JP4938224B2 - Fuel cell system - Google Patents

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Description

本発明は燃料電池システムに関し、特に、エアコンプレッサ又は水素循環ポンプ等の駆動方式に関する。   The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a drive system such as an air compressor or a hydrogen circulation pump.

特開２０００−２６８８３７号公報には、燃料電池のアノード極から排出された水素オフガスをアノード極に還流させるための水素循環ポンプとして、圧縮空気駆動式のポンプを選定し、エアコンプレッサから供給される加圧エアで水素循環ポンプを駆動する構成が提案されている。燃料電池のカソード極に加圧エアを供給するものとして従来から用いられているエアコンプレッサを水素循環ポンプの駆動源とすることにより、水素循環ポンプを電動式にした場合と比較して燃費向上や軽量化等の点においてメリットがある。
特開２０００−２６８８３７号公報 In Japanese Patent Laid-Open No. 2000-268837, a compressed air-driven pump is selected as a hydrogen circulation pump for recirculating hydrogen off-gas discharged from the anode electrode of the fuel cell to the anode electrode, and supplied from an air compressor. A configuration in which a hydrogen circulation pump is driven by pressurized air has been proposed. By using an air compressor that is conventionally used to supply pressurized air to the cathode of the fuel cell as a drive source for the hydrogen circulation pump, fuel consumption can be improved compared to the case where the hydrogen circulation pump is electrically operated. There are advantages in terms of weight reduction.
JP 2000-268837 A

しかし、エアコンプレッサから供給される加圧エアで水素循環ポンプを駆動すると、加圧エアによる駆動力が不足して要求駆動力を得ることができない虞があった。また、エアコンプレッサを電動駆動式にすると、消費電力量は大きくなり重量も増大するため燃費低下の要因になる。更に、電動駆動式のエアコンプレッサでは断熱圧縮で発生する熱の他に機械運動による熱によって吐出ガスが高温になるため、冷却機構（インタークーラ等）が必要になる。   However, when the hydrogen circulation pump is driven by the pressurized air supplied from the air compressor, there is a possibility that the required driving force cannot be obtained due to insufficient driving force by the pressurized air. Further, when the air compressor is electrically driven, the amount of power consumption increases and the weight increases, which causes a reduction in fuel consumption. Further, in the electrically driven air compressor, the discharge gas becomes high temperature due to the heat generated by the mechanical motion in addition to the heat generated by the adiabatic compression, so that a cooling mechanism (intercooler or the like) is required.

そこで、本発明は上述の問題を解決し、安定した駆動力をガス供給装置に供給できる燃料電池システムを提案することを課題とする。   Therefore, an object of the present invention is to solve the above-described problems and to propose a fuel cell system that can supply a stable driving force to a gas supply device.

上記の課題を解決するため、本発明の燃料電池システムは、燃料電池にガス（水素オフガス又はエア）を供給するガス供給装置（水素循環ポンプ又はエアコンプレッサ）と、燃料電池のアノード極に水素ガスを供給する水素タンクを備える。ガス供給装置として水素タンクからアノード極へ供給される水素ガスで駆動されるガス駆動式ポンプを採用する。水素タンクから放出される水素ガスは高圧であるため、ガス供給装置の駆動力が不足することなく、安定して駆動することができる。水素タンクとしては水素ガスを高圧に充填した高圧水素タンクが好ましい。   In order to solve the above problems, a fuel cell system of the present invention includes a gas supply device (hydrogen circulation pump or air compressor) for supplying gas (hydrogen off-gas or air) to the fuel cell, and hydrogen gas at the anode electrode of the fuel cell. Equipped with a hydrogen tank. A gas driven pump driven by hydrogen gas supplied from a hydrogen tank to the anode electrode is employed as the gas supply device. Since the hydrogen gas released from the hydrogen tank is at a high pressure, it can be driven stably without the driving force of the gas supply device being insufficient. The hydrogen tank is preferably a high-pressure hydrogen tank filled with hydrogen gas at a high pressure.

ここで、ガス駆動式ポンプとしては、例えば、燃料電池のカソード極に加圧エアを供給するエアコンプレッサ、又はアノード極から排出された水素オフガスをアノード極に還流させるための水素循環ポンプであるのが好適である。水素タンクから放出される水素ガスは高圧であるため、エアコンプレッサ又は水素循環ポンプの駆動力が不足することなく、安定して駆動することができる。   Here, the gas-driven pump is, for example, an air compressor that supplies pressurized air to the cathode electrode of the fuel cell, or a hydrogen circulation pump that recirculates hydrogen off-gas discharged from the anode electrode to the anode electrode. Is preferred. Since the hydrogen gas released from the hydrogen tank is at a high pressure, it can be driven stably without insufficient driving force of the air compressor or the hydrogen circulation pump.

また、燃料電池のカソード極に加圧エアを供給するエアコンプレッサと、燃料電池のアノード極から排出された水素オフガスをアノード極に還流させるための水素循環ポンプをガス駆動式ポンプとして構成し、水素循環ポンプは水素タンクからアノード極へ供給される水素ガスに加えて、エアコンプレッサからカソード極に供給される加圧エアによって駆動されるように構成してもよい。水素循環ポンプの駆動力が不足することなく、安定して駆動することができる。   In addition, an air compressor that supplies pressurized air to the cathode electrode of the fuel cell, and a hydrogen circulation pump that recirculates the hydrogen off-gas discharged from the anode electrode of the fuel cell to the anode electrode are configured as a gas-driven pump. The circulation pump may be configured to be driven by pressurized air supplied from an air compressor to the cathode electrode in addition to hydrogen gas supplied from the hydrogen tank to the anode electrode. The hydrogen circulation pump can be driven stably without a shortage of driving force.

本発明の燃料電池システムは上述の構成に加えて、燃料電池のカソード極に加圧エアを供給するための電動エアコンプレッサを更に備え、ガス供給装置はアノード極から排出された水素オフガスをアノード極に還流させるための水素循環ポンプであり、水素循環ポンプは水素タンクからアノード極へ供給される水素ガスに加えて、電動エアコンプレッサからカソード極に供給される加圧エアによって駆動されるように構成してもよい。水素タンクの残圧が低下した場合でも、電動エアコンプレッサによって水素ガスの駆動力不足を補うことができる。   In addition to the above-described configuration, the fuel cell system of the present invention further includes an electric air compressor for supplying pressurized air to the cathode electrode of the fuel cell, and the gas supply device supplies the hydrogen off-gas discharged from the anode electrode to the anode electrode. The hydrogen circulation pump is configured to be driven by pressurized air supplied from the electric air compressor to the cathode electrode in addition to hydrogen gas supplied from the hydrogen tank to the anode electrode. May be. Even when the residual pressure in the hydrogen tank is reduced, the electric air compressor can compensate for the lack of driving force of hydrogen gas.

本発明の燃料電池システムは上述の構成に加えて、水素タンクからアノード極に供給される水素ガスを所定圧に減圧する減圧弁が配設された水素ガス供給路を更に備え、ガス駆動式ポンプは減圧弁の上流側の水素ガス供給路に配設してもよい。ガス駆動式ポンプを減圧弁の上流側に配設することで、ガス駆動式ポンプの駆動に適度な水素ガス圧を供給できる。但し、水素ガス供給路に減圧弁が複数配設されている場合は、全ての減圧弁の上流側にガス駆動式ポンプが配設されている必要はなく、ガス駆動式ポンプに適度な水素ガス圧が供給されるようにガス駆動式ポンプと減圧弁の配置関係を選定すればよい。   In addition to the above-described configuration, the fuel cell system of the present invention further includes a hydrogen gas supply path provided with a pressure reducing valve for reducing the hydrogen gas supplied from the hydrogen tank to the anode electrode to a predetermined pressure. May be disposed in the hydrogen gas supply path upstream of the pressure reducing valve. By disposing the gas driven pump on the upstream side of the pressure reducing valve, it is possible to supply an appropriate hydrogen gas pressure for driving the gas driven pump. However, when a plurality of pressure reducing valves are provided in the hydrogen gas supply path, it is not necessary to provide gas driven pumps upstream of all the pressure reducing valves. The arrangement relationship between the gas driven pump and the pressure reducing valve may be selected so that the pressure is supplied.

本発明によれば、エアコンプレッサ又は水素循環ポンプ等のガス供給装置を水素タンクから放出される高圧の水素ガスで駆動する構成であるため、ガス供給装置の駆動力を安定して供給できる。   According to the present invention, since the gas supply device such as an air compressor or a hydrogen circulation pump is driven by the high-pressure hydrogen gas discharged from the hydrogen tank, the driving force of the gas supply device can be stably supplied.

以下、各図を参照して本発明の実施例について説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

図１は実施例１に係わる燃料電池システム１０の概略構成を示している。同システム１０は燃料電池電気自動車搭載用の発電システムとして構成されており、反応ガス（水素ガス、エア）の供給を受けて電力発電を行う燃料電池（セルスタック）２０を備えている。燃料電池２０はフッ素系樹脂等により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜等から成る高分子電解質膜２１の両面にアノード極２２とカソード極２３をスクリーン印刷等で形成した膜・電極接合体２４を備えている。膜・電極接合体２４の両面は図示しないリブ付セパレータによってサンドイッチされ、このセパレータとアノード極２２及びカソード極２３との間にそれぞれ溝状のアノードガスチャンネル２５及びカソードガスチャンネル２６を形成している。   FIG. 1 shows a schematic configuration of a fuel cell system 10 according to the first embodiment. The system 10 is configured as a power generation system mounted on a fuel cell electric vehicle, and includes a fuel cell (cell stack) 20 that receives power of a reactive gas (hydrogen gas, air) and generates power. The fuel cell 20 includes a membrane / electrode assembly 24 in which an anode electrode 22 and a cathode electrode 23 are formed on both surfaces of a polymer electrolyte membrane 21 made of a fluorine-based resin or the like and made of a proton conductive ion exchange membrane or the like by screen printing or the like. It has. Both surfaces of the membrane / electrode assembly 24 are sandwiched by a ribbed separator (not shown), and a grooved anode gas channel 25 and cathode gas channel 26 are formed between the separator and the anode electrode 22 and cathode electrode 23, respectively. .

燃料電池システム１０には、燃料電池２０のアノード極２２に水素ガス（燃料ガス）を供給するための水素タンク３０と、燃料電池２０のカソード極２３に加圧エア（酸化ガス）を供給するためのエアコンプレッサ（空気圧縮機）４０と、アノード極２２から排出された水素オフガスをアノード極２２に還流させるための水素循環ポンプ５０が設置されている。水素タンク３０としては、高圧（例えば、３００〜７００気圧）に圧縮された水素ガスを充填する高圧水素タンクが好ましい。上述したエアコンプレッサ４０、水素循環ポンプ５０は燃料電池２０に水素ガスを供給するための水素ガス供給路６１上に配設されている。エアコンプレッサ４０、及び水素循環ポンプ５０は何れもガス駆動式ポンプによって構成されており、水素タンク３０から放出される高圧水素ガスによって駆動される。ガス駆動式ポンプとしては、例えば、ピストンポンプ又はダイアフラムポンプ等のレシプロポンプが好適であるが、これに限らず各種のガス駆動式ポンプを利用できる。但し、エジェクタは気体の混合が生じるので好ましくない。   In the fuel cell system 10, a hydrogen tank 30 for supplying hydrogen gas (fuel gas) to the anode electrode 22 of the fuel cell 20 and a pressurized air (oxidizing gas) to the cathode electrode 23 of the fuel cell 20 are supplied. Air compressor (air compressor) 40 and a hydrogen circulation pump 50 for returning the hydrogen off-gas discharged from the anode electrode 22 to the anode electrode 22 are installed. The hydrogen tank 30 is preferably a high-pressure hydrogen tank that is filled with hydrogen gas compressed to a high pressure (for example, 300 to 700 atm). The air compressor 40 and the hydrogen circulation pump 50 described above are disposed on a hydrogen gas supply path 61 for supplying hydrogen gas to the fuel cell 20. Both the air compressor 40 and the hydrogen circulation pump 50 are constituted by gas-driven pumps and are driven by high-pressure hydrogen gas discharged from the hydrogen tank 30. As the gas driven pump, for example, a reciprocating pump such as a piston pump or a diaphragm pump is suitable, but not limited to this, various gas driven pumps can be used. However, the ejector is not preferable because gas mixing occurs.

ここで、図２を参照してダイアフラムポンプの構成について簡単に説明する。ここでは高圧水素ガスを作動媒体とする。ダイアフラムポンプ８０の室内空間は２つのダイアフラム８１ａ，８１ｂによって３つのエア室８２ａ〜８２ｃに区画されている。ダイアフラム８１ａ，８１ｂはシャフト８３によって連結されており、これらのエア室８２ａ〜８２ｃ内を往復動可能に構成されている。入力ポート８７からポンプ内に取り込まれた高圧水素ガスは切り替え弁８５の切り替え操作によって、二股分岐している流路８４ａ又は流路８４ｂのうち何れか一方に案内される。流路８４ａと流路８４ｂには高圧水素ガスの逆流を抑制するための逆止弁８６が複数設置されている。ここでは、高圧水素ガスを流路８４ａに案内するように切り替え弁８５が操作されている状態が図示されており、流路８４ａを流れる高圧水素ガスはエア室８２ａに導かれる。エア室８２ａに導かれた高圧水素ガスはダイアフラム８１ａを図示右方向に向って押圧し、エア室８２ｃ内の被圧縮ガスを圧縮する。ダイアフラム８１ａを押圧した高圧水素ガスは出力ポート８８からポンプ外に流出する。すると、高圧水素ガスが流路８４ｂに導かれるように切り替え弁８５が切り替えられる。エア室８２ｂに導かれた高圧水素ガスはダイアフラム８１ｂを図示左方向に向って押圧し、エア室８２ｃ内の被圧縮ガスを圧縮する。このように切り替え弁８５の切り替え操作に同期してダイアフラム８１ａ，８１ｂを往復動させることによって、被圧縮ガスを圧縮することができる。   Here, the configuration of the diaphragm pump will be briefly described with reference to FIG. Here, high-pressure hydrogen gas is used as a working medium. The indoor space of the diaphragm pump 80 is divided into three air chambers 82a to 82c by two diaphragms 81a and 81b. The diaphragms 81a and 81b are connected by a shaft 83, and are configured to be capable of reciprocating in the air chambers 82a to 82c. The high-pressure hydrogen gas taken into the pump from the input port 87 is guided to one of the bifurcated flow path 84 a and flow path 84 b by the switching operation of the switching valve 85. A plurality of check valves 86 for suppressing the backflow of the high-pressure hydrogen gas are installed in the flow paths 84a and 84b. Here, a state in which the switching valve 85 is operated so as to guide the high-pressure hydrogen gas to the flow path 84a is illustrated, and the high-pressure hydrogen gas flowing through the flow path 84a is guided to the air chamber 82a. The high-pressure hydrogen gas guided to the air chamber 82a presses the diaphragm 81a toward the right in the figure, and compresses the gas to be compressed in the air chamber 82c. The high-pressure hydrogen gas that has pressed the diaphragm 81a flows out of the pump from the output port 88. Then, the switching valve 85 is switched so that the high-pressure hydrogen gas is guided to the flow path 84b. The high-pressure hydrogen gas guided to the air chamber 82b presses the diaphragm 81b toward the left in the figure, and compresses the compressed gas in the air chamber 82c. In this manner, the gas to be compressed can be compressed by reciprocating the diaphragms 81a and 81b in synchronization with the switching operation of the switching valve 85.

ここで、図１の説明に戻る。水素タンク３０から放出される高圧水素ガスによって駆動されるエアコンプレッサ４０は大気から取り込んだエアを圧縮し、エア供給路７１を介して燃料電池２０のカソード極２３に加圧エアを供給する。カソード極２３での還元反応に供した後の酸素オフガスは酸素オフガス流路７２を経由してシステム外に排気される。エアコンプレッサ４０を駆動した高圧水素ガスは水素供給路６１の下流に設置されている水素循環ポンプ５０を駆動し、燃料電池２０のアノード極２２に流入する。水素循環ポンプ５０は水素オフガス流路６２を流れる水素オフガスを循環流路６３に還流させ、アノード極２２に導く。アノード極２２に導入された水素オフガスは酸化反応に再利用される。このように、エアコンプレッサ４０、及び水素循環ポンプ５０を水素供給路６１上に直列に配設することで、高圧水素ガスの圧力を利用してエアコンプレッサ４０、及び水素循環ポンプ５０を駆動すること可能となる。   Here, the description returns to FIG. The air compressor 40 driven by the high-pressure hydrogen gas released from the hydrogen tank 30 compresses the air taken from the atmosphere, and supplies the pressurized air to the cathode electrode 23 of the fuel cell 20 through the air supply path 71. The oxygen off gas after being subjected to the reduction reaction at the cathode electrode 23 is exhausted outside the system via the oxygen off gas flow path 72. The high-pressure hydrogen gas that has driven the air compressor 40 drives a hydrogen circulation pump 50 installed downstream of the hydrogen supply path 61 and flows into the anode electrode 22 of the fuel cell 20. The hydrogen circulation pump 50 recirculates the hydrogen off-gas flowing through the hydrogen off-gas channel 62 to the circulation channel 63 and guides it to the anode electrode 22. The hydrogen off gas introduced into the anode electrode 22 is reused for the oxidation reaction. Thus, by arranging the air compressor 40 and the hydrogen circulation pump 50 in series on the hydrogen supply path 61, the air compressor 40 and the hydrogen circulation pump 50 are driven using the pressure of the high-pressure hydrogen gas. It becomes possible.

尚、エア供給路７１から分岐して水素循環ポンプ５０に連通する分岐流路７３を分岐配管し、燃料電池２０のカソード極２３に導入される加圧エアの一部を水素循環ポンプ５０の駆動力として利用してもよい。水素循環ポンプ５０を駆動した加圧エアは合流路７４を経由してエア供給路７１に合流し、カソード極２３に流入する。また、エアコンプレッサ４０と水素循環ポンプ５０を水素供給路６１上に直列に設置する場合は、相対的に大流量を必要とするエアコンプレッサ４０を前段に設置し、相対的に小流量で足りる水素循環ポンプ５０を後段に設置するのが望ましい。また、エアコンプレッサ４０と水素循環ポンプ５０は必ずしも水素供給路６１上に直列に設置する必要はなく、両者を並列に接続してそれぞれを駆動してもよい。また、エアコンプレッサ４０のみを高圧水素ガスで駆動し、エアコンプレッサ４０から吐出される圧縮エアで水素循環ポンプ５０を駆動するように構成してもよい。また、エアコンプレッサ４０と水素循環ポンプ５０は必ずしも同一の水素タンク３０から放出される高圧水素ガスで駆動する必要はなく、別々の水素タンク３０から放出される高圧水素ガスで別個に駆動してもよい。また、水素タンク３０の残留水素が少量になった場合を想定して、エアコンプレッサ４０をガス駆動式ポンプと電動ポンプのハイブリッド構成とし、残留水素が少量になった時点で電動駆動に切り替えるように構成してもよい。   A branch passage 73 that branches from the air supply passage 71 and communicates with the hydrogen circulation pump 50 is branched and a part of the pressurized air introduced to the cathode electrode 23 of the fuel cell 20 is driven by the hydrogen circulation pump 50. It may be used as power. The pressurized air that has driven the hydrogen circulation pump 50 merges into the air supply path 71 via the merge path 74 and flows into the cathode electrode 23. In addition, when the air compressor 40 and the hydrogen circulation pump 50 are installed in series on the hydrogen supply path 61, the air compressor 40 that requires a relatively large flow rate is installed in the preceding stage, and hydrogen that requires a relatively small flow rate is sufficient. It is desirable to install the circulation pump 50 in the subsequent stage. Further, the air compressor 40 and the hydrogen circulation pump 50 are not necessarily installed in series on the hydrogen supply path 61, and may be driven by connecting both in parallel. Alternatively, only the air compressor 40 may be driven with high-pressure hydrogen gas, and the hydrogen circulation pump 50 may be driven with compressed air discharged from the air compressor 40. The air compressor 40 and the hydrogen circulation pump 50 are not necessarily driven by the high-pressure hydrogen gas released from the same hydrogen tank 30, but may be driven separately by the high-pressure hydrogen gas released from separate hydrogen tanks 30. Good. In addition, assuming that the residual hydrogen in the hydrogen tank 30 becomes small, the air compressor 40 has a hybrid configuration of a gas-driven pump and an electric pump, and switches to electric drive when the residual hydrogen becomes small. It may be configured.

本実施例によれば、エアコンプレッサ４０又は水素循環ポンプ５０をガス駆動式ポンプとして構成しているため、水素タンク３０から放出される高圧水素ガスを利用してエアコンプレッサ４０又は水素循環ポンプ５０を駆動することが可能となり、安定した駆動力を確保できる。また、エアコンプレッサ４０又は水素循環ポンプ５０を電動モータで構成する必要がなくなるため、消費電力の削減、軽量化、吐出ガスの低温化、冷却水の不要化を実現できる。また、エアコンプレッサ４０又は水素循環ポンプ５０を構成するガス駆動式ポンプは樹脂などで成形することが可能であるため、燃料電池２０から漏出する強酸性の液体などで腐食する虞はなく、金属性の電動式ポンプに比べて耐久性に優れている。また、エアコンプレッサ４０又は水素循環ポンプ５０を樹脂製にすることで、軽量化を実現でき、燃費向上にも資する。   According to the present embodiment, since the air compressor 40 or the hydrogen circulation pump 50 is configured as a gas-driven pump, the air compressor 40 or the hydrogen circulation pump 50 is configured using the high-pressure hydrogen gas released from the hydrogen tank 30. It becomes possible to drive, and a stable driving force can be secured. In addition, since it is not necessary to configure the air compressor 40 or the hydrogen circulation pump 50 with an electric motor, it is possible to reduce power consumption, reduce the weight, lower the discharge gas temperature, and eliminate the need for cooling water. Further, since the gas-driven pump constituting the air compressor 40 or the hydrogen circulation pump 50 can be molded with resin or the like, there is no possibility of corroding with a strong acid liquid leaking from the fuel cell 20 and the like. Excellent durability compared to the electric pump. Further, by making the air compressor 40 or the hydrogen circulation pump 50 made of resin, weight reduction can be realized, which contributes to improvement of fuel consumption.

図３は実施例２に係わる燃料電池システム１１の概略構成を示している。図１に付した符号と同一符号の装置等については同一の装置等を示すものとし、その詳細な説明は省略する。本実施例においては上述したガス駆動式ポンプのエアコンプレッサ４０に替えて、モータ駆動式の電動エアコンプレッサ４１を備えている。電動エアコンプレッサ４１はエア供給路７１を介してカソード極２３に加圧エアを供給するとともに、分岐流路７３を介して水素循環ポンプ５０に加圧エアの一部を供給する。水素循環ポンプ５０は水素タンク３０からアノード極２２に供給される高圧水素ガスに加えて、電動エアコンプレッサ４１から供給される加圧エアによっても駆動される。この方式により、水素循環ポンプ５０の駆動力を高圧水素ガスによって賄うことができない場合には、電動エアコンプレッサ４１から供給される加圧エアによって補うことができるため、水素循環ポンプ５０の安定動作を維持できる。   FIG. 3 shows a schematic configuration of the fuel cell system 11 according to the second embodiment. The devices having the same reference numerals as those in FIG. 1 indicate the same devices and the like, and detailed description thereof is omitted. In this embodiment, a motor-driven electric air compressor 41 is provided in place of the air compressor 40 of the gas-driven pump described above. The electric air compressor 41 supplies pressurized air to the cathode electrode 23 via the air supply path 71 and supplies a part of the pressurized air to the hydrogen circulation pump 50 via the branch path 73. The hydrogen circulation pump 50 is also driven by pressurized air supplied from the electric air compressor 41 in addition to high-pressure hydrogen gas supplied from the hydrogen tank 30 to the anode electrode 22. With this method, when the driving force of the hydrogen circulation pump 50 cannot be covered by the high-pressure hydrogen gas, it can be compensated by the pressurized air supplied from the electric air compressor 41, so that the stable operation of the hydrogen circulation pump 50 can be achieved. Can be maintained.

図４は実施例３に係わる燃料電池システム１２の概略構成を示している。図１に付した符号と同一符号の装置等については同一の装置等を示すものとし、その詳細な説明は省略する。本実施例においては、実施例１の構成に加えて更に、水素ガス供給路６１上に減圧弁Ａ１，Ａ２を多段設置し、水素タンク３０から放出される水素ガスを段階的に減圧している。前段（上流側）に配設された減圧弁（一次レギュレータ）Ａ１は水素タンク３０から放出された高圧水素ガス（例えば、３５ＭＰａ）を第１の所定圧（例えば、５ＭＰａ程度）に減圧する。続いて、後段（下流側）に配設された減圧弁（二次レギュレータ）Ａ２は第１の所定圧に減圧された水素ガスを更に第２の所定圧（例えば、数ｋＰａ）に減圧する。第２の所定圧に減圧された水素ガスは水素ガス供給路６１を通過してアノード極２２に供給される。このように、水素ガス供給路６１上に複数の減圧弁Ａ１，Ａ２が配設されている場合には、ガス駆動式ポンプ（エアコンプレッサ４０、水素循環ポンプ５０）に適度な水素ガス圧（作動圧）が過不足なく供給されるように水素ガス供給路６１上のガス駆動式ポンプと、減圧弁Ａ１，Ａ２の配設位置を選定するのが望ましい。例えば、本実施例では、減圧弁Ａ１の２次圧力は５ＭＰａ程度であるため、少なくとも減圧弁Ａ２よりも上流側にガス駆動式ポンプを配設するのが望ましい。   FIG. 4 shows a schematic configuration of the fuel cell system 12 according to the third embodiment. The devices having the same reference numerals as those in FIG. 1 indicate the same devices and the like, and detailed description thereof is omitted. In the present embodiment, in addition to the configuration of the first embodiment, the pressure reducing valves A1 and A2 are further provided on the hydrogen gas supply path 61 to reduce the hydrogen gas released from the hydrogen tank 30 stepwise. . A pressure reducing valve (primary regulator) A1 disposed in the previous stage (upstream side) reduces the high-pressure hydrogen gas (for example, 35 MPa) released from the hydrogen tank 30 to a first predetermined pressure (for example, about 5 MPa). Subsequently, the pressure reducing valve (secondary regulator) A2 disposed in the rear stage (downstream side) further reduces the hydrogen gas decompressed to the first predetermined pressure to a second predetermined pressure (for example, several kPa). The hydrogen gas reduced to the second predetermined pressure passes through the hydrogen gas supply path 61 and is supplied to the anode electrode 22. As described above, when a plurality of pressure reducing valves A1 and A2 are disposed on the hydrogen gas supply path 61, an appropriate hydrogen gas pressure (operation) is applied to the gas driven pump (air compressor 40, hydrogen circulation pump 50). It is desirable to select the arrangement position of the gas driven pump on the hydrogen gas supply path 61 and the pressure reducing valves A1 and A2 so that the pressure is supplied without excess or deficiency. For example, in this embodiment, since the secondary pressure of the pressure reducing valve A1 is about 5 MPa, it is desirable to dispose a gas driven pump at least upstream of the pressure reducing valve A2.

ガス駆動式ポンプを減圧弁Ａ１の上流側に配設して、水素タンク３０から放出されるガス圧をポンプ駆動に直接利用することも可能であるが、ガス駆動式ポンプを減圧弁Ａ１の下流側に配設し、ガス駆動式ポンプの駆動に適する圧力範囲に減圧された水素ガスを利用してガス駆動式ポンプを駆動するのが望ましい。また、減圧弁Ａ１，Ａ２を電磁制御式の電磁弁として構成し、ガス駆動式ポンプの吐出圧力が目標圧力に一致するように減圧弁Ａ１，Ａ２の減圧度合いを適宜調整してもよい。減圧弁Ａ１，Ａ２の制御は制御部９０によって以下のように行われる。
（１）燃料電池を搭載した車両の場合、運転者の加速要求を加速操作部材（アクセルペダル）の操作量から判断し、加速要求に対応する車輪駆動用モータの駆動力を演算する。次に、この駆動力を発生するために必要な要求電力を算出する。
（２）燃料電池２０の発電量が要求電力に一致するための目標水素ガス圧（又は目標水素流量）と、目標エア圧（目標エア流量）を求める。
（３）アノード極２２に供給される水素ガス圧（又は水素ガス流量）と、カソード極２３に供給されるエア圧（又はエア流量）がそれぞれ目標水素ガス圧（又は目標水素流量）、目標エア圧（又は目標エア流量）に一致するためのガス駆動式ポンプ（エアコンプレッサ４０、水素循環ポンプ５０）の駆動量（例えば、目標吐出圧、目標回転数など）を求める。
（４）ガス駆動式ポンプの駆動量が目標値に一致するための作動媒体（水素ガス）の目標圧力（又は目標流量）を求める。
（５）作動媒体（水素ガス）の圧力（又は流量）が目標圧力（又は目標流量）に一致するように減圧弁Ａ１，Ａ２の開度（減圧度合い）を調整する。 Although it is possible to arrange a gas driven pump upstream of the pressure reducing valve A1 and directly use the gas pressure discharged from the hydrogen tank 30 for driving the pump, the gas driven pump is disposed downstream of the pressure reducing valve A1. It is desirable to drive the gas-driven pump using hydrogen gas disposed on the side and decompressed to a pressure range suitable for driving the gas-driven pump. Alternatively, the pressure reducing valves A1 and A2 may be configured as electromagnetically controlled electromagnetic valves, and the pressure reducing degree of the pressure reducing valves A1 and A2 may be adjusted as appropriate so that the discharge pressure of the gas driven pump matches the target pressure. The control of the pressure reducing valves A1 and A2 is performed by the control unit 90 as follows.
(1) In the case of a vehicle equipped with a fuel cell, the driver's acceleration request is determined from the operation amount of the acceleration operation member (accelerator pedal), and the driving force of the wheel driving motor corresponding to the acceleration request is calculated. Next, the required power required to generate this driving force is calculated.
(2) A target hydrogen gas pressure (or target hydrogen flow rate) and a target air pressure (target air flow rate) for the power generation amount of the fuel cell 20 to match the required power are obtained.
(3) The hydrogen gas pressure (or hydrogen gas flow rate) supplied to the anode electrode 22 and the air pressure (or air flow rate) supplied to the cathode electrode 23 are the target hydrogen gas pressure (or target hydrogen flow rate) and target air, respectively. A driving amount (for example, a target discharge pressure, a target rotational speed, etc.) of the gas driven pump (air compressor 40, hydrogen circulation pump 50) to match the pressure (or target air flow rate) is obtained.
(4) A target pressure (or target flow rate) of the working medium (hydrogen gas) for obtaining a driving amount of the gas driven pump that matches the target value is obtained.
(5) The opening degree (pressure reduction degree) of the pressure reducing valves A1 and A2 is adjusted so that the pressure (or flow rate) of the working medium (hydrogen gas) matches the target pressure (or target flow rate).

尚、ガス駆動式ポンプに供給される水素ガスとしては、水素ガス供給路（メイン流路）６１からバイパスするバイパス流路（図示せず）を介して供給してもよい。更にこのバイパス流路を経てガス駆動式ポンプを駆動した後の水素ガスを減圧弁Ａ２にて所定圧に減圧した後に水素ガス供給路６１に合流させてもよく、又は、アノード極２２に供給してもよい。   The hydrogen gas supplied to the gas-driven pump may be supplied via a bypass channel (not shown) that bypasses the hydrogen gas supply channel (main channel) 61. Further, the hydrogen gas after driving the gas-driven pump through this bypass flow path may be merged into the hydrogen gas supply path 61 after being reduced to a predetermined pressure by the pressure reducing valve A2, or supplied to the anode electrode 22. May be.

実施例１の燃料電池システムの構成図である。1 is a configuration diagram of a fuel cell system of Example 1. FIG. ダイアフラムポンプの構成図である。It is a block diagram of a diaphragm pump. 実施例２の燃料電池システムの構成図である。FIG. 3 is a configuration diagram of a fuel cell system of Example 2. 実施例３の燃料電池システムの構成図である。6 is a configuration diagram of a fuel cell system of Example 3. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

１０，１１，１２…燃料電池システム ２０…燃料電池 ３０…水素タンク ４０…エアコンプレッサ ５０…水素循環ポンプ Ａ１，Ａ２…減圧弁 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10, 11, 12 ... Fuel cell system 20 ... Fuel cell 30 ... Hydrogen tank 40 ... Air compressor 50 ... Hydrogen circulation pump A1, A2 ... Pressure reducing valve

Claims (4)

燃料電池にエアを供給するガス供給装置と、前記燃料電池のアノード極に水素ガスを供給する水素タンクを備え、前記ガス供給装置は前記水素タンクから前記アノード極へ供給される水素ガスで駆動されるガス駆動式ポンプであり、前記ガス駆動式ポンプは前記燃料電池のカソード極に加圧エアを供給するエアコンプレッサである、燃料電池システム。 A gas supply device for supplying air to the fuel cell; and a hydrogen tank for supplying hydrogen gas to the anode electrode of the fuel cell, the gas supply device being driven by hydrogen gas supplied from the hydrogen tank to the anode electrode. A fuel cell system, wherein the gas driven pump is an air compressor that supplies pressurized air to a cathode electrode of the fuel cell. 燃料電池に水素オフガス又はエアを供給するガス供給装置と、前記燃料電池のアノード極に水素ガスを供給する水素タンクを備え、前記ガス供給装置は前記水素タンクから前記アノード極へ供給される水素ガスで駆動されるガス駆動式ポンプであり、前記ガス駆動式ポンプは前記燃料電池のカソード極に加圧エアを供給するエアコンプレッサと、前記アノード極から排出された水素オフガスを前記アノード極に還流させるための水素循環ポンプであって、前記水素循環ポンプは前記水素タンクから前記アノード極へ供給される水素ガスに加えて、前記エアコンプレッサから前記カソード極に供給される加圧エアによって駆動される、燃料電池システム。   A gas supply device for supplying hydrogen off-gas or air to the fuel cell and a hydrogen tank for supplying hydrogen gas to the anode electrode of the fuel cell, wherein the gas supply device supplies hydrogen gas to the anode electrode from the hydrogen tank The gas driven pump is an air compressor that supplies pressurized air to the cathode electrode of the fuel cell, and the hydrogen off-gas discharged from the anode electrode is recirculated to the anode electrode. The hydrogen circulation pump is driven by pressurized air supplied from the air compressor to the cathode electrode in addition to hydrogen gas supplied from the hydrogen tank to the anode electrode. Fuel cell system. 燃料電池に水素オフガスを供給するガス供給装置と、前記燃料電池のアノード極に水素ガスを供給する水素タンクを備え、前記ガス供給装置は前記水素タンクから前記アノード極へ供給される水素ガスで駆動されるガス駆動式ポンプであり、前記燃料電池のカソード極に加圧エアを供給するための電動エアコンプレッサを更に備え、前記ガス供給装置は前記アノード極から排出された水素オフガスを前記アノード極に還流させるための水素循環ポンプであり、前記水素循環ポンプは前記水素タンクから前記アノード極へ供給される水素ガスに加えて、前記電動エアコンプレッサから前記カソード極に供給される加圧エアによって駆動される、燃料電池システム。 A gas supply device that supplies hydrogen off-gas to the fuel cell and a hydrogen tank that supplies hydrogen gas to the anode electrode of the fuel cell, the gas supply device being driven by hydrogen gas supplied from the hydrogen tank to the anode electrode A gas-driven pump, further comprising an electric air compressor for supplying pressurized air to the cathode electrode of the fuel cell, wherein the gas supply device supplies hydrogen off-gas discharged from the anode electrode to the anode electrode. A hydrogen circulation pump for refluxing, wherein the hydrogen circulation pump is driven by pressurized air supplied from the electric air compressor to the cathode electrode in addition to hydrogen gas supplied from the hydrogen tank to the anode electrode. A fuel cell system. 燃料電池に水素オフガス又はエアを供給するガス供給装置と、前記燃料電池のアノード極に水素ガスを供給する水素タンクを備え、前記ガス供給装置は前記水素タンクから前記アノード極へ供給される水素ガスで駆動されるガス駆動式ポンプであり、前記水素タンクから前記アノード極に供給される水素ガスを所定圧に減圧する減圧弁が配設された水素ガス供給路を更に備え、前記ガス駆動式ポンプは前記減圧弁の上流側の前記水素ガス供給路に配設されている、燃料電池システム。   A gas supply device for supplying hydrogen off-gas or air to the fuel cell and a hydrogen tank for supplying hydrogen gas to the anode electrode of the fuel cell, wherein the gas supply device supplies hydrogen gas to the anode electrode from the hydrogen tank The gas driven pump is further provided with a hydrogen gas supply path provided with a pressure reducing valve for reducing the hydrogen gas supplied from the hydrogen tank to the anode electrode to a predetermined pressure. Is a fuel cell system disposed in the hydrogen gas supply path upstream of the pressure reducing valve.
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