JP5497265B2 - Discharge system for fuel cell inspection - Google Patents
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Description
本発明は燃料電池の発電検査に用いられる放電システムに関する。 The present invention relates to a discharge system used for power generation inspection of a fuel cell.
燃料電池は、燃料を電気化学プロセスによって酸化させることにより酸化反応に伴って放出されるエネルギーを電気エネルギーに直接変換する発電システムであり、水素イオンを選択的に輸送するための電解質膜の両側面を多孔質材料から成る一対の電極によって挟持して成る複数の膜−電極アッセンブリを積層して成るスタック構造を有している。なかでも、固体高分子膜を電解質として用いる固体高分子電解質型燃料電池は、低コストでコンパクト化が容易であり、しかも高い出力密度を有することから、電力源としての用途が期待されている(例えば特許文献1参照)。 A fuel cell is a power generation system that directly converts energy released during an oxidation reaction into electrical energy by oxidizing fuel by an electrochemical process. Both sides of an electrolyte membrane for selectively transporting hydrogen ions Has a stack structure in which a plurality of membrane-electrode assemblies are sandwiched between a pair of electrodes made of a porous material. Among them, a solid polymer electrolyte fuel cell using a solid polymer membrane as an electrolyte is expected to be used as a power source because it is low in cost and easy to downsize and has a high output density ( For example, see Patent Document 1).
ところで、燃料電池は利用形態や利用環境などに応じて様々な状況下で発電を行うため、様々な状況下で安定した発電を維持できる燃料電池を設計、製造することが望ましい。かかる事情に鑑み、燃料電池の発電検査に関する技術が種々提案されている。 By the way, since the fuel cell generates power under various conditions depending on the usage form and environment, it is desirable to design and manufacture a fuel cell that can maintain stable power generation under various conditions. In view of such circumstances, various techniques relating to power generation inspection of fuel cells have been proposed.
図2は、従来の発電検査用の放電システム100の要部構成を示す図である。
燃料電池スタック110には、DC/ACコンバータ(直流/交流変換器)を用いた容量150kW程度の大容量放電装置120が接続されている。大容量放電装置120は、発電検査時に燃料電池スタック110から出力される100kW近い直流電力を交流電力に変換し、これを屋内等の三相交流ライン130に出力する。
The
しかしながら、従来の発電検査用の放電システム100では、DC/ACコンバータによる電力変換の際に多大なエネルギーが熱として放出され、エネルギー効率が低いという問題がある。さらに、このようなDC/ACコンバータを搭載した大容量放電装置120は、装置が大型化してしまう問題もある。また、発電検査を行う際には、別途、検査用に反応ガス(燃料ガスや酸化ガスなど)を燃料電池スタック110に供給する必要があるが、燃料電池スタック110に酸化ガスを供給するためには、空気を圧縮する大型のコンプレッサを駆動する必要があり、コンプレッサ駆動によってエネルギーがロスしてしまうという問題もあった。
However, the
本発明は以上説明した事情を鑑みてなされたものであり、従来に比してエネルギー効率が高く、かつ、小型化が可能な燃料電池検査用の放電システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the circumstances described above, and an object of the present invention is to provide a discharge system for fuel cell inspection that is higher in energy efficiency and can be reduced in size as compared with the prior art.
上述した問題を解決するため、本発明に係る燃料電池検査用の放電システムは、燃料電池スタックの発電検査に用いられる放電システムであって、前記発電検査の際に前記燃料電池スタックから出力される電力を用いて水の電気分解を行う分解装置と、前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給するための燃料ガス通路を有する燃料ガス供給系と、前記燃料電池スタックに酸化ガスを供給するための酸化ガス通路を有する酸化ガス供給系と、前記電気分解によって生じた水素を、前記燃料ガス通路に帰還させる第1の供給系と、前記電気分解によって生じた酸素を、前記酸化ガス通路に帰還させる第2の供給系とを具備し、前記分解装置は前記燃料電池スタックに対して着脱可能に接続され、前記第1の供給系及び第2の供給系により前記燃料電池スタックに供給されるガスの不足分が前記燃料ガス供給系及び前記酸化ガス供給系により供給されることを特徴とする。 To solve the above problem, a discharge system for a fuel cell testing of the present invention is a discharge system for use in power generation test of the fuel cell stack, is output from the fuel cell stack during the power generation test oxidation to supply and decomposing apparatus for performing the electrolysis of water using electricity, a fuel gas supply system having a fuel gas channel for supplying a fuel gas to the fuel cell stack, an oxidizing gas to the fuel cell stack An oxidizing gas supply system having a gas passage; a first supply system for returning hydrogen generated by the electrolysis to the fuel gas passage; and a first supply system for returning oxygen generated by the electrolysis to the oxidizing gas passage. ; and a second supply system, the decomposition device is detachably connected to the fuel cell stack, the fuel by the first supply system and the second supply system Shortage of gas supplied to the ponds stack, characterized in that it is supplied by the fuel gas supply system and the oxidizing gas supply system.
かかる構成によれば、燃料電池の発電検査時に発生する電力(すなわち、燃料電池の出力電力)を分解装置に供給し、水の電気分解に利用する。そして、電気分解によって生じた水素や酸素を発電検査時に利用することで、DC/ACコンバータを搭載した大容量放電装置を用いて三相交流化していた従来技術に比してエネルギー効率を高めることができる。
さらに、大型のDC/ACコンバータも不要なため、大容量放電装置を設置する従来に比べて必要なスペースを小さくすることができる。
According to such a configuration, the electric power generated during the power generation inspection of the fuel cell (that is, the output electric power of the fuel cell) is supplied to the decomposition device and used for the electrolysis of water. And by using hydrogen and oxygen generated by electrolysis at the time of power generation inspection, energy efficiency can be improved compared to the conventional technology that has been converted to three-phase alternating current using a large capacity discharge device equipped with a DC / AC converter. Can do.
Furthermore, since a large DC / AC converter is not required, the required space can be reduced as compared with the conventional case where a large-capacity discharge device is installed.
また、上記構成にあっては、前記燃料電池スタックの発電時に生成される生成水を貯蔵する容器を備え、前記分解装置は、前記発電検査の際に前記燃料電池スタックから出力される電力を用いて前記容器に貯蔵された生成水の電気分解を行う態様が好ましい。 Further, in the above configuration, the fuel cell stack includes a container for storing generated water generated during power generation, and the decomposition apparatus uses electric power output from the fuel cell stack during the power generation inspection. Thus, it is preferable that the generated water stored in the container is electrolyzed.
また、上記構成にあっては、前記第1の供給系には、前記水素の供給を制御する第1制御手段が設けられ、前記第2の供給系には、前記酸素の供給を制御する第2制御手段が設けられ、前記各制御手段は、前記発電検査の際に燃料電池スタックから出力される電力によって駆動される態様であっても良い。 In the above configuration, the first supply system is provided with first control means for controlling the supply of hydrogen, and the second supply system is provided with a first control unit for controlling the supply of oxygen. 2 control means may be provided, and each control means may be driven by electric power output from the fuel cell stack during the power generation inspection.
以上説明したように、本発明によれば、従来に比してエネルギー効率が高く、かつ、小型化が可能な燃料電池検査用の放電システムを提供することが可能となる。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide a discharge system for fuel cell inspection that is higher in energy efficiency and can be miniaturized as compared with the prior art.
以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明では燃料電池車両に搭載される車載電源としての燃料電池システムを想定するが、電気自動車やハイブリッド自動車に搭載される車載電源としても利用可能である。また、車両のみならず各種移動体(例えば、船舶や飛行機、ロボットなど)や定置型電源、さらには携帯型の燃料電池システムにも適用可能である。 Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings. In the following description, a fuel cell system as an in-vehicle power source mounted on a fuel cell vehicle is assumed, but it can also be used as an in-vehicle power source mounted in an electric vehicle or a hybrid vehicle. Further, the present invention can be applied not only to vehicles but also to various moving bodies (for example, ships, airplanes, robots, etc.), stationary power sources, and portable fuel cell systems.
A.本実施形態
図1は本実施形態に係る燃料電池システム10の概略構成である。
燃料電池システム10は、燃料電池車両に搭載される車載電源システムとして機能するものであり、反応ガス(燃料ガス、酸化ガス)の供給を受けて発電する燃料電池スタック20と、酸化ガスとしての空気を燃料電池スタック20に供給するための酸化ガス供給系30と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池スタック20に供給するための燃料ガス供給系40と、システム全体を制御するコントローラ70を備えている。また、燃料電池スタック20には、本発明の特徴部分である発電検査用の放電システム50が電気的に接続されている。
A. FIG. 1 is a schematic configuration of a
The
燃料電池スタック20は、複数のセルを直列に積層してなる固体高分子電解質型セルスタックである。燃料電池スタック20では、アノード極において(1)式の酸化反応が生じ、カソード極において(2)式の還元反応が生じる。燃料電池スタック20全体としては(3)式の起電反応が生じ、この燃料電池スタック20には、発電検査を行うためのセルモニタ60が取り付けられている。
The
H2 → 2H++2e- …(1)
(1/2)O2+2H++2e- → H2O …(2)
H2+(1/2)O2 → H2O …(3)
H 2 → 2H + + 2e − (1)
(1/2) O 2 + 2H + + 2e − → H 2 O (2)
H 2 + (1/2) O 2 → H 2 O (3)
酸化ガス供給系30は、燃料電池スタック20のカソード極に供給される酸化ガスが流れる酸化ガス通路34と、酸化オフガスが流れる酸化オフガス通路36を有している。酸化ガス通路34には、フィルタ31を介して大気中から酸化ガスを取り込むエアコンプレッサ32や酸化ガス供給量を調整するための絞り弁35、燃料電池スタック20のカソード極へ供給される酸化ガスを加湿するための加湿器(図示略)などが設けられている。
The oxidizing
酸化オフガス通路36には、酸化オフガスに含まれる不純物や水分を分離し、外部に排出するための気液分離器36や、不純物や水分が除去された酸化オフガスを酸化ガス通路34に圧送する循環ポンプ38、酸化ガス供給圧を調整するための背圧調整弁(図示略)などが設けられている。
A gas-
燃料ガス供給系40は、燃料ガス供給源41と、燃料ガス供給源41から燃料電池スタック20のアノード極に供給される燃料ガスが流れる燃料ガス通路45と、燃料電池スタック20から排出される燃料オフガスが流れる燃料オフガス通路46を有している。
The fuel
燃料ガス供給源41は、例えば、高圧水素タンクや水素吸蔵合金などで構成され、高圧(例えば、35MPa乃至70MPa)の水素ガスを貯留する。遮断弁42を開くと、燃料ガス供給源41から燃料ガス通路45に燃料ガスが流出する。燃料ガスは、レギュレータ43などにより、例えば、200kPa程度まで減圧されて、燃料電池スタック20に供給される。
The fuel
尚、燃料ガス供給源41は、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクとから構成してもよい。
The fuel
レギュレータ43は、その上流側圧力(一次圧)を、予め設定した二次圧に調圧する装置であり、例えば、一次圧を減圧する機械式の減圧弁などで構成される。機械式の減圧弁は、背圧室と調圧室とがダイアフラムを隔てて形成された筺体を有し、背圧室内の背圧により調圧室内で一次圧を所定の圧力に減圧して二次圧とする構成を有する。
The
燃料オフガス通路46には、燃料オフガスに含まれる不純物や水分を分離し、外部に排出するための気液分離器44やと、不純物や水分が除去された燃料オフガスを燃料ガス通路43に圧送する循環ポンプ47などが設けられている。
In the fuel off
コントローラ70は、CPU、ROM、RAM、及び入出力インタフェース等を備えるコンピュータシステムであり、燃料電池システム10の各部(酸化ガス供給系30、燃料ガス供給系40など)を制御するための制御手段として機能する。
The
放電システム50は、下記式(4)に示す反応により水を電気分解して水素及び酸素を発生する電気分解装置(分解装置)51や、電気分解によって生じた酸素を酸化ガス生成通路(第2の供給系)55を通じて酸化ガス通路34に戻すエアコンプレッサ(第2制御手段)52や、電気分解によって生じた水素を燃料ガス生成通路(第1の供給系)56を通じて燃料ガス通路45に戻す水素コンプレッサ(第1制御手段)53などを備えている。
2H2O → 2H2+O2 …(4)
The
2H 2 O → 2H 2 + O 2 (4)
電気分解装置51は、水を蓄えておくための貯水容器(容器)51aを備えており、端子54を介して燃料電池スタック20に着脱可能に接続されている。電機分解装置51を含む放電システム50は、燃料電池スタック20の発電検査時(例えば、製造出荷前の検査時など)に使用される。式(4)に示す水の電気分解反応を起こすために必要な電力は、発電検査時に燃料電池スタック20から出力される電力(出力電力)を利用する。そして、電気分解によって生じた水素や酸素は、エアコンプレッサ52や水素コンプレッサ53により酸化ガス通路34や燃料ガス通路45に帰還され、燃料ガスや酸化ガスとして燃料電池スタック20に供給される。このため、燃料電池スタック20の発電検査に際しては、反応ガスの大半を電気分解によって生じた水素や酸素で賄うことができ、エネルギーロスによる不足分の反応ガスについてのみ、燃料ガス供給系40や酸化ガス供給系30から補えば良い。
The
以上説明したように、本実施形態によれば、燃料電池スタック20の発電検査時に発生する電力(すなわち、燃料電池スタック20の出力電力)を電気分解装置51に供給し、水の電気分解に利用する。そして、電気分解によって生じた水素や酸素を発電検査時に利用することで、DC/ACコンバータを搭載した大容量放電装置を用いて三相交流化していた従来技術に比してエネルギー効率を高めることができる。
さらに、大型のDC/ACコンバータも不要なため、大容量放電装置を設置する従来に比べて必要なスペースを小さくすることができる。
As described above, according to the present embodiment, the power generated during the power generation inspection of the fuel cell stack 20 (that is, the output power of the fuel cell stack 20) is supplied to the
Furthermore, since a large DC / AC converter is not required, the required space can be reduced as compared with the conventional case where a large-capacity discharge device is installed.
B.変形例
(1)なお、電気分解に利用する水は、予め電気分解用に用意しておいても良いが、式(4)に示す燃料電池スタック20の起電反応時に生じる生成水を電気分解用の水として再利用しても良い。生成水を電気分解用の水として再利用する場合には、生成水を電気分解装置51の貯水容器51aに戻す循環ポンプなどを利用すれば良い。
B. Modification (1) The water used for electrolysis may be prepared for electrolysis in advance, but the water generated during the electromotive reaction of the
(2)また、エアコンプレッサ(第2制御手段)42や水素コンプレッサ(第1制御手段)53の駆動電力は、外部から供給しても良いが、燃料電池スタック20の発電検査時に発生する電力を利用しても良い。
(2) The driving power of the air compressor (second control means) 42 and the hydrogen compressor (first control means) 53 may be supplied from the outside, but the power generated during the power generation inspection of the
10・・・燃料電池システム、20・・・燃料電池スタック、30・・・酸化ガス供給系、34・・・酸化ガス通路、40・・・燃料ガス供給系、45・・・燃料ガス通路、50・・・放電システム、51・・・電気分解装置、51a・・・貯水容器、52・・・エアコンプレッサ、53・・・水素コンプレッサ、54・・・端子、55・・・酸化ガス生成通路、56・・・燃料ガス生成通路。
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記発電検査の際に前記燃料電池スタックから出力される電力を用いて水の電気分解を行う分解装置と、
前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給するための燃料ガス通路を有する燃料ガス供給系と、
前記燃料電池スタックに酸化ガスを供給するための酸化ガス通路を有する酸化ガス供給系と、
前記電気分解によって生じた水素を、前記燃料ガス通路に帰還させる第1の供給系と、
前記電気分解によって生じた酸素を、前記酸化ガス通路に帰還させる第2の供給系とを具備し、
前記分解装置は前記燃料電池スタックに対して着脱可能に接続され、
前記第1の供給系及び第2の供給系により前記燃料電池スタックに供給されるガスの不足分が前記燃料ガス供給系及び前記酸化ガス供給系により供給されることを特徴とする燃料電池検査用の放電システム。 A discharge system used for power generation inspection of a fuel cell stack ,
A decomposing apparatus that performs electrolysis of water using electric power output from the fuel cell stack during the power generation inspection;
A fuel gas supply system having a fuel gas passage for supplying fuel gas to the fuel cell stack ;
An oxidizing gas supply system having an oxidizing gas passage for supplying an oxidizing gas to the fuel cell stack ;
A first supply system for returning hydrogen generated by the electrolysis to the fuel gas passage;
A second supply system for returning oxygen generated by the electrolysis to the oxidizing gas passage;
The decomposition apparatus is detachably connected to the fuel cell stack ,
For fuel cell inspection, a shortage of gas supplied to the fuel cell stack by the first supply system and the second supply system is supplied by the fuel gas supply system and the oxidizing gas supply system. Discharge system.
前記分解装置は、前記発電検査の際に前記燃料電池スタックから出力される電力を用いて前記容器に貯蔵された生成水の電気分解を行うことを特徴とする請求項1に記載の放電システム。 A container for storing generated water generated during power generation of the fuel cell stack ;
The discharge system according to claim 1, wherein the decomposition apparatus performs electrolysis of generated water stored in the container using electric power output from the fuel cell stack during the power generation inspection.
前記第2の供給系には、前記酸素の供給を制御する第2制御手段が設けられ、
前記各制御手段は、前記発電検査の際に前記燃料電池スタックから出力される電力によって駆動されることを特徴とする請求項1または2に記載の放電システム。 The first supply system is provided with first control means for controlling the supply of the hydrogen,
The second supply system is provided with second control means for controlling the supply of oxygen,
3. The discharge system according to claim 1, wherein each control unit is driven by electric power output from the fuel cell stack during the power generation inspection.
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