JP4338914B2 - Fuel circulation fuel cell system - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとを供給されて電気を発生させる燃料電池を備える燃料電池システムに関し、特に、燃料電池から排出される燃料オフガスを燃料ガスに合流させて循環させる燃料循環式の燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池自動車等に搭載される燃料電池には、固体高分子電解質膜の両側にアノードとカソードとを備え、アノードに燃料ガス（例えば水素ガス）を供給し、カソードに酸化剤ガス（例えば酸素あるいは空気）を供給して、これらガスの酸化還元反応にかかる化学エネルギを直接電気エネルギとして抽出するようにしたものがある。
この燃料電池では、アノードで水素ガスがイオン化して固体高分子電解質中を移動し、電子は、外部負荷を通ってカソードに移動し、酸素と反応して水を生成する一連の電気化学反応による電気エネルギを取り出すことができるようになっている。
【０００３】
この種の燃料電池を備えた燃料電池システムにおいては、過渡的な状態でのガス不足を防止するためや、発電に伴って発生する凝縮水を排出するために、燃料ガスおよび酸化剤ガスを燃料電池における実際の消費量よりも多めに供給する必要がある。このように実際の消費量よりも多い燃料ガスを燃料電池に供給すると、消費されなかった燃料ガスが燃料電池から排出されることとなるが、これを大気に放出してしまうとエネルギーを浪費することとなる。特に、燃料電池システムを搭載した燃料電池自動車においては燃費悪化となる。
そこで、燃料電池で消費されなかった燃料ガスを含み、燃料電池のアノード側から排出されるガス（以下、これを燃料オフガスという）をポンプ等の加圧手段で加圧して、新規の燃料ガスと合流させて再び燃料電池に循環させる燃料電池システム（以下、これを燃料循環式燃料電池システムという）が開発されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、燃料電池は固体高分子電解質膜の破損防止などのために、アノード側の圧力とカソード側の圧力との差圧（以下、これを極間差圧という）を所定値以下に制御する必要がある。
ここで、前述した燃料循環式燃料電池システムにおいて極間差圧を制御する場合、アノード側の圧力とカソード側の圧力をそれぞれ圧力センサで検出し、これを電気信号に変換して制御装置（ＥＣＵ）に入力し、この入力信号に基づいてＥＣＵが、燃料ガス供給系に設置した電／空式の圧力制御弁をフィードバック制御するシステムが容易に考えられるが、このようなシステムにすると、制御が極めて複雑になり、コスト高になるという問題がある。
そこで、この発明は、極間差圧の制御性がよく且つコスト低減を図ることができる燃料循環式燃料電池システムを提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、
燃料ガス（例えば、後述する実施の形態における水素ガス）と酸化剤ガス（例えば、後述する実施の形態における空気）とを供給されて電気を発生させる燃料電池（例えば、後述する実施の形態における燃料電池１）と、
前記燃料電池の要求出力に応じて回転数を制御され所定量の酸化剤ガスを加圧して前記燃料電池に供給するコンプレッサ（例えば、後述する実施の形態におけるエアコンプレッサ２）と、
前記燃料電池から排出される酸化剤オフガス（例えば、後述する実施の形態における空気オフガス）が流通する酸化剤オフガス路（例えば、後述する実施の形態における空気オフガス路５）に設けられ、開度制御によって前記燃料電池への酸化剤ガスの供給圧を前記燃料電池の要求出力に応じた圧力に調整する圧力制御弁（例えば、後述する実施の形態における圧力制御弁６）と、
前記燃料ガスを前記燃料電池に供給する燃料ガス供給路（例えば、後述する実施の形態における水素ガス供給路８）と、
前記燃料電池から排出される燃料オフガス（例えば、後述する実施の形態における水素オフガス）を前記燃料ガス供給路に戻す燃料オフガス戻し路（例えば、後述する実施の形態における水素オフガス路１０および水素オフガス回収路１２）と、
前記燃料オフガス戻し路上に設けられ、前記燃料電池の要求出力が大きくなるにしたがって回転数が大きくなるように回転数制御される燃料ガスポンプ（例えば、後述する実施の形態における水素ポンプ１１）と、
前記燃料オフガス戻し路が合流する合流点よりも上流の前記燃料ガス供給路に設けられ、前記コンプレッサで加圧され前記燃料電池に供給される前の酸化剤ガスの圧力を信号圧として、前記燃料電池に供給される燃料ガスの圧力を調整する燃料ガス圧力調整手段（例えば、後述する実施の形態における燃料ガス圧力調整弁７）と、
を備え、前記燃料オフガスを前記燃料ガスに合流させて前記燃料電池に供給する燃料循環式燃料電池システムであって、
前記燃料ガス圧力調整手段は、前記燃料ガスが流通可能で弁体（例えば、後述する実施の形態における弁体３０）によって開閉される燃料ガス通路（例えば、後述する実施の形態における水素ガス通路２４）と、前記信号圧が導入される密閉空間の信号圧室（例えば、後述する実施の形態における信号圧室２３）とを有し、前記弁体よりも下流側の前記燃料ガス通路（例えば、後述する実施の形態における水素ガス通路２４ｂ）が前記燃料オフガス戻し路と合流する前記燃料ガス供給路に接続され、前記弁体よりも下流側の前記燃料ガス通路と前記信号圧室がダイヤフラム（例えば、後述する実施の形態におけるダイヤフラム２２ａ，２２ｂ）によって仕切られ、前記ダイヤフラムが弾性体（例えば、後述する実施の形態におけるスプリング３１）によって前記燃料ガス通路に接近する方向に付勢され、前記弁体が前記ダイヤフラムに連結され連動するように構成されており、
前記燃料ガス圧力調整手段は、前記弁体よりも下流側の前記燃料ガス通路内の燃料ガスの圧力に基づき前記ダイヤフラムに作用する第１の推力と、前記信号圧室内の信号圧と前記弾性体の押し付け力に基づき前記ダイヤフラムに作用する前記第１の推力に対向する第２の推力との平衡によって前記弁体の開度調整が行われ、前記燃料電池に供給される燃料ガスの圧力を調整することを特徴とする燃料循環式燃料電池システムである。
【０００６】
このように構成することにより、弁体よりも下流側の燃料ガス通路内の燃料ガスの圧力は、燃料ガスポンプで加圧された燃料オフガスを燃料ガスに合流させた燃料電池供給前の燃料ガスの圧力とほぼ同圧であり、前記信号圧室内の信号圧は、コンプレッサで加圧された燃料電池供給前の酸化剤ガスの圧力とほぼ同圧であるので、燃料ガス圧力調整手段では、加圧後の燃料オフガスと燃料ガスとが合流した後のガス圧力と酸化剤ガスとの差圧、つまり燃料電池の極間差圧に基づいて機械的に開度調整が行われることとなる。したがって、弾性体を所定に設定することにより、燃料電池の極間差圧を所望の範囲内に容易に制御することが可能になる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る燃料循環式燃料電池システム（以下、燃料電池システムと略す）の実施の形態を図１から図４の図面を参照して説明する。なお、この実施の形態における燃料電池システムは燃料電池自動車に搭載された態様である。
図１は燃料電池システムの概略構成図である。燃料電池１は、固体高分子電解質膜の両側にアノードとカソードが設けられ各電極の外側に反応ガスを供給するためのガス通路が設けられてなるセルを多数積層して構成されている。
この燃料電池１は、アノードに燃料ガスとしての水素ガスが供給され、カソードに酸化剤ガスとしての空気が供給されて発電を行う。
【０００８】
空気はエアコンプレッサ２によって加圧され、空気供給路３を通りカソード加湿器４で加湿された後に燃料電池１のカソードに供給され、この空気中の酸素が酸化剤として供された後、燃料電池１から空気オフガスとして空気オフガス路５に排出され、圧力制御弁６を介して大気に放出される。図示しない燃料電池用制御装置（ＥＣＵ）は、燃料電池１に要求されている出力（以下、要求出力）に応じて、エアコンプレッサ２の回転数を制御して所定量の空気を燃料電池１に供給するとともに、圧力制御弁６の開度を制御してカソード側の空気の供給圧を燃料電池１の要求出力に応じた圧力に調整する。
【０００９】
一方、図示しない高圧水素タンクから放出された水素ガスは燃料ガス圧力調整弁（燃料ガス圧力調整手段）７で減圧され、水素ガス供給路８を通ってアノード加湿器９に流入し、アノード加湿器９で加湿された後、燃料電池１のアノードに供給される。この水素ガスは発電に供された後、燃料電池１から水素オフガスとして水素オフガス路１０に排出される。水素オフガス路１０に排出された水素オフガスは、水素ポンプ１１で加圧され、水素オフガス回収路１２を介して水素ガス供給路８に戻され、燃料ガス圧力調整弁７を介して供給される新規の水素ガスと合流し再び燃料電池１に供給され循環するようになっている。つまり、水素ポンプ１１は水素オフガスの流路上に設けられており、水素オフガスは水素オフガス流路上で加圧されることとなる。
【００１０】
水素ポンプ１１は、燃料電池１の要求出力に応じて回転数を制御されるようになっていて、燃料電池１の要求出力が大きくなるにしたがって回転数が大きくなるように制御される。つまり、燃料電池システムでは、燃料電池１の要求出力が大きくなるにしたがって水素オフガスの循環量が多くなるように制御される。図２は、この実施の形態での燃料電池１の出力と水素ポンプ１１の消費電力との関係を示す図である。なお、水素ポンプ１１の回転数を上げると、水素ポンプ１１の消費電力が増大する。
【００１１】
燃料ガス圧力調整弁７は信号圧導入型のバイアス式圧力調整弁であり、燃料電池１に供給される前の空気圧力が信号圧として空気信号導入路１３を介して入力され、燃料ガス圧力調整弁７出口の水素ガスの圧力が前記信号圧に対して所定値（例えば１０ｋＰａあるいは２０ｋＰａ）だけ高くなるように調圧する。
【００１２】
この燃料ガス圧力調整弁７について図３の概略断面図を参照して説明する。
燃料ガス圧力調整弁７のボディ２１の内部空間は調圧ダイヤフラム２２ａ，２２ｂによって上下に仕切られていて、ダイヤフラム２２ａよりも上側の空間は信号圧室２３になっていて、ダイヤフラム２２ｂよりも下側の空間は水素ガス通路２４になっている。
信号圧室２３は空気導入孔２５を備えた密閉空間になっていて、コンプレッサ２で加圧された空気が空気信号導入路１３を介して空気導入孔２５から信号圧室２３に導入される。
【００１３】
水素ガス通路２４はその中間部に弁座２６を備えており、弁座２６よりも上流側の水素ガス通路２４ａには、前記高圧水素タンクから放出された水素ガスが、水素ガス入口２７を介して供給されるようになっている。また、弁座２６よりも下流側の水素ガス通路２４ｂは水素ガス出口２８を介して水素ガス供給路８に接続されている。
ダイヤフラム２２ａ，２２ｂはステム２９によって連結され連動するようになっていて、ステム２９は水素ガス通路２４ｂ内に突出して、その先端に弁体３０を備えている。弁体３０は水素ガス通路２４ａ側から弁座２６に着座離間可能になっていて、弁体３０が弁座２６に着座すると水素ガス通路２４ａと水素ガス通路２４ｂは遮断されて燃料ガス圧力調整弁７は全閉状態となり、弁体３０が弁座２６から離間すると水素ガス通路２４ａと水素ガス通路２４ｂが連通して燃料ガス圧力調整弁７は開弁状態となる。なお、図３は燃料ガス圧力調整弁７の全閉状体を示している。
【００１４】
また、信号圧室２３には、ダイヤフラム２２ａを水素ガス通路２４に接近する方向に押し付けるバイアス設定用のスプリング（弾性体）３１が設置されており、スプリング３１は、ダイヤフラム２２ａおよびステム２９を介して、弁体３０を弁座２６から離間する方向に付勢する。
【００１５】
このように構成された燃料ガス圧力調整弁７では、水素ガス通路２４ｂ内の水素ガスの圧力がダイヤフラム２２ｂの下面に作用するので、これに基づいて第１の推力がダイヤフラム２２ｂの下面に上向きに作用し、一方、信号圧室２３内の空気の圧力とスプリング３１の押し付け力がダイヤフラム２２ａの上面に作用するので、これらに基づく第２の推力がダイヤフラム２２ａの上面に下向きに作用する。そして、ダイヤフラム２２ａ，２２ｂはこれら第１の推力と第２の推力の推力差に支配されて動くこととなる。すなわち、第１の推力が第２の推力よりも大きいときにはダイヤフラム２２ａ，２２ｂに上向きの力が作用し、弁体３０を弁座２６に接近させる方向（すなわち、閉弁方向）へ押動し、第１の推力が第２の推力よりも小さくなったときにはダイヤフラム２２ａ，２２ｂに下向きの力が作用し、弁体３０を弁座２６から離間させる方向（すなわち、開弁方向）へ押動する。
【００１６】
ところで、信号圧室２３に供給される空気の圧力は燃料電池１におけるカソード側のガス圧力とほぼ同圧である。また、水素ガス通路２４ｂ内の水素ガスの圧力は、水素ポンプ１１により加圧された水素オフガスと燃料ガス圧力調整弁７を介して新規に供給された水素ガスとが水素ガス供給路８で合流した水素ガスの圧力とほぼ同じである。このことから、水素ガス通路２４ｂ内の水素ガスの圧力は、燃料電池１におけるアノード側のガス圧力とほぼ同圧であるということができる。したがって、この燃料ガス圧力調整弁７は、燃料電池１のカソード側のガス圧力とアノード側のガス圧力の差圧、すなわち極間差圧の大きさに応じてバルブの開度調整を行う圧力調整弁であり、極間差圧が所定の大きさになると前記第１の推力と前記第２の推力が平衡して弁開度が決定されることとなる。そして、スプリング３１のバネ定数を所定に設定することにより、極間差圧を所望の大きさに設定することができることとなる。
【００１７】
換言すれば、燃料ガス圧力調整弁７は、水素ポンプ１１によって加圧された水素オフガスを高圧水素タンクから供給された水素ガスに合流させた燃料電池１への供給前の水素ガスの圧力に基づきダイヤフラム２２ｂに作用する第１の推力と、エアコンプレッサ２で加圧された燃料電池１への供給前の空気の圧力およびスプリング３１の押し付け力に基づきダイヤフラム２２ａに作用する前記第１の推力に対向する第２の推力との平衡によって弁体３０の開度調整を行って、燃料電池１に供給される燃料ガスの圧力を調整する燃料ガス圧力調整手段である。
図４において実線は、この燃料電池システムにおいて燃料電池１の出力を変化させたときの極間差圧の実測結果を示しており、燃料電池１の出力を変化させても極間差圧を所定の範囲内に制御できることを確認することができる。
【００１８】
このように、この燃料電池システムでは、燃料電池１から排出される水素オフガスを、燃料ガス圧力調整弁７を介して供給される新規の水素ガスに合流させて燃料電池１に供給する燃料循環式燃料電池システムでありながら、簡単な構成で、極間差圧を所望の範囲に容易に制御することができるようになり、コスト低減を図ることができる。
【００１９】
ところで、この燃料電池システムでは、水素ポンプ１１を水素オフガス路１０と水素オフガス回収路１２の間、すなわち水素オフガスの流路上に設けるようにしたが、その理由を以下に説明する。
図５に示すように、水素ポンプ１１を、水素ガス供給路８の途中であって水素ガスと水素オフガスとの合流点よりも下流に設置してなる燃料電池システム（以下、これを比較例の燃料電池システムという）の場合、燃料ガス圧力調整弁７のダイヤフラム２２ｂには、水素オフガスを水素ガスに合流させたガス圧力が作用するとはいうものの、このガス圧力は水素ポンプ１１で加圧する前のガス圧力である。したがって、ダイヤフラム２２ｂには燃料電池１のアノード側のガス圧力が作用することにはならない。そして、燃料ガス圧力調整弁７で水素ガスの圧力をカソード側のガス圧力に基づいて調整したにもかかわらず、この調整された水素ガスが水素ポンプ１１で加圧されてから燃料電池１に供給されることとなるので、アノード側のガス圧力を制御するのが困難で、極間差圧を所定範囲に制御するのが困難な制御系となる。
【００２０】
図４において二点鎖線は、前記比較例の燃料電池システムにおいて、燃料電池１の出力を変化させたときの極間差圧の実測結果を示している。ここで、水素ポンプ１１の制御条件は水素ポンプ１１を水素オフガスの流路上に設置したときと同じとした。すなわち、図２に示すように燃料電池１の出力が大きくなるにしたがって水素ポンプ１１の消費電力を大きくするように制御した。その結果、比較例の燃料電池システムの場合には、極間差圧を所定範囲内に制御することができず、燃料電池１の出力が大きくなるにしたがって極間差圧も大きくなってしまった。
結局、水素ポンプ１１を水素ガスと水素オフガスとの合流点よりも下流に設置したのでは、極間差圧の制御が困難になる。したがって、極間差圧の制御性を考慮すると水素ポンプ１１は水素オフガスの流路上に設置しなければならないこととなる。
【００２１】
〔他の実施の形態〕
尚、この発明は前述した実施の形態に限られるものではない。例えば、燃料ガス圧力調整弁７は水素ガスの圧力を信号圧の所定倍（例えば１．１〜１．３倍）に調圧する比例式の調整弁であってもよい。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明するように、請求項１に記載した発明によれば、燃料ガス圧力調整手段の弾性体を所定に設定することにより、燃料電池の極間差圧を所望の範囲内に容易に制御することができるので、燃料循環式燃料電池システムのシステム構成が簡単になり、コスト低減を図ることができるという優れた効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明に係る燃料循環式燃料電池システムの一実施の形態における概略構成図である。
【図２】 前記実施の形態における燃料電池の出力と水素ポンプの消費電力の関係を示す図である。
【図３】 前記実施の形態における燃料ガス圧力調整弁の断面図である。
【図４】 燃料電池の出力変化に対する極間差圧の変化の実測結果を示す図である。
【図５】 比較例における燃料電池システムの概略構成図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池
２ エアコンプレッサ（コンプレッサ）
５ 空気オフガス路（酸化剤オフガス路）
６ 圧力制御弁
７ 燃料ガス圧力調整弁（燃料ガス圧力調整手段）
８ 水素ガス供給路（燃料ガス供給路）
１０ 水素オフガス路（燃料オフガス戻し路）
１１ 水素ポンプ（燃料ガスポンプ）
１２ 水素オフガス回収路（燃料オフガス戻し路）
２２ａ，２２ｂ ダイヤフラム
２３ 信号圧室
２４，２４ｂ 燃料ガス通路
３０ 弁体
３１ スプリング（弾性体）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell that is supplied with a fuel gas and an oxidant gas to generate electricity, and more particularly, a fuel circulation type that joins and circulates a fuel off-gas discharged from the fuel cell with the fuel gas. The present invention relates to a fuel cell system.
[0002]
[Prior art]
A fuel cell mounted on a fuel cell vehicle or the like includes an anode and a cathode on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, a fuel gas (for example, hydrogen gas) is supplied to the anode, and an oxidant gas (for example, oxygen or oxygen) is supplied to the cathode. There is a type in which chemical energy related to the oxidation-reduction reaction of these gases is directly extracted as electric energy.
In this fuel cell, hydrogen gas is ionized at the anode and moves through the solid polymer electrolyte, and electrons move to the cathode through an external load and react with oxygen to produce water to generate water. Electric energy can be taken out.
[0003]
In a fuel cell system equipped with this type of fuel cell, fuel gas and oxidant gas are used as fuel to prevent gas shortage in a transient state or to discharge condensed water generated during power generation. It is necessary to supply more than the actual consumption of the battery. In this way, if more fuel gas than the actual consumption is supplied to the fuel cell, the fuel gas that has not been consumed will be discharged from the fuel cell, but if it is released into the atmosphere, energy will be wasted. It will be. In particular, fuel consumption is deteriorated in a fuel cell vehicle equipped with a fuel cell system.
Therefore, a fuel gas that has not been consumed by the fuel cell, and a gas discharged from the anode side of the fuel cell (hereinafter referred to as a fuel off-gas) is pressurized by a pressurizing means such as a pump to obtain a new fuel gas and 2. Description of the Related Art A fuel cell system that joins and recirculates to a fuel cell (hereinafter referred to as a fuel circulation fuel cell system) has been developed.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in order to prevent damage to the solid polymer electrolyte membrane, the fuel cell needs to control the pressure difference between the anode side pressure and the cathode side pressure (hereinafter referred to as the inter-electrode pressure difference) below a predetermined value. There is.
Here, in the case of controlling the differential pressure between the electrodes in the above-described fuel circulation type fuel cell system, the pressure on the anode side and the pressure on the cathode side are detected by pressure sensors, respectively, and converted into electric signals to control the ECU (ECU). ), And based on this input signal, the ECU can easily consider a system that feedback-controls the electro / pneumatic pressure control valve installed in the fuel gas supply system. There is a problem that it becomes extremely complicated and expensive.
Accordingly, the present invention provides a fuel circulation type fuel cell system that has good controllability of the differential pressure between the electrodes and can achieve cost reduction.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problem, the invention described in claim 1
A fuel cell (for example, fuel in an embodiment to be described later) that is supplied with a fuel gas (for example, hydrogen gas in an embodiment to be described later) and an oxidant gas (for example, air in an embodiment to be described later) to generate electricity Battery 1) ,
A compressor (for example, an air compressor 2 in an embodiment to be described later) that controls the number of revolutions according to the required output of the fuel cell and pressurizes a predetermined amount of oxidant gas to supply the fuel cell;
Opening degree control is provided in an oxidant offgas passage (for example, an air offgas passage 5 in an embodiment described later) through which an oxidant offgas discharged from the fuel cell (for example, an air offgas in an embodiment described later) flows. A pressure control valve (for example, a pressure control valve 6 in an embodiment to be described later) for adjusting the supply pressure of the oxidant gas to the fuel cell to a pressure corresponding to the required output of the fuel cell,
A fuel gas supply path (for example, a hydrogen gas supply path 8 in an embodiment described later) for supplying the fuel gas to the fuel cell;
A fuel off-gas return path (for example, a hydrogen off-gas path 10 and a hydrogen off-gas recovery in an embodiment to be described later) for returning a fuel off-gas discharged from the fuel cell (for example, a hydrogen off-gas in an embodiment described later) to the fuel gas supply path Road 12)
A fuel gas pump (for example, a hydrogen pump 11 in an embodiment described later) provided on the fuel off-gas return path and controlled to increase in rotation speed as the required output of the fuel cell increases;
The fuel gas supply passage upstream of the junction where the fuel off-gas return passage joins is provided, the pressure of the oxidant gas before being pressurized by the compressor and supplied to the fuel cell as a signal pressure, and the fuel A fuel gas pressure adjusting means (for example, a fuel gas pressure adjusting valve 7 in an embodiment described later) for adjusting the pressure of the fuel gas supplied to the battery;
The provided, a fuel circuit of the fuel cell system to supply the fuel off-gas to the fuel cell is combined with the fuel gas,
The fuel gas pressure adjusting means is a fuel gas passage (for example, a hydrogen gas passage 24 in an embodiment to be described later) that allows the fuel gas to flow and is opened and closed by a valve body (for example, a valve body 30 in an embodiment to be described later). ) And a signal pressure chamber (for example, a signal pressure chamber 23 in an embodiment described later) into which the signal pressure is introduced, and the fuel gas passage (for example, downstream of the valve body) (for example, A hydrogen gas passage 24b) in an embodiment to be described later is connected to the fuel gas supply passage that merges with the fuel off-gas return passage, and the fuel gas passage downstream of the valve body and the signal pressure chamber have a diaphragm (for example, The diaphragm is partitioned by diaphragms 22a and 22b in an embodiment described later, and the diaphragm is an elastic body (for example, a spring in an embodiment described later) Is urged in a direction approaching to the fuel gas passage by 1) is configured such that the valve body is interlocked coupled to the diaphragm,
The fuel gas pressure adjusting means includes a first thrust acting on the diaphragm based on the pressure of the fuel gas in the fuel gas passage on the downstream side of the valve body , the signal pressure in the signal pressure chamber, and the elastic body. Based on the pressing force of the valve, the opening of the valve body is adjusted by balancing with the second thrust opposite to the first thrust acting on the diaphragm, and the pressure of the fuel gas supplied to the fuel cell is adjusted and to Turkey a fuel circuit of the fuel cell system according to claim.
[0006]
With this configuration, the pressure of the fuel gas in the fuel gas passage on the downstream side of the valve body is the same as that of the fuel gas before supplying the fuel cell in which the fuel off-gas pressurized by the fuel gas pump is merged with the fuel gas. Since the signal pressure in the signal pressure chamber is almost the same as the pressure of the oxidant gas pressurized by the compressor before the fuel cell is supplied, the fuel gas pressure adjusting means the pressure difference between the fuel off-gas and the fuel gas and the gas pressure after the merging oxidant gas, i.e., based on the electrode pressure difference of the fuel cell so that the mechanical opening adjustment is performed after. Therefore, by setting the elastic body to a predetermined value, it is possible to easily control the interelectrode differential pressure of the fuel cell within a desired range.
[0007]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of a fuel circulation type fuel cell system (hereinafter abbreviated as a fuel cell system) according to the present invention will be described below with reference to the drawings of FIGS. In addition, the fuel cell system in this embodiment is a mode mounted on a fuel cell vehicle.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system. The fuel cell 1 is configured by laminating a number of cells each having an anode and a cathode on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, and gas passages for supplying a reaction gas to the outside of each electrode.
The fuel cell 1 generates power by supplying hydrogen gas as a fuel gas to an anode and supplying air as an oxidant gas to a cathode.
[0008]
The air is pressurized by the air compressor 2, is humidified by the cathode humidifier 4 through the air supply path 3, is then supplied to the cathode of the fuel cell 1, and oxygen in the air is supplied as an oxidant, and then the fuel cell. 1 is discharged to the air off-gas passage 5 as air off-gas, and is released to the atmosphere via the pressure control valve 6. A fuel cell control unit (ECU) (not shown) controls the number of revolutions of the air compressor 2 in accordance with an output required for the fuel cell 1 (hereinafter referred to as a required output) to supply a predetermined amount of air to the fuel cell 1. While supplying, the opening degree of the pressure control valve 6 is controlled to adjust the supply pressure of air on the cathode side to a pressure corresponding to the required output of the fuel cell 1.
[0009]
On the other hand, hydrogen gas released from a high-pressure hydrogen tank (not shown) is depressurized by a fuel gas pressure adjusting valve (fuel gas pressure adjusting means) 7, flows into the anode humidifier 9 through the hydrogen gas supply path 8, and is supplied with the anode humidifier. After being humidified at 9, it is supplied to the anode of the fuel cell 1. After this hydrogen gas is used for power generation, it is discharged from the fuel cell 1 to the hydrogen offgas passage 10 as hydrogen offgas. The hydrogen offgas discharged to the hydrogen offgas passage 10 is pressurized by the hydrogen pump 11, returned to the hydrogen gas supply passage 8 through the hydrogen offgas recovery passage 12, and supplied through the fuel gas pressure regulating valve 7. The hydrogen gas is joined to the fuel cell 1 and is circulated again. That is, the hydrogen pump 11 is provided on the hydrogen off-gas channel, and the hydrogen off-gas is pressurized on the hydrogen off-gas channel.
[0010]
The rotation speed of the hydrogen pump 11 is controlled according to the required output of the fuel cell 1, and is controlled so that the rotational speed increases as the required output of the fuel cell 1 increases. That is, in the fuel cell system, the hydrogen off-gas circulation amount is controlled to increase as the required output of the fuel cell 1 increases. FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the output of the fuel cell 1 and the power consumption of the hydrogen pump 11 in this embodiment. Note that when the rotation speed of the hydrogen pump 11 is increased, the power consumption of the hydrogen pump 11 increases.
[0011]
The fuel gas pressure adjustment valve 7 is a signal pressure introduction type bias pressure adjustment valve, and the air pressure before being supplied to the fuel cell 1 is input as a signal pressure via the air signal introduction path 13 to adjust the fuel gas pressure. The pressure of the hydrogen gas at the outlet of the valve 7 is adjusted so as to be higher than the signal pressure by a predetermined value (for example, 10 kPa or 20 kPa).
[0012]
The fuel gas pressure adjusting valve 7 will be described with reference to the schematic sectional view of FIG.
The internal space of the body 21 of the fuel gas pressure regulating valve 7 is vertically divided by pressure regulating diaphragms 22a and 22b, and the space above the diaphragm 22a is a signal pressure chamber 23, which is below the diaphragm 22b. This space is a hydrogen gas passage 24.
The signal pressure chamber 23 is a sealed space having an air introduction hole 25, and air pressurized by the compressor 2 is introduced from the air introduction hole 25 into the signal pressure chamber 23 through the air signal introduction path 13.
[0013]
The hydrogen gas passage 24 is provided with a valve seat 26 at an intermediate portion thereof, and hydrogen gas discharged from the high-pressure hydrogen tank is passed through the hydrogen gas inlet 27 into the hydrogen gas passage 24 a upstream of the valve seat 26. Are being supplied. Further, the hydrogen gas passage 24 b on the downstream side of the valve seat 26 is connected to the hydrogen gas supply passage 8 through the hydrogen gas outlet 28.
The diaphragms 22a and 22b are connected and interlocked by a stem 29. The stem 29 protrudes into the hydrogen gas passage 24b and has a valve body 30 at the tip thereof. The valve body 30 can be seated on and separated from the valve seat 26 from the hydrogen gas passage 24a side. When the valve body 30 is seated on the valve seat 26, the hydrogen gas passage 24a and the hydrogen gas passage 24b are cut off, and the fuel gas pressure regulating valve. 7 is in a fully closed state, and when the valve body 30 is separated from the valve seat 26, the hydrogen gas passage 24a and the hydrogen gas passage 24b communicate with each other and the fuel gas pressure regulating valve 7 is opened. FIG. 3 shows a fully closed body of the fuel gas pressure regulating valve 7.
[0014]
The signal pressure chamber 23 is provided with a bias setting spring (elastic body) 31 that presses the diaphragm 22a in a direction approaching the hydrogen gas passage 24. The spring 31 is interposed via the diaphragm 22a and the stem 29. The valve body 30 is urged in a direction away from the valve seat 26.
[0015]
In the thus configured fuel gas pressure regulating valve 7, the pressure of the hydrogen gas in the hydrogen gas passage 24 b acts on the lower surface of the diaphragm 22b, upward to the lower surface of the first thrust diaphragm 22b based on this On the other hand, since the pressure of the air in the signal pressure chamber 23 and the pressing force of the spring 31 act on the upper surface of the diaphragm 22a, the second thrust based on these acts downward on the upper surface of the diaphragm 22a. The diaphragms 22a and 22b move under the control of the thrust difference between the first thrust and the second thrust. That is, when the first thrust is larger than the second thrust, an upward force is applied to the diaphragms 22a and 22b to push the valve body 30 in the direction in which the valve body 30 approaches the valve seat 26 (that is, the valve closing direction) When the first thrust becomes smaller than the second thrust, a downward force acts on the diaphragms 22a and 22b, and pushes the valve body 30 away from the valve seat 26 (that is, the valve opening direction).
[0016]
Incidentally, the pressure of the air supplied to the signal pressure chamber 23 is substantially the same as the gas pressure on the cathode side in the fuel cell 1. In addition, the hydrogen gas pressure in the hydrogen gas passage 24 b is combined with the hydrogen off gas pressurized by the hydrogen pump 11 and the hydrogen gas newly supplied via the fuel gas pressure adjusting valve 7 in the hydrogen gas supply path 8. The pressure of hydrogen gas is almost the same. From this, it can be said that the pressure of the hydrogen gas in the hydrogen gas passage 24 b is substantially the same as the gas pressure on the anode side in the fuel cell 1. Therefore, the fuel gas pressure adjusting valve 7 adjusts the opening degree of the valve in accordance with the difference between the gas pressure on the cathode side and the gas pressure on the anode side of the fuel cell 1, that is, the pressure difference between the electrodes. When the pressure difference between the electrodes reaches a predetermined level, the first thrust and the second thrust are balanced to determine the valve opening. Then, by setting the spring constant of the spring 31 to a predetermined value, the inter-electrode differential pressure can be set to a desired magnitude.
[0017]
In other words, the fuel gas pressure regulating valve 7 is based on the pressure of the hydrogen gas before being supplied to the fuel cell 1 in which the hydrogen off gas pressurized by the hydrogen pump 11 is merged with the hydrogen gas supplied from the high-pressure hydrogen tank. The first thrust acting on the diaphragm 22b is opposed to the first thrust acting on the diaphragm 22a based on the pressure of the air before being supplied to the fuel cell 1 pressurized by the air compressor 2 and the pressing force of the spring 31. second by performing the opening degree adjustment of the valve body 30 by the equilibrium between the thrust, as the fuel gas pressure adjusting means to adjust the pressure of the fuel gas supplied to the fuel cell 1.
In FIG. 4, the solid line shows the actual measurement result of the differential pressure between the electrodes when the output of the fuel cell 1 is changed in this fuel cell system. The differential pressure between the electrodes is predetermined even if the output of the fuel cell 1 is changed. It can be confirmed that it can be controlled within the range.
[0018]
As described above, in this fuel cell system, the hydrogen off-gas discharged from the fuel cell 1 is merged with the new hydrogen gas supplied via the fuel gas pressure regulating valve 7 and supplied to the fuel cell 1. Even though it is a fuel cell system, the differential pressure between the electrodes can be easily controlled within a desired range with a simple configuration, and the cost can be reduced.
[0019]
By the way, in this fuel cell system, the hydrogen pump 11 is provided between the hydrogen off-gas passage 10 and the hydrogen off-gas recovery passage 12, that is, on the hydrogen off-gas passage, and the reason will be described below.
As shown in FIG. 5, a fuel cell system (hereinafter referred to as a comparative example) in which the hydrogen pump 11 is installed in the middle of the hydrogen gas supply path 8 and downstream of the junction of the hydrogen gas and the hydrogen off gas. In the case of a fuel cell system), the gas pressure obtained by merging the hydrogen off-gas with the hydrogen gas acts on the diaphragm 22 b of the fuel gas pressure regulating valve 7. Gas pressure. Therefore, the gas pressure on the anode side of the fuel cell 1 does not act on the diaphragm 22b. Even though the pressure of the hydrogen gas is adjusted by the fuel gas pressure adjusting valve 7 based on the gas pressure on the cathode side, the adjusted hydrogen gas is pressurized by the hydrogen pump 11 and then supplied to the fuel cell 1. Therefore, it becomes difficult to control the gas pressure on the anode side, and it becomes difficult to control the inter-electrode differential pressure within a predetermined range.
[0020]
In FIG. 4, the two-dot chain line shows the measurement result of the differential pressure between the electrodes when the output of the fuel cell 1 is changed in the fuel cell system of the comparative example. Here, the control conditions of the hydrogen pump 11 were the same as when the hydrogen pump 11 was installed on the hydrogen off-gas flow path. That is, as shown in FIG. 2, the power consumption of the hydrogen pump 11 was controlled to increase as the output of the fuel cell 1 increased. As a result, in the fuel cell system of the comparative example, the inter-electrode differential pressure cannot be controlled within a predetermined range, and the inter-electrode differential pressure increases as the output of the fuel cell 1 increases. .
Eventually, if the hydrogen pump 11 is installed downstream of the junction of the hydrogen gas and the hydrogen off-gas, it becomes difficult to control the differential pressure between the electrodes. Therefore, considering the controllability of the differential pressure between the electrodes, the hydrogen pump 11 must be installed on the hydrogen off-gas flow path.
[0021]
[Other Embodiments]
The present invention is not limited to the embodiment described above. For example, the fuel gas pressure regulating valve 7 may be a proportional regulating valve that regulates the pressure of hydrogen gas to a predetermined multiple (for example, 1.1 to 1.3 times) of the signal pressure.
[0022]
【The invention's effect】
As described above, according to the first aspect of the present invention, the differential pressure between the electrodes of the fuel cell can be easily controlled within a desired range by setting the elastic body of the fuel gas pressure adjusting means to a predetermined value. Therefore, the system configuration of the fuel circulation type fuel cell system is simplified, and the excellent effect that the cost can be reduced is achieved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an embodiment of a fuel circulation fuel cell system according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the output of the fuel cell and the power consumption of the hydrogen pump in the embodiment.
FIG. 3 is a cross-sectional view of the fuel gas pressure regulating valve in the embodiment.
FIG. 4 is a diagram showing an actual measurement result of a change in inter-electrode differential pressure with respect to a change in output of a fuel cell.
FIG. 5 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system in a comparative example.
[Explanation of symbols]
1 Fuel cell
2 Air compressor (compressor)
5 Air off-gas passage (oxidant off-gas passage)
6 Pressure control valve 7 Fuel gas pressure adjustment valve (fuel gas pressure adjustment means)
8 Hydrogen gas supply path (fuel gas supply path)
10 Hydrogen off-gas passage ( fuel off-gas return passage )
11 Hydrogen pump ( fuel gas pump )
12 Hydrogen off-gas recovery path ( fuel off-gas return path )
22a, 22b Diaphragm
23 Signal pressure chamber
24, 24b Fuel gas passage
30 Valve body 31 Spring (elastic body)

Claims (1)

燃料ガスと酸化剤ガスとを供給されて電気を発生させる燃料電池と、
前記燃料電池の要求出力に応じて回転数を制御され所定量の酸化剤ガスを加圧して前記燃料電池に供給するコンプレッサと、
前記燃料電池から排出される酸化剤オフガスが流通する酸化剤オフガス路に設けられ、開度制御によって前記燃料電池への酸化剤ガスの供給圧を前記燃料電池の要求出力に応じた圧力に調整する圧力制御弁と、
前記燃料ガスを前記燃料電池に供給する燃料ガス供給路と、
前記燃料電池から排出される燃料オフガスを前記燃料ガス供給路に戻す燃料オフガス戻し路と、
前記燃料オフガス戻し路上に設けられ、前記燃料電池の要求出力が大きくなるにしたがって回転数が大きくなるように回転数制御される燃料ガスポンプと、
前記燃料オフガス戻し路が合流する合流点よりも上流の前記燃料ガス供給路に設けられ、前記コンプレッサで加圧され前記燃料電池に供給される前の酸化剤ガスの圧力を信号圧として、前記燃料電池に供給される燃料ガスの圧力を調整する燃料ガス圧力調整手段と、
を備え、前記燃料オフガスを前記燃料ガスに合流させて前記燃料電池に供給する燃料循環式燃料電池システムであって、
前記燃料ガス圧力調整手段は、前記燃料ガスが流通可能で弁体によって開閉される燃料ガス通路と、前記信号圧が導入される密閉空間の信号圧室とを有し、前記弁体よりも下流側の前記燃料ガス通路が前記燃料オフガス戻し路と合流する前記燃料ガス供給路に接続され、前記弁体よりも下流側の前記燃料ガス通路と前記信号圧室がダイヤフラムによって仕切られ、前記ダイヤフラムが弾性体によって前記燃料ガス通路に接近する方向に付勢され、前記弁体が前記ダイヤフラムに連結され連動するように構成されており、
前記燃料ガス圧力調整手段は、前記弁体よりも下流側の前記燃料ガス通路内の燃料ガスの圧力に基づき前記ダイヤフラムに作用する第１の推力と、前記信号圧室内の信号圧と前記弾性体の押し付け力に基づき前記ダイヤフラムに作用する前記第１の推力に対向する第２の推力との平衡によって前記弁体の開度調整が行われ、前記燃料電池に供給される燃料ガスの圧力を調整することを特徴とする燃料循環式燃料電池システム。A fuel cell that is supplied with fuel gas and oxidant gas to generate electricity ;
A compressor that controls the number of revolutions according to a required output of the fuel cell and pressurizes a predetermined amount of oxidant gas to supply the fuel cell to the compressor;
Provided in an oxidant off-gas passage through which the oxidant off-gas discharged from the fuel cell flows, and adjust the supply pressure of the oxidant gas to the fuel cell to a pressure corresponding to the required output of the fuel cell by opening degree control. A pressure control valve;
A fuel gas supply path for supplying the fuel gas to the fuel cell;
A fuel offgas return path for returning the fuel offgas discharged from the fuel cell to the fuel gas supply path;
A fuel gas pump provided on the fuel off-gas return path, the rotational speed of which is controlled so that the rotational speed increases as the required output of the fuel cell increases;
The fuel gas supply passage upstream of the junction where the fuel off-gas return passage joins is provided, the pressure of the oxidant gas before being pressurized by the compressor and supplied to the fuel cell as a signal pressure, and the fuel Fuel gas pressure adjusting means for adjusting the pressure of the fuel gas supplied to the battery;
The provided, a fuel circuit of the fuel cell system to supply the fuel off-gas to the fuel cell is combined with the fuel gas,
The fuel gas pressure adjusting means has a fuel gas passage through which the fuel gas can flow and is opened and closed by a valve body, and a signal pressure chamber in a sealed space into which the signal pressure is introduced, and is downstream of the valve body. The fuel gas passage on the side is connected to the fuel gas supply passage that joins with the fuel off-gas return passage, the fuel gas passage on the downstream side of the valve body and the signal pressure chamber are partitioned by a diaphragm, and the diaphragm The elastic body is urged in a direction approaching the fuel gas passage, and the valve body is connected to and interlocked with the diaphragm,
The fuel gas pressure adjusting means includes a first thrust acting on the diaphragm based on the pressure of the fuel gas in the fuel gas passage on the downstream side of the valve body , the signal pressure in the signal pressure chamber, and the elastic body. Based on the pressing force of the valve, the opening of the valve body is adjusted by balancing with the second thrust opposite to the first thrust acting on the diaphragm, and the pressure of the fuel gas supplied to the fuel cell is adjusted a fuel circuit of the fuel cell system, wherein the to Turkey.
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