JP2010232167A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムに関し、特に、燃料電池の出口から排出される未反応分の燃料ガスおよび酸化剤ガスを燃料電池の入口に再供給、つまりガスを循環させる循環式燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a circulating fuel cell system in which unreacted fuel gas and oxidant gas discharged from an outlet of a fuel cell are resupplied to the inlet of the fuel cell, that is, the gas is circulated.
燃料電池は、水素と酸素から水を生成する電気化学反応を利用したエネルギー変換デバイスである。燃料電池から電気を取り出すために水素と酸素(空気)がそれぞれ供給されるが、一般的に、水素および酸素は燃料電池が消費する量よりも過剰に供給されている。これは、燃料電池反応により生成される水の除去、供給ガス量不足による燃料電池の損傷ならびに電力の出力低下を防止するためである。しかしながら、未反応分のガスをそのまま系外に排気してしまうと、その排気分のガスが持つエネルギーを有効に活用できなくなってしまう。そのため、燃料電池システムのエネルギー効率は低下してしまう。未反応分のガスのエネルギーを有効に活用するために、ポンプやエジェクタなどを用いて燃料電池出口から排出されるガスを燃料電池入口に再供給する、つまりガスを循環させる循環式燃料電池システムが多数考案されている。 A fuel cell is an energy conversion device that utilizes an electrochemical reaction that produces water from hydrogen and oxygen. Hydrogen and oxygen (air) are supplied to extract electricity from the fuel cell, respectively. In general, hydrogen and oxygen are supplied in excess of the amount consumed by the fuel cell. This is to prevent removal of water generated by the fuel cell reaction, damage to the fuel cell due to insufficient supply gas amount, and reduction in power output. However, if the unreacted gas is exhausted out of the system as it is, the energy of the exhausted gas cannot be used effectively. Therefore, the energy efficiency of the fuel cell system is reduced. In order to effectively utilize the energy of unreacted gas, a circulating fuel cell system that re-supplys the gas discharged from the fuel cell outlet to the fuel cell inlet using a pump or an ejector, that is, circulates the gas. Many have been devised.
しかしながら、ポンプを用いて循環を行う場合、ガスを循環するためにポンプ自体が燃料電池の発電電力の一部を消費してしまうため、システムとしての効率は低下してしまう。また、ポンプは可動部を有するため、振動ならびに騒音の発生源となる。従来の熱機関による発電装置と比較した場合の燃料電池の利点として、高効率、静寂、可動部を有しない、等が挙げられるが、ポンプを燃料電池システムのコンポーネントの一つとして採用することは、燃料電池の利点を定性的に相殺することになってしまう。 However, when the circulation is performed using the pump, the efficiency of the system is lowered because the pump itself consumes a part of the power generated by the fuel cell in order to circulate the gas. Further, since the pump has a movable part, it becomes a source of vibration and noise. The advantages of a fuel cell compared to a conventional heat engine power generator include high efficiency, quietness, no moving parts, etc., but adopting a pump as one of the components of a fuel cell system Therefore, the advantage of the fuel cell is qualitatively offset.
エジェクタは、電力を消費することなくガスを循環することが可能であるが、主な短所として動作範囲が比較的狭いことが挙げられる。可動ニードルを具備することにより広範囲で動作可能なエジェクタや、複数個のエジェクタを用いることでシステムとしての動作範囲を拡大する方式などが提案されている(例えば、特許文献1〜2等)。しかし、これらの方法は、エジェクタ本来の狭範囲の特性を制御やシステム構成でカバーしているものであるため、制御やシステムが複雑化してしまう。 The ejector can circulate gas without consuming electric power, but the main disadvantage is that the operating range is relatively narrow. There have been proposed ejectors that can operate over a wide range by providing a movable needle, and a system that expands the operating range of the system by using a plurality of ejectors (for example, Patent Documents 1 and 2). However, since these methods cover the narrow characteristics inherent in the ejector with control and system configuration, the control and system become complicated.
以上のように、高効率かつ簡素な燃料電池システムを構築するには、従来とは異なる循環システムが望まれる。 As described above, in order to construct a highly efficient and simple fuel cell system, a circulation system different from the conventional one is desired.
そこで、本発明の1つの目的は、高効率かつ簡素な燃料電池システムを構築することができる技術を提供することにある。本発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。 Accordingly, one object of the present invention is to provide a technique capable of constructing a highly efficient and simple fuel cell system. The above and other objects and novel features of the present invention will be apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.
上記の課題を解決するため、本発明による燃料電池システムは、燃料電池に供給される燃料の圧力を任意に制御可能な圧力調節器と、燃料電池の出口に接続された第1逆止弁と、燃料電池の入口に接続された第2逆止弁と、第1逆止弁と第2逆止弁の間に設けられた循環経路とから構成されるものである。そして、燃料電池に供給される燃料の圧力を圧力調整器により上昇させ、燃料電池から排出された燃料を、第1逆止弁経由で燃料電池の下流に位置する循環経路に貯蔵し、燃料電池への燃料の供給を圧力調節器により停止又は減少し、循環経路に貯蔵された燃料を、第2逆止弁経由で燃料電池に循環させる。 In order to solve the above problems, a fuel cell system according to the present invention includes a pressure regulator capable of arbitrarily controlling the pressure of fuel supplied to the fuel cell, and a first check valve connected to the outlet of the fuel cell. The second check valve connected to the inlet of the fuel cell and a circulation path provided between the first check valve and the second check valve. Then, the pressure of the fuel supplied to the fuel cell is raised by the pressure regulator, and the fuel discharged from the fuel cell is stored in a circulation path located downstream of the fuel cell via the first check valve, and the fuel cell The fuel supply to the fuel cell is stopped or reduced by the pressure regulator, and the fuel stored in the circulation path is circulated to the fuel cell via the second check valve.
また同様に、本発明による他の燃料電池システムは、燃料電池に供給される酸化剤の圧力を任意に制御可能な圧力調節器と、燃料電池の出口に接続された第1逆止弁と、燃料電池の入口に接続された第2逆止弁と、第1逆止弁と第2逆止弁の間に設けられた循環経路とから構成されるものである。そして、燃料電池に供給される酸化剤の圧力を圧力調整器により上昇させ、燃料電池から排出された酸化剤を、第1逆止弁経由で燃料電池の下流に位置する循環経路に貯蔵し、燃料電池への酸化剤の供給を圧力調節器により停止又は減少し、循環経路に貯蔵された酸化剤を、第2逆止弁経由で燃料電池に循環させる。 Similarly, another fuel cell system according to the present invention includes a pressure regulator capable of arbitrarily controlling the pressure of the oxidant supplied to the fuel cell, a first check valve connected to the outlet of the fuel cell, A second check valve connected to the inlet of the fuel cell, and a circulation path provided between the first check valve and the second check valve. Then, the pressure of the oxidant supplied to the fuel cell is raised by the pressure regulator, and the oxidant discharged from the fuel cell is stored in a circulation path located downstream of the fuel cell via the first check valve, The supply of the oxidant to the fuel cell is stopped or reduced by the pressure regulator, and the oxidant stored in the circulation path is circulated to the fuel cell via the second check valve.
同様に、燃料極(水素極)と酸化剤極(酸素極)の両方を、それぞれ前記の手段で同時に循環させることも可能である。 Similarly, both the fuel electrode (hydrogen electrode) and the oxidant electrode (oxygen electrode) can be simultaneously circulated by the above-described means.
本発明によれば、ポンプやエジェクタを用いることなくガスを循環させることが可能となるため、高効率かつ簡素な燃料電池システムを構築することができる。 According to the present invention, gas can be circulated without using a pump or an ejector, so that a highly efficient and simple fuel cell system can be constructed.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that components having the same function are denoted by the same reference symbols throughout the drawings for describing the embodiment, and the repetitive description thereof will be omitted.
図1は本発明の一実施の形態による燃料電池システムの構成例を示す図である。まず、図1により、本実施の形態による燃料電池システムの構成の一例を説明する。 FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. First, an example of the configuration of the fuel cell system according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
なお、本実施の形態において、燃料電池は、水素、メタンガスなどの燃料が供給される水素極と、酸素、空気などの酸化剤が供給される酸素極とから構成されるが、図1では水素極側のみについて示している。したがって、酸素極側にも、図1と同様な構成をとることが可能である。その場合、水素の代わりに酸素又は空気が供給される。 In this embodiment, the fuel cell includes a hydrogen electrode to which a fuel such as hydrogen or methane gas is supplied and an oxygen electrode to which an oxidant such as oxygen or air is supplied. In FIG. Only the pole side is shown. Therefore, it is possible to adopt the same configuration as that in FIG. 1 on the oxygen electrode side. In that case, oxygen or air is supplied instead of hydrogen.
図1に示すように、本実施の形態による燃料電池システムは、例えば、水素と酸素の電気化学反応により発電する燃料電池8と、燃料ガスが貯蔵される水素ボンベ7と、水素ボンベ7の高圧水素を減圧して燃料電池8に供給する圧力調整器1と、燃料電池8の入口(燃料電池入口6)の圧力を検出する圧力センサ5と、圧力センサ5の検出結果に基づいて圧力調節器1を制御する制御装置9と、燃料電池8の出口(燃料電池出口12)から排出されるガス(未反応分の燃料ガス)が通過する第1逆止弁2と、燃料電池出口12から排出されたガスが燃料電池入口6へ循環されるための循環経路10および循環経路11と、燃料電池出口12から排出されたガスと水分を分離するための気液分離器4と、循環経路11を経由したガスが通過する第2逆止弁3などから構成されている。ここで循環経路10と循環経路11は、ある内容積を有する配管である。
As shown in FIG. 1, the fuel cell system according to the present embodiment includes, for example, a fuel cell 8 that generates power by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, a hydrogen cylinder 7 that stores fuel gas, and a high pressure of the hydrogen cylinder 7. A pressure regulator 1 for depressurizing and supplying hydrogen to the fuel cell 8, a
圧力調整器1は水素ボンベ7と燃料電池入口6との間に接続され、圧力センサ5は燃料電池入口6に接続され、第1逆止弁2は燃料電池出口12と循環経路10との間に接続され、気液分離器4は循環経路10と循環経路11との間に接続され、第2逆止弁3は循環経路11と燃料電池入口6との間に接続されている。また、第1逆止弁2は、逆流防止用の弁であり、燃料電池出口12から循環経路10方向へのみガスが流れるようになっている。また、第2逆止弁3も同様に、逆流防止用の弁であり、循環経路11から燃料電池入口6方向へのみガスが流れるようになっている。なお、図1では、燃料用のガスとして水素の例を説明したが、水素ボンベ7の代わりに、メタンガスなどの他の燃料ガスボンベを用いてもよい。
The pressure regulator 1 is connected between the hydrogen cylinder 7 and the fuel cell inlet 6, the
図2に、図1の燃料電池システムの動作時における制御装置9から出力される圧力調節器1用の制御信号、燃料電池圧力、第1逆止弁2を通過するガスの流量、第2逆止弁3を通過するガスの流量の時間的変化をそれぞれ示す。なお図2において、燃料電池圧力は、圧力センサ5で検出される燃料電池8の入口における圧力であるが、燃料電池内の燃料ガスの圧力とほぼ等しい。
FIG. 2 shows the control signal for the pressure regulator 1 output from the
図2に示すように、本実施の形態による燃料電池システムが動作して燃料電池8が発電している時は、期間Iと期間IIが交互に繰り返される。図3に期間Iにおけるガスの流れ方を示し、図4に期間IIにおけるガスの流れ方を示す。 As shown in FIG. 2, when the fuel cell system according to the present embodiment operates and the fuel cell 8 is generating electric power, the period I and the period II are alternately repeated. FIG. 3 shows how the gas flows in the period I, and FIG. 4 shows how the gas flows in the period II.
期間Iにおいて、制御装置9から圧力調整器1へ出力される制御信号が直線的に増加することにより、圧力調整器1の働きにより燃料電池の圧力も直線的に増加する。このとき図3に示すように、ガスの流れ方は、圧力調節器1→燃料電池入口6→燃料電池8→燃料電池出口12→第1逆止弁2→循環経路10→気液分離器4→循環経路11、となる。図2に示すように、燃料電池8の圧力は直線的に増加するように制御されるため、燃料電池8におけるガス消費量が一定であれば、第1逆止弁2に流れるガス流量は一定となる。循環経路11における圧力は、燃料電池8や第1逆止弁2や気液分離器4や配管の圧力損失分だけ燃料電池入口6の圧力よりも低いため、第2逆止弁3は閉の状態となる。その結果、ガスは第2逆止弁3を流れない。圧力調整器1の働きにより燃料電池8の圧力が上昇していき、圧力センサ5により検知される燃料電池圧力が、あらかじめ設定された上限圧力に到達すると、制御装置9は制御信号の出力を停止する(もしくは出力信号を十分に低くする)。
In the period I, the control signal output from the
制御装置9からの制御信号の出力が停止されると圧力調節器1を経由したガス供給は止まるが、燃料電池8はガスを消費し続けるため、燃料電池8の圧力は循環経路10や循環経路11に対して負圧となる。その場合、燃料電池システムにおけるガスの流れ方は図4(図2における期間II)のように変化する。循環経路10と循環経路11は内容積を有しているため、期間IIの間は、循環経路10と循環経路11に蓄えられたガスが、循環経路10→気液分離器4→循環経路11→第2逆止弁3→燃料電池入口6→燃料電池8、の順に流れることになる。このとき、燃料電池8におけるガス消費量が一定であれば、第2逆止弁3に流れるガス流量は一定となる。燃料電池出口12における圧力は、気液分離器4や第2逆止弁3や燃料電池8や配管の圧力損失分だけ循環経路10の圧力よりも低いため、第1逆止弁2は閉の状態となる。その結果、ガスは第1逆止弁2を流れない。そして、圧力調節器1を経由したガス供給が止まっているため、燃料電池8の圧力が低下していき、圧力センサ5により検知される燃料電池圧力が、あらかじめ設定した下限圧力に到達すると、制御装置9は制御信号の出力を再開する。再開時の制御信号出力は、圧力調節器1を経由するガスの圧力が、下限圧力に相当するように設定されることで、過大なガス流は防止される。
When the output of the control signal from the
期間Iにおいて循環経路10と循環経路11に蓄えられていたガスは燃料電池8から排気されたガスに相当し、期間IIにおいてはそのガスが再び燃料電池に供給されるため、期間Iと期間IIを通じてガスは循環されたことになる。また図3と図4からも分かるように、ガスの流れは一方通行であり、循環されるガスに含まれる水は気液分離器4にて除去される。
The gas stored in the
燃料電池圧力の上昇/下降速度、逆止弁に流れるガス流量、循環経路の内容積には相関がある(燃料電池入口6と燃料電池出口12の配管内容積は十分小さいものとする)。具体的には、期間Iにおいて、燃料電池8のガス消費量が一定の場合、燃料電池圧力の上昇速度が速ければ速いほど、また循環経路10と循環経路11の内容積が大きければ大きいほど、第1逆止弁2のガス流量は大きくなる。期間IIにおいては、第2逆止弁3のガス流量は燃料電池8のガス消費量と同一であり、循環経路10と循環経路11の内容積が大きければ大きいほど、燃料電池圧力の低下速度は遅くなる。
There is a correlation between the rising / lowering speed of the fuel cell pressure, the gas flow rate flowing through the check valve, and the internal volume of the circulation path (assuming that the internal volume of the fuel cell inlet 6 and the
燃料電池内に堆積する生成水を除去するには、ガスの流速を高くすることが有効であるが、期間Iにおいては、燃料電池圧力の上昇速度を速くすることで効果的に水を除去することが出来る。期間IIにおいては、実質的に燃料電池出口12からガスが排気されないデッドエンドモードと等価であるため、水の除去は行われない。つまり、燃料電池内の水分除去は期間Iの間のみ行われる。
It is effective to increase the gas flow rate to remove the water that accumulates in the fuel cell, but in period I, the water is effectively removed by increasing the fuel cell pressure increase rate. I can do it. In the period II, since it is substantially equivalent to the dead end mode in which gas is not exhausted from the
期間Iの長さは、燃料電池8のガス消費量と、循環経路10,11の内容積と、燃料電池圧力の上昇速度により決定されるので、燃料電池8のガス消費量、燃料電池圧力の上下限値が一定の場合、燃料電池圧力の上昇速度をコントロールすることにより、期間Iの長さを調節することが可能である。その一方で、期間IIの長さは、燃料電池8のガス消費量と循環経路10,11の内容積により決定されるので、積極的にコントロールすることはできない。よって、期間Iと期間IIのデューティー比を調節する必要がある場合には、期間Iにおける燃料電池圧力の上昇速度をコントロールすることになる。また、燃料電池圧力の上下限値の幅を調節することにより、期間Iと期間IIの周期を制御することも可能である。これらの制御は、制御装置9により行われる。すなわち、制御装置9において、圧力センサ5で検出された燃料電池圧力に基づいて、圧力調整器1への制御信号出力を変化させる。
The length of the period I is determined by the gas consumption of the fuel cell 8, the internal volume of the
以上では期間IIの動作について、制御装置9からの制御信号の出力を完全に停止する場合について述べたが、制御装置9からの制御信号の出力を時間と共に低下させた場合についても動作可能である。図5に、期間IIにおいて、制御装置9からの制御信号を直線的に低下させた場合における、制御装置9から出力される圧力調節器1用の制御信号、燃料電池圧力、圧力調節器1を介したガスの流量(圧力調節器流量)、第1逆止弁2を通過するガスの流量(第1逆止弁流量)、第2逆止弁3を通過するガスの流量(第2逆止弁流量)の時間的変化をそれぞれ示す。また、このときの期間IIにおけるガスの流れ方を図6に示す。循環経路10、11を介したガスの流れは図4の場合と同様であるが、圧力調節器1を介したガス供給が継続されている点が異なる。燃料電池の圧力は制御装置9と圧力調節器1により任意の速度(勾配)で圧力が低下するようガスが供給される。この時、圧力調節器1を介したガス供給量は燃料電池8が消費するガス量よりも少なく、燃料電池は循環経路10と循環経路11に蓄えられたガスを消費することで燃料電池の圧力は低下してゆく。ただし、図4の場合と比べて圧力調節器1を介したガス供給が存在する分、図5に示すように圧力低下の勾配は緩やかである。圧力が低下し、圧力センサ5により検知される燃料電池圧力が、あらかじめ設定した下限圧力に到達すると、制御装置9は制御信号の出力を増大させる方向へと動作し、期間Iへと移行する。
The operation in period II has been described with respect to the case where the output of the control signal from the
ある発電量(ガス消費量)において、期間IIにおける圧力低下の速度(勾配)を遅く(なだらかに)すればするほど圧力調節器1を介した流量は多く、圧力低下の速度(勾配)を速く(急峻に)すればするほど圧力調節器1を介した流量は少なくなる。圧力の低下速度の最大値は燃料電池が消費するガス量により決定される、つまり、ある発電量において、ある一定以上の圧力低下速度にはならない。図7に期間IIにおいて制御信号をある一定以上の圧力低下速度で急速に低下させるように制御を行った場合の動作波形を示す。圧力調節器1は急速に圧力が低下するよう制御装置9から信号を受け、流量を絞るよう動作を行う。制御装置9から受ける制御信号は燃料電池のガス消費による圧力低下勾配よりも急瞬なため、圧力調節器1はガス供給を完全に遮断する。その結果、燃料電池の圧力の低下速度はガス消費のみによって決定される(図3の場合と同様)。この場合におけるガスの流れは図4の場合と同じである。そして、圧力が低下し、圧力センサ5により検知される燃料電池圧力が、あらかじめ設定した下限圧力に到達すると、制御装置9は制御信号の出力を増大させる方向へと動作し、期間Iへと移行する。
In a certain amount of power generation (gas consumption), the slower the flow rate (gradient) of the pressure drop in period II, the more the flow rate through the pressure regulator 1 increases and the faster the pressure drop rate (gradient). The more steep it is, the smaller the flow rate through the pressure regulator 1 is. The maximum value of the pressure decrease rate is determined by the amount of gas consumed by the fuel cell, that is, the pressure decrease rate is not more than a certain value for a certain amount of power generation. FIG. 7 shows an operation waveform when control is performed so that the control signal is rapidly lowered at a pressure drop rate of a certain level or higher in the period II. The pressure regulator 1 receives a signal from the
図7で説明したような期間IIにおいて制御信号をある一定以上の速度で低下させる場合の制御信号の波形としては図8と図9のような2通りが考えられる。これらの図では簡単のため、燃料電池圧力と制御信号が対応するようスケールを調整して同じグラフ内に描いている。図8は期間IIから期間Iへと移行する際に制御信号が不連続となることで、期間Iが常にある任意の初期値から制御信号が増大してゆくよう制御を行ったものである(図7と同様)。それに対して図9は制御信号が常に連続的に変化するよう制御されたものである。この場合、制御信号が増大しているにも関わらず燃料電池圧力が低下する期間IIIが存在する。これは、制御装置9から出力される制御信号が燃料電池圧力よりも低いため、結果として圧力調節器1は閉の状態となり、燃料電池8は循環経路10と11に蓄えられたガスを消費し続けることにより圧力が低下を続けている。そして制御信号が燃料電池の圧力を超えたときに圧力調節器を介したガス供給が再開され、期間Iへと移行する。
As the waveform of the control signal when the control signal is lowered at a certain speed or higher in the period II as described with reference to FIG. 7, there are two types as shown in FIGS. In these figures, for simplicity, the scale is adjusted so that the fuel cell pressure and the control signal correspond to each other, and the same graph is drawn. FIG. 8 is a control in which the control signal is discontinuous when transitioning from the period II to the period I, so that the control signal is always increased from an arbitrary initial value during the period I ( Same as FIG. On the other hand, in FIG. 9, the control signal is controlled so as to constantly change. In this case, there is a period III in which the fuel cell pressure decreases despite an increase in the control signal. This is because the control signal output from the
以上、簡単のため、期間Iにおいて制御信号は直線的増加であるとして説明を行ってきたが、直線的増加でない制御を行っても本発明の燃料電池システムは動作可能である。ただし、その場合は期間Iにおける第1逆止弁2の流量は一定ではなくなる。
As described above, for the sake of simplicity, the control signal has been described as being linearly increased in the period I, but the fuel cell system of the present invention can be operated even when control that is not linearly increased is performed. However, in that case, the flow rate of the
また、図5と図6では期間IIにおいて制御信号は直線的低下であるとして説明を行ったが、直線的低下でない制御を行っても本発明の燃料電池システムは動作可能である。ただし、その場合は期間IIにおける圧力調節器流量ならびに第2逆止弁3の流量は一定ではなくなる。
In FIGS. 5 and 6, the control signal is described as being linearly decreased in the period II. However, the fuel cell system of the present invention can be operated even when control that is not linearly decreased is performed. However, in that case, the pressure regulator flow rate and the flow rate of the
また、本実施の形態では、燃料電池の水素極側について説明を行ってきたが、空気や酸素等の酸化剤が供給される酸素極側に対しても同様の原理で構成して動作させることが可能である。 In the present embodiment, the hydrogen electrode side of the fuel cell has been described. However, the oxygen electrode side to which an oxidant such as air or oxygen is supplied is configured and operated according to the same principle. Is possible.
また、上記実施の形態では、圧力センサ5で検出された燃料電池圧力に基づいて、制御装置9が圧力調整器1への制御信号出力を変化させる、いわゆるフィードバック制御の構成例を示した。しかし、あらかじめ燃料電池システムの特性を評価し、その特性に基づいて制御信号の波形やタイミングを設定し、圧力調整器1への制御信号出力を変化させるようにしてもよい。この場合は、圧力センサ5が不要となる。
In the above embodiment, a configuration example of so-called feedback control in which the
したがって、本実施の形態の燃料電池システムによれば、ポンプやエジェクタを用いることなくガスを循環させることが可能となるため、高効率かつ簡素な燃料電池システムを構築することができる。また、ポンプやエジェクタを用いないため、静寂・無振動である。また、可動部品を必要としないため(圧力調整器を除く)、信頼性が高い。また、消費電力が少なく、燃料電池の発電電力を最大限に活用できる(高エネルギー効率)。 Therefore, according to the fuel cell system of the present embodiment, the gas can be circulated without using a pump or an ejector, so that a highly efficient and simple fuel cell system can be constructed. In addition, since no pump or ejector is used, it is quiet and vibration free. In addition, since no moving parts are required (except for the pressure regulator), the reliability is high. In addition, it consumes less power and can maximize the power generated by the fuel cell (high energy efficiency).
以上、本発明者によってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。 Although the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiment, the invention is not limited to the embodiment and can be variously modified without departing from the scope of the invention. Needless to say.
本発明は、移動体用燃料電池システム、定置用燃料電池システムなど、ガスを循環させる必要性のある燃料電池システムに利用可能である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is applicable to a fuel cell system that needs to circulate a gas, such as a mobile fuel cell system and a stationary fuel cell system.
1…圧力調整器、2…第1逆止弁、3…第2逆止弁、4…気液分離器、5…圧力センサ、6…燃料電池入口、7…水素ボンベ、8…燃料電池、9…制御装置、10,11…循環経路、12…燃料電池出口。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Pressure regulator, 2 ... 1st check valve, 3 ... 2nd check valve, 4 ... Gas-liquid separator, 5 ... Pressure sensor, 6 ... Fuel cell inlet, 7 ... Hydrogen cylinder, 8 ... Fuel cell, 9 ... Control device, 10, 11 ... Circulation path, 12 ... Fuel cell outlet.
Claims (9)
前記燃料電池に供給される前記燃料の圧力を任意に制御可能な圧力調節器と、
前記燃料電池の出口に接続された第1逆止弁と、
前記燃料電池の入口に接続された第2逆止弁と、
前記第1逆止弁と前記第2逆止弁との間に設けられた循環経路とを有し、
前記燃料電池に供給される前記燃料の圧力を前記圧力調整器により上昇させ、前記燃料電池から排出された燃料を、前記第1逆止弁経由で前記循環経路に貯蔵し、前記燃料電池への前記燃料の供給を前記圧力調節器により停止又は減少し、前記循環経路に貯蔵された燃料を、前記第2逆止弁経由で前記燃料電池に循環させるように構成されていることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell that is supplied with fuel and oxidant to generate electricity;
A pressure regulator capable of arbitrarily controlling the pressure of the fuel supplied to the fuel cell;
A first check valve connected to the outlet of the fuel cell;
A second check valve connected to the inlet of the fuel cell;
A circulation path provided between the first check valve and the second check valve;
The pressure of the fuel supplied to the fuel cell is increased by the pressure regulator, the fuel discharged from the fuel cell is stored in the circulation path via the first check valve, and is supplied to the fuel cell. The supply of the fuel is stopped or reduced by the pressure regulator, and the fuel stored in the circulation path is circulated to the fuel cell via the second check valve. Fuel cell system.
前記燃料電池に供給される前記酸化剤の圧力を任意に制御可能な第2圧力調節器と、
前記燃料電池の第2出口に接続された第3逆止弁と、
前記燃料電池の第2入口に接続された第4逆止弁と、
前記第3逆止弁と前記第4逆止弁との間に設けられた第2循環経路とをさらに有し、
前記燃料電池に供給される前記酸化剤の圧力を前記第2圧力調整器により上昇させ、前記燃料電池から排出された酸化剤を、前記第3逆止弁経由で前記第2循環経路に貯蔵し、前記燃料電池への前記酸化剤の供給を前記第2圧力調節器により停止又は減少し、前記第2循環経路に貯蔵された酸化剤を、前記第4逆止弁経由で前記燃料電池に循環させるように構成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 1, wherein
A second pressure regulator capable of arbitrarily controlling the pressure of the oxidant supplied to the fuel cell;
A third check valve connected to the second outlet of the fuel cell;
A fourth check valve connected to the second inlet of the fuel cell;
A second circulation path provided between the third check valve and the fourth check valve;
The pressure of the oxidant supplied to the fuel cell is raised by the second pressure regulator, and the oxidant discharged from the fuel cell is stored in the second circulation path via the third check valve. The supply of the oxidant to the fuel cell is stopped or reduced by the second pressure regulator, and the oxidant stored in the second circulation path is circulated to the fuel cell via the fourth check valve. It is comprised so that it may make it. The fuel cell system characterized by the above-mentioned.
前記燃料電池の入口の圧力を検出する圧力センサと、
前記圧力センサの検出結果に基づいて前記圧力調節器を制御する制御装置とをさらに有し、
前記制御装置は、前記燃料電池に供給される前記燃料の圧力を前記圧力調整器により上昇させ、前記燃料電池から排出された燃料を、前記第1逆止弁経由で前記循環経路に貯蔵し、前記燃料電池への前記燃料の供給を前記圧力調節器により停止又は減少し、前記循環経路に貯蔵された燃料を、前記第2逆止弁経由で前記燃料電池に循環させるように機能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 1 or 2,
A pressure sensor for detecting the pressure at the inlet of the fuel cell;
A control device for controlling the pressure regulator based on a detection result of the pressure sensor,
The control device increases the pressure of the fuel supplied to the fuel cell by the pressure regulator, and stores the fuel discharged from the fuel cell in the circulation path via the first check valve, The supply of the fuel to the fuel cell is stopped or reduced by the pressure regulator and functions to circulate the fuel stored in the circulation path to the fuel cell via the second check valve. A fuel cell system.
前記燃料電池の入口の圧力を検出する圧力センサと、
前記圧力センサの検出結果に基づいて前記圧力調節器を制御する制御装置とをさらに有し、
前記制御装置は、前記燃料電池に供給される前記燃料の圧力を前記圧力調整器により上昇させ、前記圧力センサで検出された前記燃料電池の入口の圧力が上限値に達した時に、前記燃料電池への前記燃料の供給を前記圧力調節器により停止又は減少し、前記圧力センサで検出された前記燃料電池の入口の圧力が下限値に達した時に、前記燃料電池への前記燃料の供給を前記圧力調節器により再開させるように機能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 1 or 2,
A pressure sensor for detecting the pressure at the inlet of the fuel cell;
A control device for controlling the pressure regulator based on a detection result of the pressure sensor,
The control device increases the pressure of the fuel supplied to the fuel cell by the pressure regulator, and when the pressure at the inlet of the fuel cell detected by the pressure sensor reaches an upper limit value, the fuel cell The supply of the fuel to the fuel cell is stopped or reduced by the pressure regulator, and the supply of the fuel to the fuel cell is stopped when the pressure at the inlet of the fuel cell detected by the pressure sensor reaches a lower limit value. A fuel cell system that functions to be restarted by a pressure regulator.
前記燃料電池の第2入口の圧力を検出する第2圧力センサと、
前記第2圧力センサの検出結果に基づいて前記第2圧力調節器を制御する第2制御装置とをさらに有し、
前記第2制御装置は、前記燃料電池に供給される前記酸化剤の圧力を前記第2圧力調整器により上昇させ、前記燃料電池から排出された酸化剤を、前記第3逆止弁経由で前記第2循環経路に貯蔵し、前記燃料電池への前記酸化剤の供給を前記第2圧力調節器により停止又は減少し、前記第2循環経路に貯蔵された酸化剤を、前記第4逆止弁経由で前記燃料電池に循環させるように機能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 2, wherein
A second pressure sensor for detecting the pressure at the second inlet of the fuel cell;
A second control device for controlling the second pressure regulator based on a detection result of the second pressure sensor;
The second controller raises the pressure of the oxidant supplied to the fuel cell by the second pressure regulator, and causes the oxidant discharged from the fuel cell to pass through the third check valve. The second check valve stores the oxidant stored in the second circulation path, the supply of the oxidant to the fuel cell is stopped or reduced by the second pressure regulator, and the fourth check valve stores the oxidant stored in the second circulation path. A fuel cell system, wherein the fuel cell system functions to circulate through the fuel cell.
前記燃料電池の第2入口の圧力を検出する第2圧力センサと、
前記第2圧力センサの検出結果に基づいて前記第2圧力調節器を制御する第2制御装置とをさらに有し、
前記第2制御装置は、前記燃料電池に供給される前記酸化剤の圧力を前記第2圧力調整器により上昇させ、前記第2圧力センサで検出された前記燃料電池の第2入口の圧力が上限値に達した時に、前記燃料電池への前記酸化剤の供給を前記第2圧力調節器により停止又は減少し、前記第2圧力センサで検出された前記燃料電池の第2入口の圧力が下限値に達した時に、前記燃料電池への前記酸化剤の供給を前記第2圧力調節器により再開させるように機能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 2, wherein
A second pressure sensor for detecting the pressure at the second inlet of the fuel cell;
A second control device for controlling the second pressure regulator based on a detection result of the second pressure sensor;
The second controller raises the pressure of the oxidant supplied to the fuel cell by the second pressure regulator, and the pressure at the second inlet of the fuel cell detected by the second pressure sensor is an upper limit. When the value is reached, the supply of the oxidant to the fuel cell is stopped or reduced by the second pressure regulator, and the pressure at the second inlet of the fuel cell detected by the second pressure sensor is a lower limit value. The fuel cell system functions so that the supply of the oxidant to the fuel cell is resumed by the second pressure regulator when the pressure reaches the fuel cell.
前記燃料電池に供給される前記酸化剤の圧力を任意に制御可能な圧力調節器と、
前記燃料電池の出口に接続された第1逆止弁と、
前記燃料電池の入口に接続された第2逆止弁と、
前記第1逆止弁と前記第2逆止弁との間に設けられた循環経路とを有し、
前記燃料電池に供給される前記酸化剤の圧力を前記圧力調整器により上昇させ、前記燃料電池から排出された酸化剤を、前記第1逆止弁経由で前記循環経路に貯蔵し、前記燃料電池への前記酸化剤の供給を前記圧力調節器により停止又は減少し、前記循環経路に貯蔵された酸化剤を、前記第2逆止弁経由で前記燃料電池に循環させるように構成されていることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell that is supplied with fuel and oxidant to generate electricity;
A pressure regulator capable of arbitrarily controlling the pressure of the oxidant supplied to the fuel cell;
A first check valve connected to the outlet of the fuel cell;
A second check valve connected to the inlet of the fuel cell;
A circulation path provided between the first check valve and the second check valve;
The pressure of the oxidant supplied to the fuel cell is raised by the pressure regulator, and the oxidant discharged from the fuel cell is stored in the circulation path via the first check valve, and the fuel cell The supply of the oxidant to the fuel cell is stopped or reduced by the pressure regulator, and the oxidant stored in the circulation path is circulated to the fuel cell via the second check valve. A fuel cell system.
前記燃料電池の入口の圧力を検出する圧力センサと、
前記圧力センサの検出結果に基づいて前記圧力調節器を制御する制御装置とをさらに有し、
前記制御装置は、前記燃料電池に供給される前記酸化剤の圧力を前記圧力調整器により上昇させ、前記燃料電池から排出された酸化剤を、前記第1逆止弁経由で前記循環経路に貯蔵し、前記燃料電池への前記酸化剤の供給を前記圧力調節器により停止又は減少し、前記循環経路に貯蔵された酸化剤を、前記第2逆止弁経由で前記燃料電池に循環させるように機能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 7, wherein
A pressure sensor for detecting the pressure at the inlet of the fuel cell;
A control device for controlling the pressure regulator based on a detection result of the pressure sensor,
The control device increases the pressure of the oxidant supplied to the fuel cell by the pressure regulator, and stores the oxidant discharged from the fuel cell in the circulation path via the first check valve. The supply of the oxidant to the fuel cell is stopped or reduced by the pressure regulator, and the oxidant stored in the circulation path is circulated to the fuel cell via the second check valve. A fuel cell system characterized by functioning.
前記燃料電池の入口の圧力を検出する圧力センサと、
前記圧力センサの検出結果に基づいて前記圧力調節器を制御する制御装置とをさらに有し、
前記制御装置は、前記燃料電池に供給される前記酸化剤の圧力を前記圧力調整器により上昇させ、前記圧力センサで検出された前記燃料電池の入口の圧力が上限値に達した時に、前記燃料電池への前記酸化剤の供給を前記圧力調節器により停止又は減少し、前記圧力センサで検出された前記燃料電池の入口の圧力が下限値に達した時に、前記燃料電池への前記酸化剤の供給を前記圧力調節器により再開させるように機能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 7, wherein
A pressure sensor for detecting the pressure at the inlet of the fuel cell;
A control device for controlling the pressure regulator based on a detection result of the pressure sensor,
The controller raises the pressure of the oxidant supplied to the fuel cell by the pressure regulator, and when the pressure at the inlet of the fuel cell detected by the pressure sensor reaches an upper limit value, the fuel The supply of the oxidant to the battery is stopped or reduced by the pressure regulator, and when the pressure at the inlet of the fuel cell detected by the pressure sensor reaches a lower limit value, the supply of the oxidant to the fuel cell A fuel cell system which functions to restart supply by the pressure regulator.
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