JP2005310429A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池のカソード極の圧力制御を高い精度で行いながら、排気ガスのエネルギーによる効率的な発電を実現した燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system that realizes efficient power generation by the energy of exhaust gas while performing pressure control of a cathode electrode of a fuel cell with high accuracy.
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観点から、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、水素(H2)と空気中の酸素(O2)とを電気化学的に反応させて発電する燃料電池(FC;Fuel Cell)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。 2. Description of the Related Art In recent years, fuel cell electric vehicles (FCEVs) have attracted attention from the standpoint of suppressing carbon dioxide emissions that cause global warming. The fuel cell electric vehicle is equipped with a fuel cell (FC) that generates electricity by electrochemically reacting hydrogen (H 2 ) and oxygen (O 2 ) in the air, and uses the fuel cell to generate electricity. A driving force is generated by supplying the traveling motor.
燃料電池システムでは、高圧水素タンクからの水素(アノードガス)が減圧された後に水素供給ラインを介してアノード極に供給される一方、電動コンプレッサにより加圧された空気(カソードガス)が空気供給ラインを介してカソード極に供給される。アノード極からは燃料電池で消費されなかった水素(アノードオフガス)が排気ガスとしてアノードオフガス排出路を介して排出され、カソード極からは反応後の空気(カソードオフガス)が排気ガスとしてカソードオフガス排出路を介して排出される。通常、カソードオフガス排出路には電動式の背圧制御弁が設けられており、この背圧制御弁の弁開度を調整することによってカソード極の背圧が制御される。 In the fuel cell system, hydrogen (anode gas) from a high-pressure hydrogen tank is decompressed and then supplied to the anode electrode through the hydrogen supply line, while air (cathode gas) pressurized by an electric compressor is supplied to the air supply line. To be supplied to the cathode electrode. Hydrogen (anode offgas) that has not been consumed by the fuel cell is discharged from the anode electrode as exhaust gas through the anode offgas discharge passage, and air after reaction (cathode offgas) is discharged from the cathode electrode as cathode exhaust gas discharge passage. It is discharged through. Usually, an electric back pressure control valve is provided in the cathode offgas discharge passage, and the back pressure of the cathode electrode is controlled by adjusting the valve opening degree of the back pressure control valve.
従来、燃料電池の排気ガスは排出路から希釈装置等を経由して大気中に放出されていたが、本出願人は、排気ガスのエネルギーを有効利用すべく、排気ガスの排出経路にVG(Variable Geometry:可変容量)型のターボチャージャを備えた燃料電池システム(特許文献1参照)を過去に提案した。特許文献1の燃料電池システムでは、アノードオフガスとカソードオフガスとを燃焼器で燃焼させ、その燃焼ガスによりターボチャージャのタービンを回転駆動し、タービンと同軸のコンプレッサによりカソードガスの圧縮を行う。また、特許文献1の燃料電池システムでは、タービンのハウジングに設けられたベーン(容量可変手段)の開度を調節することによりタービンのロータに衝突する燃焼排ガスの速度(すなわち、タービンの回転速度)が変化し、燃料電池へのカソードガスの供給量が制御される。そして、特許文献1の燃料電池システムにおいて、カソード極の背圧は、カソードオフガスの排出路に設けられた調圧弁(背圧制御弁)を開閉駆動することにより制御される。
特許文献1の燃料電池システムでは、タービンとコンプレッサとが同軸であるため、カソード極の背圧をある値に設定した場合、コンプレッサによるカソードガスの送給量(吐出量)が一義的に定まってしまう。そのため、従来装置と同様にカソードオフガスの排出路に背圧制御弁を設ける必要がある他、燃料電池が要求するカソードガスの量が多くなる大量発電時には背圧制御弁を絞らなければならず、カソードオフガスのエネルギーの多くが廃棄されてしまう問題があった。また、VG型のターボチャージャは、通常のターボチャージャに較べて高価な装置であるため、燃料電池システムの製品コストが高くなる問題もあった。 In the fuel cell system of Patent Document 1, since the turbine and the compressor are coaxial, when the back pressure of the cathode electrode is set to a certain value, the supply amount (discharge amount) of the cathode gas by the compressor is uniquely determined. End up. Therefore, it is necessary to provide a back pressure control valve in the cathode offgas discharge passage as in the conventional device, and the back pressure control valve must be throttled at the time of mass power generation in which the amount of cathode gas required by the fuel cell increases. There was a problem that much of the cathode off-gas energy was discarded. Further, since the VG type turbocharger is an expensive device as compared with a normal turbocharger, there is a problem that the product cost of the fuel cell system becomes high.
本発明は、このような背景に鑑みてなされたもので、燃料電池のカソード極の圧力制御を高い精度で行いながら、排気ガスのエネルギーによる効率的な発電を実現した燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such a background, and provides a fuel cell system that realizes efficient power generation by the energy of exhaust gas while controlling the pressure of the cathode electrode of the fuel cell with high accuracy. With the goal.
前記課題を解決すべく、請求項1に記載の燃料電池システムは、アノード極に供給された燃料ガスとカソード極に供給された酸化剤ガスとを化学反応させて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池から排出された排気ガスが導入される排気ガス通路と、前記排気ガス通路に設けられ、前記排気ガスのエネルギーを電気エネルギーに変換するエネルギー変換手段とを備えたことを特徴とする。
請求項1の燃料電池システムでは、燃料電池の排気ガスが有する運動エネルギーや燃焼エネルギーがエネルギー変換手段により電気エネルギーに変換され、この電気エネルギーが例えば車載バッテリに一旦蓄えられた後、空気供給用の電気コンプレッサ等に供給される。
In order to solve the above-described problem, the fuel cell system according to claim 1, wherein a fuel cell that generates electricity by chemically reacting a fuel gas supplied to an anode electrode and an oxidant gas supplied to a cathode electrode; An exhaust gas passage into which exhaust gas discharged from the fuel cell is introduced, and an energy conversion means that is provided in the exhaust gas passage and converts the energy of the exhaust gas into electric energy are provided.
In the fuel cell system according to claim 1, the kinetic energy and combustion energy of the exhaust gas of the fuel cell are converted into electric energy by the energy conversion means, and the electric energy is temporarily stored in, for example, an in-vehicle battery and then supplied for air supply. Supplied to electric compressors.
また、請求項2に記載の燃料電池システムは、請求項1に記載の燃料電池システムにおいて、前記カソード極の圧力を制御すべく、前記エネルギー変換手段の電気負荷を増減する背圧制御手段を更に備えたことを特徴とする。
請求項2の燃料電池システムでは、例えば、目標発電量等からカソード極の背圧を決定し、この背圧が得られるように、背圧制御手段がエネルギー変換手段の電気負荷を増減する。
Further, the fuel cell system according to claim 2 is the fuel cell system according to claim 1, further comprising a back pressure control means for increasing or decreasing an electric load of the energy conversion means in order to control the pressure of the cathode electrode. It is characterized by having.
In the fuel cell system according to the second aspect, for example, the back pressure of the cathode electrode is determined from the target power generation amount or the like, and the back pressure control means increases or decreases the electric load of the energy conversion means so as to obtain this back pressure.
また、請求項3に記載の燃料電池システムは、請求項1または請求項2に記載の燃料電池システムにおいて、前記エネルギー変換手段がタービン発電機であることを特徴とする。
請求項3の燃料電池システムでは、燃料電池の排ガスや燃焼ガスによりタービン発電機のタービンが駆動され、タービンと同軸あるいは減速器を介して連結された発電機により発電が行われる。
The fuel cell system according to claim 3 is the fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein the energy conversion means is a turbine generator.
In the fuel cell system according to the third aspect, the turbine of the turbine generator is driven by the exhaust gas or the combustion gas of the fuel cell, and power is generated by the generator connected to the turbine coaxially or via a speed reducer.
請求項1の燃料電池システムによれば、エネルギー変換手段による排気ガスのエネルギーから電気エネルギーへの変換が燃料電池の要求するカソードガスの量に拘わらず行えるため、排気ガスが有するエネルギーの利用効率が向上する。また、請求項2の燃料電池システムによれば、カソード極の圧力とエネルギー変換手段の電気負荷との関係をマップや計算式として記憶しておくことで、圧力制御の精度や応答性を向上させることができる。また、請求項3の燃料電池システムによれば、比較的簡単な装置構成で高い発電効率を得ることができる。 According to the fuel cell system of the first aspect, the energy conversion means can convert the energy of the exhaust gas into the electric energy regardless of the amount of cathode gas required by the fuel cell. improves. According to the fuel cell system of claim 2, the pressure control accuracy and responsiveness are improved by storing the relationship between the pressure of the cathode electrode and the electric load of the energy conversion means as a map or a calculation formula. be able to. According to the fuel cell system of claim 3, high power generation efficiency can be obtained with a relatively simple device configuration.
以下、本発明を燃料電池電気自動車に適用した2つの実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。
≪第1実施形態≫
図1は第1実施形態に係る燃料電池システムが搭載される車両の一部透視側面図であり、図2は第1実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
Hereinafter, two embodiments in which the present invention is applied to a fuel cell electric vehicle will be described in detail with reference to the drawings.
<< First Embodiment >>
FIG. 1 is a partially transparent side view of a vehicle on which the fuel cell system according to the first embodiment is mounted, and FIG. 2 is a schematic configuration diagram of the fuel cell system according to the first embodiment.
<車両の構成>
先ず、車両を説明する。図1に示す車両Vでは、FCボックスFCBが乗員席の床下に搭載され、FCボックスFCBの中には燃料電池10(図2参照)が収納されている。また、走行モータMが車両Vの前部に搭載され、高圧水素タンクCHTが車両Vの後輪の上方に横置きで搭載されている。また、車両Vには、車体後部にタービン発電機51が搭載されている。
<Vehicle configuration>
First, the vehicle will be described. In the vehicle V shown in FIG. 1, the FC box FCB is mounted under the passenger seat, and the fuel cell 10 (see FIG. 2) is accommodated in the FC box FCB. A traveling motor M is mounted on the front portion of the vehicle V, and a high-pressure hydrogen tank CHT is mounted horizontally above the rear wheels of the vehicle V. Further, the vehicle V has a turbine generator 51 mounted on the rear of the vehicle body.
燃料電池10は空気中の酸素と高圧水素タンクCHTから供給された水素とを電気化学的に反応させて発電し、発電された電力は走行モータMに供給されて車両Vを走行させる。ちなみに、ここでの燃料電池10は、固体高分子型であるPEM型の燃料電池であり、電解質を挟んでアノード極およびカソード極等から構成される膜電極構造体(MEA)をセパレータで更に挟み込んだ単セルを、例えば数十枚〜数百枚程度積層した積層構造を有している(以上図示外)。ここで、PEMとは、Proton Exchange Membraneの略であり、MEAとは、Membrane Electrode Assemblyの略である。 The fuel cell 10 generates electricity by electrochemically reacting oxygen in the air and hydrogen supplied from the high-pressure hydrogen tank CHT, and the generated power is supplied to the traveling motor M to drive the vehicle V. Incidentally, the fuel cell 10 here is a solid polymer type PEM type fuel cell, and a membrane electrode structure (MEA) composed of an anode electrode, a cathode electrode, and the like is further sandwiched between separators with an electrolyte interposed therebetween. However, it has a laminated structure in which, for example, about several tens to several hundreds of single cells are laminated (not shown above). Here, PEM is an abbreviation for Proton Exchange Membrane, and MEA is an abbreviation for Membrane Electrode Assembly.
<燃料電池システムの構成>
次に、図2を参照して、燃料電池システムを説明する。第1実施形態の燃料電池システムは、燃料電池10、水素供給システム20、空気供給システム30、冷却システム40、エネルギー回生システム50、および制御装置60を含んで構成される。
<Configuration of fuel cell system>
Next, the fuel cell system will be described with reference to FIG. The fuel cell system of the first embodiment includes a fuel cell 10, a
燃料電池10は、前記のようにアノード極11、カソード極12、および電解質13を有するPEM型の燃料電池であり、アノード極11に水素供給システム20から燃料ガスである水素(アノードガス)が供給され、カソード極12に空気供給システム30から酸化剤ガスである空気(カソードガス)が供給されることにより発電する。燃料電池10が発電した電力は、走行モータM(図1参照)や補機等の負荷に供給される。
The fuel cell 10 is a PEM type fuel cell having the anode electrode 11, the
水素供給システム20は、燃料電池10のアノード極11にアノードガスとしての水素を供給するもので、図示しない高圧水素タンクや減圧弁等から構成されている。また、空気供給システム30は、燃料電池10にカソードガスとしての空気を供給するもので、図示しないエアクリーナや、加湿器、電動コンプレッサ等から構成されている。空気供給システム30には、カソードガスの圧力を検出するカソード圧センサ31が設置されている。また、冷却システム40は、燃料電池10が発電に伴って発生した熱を大気中に放出するもので、ラジエタやサーモスタット弁、水ポンプ等から構成されている。
The
エネルギー回生システム50は、カソードオフガス排出路32に設置されたタービン発電機(エネルギー変換手段)51と、タービン発電機51の発電量を制御する発電コントローラ(背圧制御手段)54とを有している。タービン発電機51は、カソードオフガスにより駆動されるタービン52と、タービン52と同軸の発電機(三相交流発電機)53とから構成されている。また、発電コントローラ54は、整流手段や励磁電流制御手段から構成されており、発電機53が発生した交流電力を直流電力に変換するとともに、制御装置60からの指令に基づき発電機53の電気負荷(発電量)を増減する。発電コントローラ54で生成された直流電力は、車載バッテリ70に蓄えられた後、車載バッテリ70から空気供給システム30の電動コンプレッサ等に供給される。
The energy regeneration system 50 includes a turbine generator (energy conversion means) 51 installed in the cathode
<第1実施形態の作用>
燃料電池システムが起動すると、制御装置60は、図示しないスロットルペダルの踏込み量θthや各種機器(灯火装置や空調装置等)の消費電力等に基づき燃料電池10から取出し電流量を決定した後、その取出し電流量に応じたアノードガスとカソードガスとを燃料電池10に供給すべく、水素供給システム20と空気供給システム30とを駆動制御する。これにより、燃料電池10では、それぞれ所定量のアノードガスとカソードガスとが供給され、アノード極11からカソード極12への水素の移動に伴って電力が発生するとともに、アノード極11から消費されなかった水素がアノードオフガスとして排出され、カソード極12から反応後の空気がカソードオフガスとして排出される。
<Operation of First Embodiment>
When the fuel cell system is activated, the
本実施形態の場合、カソードオフガスは、カソード極12からカソードオフガス排出路32に流入し、タービン発電機51のタービン52に導入される。タービン52はカソードオフガスにより駆動されて回転し、発電機53もタービン52とともに回転して発電を開始する。発電機53から出力された交流電力は、発電コントローラ54の整流手段により直流に変換された後、車載バッテリ70に蓄えられる。
In the present embodiment, the cathode offgas flows from the
制御装置60は、燃料電池10の発電状態等に基づいてカソード極12の目標圧力を決定した後、この目標圧力を得るべくタービン発電機51の電気負荷(発電量)を増減するとともに、カソード圧センサ31が検出したカソードガスの実測圧力値を用いてフィードバック制御を行う。これにより、タービン発電機51では、発電機53と同軸のタービン52の回転抵抗が増減し、カソード極12の圧力を決定するカソードオフガスの排気抵抗(すなち、背圧)が変化する。ちなみに、タービン発電機51では、発電機53による発電量が増大すると、タービン52の回転抵抗も増加し、カソード極12の背圧が上昇する。尚、本実施形態の場合、カソード極12の圧力とタービン発電機51の電気負荷との関係はマップとして制御装置60の記憶手段に記憶されており、制御装置60は、目標圧力に対する電気負荷をこのマップから検索する。
After determining the target pressure of the
本実施形態では、このような構成を採ったことにより、燃料電池10が要求するカソードガスの量が多くなる大量発電時にもタービン発電機51を比較的大きな電気負荷(発電量)をもって駆動でき、カソードオフガスの運動エネルギーを高い効率で利用できるようになった。また、高価なVG型のターボチャージャに代えてタービン発電機51を用いるようにしたため、背圧制御弁が不要になることも相俟って、燃料電池システムの製品コストを削減することができた。 In the present embodiment, by adopting such a configuration, the turbine generator 51 can be driven with a relatively large electric load (power generation amount) even during large-scale power generation in which the amount of cathode gas required by the fuel cell 10 increases. The kinetic energy of cathode off gas can be used with high efficiency. Further, since the turbine generator 51 is used in place of the expensive VG type turbocharger, the back pressure control valve becomes unnecessary, and the product cost of the fuel cell system can be reduced. .
≪第2実施形態≫
図3は第2実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。第2実施形態の燃料電池システムは、アノードオフガスとカソードオフガスとを燃焼させる燃焼器を備え、この燃焼器で生成された燃焼ガスをタービン発電機に導入する点が前記の第1実施形態と異なっている。
<< Second Embodiment >>
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system according to the second embodiment. The fuel cell system of the second embodiment includes a combustor that burns anode off-gas and cathode off-gas, and differs from the first embodiment in that the combustion gas generated by the combustor is introduced into the turbine generator. ing.
図3に示すように、第2実施形態の燃料電池システムでは、エネルギー回生システム50が、アノードオフガス排出路21からのアノードオフガスとカソードオフガス排出路32からのカソードオフガスが流入して燃焼される燃焼器80を有し、燃焼器80で生成された燃焼ガスを燃焼ガス流路81を介してタービン発電機51に導入する構成となっている。
As shown in FIG. 3, in the fuel cell system according to the second embodiment, the energy regeneration system 50 performs combustion in which the anode offgas from the anode
第2実施形態においても、燃料電池システムの作動は前記の第1実施形態と略同様であるが、アノードオフガスとカソードオフガスとを燃焼器80で燃焼させ、その燃焼ガスによりタービン発電機51を駆動するため、排出する水素の量の低減が図られると同時に、アノードオフガスの化学的エネルギーの有効利用を図ることができた。
Also in the second embodiment, the operation of the fuel cell system is substantially the same as in the first embodiment, but the anode off gas and the cathode off gas are burned in the
本発明は、前記実施形態に限定されることなく、幅広く変形実施することができる。例えば、前記実施形態ではエネルギー変換手段としてタービンと発電機が同軸のタービン発電機を用いるようにしたが、タービンと発電機との間に減速機構が設けられたタービン発電機や、レシプロ機関やロータリー機関を駆動側要素とする発電機を採用するようにしてもよい。また、前記実施形態では燃料電池電気自動車を例に説明したが、船舶や定置発電装置用の燃料電池システム等に本発明を適用することができる。また、前記実施形態ではPEM型の燃料電池を備えた燃料電池システムを取り上げたが、本発明は、アルカリ型燃料電池やリン酸型燃料電池等、他種の燃料電池を備えた燃料電池システムにも当然に適用できる。また、燃料電池システムを構成する各機器のレイアウト等についても本発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。 The present invention is not limited to the above embodiment, and can be widely modified. For example, in the above embodiment, a turbine generator having a coaxial turbine and generator is used as the energy conversion means. However, a turbine generator in which a speed reduction mechanism is provided between the turbine and the generator, a reciprocating engine, and a rotary You may make it employ | adopt the generator which uses an engine as a drive side element. In the above-described embodiment, the fuel cell electric vehicle has been described as an example. However, the present invention can be applied to a fuel cell system for a ship or a stationary power generator. Moreover, although the fuel cell system provided with the PEM type fuel cell was taken up in the said embodiment, this invention is a fuel cell system provided with other types of fuel cells, such as an alkaline fuel cell and a phosphoric acid fuel cell. Is also applicable naturally. Further, the layout and the like of each device constituting the fuel cell system can be appropriately changed without departing from the gist of the present invention.
10 燃料電池
11 アノード極
12 カソード極
32 カソードオフガス排出路
50 エネルギー回生システム
51 タービン発電機(エネルギー変換手段)
54 発電コントローラ(背圧制御手段)
60 制御装置
80 燃焼器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fuel cell 11
54 Power generation controller (back pressure control means)
60
Claims (3)
前記燃料電池から排出された排気ガスが導入される排気ガス通路と、
前記排気ガス通路に設けられ、前記排気ガスのエネルギーを電気エネルギーに変換するエネルギー変換手段と
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell that generates electricity by chemically reacting the fuel gas supplied to the anode electrode and the oxidant gas supplied to the cathode electrode;
An exhaust gas passage through which exhaust gas discharged from the fuel cell is introduced;
A fuel cell system comprising: energy conversion means provided in the exhaust gas passage for converting the energy of the exhaust gas into electric energy.
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