JP3637792B2 - 燃料電池装置 - Google Patents

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５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、燃料電池の排出ガスから残留エネルギを回収して、回生機の無駄な消費を伴うことなく、圧縮機の動力助勢を達成するとともに、スクロール型式の圧縮機及び回生機の簡素化により、一層の機械効率の向上を図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が共有する可動スクロールはモータ出力軸に結合され、その基板の両面に突設された渦巻体が、それぞれ両固定スクロールの渦巻体と噛合されており、
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。
【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に結合された共有の可動スクロールを介して巧みに組合されているので、とくに車両用燃料電池装置に要求される厳格な簡潔性と優れた機械効率とを併有する空気供給機構を得ることができる。とくに、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たものでは、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、つまりは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生成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。
なお、請求項５記載の発明は燃料電池そのものも燃料電池装置の一部としたものである。
【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具体的に説明する。
図においてモータ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は軸受１１、１２を介して回生機Ｅ側の固定スクロール３０と、モータＭのエンドキャップ１３とにより支持されている。モータ出力軸Ｍｃの軸心に対して平行、かつ所定量偏心したクランク部１４には、圧縮機Ｃと回生機Ｅとに共有の可動スクロール４０が軸受１５を介して回転自在に組付けられている。可動スクロール４０の基板４０ａの一側面（図示右側）には圧縮機用の可動渦巻体４０ｂが、他側面（図示左側）には回生機用の可動渦巻体４０ｃが突設されている。可動スクロール４０はモータ出力軸Ｍｃが回転すると、クランク部１４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運動を行う。このとき可動スクロール４０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。 圧縮機Ｃ側の固定スクロール２０と回生機Ｅ側の固定スクロール３０とは、共に可動スクロール４０を覆蓋するハウジング状に形成され、両固定スクロール２０、３０の内側面には、それぞれ固定渦巻体２０ａ、３０ａが突設されるとともに、公転運動を行う可動渦巻体４０ｂ、４０ｃが該固定渦巻体２０ａ、３０ａと噛合することにより、圧縮機Ｃ側の両渦巻体２０ａ、４０ｂ間には作動室２１、回生機Ｅ側の両渦巻体３０ａ、４０ｃ間には作動室３１が形成される。そしてこれら二つの作動室２１、３１は、両固定スクロール２０、３０が可動スクロール４０の基板４０ａを封止する形態で組合わされることにより、全く導通不能に離絶されている。なお、圧縮機Ｃ側の固定スクロール２０には吸入ポート２２及び吐出ポート２３、回生機Ｅ側の固定スクロール３０には導入ポート３２及び放出ポート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部の各作動室２１、３１と連通されている。
【００１２】
次に自転防止機構について説明する。固定スクロール２０に保持された軸受１６、１６によって、クランク部１４と同量だけ偏心した補助クランク部１７ａを有する補助クランク軸１７が回転自在に支持されており、該補助クランク軸１７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１７ａは軸受１８を介して可動スクロール４０を回転自在に支持している。
【００１３】
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。
さて、本発明の最も特徴とする構成を図３及び図４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４０ｂの公転運動により、固定渦巻体２０ａとの間に形成される作動室２１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２１、並びに順次容積を縮小された該作動室２１が吐出ポート２３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４は、回生機Ｅを構成する可動渦巻体４０ｃ及び固定渦巻体３０ａであって、燃料電池１内で生じる圧力損失を補完すべく、両渦巻体４０ｃ及び３０ａ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３３からまさにガスが放出される直前の作動室３１を表しており、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。また、図３に示すように、作動室２１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３１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。
【００１４】
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２４に供給される。
【００１５】
上述のように共にスクロール型式の圧縮機Ｃと回生機Ｅとが、可動スクロール４０を共有する形態で結合された構成、すなわちモータＭを含む空気供給機構と、動力助勢機構とからなる一連の駆動機構は、総軸長が極限的に短縮されることにより、とくに車両用燃料電池装置に供して一層好適な簡潔性を備えており、さらにスクロール型の圧縮機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も格段と優れている。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４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３に示されている作動室２１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３１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。
【００１６】
【発明の効果】
以上、詳述したように本発明は、スクロール型の圧縮機とスクロール型の回生機とが、可動スクロールを共有する形態で結合されているので、モータを含む総軸長の短縮とともに構造が著しく簡素化され、しかも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。とくに、回生機の圧力比を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しているので、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】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５】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は圧縮機の固定スクロール、３０は回生機の固定スクロール、４０は圧縮機及び回生機に共有の可動スクロール、Ｍｃはモータ出力軸、Ｃは圧縮機、Ｅは回生機

Claims (5)

1. 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が共有する可動スクロールはモータ出力軸に結合され、その基板の両面に突設された渦巻体が、それぞれ両固定スクロールの渦巻体と噛合されており、
   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。
2. 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。
3. 上記可動スクロールの上記基板両面に突設された上記圧縮機用可動渦巻体および上記回生機用可動渦巻体は、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形成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。
4. 上記圧縮機及び回生機の相対的な圧力比は、両者の前記スクロールに形成される前記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。
5. 燃料電池と該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が共有する可動スクロールはモータ出力軸に結合され、その基板の両面に突設された渦巻体が、それぞれ両固定スクロールの渦巻体と噛合されており、
   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。

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