の空気圧を圧縮機７の空気圧に近い値
とし、さらに改質器２の燃焼器への空気導入口を異なる
導入口としているので、圧縮機７の背圧が上昇するおそ
れもなく、したがって圧縮機７は、改質器２が要求する
空気流量を低圧で供給することができ、これによっても
圧縮機７の駆動効率を高めることができる。
【００４３】なお、本実施形態では燃料電池１からの排
出空気を断熱膨張させて圧縮機３の発熱部を冷却するよ
うに構成したが、圧縮機７の発熱部を冷却するように構
成しても良い。ただし、冷却効率は圧縮機の吐出圧が高
いほど効果的であるため、期待できる駆動力の低減は圧
縮機３の方が大きいといえる。
出空気を断熱膨張させて圧縮機３の発熱部を冷却するよ
うに構成したが、圧縮機７の発熱部を冷却するように構
成しても良い。ただし、冷却効率は圧縮機の吐出圧が高
いほど効果的であるため、期待できる駆動力の低減は圧
縮機３の方が大きいといえる。
【００４４】第２実施形態
図２は本発明の燃料電池システムの第２実施形態を示す
ブロック図であり、本例では燃料電池１のカソード側を
通過した排出空気を断熱膨張によりさらに低温空気とし
たのち、インタークーラ４を冷却することとしている。
すなわち、圧縮機３で圧縮された空気は、インタークー
ラ４を介して燃料電池１のカソード側に供給されたの
ち、ここから排出された空気は、第１実施形態と同様の
構成で断熱膨張されて、さらに低温空気となってインタ
ークーラ４の冷却水の代わりに供給される。そして、こ
の空気はさらに改質器２の燃焼器に供給される。
ブロック図であり、本例では燃料電池１のカソード側を
通過した排出空気を断熱膨張によりさらに低温空気とし
たのち、インタークーラ４を冷却することとしている。
すなわち、圧縮機３で圧縮された空気は、インタークー
ラ４を介して燃料電池１のカソード側に供給されたの
ち、ここから排出された空気は、第１実施形態と同様の
構成で断熱膨張されて、さらに低温空気となってインタ
ークーラ４の冷却水の代わりに供給される。そして、こ
の空気はさらに改質器２の燃焼器に供給される。
【００４５】上述した第１実施形態では、インタークー
ラ４が水冷式とされているので冷却水の供給用ポンプな
どが別途必要とされたが、本例ではこの冷却水の代わり
に燃料電池１の排出空気が用いられるので冷却水の供給
用ポンプの駆動力を低減することができる。また、一般
的な空冷式インタークーラでは、走行風を取り入れるた
めにレイアウト上の制約が多いが、本例では空気配管に
より取り廻せるのでそのぶんレイアウトの設計の自由度
が増すことになる。また、断熱膨張された流速の早い空
気で冷却するので熱伝達率が高くなり、水冷式インター
クーラと同程度の小型のインタークーラとすることも可
能である。
ラ４が水冷式とされているので冷却水の供給用ポンプな
どが別途必要とされたが、本例ではこの冷却水の代わり
に燃料電池１の排出空気が用いられるので冷却水の供給
用ポンプの駆動力を低減することができる。また、一般
的な空冷式インタークーラでは、走行風を取り入れるた
めにレイアウト上の制約が多いが、本例では空気配管に
より取り廻せるのでそのぶんレイアウトの設計の自由度
が増すことになる。また、断熱膨張された流速の早い空
気で冷却するので熱伝達率が高くなり、水冷式インター
クーラと同程度の小型のインタークーラとすることも可
能である。
【００４６】また、本実施形態では、インタークーラ４
で冷却されて燃料電池１へ供給される圧縮機３からの空
気は、８０〜８５℃が適温であり、冷却され過ぎても燃
料電池１の性能が低下する。
で冷却されて燃料電池１へ供給される圧縮機３からの空
気は、８０〜８５℃が適温であり、冷却され過ぎても燃
料電池１の性能が低下する。
【００４７】このため、インタークーラ４を迂回するバ
イパス通路９およびこのバイパス通路９に流量制御弁８
を設け、燃料電池１へ供給される空気温度が８０℃を下
回った場合には、流量制御弁８を開いてインタークーラ
４における冷却を緩和する。この場合、流量制御弁８の
下流側でも断熱膨張が生じるようにバイパス通路９の流
路断面を設定しておく。これにより、バイパス通路９を
通過する空気流量が増加しても圧縮機７の背圧が上昇す
ることが防止できる。
イパス通路９およびこのバイパス通路９に流量制御弁８
を設け、燃料電池１へ供給される空気温度が８０℃を下
回った場合には、流量制御弁８を開いてインタークーラ
４における冷却を緩和する。この場合、流量制御弁８の
下流側でも断熱膨張が生じるようにバイパス通路９の流
路断面を設定しておく。これにより、バイパス通路９を
通過する空気流量が増加しても圧縮機７の背圧が上昇す
ることが防止できる。
【００４８】なお、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に記載されたものであって、本発
明を限定するために記載されたものではない。したがっ
て、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技
術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨
である。
理解を容易にするために記載されたものであって、本発
明を限定するために記載されたものではない。したがっ
て、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技
術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨
である。
【図１】本発明の燃料電池システムの第１実施形態を示
すブロック図である。
すブロック図である。
【図２】本発明の燃料電池システムの第２実施形態を示
すブロック図である。
すブロック図である。
【図３】従来の燃料電池システムを示すブロック図であ
る。
る。
【図４】従来の燃料電池システムを示すブロック図であ
る。
る。
１…燃料電池
２…改質器
３…圧縮機
４…インタークーラ
５…流量分配器
６…バイパス通路
７…圧縮機
８…流量制御弁
９…バイパス通路
Claims (4)
- 【請求項１】 燃料電池と、燃焼器を有し前記燃料電池
に燃料ガスを供給する改質器と、少なくとも前記燃料電
池に空気を供給する第１の圧縮機と、前記改質器の燃焼
器へ直接空気を供給する第２の圧縮機とを備えた燃料電
池システムにおいて、 前記燃料電池を経由した空気を膨張させて温度降下さ
せ、この低温空気を、前記第１および／または第２の圧
縮機の発熱部を介して前記改質器の燃焼器へ供給する空
気供給系をさらに備えたことを特徴とする燃料電池シス
テム。 - 【請求項２】 燃料電池と、燃焼器を有し前記燃料電池
に燃料ガスを供給する改質器と、少なくとも前記燃料電
池に空気を供給する第１の圧縮機と、前記改質器の燃焼
器へ直接空気を供給する第２の圧縮機とを備えた燃料電
池システムにおいて、 前記第１の圧縮機の吐出空気を冷却するインタークーラ
と、前記燃料電池を経由した空気を膨張させて温度降下
させ、この低温空気を、前記インタークーラを介して前
記改質器の燃焼器へ供給する空気供給系とをさらに備え
たことを特徴とする燃料電池システム。 - 【請求項３】 前記改質器の燃焼器には、前記第１およ
び第２の圧縮機から異なる空気供給口を介して空気が供
給されることを特徴とする請求項１または２記載の燃料
電池システム。 - 【請求項４】 前記空気供給系には、前記圧縮機または
前記インタークーラを迂回するバイパス通路が設けられ
ていることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の
燃料電池システム。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15382998A JP3440825B2 (ja) | 1998-05-19 | 1998-05-19 | 燃料電池システム |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15382998A JP3440825B2 (ja) | 1998-05-19 | 1998-05-19 | 燃料電池システム |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11329470A JPH11329470A (ja) | 1999-11-30 |
| JP3440825B2 true JP3440825B2 (ja) | 2003-08-25 |
Family
ID=15571009
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP15382998A Expired - Lifetime JP3440825B2 (ja) | 1998-05-19 | 1998-05-19 | 燃料電池システム |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3440825B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105826583B (zh) * | 2016-04-07 | 2018-12-28 | 北京建筑大学 | 一种车用燃料电池热电联产系统及其工作方法 |
| CN113809356B (zh) * | 2021-09-17 | 2022-04-12 | 烟台东德实业有限公司 | 一种燃料电池热管理系统 |
-
1998
- 1998-05-19 JP JP15382998A patent/JP3440825B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH11329470A (ja) | 1999-11-30 |
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