JP2006156283A - Fuel cell system - Google Patents

Fuel cell system Download PDF

Info

Publication number
JP2006156283A
JP2006156283A JP2004348472A JP2004348472A JP2006156283A JP 2006156283 A JP2006156283 A JP 2006156283A JP 2004348472 A JP2004348472 A JP 2004348472A JP 2004348472 A JP2004348472 A JP 2004348472A JP 2006156283 A JP2006156283 A JP 2006156283A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
fuel cell
fuel
cell system
exhaust gas
expander
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2004348472A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Ryuta Kawaguchi
竜太 川口
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nissan Motor Co Ltd filed Critical Nissan Motor Co Ltd
Priority to JP2004348472A priority Critical patent/JP2006156283A/en
Publication of JP2006156283A publication Critical patent/JP2006156283A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To execute circulation of a fuel without using power generated by a fuel cell. <P>SOLUTION: This fuel cell system is provided with the fuel cell 3 for generating power by a fuel gas and an oxidizer gas and has a circulation passage 8 for supplying a fuel exhaust gas exhausted from the fuel cell 3 to the fuel cell 3 again. In the circulation passage 8, the fuel exhaust gas is circulated by using an oxidizer exhaust gas exhausted from the fuel cell 3 as a power source. As a concrete structure for circulating the fuel exhaust gas, a circulation device 20 is installed in the circulation passage 8. The circulation device 20 is composed of an expansion machine 22 for regenerating energy of the oxidizer exhaust gas and a compressor 21 for circulating the fuel exhaust gas by the regenerated energy, and the compressor 21 is driven by shaft power from the expansion machine 22. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスの供給により発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムに関するものであり、特に、燃料排ガスを循環経路により循環し、再利用する燃料電池システムの改良に関する。   The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell that generates power by supplying a fuel gas and an oxidant gas, and more particularly to an improvement in a fuel cell system that circulates and reuses fuel exhaust gas through a circulation path.

近年の環境問題、特に自動車等の排出ガスによる大気汚染や二酸化炭素による地球温暖化の問題等に対する対策として、クリーンな排気及び高エネルギ効率を可能とする燃料電池技術が注目を浴びている。燃料電池システムは、燃料ガス及び酸化剤ガスを燃料電池の燃料極及び酸化剤極に供給して電気化学反応を起こし、化学エネルギを電気エネルギに変換するエネルギー変換システムである。燃料電池システムでは、前記電気化学反応によって生成するのは水のみであって、有害物質を含む排気ガスや二酸化炭素が排出されることはない。   Fuel cell technologies that enable clean exhaust and high energy efficiency are attracting attention as countermeasures against environmental problems in recent years, in particular, air pollution caused by exhaust gas from automobiles, global warming due to carbon dioxide, and the like. The fuel cell system is an energy conversion system that supplies a fuel gas and an oxidant gas to a fuel electrode and an oxidant electrode of a fuel cell to cause an electrochemical reaction and convert chemical energy into electric energy. In the fuel cell system, only water is generated by the electrochemical reaction, and exhaust gas and carbon dioxide containing harmful substances are not discharged.

このような燃料電池システムにおいては、供給された燃料ガス(水素ガス)が全て燃料電池で使用されるわけではなく、燃料ガスの利用効率を上げるための工夫として、燃料電池で使用されなかった未使用の燃料ガスを、再度燃料電池へと循環させて再利用する燃料ガス循環形式の燃料電池システムが知られている(例えば、特許文献1や特許文献2等を参照)。   In such a fuel cell system, not all of the supplied fuel gas (hydrogen gas) is used in the fuel cell, and as a device for improving the utilization efficiency of the fuel gas, it has not been used in the fuel cell. A fuel gas circulation type fuel cell system in which used fuel gas is circulated again to the fuel cell and reused is known (see, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2).

例えば、特許文献1には、燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に前記燃料ガスを供給するための燃料供給流路と、前記燃料電池から排出された未反応の燃料ガスを前記燃料供給流路の何れかの位置に合流させ前記燃料ガスを循環させるための燃料循環流路と、前記未反応の燃料ガスを取り込んで送り出す燃料ポンプと、前記燃料ガスが流れる際に発生する負圧を利用して前記未反応の燃料ガスを吸入し前記燃料ガスに合流させるエゼクタとを備えた燃料循環式燃料電池システムが開示されている。特許文献1記載の発明では、エゼクタを併用することで、燃料ポンプの大きさを小さくすることができ、燃料ポンプの消費電力を抑制できるとしている。   For example, in Patent Document 1, a fuel cell that is supplied with a fuel gas and an oxidant gas to generate power, a fuel supply channel for supplying the fuel gas to the fuel cell, and a fuel cell that is discharged from the fuel cell. A fuel circulation passage for circulating the fuel gas by joining the unreacted fuel gas to any position of the fuel supply passage, a fuel pump for taking in and sending out the unreacted fuel gas, and the fuel A fuel circulation fuel cell system including an ejector that sucks the unreacted fuel gas using a negative pressure generated when the gas flows and joins the unreacted fuel gas is disclosed. According to the invention described in Patent Document 1, the size of the fuel pump can be reduced by using the ejector together, and the power consumption of the fuel pump can be suppressed.

一方、特許文献2には、例えば請求項11として、水素ガスの供給源が高圧容器である燃料電池システムにおいて、前記高圧容器から燃料電池までの水素供給経路に配置され流入する水素ガスを減圧膨張させる膨張機と、前記膨張機にて膨張する水素ガスの膨張エネルギーを回転エネルギーとして出力する回転出力軸と、前記燃料電池から排出された未反応水素ガスを該燃料電池の前記水素供給経路に戻す循環経路と、該循環経路中に設けられ水素ガスを循環させる水素ポンプと、前記水素ポンプを駆動するための電動機とを有し、前記回転出力軸と前記水素ポンプと前記電動機が機械的に接続されている燃料電池システムが開示されている。例えば、段落番号0059以下に記載されている第7実施形態等にも記載されるように、特許文献2記載の発明では、高圧水素タンクから水素ガスを燃料電池に供給する際、膨張機により水素ガスの膨張エネルギーを回収し、回収した膨張エネルギーを機械エネルギーとして取り出し、水素循環ポンプの駆動エネルギーとして利用しているので、水素循環ポンプ発電機のエネルギーを削減できるとしている。
特開2003−151588号公報 特開2003−217641号公報
On the other hand, in Patent Document 2, for example, in claim 11, in a fuel cell system in which the supply source of hydrogen gas is a high-pressure vessel, the hydrogen gas flowing in the hydrogen supply path from the high-pressure vessel to the fuel cell is decompressed and expanded. An expander to be rotated, a rotation output shaft that outputs expansion energy of hydrogen gas expanded by the expander as rotational energy, and unreacted hydrogen gas discharged from the fuel cell to the hydrogen supply path of the fuel cell A circulation path; a hydrogen pump provided in the circulation path for circulating hydrogen gas; and an electric motor for driving the hydrogen pump, wherein the rotary output shaft, the hydrogen pump, and the electric motor are mechanically connected. A fuel cell system is disclosed. For example, as described in the seventh embodiment described below in paragraph No. 0059 and the like, in the invention described in Patent Document 2, when hydrogen gas is supplied from a high-pressure hydrogen tank to the fuel cell, hydrogen is expanded by an expander. The gas expansion energy is recovered, and the recovered expansion energy is taken out as mechanical energy and used as driving energy for the hydrogen circulation pump. Therefore, the energy of the hydrogen circulation pump generator can be reduced.
JP 2003-151588 A JP 2003-217461 A

しかしながら、特許文献1記載の発明のようにエゼクタを利用した循環システムでは、エゼクタの特性上、高密度のガスの循環流量を確保できないため、これを補うためのポンプの消費電力が大きいという問題がある。   However, in the circulation system using the ejector as in the invention described in Patent Document 1, the circulation flow rate of the high-density gas cannot be secured due to the characteristics of the ejector, so that there is a problem that the power consumption of the pump for compensating this is large. is there.

一方、特許文献2記載の発明では、高圧水素のエネルギーを利用する構成になっているため、液体燃料の改質により水素を得る燃料電池システムや、ダイレクト燃料電池システム等の高圧燃料ガスを用いない燃料電池システムにおいては、循環ポンプを駆動するためのエネルギーが得られないという問題がある。   On the other hand, the invention described in Patent Document 2 is configured to use the energy of high-pressure hydrogen, and therefore does not use high-pressure fuel gas such as a fuel cell system that obtains hydrogen by reforming liquid fuel or a direct fuel cell system. In the fuel cell system, there is a problem that energy for driving the circulation pump cannot be obtained.

本発明は、このような従来技術の有する欠点を解消することを目的に提案されたものである。すなわち、本発明は、燃料の種類によらず燃料を循環するための駆動力を得ることができ、燃料電池により発電した電力を使わずに燃料の循環を行うことが可能な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 proposed for the purpose of overcoming such drawbacks of the prior art. That is, the present invention provides a fuel cell system capable of obtaining a driving force for circulating fuel regardless of the type of fuel and capable of circulating the fuel without using the power generated by the fuel cell. The purpose is to do.

本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスにより発電を行う燃料電池を備え、前記燃料電池から排出された燃料排ガスを再度燃料電池に供給する循環経路を有する燃料電池システムである。そして、前記循環経路において、燃料電池から排出された酸化剤排ガスを動力源として燃料排ガスが循環されることを特徴とする。   The fuel cell system according to the present invention is a fuel cell system that includes a fuel cell that generates power using fuel gas and oxidant gas, and has a circulation path for supplying the fuel exhaust gas discharged from the fuel cell to the fuel cell again. In the circulation path, the fuel exhaust gas is circulated using the oxidant exhaust gas discharged from the fuel cell as a power source.

本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池により発電した電力を使わずに燃料の循環を行うことが可能であり、システム全体のエネルギー効率を大幅に向上することができる。また、本発明に係る燃料電池システムでは、燃料排ガス循環のためのエネルギーを酸化剤排ガスのエネルギーを利用して得るようにしているので、燃料が高圧燃料ガスである必要が無く、液体燃料の改質により水素を得る燃料電池システムや、ダイレクト燃料電池システム等の高圧燃料ガスを用いない燃料電池システムにおいても、前記循環のためのエネルギーを得ることが可能である。   According to the fuel cell system of the present invention, it is possible to circulate fuel without using the electric power generated by the fuel cell, and the energy efficiency of the entire system can be greatly improved. Further, in the fuel cell system according to the present invention, the energy for circulating the fuel exhaust gas is obtained by using the energy of the oxidant exhaust gas. Therefore, the fuel does not need to be high-pressure fuel gas, and the liquid fuel is improved. Even in a fuel cell system that does not use high-pressure fuel gas, such as a fuel cell system that obtains hydrogen by quality or a direct fuel cell system, it is possible to obtain energy for the circulation.

以下、本発明を適用した燃料電池システムの実施形態について、図面を参照して説明する。   Hereinafter, embodiments of a fuel cell system to which the present invention is applied will be described with reference to the drawings.

図1は、本実施形態の燃料電池システムの構成を示すものである。図1に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、主に、水素ガス等の燃料ガスを供給する燃料供給源1、空気を酸化剤ガスとして供給する酸化剤ガス供給装置2、及び発電を行う燃料電池3を備えて構成されている。   FIG. 1 shows the configuration of the fuel cell system of this embodiment. As shown in FIG. 1, the fuel cell system of this embodiment mainly includes a fuel supply source 1 that supplies a fuel gas such as hydrogen gas, an oxidant gas supply device 2 that supplies air as an oxidant gas, and power generation. The fuel cell 3 which performs is comprised.

燃料電池3は、燃料ガス(水素ガス)が供給されるアノード4と、酸化剤ガス(空気)が供給されるカソード5とが電解質・電極触媒複合体を挟んで重ね合わされて発電セルが構成されるとともに、通常は、複数の発電セルが多段積層された構造を有し、電気化学反応により化学エネルギーを電気エネルギーに変換する。アノード4では、水素が供給されることで水素イオンと電子に解離し、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、カソード5にそれぞれ移動する。カソード5では、供給された空気中の酸素と上記水素イオン及び電子が反応して水が生成し、外部に排出される。   In the fuel cell 3, an anode 4 to which a fuel gas (hydrogen gas) is supplied and a cathode 5 to which an oxidant gas (air) is supplied are overlapped with an electrolyte / electrode catalyst composite interposed therebetween to constitute a power generation cell. At the same time, it usually has a structure in which a plurality of power generation cells are stacked in multiple stages, and converts chemical energy into electrical energy by an electrochemical reaction. In the anode 4, when hydrogen is supplied, it is dissociated into hydrogen ions and electrons, the hydrogen ions pass through the electrolyte, the electrons pass through an external circuit, generate electric power, and move to the cathode 5. At the cathode 5, oxygen in the supplied air reacts with the hydrogen ions and electrons to generate water, which is discharged to the outside.

燃料電池3の電解質としては、高エネルギー密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、例えば固体高分子電解質膜が用いられる。固体高分子電解質膜は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン(プロトン)伝導性の高分子膜からなるものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。   For example, a solid polymer electrolyte membrane is used as the electrolyte of the fuel cell 3 in consideration of high energy density, low cost, light weight, and the like. The solid polymer electrolyte membrane is made of an ion (proton) conductive polymer membrane such as a fluororesin ion exchange membrane, and functions as an ion conductive electrolyte when saturated with water.

前記燃料電池3においては、燃料ガスや酸化剤ガスを前記アノード4やカソード5に供給する必要があり、そのための機構が燃料ガス供給手段及び酸化剤ガス供給手段である。   In the fuel cell 3, it is necessary to supply fuel gas and oxidant gas to the anode 4 and cathode 5, and the mechanism for this is fuel gas supply means and oxidant gas supply means.

ここで、燃料ガス供給手段について説明すると、燃料ガス供給手段は、例えば、前述の水素タンク等の燃料供給源1の他、供給される燃料ガスの流量、圧力等を調整する燃料ガス供給バルブや水素調圧弁を備え、燃料ガス供給ライン6によって燃料電池3に燃料ガスを供給する構成とされている。すなわち、燃料供給源1から供給される燃料ガスは、燃料ガス供給バルブや水素調圧弁によって圧力や流量が調整された後、前記燃料ガス供給ライン6を通って燃料電池3のアノード4に送り込まれる。   Here, the fuel gas supply means will be described. The fuel gas supply means includes, for example, a fuel gas supply valve for adjusting the flow rate, pressure and the like of the supplied fuel gas in addition to the fuel supply source 1 such as the hydrogen tank described above. A hydrogen pressure regulating valve is provided, and the fuel gas is supplied to the fuel cell 3 through the fuel gas supply line 6. That is, the fuel gas supplied from the fuel supply source 1 is supplied to the anode 4 of the fuel cell 3 through the fuel gas supply line 6 after the pressure and flow rate are adjusted by the fuel gas supply valve and the hydrogen pressure regulating valve. .

燃料電池3では供給された燃料ガスが全て消費されるわけではなく、残った燃料ガス(燃料電池3のアノード4から排出される燃料排ガス)は、循環されて再び燃料電池3に供給される。したがって、燃料電池3のアノード4の出口には、燃料排ガス排気管7の他、燃料排ガスを前記燃料ガス供給ライン6へ導く循環路8が設けられ、燃料電池3のアノード4から排出される燃料排ガスは、燃料排ガス排気管7及び循環路8を通って循環され、新たに燃料供給源1から供給される燃料ガスと混合されて、再び燃料電池3のアノード4に供給される。   The fuel cell 3 does not consume all the supplied fuel gas, and the remaining fuel gas (fuel exhaust gas discharged from the anode 4 of the fuel cell 3) is circulated and supplied to the fuel cell 3 again. Therefore, at the outlet of the anode 4 of the fuel cell 3, in addition to the fuel exhaust gas exhaust pipe 7, a circulation path 8 that leads the fuel exhaust gas to the fuel gas supply line 6 is provided, and the fuel discharged from the anode 4 of the fuel cell 3 The exhaust gas is circulated through the fuel exhaust gas exhaust pipe 7 and the circulation path 8, mixed with the fuel gas newly supplied from the fuel supply source 1, and supplied again to the anode 4 of the fuel cell 3.

なお、前記循環路8の中途位置には、パージ用バルブ9が設けられている。このパージ用バルブ9は、燃料電池3のアノード4からの燃料排ガスを外部に放出する機能を有するものであり、これを開閉操作することで、燃料排ガスが循環路8から外部へと放出される。燃料ガス、例えば水素を循環させると、時間経過に伴って循環路8内に窒素やCO等の不純物が蓄積し、水素分圧が降下していく。そのため、燃料電池3の効率が低下するという問題が生ずる。そこで、不純物濃度が高くなった場合や、燃料電池システム起動時には、前記パージ用バルブ9を開放し、循環路8内のガスをパージする。これにより、循環路8内から不純物を除去することができる。   A purge valve 9 is provided in the middle of the circulation path 8. The purge valve 9 has a function of releasing the fuel exhaust gas from the anode 4 of the fuel cell 3 to the outside. By opening and closing the purge valve 9, the fuel exhaust gas is released from the circulation path 8 to the outside. . When a fuel gas such as hydrogen is circulated, impurities such as nitrogen and CO accumulate in the circulation path 8 over time, and the hydrogen partial pressure decreases. Therefore, the problem that the efficiency of the fuel cell 3 falls arises. Therefore, when the impurity concentration becomes high or when the fuel cell system is started, the purge valve 9 is opened to purge the gas in the circulation path 8. Thereby, impurities can be removed from the circulation path 8.

一方、酸化剤ガス供給手段は、外気を吸入し燃料電池3のカソード5に酸化剤ガスである空気を圧送するための圧縮機10及びモータ11により構成される酸化剤ガス供給装置2と、ここから圧送される酸化剤ガスを燃料電池3のカソード5へと導く酸化剤ガス供給配管12、さらには燃料電池3のカソード5から酸化剤排ガスを排出するための酸化剤排ガス排気管13とから構成されている。前記圧縮機10及びモータ11により酸化剤ガス(空気)が酸化剤ガス供給配管12に送り込まれ、必要に応じて加湿装置等で加湿された後、燃料電池3のカソード5に供給される。燃料電池3で消費されなかった酸素及び空気中の他の成分は、酸化剤排ガス排気管13から排出される。なお、酸化剤排ガス排気管13には、圧力調整用のバルブ14が設置されている。   On the other hand, the oxidant gas supply means includes an oxidant gas supply device 2 including a compressor 10 and a motor 11 for sucking outside air and pumping air, which is an oxidant gas, to the cathode 5 of the fuel cell 3. An oxidant gas supply pipe 12 that guides the oxidant gas fed from the fuel cell 3 to the cathode 5 of the fuel cell 3, and an oxidant exhaust gas exhaust pipe 13 for discharging the oxidant exhaust gas from the cathode 5 of the fuel cell 3. Has been. Oxidant gas (air) is sent to the oxidant gas supply pipe 12 by the compressor 10 and the motor 11, and is humidified by a humidifier or the like as necessary, and then supplied to the cathode 5 of the fuel cell 3. Oxygen not consumed in the fuel cell 3 and other components in the air are discharged from the oxidant exhaust gas exhaust pipe 13. The oxidant exhaust gas exhaust pipe 13 is provided with a pressure adjusting valve 14.

以上が燃料電池システムの基本的な構成であるが、前記構成を有する燃料電池システムは、前述の通り、燃料供給源1から供給される燃料と、圧縮機10から供給される酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池3において、アノード4で未使用の燃料は、再度供給燃料と混合して循環するように、循環路8を有している。そして、アノード4の圧力は、燃料供給量によってコントロールされ、アノード4内に蓄積する不純物ガス濃度を一定量以下に保つように、パージ用バルブ9の開閉操作によりパージが行われる。カソード5の圧力は、モータ11によって駆動される圧縮機10と、下流に設けられたバルブ14によってコントロールされる。   The above is the basic configuration of the fuel cell system. The fuel cell system having the above configuration uses the fuel supplied from the fuel supply source 1 and the oxidant gas supplied from the compressor 10 as described above. In the fuel cell 3 that generates electric power, the fuel unused at the anode 4 has a circulation path 8 so that it is mixed with the supplied fuel and circulated again. The pressure of the anode 4 is controlled by the amount of fuel supplied, and purging is performed by opening and closing the purge valve 9 so that the concentration of impurity gas accumulated in the anode 4 is kept below a certain level. The pressure of the cathode 5 is controlled by a compressor 10 driven by a motor 11 and a valve 14 provided downstream.

以上のような構成を有する燃料電池システムにおいては、燃料ガスを循環するための手段が必要である。ただし、循環手段として通常のポンプ等を用いたのでは、その駆動のために燃料電池3で発電される電力の一部を使用する必要が生じ、効率的ではない。そこで、本実施形態では、燃料ガスを循環するための動力源として酸化剤排ガスが持つエネルギーを利用する。具体的には、圧縮機21と膨張機22とを備えた循環装置20を循環路8内に設置し、カソード5から排出される酸化剤排ガスのエネルギーを膨張機22によって軸動力として取り出し、圧縮機21を回転駆動するのに利用する。   In the fuel cell system having the above configuration, means for circulating the fuel gas is necessary. However, if a normal pump or the like is used as the circulation means, it is necessary to use a part of the electric power generated by the fuel cell 3 for driving, which is not efficient. Therefore, in this embodiment, the energy of the oxidant exhaust gas is used as a power source for circulating the fuel gas. Specifically, a circulation device 20 including a compressor 21 and an expander 22 is installed in the circulation path 8, and the energy of the oxidant exhaust gas discharged from the cathode 5 is taken out as axial power by the expander 22 and compressed. This is used for rotationally driving the machine 21.

循環装置20の構造としては、例えば図2(a)に示すように、圧縮機21と膨張機22とを備えており、これらが機械的に接続されていればよい。本例の場合、圧縮機21の回転軸21aと膨張機22の回転軸22aとがカップリング23によって機械的に接続されており、膨張機22の回転軸22aの回転が圧縮機21の回転軸21aに伝達されるようになっている。   As the structure of the circulation device 20, for example, as shown in FIG. 2A, a compressor 21 and an expander 22 are provided, and these may be mechanically connected. In the case of this example, the rotating shaft 21a of the compressor 21 and the rotating shaft 22a of the expander 22 are mechanically connected by the coupling 23, and the rotation of the rotating shaft 22a of the expander 22 is the rotating shaft of the compressor 21. 21a is transmitted.

前記構造の循環装置20においては、燃料である水素の分子量が小さく、軸シールが困難であるので、外部への水素漏れを防ぐためには、図2(b)に示すように、圧縮機21と膨張機22を一体構造とすることが好ましい。また、膨張機22から漏れた酸化剤排ガスが圧縮機21に入り込むことによる発電効率低下等の悪影響を避けるために、圧縮機21の低圧部と膨張機22の高圧部を離し、圧縮機21の高圧部と膨張機22の低圧部が近づくように配置するのがよい。具体的には、図2(a)に示すように、圧縮機21においては、アノードから排出された燃料排ガスを圧縮機21の膨張機22に近い位置に導入し、膨張機22から離れた位置から排出するようにする。膨張機22においては、カソード5から排出された酸化剤排ガスを膨張機22の圧縮機21から離れた位置に導入し、圧縮機21に近い位置から排出するようにする。   In the circulation device 20 having the above structure, since the molecular weight of hydrogen as a fuel is small and shaft sealing is difficult, in order to prevent hydrogen leakage to the outside, as shown in FIG. The expander 22 is preferably integrated. Further, in order to avoid adverse effects such as a decrease in power generation efficiency due to the oxidant exhaust gas leaking from the expander 22 entering the compressor 21, the low pressure portion of the compressor 21 and the high pressure portion of the expander 22 are separated from each other. It is good to arrange so that a high pressure part and the low pressure part of expander 22 may approach. Specifically, as shown in FIG. 2A, in the compressor 21, the fuel exhaust gas discharged from the anode is introduced to a position near the expander 22 of the compressor 21, and the position away from the expander 22. To be discharged from. In the expander 22, the oxidant exhaust gas discharged from the cathode 5 is introduced to a position away from the compressor 21 of the expander 22 and discharged from a position close to the compressor 21.

前述の構成を有する本実施形態の燃料電池システムによれば、動力源としてカソード5からの酸化剤排ガスのエネルギーを利用し、膨張機22により軸動力に変換して循環装置20を駆動するようにしているので、高圧燃料ガスを用いない燃料電池システムにおいても、燃料電池により発電した電力を使わずに循環装置20を駆動することができる。また、循環装置20において、圧縮機21と膨張機22とを一体化することで、軸シールが困難な水素ガス(燃料ガス)を外部に流出させることなく、膨張機22の駆動力を圧縮機21で利用することが可能である。さらに、循環装置20において、膨張機22の高圧部と圧縮機21の低圧部が近接しないように設計することで、燃料排ガスが酸化剤排ガス中に混入することはあっても、酸化剤排ガスが燃料排ガス中に混入することはなく、発電効率の低下や燃料電池の劣化を防止することができる。   According to the fuel cell system of the present embodiment having the above-described configuration, the energy of the oxidant exhaust gas from the cathode 5 is used as a power source and converted into shaft power by the expander 22 to drive the circulation device 20. Therefore, even in a fuel cell system that does not use high-pressure fuel gas, the circulation device 20 can be driven without using the power generated by the fuel cell. In addition, by integrating the compressor 21 and the expander 22 in the circulation device 20, the driving force of the expander 22 can be supplied to the compressor without causing hydrogen gas (fuel gas), which is difficult to seal, to flow out. 21 can be used. Furthermore, in the circulation device 20, the high-pressure portion of the expander 22 and the low-pressure portion of the compressor 21 are designed not to be close to each other, so that the fuel exhaust gas may be mixed into the oxidant exhaust gas, It is not mixed in the fuel exhaust gas, and it is possible to prevent a decrease in power generation efficiency and deterioration of the fuel cell.

本実施形態の燃料電池システムの構成を図3に示す。なお、燃料電池システムの基本的な構成は、先の第1の実施形態の場合と同様であるので、同一の構成要素に同一の符号を付して、その説明は省略する。   The configuration of the fuel cell system of this embodiment is shown in FIG. Since the basic configuration of the fuel cell system is the same as that of the first embodiment, the same components are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.

本実施形態の燃料電池システムでは、図3に示すように、循環装置20において、圧縮機21と膨張機22の間にパージ路24が設けられ、このパージ路24にパージ用バルブ9が設置されている。したがって、パージ用バルブ9を開放すると、圧縮機21中の燃料排ガスが膨張機22内に導入され、酸化剤排ガスとともに外部に排出される。   In the fuel cell system of this embodiment, as shown in FIG. 3, in the circulation device 20, a purge path 24 is provided between the compressor 21 and the expander 22, and the purge valve 9 is installed in the purge path 24. ing. Therefore, when the purge valve 9 is opened, the fuel exhaust gas in the compressor 21 is introduced into the expander 22 and discharged together with the oxidant exhaust gas.

本実施形態の燃料電池システムでは、前記のようなアノード4から排出される燃料排ガスをカソード5から排出される酸化剤排ガス中へ意図的に逃がす機能により、燃料排ガスを膨張機22の内部や膨張直後の乱流の中で酸化剤排ガスによって十分に拡散希釈することが可能である。その結果、燃料排ガスを可燃限界以下の濃度で大気中に排出することが可能である。   In the fuel cell system according to this embodiment, the fuel exhaust gas discharged from the anode 4 as described above is intentionally released into the oxidant exhaust gas discharged from the cathode 5 so that the fuel exhaust gas is expanded inside the expander 22 or expanded. In the turbulent flow just after, it is possible to sufficiently diffuse and dilute with oxidant exhaust gas. As a result, the fuel exhaust gas can be discharged into the atmosphere at a concentration below the flammable limit.

本実施形態の燃料電池システムの構成を図4に示す。なお、本実施形態の燃料電池システムにおいても、基本的構成は先の第1の実施形態の場合と同様であるので、同一の構成要素に同一の符号を付し、ここではその説明は省略する。   The configuration of the fuel cell system of this embodiment is shown in FIG. In the fuel cell system of the present embodiment, the basic configuration is the same as that of the first embodiment, so the same components are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted here. .

本実施形態の燃料電池システムでは、図4に示すように、循環装置20を構成する膨張機22に近接して補助モータ25が設けられている。補助モータ25は、例えば圧縮機21と膨張機22の間、若しくは膨張機22の外側位置に設置する。   In the fuel cell system of this embodiment, as shown in FIG. 4, an auxiliary motor 25 is provided in the vicinity of the expander 22 constituting the circulation device 20. The auxiliary motor 25 is installed, for example, between the compressor 21 and the expander 22 or at a position outside the expander 22.

この補助モータ25は、膨張機22の回生動力が不足するような燃料電池3の運転条件において、圧縮機21を駆動する動力を補う役割を果たす。また、膨張機22の回生動力が余剰となる運転条件においては、補助モータ25で発電を行うことで、エネルギーを回収することができる。   The auxiliary motor 25 plays a role of supplementing the power for driving the compressor 21 under the operating conditions of the fuel cell 3 such that the regenerative power of the expander 22 is insufficient. In addition, under operating conditions in which the regenerative power of the expander 22 is excessive, energy can be recovered by generating power with the auxiliary motor 25.

以上のように、本実施形態の燃料電池システムによれば、運転条件によらず燃料排ガスを循環路8において円滑に循環することができる。また、余剰な回生エネルギーが発生した場合、これを回収することができ、より一層の効率化を図ることが可能である。   As described above, according to the fuel cell system of the present embodiment, the fuel exhaust gas can be smoothly circulated in the circulation path 8 regardless of the operating conditions. Moreover, when excessive regenerative energy generate | occur | produces, this can be collect | recovered and it can achieve further efficiency improvement.

本実施形態の燃料電池システムの構成を図5に示す。本実施形態の燃料電池システムにおいても、基本的構成は先の第1の実施形態の場合と同様であるので、同一の構成要素に同一の符号を付して、ここではその説明は省略する。   The configuration of the fuel cell system of this embodiment is shown in FIG. Also in the fuel cell system of the present embodiment, the basic configuration is the same as in the case of the first embodiment. Therefore, the same components are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted here.

本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池3の燃料排ガス排気管7と循環路8の間に、循環装置20と並列に補助ポンプ26が設置されている。なお、この補助ポンプ26は、循環装置20と直列に接続することも可能である。補助ポンプ26は、膨張機22の回生動力が不足するような燃料電池3の運転条件において、不足する循環流量を補う機能を有する。   In the fuel cell system of this embodiment, an auxiliary pump 26 is installed in parallel with the circulation device 20 between the fuel exhaust gas exhaust pipe 7 and the circulation path 8 of the fuel cell 3. The auxiliary pump 26 can be connected in series with the circulation device 20. The auxiliary pump 26 has a function of compensating for an insufficient circulating flow rate under the operating conditions of the fuel cell 3 such that the regenerative power of the expander 22 is insufficient.

本実施形態の燃料電池システムによれば、膨張機22の回生動力が不足するような燃料電池3の運転条件において、不足する循環流量を補うことができ、運転条件によらず燃料排ガスを循環路8において円滑に循環することができる。   According to the fuel cell system of the present embodiment, the insufficient circulation flow rate can be compensated for in the operating conditions of the fuel cell 3 where the regenerative power of the expander 22 is insufficient, and the fuel exhaust gas is circulated regardless of the operating conditions. 8 can smoothly circulate.

本実施形態の燃料電池システムの構成を図6に示す。本実施形態の燃料電池システムにおいても、基本的構成は先の第1の実施形態の場合と同様であるので、同一の構成要素に同一の符号を付して、ここではその説明は省略する。   The configuration of the fuel cell system of this embodiment is shown in FIG. Also in the fuel cell system of the present embodiment, the basic configuration is the same as in the case of the first embodiment. Therefore, the same components are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted here.

本実施形態の燃料電池システムでは、図6に示すように、酸化剤排ガス排気管13に循環装置20の膨張機22を迂回するバイパス流路27が設けられており、このバイパス流路27にバルブ28が設けられている。このバイパス流路27やバルブ28は、燃料排ガスの循環流量やカソード5の圧力を制御するものである。例えば、基本的に、カソード5から排出される酸化剤排ガスのエネルギーに応じて燃料排ガスの循環流量が決定されるので、要求循環流量に対して酸化剤排ガスのエネルギーが過剰な場合には、前記バルブ28の開閉度合いを制御し、酸化剤排ガスの一部を膨張機22を通さずに排気することで、要求循環量に合わせることができる。   In the fuel cell system of this embodiment, as shown in FIG. 6, a bypass passage 27 that bypasses the expander 22 of the circulation device 20 is provided in the oxidant exhaust gas exhaust pipe 13, and a valve is provided in the bypass passage 27. 28 is provided. The bypass flow path 27 and the valve 28 control the circulation flow rate of the fuel exhaust gas and the pressure of the cathode 5. For example, basically, since the circulation flow rate of the fuel exhaust gas is determined according to the energy of the oxidant exhaust gas discharged from the cathode 5, when the energy of the oxidant exhaust gas is excessive with respect to the required circulation flow rate, By controlling the degree of opening and closing of the valve 28 and exhausting part of the oxidant exhaust gas without passing through the expander 22, it is possible to match the required circulation amount.

本実施形態の燃料電池システムによれば、膨張機22を迂回するバイパス流路27を備えているので、過剰な循環流量の発生を防止でき、酸化剤ガス供給装置2のモータ11や膨張機22の過回転を防止できる。また、バイパス流路27において、バルブ28の開度をコントロールすれば、適切な循環流量に制御することも可能である。   According to the fuel cell system of the present embodiment, since the bypass flow path 27 that bypasses the expander 22 is provided, it is possible to prevent generation of an excessive circulation flow rate, and the motor 11 and the expander 22 of the oxidant gas supply device 2. Can prevent over-rotation. Further, if the opening degree of the valve 28 is controlled in the bypass flow path 27, it is possible to control the circulation flow rate to an appropriate level.

以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論であることを付け加えておく。   As mentioned above, although the embodiment to which the invention made by the present inventor is applied has been described, the present invention is not limited by the description and the drawings that form part of the disclosure of the present invention according to this embodiment. That is, it should be added that other embodiments, examples, operation techniques, and the like made by those skilled in the art based on the above embodiments are all included in the scope of the present invention.

第1の実施形態の燃料電池システムの概略構成を示す図である。It is a figure showing a schematic structure of a fuel cell system of a 1st embodiment. 循環装置の一例を示すものであり、(a)は循環装置の概略構造を示す図、(b)は一体構造とした状態を示す図である。An example of a circulation apparatus is shown, (a) is a figure which shows schematic structure of a circulation apparatus, (b) is a figure which shows the state made into integral structure. 第2の実施形態の燃料電池システムの概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the fuel cell system of 2nd Embodiment. 第3の実施形態の燃料電池システムの概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the fuel cell system of 3rd Embodiment. 第4の実施形態の燃料電池システムの概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the fuel cell system of 4th Embodiment. 第5の実施形態の燃料電池システムの概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the fuel cell system of 5th Embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

1:燃料供給源
2:酸化剤ガス供給装置
3:燃料電池
4:アノード
5:カソード
6:燃料ガス供給ライン
7:燃料排ガス排気管
8:循環路
9:パージ用バルブ
10:圧縮機
11:モータ
12:酸化剤ガス供給配管
13:酸化剤排ガス排気管
14:バルブ
20:循環装置
21:圧縮機
22:膨張機
23:カップリング
24:パージ路
25:補助モータ
26:補助ポンプ
27:バイパス流路
28:バルブ
1: fuel supply source 2: oxidant gas supply device 3: fuel cell 4: anode 5: cathode 6: fuel gas supply line 7: fuel exhaust gas exhaust pipe 8: circulation path 9: purge valve 10: compressor 11: motor 12: Oxidant gas supply pipe 13: Oxidant exhaust gas exhaust pipe 14: Valve 20: Circulator 21: Compressor 22: Expander 23: Coupling 24: Purge path 25: Auxiliary motor 26: Auxiliary pump 27: Bypass path 28: Valve

Claims (11)

燃料ガスと酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池を備え、当該燃料電池から排出された燃料排ガスを再度燃料電池に供給する循環経路を有する燃料電池システムであって、
前記循環経路において、燃料排ガスは燃料電池から排出された酸化剤排ガスを動力源として循環されること
を特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell system comprising a fuel cell that generates power by receiving supply of fuel gas and oxidant gas, and having a circulation path for supplying fuel exhaust gas discharged from the fuel cell to the fuel cell again,
In the circulation path, the fuel exhaust gas is circulated using oxidant exhaust gas discharged from the fuel cell as a power source.
請求項1に記載の燃料電池システムであって、
前記循環経路に循環装置が設置され、
前記循環装置は、酸化剤排ガスのエネルギーを回生する膨張機と、回生されたエネルギーにより燃料排ガスを循環させる圧縮機とにより構成され、前記圧縮機は前記膨張機からの軸動力により駆動されることを特徴とする燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 1,
A circulation device is installed in the circulation path;
The circulation device includes an expander that regenerates the energy of the oxidant exhaust gas and a compressor that circulates the fuel exhaust gas using the regenerated energy, and the compressor is driven by shaft power from the expander. A fuel cell system.
請求項2に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、酸化剤排ガスを排出する酸化剤ガス排気管を備え、この酸化剤ガス排気管が前記循環装置に接続され、酸化剤排ガスが前記膨張機に導入されることを特徴とする燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 2, wherein
The fuel cell includes an oxidant gas exhaust pipe for discharging oxidant exhaust gas, the oxidant gas exhaust pipe is connected to the circulation device, and the oxidant exhaust gas is introduced into the expander. Battery system.
請求項2に記載の燃料電池システムであって、
前記循環装置は膨張機の低圧部と圧縮機の高圧部とが近接しない構造とされていることを特徴とする燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 2, wherein
The fuel cell system according to claim 1, wherein the circulation device has a structure in which the low-pressure part of the expander and the high-pressure part of the compressor are not close to each other.
請求項4に記載の燃料電池システムであって、
前記膨張機では、酸化剤排ガスが圧縮機から離れた位置から導入され、圧縮機に近い位置から排出されると共に、前記圧縮機では、燃料排ガスが膨張機に近い位置から導入され、膨張機から離れた位置から排出されることを特徴とする燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 4, wherein
In the expander, the oxidant exhaust gas is introduced from a position away from the compressor and discharged from a position close to the compressor. In the compressor, the fuel exhaust gas is introduced from a position close to the expander, and from the expander. A fuel cell system which is discharged from a distant position.
請求項2に記載の燃料電池システムであって、
前記膨張機と圧縮機とが一体化されていることを特徴とする燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 2, wherein
The fuel cell system, wherein the expander and the compressor are integrated.
請求項2に記載の燃料電池システムであって、
前記圧縮機から排出される燃料排ガスをパージするパージ路を備えることを特徴とする燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 2, wherein
A fuel cell system comprising a purge path for purging fuel exhaust gas discharged from the compressor.
請求項7に記載の燃料電池システムであって、
前記パージ路は前記膨張機に接続され、圧縮機から排出される燃料排ガスの一部が膨張機に導入され希釈されることを特徴とする燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 7, wherein
The purge path is connected to the expander, and a part of the fuel exhaust gas discharged from the compressor is introduced into the expander and diluted.
請求項2に記載の燃料電池システムであって、
前記循環装置は補助モータを備えていることを特徴とする燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 2, wherein
The fuel cell system, wherein the circulation device includes an auxiliary motor.
請求項2に記載の燃料電池システムであって、
前記循環経路に補助ポンプが設置されていることを特徴とする燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 2, wherein
A fuel cell system, wherein an auxiliary pump is installed in the circulation path.
請求項3に記載の燃料電池システムであって、
前記酸化剤ガス排気管は、前記膨張機を迂回するバイパス流路を有することを特徴とする燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 3,
The fuel cell system, wherein the oxidant gas exhaust pipe has a bypass flow path that bypasses the expander.
JP2004348472A 2004-12-01 2004-12-01 Fuel cell system Pending JP2006156283A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004348472A JP2006156283A (en) 2004-12-01 2004-12-01 Fuel cell system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004348472A JP2006156283A (en) 2004-12-01 2004-12-01 Fuel cell system

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2006156283A true JP2006156283A (en) 2006-06-15

Family

ID=36634280

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2004348472A Pending JP2006156283A (en) 2004-12-01 2004-12-01 Fuel cell system

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2006156283A (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2073296A1 (en) 2007-12-18 2009-06-24 Kabushiki Kaisha Toyota Jidoshokki Fuel cell system
EP2086043A1 (en) * 2008-02-04 2009-08-05 Kabushiki Kaisha Toyota Jidoshokki Fuel cell system
CN114388843A (en) * 2022-03-23 2022-04-22 中山大洋电机股份有限公司 Fuel cell system and control method

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2073296A1 (en) 2007-12-18 2009-06-24 Kabushiki Kaisha Toyota Jidoshokki Fuel cell system
EP2086043A1 (en) * 2008-02-04 2009-08-05 Kabushiki Kaisha Toyota Jidoshokki Fuel cell system
CN114388843A (en) * 2022-03-23 2022-04-22 中山大洋电机股份有限公司 Fuel cell system and control method

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3751651A1 (en) Fuel cell system and purging and draining method during shutdown/startup of said system
JP3739826B2 (en) Polymer electrolyte fuel cell system
US9437886B2 (en) Fuel cell system and method for stopping power generation in fuel cell system
JP2007517372A (en) Fuel cell startup method using fuel purge
JP2005032652A (en) Fuel cell system
JPH08203547A (en) Solid polymer type fuel cell system
US20100081016A1 (en) Fuel cell system and method for shutting down the system
JP2009064784A (en) Fuel cell device
JP2009016118A (en) Fuel cell power generating device
JP2005166424A (en) Fuel cell system
JP5538192B2 (en) Fuel cell system
JP2007250218A (en) Fuel cell system
JP2007323863A (en) Fuel cell system and shutdown method of fuel cell
JP2006156283A (en) Fuel cell system
JP2008112709A (en) Anode side hydrogen oxygen interface formation suppressing structure of fuel cell electric vehicle
JP2009123588A (en) Fuel cell system
JP2004158221A (en) Fuel cell system
JP5583536B2 (en) Method for stopping operation of fuel cell system
JP2005108698A (en) Fuel cell system
JP2007018837A (en) Hydrogen gas dilution apparatus for fuel cell
JP2008071729A (en) Fuel cell system, and method of shutting down it
JP5480086B2 (en) Method for stopping operation of fuel cell system
JP2011170995A (en) Fuel battery system
JP2005209399A (en) Fuel cell system
JP6023403B2 (en) Fuel cell system and its operation stop method