JP2008210539A - Fuel cell system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To enable an exhaust fuel gas to recirculate under various situations without requiring a power in a fuel gas circulation type fuel cell system to recirculate the exhaust fuel gas discharged from a fuel electrode exit of the fuel cell to the fuel cell. <P>SOLUTION: The system includes the fuel cell 1 to generate electricity energy by electrochemically reacting air and hydrogen, and a turbo compressor 8 in which by utilizing pressure energy of discharged air discharged from an air electrode of the fuel cell 1, an off gas discharged from a hydrogen electrode of the fuel cell is recirculated to the fuel cell 1. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、水素と酸素との電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池を備える燃料電池システムに関するもので、車両、船舶及びポータブル発電機等の移動体用発電機に適用して有効である。   The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell that generates electrical energy by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, and is effective when applied to a mobile generator such as a vehicle, a ship, and a portable generator. .

従来、燃料電池の水素極出口から排出される未反応水素を含む排気ガス（以下、オフガスという）を水素供給経路に再循環させる水素循環経路を備えた水素循環方式の燃料電池システムが知られている。このような燃料電池システムにおいて水素を循環させるためには、一般的に電動水素ポンプが用いられており、補機損失が生じ、システム全体としての出力が低下するという問題があった。   2. Description of the Related Art Conventionally, there has been known a hydrogen circulation type fuel cell system having a hydrogen circulation path for recirculating exhaust gas containing unreacted hydrogen (hereinafter referred to as off-gas) discharged from a hydrogen electrode outlet of a fuel cell to a hydrogen supply path. Yes. In order to circulate hydrogen in such a fuel cell system, an electric hydrogen pump is generally used, and there has been a problem that an auxiliary machine loss occurs and the output of the entire system is reduced.

ところで、燃料電池の電気化学反応に用いられる水素は、一般的に高圧の水素が充填された高圧水素タンクからの水素ガスによって供給される。このとき、供給圧力を持つ水素ガスをわざわざ減圧して燃料電池に供給しており、供給水素ガスの保有する圧力が利用・回収されることはなく、エネルギ的な無駄が生じているという問題があった。   By the way, hydrogen used for the electrochemical reaction of the fuel cell is generally supplied by hydrogen gas from a high-pressure hydrogen tank filled with high-pressure hydrogen. At this time, the hydrogen gas having a supply pressure is reduced in pressure and supplied to the fuel cell, and the pressure held by the supply hydrogen gas is not used / recovered, resulting in a waste of energy. there were.

上記各問題に対し、水素ガスの供給圧力で作動するタービンと、タービンで駆動されるコンプレッサとを備えるターボコンプレッサを設け、このコンプレッサによりオフガスを再循環させる燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。これにより、供給水素ガスの保有圧力を利用して、オフガスを再循環させることができる。
特開平８−２０３５４７号公報 For each of the above problems, a fuel cell system has been proposed in which a turbo compressor including a turbine that operates with a supply pressure of hydrogen gas and a compressor driven by the turbine is provided, and the off gas is recirculated by the compressor (for example, Patent Document 1). Thereby, offgas can be recirculated using the holding pressure of supply hydrogen gas.
JP-A-8-203547

しかしながら、上記特許文献１に記載の燃料電池システムでは、水素の消費量が少ない場合（例えば、アイドリング時や初期始動時等）には、供給水素の保有する圧力エネルギが小さくなるため、タービンを回転させることができず、オフガスを再循環させることができないという問題がある。   However, in the fuel cell system described in Patent Document 1, when the amount of hydrogen consumption is small (for example, at idling or initial start-up), the pressure energy held by the supplied hydrogen becomes small, so the turbine rotates. There is a problem that the off-gas cannot be recirculated.

また、水素循環経路を高圧化した場合、水素供給経路と水素循環経路の差圧が小さくなるため、タービンを回転させることができなくなり、オフガスを再循環させることができないという問題がある。   Further, when the pressure of the hydrogen circulation path is increased, the differential pressure between the hydrogen supply path and the hydrogen circulation path becomes small, so that there is a problem that the turbine cannot be rotated and the off-gas cannot be recirculated.

本発明は、上記点に鑑み、燃料電池の燃料極出口から排出される排燃料ガスを燃料電池に再循環させる燃料ガス循環方式の燃料電池システムにおいて、動力を必要とすることなく、様々な状況下で排燃料ガスを再循環可能にすることを目的とする。   In view of the above points, the present invention provides a fuel gas circulation type fuel cell system that recirculates exhaust fuel gas discharged from the fuel electrode outlet of the fuel cell to the fuel cell in various situations without requiring power. The purpose is to make it possible to recirculate the exhaust fuel gas below.

上記目的を達成するため、本発明では、酸化剤ガスと燃料ガスとを電気化学反応させて電気エネルギを発生させる燃料電池（１）と、燃料電池（１）の酸化剤極から排出される排酸化剤ガスの圧力エネルギを利用して、燃料電池（１）の燃料極から排出される排燃料ガスを燃料電池（１）に再循環させる燃料ガス循環手段（８）とを備えることを特徴としている。   In order to achieve the above object, in the present invention, a fuel cell (1) that generates an electric energy by electrochemical reaction of an oxidant gas and a fuel gas, and an exhaust gas discharged from the oxidant electrode of the fuel cell (1). And a fuel gas circulation means (8) for recirculating exhaust fuel gas discharged from the fuel electrode of the fuel cell (1) to the fuel cell (1) using pressure energy of the oxidant gas. Yes.

これによれば、従来の電動水素ポンプを使用することなく、排燃料ガスの循環利用ができるため、システム全体の出力を向上させることができる。さらに、排燃料ガスを循環させるために排酸化剤ガスの圧力エネルギを利用するので、燃料ガスの供給状態に関わらず、どのような状況下でも排燃料ガスを循環利用することができる。したがって、動力を必要とすることなく、様々な状況下で排燃料ガスを再循環することが可能となる。   According to this, since the exhaust fuel gas can be circulated and used without using a conventional electric hydrogen pump, the output of the entire system can be improved. Further, since the pressure energy of the exhaust oxidant gas is used to circulate the exhaust fuel gas, the exhaust fuel gas can be circulated and used under any circumstances regardless of the supply state of the fuel gas. Therefore, it becomes possible to recirculate the exhaust fuel gas under various situations without requiring power.

また、上記燃料電池システムにおいて、燃料ガス循環手段（８）は、排酸化剤ガスの圧力で作動するタービン（８２）と、タービン（８２）で駆動されるコンプレッサ（８１）とを有しており、排燃料ガスをコンプレッサ（８１）で燃料電池（１）へ供給して、循環させてもよい。   Further, in the fuel cell system, the fuel gas circulation means (8) includes a turbine (82) that is operated by the pressure of the exhaust oxidant gas and a compressor (81) that is driven by the turbine (82). The exhaust fuel gas may be supplied to the fuel cell (1) by the compressor (81) and circulated.

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。   In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each means described in this column and the claim shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.

以下、本発明の一実施形態を図１および図２に基づいて説明する。本実施形態は、燃料電池システムを、燃料電池を電源として走行する電気自動車（燃料電池車両）に適用したものである。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2. In this embodiment, the fuel cell system is applied to an electric vehicle (fuel cell vehicle) that runs using the fuel cell as a power source.

図１は、本実施形態の燃料電池システムの全体構成を示している。図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池（ＦＣスタック）１を備えている。   FIG. 1 shows the overall configuration of the fuel cell system of the present embodiment. As shown in FIG. 1, the fuel cell system of the present embodiment includes a fuel cell (FC stack) 1 that generates electric power using an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen.

本実施形態では燃料電池１として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となるセルが複数積層されて構成されている。各セルは、電解質膜が水素極（アノード）と酸素極（カソード）で挟まれた構成となっている。燃料電池１では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギが発生する。   In the present embodiment, a solid polymer electrolyte fuel cell is used as the fuel cell 1, and a plurality of cells serving as basic units are stacked. Each cell has a configuration in which an electrolyte membrane is sandwiched between a hydrogen electrode (anode) and an oxygen electrode (cathode). In the fuel cell 1, the following electrochemical reaction between hydrogen and oxygen occurs to generate electric energy.

（水素極側） Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-
（酸素極側） ２Ｈ+＋１／２Ｏ2＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ
燃料電池１は、車両走行用モータ、二次電池等の電力機器２に電力を供給するように構成されている。燃料電池システムには、燃料電池１の出力電流を検出する電流センサ３と、燃料電池１の出力電圧を検出する電圧センサ４とが設けられている。 (Hydrogen electrode side) H 2 → 2H + + 2e −
(Oxygen electrode side) 2H + + 1 / 2O 2 + 2e − → H 2 O
The fuel cell 1 is configured to supply power to a power device 2 such as a vehicle driving motor or a secondary battery. The fuel cell system is provided with a current sensor 3 that detects the output current of the fuel cell 1 and a voltage sensor 4 that detects the output voltage of the fuel cell 1.

燃料電池１の酸素極側に空気（酸化剤ガス）を供給するための空気経路５における燃料電池１の上流側には、上流側から、空気流量を測定するエアフローメータ５１と、空気圧送用の圧縮機５２と、空気への加湿を行う加湿器５３とが設けられている。また、空気経路５における燃料電池１の下流側には、空気経路５を開閉して空気背圧を調整する背圧弁５４が設けられている。   On the upstream side of the fuel cell 1 in the air path 5 for supplying air (oxidant gas) to the oxygen electrode side of the fuel cell 1, an air flow meter 51 for measuring the air flow rate from the upstream side, A compressor 52 and a humidifier 53 that humidifies the air are provided. A back pressure valve 54 that opens and closes the air path 5 to adjust the air back pressure is provided on the downstream side of the fuel cell 1 in the air path 5.

燃料電池１の水素極側に水素（燃料ガス）を供給するための水素経路６には、水素ガスが充填された高圧水素タンク６１が設けられている。水素経路６は、図示を省略しているが、高圧水素タンク６１を開閉する開閉弁、燃料電池１に供給される水素の圧力を調整するレギュレータ等が設けられている。   A hydrogen path 6 for supplying hydrogen (fuel gas) to the hydrogen electrode side of the fuel cell 1 is provided with a high-pressure hydrogen tank 61 filled with hydrogen gas. Although not shown, the hydrogen path 6 is provided with an open / close valve that opens and closes the high-pressure hydrogen tank 61, a regulator that adjusts the pressure of hydrogen supplied to the fuel cell 1, and the like.

水素経路６における燃料電池１の下流側は、燃料電池１から排出される未反応水素を含むオフガス（排燃料ガス）を燃料電池１に再循環させるための水素循環経路７となっている。   The downstream side of the fuel cell 1 in the hydrogen path 6 is a hydrogen circulation path 7 for recirculating off-gas (exhaust fuel gas) containing unreacted hydrogen discharged from the fuel cell 1 to the fuel cell 1.

また、燃料電池システムには、オフガスを循環させるためのターボコンプレッサ８が設けられている。なお、ターボコンプレッサ８が、本発明の燃料ガス循環手段に相当している。   The fuel cell system is provided with a turbo compressor 8 for circulating off-gas. The turbo compressor 8 corresponds to the fuel gas circulation means of the present invention.

ターボコンプレッサ８は、水素循環経路７に配置されたコンプレッサ８１と、空気経路５における燃料電池１の下流側であって背圧弁５４より上流側に配置されたタービン８２とを有している。また、コンプレッサ８１とタービン８２はタービン軸８３を介して連結されている。そして、燃料電池１から排出された排出空気（排酸化剤ガス）の圧力エネルギを利用してタービン８２を駆動するとともに、タービン軸８３を介してコンプレッサ８１を駆動し、水素循環経路７に導入されるオフガスをコンプレッサ８１で加圧している。これにより、燃料電池１から排出されるオフガスを燃料電池１に再循環させることができる。また、本実施形態では、ターボコンプレッサ８は、後述する制御部１００の制御信号に基づいてコンプレッサ８１とタービン８２の回転数比を変化可能に構成されている。   The turbo compressor 8 includes a compressor 81 disposed in the hydrogen circulation path 7 and a turbine 82 disposed downstream of the fuel cell 1 in the air path 5 and upstream of the back pressure valve 54. Further, the compressor 81 and the turbine 82 are connected via a turbine shaft 83. The turbine 82 is driven using the pressure energy of the exhaust air (exhaust oxidant gas) discharged from the fuel cell 1, and the compressor 81 is driven via the turbine shaft 83 to be introduced into the hydrogen circulation path 7. The off gas is pressurized by the compressor 81. Thereby, the off-gas discharged from the fuel cell 1 can be recirculated to the fuel cell 1. In the present embodiment, the turbo compressor 8 is configured to be able to change the rotation speed ratio between the compressor 81 and the turbine 82 based on a control signal from the control unit 100 described later.

燃料電池システムには、各種制御を行う制御部（ＥＣＵ）１００が設けられている。制御部１００は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏなどを備えた周知のマイクロコンピュータによって構成され、ＲＯＭなどに記憶されたプログラムに従って各種演算などの処理を実行する。制御部１００には、電力機器２からの電力要求信号、電流センサ３からの電流信号、電圧センサ４からの電圧信号、エアフローメータ５１からの空気流量信号等が入力される。また、制御部１００は、圧縮機５２、加湿器５３、背圧弁５４、ターボコンプレッサ８等に制御信号を出力するように構成されている。   The fuel cell system is provided with a control unit (ECU) 100 that performs various controls. The control unit 100 is configured by a known microcomputer including a CPU, a ROM, a RAM, an I / O, and the like, and executes processing such as various calculations according to a program stored in the ROM. The control unit 100 receives a power request signal from the power device 2, a current signal from the current sensor 3, a voltage signal from the voltage sensor 4, an air flow signal from the air flow meter 51, and the like. The control unit 100 is configured to output control signals to the compressor 52, the humidifier 53, the back pressure valve 54, the turbo compressor 8, and the like.

次に、本実施形態の燃料電池システムの水素循環制御について説明する。図２は、制御部１００のＣＰＵがＲＯＭ等に格納された制御プログラムにしたがって行う水素循環制御を示すフローチャートである。   Next, hydrogen circulation control of the fuel cell system of this embodiment will be described. FIG. 2 is a flowchart showing hydrogen circulation control performed by the CPU of the control unit 100 according to a control program stored in a ROM or the like.

本制御は、イグニッションスイッチがオンになったときに実行される。まず、圧縮機５２を作動させる（Ｓ１００）。   This control is executed when the ignition switch is turned on. First, the compressor 52 is operated (S100).

次に、燃料電池１の出力を検出する（Ｓ１１０）。本実施形態では、電流センサ３および電圧センサ４から直接出力を検出するようになっている。   Next, the output of the fuel cell 1 is detected (S110). In the present embodiment, the output is directly detected from the current sensor 3 and the voltage sensor 4.

次に、ＲＯＭから燃料電池１の出力と水素の目標循環量とが関連づけられたマップを読み出して、ステップ１１０で検出された燃料電池１の出力から水素の目標循環量を決定する（Ｓ１２０）。   Next, a map in which the output of the fuel cell 1 is associated with the target circulation amount of hydrogen is read from the ROM, and the target circulation amount of hydrogen is determined from the output of the fuel cell 1 detected in step 110 (S120).

次に、水素の循環量がステップ１２０において決定された目標循環量になるように、コンプレッサ８１の回転数を制御する（Ｓ１３０）。本実施形態では、背圧弁５４の開度を一定にして、ターボコンプレッサ８におけるコンプレッサ８１とタービン８２の回転数比を変化させることにより、コンプレッサ８１の回転数を制御している。   Next, the rotation speed of the compressor 81 is controlled so that the hydrogen circulation amount becomes the target circulation amount determined in step 120 (S130). In this embodiment, the rotational speed of the compressor 81 is controlled by changing the rotational speed ratio of the compressor 81 and the turbine 82 in the turbo compressor 8 while keeping the opening of the back pressure valve 54 constant.

ステップ１３０の後、処理はステップ１１０に戻る。   After step 130, the process returns to step 110.

以上説明したように、水素循環経路７に配置されたコンプレッサ８１と、空気経路５における燃料電池１の下流側に配置されたタービン８２とを有するターボコンプレッサ８を設けることで、排出空気の圧力エネルギを利用して、オフガスを再循環させることができる。これにより、従来の電動水素ポンプを使用することなく、オフガスの循環利用ができるため、システム全体の出力を向上させることができる。さらに、オフガスを循環させるために排出空気の圧力エネルギを利用するので、水素供給状態に関わらず、どのような状況下でもオフガスを循環利用することができる。したがって、動力を必要とすることなく、様々な状況下でオフガスを再循環することが可能となる。   As described above, by providing the turbo compressor 8 having the compressor 81 disposed in the hydrogen circulation path 7 and the turbine 82 disposed on the downstream side of the fuel cell 1 in the air path 5, the pressure energy of the exhaust air is provided. Can be used to recycle off-gas. Thereby, since the off-gas can be circulated and used without using a conventional electric hydrogen pump, the output of the entire system can be improved. Furthermore, since the pressure energy of the exhaust air is used to circulate the off gas, the off gas can be circulated and used under any circumstances regardless of the hydrogen supply state. Therefore, it is possible to recycle off-gas under various conditions without requiring power.

（他の実施形態）
なお、上記実施形態では、ターボコンプレッサ８を、制御部１００の制御信号に基づいてコンプレッサ８１とタービン８２の回転数比を変化可能に構成した例について説明したが、これに限らず、コンプレッサ８１とタービン８２の回転数比が固定されていてもよい。 (Other embodiments)
In the above embodiment, the turbo compressor 8 has been described as being configured so that the rotation speed ratio between the compressor 81 and the turbine 82 can be changed based on the control signal of the control unit 100. The rotation speed ratio of the turbine 82 may be fixed.

この場合には、背圧弁５４の開度によってコンプレッサ８１の回転数を制御することで、水素循環量を制御すればよい。すなわち、背圧弁５４の開度を小さくして、燃料電池１の空気背圧を上昇させることで、タービン８２の回転数が減少し、コンプレッサ８１の回転数が減少するため、水素循環量を減少させることができる。一方、背圧弁５４の開度を大きくして、燃料電池１の空気背圧を低下させることで、タービン８２の回転数が増加し、コンプレッサ８１の回転数が増加するため、水素循環量を増加させることができる。   In this case, the hydrogen circulation amount may be controlled by controlling the rotation speed of the compressor 81 according to the opening of the back pressure valve 54. That is, by reducing the opening of the back pressure valve 54 and increasing the air back pressure of the fuel cell 1, the rotational speed of the turbine 82 is reduced and the rotational speed of the compressor 81 is reduced. Can be made. On the other hand, by increasing the opening of the back pressure valve 54 and reducing the air back pressure of the fuel cell 1, the rotational speed of the turbine 82 increases and the rotational speed of the compressor 81 increases, so the amount of hydrogen circulation increases. Can be made.

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示している。1 shows an overall configuration of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係る制御部１００のＣＰＵがＲＯＭ等に格納された制御プログラムにしたがって行う水素循環制御を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the hydrogen circulation control which CPU of the control part 100 which concerns on embodiment of this invention performs according to the control program stored in ROM etc. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

１…燃料電池、８…ターボコンプレッサ（燃料ガス循環手段）、８１…コンプレッサ、８２…タービン。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell, 8 ... Turbo compressor (fuel gas circulation means), 81 ... Compressor, 82 ... Turbine.

Claims (2)

酸化剤ガスと燃料ガスとを電気化学反応させて電気エネルギを発生させる燃料電池（１）と、
前記燃料電池（１）の酸化剤極から排出される排酸化剤ガスの圧力エネルギを利用して、前記燃料電池（１）の燃料極から排出される排燃料ガスを前記燃料電池（１）に再循環させる燃料ガス循環手段（８）とを備えることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell (1) for generating electrical energy by electrochemical reaction of an oxidant gas and a fuel gas;
Using the pressure energy of the exhaust oxidant gas discharged from the oxidant electrode of the fuel cell (1), the exhaust fuel gas discharged from the fuel electrode of the fuel cell (1) is transferred to the fuel cell (1). A fuel cell system comprising fuel gas circulation means (8) for recirculation. 前記燃料ガス循環手段（８）は、前記排酸化剤ガスの圧力で作動するタービン（８２）と、前記タービン（８２）で駆動されるコンプレッサ（８１）とを有しており、前記排燃料ガスを前記コンプレッサ（８１）で前記燃料電池（１）へ供給して、循環させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。 The fuel gas circulation means (8) includes a turbine (82) that is operated by the pressure of the exhaust oxidant gas, and a compressor (81) that is driven by the turbine (82). Is supplied to the fuel cell (1) by the compressor (81) and is circulated.
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