JP2008181768A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料ガス流路から水分を排出する場合には、より高圧の燃料ガスを燃料ガス流路に供給するようにして、水分を効果的に排出することができ、燃料極への燃料ガスの供給が阻害されることがなく、燃料電池スタックの性能低下を防止することができるようにする。
【解決手段】電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成されたセパレータを挟んで積層されている燃料電池スタックと、前記燃料ガス流路に燃料ガスを供給する第1燃料供給管路と、前記燃料ガス流路から燃料ガスを排出する燃料排出管路と、定常運転時において燃料ガス流路内の水詰まりが発生したか否かを判断し、水詰まりが発生した場合、より高圧の燃料ガスを第1燃料ガス流路に供給する制御装置とを有する。
【選択図】図1When water is discharged from a fuel gas channel, water can be effectively discharged by supplying higher-pressure fuel gas to the fuel gas channel. Thus, the fuel cell stack can be prevented from being degraded.
A fuel cell stack in which an electrolyte layer is sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode, the fuel cell stack being stacked with a separator having a fuel gas flow path formed along the fuel electrode, and the fuel gas A first fuel supply line for supplying fuel gas to the flow path, a fuel discharge line for discharging fuel gas from the fuel gas flow path, and whether water clogging in the fuel gas flow path has occurred during steady operation And a control device that supplies higher-pressure fuel gas to the first fuel gas passage when water clogging occurs.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、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.
従来、燃料電池は発電効率が高く、有害物質を排出しないので、産業用、家庭用の発電装置として、又は、人工衛星や宇宙船などの動力源として実用化されてきたが、近年は、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両用の動力源として開発が進んでいる。そして、前記燃料電池は、アルカリ水溶液形(AFC)、リン酸形(PAFC)、溶融炭酸塩形(MCFC)、固体酸化物形(SOFC)、直接形メタノール(DMFC)等のものであってもよいが、固体高分子形燃料電池(PEMFC)が一般的である。 Conventionally, since fuel cells have high power generation efficiency and do not emit harmful substances, they have been put into practical use as power generators for industrial and household use, or as power sources for artificial satellites and spacecrafts. Development is progressing as a power source for vehicles such as buses, trucks, passenger carts, and luggage carts. The fuel cell may be an alkaline aqueous solution (AFC), phosphoric acid (PAFC), molten carbonate (MCFC), solid oxide (SOFC), direct methanol (DMFC), etc. Although good, a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) is common.
この場合、固体高分子電解質膜を2枚のガス拡散電極で挟み、一体化させて接合する。そして、該ガス拡散電極の一方を燃料極(アノード極)とし、その表面に燃料としての水素ガスを供給すると、水素が水素イオン(プロトン)と電子とに解離され、水素イオンが固体高分子電解質膜を移動する。また、前記ガス拡散電極の他方を酸素極(カソード極)とし、その表面に酸化剤としての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子とが結合して、水が生成される。このような電気化学反応によって起電力が生じるようになっている。 In this case, the solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between two gas diffusion electrodes and integrated to join. When one of the gas diffusion electrodes is used as a fuel electrode (anode electrode) and hydrogen gas as fuel is supplied to the surface, hydrogen is dissociated into hydrogen ions (protons) and electrons, and the hydrogen ions are converted into a solid polymer electrolyte. Move the membrane. Further, when the other of the gas diffusion electrodes is an oxygen electrode (cathode electrode) and air as an oxidant is supplied to the surface, oxygen in the air is combined with the hydrogen ions and electrons to generate water. The An electromotive force is generated by such an electrochemical reaction.
そして、固体高分子形燃料電池においては、固体高分子電解質膜の少なくとも一方を湿潤な状態に維持する必要があるので、燃料極側及び酸素極側に水を供給するようになっている。この場合、水分は、燃料極側から酸素極側に向けてプロトン同伴水として移動し、酸素極側から燃料極側に向けて逆拡散水として移動する。 In the polymer electrolyte fuel cell, since at least one of the polymer electrolyte membranes needs to be maintained in a wet state, water is supplied to the fuel electrode side and the oxygen electrode side. In this case, moisture moves as proton-entrained water from the fuel electrode side toward the oxygen electrode side, and moves as back diffusion water from the oxygen electrode side toward the fuel electrode side.
ところが、燃料極側において水分が停滞すると、水素ガス流路が塞(ふさ)がれてしまい、燃料極に水素ガスが供給されず、燃料電池の性能が低下してしまう。そこで、間欠的に水素ガスの排気を行う技術が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。これにより、水素ガスとともに水分を水素ガス流路から排出することができる。
しかしながら、前記従来の燃料電池システムにおいては、排気圧力が低いので、水分を水素ガス流路から完全に排出することができなかった。一般的に、燃料電池システムの定常運転時には、水素ガス流路に多量に水素ガスを供給する必要はなく、発電のために消費された分の水素ガスを補う程度の量を供給すればよいので、水素ガス流路には、比較的低圧の水素ガスが供給されるようになっている。そのため、間欠的に水素ガスの排気を行う際にも、比較的低圧の水素ガスが水素ガス流路に供給されるので、該流路内に停滞した水分を供給された水素ガスの圧力によって効果的に排出することができなかった。 However, in the conventional fuel cell system, since the exhaust pressure is low, moisture cannot be completely discharged from the hydrogen gas flow path. In general, during steady operation of a fuel cell system, it is not necessary to supply a large amount of hydrogen gas to the hydrogen gas flow path, and it is sufficient to supply an amount sufficient to supplement the hydrogen gas consumed for power generation. The hydrogen gas flow path is supplied with relatively low-pressure hydrogen gas. Therefore, even when hydrogen gas is intermittently exhausted, a relatively low-pressure hydrogen gas is supplied to the hydrogen gas channel, so that the effect of the pressure of the hydrogen gas supplied with moisture stagnated in the channel is effective. Could not be discharged.
本発明は、前記従来の燃料電池システムの問題点を解決して、燃料ガス流路から水分を排出する場合には、より高圧の燃料ガスを燃料ガス流路に供給するようにして、水分を効果的に排出することができ、燃料極への燃料ガスの供給が阻害されることがなく、燃料電池スタックの性能低下を防止することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention solves the problems of the conventional fuel cell system, and when water is discharged from the fuel gas flow path, a higher pressure fuel gas is supplied to the fuel gas flow path to It is an object of the present invention to provide a fuel cell system that can be effectively discharged, does not hinder the supply of fuel gas to the fuel electrode, and can prevent the performance degradation of the fuel cell stack.
そのために、本発明の燃料電池システムにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成されたセパレータを挟んで積層されている燃料電池スタックと、前記燃料ガス流路に燃料ガスを供給する第1燃料供給管路と、前記燃料ガス流路から燃料ガスを排出する燃料排出管路と、定常運転時において燃料ガス流路内の水詰まりが発生したか否かを判断し、水詰まりが発生した場合、より高圧の燃料ガスを第1燃料ガス流路に供給する制御装置とを有する。 Therefore, in the fuel cell system of the present invention, a fuel cell in which an electrolyte layer is sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode is laminated with a separator having a fuel gas flow path formed along the fuel electrode. A fuel cell stack; a first fuel supply line for supplying fuel gas to the fuel gas flow path; a fuel discharge line for discharging fuel gas from the fuel gas flow path; and a fuel gas flow path in steady operation A controller that determines whether or not water clogging has occurred and supplies a higher-pressure fuel gas to the first fuel gas flow path when water clogging has occurred.
本発明の他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記第1燃料供給管路に配設され、燃料ガス供給源からの燃料ガスを減圧する燃料圧力調整弁と、該燃料圧力調整弁をバイパスするように前記第1燃料供給管路に接続され、より高圧の燃料ガスを供給するための第2燃料供給管路と、該第2燃料供給管路に配設され、燃料ガス流路に停滞した水分を吹き飛ばせるような圧力に設定されたバイパス弁とを有し、前記制御装置は、前記燃料ガス流路から水分を排出する際に、前記バイパス弁を開放する。 In another fuel cell system of the present invention, a fuel pressure adjusting valve disposed in the first fuel supply pipe for reducing the pressure of the fuel gas from the fuel gas supply source, and bypassing the fuel pressure adjusting valve. The second fuel supply line connected to the first fuel supply line for supplying a higher pressure fuel gas, and disposed in the second fuel supply line and stagnated in the fuel gas flow path A bypass valve set to a pressure at which moisture can be blown away, and the controller opens the bypass valve when the moisture is discharged from the fuel gas flow path.
本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記燃料排出管路は、燃料ガス流路に接続された第1燃料排出管路、一端が第1燃料排出管路に接続され他端が燃料供給管路の途中に接続された第2燃料排出管路、及び、一端が第1燃料排出管路に接続され他端が大気に連通する第3燃料排出管路を含み、前記第2燃料排出管路には燃料循環弁が配設され、前記第3燃料排出管路には燃料排出弁が配設され、前記制御装置は、前記燃料ガス流路から水分を排出する際に、前記燃料循環弁を閉止し、燃料排出弁を開放する。 In still another fuel cell system according to the present invention, the fuel discharge pipe further includes a first fuel discharge pipe connected to the fuel gas flow path, one end connected to the first fuel discharge pipe, and the other end. A second fuel discharge line connected in the middle of the fuel supply line, and a third fuel discharge line having one end connected to the first fuel discharge line and the other end communicating with the atmosphere. A fuel circulation valve is disposed in the discharge line, a fuel discharge valve is disposed in the third fuel discharge line, and the controller is configured to discharge the fuel from the fuel gas flow path when the fuel is discharged. Close the circulation valve and open the fuel discharge valve.
請求項1の構成によれば、水分を効果的に排出することができる。そして、燃料極への燃料ガスの供給が阻害されることがなく、燃料電池スタックの性能低下を防止することができる。 According to the structure of Claim 1, a water | moisture content can be discharged | emitted effectively. And supply of the fuel gas to a fuel electrode is not inhibited, and the performance fall of a fuel cell stack can be prevented.
請求項2の構成によれば、燃料ガス流路から水分を排出する際に、バイパス弁を開放するだけで、より高圧の燃料ガスを燃料ガス流路に供給することができる。 According to the second aspect of the present invention, when water is discharged from the fuel gas flow path, higher pressure fuel gas can be supplied to the fuel gas flow path simply by opening the bypass valve.
請求項3の構成によれば、燃料ガス流路から水分を排出する際に、燃料循環弁を閉止し、燃料排出弁を開放するだけで、燃料ガス流路からの水分を効果的に排出することができる。 According to the third aspect of the present invention, when the moisture is discharged from the fuel gas flow path, the fuel circulation valve is closed, and the fuel discharge valve is opened, so that the water is effectively discharged from the fuel gas flow path. be able to.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す図である。 FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
図において、20は、本実施の形態における燃料電池システムの燃料電池(FC)としての燃料電池スタックであり、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両用の動力源として使用される。ここで、前記車両は、照明装置、ラジオ、パワーウィンドウ等の車両の停車中にも使用される電気を消費する補機を多数備えており、また、走行パターンが多様であり動力源に要求される出力範囲が極めて広いので、動力源としての燃料電池スタック20と蓄電手段としてのキャパシタとを併用して使用する。
In the figure,
そして、燃料電池スタック20は、アルカリ水溶液形、リン酸形、溶融炭酸塩形、固体酸化物形、直接形メタノール等のものであってもよいが、固体高分子形燃料電池であることが望ましい。
The
なお、更に望ましくは、水素ガスを燃料ガス、すなわち、アノードガスとし、酸素又は空気を酸化剤、すなわち、カソードガスとするPEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)形燃料電池、又は、PEM(Proton Exchange Membrane)形燃料電池と呼ばれるものである。ここで、該PEM形燃料電池は、一般的に、プロトン等のイオンを透過する電解質層としての固体高分子電解質膜の両側に触媒、電極及びセパレータを結合した燃料電池としてのセル(Fuel Cell)を複数及び直列に結合したスタック(Stack)から成る。 More preferably, PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) type fuel cell or PEM (Proton Exchange Membrane) using hydrogen gas as fuel gas, that is, anode gas, and oxygen or air as oxidant, that is, cathode gas. ) Type fuel cell. Here, the PEM fuel cell is generally a fuel cell in which a catalyst, an electrode, and a separator are combined on both sides of a solid polymer electrolyte membrane as an electrolyte layer that transmits ions such as protons. Are composed of a plurality of stacks connected in series.
本実施の形態において、燃料電池スタック20は、図示されない複数のセルモジュールを有する。該セルモジュールは、燃料電池としての単位セル(MEA:Membrane Electrode Assembly)と、該単位セル同士を電気的に接続するとともに、単位セルに導入される、アノードガスの流路としての水素ガス流路とカソードガスの流路としての空気流路とを分離するセパレータとを1セットとして、板厚方向に複数のセットを重ねて構成されている。なお、セルモジュールは、単位セル同士が所定の間隙(げき)を隔てて配置されるように、単位セルとセパレータとが、多段に重ねられて積層されている。
In the present embodiment, the
そして、単位セルは、電解質層としての固体高分子電解質膜の側に設けられた酸素極としての空気極及び他側に設けられた燃料極で構成されている。前記空気極は、反応ガスを拡散しながら透過する導電性材料から成る電極拡散層と、該電極拡散層上に形成され、固体高分子電解質膜と接触させて支持される触媒層とから成る。また、単位セルの空気極側の電極拡散層に接触して集電するとともに、空気と水との混合流を透過する多数の開口が形成された網状の集電体としての空気極側コレクタと、単位セルの燃料極側の電極拡散層に接触して同じく電流を外部に導出するための網状の集電体としての燃料極側コレクタとを有する。 The unit cell includes an air electrode as an oxygen electrode provided on the side of the solid polymer electrolyte membrane as the electrolyte layer and a fuel electrode provided on the other side. The air electrode includes an electrode diffusion layer made of a conductive material that permeates while diffusing the reaction gas, and a catalyst layer that is formed on the electrode diffusion layer and is supported in contact with the solid polymer electrolyte membrane. In addition, the current collector in contact with the electrode diffusion layer on the air electrode side of the unit cell, and the air electrode side collector as a net-like current collector formed with a large number of openings through which a mixed flow of air and water is transmitted; And a fuel electrode side collector as a net-like current collector for contacting the electrode diffusion layer on the fuel electrode side of the unit cell and leading out current to the outside.
前記単位セルにおいては、水が移動する。この場合、燃料極側コレクタの燃料室内に燃料ガス、すなわち、アノードガスとしての水素ガスを供給すると、水素が水素イオンと電子とに分解され、水素イオンがプロトン同伴水を伴って、固体高分子電解質膜を透過する。また、前記空気極をカソード極とし、空気流路としての酸素室内に酸化剤、すなわち、カソードガスとしての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子とが結合して、水が生成される。なお、水分が逆拡散水として固体高分子電解質膜を透過し、燃料極側コレクタの燃料室内に移動する。ここで、逆拡散水とは、酸素室において生成される水が固体高分子電解質膜内に拡散し、該固体高分子電解質膜内を前記水素イオンと逆方向に透過して燃料室にまで浸透したものである。 In the unit cell, water moves. In this case, when a fuel gas, that is, hydrogen gas as an anode gas is supplied into the fuel chamber of the fuel electrode side collector, hydrogen is decomposed into hydrogen ions and electrons, and the hydrogen ions are accompanied by proton-entrained water. Permeates the electrolyte membrane. Further, when the air electrode is used as a cathode electrode and an oxidant, that is, air as a cathode gas, is supplied into an oxygen chamber as an air flow path, oxygen in the air is combined with the hydrogen ions and electrons to form water. Is generated. Moisture permeates through the solid polymer electrolyte membrane as reverse diffusion water and moves into the fuel chamber of the fuel electrode side collector. Here, the reverse diffusion water means that water generated in the oxygen chamber diffuses into the solid polymer electrolyte membrane and permeates into the fuel chamber through the solid polymer electrolyte membrane in the direction opposite to the hydrogen ions. It is a thing.
図1には、燃料電池スタック20に燃料ガスとしての水素ガスを供給する装置が示されている。なお、図示されない改質装置によってメタノール、ガソリン等を改質して取り出した燃料である水素ガスを燃料電池スタック20に直接供給することもできるが、車両の高負荷運転時にも安定して十分な量の水素ガスを供給することができるようにするためには、燃料貯蔵手段53に貯蔵した水素ガスを供給することが望ましい。これにより、該水素ガスがほぼ一定の圧力で、常に、十分に供給されるので、前記燃料電池スタック20は、車両の負荷の変動に遅れることなく追随して、必要な電流を供給することができる。この場合、前記燃料電池スタック20の出力インピーダンスは極めて低く、0に近似することが可能である。
FIG. 1 shows an apparatus for supplying hydrogen gas as fuel gas to the
水素ガスは、水素吸蔵合金を収納した容器、デカリンのような水素吸蔵液体を収納した容器、水素ガスボンベ等の燃料ガス供給源としての燃料貯蔵手段53から、燃料供給管路としての第1燃料供給管路21、及び、該第1燃料供給管路21に接続された燃料供給管路としての第3燃料供給管路33を通って、燃料電池スタック20の燃料ガス流路の入口に供給される。そして、前記第1燃料供給管路21には、圧力センサ27、燃料圧力調整弁25及び燃料供給電磁弁としての水素供給弁26が配設される。また、燃料圧力調整弁25をバイパスする第2燃料供給管路としてのバイパス管路24にはバイパス弁としての水素高圧供給弁29が配設されている。さらに、前記第3燃料供給管路33には安全弁33aが配設される。なお、前記圧力センサ27及び水素供給弁26の数は任意に設定することができる。また、前記燃料貯蔵手段53は、十分に大きな容量を有し、常に、十分に高い圧力の水素ガスを供給することができる能力を有するものである。
The hydrogen gas is supplied from a fuel storage means 53 as a fuel gas supply source such as a container storing a hydrogen storage alloy, a container storing a hydrogen storage liquid such as decalin, a hydrogen gas cylinder, etc. The fuel is supplied to the inlet of the fuel gas flow path of the
そして、燃料電池スタック20の燃料ガス流路の出口から未反応成分として排出される水素ガスは、第1燃料排出管路31を通って燃料電池スタック20外に排出される。前記第1燃料排出管路31には、回収容器としての水回収ドレインタンク60が配設されている。そして、該水回収ドレインタンク60には水と分離された水素ガスを排出する第2燃料排出管路30が接続され、該第2燃料排出管路30にはポンプとしての吸引循環ポンプ36が配設されている。また、前記第2燃料排出管路30には燃料循環弁としての水素循環電磁弁34が配設されている。また、前記第2燃料排出管路30における水回収ドレインタンク60と反対側の端部は、第3燃料供給管路33に接続されている。これにより、燃料電池スタック20外に排出された水素ガスを回収し、燃料電池スタック20の燃料ガス流路に供給して再利用することができる。
Then, the hydrogen gas discharged as an unreacted component from the outlet of the fuel gas flow path of the
また、前記水回収ドレインタンク60には、第3燃料排出管路56が接続され、該第3燃料排出管路56には燃料排出弁としての水素排気電磁弁62が配設され、燃料電池スタック20の起動時に燃料ガス流路から排出される水素ガスを大気中に排出することができるようになっている。なお、第3燃料排出管路56の出口端は排気マニホールド51に接続され、排出された水素を空気で希釈させる。
Further, a third
さらに、前記第2燃料排出管路30における吸引循環ポンプ36と水素循環電磁弁34との間には、他端が前記第3燃料排出管路56に接続された第4燃料排出管路56aが接続されている。そして、該第4燃料排出管路56aには、燃料電池スタック20内を減圧する際に開となる減圧水素排出弁62aが配設されている。また、前記第2燃料排出管路30には、外気導入電磁弁35及びエアフィルタ37が接続され、燃料電池スタック20の停止時に外気を導入することができるようになっている。
Further, a fourth
ここで、前記燃料圧力調整弁25は、バタフライバルブ、レギュレータバルブ、ダイヤフラム式バルブ、マスフローコントローラ、シーケンスバルブ等のものであるが、前記燃料圧力調整弁25の出口から流出する水素ガスの圧力をあらかじめ設定した圧力に調整することができるものであれば、いかなる種類のものであってもよい。なお、前記圧力の調整は、手動によってなされてもよいが、電気モータ、パルスモータ、電磁石等から成るアクチュエータによってなされることが望ましい。
Here, the fuel
また、前記水素供給弁26、水素高圧供給弁29、水素循環電磁弁34、水素排気電磁弁62、減圧水素排出弁62a及び外気導入電磁弁35は、いわゆる、オン−オフ式のものであり、電気モータ、パルスモータ、電磁石等から成るアクチュエータによって作動させられる。なお、前記吸引循環ポンプ36は、水素ガスとともに逆拡散水を強制的に排出し、燃料ガス流路内を負圧の状態にすることができるポンプであれば、いかなる種類のものであってもよい。
The hydrogen supply valve 26, the hydrogen high
一方、酸化剤としての空気は、図示されない酸化剤供給源としての空気供給ファンから、吸気マニホールド54を通って、燃料電池スタック20の酸素室、すなわち、空気流路に供給される。この場合、供給される空気の圧力は大気圧程度の常圧である。なお、酸化剤として、空気に代えて酸素を使用することもできる。そして、空気流路から排出される空気は、マニホールドとしての排気マニホールド51及び凝縮器52を通って大気中へ排出される。
On the other hand, air as an oxidant is supplied from an air supply fan (not shown) as an oxidant supply source through an
なお、本実施の形態において、燃料電池システムは、図示されない制御装置を有する。該制御装置は、CPU、MPU等の演算手段、磁気ディスク、半導体メモリ等の記憶手段、入出力インターフェイス等を備え、各種のセンサから燃料電池スタック20の燃料ガス流路及び空気流路に供給される水素、酸素、空気等の流量、温度、出力電圧等を検出して、前記燃料圧力調整弁25、水素供給弁26、水素高圧供給弁29、水素循環電磁弁34、水素排気電磁弁62、減圧水素排出弁62a、外気導入電磁弁35等の各種の弁等の動作を制御する。さらに、前記制御装置は、車両に配設された他のセンサ、及び、車両の制御手段としての図示されないEV(Electric Vehicle)コントロールECU(Electronic Control Unit)と連携して、燃料電池スタック20に燃料及び酸化剤を供給するすべての装置の動作を統括的に制御する。
In the present embodiment, the fuel cell system has a control device (not shown). The control device includes arithmetic means such as a CPU and MPU, storage means such as a magnetic disk and a semiconductor memory, an input / output interface, and the like, and is supplied from various sensors to the fuel gas flow path and the air flow path of the
次に、前記構成の燃料電池システムの動作について説明する。まず、停止状態から起動する起動運転における動作について説明する。 Next, the operation of the fuel cell system having the above configuration will be described. First, the operation | movement in the starting driving | running started from a stop state is demonstrated.
まず、車両の運転者がイグニッションスイッチをONにすると、制御装置に起動命令が伝えられ、燃料電池システムを起動する動作が開始される。なお、起動前の状態において、水素供給弁26、水素高圧供給弁29、水素循環電磁弁34、水素排気電磁弁62及び減圧水素排出弁62aは閉じている。また、燃料電池スタック20の燃料ガス流路内には、水素ガスの置換ガスとしての空気が充満している。
First, when the vehicle driver turns on the ignition switch, an activation command is transmitted to the control device, and an operation for activating the fuel cell system is started. In addition, in the state before starting, the hydrogen supply valve 26, the hydrogen high
そして、前記制御装置は、まず、空気供給ファンを作動させ、燃料電池スタック20の空気流路に空気を供給する。続いて、水素排気電磁弁62を開き、減圧水素排出弁62aを開き、吸引循環ポンプ36をONにして作動させ、燃料電池スタック20の燃料ガス流路内の空気を排出する。なお、外気導入電磁弁35は閉じている。
The control device first operates the air supply fan to supply air to the air flow path of the
続いて、前記制御装置は、水素高圧供給弁29を開き、水素供給弁26を開き、所定時間経過するまで待機する。そして、所定時間経過すると、水素高圧供給弁29を閉じ、更に所定時間経過するまで待機する。
Subsequently, the control device opens the hydrogen high
続いて、所定時間経過すると、燃料電池スタック20の燃料ガス流路内からの空気の排出が完了して燃料ガス流路内に水素ガスが充満したと判断することができるので、前記制御装置は、水素排気電磁弁62を閉じ、減圧水素排出弁62aを閉じる。そして、水素圧力が所定値を超えると、水素循環電磁弁34を開き、燃料電池スタック20外に排出された水素ガスを回収し、燃料電池スタック20の燃料ガス流路に供給して再利用する。
Subsequently, when a predetermined time has elapsed, it can be determined that the discharge of air from the fuel gas flow path of the
また、前記制御装置は、水素循環電磁弁34を開いた後、燃料電池電圧が所定値を超えたか否かを判断し、燃料電池電圧が所定値を超えると、定常運転の処理に移行し、起動運転の処理を終了する。
In addition, after opening the hydrogen
ここで、燃料電池システムが定常運転を行っている場合、水素高圧供給弁29が閉じているので、燃料貯蔵手段53から供給された高圧の水素ガスは、バイパス管路24を通過することなく、図1において矢印で示されるように、燃料圧力調整弁25を通過することによって減圧され、第3燃料供給管路33を介して、燃料電池スタック20の燃料ガス流路に供給される。そのため、燃料電池スタック20の各部が高圧の水素ガスによって破損する恐れがない。
Here, when the fuel cell system is in steady operation, the hydrogen high-
また、水素排気電磁弁62、減圧水素排出弁62a及び外気導入電磁弁35が閉じ、水素循環電磁弁34が開いているので、燃料電池スタック20の燃料ガス流路から排出された水素ガスは、図1において矢印で示されるように、吸引循環ポンプ36によって吸引されることによって、第1燃料排出管路31、水回収ドレインタンク60、第2燃料排出管路30及び水素循環電磁弁34を通過して、第3燃料供給管路33に導入され、再び燃料電池スタック20の燃料ガス流路に供給され、再利用される。
Further, since the hydrogen
一方、燃料電池システムが起動運転を行う場合には、燃料貯蔵手段53から供給された高圧の水素ガスは、燃料圧力調整弁25を通過しないので減圧されることがなく、バイパス管路24を通過して、高圧のままで、第3燃料供給管路33を介して、燃料電池スタック20の燃料ガス流路に供給される。そのため、燃料ガス流路内に充満している空気を速やかに水素ガスで置き換えることができる。なお、水素ガスは、水素供給弁26、水素高圧供給弁29等の弁や第1燃料排出管路31、第3燃料供給管路33等の管路を通過する際の抵抗により、燃料電池スタック20の各部を破損することがない程度の高圧に抑制されているので、燃料電池スタック20の各部が破損することはない。さらに、第3燃料供給管路33には安全弁33aが配設されているので、該安全弁33aのリリーフ圧を適正に設定することによって、高圧の水素ガスによる燃料電池スタック20の各部の破損を確実に防止することができる。
On the other hand, when the fuel cell system performs a start-up operation, the high-pressure hydrogen gas supplied from the fuel storage means 53 does not pass through the fuel
燃料電池スタック20の運転中には、該燃料電池スタック20を構成する各単位セルにおいて逆拡散水が発生し、該逆拡散水が固体高分子電解質膜を透過して燃料ガス流路にまで達し、前記固体高分子電解質膜の燃料極側を加湿する。これにより、該固体高分子電解質膜の燃料極側は湿潤な状態となり、電気化学反応によって水素から生成された水素イオンが固体高分子電解質膜内をスムーズに移動することができる。
During the operation of the
また、前記燃料ガス流路に供給されて余剰となった未反応成分としての水素ガスは、前記燃料ガス流路にまで浸透して余剰となった逆拡散水と混合して、気液混合物となる。該気液混合物となった水素ガスは、吸引循環ポンプ36によって吸引され、燃料電池スタック20に接続された第1燃料排出管路31を通って前記燃料電池スタック20の外部に排出される。そして、前記気液混合物は、第1燃料排出管路31を通過して水回収ドレインタンク60内に導入される。比較的広い空間を備える該水回収ドレインタンク60内に滞留することによって、重量物である水分が重力によって下方に落下し、水素ガスから逆拡散水が分離する。該逆拡散水が分離して乾燥した状態の水素ガスは、第2燃料排出管路30から水回収ドレインタンク60外に排出され、前述のように、開いた状態になっている水素循環電磁弁34を通過して、第3燃料供給管路33に導入され、再び、燃料電池スタック20の燃料ガス流路に供給されて再利用される。
Further, the hydrogen gas as an unreacted component that is supplied to the fuel gas flow path and surplus is mixed with the back-diffused water that has permeated into the fuel gas flow path and becomes surplus, and a gas-liquid mixture Become. The hydrogen gas that has become the gas-liquid mixture is sucked by the
次に、定常運転時に燃料ガス流路から水分を排出する場合の燃料電池システムの動作について説明する。 Next, the operation of the fuel cell system when water is discharged from the fuel gas channel during steady operation will be described.
図2は本発明の実施の形態における燃料ガス流路から水分を排出する場合の燃料電池システムの動作を示す図、図3は本発明の実施の形態における燃料ガス流路から水分を排出する場合の燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。 FIG. 2 is a diagram showing the operation of the fuel cell system when water is discharged from the fuel gas flow channel according to the embodiment of the present invention. FIG. 3 is a case where water is discharged from the fuel gas flow channel according to the embodiment of the present invention. It is a flowchart which shows operation | movement of the fuel cell system of.
定常運転時において、制御装置は、所定の周期、例えば、100〔msec〕毎に、燃料電池スタック20の燃料ガス流路に水分の停滞があるか否か、すなわち、水素極水詰まりの有無を検知し(ステップS1)、水分によって燃料ガス流路が塞がれたか否か、すなわち、水素極内に水詰まりが発生したか否かを判断する(ステップS2)。なお、水分によって燃料ガス流路が塞がれたか否かは、例えば、特開2006−302776号公報等に記載されているように、燃料電池スタック20を構成する各単位セルの電圧の測定値によって判断することができる。そして、水分によって燃料ガス流路が塞がれていない場合には処理を終了し、前述の動作を繰り返す。
During the steady operation, the control device determines whether or not there is a stagnation of water in the fuel gas flow path of the
また、水分によって燃料ガス流路が塞がれている場合、制御装置は、循環電磁弁閉の動作を行い、水素循環電磁弁34を閉じる(ステップS3)。続いて、制御装置は、排気電磁弁開の動作を行い、水素排気電磁弁62を開く(ステップS4)。続いて、制御装置は、起動電磁弁開の動作を行い、水素高圧供給弁29を開く(ステップS5)。なお、排気電磁弁開の動作及び起動電磁弁開の動作は、ほぼ同時に行われてもよいが、燃料電池スタックの破損を防ぐためにも、100〔msec〕程度の間隔を開けて、排気電磁弁開の動作、起動電磁弁開の動作の順に、順次行われるようにすることが望ましい。 If the fuel gas flow path is blocked by moisture, the control device performs the operation of closing the circulation electromagnetic valve and closes the hydrogen circulation electromagnetic valve 34 (step S3). Subsequently, the control device opens the exhaust solenoid valve and opens the hydrogen exhaust solenoid valve 62 (step S4). Subsequently, the control device opens the start electromagnetic valve and opens the hydrogen high-pressure supply valve 29 (step S5). The operation of opening the exhaust solenoid valve and the operation of opening the start solenoid valve may be performed substantially simultaneously. However, in order to prevent damage to the fuel cell stack, the exhaust solenoid valve is opened with an interval of about 100 [msec]. It is desirable that the opening operation and the start solenoid valve opening operation are sequentially performed in this order.
これにより、燃料貯蔵手段53から供給された高圧の水素ガスは、燃料圧力調整弁25を通過しないので減圧されることがなく、図2において矢印で示されるように、バイパス管路24を通過して、高圧のままで、第3燃料供給管路33を介して、燃料電池スタック20の燃料ガス流路に供給される。そのため、燃料ガス流路に停滞していた水分は、高圧の水素ガスによって吹き飛ばされ、燃料ガス流路の外へ確実に排出される。
As a result, the high-pressure hydrogen gas supplied from the fuel storage means 53 does not pass through the fuel
この場合、燃料電池スタック20の燃料ガス流路に供給される水素ガスは、定常運転時に燃料ガス流路に供給される水素ガスよりも高圧ではあるが、起動運転時に燃料ガス流路に供給される水素ガスと同等の圧力である。したがって、燃料電池スタック20の各部を破損することがない程度の高圧に抑制されているので、燃料ガス流路に停滞していた水分を吹き飛ばすために供給された水素ガスによって、燃料電池スタック20の各部が破損することはない。さらに、第3燃料供給管路33には安全弁33aが配設されているので、該安全弁33aのリリーフ圧を適正に設定することによって、高圧の水素ガスによる燃料電池スタック20の各部の破損を確実に防止することができる。
In this case, the hydrogen gas supplied to the fuel gas flow path of the
また、燃料ガス流路から排出された水分は、水素ガスとともに、第1燃料排出管路31を通過して水回収ドレインタンク60内に導入され、水素循環電磁弁34が閉じ、水素排気電磁弁62を開いているので、図2において矢印で示されるように、第3燃料排出管路56を通って、排気マニホールド51に導入される。そして、前記水分及び水素ガスは、燃料電池スタック20の空気流路から排出された空気によって希釈され、大気中へ排出される。
The water discharged from the fuel gas flow path is introduced together with hydrogen gas through the first
続いて、制御装置は、起動電磁弁閉の動作を行い、水素高圧供給弁29を閉じる(ステップS6)。続いて、制御装置は、排気電磁弁閉の動作を行い、水素排気電磁弁62を閉じる(ステップS7)。最後に、制御装置は、循環電磁弁開の動作を行い、水素循環電磁弁34を開き(ステップS8)、処理を終了する。なお、起動電磁弁閉、排気電磁弁閉及び循環電磁弁開の動作は、ほぼ同時に行われてもよいが、燃料電池スタックの破損を防ぐためにも、100〔msec〕程度の間隔を開けて、起動電磁弁閉の動作、排気電磁弁閉の動作、循環電磁弁開の動作の順に、順次行われるようにすることが望ましい。 Subsequently, the control device performs the operation of closing the startup electromagnetic valve, and closes the hydrogen high-pressure supply valve 29 (step S6). Subsequently, the control device performs the operation of closing the exhaust solenoid valve, and closes the hydrogen exhaust solenoid valve 62 (step S7). Finally, the control device opens the circulation electromagnetic valve, opens the hydrogen circulation electromagnetic valve 34 (step S8), and ends the process. The operation of the start solenoid valve close, the exhaust solenoid valve close and the circulation solenoid valve open may be performed almost simultaneously, but in order to prevent damage to the fuel cell stack, an interval of about 100 [msec] is opened, It is desirable that the start solenoid valve closing operation, the exhaust solenoid valve closing operation, and the circulation solenoid valve opening operation are sequentially performed in this order.
このように、本実施の形態においては、燃料電池スタック20の燃料ガス流路が水分によって塞がれると、燃料圧力調整弁25を通過しないので減圧されることがなく、図2において矢印で示されるように、燃料貯蔵手段53から供給された高圧の水素ガスをバイパス管路24を通過させ、燃料圧力調整弁25を通過させずに、前記燃料ガス流路に供給するようになっている。これにより、該燃料ガス流路に停滞していた水分を高圧の水素ガスによって吹き飛ばすことにより、燃料ガス流路の外へ効果的に排出することができる。
Thus, in the present embodiment, when the fuel gas flow path of the
また、それとともに、水素循環電磁弁34を閉じて水素排気電磁弁62を開くので、水素ガスとともに燃料ガス流路から排出された水分を、第3燃料排出管路56を通して、大気中に排出することができる。
At the same time, the hydrogen
したがって、燃料電池スタック20の燃料極への水素ガスの供給が燃料ガス流路に停滞する水分によって阻害されることがなく、燃料電池スタック20の性能低下を防止することができる。
Accordingly, the supply of hydrogen gas to the fuel electrode of the
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。 In addition, this invention is not limited to the said embodiment, It can change variously based on the meaning of this invention, and does not exclude them from the scope of the present invention.
20 燃料電池スタック
21 第1燃料供給管路
24 バイパス管路
25 燃料圧力調整弁
29 水素高圧供給弁
30 第2燃料排出管路
31 第1燃料排出管路
33 第3燃料供給管路
34 水素循環電磁弁
53 燃料貯蔵手段
56 第3燃料排出管路
62 水素排気電磁弁
20
Claims (3)
前記燃料ガス流路に燃料ガスを供給する第1燃料供給管路と、
前記燃料ガス流路から燃料ガスを排出する燃料排出管路と、
定常運転時において燃料ガス流路内の水詰まりが発生したか否かを判断し、水詰まりが発生した場合、より高圧の燃料ガスを第1燃料ガス流路に供給する制御装置とを有することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell stack in which an electrolyte layer is sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode, and is stacked with a separator having a fuel gas flow path formed along the fuel electrode;
A first fuel supply line for supplying fuel gas to the fuel gas flow path;
A fuel discharge line for discharging fuel gas from the fuel gas flow path;
A controller that determines whether water clogging has occurred in the fuel gas flow path during steady-state operation and supplies higher pressure fuel gas to the first fuel gas flow path in the event of water clogging; A fuel cell system.
該燃料圧力調整弁をバイパスするように前記第1燃料供給管路に接続され、より高圧の燃料ガスを供給するための第2燃料供給管路と、
該第2燃料供給管路に配設され、燃料ガス流路に停滞した水分を吹き飛ばせるような圧力に設定されたバイパス弁とを有し、
前記制御装置は、前記燃料ガス流路から水分を排出する際に、前記バイパス弁を開放する請求項1に記載の燃料電池システム。 A fuel pressure regulating valve disposed in the first fuel supply line and depressurizing fuel gas from a fuel gas supply source;
A second fuel supply line connected to the first fuel supply line to bypass the fuel pressure regulating valve and for supplying a higher pressure fuel gas;
A bypass valve that is disposed in the second fuel supply pipe and is set to a pressure that blows away water stagnated in the fuel gas flow path;
The fuel cell system according to claim 1, wherein the control device opens the bypass valve when water is discharged from the fuel gas flow path.
前記第2燃料排出管路には燃料循環弁が配設され、
前記第3燃料排出管路には燃料排出弁が配設され、
前記制御装置は、前記燃料ガス流路から水分を排出する際に、前記燃料循環弁を閉止し、燃料排出弁を開放する請求項1に記載の燃料電池システム。 The fuel discharge line includes a first fuel discharge line connected to the fuel gas flow path, a second fuel discharge whose one end is connected to the first fuel discharge line and the other end is connected in the middle of the fuel supply line. A pipe and a third fuel discharge pipe having one end connected to the first fuel discharge pipe and the other end communicating with the atmosphere;
A fuel circulation valve is disposed in the second fuel discharge conduit,
A fuel discharge valve is disposed in the third fuel discharge line,
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the controller closes the fuel circulation valve and opens the fuel discharge valve when water is discharged from the fuel gas passage. 3.
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