JP3544309B2

JP3544309B2 - 燃料電池装置

Info

Publication number: JP3544309B2
Application number: JP31718298A
Authority: JP
Inventors: 孝志伴; 裕久加藤; 雅彦金原; 秀人久保
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 1998-11-09
Filing date: 1998-11-09
Publication date: 2004-07-21
Anticipated expiration: 2018-11-09
Also published as: JP2000149972A; US6361890B1; DE19953690B4; DE19953690A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池で酸素が消費された後も圧力エネルギを有する排出ガスを、回生機で膨張させることによりそのエネルギを回収し、圧縮機の動力助勢に利用するようにした燃料電池装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開平７ー１４５９９号公報に開示の燃料電池装置では、図６に示すように、空気供給導管６０から吸い込まれた空気が、電動機６１で駆動される圧縮機６２によって所定の圧力に加圧されたのち燃料電池６３に供給される。そして燃料電池６３内で供給空気から酸素が消費された排出ガスは、圧縮機６２及び電動機６１と共通な軸６４で連結された膨張機６５により膨張されて大気中へ放出される。
【０００３】
一方、排出ガスに含まれる生成水は、空気排出導管６６に設けられた液体分離器６７、６８により分離されて開放型の貯蔵容器６９に集められ、その貯溜水はプロセス空気の加湿に供するため、ポンプ７０により噴出ノズル７１へと送られて空気供給導管６０内に噴射される。
すなわち、上述のように燃料電池６３の排出ガス中に含まれる生成水を分離収容して、これをプロセス空気の加湿に利用することはきわめて効率的である。そしてこの水分は燃料電池６３の陽イオン交換膜がプロトン導電性を維持するために必要な水分であると同時に、これを圧縮機６２の冷却、潤滑にも流用しうるという点において、スクロール型式の圧縮機はとくに優れた順応性を備えており、これらスクロール型式の圧縮機や膨張機の改良に関しても既に幾多の提案が行われている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、燃料電池の排出ガスに含まれる残留（圧力）エネルギを、回生機（膨張機）により機械的エネルギに変換し、共通軸を介してこれを圧縮機へ供給する場合、圧縮機の吐出空気と回生機に導入される排出ガスとの間には、燃料電池内の圧力損失に基づく格差が生じるため、ややもすれば回生機内で排出ガスを大気圧以下まで膨張させることになり、逆にエネルギを消費する結果となってしまう。
【０００５】
本発明は、スクロール型式の圧縮機及び回生機の利点を生かしつつ、燃料電池の排出ガスから残留エネルギを回収して、回生機の無駄な動力消費を伴うことなく、効率的な圧縮機の動力助勢を達成することを解決課題としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する請求項１記載の発明に係る燃料電池装置は、燃料電池の空気供給管に接続されたスクロール型圧縮機と、空気排出管に接続されたスクロール型回生機とを有し、該圧縮機及び回生機の各可動スクロールが、モータ出力軸の両端に対称的に結合されてなる燃料電池装置であって、上記回生機の圧力比は、上記燃料電池を経由した排出ガスの圧力損失相当分、上記圧縮機のそれよりも小さく設定されていることを特徴としている。
【０００７】
このように、共にスクロール型式の圧縮機と回生機とがモータ出力軸の両端に対称的に結合されることにより、とくに車両用燃料電池装置に要求されるきわめて簡素な空気供給機構を具現できることに加え、回生機の圧力比が燃料電池内で生じる供給空気の圧力損失を十分補完しうる値に設定されているので、回生機に導入される排出ガスが大気圧以下まで膨張されるといった現象、つまり回生機の回転がモータ出力軸に負のトルクを伝達することが完全に防止されて、圧縮機の効率的な動力助勢を達成することができる。
【０００８】
しかも請求項２記載の発明のように、排出ガスから分離された貯留水をスクロール型圧縮機の注水部へ圧送するようにすれば、供給空気の加湿ばかりでなく、圧縮機自体の冷却、潤滑にも良好に寄与することができる。また、請求項３記載の発明のように、圧縮機と回生機のトルク変動ピーク時期がほぼ整合する位相で配設されておれば、両者間の動力の授受を一層効率的に行うことができ、さらに請求項４記載の発明のように、圧縮機及び回生機のスクロールに形成される渦巻体の巻数を調整するようにすれば、燃料電池内の圧力損失に見合った両者の相対的な圧力比を至極容易に設定することができる。さらに、請求項５記載の発明のように、上記回生機の巻数を上記圧縮機の巻数よりも１／４程度少なく設定するようにすれば、回生機の圧縮機に対する圧力比（膨張比）は適正に小さく設定できて燃料電池内で生じる圧力損失を補完することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、燃料電池装置の体系を略示した図１に基づいて、まずその概要のみを説明する。
燃料電池１は既に知られるように、平板状の電解質の両面に正極及び負極が積層状に構成されており、この燃料電池１には圧縮機Ｃから空気供給管２を経てプロセス空気が供給され、このプロセス空気は燃料電池１の図示しない正極空間を通ったのち、空気排出管３を経由して排出される。燃料電池１の同様に図示しない負極空間には、燃料供給路を介して水素又は改質された水素を多く含むガスが供給され、燃料電池１内で水素がプロセス空気に含まれている酸素と反応すると、電気エネルギのほかに生成水及び反応熱を生じ、したがって、多分に水蒸気を含んだ排出ガスが燃料電池１から排出される。
【００１０】
この排出ガスは空気排出管３に設けられた水分離槽４で水分を除去されたのち、該排出ガス中に残留する圧力エネルギを回収すべく回生機（膨張機）Ｅに導入される。この回生機Ｅは上記圧縮機ＣともどもモータＭの出力軸Ｍｃに連結されているが、本発明における圧縮機Ｃ及び回生機Ｅはいずれもスクロール型式のものが採用されている。
【００１１】
次いで図２に基づいて本発明の実施形態を説明するが、図中、圧縮機Ｃと回生機（膨張機）Ｅとは、ごく一部の相違点を除いて構造自体が対称的に形成されているので、重複を避ける意味から回生機Ｅの同一構造部分についての詳しい説明は省略する。
図２において、モータＭは、ロータＭａ、ステータＭｂ及びモータ出力軸Ｍｃからなり、該モータ出力軸Ｍｃの外端部は軸受１１によってハウジング１０に支承され、さらにその先端にはバランサと一体的に形成されて、モータ出力軸Ｍｃと平行、かつ所定量偏心したクランク軸１２が結合されている。そしてこのクランク軸１２には可動スクロール２０が軸受１３を介して回転可能に組付けられており、可動スクロール２０の基板２０ａの側面には可動渦巻体（スクロール歯）２０ｂが突設されている。可動スクロール２０は、モータ出力軸Ｍｃが回転するとモータ出力軸Ｍｃの軸心を公転中心として、上記偏心距離を半径とした円軌跡を描く公転連動を行う。このとき可動スクロール２０は、後述する自転防止機構により自転運動を規制されて、モータ出力軸Ｍｃ中心の公転運動のみを行うように構成されている。
【００１２】
固定スクロール３０は、基板３０ａと、この基板３０ａと一体に形成されてハウジング１０に接合される外郭部３０ｃと、基板３０ａの側面に突設された固定渦巻体３０ｂとを有し、公転運動を行う可動渦巻体２０ｂが該固体渦巻体３０ｂと噛合することにより、両渦巻体２０ｂ、３０ｂ間に作動室３１が形成される。そして固定スクロール３０のに外郭部３０ｃは吸入ポート３２、基板３０ａには吐出ポート３３が開口され、それぞれ所定の位相において外周部及び中心近傍の作動室３１と連通されている。
【００１３】
次に自転防止機構について説明する。クランク軸１２と同量だけ偏心した補助クランク部１５ａを有する補助クランク軸１５が、ハウジング１０に保持された軸受１４によって回転自在に支軸されており、該補助クランク軸１５はモータ出力軸Ｍｃの周囲に複数個配置されて、それぞれの補助クランク部１５ａは軸受１６を介して可動スクロール２０を回転自在に支持している。なお、本発明においてスクロール型式の圧縮機Ｃ及び回生機Ｅに使用される自転防止機構は、必ずしも上記の構成に限定されるものではない。
【００１４】
さて、本発明の最も特徴とする構成を図３〜図５に基づいて説明する。図３は、圧縮機Ｃ内において相互に噛合する可動渦巻体２０ｂの公転運動により、固定渦巻体３０ｂとの間に形成される作動室３１内に吸入空気が閉じ込められた瞬間、つまり最外室容積に在る作動室３１を示し、図４は、順次容積を縮小された該作動室３１が吐出ポート３３と連通する直前の最内室容積に在る状態を示している。一方、図５は、回生機Ｅを構成する可動スクロール４０及び固定スクロール５０であって、燃料電池１内で生じる圧力損失を補完すべく、可動渦巻体４０ｂ及び固定渦巻体５０ｂの巻数は圧縮機Ｃのそれよりも１／４巻程度少なく、圧縮機Ｃに対する圧力比（膨張比）は適正に小さく設定されている。とくに同図は、導入された排出ガスの膨張により順次容積が拡張されて、放出ポート５３からまさにガスが放出される直前の作動室５１を表している。すなわち、図３との対比によって圧縮機Ｃと回生機Ｅとの最外室容積の差異はきわめて明瞭であるが、このような圧縮機Ｃに対する回生機Ｅの圧力比は、両渦巻体４０ｂ、５０ｂの巻数の調整によるもののほか、導入ポート５２の位置や寸法又は該渦巻体４０ｂ、５０ｂの中心部形状を変更することによっても調整は可能である。また、図４に示すように、作動室３１の容積が縮小された吐出直前の状態、つまり圧縮機Ｃのトルク変動ピーク時期は、導入された排出ガスが最内室容積の作動室５１に閉じ込まれた状態、つまり回生機Ｅのトルク変動ピーク時期とほぼ整合する位相で配設されており、これによって両者間の動力の授受が一層効率的に行われるように配慮されている。
【００１５】
したがって、モータＭによって駆動される圧縮機Ｃにより所定圧力に加圧されたプロセス空気は、空気供給管２を経て燃料電池１の正極空間へ供給され、同様に負極空間へ供給される水素がこのプロセス空気に含まれる酸素と反応すると、電気エネルギのほかに生成水や反応熱を生じる。そして燃料電池１からは反応後の多分に水蒸気を含んだ排出ガスが排出される。この排出ガスは空気排出管３に設けられた水分離槽４で水分を除去されたのち、該排出ガス中に残留する圧力エネルギを回収すべく回生機Ｅに導入され、一方、分離された貯溜水はプロセス空気の加湿並びに圧縮機Ｃの冷却、潤滑に供するため、給水路５を経て圧縮機Ｃの注水部３４に供給される。
【００１６】
共にスクロール型式の圧縮機Ｃと回生機Ｅとは、モータ出力軸Ｍｃの両端に対称的、かつ簡潔的に結合され、しかもかかる圧縮機Ｃが水を用いた冷却、潤滑に高い適性を有する点においてとくに優れている。ただ、このような回生機Ｅを使用して同軸上に配置された圧縮機Ｃの動力助勢を行う場合、決して見逃してはならないのは燃料電池１内で生じるプロセス空気の圧力損失である。すなわち圧縮機Ｃ、回生機Ｅ相互の圧力比にかかる圧力損失が見込まれていないと、回生機Ｅに導入された排出ガスは大気圧以下まで膨張されて逆に動力を消費することになるが、本発明では図３及び図５の対比から明らかなように、回生機Ｅの圧力比（膨張比）が使用される燃料電池１の圧力損失相当分、圧縮機Ｃのそれよりも小さく設定されている。このため、上記排出ガスが大気圧以下まで膨張されるといった現象、換言すれば回生機Ｅの回転がモータ出力軸Ｍｃに負のトルクを伝達するといった不具合は完全に防止される。さらに図４に示されている作動室３１の吐出直前の状態、つまり圧縮機Ｃのトルク変動ピーク時期が、導入された排出ガスが作動室５１に閉じ込まれた状態、つまり回生機Ｅのトルク変動ピーク時期とほぼ整合する位相で配設されているので、両者間の動力の授受は一層効率的に行われる。
【００１７】
【発明の効果】
以上、詳述したように本発明は、モータ出力軸の両端にいずれもスクロール型式の圧縮機及び回生機が対称的に結合されて、構造が著しく簡素化され、しかも両可動スクロールに作用する軸推力が合理的に相殺されるとともに、回生機の圧力比は燃料電池内でのプロセス空気の圧力損失を補完すべく設定されていることにより、回生機がモータ出力軸に負のトルクを伝達することがなく、モータの駆動電流を良好に低減することができる。また、請求項２記載の発明のように、排出ガスから分離された貯溜水を直接圧縮機の注水部へ供給するようにすれば、プロセス空気の加湿ばかりでなく、圧縮機の冷却、潤滑にも有効に寄与することができ、さらに請求項３記載の発明のように、圧縮機及び回生機のトルク変動時期をほぼ整合する位相で配設すれば、より高い効率で圧縮機の動力助勢を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池装置の概要を示す説明図。
【図２】燃料電池装置に使用される圧縮機及び回生機を示す断面図。
【図３】圧縮機の両渦巻体で形成される作動室に吸入空気が閉じ込まれた瞬間を示す説明図。
【図４】吸入空気を閉じ込めて圧縮した作動室が吐出ポートと連通する直前の状態を示す説明図。
【図５】回生機の渦巻体で形成される作動室が導入された排出ガスの膨張により拡張して放出ポートと連通する直前の状態を示す説明図。
【図６】従来の燃料電池装置の原理的構成を示す説明図。
【符号の説明】
１は燃料電池、２は空気供給管、３は空気排出管、４は水分離槽、５は給水路、２０は圧縮機の可動スクロール、４０は回生機の可動スクロール、Ｍｃはモータ出力軸、Ｃは圧縮機、Ｅは回生機

Claims

燃料電池の空気供給管に接続されたスクロール型圧縮機と、空気排出管に接続されたスクロール型回生機とを有し、該圧縮機及び回生機の各可動スクロールが、モータ出力軸の両端に対称的に結合されてなる燃料電池装置であって、上記回生機の圧力比は、上記燃料電池を経由した排出ガスの圧力損失相当分、上記圧縮機のそれよりも小さく設定されていることを特徴とする燃料電池装置。
上記燃料電池から上記回生機に至る空気排出管中に配設された水分離槽を備え、該水分離槽の下底部と上記圧縮機の注水部とを給水路により接続し、該水分離槽内の貯溜水を該注水部に向け供給することを特徴とする請求項１記載の燃料電池装置。
上記両可動スクロールは、上記圧縮機及び回生機のトルク変動ピーク時期がほぼ整合する位相で配設されていることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池装置。
上記圧縮機及び回生機の相対的な圧力比は、両者のスクロールに形成される渦巻体の巻数によって調整されていることを特徴とする請求項１、２又は３記載の燃料電池装置。
上記回生機の巻数を上記圧縮機の巻数よりも１／４程度少なく設定することを特徴とする請求項１、２、３又は４のいずれか一項に記載の燃料電池装置。