JP2005079006A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムに係り、特にパージ機能を改善して燃費性能を向上させた燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system in which a purge function is improved to improve fuel efficiency.
燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。 In a fuel cell, a fuel gas such as hydrogen gas and an oxidizing gas containing oxygen are electrochemically reacted through an electrolyte, and electric energy is directly taken out between electrodes provided on both surfaces of the electrolyte. In particular, solid polymer fuel cells using solid polymer electrolytes are attracting attention as power sources for electric vehicles because of their low operating temperature and easy handling.
固体高分子型燃料電池に用いられる固体高分子膜は、通常、加湿された状態でないと充分に水素イオン導電性を発揮しないため、燃料電池に供給する水素ガスまたは酸化剤ガスまたは双方を加湿している。しかしながら運転状態によっては加湿水や生成水が燃料電池スタック内で凝縮し、反応ガス通路に水詰まりが発生することがある。 Since a solid polymer membrane used in a polymer electrolyte fuel cell usually does not exhibit sufficient hydrogen ion conductivity unless it is in a humidified state, it humidifies hydrogen gas and / or oxidant gas supplied to the fuel cell. ing. However, depending on the operation state, the humidified water and the generated water may condense in the fuel cell stack and the reaction gas passage may be clogged.
また、酸化剤ガスとして空気を用いる燃料電池では、空気中に含まれる窒素が固体高分子膜を透過して、水素循環経路内に蓄積し、水素極における水素ガス分圧を下げるので運転効率が低下する。上記のような水詰まりや窒素ガスの蓄積が生じた場合には、一般にパージと呼ばれる操作を行って、水詰まりや窒素ガス蓄積の解消を行っている。 Also, in a fuel cell that uses air as the oxidant gas, nitrogen contained in the air permeates the solid polymer membrane and accumulates in the hydrogen circulation path, reducing the partial pressure of the hydrogen gas at the hydrogen electrode, thus reducing operating efficiency. descend. When water clogging or nitrogen gas accumulation occurs as described above, an operation generally called purging is performed to eliminate water clogging or nitrogen gas accumulation.
従来の燃料電池におけるパージ動作の例としては、例えば特許文献1記載の燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムにおいては、燃料電池内のフラッティング防止のため、水素循環通路に設けたパージ弁を開放することにより、水素極排ガスを系外に放出している。
しかしながら、上記従来の燃料電池システムにおいては、水素循環系よりパージ弁を開放することにより、余剰水素を系外に放出するため、未反応水素の放出量が増加し、システム効率が悪化するという問題点があった。 However, in the above-described conventional fuel cell system, surplus hydrogen is released out of the system by opening the purge valve from the hydrogen circulation system, so that the amount of unreacted hydrogen released increases and system efficiency deteriorates. There was a point.
上記問題点を解決するため、本発明は、燃料電池の水素極出口から排出される排ガスを水素供給流路に循環させる水素循環流路を備えた燃料電池システムにおいて、水素排出配管を介して前記水素循環流路に接続されたタンクと、前記水素排出配管を開閉する第1開閉弁と、前記タンクと前記水素供給流路とを連結する水素戻り配管と、前記水素戻り配管の流量を調整する第1流量制御手段と、を備えたことを要旨とする。 In order to solve the above problems, the present invention provides a fuel cell system including a hydrogen circulation passage for circulating exhaust gas discharged from a hydrogen electrode outlet of a fuel cell to a hydrogen supply passage, through the hydrogen discharge pipe. A tank connected to the hydrogen circulation passage, a first on-off valve that opens and closes the hydrogen discharge pipe, a hydrogen return pipe that connects the tank and the hydrogen supply passage, and a flow rate of the hydrogen return pipe is adjusted. A first flow rate control means is provided.
本発明によれば、燃料電池の水素極出口から排出される排ガスを水素供給流路に循環させる水素循環流路を備えた燃料電池システムにおいて、水素排出配管を介して前記水素循環流路に接続されたタンクと、前記水素排出配管を開閉する第1開閉弁と、前記タンクと前記水素供給流路とを連結する水素戻り配管と、前記水素戻り配管の流量を調整する第1流量制御手段とを備えたので、第1開閉弁の開弁により、燃料電池内部の水詰まり解消もしくは、水素循環流路に蓄積する窒素を循環流路外に放出するパージを行い、排出した水素をタンクに貯め、流量制御手段で調整しながら水素流路内に戻すことができるため、無駄に水素を外部に排出することが無いので、燃料電池システムの効率を高めることができる。 According to the present invention, in a fuel cell system including a hydrogen circulation channel that circulates exhaust gas discharged from the hydrogen electrode outlet of the fuel cell to a hydrogen supply channel, the fuel cell system is connected to the hydrogen circulation channel via a hydrogen discharge pipe. A first open / close valve that opens and closes the hydrogen discharge pipe, a hydrogen return pipe that connects the tank and the hydrogen supply flow path, and a first flow rate control means that adjusts the flow rate of the hydrogen return pipe. Therefore, by opening the first on-off valve, water clogging inside the fuel cell is eliminated or purging is performed to release nitrogen accumulated in the hydrogen circulation flow path out of the circulation flow path, and the discharged hydrogen is stored in the tank. Since it can be returned to the hydrogen flow path while being adjusted by the flow rate control means, hydrogen is not exhausted to the outside, so that the efficiency of the fuel cell system can be increased.
また、流量制御手段と第1開閉弁によりタンク内の圧力を制御できるので、タンク内の圧力を水素循環流路より低くすることで大気解放時と同様、水除去性能や窒素放出性能等のパージ性能も悪化させることは無い。 In addition, since the pressure in the tank can be controlled by the flow control means and the first on-off valve, the water pressure and nitrogen release performance can be purged by lowering the pressure in the tank below the hydrogen circulation flow path, as in the case of atmospheric release. There is no deterioration in performance.
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。以下の各実施例は、燃料電池車両に適用した場合、燃料電池システムの効率を高め車両の燃費性能を向上させることができる。 Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Each of the following embodiments, when applied to a fuel cell vehicle, can increase the efficiency of the fuel cell system and improve the fuel efficiency of the vehicle.
図1は、本発明に係る燃料電池システムの実施例1の構成を説明する構成図である。図1において、燃料電池システムは、水素と空気を用いて発電する燃料電池(スタック)1と、コンプレッサ等の空気供給装置2と、空気を加湿する加湿器7と、水素を高圧で貯蔵する高圧水素タンク3と、水素循環装置としてのエゼクタ4と、エゼクタ4から送られる水素を加湿して燃料電池1へ供給する加湿器50と、水素極出口から排出された排ガスを水素極入口側へ戻す水素循環配管14と、水素循環配管14に水素排出配管31を介して接続されたタンク30と、水素排出配管31を開閉する第1開閉弁35と、タンク30から水素を水素極入口側へ戻す経路である水素戻り配管33と、水素戻り配管33を介してタンク30から水素極入口側へガスを圧送する水素ポンプ34とを備えている。
FIG. 1 is a configuration diagram illustrating the configuration of a first embodiment of a fuel cell system according to the present invention. In FIG. 1, a fuel cell system includes a fuel cell (stack) 1 that generates power using hydrogen and air, an
タンク30の内部には、水素分離膜60を備えている。水素分離膜60は、水素排出配管31からタンク30へ送られた排ガスから水素を分離し、水素濃度が高められたガスを水素戻り配管33を介して水素極入口側へ戻すことができる。
A
また、タンク30と加湿器50とを接続する水配管51と、水配管51を介してタンク30の水を加湿器50へ送る水ポンプ52とを備えている。
Moreover, the
また図示しないが、燃料電池1の各セルまたは一定数のセルが直列接続されたセル群毎の電圧を検出するセル電圧検出器が設けられており、その検出信号は図示しないコントローラに伝送され、パージが必要か否かの判定に利用されるようになっている。 Although not shown, a cell voltage detector for detecting the voltage of each cell of the fuel cell 1 or a cell group in which a certain number of cells are connected in series is provided, and the detection signal is transmitted to a controller (not shown), It is used for determining whether or not purging is necessary.
さらに、燃料電池1の水素極出口には、圧力センサ40,タンク30には、圧力センサ41をそれぞれ備えている。上記コントローラは、これら圧力センサ40,41の検出値を用いて、タンク30から水素分離膜60で分離された水素ガスを燃料電池1へ再循環させるポンプ34の制御を行うとともに、第1開閉弁35の開閉タイミングを制御する。
Further, a
図1の燃料電池システムの作用は、以下の通りである。
図示しないエアフィルタ等で塵埃が除去された空気は、空気供給装置2で圧縮され、空気配管22を介して加湿器7へ送られる。加湿器7で加湿された空気は、燃料電池1の空気極入口に供給される。燃料電池1の空気極出口には、空気調圧弁11が設けられ、空気調圧弁11の開度と空気供給装置2の駆動力とにより燃料電池1の空気極圧力が調整される。空気調圧弁11は、空気排出配管12を介して系外へ排空気を排出する。
The operation of the fuel cell system of FIG. 1 is as follows.
The air from which dust is removed by an air filter (not shown) is compressed by the
高圧水素タンク3の水素ガスは、開閉弁6,高圧水素ガスを一定の中圧まで圧力調整する第1調圧弁16、及び第2調圧弁17を介して運転圧力に調整されて、エゼクタ4のノズルに供給される。エゼクタ4は、ノズルに供給される新規水素ガスを駆動流として、吸込口に接続された水素循環配管14からの排ガスを吸い込み、新規水素ガスと排ガスの混合ガスをディフューザから吐出する。この混合ガスは、加湿器50で加湿されて、燃料電池1の水素極へ供給される。
The hydrogen gas in the high-
燃料電池1の水素極で使用されなかった水素は、水素極出口から排ガスとして排出され、水素循環配管14を介してエゼクタ4の吸込口に戻る。そして、エゼクタ4で新規水素と混合され、再度加湿器50を経て燃料電池1の水素極に供給される。
Hydrogen that has not been used at the hydrogen electrode of the fuel cell 1 is discharged as exhaust gas from the hydrogen electrode outlet, and returns to the suction port of the ejector 4 through the
燃料電池1の内部の水素流路、または燃料電池1に水素を供給する水素流路に水が溜まると、反応が阻害されるため、一時的に燃料電池を通過する水素流量を増加させることにより、燃料電池内の水を除去するパージ(水パージ)を行う必要がある。 When water accumulates in the hydrogen flow path inside the fuel cell 1 or in the hydrogen flow path that supplies hydrogen to the fuel cell 1, the reaction is inhibited. Therefore, by temporarily increasing the flow rate of hydrogen passing through the fuel cell, Then, it is necessary to perform a purge (water purge) to remove water in the fuel cell.
本実施例では、前回のパージからの一定時間経過時、または燃料電池1の総電圧または一部のセル電圧が低下した際にタンク30に対してパージする。このとき、第1開閉弁35を開放し、水素排出配管31よりタンク30に水素を流出させることで、パージ動作を行うことができる。
In this embodiment, the
タンク30の内部には、水素分離膜60が設けられているので、第1開閉弁35を介して排出された水素極排ガスから水素濃度の高いガスが分離され、ポンプ34を介して加湿器50の入口側へ戻され、再使用される。
Since the
この際、タンク30内の圧力を圧力センサ41で測定し、この圧力が水素循環流路に設けた圧力センサ40により測定される圧力に対して、常に一定圧力低くなるようにポンプ34を稼動させる。この圧力差は、燃料電池の水パージに必要な水素流量が得られるように、実験的に設定される。
At this time, the pressure in the
こうして、タンク30に排出された水素は、ポンプ34により、再度燃料電池に供給され発電に用いることができる。これにより無駄に排気する水素が無くなりシステム効率が向上する。
Thus, the hydrogen discharged to the
尚、本実施例では水パージによりタンク30に回収した水を加湿器50へ供給することとしたが、これに限らず空気用の加湿器7へ回収水を供給してもよい。
In this embodiment, the water recovered in the
次に、図4のフローチャートを参照して、本実施例におけるパージ制御動作を説明する。図4のフローチャートは、例えば、1秒毎にコントローラのメインルーチンから呼び出されて実行されるサブルーチンとして構成されている。尚、コントローラは、例えばソフトウェアタイマとして、前回のパージからの経過時間を測定するパージタイマTpを備えているものとする。 Next, the purge control operation in this embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG. The flowchart in FIG. 4 is configured as a subroutine that is called and executed from the main routine of the controller every second, for example. It is assumed that the controller includes a purge timer Tp that measures an elapsed time since the previous purge, for example, as a software timer.
まず、ステップ(以下、ステップをSと略す)10において、コントローラはパージタイマTpを読み出し、S12でパージタイマTpの値が所定値T1を超えているか否かを判定する。S12の判定で、TpがT1を超えていれば、前回のパージから所定時間経過したとして、パージ動作を行うために、S18へ進む。 First, at step (hereinafter, step is abbreviated as S) 10, the controller reads the purge timer Tp, and at S12, determines whether or not the value of the purge timer Tp exceeds a predetermined value T1. If it is determined in S12 that Tp exceeds T1, it is determined that a predetermined time has elapsed since the previous purge, and the process proceeds to S18 in order to perform the purge operation.
S12の判定で、TpがT1以下ならば、S14へ移り、コントローラは、セル電圧検出器が検出したセル電圧を読み込む。次いで、S16でコントローラは、セル電圧が低下したか否かを判定する。セル電圧の低下が無ければ、何もせずにメインルーチンへリターンする。 If it is determined in S12 that Tp is equal to or less than T1, the process proceeds to S14, and the controller reads the cell voltage detected by the cell voltage detector. Next, in S16, the controller determines whether or not the cell voltage has decreased. If there is no drop in the cell voltage, return to the main routine without doing anything.
S16の判定で、セル電圧が燃料電池1全体でほぼ一様に規定値より低下した場合、窒素ガスの蓄積等が考えられ、パージが必要となる。燃料電池1の内部に水詰まりが生じた場合には、セル電圧の低下は一様ではなく、水詰まりが生じたセルまたはそのセルを含むセル群の電圧が低下するのでパージを行うことになる。 If it is determined in S16 that the cell voltage falls below the specified value almost uniformly in the entire fuel cell 1, accumulation of nitrogen gas or the like is considered, and a purge is necessary. When water clogging occurs in the fuel cell 1, the cell voltage decreases unevenly, and the voltage of the cell in which water clogging has occurred or the cell group including the cell decreases, so that purging is performed. .
S16の判定で、セル電圧の低下が認められた場合、S18へ移り、コントローラはポンプ34の駆動を開始する。次いで、S20で、コントローラは、圧力センサ40,41から圧力検出値を読み込む。次いでS22で、コントローラは、圧力センサ40が検出した水素極出口の圧力P0から、圧力センサ41が検出したタンク30の内圧P1を減じた値が所定圧力Paを超えているか否かを判定する。所定圧力を超えていなければS20へ戻る。
If it is determined in S16 that the cell voltage is decreased, the process proceeds to S18, and the controller starts driving the
S22で、P0−P1がPaを超えれば、S24へ移り、第1開閉弁35を開いて、水素極出口(或いは水素循環経路)から水素排出配管31を介して排ガスをタンク30へ導入する。
If P0-P1 exceeds Pa in S22, the process proceeds to S24, the first on-off
次いで、S26でコントローラは、圧力センサ40,41から圧力検出値を読み込む。次いでS28で、コントローラは、圧力センサ40が検出した水素極出口の圧力P0から、圧力センサ41が検出したタンク30の内圧P1を減じた値が所定圧力Paを超えているか否かを判定する。この圧力差の所定値Paは、燃料電池の水パージに必要な水素流量が得られるように、予め実験的に求めて、コントローラに定数として設定されている。
Next, in S26, the controller reads the pressure detection value from the
S28の判定で、所定圧力Paを超えていれば、S30へ進み、所定圧力Paを超えていなければS32へ進む。S30では、コントローラは、ポンプ34の駆動力を一定値だけ低下させてS34へ移る。S32では、コントローラは、ポンプ34の駆動力を一定値だけ増加させてS34へ移る。
If it is determined in S28 that the predetermined pressure Pa is exceeded, the process proceeds to S30, and if it does not exceed the predetermined pressure Pa, the process proceeds to S32. In S30, the controller decreases the driving force of the
S34では、コントローラは、S24で第1開閉弁35を開いてから所定時間経過したか否かを判定する。所定時間経過していなければ、S26へ戻る。S26からS34までのループにより、P0−P1が所定圧力差Paに維持されパージが行われる。
In S34, the controller determines whether or not a predetermined time has elapsed since the first on-off
S34の判定で所定時間経過していれば、S36へ進む。この所定時間は、燃料電池の水パージに必要な時間を予め実験的に求めて、コントローラに定数として設定されている。 If it is determined in S34 that the predetermined time has elapsed, the process proceeds to S36. The predetermined time is set as a constant in the controller by experimentally obtaining in advance the time required for water purge of the fuel cell.
S36ではポンプ34を停止し、S38では、第1開閉弁35を閉じて、S40でパージタイマTpをリセットして、パージ処理を終了し、メインルーチンへ戻る。
In S36, the
以上のように本実施例によれば、第1開閉弁35の開弁によりパージを行い、排出した水素をタンク30に貯め、ポンプ34により水素流路内に戻すことができるため、パージの際に無駄に水素を外部に排出することが無いので、効率の高いシステムにできる。
As described above, according to the present embodiment, purge is performed by opening the first on-off
また、ポンプ34と第1開閉弁35によりタンク内の圧力を制御できるので、タンク30内の圧力を水素循環流路より低くしてから第1開閉弁35を開放することで大気解放時と同様の水除去性能を得ることができる。
Further, since the pressure in the tank can be controlled by the
また、水素循環流路とタンク内圧の差圧を常に一定にしておくので、運転圧を変更しても、パージに必要な圧力差を確保し、急なパージ要求にも応答よく制御できる。
また、運転圧が高い時には、その分タンク圧を高くすることで無駄にポンプ揚程を上げる必要が無く、効率を高くできる。
In addition, since the differential pressure between the hydrogen circulation passage and the tank internal pressure is always kept constant, even if the operating pressure is changed, a pressure difference necessary for purging can be secured and control can be performed in response to a sudden purge request.
Further, when the operating pressure is high, it is not necessary to raise the pump head unnecessarily by increasing the tank pressure accordingly, and the efficiency can be increased.
なお、本実施例では、ポンプ34がダイヤフラムポンプのように運転停止時には、水素ガスが逆流しないものとしてパージ時のみポンプ34を駆動していたが、運転停止時に逆流するようなポンプを用いる場合、燃料電池運転中はポンプの運転を継続するか、或いは別途ポンプと直列に開閉弁を設けてもよい。
In the present embodiment, the
また、水素タンク内に水素分離膜60を備えるので窒素パージで排出された水素の純度を上げて水素循環流路に戻すことで、水素循環流路内の水素濃度を高めることができることで発電効率が高まる共に、エゼクタ等の水素循環装置の負荷を軽減し、水素循環率を高めることができる。
Further, since the
また、燃料電池の水素極は、燃料消費率が高いと燃料電池下流で凝縮水が発生する。この水分はパージ時にタンクに排出されるため、この水分を加湿に利用することで、パージと共に排気に捨てる水分が無くなり、水収支が改善する。 Further, when the fuel consumption rate is high at the hydrogen electrode of the fuel cell, condensed water is generated downstream of the fuel cell. Since this moisture is discharged into the tank at the time of purging, using this moisture for humidification eliminates the moisture thrown away into the exhaust together with the purge, thereby improving the water balance.
次に実施例2について説明する。図2は、本発明に係る燃料電池システムの実施例2の構成を説明する構成図である。 Next, Example 2 will be described. FIG. 2 is a configuration diagram illustrating the configuration of a second embodiment of the fuel cell system according to the present invention.
図2において、燃料電池システムは、水素と空気を用いて発電する燃料電池(スタック)1と、コンプレッサ等の空気供給装置2と、空気を加湿する加湿器7と、水素を高圧で貯蔵する高圧水素タンク3と、水素循環装置としてのエゼクタ4と、水素極出口から排出された排ガスを水素極入口側へ戻す水素循環配管14と、水素循環配管14に水素排出配管31を介して接続されたタンク30と、水素排出配管31を開閉する第1開閉弁35と、タンク30から水素を水素極入口側へ戻す経路である水素戻り配管33と、水素戻り配管33を介してタンク30から水素極入口側へガスを圧送する水素ポンプ34とを備えている。
In FIG. 2, the fuel cell system includes a fuel cell (stack) 1 that generates power using hydrogen and air, an
また図示しないが、燃料電池1の各セルまたは一定数のセルが直列接続されたセル群毎の電圧を検出するセル電圧検出器が設けられており、その検出信号は図示しないコントローラに伝送され、パージが必要か否かの判定に利用されるようになっている。 Although not shown, a cell voltage detector for detecting the voltage of each cell of the fuel cell 1 or a cell group in which a certain number of cells are connected in series is provided, and the detection signal is transmitted to a controller (not shown), It is used for determining whether or not purging is necessary.
さらに、燃料電池1の水素極出口には、圧力センサ40,タンク30には、圧力センサ41、燃料電池1の水素極入口には、圧力センサ42をそれぞれ備えている。上記コントローラは、これら圧力センサ40,41、42の検出値を用いて、タンク30から水素ガスを燃料電池1へ再循環させる第2開閉弁37の制御を行うとともに、第1開閉弁35の開閉タイミングを制御する。
その他の構成要素は、実施例1の図1と同様であるので、同じ構成要素には同じ符号を付与して、重複する説明を省略する。
Further, a
Since the other components are the same as those in FIG. 1 of the first embodiment, the same reference numerals are given to the same components, and duplicate descriptions are omitted.
実施例2では、圧力センサ40で検知した燃料電池下流の圧力が、タンク30の内圧より高い場合に、第1開閉弁35を開放することでパージを行うことを可能とし、圧力センサ41で検知するタンク30の内圧力が圧力センサ42で検知する燃料電池入口圧力より高くなる場合に、第2開閉弁37を開放して、タンク30内の水素を燃料電池上流に戻す。
In the second embodiment, when the pressure downstream of the fuel cell detected by the
次に、第2実施例の作用について説明する。
パージの必要が生じた場合には、第2調圧弁17、空気供給装置2及び空気調圧弁11を制御して、燃料電池1の運転圧を上昇させるよう制御し、燃料電池下流の圧力をタンク30の内圧より上昇させることでパージを行い、その後、運転圧を下げて、第2開閉弁37でタンク内圧を低下させるよう制御する。
Next, the operation of the second embodiment will be described.
When purging is required, the second pressure regulating valve 17, the
次に、図5のフローチャートを参照して、本実施例におけるパージ制御動作を説明する。図5のフローチャートは、例えば、1秒毎にコントローラのメインルーチンから呼び出されて実行されるサブルーチンとして構成されている。尚、コントローラは、例えばソフトウェアタイマとして、前回のパージからの経過時間を測定するパージタイマTpを備えているものとする。 Next, the purge control operation in this embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG. The flowchart of FIG. 5 is configured as a subroutine that is called and executed from the main routine of the controller every second, for example. It is assumed that the controller includes a purge timer Tp that measures an elapsed time since the previous purge, for example, as a software timer.
まず、S10からS16の処理は、図4に示した実施例1と同様であるので、説明を省略する。
S16の判定で、セル電圧が低下したと判定された場合、S50へ移り、コントローラは、第2調圧弁17、空気供給装置2及び空気調圧弁11を制御して、燃料電池1の運転圧力を上昇させる。次いで、S52で、コントローラは、圧力センサ40,41から圧力検出値を読み込む。次いでS54で、コントローラは、圧力センサ40が検出した水素極出口の圧力P0が圧力センサ41が検出したタンク30の内圧P1を超えているか否かを判定する。超えていなければS50へ戻る。
First, the processing from S10 to S16 is the same as that of the first embodiment shown in FIG.
If it is determined in S16 that the cell voltage has decreased, the process proceeds to S50, where the controller controls the second pressure regulating valve 17, the
S54の判定で、P0がP1を超えていれば、S56へ移り、第1開閉弁35を開いて、水素極出口(或いは水素循環経路)から水素排出配管31を介して排ガスをタンク30へ導入する。
If it is determined in S54 that P0 exceeds P1, the process proceeds to S56, the first on-off
次いで、S58でコントローラは、S56で第1開閉弁35を開いてから所定時間経過したか否かを判定する。所定時間経過していなければ、S58へ戻る。S58のセルフループにより、水素循環経路からタンク30へパージが行われる。
Next, in S58, the controller determines whether or not a predetermined time has elapsed since the first on-off
S58の判定で所定時間経過していれば、S60へ進む。この所定時間は、燃料電池の水パージに必要な時間を予め実験的に求めて、コントローラに定数として設定されている。 If the predetermined time has passed in the determination of S58, the process proceeds to S60. The predetermined time is set as a constant in the controller by experimentally obtaining in advance the time required for water purge of the fuel cell.
S60では、コントローラは第1開閉弁35を閉じ、S62では、コントローラは、第2調圧弁17、空気供給装置2及び空気調圧弁11を制御して、燃料電池1の運転圧力を低下させる。次いで、S64で、コントローラは、圧力センサ41,42から圧力検出値を読み込む。次いでS66で、コントローラは、圧力センサ41が検出したタンク30の内圧P1が圧力センサ42が検出した燃料電池水素極入口の圧力P2を超えているか否かを判定する。S66の判定で、P1がP2を超えていれば、S68へ進み、第2開閉弁37を開き、S64へ戻る。
In S60, the controller closes the first on-off
S66の判定でP1がP2を超えていなければ、S70へ進み、第2開閉弁37を閉じる。次いで、パージタイマTpをリセットしてパージ処理を終了し、メインルーチンへ戻る。
If P1 does not exceed P2 in the determination of S66, the process proceeds to S70 and the second on-off
以上のように本実施例では、第1実施例で用いた水素ポンプを用いることなく、運転圧変化を利用して、パージを行い、またタンク内に排出されたパージ水素を水素循環流路に戻すことができる。 As described above, in this embodiment, purging is performed using the change in operating pressure without using the hydrogen pump used in the first embodiment, and the purged hydrogen discharged into the tank is supplied to the hydrogen circulation passage. Can be returned.
次に実施例3について説明する。図3は、本発明に係る燃料電池システムの実施例3の構成を説明する構成図である。 Next, Example 3 will be described. FIG. 3 is a configuration diagram illustrating the configuration of a third embodiment of the fuel cell system according to the present invention.
図3において、燃料電池システムは、水素と空気を用いて発電する燃料電池(スタック)1と、コンプレッサ等の空気供給装置2と、空気を加湿する加湿器7と、水素を高圧で貯蔵する高圧水素タンク3と、水素循環装置としてのエゼクタ4と、水素極出口から排出された排ガスを水素極入口側へ戻す水素循環配管14と、水素循環配管14に水素排出配管31を介して接続されたタンク30と、水素排出配管31を開閉する第1開閉弁35と、タンク30から水素を水素極入口側へ戻す経路である水素戻り配管33と、水素戻り配管33を介してタンク30から水素極入口側へガスを圧送する水素ポンプ34とを備えている。
In FIG. 3, the fuel cell system includes a fuel cell (stack) 1 that generates power using hydrogen and air, an
また、タンク30と空気排出配管12とを第2流量制御手段である第3開閉弁38及びオリフィス39で接続し、第1開閉弁35の開放後に第3開放弁38を制御してタンク30に排出した気体を空気は移出配管12へ排出できるようになっている。
Further, the
また図示しないが、燃料電池1の各セルまたは一定数のセルが直列接続されたセル群毎の電圧を検出するセル電圧検出器が設けられており、その検出信号は図示しないコントローラに伝送され、パージが必要か否かの判定に利用されるようになっている。 Although not shown, a cell voltage detector for detecting the voltage of each cell of the fuel cell 1 or a cell group in which a certain number of cells are connected in series is provided, and the detection signal is transmitted to a controller (not shown), It is used for determining whether or not purging is necessary.
さらに、燃料電池1の水素極出口には、圧力センサ40,タンク30には、圧力センサ41をそれぞれ備えている。上記コントローラは、これら圧力センサ40,41の検出値を用いて、タンク30から水素ガスを燃料電池1へ再循環させるポンプ34の制御を行うとともに、第1開閉弁35及び第3開閉弁38の開閉タイミングを制御する。
Further, a
その他の構成要素は、実施例1の図1と同様であるので、同じ構成要素には同じ符号を付与して、重複する説明を省略する。 Since the other components are the same as those in FIG. 1 of the first embodiment, the same reference numerals are given to the same components, and duplicate descriptions are omitted.
次に、実施例3の作用について説明する。
タンク30は、空気排出配管12と連通する配管70と、第2流量制御手段として開閉弁38及びオリフィス(絞り)39を備え、水素循環流路14からタンク30に放出された水素・窒素・水分をオリフィス39を介して、空気排出配管12に流出する。
Next, the operation of the third embodiment will be described.
The
オリフィス39は、空気排出配管12に流れる燃料電池1の空気極排空気で、タンク30から排出される水素を安全上設定される所定濃度以下に希釈できる流量以下になるようにサイズが設定される。
The
燃料電池の水素極には、燃料電池の空気極より電解質膜を通じて窒素が透過してくるため、水素循環流路には窒素が蓄積して、水素の濃度が低くなり発電効率が低下するばかりか、エゼクタ4で得られる水素循環流量も低下し、さらに燃料電池の発電効率が低下する。 Nitrogen permeates through the electrolyte membrane from the air electrode of the fuel cell to the hydrogen electrode of the fuel cell, so that nitrogen accumulates in the hydrogen circulation flow path, reducing the hydrogen concentration and reducing power generation efficiency. The hydrogen circulation flow rate obtained by the ejector 4 is also reduced, and the power generation efficiency of the fuel cell is further reduced.
このため、窒素濃度が発電効率を大きく下げないうちに、窒素を水素循環流路外に排出する必要がある。このため、窒素濃度が燃料電池性能に影響を与えるほど高くなった際には、水素循環流路から窒素を排出する必要があるが、窒素排出と同時に水素も排出するため、水素循環流路から排空気流路に直接排出すると、低負荷では燃料電池の排空気流量が小さくなるため、水素が可燃範囲の濃度になってしまう。 For this reason, it is necessary to discharge nitrogen out of the hydrogen circulation channel before the nitrogen concentration greatly reduces the power generation efficiency. For this reason, when the nitrogen concentration becomes so high as to affect the fuel cell performance, it is necessary to discharge nitrogen from the hydrogen circulation passage. If discharged directly into the exhaust air flow path, the exhaust air flow rate of the fuel cell becomes small at a low load, so that hydrogen has a concentration in the combustible range.
本実施例では、水素循環流路から一旦タンク30に、燃料電池1の水素・窒素・水分を含む水素極排気を排出し、その後タンク30に放出された水素をオリフィス39で流量を制限して、序々に空気排出配管に流出することで、排空気で希釈しながら可燃範囲以下の濃度で捨てることができる。
In this embodiment, the hydrogen electrode exhaust gas containing hydrogen, nitrogen and moisture of the fuel cell 1 is once discharged from the hydrogen circulation flow path to the
なお、窒素の蓄積は燃料電池の運転時間にほぼ比例すること、及び窒素蓄積時には燃料電池のセル電圧が全体的に低下することを利用して、所定時間毎又は電圧低下時に上記制御を行う。 The above control is performed at predetermined time intervals or when the voltage is lowered by utilizing the fact that the accumulation of nitrogen is substantially proportional to the operation time of the fuel cell and that the cell voltage of the fuel cell generally decreases during the accumulation of nitrogen.
また、図示しない燃料電池のセル電圧検出器により、一部のセル電圧が低下したことを検出した場合、すなわち燃料電池の水素極流路に水詰まりを生じた場合には、第1開閉弁35を開放して、燃料電池内流路の水抜きを行った後、タンク30に流入した水素リッチなガスは、ポンプ34を用いて水素循環流路に再流入させる。
Further, when it is detected by a cell voltage detector of a fuel cell (not shown) that a part of the cell voltage has decreased, that is, when water clogging occurs in the hydrogen electrode flow path of the fuel cell, the first on-off
これにより、短時間に水素リッチガスをタンクに排出するので、燃料電池内の水飛ばしを行うことができる。また、この場合にタンク30に流入したガスは、N2濃度が未だ許容濃度以下であるため、ポンプ34で水素循環流路に戻すことで、水素を無駄に系外に排出することがなく、システムのエネルギ効率を高めることができる。
As a result, the hydrogen-rich gas is discharged into the tank in a short time, so that the water in the fuel cell can be blown out. In this case, since the N2 concentration of the gas flowing into the
また、タンクに設置した圧力センサ41で検知するタンク内圧が、所定の圧力より低い時は、配管圧損のため空気排出配管内が、タンク30の内圧より高くなる可能性があるため、空気が空気排出配管12からタンク30に流入しないように第3開閉弁38を閉じる。上記所定圧力は、事前に推定もしくは、実験により明らかにした運転条件での空気排出配管内圧力とする。
Further, when the tank internal pressure detected by the pressure sensor 41 installed in the tank is lower than a predetermined pressure, the air discharge pipe may be higher than the internal pressure of the
次に、図6のフローチャートを参照して、本実施例におけるパージ制御動作を説明する。図6のフローチャートは、例えば、1秒毎にコントローラのメインルーチンから呼び出されて実行されるサブルーチンとして構成されている。尚、コントローラは、例えばソフトウェアタイマとして、前回のパージからの経過時間を測定するパージタイマTpを備えているものとする。 Next, the purge control operation in this embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG. The flowchart of FIG. 6 is configured as a subroutine that is called and executed from the main routine of the controller every second, for example. It is assumed that the controller includes a purge timer Tp that measures an elapsed time since the previous purge, for example, as a software timer.
まず、S10からS16までは、図1に示した実施例1と同様である。S16の判定で、セル電圧が低下したと判断された場合、S80へ移り、コントローラは第1開閉弁35を開く。これにより水素極または水素循環経路から排水素ガスがタンク30へ流出を始める。
First, S10 to S16 are the same as those in the first embodiment shown in FIG. If it is determined in S16 that the cell voltage has decreased, the process proceeds to S80, and the controller opens the first on-off
次いで、S82で、コントローラは、一部セルのみの電圧低下か否かを判定する。一部セルのみの電圧低下であれば、S100へ移る。全セルの電圧低下であれば、窒素等の蓄積のため水素分圧が下がったのでガスパージが必要としてS84へ移る。 Next, in S82, the controller determines whether or not there is a voltage drop in only some cells. If the voltage drop is only in some cells, the process proceeds to S100. If the voltage of all the cells is reduced, the hydrogen partial pressure has decreased due to accumulation of nitrogen or the like, so that a gas purge is required, and the process proceeds to S84.
S84では、コントローラは、第3開閉弁38を開く。これによりタンク30から、第3開閉弁38,オリフィス39を介して、窒素を含んだ水素が空気排出配管に放出される。次いで、S86でコントローラは、圧力センサ41から圧力検出値を読み込む。次いでS88で、コントローラは、圧力センサ41が検出したタンク30の内圧P1が所定圧力Pbを超えているか否かを判定する。所定圧力Pbを超えていれば、S92へ進む。所定圧力Pbを超えていなければS90へ進む。この所定圧力Pbは、事前に推定もしくは、実験により明らかにした運転条件での空気排出配管内圧力とし、予めコントローラに記憶させておく。
In S84, the controller opens the third on-off
S90で、は、S84からの経過時間が所定時間経過したか否かを判断する。所定時間経過していなければ、S86へ戻る。所定時間経過していれば、S92へ進み、コントローラは、第3開閉弁38を閉じて、S106へ進む。
In S90, it is determined whether or not a predetermined time has elapsed since S84. If the predetermined time has not elapsed, the process returns to S86. If the predetermined time has elapsed, the process proceeds to S92, the controller closes the third on-off
一方、S100では、一部セルのみの電圧低下であるので、水詰まりを解消する水パージを行うため、ポンプ34の駆動を開始する。次いで、S102で所定時間経過したか否かを判定し、所定時間経過していなければ、S102でセルフループする。S102で所定時間経過していれば、S104へ進み、ポンプ34を停止し、S106で第1開閉弁35を閉じて、S108でパージタイマTpをリセットして、パージ動作を終了し、メインルーチンへ戻る。
On the other hand, in S100, since the voltage of only a part of the cells is lowered, the drive of the
以上説明した本実施例によれば、短時間に水素循環経路から排水素ガスをタンク30に排出するので、燃料電池内の水飛ばしを効率的に行うことができる。また、セル電圧低下が全セルなのか一部セルなのかを判定して、タンク内のガスを系外へ排出するか水素循環経路へ戻すかを制御しているので、水素を無駄に系外に排出することがなく、システムのエネルギ効率を高めることができる。
According to the present embodiment described above, the exhaust hydrogen gas is discharged from the hydrogen circulation path to the
1:燃料電池
2:空気供給装置
3:高圧水素タンク
4:エゼクタ
7:加湿装置
11:空気調圧弁
12:空気排出配管
14:水素循環流路
16:第1調圧弁
17:第2調圧弁
22:空気配管
30:タンク
31:水素排出配管
33:水素戻り配管
34:ポンプ
35:第1開閉弁
37:第2開閉弁
38:第3開閉弁
39:オリフィス
40:圧力センサ
41:圧力センサ
42:圧力センサ
50:加湿器
51:水配管
52:水ポンプ
60:水素分離膜
70:排水素配管
1: Fuel cell 2: Air supply device 3: High-pressure hydrogen tank 4: Ejector 7: Humidifier 11: Air pressure regulating valve 12: Air discharge pipe 14: Hydrogen circulation flow path 16: First pressure regulating valve 17: Second pressure regulating valve 22 : Air pipe 30: Tank 31: Hydrogen discharge pipe 33: Hydrogen return pipe 34: Pump 35: First on-off valve 37: Second on-off valve 38: Third on-off valve 39: Orifice 40: Pressure sensor 41: Pressure sensor 42: Pressure sensor 50: Humidifier 51: Water piping 52: Water pump 60: Hydrogen separation membrane 70: Waste hydrogen piping
Claims (9)
水素排出配管を介して前記水素循環流路に接続されたタンクと、
前記水素排出配管を開閉する第1開閉弁と、
前記タンクと前記水素供給流路とを連結する水素戻り配管と、
前記水素戻り配管の流量を調整する第1流量制御手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。 In a fuel cell system provided with a hydrogen circulation channel for circulating exhaust gas discharged from the hydrogen electrode outlet of the fuel cell to a hydrogen supply channel,
A tank connected to the hydrogen circulation passage through a hydrogen discharge pipe;
A first on-off valve for opening and closing the hydrogen discharge pipe;
A hydrogen return pipe connecting the tank and the hydrogen supply flow path;
First flow rate control means for adjusting the flow rate of the hydrogen return pipe;
A fuel cell system comprising:
前記タンク内の気体を前記水素供給通路に戻す際に、前記ポンプは前記タンク内の圧力を前記水素供給流路の圧力より低い圧力になるように前記タンク内の気体を吸い込み前記水素循環流路に吐出することを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。 The first flow rate control means is a pump;
When returning the gas in the tank to the hydrogen supply passage, the pump sucks the gas in the tank so that the pressure in the tank is lower than the pressure in the hydrogen supply flow path. 2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel cell system is discharged into the fuel cell.
運転圧の高い運転時に第1開閉弁を開いて前記水素循環流路から前記タンクへ排ガスを排出し、
運転圧の低い運転時に第2開閉弁を開いてタンク内圧により前記タンクから前記水素供給流路に気体を流入させることを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。 The flow rate control means is a second on-off valve provided in the hydrogen return pipe;
When the operation pressure is high, the first on-off valve is opened to exhaust the exhaust gas from the hydrogen circulation passage to the tank,
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the second on-off valve is opened during operation at a low operating pressure, and gas is caused to flow from the tank into the hydrogen supply flow path by the internal pressure of the tank.
前記配管の流量を制御する第2流量制御手段とを備え、
第1開閉弁の開放後に第2流量制御手段を制御して前記タンク内の気体を空気排出配管へ排出することを特徴とする請求項1乃至請求項5の何れか1項に記載の燃料電池システム。 A pipe connecting the tank and the air discharge pipe of the fuel cell;
Second flow rate control means for controlling the flow rate of the pipe,
The fuel cell according to any one of claims 1 to 5, wherein after the first on-off valve is opened, the second flow rate control means is controlled to discharge the gas in the tank to the air discharge pipe. system.
第1開閉弁の開放後に第1流量制御手段を制御してタンク内の気体を水素供給流路へ戻すことを特徴とする請求項6記載の燃料電池システム。 If a drop in the cell voltage of some of the fuel cells is detected,
7. The fuel cell system according to claim 6, wherein after the first on-off valve is opened, the first flow rate control means is controlled to return the gas in the tank to the hydrogen supply channel.
前記水素循環流路から前記タンク内に排出されたガス成分を分離して、水素濃度の高まったガスを水素供給流路に吐出することを特徴とする請求項1乃至請求項5の何れか1項に記載の燃料電池システム。 The tank includes a hydrogen separation membrane,
6. The gas component discharged into the tank from the hydrogen circulation channel is separated, and a gas having an increased hydrogen concentration is discharged to the hydrogen supply channel. The fuel cell system according to item.
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