JPH0935735A - 燃料電池発電始動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 ターボチャージャの回転変動を少くして、始
動時の運転制御を容易にした燃料電池発電始動装置。 【解決手段】 ターボチャージャ２のコンプレッサ２ｂ
の吸気側に燃料電池の起動運転状態から自立運転状態へ
の切り換えまで空気を供給する、バッテリ１０２駆動の
圧縮空気供給装置１０４を具えた初期空気供給ライン１
０１と、コンプレッサ２ｂの吸気側に前記燃料電池の自
立運転状態への切り換え後空気を供給する、流路抵抗が
小さくされるとともに、自動開閉弁１１２を具えた後期
空気供給ライン１１０とを設けた、ターボチャージャ２
のタービン排気で原料ガスを改質する、燃料改質器３か
ら供給される水素と、ターボチャージャ２のコンプレッ
サ２ｂから供給される空気との電気化学反応により発電
を行う、固体高分子型燃料電池の始動を行うための燃料
電池発電始動装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子型燃料
電池を使用する発電システムの始動装置、特にターボチ
ャージャの回転変動を少くして、始動時の運転制御を容
易にした燃料電池発電始動装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】低温で作動し、燃料電池本体の起動時間
が非常に短い、固体高分子型燃料電池（以下単に燃料電
池という。）の特性を利用して、近年、車載用の内燃機
関に代えて作動するモータの電源として利用し、このモ
ータにより、車両等を駆動することが考えられている。
この場合、重要なことは、車両等の運行自由度を確保す
ることから商用電源を使用しないことは当然のこととし
て、車載用であることから、バッテリ容量に限界がある
ため、可能な限り起動時間を短縮し、起動時の消費電力
を低減させ、バッテリを小容量化するとともに、装置の
大型化の防止、通常運行時の燃費の低減等が必要とな
る。さらに、車両等を駆動する車載用に使用するために
は、発停の頻度が大きいことから、始動時の運転制御が
容易であることが重要となる。

【０００３】図４は、このような、車両等を駆動する車
載用としての開発が進められている、燃料電池の発電シ
ステムの系統図を示す。

【０００４】図において、１は固体高分子型燃料電池の
燃料電池本体、２はターボチャージャ、２ａはターボチ
ャージャ２のタービン、２ｂは同様にターボチャージャ
２に付設されたコンプレッサ、３は原料ガスＦを燃料電
池本体１の発電に使用される水素に改質する燃料改質
器、４は商用の交流電源で駆動される空気圧縮機、５は
エアーフィルタ、６は電磁弁もしくは逆止弁（以下電磁
弁として説明する）、７はメタノール着火装置、８は触
媒バーナ、９はメタノールタンク、１０，１１はポン
プ、１２はオイルタンク、１３は冷却器、１４はオイル
ポンプ、１５はオイルフィルタである。

【０００５】このように構成された発電システムでは、
ターボチャージャ２におけるカートリッジの潤滑油圧
を、ポンプ１４への印加電圧制御によりコントロールし
た後、商用の１００Ｖ、若しくは２００Ｖの交流電源に
より空気圧縮機４を起動させ、エアーフィルタ５を通し
て、ターボチャージャ２に設けられたコンプレッサ２ｂ
を経由して、メタノール着火装置７および触媒バーナ８
に空気Ａを供給する。このとき、ターボチャージャ２
は、コンプレッサ２ｂを通る空気Ａの駆動力により低速
回転を始める。

【０００６】また、空気Ａの供給と同時に、メタノール
着火装置７に、ポンプ１１でメタノールタンク９からメ
タノールを供給するとともに、グロープラグ等の点火装
置により、空気Ａと混合したメタノールを着火すること
により、メタノール着火装置７を作動させ、その燃焼ガ
スにより、触媒バーナ８の入口温度を、ポンプ１０でメ
タノールタンク９から触媒バーナ８に供給される、メタ
ノールの着火温度以上に上昇させ、メタノール燃焼を開
始させる。

【０００７】触媒バーナ８で発生する燃焼ガスの温度上
昇とともに、この燃焼ガスが供給されるタービン２ａの
エネルギー回収量が増加し、コンプレッサ２ｂを通過す
る空気Ａで低速回転をしているターボチャージャ２は、
相乗的に回転数が上昇し、コンプレッサ２ｂを駆動状態
にする。

【０００８】ターボチャージャ２が規定回転数に達した
ところで、電磁弁６を開くと同時に、商業電源で駆動さ
れている空気圧縮機４の電源を切ることにより、エアー
フィルタ５を通って、空気圧縮機４で供給されていた空
気Ａは、エアーフィルタ５を通過後、電磁弁６を通って
駆動状態になったコンプレッサ２ｂに吸引され、供給さ
れるようになり、ターボチャージャ２が自立運転を開始
する。

【０００９】この時点では、すでに前述したように、空
気圧縮機４に代ってターボチャージャ２のコンプレッサ
２ｂによって、燃料電池本体１へ圧縮空気を供給できる
状態になっており、またタービン２ａからの排気ガス
は、燃料改質器３に連続的に供給されており、原料ガス
の改質に必要な熱源になり、燃料改質器３で原料ガスを
改質した水素が燃料電池本体１に供給されるとともに、
図示しない反応ガス用加湿器に通されて、燃料電池本体
１の加湿用熱源にもなっており、燃料電池本体１の始動
運転が開始されている状態になっている。

【００１０】このように、ターボチャージャ２を用いて
発電を行うに必要な水素、空気、および加熱用の熱エネ
ルギーを供給する従来の発電システムでは、起動時の消
費電力が低減し、発電システムの大型化が緩和されると
ともに、通常運行時の燃費増大を招かない利点がある反
面、その起動に、発電システム外部の駆動力、すなわち
商業電源等で駆動される空気圧縮機４からの圧縮空気を
必要とし、車載化、可搬式システム化を困難にするとい
う欠点があった。

【００１１】このため、車載駆動源、すなわち車両に搭
載したバッテリ等により、始動用の空気圧縮機を作動さ
せて、この圧縮空気により発電システムの起動を行い、
この欠点を解消する試みもなされている。しかしなが
ら、起動用の圧縮空気が、車両に搭載されたバッテリ等
の車載駆動源で得られるようになったとしても、ターボ
チャージャ２の起動運転から自立運転への切り換え時に
おいて、生じる始動時の運転制御の難しさは、不具合と
して残っている。

【００１２】すなわち、ターボチャージャ２のコンプレ
ッサ２ｂに空気Ａを供給する空気供給ラインの転換、前
述したように、ターボチャージャ２が規定回転数に達し
たとき、それまで空気圧縮機４を通してのコンプレッサ
２ｂへ空気を供給している状態から、電磁弁６を開放
し、電磁弁６を通過させてのコンプレッサ２ｂへの空気
供給への転換時に、ライン内の配管、及び弁等による圧
損等の変化によって、ターボチャージャの回転数が急変
し、特に回転数が低下することによる運転制御の難しさ
がある。

【００１３】このターボチャージャ２の急変に対して
は、触媒バーナ８へメタノールを供給するポンプ１０の
回転数を変えることにより、触媒バーナ８で発生する燃
焼ガスの量を変動させて、ターボチャージャ２の安定運
転への制御を行うようにしているが、この燃料制御等が
非常に複雑で、始動時の運転制御が難しくなるという問
題があった。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述した燃
料電池の運転にターボチャージャを使用するようにした
発電システムにおいて、起動運転から自立運転への転換
時に生じる運転制御の困難性の解消に、特に、始動時に
おける運転制御を容易にして、車両等の駆動装置として
燃料電池を利用できるようにした、燃料電池発電始動装
置を提供することを課題とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】このため、本発明の燃料
電池発電始動装置は次の手段とした。

【００１６】（１）ターボチャージャのコンプレッサ入
口（吸気）側に、燃料電池の起動運転状態から自立運転
状態に達し、自立運転状態への運転切り換えが終了する
までの間、圧縮空気を供給する初期空気供給ラインを設
けるとともに、この初期空気供給ラインに、可搬できる
バッテリで駆動される圧縮空気供給装置を設けた。

【００１７】（２）ターボチャージャのコンプレッサ入
口側に、燃料電池の自立運転状態への運転切り換え後、
外気を供給する、流路抵抗が小さくなる形状にされた後
期空気供給ラインを設けるとともに、この後期空気供給
ラインに、燃料電池の自立運転状態への運転切り換え時
に、コンプレッサ入口側に発生する吸引力によって、自
動的に開放される自動開閉弁を設けた。

【００１８】燃料電池（ターボチャージャ）の起動運転
から自立運転への切り換え時においては、ターボチャー
ジャの回転数が急変するという現象が生じやすい。すな
わち、ターボチャージャのコンプレッサから吐出される
圧縮空気の流量が、ターボチャージャの起動運転から自
立運転へ切り換により、急激に増加あるいは減少する
と、この圧縮空気が供給される触媒バーナで発生する燃
焼ガスの温度、及び流量が急変し、さらに、触媒バーナ
の出口側に接続されているターボチャージャのタービン
入口側の燃焼ガスの条件が急変して、タービンでのエネ
ルギー回収量が変化することになり、ターボチャージャ
の回転は、相乗効果的に不安定な状態になる。

【００１９】このため、本発明の燃料電池発電始動装置
では、上述の手段により、燃料電池の起動運転状態から
自立運転状態への切り換える時、すなわち、バッテリで
駆動される圧縮空気装置からの圧縮空気が、初期空気供
給ラインによってターボチャージャのコンプレッサ入口
側へ供給され、コンプレッサを回転させることにより、
ターボチャージャを低速で回転させるとともに、コンプ
レッサから吐出される圧縮空気を、燃料電池本体、およ
びメタノール着火装置を経由して、触媒バーナに供給す
る起動運転状態から、ターボチャージャが規定回転数に
達して、自動開閉弁が開放されて、後期空気供給ライン
によって、ターボチャージャのコンプレッサ入口側に供
給された空気が、ターボチャージャのコンプレッサによ
り圧縮されて、燃料電池、および触媒バーナへ定常的に
供給される自動運転状態に切り換える時、コンプレッサ
から吐出される圧縮空気の流量が急激に増加、あるいは
減少することがなくなり、ターボチャージャの回転数が
急変するという、ターボチャージャの不安定状態が生じ
にくくなり、これにより、触媒バーナの燃料制御等の操
作が容易になり、燃料電池の始動時の運転制御をきわめ
て容易にすることができる。

【００２０】すなわち、バッテリで駆動される圧縮空気
供給装置から圧縮空気を、コンプレッサ入口側に送り込
み、ターボチャージャを駆動する状態にある、起動運転
状態で使用される初期空気供給ラインとは別に、後期空
気供給ラインを設け、しかも、この後期空気供給ライン
は、その長さを可能な限り短くし、また可能な限り直管
で形成する等して、流路抵抗を少くするとともに、運転
状態の切り換え時の圧縮空気供給装置の停止に伴い、コ
ンプレッサの入口側に発生する負圧で急速に開放される
自動開閉弁を設置することにより、圧縮空気供給装置の
停止に伴う、コンプレッサ吐出側から流出する圧縮空気
の流量の変動を少くすることができ、ターボチャージャ
の不安定状態をほとんどなくすることができる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の燃料電池発電始動
装置の実施の一形態を、図面にもとづき説明する。図１
は本発明の燃料電池発電始動装置の第１形態を具える発
電システム系統図、図２は図１に示すエアフィルタ、図
３は図２に示すエアフィルタに設ける自動開閉弁を示す
図である。なお、これらの図において、図４に示す符番
と同一符番のものは、同一部材につき説明は省略する。

【００２２】図１において、１０１は初期空気供給ライ
ン、１０２は可搬式のバッテリ、１０３はバッテリ１０
２で駆動される直流モータ、１０４は直流モータ１０３
で駆動される、圧縮空気供給装置としての空気圧縮機、
１０５は空気圧縮機１０４の吸気口へ供給される空気Ａ
を清浄にするエアーフィルタである。また、１１０は後
期空気供給ライン、１１１はエアーフィルタ、１１２は
バタフライ弁等の自動開閉弁である。

【００２３】図２において、後期空気供給ライン１１０
に設置されるエアーフィルタ１１１は、外気に開口する
入口部１１３と後期空気供給ライン１１０に接続する出
口部１１４を具えるとともに、内部に空気中の異物を捕
集するフィルタを充填した円筒形状のものからなる。

【００２４】また、エアーフィルタ１１１の入口部１１
３には、自動開閉弁１１２が設置されている。自動開閉
弁１１２は、図３に示すように、円板状の薄板１１５
と、薄板１１５の中心線から外れた位置を横断させて、
薄板１１５に固着された回転軸１１６からなり、回転軸
１１６の両端を回転自在にして入口部１１３に取付け
て、入口部１１３内周面との間に、隙間１１７を設けて
回動できるように、入口部１１３に薄板１１５を設置し
ている。また、入口部１１３の内側面には、薄板１１５
の回転を規制するストッパ１１８が突設してある。

【００２５】本形態の燃料電池発電始動装置は、上述の
ように構成されているので、ターボチャージャ２におけ
るカートリッジへの潤滑油圧を、オイルポンプ１４への
印加電圧制御によりコントロールした後、空気圧縮機１
０４を起動させ、エアーフィルタ１０５を通して導入し
た空気を圧縮して、コンプレッサ２ｂに供給する。この
時ターボチャージャ２のコンプレッサ２ｂの入口側に連
結された、後期空気供給ライン１１０に設置された、エ
アーフィルタ１１１の入口部１１３に取り付けた自動開
閉弁１１２は、図３（Ａ）に示すように薄板１１５が閉
じられている状態となっている。

【００２６】隙間１１７からの空気のもれは、多少ある
が、ここでは問題ない程度である。また、コンプレッサ
２ｂに供給された圧縮空気は、コンプレッサ２ｂを通過
する時ターボチャージャ２を約５０，０００ｒｐｍの低
速回転で回転させるとともに、コンプレッサ２ｂ吐出口
から燃料電池本体１を通り、１部分をメタノール着火装
置７を通して、触媒バーナ８に供給される。

【００２７】空気圧縮機１０４の起動と同時に、通電式
セラミック製グロープラグ、及び小型触媒バーナ等から
なる着火装置により、ポンプ１１でメタノールタンク９
から供給されるメタノールと、圧縮空気の混合体を着火
させて、起動用燃焼ガスを発生させるメタノール着火装
置７を作動させて、触媒バーナ８入口温度を、ポンプ１
０でメタノールタンク９から供給されるメタノールの着
火温度（約１２０℃）まで昇温させる。そして、この入
口温度が約１２０℃まで昇温したら、触媒バーナ８にポ
ンプ１０でメタノールタンクからメタノールを供給し、
コンプレッサ２ｂの吐出口からの全供給空気によって、
燃焼を開始させる。

【００２８】なお、メタノール着火装置７は、触媒バー
ナ８での燃焼温度が安定に上昇し始めたとみなせる時
点、例えば、触媒バーナ８からの燃焼ガスの温度が２０
０℃に到達した時点で、メタノール着火装置７のグロー
プラグへ着火用電力を供給する電源を切り、運転が停止
するようにしている。

【００２９】触媒バーナ８での燃焼ガスの温度上昇とと
もに、触媒バーナ８からタービン２ａへ供給される燃焼
ガスエネルギーが増大し、タービン２ａの駆動量が増加
し、それにより、空気圧縮機１０４からの圧縮空気によ
り駆動されていたコンプレッサ２ｂは、タービン２ａか
ら駆動力のみで駆動される状態になり、コンプレッサ２
ｂからの吐出空気量も増加し、触媒バーナ８に供給され
る圧縮空気が増大し、これによって、ターボチャージャ
２の回転数が相乗的に上昇する。ターボチャージャ２が
規定回転数に達したところで、直流モータ１０３の電源
を切り、空気圧縮機１０４を停止させることにより、起
動運転状態から自立運転状態への切り換えが行われる。

【００３０】この切り換え時点においては、すでに、タ
ービン２ａの駆動仕事がコンプレッサ２ｂの圧縮仕事と
同等、もしくは上回る状態となっているので、コンプレ
ッサ２ｂ入口側には、空気圧縮機１０４の停止と同時
に、空気を吸い込もうとする負圧が発生する。そして、
この負圧の発生により、後期空気供給ライン１１０のエ
アーフィルタ入口部１１３に設置されている自動開閉弁
１１２の薄板１１５が、図３（Ｂ）に示すよう、中心よ
りずれている回転軸１１６まわりに回転し始め、図３
（Ｃ）に示すような状態になって静止し、外気から導入
される空気Ａは、自動的に瞬時にエアーフィルタ１１１
を通り、後期空気供給ライン１１０から、コンプレッサ
２ｂの吸気側に供給されるようになる。

【００３１】この自立運転状態への燃料電池運転状態切
り換え時に、コンプレッサ２ｂ入口に生じる圧力変動は
わずかであり、ターボチャージャ２の回転数に大きな変
化が生じず、コンプレッサ２ｂの吐出側から流出する圧
縮空気の流量は、ほとんど変動しない。すなわち、自立
運転状態への切り換え時に、直流モータ１０３の電源を
切ることで、ターボチャージャ２の回転はほとんど変動
せず、安定したまま、コンプレッサ２ｂの入口へ空気を
供給する空気供給ラインが、初期空気供給ライン１０１
から後期空気供給ライン１１０に、自動的に、瞬時に転
換され、ターボチャージャ２は自立運転を開始できる。

【００３２】この時点で、すでにターボチャージャ２
は、燃料電池本体１へ圧縮空気を供給しており、また、
タービン２ｂからの排気ガスを燃料改質器３に連続的に
供給して改質用必要熱源になっていると同時に、タービ
ン２ｂからの排気ガスを反応ガス用加湿器を通すことに
よって、燃料電池本体１の加湿用熱源ともなっており、
燃料電池の始動運転が開始されている状態になってい
る。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の燃料電池
発電始動装置によれば、特許請求の範囲に示す構成によ
り、燃料電池を起動して始動運転状態から自立運転状態
への切り換え時に、始動運転状態で圧縮空気を供給して
いる圧縮空気供給装置の電源を切ることで、燃料電池の
運転に必要な空気を供給するとともに、燃料電池の運転
に必要な水素に原料ガスを改質させる燃料改質器等に必
要な熱を供給するようにした、ターボチャージャへの空
気供給ラインが、始動運転状態で使用される初期空気供
給ラインから自立運転状態で使用される後期空気供給ラ
インに、自動的に、瞬時に転換されてターボチャージャ
が自立運転を開始させることができ、しかも、その時の
ターボチャージャの状態（回転数）に、急激な変化が生
じないようにすることができる。

【００３４】これにより、従来始動運転状態から自立運
転状態に切り換え時に、発生していたターボチャージャ
２の回転数の急変、特に、回転数の低下に伴う触媒バー
ナへメタノールを供給する、ポンプ１０の回転数を変
え、触媒バーナで発生する燃焼ガスの量を変動させて、
ターボチャージャを安定運転へ制御する非常に複雑な燃
料制御等が、容易になり、始動時の運転制御が容易にな
る。また、これにより燃料電池の車両等の駆動装置とし
ての適用が容易になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の固体高分子型の燃料電池発電始動装置
の実施の第１形態を具える発電システム系統図、

【図２】図１に示すエアーフィルタを示す図で、図２
（Ａ）は全体斜視図、図２（Ｂ）は入口部の詳細を示す
一部を透視した斜視図、

【図３】図２に示す自動開閉弁を示す図で、図３（Ａ）
は全閉時の正面図、図３（Ｂ）は開放移行時の正面図、
図３（Ｃ）は開放時の正面図、

【図４】従来の固体高分子型燃料電池を使用した発電シ
ステムを示す系統図である。

【符号の説明】

１ 燃料電池本体 ２ ターボチャージャ ２ａ タービン ２ｂ コンプレッサ ３ 燃料改質器 ４ 空気圧縮機 ５ エアーフィルタ ６ 電磁弁（逆止弁） ７ メタノール着火装置 ８ 触媒バーナ ９ メタノールタンク １０ （触媒バーナ用）ポンプ １１ （メタノール着火装置用）ポンプ １２ オイルタンク １３ 冷却器 １４ オイルポンプ １５ オイルフィルタ １０１ 初期空気供給ライン １０２ バッテリ １０３ 直流モータ １０４ 圧縮空気供給装置 １０５ エアーフィルタ １１０ 後期空気供給ライン １１１ エアーフィルタ １１２ 自動開閉弁 １１３ （エアーフィルタ）入口部 １１４ （エアーフィルタ）出口部 １１５ （自動開閉弁）薄板 １１６ （自動開閉弁）回転軸 １１７ 隙間 １１８ ストッパ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ターボチャージャのタービン排気で原料
   ガスを改質する、燃料改質器から供給される水素と、タ
   ーボチャージャのコンプレッサから供給される空気との
   電気化学反応により発電を行う、固体高分子型燃料電池
   の始動を行うための燃料電池発電始動装置において、前
   記コンプレッサの吸気側に前記燃料電池の起動運転状態
   から自立運転状態への切り換えまで空気を供給する、バ
   ッテリ駆動の圧縮空気供給装置を具えた初期空気供給ラ
   インと、前記コンプレッサの吸気側に前記燃料電池の自
   立運転状態への切り換え後空気を供給する、流路抵抗が
   小さくされるとともに、自動開閉弁を具えた後期空気供
   給ラインとを設けたことを特徴とする燃料電池発電始動
   装置。