JP2004165021A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料電池スタックに水素を供給する装置の水素漏れ発生時の引火を防止し、信頼性をより向上した燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池スタック1には、コンプレッサー3から空気が供給され、高圧水素タンク2からレギュレータ4、調圧弁5、エジェクタ6を介して水素が供給される。調圧弁5、エジェクタ6、弁7、パージ弁8は、密閉容器9により密閉されている。燃料電池システムの始動時に、弁13を介して密閉容器9内部へ水素を充填する。このとき、弁14を開いて、密閉容器内部から水素により置換される空気を排出する。
【選択図】 図1
【解決手段】燃料電池スタック1には、コンプレッサー3から空気が供給され、高圧水素タンク2からレギュレータ4、調圧弁5、エジェクタ6を介して水素が供給される。調圧弁5、エジェクタ6、弁7、パージ弁8は、密閉容器9により密閉されている。燃料電池システムの始動時に、弁13を介して密閉容器9内部へ水素を充填する。このとき、弁14を開いて、密閉容器内部から水素により置換される空気を排出する。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気と水素とを燃料電池スタックに供給して発電する燃料電池システムに係り、特に水素漏れ対策を施した燃料電池システムに関するする。
【0002】
【従来の技術】
水素は、他の可燃性ガスに比べて、空気と混合した場合の爆発範囲が広く、容量百分率で下限が4.0%、上限が75%である(理科年表、平成10年版、p564、丸善株式会社発行)。このため水素ガスを燃料として利用する燃料電池システムにおいては、水素漏れを検出した場合に運転を停止する安全対策が必要となる。
【0003】
燃料電池システムの水素漏れを検出する従来技術としては、例えば、特許文献1に記載の技術が開示されている。この従来技術によれば、燃料電池装置、燃料供給部、水供給部、改質器、ブロア等をケーシング内部に収容し、ケーシング内に水素濃度を検出する水素濃度センサを設けている。そして、検出した水素濃度に基づき、ケーシング内にガス(パージ用ガス)を導入し、ケーシング内の水素をパージし、ケーシング内に水素が滞留することを防止して安全性を確保しようとしている。
【0004】
【特許文献1】
特開2002−056864号公報(第5ページ、図2)
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術では、ケーシング内及びケーシングに導入されるパージガスに酸素が含まれることから、水素濃度センサの不良や、パージ用ガスを導入する手段の作動不良が発生した場合、ケーシング内の水素濃度が可燃濃度となり、引火源が存在した場合、水素が引火する恐れがあるという新たな課題が生じる。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するため、空気及び水素の電気化学反応により発電する発電手段と、前記発電手段に空気を供給する空気供給手段と、前記発電手段に水素を供給する水素供給手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記水素供給手段の少なくとも一部を内包する密閉手段と、該密閉手段の内部に水素を充填する水素充填手段と、を備えたことを要旨とする。
【0007】
【発明の効果】
本発明によれば、水素供給手段の少なくとも一部を内包する密閉手段を設けたので、水素漏れに対するシール性に優れた構造となる。密閉手段は、部品点数の少ないケーシングであるほどシール性は良くなる。また、この密閉手段に燃料の水素を高濃度で充填し、酸素濃度を低濃度とすることで、密閉手段内部の電子制御部品などから静電気が発生しても水素に引火することはない。
【0008】
【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。以下に説明する4つの実施形態は、密閉手段内部に充填する水素の取り出し位置を調圧弁下流側(燃料電池スタック供給圧)とするか上流側とするかにより2種類有り、それぞれに密閉手段に充填する水素圧力の所定値の設定により2種類に分けられる。
【0009】
第1実施形態は、密閉手段に充填する水素の取り出し位置を調圧弁下流とし、密閉手段に充填する水素圧力値を燃料電池スタックの内圧値と等しくしている。第2実施形態は、密閉手段に充填する水素の取り出し位置を調圧弁下流とし、密閉手段に充填する水素圧力値を燃料電池スタックの内圧値より低い値としている。第3実施形態は、密閉手段に充填する水素の取り出し位置を調圧弁上流とし、密閉手段に充填する水素圧力値を調圧弁上流側の高圧値としている。第4実施形態は、密閉手段に充填する水素の取り出し位置を調圧弁上流とし、密閉手段に充填する水素圧力値を燃料電池スタックの内圧値より低い値としている。
【0010】
〔第1実施形態〕
図1は、本発明に係る燃料電池システムの第1実施形態の構成を説明するシステム構成図である。図1において、燃料電池システムは、空気及び水素の電気化学反応により発電する燃料電池スタック(発電手段)1と、燃料電池スタック1に供給する水素を高圧で蓄える高圧水素タンク2と、空気を圧縮して燃料電池スタック1へ送り込むコンプレッサー3と、高圧水素タンク2から取り出す水素の圧力を所定圧に制御するレギュレータ4と、レギュレータ4から送られてくる水素を燃料電池スタック1の運転圧力に調圧する調圧弁(減圧手段)5と、調圧弁5から供給される新規水素と燃料電池スタック1で消費されなかった排水素とを混合して燃料電池スタック1の水素極入口へ供給するエジェクタ6と、燃料電池スタックの水素極出口から排出される水素をエジェクタ6のノズルへ循環させる経路を開閉する弁7と、燃料電池スタック1の水素極出口から外部へ不純物を含む水素をパージするためのパージ弁8と、水素供給手段の少なくとも一部を内包する密閉容器(密閉手段)9と、密閉容器9の内圧を検出する圧力センサー10と、開閉弁である弁11、12、13、14と、圧力センサー10の検出値に基づいて燃料電池システムを制御するコントローラ15とを備えている。
【0011】
密閉容器9は、例えば、スチールまたはステンレス製の蓋付容器であり、本体と蓋とはパッキングによりシールされる構造となっている。点検修理に必要が生じた場合には、密閉容器内の水素を外部へ放出した後に、蓋を開いて密閉容器内部の点検修理ができるようになっている。
【0012】
以上説明した構成において、燃料電池スタック1が発電手段、高圧水素タンク2およびレギュレータ4が水素貯蔵手段、調圧弁5、エジェクタ6、弁7、パージ弁8が水素供給手段、コンプレッサー3、弁11、弁12が空気供給手段、密閉容器9が水素供給手段の少なくとも一部を内包して密閉する密閉手段、圧力センサー10が密閉手段の内部圧力を検出する圧力検出手段、弁12が密閉手段の内部に空気を充填する空気充填手段、弁13が密閉手段の内部に水素を充填する水素充填手段、弁14が気体放出手段に相当する。
【0013】
ここで、水素充填手段である弁13は、密閉容器9の上端部に水素放出口を備え、密閉容器9の水素充填時には、容器内の上方から下方へ順次空気がより軽い水素に置換されて、密閉容器9内に水素が充填されるようになっている。気体放出手段である弁14は、密閉容器9の下端部に連通口を有する弁であり、密閉容器9に水素が充填される際には、水素より重い空気が下方から押し出されるようになっている。
【0014】
次に、上記構成の第1実施形態におけるコントローラによる制御動作を説明する。図3は、燃料電池システム始動時の制御フローチャートである。このフローはシステム始動時に実行される。
【0015】
図3において、まずステップ(以下、ステップをSと略す)10で、弁14を開け、S12で弁7および8を閉じる。次いで、S14で弁13を開け、高圧水素タンクからの水素を調圧弁5、エジェクタ6、弁13を介して密閉容器9の内部へ充填する。S16で充填時間から大気圧で換算した水素充填量(体積)を計算する。S18で、水素の充填量が密閉容器の空間ボリュームを超えたか否かを判定し、超えていなければS14へ戻り、水素の充填量が密閉容器の空間ボリュームを超えるまで水素充填を続ける。
【0016】
S18の判定で、水素充填量が密閉容器の空間ボリュームを超えたら、S20で弁14を閉じ、密閉容器8を密閉する。次いで、S22で、水素の充填を続け、S24で圧力センサー10が検出した密閉容器内部の圧力値を読みとり、S26で密閉容器内の圧力値と所定値とを比較する。S26の判定で密閉容器内の圧力値が所定値より小さければ、S22へ戻って水素の充填を続ける。
【0017】
S26の判定で、密閉容器内の圧力値が所定値以上となった場合には、弁13を閉じて、始動時の密閉容器内部への水素の充填を終了する。
【0018】
尚、第1実施形態では、密閉容器内部へ充填する水素圧力の所定値を運転時の燃料電池スタックの内部圧力に等しい値としている。
【0019】
図4は、第1実施形態における燃料電池システムの通常運転時の制御を説明するフローチャートである。このフローチャートは、図3のフローチャート終了後に、通常運転中は所定時間(例えば、10msec)毎に繰り返し実行される。
【0020】
図4において、まずS30で密閉容器9内部の圧力値を圧力センサー10から読み取り、S32で密閉容器内圧と所定値(燃料電池スタックの内部圧)との差を算出し、その差が計測誤差程度のほぼ0であれば、システムは正常として終了する。S32の判定で、その差が計測誤差程度を超えて、正、または負で有れば、水素漏れが生じたシステム異常と判断する。
【0021】
S32の判定で、密閉容器内圧−所定値が負のとき(密閉内圧が所定値より低い場合)は、密閉容器からシステム外部への水素漏れと判断し、S34で密閉容器の水素漏れの通知を行うが、燃料電池システムの運転は、継続することが可能である。
【0022】
またS32の判定で、密閉容器内圧が所定値より高い場合は、水素供給手段の高圧部から密閉容器内への水素漏れと判断し、S36で高圧部の水素漏れを通知し、S38で燃料電池システムの運転停止に移る。
【0023】
次に、第1実施形態におけるメンテナンス作業等のための密閉容器の水素の放出をともなう停止動作について説明する。
【0024】
図7は、メンテナンスのための運転停止時にコントローラによって実行される制御フローチャートである。このフローはシステム停止の指令があった場合に実行される。
【0025】
図7において、まずS70で調圧弁5を閉じる。次いで、S72で弁11を閉じ、S74で弁12を開ける。
【0026】
次いでS76で、図面に記載していないバッテリー等でコンプレッサー3を稼動させ、弁12から密閉手段9の内部へ空気を充填する。S78で、充填開始から所定時間空気が充填されたか否かを判定し、所定時間経過していなければ、S76へ戻る。S78の判定で、予め設定されたコンプレッサー稼動の所定時間が経過すると、制御動作を終了する。この所定時間は、予め実験により密閉手段の内部が十分空気により換気される時間を計測し、その値を所定値としてコントローラ15に記憶させておき、S78で参照するものとする。
【0027】
以上説明した第1実施形態によれば、水素供給手段を密閉手段の内部に密閉することにより、システム外に対しての水素漏れに対するシール性に優れる構造となる。密閉手段としての密閉容器は、部品点数の少ないケーシングであるほどシール性は良くなる。また、この密閉手段の内部に燃料の水素を充填し高濃度とし、酸素濃度を低濃度とすることで、ケーシング内部の電子制御部品などから静電気が発生しても水素に引火することはない。
【0028】
また、燃料電池スタックの内圧と同圧の水素が供給される位置から取り出すので、密閉手段の圧力要求仕様値が低くて済む。
【0029】
また、燃料電池システムの運転時に水素供給手段の中でスタック内圧と同圧の水素が流れる部分から水素漏れを生じても、システムの機能は保持され、運用は可能である。
【0030】
また、圧力センサーで密閉手段内部の圧力を検出することにより、水素貯蔵手段の高圧の水素が流れる部位および密閉手段自身の水素漏れを監視できる。
【0031】
さらに、密閉手段内部に充填する水素量を制御することにより、水素供給手段および密閉手段から水素漏れを生じても機能性を保持するよう対応できる。
【0032】
また、密閉手段の内圧を燃料電池スタックの内圧と等しく制御することで、常に水素供給手段のスタック内と同圧で流れる部分の水素漏れがし難くなる。
【0033】
また、密閉手段の内圧が燃料電池スタックの内圧の制御範囲を超えたかを判定することで、水素貯蔵手段および水素供給手段の高圧の水素が流れる部分から水素が漏れていることを判断することが出来る。
【0034】
また、システムの停止時に密閉手段内の水素をパージすることで、システムの作業性および放置時の安全性を確保することが出来る。
【0035】
〔第2実施形態〕
次に、本発明に係る燃料電池システムの第2実施形態を説明する。第2実施形態の構成は、図1に示した第1実施形態の構成と同様である。第1実施形態との相違は、密閉手段に充填する水素圧力の所定値を燃料電池スタックの内圧値より低い値としている点である。
【0036】
第2実施形態における燃料電池システムの始動時の制御は、図3に示した第1実施形態の始動時の制御と同様であるが、S26における比較対象の所定値が燃料電池スタックの水素圧力より低い値に設定されている点が異なる。
【0037】
図6は、第2実施形態における燃料電池システムの通常運転時の制御を説明するフローチャートである。このフローチャートは、図3のフローチャート終了後に、通常運転中は所定時間(例えば、10msec)毎に繰り返し実行される。
【0038】
図6において、まずS50で、圧力判定の所定値を燃料電池スタックの内部水素圧力より低く設定する。次いでS52で、密閉容器9内部の圧力値を圧力センサー10から読み取り、S54で密閉容器内圧と所定値との差を算出し、その差が計測誤差程度のほぼ0であれば、システムは正常として終了する。S54の判定で、その差が計測誤差程度を超えて、正、または負であれば、水素漏れが生じたシステム異常と判断する。
【0039】
S54の判定で、密閉容器内圧−所定値が負のとき(密閉内圧が所定値より低い場合)は、密閉容器からシステム外部への水素漏れと判断し、S56で密閉容器の水素漏れの通知を行うが、燃料電池システムの運転は、継続することが可能である。
【0040】
またS54の判定で、密閉容器内圧が所定値より高い場合は、S58で、所定値を燃料電池スタックの内部水素圧力に設定し、S60で密閉容器9内部の圧力値を圧力センサー10から読み取り、S62で密閉容器内圧と所定値(燃料電池スタックの内部圧)との差を算出し、その差が0以下か、正かを判定する。
【0041】
S62の判定で、その差が0以下であれば、燃料電池スタック内の水素圧力と同圧部の水素漏れが生じたと判断し、S64で燃料電池スタック内の水素圧力と同圧部の水素漏れを通知する。この後は所定値をスタック内圧としたまま密閉内部の圧力と比較を続けて燃料電池システムの運転を続けることが出来る。
【0042】
S62の判定で、密閉容器内圧−所定値が正のとき(密閉内圧が所定値より高い場合)は、水素供給手段の高圧部から密閉容器内への水素漏れと判断し、S66で高圧部の水素漏れを通知し、S68で燃料電池システムの運転停止に移る。
【0043】
第2実施形態におけるメンテナンス作業等のための密閉容器の水素の放出を伴う運転停止時の動作は、図7に示した第1実施形態の運転停止時の動作と同様であるので、重複する説明を省略する。
【0044】
以上説明したように第2実施形態によれば、密閉手段の内圧をスタックの内圧よりも低い値に設定することで、密閉手段の圧力負荷を軽減させることが出来る。
【0045】
また、常に密閉手段が内包する水素貯蔵手段および水素供給手段および密閉手段自身の水素漏れを検出する状態として、水素漏れを検出した場合には密閉手段の内圧所定値を変化させることで運転継続させるとが可能である。
【0046】
〔第3実施形態〕
図2は、本発明に係る燃料電池システムの第3実施形態の構成を説明するシステム構成図である。第3実施形態の構成は、図1に示した第1実施形態における水素充填手段の弁13の位置を調圧弁5の上流側に変えただけである。その他の構成は、第1実施形態と同様であるので、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。
【0047】
第3実施形態における燃料電池システムの始動時の制御は、図3に示した第1実施形態の始動時の制御と同様であるが、S26における比較対象の所定値が水素供給手段の高圧部と等しい値に設定されている点が異なる。この始動時の制御が終了すると、密閉手段9の内部は、水素供給手段の高圧部と同じ圧力の水素が充填された状態となる。
【0048】
図5は、第3実施形態における燃料電池システムの通常運転時の制御を説明するフローチャートである。このフローチャートは、図3のフローチャート終了後に、通常運転中は所定時間(例えば、10msec)毎に繰り返し実行される。
【0049】
図5において、まずS40で密閉容器9内部の圧力値を圧力センサー10から読み取り、S42で密閉容器内圧と所定値(水素供給手段高圧部の内圧)との差を算出し、その差が計測誤差程度のほぼ0であれば、システムは正常としてS40へ戻る。S42の判定で、その差が計測誤差程度を超えて、正、または負で有れば、水素漏れが生じたシステム異常と判断する。
【0050】
S42の判定で、密閉容器内圧−所定値がほぼ0でなければ、密閉容器の水素漏れと判断し、S44で密閉容器の水素漏れの通知を行い、S46で燃料電池システムの運転停止に移る。
【0051】
第3実施形態における運転停止時の動作は、図7に示した第1実施形態の運転停止時の動作と同様であるので、重複する説明を省略する。
【0052】
以上説明したように、第3実施形態では、水素貯蔵手段の高圧部から取り出すので、水素充填を行なう際の応答性が良くなる。
【0053】
また、密閉手段の内圧を水素貯蔵手段の高圧部と等しく制御することで、常に水素貯蔵手段および水素供給手段の高圧部の水素漏れが発生しにくくなる。
【0054】
また、燃料電池システムの運転時に高圧の水素が流れる部分から水素漏れが生じても、密閉手段が内包する位置であればシステムの機能は保持され、運用は可能である。
【0055】
〔第4実施形態〕
次に、本発明に係る燃料電池システムの第4実施形態を説明する。第4実施形態の構成は、図2に示した第3実施形態の構成と同様である。第3実施形態との相違は、密閉手段に充填する水素圧力の所定値を燃料電池スタックの内圧値より低い値としている点である。
【0056】
第4実施形態の始動時の制御は、図3に示した第1実施形態の始動時の制御と同様であるが、S26における比較対象の所定値が燃料電池スタックの水素圧力より低い値に設定されている点が異なる。
【0057】
第4実施形態の通常運転時の制御は、図6に示した第2実施形態における燃料電池システムの通常運転時の制御と同様である。
【0058】
第4実施形態における運転停止時の動作は、図7に示した第1実施形態の運転停止時の動作と同様であるので、重複する説明を省略する。
【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1実施形態の構成を説明するシステム構成図である。
【図2】本発明に係る燃料電池システムの第3実施形態の構成を説明するシステム構成図である。
【図3】第1実施形態における燃料電池システムの始動時のコントローラの制御内容を説明するフローチャートである。
【図4】第1実施形態における燃料電池システムの通常運転時のコントローラの制御内容を説明するフローチャートである。
【図5】第3実施形態における燃料電池システムの通常運転時のコントローラの制御内容を説明するフローチャートである。
【図6】第4実施形態における燃料電池システムの通常運転時のコントローラの制御内容を説明するフローチャートである。
【図7】第1実施形態における燃料電池システムの運転停止時のコントローラの制御内容を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
1…燃料電池スタック(発電手段)
2…高圧水素タンク
3…コンプレッサー
4…レギュレータ
5…調圧弁(減圧手段)
6…エジェクタ
7…弁
8…パージ弁
9…密閉容器(密閉手段)
10…圧力センサー(圧力検出手段)
11…弁
12…弁
13…弁(水素充填手段)
14…弁(気体放出手段)
15…コントローラ
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気と水素とを燃料電池スタックに供給して発電する燃料電池システムに係り、特に水素漏れ対策を施した燃料電池システムに関するする。
【0002】
【従来の技術】
水素は、他の可燃性ガスに比べて、空気と混合した場合の爆発範囲が広く、容量百分率で下限が4.0%、上限が75%である(理科年表、平成10年版、p564、丸善株式会社発行)。このため水素ガスを燃料として利用する燃料電池システムにおいては、水素漏れを検出した場合に運転を停止する安全対策が必要となる。
【0003】
燃料電池システムの水素漏れを検出する従来技術としては、例えば、特許文献1に記載の技術が開示されている。この従来技術によれば、燃料電池装置、燃料供給部、水供給部、改質器、ブロア等をケーシング内部に収容し、ケーシング内に水素濃度を検出する水素濃度センサを設けている。そして、検出した水素濃度に基づき、ケーシング内にガス(パージ用ガス)を導入し、ケーシング内の水素をパージし、ケーシング内に水素が滞留することを防止して安全性を確保しようとしている。
【0004】
【特許文献1】
特開2002−056864号公報(第5ページ、図2)
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術では、ケーシング内及びケーシングに導入されるパージガスに酸素が含まれることから、水素濃度センサの不良や、パージ用ガスを導入する手段の作動不良が発生した場合、ケーシング内の水素濃度が可燃濃度となり、引火源が存在した場合、水素が引火する恐れがあるという新たな課題が生じる。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するため、空気及び水素の電気化学反応により発電する発電手段と、前記発電手段に空気を供給する空気供給手段と、前記発電手段に水素を供給する水素供給手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記水素供給手段の少なくとも一部を内包する密閉手段と、該密閉手段の内部に水素を充填する水素充填手段と、を備えたことを要旨とする。
【0007】
【発明の効果】
本発明によれば、水素供給手段の少なくとも一部を内包する密閉手段を設けたので、水素漏れに対するシール性に優れた構造となる。密閉手段は、部品点数の少ないケーシングであるほどシール性は良くなる。また、この密閉手段に燃料の水素を高濃度で充填し、酸素濃度を低濃度とすることで、密閉手段内部の電子制御部品などから静電気が発生しても水素に引火することはない。
【0008】
【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。以下に説明する4つの実施形態は、密閉手段内部に充填する水素の取り出し位置を調圧弁下流側(燃料電池スタック供給圧)とするか上流側とするかにより2種類有り、それぞれに密閉手段に充填する水素圧力の所定値の設定により2種類に分けられる。
【0009】
第1実施形態は、密閉手段に充填する水素の取り出し位置を調圧弁下流とし、密閉手段に充填する水素圧力値を燃料電池スタックの内圧値と等しくしている。第2実施形態は、密閉手段に充填する水素の取り出し位置を調圧弁下流とし、密閉手段に充填する水素圧力値を燃料電池スタックの内圧値より低い値としている。第3実施形態は、密閉手段に充填する水素の取り出し位置を調圧弁上流とし、密閉手段に充填する水素圧力値を調圧弁上流側の高圧値としている。第4実施形態は、密閉手段に充填する水素の取り出し位置を調圧弁上流とし、密閉手段に充填する水素圧力値を燃料電池スタックの内圧値より低い値としている。
【0010】
〔第1実施形態〕
図1は、本発明に係る燃料電池システムの第1実施形態の構成を説明するシステム構成図である。図1において、燃料電池システムは、空気及び水素の電気化学反応により発電する燃料電池スタック(発電手段)1と、燃料電池スタック1に供給する水素を高圧で蓄える高圧水素タンク2と、空気を圧縮して燃料電池スタック1へ送り込むコンプレッサー3と、高圧水素タンク2から取り出す水素の圧力を所定圧に制御するレギュレータ4と、レギュレータ4から送られてくる水素を燃料電池スタック1の運転圧力に調圧する調圧弁(減圧手段)5と、調圧弁5から供給される新規水素と燃料電池スタック1で消費されなかった排水素とを混合して燃料電池スタック1の水素極入口へ供給するエジェクタ6と、燃料電池スタックの水素極出口から排出される水素をエジェクタ6のノズルへ循環させる経路を開閉する弁7と、燃料電池スタック1の水素極出口から外部へ不純物を含む水素をパージするためのパージ弁8と、水素供給手段の少なくとも一部を内包する密閉容器(密閉手段)9と、密閉容器9の内圧を検出する圧力センサー10と、開閉弁である弁11、12、13、14と、圧力センサー10の検出値に基づいて燃料電池システムを制御するコントローラ15とを備えている。
【0011】
密閉容器9は、例えば、スチールまたはステンレス製の蓋付容器であり、本体と蓋とはパッキングによりシールされる構造となっている。点検修理に必要が生じた場合には、密閉容器内の水素を外部へ放出した後に、蓋を開いて密閉容器内部の点検修理ができるようになっている。
【0012】
以上説明した構成において、燃料電池スタック1が発電手段、高圧水素タンク2およびレギュレータ4が水素貯蔵手段、調圧弁5、エジェクタ6、弁7、パージ弁8が水素供給手段、コンプレッサー3、弁11、弁12が空気供給手段、密閉容器9が水素供給手段の少なくとも一部を内包して密閉する密閉手段、圧力センサー10が密閉手段の内部圧力を検出する圧力検出手段、弁12が密閉手段の内部に空気を充填する空気充填手段、弁13が密閉手段の内部に水素を充填する水素充填手段、弁14が気体放出手段に相当する。
【0013】
ここで、水素充填手段である弁13は、密閉容器9の上端部に水素放出口を備え、密閉容器9の水素充填時には、容器内の上方から下方へ順次空気がより軽い水素に置換されて、密閉容器9内に水素が充填されるようになっている。気体放出手段である弁14は、密閉容器9の下端部に連通口を有する弁であり、密閉容器9に水素が充填される際には、水素より重い空気が下方から押し出されるようになっている。
【0014】
次に、上記構成の第1実施形態におけるコントローラによる制御動作を説明する。図3は、燃料電池システム始動時の制御フローチャートである。このフローはシステム始動時に実行される。
【0015】
図3において、まずステップ(以下、ステップをSと略す)10で、弁14を開け、S12で弁7および8を閉じる。次いで、S14で弁13を開け、高圧水素タンクからの水素を調圧弁5、エジェクタ6、弁13を介して密閉容器9の内部へ充填する。S16で充填時間から大気圧で換算した水素充填量(体積)を計算する。S18で、水素の充填量が密閉容器の空間ボリュームを超えたか否かを判定し、超えていなければS14へ戻り、水素の充填量が密閉容器の空間ボリュームを超えるまで水素充填を続ける。
【0016】
S18の判定で、水素充填量が密閉容器の空間ボリュームを超えたら、S20で弁14を閉じ、密閉容器8を密閉する。次いで、S22で、水素の充填を続け、S24で圧力センサー10が検出した密閉容器内部の圧力値を読みとり、S26で密閉容器内の圧力値と所定値とを比較する。S26の判定で密閉容器内の圧力値が所定値より小さければ、S22へ戻って水素の充填を続ける。
【0017】
S26の判定で、密閉容器内の圧力値が所定値以上となった場合には、弁13を閉じて、始動時の密閉容器内部への水素の充填を終了する。
【0018】
尚、第1実施形態では、密閉容器内部へ充填する水素圧力の所定値を運転時の燃料電池スタックの内部圧力に等しい値としている。
【0019】
図4は、第1実施形態における燃料電池システムの通常運転時の制御を説明するフローチャートである。このフローチャートは、図3のフローチャート終了後に、通常運転中は所定時間(例えば、10msec)毎に繰り返し実行される。
【0020】
図4において、まずS30で密閉容器9内部の圧力値を圧力センサー10から読み取り、S32で密閉容器内圧と所定値(燃料電池スタックの内部圧)との差を算出し、その差が計測誤差程度のほぼ0であれば、システムは正常として終了する。S32の判定で、その差が計測誤差程度を超えて、正、または負で有れば、水素漏れが生じたシステム異常と判断する。
【0021】
S32の判定で、密閉容器内圧−所定値が負のとき(密閉内圧が所定値より低い場合)は、密閉容器からシステム外部への水素漏れと判断し、S34で密閉容器の水素漏れの通知を行うが、燃料電池システムの運転は、継続することが可能である。
【0022】
またS32の判定で、密閉容器内圧が所定値より高い場合は、水素供給手段の高圧部から密閉容器内への水素漏れと判断し、S36で高圧部の水素漏れを通知し、S38で燃料電池システムの運転停止に移る。
【0023】
次に、第1実施形態におけるメンテナンス作業等のための密閉容器の水素の放出をともなう停止動作について説明する。
【0024】
図7は、メンテナンスのための運転停止時にコントローラによって実行される制御フローチャートである。このフローはシステム停止の指令があった場合に実行される。
【0025】
図7において、まずS70で調圧弁5を閉じる。次いで、S72で弁11を閉じ、S74で弁12を開ける。
【0026】
次いでS76で、図面に記載していないバッテリー等でコンプレッサー3を稼動させ、弁12から密閉手段9の内部へ空気を充填する。S78で、充填開始から所定時間空気が充填されたか否かを判定し、所定時間経過していなければ、S76へ戻る。S78の判定で、予め設定されたコンプレッサー稼動の所定時間が経過すると、制御動作を終了する。この所定時間は、予め実験により密閉手段の内部が十分空気により換気される時間を計測し、その値を所定値としてコントローラ15に記憶させておき、S78で参照するものとする。
【0027】
以上説明した第1実施形態によれば、水素供給手段を密閉手段の内部に密閉することにより、システム外に対しての水素漏れに対するシール性に優れる構造となる。密閉手段としての密閉容器は、部品点数の少ないケーシングであるほどシール性は良くなる。また、この密閉手段の内部に燃料の水素を充填し高濃度とし、酸素濃度を低濃度とすることで、ケーシング内部の電子制御部品などから静電気が発生しても水素に引火することはない。
【0028】
また、燃料電池スタックの内圧と同圧の水素が供給される位置から取り出すので、密閉手段の圧力要求仕様値が低くて済む。
【0029】
また、燃料電池システムの運転時に水素供給手段の中でスタック内圧と同圧の水素が流れる部分から水素漏れを生じても、システムの機能は保持され、運用は可能である。
【0030】
また、圧力センサーで密閉手段内部の圧力を検出することにより、水素貯蔵手段の高圧の水素が流れる部位および密閉手段自身の水素漏れを監視できる。
【0031】
さらに、密閉手段内部に充填する水素量を制御することにより、水素供給手段および密閉手段から水素漏れを生じても機能性を保持するよう対応できる。
【0032】
また、密閉手段の内圧を燃料電池スタックの内圧と等しく制御することで、常に水素供給手段のスタック内と同圧で流れる部分の水素漏れがし難くなる。
【0033】
また、密閉手段の内圧が燃料電池スタックの内圧の制御範囲を超えたかを判定することで、水素貯蔵手段および水素供給手段の高圧の水素が流れる部分から水素が漏れていることを判断することが出来る。
【0034】
また、システムの停止時に密閉手段内の水素をパージすることで、システムの作業性および放置時の安全性を確保することが出来る。
【0035】
〔第2実施形態〕
次に、本発明に係る燃料電池システムの第2実施形態を説明する。第2実施形態の構成は、図1に示した第1実施形態の構成と同様である。第1実施形態との相違は、密閉手段に充填する水素圧力の所定値を燃料電池スタックの内圧値より低い値としている点である。
【0036】
第2実施形態における燃料電池システムの始動時の制御は、図3に示した第1実施形態の始動時の制御と同様であるが、S26における比較対象の所定値が燃料電池スタックの水素圧力より低い値に設定されている点が異なる。
【0037】
図6は、第2実施形態における燃料電池システムの通常運転時の制御を説明するフローチャートである。このフローチャートは、図3のフローチャート終了後に、通常運転中は所定時間(例えば、10msec)毎に繰り返し実行される。
【0038】
図6において、まずS50で、圧力判定の所定値を燃料電池スタックの内部水素圧力より低く設定する。次いでS52で、密閉容器9内部の圧力値を圧力センサー10から読み取り、S54で密閉容器内圧と所定値との差を算出し、その差が計測誤差程度のほぼ0であれば、システムは正常として終了する。S54の判定で、その差が計測誤差程度を超えて、正、または負であれば、水素漏れが生じたシステム異常と判断する。
【0039】
S54の判定で、密閉容器内圧−所定値が負のとき(密閉内圧が所定値より低い場合)は、密閉容器からシステム外部への水素漏れと判断し、S56で密閉容器の水素漏れの通知を行うが、燃料電池システムの運転は、継続することが可能である。
【0040】
またS54の判定で、密閉容器内圧が所定値より高い場合は、S58で、所定値を燃料電池スタックの内部水素圧力に設定し、S60で密閉容器9内部の圧力値を圧力センサー10から読み取り、S62で密閉容器内圧と所定値(燃料電池スタックの内部圧)との差を算出し、その差が0以下か、正かを判定する。
【0041】
S62の判定で、その差が0以下であれば、燃料電池スタック内の水素圧力と同圧部の水素漏れが生じたと判断し、S64で燃料電池スタック内の水素圧力と同圧部の水素漏れを通知する。この後は所定値をスタック内圧としたまま密閉内部の圧力と比較を続けて燃料電池システムの運転を続けることが出来る。
【0042】
S62の判定で、密閉容器内圧−所定値が正のとき(密閉内圧が所定値より高い場合)は、水素供給手段の高圧部から密閉容器内への水素漏れと判断し、S66で高圧部の水素漏れを通知し、S68で燃料電池システムの運転停止に移る。
【0043】
第2実施形態におけるメンテナンス作業等のための密閉容器の水素の放出を伴う運転停止時の動作は、図7に示した第1実施形態の運転停止時の動作と同様であるので、重複する説明を省略する。
【0044】
以上説明したように第2実施形態によれば、密閉手段の内圧をスタックの内圧よりも低い値に設定することで、密閉手段の圧力負荷を軽減させることが出来る。
【0045】
また、常に密閉手段が内包する水素貯蔵手段および水素供給手段および密閉手段自身の水素漏れを検出する状態として、水素漏れを検出した場合には密閉手段の内圧所定値を変化させることで運転継続させるとが可能である。
【0046】
〔第3実施形態〕
図2は、本発明に係る燃料電池システムの第3実施形態の構成を説明するシステム構成図である。第3実施形態の構成は、図1に示した第1実施形態における水素充填手段の弁13の位置を調圧弁5の上流側に変えただけである。その他の構成は、第1実施形態と同様であるので、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。
【0047】
第3実施形態における燃料電池システムの始動時の制御は、図3に示した第1実施形態の始動時の制御と同様であるが、S26における比較対象の所定値が水素供給手段の高圧部と等しい値に設定されている点が異なる。この始動時の制御が終了すると、密閉手段9の内部は、水素供給手段の高圧部と同じ圧力の水素が充填された状態となる。
【0048】
図5は、第3実施形態における燃料電池システムの通常運転時の制御を説明するフローチャートである。このフローチャートは、図3のフローチャート終了後に、通常運転中は所定時間(例えば、10msec)毎に繰り返し実行される。
【0049】
図5において、まずS40で密閉容器9内部の圧力値を圧力センサー10から読み取り、S42で密閉容器内圧と所定値(水素供給手段高圧部の内圧)との差を算出し、その差が計測誤差程度のほぼ0であれば、システムは正常としてS40へ戻る。S42の判定で、その差が計測誤差程度を超えて、正、または負で有れば、水素漏れが生じたシステム異常と判断する。
【0050】
S42の判定で、密閉容器内圧−所定値がほぼ0でなければ、密閉容器の水素漏れと判断し、S44で密閉容器の水素漏れの通知を行い、S46で燃料電池システムの運転停止に移る。
【0051】
第3実施形態における運転停止時の動作は、図7に示した第1実施形態の運転停止時の動作と同様であるので、重複する説明を省略する。
【0052】
以上説明したように、第3実施形態では、水素貯蔵手段の高圧部から取り出すので、水素充填を行なう際の応答性が良くなる。
【0053】
また、密閉手段の内圧を水素貯蔵手段の高圧部と等しく制御することで、常に水素貯蔵手段および水素供給手段の高圧部の水素漏れが発生しにくくなる。
【0054】
また、燃料電池システムの運転時に高圧の水素が流れる部分から水素漏れが生じても、密閉手段が内包する位置であればシステムの機能は保持され、運用は可能である。
【0055】
〔第4実施形態〕
次に、本発明に係る燃料電池システムの第4実施形態を説明する。第4実施形態の構成は、図2に示した第3実施形態の構成と同様である。第3実施形態との相違は、密閉手段に充填する水素圧力の所定値を燃料電池スタックの内圧値より低い値としている点である。
【0056】
第4実施形態の始動時の制御は、図3に示した第1実施形態の始動時の制御と同様であるが、S26における比較対象の所定値が燃料電池スタックの水素圧力より低い値に設定されている点が異なる。
【0057】
第4実施形態の通常運転時の制御は、図6に示した第2実施形態における燃料電池システムの通常運転時の制御と同様である。
【0058】
第4実施形態における運転停止時の動作は、図7に示した第1実施形態の運転停止時の動作と同様であるので、重複する説明を省略する。
【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1実施形態の構成を説明するシステム構成図である。
【図2】本発明に係る燃料電池システムの第3実施形態の構成を説明するシステム構成図である。
【図3】第1実施形態における燃料電池システムの始動時のコントローラの制御内容を説明するフローチャートである。
【図4】第1実施形態における燃料電池システムの通常運転時のコントローラの制御内容を説明するフローチャートである。
【図5】第3実施形態における燃料電池システムの通常運転時のコントローラの制御内容を説明するフローチャートである。
【図6】第4実施形態における燃料電池システムの通常運転時のコントローラの制御内容を説明するフローチャートである。
【図7】第1実施形態における燃料電池システムの運転停止時のコントローラの制御内容を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
1…燃料電池スタック(発電手段)
2…高圧水素タンク
3…コンプレッサー
4…レギュレータ
5…調圧弁(減圧手段)
6…エジェクタ
7…弁
8…パージ弁
9…密閉容器(密閉手段)
10…圧力センサー(圧力検出手段)
11…弁
12…弁
13…弁(水素充填手段)
14…弁(気体放出手段)
15…コントローラ
Claims (10)
- 空気及び水素の電気化学反応により発電する発電手段と、
前記発電手段に空気を供給する空気供給手段と、
前記発電手段に水素を供給する水素供給手段と、
を備えた燃料電池システムにおいて、
前記水素供給手段の少なくとも一部を内包する密閉手段と、
該密閉手段の内部に水素を充填する水素充填手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。 - 前記水素充填手段は、前記水素供給手段から前記発電手段へ繋がる配管から分岐させた配管により取り出される水素を用いて前記密閉手段の内部に水素を充填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。
- 前記水素供給手段は、水素を高圧で蓄える水素貯蔵手段と、該水素貯蔵手段からの水素を減圧して前記発電手段へ供給する減圧手段と、を備え、
前記水素充填手段は、前記減圧手段で減圧される前の高圧の水素を用いて前記密閉手段の内部に水素を充填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。 - 前記密閉手段の内部圧力を検出する圧力検出手段と、前記密閉手段の内部に充填される水素の流れを断続する充填水素制御手段と、を備え、
該充填水素制御手段は、前記圧力検出手段の結果に基づき、前記密閉手段の内部圧力が所定値に達するまで、該密閉手段の内部に水素を充填することを特徴とする請求項2または請求項3記載の燃料電池システム。 - 前記所定値は、前記発電手段の内部圧力とすることを特徴とする請求項4記載の燃料電池システム。
- 前記所定値は、前記水素貯蔵手段から取り出される水素の圧力とすることを特徴とする請求項4記載の燃料電池システム。
- 前記所定値を前記発電手段の内部圧力より小さい値とすることを特徴とする請求項4記載の燃料電池システム。
- 前記密閉手段の内部圧力が前記発電手段の内圧の制御範囲上限を超えた場合に、前記水素供給手段からの水素漏れと判断することを特徴とする請求項5または請求項7記載の燃料電池システム。
- 前記密閉手段の内部に空気を充填する空気充填手段および前記密閉手段内部の気体を放出する気体放出手段を備えたことを特徴とする請求項1乃至請求項8の何れか1項に記載の燃料電池システム。
- 燃料電池システム停止時には、前記空気充填手段により前記密閉手段内部に空気を充填し、前記気体放出手段から気体を放出することにより前記密閉手段内部に空気を充填することを特徴とする請求項9記載の燃料電池システム。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2002329943A JP2004165021A (ja) | 2002-11-13 | 2002-11-13 | 燃料電池システム |
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JP2002329943A JP2004165021A (ja) | 2002-11-13 | 2002-11-13 | 燃料電池システム |
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JP (1) | JP2004165021A (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN108365240A (zh) * | 2018-03-30 | 2018-08-03 | 西华大学 | Fcev氢燃料安装单元电控主动排氢系统 |
JP7401091B2 (ja) | 2020-01-09 | 2023-12-19 | ヤマハファインテック株式会社 | ガス混合装置 |
-
2002
- 2002-11-13 JP JP2002329943A patent/JP2004165021A/ja active Pending
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN108365240B (zh) * | 2018-03-30 | 2023-11-14 | 西华大学 | Fcev氢燃料安装单元电控主动排氢系统 |
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