JP5071843B2 - Fuel cell system with hydrogen / oxygen recovery mechanism - Google Patents
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Description
この発明は、水素と酸素との反応によって発電する燃料電池を有する、水素・酸素回収機構を備えた燃料電池システムに関するものである。 The present invention relates to a fuel cell system having a hydrogen / oxygen recovery mechanism having a fuel cell that generates power by reaction of hydrogen and oxygen.
水素と酸素との反応によって発電する燃料電池を備えた燃料電池システムは、クリーンに発電できるシステムとしての特徴を有している。この燃料電池では、一般的に燃料電池の特にアノード側で、水素の継続的な供給によって同スタック内に水分などの不純物が次第に蓄積されて発電効率が低下するため、この不純物を取り除く目的で、燃料電池の発電に必要な水素量以上の水素を供給するいわゆる”水素パージ”と呼ばれる行程が、定期的若しくは燃料電池セル電圧の低下をトリガとして実施される。この際には、カソード側に酸化剤を多く供給してパージを行うこともある。酸化剤には一般的に空気が使用されるため、開放系で使用される燃料電池システムではパージした酸化剤は大気への排気が可能である。ただし、水素はそのまま系外に放出すると危険性を伴うため、何らかの処理が必要となる。 A fuel cell system including a fuel cell that generates electricity by reaction of hydrogen and oxygen has a feature as a system that can generate electricity cleanly. In this fuel cell, in general, on the anode side of the fuel cell, impurities such as moisture are gradually accumulated in the stack due to continuous supply of hydrogen, and the power generation efficiency is lowered. A so-called “hydrogen purge” process for supplying more hydrogen than is necessary for power generation of the fuel cell is performed periodically or triggered by a decrease in the fuel cell voltage. At this time, a large amount of oxidant may be supplied to the cathode side for purging. Since air is generally used as the oxidant, the purged oxidant can be exhausted to the atmosphere in a fuel cell system used in an open system. However, if hydrogen is released out of the system as it is, there is a danger that some kind of treatment is required.
従来この種の装置としては、特許文献1で提案されているものがある。
該装置の概略を図7に基づいて説明する。燃料電池4に燃料電池のアノード側に水素を供給する水素供給流路32と、燃料電池で反応しなかった未反応水素を系外に排出する未反応水素排出流路33と未反応水素を電気化学的に酸化する電気化学反応器34とが接続されている。一方、燃料電池のカソード側には空気流路6と、カソード側で水素と空気が反応して排ガスを排出する排気管路8とが接続されている。
次に上記システムについて簡単に説明する。水素供給流路32から導入される水素と空気流路6から導入される空気によって燃料電池4は発電が行われる。燃料電池4で発電が行われなかった水素は、未反応水素排出流路33により系外に排出される。電気化学反応器34は、未反応水素排出流路33により供給された水素と、空気流路6から分岐された吸気空路36により供給された空気とを、直流電源34dを用いて電気化学的に酸化する。34で酸化できなかったガスのうち、アノード側のガスは排気路34eより、カソード側のガスは排気路33より系外へ排出する構成としている。
Conventionally, as this type of apparatus, there is one proposed in Patent Document 1.
An outline of the apparatus will be described with reference to FIG. A
Next, the system will be briefly described. The
上記提案装置では、燃料電池から排出される水素を電気化学反応器によって大半を酸化処理できるため、系外に排出される水素量は極めて少量となり、問題のないレベルとなる。しかし、上記提案装置では、以下に示す問題点を有している。
1)電気化学反応器で電力を消費すること、電力を発生する場合でも電力の再利用が行われておらず、結果としてシステムの効率が下がることが懸念される。
2)電気化学反応器で酸化できなかったガスが、排気路により排出されている。
屋外のような開放空間では、ガスが蓄積されず問題とならないが、例えば船舶などのいわゆる閉鎖空間では空間内にガスが蓄積される。排気ガス中には極僅かであるが可燃性ガスが含まれており、安全性の点で問題となる。また、燃料ガスを発電に使用せずに外部へ排出するため、システムの効率が低下する。
3)電気化学反応器のカソード側の空気と燃料電池の発電用空気を共用しているため、これらの流量や圧力を調整するため、新たな制御機構や制御器が必要となり、結果としてシステムが複雑化し、効率が低下する。
4)電気化学反応器で電力を取り出すタイミングについて明記されておらず、例えば電気化学反応器に水素が無い状態で発電することも考えられ、その場合、反応器に使用している電極が劣化して発電不能になる。
5)電気化学反応器で反応する水素/空気量の調整がされておらず、水素量が多い/空気量が少ない場合、多量の水素が回収されずに外部へ放出することが予想される。
In the proposed apparatus, most of the hydrogen discharged from the fuel cell can be oxidized by the electrochemical reactor, so that the amount of hydrogen discharged out of the system is extremely small and at a level without any problem. However, the proposed device has the following problems.
1) Consumption of electric power in an electrochemical reactor, and even when electric power is generated, electric power is not reused. As a result, there is a concern that the efficiency of the system is lowered.
2) Gas that could not be oxidized in the electrochemical reactor is exhausted through the exhaust passage.
In an open space such as outdoors, there is no problem because gas is not accumulated, but in a so-called closed space such as a ship, gas is accumulated in the space. The exhaust gas contains a very small amount of combustible gas, which is a problem in terms of safety. Further, since the fuel gas is discharged outside without being used for power generation, the efficiency of the system is lowered.
3) Since the air on the cathode side of the electrochemical reactor and the power generation air of the fuel cell are shared, a new control mechanism and controller are required to adjust these flow rates and pressures. Complicated and reduced efficiency.
4) The timing for taking out the electric power in the electrochemical reactor is not specified. For example, it may be possible to generate power in the absence of hydrogen in the electrochemical reactor. In this case, the electrode used in the reactor deteriorates. Power generation becomes impossible.
5) The amount of hydrogen / air to be reacted in the electrochemical reactor is not adjusted, and when the amount of hydrogen is large / the amount of air is small, it is expected that a large amount of hydrogen is released without being recovered.
本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、排ガスを発生させることなく閉鎖系での使用を可能にし、さらには効率よく稼働させることができる水素・酸素回収機構を備えた燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made against the background of the above circumstances, and can be used in a closed system without generating exhaust gas, and further, a fuel cell system equipped with a hydrogen / oxygen recovery mechanism that can be operated efficiently The purpose is to provide.
すなわち、本発明の水素・酸素回収機構を備えた燃料電池システムのうち請求項1記載の発明は、水素と酸素の電気化学的な反応により発電する燃料電池のシステムであって、主燃料電池のアノード側に水素を供給する水素供給経路と、前記主燃料電池で反応しなかった未反応水素を排出する未反応水素排出経路と、前記主燃料電池のカソード側に酸素を供給する酸素供給経路と、前記主燃料電池で反応しなかった未反応酸素を酸素パージ以外に系外に放出することなく前記主燃料電池のカソード側に戻す酸素循環経路と、前記酸素循環経路を流通する酸素の少なくとも一部を前記酸素パージする酸素パージ経路と、該酸素パージ経路に介設されて該酸素パージ経路を流れる酸素を貯蓄する酸素バッファタンクと、前記未反応水素排出経路から導入される水素と前記酸素パージ経路から導入される酸素の電気化学的な反応により発電を行う水素回収燃料電池と、該水素回収燃料電池で回収されなかった水素ガスを系外に放出することなく前記水素回収燃料電池に戻す未回収水素ガス循環経路と、該未回収水素ガス循環経路に介設されて前記水素ガス中の不純物を取り除く水素側吸着フィルタと、前記水素回収燃料電池で回収されなかった酸素ガスを系外に放出することなく前記水素回収燃料電池に戻す未回収酸素ガス循環経路と、該未回収酸素ガス循環経路に介設されて前記酸素ガス中の不純物を取り除く酸素側吸着フィルタとを備えることを特徴とする。 That is, among the fuel cell systems provided with the hydrogen / oxygen recovery mechanism of the present invention, the invention described in claim 1 is a fuel cell system for generating power by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, A hydrogen supply path for supplying hydrogen to the anode side, an unreacted hydrogen discharge path for discharging unreacted hydrogen that has not reacted in the main fuel cell, and an oxygen supply path for supplying oxygen to the cathode side of the main fuel cell; An oxygen circulation path for returning unreacted oxygen that has not reacted in the main fuel cell to the cathode side of the main fuel cell without releasing it outside the system other than oxygen purge; and at least one of oxygen flowing through the oxygen circulation path and oxygen purge path a part for the oxygen purge, the oxygen buffer tank for saving the oxygen flowing through oxygen purge path is interposed in the oxygen purge path, whether the unreacted hydrogen discharge pathway A hydrogen recovery fuel cell that generates electric power by an electrochemical reaction between hydrogen introduced and oxygen introduced from the oxygen purge path, and without releasing hydrogen gas not recovered by the hydrogen recovery fuel cell out of the system An unrecovered hydrogen gas circulation path that returns to the hydrogen recovery fuel cell, a hydrogen-side adsorption filter that is interposed in the unrecovered hydrogen gas circulation path to remove impurities in the hydrogen gas, and is not recovered by the hydrogen recovery fuel cell An unrecovered oxygen gas circulation path that returns the oxygen gas to the hydrogen recovery fuel cell without releasing it out of the system, and an oxygen-side adsorption filter that is interposed in the unrecovered oxygen gas circulation path to remove impurities in the oxygen gas It is characterized by providing.
請求項2記載の水素・酸素回収機構を備えた燃料電池システムの発明は、水素と酸素の電気化学的な反応により発電する燃料電池のシステムであって、主燃料電池のアノード側に水素を供給する水素供給経路と、前記主燃料電池で反応しなかった未反応水素を水素パージ以外に系外に放出することなく前記主燃料電池のアノード側に戻す水素循環経路と、該水素循環経路を流通する水素の少なくとも一部を前記水素パージする水素パージ経路と、前記主燃料電池のカソード側に酸素を供給する酸素供給経路と、前記主燃料電池で反応しなかった未反応酸素を酸素パージ以外に系外に放出することなく前記燃料電池のカソード側に戻す酸素循環経路と、該酸素循環経路を流通する酸素の少なくとも一部を前記酸素パージする酸素パージ経路と、該酸素パージ経路に介設されて該酸素パージ経路を流れる酸素を貯蓄する酸素バッファタンクと、前記水素パージ経路から導入された水素と前記酸素パージ経路から導入された酸素の電気化学的な反応により発電を行う水素回収燃料電池と、該水素回収燃料電池で回収されなかった水素ガスを系外に放出することなく前記水素回収燃料電池に戻す未回収水素ガス循環経路と、該未回収水素ガス循環経路に介設されて前記水素ガス中の不純物を取り除く水素側吸着フィルタと、前記水素回収燃料電池で回収されなかった酸素ガスを系外に放出することなく前記水素回収燃料電池に戻す未回収酸素ガス循環経路と、該未回収酸素ガス循環経路に介設されて前記酸素ガス中の不純物を取り除く酸素側吸着フィルタとを備えることを特徴とする。 The invention of a fuel cell system having a hydrogen / oxygen recovery mechanism according to claim 2 is a fuel cell system that generates electricity by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, and supplies hydrogen to the anode side of the main fuel cell. A hydrogen supply path, a hydrogen circulation path for returning unreacted hydrogen that has not reacted in the main fuel cell to the anode side of the main fuel cell without being discharged outside the system other than hydrogen purge, and a circulation through the hydrogen circulation path A hydrogen purge path for purging at least a part of hydrogen to be purged, an oxygen supply path for supplying oxygen to the cathode side of the main fuel cell, and unreacted oxygen that has not reacted in the main fuel cell other than oxygen purge and oxygen circulation path for returning to the cathode side of the fuel cell without discharging out of the system, the oxygen purge path for the oxygen purge at least a portion of the oxygen flowing through the oxygen circulation path, An oxygen buffer tank that stores oxygen flowing through the oxygen purge path interposed in the oxygen purge path, and generates electricity by an electrochemical reaction between hydrogen introduced from the hydrogen purge path and oxygen introduced from the oxygen purge path A hydrogen-recovered fuel cell, an unrecovered hydrogen gas circulation path for returning the hydrogen gas not recovered by the hydrogen-recovered fuel cell to the hydrogen-recovered fuel cell without releasing it out of the system, and the unrecovered hydrogen gas circulation path And a hydrogen-side adsorption filter that removes impurities in the hydrogen gas, and an unrecovered oxygen gas that is returned to the hydrogen-recovered fuel cell without releasing oxygen gas that has not been recovered by the hydrogen-recovered fuel cell. A circulation path and an oxygen-side adsorption filter that is interposed in the unrecovered oxygen gas circulation path and removes impurities in the oxygen gas are provided.
請求項3記載の水素・酸素回収機構を備えた燃料電池システムの発明は、請求項1または2に記載の発明において、前記未反応水素排出経路または前記水素パージ経路に、これら経路を流れる未反応水素またはパージ水素を貯蓄する水素バッファタンクが介設されていることを特徴とする。 The invention of the fuel cell system provided with the hydrogen / oxygen recovery mechanism according to claim 3 is the invention according to claim 1 or 2, wherein the unreacted hydrogen flowing through the unreacted hydrogen discharge path or the hydrogen purge path is unreacted. hydrogen or is characterized in that the hydrogen buffer tank for saving the purge hydrogen is interposed.
請求項4記載の水素・酸素回収機構を備えた燃料電池システムの発明は、請求項1〜3のいずれかに記載の発明において、前記未反応水素排出経路または前記水素パージ経路に、電磁弁並びに圧力センサーを備えており、該圧力センサー値の値がある一定値以上のときに前記水素回収燃料電池から電力を取り出すことを特徴とする。
Invention of a fuel cell system including a hydrogen-oxygen recovery mechanism according to
請求項5記載の水素・酸素回収機構を備えた燃料電池システムの発明は、請求項1〜4のいずれかに記載の発明において、前記水素回収燃料電池で発生した電力を、燃料電池システムの補機の電力として使用することを特徴とする。 The invention of the fuel cell system having the hydrogen / oxygen recovery mechanism according to claim 5 is the invention according to any one of claims 1 to 4, wherein the electric power generated in the hydrogen recovery fuel cell is supplemented to the fuel cell system. It is used as power for the machine.
本発明における燃料電池としては、例えば、固体高分子形燃料電池を用いることができ、一般的にアノード、カソード及び高分子電解質膜で構成されている。アノード側に水素を含んだガス、カソード側に酸素を含んだガスを供給することにより発電が行われる。一般的にアノード側には純水素・カソード側には空気が用いられることが多いが、本発明では閉鎖空間での利用も考慮に入れ、アノード側は純水素、カソード側は純酸素での供給とするのが望ましい。燃料電池の三層界面での反応において、アノード側では水素以外のガス成分、カソード側では酸素以外のガス成分は反応に寄与せず、これらの不純ガス成分は高分子電解質膜及びセパレータの流路に蓄積され、発電反応に対して悪影響を及ぼす。この影響を防ぐために、定常的若しくは間欠的に主燃料電池の発電に必要とする流量以上のガスを流し、そのガスと一緒に不純ガス成分を系外へ排出(パージ)する。これらのガスは、水素回収燃料電池に供給される。 As the fuel cell in the present invention, for example, a solid polymer fuel cell can be used, which is generally composed of an anode, a cathode, and a polymer electrolyte membrane. Electric power is generated by supplying a gas containing hydrogen to the anode side and a gas containing oxygen to the cathode side. In general, pure hydrogen is used on the anode side and air is often used on the cathode side. However, in the present invention, the use in a closed space is also taken into consideration, and the anode side is supplied with pure hydrogen and the cathode side is supplied with pure oxygen. Is desirable. In the reaction at the three-layer interface of the fuel cell, gas components other than hydrogen do not contribute to the reaction on the anode side, and gas components other than oxygen do not contribute to the reaction on the cathode side, and these impure gas components are flow paths of the polymer electrolyte membrane and the separator. It has an adverse effect on the power generation reaction. In order to prevent this influence, a gas at a flow rate higher than that required for power generation of the main fuel cell is flowed constantly or intermittently, and the impure gas components are discharged (purged) together with the gas. These gases are supplied to the hydrogen recovery fuel cell.
水素回収燃料電池では、主燃料電池のアノード側から排出された水素を多く含んだガス、カソード側から排出された酸素を多く含んだガスを使用して発電を行い、取り出した電力を燃料電池システムの補機(例えば、ポンプ、弁など)に再利用することができる。また、水素回収燃料電池では、その反応の機構上、全てのガスを回収できないので、回収できなかったガスのうち、不純物は吸着フィルタに吸着させ、残りのガス(水素・酸素)は再度循環させることで系外へのガス放出を無くすことができる。 In a hydrogen recovery fuel cell, power generation is performed using a gas containing a large amount of hydrogen discharged from the anode side of the main fuel cell and a gas containing a large amount of oxygen discharged from the cathode side, and the extracted power is used as a fuel cell system. It can be reused for other accessories (for example, pumps, valves, etc.). Further, in the hydrogen recovery fuel cell, not all gases can be recovered due to the reaction mechanism, so impurities out of the gases that could not be recovered are adsorbed on the adsorption filter and the remaining gases (hydrogen and oxygen) are circulated again. In this way, gas emission outside the system can be eliminated.
本発明の水素・酸素回収機構を備えた燃料電池システムによれば、水素と酸素の電気化学的な反応により発電する燃料電池のシステムであって、主燃料電池のアノード側に水素を供給する水素供給経路と、前記主燃料電池で反応しなかった未反応水素を排出する未反応水素排出経路と、前記主燃料電池のカソード側に酸素を供給する酸素供給経路と、前記主燃料電池で反応しなかった未反応酸素を酸素パージ以外に系外に放出することなく前記主燃料電池のカソード側に戻す酸素循環経路と、前記酸素循環経路を流通する酸素の少なくとも一部を前記酸素パージする酸素パージ経路と、該酸素パージ経路に介設されて該酸素パージ経路を流れる酸素を貯蓄する酸素バッファタンクと、前記未反応水素排出経路から導入される水素と前記酸素パージ経路から導入される酸素の電気化学的な反応により発電を行う水素回収燃料電池と、該水素回収燃料電池で回収されなかった水素ガスを系外に放出することなく前記水素回収燃料電池に戻す未回収水素ガス循環経路と、該未回収水素ガス循環経路に介設されて前記水素ガス中の不純物を取り除く水素側吸着フィルタと、前記水素回収燃料電池で回収されなかった酸素ガスを系外に放出することなく前記水素回収燃料電池に戻す未回収酸素ガス循環経路と、該未回収酸素ガス循環経路に介設されて前記酸素ガス中の不純物を取り除く酸素側吸着フィルタとを備え、また、他の形態として主燃料電池で反応しなかった未反応水素を水素パージ以外に系外に放出することなく前記主燃料電池のアノード側に戻す水素循環経路と、該水素循環経路を流通する水素の少なくとも一部を前記水素パージする水素パージ経路とを備え、該水素パージ経路が水素回収燃料電池に接続されているので、以下の効果が得られる。 According to the fuel cell system equipped with the hydrogen / oxygen recovery mechanism of the present invention, the fuel cell system generates power by electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, and supplies hydrogen to the anode side of the main fuel cell. The main fuel cell reacts with a supply path, an unreacted hydrogen discharge path that discharges unreacted hydrogen that has not reacted in the main fuel cell, an oxygen supply path that supplies oxygen to the cathode side of the main fuel cell, and An oxygen circulation path for returning unreacted oxygen that has not been discharged to the cathode side of the main fuel cell without releasing it outside the system other than oxygen purge, and an oxygen purge for purging at least part of oxygen flowing through the oxygen circulation path A path, an oxygen buffer tank that is interposed in the oxygen purge path and stores oxygen flowing through the oxygen purge path, hydrogen introduced from the unreacted hydrogen discharge path, and the oxygen buffer A hydrogen recovery fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction of oxygen introduced from the di-path, and returns the hydrogen gas not recovered by the hydrogen recovery fuel cell to the hydrogen recovery fuel cell without releasing it out of the system An unrecovered hydrogen gas circulation path, a hydrogen-side adsorption filter that is interposed in the unrecovered hydrogen gas circulation path to remove impurities in the hydrogen gas, and oxygen gas that has not been recovered by the hydrogen recovery fuel cell is removed from the system. An unrecovered oxygen gas circulation path that returns to the hydrogen-recovered fuel cell without releasing, and an oxygen-side adsorption filter that is interposed in the unrecovered oxygen gas circulation path and removes impurities in the oxygen gas. and hydrogen circulation path for returning to the anode side of the main fuel cell without unreacted hydrogen that has not reacted with the main fuel cell as in the form released from the system in addition to hydrogen purge, the hydrogen circulation path At least part of the hydrogen flowing a hydrogen purge path for the hydrogen purge, the hydrogen purge passage is connected to the hydrogen recovery fuel cells, the following effects can be obtained.
1)未反応水素(若しくはパージ水素)流路中に水素回収燃料電池を設置し、水素回収燃料電池には、発生した電力を再利用する機構を設置したので、未反応水素を電力に変換でき、結果として高いシステム効率が得られる。また、電力の再利用を図るため、例えば主燃料電池の性能が安定せず未反応水素が多い(パージ動作が多くなる)場合でも、水素回収燃料電池で電力を生成するため、システムの効率低下につながらないという効果がある。
2)水素回収燃料電池で回収できなかったガスのうち、不純物は吸着フィルタに吸着させ、残りのガスは再度循環させることで系外へのガス放出を無くすようにしたので、安全なシステムが得られる。
3)水素回収燃料電池へ供給するガスは、主燃料電池で反応しなかった未反応ガスであり、主燃料電池の反応用ガスを使用しないため、複雑な機構を必要としない、結果として簡素化された高効率なシステムが得られる。
4)水素・酸素ガスの圧力を水素・酸素ライン中に設置した圧力センサーで検知し、その圧力をトリガーとして、水素回収燃料電池から電力を取り出すタイミングを決定する構成が可能であり、水素回収燃料電池から効率的に電気を取り出せる。
5)酸素ラインにバッファタンクを設置し、バッファタンクにある一定量、酸素を貯蓄することで常に酸素リッチな状態をつくり、水素回収燃料電池において水素を積極的に反応させる構成としたため、外部へ水素を放出しない安全なシステムが得られる。
1) A hydrogen recovery fuel cell is installed in the unreacted hydrogen (or purge hydrogen) flow path, and a mechanism for reusing the generated power is installed in the hydrogen recovery fuel cell, so that unreacted hydrogen can be converted into electric power. As a result, high system efficiency can be obtained. In addition, in order to reuse electric power, for example, even when the performance of the main fuel cell is not stable and there is a lot of unreacted hydrogen (the purge operation increases), the hydrogen recovery fuel cell generates electric power. There is an effect that it does not lead to.
2) Of the gases that could not be recovered by the hydrogen recovery fuel cell, impurities were adsorbed by the adsorption filter, and the remaining gas was circulated again to eliminate gas out of the system, so a safe system was obtained. It is done.
3) The gas supplied to the hydrogen recovery fuel cell is an unreacted gas that did not react in the main fuel cell, and does not use the main fuel cell reaction gas, so no complicated mechanism is required, resulting in simplification. Resulting in a highly efficient system.
4) It is possible to detect the pressure of the hydrogen / oxygen gas with a pressure sensor installed in the hydrogen / oxygen line, and use that pressure as a trigger to determine the timing for extracting power from the hydrogen-recovered fuel cell. Electricity can be efficiently extracted from the battery.
5) Since a buffer tank is installed in the oxygen line and a certain amount of oxygen is stored in the buffer tank, an oxygen-rich state is always created and hydrogen is actively reacted in the hydrogen recovery fuel cell. A safe system that does not release hydrogen is obtained.
以下、この発明の一実施形態を図1に基づいて説明する。
図1において、100はセルスタック型の主燃料電池、101/102/103は同スタックを構成しているアノード/カソード/高分子電解質膜を示す。該アノード101のガス入口側には主燃料電池100へ水素を供給する水素供給手段110が水素供給路111によって接続され、前記カソード102のガス入口側には主燃料電池100へ酸素を供給する酸素供給手段120が酸素供給路121で接続されている。
アノード101のガス出口側には、主燃料電池100において発電で消費されなかった水素が排出される未反応水素排出経路112が接続されており、該未反応水素排出経路112中には、水素ガス量を制御するための制御弁113、水素ガスの圧力が計測可能な圧力センサー117が設置されており、該未反応水素排出経路112の下流端は、水素回収燃料電池150におけるアノード151のガス入口側に接続されている。
An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG.
In FIG. 1,
An unreacted
一方、主燃料電池100のカソード102のガス出口側には、主燃料電池100において発電で消費されなかった酸素が排出される未反応酵素排出経路122が接続されており、該未反応酵素排出経路122中には、ガスを昇圧して再度、酸素供給経路121に戻すための循環ポンプ124が設置されている。該未反応酵素排出経路122は、循環ポンプ124の後段で酸素循環経路125と酸素パージ経路126に分岐されている。酸素循環経路の他端は、前記酸素供給路121に接続されている。
酸素パージ経路126中には、酸素ガス量を制御するための制御弁123、酸素ガスの圧力が計測可能な圧力センサー127が設置されており、該酸素パージ経路126の下流端は、酸素バッファタンク145、パージ酸素供給経路141を経由して、水素回収燃料電池150におけるカソード152のガス入口側につながっている。
On the other hand, the cathode 10 and second gas outlet side of the
A
水素回収燃料電池150は、アノード151/カソード152/高分子電解質膜153で構成されている。水素回収燃料電池150におけるアノード151のガス出口側には水素回収燃料電池150で回収されなかった水素が排出される未回収水素排出経路132が接続されており、未回収水素排出経路132中には、水素以外の不純物を吸着させる水素側吸着フィルタ133、水素を昇圧する水素循環ポンプ134が設置されている。また、カソード152のガス出口側には水素回収燃料電池150で回収されなかった酸素が排出される未回収酸素排出経路142が接続されており、未回収酸素排出経路142中には、酵素以外の不純物を吸着させる酸素側吸着フィルタ143、酸素ガスを昇圧する酸素循環ポンプ144が設置されている
水素回収燃料電池150において、水素/酸素反応により発生した電力のラインは、スイッチ161を通して蓄電装置162に接続され、さらにスイッチ163を通して燃料電池の補機(例えばポンプ、弁など)164につながっている。
The hydrogen
次に上記システムの動作について説明する。
主燃料電池100において、水素が水素供給手段110及び水素供給経路111を通してアノード側101に導入され、酸素が酸素供給手段120及び酸素供給経路121を通してカソード側102に導入されることにより、カソード102からアノード101に向かう電流が発生し、電力を取り出すことが可能となる。一般的に燃料電池では、水素/酸素以外の不純物は反応に寄与せず、発電に悪影響を及ぼす。一方、水素供給手段110および酸素供給手段120には少なからず不純物が含まれている。この不純物を系外へ排出するため、未反応水素排出経路112と酸素排出経路122が設置されている。
Next, the operation of the system will be described.
In the
未反応水素排出経路112より放出された水素ガスは、制御弁113で制御された後、水素回収燃料電池150のアノード151側へ導入される。一方、未反応酸素排出経路122から分岐された酸素パージ経路126に放出された酸素ガスは、制御弁123で制御された後、酸素バッファタンク145で一度貯蓄される。貯蓄された後、パージ酸素供給経路141を通り水素回収燃料電池150のカソード152側へ導入される。なお、制御弁113、制御弁123は、例えば主燃料電池100の電圧やスタックを構成している各セルの電圧の設定値などにより開閉する機構が設けられている。例えば、図2に示すように、セル/スタックの電圧がV1まで低下すると制御弁113、123を開き、その後、電圧がV2まで上昇すると制御弁113、123を閉じる動作を行う。
The hydrogen gas released from the unreacted
水素回収燃料電池150では、導入された水素と酸素により発電が行われ、電力が発生する。電力は、図3に示すように、圧力センサ−117の値がある一定値P1になったとき、スイッチ161を閉じる(つなぐ)ことにより、蓄電装置162に蓄電することができ、圧力センサーが所定値以下に達したときにスイッチ161を開く(切る)。水素回収燃料電池150では、その反応の機構上、全てのガスを回収できないので、回収できなかったガスは、未回収水素排出経路132、未回収酸素排出経路142を通り、排出される。未回収水素は、未回収水素排出経路132中の水素側吸着フィルタ133において、不純物が除去された後、同経路中の循環ポンプ134で昇圧され、未反応水素排出経路112に戻る。未回収酸素は、未回収酸素排出経路142中の酸素側吸着フィルタ143において、不純物を除去された後、同経路中の循環ポンプ144で昇圧され、酸素バッファタンク145に戻されて、水素回収燃料電池150への導入に備えられる。したがって、システムからのガスの排出を行うことなく稼働させることができる。
In the hydrogen
(実施形態2)
以下、この発明の実施形態2を図4に基づいて説明する。なお、図4において図1と同一の符号は、特に断らない限り、図1で示す符号の構成要素と同一の構成要素を示すものである。
図4において、100はセルスタック型の燃料電池、110/120は燃料電池へ水素/酸素を供給する水素/酸素供給手段、111/121は燃料電池への水素/酸素供給経路、112は燃料電池において発電で消費されなかった水素が排出される未反応水素排出経路を示す。同経路中には、水素ガス量を制御するための制御弁113、水素ガスの圧力が計測可能な圧力センサー117が設置され、同経路は水素バッファタンク135、パージ水素供給経路131を経由して、水素回収燃料電池150のアノード151側につながっている。一方、122は燃料電池において発電で消費されなかった酸素が排出される未反応酸素排出経路であり、同経路中には、ガスを昇圧して再度供給経路121に戻すための循環ポンプ124が設置されている。同経路は、循環ポンプ124の後段で酸素循環経路125と酸素パージ経路126に分岐されており、酸素循環経路125の他端は、酸素供給路121に接続されている。酸素パージ経路126中には、酸素ガス量を制御するための制御弁123、酸素ガスの圧力が計測可能な圧力センサー127を設置しており、同経路は酸素バッファタンク145、パージ酸素供給経路141を経由して、水素回収燃料電池150のカソード152側につながっている。132/142は燃料電池150で回収できなかった水素/酸素が排出される未回収水素/酸素排出経路である。未回収水素排出経路132中には、水素以外の不純物を吸着させる吸着フィルタ133、水素ガスを昇圧する水素循環ポンプ134が設置され、未回収酸素排出経路142中には、酸素以外の不純物を吸着させる吸着フィルタ143、酸素ガスを昇圧する酸素循環ポンプ144が設置されている。水素回収燃料電池150において、水素/酸素反応により発生した電力のラインは、スイッチ161を通して蓄電装置162へつながり、更にスイッチ163を通して主燃料電池100の補機164につながっている。
(Embodiment 2)
The second embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG. In FIG. 4, the same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same constituent elements as those shown in FIG. 1 unless otherwise specified.
In FIG. 4, 100 is a cell stack type fuel cell, 110/120 is a hydrogen / oxygen supply means for supplying hydrogen / oxygen to the fuel cell, 111/121 is a hydrogen / oxygen supply path to the fuel cell, and 112 is a fuel cell. 2 shows an unreacted hydrogen discharge route through which hydrogen not consumed by power generation is discharged. A
次に動作について説明する。主燃料電池100において、水素が水素供給手段110及び水素供給経路111を通してアノード側101に導入され、酸素が酵素供給手段120及び酸素供給経路121を通してカソード側102に導入されることにより、カソード102からアノード101に向かう電流が発生し、電力を取り出すことが可能となる。未反応水素排出経路112より放出された水素ガスは、水素バッファタンク135で一度貯蓄された後、パージ水素供給経路131を通り水素回収燃料電池150のアノード151側へ導入される。一方、未反応酸素排出経路122から分岐された酸素パージ経路126より放出された酸素ガスは、制御弁123で制御された後、酸素バッファタンク145で一度貯蓄される。貯蓄された後、パージ酸素供給経路141を通り水素回収燃料電池150のカソード152側へ導入される。なお、制御弁113、123は、前記実施形態2と同様に、例えば主燃料電池100のスタックの電圧やスタックを構成している各セルの電圧の設定値などにより開閉する機構を設けている(図2)。
Next, the operation will be described. In the
水素回収燃料電池150では、導入された水素と酸素により発電が行われ、電力が発生する。電力は、実施形態1と同様に、例えば図3のように、圧力センサー117の値がある一定値P1になった時、スイッチ161を閉じることにより、蓄電装置162に蓄電できる。水素回収燃料電池150では、その反応の機構上、全てのガスを回収できないので、回収できなかったガスは、未回収水素排出経路132、酸素排出経路142を通り、排出される。未回収水素は、未回収水素排出経路132中の水素側吸着フィルタ133において、不純物を除去した後、同経路中の循環ポンプ134で昇圧され、水素バッファタンク135に戻る。未回収酸素は、未回収酸素排出経路142中の酸素側吸着フィルタ143において、不純物を除去された後、同経路中の循環ポンプ144で昇圧され、酸素バッファタンク145に戻る。
In the hydrogen
(実施形態3)
以下、この発明の実施形態3を図5に基づいて説明する。なお、図5において図1と同一の符号は、特に断らない限り、図1で示す符号の構成要素と同一の構成要素を示すものである。
図5において、100は燃料電池スタック、110/120は燃料電池へ水素/酸素を供給する水素/酸素供給手段、111/121は燃料電池への水素/酸素供給経路、112/122は燃料電池において発電で消費されなかった水素/酸素が排出される未反応水素/酸素排出経路を示す。未反応水素排出経路112中には、ガスを昇圧して再度水素供給経路111に戻すための循環ポンプ114が設置されている。同経路は、循環ポンプ114の後段で水素循環経路115と水素パージ経路116に分岐されており、水素循環経路115の他端は、水素供給経路111に接続されている。
(Embodiment 3)
Embodiment 3 of the present invention will be described below with reference to FIG. In FIG. 5, the same reference numerals as those in FIG. 1 indicate the same constituent elements as those shown in FIG. 1 unless otherwise specified.
In FIG. 5, 100 is a fuel cell stack, 110/120 is a hydrogen / oxygen supply means for supplying hydrogen / oxygen to the fuel cell, 111/121 is a hydrogen / oxygen supply path to the fuel cell, and 112/122 is a fuel cell. An unreacted hydrogen / oxygen discharge path through which hydrogen / oxygen not consumed by power generation is discharged is shown. In the unreacted
水素パージ経路116中には、水素ガス量を制御するための制御弁113、水素ガスの圧力が計測可能な圧力センサー117を設置しており、同経路は水素回収装置150のアノード151側につながっている。未反応酸素排出経路122中には、ガスを昇圧して再度供給経路121に戻すための循環ポンプ124が設置されている。同経路は、循環ポンプ124の後段で酸素循環経路125と酸素パージ経路126に分岐されており、酸素循環経路125の他端は酸素供給路121に接続されている。酸素パージ経路126中には、酸素ガス量を制御するための制御弁123、酵素ガスの圧力が計測可能な圧力センサー127が設置されており、同経路は酸素バッファタンク145、パージ酸素供給経路141を経由して、水素回収燃料電池150のカソード152側につながっている。132/142は150で回収できなかった水素/酸素が排出される未回収水素/酸素排出経路である。未回収水素排出経路132中には、水素以外の不純物を吸着させる水素側吸着フィルタ133、水素ガスを昇圧する水素循環ポンプ134が設置されており、未回収酸素排出経路142中には、酸素以外の不純物を吸着させる酸素側吸着フィルタ143、酸素ガスを昇圧する酸素循環ポンプ144が設置されている。
水素回収燃料電池150において、水素/酸素反応により発生した電力のラインは、スイッチ161を通して蓄電装置162へつながり、更にスイッチ163を通して主燃料電池100の補機164につながっている。
In the
In the hydrogen
次に動作について説明する。主燃料電池100において、水素が水素供給手段110及び水素供給経路111を通してアノード側101に導入され、酸素が酵素供給手段120及び酸素供給経路121を通してカソード側102に導入されることにより、カソード102からアノード101に向かう電流が発生し、電力を取り出すことが可能となる。未反応水素排出経路112から分岐された水素パージ経路116に放出された水素ガスは、制御弁113で制御された後、水素回収燃料電池150のアノード151側へ導入される。一方、未反応酸素排出経路122から分岐された酸素パージ経路126に放出された酸素ガスは、制御弁123で制御された後、酸素バッファタンク145で一度貯蓄される。貯蓄された後、パージ酸素供給経路141を通り水素回収燃料電池150のカソード152側へ導入される。なお、制御弁113、123は、前記実施形態1と同様に、例えば主燃料電池100のスタック電圧やスタックを構成している各セルの電圧の設定値などにより開閉する機構を設けている(図2)。水素回収燃料電池150では、導入された水素と酸素により発電が行われ、電力が発生する。電力は、圧力センサー117の値がある一定値P1になった時、スイッチ161を閉じることにより、蓄電装置162に蓄電することできる(図3)。水素回収燃料電池150では、その反応の機構上、全てのガスを回収できないので、回収できなかったガスは、未回収水素排出経路132、未回収酸素排出経路142を通り、排出される。未回収水素は、未回収水素排出経路132中の水素側吸着フィルタ133において、不純物を除去された後、同経路中の循環ポンプ134で昇圧され、水素パージ経路116に戻る。未回収酸素は、未回収酸素排出経路142中の酸素側吸着フィルタ143において、不純物を除去された後、同経路中の循環ポンプ144で昇圧され、酸素バッファタンク145に戻る。
Next, the operation will be described. In the
以下、この発明の実施形態4を図6に基づいて説明する。なお、図6において図1、図4、5と同一の符号は、特に断らない限り、前記符号が各図で示す構成要素と同一の構成要素を示している。
図6において、100は燃料電池スタック、110/120は燃料電池へ水素/酸素を供給する水素/酸素供給手段、111/121は燃料電池への水素/酸素供経路、112/122は燃料電池において発電で消費されなかった水素/酸素が排出される未反応水素/酸素排出経路を示す。未反応水素排出経路112中には、ガスを昇圧して再度水素供給経路111に戻すための循環ポンプ114が設置されている。また、同経路は、循環ポンプ114の後段で水素循環経路115と水素パージ経路116に分岐されており、水素循環経路115の他端は、水素供給路111に接続されている。水素パージ経路116中には、水素ガス量を制御するための制御弁113、水素ガスの圧力が計測可能な圧力センサー117を設置しており、同経路は水素バッファタンク135、パージ水素供給経路131を経由して、水素回収装置150のアノード151側につながっている。未反応酸素排出経路122中には、ガスを昇圧して再度供給経路121に戻すための循環ポンプ124が設置されている。また、同経路は、循環ポンプ124の後段で酸素循環経路125と酸素パージ経路126に分岐されている。酸素パージ経路126中には、酸素ガス量を制御するための制御弁123を設置しており、同経路は酸素バッファタンク145、パージ酸素供給経路141を経由して、水素回収装置150のカソード152側につながっている。132/142は150で回収できなかった水素/酸素が排出される未回収水素/酸素排出経路である。132/142中には、水素/酸素以外の不純物を吸着させる吸着フィルタ133/143、水素/酸素ガスを昇圧する水素/酸素循環ポンプ134/144が設置されている。水素回収燃料電池150において、水素/酸素反応により発生した電力のラインは、スイッチ161を通して蓄電装置162へつながり、更にスイッチ163を通して燃料電池の補機164につながっている。
In FIG. 6, 100 is a fuel cell stack, 110/120 is a hydrogen / oxygen supply means for supplying hydrogen / oxygen to the fuel cell, 111/121 is a hydrogen / oxygen supply path to the fuel cell, and 112/122 is a fuel cell. An unreacted hydrogen / oxygen discharge path through which hydrogen / oxygen not consumed by power generation is discharged is shown. In the unreacted
次に動作について説明する。燃料電池スタック100において、水素が水素供給手段110及び水素供給経路111を通してアノード側101に、酸素が酸素供給手段120及び酸素供給経路121を通してカソード側102に導入されることにより、カソード102からアノード101に向かう電流が発生する。未反応水素排出経路112から分岐された水素パージ経路116より放出されたガスは、制御弁113で制御された後、水素バッファタンク135で一度貯蓄される。貯蓄された後、パージ水素供給経路131を通り、水素回収装置のアノード側151へ導入される。一方、未反応酸素排出経路122から分岐された酸素パージ経路126より放出されたガスは、制御弁123で制御された後、酸素バッファタンク145で一度貯蓄される。貯蓄された後、パージ酸素供給経路141を通り水素回収装置のカソード側152へ導入される。なお、制御弁113、123は、実施形態1と同様に、例えば燃料電池スタックの電圧やスタックを構成している各セルの電圧の設定値などにより開閉する機構を設けている(図2)。水素回収燃料電池150では、導入された水素と酸素により発電が行われ、電力が発生する。電力は、実施形態1と同様に、圧力センサー117の値がある一定値P1になった時、スイッチ161を開けることにより、蓄電装置162に蓄電することできる(図3)。水素回収燃料電池150では、その反応の機構上、全てのガスを回収できないので、回収できなかったガスは、未回収水素/酸素排出経路132/142を通り、排出される。未回収水素は、未回収水素排出経路132中の水素側吸着フィルタ133において、不純物を除去した後、同経路中の循環ポンプ134で昇圧され、水素バッファタンク135に戻る。未回収酸素は、未回収酸素排出経路142中の酸素側吸着フィルタ143において、不純物を除去された後、同経路中の循環ポンプ144で昇圧され、酸素バッファタンク145に戻る。
Next, the operation will be described. In the
100 主燃料電池
101 アノード
102 カソード
110 水素供給手段
111 水素供給路
112 未反応水素排出経路
113 制御弁
115 水素循環経路
117 圧力センサー
120 酸素供給手段
121 酸素供給路
122 未反応酸素排出経路
123 制御弁
125 酸素循環経路
126 酸素パージ経路
127 圧力センサー
131 パージ水素供給経路
132 未回収水素排出経路
133 水素側吸着フィルタ
135 水素バッファタンク
141 パージ酸素供給経路
142 未回収酸素排出経路
143 酸素側吸着フィルタ
145 酸素バッファタンク
150 水素回収燃料電池
151 アノード
152 カソード
162 蓄電装置
164 補機
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