JP2004185969A - Fuel cell system - Google Patents

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JP2004185969A JP2002351177A JP2002351177A JP2004185969A JP 2004185969 A JP2004185969 A JP 2004185969A JP 2002351177 A JP2002351177 A JP 2002351177A JP 2002351177 A JP2002351177 A JP 2002351177A JP 2004185969 A JP2004185969 A JP 2004185969A
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fuel cell
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Ken Nakayama
謙 中山
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Nissan Motor Co Ltd
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Nissan Motor Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system capable of efficiently keeping and supplying suitable purge gas. <P>SOLUTION: The fuel cell system is equipped with a fuel cell 7, an air system having a compressor 4 and a humidifier 5, and a fuel system having a hydrogen supplying valve 8 selecting supply of hydrogen gas, and a purge valve 9 selecting exhaustion of exhaust fuel gas. Further, as a purge gas system, including a passage branching off from a branch part 11 between the compressor 4 and the humidifier 5 and connected to a downstream of the hydrogen supplying valve 8, the fuel cell system is equipped with an air storing pressure accumulation tank 1, a check valve 2 supplying air to the pressure accumulation tank 1 when pressure P<SB>1</SB>near the branch part 11 is higher than pressure P<SB>2</SB>in the pressure accumulation tank 1, and a purge valve 9 selecting fuel system purge by air in the pressure accumulation tank 1. When the system is stopped, the constitution of a purge gas system to purge the inside of the fuel cell can be obtained. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、燃料電池システムに関する。特にシステム停止時に燃料電池内をパージするためのパージガス系の構成に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の燃料電池システムにおいては、燃料電池本体が収容されているケースの複数面に空気吸入口や反応ガス排出口が設けられている。そのため、電源非使用時にそれらの吸排口から外気がケース内に進入する恐れがある。その結果、燃料電池の電解質が外気中の水分を吸収し、電解質濃度が低下して電池特性が劣化するという課題があった。
【0003】
そこで、電源非使用時には燃料電池本体を確実に密閉し、かつ運転停止後の燃料電池内の残留ガス消費による圧力低下を防止するために、次のような燃料電池システムが提案されている。
【0004】
燃料電池本体の空気供給路と燃料ガス排出路に設けられた遮断膜と、燃料ガス入口と空気出口とを接続するパージ流路と、を備える。これにより、運転停止時に空気極排ガスにより燃料極をパージした後、遮断膜によって密閉し、燃料電池本体内の残留ガス消費による圧力低下と外気や水分さらに異物等の浸入を防止することができる(例えば、特許文献1、参照。)。
【0005】
【特許文献1】
特開平9−213358号公報
【0006】
【発明が解決しようとしている問題点】
しかしながら、従来の燃料電池システムでは、蓄圧用に貯蔵する空気極排ガスのタンクを供給空気流路上に備えてあり、タンク内が所定圧力以上になってから空気極排ガスを排出口から排出する構成となっているため、空気系の圧力損失が大きいという問題が生じる。また、空気極排ガスのタンクが燃料電池の下流に配置されているため、空気中には燃料電池の反応により生成された水蒸気の凝縮が発生するという問題が生じる。
【0007】
そこで本発明は、上記の問題を鑑みて、適切なパージガスを効率よく確保し、供給することのできる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【0008】
【問題点を解決するための手段】
本発明は、燃料ガスと酸化剤を用いて発電を行う燃料電池本体と、前記燃料電池に加湿された酸化剤を供給する為の圧縮手段と加湿手段を備えた酸化剤系を備える。また、前記燃料電池へ燃料ガスを供給するか否かを選択する燃料ガス供給選択弁と、前記燃料電池からの燃料排ガスを排出するか否かを選択するパージ選択弁と、を備えた燃料ガス系と、を備える。さらに、前記圧縮手段と加湿手段の間から分岐して前記燃料ガス供給選択弁の下流に接続する流路を含むパージガス系として、少なくとも酸化剤の一部を貯蔵するタンクと、前記圧縮手段と前記加湿手段の間の分岐部近傍の圧力が前記タンク内の圧力より高くなった時に前記タンクに酸化剤を供給する酸化剤導入選択弁と、前記タンク内の酸化剤により前記燃料ガス系の少なくとも一部をパージするか否かを選択するパージガス供給選択弁と、を備える。
【0009】
または、燃料ガスと酸化剤を用いて発電を行う燃料電池本体と、前記燃料電池に加湿された酸化剤を供給する為の圧縮手段と加湿手段を備えた酸化剤系と、を備える。また、前記燃料電池へ燃料ガスを供給するか否かを選択する燃料ガス供給選択手段と、前記燃料電池からの燃料排ガスを排出するか否かを選択するパージ選択手段と、を備えた燃料ガス系を備える。さらに、少なくとも酸化剤の一部を貯蔵するタンクと、前記タンクに酸化剤を供給するか否かを選択する酸化剤導入選択手段と、前記タンク内の酸化剤を前記燃料ガス系の少なくとも一部に供給するかどうかを選択するパージガス供給選択手段と、を備えた、前記圧縮手段と加湿手段の間から分岐して前記燃料ガス供給選択手段の下流に接続するパージガス系と、を備える。システム運転時に、前記圧縮手段と前記加湿手段から前記パージガス系に分岐する分岐部近傍の圧力が前記タンク内の圧力より高くなった時に、前記タンク内に酸化剤を導入し、システム停止時に、前記タンク内に貯蓄された酸化剤を用いて前記燃料ガス系の少なくとも一部をパージする。
【0010】
【作用及び効果】
分岐部近傍の圧力がタンク内の圧力より高くなった時にタンクに酸化剤を供給する酸化剤導入選択弁を備える。これにより、システム運転中に燃料電池に供給される酸化剤の圧力損失を増加することなくタンク内に酸化剤を貯蔵することができる。また、パージガス系を圧縮手段と加湿手段の間から分岐して燃料ガス供給選択手段の下流に接続するように構成する。このように加湿される以前の酸化剤を貯蔵するので、タンク内に水が溜まるのを防ぐことができる。これにより、適切なパージガスを効率よく確保し、供給することができる。
【0011】
または、システム運転時に、圧縮手段と加湿手段からパージガス系に分岐する分岐部近傍の圧力がタンク内の圧力より高くなった時に、タンク内に酸化剤を導入し、システム停止時に、タンク内に貯蓄された酸化剤を用いて燃料ガス系の少なくとも一部をパージする。このように、加湿されていない酸化剤を、動力を用いることなく圧縮貯蔵し、システム停止時にパージガスとして使用するので、燃料ガス系を十分にパージするとともに、燃料ガス系に水が付着するのを防ぐことができる。
【0012】
【発明の実施の形態】
本実施形態に用いる燃料電池システムの構成を図1に示す。ここでは、電解質膜に加湿が必要な固体高分子型燃料電池システムを用い、酸化剤ガスとして空気を燃料ガスとして水素ガスを用いる。
【0013】
まず、燃料電池7の空気極への空気の供給・排出を行う空気系(酸化剤系)について説明する。
【0014】
空気を圧縮導入する等の圧縮機4、空気の温度調整を行う冷却器6、空気を加湿する加湿器5を備える。圧縮機4、冷却器6、加湿器5を経由して加湿され、且つ高圧となった空気を燃料電池7の空気極に供給する。空気極では、空気中の酸素と電解質膜を介して燃料極から移動したプロトンイオンとを用いた反応(2H+2e+1/2O→HO)が生じる。その後、反応に用いられなかった空気は燃料電池7から空気排ガスとして排出され、調圧弁10を介してシステム外部に排出される。ここで、調圧弁10は、燃料電池7の空気極の圧力を調整するための弁である。
【0015】
次に、燃料電池7の燃料極への水素ガスの供給・排出を行う燃料系(燃料ガス系)について説明する。
【0016】
水素ガスの供給を選択する水素供給弁8を備える。水素供給弁8の下流側には、後述するように燃料極から排出された燃料排ガスを再循環するための循環路14と接続する再循環導入部13を設ける。図示しない水素タンク等の水素供給手段から導入された水素ガスを、水素供給弁8を経由して燃料電池7の燃料極に供給する。このとき燃料極には、再循環導入部13を介して燃料排ガスも供給される。なお、ここでは燃料ガスを水素タンク等の水素供給手段から導入した水素ガスとするが、燃料改質システムにより生成した改質燃料ガスとしてもよい。
【0017】
燃料電池7に供給された水素は、反応(H→2H+2e)を生じ、水素をプロトンイオンに変換して電解質膜を介して空気極に移動させることにより起電力を生じる。この反応により水素が消費されるが、すべての酸素が消費されるわけではなく、一部の水素は未反応のまま燃料電池7から排出される。排出された燃料排ガスは、循環路14を通って燃料極の供給側に設けた再循環導入部13から、再び燃料電池7に導入されて発電に用いられる。このような、水素ガスの循環路14に対して、外部に連通する排出路15を備え、これにパージ弁9を配置する。このパージ弁9の開閉により、循環路14中の燃料排ガスを排出可能とする。例えば、燃料電池7内の燃料極に水詰まりが発生したり、水素ガス中の不純物が増加して燃料電池7の出力が低下した場合など、このパージ弁9を開くと同時に供給水素ガス流量を増大することにより燃料極中のガスをパージする。また、燃料電池システム停止時には、パージガスを用いて燃料極中のガスをパージすることにより、システム停止中の反応を抑制する。
【0018】
次に、燃料極のガスをパージするためにパージガスを貯蔵・供給するパージガス系について説明する。ここでは、前述した空気極の供給側と、燃料極の供給側とを結ぶ流路により構成する。
【0019】
空気系の供給側の圧縮機4と加湿器5の間に設けた分岐部11と、燃料系の供給側の水素供給弁8の下流側に設けた導入部12とを結ぶ経路をパージガス系とする。ここでは、分岐部11を、冷却器6と加湿器5との間に設ける。また、導入部12を水素供給弁8のすぐ下流側に設ける。例えば、合流部12を水素供給弁8と再循環導入部13との間に設ける。
【0020】
パージガス系には、分岐部11側から逆止弁2、蓄圧タンク1、流路開閉弁3を備える。ここで、空気系の圧力、例えば分岐部11の圧力をPとし、蓄圧タンク1内の圧力をPとする。逆止弁2は、蓄圧タンク圧Pが分岐部圧Pより所定圧Pだけ大きくなったときに開く弁とする。これにより、空気系の供給側の圧力を増大することで、分岐部11から空気が分岐して蓄圧タンク2内に貯蔵される。ここでは、圧縮機4により圧縮された空気の圧力(P)と蓄圧タンク1内の圧力Pとの圧力差により蓄圧タンク1内に空気が供給されるので、蓄圧タンク1内の圧力を高圧に設定することができる。また、流路開閉弁3は、システム運転時には常に閉まっており、空気系と燃料系を分離している。
【0021】
システム停止時には、水素供給弁8を閉じた後、流路開閉弁3及びパージ弁9を開く。これにより、蓄圧タンク1の空気圧力及び容積により、水素供給弁8下流の燃料系内のほとんどの水素ガスを速やかに排出することができる。これにより、システム停止中の残留水素による反応(発電)を防止することができる。
【0022】
なお、ここでは流路開閉弁3およびパージ弁9は非通電時に開、水素供給弁8は非通電時に閉となる電磁弁を使用する。また、燃料電池システムの制御を行うコントローラ20を備える。コントローラ20は、システム全体を制御するコントローラユニットにより構成してもよいが、ここではシステム停止時のパージガスの確保および供給を行う制御装置とする。
【0023】
次に、通常時の燃料電池システムの動作を図2のフローチャートを用いて説明する。本フローは、燃料電池7における発電開始の指令を検知し、圧縮機4等の空気系を起動してから開始する動作である。
【0024】
まず、運転開始時の動作を説明する。ステップS1において、流路開閉弁3を閉じて、燃料系と空気系とを分離する。ステップS2では、水素供給弁8を開いて燃料系に水素ガスを導入する。これにより燃料電池7に酸素および水素が供給され、発電運転が開始する。
【0025】
なお、本実施形態では流路開閉弁3、水素供給弁8、パージ弁9として電磁弁を用いるので、流路開閉弁3、パージ弁9に通電し、続いて、水素供給弁8に通電することにより、ステップS1、S2を実現することができる。
【0026】
次に、発電運転時のパージガスを貯蔵するための動作を説明する。
【0027】
ステップS3において、分岐部圧Pと蓄圧タンク圧Pとの差(P−P)と、逆止弁2を開く所定圧Pとを比較する。ここで所定圧力Pは、逆止弁2の構成により設定される圧力と、分岐部11から蓄圧タンク1に至るまでの損失に相当する圧力との合計となる。ステップS3において、差圧P−Pが所定圧P以下であれば、ステップS6において、後述するように逆止弁2が閉じられる。このときには、蓄圧タンク1への空気の蓄積は行われない。
【0028】
一方、差圧P−Pが所定圧Pより大きければステップS4に進む。ステップS4において、逆止弁2が開かれる。これにより、分岐部11と蓄圧タンク1との差圧に応じた分だけ空気が蓄圧タンク1に供給される。ステップS5において、再び分岐部圧Pと蓄圧タンク圧Pとの差(P−P)と、逆止弁2が開かれる所定圧Pとを比較する。差圧P−Pが所定圧P以下となるまでこの状態が維持され、差圧P−PがP以下となったらステップS6に進み、逆止弁2が閉じられる。これにより、蓄圧タンク1内には加圧された空気が蓄積される。ここでは、運転中のP圧力の増加に伴い蓄圧タンク2の内圧Pも増加する。
【0029】
ステップS7において、燃料電池システムの停止の指令を検知したかどうかを判断する。停止指令を検知していなければ、ステップS3に戻りパージガスとして利用する空気の蓄圧用タンク1への貯蔵を継続する。一方、ステップS7において停止指令を検知したら、ステップS8に進む。
【0030】
なお、本実施形態では逆止弁2を用いるため、開閉が自動的に行われるのでステップS3〜S6の動作はコントローラ20により制御する必要はない。ただし、早い段階でパージガスを確保しておくため、起動時初期に、圧縮機4の負荷を増大して空気を蓄圧タンク1に貯蔵することが望ましい。例えば、蓄圧タンク1内の空気が所定圧力となるような分岐部11の圧力Pを予め実験等により求めておく。起動開始と同時に圧縮機4により予め求めておいた圧力の空気を導入し、その後、逆止弁2が閉じた状態となった時点で圧縮機4の負荷を通常運転時の負荷に戻す。これにより、パージガスを早期に、ここでは起動時初期に確保することができる。
【0031】
また、逆止弁2の替わりに、流路を遮断するだけの弁等を用いることもできる。この場合には、分岐部11および蓄圧タンク1にそれぞれの圧力を検出する圧力センサを備え、コントローラ20でステップS3〜S6の制御を行う必要がある。
【0032】
次に、運転停止時の制御について説明する。ステップS8において、水素供給弁8を閉じる。これにより、燃料電池7への水素ガスの供給を停止し、発電を停止する。ステップS9において、パージ弁9を開く。続いて、ステップS10において流路開閉弁3を開とする。これにより、蓄圧タンク1に貯蔵された空気を水素供給弁8の下流側から燃料系に供給する。その結果、燃料極および水素を供給または排出するための配管内の水素を含有する燃料ガスがパージされる。ここではパージ9を開くことにより外気に開放するので、蓄圧タンク1内の圧力と外気圧との差から、燃料極および水素を供給または排出するための配管内に残留する水素を、ほぼゼロとすることができる。
【0033】
なお、運転停止時のステップS8〜S10の動作は、水素供給弁8、パージ弁9、流路開閉弁3を順番に非通電状態とすることで実現することができる。
【0034】
次に、強制停止時の制御について図3のフローチャートを用いて説明する。
【0035】
通常運転時に強制停止信号を検知したら、ステップS11に進む。ステップS11では、流路開閉弁3およびパージ弁9を開、水素供給弁8を閉とする。ここでは、通電をOFFにすることにより実現することができる。よって、通常停止時と同様に、燃料系内の水素は速やかに排出することができる。
【0036】
次に、本実施形態における効果を説明する。
【0037】
空気と水素より発電を行う燃料電池7本体と、燃料電池7に加湿された空気を供給する為の圧縮機4と加湿器5を備えた空気系を備える。また、燃料電池7へ水素ガスを供給するか否かを選択する水素供給弁8と、燃料電池7からの燃料排ガスを排出するか否かを選択するパージ弁9と、を備えた燃料系を備える。さらに、圧縮機4と加湿器5の間から分岐して水素供給弁8の下流に接続する流路を含むパージガス系として、少なくとも空気の一部を貯蔵する蓄圧タンク1と、圧縮機4と加湿器5の間の分岐部11近傍の圧力が蓄圧タンク1内の圧力より高い時に蓄圧タンク1に空気を供給する逆止弁2と、蓄圧タンク1内の空気により燃料系の少なくとも一部をパージするか否かを選択するパージ弁9と、を備える。
【0038】
このように蓄圧タンク1を空気系の圧縮機4下流より分岐して逆止弁2を介して蓄圧するので、システム上運転時に圧力損失の増加無しに蓄圧タンク1への蓄圧が可能となる。また、圧縮機4下流と蓄圧タンク1内圧力の差のみでの蓄圧となるので、外部の動力を使用せずに蓄圧が可能となる。また、加湿器5手前に分岐を設けているので、蓄圧タンク1内に水が溜まるのを防ぐことができる。
【0039】
また、酸化剤導入選択手段として逆止弁2を用いる。これにより、圧縮機4と加湿器5の間の分岐部11近傍の圧力Pと蓄圧タンク内の圧力Pとの圧力差(P−P)が所定値Pより大きい時に蓄圧タンク1に空気が供給される。これにより、特に制御することなく、パージガスとしての空気を高圧の貯蔵することができるので、システムを簡素化することができる。
【0040】
また、システム停止時には水素供給弁8により水素ガスの供給を停止した後に、パージ弁9により燃料排ガスを排出する。ここでは、流路開閉弁3、パージ弁9を開けることにより、燃料系内の水素を速やかに排出できるので、残留水素による発電を防止することができる。
【0041】
また、流路開閉弁3、パージ弁9を通電時には閉、非通電時には開とし、水素供給弁8を通電時には開、非通電時には閉とする。これにより、非通電時に燃料系内の水素を速やかに排出できるので、システム強制停止時等には残留水素及びそれによる発電を防止でき、安全である。
【0042】
さらに、システム起動時初期に、圧縮機4の負荷を増大することにより、蓄圧タンク1内に所定圧力の空気を貯蔵する。これにより、システム起動初期に蓄圧を完了するので、蓄圧時に発生する流量の変動の影響を起動時の流動変動により抑制することができ、安定運転時の変動を防止することができる。また、起動時初期にパージガスを確保できるので、燃料電池7の運転時間にかかわらず燃料系のパージを行うことができる。
【0043】
空気と水素より発電を行う燃料電池7本体と、燃料電池7に加湿された空気を供給する為の圧縮機4と加湿器5を備えた空気系を備える。また、燃料電池7へ水素ガスを供給するか否かを選択する水素供給弁8と、燃料排ガスを排出するか否かを選択するパージ弁9と、を備えた燃料系を備える。さらに、少なくとも空気の一部を貯蔵する蓄圧タンク1と、蓄圧タンク1に酸化剤を供給するか否かを選択する逆止弁2と、蓄圧タンク1内の空気を前記水素の少なくとも一部に供給するかどうかを選択する流路開閉弁3と、を備えた、圧縮機4と加湿器5の間から分岐して水素供給弁8の下流に接続するパージガス系を備える。システム運転時に、圧縮機4と加湿器5の間からパージガス系に分岐する分岐部11近傍の圧力Pが蓄圧タンク1内の圧力Pより高くなった時に、蓄圧タンク1内に空気を導入する。ここでは、PとPの圧力差が所定圧力Pより大きくなったら蓄圧タンク1に空気を導入する。また、システム停止時に、蓄圧タンク1内に貯蓄された空気を用いて燃料系の少なくとも一部をパージする。
【0044】
このように蓄圧タンク1を空気系の圧縮機4下流より分岐して逆止弁2を介して蓄圧するので、システム上運転時に圧力損失の増加無しに蓄圧タンク1への蓄圧が可能となる。また、圧縮機4下流と蓄圧タンク1内圧力の差のみでの蓄圧となるので、外部の動力を使用せずに蓄圧が可能となる。また、加湿器5手前に分岐を設けているので、蓄圧タンク1内に水が溜まるのを防ぐことができる。さらに、蓄圧タンク1に加圧貯蔵した空気を、システム停止時に燃料系に供給することで、燃料系の水素ガスを十分にパージすることができる。このとき、特に加湿前の空気をパージガスとしているので、燃料系の例えば燃料極等に水分を付着するのを避けることができる。
【0045】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で様々な変更が成し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施形態に用いる燃料電池システムの構成図である。
【図2】本実施形態における通常時のパージガスの確保・供給のフローチャートである。
【図3】本実施形態における強制終了時のパージガス供給のフローチャートである。
【符号の説明】
1 蓄圧タンク(タンク)
2 逆止弁(酸化剤導入選択弁、酸化剤導入選択手段)
3 流路開閉弁(酸化剤供給選択弁、酸化剤供給選択手段)
4 圧縮機(圧縮手段)
5 加湿器(加湿手段)
7 燃料電池
8 水素供給弁(燃料ガス供給選択弁、燃料ガス供給選択手段)
9 パージ弁(パージ選択弁、パージ選択手段)
11 分岐部
[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to a fuel cell system. Particularly, the present invention relates to a configuration of a purge gas system for purging the inside of a fuel cell when the system is stopped.
[0002]
[Prior art]
In a conventional fuel cell system, an air inlet and a reactive gas outlet are provided on a plurality of surfaces of a case in which a fuel cell main body is housed. Therefore, when the power supply is not used, there is a possibility that outside air may enter the case from the intake and exhaust ports. As a result, there has been a problem that the electrolyte of the fuel cell absorbs moisture in the outside air, the electrolyte concentration is reduced, and the battery characteristics are deteriorated.
[0003]
Therefore, the following fuel cell system has been proposed in order to securely seal the fuel cell main body when the power supply is not used and to prevent a pressure drop due to the consumption of residual gas in the fuel cell after the operation is stopped.
[0004]
The fuel cell includes a shut-off film provided in an air supply path and a fuel gas discharge path of the fuel cell body, and a purge flow path connecting the fuel gas inlet and the air outlet. Thereby, after the fuel electrode is purged with the air electrode exhaust gas when the operation is stopped, the fuel electrode is sealed with a shut-off film, so that a pressure drop due to the consumption of residual gas in the fuel cell body and the invasion of outside air, moisture, foreign matter, and the like can be prevented ( For example, see Patent Document 1.)
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-9-213358
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional fuel cell system, a tank for storing cathode air exhaust gas for accumulating pressure is provided on the supply air flow path, and the cathode exhaust gas is discharged from the outlet after the inside of the tank reaches a predetermined pressure or more. Therefore, there is a problem that the pressure loss of the air system is large. In addition, since the cathode exhaust gas tank is disposed downstream of the fuel cell, there is a problem that water vapor generated by the reaction of the fuel cell is condensed in the air.
[0007]
In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a fuel cell system that can efficiently secure and supply an appropriate purge gas.
[0008]
[Means for solving the problem]
The present invention includes a fuel cell main body that generates power using a fuel gas and an oxidant, and an oxidant system including a compression unit and a humidifying unit for supplying a humidified oxidant to the fuel cell. A fuel gas supply selection valve for selecting whether or not to supply fuel gas to the fuel cell; and a purge selection valve for selecting whether to discharge fuel exhaust gas from the fuel cell. And a system. Further, as a purge gas system including a flow path branched from between the compression means and the humidification means and connected downstream of the fuel gas supply selection valve, a tank storing at least a part of an oxidizing agent, the compression means, An oxidizing agent introduction selecting valve for supplying an oxidizing agent to the tank when the pressure near the branch between the humidifying means becomes higher than the pressure in the tank; and at least one of the fuel gas system by the oxidizing agent in the tank. A purge gas supply selection valve for selecting whether or not to purge the section.
[0009]
Alternatively, the fuel cell includes a fuel cell main body that generates power using a fuel gas and an oxidant, and an oxidant system including a compression unit and a humidifying unit for supplying the humidified oxidant to the fuel cell. A fuel gas supply selecting means for selecting whether or not to supply fuel gas to the fuel cell; and a purge selecting means for selecting whether to discharge fuel exhaust gas from the fuel cell. With system. A tank for storing at least a part of the oxidant; an oxidant introduction selecting means for selecting whether or not to supply the oxidant to the tank; and an oxidant in the tank for at least a part of the fuel gas system. Purge gas supply selection means for selecting whether or not to supply the fuel gas to the fuel gas supply means, and a purge gas system branched from between the compression means and the humidification means and connected downstream of the fuel gas supply selection means. During the operation of the system, when the pressure near the branching point branching from the compression means and the humidifying means to the purge gas system becomes higher than the pressure in the tank, an oxidizing agent is introduced into the tank, and when the system is stopped, At least a portion of the fuel gas system is purged using an oxidant stored in the tank.
[0010]
[Action and effect]
An oxidant introduction selection valve for supplying an oxidant to the tank when the pressure near the branch becomes higher than the pressure in the tank. Thereby, the oxidant can be stored in the tank without increasing the pressure loss of the oxidant supplied to the fuel cell during the operation of the system. Further, the purge gas system is configured to branch off from between the compression means and the humidification means and to be connected downstream of the fuel gas supply selection means. Since the oxidizing agent before being humidified is stored in this way, it is possible to prevent water from accumulating in the tank. This makes it possible to efficiently secure and supply an appropriate purge gas.
[0011]
Alternatively, during system operation, when the pressure in the vicinity of the branch point from the compression means and humidification means to the purge gas system becomes higher than the pressure in the tank, an oxidizing agent is introduced into the tank and stored in the tank when the system is stopped. At least a part of the fuel gas system is purged using the oxidizing agent. As described above, the humidified oxidant is compressed and stored without using power, and is used as a purge gas when the system is stopped, so that the fuel gas system is sufficiently purged and water adheres to the fuel gas system. Can be prevented.
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 shows the configuration of the fuel cell system used in the present embodiment. Here, a polymer electrolyte fuel cell system that requires humidification of the electrolyte membrane is used, and air is used as the oxidant gas, and hydrogen gas is used as the fuel gas.
[0013]
First, an air system (oxidant system) for supplying and discharging air to and from the air electrode of the fuel cell 7 will be described.
[0014]
A compressor 4 for compressing and introducing air, a cooler 6 for adjusting the temperature of air, and a humidifier 5 for humidifying air are provided. The humidified and high-pressure air is supplied to the air electrode of the fuel cell 7 via the compressor 4, the cooler 6, and the humidifier 5. At the air electrode, a reaction (2H + + 2e + 1 / 2O 2 → H 2 O) using oxygen in the air and proton ions transferred from the fuel electrode via the electrolyte membrane occurs. Thereafter, the air not used for the reaction is discharged from the fuel cell 7 as air exhaust gas, and discharged to the outside of the system via the pressure regulating valve 10. Here, the pressure regulating valve 10 is a valve for adjusting the pressure of the air electrode of the fuel cell 7.
[0015]
Next, a fuel system (fuel gas system) for supplying and discharging hydrogen gas to and from the fuel electrode of the fuel cell 7 will be described.
[0016]
A hydrogen supply valve 8 for selecting the supply of hydrogen gas is provided. On the downstream side of the hydrogen supply valve 8, a recirculation introduction unit 13 is provided, which is connected to a circulation path 14 for recirculating fuel exhaust gas discharged from the fuel electrode, as described later. Hydrogen gas introduced from a hydrogen supply means such as a hydrogen tank (not shown) is supplied to the fuel electrode of the fuel cell 7 via the hydrogen supply valve 8. At this time, fuel exhaust gas is also supplied to the fuel electrode via the recirculation introduction unit 13. Here, the fuel gas is a hydrogen gas introduced from a hydrogen supply means such as a hydrogen tank, but may be a reformed fuel gas generated by a fuel reforming system.
[0017]
The hydrogen supplied to the fuel cell 7 causes a reaction (H 2 → 2H + + 2e ), converts the hydrogen into proton ions, and moves the hydrogen to the air electrode via the electrolyte membrane to generate an electromotive force. Although hydrogen is consumed by this reaction, not all oxygen is consumed, and some hydrogen is discharged from the fuel cell 7 without reacting. The discharged fuel exhaust gas is introduced again into the fuel cell 7 from the recirculation introduction unit 13 provided on the supply side of the fuel electrode through the circulation path 14, and is used for power generation. A discharge path 15 communicating with the outside of the hydrogen gas circulation path 14 is provided, and the purge valve 9 is disposed in the discharge path 15. The opening and closing of the purge valve 9 makes it possible to discharge the fuel exhaust gas in the circulation path 14. For example, when the fuel electrode in the fuel cell 7 is clogged with water, or when impurities in the hydrogen gas increase and the output of the fuel cell 7 decreases, the purge hydrogen valve 9 is opened and the flow rate of the supplied hydrogen gas is reduced. Purge the gas in the fuel electrode by increasing. Further, when the fuel cell system is stopped, the reaction during the system stop is suppressed by purging the gas in the fuel electrode using the purge gas.
[0018]
Next, a purge gas system for storing and supplying a purge gas for purging a gas at the fuel electrode will be described. Here, it is constituted by a flow path connecting the above-described supply side of the air electrode and the supply side of the fuel electrode.
[0019]
A path connecting a branch portion 11 provided between the compressor 4 and the humidifier 5 on the supply side of the air system and an introduction portion 12 provided on the downstream side of the hydrogen supply valve 8 on the supply side of the fuel system is connected to a purge gas system. I do. Here, the branch portion 11 is provided between the cooler 6 and the humidifier 5. Further, the introduction section 12 is provided immediately downstream of the hydrogen supply valve 8. For example, the junction 12 is provided between the hydrogen supply valve 8 and the recirculation introduction unit 13.
[0020]
The purge gas system includes a check valve 2, a pressure storage tank 1, and a flow path opening / closing valve 3 from the branch portion 11 side. Here, the pressure of the air system, for example the pressure of the branch portion 11 and P 1, the pressure in the accumulator tank 1 and P 2. The check valve 2 is a valve that opens when the accumulator tank pressure P 2 is increased by a predetermined pressure P 0 from the bifurcation pressure P 1. Thereby, by increasing the pressure on the supply side of the air system, the air is branched from the branch portion 11 and stored in the accumulator tank 2. Here, since air is supplied into the accumulator tank 1 by the pressure difference between the pressure (P 2 ) of the air compressed by the compressor 4 and the pressure P 1 in the accumulator tank 1, the pressure in the accumulator tank 1 is reduced. High pressure can be set. Further, the passage opening / closing valve 3 is always closed during system operation, and separates the air system and the fuel system.
[0021]
When the system is stopped, the hydrogen supply valve 8 is closed, and then the flow path on-off valve 3 and the purge valve 9 are opened. Thereby, most of the hydrogen gas in the fuel system downstream of the hydrogen supply valve 8 can be quickly discharged by the air pressure and the volume of the accumulator tank 1. This can prevent a reaction (power generation) due to residual hydrogen while the system is stopped.
[0022]
Here, an electromagnetic valve is used in which the flow path on-off valve 3 and the purge valve 9 are opened when the power is not supplied, and the hydrogen supply valve 8 is closed when the power is not supplied. Further, a controller 20 for controlling the fuel cell system is provided. The controller 20 may be configured by a controller unit that controls the entire system, but here, a controller that secures and supplies the purge gas when the system is stopped.
[0023]
Next, the operation of the fuel cell system in a normal state will be described with reference to the flowchart of FIG. This flow is an operation in which a command to start power generation in the fuel cell 7 is detected, and an air system such as the compressor 4 is started and then started.
[0024]
First, the operation at the start of operation will be described. In step S1, the flow path on-off valve 3 is closed to separate the fuel system from the air system. In step S2, the hydrogen supply valve 8 is opened to introduce hydrogen gas into the fuel system. Thus, oxygen and hydrogen are supplied to the fuel cell 7, and the power generation operation starts.
[0025]
In this embodiment, since the solenoid valves are used as the flow path on-off valve 3, the hydrogen supply valve 8, and the purge valve 9, the flow path on-off valve 3, the purge valve 9 are energized, and then the hydrogen supply valve 8 is energized. Thereby, steps S1 and S2 can be realized.
[0026]
Next, an operation for storing the purge gas during the power generation operation will be described.
[0027]
In step S3, it is compared with the difference between the branch portion pressure P 1 and the accumulator tank pressure P 2 (P 1 -P 2), and a pressure P 0 where opening the check valve 2. Here, the predetermined pressure P 0 is a sum of a pressure set by the configuration of the check valve 2 and a pressure corresponding to a loss from the branch portion 11 to the pressure accumulating tank 1. In step S3, if the less the pressure difference P 1 -P 2 is the predetermined pressure P 0, in step S6, the check valve 2 is closed as described later. At this time, the accumulation of air in the pressure accumulation tank 1 is not performed.
[0028]
On the other hand, if the differential pressure P 1 -P 2 is larger than the predetermined pressure P 0 , the process proceeds to step S4. In step S4, the check valve 2 is opened. Thereby, air is supplied to the pressure accumulating tank 1 by an amount corresponding to the pressure difference between the branch portion 11 and the pressure accumulating tank 1. In step S5, again compared with the difference between the branch portion pressure P 1 and the accumulator tank pressure P 2 (P 1 -P 2), and a pressure P 0 where the check valve 2 is opened. This state is maintained until the differential pressure P 1 -P 2 becomes equal to or lower than the predetermined pressure P 0, and when the differential pressure P 1 -P 2 becomes equal to or lower than P 0 , the process proceeds to step S6, and the check valve 2 is closed. Thereby, pressurized air is accumulated in the pressure accumulation tank 1. Here, the internal pressure P 2 of the accumulator tank 2 with increasing P 1 pressure during operation also increases.
[0029]
In step S7, it is determined whether a command to stop the fuel cell system has been detected. If the stop command has not been detected, the flow returns to step S3, and the storage of the air used as the purge gas in the pressure accumulating tank 1 is continued. On the other hand, if a stop command is detected in step S7, the process proceeds to step S8.
[0030]
In this embodiment, since the check valve 2 is used, the opening and closing are performed automatically, so that the operations in steps S3 to S6 do not need to be controlled by the controller 20. However, in order to secure the purge gas at an early stage, it is desirable to store the air in the accumulator tank 1 by increasing the load on the compressor 4 at the beginning of startup. For example, the air in the accumulator tank 1 is obtained beforehand by experiments or the like the pressure P 1 of the branch portion 11 such that a predetermined pressure. At the same time as the start, the compressor 4 introduces air at a predetermined pressure, and then returns the load of the compressor 4 to the load during normal operation when the check valve 2 is closed. As a result, the purge gas can be secured at an early stage, in this case, at an early stage at the time of startup.
[0031]
Further, instead of the check valve 2, a valve or the like that only shuts off the flow path can be used. In this case, the branch section 11 and the pressure accumulation tank 1 need to be provided with pressure sensors for detecting the respective pressures, and the controller 20 needs to control the steps S3 to S6.
[0032]
Next, control at the time of operation stop will be described. In step S8, the hydrogen supply valve 8 is closed. As a result, the supply of hydrogen gas to the fuel cell 7 is stopped, and the power generation is stopped. In step S9, the purge valve 9 is opened. Subsequently, in step S10, the flow path on-off valve 3 is opened. Thereby, the air stored in the accumulator tank 1 is supplied to the fuel system from the downstream side of the hydrogen supply valve 8. As a result, the fuel gas containing hydrogen in the fuel electrode and the pipe for supplying or discharging hydrogen is purged. Here, since the purge 9 is opened to open air, the hydrogen remaining in the fuel electrode and the pipe for supplying or discharging hydrogen is reduced to almost zero from the difference between the pressure in the accumulator tank 1 and the external pressure. can do.
[0033]
The operations in steps S8 to S10 during operation stop can be realized by sequentially turning off the hydrogen supply valve 8, the purge valve 9, and the flow path on-off valve 3.
[0034]
Next, the control at the time of the forced stop will be described with reference to the flowchart of FIG.
[0035]
If a forced stop signal is detected during normal operation, the process proceeds to step S11. In step S11, the flow path on-off valve 3 and the purge valve 9 are opened, and the hydrogen supply valve 8 is closed. Here, it can be realized by turning off the power supply. Therefore, as in the case of the normal stop, the hydrogen in the fuel system can be quickly discharged.
[0036]
Next, effects of the present embodiment will be described.
[0037]
The fuel cell system has a fuel cell body that generates power from air and hydrogen, and an air system including a compressor 4 and a humidifier 5 for supplying humidified air to the fuel cell 7. Further, a fuel system including a hydrogen supply valve 8 for selecting whether hydrogen gas is supplied to the fuel cell 7 and a purge valve 9 for selecting whether to discharge fuel exhaust gas from the fuel cell 7 is provided. Prepare. Further, as a purge gas system including a flow path branched from between the compressor 4 and the humidifier 5 and connected downstream of the hydrogen supply valve 8, the accumulator tank 1 for storing at least a part of air, the compressor 4 and the humidifier A check valve 2 for supplying air to the pressure accumulator tank 1 when the pressure in the vicinity of the branch 11 between the pressure vessels 5 is higher than the pressure in the pressure accumulator tank 1, and purging at least a part of the fuel system by the air in the pressure accumulator tank 1 And a purge valve 9 for selecting whether or not to perform.
[0038]
As described above, since the pressure accumulating tank 1 is branched from the downstream of the pneumatic compressor 4 and accumulates the pressure via the check valve 2, it is possible to accumulate the pressure in the pressure accumulating tank 1 without increasing the pressure loss during system operation. In addition, since the pressure is stored only by the difference between the pressure downstream of the compressor 4 and the pressure in the pressure storage tank 1, the pressure can be stored without using external power. Further, since the branch is provided before the humidifier 5, it is possible to prevent water from accumulating in the pressure accumulating tank 1.
[0039]
Further, the check valve 2 is used as the oxidizing agent introduction selecting means. Accordingly, when the pressure difference (P 1 −P 2 ) between the pressure P 1 near the branch portion 11 between the compressor 4 and the humidifier 5 and the pressure P 2 in the pressure storage tank is larger than the predetermined value P 0, 1 is supplied with air. Thus, the air as the purge gas can be stored at a high pressure without any particular control, and thus the system can be simplified.
[0040]
When the system is stopped, the supply of hydrogen gas is stopped by the hydrogen supply valve 8, and then the fuel exhaust gas is discharged by the purge valve 9. Here, by opening the flow path opening / closing valve 3 and the purge valve 9, hydrogen in the fuel system can be quickly discharged, so that power generation due to residual hydrogen can be prevented.
[0041]
In addition, the flow path on-off valve 3 and the purge valve 9 are closed when energized, opened when not energized, and the hydrogen supply valve 8 is opened when energized and closed when not energized. As a result, hydrogen in the fuel system can be quickly discharged when power is not supplied, so that residual hydrogen and power generation due to the residual hydrogen can be prevented when the system is forcibly stopped or the like, which is safe.
[0042]
Further, at an early stage of system startup, the load of the compressor 4 is increased to store air at a predetermined pressure in the accumulator tank 1. Accordingly, the pressure accumulation is completed in the early stage of the system startup, so that the influence of the flow rate fluctuation generated at the time of the pressure accumulation can be suppressed by the flow fluctuation at the time of startup, and the fluctuation during the stable operation can be prevented. Further, since the purge gas can be secured at the initial stage at the time of startup, the fuel system can be purged regardless of the operation time of the fuel cell 7.
[0043]
The fuel cell system has a fuel cell body that generates power from air and hydrogen, and an air system including a compressor 4 and a humidifier 5 for supplying humidified air to the fuel cell 7. The fuel system further includes a hydrogen supply valve 8 for selecting whether to supply hydrogen gas to the fuel cell 7 and a purge valve 9 for selecting whether to discharge fuel exhaust gas. Further, a pressure accumulating tank 1 for storing at least a part of air, a check valve 2 for selecting whether or not to supply an oxidizing agent to the pressure accumulating tank 1, and an air in the pressure accumulating tank 1 for at least a part of the hydrogen. A purge gas system branched from between the compressor 4 and the humidifier 5 and connected downstream of the hydrogen supply valve 8 with a flow path opening / closing valve 3 for selecting whether or not to supply the gas. During system operation, air is introduced into the pressure accumulator tank 1 when the pressure P 1 near the branch 11 that branches from between the compressor 4 and the humidifier 5 to the purge gas system becomes higher than the pressure P 2 in the pressure accumulator tank 1. I do. Here, introducing air into the accumulator tank 1 When the pressure difference between P 1 and P 2 is greater than the predetermined pressure P 0. When the system is stopped, at least a part of the fuel system is purged using the air stored in the pressure accumulation tank 1.
[0044]
As described above, since the pressure accumulating tank 1 is branched from the downstream of the pneumatic compressor 4 and accumulates the pressure via the check valve 2, it is possible to accumulate the pressure in the pressure accumulating tank 1 without increasing the pressure loss during system operation. In addition, since the pressure is stored only by the difference between the pressure downstream of the compressor 4 and the pressure in the pressure storage tank 1, the pressure can be stored without using external power. Further, since the branch is provided before the humidifier 5, it is possible to prevent water from accumulating in the pressure accumulating tank 1. Furthermore, by supplying the air pressurized and stored in the accumulator tank 1 to the fuel system when the system is stopped, the hydrogen gas in the fuel system can be sufficiently purged. At this time, since air before humidification is used as the purge gas, it is possible to avoid adhesion of water to the fuel system, for example, the fuel electrode.
[0045]
It is needless to say that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various changes can be made within the scope of the technical idea described in the claims.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell system used in the present embodiment.
FIG. 2 is a flowchart for securing / supplying a purge gas at a normal time in the embodiment.
FIG. 3 is a flowchart of purge gas supply at the time of forced termination in the present embodiment.
[Explanation of symbols]
1 Accumulator tank (tank)
2 Check valve (oxidizing agent introduction selecting valve, oxidizing agent introduction selecting means)
3 Flow path open / close valve (oxidant supply selection valve, oxidant supply selection means)
4 Compressor (compression means)
5 Humidifier (humidifying means)
7 fuel cell 8 hydrogen supply valve (fuel gas supply selection valve, fuel gas supply selection means)
9 Purge valve (purge selection valve, purge selection means)
11 Branch

Claims (6)

燃料ガスと酸化剤を用いて発電を行う燃料電池本体と、
前記燃料電池に加湿された酸化剤を供給する為の圧縮手段と加湿手段を備えた酸化剤系と、
前記燃料電池へ燃料ガスを供給するか否かを選択する燃料ガス供給選択弁と、前記燃料電池からの燃料排ガスを排出するか否かを選択するパージ選択弁と、を備えた燃料ガス系と、を備え、
さらに、前記圧縮手段と加湿手段の間から分岐して前記燃料ガス供給選択弁の下流に接続する流路を含むパージガス系として、
少なくとも酸化剤の一部を貯蔵するタンクと、
前記圧縮手段と前記加湿手段の間の分岐部近傍の圧力が前記タンク内の圧力より高い時に前記タンクに酸化剤を供給する酸化剤導入選択弁と、
前記タンク内の酸化剤により前記燃料ガス系の少なくとも一部をパージするか否かを選択するパージガス供給選択弁と、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell body that generates power using a fuel gas and an oxidant,
An oxidizing system including a compressing unit and a humidifying unit for supplying a humidified oxidant to the fuel cell;
A fuel gas system comprising: a fuel gas supply selection valve for selecting whether to supply fuel gas to the fuel cell; and a purge selection valve for selecting whether to discharge fuel exhaust gas from the fuel cell. ,
Further, as a purge gas system including a flow path branched from between the compression means and the humidification means and connected downstream of the fuel gas supply selection valve,
A tank for storing at least a portion of the oxidizing agent,
An oxidant introduction selection valve for supplying an oxidant to the tank when the pressure near the branch between the compression means and the humidifying means is higher than the pressure in the tank;
A fuel cell system, comprising: a purge gas supply selection valve for selecting whether to purge at least a part of the fuel gas system with an oxidant in the tank.
前記酸化剤導入選択手段として逆止弁を用い、前記圧縮手段と前記加湿手段の間の分岐部近傍の圧力と前記タンク内の圧力との圧力差が所定値より大きい時に前記タンクに酸化剤を供給する請求項1に記載の燃料電池システム。A check valve is used as the oxidizing agent introduction selecting means. The fuel cell system according to claim 1, which supplies the fuel cell system. システム停止時には前記燃料ガス供給選択弁により燃料ガスの供給を停止した後に、前記パージ選択弁により燃料排ガスの排出を選択する請求項1に記載の燃料電池システム。2. The fuel cell system according to claim 1, wherein when the system is stopped, after the supply of the fuel gas is stopped by the fuel gas supply selection valve, discharge of the fuel exhaust gas is selected by the purge selection valve. 前記パージガス供給選択弁、前記パージ選択弁を通電時には閉、非通電時には開とし、燃料ガス供給選択弁を通電時には開、非通電時には閉とする請求項1に記載の燃料電池システム。2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the purge gas supply selection valve and the purge selection valve are closed when energized, open when not energized, and open when energized and closed when not energized. 3. システム起動時初期に、前記圧縮手段の負荷を増大することにより、前記タンク内に所定圧力の酸化剤を貯蔵する請求項1記載の燃料電池システム。2. The fuel cell system according to claim 1, wherein an oxidant at a predetermined pressure is stored in the tank by increasing a load of the compression means at an early stage of system startup. 燃料ガスと酸化剤を用いて発電を行う燃料電池本体と、前記燃料電池に加湿された酸化剤を供給する為の圧縮手段と加湿手段を備えた酸化剤系と、
前記燃料電池へ燃料ガスを供給するか否かを選択する燃料ガス供給選択手段と、前記燃料電池からの燃料排ガスを排出するか否かを選択するパージ選択手段と、を備えた燃料ガス系と、
少なくとも酸化剤の一部を貯蔵するタンクと、前記タンクに酸化剤を供給するか否かを選択する酸化剤導入選択手段と、前記タンク内の酸化剤を前記燃料ガス系の少なくとも一部に供給するかどうかを選択するパージガス供給選択手段と、を備えた、前記圧縮手段と加湿手段の間から分岐して前記燃料ガス供給選択手段の下流に接続するパージガス系と、を備え、
システム運転時に、前記圧縮手段と前記加湿手段から前記パージガス系に分岐する分岐部近傍の圧力が、前記タンク内の圧力より高くなった時に前記タンク内に酸化剤を導入し、
システム停止時に、前記タンク内に貯蓄された酸化剤を用いて前記燃料ガス系の少なくとも一部をパージすることを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell body that generates power using a fuel gas and an oxidant, an oxidant system including a compression unit and a humidifying unit for supplying a humidified oxidant to the fuel cell,
A fuel gas system comprising: a fuel gas supply selection unit that selects whether to supply a fuel gas to the fuel cell; and a purge selection unit that selects whether to discharge fuel exhaust gas from the fuel cell. ,
A tank for storing at least a part of the oxidizing agent, an oxidizing agent introduction selecting means for selecting whether or not to supply the oxidizing agent to the tank, and supplying the oxidizing agent in the tank to at least a part of the fuel gas system Purge gas supply selecting means for selecting whether or not to perform, a purge gas system branched from between the compression means and the humidifying means and connected downstream of the fuel gas supply selecting means,
During system operation, when the pressure in the vicinity of the branch point branching from the compression unit and the humidifying unit to the purge gas system becomes higher than the pressure in the tank, an oxidizing agent is introduced into the tank,
A fuel cell system, wherein at least part of the fuel gas system is purged by using an oxidant stored in the tank when the system is stopped.
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