JP2003308858A - Fuel cell system - Google Patents
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- Control Of Eletrric Generators (AREA)
Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池システム
に係り、特に高圧ガスの膨張エネルギーをタービンの回
転として取り出す燃料電池システムに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system for extracting expansion energy of high pressure gas as rotation of a turbine.
【０００２】[0002]
【従来の技術】燃料ガスとして高圧水素ガスを貯蔵し、
この高圧水素ガスの膨張エネルギーでタービン発電機を
駆動する燃料電池システムが特開２００１−１９７７９
１号公報に開示されている。この従来技術によれば、燃
料としての水素を高圧で貯蔵する水素貯蔵装置から供給
される高圧水素ガスによって駆動されるタービン発電機
と、タービン発電機から放出された高圧水素を減圧する
減圧弁と、減圧された水素を燃料として発電する燃料電
池と、タービン発電機または燃料電池の発電電力を蓄電
する二次電池と、を備えている。この構成により、高圧
水素の持つ圧力のエネルギを有効利用して、燃料電池シ
ステム全体の発電効率を向上させることを目標としたも
のである。2. Description of the Related Art High-pressure hydrogen gas is stored as fuel gas,
A fuel cell system that drives a turbine generator with the expansion energy of this high-pressure hydrogen gas is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-19779.
It is disclosed in Japanese Patent Publication No. According to this conventional technique, a turbine generator driven by high-pressure hydrogen gas supplied from a hydrogen storage device that stores hydrogen as fuel at high pressure, and a pressure reducing valve that reduces the pressure of high-pressure hydrogen released from the turbine generator. A fuel cell that generates electric power by using depressurized hydrogen as a fuel, and a secondary battery that stores electric power generated by the turbine generator or the fuel cell. With this configuration, the energy of the pressure of the high-pressure hydrogen is effectively used to improve the power generation efficiency of the entire fuel cell system.
【０００３】[0003]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の燃料電池システムにあっては、次のような問題点が
あった。However, the conventional fuel cell system described above has the following problems.
【０００４】燃料電池システムにおいては、多種の流体
を循環あるいは加圧するポンプ・圧縮機を有し、これら
は通常モータで駆動されている。上述の従来の燃料電池
システムでは燃料ガスの減圧時の圧力降下のエネルギ
を、タービン発電機にて電力に変換するのでこの電力を
用いてポンプ・圧縮機を駆動することができる。The fuel cell system has a pump / compressor that circulates or pressurizes various fluids, which are usually driven by a motor. In the above-described conventional fuel cell system, the energy of pressure drop when the fuel gas is depressurized is converted into electric power by the turbine generator, so that the electric power can be used to drive the pump / compressor.
【０００５】しかしこの場合は、エネルギの形態が運動
エネルギ→電気エネルギ→運動エネルギと二度変換する
ことになり、その変換過程におけるエネルギの損失が避
けられないため、システム全体のエネルギ効率向上のた
めの障害となる可能性がある。However, in this case, the form of energy is converted twice from kinetic energy → electrical energy → kinetic energy, and energy loss in the conversion process is unavoidable, so that the energy efficiency of the entire system is improved. May be an obstacle.
【０００６】本発明は上記従来の問題点を鑑み、エネル
ギ形態の変換回数を最小としつつ、燃料電池システム内
の他の機器にてそのエネルギを利用することができ、変
換によるエネルギ損失を最小化することにより、システ
ム全体のエネルギ利用効率を最大限まで高めることを目
的とする。In view of the above-mentioned conventional problems, the present invention minimizes the number of energy form conversions and can use the energy in other devices in the fuel cell system, thereby minimizing energy loss due to conversion. By doing so, it is intended to maximize the energy utilization efficiency of the entire system.
【０００７】[0007]
【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
上記目的を達成するため、燃料ガスまたは酸化剤ガスを
高圧で貯蔵する高圧ガス貯蔵装置と、前記高圧の燃料ガ
スまたは酸化剤ガスを減圧して燃料電池スタックへ供給
する減圧手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記高圧ガス貯蔵装置と前記電池スタック間との燃料供
給管または酸化剤供給管に、前記燃料ガスまたは酸化剤
ガスの流れによって作動するタービンを設け、該タービ
ンの軸回転運動によって駆動されて流体を加圧または送
出する圧縮機またはポンプを備えたことを要旨とする。The invention according to claim 1 is
In order to achieve the above object, a high-pressure gas storage device for storing a fuel gas or an oxidant gas at a high pressure, and a pressure reducing means for reducing the pressure of the high-pressure fuel gas or the oxidant gas and supplying the reduced pressure to the fuel cell stack are provided. In the fuel cell system,
A fuel supply pipe or an oxidant supply pipe between the high-pressure gas storage device and the cell stack is provided with a turbine operated by a flow of the fuel gas or the oxidant gas, and a fluid is driven by a shaft rotational motion of the turbine. The gist is that a compressor or pump for pressurizing or delivering is provided.
【０００８】請求項２記載の発明は、上記目的を達成す
るため、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記圧縮機またはポンプを駆動する駆動モータを備えた
ことを要旨とする。In order to achieve the above object, the invention according to claim 2 provides the fuel cell system according to claim 1, wherein:
The gist is that a drive motor for driving the compressor or the pump is provided.
【０００９】請求項３記載の発明は、上記目的を達成す
るため、請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記タービンと前記圧縮機またはポンプとの間に、軸回
転力の伝達割合を変化可能な第１の継手を備え、前記圧
縮機またはポンプと前記駆動モータの間に、軸回転力の
伝達割合を変化可能な第２の継手を備えたことを要旨と
する。According to a third aspect of the present invention, in order to achieve the above object, in the fuel cell system according to the second aspect,
A first joint is provided between the turbine and the compressor or pump to change the transmission rate of the shaft rotational force, and the transmission rate of the shaft rotational force is provided between the compressor or pump and the drive motor. The gist of the present invention is to have a second joint that can be changed.
【００１０】請求項４記載の発明は、上記目的を達成す
るため、請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
前記高圧ガス貯蔵装置内の圧力を検出する圧力検出手段
を備え、当該燃料電池システムの運転状態と前記高圧ガ
ス貯蔵装置内の圧力に応じて、前記第１及び第２の継手
における各々の伝達割合、および前記駆動モータの回転
を制御することを要旨とする。According to a fourth aspect of the invention, in order to achieve the above object, in the fuel cell system according to the third aspect,
A pressure detecting means for detecting the pressure in the high-pressure gas storage device is provided, and each transmission ratio in the first and second joints is determined according to the operating state of the fuel cell system and the pressure in the high-pressure gas storage device. , And controlling the rotation of the drive motor.
【００１１】請求項５記載の発明は、上記目的を達成す
るため、請求項２乃至請求項４の何れか１項に記載の燃
料電池システムにおいて、前記圧縮機またはポンプによ
って加圧または送出される流体として、前記電池スタッ
クのガス排気口から排出される余剰の燃料ガス、あるい
は酸化剤ガスを利用し、前記圧縮機またはポンプによっ
て前記電池スタックのガス供給口に再循環させることが
可能な構成を備えていることを要旨とする。In order to achieve the above object, a fifth aspect of the invention is the fuel cell system according to any one of the second to fourth aspects, in which the compressor or pump is used to pressurize or deliver the fuel. Excess fuel gas or oxidant gas exhausted from the gas exhaust port of the battery stack is used as the fluid, and a configuration that can be recirculated to the gas supply port of the battery stack by the compressor or pump is provided. The point is to have it.
【００１２】請求項６記載の発明は、上記目的を達成す
るため、請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の燃
料電池システムにおいて、前記タービンのガス出口直後
に熱交換器を設置し、前記タービン通過後のガスと他の
流体との間で熱交換を行うことが可能な構成を備えてい
ることを要旨とする。In order to achieve the above object, the invention according to claim 6 is the fuel cell system according to any one of claims 1 to 5, wherein a heat exchanger is installed immediately after the gas outlet of the turbine. However, the gist is to have a configuration capable of performing heat exchange between the gas that has passed through the turbine and another fluid.
【００１３】[0013]
【発明の効果】本発明によれば、高圧の燃料ガスまたは
酸化剤ガスの減圧時の圧力降下により発生した高速ガス
流のエネルギを、タービンで受けて軸回転の運動エネル
ギに変換したのち、電気などの他のエネルギ形態を通過
することなく直接圧縮機またはポンプの軸回転運動のエ
ネルギとして利用することが可能となる。According to the present invention, the energy of the high-speed gas flow generated by the pressure drop of the high-pressure fuel gas or the oxidant gas at the time of decompression is received by the turbine and converted into the kinetic energy of the shaft rotation. It is possible to directly utilize the energy of the axial rotary motion of the compressor or pump without passing through other energy forms such as.
【００１４】これによりエネルギ形態の変換回数を最小
としつつ、燃料電池システム内の他の機器にてそのエネ
ルギを利用することができ、変換によるエネルギ損失を
最小化することにより、システム全体のエネルギ利用効
率を最大限まで高めることができるという効果がある。As a result, it is possible to use the energy in other devices in the fuel cell system while minimizing the number of energy form conversions, and to minimize the energy loss due to the conversion, thereby utilizing the energy of the entire system. The effect is that efficiency can be maximized.
【００１５】[0015]
【発明の実施の形態】次に図面を参照して、本発明の実
施の形態を詳細に説明する。図８は、本発明が適用され
る固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）における単
位セル電池の構成を説明する模式断面図である。図８に
おいて、イオン導電性を有する固体高分子膜１２８の両
面にアノード電極１２９及びカソード電極１３０が形成
されている。アノード電極１２９に燃料ガス（水素）を
供給するための燃料ガス供給溝１３１、カソード電極１
３０に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給溝１
３２、それぞれの供給溝の外側には導電性を有するガス
不透過性のアノードセパレータ１３３，カソードセパレ
ータ１３４、アノードセパレータ１３３のさらに外側に
は、導電性を有するガスおよび水不透過性の水セパレー
タ１３５、発電に伴って発生する余分の熱を取り除くこ
とにより、燃料電池スタック温度を適正に保つためのス
タック冷却水を流す冷却水供給溝１３６が配設されてお
り、１２８〜１３６によって単位セル電池１３７が構成
されている。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will now be described in detail with reference to the drawings. FIG. 8 is a schematic cross-sectional view illustrating the configuration of a unit cell battery in a solid polymer electrolyte fuel cell (PEFC) to which the present invention is applied. In FIG. 8, an anode electrode 129 and a cathode electrode 130 are formed on both surfaces of a solid polymer film 128 having ionic conductivity. Fuel gas supply groove 131 for supplying fuel gas (hydrogen) to the anode electrode 129, cathode electrode 1
Oxidant gas supply groove 1 for supplying oxidant gas to 30
32, a gas impermeable anode separator 133 having conductivity on the outside of each supply groove, a cathode separator 134, and a gas and water impermeable water separator 135 having conductivity on the outer side of the anode separator 133. A cooling water supply groove 136 for flowing stack cooling water for keeping the fuel cell stack temperature appropriate by removing excess heat generated by power generation is provided, and the unit cell battery 137 is provided by 128 to 136. Is configured.
【００１６】以上のような固体高分子電解質型燃料電池
においては、アノード電極１２９に燃料ガスを、カソー
ド電極１３０に酸化剤ガスをそれぞれ供給すると、単位
セル電池の一対の電極間で電気化学反応により、以下の
式（１）、（２）の示すように起電力が生じる。In the solid polymer electrolyte fuel cell as described above, when the fuel gas is supplied to the anode electrode 129 and the oxidant gas is supplied to the cathode electrode 130, an electrochemical reaction occurs between a pair of electrodes of the unit cell battery. , Electromotive force is generated as shown in the following equations (1) and (2).
【００１７】[0017]
【化１】
アノード反応：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- …（１）
カソード反応：２Ｈ+ ＋１／２Ｏ2 ＋２ｅ-→２Ｈ2 Ｏ …（２）
すなわち、通常、燃料ガスとしては水素が使用され、酸
化剤ガスとしては空気が使用されるが、まず、アノード
電極１２９に水素、カソード電極１３０に空気をそれぞ
れ供給すると、アノード電極１２９では、供給された水
素は水素イオンと電子に解離する。そして水素イオンは
固体高分子膜１２８を通り、電子は外部回路を通って、
それぞれカソード電極１３０に移動する。Embedded image Anode reaction: H 2 → 2H + + 2e − (1) Cathode reaction: 2H + + 1 / 2O 2 + 2e − → 2H 2 O (2) That is, hydrogen is usually used as the fuel gas, Air is used as the oxidant gas. First, when hydrogen is supplied to the anode electrode 129 and air is supplied to the cathode electrode 130, the supplied hydrogen is dissociated into hydrogen ions and electrons at the anode electrode 129. The hydrogen ions pass through the solid polymer film 128, the electrons pass through the external circuit,
Each moves to the cathode electrode 130.
【００１８】一方、カソード電極１３０においては、供
給された空気中の酸素と上記水素イオンと電子が反応し
て水を生成する。このとき外部回路を通った電子は電流
となり電力を供給することができる。つまり、アノード
電極１２９とカソード電極１３０においては、それぞれ
上述した化学反応式に示す反応が進行する。なお、生成
された水は未反応ガスと共に電池外に排出される。On the other hand, at the cathode electrode 130, oxygen in the supplied air reacts with the hydrogen ions and electrons to generate water. At this time, the electrons that have passed through the external circuit become current and can supply power. That is, in the anode electrode 129 and the cathode electrode 130, the reactions shown in the above chemical reaction formulas proceed. The generated water is discharged to the outside of the battery together with the unreacted gas.
【００１９】ところで、単位セル電池１３７の起電力は
約１Ｖ程度と低いため、通常の実用型燃料電池システム
は、数十〜数百枚の単位セル１３７を積層した燃料電池
スタックを有し、この燃料電池スタックによる発電を行
っている。By the way, since the electromotive force of the unit cell battery 137 is as low as about 1 V, a normal practical fuel cell system has a fuel cell stack in which several tens to several hundreds of unit cells 137 are stacked. Power is generated by the fuel cell stack.
【００２０】以上のような固体高分子電解質型燃料電池
に使用されるイオン導電性を有する固体高分子膜１２８
としては、例えば、プロトン交換膜であるパーフルオロ
ロカーボンスルホン酸（ＮａｆｉｏｎR ：米国デュポン
社、登録商標）が知られている。Solid polymer membrane 128 having ion conductivity used in the solid polymer electrolyte fuel cell as described above.
For example, a perfluororocarbon sulfonic acid (Nafion R : registered trademark of DuPont, USA) which is a proton exchange membrane is known.
【００２１】この膜は、分子中に水素イオンの交換基を
もち、飽和含水することによりイオン導電性電解質とし
て機能すると共に、燃料と酸化剤を分離する機能も有す
る。逆に、膜の含水量が少なくなるとイオン抵抗が高く
なり、燃料と酸化剤が混合するクロスオーバーが発生
し、電池での発電が不可能となる。このため、固体高分
子膜は飽和含水としておくことが望ましい。This membrane has a hydrogen ion exchange group in the molecule and functions as an ion conductive electrolyte by saturated water content and also has a function of separating the fuel and the oxidizer. On the contrary, when the water content of the membrane decreases, the ionic resistance increases and crossover occurs in which the fuel and the oxidant are mixed, making it impossible to generate electricity in the battery. Therefore, it is desirable that the solid polymer membrane be saturated with water.
【００２２】また、特に自動車等の移動体に適用すると
きには、燃料充填一回あたりの運転時間を長く確保する
ために、燃料を高密度で貯蔵することが求められ、高圧
の水素貯蔵タンクを用いる。Further, particularly when applied to a moving body such as an automobile, it is required to store the fuel at a high density in order to secure a long operation time per fuel filling, and a high pressure hydrogen storage tank is used. .
【００２３】その一方、燃料電池の作動に適切な圧力
は、タンクでの貯蔵圧力に比べてかなり低いため、高圧
の燃料ガスは減圧弁を通過させて、膨張、圧力降下させ
てから燃料電池スタックに供給され、発電に利用され
る。On the other hand, since the pressure suitable for operating the fuel cell is considerably lower than the storage pressure in the tank, the high pressure fuel gas is passed through the pressure reducing valve to be expanded and pressure-reduced before the fuel cell stack. And used for power generation.
【００２４】図１は、本発明に係る燃料電池システムの
第一実施形態の構成を示す概略図であり、請求項１に記
載の発明に対応する。なお本実施形態では燃料ガス側の
みが高圧のタイプであり、酸化剤ガスの供給経路の構成
については図示を省略している。FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of the first embodiment of the fuel cell system according to the present invention, and corresponds to the invention described in claim 1. In this embodiment, only the fuel gas side is of high pressure type, and the structure of the supply path for the oxidant gas is not shown.
【００２５】図１において、燃料電池システムは、燃料
ガスを高圧で貯蔵する高圧燃料ガスタンク１と、高圧燃
料ガスの流れによって作動する高圧ガス膨張タービン２
と、高圧ガス膨張タービン２の軸回転運動によって駆動
されて流体を送出する循環ポンプ３と、高圧ガス膨張タ
ービン２を通過した燃料ガスを減圧する減圧弁（圧力レ
ギュレータ）４と、減圧弁４で減圧された燃料ガスが供
給される燃料電池スタック５と、循環ポンプ３により循
環させられる流体を利用する循環流体利用機器６と、高
圧燃料ガスタンク１から高圧燃料ガスを高圧ガス膨張タ
ービン２へ供給する高圧燃料ガス配管７ａと、高圧ガス
膨張タービン２から排出される中圧燃料ガスを減圧弁４
に供給する中圧燃料ガス配管７ｂと、減圧弁４で減圧さ
れた低圧燃料ガスを燃料電池スタック５に供給する低圧
燃料ガス配管７ｃと、循環ポンプ３と循環流体利用機器
６とを接続する循環流体配管８とを備えている。In FIG. 1, the fuel cell system comprises a high-pressure fuel gas tank 1 for storing fuel gas at high pressure, and a high-pressure gas expansion turbine 2 operated by the flow of high-pressure fuel gas.
With a circulation pump 3 that is driven by the shaft rotational movement of the high-pressure gas expansion turbine 2 to deliver a fluid, a decompression valve (pressure regulator) 4 that decompresses the fuel gas that has passed through the high-pressure gas expansion turbine 2, and a decompression valve 4. The high pressure fuel gas is supplied to the high pressure gas expansion turbine 2 from the fuel cell stack 5 to which the depressurized fuel gas is supplied, the circulating fluid utilizing device 6 that uses the fluid circulated by the circulation pump 3, and the high pressure fuel gas tank 1. The high-pressure fuel gas pipe 7a and the medium-pressure fuel gas discharged from the high-pressure gas expansion turbine 2 are supplied to the pressure reducing valve 4
To the fuel cell stack 5, a low pressure fuel gas pipe 7c for supplying the low pressure fuel gas decompressed by the pressure reducing valve 4 to the fuel cell stack 5, and a circulation connecting the circulation pump 3 and the circulating fluid utilizing device 6 And a fluid pipe 8.
【００２６】次に、上記構成による本実施形態の動作を
説明する。高圧燃料ガスタンク１内に貯蔵されている燃
料ガスは、高圧燃料ガス配管７ａを通って高圧ガス膨張
タービン２に至り、ガス流の運動エネルギを高圧ガス膨
張タービン２の軸回転運動として取り出す。タービン２
を通過して膨張減圧された燃料ガスは、中圧燃料ガス配
管７ｂを通って減圧弁４に到達し、その後低圧燃料ガス
配管７ｃを通って燃料電池スタック５に供給され、電気
化学的反応により燃料ガスの持つ化学結合のエネルギが
電気エネルギに変換される。電気化学的反応に携わらな
かった余剰の燃料ガスは燃料電池スタック５の排気口よ
り排出される。Next, the operation of this embodiment having the above configuration will be described. The fuel gas stored in the high-pressure fuel gas tank 1 reaches the high-pressure gas expansion turbine 2 through the high-pressure fuel gas pipe 7a, and the kinetic energy of the gas flow is taken out as an axial rotation motion of the high-pressure gas expansion turbine 2. Turbine 2
The fuel gas, which has been expanded and depressurized through the fuel cell, reaches the pressure reducing valve 4 through the medium-pressure fuel gas pipe 7b, and is then supplied to the fuel cell stack 5 through the low-pressure fuel gas pipe 7c. The energy of the chemical bond of the fuel gas is converted into electric energy. Excess fuel gas not involved in the electrochemical reaction is discharged from the exhaust port of the fuel cell stack 5.
【００２７】一方高圧ガス膨張タービン２で取り出され
た軸回転運動は、同軸の循環ポンプ３を回転させ循環流
体を圧送し、循環流体配管８で連結された循環流体利用
機器６に供給され、そこで流体の運動エネルギや圧力を
利用してなんらかの仕事をさせた後、流体はふたたび循
環ポンプ３に戻されるようになっている。On the other hand, the axial rotary motion taken out by the high-pressure gas expansion turbine 2 rotates the coaxial circulation pump 3 to pump the circulating fluid and is supplied to the circulating-fluid utilizing equipment 6 connected by the circulating-fluid piping 8. The fluid is returned to the circulation pump 3 again after performing some work by utilizing the kinetic energy and pressure of the fluid.
【００２８】なお、上記の循環流体に関して燃料電池シ
ステムで利用しているものとしては、燃料ガスまたは酸
化剤ガス用の加湿用の水、燃料電池スタックの冷却水、
補機類の冷却水、ラジエターの冷却風、エアコン用のフ
ァン風、などの流体が例として挙げられ、これらは従来
モータ電動機が駆動するポンプによって循環されてい
た。The circulating fluids used in the fuel cell system include humidifying water for fuel gas or oxidant gas, cooling water for the fuel cell stack,
Examples of such fluids include cooling water for auxiliary machinery, cooling air for radiators, and fan air for air conditioners, which have been conventionally circulated by a pump driven by a motor / motor.
【００２９】上述の図１の構成であれば、高圧ガス膨張
タービン２の軸回転運動を循環ポンプ３の軸回転運動と
して直後利用することができるため、従来技術のような
運動エネルギ→電気エネルギ間のエネルギ形態変換によ
る損失が発生しないので、結果として燃料電池システム
の総合的なエネルギ利用効率を高めることを可能とす
る。With the configuration shown in FIG. 1, the shaft rotational motion of the high-pressure gas expansion turbine 2 can be immediately used as the shaft rotational motion of the circulation pump 3. As a result, no loss occurs due to the energy form conversion, and as a result, it is possible to improve the overall energy utilization efficiency of the fuel cell system.
【００３０】図２は、本発明に係る燃料電池システムの
第二実施形態を示す構成概略図であり、請求項２及び３
に記載の発明に対応する。FIG. 2 is a schematic structural view showing a second embodiment of the fuel cell system according to the present invention.
It corresponds to the invention described in.
【００３１】本実施形態と第一実施形態との相違は、高
圧ガス膨張タービン２と循環ポンプ３を接続する回転軸
の延長上に循環ポンプ駆動用モータ９があり、高圧ガス
膨張タービン２と循環ポンプ３の間の回転軸上にタービ
ン／ポンプ間クラッチ継手１０を、モータ９と循環ポン
プ３の間の回転軸上にモータ／ポンプ間クラッチ継手１
１を配置する構成となっており、上記以外は前述の第一
実施形態と同様であり、同一構成要素には同一符号を付
与して重複する説明を省略する。The difference between this embodiment and the first embodiment is that the circulation pump drive motor 9 is provided on the extension of the rotary shaft connecting the high pressure gas expansion turbine 2 and the circulation pump 3, and the high pressure gas expansion turbine 2 and the circulation are A turbine / pump clutch coupling 10 is provided on the rotating shaft between the pumps 3, and a motor / pump clutch coupling 1 is provided on the rotating shaft between the motor 9 and the circulation pump 3.
1 is arranged, and except for the above, it is the same as the above-described first embodiment, the same constituent elements are given the same reference numerals, and overlapping description will be omitted.
【００３２】この構成であれば、循環ポンプ３の回転数
を、タービン側クラッチ継手１０の面圧調整による動力
伝達率変化により、高圧ガス膨張タービン２の回転数に
対して独立に設定することができ、また高圧ガス膨張タ
ービン２で得られた軸回転動力が循環ポンプ３の要求動
力以下しかない場合にも、モータ９を作動させてモータ
側クラッチ継手１１で軸動力を伝達することで、循環ポ
ンプ３の要求回転数を保つことができ、つまり循環ポン
プ３によって圧送される流体の圧力や流量を自由に設定
することが可能となる。With this configuration, the rotation speed of the circulation pump 3 can be set independently of the rotation speed of the high-pressure gas expansion turbine 2 by changing the power transmission rate by adjusting the surface pressure of the turbine side clutch joint 10. Even if the shaft rotational power obtained by the high-pressure gas expansion turbine 2 is less than the required power of the circulation pump 3, the motor 9 is operated and the shaft power is transmitted by the motor side clutch joint 11 to circulate. The required rotation speed of the pump 3 can be maintained, that is, the pressure and flow rate of the fluid pumped by the circulation pump 3 can be freely set.
【００３３】これにより、循環流体利用機器６を高圧ガ
ス膨張タービン２の回転数に依存することなく常に最適
な状態で稼働させることができるため、燃料電池システ
ム全体の運転性、安定度がさらに向上することになる。As a result, the circulating fluid utilizing device 6 can always be operated in an optimum state without depending on the rotational speed of the high-pressure gas expansion turbine 2, so that the operability and stability of the entire fuel cell system are further improved. Will be done.
【００３４】また逆に、高圧ガス膨張タービン２で発生
する回転駆動力が、循環ポンプ３で要求される回転駆動
力を上回りエネルギ過剰となった場合には、二つのクラ
ッチ軸継手１０，１１での伝達割合を最大として、かつ
モータ９を発電機として利用することにより過剰分を電
気エネルギとして回収することが可能であり、これをバ
ッテリ等に蓄電することによりエネルギを無駄にするこ
とがなくなり、その結果として燃料電池システム全体の
エネルギ利用効率がさらに高まるという利点も有する。On the contrary, when the rotational driving force generated by the high-pressure gas expansion turbine 2 exceeds the rotational driving force required by the circulation pump 3 and energy becomes excessive, the two clutch shaft couplings 10 and 11 are used. It is possible to recover the excess as electric energy by maximizing the transmission ratio of the electric power and using the motor 9 as a generator, and by storing this in a battery or the like, energy is not wasted, As a result, there is an advantage that the energy utilization efficiency of the entire fuel cell system is further enhanced.
【００３５】図３は、本発明に係る燃料電池システムの
第三実施形態を示す構成概略図であり、請求項４に記載
の発明に対応する。FIG. 3 is a schematic structural view showing a third embodiment of the fuel cell system according to the present invention and corresponds to the invention described in claim 4.
【００３６】本実施形態と第二実施形態との相違は、高
圧燃料ガスタンク１の内圧を検出する高圧燃料ガスタン
ク内圧センサ１２があり、このセンサ１２からのタンク
内圧信号および燃料電池システムの各運転状態信号数値
をコントロールユニット１３に取り込み、内部でソフト
ウエア的に演算された制御出力信号をモータ９、クラッ
チ軸継手１０，１１、減圧弁（圧力レギュレータ）４等
に送信して各部を統合制御する構成となっており、上記
以外は前述の第二実施形態と同様であり、同一構成要素
には同一符号を付与して重複する説明を省略する。The difference between the present embodiment and the second embodiment is that there is a high-pressure fuel gas tank internal pressure sensor 12 for detecting the internal pressure of the high-pressure fuel gas tank 1, the tank internal pressure signal from this sensor 12 and each operating state of the fuel cell system. A configuration in which signal numerical values are taken into the control unit 13 and a control output signal internally calculated by software is transmitted to the motor 9, the clutch shaft couplings 10 and 11, the pressure reducing valve (pressure regulator) 4 and the like to integrally control each unit. Other than the above, the second embodiment is the same as the above-described second embodiment, and the same reference numerals are given to the same components to omit duplicate description.
【００３７】図４は、本第三実施形態における循環ポン
プ３の回転数を制御するためにコントロールユニット１
３が実行する制御フローチャートであり、以下にそのア
ルゴリズムを説明してゆく。FIG. 4 shows a control unit 1 for controlling the rotation speed of the circulation pump 3 in the third embodiment.
3 is a control flow chart executed by No. 3, and its algorithm will be described below.
【００３８】ステップＳ１１で燃料電池システムの各部
からの運転状態を示す各信号、高圧燃料ガスタンク内圧
センサ１２の信号を読み込み、ステップＳ１２で循環ポ
ンプ３に要求される回転数が演算により決定される。ス
テップＳ１３に移って現在の循環ポンプ３の回転数と要
求回転数が比較され、既に等しい場合は回転数制御は終
了、異なる値となっている場合には次のステップＳ１４
に進んでタービン／ポンプ間クラッチ継手１０の面圧増
減を行う。In step S11, each signal indicating the operating state from each part of the fuel cell system and the signal of the high pressure fuel gas tank internal pressure sensor 12 are read, and in step S12 the rotational speed required for the circulation pump 3 is determined by calculation. In step S13, the current rotation speed of the circulation pump 3 and the required rotation speed are compared, and if they are already equal, the rotation speed control ends, and if they are different, the next step S14.
Then, the contact pressure of the turbine / pump clutch joint 10 is increased / decreased.
【００３９】ステップＳ１５で再び回転数の現在値と要
求値の比較を行い、等しくなったら制御は終了する。等
しくない場合は次のステップＳ１６でクラッチ継手１０
がフリー（伝達トルクゼロ）になっているかどうかが判
定される。フリーでない場合は、ステップＳ１７におい
て今度はクラッチ継手１０が直結（伝達トルク１００
％）になっているかどうかの判定がなされる。直結にな
っていないと判定された場合には、まだクラッチ継手１
０の面圧調整によるポンプ回転数制御範囲が残っている
ので、ステップＳ１４に戻って再び面圧増減を行う。In step S15, the present value of the number of revolutions is again compared with the required value, and if they are equal, the control ends. If they are not equal, in the next step S16, the clutch coupling 10
Is determined to be free (transmission torque is zero). If it is not free, the clutch joint 10 is directly connected (transmission torque 100
%) Is determined. If it is determined that the clutch is not directly connected, the clutch joint 1 is still
Since the pump rotational speed control range by adjusting the surface pressure of 0 remains, the process returns to step S14 to increase or decrease the surface pressure again.
【００４０】ステップＳ１６でクラッチがフリーになっ
たと判定された場合と、ステップＳ１７でクラッチが直
結状態になったと判定された場合には、もはやクラッチ
継手１０の面圧増減によって可能なポンプ回転数制御範
囲を超えたと判断されて、次のステップＳ１８に移る。When it is determined in step S16 that the clutch is free, and when it is determined in step S17 that the clutch is in the direct engagement state, the pump rotational speed control that can be performed by increasing / decreasing the surface pressure of the clutch joint 10 is no longer possible. When it is determined that the range has been exceeded, the routine goes to the subsequent Step S18.
【００４１】ステップＳ１８では回転数の現在値が要求
値より大きいかを判定し、大きい場合にはその回転数の
超過分をエネルギとして回収可能であるので、ステップ
Ｓ２１でポンプ駆動用モータ９を発電機として使うべく
発電モードに切り替え、モータ９で発電した余剰電力を
バッテリ等に充電し始める。In step S18, it is determined whether or not the current value of the rotation speed is larger than the required value. If it is larger, the excess of the rotation speed can be recovered as energy, so that the pump drive motor 9 is generated in step S21. In order to use it as a machine, it switches to the power generation mode and starts charging the battery or the like with the surplus power generated by the motor 9.
【００４２】次にステップＳ２２でモータ９へより多く
のエネルギを吸収させるために、モータ／ポンプ間クラ
ッチ継手１１の面圧を増加させる。ステップＳ２３にて
ポンプ回転数の現在値と要求値が比較され、まだ差があ
る場合には更なるクラッチ面圧増加が必要と判定され
て、ステップＳ２２に戻る。Next, in step S22, the surface pressure of the motor / pump clutch joint 11 is increased in order to allow the motor 9 to absorb more energy. In step S23, the current value of the pump rotation speed is compared with the required value, and if there is still a difference, it is determined that a further increase in clutch surface pressure is necessary, and the process returns to step S22.
【００４３】またステップＳ１８で回転数の現在値が要
求値に対して等しいかそれ以下となっていた場合には、
ステップＳ１９にて今度は現在値が要求値に対して下回
っているか、等しいかを判定する。等しくなった場合に
は制御は終了となるが、現在値の方が低いと判定された
時には、要求される回転数まで上昇させるために追加の
ポンプ駆動力が必要となっているので、ステップＳ３１
に進んでポンプ駆動用モータ９に通電を行い回転を開始
する。If the current value of the number of revolutions is equal to or less than the required value in step S18,
In step S19, it is determined whether the current value is lower than or equal to the required value. When they become equal, the control ends, but when it is determined that the current value is lower, the additional pump driving force is required to increase to the required number of rotations, so step S31.
Then, the pump drive motor 9 is energized to start rotation.
【００４４】次にステップＳ３２でモータ９からポンプ
３へ伝達駆動力をより大きくすべくモータ／ポンプ間ク
ラッチ継手１１の面圧を増加させる。ステップＳ３３に
てポンプ回転数の現在値と要求値が比較され、まだ差が
ある場合には更なるクラッチ面圧増加が必要と判定され
て、ステップＳ３２に戻る。Next, in step S32, the surface pressure of the motor / pump clutch joint 11 is increased in order to increase the transmission driving force from the motor 9 to the pump 3. In step S33, the current value of the pump speed and the required value are compared, and if there is still a difference, it is determined that a further increase in clutch surface pressure is necessary, and the process returns to step S32.
【００４５】ステップＳ２３、またはステップＳ３３に
て現在のポンプ回転数が要求値と等しくなったら、もは
やモータ９による回転数制御は不要であるので、ステッ
プＳ２４にてモータ／ポンプ間クラッチ継手をフリー
（面圧ゼロ）にして制御を終了する。When the current pump rotational speed becomes equal to the required value in step S23 or step S33, the rotational speed control by the motor 9 is no longer necessary, so in step S24 the motor / pump clutch joint is released ( The surface pressure is set to zero) and the control ends.
【００４６】上述の構成と制御方法であれば、燃料電池
システムがどのような運転状態にあっても、さらに高圧
燃料ガスタンク内圧がどのような圧力条件であっても、
ポンプ３の回転数を常に最適な値を維持することができ
るようになるため、燃料電池システム全体でのエネルギ
利用効率がさらに一層高まることが期待できる。With the above-described configuration and control method, no matter what operating condition the fuel cell system has, and whatever pressure condition the internal pressure of the high-pressure fuel gas tank is,
Since the rotation speed of the pump 3 can always be maintained at the optimum value, it can be expected that the energy utilization efficiency of the entire fuel cell system is further improved.
【００４７】図５は、本発明に係る燃料電池システムの
第四実施形態を示す構成概略図であり、請求項６に記載
の発明に対応する。FIG. 5 is a schematic structural view showing a fourth embodiment of the fuel cell system according to the present invention and corresponds to the invention described in claim 6.
【００４８】本実施形態と第三実施形態との相違は、高
圧ガス膨張タービン２の出口側近くに熱交換器１４を設
け、この熱交換器１４によって高圧ガス膨張タービン２
通過直後の燃料ガスと低温流体配管１５を流れる熱媒流
体との間で熱交換が可能となっている。熱を受け取った
熱媒流体は低温流体循環ポンプ１７によって低温流体配
管１５中を循環し、その途中にある低温流体利用機器１
６にて流体の冷熱が利用される。上記以外は前述の第三
実施形態と同じである。The difference between this embodiment and the third embodiment is that a heat exchanger 14 is provided near the outlet side of the high pressure gas expansion turbine 2 and the heat exchanger 14 allows the high pressure gas expansion turbine 2 to operate.
It is possible to exchange heat between the fuel gas immediately after passing and the heat medium fluid flowing through the low temperature fluid pipe 15. The heat transfer fluid that has received the heat is circulated in the low temperature fluid pipe 15 by the low temperature fluid circulation pump 17, and the low temperature fluid utilizing apparatus 1 in the middle of the circulation.
At 6 the cold heat of the fluid is utilized. Other than the above, it is the same as the third embodiment described above.
【００４９】この構成であれば、高圧の燃料ガスがター
ビン２を通過してほぼ断熱的に膨張、圧力降下するとき
に、ジュール・トムソン効果により低温になった燃料ガ
スの冷熱を回収して燃料電池システム内の冷熱利用機器
あるいは装置冷却に有効利用することができるため、従
来必要だった冷却装置用動力の省力化、あるいはゼロ化
が可能となり、これらは燃料電池システム全体の熱マネ
ージメントの効率向上をもたらし、エネルギ利用効率を
さらに高める効果が期待される。With this structure, when the high-pressure fuel gas passes through the turbine 2 and expands adiabatically and drops in pressure, the cold heat of the fuel gas that has become low in temperature due to the Joule-Thomson effect is recovered and the fuel is recovered. Since it can be effectively used for cooling equipment or equipment that uses cold heat in the battery system, it is possible to reduce the power required for the cooling device, which was previously necessary, or to eliminate it, which improves the efficiency of heat management of the entire fuel cell system. And the effect of further increasing energy utilization efficiency is expected.
【００５０】図６は、第四実施形態の変形例を説明する
構成概略図である。図５の第四実施形態との相違は、低
温流体配管１５，低温流体利用機器１６，低温流体循環
ポンプ１７を備えず、中圧燃料ガスと循環ポンプ３によ
り圧送される流体との間で熱交換器１４により熱交換す
るようにしている。FIG. 6 is a schematic diagram for explaining a modification of the fourth embodiment. The difference from the fourth embodiment of FIG. 5 is that the low-temperature fluid pipe 15, the low-temperature fluid utilization device 16 and the low-temperature fluid circulation pump 17 are not provided, and heat is generated between the medium-pressure fuel gas and the fluid pumped by the circulation pump 3. The heat is exchanged by the exchanger 14.
【００５１】図７は、本発明に係る燃料電池システムの
第五実施形態を示す構成概略図であり、請求項５に記載
の発明に対応する。FIG. 7 is a schematic structural view showing a fifth embodiment of the fuel cell system according to the present invention and corresponds to the invention described in claim 5.
【００５２】本実施形態では、燃料電池スタック５を通
過した余剰の燃料ガスを燃料ガス再循環配管１９からポ
ンプ３の吸入口に導き、加圧して燃料電池スタック５の
燃料ガス供給口に再び戻す構成をしており、その途中に
一方向弁２０を配置することでポンプ吐出側に燃料ガス
が逆流しないようになっている。また燃料電池スタック
５の排気口下流には、燃料ガスをシステム外に放出する
ことで燃料電池スタック５内のガス通路のパージ作用を
促進する燃料ガスパージ弁１８が設置されており、上記
以外は前述の第三実施形態と同じである。In this embodiment, the surplus fuel gas that has passed through the fuel cell stack 5 is guided from the fuel gas recirculation pipe 19 to the suction port of the pump 3, pressurized and returned to the fuel gas supply port of the fuel cell stack 5 again. The one-way valve 20 is arranged in the middle of the structure so that the fuel gas does not flow back to the pump discharge side. A fuel gas purge valve 18 is installed downstream of the exhaust port of the fuel cell stack 5 to expel the purge action of the gas passage in the fuel cell stack 5 by releasing the fuel gas to the outside of the system. Is the same as the third embodiment.
【００５３】この構成であれば、燃料電池スタック５で
電気エネルギに変換されることなく通過してガス排気口
側に流出してきた燃料ガスの大部分を、システム外に捨
てることなく燃料電池スタック５にて発電用として再利
用できるため、パージ弁１８を開いて燃料ガスを無駄に
放出する頻度を極力抑えることが可能となるため、燃料
電池システムの燃料消費率が大幅に改善される。With this structure, most of the fuel gas that has passed through the fuel cell stack 5 without being converted into electric energy and has flowed out to the gas exhaust port side is not thrown out of the system, and the fuel cell stack 5 is not discharged. Since it can be reused for power generation, the frequency of wasteful discharge of the fuel gas by opening the purge valve 18 can be suppressed to the utmost, so that the fuel consumption rate of the fuel cell system is significantly improved.
【００５４】また、燃料電池スタック５は内部の燃料ガ
スの微細な通路が、電気化学的反応をすることで発生す
る水によって塞がれてしまって、各セルでの起電力が低
下するのを防止する目的で、従来は間欠的にパージ弁１
８を開き、燃料電池スタック５内の微細通路の通過ガス
流速を高くして通路内の滞留水を吹き飛ばす動作をして
いたのに対し、この図７の構成であれば、他に新たな動
力源を用意することなくガスの再循環による微細通路を
通過するガス量を増加することで上述の水飛ばし効果が
ほぼ連続的に得られるので、燃料電池スタック５による
発電量が安定化し、燃料電池システムの運転性が向上す
るという効果がある。Further, in the fuel cell stack 5, the minute passages of the fuel gas inside are blocked by the water generated by the electrochemical reaction, and the electromotive force in each cell is lowered. For the purpose of prevention, conventionally, the purge valve 1 is intermittently used.
8 was opened and the flow velocity of the passing gas in the fine passages in the fuel cell stack 5 was increased to blow away the accumulated water in the passages. By increasing the amount of gas passing through the fine passages by recirculating the gas without preparing a source, the above-mentioned water splashing effect can be obtained almost continuously, so that the power generation amount by the fuel cell stack 5 is stabilized and the fuel cell stack is stabilized. This has the effect of improving the drivability of the system.
【００５５】なお上記各実施形態は、燃料ガスを高圧で
貯蔵するシステムで、燃料供給間に、燃料ガスの流れに
よって作動するタービンを設けた例を紹介したが、本発
明はこれに限らず、酸化剤ガスを高圧で貯蔵する装置、
酸化剤ガスを減圧させる減圧手段を備えた燃料電池シス
テムに用いることも出来る。その場合には、酸化剤ガス
を高圧で貯蔵する装置と燃料電池スタック間の酸化剤供
給管に、酸化剤ガスの流れによって作動するタービンを
設け、タービンの軸回転運動によって駆動されて流体を
加圧または送出する圧縮機またはポンプを設けると良
い。In each of the above embodiments, a system for storing fuel gas at high pressure was introduced, and an example in which a turbine operated by the flow of fuel gas was provided between fuel supplies was introduced, but the present invention is not limited to this. A device for storing oxidant gas at high pressure,
It can also be used in a fuel cell system provided with a pressure reducing means for reducing the pressure of the oxidant gas. In that case, a turbine operated by the flow of the oxidant gas is provided in the oxidant supply pipe between the device for storing the oxidant gas at high pressure and the fuel cell stack, and the turbine is driven by the rotational movement of the turbine to add the fluid. A compressor or pump for pressure or delivery may be provided.
【図１】本発明に係る燃料電池システムの第一実施形態
の構成を示す概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a first embodiment of a fuel cell system according to the present invention.
【図２】本発明に係る燃料電池システムの第二実施形態
の構成を示す概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing the configuration of a second embodiment of the fuel cell system according to the present invention.
【図３】本発明に係る燃料電池システムの第三実施形態
の構成を示す概略図である。FIG. 3 is a schematic diagram showing the configuration of a third embodiment of the fuel cell system according to the present invention.
【図４】第三実施形態における循環ポンプ回転数制御を
説明するフローチャートである。FIG. 4 is a flowchart illustrating circulation pump rotation speed control in a third embodiment.
【図５】本発明に係る燃料電池システムの第四実施形態
の構成を示す概略図である。FIG. 5 is a schematic diagram showing the configuration of a fourth embodiment of the fuel cell system according to the present invention.
【図６】第四実施形態の変形例を説明する構成概略図で
ある。FIG. 6 is a schematic configuration diagram illustrating a modified example of the fourth embodiment.
【図７】本発明に係る燃料電池システムの第五実施形態
の構成を示す概略図である。FIG. 7 is a schematic diagram showing the configuration of a fifth embodiment of the fuel cell system according to the present invention.
【図８】本発明が適用される固体高分子電解質型燃料電
池（ＰＥＦＣ）における単位セル電池の構成を説明する
模式断面図である。FIG. 8 is a schematic cross-sectional view illustrating the configuration of a unit cell battery in a solid polymer electrolyte fuel cell (PEFC) to which the present invention is applied.
１…高圧燃料ガスタンク ２…高圧ガス膨張タービン ３…循環ポンプ ４…減圧弁 ５…燃料電池スタック ６…循環流体利用機器 ７ａ…高圧燃料ガス配管 ７ｂ…中圧燃料ガス配管 ７ｃ…低圧燃料ガス配管 ８…循環流体配管 1 ... High-pressure fuel gas tank 2 ... High-pressure gas expansion turbine 3 ... Circulation pump 4 ... Pressure reducing valve 5 ... Fuel cell stack 6. Circulating fluid utilization equipment 7a ... High-pressure fuel gas piping 7b ... Medium pressure fuel gas piping 7c ... Low-pressure fuel gas pipe 8 ... Circulating fluid piping
Claims (6)
する高圧ガス貯蔵装置と、前記高圧の燃料ガスまたは酸
化剤ガスを減圧して燃料電池スタックへ供給する減圧手
段と、を備えた燃料電池システムにおいて、 前記高圧ガス貯蔵装置と前記電池スタック間との燃料供
給管または酸化剤供給管に、前記燃料ガスまたは酸化剤
ガスの流れによって作動するタービンを設け、 該タービンの軸回転運動によって駆動されて流体を加圧
または送出する圧縮機またはポンプを備えたことを特徴
とする燃料電池システム。1. A fuel cell comprising: a high-pressure gas storage device for storing a fuel gas or an oxidant gas at a high pressure; and a decompression means for decompressing the high-pressure fuel gas or the oxidant gas and supplying the decompressed fuel gas or the oxidant gas to a fuel cell stack. In the system, a turbine operated by a flow of the fuel gas or the oxidant gas is provided in a fuel supply pipe or an oxidant supply pipe between the high-pressure gas storage device and the cell stack, and the turbine is driven by an axial rotation motion of the turbine. A fuel cell system comprising a compressor or a pump for pressurizing or delivering a fluid.
モータを備えたことを特徴とする請求項１に記載の燃料
電池システム。2. The fuel cell system according to claim 1, further comprising a drive motor that drives the compressor or the pump.
との間に、軸回転力の伝達割合を変化可能な第１の継手
を備え、 前記圧縮機またはポンプと前記駆動モータの間に、軸回
転力の伝達割合を変化可能な第２の継手を備えたことを
特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。3. A first joint between the turbine and the compressor or pump, the first joint being capable of changing a transmission ratio of a shaft rotational force, wherein a shaft rotation is provided between the compressor or pump and the drive motor. The fuel cell system according to claim 2, further comprising a second joint capable of changing a force transmission rate.
る圧力検出手段を備え、 当該燃料電池システムの運転状態と前記高圧ガス貯蔵装
置内の圧力に応じて、前記第１及び第２の継手における
各々の伝達割合、および前記駆動モータの回転を制御す
ることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システ
ム。4. The first and second joints comprising pressure detection means for detecting a pressure in the high-pressure gas storage device, the first and second joints being in accordance with an operating state of the fuel cell system and a pressure in the high-pressure gas storage device. 4. The fuel cell system according to claim 3, wherein each of the transmission ratios in the above and the rotation of the drive motor are controlled.
たは送出される流体として、前記電池スタックのガス排
気口から排出される余剰の燃料ガス、あるいは酸化剤ガ
スを利用し、前記圧縮機またはポンプによって前記電池
スタックのガス供給口に再循環させることが可能な構成
を備えていることを特徴とする請求項２乃至請求項４の
何れか１項に記載の燃料電池システム。5. The excess fuel gas or oxidant gas exhausted from the gas exhaust port of the cell stack is used as the fluid pressurized or delivered by the compressor or pump, and the excess fuel gas or oxidant gas is used by the compressor or pump. The fuel cell system according to any one of claims 2 to 4, wherein the fuel cell system has a configuration capable of being recirculated to a gas supply port of the cell stack.
を設置し、前記タービン通過後のガスと他の流体との間
で熱交換を行うことが可能な構成を備えていることを特
徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の燃
料電池システム。6. A heat exchanger is installed immediately after the gas outlet of the turbine, and heat exchange is performed between the gas after passing through the turbine and another fluid. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 5.
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