JP4338914B2 - 燃料循環式燃料電池システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとを供給されて電気を発生させる燃料電池を備える燃料電池システムに関し、特に、燃料電池から排出される燃料オフガスを燃料ガスに合流させて循環させる燃料循環式の燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池自動車等に搭載される燃料電池には、固体高分子電解質膜の両側にアノードとカソードとを備え、アノードに燃料ガス（例えば水素ガス）を供給し、カソードに酸化剤ガス（例えば酸素あるいは空気）を供給して、これらガスの酸化還元反応にかかる化学エネルギを直接電気エネルギとして抽出するようにしたものがある。
この燃料電池では、アノードで水素ガスがイオン化して固体高分子電解質中を移動し、電子は、外部負荷を通ってカソードに移動し、酸素と反応して水を生成する一連の電気化学反応による電気エネルギを取り出すことができるようになっている。
【０００３】
この種の燃料電池を備えた燃料電池システムにおいては、過渡的な状態でのガス不足を防止するためや、発電に伴って発生する凝縮水を排出するために、燃料ガスおよび酸化剤ガスを燃料電池における実際の消費量よりも多めに供給する必要がある。このように実際の消費量よりも多い燃料ガスを燃料電池に供給すると、消費されなかった燃料ガスが燃料電池から排出されることとなるが、これを大気に放出してしまうとエネルギーを浪費することとなる。特に、燃料電池システムを搭載した燃料電池自動車においては燃費悪化となる。
そこで、燃料電池で消費されなかった燃料ガスを含み、燃料電池のアノード側から排出されるガス（以下、これを燃料オフガスという）をポンプ等の加圧手段で加圧して、新規の燃料ガスと合流させて再び燃料電池に循環させる燃料電池システム（以下、これを燃料循環式燃料電池システムという）が開発されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、燃料電池は固体高分子電解質膜の破損防止などのために、アノード側の圧力とカソード側の圧力との差圧（以下、これを極間差圧という）を所定値以下に制御する必要がある。
ここで、前述した燃料循環式燃料電池システムにおいて極間差圧を制御する場合、アノード側の圧力とカソード側の圧力をそれぞれ圧力センサで検出し、これを電気信号に変換して制御装置（ＥＣＵ）に入力し、この入力信号に基づいてＥＣＵが、燃料ガス供給系に設置した電／空式の圧力制御弁をフィードバック制御するシステムが容易に考えられるが、このようなシステムにすると、制御が極めて複雑になり、コスト高になるという問題がある。
そこで、この発明は、極間差圧の制御性がよく且つコスト低減を図ることができる燃料循環式燃料電池システムを提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、
燃料ガス（例えば、後述する実施の形態における水素ガス）と酸化剤ガス（例えば、後述する実施の形態における空気）とを供給されて電気を発生させる燃料電池（例えば、後述する実施の形態における燃料電池１）と、
前記燃料電池の要求出力に応じて回転数を制御され所定量の酸化剤ガスを加圧して前記燃料電池に供給するコンプレッサ（例えば、後述する実施の形態におけるエアコンプレッサ２）と、
前記燃料電池から排出される酸化剤オフガス（例えば、後述する実施の形態における空気オフガス）が流通する酸化剤オフガス路（例えば、後述する実施の形態における空気オフガス路５）に設けられ、開度制御によって前記燃料電池への酸化剤ガスの供給圧を前記燃料電池の要求出力に応じた圧力に調整する圧力制御弁（例えば、後述する実施の形態における圧力制御弁６）と、
前記燃料ガスを前記燃料電池に供給する燃料ガス供給路（例えば、後述する実施の形態における水素ガス供給路８）と、
前記燃料電池から排出される燃料オフガス（例えば、後述する実施の形態における水素オフガス）を前記燃料ガス供給路に戻す燃料オフガス戻し路（例えば、後述する実施の形態における水素オフガス路１０および水素オフガス回収路１２）と、
前記燃料オフガス戻し路上に設けられ、前記燃料電池の要求出力が大きくなるにしたがって回転数が大きくなるように回転数制御される燃料ガスポンプ（例えば、後述する実施の形態における水素ポンプ１１）と、
前記燃料オフガス戻し路が合流する合流点よりも上流の前記燃料ガス供給路に設けられ、前記コンプレッサで加圧され前記燃料電池に供給される前の酸化剤ガスの圧力を信号圧として、前記燃料電池に供給される燃料ガスの圧力を調整する燃料ガス圧力調整手段（例えば、後述する実施の形態における燃料ガス圧力調整弁７）と、
を備え、前記燃料オフガスを前記燃料ガスに合流させて前記燃料電池に供給する燃料循環式燃料電池システムであって、
前記燃料ガス圧力調整手段は、前記燃料ガスが流通可能で弁体（例えば、後述する実施の形態における弁体３０）によって開閉される燃料ガス通路（例えば、後述する実施の形態における水素ガス通路２４）と、前記信号圧が導入される密閉空間の信号圧室（例えば、後述する実施の形態における信号圧室２３）とを有し、前記弁体よりも下流側の前記燃料ガス通路（例えば、後述する実施の形態における水素ガス通路２４ｂ）が前記燃料オフガス戻し路と合流する前記燃料ガス供給路に接続され、前記弁体よりも下流側の前記燃料ガス通路と前記信号圧室がダイヤフラム（例えば、後述する実施の形態におけるダイヤフラム２２ａ，２２ｂ）によって仕切られ、前記ダイヤフラムが弾性体（例えば、後述する実施の形態におけるスプリング３１）によって前記燃料ガス通路に接近する方向に付勢され、前記弁体が前記ダイヤフラムに連結され連動するように構成されており、
前記燃料ガス圧力調整手段は、前記弁体よりも下流側の前記燃料ガス通路内の燃料ガスの圧力に基づき前記ダイヤフラムに作用する第１の推力と、前記信号圧室内の信号圧と前記弾性体の押し付け力に基づき前記ダイヤフラムに作用する前記第１の推力に対向する第２の推力との平衡によって前記弁体の開度調整が行われ、前記燃料電池に供給される燃料ガスの圧力を調整することを特徴とする燃料循環式燃料電池システムである。
【０００６】
このように構成することにより、弁体よりも下流側の燃料ガス通路内の燃料ガスの圧力は、燃料ガスポンプで加圧された燃料オフガスを燃料ガスに合流させた燃料電池供給前の燃料ガスの圧力とほぼ同圧であり、前記信号圧室内の信号圧は、コンプレッサで加圧された燃料電池供給前の酸化剤ガスの圧力とほぼ同圧であるので、燃料ガス圧力調整手段では、加圧後の燃料オフガスと燃料ガスとが合流した後のガス圧力と酸化剤ガスとの差圧、つまり燃料電池の極間差圧に基づいて機械的に開度調整が行われることとなる。したがって、弾性体を所定に設定することにより、燃料電池の極間差圧を所望の範囲内に容易に制御することが可能になる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る燃料循環式燃料電池システム（以下、燃料電池システムと略す）の実施の形態を図１から図４の図面を参照して説明する。なお、この実施の形態における燃料電池システムは燃料電池自動車に搭載された態様である。
図１は燃料電池システムの概略構成図である。燃料電池１は、固体高分子電解質膜の両側にアノードとカソードが設けられ各電極の外側に反応ガスを供給するためのガス通路が設けられてなるセルを多数積層して構成されている。
この燃料電池１は、アノードに燃料ガスとしての水素ガスが供給され、カソードに酸化剤ガスとしての空気が供給されて発電を行う。
【０００８】
空気はエアコンプレッサ２によって加圧され、空気供給路３を通りカソード加湿器４で加湿された後に燃料電池１のカソードに供給され、この空気中の酸素が酸化剤として供された後、燃料電池１から空気オフガスとして空気オフガス路５に排出され、圧力制御弁６を介して大気に放出される。図示しない燃料電池用制御装置（ＥＣＵ）は、燃料電池１に要求されている出力（以下、要求出力）に応じて、エアコンプレッサ２の回転数を制御して所定量の空気を燃料電池１に供給するとともに、圧力制御弁６の開度を制御してカソード側の空気の供給圧を燃料電池１の要求出力に応じた圧力に調整する。
【０００９】
一方、図示しない高圧水素タンクから放出された水素ガスは燃料ガス圧力調整弁（燃料ガス圧力調整手段）７で減圧され、水素ガス供給路８を通ってアノード加湿器９に流入し、アノード加湿器９で加湿された後、燃料電池１のアノードに供給される。この水素ガスは発電に供された後、燃料電池１から水素オフガスとして水素オフガス路１０に排出される。水素オフガス路１０に排出された水素オフガスは、水素ポンプ１１で加圧され、水素オフガス回収路１２を介して水素ガス供給路８に戻され、燃料ガス圧力調整弁７を介して供給される新規の水素ガスと合流し再び燃料電池１に供給され循環するようになっている。つまり、水素ポンプ１１は水素オフガスの流路上に設けられており、水素オフガスは水素オフガス流路上で加圧されることとなる。
【００１０】
水素ポンプ１１は、燃料電池１の要求出力に応じて回転数を制御されるようになっていて、燃料電池１の要求出力が大きくなるにしたがって回転数が大きくなるように制御される。つまり、燃料電池システムでは、燃料電池１の要求出力が大きくなるにしたがって水素オフガスの循環量が多くなるように制御される。図２は、この実施の形態での燃料電池１の出力と水素ポンプ１１の消費電力との関係を示す図である。なお、水素ポンプ１１の回転数を上げると、水素ポンプ１１の消費電力が増大する。
【００１１】
燃料ガス圧力調整弁７は信号圧導入型のバイアス式圧力調整弁であり、燃料電池１に供給される前の空気圧力が信号圧として空気信号導入路１３を介して入力され、燃料ガス圧力調整弁７出口の水素ガスの圧力が前記信号圧に対して所定値（例えば１０ｋＰａあるいは２０ｋＰａ）だけ高くなるように調圧する。
【００１２】
この燃料ガス圧力調整弁７について図３の概略断面図を参照して説明する。
燃料ガス圧力調整弁７のボディ２１の内部空間は調圧ダイヤフラム２２ａ，２２ｂによって上下に仕切られていて、ダイヤフラム２２ａよりも上側の空間は信号圧室２３になっていて、ダイヤフラム２２ｂよりも下側の空間は水素ガス通路２４になっている。
信号圧室２３は空気導入孔２５を備えた密閉空間になっていて、コンプレッサ２で加圧された空気が空気信号導入路１３を介して空気導入孔２５から信号圧室２３に導入される。
【００１３】
水素ガス通路２４はその中間部に弁座２６を備えており、弁座２６よりも上流側の水素ガス通路２４ａには、前記高圧水素タンクから放出された水素ガスが、水素ガス入口２７を介して供給されるようになっている。また、弁座２６よりも下流側の水素ガス通路２４ｂは水素ガス出口２８を介して水素ガス供給路８に接続されている。
ダイヤフラム２２ａ，２２ｂはステム２９によって連結され連動するようになっていて、ステム２９は水素ガス通路２４ｂ内に突出して、その先端に弁体３０を備えている。弁体３０は水素ガス通路２４ａ側から弁座２６に着座離間可能になっていて、弁体３０が弁座２６に着座すると水素ガス通路２４ａと水素ガス通路２４ｂは遮断されて燃料ガス圧力調整弁７は全閉状態となり、弁体３０が弁座２６から離間すると水素ガス通路２４ａと水素ガス通路２４ｂが連通して燃料ガス圧力調整弁７は開弁状態となる。なお、図３は燃料ガス圧力調整弁７の全閉状体を示している。
【００１４】
また、信号圧室２３には、ダイヤフラム２２ａを水素ガス通路２４に接近する方向に押し付けるバイアス設定用のスプリング（弾性体）３１が設置されており、スプリング３１は、ダイヤフラム２２ａおよびステム２９を介して、弁体３０を弁座２６から離間する方向に付勢する。
【００１５】
このように構成された燃料ガス圧力調整弁７では、水素ガス通路２４ｂ内の水素ガスの圧力がダイヤフラム２２ｂの下面に作用するので、これに基づいて第１の推力がダイヤフラム２２ｂの下面に上向きに作用し、一方、信号圧室２３内の空気の圧力とスプリング３１の押し付け力がダイヤフラム２２ａの上面に作用するので、これらに基づく第２の推力がダイヤフラム２２ａの上面に下向きに作用する。そして、ダイヤフラム２２ａ，２２ｂはこれら第１の推力と第２の推力の推力差に支配されて動くこととなる。すなわち、第１の推力が第２の推力よりも大きいときにはダイヤフラム２２ａ，２２ｂに上向きの力が作用し、弁体３０を弁座２６に接近させる方向（すなわち、閉弁方向）へ押動し、第１の推力が第２の推力よりも小さくなったときにはダイヤフラム２２ａ，２２ｂに下向きの力が作用し、弁体３０を弁座２６から離間させる方向（すなわち、開弁方向）へ押動する。
【００１６】
ところで、信号圧室２３に供給される空気の圧力は燃料電池１におけるカソード側のガス圧力とほぼ同圧である。また、水素ガス通路２４ｂ内の水素ガスの圧力は、水素ポンプ１１により加圧された水素オフガスと燃料ガス圧力調整弁７を介して新規に供給された水素ガスとが水素ガス供給路８で合流した水素ガスの圧力とほぼ同じである。このことから、水素ガス通路２４ｂ内の水素ガスの圧力は、燃料電池１におけるアノード側のガス圧力とほぼ同圧であるということができる。したがって、この燃料ガス圧力調整弁７は、燃料電池１のカソード側のガス圧力とアノード側のガス圧力の差圧、すなわち極間差圧の大きさに応じてバルブの開度調整を行う圧力調整弁であり、極間差圧が所定の大きさになると前記第１の推力と前記第２の推力が平衡して弁開度が決定されることとなる。そして、スプリング３１のバネ定数を所定に設定することにより、極間差圧を所望の大きさに設定することができることとなる。
【００１７】
換言すれば、燃料ガス圧力調整弁７は、水素ポンプ１１によって加圧された水素オフガスを高圧水素タンクから供給された水素ガスに合流させた燃料電池１への供給前の水素ガスの圧力に基づきダイヤフラム２２ｂに作用する第１の推力と、エアコンプレッサ２で加圧された燃料電池１への供給前の空気の圧力およびスプリング３１の押し付け力に基づきダイヤフラム２２ａに作用する前記第１の推力に対向する第２の推力との平衡によって弁体３０の開度調整を行って、燃料電池１に供給される燃料ガスの圧力を調整する燃料ガス圧力調整手段である。
図４において実線は、この燃料電池システムにおいて燃料電池１の出力を変化させたときの極間差圧の実測結果を示しており、燃料電池１の出力を変化させても極間差圧を所定の範囲内に制御できることを確認することができる。
【００１８】
このように、この燃料電池システムでは、燃料電池１から排出される水素オフガスを、燃料ガス圧力調整弁７を介して供給される新規の水素ガスに合流させて燃料電池１に供給する燃料循環式燃料電池システムでありながら、簡単な構成で、極間差圧を所望の範囲に容易に制御することができるようになり、コスト低減を図ることができる。
【００１９】
ところで、この燃料電池システムでは、水素ポンプ１１を水素オフガス路１０と水素オフガス回収路１２の間、すなわち水素オフガスの流路上に設けるようにしたが、その理由を以下に説明する。
図５に示すように、水素ポンプ１１を、水素ガス供給路８の途中であって水素ガスと水素オフガスとの合流点よりも下流に設置してなる燃料電池システム（以下、これを比較例の燃料電池システムという）の場合、燃料ガス圧力調整弁７のダイヤフラム２２ｂには、水素オフガスを水素ガスに合流させたガス圧力が作用するとはいうものの、このガス圧力は水素ポンプ１１で加圧する前のガス圧力である。したがって、ダイヤフラム２２ｂには燃料電池１のアノード側のガス圧力が作用することにはならない。そして、燃料ガス圧力調整弁７で水素ガスの圧力をカソード側のガス圧力に基づいて調整したにもかかわらず、この調整された水素ガスが水素ポンプ１１で加圧されてから燃料電池１に供給されることとなるので、アノード側のガス圧力を制御するのが困難で、極間差圧を所定範囲に制御するのが困難な制御系となる。
【００２０】
図４において二点鎖線は、前記比較例の燃料電池システムにおいて、燃料電池１の出力を変化させたときの極間差圧の実測結果を示している。ここで、水素ポンプ１１の制御条件は水素ポンプ１１を水素オフガスの流路上に設置したときと同じとした。すなわち、図２に示すように燃料電池１の出力が大きくなるにしたがって水素ポンプ１１の消費電力を大きくするように制御した。その結果、比較例の燃料電池システムの場合には、極間差圧を所定範囲内に制御することができず、燃料電池１の出力が大きくなるにしたがって極間差圧も大きくなってしまった。
結局、水素ポンプ１１を水素ガスと水素オフガスとの合流点よりも下流に設置したのでは、極間差圧の制御が困難になる。したがって、極間差圧の制御性を考慮すると水素ポンプ１１は水素オフガスの流路上に設置しなければならないこととなる。
【００２１】
〔他の実施の形態〕
尚、この発明は前述した実施の形態に限られるものではない。例えば、燃料ガス圧力調整弁７は水素ガスの圧力を信号圧の所定倍（例えば１．１〜１．３倍）に調圧する比例式の調整弁であってもよい。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明するように、請求項１に記載した発明によれば、燃料ガス圧力調整手段の弾性体を所定に設定することにより、燃料電池の極間差圧を所望の範囲内に容易に制御することができるので、燃料循環式燃料電池システムのシステム構成が簡単になり、コスト低減を図ることができるという優れた効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明に係る燃料循環式燃料電池システムの一実施の形態における概略構成図である。
【図２】 前記実施の形態における燃料電池の出力と水素ポンプの消費電力の関係を示す図である。
【図３】 前記実施の形態における燃料ガス圧力調整弁の断面図である。
【図４】 燃料電池の出力変化に対する極間差圧の変化の実測結果を示す図である。
【図５】 比較例における燃料電池システムの概略構成図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池
２ エアコンプレッサ（コンプレッサ）
５ 空気オフガス路（酸化剤オフガス路）
６ 圧力制御弁
７ 燃料ガス圧力調整弁（燃料ガス圧力調整手段）
８ 水素ガス供給路（燃料ガス供給路）
１０ 水素オフガス路（燃料オフガス戻し路）
１１ 水素ポンプ（燃料ガスポンプ）
１２ 水素オフガス回収路（燃料オフガス戻し路）
２２ａ，２２ｂ ダイヤフラム
２３ 信号圧室
２４，２４ｂ 燃料ガス通路
３０ 弁体
３１ スプリング（弾性体）

Claims (1)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとを供給されて電気を発生させる燃料電池と、
   前記燃料電池の要求出力に応じて回転数を制御され所定量の酸化剤ガスを加圧して前記燃料電池に供給するコンプレッサと、
   前記燃料電池から排出される酸化剤オフガスが流通する酸化剤オフガス路に設けられ、開度制御によって前記燃料電池への酸化剤ガスの供給圧を前記燃料電池の要求出力に応じた圧力に調整する圧力制御弁と、
   前記燃料ガスを前記燃料電池に供給する燃料ガス供給路と、
   前記燃料電池から排出される燃料オフガスを前記燃料ガス供給路に戻す燃料オフガス戻し路と、
   前記燃料オフガス戻し路上に設けられ、前記燃料電池の要求出力が大きくなるにしたがって回転数が大きくなるように回転数制御される燃料ガスポンプと、
   前記燃料オフガス戻し路が合流する合流点よりも上流の前記燃料ガス供給路に設けられ、前記コンプレッサで加圧され前記燃料電池に供給される前の酸化剤ガスの圧力を信号圧として、前記燃料電池に供給される燃料ガスの圧力を調整する燃料ガス圧力調整手段と、
   を備え、前記燃料オフガスを前記燃料ガスに合流させて前記燃料電池に供給する燃料循環式燃料電池システムであって、
   前記燃料ガス圧力調整手段は、前記燃料ガスが流通可能で弁体によって開閉される燃料ガス通路と、前記信号圧が導入される密閉空間の信号圧室とを有し、前記弁体よりも下流側の前記燃料ガス通路が前記燃料オフガス戻し路と合流する前記燃料ガス供給路に接続され、前記弁体よりも下流側の前記燃料ガス通路と前記信号圧室がダイヤフラムによって仕切られ、前記ダイヤフラムが弾性体によって前記燃料ガス通路に接近する方向に付勢され、前記弁体が前記ダイヤフラムに連結され連動するように構成されており、
   前記燃料ガス圧力調整手段は、前記弁体よりも下流側の前記燃料ガス通路内の燃料ガスの圧力に基づき前記ダイヤフラムに作用する第１の推力と、前記信号圧室内の信号圧と前記弾性体の押し付け力に基づき前記ダイヤフラムに作用する前記第１の推力に対向する第２の推力との平衡によって前記弁体の開度調整が行われ、前記燃料電池に供給される燃料ガスの圧力を調整することを特徴とする燃料循環式燃料電池システム。

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