JP2010262824A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、酸化ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、燃料電池の、使用済み燃料ガス出口と燃料ガス供給流路との間に接続される燃料ガス循環流路と、燃料ガス循環流路の燃料ガス循環装置よりもガス還流方向の上流側に設けられ、使用済み燃料ガス中に含まれる水分を除去する気液分離器と、を備える燃料電池システムに関する。 The present invention includes a fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between an oxidizing gas and a fuel gas, a fuel gas circulation passage connected between the spent fuel gas outlet and the fuel gas supply passage of the fuel cell, The present invention relates to a fuel cell system including a gas-liquid separator that is provided upstream of a fuel gas circulation device in a gas recirculation direction of a fuel gas circulation channel and removes moisture contained in spent fuel gas.
燃料電池スタックは、例えばアノード側電極、電解質膜およびカソード側電極から成る膜−電極アセンブリ(MEA)とセパレータとを1組の燃料電池セルとして、これを複数組積層することにより構成している。すなわち、各燃料電池セルは、高分子イオン交換膜から成る電解質膜の一方の面にアノード側電極を、他方の面にカソード側電極を、それぞれ配置して、さらに両側にセパレータを設けることにより構成している。そして、このような燃料電池セルを複数組積層し、さらに集電板、絶縁板およびエンドプレートで狭持することにより、高電圧を発生する燃料電池スタックを構成する。 The fuel cell stack is configured by stacking a plurality of sets of fuel cell units, for example, a membrane-electrode assembly (MEA) composed of an anode side electrode, an electrolyte membrane and a cathode side electrode and a separator. That is, each fuel cell is configured by arranging an anode side electrode on one side of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane, a cathode side electrode on the other side, and further providing separators on both sides. is doing. A plurality of such fuel battery cells are stacked and sandwiched between current collector plates, insulating plates, and end plates to constitute a fuel cell stack that generates a high voltage.
このような燃料電池では、アノード側電極に燃料ガス、例えば水素を含むガスを供給すると共に、カソード側電極に、酸化ガス、例えば空気を供給する。これにより、燃料ガスおよび酸化ガスが電気化学反応に供されて、起電力を発生し、カソード側電極では、水が生成され、アノード側電極側の流路にも水が含まれる可能性がある。 In such a fuel cell, a fuel gas, for example, a gas containing hydrogen is supplied to the anode side electrode, and an oxidizing gas, for example, air is supplied to the cathode side electrode. As a result, the fuel gas and the oxidizing gas are subjected to an electrochemical reaction to generate an electromotive force, water is generated at the cathode side electrode, and water may also be contained in the flow path on the anode side electrode side. .
従来から、特許文献1に記載されているように、燃料電池本体と、燃料電池へ反応ガスを供給及び排出するガス流路と、ガス流路におけるガス流通状態を調整する調整部品とを備える燃料電池システムであって、前記ガス流路の一部を掃気する少なくとも2系統の掃気経路を備え、第1の掃気経路は燃料電池本体を含むように形成され、第2の掃気経路は燃料電池本体をバイパスするように形成される燃料電池システムが記載されている。また、この燃料電池システムでは、燃料電池システムが低温環境下で停止される際に、2段階の水分除去操作を行い、第1段階の水分除去操作では、第1の掃気経路で水分除去を実施して、燃料電池本体の乾燥を行っておき、次に第2段階の水分除去操作では、燃料電池本体を含まない第2の掃気経路で、水素ポンプの水分除去操作を行うという操作が可能となるとされている。 Conventionally, as described in Patent Document 1, a fuel including a fuel cell main body, a gas flow path for supplying and discharging a reaction gas to and from the fuel cell, and an adjustment component for adjusting a gas flow state in the gas flow path A battery system comprising at least two scavenging paths for scavenging a part of the gas flow path, wherein the first scavenging path is formed to include a fuel cell body, and the second scavenging path is a fuel cell body. A fuel cell system configured to bypass is described. Further, in this fuel cell system, when the fuel cell system is stopped in a low temperature environment, a two-stage moisture removal operation is performed, and in the first-stage moisture removal operation, moisture is removed through the first scavenging path. Then, the fuel cell main body is dried, and then, in the second stage water removal operation, the hydrogen pump water removal operation can be performed in the second scavenging path not including the fuel cell main body. It is supposed to be.
上記の特許文献1に記載された燃料電池システム等、従来から知られている燃料電池システムの場合、水素ガス供給源から燃料ガス供給流路を通って、燃料電池本体に供給され、燃料電池本体から排出された水素オフガスが循環流路を通り、水素ポンプを介して燃料ガス供給流路に戻され、再び燃料電池本体に供給される。このような構成において、燃料電池に対する発電要求が大きくなる等による燃料電池の高負荷運転時には、水素ポンプを駆動させるためのモータの負荷が高くなるため、モータも高負荷運転となる。このため、モータが高温になりやすく、場合によってはモータの温度が、熱定格としての設計上の許容温度を超える傾向となる可能性がある。例えば、モータを構成するコイルをワニスに含浸させることにより固めている場合に、ワニスの耐熱上の許容温度はおよそ150〜180℃であるのに対し、モータの温度がこの許容温度を超える傾向となる可能性がある。このため、従来から、モータの温度が許容温度を超える傾向となる場合には、モータの運転を間欠運転する等で、モータの温度を低下させることが考えられるが、この場合には燃料電池の高負荷での連続運転の実現が難しくなる。このため、燃料電池の高負荷時でも連続運転の実現が可能な構成が望まれている。 In the case of a conventionally known fuel cell system such as the fuel cell system described in Patent Document 1, the fuel cell main body is supplied from the hydrogen gas supply source through the fuel gas supply channel to the fuel cell main body. The hydrogen off-gas discharged from the gas passes through the circulation channel, is returned to the fuel gas supply channel via the hydrogen pump, and is supplied to the fuel cell main body again. In such a configuration, at the time of high load operation of the fuel cell due to an increase in power generation demand for the fuel cell or the like, the load of the motor for driving the hydrogen pump becomes high, so the motor also becomes high load operation. For this reason, a motor tends to become high temperature, and in some cases, the temperature of the motor may tend to exceed a design allowable temperature as a thermal rating. For example, when the coil constituting the motor is hardened by impregnating the varnish, the allowable temperature for heat resistance of the varnish is about 150 to 180 ° C., whereas the temperature of the motor tends to exceed this allowable temperature. There is a possibility. For this reason, conventionally, when the temperature of the motor tends to exceed the allowable temperature, it is possible to reduce the temperature of the motor by intermittently operating the motor. Realizing continuous operation at high load becomes difficult. For this reason, the structure which can implement | achieve continuous driving | running | working at the time of the high load of a fuel cell is desired.
本発明の目的は、燃料電池システムにおいて、燃料電池の高負荷時でも連続運転の実現を可能とすることである。 An object of the present invention is to enable continuous operation in a fuel cell system even when the fuel cell has a high load.
本発明に係る燃料電池システムは、酸化ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路と、燃料ガス供給流路の上流側に設けられた燃料ガス供給装置と、燃料電池の、使用済み燃料ガス出口と燃料ガス供給流路との間に接続される燃料ガス循環流路と、燃料ガス循環流路に設けられ、燃料ガス循環流路内から燃料ガス供給流路へ使用済み燃料ガスを還流させる、モータにより駆動される燃料ガス循環装置と、燃料ガス循環流路の燃料ガス循環装置よりもガス還流方向の上流側に設けられ、使用済み燃料ガス中に含まれる水分を除去する気液分離器と、燃料ガス循環流路のガス還流方向に離れた上流側接続部及び下流側接続部に、気液分離器を迂回して接続された迂回流路と、燃料ガス循環流路及び迂回流路の少なくとも一方の流路の、上流側接続部及び下流側接続部の間に設けられた流路切り換え弁と、を備え、流路切り替え弁は、燃料電池の高負荷運転時に使用済み燃料ガスが迂回流路を介して燃料ガス供給流路に送られるように開閉が切り替えられることを特徴とする燃料電池システムである。 A fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between an oxidizing gas and a fuel gas, a fuel gas supply channel that supplies the fuel gas to the fuel cell, and an upstream side of the fuel gas supply channel. The fuel gas supply device provided, the fuel gas circulation passage connected between the spent fuel gas outlet and the fuel gas supply passage of the fuel cell, and the fuel gas circulation passage provided in the fuel gas circulation passage. A fuel gas circulation device driven by a motor that recirculates spent fuel gas from the flow path to the fuel gas supply flow path, and provided upstream of the fuel gas circulation device in the gas recirculation direction of the fuel gas circulation flow path A gas-liquid separator that removes water contained in the spent fuel gas, and a gas-liquid separator that bypasses the upstream-side connection portion and the downstream-side connection portion that are separated in the gas recirculation direction of the fuel gas circulation passage. Connected bypass channel and fuel A flow path switching valve provided between the upstream connection portion and the downstream connection portion of at least one of the gas circulation flow path and the bypass flow path. The fuel cell system is characterized in that opening and closing are switched so that spent fuel gas is sent to the fuel gas supply channel via the bypass channel during the load operation.
本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池の高負荷運転時に使用済み燃料ガスが気液分離器を迂回する迂回流路を介して燃料ガス供給流路に送られる。このため、迂回流路よりもガス下流側に位置する燃料ガス循環装置に送られる使用済み燃料ガスの気液分離率を意図的に低下させることができる。すなわち、使用済み燃料ガス中に存在する水分が気液分離器で除去されることなく、燃料ガス循環装置に送られるガス中の水量を増やすことができる。この水分は燃料ガス循環装置の駆動部周辺部で蒸発し、気化熱が奪われることにより駆動部及び駆動部に連結されたモータを冷却できる。このため、燃料電池の高負荷運転時にモータが連続運転する場合でも、モータが過度に温度上昇することを防止でき、燃料電池の高負荷での連続運転の実現が可能となる。しかも、燃料ガス循環装置に流入した水は蒸発するので、燃料ガス循環装置の負荷となることがない。この結果、燃料ガス循環装置の時間定格を延ばすことができる。 According to the fuel cell system of the present invention, spent fuel gas is sent to the fuel gas supply channel via the detour channel that bypasses the gas-liquid separator during high-load operation of the fuel cell. For this reason, the gas-liquid separation rate of the spent fuel gas sent to the fuel gas circulation device located on the gas downstream side of the detour channel can be intentionally reduced. That is, the amount of water in the gas sent to the fuel gas circulation device can be increased without removing the water present in the spent fuel gas by the gas-liquid separator. This moisture evaporates in the periphery of the drive unit of the fuel gas circulation device, and the heat connected to the drive unit and the drive unit can be cooled by removing the heat of vaporization. For this reason, even when the motor continuously operates during high load operation of the fuel cell, it is possible to prevent the motor from excessively rising in temperature, and it is possible to realize continuous operation at a high load of the fuel cell. In addition, since the water flowing into the fuel gas circulation device evaporates, it does not become a load on the fuel gas circulation device. As a result, the time rating of the fuel gas circulation device can be extended.
以下において、図面を用いて本発明に係る実施の形態の1例につき詳細に説明する。図1から図3は、本実施の形態を示している。図1は、本発明に係る実施の形態の1例の燃料電池システムの基本構成を示す図である。図2は、図1のA部の構造をより具体的に示す図である。図3は、図2のB部について、迂回流路と主流路との合流部構造の異なる3例を示す図である。図1に示すように、燃料電池システム10は、例えば、燃料電池車に搭載して使用するもので、燃料電池スタック12を有する。この燃料電池スタック12は、複数の燃料電池セルを積層すると共に、燃料電池スタック12の積層方向両端部に、集電板と、エンドプレートとを設けている。そして、複数の燃料電池セルと集電板とエンドプレートとをタイロッド、ナット等で締め付けている。なお、集電板とエンドプレートとの間に絶縁板を設けることもできる。
Hereinafter, an example of an embodiment according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. 1 to 3 show the present embodiment. FIG. 1 is a diagram showing a basic configuration of an example fuel cell system according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a diagram more specifically showing the structure of part A of FIG. FIG. 3 is a diagram showing three examples in which the structure of the joining portion between the bypass channel and the main channel is different for the portion B in FIG. As shown in FIG. 1, the
各燃料電池セルの詳細図は省略するが、例えば、電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とにより狭持して成る膜−アセンブリと、その両側のセパレータとを備えたものとする。また、アノード側電極(以下、単に「アノード」という。)には燃料ガスである水素ガスを供給可能とし、カソード側電極(以下、単に「カソード」という。)には酸化ガスである空気を供給可能としている。そして、アノードで触媒反応により発生した水素イオンを、電解質膜を介してカソードまで移動させ、カソードで酸素と電気化学反応を起こさせることにより、水を生成する。また、アノードからカソードへ外部回路を通じて電子を移動させることにより起電力を発生する。すなわち、図1に示す、複数の燃料電池セルを積層した燃料電池スタック12は、酸化ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電する。また、カソード側の生成水等の、カソード側に存在する水は、電解質膜を通じてアノード側の流路にも入り込む。
Although a detailed view of each fuel cell is omitted, it is assumed that, for example, a membrane assembly in which an electrolyte membrane is sandwiched between an anode side electrode and a cathode side electrode and separators on both sides thereof are provided. Further, hydrogen gas that is a fuel gas can be supplied to the anode side electrode (hereinafter simply referred to as “anode”), and air that is an oxidizing gas is supplied to the cathode side electrode (hereinafter simply referred to as “cathode”). It is possible. Then, hydrogen ions generated by the catalytic reaction at the anode are moved to the cathode through the electrolyte membrane, and water is generated by causing an electrochemical reaction with oxygen at the cathode. Also, an electromotive force is generated by moving electrons from the anode to the cathode through an external circuit. That is, the
また、酸化ガスである空気を燃料電池スタック12に供給するために、酸化ガス供給流路14を設けている。また、燃料電池スタック12から電気化学反応に供された後の使用済み空気である空気オフガスを排出するために、酸化ガス系排出流路16を設けている。酸化ガス供給流路14の上流部に、酸化ガス供給装置であるエアコンプレッサ18を設けている。そして、エアコンプレッサ18により加圧された空気が、加湿器20で加湿された後、燃料電池スタック12のカソード側の酸化ガス流路に供給されるようにしている。
In addition, an oxidizing
燃料電池スタック12に供給され、各燃料電池セルで電気化学反応に供された後の空気オフガスは、燃料電池スタック12から酸化ガス系排出流路16を通じて排出された後、加湿器20を通過してから希釈器22を介して大気に放出される。加湿器20は、燃料電池スタック12から排出された後の空気オフガスから得た水分を、燃料電池スタック12に供給される前の空気に与えて、加湿する役目を果たす。
The air off-gas supplied to the
一方、燃料ガスである水素ガスを燃料電池スタック12に供給するために燃料ガス供給流路24を設けている。また、燃料電池スタック12から電気化学反応に供された後の使用済み水素ガスである水素オフガスを排出するために、燃料ガス系排出流路26を設けている。水素オフガスには、未反応の水素も含まれる。また、水素オフガスには水分が含まれる場合もある。例えば、水素オフガスには、水素(H2)、窒素(N2)、水(H2O)等が含まれる。また、燃料ガス供給流路24の上流部に、図示しない燃料ガス供給装置である、高圧水素タンク等の水素ガス供給装置を設けている。水素ガス供給装置から電磁弁である燃料ガス供給弁28を介して燃料電池スタック12に水素ガスが供給されるようにしている。
On the other hand, a fuel
燃料電池スタック12のアノード側の燃料ガス流路に供給され、電気化学反応に供された後の水素オフガスは、燃料電池スタック12から燃料ガス循環流路30を通じて排出される。燃料ガス循環流路30は、上流側が燃料ガス系排出流路の役目を有するもので、燃料電池スタック12の水素オフガス出口と、燃料ガス供給流路24の燃料ガス供給弁28よりも下流側部分との間に接続している。
The hydrogen off-gas supplied to the anode-side fuel gas passage of the
燃料ガス循環流路30は、気液分離器32を含む主流路34と、気液分離器32を迂回する迂回流路36とを有する。すなわち、図2に示すように、迂回流路36の上流端は、主流路34の気液分離器32よりもガス上流側の上流側接続部38で接続し、迂回流路36の下流端は、主流路34の気液分離器32よりもガス下流側の下流側接続部40で接続している。すなわち、燃料ガス循環流路30のガス還流方向に離れた上流側接続部38及び下流側接続部40に、気液分離器32を迂回するように迂回流路36を接続している。
The fuel
また、燃料ガス循環流路30の主流路34及び迂回流路36の、上流側接続部38及び下流側接続部40の間に、電磁弁である第1流路切り替え弁42及び第2流路切り替え弁44を、それぞれ設けている。燃料ガス循環流路30は、燃料電池スタック12から排出された未反応の水素ガスを含む水素オフガスを、燃料ガス供給流路24に戻すため、すなわち、燃料ガス循環流路30内から燃料ガス供給流路24(図1)へ還流させるために設けている。燃料ガス循環流路30の、ガス還流方向に関して下流側接続部40よりも下流側に、燃料ガス循環装置である水素ポンプ46を設けている。水素ポンプ46は、水素オフガスを、燃料ガス循環流路30を通じて燃料ガス供給流路24に戻し、水素ガス供給装置から送られる新たな水素ガスと合流させてから、再び燃料電池スタック12に供給する。水素ポンプ46は、例えばルーツ式、スクロール式、スクリュー式等のポンプであり、ケーシング内に設けられたポンプロータ48をモータ50により駆動する。モータ50は図示しない二次電池から電力を供給されて駆動する。図1に示すように、モータ50の駆動は、後述する制御部であるコントローラ(ECU)52により制御される。水素ポンプ46は、回転数を調節可能としている。
Further, the first flow
モータの低負荷運転時等に燃料電池スタック12から排出された水素オフガスは、水素ポンプ46よりもガス還流方向の上流側に設けた気液分離器32で、水分を除去されてから、水素ポンプ46に送られる。気液分離器32に排気排水流路54を接続しており、排気排水流路54の途中に排気排水弁であり、電磁弁であるパージ弁56を設けている。排気排水流路54の下流側に送られたガスおよび水分は、希釈器22で、酸化ガス系排出流路16の上流側から送られる空気オフガスと合流して、水素濃度が十分に低下されてから外部に排出される。なお、燃料ガス循環流路30を構成する主流路34の上流側接続部38と下流側接続部40との間の、気液分離器32から外れた部分等、排気排水流路54とは別の部分に、電磁弁である排気弁を設けることもできる。
The hydrogen off-gas discharged from the
また、コントローラ52は、エアコンプレッサ18と燃料ガス供給弁28とに制御信号の伝達可能に接続している。コントローラ52は、エアコンプレッサ18に駆動を制御する制御信号を出力するとともに、燃料ガス供給弁28の開閉を制御するための制御信号を出力する。また、コントローラ52は、第1流路切り替え弁42及び第2流路切り替え弁44にも接続しており、各切り替え弁42,44の開閉を制御する。第1流路切り替え弁42及び第2流路切り替え弁44は、後述するように選択的に開弁される。このようなコントローラ52は、CPU、メモリ等を有するマイクロコンピュータを含む。
The
また、コントローラ52には、燃料電池システム10のイグニッションスイッチとして機能する図示しない起動スイッチが接続されており、起動スイッチからオン状態に対応する発電開始信号を受け取ることを条件に、発電開始処理が実行され、オフ状態に対応する発電停止信号を受け取ることを条件に、発電運転停止処理が実行されるように、燃料ガス供給弁28、エアコンプレッサ18、水素ポンプ46等の各要素を制御する。
The
図3(a)は、迂回流路36と主流路34との合流部である下流側接続部40を示している。図の例では迂回流路36と主流路34とが略直角に交わるように接続される。水素ポンプ46(図1、図2)のガス入口は、主流路34の下流側接続部40よりもガス下流側に接続されている。図2に示すように、水素ポンプ46は、ケーシング内に設けられたポンプロータ48を、モータ50の回転軸58と一体に設けられた駆動軸60により駆動させる。例えば、水素ポンプ46がルーツ式である場合には、ケーシング内に互いに対向する2個のポンプロータ48である繭形ロータを有し、一方の繭形ロータが駆動軸60により駆動され、他方の繭形ロータは、駆動軸60に図示しない歯車機構を介して駆動される図示しない従動軸により駆動される。モータ50の回転軸58は、モータケースの内側に回転可能に支持している。また、ケーシングとモータケースとは、一体に結合することもできる。また、ケーシングとモータケースとを単一のケーシングにより構成することもできる。モータ50の回転軸58の外径側にモータロータ62を設けており、モータケースに固定したモータステータ64にモータロータ62を対向させている。ガス入口から水素ポンプ46内に吸引され、内部で加圧された水素オフガスは、ガス出口から吐出され、燃料ガス供給流路24(図1)に送られる。
FIG. 3A shows a downstream
さらに、図1に示すコントローラ52は、流路切り替え弁制御部を有する。流路切り替え弁制御部は、燃料電池スタック12の高負荷運転時に水素オフガスが主流路34ではなく、迂回流路36を介して燃料ガス供給流路24に送られるように、各流路切り替え弁42,44を制御する。このため、流路切り替え弁42,44は、流路切り替え弁制御部により、燃料電池スタック12の高負荷運転時に水素オフガスが迂回流路36を介して燃料ガス供給流路24に送られるように開閉が切り替えられる。
Furthermore, the
例えば、燃料電池システム10を燃料電池車用として使用する場合に、コントローラ52は、アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルペダルセンサ等から検出信号を入力され、その検出信号に基づいて燃料電池スタック12に対する要求出力を演算する。コントローラ52は、その要求出力に基づいて、水素ポンプ46駆動用のモータ50の回転速度、及びエアコンプレッサ18駆動用のモータ66の回転速度を演算し、各モータ50,66の駆動を演算値に基づいて制御する。ここで、流路切り替え弁制御部は、要求出力が予め設定された設定値以上である場合には燃料電池スタック12の高負荷運転時であると判定して、第1流路切り替え弁42を閉弁させるとともに、第2流路切り替え弁44を開弁させる。この場合、燃料電池スタック12から排出された水素オフガスは、気液分離器32を介することなく、迂回流路36を通じて水素ポンプ46に送られる。これに対して、流路切り替え弁制御部は、要求出力が予め設定された設定値未満である場合には燃料電池スタック12の高負荷運転時でないと判定して、第1流路切り替え弁42を開弁させるとともに、第2流路切り替え弁44を閉弁させる。この場合、燃料電池スタック12から排出された水素オフガスは、気液分離器32を介して、主流路34を通じて水素ポンプ46に送られる。
For example, when the
また、別例の第1例として、水素ポンプ46駆動用のモータ50にモータ温度監視手段である、モータ温度サーミスタを設け、モータ温度サーミスタの検出温度をコントローラ52へ入力することもできる。流路切り替え弁制御部は、予め検出温度と要求出力との関係から得られたマップのデータを記憶し、モータ温度サーミスタの検出温度から、そのデータを参照して、要求出力が予め設定した設定値以上であるか否かを判定する。要求出力が設定値以上である場合には燃料電池スタックの高負荷運転時であると判定して、第1流路切り替え弁及び第2流路切り替え弁の開閉を制御し、水素オフガスが迂回流路36を介して燃料ガス供給流路24に送られるように開閉を切り替える。
As a first example of another example, the
また、別例の第2例として、流路切り替え弁制御部にこのようなマップのデータを記憶させず、モータ温度サーミスタの検出温度が予め設定した所定温度を超えた場合に、燃料電池スタック12の高負荷運転時であると判定し、流路切り替え弁制御部により第1流路切り替え弁42及び第2流路切り替え弁44の開閉を制御して、水素オフガスが迂回流路36を介して燃料ガス供給流路24に送られるように開閉を切り替えるようにすることもできる。
As another example of the
また、別例の第3例として、コントローラ52に流路切り替え弁制御部を設けずに、モータ温度サーミスタの検出温度が予め設定した所定温度を超えた場合に、第1流路切り替え弁42に閉弁させる信号を入力し、第2流路切り替え弁44に開弁させる信号を入力することで、水素オフガスが迂回流路36を介して燃料ガス供給流路24に送られるように各流路切り替え弁42,44の開閉を切り替えることもできる。別例の第1例から第3例の場合に、モータ温度サーミスタは、モータ50(図2)の保護のために従来から設けているものを使用することもできる。
As a third example of another example, the
上記のように構成する本実施の形態の燃料電池システム10によれば、各流路切り替え弁42,44は、燃料電池スタック12の高負荷運転時に水素オフガスが迂回流路36を介して燃料ガス供給流路24に送られるように開閉が切り替えられる。このため、高負荷運転時には、燃料電池スタック12から排出された直後の水素オフガスに水が含まれる場合に、気液分離器32で水素オフガス中の水分が除去されず、下流側接続部40を介して、水素ポンプ46へ水分を含む水素オフガスが送られる。したがって、迂回流路36よりもガス下流側に位置する水素ポンプ46に送られる水素オフガスの気液分離率を、意図的に低下させることができる。すなわち、水素オフガス中に存在する水分が気液分離器32で除去されることなく、水素ポンプ46に送られるガス中の水量を増やすことができる。この水分は水素ポンプ46の駆動部である、ポンプロータ48(図2)周辺部で蒸発し、気化熱が奪われることによりポンプロータ48及びこのポンプロータ48に回転軸58が連結されたモータ50を冷却できる。ポンプロータ48及びモータロータ62は軸58,60を介して熱的に連結されている。このため、燃料電池スタック12の高負荷運転時にモータ50が連続運転する場合でも、モータ50が過度に温度上昇することを防止でき、燃料電池スタック12の高負荷での連続運転の実現が可能となる。しかも、水素ポンプ46に流入した水は蒸発するので、水素ポンプ46の負荷となることがない。この結果、水素ポンプ46の時間定格、すなわち水素ポンプ46をある回転数で駆動させ続けることが可能な時間を延ばすことができる。
According to the
なお、別例の第4例の構造として、燃料ガス循環流路30に第1流路切り替え弁42と第2流路切り替え弁44との2つを設けるのではなく、上流側接続部38及び下流側接続部40の一方または両方に三方弁式流路切り替え弁を設けて、三方弁式流路切り替え弁は、燃料電池スタック12の高負荷運転時に水素オフガスが迂回流路36を介して燃料ガス供給流路24に送られるように開閉が切り替えられるようにすることもできる。
In addition, as the structure of the fourth example of another example, the upstream
また、別例の第5例の構造として、燃料ガス循環流路30に第1流路切り替え弁42と第2流路切り替え弁44との2つを設けるのではなく、気液分離器32側の第1流路切り替え弁42の1つのみ設け、第1流路切り替え弁42は、燃料電池スタック12の高負荷運転時に水素オフガスが迂回流路36を介して燃料ガス供給流路24に送られるように開閉が切り替えられるようにすることもできる。
Further, as a structure of the fifth example of another example, the fuel
この構成によれば、流路切り替え弁の数を2つ設ける場合よりも少なくできる。また、2つの流路切り替え弁を設ける場合には、両方の切り替え弁が何らかの不具合で閉弁のまま駆動しなくなった場合に、ガスの流れが閉塞するため、燃料電池システム10の耐久性を有効に確保する面から改良の余地がある。これに対して、上記のように流路切り替え弁を、第1流路切り替え弁42の1つのみ設けた場合には、不具合発生時でも常に迂回流路36の下流側と水素ポンプ46ガス入口とが接続されるため、流路が閉塞されず、燃料電池システム10の耐久性をより有効に確保できる。なお、この場合には、第1流路切り替え弁42を開弁しても、迂回流路36側にも水素オフガスが流れるため、水素オフガスの気液分離率は、流路切り替え弁を2つ設ける場合よりも悪化する。
According to this configuration, the number of flow path switching valves can be reduced as compared with the case where two flow path switching valves are provided. In addition, when two flow path switching valves are provided, the gas flow is blocked when both switching valves are closed and cannot be driven due to some trouble, so that the durability of the
図3(b)は、別例の第6例の構造を示している。この第6例の構造では、下流側接続部40において、迂回流路36の下流側を主流路34に対し傾斜させるように接続している。すなわち、下流側接続部40で要求される気液分離性能に応じて、下流側接続部40で迂回流路36を主流路に対し傾斜させている。この場合には、迂回流路36の下流側を水素ポンプ46に向かうように、図3(b)の上側に傾斜させている。このため、水分を含む水素オフガスのうち、水素ポンプ46と気液分離器32とのうち、水素ポンプ46側に向かうガスの流量が高くなり、気液分離率が悪化し、水素ポンプ46内への流入水量は増加する。したがって、水素ポンプ46駆動用のモータ50の冷却性を向上できる。
FIG. 3B shows a structure of a sixth example of another example. In the structure of the sixth example, the downstream
図3(c)は、別例の第7例の構造を示している。この第7例の構造も、下流側接続部40で要求される気液分離性能に応じて、下流側接続部40で迂回流路36を主流路34に対し傾斜させている。この場合には、迂回流路36の下流側を気液分離器32に向かうように傾斜させている。このため、水分を含む水素オフガスのうち、水素ポンプ46と気液分離器32とのうち、気液分離器32側に向かうガスの流量が高くなり、気液分離率が向上し、逆に水素ポンプ46内への流入水量は減少する。したがって、水素ポンプ46駆動用のモータ50の冷却性が低下する。
FIG. 3C shows the structure of a seventh example of another example. Also in the structure of the seventh example, the
このような別例の第6例または第7例によれば、水素ポンプ46の性能に応じて、配管形状の変更だけで、気液分離率を調整でき、水素ポンプ46への流入水量を調整できる。このため、熱定格不足であれば、下流側接続部40で別例の第6例のように迂回流路36を水素ポンプ46に向け傾斜させることがより好ましい。また、配管形状の変更だけで水素ポンプ46内への流入水量の微調整ができる。例えば、燃料電池スタック12の性能が想定よりも悪かった場合、水素ポンプ46の構造自体を設計変更することなく、熱定格の改善が可能となる。
According to the sixth example or the seventh example of such another example, according to the performance of the
10 燃料電池システム、12 燃料電池スタック、14 酸化ガス供給流路、16 酸化ガス系排出流路、18 エアコンプレッサ、20 加湿器、22 希釈器、24 燃料ガス供給流路、26 燃料ガス系排出流路、28 燃料ガス供給弁、30 燃料ガス循環流路、32 気液分離器、34 主流路、36 迂回流路、38 上流側接続部、40 下流側接続部、42 第1流路切り替え弁、44 第2流路切り替え弁、46 水素ポンプ、48 ポンプロータ、50 コントローラ(ECU)、52 排気排水流路、54 パージ弁、56 回転軸、58 駆動軸、60 モータロータ、62 モータステータ、64 モータ。
DESCRIPTION OF
Claims (1)
燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路と、
燃料ガス供給流路の上流側に設けられる燃料ガス供給装置と、
燃料電池の、使用済み燃料ガス出口と燃料ガス供給流路との間に接続される燃料ガス循環流路と、
燃料ガス循環流路に設けられ、燃料ガス循環流路内から燃料ガス供給流路へ使用済み燃料ガスを還流させる、モータにより駆動される燃料ガス循環装置と、
燃料ガス循環流路の燃料ガス循環装置よりもガス還流方向の上流側に設けられ、使用済み燃料ガス中に含まれる水分を除去する気液分離器と、
燃料ガス循環流路のガス還流方向に離れた上流側接続部及び下流側接続部に、気液分離器を迂回して接続された迂回流路と、
燃料ガス循環流路及び迂回流路の少なくとも一方の流路の、上流側接続部及び下流側接続部の間に設けられた流路切り換え弁と、を備え、
流路切り替え弁は、燃料電池の高負荷運転時に使用済み燃料ガスが迂回流路を介して燃料ガス供給流路に送られるように開閉が切り替えられることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between an oxidizing gas and a fuel gas;
A fuel gas supply channel for supplying fuel gas to the fuel cell;
A fuel gas supply device provided upstream of the fuel gas supply flow path;
A fuel gas circulation passage connected between the spent fuel gas outlet and the fuel gas supply passage of the fuel cell;
A fuel gas circulation device driven by a motor, provided in the fuel gas circulation flow path, for recirculating the spent fuel gas from the fuel gas circulation flow path to the fuel gas supply flow path;
A gas-liquid separator that is provided on the upstream side in the gas recirculation direction from the fuel gas circulation device of the fuel gas circulation flow path and removes moisture contained in the spent fuel gas;
A detour channel connected by bypassing the gas-liquid separator to the upstream side connection portion and the downstream side connection portion separated in the gas recirculation direction of the fuel gas circulation channel;
A flow path switching valve provided between the upstream connection portion and the downstream connection portion of at least one of the fuel gas circulation flow path and the bypass flow path,
The flow path switching valve is switched between open and closed so that spent fuel gas is sent to the fuel gas supply flow path via the bypass flow path during high load operation of the fuel cell.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2009112556A JP2010262824A (en) | 2009-05-07 | 2009-05-07 | Fuel cell system |
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JP2009112556A JP2010262824A (en) | 2009-05-07 | 2009-05-07 | Fuel cell system |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2023285120A1 (en) * | 2021-07-16 | 2023-01-19 | Robert Bosch Gmbh | Fuel cell system, recirculation assembly for a fuel cell system, and method for cooling a drive device of a recirculation fan in a fuel cell system |
-
2009
- 2009-05-07 JP JP2009112556A patent/JP2010262824A/en active Pending
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2023285120A1 (en) * | 2021-07-16 | 2023-01-19 | Robert Bosch Gmbh | Fuel cell system, recirculation assembly for a fuel cell system, and method for cooling a drive device of a recirculation fan in a fuel cell system |
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