JPS63281363A - 燃料電池用空気供給装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は燃料の有する化学エネルギーを直接電気エネル
ギーに変換させるエネルギ一部門で用いる燃料電池に空
気を供給するための燃料電池用空気供給装置に関するも
のである。

［従来の技術］ 現在までに提案されている溶融炭酸塩型燃料電池は、溶
融炭酸塩を多孔質物質にしみ込ませてなる電解質板（タ
イル）を、カソード（酸素極）とアノード（燃料極）で
両面から挾み、カソード側に酸化ガスを供給すると共に
アノード側に燃料ガスを供給することによってカソード
とアノードとの間で発生する電位差により発電が行われ
るようにしたものを１セルとし、各セルをセパレータを
介して多層に積層した構成のものとしである。

第４図は上記溶融炭酸塩型燃料電池におけるカソードへ
酸化ガスとして空気を供給するための従来の燃料電池用
空気供給装置を示すもので、空気取入れ口ａから取入れ
た空気を、モータｂによって駆動される空気供給用」ン
プレツサＣに導いて高圧により圧縮し、圧縮した空気を
空気供給管ｄにより燃料電池のカソードに供給するよう
にしたものである。

［発明が解決しようとする問題点］ ところが、かかる従来の燃料電池用空気供給装置の場合
、稼動中はモータｂを連続駆動する必要があると共に、
空気供給用コンプレッサＣは空気を圧送するためモータ
ｂの消費電力を必要とする問題があった。又吐出空気温
度のままの空気を供給する方式であるため、燃料電池の
反応に限界を来しており、発電効率の改善のためには、
空気を加熱する熱交換器が別途に必要となる。

そこで、本発明は、モータの消費電力を節減し、しかも
燃料電池反応の活性化を促進して発電効率の向上を図り
得るような燃料電池用空気供給装置を提供しようとする
ものである。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は、上記目的を達成するために、コンプレッサか
ら吐出された空気を導入管によりタービンに導き該ター
ビンから吐出された空気を空気供給管により燃料電池に
供給するようにした過給機を備え、上記導入管に、燃料
電池からの高温排気ガスが流通する熱交換器を設置し、
且つ上記空気供給管に圧力制御弁を又上記空気供給管か
ら分岐する空気排出管に放風弁をそれぞれ設け、更に上
記過給機のコンプレッサに、モータと該モータによって
駆動される補助コンプレッサとを有する過給機起動装置
を接続してなる構成とする。

［作　　用］ 過給機起動装置のモータを駆動して補助コンプレッサを
駆動すると、補助コンプレッサから過給機のコンプレッ
サに起動用空気が送給され過給機のコンプレッサが駆動
される。これにより過給機のコンプレッサで圧縮された
空気が導入管を介してタービンへ導入されるが、導入管
を通る空気は熱交換器にて燃料電池から排出される高温
排気ガスと熱交換されて加熱昇温されるので、高温とな
った空気がタービンから燃料電池へ供給される。この際
、吐出圧制御弁又は放風弁をコントロールすることによ
り燃料電池へ供給される空気の圧力を一定にすることが
できる。

［実　施　例］ 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は一実施例を示すもので、大気中の空気を空気取
入れ口２がら空気取入れ管３を通して吸気するコンプレ
ッサ４と、該コンプレッサ４で圧縮された空気が導入管
５を介して導入されることによって回転させられるよう
にしたタービン７とを設け、該タービン７に導入された
圧縮空気を燃料電池のカソードに酸化ガスとして空気供
給管６を通して供給するようにした過給機１を備えると
共に、上記導入管５の中途部に、燃料電池のカソードか
ら排出された高温の排気ガスとコンプレッサ４からの圧
縮空気とを熱交換させる熱交換器８を設置し、燃料電池
から排ガス管９を経て排出される排ガスにより導入管５
内を流通するコンプレッサ４からの空気を予熱してター
ビン７に導入させるようにする。

又、上記過給機１のタービン４に接続した空気供給管６
に吐出圧力制御弁１０を設けると共に、上記空気供給管
６の吐出圧力制御弁１０より上流あるいは下流位置に、
空気供給管６から分岐して上記排ガス管９の熱交換器８
より下流位置に合流させる空気排出管１２を設け、該空
気排出管１２の途中に放風弁１１を設ける。又、モータ
１５により駆動される補助コンプレッサ１６に大気中の
空気を空気取入れ口１３がら空気取入れ管１４を通して
吸入し、且つ吸入した空気を圧縮して起動用空気として
空気吐出管１７より吐出するようにしてなる過給機起動
装置１８を備え、該過給機起動装置１８の空気吐出管１
７を上記過給機１におけるコンプレッサ４の中段位置に
接続し、補助コンプレッサ１６から空気吐出管１７を通
して送給する起動用空気を、上記コンプレッサ４の羽根
車に直接光てることにより該羽根車を回転させてコンプ
レッサ４を駆動させ過給機１を駆動させるようにする。

かかる構成とした本発明の燃料電池用空気供＝　６− 検装置は、起動時のみ過給機起動装置１８を用いて過給
機１を駆動し、過給機１が駆動し始めると過給機起動装
置１８を停止し、コンプレッサ４に取入れた空気を熱交
換器８で加熱した後、タービン７に導き、コンプレッサ
４の必要駆動力をタービン７により回収するようにし、
タービンから出た空気を燃料電池のカソードへ供給する
ものである。

詳述すると、先ず、過給機起動装置１８のモータ１５を
駆動して補助コンプレッサ１６を駆動し、該補助コンプ
レッサ１６内に空気取入れ口１３がら空気取入れ管１４
を通して大気を導入する。補助コンプレッサ１６内に導
入された空気はここで高圧により圧縮された後、空気吐
出管１７を通り起動用空気として過給機１のコンプレッ
サ４に送給される。過給機１のコンプレッサ４に起動用
空気が送給されると、過給機１のコンプレッサ４は回転
力を受けるので起動し、大気が空気取入れ口２がら空気
取入れ管３を通って過給機１のコンプレッサ４内に導入
される。なお、起動用空気が過給機１のコンプレッサ４
に送給される際、空気吐出管１７がコンプレッサ４の中
段位置に接続してあって起動用空気がコンプレッサ４の
羽根車に直接光たるようにしであるので、過給機１のコ
ンプレッサ４はサージングを起す心配がない。更に、過
給機１のコンプレッサ４内に吸入された空気は、圧縮さ
れた後、導入管５を′通って過給機１のタービン７に導
入され、タービン７を回転駆動する。この際、過給機１
のタービン７とコンプレッサ４とは直結されているので
、タービン７の回転駆動力がコンプレッサ４に伝わりコ
ンプレッサ４が回転し、コンプレッサ４の必要駆動力が
タービンより回収され、過給機１は稼動状態となる。

このようにして、過給機１が稼動状態になった時、過給
機起動装置１８のモータ１５を停止し、補助コンプレッ
サ１６から過給機１の］ンプレッサ４への起動用空気の
送給を停止する。この場合、過給機１が一旦稼動状態に
なれば過給機起動装置１８のモータ１５はその後駆動す
る必要がないので、第４図のモータｂと比較した場合、
消費電力をはるかに節減できる。

過給機１が稼動状態になると、コンプレッサ４内には空
気が空気取入れ口２がら空気取入れ管３を通り連続的に
吸入され、コンプレッサ４から吐出された圧縮空気が導
入管５によってタービン７内に連続的に導入され、更に
該タービン７から吐出された空気が空気供給管６を通っ
て燃料電池のカソードへ連続的に供給される。

この際、過給機１のコンプレッサ４とタービン７とを結
ぶ導入管５の中途部には熱交換器８が設置され、該熱交
換器８には燃料電池からの排気ガスが流通する排ガス管
９を経由させであるので、高温の空気が燃料電池のカソ
ードへ供給されることになる。これにより燃料電池の反
応が活性化され発電効率が向上する。この際、燃料電池
からの排気ガスは高温であるため、熱交換器８にてこの
高温の排気ガスにより導入管５内の空気が加熱昇温され
、高温となった空気がタービン７へ送られるので、コン
プレッサ４の消費動力をまかなうことができる。

ところで、一般に燃料電池は、アノード側との間の圧力
バランス上、流量を変化させても圧力は一定にしてカソ
ードへ空気を供給する、いわゆる定圧供給が必要である
。そのため、本発明では、空気供給管６に途中に吐出圧
力制御弁１０を、又空気排出管１２の途中に放風弁１１
をそれぞれ設けて、これらの弁１０．１１を適宜制御す
ることにより、空気の定圧供給が行えるようにしである
。今、吐出圧力制御弁１０を全開し且つ放風弁１１を仝
閉して空気供給管６から燃料電池のカソードに供給する
空気の圧力を制御せずに流量を変化させた場合には、流
量−圧力特性曲線は第２図のＡで示すように流量が増え
ると圧力が高く変動してしまい、定圧供給ができない。

そこで、上記吐出圧力制御弁１０又は放風弁１１を圧力
レベルに応じて制御すればどの圧力レベルでも圧カ一定
とすることができる。すなわち、第２図における吐出圧
力制御弁制御域では吐出圧力制御弁１０のみを制御する
だけで圧カ一定にでき、又、放風弁制御域では、放風弁
１１のみを制御すれば圧カ一定にできる。

又、第２図の直線Ｂのように圧カ一定にするときは、範
囲Ｂ′では吐出圧力制御弁１０を制御し、範囲Ｂ“では
放風弁１１を制御することにより直線Ｂの圧力で燃料電
池に空気が供給できる。なお、第２図で圧力９００．Ａ
ｑ以下の一定圧力に制御する時には、放風弁１１の制御
は不要である。

次に、第３図は本発明の他の実施例を示すもので、過給
機１のコンプレッサ４への空気の取入れを、空気取入れ
管３から過給機起動装置１８の補助コンプレッサ１６を
経由して行うようにし、且つ上記空気取入れ管３から過
給機起動装置１８を経由しないでも空気を吸入できるよ
うにバイパス管１９を設けて、該バイパス管１９に逆止
弁２０を設けたもので、その他の構成は第１図のものと
同じである。

この第３図の実施例では、起動時は空気取入れ口２より
取入れられた空気が空気取入れ管３から補助コンプレッ
サ１６内に導入され、ここで圧縮された空気が空気吐出
管１７から過給機１のコンプレッサ４に吸入されること
により該コンプレッサ４が起動される。一方、過給機１
が稼動状態になった後は、過給機起動装置１８のモータ
１５を停止して空気取入れ口２から取入れた空気が逆止
弁２０を通って直接過給機１のコンプレッサ４に吸入さ
れるようにする。

この方式を採用しても上記実施例と同等な作用効果を奏
し得る。

なお、本発明は上記実施例にのみ限定されるものではな
く、本発明の要旨を逸脱しない限り種々変更を加え得る
ことは勿論である。

［発明の効果］ 以上述べた如く本発明の燃料電池用空気供給装置によれ
ば、燃料電池へ空気を供給する過給機と、該過給機へ起
動用空気を送給する過給機起動装置とを備えて、過給機
起動装置のモータの使用を過給機起動時のみとし且つ過
給機稼動時にはコンプレッサの動力をタービンから回収
するようにしたので、従来に比しモータの消費電力を大
幅に節減することができ、又、燃料電池へ供給する過給
機からの空気を、燃料電池からの高温排気ガスによって
加熱昇温させるようにしたので、燃料電池の反応を活性
化できて発電効率の向上を図ることができる、等の優れ
た効果を奏し得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の燃料電池用空気供給装置の系統図、第
２図は供給空気圧力と吐出空気量比との関係を示す説明
図、第３図は本発明の他の実施例を示す系統図、第４図
は従来例の説明図である。 １・・・過給機、４・・・コンプレッサ、５・・・導入
管、６・・・空気供給管、７・・・タービン、８・・・
熱交換器、９・・・排ガス管、１０・・・吐出圧力制御
弁、１１・・・放風弁、１２・・・空気排出管、１５・
・・モータ、１６・・・補助コンプレッサ、１８・・・
過給機起動装置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）コンプレッサから吐出された空気を導入管によりタ
   ービンに導き該タービンから吐出された空気を空気供給
   管により燃料電池に供給するようにした過給機を備え、
   上記導入管に、燃料電池からの高温排気ガスが流通する
   熱交換器を設置し、且つ上記空気供給管に圧力制御弁を
   又上記空気供給管から分岐する空気排出管に放風弁をそ
   れぞれ設け、更に上記過給機のコンプレッサに、モータ
   と該モータによって駆動される補助コンプレッサとを有
   する過給機起動装置を接続してなることを特徴とする燃
   料電池用空気供給装置。