JP5665684B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、電解質膜の両側にカソード電極及びアノード電極が設けられた電解質膜・電極構造体を有する発電セルを備えるとともに、前記カソード電極に供給される酸化剤ガス及び前記アノード電極に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池を備える燃料電池システムに関する。 The present invention includes a power generation cell having an electrolyte membrane / electrode structure in which a cathode electrode and an anode electrode are provided on both sides of an electrolyte membrane, and is supplied to an oxidant gas supplied to the cathode electrode and the anode electrode. The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction of fuel gas.
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード電極及びカソード電極を設けた電解質膜・電極構造体(MEA)を、一対のセパレータによって挟持している。 For example, in a polymer electrolyte fuel cell, an electrolyte membrane / electrode structure (MEA) provided with an anode electrode and a cathode electrode on both sides of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane is sandwiched between a pair of separators. Yes.
燃料電池は、通常、一方のセパレータと電解質膜・電極構造体との間に、アノード電極に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路が形成されるとともに、他方のセパレータと前記電解質膜・電極構造体との間に、カソード電極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路が形成されている。さらに、各燃料電池を構成し、互いに隣接するセパレータ間には、電極範囲内に冷却媒体を流すための冷却媒体流路が形成されている。 In the fuel cell, a fuel gas passage for supplying fuel gas to an anode electrode is usually formed between one separator and the electrolyte membrane / electrode structure, and the other separator and the electrolyte membrane / electrode are formed. An oxidant gas passage for supplying an oxidant gas to the cathode electrode is formed between the structure and the structure. Furthermore, a cooling medium flow path for flowing a cooling medium in the electrode range is formed between the separators constituting each fuel cell and adjacent to each other.
この種の燃料電池では、特に燃料電池電気自動車に搭載される際に、燃料電池ボックス内に収容された状態で搭載される場合がある。その際、燃料電池ボックス内には、燃料電池を収容するための燃料電池室が形成されており、この燃料電池室内を換気するための換気装置が用いられている。この換気装置は、例えば、燃料電池の水素ラインから水素が進入したことを検出すると、その水素を換気ファンによって燃料電池ボックスの外部に排出する機能を有している。 This type of fuel cell may be mounted in a fuel cell box, particularly when mounted on a fuel cell electric vehicle. At that time, a fuel cell chamber for accommodating the fuel cell is formed in the fuel cell box, and a ventilation device for ventilating the fuel cell chamber is used. For example, when the ventilator detects that hydrogen has entered from the hydrogen line of the fuel cell, the ventilator has a function of discharging the hydrogen to the outside of the fuel cell box by a ventilation fan.
また、車載用燃料電池では、車体床下やフロントボックス等の限定されたスペース内を燃料電池室として燃料電池を搭載する場合がある。このため、燃料電池が配置されるスペース内、すなわち、燃料電池室内では、上記の燃料電池ボックス内と同様に換気する必要がある。 In addition, in-vehicle fuel cells, there are cases where a fuel cell is mounted in a limited space such as under a vehicle body floor or a front box as a fuel cell chamber. For this reason, in the space where the fuel cell is arranged, that is, in the fuel cell room, it is necessary to ventilate similarly to the inside of the fuel cell box.
そこで、例えば、特許文献1に開示されている燃料電池ボックス換気装置が知られている。この燃料電池ボックス換気装置は、図4に示すように、三方弁1、換気配管2、換気ファン3、排出口4、水素検出センサ5及び制御装置6によって構成されている。
Therefore, for example, a fuel cell box ventilation device disclosed in Patent Document 1 is known. As shown in FIG. 4, the fuel cell box ventilator includes a three-way valve 1, a
そして、燃料電池ボックスBの内部の水素が、水素検出センサ5により検出されると、その検出値に応じて三方弁1がスーパーチャージャ7から燃料電池Vに供給されている空気を、排気配管2から前記燃料電池ボックスB内に放出させている。
Then, when hydrogen inside the fuel cell box B is detected by the
しかしながら、上記の特許文献1では、燃料電池ボックス換気装置により換気処理をしながら、燃料電池Vによる発電を継続する場合に、三方弁1では、発電側のエア流路、すなわち、前記燃料電池Vに供給されるエア流量が減少してしまう。 However, in Patent Document 1 described above, when power generation by the fuel cell V is continued while ventilation processing is performed by the fuel cell box ventilation device, the three-way valve 1 has an air flow path on the power generation side, that is, the fuel cell V. The air flow rate supplied to is reduced.
例えば、この種の三方弁1では、燃料電池Vと換気配管2とに分配されるエア流量が同量となり、燃料電池電気自動車の走行に影響を及ぼすおそれがある。
For example, in this type of three-way valve 1, the air flow rate distributed to the fuel cell V and the
本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、大型の三方弁を不要にするとともに、所望の運転状態を確保することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to solve this kind of problem, and to provide a fuel cell system that has a simple configuration, eliminates the need for a large three-way valve, and can ensure a desired operation state. And
本発明は、電解質膜の両側にカソード電極及びアノード電極が設けられた電解質膜・電極構造体を有する発電セルを備えるとともに、前記カソード電極に供給される酸化剤ガス及び前記アノード電極に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池が収容される燃料電池ボックスと、前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置とを備える燃料電池システムに関するものである。 The present invention includes a power generation cell having an electrolyte membrane / electrode structure in which a cathode electrode and an anode electrode are provided on both sides of an electrolyte membrane, and is supplied to an oxidant gas supplied to the cathode electrode and the anode electrode. The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell that generates power by an electrochemical reaction of fuel gas, a fuel cell box in which the fuel cell is accommodated, and an oxidant gas supply device that supplies the oxidant gas to the fuel cell. is there.
この燃料電池システムでは、酸化剤ガス供給装置は、コンプレッサと、前記コンプレッサと燃料電池の酸化剤ガス供給口とに接続される酸化剤ガス供給路と、前記酸化剤ガス供給路から分岐し、前記コンプレッサに酸化剤ガスを冷却風として供給する冷却路と、前記コンプレッサを冷却して該コンプレッサから排出された前記冷却風を、燃料電池ボックス内に換気用エアとして供給するための換気路とを備えている。 In the fuel cell system, the oxidant gas supply device branches from the compressor, the oxidant gas supply path connected to the compressor and an oxidant gas supply port of the fuel cell, and the oxidant gas supply path. A cooling path for supplying an oxidant gas as cooling air to the compressor; and a ventilation path for cooling the compressor and supplying the cooling air discharged from the compressor as ventilation air into the fuel cell box. ing.
そして、酸化剤ガス供給路には、コンプレッサの下流にインタークーラが配設され、且つ前記インタークーラの下流に熱水交換式の加湿器が配置されるとともに、冷却路は、前記インタークーラと前記加湿器との間から分岐する。 Then, the oxidizing gas supply passage, the intercooler is disposed downstream of the compressor, and the is disposed hydrothermal replaceable humidifier downstream of the intercooler Rutotomoni, cooling passage, and the intercooler said It branches out from between the humidifier.
さらにまた、この燃料電池システムでは、換気路は、換気エア流量を調整するための調整弁を設けることが好ましい。 Furthermore, in this fuel cell system, it is preferable that the ventilation path is provided with an adjustment valve for adjusting the ventilation air flow rate.
本発明では、コンプレッサから酸化剤ガス供給路に吐出された酸化剤ガスの一部は、冷却路を通って前記コンプレッサに冷却風として供給された後、換気路を通って燃料電池ボックス内に換気用エアとして供給されている。 In the present invention, a part of the oxidant gas discharged from the compressor to the oxidant gas supply path is supplied as cooling air to the compressor through the cooling path and then ventilated into the fuel cell box through the ventilation path. It is supplied as air for use.
このため、通常、コンプレッサを冷却した後、大気に排出される使用後の冷却風を、さらに換気用エアとして有効利用することが可能になる。これにより、燃料電池システムの効率低下を可及的に抑制することができる。しかも、大型の三方弁等を不要にすることが可能になり、経済的且つ軽量な構成で、所望の運転状態を確保することができる。 For this reason, normally, after the compressor is cooled, the used cooling air discharged to the atmosphere can be further effectively used as ventilation air. Thereby, the efficiency fall of a fuel cell system can be suppressed as much as possible. In addition, a large three-way valve or the like can be eliminated, and a desired operation state can be ensured with an economical and lightweight configuration.
図1に示すように、本発明に関連する燃料電池システム10は、例えば、燃料電池電気自動車等の燃料電池車両(図示せず)に搭載される車載用燃料電池システムを構成する。
As shown in FIG. 1, the
燃料電池システム10は、複数の発電セル12が水平方向又は重力方向に積層(スタック)される燃料電池14を備え、前記燃料電池14は、燃料電池ボックス15に収容される。燃料電池14は、電解質膜・電極構造体(MEA)16が、カソード側セパレータ18及びアノード側セパレータ20間に挟持される。電解質膜・電極構造体16は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜22と、前記固体高分子電解質膜22を挟持するカソード電極24及びアノード電極26とを備える。
The
カソード電極24及びアノード電極26は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜22の両面に形成されている。
The
カソード側セパレータ18の電解質膜・電極構造体16に向かう面には、酸化剤ガス通路28が形成される。アノード側セパレータ20の電解質膜・電極構造体16に向かう面には、燃料ガス通路30が形成される。互いに隣接するカソード側セパレータ18とアノード側セパレータ20との間には、冷却媒体通路(図示せず)が形成される。
An
燃料電池14には、酸化剤ガス供給装置32が接続される。酸化剤ガス供給装置32は、エアポンプ34を備える。エアポンプ34は、例えば、リショルム式やタービン式等の内部部品、特に高速回転するエアベアリングを有するポンプが使用され、前記エアベアリングを含むモータ36にコンプレッサ38が一体化される。
An oxidant
エアポンプ34には、酸化剤ガス供給路40の一端が接続される。酸化剤ガス供給路40の他端は、燃料電池14に接続されて酸化剤ガス通路28の入口(酸化剤ガス供給口)側に連通する。
One end of an oxidant
燃料電池14には、酸化剤ガス通路28の出口側に連通して、酸化剤ガス排出路42の一端が接続される。この酸化剤ガス排出路42の他端は、加湿器44に接続される一方、酸化剤ガス供給路40は、前記加湿器44に接続される。酸化剤ガス供給路40を流通する酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出路42を流通する使用済みの高加湿及び高温の酸化剤排ガスとの間で水分及び熱交換を行う。
One end of an oxidant
酸化剤ガス供給路40の途上には、インタークーラ46が配設されるとともに、前記インタークーラ46の上流から冷却路48が分岐する。この冷却路48は、エアポンプ34、より具体的には、前記エアポンプ34を構成するモータ36(及び図示しないベアリング)を冷却する冷却風の供給路である。
An
モータ36には、エアポンプ34(実質的には、モータ36)を冷却して前記エアポンプ34から排出された冷却風を、燃料電池ボックス15内に換気用エアとして供給するための換気路50が接続される。換気路50は、燃料電池ボックス15内の燃料電池室52に開放される。
Connected to the
燃料電池14は、燃料電池ボックス15内に形成された燃料電池室52に配設される。燃料電池ボックス15内には、燃料電池14及び水素濃度を検出するための水素検出センサ54が収容される。水素検出センサ54は、燃料電池室52の上端部側に配置される。燃料電池ボックス15には、壁面下方側に排気配管56が接続される。
The
燃料電池システム10は、制御部58により運転制御される。なお、燃料電池14には、図示しないが、燃料ガス供給装置及び冷却媒体供給装置が接続される。燃料ガス供給装置は、例えば、エゼクタ、水素循環ポンプ、減圧弁及び遮断弁等を備えており、燃料電池ボックス15内に収容してもよい。
Operation of the
このように構成される燃料電池システム10の動作について、以下に説明する。
The operation of the
先ず、燃料電池システム10が搭載されている燃料電池電気自動車(図示せず)の通常走行時には、酸化剤ガス供給装置32では、エアポンプ34の駆動作用下に、酸化剤ガス供給路40から燃料電池14の酸化剤ガス通路28に酸化剤ガス(空気)が供給される。一方、図示しない燃料ガス供給装置では、高圧水素タンク等から燃料電池14の燃料ガス通路30に燃料ガス(水素ガス)が供給される。
First, during normal travel of a fuel cell electric vehicle (not shown) on which the
従って、各発電セル12では、カソード電極24に供給される酸化剤ガス中の酸素と、アノード電極26に供給される燃料ガス中の水素とが、電気化学的に反応して発電が行われる。このため、燃料電池14から図示しない走行モータに電力が供給され、燃料電池電気自動車の走行が行われる。
Accordingly, in each
燃料電池14から排出される酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出路42から加湿器44に供給された後、外部に放出される。このため、酸化剤ガス供給路40を流通する酸化剤ガスは、加湿及び加温された後、燃料電池14に供給される。
The oxidant gas discharged from the
この場合、酸化剤ガス供給装置32において、エアポンプ34から酸化剤ガス供給路40に吐出された酸化剤ガスの一部が、冷却路48を通って前記エアポンプ34を構成するモータ36内に導入される。このため、モータ36は、冷却風により良好に冷却される一方、前記モータ36から換気路50には、使用済みの冷却風が換気用エアとして導出される。
In this case, the oxidation agent
この換気用エアは、換気路50を流通して燃料電池ボックス15の燃料電池室52に供給される。従って、換気用エア及び残存水素は、排気配管56を介して外部に排出され、燃料電池室52内の水素濃度が低下する。
The ventilation air flows through the
このように、エアポンプ34から酸化剤ガス供給路40に吐出された酸化剤ガスの一部は、冷却路48を通って前記エアポンプ34に冷却風として供給された後、換気路50を通って燃料電池ボックス15内に換気用エアとして供給されている。
In this way, a part of the oxidant gas discharged from the
このため、通常、エアポンプ34(主にモータ36)を冷却した後、大気に排出される使用後の冷却風を、さらに換気用エアとして有効利用することができ、燃料電池システム10の効率低下を可及的に抑制することができる。しかも、大型の三方弁等を不要にすることが可能になり、経済的且つ軽量な構成で、所望の運転状態を確保することができるという効果が得られる。
For this reason, normally, after cooling the air pump 34 (mainly the motor 36), the used cooling air discharged to the atmosphere can be effectively used as ventilation air, which reduces the efficiency of the
図2は、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池システム70の概略構成図である。なお、燃料電池システム10と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of the
燃料電池システム70は、酸化剤ガス供給装置72を備える。この酸化剤ガス供給装置72は、酸化剤ガス供給路40の途上に、インタークーラ46の下流から、より具体的には、前記インタークーラ46と加湿器44との間から冷却路74が分岐する。冷却路74は、エアポンプ34のモータ36に冷却風を供給する。
The
このように構成される第1の実施形態では、エアポンプ34から酸化剤ガス供給路40に吐出された酸化剤ガスの一部が、インタークーラ46により冷却された後、冷却路74を通って前記エアポンプ34を構成するモータ36内に導入されている。
In the first embodiment configured as described above, a part of the oxidant gas discharged from the
従って、モータ36には、インタークーラ46を通った比較的低温の冷却風が供給されるため、前記モータ36を一層効率的に冷却することができるとともに、前記モータ36から換気路50には、使用済みの冷却風が換気用エアとして導出される。これにより、経済的且つ軽量な構成で、所望の運転状態を確保することができる等の効果が得られる。
Accordingly, since the
図3は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池システム80の概略構成図である。なお、燃料電池システム10、70と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a
燃料電池システム80は、酸化剤ガス供給装置82を備える。この酸化剤ガス供給装置82は、換気用エアの流量を調整又は遮断する弁84を、換気路50の途上に直列(又は並列)に配設する。
The
このため、第2の実施形態では、例えば、燃料電池ボックス15内に必要な換気用エアの流量が少量でよい場合には、弁84の開度を絞ることができる。一方、水素検出センサ54が、燃料電池室52に規定以上の水素濃度を検出した際には、弁84の開度を開くことにより、大流量の換気用エアを前記燃料電池室52に供給することが可能になる。
For this reason, in the second embodiment, for example, when the flow rate of ventilation air required in the
これにより、第2の実施形態では、上記の燃料電池システム10、70と同様の効果が得られるとともに、燃料電池ボックス15に供給される換気用エアの流量を状況の変化に対応して緻密に調整することができるという利点がある。
As a result, in the second embodiment, the same effects as those of the
10、70、80…燃料電池システム 12…発電セル
14…燃料電池 15…燃料電池ボックス
16…電解質膜・電極構造体 22…固体高分子電解質膜
24…カソード電極 26…アノード電極
28…酸化剤ガス通路 30…燃料ガス通路
32、72、82…酸化剤ガス供給装置
34…エアポンプ 36…モータ
38…コンプレッサ 40…酸化剤ガス供給路
42…酸化剤ガス排出路 44…加湿器
46…インタークーラ 48、74…冷却路
50…換気路 52…燃料電池室
54…水素検出センサ 56…排気配管
58…制御部 84…弁
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記燃料電池が収容される燃料電池ボックスと、
前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
を備える燃料電池システムであって、
前記酸化剤ガス供給装置は、コンプレッサと、
前記コンプレッサと前記燃料電池の酸化剤ガス供給口とに接続される酸化剤ガス供給路と、
前記酸化剤ガス供給路から分岐し、前記コンプレッサに前記酸化剤ガスを冷却風として供給する冷却路と、
前記コンプレッサを冷却して該コンプレッサから排出された前記冷却風を、前記燃料電池ボックス内に換気用エアとして供給するための換気路と、
を備え、
前記酸化剤ガス供給路には、前記コンプレッサの下流にインタークーラが配設され、且つ前記インタークーラの下流に熱水交換式の加湿器が配置されるとともに、
前記冷却路は、前記インタークーラと前記加湿器との間から分岐することを特徴とする燃料電池システム。 A power generation cell having an electrolyte membrane / electrode structure in which a cathode electrode and an anode electrode are provided on both sides of the electrolyte membrane, and an oxidant gas supplied to the cathode electrode and an electric power of a fuel gas supplied to the anode electrode A fuel cell that generates electricity through a chemical reaction;
A fuel cell box in which the fuel cell is housed;
An oxidant gas supply device for supplying the oxidant gas to the fuel cell;
A fuel cell system comprising:
The oxidant gas supply device includes a compressor,
An oxidant gas supply path connected to the compressor and an oxidant gas supply port of the fuel cell;
A cooling path branched from the oxidant gas supply path and supplying the oxidant gas as cooling air to the compressor;
A ventilation path for cooling the compressor and supplying the cooling air discharged from the compressor as ventilation air into the fuel cell box;
Equipped with a,
In the oxidant gas supply path, an intercooler is disposed downstream of the compressor, and a hot water exchange type humidifier is disposed downstream of the intercooler.
The cooling passage, the fuel cell system characterized that you branched from between said humidifier and said intercooler.
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