JP2003031244A

JP2003031244A - 燃料電池用ガス循環システム及び燃料電池用ガス循環装置

Info

Publication number: JP2003031244A
Application number: JP2001213042A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Sugawara; 竜也菅原; Yoshio Nuitani; 芳雄縫谷
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2001-07-13
Filing date: 2001-07-13
Publication date: 2003-01-31

Abstract

(57)【要約】【課題】燃料電池の効率を低下することなく燃料ガス
を再循環でき、また、燃料ガス容器に貯蔵された燃料ガ
スを充分に使い切ることのできる、燃料電池用ガス循環
システム及び燃料電池用ガス循環装置を提供する。【解決手段】水素をアノード１１に供給し、空気をカ
ソード１２に供給することにより電気を発生する燃料電
池１のカソード１２から排出されるカソードオフガスの
流路上に設けられ、燃料電池１に加えられる空気の圧力
を調整する背圧弁３５と、アノード１１から排出された
アノードオフガスを燃料電池１に供給される水素に合流
させる水素循環流路とを備えた燃料電池用ガス循環シス
テムにおいて、カソード１２と背圧弁３５との間のオフ
ガスの流路上にこのカソードオフガスの圧力により駆動
されるタービン３３を設け、水素循環流路上にタービン
３３により駆動されるコンプレッサ２４を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池に適用さ
れる燃料電池用ガス循環システム及び燃料電池用ガス循
環装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、地球温暖化の原因になる二酸化炭
素の排出量を抑制する等の環境面から、燃料電池電気自
動車（ＦＣＥＶ；Fuel Cell Electric Vehicle）が注目
されている。燃料電池電気自動車は、例えば水素ガス容
器に貯蔵された水素（Ｈ₂）と空気中の酸素（Ｏ₂）を電
気化学的に反応させて発電する燃料電池（ＦＣ；FuelCe
ll）を搭載し、燃料電池が発電した電気を走行モータに
供給して駆動力を発生させている。

【０００３】ところで、燃料電池の効率を上げるため
に、燃料電池には燃料電池で消費される以上の量の水素
及び空気が供給される。このため、消費されない水素及
び空気が生じる。消費されなかった空気については、そ
のまま大気中に放出すれば大きな支障はないが、水素ガ
ス容器から供給される水素については、消費されなかっ
た水素を大気中に放出すると燃費を著しく悪化させる原
因となる。そのため、水素ポンプを用いて水素を循環使
用することが行われる。

【０００４】例えば、特開平８−２０３５４７号公報に
は「固体高分子燃料電池から排出される残存水素、及び
残存酸素を動力を必要とすることなく、固体高分子燃料
電池に再循環させることができるようにした、固体高分
子型燃料電池システム」が開示されている。具体的に
は、図４に示すように、この固体高分子型燃料電池シス
テム１００は、水素（アノードガス）及び酸素（カソー
ドガス）の供給圧力でそれぞれ駆動される水素圧力回収
タービン１２７及び酸素圧力回収タービン１２８と、こ
の圧力回収タービン１２７，１２８でそれぞれ駆動され
る水素回収コンプレッサ１２９及び酸素回収コンプレッ
サ１３０を設けている。そして、燃料電池１１０のアノ
ードから排出される残存水素（アノードオフガス）及び
カソードから排出される残存酸素（カソードオフガス）
を回収して、それぞれのコンプレッサ１２９，１３０で
燃料電池１１０へ再度供給して、循環させる。なお、図
４において、符号１０８は純水素を貯槽する水素ガス容
器、符号１０９は純酸素を貯蔵する酸素ガス容器であ
る。また、符号１１９は水素レギュレータ、符号１２０
は酸素レギュレータである。また、符号１１１は水素加
湿器、符号１１２は酸素加湿器である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、燃料電
池１１０に供給されるアノードガスの圧力を回収して燃
料電池１１０から排出されるアノードオフガスの圧力を
高め、また燃料電池１１０に供給されるカソードガスの
圧力を回収して燃料電池１１０から排出されるカソード
オフガスの圧力を高め、そして、それぞれ燃料電池１１
０に再循環させたのでは、燃料電池１１０に供給される
アノードガス及びカソードガスの圧力が、圧力回収ター
ビン１２７，１２８を介在させたために低くなり、その
結果として燃料電池１１０の発電効率が下がってしまう
問題がある。また、このように、水素ガス容器１０８に
蓄えられた水素（アノードガス）の圧力で燃料電池１１
０から排出されるアノードオフガスを循環しようとする
と、水素ガス容器１０８の圧力が低くなるとアノードオ
フガスを再循環することができなくなってしまう。つま
り、アノードガスを再循環しようとすると、水素ガス容
器１０８に貯蔵された水素を充分に使い切ることができ
ないという問題がある。この問題は、例えば燃料電池電
気自動車の場合、１回の水素充填で走行できる距離が短
くなることを意味し、商品性能上芳しくない。

【０００６】そこで、本発明は、燃料電池の効率を低下
することなく燃料ガスを再循環することができ、また、
燃料ガス容器に貯蔵された燃料ガスを燃料電池に供給す
る場合でも、この容器に貯蔵された燃料ガスを充分に使
い切ることのできる、燃料電池用ガス循環システム及び
燃料電池用ガス循環装置を提供することを主たる目的と
する。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記課題に鑑み本発明者
らは鋭意研究を行い、空気をカソードに供給して発電す
る燃料電池の場合、カソードから排出されたオフガス
（カソードオフガス）は、燃料電池で酸素を消費されて
酸素濃度が低くなっているので再循環するのは好ましく
ないこと、その一方で、まだ相当量の圧力エネルギを保
有しているのでそのまま排出したのでは無駄を生じるこ
となどに着目し、このカソードから排出されるカソード
オフガスの圧力を回収して燃料電池のアノードから排出
されるオフガス（アノードオフガス）を圧縮すること
で、アノードオフガスの燃料ガスとしての再循環、燃料
電池の効率改善などが達成されることを見出し、本発明
を完成するに至った。

【０００８】即ち、前記課題を解決した本発明（請求項
１）は、燃料ガスをアノードに供給し、空気をカソード
に供給することにより電気を発生する燃料電池のカソー
ドから排出されるオフガスの流路上に設けられ、前記燃
料電池に加えられる前記空気の圧力を調整する背圧弁
と、前記アノードから排出されたオフガスを前記燃料電
池に供給される前記燃料ガスに合流させる燃料ガス循環
流路と、を備えた燃料電池用ガス循環システムである。
そして、この燃料電池用ガス循環システムは、前記カソ
ードと前記背圧弁との間のオフガスの流路上にこのオフ
ガスの圧力により駆動されるタービンを設け、前記燃料
ガス循環流路上に前記タービンにより駆動されるコンプ
レッサを設けたことを特徴とする。

【０００９】この構成では、燃料電池のカソードから排
出されたオフガスが背圧弁に至るまでのオフガスの流路
上に、このオフガスの圧力により駆動されるタービンが
設けられる。一方、循環流路に設けられたコンプレッサ
は、前記したタービンにより駆動され、アノードから排
出されたオフガスを圧縮して燃料ガスに合流させる。つ
まり、アノードから排出されたオフガスは、燃料電池に
供給されるガスの圧力エネルギではなく、カソードから
排出されるオフガス（空気）の圧力エネルギで圧縮され
る。また、背圧弁は燃料電池の運転圧力を高くする。ち
なみに、燃料電池は、加圧状態の方が発電効率は高くな
る。なお、本発明は、燃料電池に供給される燃料ガスの
圧力エネルギによりアノードのオフガスを循環する構成
ではないので、例えば、高圧水素容器に充填された水素
を燃料ガスとして燃料電池に供給する場合に、該容器に
充填された水素を充分に使い切ることができる。

【００１０】また、本発明は（請求項２）、請求項１の
構成において、前記カソードから排出されるオフガスの
流路上に前記タービンを迂回させるバイパス流路を設
け、該バイパス流路上に開度調整可能なバイパス弁を設
けたことを特徴とする燃料電池用ガス循環システムであ
る。

【００１１】この構成では、バイパス流路の開度を調整
することで、燃料電池のカソードから排出されるオフガ
スが保有する圧力エネルギの回収量を調整できる。例え
ば、バイパス弁の開度を開く方向に調整すると、バイパ
ス流路での流れの抵抗が減少するので、タービンを迂回
するオフガスの量が多くなり、タービンによる圧力エネ
ルギの回収量が少なくなる。なお、タービンによる圧力
エネルギの回収量が少なくなると、タービンにより駆動
されるコンプレッサがアノードから排出されるオフガス
に与える圧力エネルギの量も少なくなる。一方、バイパ
ス弁の開度を閉じる方向に調整すると、開く方向に調整
するのとは逆の作用を及ぼす。

【００１２】また、前記課題を解決した本発明（請求項
３）の燃料電池用ガス循環装置は、燃料ガスをアノード
に供給し、空気をカソードに供給することにより電気を
発生する燃料電池のカソードから排出された空気により
駆動され、Ｎ極又はＳ極のうちの一方の極を有する駆動
軸を備えるタービンと、前記Ｎ極又はＳ極のうちの他方
の極を有して前記タービンの駆動軸と同軸に配される被
駆動軸を有し、前記燃料ガスを送出するコンプレッサ
と、前記タービン及び前記駆動軸と、前記コンプレッサ
及び前記被駆動軸とを隔てる隔壁と、前記タービン、前
記コンプレッサ及び前記隔壁を内蔵する筐体とを備えた
ことを特徴とする。

【００１３】この構成では、駆動軸及び被駆動軸が隔壁
で隔てられているので、軸封を完全に行うことができ
る。よって、例えば燃料ガスのロスを少なくして燃料電
池における燃料ガスの燃費を良好なものとすることがで
きる。なお、カソードから排出された空気により駆動さ
れるタービンの駆動力は、隔壁を隔てて磁力によりター
ビンの駆動軸からコンプレッサの被駆動軸へと伝達され
る。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
面を参照して詳細に説明する。図１は、本実施形態の燃
料電池用ガス循環システムが適用される燃料電池システ
ムの全体構成図である。

【００１５】≪燃料電池用システム（燃料電池用ガス循
環システム）≫図１に示す燃料電池システムＦＣＳは、
燃料電池１を中核とした発電システムである。燃料電池
１は、水素供給装置２から燃料ガスとしての水素がアノ
ード１１に供給され、空気供装置３から空気がカソード
１２に供給され、水素と空気中の酸素を触媒の存在下で
電気化学的に反応させて発電する。燃料電池１は、固体
電解質膜を電極及びセパレータで挟みこんだ単セルを、
数百枚積層した構造をしている。なお、本実施形態での
燃料電池用ガス循環システムは、水素供給装置２及び空
気供給装置３から構成されるものとする。

【００１６】燃料電池１のアノード１１は、水素の入口
と出口であるアノード入口１１ａとアノード出口１１ｂ
を備える。アノード入口１１ａから供給された水素は、
アノード１１の各電極に行き渡り、各電極で所定量がプ
ロトンになり電解質膜を通過してカソード１２の各電極
で酸素と反応する。この際に、電子を放出する。また、
アノード１１の各電極でプロトンにならなかった水素
は、アノードオフガスとしてアノード出口１１ｂから燃
料電池１の外に排出されるようになっている。

【００１７】燃料電池１のカソード１２は、空気の入口
と出口であるカソード入口１２ａとカソード出口１２ｂ
を備える。カソード入口１２ａから供給された空気は、
カソード１２の各電極に行き渡り、電解膜を通過してき
たプロトンと各電極で電気化学的に反応して水を生成す
る。なお、アノード１１で水素から放出された電子は燃
料電池１の外部に存在する負荷を経由してカソード１２
に達する。カソード１２において、反応に関与しなかっ
た酸素は窒素及び生成水と共に、カソード出口１２ｂか
らカソードオフガスとして燃料電池１の外に排出される
ようになっている。

【００１８】なお、燃料電池１から取り出される電流の
量は、ＶＣＵ（リミッタ機能付き電力調整器）１３によ
り制御される。ＶＣＵ１３を介して燃料電池１から取り
出された電流は、図示しない走行モータなどの負荷及び
キャパシタに供給される。キャパシタは、電力の生成と
消費におけるエネルギバッファの役割を有する。ちなみ
に、燃料電池１は、水素及び空気が充分供給されても、
燃料電池１から電流を取り出さなければ発電しない。そ
の一方、供給される水素及び空気の量が少ないにもかか
わらず、多くの電流を燃料電池１から抜き出そうとする
と、いわゆるガス欠になり、燃料電池１を破損する原因
になる。

【００１９】水素供給装置２を説明する。図１に示すよ
うに、水素供給装置２は、水素（燃料ガス）の流れを基
準にして、上流から下流に向けて水素ガス容器２１、レ
ギュレータ２２、水素加湿器２３、コンプレッサ２４、
三方弁２５を有する。また、これらの機器を接続する流
路（水素供給流路、水素循環流路、水素排出流路）を有
する。

【００２０】水素ガス容器２１は、炭素繊維で補強した
樹脂製の軽量な高圧水素容器から構成され、燃料電池１
のアノード１１に供給する水素を貯蔵する。貯蔵する水
素は純水素であり、圧力は３０〜３５ＭＰａＧ（３００
〜３５０kg/cm²Ｇ）である。なお、水素ガス容器２１
は、水素吸蔵合金を内蔵し１ＭＰａＧ（１０kg/cm²Ｇ）
程度の圧力で水素を貯蔵する水素吸蔵合金タイプである
場合もある。

【００２１】レギュレータ２２は、図示しないダイヤフ
ラムや圧力調整バネなどから構成され、高圧で貯蔵され
た水素を所定の圧力まで減圧させ、一定の圧力で使用で
きるようにする圧力制御弁である。このレギュレータ２
２は、ダイヤフラムに入力される基準圧を大気圧にする
と、水素ガス容器２１に貯蔵された水素の圧力を大気圧
近辺の任意の圧力にまで減圧することができる。

【００２２】水素加湿器２３は、図示しない中空糸膜モ
ジュールを利用した加湿器であり、燃料電池１のアノー
ド１１に供給される水素を加湿する。なお、水素を加湿
することにより、燃料電池１の電解質膜の乾燥が防止さ
れてプロトン導伝率が向上する。

【００２３】コンプレッサ２４は後記するタービン３３
により駆動（回転）され、燃料電池１のアノード出口１
１ｂから排出される水素（アノードオフガス）を圧縮す
る。なお、アノードオフガスを圧縮するのは、燃料電池
１における圧力損失で低下したアノードオフガスの圧力
を回復して、燃料電池１に向かう水素に戻して再循環す
るためである。このコンプレッサ２４は、請求項におけ
る「燃料ガス循環流路上にタービンにより駆動されるコ
ンプレッサ」に該当する。

【００２４】三方弁２５は、図示しない流路切替器から
構成され、水素の流路を切り替えて、排出位置、循環位
置にする。三方弁２５を排出位置にした場合には、水素
は排出管Ｐｏを通流して水素供給装置２の系外に排出さ
れる。一方、三方弁２５を循環位置にした場合には、戻
し配管Ｐｒを通流して加湿器２３の上流で燃料電池１の
アノード１１に向かう水素に戻される。なお、符号Ｐ２
１は、アノード入口１１ａにおける水素の圧力（アノー
ド入口圧力）を検出する圧力センサであり、検出信号は
制御装置４に送信される。

【００２５】空気供給装置３を説明する。図１に示すよ
うに、空気供給装置３は、上流から下流に向けてスーパ
チャージャ３１、加湿器３２、タービン３３、バイパス
弁３４、背圧弁３５を有する。また、これらの機器を接
続する流路を有する。

【００２６】スーパチャージャ３１は、大気中から空気
を取り入れて圧縮するモータ駆動のコンプレッサであ
る。加湿器３２は、例えば毛管凝縮型の中空糸膜を多数
備えた中空糸膜式の加湿器であり、燃料電池１のカソー
ドに供給される空気を、カソード１２から排出される空
気（カソードオフガス）が保有する水分により加湿す
る。なお、カソードオフガスは、酸素と水素（プロト
ン）の反応の結果生じた生成水を多量に含む。

【００２７】タービン３３は、燃料電池１のカソードオ
フガスの圧力エネルギを利用して駆動（回転）される。
タービン３３（タービン３３の回転子）の回転は、駆動
軸（ドライブ側）を介してコンプレッサ２４の被駆動軸
（ドリブン側）に伝達され、コンプレッサ２４（コンプ
レッサ２４の回転子）を回転して燃料電池１のアノード
オフガス（水素）を圧縮する。このタービン３３は、請
求項における「カソードと背圧弁との間のオフガスの流
路上にこのオフガスの圧力により駆動されるタービン」
に該当する。ちなみに、コンプレッサ２４及びタービン
３３は、燃料電池用ガス循環装置Ｃとして後に詳しく説
明する。なお、スーパチャージャ３１が燃料電池１に供
給される空気に与えることのできるエネルギの量は、モ
ータの動力に依存する。一方、水素供給装置２のコンプ
レッサ２４がアノードオフガスに与えることのできるエ
ネルギの量は、このタービン３３を通流するカソードオ
フガスの量及び圧力に依存する。

【００２８】バイパス弁３４は、タービン３３をバイパ
スする配管の途中に、タービン３３をバイパスするカソ
ードオフガスの量を調節する目的で設けられる弁開度調
節可能な例えばゲート弁であり、図示しないステッピン
グモータにより駆動される。バイパス弁３４の開度を増
すと、タービン３３を通流するカソードオフガスの量が
減ってタービン３３の回転速度が遅くなる。逆に、パイ
パス弁３４の開度を減らすと、タービン３３を通流する
カソードオフガスの量が増えてタービン３３の回転速度
が早くなる。バイパス弁３４は、例えばタービン３３が
オーバレブ（過回転）しないように、タービン３３の回
転速度を抑制するために機能する。なお、このタービン
３３をバイパスする配管は、請求項における「タービン
を迂回させるバイパス流路」に該当する。また、バイパ
ス弁３４は、請求項における「開度調整可能なバイパス
弁」に該当する。

【００２９】背圧弁３５は、空気供給装置３の末端に、
燃料電池１のカソード１２の背圧を調整する目的で設け
られる弁開度調節可能な例えばゲート弁であり、図示し
ないステッピングモータにより駆動される。背圧弁３５
の開度を増すと、燃料電池１のカソード１２の圧力が低
くなる。また、タービン３３の前後の圧力差が大きくな
る傾向になるので、タービン３３の回転速度が早くな
る。逆に、背圧弁３５の開度を減らすと、燃料電池１の
カソード１２の圧力が高くなる。また、タービン３３の
前後の圧力差が小さくなる傾向になるので、タービン３
３の回転速度が遅くなる。この背圧弁３５は、請求項に
おける「カソードから排出されるオフガスの流路上に設
けられ、燃料電池に加えられる空気の圧力を調整する背
圧弁」に該当する。

【００３０】背圧弁３５を通流したカソードオフガスは
大気中に放出される。なお、燃料電池１は、水素と空気
中の酸素を電気化学的に反応して水と電気を生成する発
電器であり、炭化水素や二酸化炭素などを排出しない。
なお、符号Ｐ３１は、カソード入口１２ａにおける空気
の圧力（カソード入口圧力）を検出する圧力センサであ
り、検出信号は制御装置４に送信される。また、符号Ｐ
３２は、カソード出口１２ｂにおける空気の圧力（カソ
ード出口圧）を検出する圧力センサであり、検出信号は
制御装置４に送信される。また、タービン３３の回転軸
における符号Ｎは、タービン３３の回転速度を検出する
回転速度センサであり、検出信号は制御装置４に送信さ
れる。

【００３１】制御装置４を説明する。制御装置４は、Ｃ
ＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Ac
cessMemory）や入出力インタフェイスを備える。この制
御装置４には、出力要求信号（図示しない出力コントロ
ーラが送信）、圧力信号（各圧力センサＰ２１，Ｐ３
１，Ｐ３２が送信）、回転速度信号（回転速度センサＮ
が送信）などに基づいて、スーパチャージャ３１の回転
速度、バイパス弁３４の弁開度、背圧弁３５の弁開度を
制御する。

【００３２】制御装置４はスーパチャージャ３１（モー
タ）に対して、出力要求信号に対応するカソード入口圧
になるように、回転速度を増減制御する回転速度制御信
号を送信する。ちなみに、出力要求信号が大きくなると
カソード入口圧も大きくなるように設定されている。ま
た、制御装置４はバイパス弁３４（図示しないステッピ
ングモータ）に対して、タービン３３の回転速度が所定
値以上にならないように、つまりオーバレブしないよう
にバイパス弁３４の弁開度を増減制御する弁開度信号を
送信する（タービン３３の回転速度は前記のとおり回転
速度センサＮが検出する）。弁開度信号には、圧力セン
サＰ２１によるアノード圧力信号も加味され、アノード
入口１１ａにおける水素の圧力（アノード入口圧）が所
定の圧力になるようにしている。また、制御装置４は背
圧弁３５（図示しないステッピングモータ）に対して、
燃料電池１の背圧（カソード出口圧）が所定の圧力にな
るように背圧弁３５の弁開度を増減制御する弁開度信号
を送信する。

【００３３】この燃料電池システムＦＣＳの動作を説明
する。燃料電池１のカソード１２の側に対しては、外気
中から空気がスーパチャージャ３１により空気供給装置
３に取り込まれ、加湿器３２を介して燃料電池１のカソ
ード入口１２ａに供給され、カソード出口１２ｂから排
出される。燃料電池１のカソード１２では、アノード１
１から供給されるプロトンと空気中の酸素が電気化学的
に反応して水を生成する。また、カソード１２には、ア
ノード１１で生成した電子がＶＣＵ１３や負荷を経由し
て到達する。カソード１２から排出されたカソードオフ
ガスは、加湿器３２でカソード１２に供給される空気を
加湿する。つまり、カソードオフガスから水分が回収さ
れる。次に、カソードオフガスは、タービン３３を駆動
する。つまり、カソードオフガスから圧力エネルギが回
収される。そして、カソードオフガスは、背圧弁３５を
介して大気中に放出される。

【００３４】この一連の過程において、出力要求信号が
増加すると制御装置４によりスーパチャージャ３１の回
転が速くされる。また、カソード入口圧が所定の圧力以
上になると制御装置４によりスーパチャージャ３１の回
転が遅くされる。また、タービン３３の回転が速くなり
すぎると制御装置４によりタービン３３をバイパスする
カソードオフガスの量が増加される。また、カソード出
口圧（カソード背圧）が所定値よりも低くなると制御装
置４により背圧弁３５の弁開度が閉じる方向に制御され
る。

【００３５】一方、燃料電池１のアノード１１の側に対
しては、水素ガス容器２１から純水素がレギュレータ２
２及び加湿器２３を介して燃料電池１のアノード入口１
１ａに供給され、アノード出口１１ｂから排出される。
燃料電池１のアノード１１では、水素が触媒の存在下で
分解して、プロトンを生成すると共に電子を生成する。
生成したプロトンは、電解質膜を通過してカソード１２
に到達する。生成した電子は、ＶＣＵ１３及び負荷を経
由してカソード１２に到達する。アノード１１（アノー
ド出口１１ｂ）から排出されたアノードオフガスは、コ
ンプレッサ２４により圧縮される。このコンプレッサ２
４は、カソードオフガスから圧力エネルギを回収してア
ノードオフガスに与えるものである。コンプレッサ２４
で圧縮されたアノードオフガスは、三方弁２５及び戻し
配管Ｐｒを通流して燃料電池１のアノード１１に供給す
る水素に合流し、循環される。なお、三方弁が循環位置
ではなく排出位置にあるときは、排出管Ｐｏを通流して
水素供給装置２の系外に排出される。

【００３６】この燃料電池システムＦＣＳによれば、水
素を循環するための特別のエネルギを必要としない。し
かも、燃料電池１に供給される水素の圧力（燃料電池１
の上流側での水素の圧力）でアノードオフガスを圧縮し
て循環するのとは異なり、燃料電池１に供給される水素
の圧力を高くすることが可能である。燃料電池１の運転
圧力を高くすると発電効率が向上する。また、燃料電池
１に供給される水素の圧力でアノードオフガスを圧縮し
て循環するのと比べて、水素ガス容器２１に貯蔵された
水素をより低い圧力まで取り出すことができる。つま
り、水素ガス容器２１に貯蔵された水素を、充分に使用
することができる。このため、例えば燃料電池を搭載し
た燃料電池自動車の場合、１回の燃料補給で走行できる
距離を長くすることができる。ちなみに、燃料電池自動
車においては、１回の燃料補給で走行できる距離を如何
に長くするかが重要な技術開発の課題になっている。ま
た、カソードオフガスの保有する圧力エネルギをタービ
ン３３で回収するので、カソードオフガスを大気中に放
出する場合の排気音を低減することができる。また、従
来、大気中に無駄に捨てられていたエネルギを回収して
有効利用できる。また、バイパス弁３４により、圧力エ
ネルギの回収量を調節することができるので、燃料電池
システムＦＣＳの制御性がよくなる。また、背圧弁３５
により、燃料電池１の運転圧力を高くすることができる
と共に、燃料電池システムＦＣＳの制御性がよくなる。

【００３７】なお、図２は、燃料電池の出力を横軸に、
アノード側必要エネルギ及びカソード側回収エネルギを
縦軸にとったグラフである。このグラフに破線で示す曲
線は、カソードオフガスから回収できるエネルギ（カソ
ード側回収エネルギ）を示す。一方、このグラフに実線
で示す曲線は、アノードオフガスを循環するために必要
となるエネルギ（アノード側必要エネルギ）を示す。こ
のグラフから、燃料電池１のすべての出力帯域でカソー
ドオフガスから回収できるエネルギの方が、アノードオ
フガスを循環するために必要になるエネルギよりも大き
いことが分る。つまり、アノードオフガスを循環するた
めに、特別のエネルギを必要としないことが分る。加え
て、両曲線は共に燃料電池１の出力が大きくなると大き
くなる関係にある。このため、特別の制御を行わなくと
も、カソードオフガスから回収したエネルギをそのまま
アノードガスを循環するエネルギとして使用することが
できる。

【００３８】≪燃料電池用ガス循環装置≫次に、燃料電
池用ガス循環装置を、図面を参照して説明する。図３
は、本実施形態の燃料電池用ガス循環装置の断面図であ
る。

【００３９】図３に示すように、本実施形態の燃料電池
用ガス循環装置Ｃは、コンプレッサ２４にかかる部分、
タービン３３にかかる部分、タービン３３で発生した駆
動力をコンプレッサ２４に伝達する駆動力伝達部５１に
かかる部分から構成される。

【００４０】コンプレッサ２４にかかる部分は、筐体２
４ａ、回転子２４ｂ、被駆動軸２４ｃ、ベアリング２４
ｄ，２４ｄなどから構成される。筐体２４ａは、回転子
２４ｂ、被駆動軸２４ｃ、ベアリング２４ｄ，２４ｄな
どを所定の位置関係で収容する。この筐体２４ａには、
アノードオフガス入口２４in、アノードオフガス出口２
４outが形成されている。回転子２４ｂは円筒形状をし
ており、図３に示すようにその軸心には被駆動軸２４ｃ
が挿通されている。回転子２４ｂの表面には、被駆動軸
２４ｃが所定方向に回転した場合に、図３の下方から上
方に向けて水素を圧縮しながら送出するように、羽が複
数枚設けてある。被駆動軸２４ｃは、ベアリング２４
ｄ，２４ｄにより軸支されている。従って、被駆動軸２
４ｃに回転力が入力されると、被駆動軸２４ｃ及び回転
子２４ｂが筐体２４ａの中で円滑に回転するようになっ
ている。

【００４１】タービン３３にかかる部分は、筐体３３
ａ、回転子３３ｂ、駆動軸３３ｃ、ベアリング３３ｄな
どから構成される。筐体３３ａは、回転子３３ｂ、駆動
軸３３ｃ、ベアリング３３ｄなどを所定の位置関係で収
容する。この筐体３３ａには、カソードオフガス入口３
３in、アノードオフガス出口３３out、バイパス弁接続
口３３jcが形成されている。回転子３３ｂは円盤形状を
しており、図３に示すように中心部分が駆動軸３３ｃに
固定されている。回転子は図３に示す下方から上方に向
けてカソードオフガスが流れた場合に、カソードオフガ
スのエネルギにより所定方向に回転するようになってい
る。駆動軸３３ｃは、ベアリング３３ｄにより軸支され
ている。従って、カソードオフガスの圧力エネルギによ
り、回転子３３ｂ及び駆動軸３３ｃが筐体３３ａの中で
円滑に回転するようになっている。

【００４２】駆動力伝達部５１は、雄マグネットカップ
リング５１ａ、雌マグネットカップリング５１ｂ、隔壁
５１ｃなどを含んで構成される。凸形状の雄マグネット
カップリング５１ａと凹形状の雌マグネットカップリン
グ５１ｂは、永久磁石の吸引力により、駆動軸３３ｃに
おける回転力を被駆動軸２４ｃに伝達するものである。
このため、両カップリング５１ａ，５１ｂは、雄雌嵌合
する形状に構成され、互いが直接接触しなくとも、相互
に強く引き合うようにしてある。なお、雄マグネットカ
ップリング５１ａは、被駆動軸２４ｃのタービン３３側
の端部に固着されている。一方、雌マグネットカップリ
ング５１ｂは、駆動軸３３ｃのコンプレッサ２４側の端
部に固定されている。また、雄マグネットカップリング
５１ａと雌マグネットカップリング５１ｂの間には、ガ
スバリア性を有する樹脂製の隔壁５１ｃが介在してあ
り、コンプレッサ２４側を通流する水素と、タービン３
３側を通流する空気が混合しないようになっている。こ
のため、水素のロスがなく、燃費の改善が達成される。
ちなみに、隔壁５１ｃは、図３の右方向に突出する凸部
を有する形状をしており、両マグネットカップリング５
１ａ，５１ｂには接触しないようになっている。また、
隔壁５１ｃのフランジ部分は両方の筐体２４ａ，３３ａ
に挟持され固定されるようになっている。ここで、筐体
２４ａ，３３ａは、請求項における「タービン、コンプ
レッサ及び隔壁を内蔵する筐体」に該当する。

【００４３】この燃料電池用ガス循環装置Ｃの動作を、
図３を参照して説明する。カソードオフガスがカソード
オフガス入口３３inから流入してカソードオフガス出口
３３outから流出すると、カソードオフガスが保有する
圧力エネルギにより羽を有する回転子３３ｂと共に駆動
軸３３ｃが一体に回転する。駆動軸３３ｃの一端側に
は、永久磁石が取り付けられた雌マグネットカップリン
グ５１ｂが固定されており、この雌マグネットカップリ
ング５１ｂも同時に回転する。

【００４４】雄マグネットカップリング５１ｂの回転
は、磁力を介して隔壁５１ｃの向こうにある雄マグネッ
トカップリング５１ａに伝達される。雄マグネットカッ
プリング５１ａには、被駆動軸２４ｃが固定されている
ので、雄マグネットカップリング５１ａは、被駆動軸２
４ｃと共に回転する。すると、羽を有する回転子２４ｂ
も回転するので、アノードオフガス入口２４inからアノ
ードオフガスを吸引すると共に圧縮してアノードオフガ
ス出口２４outから排出する。これにより、アノードオ
フガスが圧縮される。

【００４５】この燃料電池用ガス循環装置Ｃによれば、
オフガス同士を混合することなくカソードオフガスの圧
力エネルギを回収して、アノードオフガスに与えること
ができる。回転トルクの伝達性もよい。なお、隔壁は、
ガスバリア性と磁石に吸引されない性質を有するもの
（磁性材料でないもの）であればよい。また、両マグネ
ットカップリング５１ａ，５１ｂのいずれをＮ極、Ｓ極
としてもよい。

【００４６】なお、本発明は、前記した発明の実施の形
態に限定されることなく広く変形実施することができ
る。例えば、燃料電池は、燃料電池電気自動車に使用さ
れるものに限定されることなく、定置式の燃料電池にも
適用することができる。

【００４７】

【発明の効果】以上説明した本発明のうち、請求項１に
記載の発明によれば、燃料電池の効率を低下することな
く燃料ガスを再循環することができる。また、燃料電池
を高い圧力で運転しやすくなる。また、燃料ガス容器に
貯蔵された燃料ガスを燃料電池に供給する場合でも、こ
の容器に貯蔵された燃料ガスを充分に使い切ることがで
きる。また、請求項２に記載の発明によれば、カソード
ガスが保有する圧力エネルギのタービンによる回収量を
調整することができるので、燃料電池の運転が容易にな
る。また、請求項３に記載の発明によれば、カソードオ
フガスとアノードオフガスが混合することがなく、燃料
電池の燃費を向上することができる。また、回転トルク
の伝達ロスが少ない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる実施形態の燃料電池用ガス
循環システムが適用される燃料電池システムの全体構成
図である。

【図２】図１の燃料電池の出力を横軸に、アノード
側必要エネルギ及びカソード側回収エネルギを縦軸にと
ったグラフである。

【図３】本発明にかかる実施形態の燃料電池用ガス
循環装置の断面図である。

【図４】従来例を示す図である。

【符号の説明】

ＦＣＳ…燃料電池システム１ … 燃料電池１１… アノード１２… カソード２ … 水素供給装置２４… コンプレッサ２４ａ…筐体２４ｃ…被駆動軸３ … 空気供給装置３３… タービン３３ａ…筐体３３ｃ…駆動軸３４… バイパス弁３５… 背圧弁５１ｃ…隔壁Ｃ … 燃料電池用ガス循環装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料ガスをアノードに供給し、空気をカソ
ードに供給することにより電気を発生する燃料電池の前
記カソードから排出されるオフガスの流路上に設けら
れ、前記燃料電池に加えられる前記空気の圧力を調整す
る背圧弁と、前記アノードから排出されたオフガスを前記燃料電池に
供給される前記燃料ガスに合流させる燃料ガス循環流路
と、を備えた燃料電池用ガス循環システムにおいて、前記カソードと前記背圧弁との間のオフガスの流路上に
このオフガスの圧力により駆動されるタービンを設け、前記燃料ガス循環流路上に前記タービンにより駆動され
るコンプレッサを設けたことを特徴とする燃料電池用ガ
ス循環システム。
【請求項２】前記カソードから排出されるオフガスの流
路上に前記タービンを迂回させるバイパス流路を設け、
該バイパス流路上に開度調整可能なバイパス弁を設けた
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用ガス循環
システム。
【請求項３】燃料ガスをアノードに供給し、空気をカソ
ードに供給することにより電気を発生する燃料電池のカ
ソードから排出された空気により駆動され、Ｎ極又はＳ
極のうちの一方の極を有する駆動軸を備えるタービン
と、前記Ｎ極又はＳ極のうちの他方の極を有して前記タービ
ンの駆動軸と同軸に配される被駆動軸を有し、前記燃料
ガスを送出するコンプレッサと、前記タービン及び前記駆動軸と、前記コンプレッサ及び
前記被駆動軸とを隔てる隔壁と、前記タービン、前記コンプレッサ及び前記隔壁を内蔵す
る筐体と、を備えたことを特徴とする燃料電池用ガス循
環装置。