JP3882664B2

JP3882664B2 - Fuel cell system

Info

Publication number: JP3882664B2
Application number: JP2002112054A
Authority: JP
Inventors: 剛谷山
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-04-15
Filing date: 2002-04-15
Publication date: 2007-02-21
Anticipated expiration: 2022-04-15
Also published as: JP2003308858A

Description

【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。
【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２００１−１９７７９１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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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、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と、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と、前記圧縮機またはポンプを駆動する駆動モータと、を備えた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。
【００１０】
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が必要とする駆動力より前記タービンが供給する駆動力が大きい場合、前記駆動モータを発電機として動作させて、余剰の駆動力を回収することを要旨とする。
【００１１】
請求項３記載の発明は、上記目的を達成するため、請求項１または請求項２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。
【００１２】
請求項４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３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。
【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。
【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。
【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１３０に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給溝１３２、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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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（Ｎａｆｉｏｎ^R ：米国デュポン社、登録商標）が知られている。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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る。
【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１１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。
【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。
【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。
【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。
【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る。
【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。
【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１３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。
【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。
【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１０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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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る。
【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１６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。
【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。
【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。
【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る。
【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。
【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。
【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１８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。
【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。
【図面の簡単な説明】
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【符号の説明】
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[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system that extracts expansion energy of high-pressure gas as rotation of a turbine.
[0002]
[Prior art]
Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2001-197791 discloses a fuel cell system that stores high-pressure hydrogen gas as fuel gas and drives a turbine generator with the expansion energy of the high-pressure hydrogen gas. According to this prior art, 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 depressurizes high-pressure hydrogen released from the turbine generator; A fuel cell that generates power using the decompressed hydrogen as fuel, and a secondary battery that stores the power generated by the turbine generator or the fuel cell. With this configuration, the target is to improve the power generation efficiency of the entire fuel cell system by effectively using the pressure energy of high-pressure hydrogen.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional fuel cell system has the following problems.
[0004]
The fuel cell system has a pump / compressor for circulating or pressurizing various fluids, and these are usually driven by a motor. In the conventional fuel cell system described above, the energy of the pressure drop at the time of depressurization of the fuel gas is converted into electric power by the turbine generator, so that the pump / compressor can be driven using this electric power.
[0005]
However, in this case, the energy form will be converted twice: kinetic energy → electrical energy → kinetic energy, and energy loss in the conversion process is unavoidable, which is an obstacle to improving the energy efficiency of the entire system. There is a possibility.
[0006]
In view of the above-described conventional problems, the present invention makes it possible to use the energy in other devices in the fuel cell system while minimizing the number of conversions of the energy form, and by minimizing the energy loss due to the conversion. The purpose is to maximize the energy utilization efficiency of the entire system.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the invention described in claim 1 provides a high-pressure gas storage device for storing fuel gas or oxidant gas at a high pressure, and depressurizes the high-pressure fuel gas or oxidant gas to supply to the fuel cell stack. a decompression means for, in the fuel supply pipe or oxidant supply pipe with the previous SL pressure gas storage device and between the cell stack, a turbine operated by the flow of the fuel gas or oxidant gas, the axial rotational movement of the turbine In a fuel cell system comprising a compressor or pump that is driven to pressurize or deliver fluid and a drive motor that drives the compressor or pump, a shaft is provided between the turbine and the compressor or pump. A second coupling capable of changing a transmission rate of the shaft rotational force between the compressor or pump and the drive motor; And summarized in that with a joint.
[0010]
If invention of claim 2, wherein, in order to achieve the above object, a fuel cell system according to claim 1, wherein the compressor or the turbine for supplying driving force from the driving force pump requires large, the The gist is to operate the drive motor as a generator to recover excess drive force .
[0011]
According to a third aspect of the present invention, in order to achieve the above object, in the fuel cell system according to the first or second aspect , the gas of the battery stack is used as a fluid pressurized or delivered by the compressor or pump. The gist of the invention is that it has a configuration capable of utilizing the surplus fuel gas or oxidant gas discharged from the exhaust port and recirculating it to the gas supply port of the battery stack by the compressor or pump. .
[0012]
According to a fourth aspect of the present invention, in order to achieve the above object, in the fuel cell system according to any one of the first to third aspects, a heat exchanger is installed immediately after the gas outlet of the turbine. The gist is that it has a configuration capable of performing heat exchange between the gas after passing through the turbine and another fluid.
[0013]
【The invention's effect】
According to the present invention, the energy of the high-speed gas flow generated by the pressure drop at the time of depressurization of the high-pressure fuel gas or oxidant gas is received by the turbine and converted into the kinetic energy of shaft rotation, and then other energy such as electricity. It can be directly used as the energy of the rotary motion of the compressor or pump without passing through the form.
[0014]
This minimizes the number of conversions of the energy form, and allows the energy to be used by other devices in the fuel cell system. By minimizing energy loss due to conversion, the energy utilization efficiency of the entire system is maximized. There is an effect that can be raised to the limit.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will 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. A fuel gas supply groove 131 for supplying a fuel gas (hydrogen) to the anode electrode 129, an oxidant gas supply groove 132 for supplying an oxidant gas to the cathode electrode 130, and the outside of each of the supply grooves has conductivity. The gas-impermeable anode separator 133, the cathode separator 134, and the anode separator 133 further have a conductive gas and a water-impermeable water separator 135, and excess heat generated by power generation is removed. Thus, a cooling water supply groove 136 for flowing the stack cooling water for maintaining the fuel cell stack temperature appropriately is disposed, and the unit cell battery 137 is configured by 128 to 136.
[0016]
In the solid polymer electrolyte fuel cell as described above, when a fuel gas is supplied to the anode electrode 129 and an oxidant gas is supplied to the cathode electrode 130, an electrochemical reaction occurs between the pair of electrodes of the unit cell battery as follows. An electromotive force is generated as shown in equations (1) and (2).
[0017]
[Chemical 1]
Anode reaction: H ₂ → 2H ⁺ + 2e ⁻ (1)
Cathode reaction: 2H ⁺ + 1 / 2O ₂ + 2e ⁻ → 2H ₂ O (2)
That is, normally, hydrogen is used as the fuel gas and 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, respectively, the anode electrode 129 is supplied. Hydrogen dissociates into hydrogen ions and electrons. Then, hydrogen ions pass through the solid polymer film 128, and electrons move to the cathode electrode 130 through the external circuit.
[0018]
On the other hand, in the cathode electrode 130, oxygen in the supplied air, the hydrogen ions, and electrons react to generate water. At this time, electrons passing through the external circuit become current and can supply power. That is, in the anode electrode 129 and the cathode electrode 130, the reaction shown in the above chemical reaction formula proceeds. The generated water is discharged out of the battery together with the unreacted gas.
[0019]
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 generation by.
[0020]
Above such as a solid polymer electrolyte fuel solid polymer membrane 128 having ionic conductivity used in the cell, for example, perfluorosulfonic b carbon acid is a proton exchange membrane (Nafion ^R: DuPont, registration Trademark) is known.
[0021]
This membrane has a hydrogen ion exchange group in the molecule, and functions as an ion conductive electrolyte when saturated with water, and also has a function of separating fuel and oxidant. Conversely, when the water content of the membrane decreases, the ionic resistance increases and a crossover in which the fuel and the oxidant are mixed occurs, making it impossible to generate power in the battery. For this reason, it is desirable that the solid polymer film be saturated with water.
[0022]
In particular, when applied to a moving body such as an automobile, it is required to store the fuel at a high density in order to ensure a long operation time per fuel filling, and a high-pressure hydrogen storage tank is used.
[0023]
On the other hand, since the pressure suitable for the operation of the fuel cell is considerably lower than the storage pressure in the tank, the high-pressure fuel gas passes through the pressure reducing valve, expands and drops in pressure before being supplied to the fuel cell stack. Used for power generation.
[0024]
Figure 1 is a schematic diagram showing a configuration of a first embodiment of a fuel cell system according to the present invention. In the present embodiment, only the fuel gas side is of a high pressure type, and the illustration of the configuration of the supply path for the oxidant gas is omitted.
[0025]
In FIG. 1, the fuel cell system is driven by a high-pressure fuel gas tank 1 that stores fuel gas at a high pressure, a high-pressure gas expansion turbine 2 that is operated by the flow of high-pressure fuel gas, and a shaft rotary motion of the high-pressure gas expansion turbine 2. A circulation pump 3 for delivering fluid, a pressure reducing valve (pressure regulator) 4 for reducing the pressure of fuel gas that has passed through the high-pressure gas expansion turbine 2, a fuel cell stack 5 to which fuel gas reduced in pressure by the pressure reducing valve 4 is supplied, A circulating fluid utilization device 6 that uses fluid circulated by the circulation pump 3, a high-pressure fuel gas pipe 7 a that supplies high-pressure fuel gas from the high-pressure fuel gas tank 1 to the high-pressure gas expansion turbine 2, and the high-pressure gas expansion turbine 2 An intermediate pressure fuel gas pipe 7b for supplying intermediate pressure fuel gas to the pressure reducing valve 4 and a low pressure fuel gas decompressed by the pressure reducing valve 4 Tsu comprises a low-pressure fuel gas pipe 7c supplied to click 5, and a circulating fluid pipe 8 for connecting the circulation pump 3 and the circulating fluid utilizing device 6.
[0026]
Next, the operation of the present embodiment having the above configuration will be described. The fuel gas stored in the high-pressure fuel gas tank 1 passes through the high-pressure fuel gas pipe 7 a and reaches the high-pressure gas expansion turbine 2, and takes out the kinetic energy of the gas flow as the shaft rotational motion of the high-pressure gas expansion turbine 2. The fuel gas expanded and depressurized after passing through the turbine 2 reaches the pressure reducing valve 4 through the intermediate pressure fuel gas pipe 7b, and then is supplied to the fuel cell stack 5 through the low pressure fuel gas pipe 7c. The chemical bond energy of the fuel gas is converted into electric energy by the reaction. Excess fuel gas not involved in the electrochemical reaction is discharged from the exhaust port of the fuel cell stack 5.
[0027]
On the other hand, the shaft rotational 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 utilization equipment 6 connected by the circulating fluid piping 8, where the fluid motions. After some work is performed using energy or pressure, the fluid is returned to the circulation pump 3 again.
[0028]
Regarding the above circulating fluid, the fuel cell system uses humidifying water for fuel gas or oxidant gas, cooling water for fuel cell stack, cooling water for auxiliary equipment, cooling air for radiator, etc. As an example, a fluid such as a fan for an air conditioner is used, and these fluids are conventionally circulated by a pump driven by a motor motor.
[0029]
With the configuration of FIG. 1 described above, the axial rotational motion of the high-pressure gas expansion turbine 2 can be used immediately as the axial rotational motion of the circulation pump 3, so that the energy form between kinetic energy and electrical energy as in the prior art Since loss due to conversion does not occur, the overall energy utilization efficiency of the fuel cell system can be increased as a result.
[0030]
Figure 2 is a block schematic diagram showing a second embodiment of a fuel cell system according to the present invention.
[0031]
The difference between the present embodiment and the first embodiment is that a circulation pump drive motor 9 is provided on the extension of the rotating shaft connecting the high pressure gas expansion turbine 2 and the circulation pump 3. The turbine / pump clutch joint 10 is disposed on the rotary shaft between the motors 9 and the motor / pump clutch joint 11 is disposed on the rotary shaft between the motor 9 and the circulation pump 3. It is the same as that of one embodiment, and the same reference numerals are given to the same components, and redundant description is omitted.
[0032]
If it is this structure, the rotation speed of the circulation pump 3 can be set independently with respect to the rotation speed of the high pressure gas expansion turbine 2 by the power transmission rate change by adjustment of the surface pressure of the turbine side clutch joint 10, Even when the shaft rotational power obtained by the high-pressure gas expansion turbine 2 is less than or equal to 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. The required rotational speed can be maintained, that is, the pressure and flow rate of the fluid pumped by the circulation pump 3 can be freely set.
[0033]
Thereby, since the circulating fluid utilization apparatus 6 can always be operated in an optimal state without depending on the rotation speed of the high-pressure gas expansion turbine 2, the operability and stability of the entire fuel cell system are further improved. Become.
[0034]
Conversely, when the rotational driving force generated in the high-pressure gas expansion turbine 2 exceeds the rotational driving force required by the circulation pump 3 and becomes excessive in energy, the transmission ratio between the two clutch shaft joints 10 and 11 is increased. And by using the motor 9 as a generator, it is possible to recover the excess as electric energy, and by storing this in a battery or the like, energy is not wasted, and as a result There is also an advantage that the energy utilization efficiency of the entire fuel cell system is further increased.
[0035]
Figure 3 is a block schematic diagram showing a third embodiment of a fuel cell system according to the present invention.
[0036]
The difference between this embodiment and the second embodiment is that there is a high-pressure fuel gas tank internal pressure sensor 12 that detects the internal pressure of the high-pressure fuel gas tank 1, and the tank internal pressure signal from this sensor 12 and the operating state signal values of the fuel cell system are calculated. A control output signal that is taken into the control unit 13 and calculated internally by software is transmitted to the motor 9, the clutch shaft joints 10 and 11, the pressure reducing valve (pressure regulator) 4, etc., and each part is integratedly controlled. Except for the above, the second embodiment is the same as the second embodiment, and the same components are assigned the same reference numerals and redundant description is omitted.
[0037]
FIG. 4 is a control flowchart executed by the control unit 13 to control the rotational speed of the circulation pump 3 in the third embodiment, and the algorithm will be described below.
[0038]
In step S11, each signal indicating the operating state from each part of the fuel cell system and a signal from the high-pressure fuel gas tank internal pressure sensor 12 are read, and in step S12, the number of revolutions required for the circulation pump 3 is determined by calculation. In step S13, the current rotational speed of the circulating pump 3 is compared with the required rotational speed. If the rotational speed is already equal, the rotational speed control is terminated. If the rotational speed is different, the process proceeds to the next step S14 to proceed to the turbine / pump. The surface pressure of the intermediate clutch joint 10 is increased or decreased.
[0039]
In step S15, the current value of the rotation speed is compared with the required value again, and the control ends when they are equal. If not equal, it is determined in the next step S16 whether or not the clutch joint 10 is free (zero transmission torque). If it is not free, it is determined in step S17 whether or not the clutch joint 10 is directly connected (transfer torque 100%). If it is determined that it is not directly connected, the pump rotational speed control range by adjusting the surface pressure of the clutch joint 10 still remains, so the process returns to step S14 to increase / decrease the surface pressure again.
[0040]
If it is determined in step S16 that the clutch has become free and if it is determined in step S17 that the clutch has been directly engaged, the pump rotation speed control range that can be increased by increasing or decreasing the surface pressure of the clutch joint 10 is no longer exceeded. If it is determined, the process proceeds to the next step S18.
[0041]
In step S18, it is determined whether or not the current value of the rotational speed is larger than the required value. If it is larger, the excess of the rotational speed can be recovered as energy, so the pump drive motor 9 is used as a generator in step S21. Switch to the power generation mode as much as possible, and start charging the surplus power generated by the motor 9 into the battery or the like.
[0042]
Next, in order to make the motor 9 absorb more energy in step S22, the surface pressure of the clutch joint 11 between motors and pumps is increased. In step S23, the current value of the pump rotation speed is compared with the required value. If there is still a difference, it is determined that further clutch surface pressure increase is required, and the process returns to step S22.
[0043]
If it is determined in step S18 that the current value of the rotational speed is equal to or less than the required value, it is determined in step S19 whether the current value is below or equal to the required value. . If they are equal, the control ends. However, when it is determined that the current value is lower, an additional pump driving force is required to increase the required rotational speed, so step S31. Then, the pump drive motor 9 is energized to start rotating.
[0044]
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 rotation speed is compared with the required value. If there is still a difference, it is determined that further clutch surface pressure increase is required, and the process returns to step S32.
[0045]
If 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 the motor / pump clutch joint is free (zero surface pressure) in step S24. ) To finish the control.
[0046]
With the above-described configuration and control method, the rotational speed of the pump 3 is always set to an optimum value regardless of the operating state of the fuel cell system and the pressure condition of the internal pressure of the high-pressure fuel gas tank. Therefore, it is expected that the energy utilization efficiency of the entire fuel cell system is further increased.
[0047]
Figure 5 is a block schematic diagram showing a fourth embodiment of a fuel cell system according to the present invention.
[0048]
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 fuel gas and the low-temperature fluid piping immediately after passing through the high-pressure gas expansion turbine 2 are provided by this heat exchanger 14. Heat exchange with the heat transfer fluid flowing through 15 is possible. The heat transfer fluid that has received the heat circulates in the low-temperature fluid pipe 15 by the low-temperature fluid circulation pump 17, and the cold heat of the fluid is used in the low-temperature fluid utilization device 16 in the middle of the heat medium fluid. Other than the above, the third embodiment is the same as the third embodiment.
[0049]
With this configuration, when the high-pressure fuel gas passes through the turbine 2 and expands almost adiabatically and drops in pressure, the cold energy of the fuel gas that has become low temperature due to the Joule-Thomson effect is recovered, and the inside of the fuel cell system Because it can be effectively used for cooling equipment or equipment cooling, it has become possible to save or eliminate the power required for cooling equipment, which has been required in the past. The effect of further improving energy utilization efficiency is expected.
[0050]
FIG. 6 is a schematic configuration diagram illustrating 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. Heat is exchanged by the exchanger 14.
[0051]
Figure 7 is a schematic configuration diagram showing a fifth embodiment of a fuel cell system according to the present invention.
[0052]
In the present embodiment, the surplus fuel gas that has passed through the fuel cell stack 5 is led 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. In addition, the one-way valve 20 is arranged in the middle so that the fuel gas does not flow backward to the pump discharge side. Further, a fuel gas purge valve 18 is installed downstream of the exhaust port of the fuel cell stack 5 to promote the purge action of the gas passage in the fuel cell stack 5 by discharging the fuel gas outside the system. This is the same as the third embodiment.
[0053]
With this configuration, most of the fuel gas that passes through the fuel cell stack 5 without being converted into electric energy and flows out to the gas exhaust port side is generated by the fuel cell stack 5 without being discarded outside the system. Therefore, it is possible to minimize the frequency of unnecessarily releasing the fuel gas by opening the purge valve 18, so that the fuel consumption rate of the fuel cell system is greatly improved.
[0054]
Also, the fuel cell stack 5 is intended to prevent the minute passage of the internal fuel gas from being blocked by the water generated by the electrochemical reaction and reducing the electromotive force in each cell. In the prior art, the purge valve 18 is intermittently opened to increase the flow rate of gas passing through the fine passage in the fuel cell stack 5 and blow off the accumulated water in the passage. If so, the above-mentioned water-flushing effect can be obtained almost continuously by increasing the amount of gas passing through the fine passage by gas recirculation without preparing another new power source, so that the fuel cell stack 5 This has the effect of stabilizing the amount of power generated by and improving the operability of the fuel cell system.
[0055]
In each of the above embodiments, the fuel gas is stored at a high pressure, and an example in which a turbine that operates according to the flow of the fuel gas is provided between the fuel supplies. However, the present invention is not limited thereto, and the oxidant gas is not limited thereto. Can also be used in a fuel cell system equipped with a device for storing the pressure at a high pressure and a decompression means for decompressing the oxidant gas. In that case, a turbine that is operated by the flow of the oxidant gas is provided in the oxidant supply pipe between the apparatus for storing the oxidant gas at a high pressure and the fuel cell stack, and the fluid is added by being driven by the axial rotation of the turbine. A compressor or pump for pressure or delivery may be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a first embodiment of a fuel cell system according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram showing the configuration of a second embodiment of the fuel cell system according to the present invention.
FIG. 3 is a schematic view showing a configuration of a third embodiment of a fuel cell system according to the present invention.
FIG. 4 is a flowchart illustrating circulation pump rotation speed control in the third embodiment.
FIG. 5 is a schematic view showing the configuration of a fourth embodiment of the fuel cell system according to the present invention.
FIG. 6 is a schematic configuration diagram illustrating a modification of the fourth embodiment.
FIG. 7 is a schematic diagram showing the configuration of a fifth embodiment of the fuel cell system according to the present invention.
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.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 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 piping 8 ... Circulating fluid piping

Claims

A high pressure gas storage device for storing fuel gas or oxidant gas at high pressure, a pressure reducing means for supplying to the fuel cell stack the high-pressure fuel gas or oxidant gas and vacuum, the previous SL pressure gas storage device the cell stack A turbine that is operated by the flow of the fuel gas or the oxidant gas , and a compressor or a pump that is driven by the axial rotation of the turbine to pressurize or deliver the fluid. A fuel cell system comprising: a drive motor that drives the compressor or pump ;
Between the turbine and the compressor or pump, a first joint capable of changing the transmission ratio of the shaft rotational force,
A fuel cell system comprising a second joint capable of changing a transmission ratio of shaft rotational force between the compressor or pump and the drive motor .

The surplus driving force is recovered by operating the driving motor as a generator when the driving force supplied by the turbine is larger than the driving force required by the compressor or pump. The fuel cell system described.

As the fluid pressurized or delivered by the compressor or pump, surplus fuel gas or oxidant gas discharged from the gas exhaust port of the battery stack is used, and the gas of the battery stack is discharged by the compressor or pump. The fuel cell system according to claim 1 , wherein the fuel cell system has a configuration capable of being recirculated to the supply port.

The heat exchanger is installed immediately after the gas outlet of the turbine, and it has a configuration capable of exchanging heat between the gas after passing through the turbine and another fluid. The fuel cell system according to claim 3 .