JP2006331882A - Fuel cell system and operation method therefor - Google Patents

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力 大塚
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress drop in circulation amount in an anode circulation passage and to realize power generation, according to the required load. <P>SOLUTION: A fuel cell system, arranging a humidifier 80 humidifying anode supply gas for supplying to a fuel cell 20 with anode offgas exhausted from the fuel cell 20 in the anode circulation passage for resupplying the anode offgas to the fuel cell 20 and circulating it, is equipped with a bypass passage 81, through which the anode offgas bypasses the humidifier 80. An opening adjusting valve 82 is installed in the bypass passage 81 as a bypass flow rate control means for controlling the flow rate of the bypass passage 81 according to the required load with respect to the fuel cell 20. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、アノード供給ガスを加湿するための加湿装置をアノード循環経路に備えた燃料電池システムとその運転方法に関する。   The present invention relates to a fuel cell system including a humidifier for humidifying an anode supply gas in an anode circulation path, and an operation method thereof.

例えば固体高分子電解質型の燃料電池は、膜−電極アッセンブリ(MEA:Membrane-Electrode Assembly )とセパレータとからなるセルを積層して構成され、当該燃料電池のアノードには燃料ガスとして水素(アノードガス)が供給され、カソード側には酸化ガスとして空気(カソードガス)が供給される。燃料電池から排出される水素オフガス(アノードオフガス)には、発電で消費されなかった水素が含まれているため、そのままシステム外に排出せずに再び燃料電池に供給される。   For example, a solid polymer electrolyte type fuel cell is configured by stacking a cell comprising a membrane-electrode assembly (MEA) and a separator, and hydrogen (anode gas) is provided as a fuel gas at the anode of the fuel cell. ) And air (cathode gas) is supplied as an oxidizing gas to the cathode side. Since the hydrogen off-gas (anode off-gas) discharged from the fuel cell contains hydrogen that has not been consumed in power generation, it is supplied to the fuel cell again without being discharged out of the system.

特許文献1には、水素オフガスを燃料電池に再供給するアノード循環経路を備えた燃料電池システムにおいて、アノードガス供給源から燃料電池に供給される水素を水素オフガスにて加湿すべく、アノード循環経路に中空糸加湿装置が設けられた構成が開示されている。かかる加湿装置により、電解質膜は所定の含水状態に維持され、高い発電効率が維持される。
特開2002−184439号公報
Patent Document 1 discloses an anode circulation path in a fuel cell system having an anode circulation path for re-supplying hydrogen off-gas to a fuel cell in order to humidify hydrogen supplied from the anode gas supply source to the fuel cell with hydrogen off-gas. Discloses a configuration in which a hollow fiber humidifier is provided. With this humidifier, the electrolyte membrane is maintained in a predetermined water-containing state, and high power generation efficiency is maintained.
JP 2002-184439 A

しかしながら、アノード循環経路に加湿装置を設けると、該アノード循環経路における圧力損失が大きくなるため、燃料電池のアノードに供給される総循環量ひいては水素循環量が低下してしまう。特に高負荷領域においては圧力損失が増えるため、水素循環量が要求値を下回り、負荷要求に応じた発電を行うことが困難となる。   However, when a humidifier is provided in the anode circulation path, the pressure loss in the anode circulation path increases, so that the total circulation amount supplied to the anode of the fuel cell and thus the hydrogen circulation amount decreases. In particular, in a high load region, pressure loss increases, so that the hydrogen circulation amount is lower than the required value, making it difficult to generate power according to the load request.

本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、アノード循環経路での循環量低下を抑制することにより、負荷要求に応じた発電を実現することが可能な燃料電池システムとその運転方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a fuel cell system capable of realizing power generation according to a load request by suppressing a reduction in circulation amount in an anode circulation path and an operation method thereof. The purpose is to provide.

本発明においては、上記の課題を解決するために以下の手段を採用した。すなわち、請求項1に記載の発明は、燃料電池に供給されるアノード供給ガスを該燃料電池から排出されたアノードオフガスにて加湿するための加湿装置が、前記アノードオフガスを前記燃料電池に再供給して循環させるアノード循環経路に配設された燃料電池システムにおいて、前記アノードオフガスが前記加湿装置をバイパスするバイパス路を備えることを特徴とする。   In the present invention, the following means are employed in order to solve the above problems. That is, according to the first aspect of the present invention, the humidifier for humidifying the anode supply gas supplied to the fuel cell with the anode off-gas discharged from the fuel cell re-supplies the anode off-gas to the fuel cell. In the fuel cell system disposed in the anode circulation path to be circulated, the anode off gas includes a bypass path that bypasses the humidifier.

本発明によれば、燃料電池から排出されたアノードオフガスがバイパス路を通ることで加湿装置をバイパスすることが可能である。これにより、特に高負荷時におけるアノード循環経路での圧力損失を抑制することができる。   According to the present invention, the anode off gas discharged from the fuel cell can bypass the humidifier by passing through the bypass path. Thereby, the pressure loss in the anode circulation path at the time of especially high load can be suppressed.

請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の燃料電池システムにおいて、前記アノードガス循環経路は、アノードガス供給源と前記燃料電池のアノード入口とを連通するアノードガス経路の一部と、前記燃料電池のアノード出口と前記アノードガス経路とを連通するアノードオフガス経路とを備えてなり、前記バイパス路は、前記アノードオフガス経路側に設けられていることを特徴とする。   The invention according to claim 2 is the fuel cell system according to claim 1, wherein the anode gas circulation path is a part of an anode gas path that connects the anode gas supply source and the anode inlet of the fuel cell; An anode offgas path communicating the anode outlet of the fuel cell and the anode gas path is provided, and the bypass path is provided on the anode offgas path side.

本発明によれば、アノード循環経路での循環量低下に特に影響するアノードオフガス経路上での圧力損失が低減される。   According to the present invention, the pressure loss on the anode off-gas path that particularly affects the decrease in the circulation rate in the anode circulation path is reduced.

請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池に対する要求負荷に応じて前記バイパス路の流量を制御するバイパス流量制御手段を備えることを特徴とする。   The invention according to claim 3 is the fuel cell system according to claim 1 or 2, further comprising bypass flow rate control means for controlling the flow rate of the bypass path in accordance with a required load on the fuel cell. .

本発明によれば、例えばアノード循環経路での圧力損失が大きい高負荷時にはバイパス流量を増やす一方、低負荷時にはバイパス流量を減らす又はゼロにしてアノードオフガスからアノード供給ガスへの水分移動を確保することにより、アノードオフガスの比重増加とアノードオフガス中の発電に寄与するガス(以下、発電寄与ガス)の分圧低下が抑制される結果、発電寄与ガス(例えば、水素)の循環量低下が抑制される。   According to the present invention, for example, the bypass flow rate is increased at high loads where the pressure loss in the anode circulation path is large, while the bypass flow rate is reduced or reduced to zero at low loads to ensure moisture transfer from the anode off gas to the anode supply gas. As a result, the increase in the specific gravity of the anode off gas and the decrease in the partial pressure of the gas that contributes to power generation in the anode off gas (hereinafter referred to as power generation contributing gas) are suppressed. .

請求項4に記載の発明は、請求項1から3のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記バイパス流量制御手段は、前記バイパス路に設けられた弁装置であることを特徴とする。   The invention according to claim 4 is the fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein the bypass flow rate control means is a valve device provided in the bypass passage.

請求項5に記載の発明は、請求項4に記載の燃料電池システムにおいて、外部から与えられる流体圧力に応じて開度が調整される圧力駆動型の弁装置であることを特徴とする。   According to a fifth aspect of the present invention, in the fuel cell system according to the fourth aspect, the opening degree of the fuel cell system is adjusted in accordance with a fluid pressure given from the outside.

請求項6に記載の発明は、請求項5に記載の燃料電池システムにおいて、前記弁装置は、前記燃料電池に供給されるカソードガスの圧力に応じて開度が調整されることを特徴とする。   According to a sixth aspect of the present invention, in the fuel cell system according to the fifth aspect, the opening degree of the valve device is adjusted according to the pressure of the cathode gas supplied to the fuel cell. .

本発明によれば、燃料電池に対する要求負荷に連動するカソードガス供給圧に応じて弁開度が調整されるため、例えば要求負荷が高いときにはバイパス量を増やすように弁開度を調整し、要求負荷が低いときにはバイパス量を減らす又はゼロとなるように弁開度を調整することができる。   According to the present invention, since the valve opening is adjusted according to the cathode gas supply pressure that is linked to the required load on the fuel cell, for example, when the required load is high, the valve opening is adjusted so as to increase the bypass amount. When the load is low, the valve opening can be adjusted so that the bypass amount is reduced or zero.

請求項7に記載の発明は、請求項1から6のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記アノードガス供給源から供給される未使用アノードガスを噴射する際に発生する負圧によって前記アノードオフガスを吸引し、これら未使用アノードガスとアノードオフガスとの混合ガスを前記アノード供給ガスとして前記燃料電池に供給するエジェクタが、前記アノードガス経路と前記アノードオフガス経路との合流部に配設され、前記加湿装置は、前記エジェクタに吸引される前記アノードオフガス側の水分を、前記エジェクタから噴射されて前記燃料電池に供給されるアノード供給ガス側に移動させることで、該アノード供給ガスを加湿することを特徴とする。   According to a seventh aspect of the present invention, in the fuel cell system according to any one of the first to sixth aspects, the anode is generated by a negative pressure generated when an unused anode gas supplied from the anode gas supply source is injected. An ejector that sucks off gas and supplies a mixed gas of these unused anode gas and anode off gas to the fuel cell as the anode supply gas is disposed at a junction between the anode gas path and the anode off gas path, The humidifier humidifies the anode supply gas by moving moisture on the anode off-gas side sucked into the ejector to the anode supply gas side injected from the ejector and supplied to the fuel cell. It is characterized by.

本発明によれば、エジェクタに吸引される前のアノードオフガスに含まれる水分が、エジェクタによって噴射されて燃料電池に供給されるアノード供給ガス側に移動することにより、エジェクタに吸引されるアノードオフガスの比重が低下する。エジェクタの吸引力が同じであれば、比重が低いほどアノードオフガスの吸引量が増加するため、総循環量ひいては発電寄与ガスの循環量は増加する。   According to the present invention, the moisture contained in the anode off-gas before being sucked into the ejector moves toward the anode supply gas that is injected by the ejector and supplied to the fuel cell, so that the anode off-gas sucked into the ejector is reduced. Specific gravity decreases. If the suction force of the ejector is the same, the lower the specific gravity, the higher the suction amount of the anode off-gas, and thus the total circulation amount and thus the circulation amount of the power generation contributing gas increases.

請求項8に記載の発明は、燃料電池に供給されるアノード供給ガスを該燃料電池から排出されたアノードオフガスにて加湿するための加湿装置が、前記アノードオフガスを前記燃料電池に再供給して循環させるアノード循環経路に配設された燃料電池システムの運転方法において、前記燃料電池に対する要求負荷の変動に応じて、前記加湿装置に対する前記アノードオフガスのバイパス流量を制御することを特徴とする。   According to an eighth aspect of the present invention, there is provided a humidifier for humidifying the anode supply gas supplied to the fuel cell with the anode off gas discharged from the fuel cell, wherein the anode off gas is re-supplied to the fuel cell. In a method of operating a fuel cell system disposed in an anode circulation path to be circulated, the bypass flow rate of the anode off gas to the humidifier is controlled in accordance with a change in a required load on the fuel cell.

本発明によれば、例えば燃料電池に対する要求負荷が高いときには加湿装置に対するバイパス量を増やす一方、要求負荷が低いときにはバイパス量を減らす又はゼロにすることにより、高負荷時におけるアノード循環経路での圧力損失の上昇と、低負荷時におけるアノードオフガスの比重増加及びアノードオフガスにおける発電寄与ガスの分圧低下とが抑制される。   According to the present invention, for example, when the required load on the fuel cell is high, the bypass amount for the humidifier is increased, while when the required load is low, the bypass amount is reduced or reduced to zero, so that the pressure in the anode circulation path at high load is increased. An increase in loss, an increase in specific gravity of the anode off gas at a low load, and a decrease in partial pressure of the power generation contributing gas in the anode off gas are suppressed.

本発明によれば、燃料電池から排出されたアノードオフガスが加湿装置に対してバイパス可能に構成されているので、特に高負荷時におけるアノード循環経路での圧力損失を抑制することができる。これにより、アノード循環経路での循環量低下は抑制され、負荷要求に応じた発電が実現可能となる。   According to the present invention, the anode off-gas discharged from the fuel cell is configured to be bypassable with respect to the humidifier, so that it is possible to suppress pressure loss in the anode circulation path particularly at a high load. Thereby, a decrease in the circulation amount in the anode circulation path is suppressed, and power generation according to the load request can be realized.

次に、本発明に係る燃料電池システムの一実施の形態を説明する。以下、この燃料電池システムを燃料電池車両の車載発電システムに適用した場合について説明するが、本発明はこのような適用例に限らず、例えば燃料電池が建物(住宅、ビル等)用の発電設備として用いられる定置用発電システムへの適用も可能である。   Next, an embodiment of a fuel cell system according to the present invention will be described. Hereinafter, a case where this fuel cell system is applied to an on-vehicle power generation system of a fuel cell vehicle will be described. However, the present invention is not limited to such an application example, and for example, a power generation facility for a fuel cell for buildings (housing, buildings, etc.) It can also be applied to stationary power generation systems used as

図1は、本実施形態の燃料電池システムを示した図である。燃料電池システムは燃料電池セル(単位セル)を所要数積層した燃料電池スタックとして構成された燃料電池20を備えている。燃料電池セルは、イオン交換膜からなる電解質膜およびこれを両面から挟んだ一対の電極からなるMEA(Membrane Electrode Assembly)と、MEAを外側から挟持する一対のセパレータと、で構成されている。   FIG. 1 is a diagram showing a fuel cell system of the present embodiment. The fuel cell system includes a fuel cell 20 configured as a fuel cell stack in which a required number of fuel cells (unit cells) are stacked. The fuel cell includes an electrolyte membrane made of an ion exchange membrane and a MEA (Membrane Electrode Assembly) made up of a pair of electrodes sandwiching the electrolyte membrane from both sides, and a pair of separators that hold the MEA from the outside.

セパレータは、基材をカーボンまたはメタルにより形成されて導電性を有し、カソード及びアノードの各電極に酸化ガスとしての空気(カソードガス)及び燃料ガスとしての水素(アノードガス)を供給するための反応ガス流路と、冷媒が流れる冷媒流路とが形成されている。セパレータは、互いに隣接する燃料電池セルに供給される異種流体(空気、水素、冷媒)の混合を遮断する役割も果たす。   The separator is formed of carbon or metal as a base material and has conductivity, and supplies air (cathode gas) as an oxidizing gas and hydrogen (anode gas) as a fuel gas to the cathode and anode electrodes. A reaction gas passage and a refrigerant passage through which a refrigerant flows are formed. The separator also serves to block mixing of different fluids (air, hydrogen, refrigerant) supplied to fuel cells adjacent to each other.

燃料電池20の空気供給口には、空気供給路71を介して空気が供給される。空気供給路71には、空気から微粒子を除去するエアフィルタA1、空気を加圧するコンプレッサA3、および、供給空気圧を検出する圧力センサP4が設けられている。コンプレッサA3は、モータによって駆動される。モータは、後述の制御部50によって駆動制御される。なお、エアフィルタA1には、空気流量を検出する図示省略のエアフローメータ(流量計)が設けられる。   Air is supplied to the air supply port of the fuel cell 20 via the air supply path 71. The air supply path 71 is provided with an air filter A1 that removes particulates from the air, a compressor A3 that pressurizes the air, and a pressure sensor P4 that detects the supply air pressure. The compressor A3 is driven by a motor. The motor is driven and controlled by a control unit 50 described later. The air filter A1 is provided with an air flow meter (flow meter) (not shown) that detects the air flow rate.

燃料電池20から排出される空気オフガス(カソードオフガス)は、空気排気路72を経て外部に放出される。空気排気路72には、排気圧を検出する圧力センサP1、および、燃料電池20への供給空気圧を設定する圧力調整弁A4が設けられている。   The air off gas (cathode off gas) discharged from the fuel cell 20 is discharged to the outside through the air exhaust path 72. The air exhaust path 72 is provided with a pressure sensor P1 that detects the exhaust pressure, and a pressure adjustment valve A4 that sets the air pressure supplied to the fuel cell 20.

圧力センサP4,P1の図示しない検出信号は、制御部50に送られる。制御部50は、コンプレッサA3及び圧力調整弁A4を調整することによって、燃料電池20への供給空気圧や供給空気流量を設定する。   Detection signals (not shown) of the pressure sensors P4 and P1 are sent to the control unit 50. The controller 50 sets the supply air pressure and the supply air flow rate to the fuel cell 20 by adjusting the compressor A3 and the pressure adjustment valve A4.

燃料電池20のアノード入口には、水素供給路(アノード経路)74を介して水素供給源(アノードガス供給源)30から供給される水素(未使用アノードガス)と、燃料電池20のアノード出口から排出された水素オフガス(アノードオフガス)との混合ガスが、アノード供給ガスとして供給される。水素供給源30は、例えば高圧水素タンクが該当するが、いわゆる燃料改質器や水素吸蔵合金等であっても良い。   Hydrogen (unused anode gas) supplied from a hydrogen supply source (anode gas supply source) 30 via a hydrogen supply path (anode path) 74 and an anode outlet of the fuel cell 20 are connected to the anode inlet of the fuel cell 20. A mixed gas with the discharged hydrogen off gas (anode off gas) is supplied as an anode supply gas. The hydrogen supply source 30 corresponds to, for example, a high-pressure hydrogen tank, but may be a so-called fuel reformer, a hydrogen storage alloy, or the like.

水素供給路74は、水素供給源30と燃料電池20のアノード入口とを連通するものであり、該連通を遮断する遮断弁H100,H21、遮断弁H100の下流圧を検出する圧力センサP6、水素供給源30から燃料電池20への供給水素圧を減圧する水素調圧弁H9、水素調圧弁H9の下流圧を検出する圧力センサP9、燃料電池20の入口圧力を検出する圧力センサP5、水素オフガスを吸引して水素供給源30からの水素と共に燃料電池20に供給するエジェクタ79、及び燃料電池20に供給されるアノード供給ガスを水素オフガスにて加湿する加湿装置80が設けられている。   The hydrogen supply path 74 communicates the hydrogen supply source 30 with the anode inlet of the fuel cell 20, and includes shutoff valves H100 and H21 that shut off the communication, a pressure sensor P6 that detects downstream pressure of the shutoff valve H100, hydrogen A hydrogen pressure control valve H9 for reducing the supply hydrogen pressure from the supply source 30 to the fuel cell 20, a pressure sensor P9 for detecting the downstream pressure of the hydrogen pressure control valve H9, a pressure sensor P5 for detecting the inlet pressure of the fuel cell 20, and a hydrogen off-gas An ejector 79 that sucks and supplies the fuel cell 20 together with hydrogen from the hydrogen supply source 30, and a humidifier 80 that humidifies the anode supply gas supplied to the fuel cell 20 with hydrogen off-gas.

調圧弁H9としては、例えば機械式の減圧を行う調圧弁を使用できるが、パルスモータで弁の開度がリニア(あるいは連続的)に調整される弁であっても良い。圧力センサP5,P6,P9の図示しない検出信号は、制御部50に供給される。   As the pressure regulating valve H9, for example, a pressure regulating valve that performs mechanical pressure reduction can be used, but a valve whose opening degree is linearly (or continuously) adjusted by a pulse motor may be used. Detection signals (not shown) of the pressure sensors P5, P6, and P9 are supplied to the control unit 50.

燃料電池20で消費されなかった水素は、水素オフガスとして水素オフガス路75に排出され、エジェクタ79によって水素供給路74の調圧弁H9よりも下流側に戻され、水素供給源30から供給される未使用の水素と混合して再び燃料電池20に供給される。   The hydrogen that has not been consumed in the fuel cell 20 is discharged as a hydrogen off gas to the hydrogen off gas passage 75, returned to the downstream side of the pressure regulating valve H 9 of the hydrogen supply passage 74 by the ejector 79, and supplied from the hydrogen supply source 30. It is mixed with the hydrogen used and supplied to the fuel cell 20 again.

つまり、燃料電池20に供給されるアノード供給ガスは、水素供給源30からの水素と、燃料電池20から排出された水素オフガスとの混合ガスである。また、水素供給路74のうちエジェクタ79を含んでそれよりも下流側の水素供給路74(アノードガス経路の一部)と、水素オフガス路75とにより、水素オフガスを燃料電池20に再供給して循環させるアノード循環経路が構成される。   That is, the anode supply gas supplied to the fuel cell 20 is a mixed gas of hydrogen from the hydrogen supply source 30 and hydrogen off-gas discharged from the fuel cell 20. Further, the hydrogen off-gas is re-supplied to the fuel cell 20 through the hydrogen supply path 74 (part of the anode gas path) including the ejector 79 in the hydrogen supply path 74 and the hydrogen off-gas path 75. An anode circulation path for circulation is configured.

水素オフガス路75には、水素オフガスの温度を検出する温度センサT31、燃料電池20のアノード出口と水素供給路74との連通を遮断する遮断弁H22、水素オフガスから水分を回収する気液分離器H42、回収した水分を水素オフガス路75外の図示しないタンク等に回収する排水弁H41、加湿装置80、及び逆止弁H52が設けられている。さらに、水素オフガス路75には、加湿装置80をバイパスするバイパス路81が設けられている。   The hydrogen off-gas passage 75 includes a temperature sensor T31 that detects the temperature of the hydrogen off-gas, a shutoff valve H22 that shuts off the communication between the anode outlet of the fuel cell 20 and the hydrogen supply passage 74, and a gas-liquid separator that recovers moisture from the hydrogen off-gas. H42, a drain valve H41, a humidifier 80, and a check valve H52 for collecting the collected moisture in a tank (not shown) outside the hydrogen offgas passage 75 are provided. Further, the hydrogen off-gas passage 75 is provided with a bypass passage 81 that bypasses the humidifier 80.

加湿装置80は、図2の模式図に示されるように、円筒状のケーシング91内に多数の中空糸92を備えてなる。水素オフガス流入部93を介してケーシング91の一端側に導入された水素オフガスは、中空糸92内を流通してケーシング91の他端側から水素オフガス流出部94を介して排出される。その流通過程で、水素オフガスに含まれていた水分は、ケーシング91内であって中空糸92の外部(以下、加湿空間95)に放出される。   As shown in the schematic diagram of FIG. 2, the humidifier 80 includes a large number of hollow fibers 92 in a cylindrical casing 91. The hydrogen off gas introduced into one end side of the casing 91 through the hydrogen off gas inflow portion 93 flows through the hollow fiber 92 and is discharged from the other end side of the casing 91 through the hydrogen off gas outflow portion 94. During the circulation process, the moisture contained in the hydrogen off-gas is released inside the casing 91 and outside the hollow fiber 92 (hereinafter, humidified space 95).

一方、アノード供給ガス流入部96を介して加湿空間95の一端側に導入されたアノード供給ガスは、加湿空間95の他端側からアノード供給ガス流出部97を介して排出される。アノード供給ガスは、加湿空間95を流通する過程で、上記水素オフガスから加湿空間95内に放出された水分によって加湿される。   On the other hand, the anode supply gas introduced into one end side of the humidification space 95 through the anode supply gas inflow portion 96 is discharged from the other end side of the humidification space 95 through the anode supply gas outflow portion 97. The anode supply gas is humidified by moisture released from the hydrogen off gas into the humidification space 95 in the course of flowing through the humidification space 95.

バイパス路81には、圧力駆動型の弁装置である開度調整弁(バイパス流量制御手段、弁装置)82が介装されている。開度調整弁82は、外部から与えられる流体圧力である空気供給路71の空気圧力により制御される。すなわち、空気供給路71からは開度調整弁82に接続された配管83が分岐しており、燃料電池20への供給空気圧が増加した時は開度調整弁82の弁開度が増加してバイパス量が増える一方、供給空気圧が低下した時は弁開度が減少してバイパス量が減る又はゼロに調整される。   An opening degree adjusting valve (bypass flow rate control means, valve device) 82 that is a pressure-driven valve device is interposed in the bypass passage 81. The opening adjustment valve 82 is controlled by the air pressure of the air supply path 71 which is a fluid pressure given from the outside. That is, a pipe 83 connected to the opening adjustment valve 82 branches from the air supply path 71, and when the supply air pressure to the fuel cell 20 increases, the opening degree of the opening adjustment valve 82 increases. When the supply air pressure decreases while the bypass amount increases, the valve opening decreases and the bypass amount decreases or is adjusted to zero.

遮断弁H21,H22は、燃料電池20のアノード側を閉鎖する。温度センサT31の図示しない検出信号は、制御部50に供給される。水素オフガスは、水素供給路74と水素オフガス路75との合流部に配設されたエジェクタ79によって、水素供給源30からの水素と合流し、燃料電池20に供給されて再利用される。逆止弁H52は、水素供給源30からの水素が水素オフガス路75側に逆流することを防止する。遮断弁H100,H21,H22は、制御部50からの信号で駆動される。   The shutoff valves H21 and H22 close the anode side of the fuel cell 20. A detection signal (not shown) of the temperature sensor T31 is supplied to the control unit 50. The hydrogen off-gas is combined with hydrogen from the hydrogen supply source 30 by an ejector 79 disposed at the junction of the hydrogen supply path 74 and the hydrogen off-gas path 75, and is supplied to the fuel cell 20 for reuse. The check valve H52 prevents hydrogen from the hydrogen supply source 30 from flowing back to the hydrogen off gas path 75 side. The shutoff valves H100, H21, and H22 are driven by a signal from the control unit 50.

水素オフガス路75は、パージ弁H51を介して、パージ流路76によって排気される。排出制御弁H51は、電磁式の遮断弁であり、制御部50からの指令によって作動することにより、水素オフガスを外部に排出(パージ)する。このパージ動作を間欠的に行うことによって、水素オフガスの循環が繰り返されてアノード供給ガス中の不純物濃度が増し、セル電圧が低下することを防止することができる。   The hydrogen off gas passage 75 is exhausted by the purge passage 76 via the purge valve H51. The discharge control valve H51 is an electromagnetic shut-off valve, and discharges (purges) hydrogen off-gas to the outside by operating according to a command from the control unit 50. By performing this purge operation intermittently, it is possible to prevent the hydrogen off gas from being circulated repeatedly to increase the impurity concentration in the anode supply gas and to reduce the cell voltage.

燃料電池20が発生した電力は、図示しないパワーコントロールユニットに供給される。パワーコントロールユニットは、車両の駆動モータを駆動するインバータと、コンプレッサモータや水素ポンプ用モータなどの各種の補機類を駆動するインバータと、二次電池への充電や二次電池からのモータ類への電力供給を行うDC−DCコンバータなどが備えられている。   The electric power generated by the fuel cell 20 is supplied to a power control unit (not shown). The power control unit consists of an inverter that drives the drive motor of the vehicle, an inverter that drives various auxiliary devices such as a compressor motor and a motor for a hydrogen pump, and charging to the secondary battery and motors from the secondary battery. DC-DC converter etc. which supply the electric power of are provided.

制御部50は、図示しない車両のアクセル信号などの要求負荷や燃料電池システムの各部のセンサ(圧力センサ、温度センサ、流量センサ、出力電流計、出力電圧計等)から制御情報を受け取り、システム各部の弁類やモータ類の運転を制御する。   The control unit 50 receives control information from a requested load such as an accelerator signal of a vehicle (not shown) and sensors (pressure sensors, temperature sensors, flow sensors, output ammeters, output voltmeters, etc.) of each part of the fuel cell system. Control the operation of valves and motors.

なお、制御部50は、図示しない制御コンピュータシステムによって構成される。この制御コンピュータシステムは、CPU、ROM、RAM、HDD、入出力インタフェース及びディスプレイなどの公知構成から成り、市販されている制御用コンピュータシステムによって構成される。   The control unit 50 is configured by a control computer system (not shown). This control computer system has a known configuration such as a CPU, ROM, RAM, HDD, input / output interface, and display, and is configured by a commercially available control computer system.

このように構成された燃料電池システムにおいては、上記のように水素オフガス路75中の水分が、加湿装置80を介して水素供給路74のアノード供給ガスに移動する。これにより、燃料電池20に供給されるアノード供給ガスが加湿される。また、かかる水分移動の結果、水素オフガス路75中の比重(平均分子量)が低下すると共に、水素分圧が増加する。以上により、アノード循環経路での水素循環量の低下は抑制される。   In the fuel cell system configured as described above, the moisture in the hydrogen off-gas passage 75 moves to the anode supply gas in the hydrogen supply passage 74 via the humidifier 80 as described above. Thereby, the anode supply gas supplied to the fuel cell 20 is humidified. Further, as a result of such water movement, the specific gravity (average molecular weight) in the hydrogen off-gas passage 75 decreases and the hydrogen partial pressure increases. As described above, a decrease in the amount of hydrogen circulation in the anode circulation path is suppressed.

次に、図3を参照しながら、本発明の実施例について比較例と共に説明する。同図において、(1)の直線は、要求負荷に対応する水素循環量の要求値、(2)の曲線は、比較例として加湿装置80を設けない場合(アノード供給ガスを加湿しない場合)の総循環量、(3)の曲線は、同比較例における水素循環量、(4)の曲線は、加湿装置80によりアノード供給ガスを加湿するが、バイパス路81は閉じられた場合の水素循環量である。   Next, examples of the present invention will be described together with comparative examples with reference to FIG. In the figure, the straight line (1) indicates the required value of the hydrogen circulation amount corresponding to the required load, and the curve (2) indicates the case where the humidifier 80 is not provided as a comparative example (when the anode supply gas is not humidified). The total circulation amount, the curve (3) is the hydrogen circulation amount in the comparative example, and the curve (4) is the hydrogen circulation amount when the anode supply gas is humidified by the humidifier 80 but the bypass path 81 is closed. It is.

図3に示すように、加湿装置80を備えない場合(曲線(3)参照)、低負荷時に水素循環量が低下し、燃料電池20が水素欠状態となり発電に支障をきたす。これに対し、加湿装置80を備える場合(曲線(4)参照)、水素オフガスから水蒸気が取り除かれるので、水素オフガス路75における水素オフガスの比重が低下する。さらに、水分が取り除かれることで水素分圧も増加する。これらの結果、循環水素量が増加し、低負荷領域での水素欠状態の発生が抑制される。   As shown in FIG. 3, when the humidifier 80 is not provided (refer to the curve (3)), the hydrogen circulation amount is reduced at low load, and the fuel cell 20 is in a hydrogen deficient state, which hinders power generation. On the other hand, when the humidifier 80 is provided (see curve (4)), since the water vapor is removed from the hydrogen offgas, the specific gravity of the hydrogen offgas in the hydrogen offgas passage 75 is reduced. Furthermore, the hydrogen partial pressure increases as moisture is removed. As a result, the amount of circulating hydrogen is increased, and the occurrence of a hydrogen deficient state in a low load region is suppressed.

加湿装置80を備えると、高負荷時においては水素オフガス路75での圧力損失が大きくなる(曲線(4)参照)。これにより、エジェクタ79の水素オフガス路75側の入口圧力が大きく低下し、総循環量が低下して水素欠状態となる。   When the humidifier 80 is provided, the pressure loss in the hydrogen off-gas passage 75 becomes large at high load (see curve (4)). As a result, the inlet pressure on the hydrogen off-gas passage 75 side of the ejector 79 is greatly reduced, the total circulation amount is reduced, and a hydrogen deficient state occurs.

しかしながら、本実施形態においては、燃料電池20への供給空気圧、すなわち燃料電池20の要求負荷に応じて、開度調整弁82の開度が自動的に調整されるので、負荷上昇に伴い供給空気圧が増加すると、開度調整弁82の弁開度が増加し、バイパス路81を流れる水素オフガス量が増える。これにより、高負荷時における水素オフガス路75での圧力損失を低く抑えることができるので、図3の曲線(5)で示したように、負荷要求に見合う水素循環量を確保することができる。   However, in the present embodiment, since the opening degree of the opening adjustment valve 82 is automatically adjusted according to the supply air pressure to the fuel cell 20, that is, the required load of the fuel cell 20, the supply air pressure is increased as the load increases. Increases, the opening degree of the opening degree adjusting valve 82 increases, and the amount of hydrogen off-gas flowing through the bypass path 81 increases. As a result, the pressure loss in the hydrogen off-gas passage 75 at the time of high load can be kept low, so that a hydrogen circulation amount that meets the load requirement can be secured as shown by the curve (5) in FIG.

以上のように、本実施形態の燃料電池システムによれば、低負荷時にはバイパス路81が閉じてアノード供給ガスの加湿量が増加するために水素欠状態の発生が抑制される一方、高負荷時にはバイパス路81が開いて圧力損失が低く抑えられるために水素欠状態の発生が抑制されるので、広い負荷範囲において水素循環量の低下を抑制し得て、要求負荷に応じた発電を行うことができる。   As described above, according to the fuel cell system of this embodiment, when the load is low, the bypass path 81 is closed and the humidification amount of the anode supply gas is increased. Since the bypass path 81 is opened and the pressure loss is kept low, the occurrence of a hydrogen deficient state is suppressed. Therefore, it is possible to suppress a decrease in the amount of hydrogen circulation in a wide load range, and to perform power generation according to the required load. it can.

また、開度調整弁82の制御は、配管83により与えられた供給空気圧によって自動的に調整されるため、簡素な構成によって上記したバイパス路81の流量調整を行うことができる。   In addition, since the control of the opening adjustment valve 82 is automatically adjusted by the supply air pressure given by the pipe 83, the flow rate of the bypass path 81 can be adjusted with a simple configuration.

上記実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれに限定するものではなく、その要旨を逸脱しない限り各種構成部品を適宜設計することができる。例えば、開度調整弁82を電気駆動型の電磁弁としてもよい。この場合、配管83が不要となる替わりに、制御部50が燃料電池20の負荷に応じて開度調整弁82の開度制御を行うようにすればよい。   The above embodiment is an example for explaining the present invention, and the present invention is not limited to this. Various components can be appropriately designed without departing from the gist of the present invention. For example, the opening adjustment valve 82 may be an electrically driven electromagnetic valve. In this case, the control unit 50 may perform the opening degree control of the opening degree adjusting valve 82 in accordance with the load of the fuel cell 20 instead of using the pipe 83.

また、上記の開度調整弁82は、要求負荷に応じて弁開度が調整される制御弁であるが、所定以上の高負荷時においては全開、それ以下の負荷時においては全閉とする開閉弁であってもよい。   The opening degree adjusting valve 82 is a control valve whose valve opening degree is adjusted according to the required load, and is fully opened when the load is higher than a predetermined value, and fully closed when the load is lower than that. An on-off valve may be used.

本発明の一実施形態として示した燃料電池システムの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the fuel cell system shown as one Embodiment of this invention. 図1に示す加湿装置の模式図である。It is a schematic diagram of the humidifier shown in FIG. 要求負荷(横軸)と、アノード循環経路を循環するガス量(縦軸)との関係を示した図である。It is the figure which showed the relationship between a required load (horizontal axis) and the gas amount (vertical axis) circulating through the anode circulation path.

符号の説明Explanation of symbols

20…燃料電池、30…水素供給源(アノードガス供給源)、74…水素供給路(アノード経路)、75…水素オフガス路(アノードオフガス経路)、79…エジェクタ、80…加湿装置、81…バイパス路、82…開度調整弁(バイパス流量制御手段、弁装置)、

DESCRIPTION OF SYMBOLS 20 ... Fuel cell, 30 ... Hydrogen supply source (anode gas supply source), 74 ... Hydrogen supply path (anode path), 75 ... Hydrogen off-gas path (anode off-gas path), 79 ... Ejector, 80 ... Humidifier, 81 ... Bypass , 82... Opening adjustment valve (bypass flow control means, valve device),

Claims (8)

燃料電池に供給されるアノード供給ガスを該燃料電池から排出されたアノードオフガスにて加湿するための加湿装置が、前記アノードオフガスを前記燃料電池に再供給して循環させるアノード循環経路に配設された燃料電池システムにおいて、
前記アノードオフガスが前記加湿装置をバイパスするバイパス路を備える、燃料電池システム。
A humidifier for humidifying the anode supply gas supplied to the fuel cell with the anode off-gas discharged from the fuel cell is disposed in an anode circulation path for re-supplying and circulating the anode off-gas to the fuel cell. In the fuel cell system,
A fuel cell system comprising a bypass for the anode off gas to bypass the humidifier.
前記アノードガス循環経路は、アノードガス供給源と前記燃料電池のアノード入口とを連通するアノードガス経路の一部と、前記燃料電池のアノード出口と前記アノードガス経路とを連通するアノードオフガス経路とを備えてなり、
前記バイパス路は、前記アノードオフガス経路側に設けられている、請求項1に記載の燃料電池システム。
The anode gas circulation path includes a part of an anode gas path that communicates an anode gas supply source and the anode inlet of the fuel cell, and an anode off-gas path that communicates the anode outlet of the fuel cell and the anode gas path. Prepared
The fuel cell system according to claim 1, wherein the bypass path is provided on the anode off-gas path side.
前記燃料電池に対する要求負荷に応じて前記バイパス路の流量を制御するバイパス流量制御手段を備える、請求項1または2に記載の燃料電池システム。   3. The fuel cell system according to claim 1, further comprising bypass flow rate control means for controlling a flow rate of the bypass path in accordance with a required load on the fuel cell. 前記バイパス流量制御手段は、前記バイパス路に設けられた弁装置である、請求項1から3のいずれかに記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein the bypass flow rate control means is a valve device provided in the bypass passage. 前記弁装置は、外部から与えられる流体圧力に応じて開度が調整される圧力駆動型の弁装置である、請求項4に記載の燃料電池システム。   5. The fuel cell system according to claim 4, wherein the valve device is a pressure-driven valve device in which an opening degree is adjusted in accordance with a fluid pressure given from outside. 前記弁装置は、前記燃料電池に供給されるカソードガスの圧力に応じて開度が調整される、請求項5に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 5, wherein the valve device has an opening degree adjusted according to a pressure of cathode gas supplied to the fuel cell. 前記アノードガス供給源から供給される未使用アノードガスを噴射する際に発生する負圧によって前記アノードオフガスを吸引し、これら未使用アノードガスとアノードオフガスとの混合ガスを前記アノード供給ガスとして前記燃料電池に供給するエジェクタが、前記アノードガス経路と前記アノードオフガス経路との合流部に配設され、
前記加湿装置は、前記エジェクタに吸引される前記アノードオフガス側の水分を、前記エジェクタから噴射されて前記燃料電池に供給されるアノード供給ガス側に移動させることで、該アノード供給ガスを加湿する、請求項1から6のいずれかに記載の燃料電池システム。
The anode off gas is sucked by a negative pressure generated when the unused anode gas supplied from the anode gas supply source is injected, and the mixed gas of the unused anode gas and the anode off gas is used as the anode supply gas for the fuel. An ejector for supplying a battery is disposed at a junction between the anode gas path and the anode off-gas path,
The humidifier humidifies the anode supply gas by moving moisture on the anode off gas side sucked into the ejector to the anode supply gas side injected from the ejector and supplied to the fuel cell. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 6.
燃料電池に供給されるアノード供給ガスを該燃料電池から排出されたアノードオフガスにて加湿するための加湿装置が、前記アノードオフガスを前記燃料電池に再供給して循環させるアノード循環経路に配設された燃料電池システムの運転方法において、
前記燃料電池に対する要求負荷の変動に応じて、前記加湿装置に対する前記アノードオフガスのバイパス流量を制御する、燃料電池システム。


A humidifier for humidifying the anode supply gas supplied to the fuel cell with the anode off-gas discharged from the fuel cell is disposed in an anode circulation path for re-supplying and circulating the anode off-gas to the fuel cell. In the operating method of the fuel cell system,
A fuel cell system that controls a bypass flow rate of the anode off gas to the humidifier according to a change in a required load on the fuel cell.


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