JP2005346949A - Fuel cell system - Google Patents

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Ryuta Kawaguchi
竜太 川口
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To aim at simplification and downsizing of a system as a whole by restraining power consumption, noise, and vibration. <P>SOLUTION: It is so constructed that a hydrogen circulation pump 5 in a hydrogen circulation system and an air compressor 6 in an air supply system are driven by the same drive motor 11. Further, an individual revolution control pulley 9, 10 each is fitted to the hydrogen circulation pump 5 and the air compressor 6, and moreover, a thermometer 14, 15 each is provided between the hydrogen circulation pump 5 and an anode 1a side outlet of a fuel cell 1 and at a cathode 1b side outlet of the fuel cell 1. Then, by relatively changing a diameter of the pulley 9 and that of the pulley 10 at a position where a drive power conveying belt 13 is overhung, ratio of revolutions of the hydrogen circulation pump 5 and the air compressor 6 to the drive motor 11 is enabled to be individually controlled. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、水素循環ポンプ等の燃料ガス循環ポンプとエアコンプレッサ等の酸化剤ガス供給装置とを備えた水素循環方式の燃料電池システムに関するものである。   The present invention relates to a hydrogen circulation fuel cell system including a fuel gas circulation pump such as a hydrogen circulation pump and an oxidant gas supply device such as an air compressor.

燃料電池システムは、燃料電池の燃料極（アノード）に水素を含む燃料ガス、酸化剤極（カソード）に空気等の酸化剤ガスをそれぞれ供給し、これら燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素とを燃料電池内において電気化学的に反応させて発電電力を得るものである。   The fuel cell system supplies a fuel gas containing hydrogen to the fuel electrode (anode) of the fuel cell and an oxidant gas such as air to the oxidant electrode (cathode), respectively. The hydrogen in the fuel gas and the oxidant gas Oxygen reacts electrochemically in the fuel cell to obtain generated power.

このような燃料電池システムでは、燃料電池内部の全ての領域で均等に電気化学反応を生じさせて効率の良い発電を行わせるために、燃料電池のアノードには、要求される発電量に見合う水素量よりも多目の水素を供給するのが一般的である。このとき、燃料電池のアノードから排出されるガスには、発電に使用されなかった未使用の水素が多く含まれており、このアノード排ガスをそのまま外部に排出したのでは水素の利用効率が悪く、燃費の低下に繋がることになる。そこで、従来より、燃料電池のアノードから排出される未使用の水素を循環させて再利用する水素循環方式の燃料電池システムが種々提案されている（例えば、特許文献１等を参照。）。   In such a fuel cell system, in order to generate an electrochemical reaction evenly in all areas inside the fuel cell and perform efficient power generation, the anode of the fuel cell has hydrogen corresponding to the required power generation amount. It is common to supply more hydrogen than the amount. At this time, the gas discharged from the anode of the fuel cell contains a lot of unused hydrogen that was not used for power generation, and if the anode exhaust gas was discharged to the outside as it was, the utilization efficiency of hydrogen was poor, This will lead to a reduction in fuel consumption. Thus, various hydrogen circulation type fuel cell systems that circulate and reuse unused hydrogen discharged from the anode of the fuel cell have been proposed (see, for example, Patent Document 1).

特許文献１には、燃料電池のアノードから排出される水素を燃料ガス循環ポンプ（水素ポンプ）により循環させ、水素供給源からの水素と混合させて燃料電池のアノードに供給するとともに、フィルタで濾過した空気を酸化剤ガス供給装置（ブロワ）により燃料電池のカソードに送り込む構成の燃料電池システムが記載されている。この特許文献１に記載の燃料電池システムのように、水素循環方式の燃料電池システムでは、水素を循環させて燃料電池のアノードに供給するための燃料ガス循環ポンプや、酸化剤ガス（空気）を燃料電池のカソードに供給するためのブロアやエアコンプレッサ等の酸化剤ガス供給装置が必須の構成要素となるが、これまで、これら燃料ガス循環ポンプと酸化剤ガス供給装置とは、それぞれ個別の駆動系によって駆動されるようになっていた。
特開２００２−３２４５６０号公報 In Patent Document 1, hydrogen discharged from the anode of the fuel cell is circulated by a fuel gas circulation pump (hydrogen pump), mixed with hydrogen from a hydrogen supply source, supplied to the anode of the fuel cell, and filtered through a filter. A fuel cell system is described in which the air is fed to the cathode of the fuel cell by an oxidant gas supply device (blower). Like the fuel cell system described in Patent Document 1, in a hydrogen circulation type fuel cell system, a fuel gas circulation pump for circulating hydrogen and supplying it to the anode of the fuel cell, or an oxidant gas (air) is used. An oxidant gas supply device such as a blower or an air compressor for supplying to the cathode of the fuel cell is an essential component. Until now, these fuel gas circulation pumps and oxidant gas supply devices are individually driven. It was supposed to be driven by the system.
JP 2002-324560 A

ところで、水素循環方式の燃料電池システムにおいて必須の構成要素である燃料ガス循環ポンプや酸化剤ガス供給装置は、装置自体の電力消費が比較的大きいという問題があり、従来のようにこれらを個別の駆動系で駆動するようにすると、結果として燃料電池システムの総発電量が減少してしまうことになる。また、前記駆動系は、一般に作動時の音や振動が大きいため、駆動系の数が多ければそれだけ騒音等の原因となり、定置用、車載用の何れにおいても問題となる。さらに、燃料ガス循環ポンプの駆動系と酸化剤ガス供給装置の駆動系とが別々であると、２つの駆動系それぞれに対してスペースの確保が必要であり、燃料電池システムの小型化を図る上での障害となるという問題もある。   Incidentally, the fuel gas circulation pump and the oxidant gas supply device, which are essential components in the hydrogen circulation type fuel cell system, have a problem that the power consumption of the device itself is relatively large. Driving with the drive system results in a decrease in the total amount of power generated by the fuel cell system. In addition, since the drive system generally generates a large amount of sound and vibration during operation, a large number of drive systems causes noise and the like, and causes problems for both stationary and in-vehicle use. Furthermore, if the drive system for the fuel gas circulation pump and the drive system for the oxidant gas supply device are separate, it is necessary to secure a space for each of the two drive systems, so as to reduce the size of the fuel cell system. There is also a problem that it becomes an obstacle in.

本発明は、以上のような従来の実情に鑑みて創案されたものであって、電力消費量を抑制して総発電量を十分に確保することができ、システム全体の簡素化及び小型化が可能で、騒音や振動も少ない燃料電池システムを提供することを目的としている。   The present invention was devised in view of the conventional situation as described above, and can sufficiently secure a total power generation amount by suppressing power consumption, thereby simplifying and downsizing the entire system. The object is to provide a fuel cell system that is capable of reducing noise and vibration.

本発明の燃料電池システムは、燃料電池のアノードから排出された燃料ガスを循環させて燃料電池のアノードへ再度供給するための燃料ガス循環ポンプと、燃料電池のカソードへ酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給装置とを備えている。このような燃料電池システムにおいて、本発明では、前記目的を達成すべく、燃料ガス循環ポンプと酸化剤ガス供給装置とが同一の駆動モータにより駆動されるようにした。   The fuel cell system of the present invention circulates the fuel gas discharged from the anode of the fuel cell and supplies it again to the anode of the fuel cell, and supplies the oxidant gas to the cathode of the fuel cell. And an oxidant gas supply device. In such a fuel cell system, in the present invention, in order to achieve the above object, the fuel gas circulation pump and the oxidant gas supply device are driven by the same drive motor.

燃料ガス循環ポンプと酸化剤ガス供給装置とで駆動モータを兼用とすれば、２台必要であった駆動モータが１台で済むので、その分駆動モータでの消費電力が削減され、燃料電池システムの総発電量の減少が最低限で済む。また、駆動モータの数を減らせるので、その分、騒音や振動が抑えられるとともに、省スペース化及びシステム構成の簡素化、小型化が実現されることになる。   If the fuel gas circulation pump and the oxidant gas supply device also serve as a drive motor, only one drive motor is required, so the power consumption of the drive motor is reduced accordingly, and the fuel cell system The decrease in total power generation is minimal. Further, since the number of drive motors can be reduced, noise and vibration can be suppressed correspondingly, and space saving, simplification of the system configuration, and miniaturization can be realized.

また、本発明では、同一の駆動モータによる燃料ガス循環ポンプ及び酸化剤ガス供給装置の駆動を実現するにあたって、その詳細構造、制御手法を提案する。具体的には、燃料ガス循環ポンプ及び酸化剤ガス供給装置には、それぞれ駆動モータに対する回転数比を変化させる変速手段を設けることとし、さらには、燃料ガス循環ポンプと燃料電池のアノード側出口の間、及び燃料電池のカソード側出口にそれぞれ温度計を設け、これら温度計によって検出された温度に応じて前記回転数比を変更するようにしている。   Further, the present invention proposes a detailed structure and control method for realizing the driving of the fuel gas circulation pump and the oxidant gas supply device by the same drive motor. Specifically, the fuel gas circulation pump and the oxidant gas supply device are each provided with speed change means for changing the rotation speed ratio with respect to the drive motor, and further, the fuel gas circulation pump and the anode side outlet of the fuel cell. Thermometers are provided in the middle and at the cathode side outlet of the fuel cell, respectively, and the rotation speed ratio is changed according to the temperature detected by these thermometers.

燃料電池のアノード側の経路は循環経路になっており、閉じた経路になっているため、燃料電池の温度上昇とともに水蒸気や窒素が経路内に溜まり、燃料電池に供給する水素供給量を酸素供給量よりも多くする必要が出てくる。このとき、駆動モータを兼用し、水素循環ポンプ及びエアーコンプレッサの回転数を常時同回転数で制御した場合、燃料電池への水素供給量が不足する事態に陥り、必要電流を取り出すことが不可能な状態になるという問題点がある。   The anode side of the fuel cell is a circulation route and is a closed route. As the temperature of the fuel cell rises, water vapor and nitrogen accumulate in the route, and the amount of hydrogen supplied to the fuel cell is supplied with oxygen. It will be necessary to make more than the amount. At this time, if the drive motor is also used and the rotation speed of the hydrogen circulation pump and the air compressor is always controlled at the same rotation speed, the hydrogen supply amount to the fuel cell will be insufficient and the necessary current cannot be extracted. There is a problem that it will be in a state.

本発明の燃料電池システムでは、燃料電池のアノード側出口の間、及び燃料電池のカソード側出口にそれぞれ温度計を設け、それぞれアノード経路、カソード経路内の水蒸気・窒素分圧を計算するための温度測定を行うようにしており、それに応じて燃料ガス循環ポンプ及び酸化剤ガス供給装置の個別の回転数制御が実現されるので、状態に応じてそれぞれのガスがタイムリーに必要量だけ燃料電池に供給されることになる。   In the fuel cell system of the present invention, thermometers are provided between the anode outlet of the fuel cell and at the cathode outlet of the fuel cell, respectively, and temperatures for calculating water vapor / nitrogen partial pressures in the anode passage and the cathode passage, respectively. Measurements are performed, and the individual rotation speed control of the fuel gas circulation pump and the oxidant gas supply device is realized accordingly, so that only the required amount of each gas is supplied to the fuel cell in a timely manner according to the state. Will be supplied.

本発明の燃料電池システムによれば、同一の駆動モータで燃料ガス循環ポンプと酸化剤ガス供給措置との双方を駆動させるようにしているので、電力消費量を抑制することが可能であり、総発電量を十分に確保することが可能である。また、駆動モータが共用されることにより、システム構成の簡素化や小型化を実現することができ、騒音や振動の低減を図ることも可能となる。   According to the fuel cell system of the present invention, since both the fuel gas circulation pump and the oxidant gas supply measure are driven by the same drive motor, it is possible to reduce the power consumption. It is possible to secure a sufficient amount of power generation. Further, by sharing the drive motor, the system configuration can be simplified and downsized, and noise and vibration can be reduced.

さらに、本発明の燃料電池システムによれば、簡単な機構によって燃料ガス循環ポンプ及び酸化剤ガス供給装置の回転数を各々個別に制御することができ、燃料電池の状態に応じて各ガスをタイムリーに必要量だけ燃料電池に供給することができる。したがって、例えば水素供給量の不足により燃料電池から必要電流を取り出すことができなくなるというような事態を未然に回避することができる。   Furthermore, according to the fuel cell system of the present invention, the rotation speeds of the fuel gas circulation pump and the oxidant gas supply device can be individually controlled by a simple mechanism, and each gas is timed according to the state of the fuel cell. The fuel cell can be supplied only in the required amount. Therefore, for example, a situation in which the necessary current cannot be taken out from the fuel cell due to a shortage of the hydrogen supply amount can be avoided.

以下、本発明を適用した燃料電池システムの実施形態について、図面を参照して説明する。   Hereinafter, embodiments of a fuel cell system to which the present invention is applied will be described with reference to the drawings.

図１は、本実施形態の燃料電池システムの概略構成を示すものである。本実施形態の燃料電池システムは、図１に示すように水素循環方式の燃料電池システムとして構成されており、主に、発電を行う燃料電池１と、この燃料電池１に燃料ガスである水素を供給する水素供給手段、酸化剤ガスである空気を供給する空気供給手段を備えている。   FIG. 1 shows a schematic configuration of the fuel cell system of the present embodiment. The fuel cell system according to the present embodiment is configured as a hydrogen circulation type fuel cell system as shown in FIG. 1. Mainly, the fuel cell 1 that generates power, and hydrogen that is a fuel gas are supplied to the fuel cell 1. Hydrogen supply means for supplying and air supply means for supplying air as an oxidant gas are provided.

燃料電池１は、水素が供給されるアノード１ａと、空気が供給されるカソード１ｂとが電解質を挟んで重ね合わされて構成される発電セルを主要な構成要素とするものであり、例えば、複数の発電セルが多段積層されたスタック構造とされている。   The fuel cell 1 includes a power generation cell in which an anode 1a to which hydrogen is supplied and a cathode 1b to which air is supplied are stacked with an electrolyte interposed therebetween, and includes, for example, a plurality of components. It has a stack structure in which power generation cells are stacked in multiple stages.

燃料電池１の各発電セルは、水素供給手段から供給される水素と空気供給手段から供給される空気中の酸素とによる電気化学反応により化学エネルギを電気エネルギに変換する。すなわち、各発電セルのアノード１ａでは、水素供給手段から水素が供給されることで水素イオンと電子とに解離する反応が起き、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、カソード１ｂ側にそれぞれ移動する。一方、カソード１ｂでは、空気供給手段から供給された空気中の酸素と前記水素イオン及び電子が反応して水が生成され、外部に排出される。   Each power generation cell of the fuel cell 1 converts chemical energy into electrical energy by an electrochemical reaction between hydrogen supplied from the hydrogen supply means and oxygen in the air supplied from the air supply means. That is, in the anode 1a of each power generation cell, a reaction that dissociates into hydrogen ions and electrons occurs when hydrogen is supplied from the hydrogen supply means, the hydrogen ions pass through the electrolyte, and the electrons pass through an external circuit to generate power. And move to the cathode 1b side. On the other hand, in the cathode 1b, oxygen in the air supplied from the air supply means reacts with the hydrogen ions and electrons to generate water, which is discharged to the outside.

燃料電池１の電解質としては、高エネルギ密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、例えば固体高分子電解質膜が用いられる。固体高分子電解質膜は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン（プロトン）伝導性の高分子膜からなるものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。   As the electrolyte of the fuel cell 1, for example, a solid polymer electrolyte membrane is used in consideration of high energy density, low cost, light weight, and the like. The solid polymer electrolyte membrane is made of an ion (proton) conductive polymer membrane such as a fluororesin ion exchange membrane, and functions as an ion conductive electrolyte when saturated with water.

水素供給手段は、燃料電池１の各発電セルのアノード側に水素を供給するためのものであり、例えば、水素タンク等の水素供給源２の他、水素供給流路３、及び水素循環系を有している。また、水素循環系は、水素循環流路４及び水素循環ポンプ（燃料ガス循環ポンプ）５を有している。この水素供給手段では、水素供給源２から供給される燃料ガスとしての水素は、例えば水素調圧弁（図示は省略する。）で所望の圧力に調圧された上で、水素供給流路３を通って燃料電池１のアノード１ａに送り込まれる。また、燃料電池１に供給された水素はそのときの発電で全て消費されるわけではなく、残った水素（燃料電池１のアノード１ａから排出されるアノード排ガス）は、水素循環流路４を通って水素循環ポンプ５により循環され、新たに水素供給源２から供給される水素と混合されて、再び燃料電池１のアノード１ａに供給される。   The hydrogen supply means is for supplying hydrogen to the anode side of each power generation cell of the fuel cell 1. For example, in addition to the hydrogen supply source 2 such as a hydrogen tank, the hydrogen supply flow path 3 and the hydrogen circulation system are provided. Have. The hydrogen circulation system has a hydrogen circulation channel 4 and a hydrogen circulation pump (fuel gas circulation pump) 5. In this hydrogen supply means, hydrogen as a fuel gas supplied from the hydrogen supply source 2 is regulated to a desired pressure by, for example, a hydrogen pressure regulating valve (not shown), and then passed through the hydrogen supply channel 3. It is sent to the anode 1a of the fuel cell 1 through. Further, not all of the hydrogen supplied to the fuel cell 1 is consumed by the power generation at that time, and the remaining hydrogen (anode exhaust gas discharged from the anode 1 a of the fuel cell 1) passes through the hydrogen circulation channel 4. Then, it is circulated by the hydrogen circulation pump 5, newly mixed with hydrogen supplied from the hydrogen supply source 2, and supplied again to the anode 1 a of the fuel cell 1.

一方、空気供給手段は、外気を吸入して燃料電池１のカソード１ｂに空気を圧送するためのエアコンプレッサ６（空気供給装置）と、必要に応じてマイクロダストや硫黄分、エアコンプレッサ６から排出されるオイル等をトラップするフィルタ（図示は省略する。）等が設けられた空気供給流路７と、燃料電池１のカソード１ｂから排出されるカソード排ガスを外気へ放出するための空気排気流路８とを有している。そして、この空気供給手段では、エアコンプレッサ６によって空気供給流路７に空気が圧送され、必要に応じて加湿装置等により加湿された後、燃料電池１のカソード１ｂに供給される。また、燃料電池１で消費されなかった酸素及び空気中の他の成分は、空気排気流路８から外気に放出される。なお、空気供給装置としては、エアコンプレッサ６以外にも、ブロア等のモータを駆動源として空気供給を行う他の装置を採用するようにしてもよい。   On the other hand, the air supply means exhausts air from the air compressor 6 (air supply device) for sucking outside air and pumping the air to the cathode 1b of the fuel cell 1; An air supply flow path 7 provided with a filter (not shown) for trapping oil and the like, and an air exhaust flow path for discharging cathode exhaust gas discharged from the cathode 1b of the fuel cell 1 to the outside air 8. In this air supply means, air is pumped to the air supply flow path 7 by the air compressor 6, and is humidified by a humidifier or the like as necessary, and then supplied to the cathode 1 b of the fuel cell 1. Further, oxygen and other components in the air that have not been consumed in the fuel cell 1 are released from the air exhaust passage 8 to the outside air. In addition to the air compressor 6, other devices that supply air using a motor such as a blower as a drive source may be employed as the air supply device.

以上が本実施形態の燃料電池システムの基本的な構成であるが、次に、前記水素供給手段の水素循環系における水素循環ポンプ５及び空気供給手段におけるエアコンプレッサ６の駆動構造について説明する。   The above is the basic configuration of the fuel cell system of the present embodiment. Next, the drive structure of the hydrogen circulation pump 5 in the hydrogen circulation system of the hydrogen supply means and the air compressor 6 in the air supply means will be described.

前記水素循環ポンプ５やエアコンプレッサ６は、いずれも駆動モータによって回転軸を回転駆動することにより動作する。したがって、通常は、水素循環ポンプ５やエアコンプレッサ６の回転軸に取り付けられたプーリと駆動用モータの駆動軸に取り付けられたプーリ間に駆動力伝達用のベルトを掛け渡し、駆動用モータの回転を水素循環ポンプ５やエアコンプレッサ６の回転軸に伝達し、これらの回転軸を回転駆動して水素の循環、あるいは空気の供給を行う。   Both the hydrogen circulation pump 5 and the air compressor 6 operate by rotating the rotation shaft by a drive motor. Therefore, normally, a driving force transmission belt is placed between a pulley attached to the rotating shaft of the hydrogen circulation pump 5 or the air compressor 6 and a pulley attached to the driving shaft of the driving motor, so that the driving motor rotates. Is transmitted to the rotation shafts of the hydrogen circulation pump 5 and the air compressor 6, and these rotation shafts are rotationally driven to circulate hydrogen or supply air.

本実施形態では、水素循環ポンプ５の回転軸５ａとエアコンプレッサ６の回転軸６ａとに回転数個別制御用プーリ（変速手段）９，１０がそれぞれ取り付けられるとともに、これら回転数個別制御用プーリ９，１０と駆動用モータ１１のプーリ１２との間に１本の駆動力伝達用ベルト１３が掛け渡され、駆動用モータ１１の駆動力を水素循環ポンプ５及びエアコンプレッサ６の双方に伝達するように構成されている。すなわち、本実施形態では、水素循環ポンプ５とエアコンプレッサ６とが、同一の駆動用モータ１１を駆動源として駆動される構成となっている。   In this embodiment, pulleys for speed control (transmission means) 9 and 10 are attached to the rotating shaft 5a of the hydrogen circulation pump 5 and the rotating shaft 6a of the air compressor 6, respectively. , 10 and the pulley 12 of the drive motor 11 is stretched between one drive force transmission belt 13 so that the drive force of the drive motor 11 is transmitted to both the hydrogen circulation pump 5 and the air compressor 6. It is configured. That is, in this embodiment, the hydrogen circulation pump 5 and the air compressor 6 are configured to be driven using the same drive motor 11 as a drive source.

以上のように、駆動用モータ１１を水素循環ポンプ５とエアコンプレッサ６とで兼用する場合、水素循環ポンプ５とエアコンプレッサ６によって水素及び空気を燃料電池１に送る際、前記駆動力伝達用ベルト１３によって動力が各回転数個別制御用プーリ９，１０に伝達される。このとき、同一の駆動用モータ１１によって水素循環ポンプ５とエアコンプレッサ６の双方を駆動しているので、水素循環ポンプ５とエアコンプレッサ６とは、基本的には同じ回転数で制御されることになる。   As described above, when the driving motor 11 is used by both the hydrogen circulation pump 5 and the air compressor 6, when the hydrogen circulation pump 5 and the air compressor 6 send hydrogen and air to the fuel cell 1, the driving force transmission belt is used. The power is transmitted by 13 to the pulleys 9 and 10 for individually controlling the number of rotations. At this time, since both the hydrogen circulation pump 5 and the air compressor 6 are driven by the same drive motor 11, the hydrogen circulation pump 5 and the air compressor 6 are basically controlled at the same rotational speed. become.

通常、水素分子２つに対し、酸素分子が１つ送られるような流量を維持すれば、燃料電池１における化学反応が実現される。したがって、同一回転数時に水素供給流量：酸素供給流量＝２：１が維持されるような水素循環ポンプ５及びエアコンプレッサ６を選定することで、前記関係が維持され燃料電池１における化学反応が円滑に進行することになる。   Usually, a chemical reaction in the fuel cell 1 is realized by maintaining a flow rate at which one oxygen molecule is sent for two hydrogen molecules. Therefore, by selecting the hydrogen circulation pump 5 and the air compressor 6 that maintain the hydrogen supply flow rate: oxygen supply flow rate = 2: 1 at the same rotation speed, the relationship is maintained and the chemical reaction in the fuel cell 1 is smooth. Will progress to.

ところで、エアコンプレッサ６で供給される空気（酸素）は、燃料電池１で反応後、外気に放出されるため、カソード１ｂ側の経路に水蒸気や窒素が溜まることはないが、例えば高出力を必要とする領域に移行するに伴って、酸素供給量を増加させる必要がある。一方、アノード１ａ側では、未反応水素を排出せず、完全に反応させるために水素循環流路４によって循環させている。このため、燃料電池１のアノード１ａ側の温度上昇とともに、水蒸気や窒素等が溜まってくる。この場合、水素供給量を増加させて、水素供給量が不足する事態を回避する必要がある。   By the way, since air (oxygen) supplied by the air compressor 6 is released to the outside air after reacting in the fuel cell 1, water vapor and nitrogen do not accumulate in the path on the cathode 1b side, but high output is required, for example. It is necessary to increase the oxygen supply amount with the shift to the region. On the other hand, on the anode 1a side, unreacted hydrogen is not discharged, but is circulated by the hydrogen circulation channel 4 in order to make it react completely. For this reason, steam, nitrogen, etc. accumulate with the temperature rise at the anode 1a side of the fuel cell 1. In this case, it is necessary to increase the hydrogen supply amount to avoid a situation where the hydrogen supply amount is insufficient.

このように、起動開始直後から最大出力時までの間には、水素循環ポンプ５とエアコンプレッサ６にかかる負荷は相対的に変化し、例えば燃料電池１の温度の上昇とともに、アノード１ａ側の水素供給流量、カソード１ｂ側の酸素供給流量を増加させる必要が出てくる。このとき、アノード１ａ側では、水蒸気や窒素分圧を考慮して、酸素供給量の増加に比べて水素供給量の増加をより多くする必要がある。したがって、水素循環ポンプ５の回転数をエアコンプレッサ６の回転数を高くする必要があり、水素循環ポンプ５とエアコンプレッサ６とを同じ回転数で制御したのでは、これに対応することができない。   Thus, the load applied to the hydrogen circulation pump 5 and the air compressor 6 changes relatively immediately after the start of startup until the time of maximum output. For example, as the temperature of the fuel cell 1 rises, the hydrogen on the anode 1a side It is necessary to increase the supply flow rate and the oxygen supply flow rate on the cathode 1b side. At this time, on the anode 1a side, it is necessary to increase the hydrogen supply amount more than the oxygen supply amount in consideration of water vapor and nitrogen partial pressure. Therefore, it is necessary to increase the rotation speed of the hydrogen circulation pump 5 and the rotation speed of the air compressor 6. If the hydrogen circulation pump 5 and the air compressor 6 are controlled at the same rotation speed, this cannot be handled.

そこで、本実施形態では、燃料電池１のアノード１ａ側の出口と水素循環ポンプ５との間、及びカソード１ｂ側の出口に温度計１４，１５をそれぞれ設置するとともに、前記プーリ９，１０として、回転軸方向の径に勾配を有するプーリを用い、必要に応じてプーリ９，１０を回転軸方向に相対移動させることで個別の回転数制御を可能とし、前記負荷変動に対応可能としている。   Therefore, in this embodiment, thermometers 14 and 15 are installed between the outlet on the anode 1a side of the fuel cell 1 and the hydrogen circulation pump 5 and on the outlet on the cathode 1b side, and the pulleys 9 and 10 are A pulley having a gradient in the rotation axis direction is used, and if necessary, the pulleys 9 and 10 are moved relative to each other in the rotation axis direction so that individual rotation speed control can be performed to cope with the load fluctuation.

前記プーリ９，１０は、いずれも基端部の径が大きく、先端部の径が小さい、いわゆる円錐台形状であり、先端に向かって次第に径が小さくなるような勾配を有する。したがって、これらプーリ９，１０の駆動力伝達用ベルト１３への挿入位置を変化させ、駆動用モータ１１のプーリ１２に対して相対的に径を変更することで、水素循環ポンプ５及びエアコンプレッサ６において個別に回転数が制御可能である。本実施形態では、このような回転軸方向の径に勾配を有するプーリ９，１０を用い、前記温度計１４，１５で検出される温度情報に基づいて、これらプーリ９，１０の駆動力伝達用ベルト１３への挿入位置を変化させることで、駆動用モータ１１に対する水素循環ポンプ５及びエアコンプレッサ６の回転数比を個別に変更できるようにしている。   Each of the pulleys 9 and 10 has a so-called truncated cone shape in which the diameter of the base end portion is large and the diameter of the tip end portion is small, and has a gradient such that the diameter gradually decreases toward the tip end. Therefore, the hydrogen circulation pump 5 and the air compressor 6 are changed by changing the insertion position of the pulleys 9 and 10 into the driving force transmission belt 13 and changing the diameter relative to the pulley 12 of the driving motor 11. The number of revolutions can be controlled individually. In this embodiment, the pulleys 9 and 10 having a gradient in the diameter in the rotation axis direction are used, and the driving force transmission of the pulleys 9 and 10 is transmitted based on the temperature information detected by the thermometers 14 and 15. By changing the insertion position into the belt 13, the rotation speed ratio of the hydrogen circulation pump 5 and the air compressor 6 with respect to the drive motor 11 can be individually changed.

例えば、燃料電池１へ小流量の水素、空気を供給する場合には、図２に示すように、駆動力伝達用ベルト１３をプーリ９の径Ｒ１とプーリ１０の径Ｒ２がほぼ同じになるような位置に配置した状態とし、駆動用モータ１１の回転数を低く制御する。これにより、燃料電池１のアノード１ａ、カソード１ｂには、所定の割合で小流量の水素、及び空気（酸素）が供給されることになる。   For example, when supplying a small flow rate of hydrogen and air to the fuel cell 1, as shown in FIG. 2, the driving force transmission belt 13 has a diameter R1 of the pulley 9 and a diameter R2 of the pulley 10 substantially the same. The number of rotations of the drive motor 11 is controlled to be low. Thereby, a small flow rate of hydrogen and air (oxygen) are supplied to the anode 1a and the cathode 1b of the fuel cell 1 at a predetermined rate.

同様に、燃料電池１に大流量の水素、空気を供給する場合にも、図２に示すように、駆動力伝達用ベルト１３をプーリ９の径Ｒ１とプーリ１０の径Ｒ２がほぼ同じ（Ｒ１≒Ｒ２）になるような位置に配置した状態とし、駆動用モータ１１の回転数を高く制御する。これにより、燃料電池１のアノード１ａ、カソード１ｂには、いずれも所定の割合で大流量の水素、及び空気（酸素）が供給される。   Similarly, when supplying a large amount of hydrogen and air to the fuel cell 1, as shown in FIG. 2, the driving force transmission belt 13 has a diameter R1 of the pulley 9 and a diameter R2 of the pulley 10 (R1). The rotational speed of the driving motor 11 is controlled to be high by setting it at a position such that ≈R2). As a result, a large flow rate of hydrogen and air (oxygen) are supplied to the anode 1a and the cathode 1b of the fuel cell 1 at a predetermined rate.

ただし、実際には、駆動用モータ１１の回転数を大きくしたり小さくしたりすることで流量を変化させるだけでなく、アノード１ａ側の温度上昇にしたがって水素循環系内の水蒸気、窒素分圧が上昇してくるため、水素循環系内の水蒸気、窒素分圧増加分による水素供給流量減少を補正する必要がある場合がある。この場合には、水素循環ポンプ５による水素供給流量の増加を、エアコンプレッサ６による空気供給流量の増加よりも大きくする必要がある。   However, in practice, not only the flow rate is changed by increasing or decreasing the rotational speed of the drive motor 11, but also the water vapor and nitrogen partial pressures in the hydrogen circulation system are increased according to the temperature rise on the anode 1a side. In order to increase, it may be necessary to correct the decrease in the hydrogen supply flow rate due to the increase in water vapor and nitrogen partial pressure in the hydrogen circulation system. In this case, it is necessary to make the increase in the hydrogen supply flow rate by the hydrogen circulation pump 5 larger than the increase in the air supply flow rate by the air compressor 6.

このような場合には、図３に示すように、水素循環ポンプ５を矢印Ａ方向に移動するとともに、エアコンプレッサ６を矢印Ｂ方向に移動し、駆動力伝達用ベルト１３が掛け渡される位置でのプーリ９の径Ｒ１が相対的に大、プーリ１０の径Ｒ２が相対的に小となるよう（Ｒ１＞Ｒ２となるよう）に配置して駆動する。これにより、水素循環ポンプ５による水素供給流量がエアコンプレッサ６による空気供給流量よりも相対的に大となり、前記水蒸気、窒素分圧増加分による純水素供給量減少が補正されることになる。   In such a case, as shown in FIG. 3, the hydrogen circulation pump 5 is moved in the direction of arrow A, the air compressor 6 is moved in the direction of arrow B, and the driving force transmission belt 13 is stretched. The pulley 9 is arranged and driven so that the diameter R1 of the pulley 9 is relatively large and the diameter R2 of the pulley 10 is relatively small (R1> R2). Thereby, the hydrogen supply flow rate by the hydrogen circulation pump 5 becomes relatively larger than the air supply flow rate by the air compressor 6, and the decrease in the pure hydrogen supply amount due to the increase in the water vapor and nitrogen partial pressure is corrected.

以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムでは、水素供給手段の水素循環系における水素循環ポンプ５と、空気供給手段におけるエアコンプレッサ６とを、同一の駆動モータ１１により駆動させるようにしているので、それぞれ個別の駆動モータで駆動させる場合に比べて電力消費量を抑制することが可能であり、総発電量を十分に確保することが可能である。また、駆動モータ１１の共有化により、システム構成の簡素化や小型化を実現することができ、また、騒音や振動の低減を図ることも可能となる。   As described above, in the fuel cell system of this embodiment, the hydrogen circulation pump 5 in the hydrogen circulation system of the hydrogen supply means and the air compressor 6 in the air supply means are driven by the same drive motor 11. Therefore, it is possible to suppress the power consumption compared to the case where each is driven by an individual drive motor, and it is possible to sufficiently secure the total power generation amount. Further, by sharing the drive motor 11, the system configuration can be simplified and reduced in size, and noise and vibration can be reduced.

さらに、本実施形態の燃料電池システムによれば、燃料電池１のアノード１ａ側の出口と水素循環ポンプ５との間、及びカソード１ｂ側の出口に温度計１４，１５をそれぞれ設置するとともに、水素循環ポンプ５の回転軸５ａとエアコンプレッサ６の回転軸６ａとに、回転軸方向の径に勾配を有するプーリを取り付けて、温度計１４，１５の検出値に応じて、駆動モータ１１の駆動力を伝達するための駆動力伝達用ベルト１３が掛け渡される位置でのプーリ９の径とプーリ１０の径とを相対的に変化させて、水素循環ポンプ５とエアコンプレッサ６との回転数制御を負荷に応じて個別に行えるようにしてるので、簡単な構造で、燃料電池１の状態に応じて燃料ガス及び酸化剤ガスをタイムリーに必要量だけ燃料電池１に供給することができる。したがって、例えば水素供給量の不足により燃料電池１から必要電流を取り出すことができなくなるというような事態を未然に回避することができる。   Furthermore, according to the fuel cell system of the present embodiment, the thermometers 14 and 15 are installed between the outlet on the anode 1a side of the fuel cell 1 and the hydrogen circulation pump 5 and on the outlet on the cathode 1b side, respectively. A pulley having a gradient in the direction of the rotation axis is attached to the rotation shaft 5a of the circulation pump 5 and the rotation shaft 6a of the air compressor 6, and the drive force of the drive motor 11 is determined according to the detected values of the thermometers 14 and 15. The rotational speed of the hydrogen circulation pump 5 and the air compressor 6 is controlled by relatively changing the diameter of the pulley 9 and the diameter of the pulley 10 at a position where the driving force transmission belt 13 for transmitting the power is passed. Since it can be performed individually according to the load, fuel gas and oxidant gas can be supplied to the fuel cell 1 in a timely manner according to the state of the fuel cell 1 in a timely manner with a simple structure.Therefore, for example, a situation in which the necessary current cannot be extracted from the fuel cell 1 due to a shortage of the hydrogen supply amount can be avoided.

本発明を適用した燃料電池システムの基本構成を示す図である。It is a figure which shows the basic composition of the fuel cell system to which this invention is applied. 駆動力伝達用ベルトの掛け渡し状態の一例を示すものであり、水素循環ポンプとエアコンプレッサとでプーリ径が同じになる位置に駆動力伝達用ベルトを配置した状態を示す図である。FIG. 9 is a diagram illustrating an example of a state in which a driving force transmission belt is stretched, and is a diagram illustrating a state in which the driving force transmission belt is disposed at a position where the pulley diameter is the same between the hydrogen circulation pump and the air compressor. 駆動力伝達用ベルトの掛け渡し状態の他の例を示すものであり、水素循環ポンプとエアコンプレッサとでプーリ径が異なる位置に駆動力伝達用ベルトを配置した状態を示す図である。It is a figure which shows the other example of the spanning state of the driving force transmission belt, and shows the state which has arrange | positioned the driving force transmission belt in the position from which a pulley diameter differs with a hydrogen circulation pump and an air compressor.

符号の説明Explanation of symbols

１ 燃料電池
１ａ アノード
１ｂ カソード
５ 水素循環ポンプ
６ エアコンプレッサ
９，１０ 回転数個別制御用プーリ
１１ 駆動用モータ
１２ プーリ
１３ 駆動力伝達用ベルト
１４，１５ 温度計 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell 1a Anode 1b Cathode 5 Hydrogen circulation pump 6 Air compressor 9, 10 Pulley for individual rotation speed control 11 Drive motor 12 Pulley 13 Driving force transmission belt 14, 15 Thermometer

Claims (6)

燃料電池のアノードから排出された燃料ガスを循環させて燃料電池のアノードへ再度供給するための燃料ガス循環ポンプと、燃料電池のカソードへ酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給装置とを備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料ガス循環ポンプと酸化剤ガス供給装置とが同一の駆動モータにより駆動されることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel gas circulation pump for circulating the fuel gas discharged from the anode of the fuel cell and supplying it again to the anode of the fuel cell, and an oxidant gas supply device for supplying the oxidant gas to the cathode of the fuel cell In the fuel cell system provided,
The fuel cell system, wherein the fuel gas circulation pump and the oxidant gas supply device are driven by the same drive motor. 前記燃料ガス循環ポンプ及び酸化剤ガス供給装置には、それぞれ前記駆動モータに対する回転数比を変化させる変速手段が設けられている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, wherein each of the fuel gas circulation pump and the oxidant gas supply device is provided with a speed change means for changing a rotation speed ratio with respect to the drive motor. 前記燃料ガス循環ポンプと燃料電池のアノード側出口との間、及び前記燃料電池のカソード側出口にそれぞれ温度計が設けられ、これら温度計によって検出された温度に応じて、前記回転数比が変更されることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。   Thermometers are provided between the fuel gas circulation pump and the anode outlet of the fuel cell and at the cathode outlet of the fuel cell, respectively, and the rotation speed ratio is changed according to the temperature detected by these thermometers. The fuel cell system according to claim 2, wherein: 前記燃料ガス循環ポンプ及び酸化剤ガス供給装置には、前記変速手段として勾配を有するプーリが設けられ、これらプーリが１本のベルトにより前記駆動モータとそれぞれ連結されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の燃料電池システム。   The fuel gas circulation pump and the oxidant gas supply device are provided with pulleys having gradients as the speed change means, and these pulleys are respectively connected to the drive motor by a single belt. 4. The fuel cell system according to 2 or 3. 前記勾配を有するプーリと前記ベルトの相対位置を変化させることで前記回転数比を変化させることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 4, wherein the rotation speed ratio is changed by changing a relative position between the pulley having the gradient and the belt. 前記燃料ガス循環ポンプと酸化剤ガス供給装置とで、前記勾配を有するプーリの前記ベルトに対する挿入方向が互いに逆方向とされていることを特徴とする請求項４又は５に記載の燃料電池システム。   6. The fuel cell system according to claim 4, wherein the fuel gas circulation pump and the oxidant gas supply device are configured such that the pulleys having the gradient are inserted in opposite directions with respect to the belt.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2012071811A (en) * 2010-09-27 2012-04-12 Hyundai Motor Co Ltd Electric air compressor and hydraulic pump module
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EP4082914A1 (en) 2021-04-26 2022-11-02 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Flight vehicle

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