JP2004296340A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池スタックに水素や空気などの複数種類の流体を供給して発電させるための燃料電池システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、燃料ガスとして水素を使用して発電する燃料電池スタックを備えた燃料電池システムにおいて、システムの緊急停止時に、水素遮断弁の遮断作動に先立って、窒素供給弁を開作動させることにより、水素の希釈を確実に行う技術が下記の特許文献1などにて知られている。
【0003】
【特許文献1】
特開平9−293522号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の燃料電池システムでは、水素希釈が遅れない利点がある反面、窒素ボンベを持たなければならず、システム全体で高コストとなったり、例えば車両搭載時のレイアウト上の問題がある。
【0005】
そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、システム停止時において、簡単な構成で、高濃度の水素が一度に大量に排出されること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。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明では、少なくとも燃料ガス及び酸化剤ガスを含む複数の流体が供給されて発電する燃料電池スタックと、前記各流体ごとに、前記燃料電池スタックの流体入口側に設けられ各流体を前記燃料電池スタックに供給する流体供給流路と、前記燃料電池スタックの流体出口側に設けられ当該燃料電池スタックを通過した各流体を排出する流体排出流路とを有する複数の流体供給系と、前記各流体供給流路及び前記各流体排出流路に設けられたシャット弁とを備え、通常運転時には各シャット弁を開状態にしておく。
【0007】
そして、この燃料電池システムでは、システムの運転停止時に、前記各シャット弁を閉じ、各流体を各流体供給流路のシャット弁と各流体排出流路のシャット弁との間に閉じ込めた後に、徐々に各流体を排出することで、上述の課題を解決する。
【0008】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池システムによれば、システムの運転停止時に、燃料電池スタックの流体入口及び流体出口に設けられたシャット弁を閉じることで各流体を各シャット弁間に閉じこめた後に、各流体を徐々に排出するので、例えば燃料ガスを希釈するための窒素ボンベ等を用いることなく、簡単な構成で、高濃度の水素が一度に大量に排出されることを防止することができる。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【0010】
本発明は、例えば図1に示すように構成された燃料電池システムに適用される。
【0011】
[燃料電池システムの構成]
この燃料電池システムは、図1に示すように、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることにより発電する燃料電池スタック1を備える。この燃料電池スタック1は、例えば、固体高分子電解質膜を挟んで空気極と水素極とを対設した燃料電池セル構造体をセパレータで挟持し、セル構造体を複数積層して構成されている。本例においては、燃料電池スタック1が発電反応を発生させるための燃料ガスとして水素ガスを水素極に供給すると共に、酸化剤ガスとして酸素を含む空気を空気極に供給する燃料電池システムについて説明する。
【0012】
この燃料電池システムでは、燃料電池スタック1に空気を供給して燃料電池スタック1から排出された空気を燃焼器2に導く空気系、燃料電池スタック1に水素ガスを供給して燃料電池スタック1から排出された水素ガスを燃焼器2に導く水素ガス系、燃料電池スタック1に供給する空気及び水素ガスを加湿する加湿用純水を循環させる加湿用純水系、燃料電池スタック1の温度調整をする冷却水を循環させる冷却水系を備える。この燃料電池システムでは、燃料電池スタック1の発電を制御するに際して、空気、水素ガス、加湿用純水、冷却水の各流体の流量及び圧力をコントロールユニット3により制御する。
【0013】
空気系は、空気供給流路L1に、空気コンプレッサ4、空気加湿器入口シャット弁5及び加湿器6が設けられ、燃料電池スタック1の空気排出側の空気排出流路L2に、空気調圧弁7、空気スタック出口シャット弁8及び燃焼器2が設けられて構成されている。この空気系は、燃料電池システムの通常運転時において、コントロールユニット3により空気コンプレッサ4の回転数や空気調圧弁7の開度が調整されることで、燃料電池スタック1に供給する空気流量及び空気圧力が調整され、空気コンプレッサ4により外気を取り込んで加湿器6に空気を導き、加湿した状態の空気を燃料電池スタック1に供給し、燃料電池スタック1から排出された空気を燃焼器2に導く。
【0014】
また、この空気系は、燃料電池システムの緊急停止時において、空気加湿器入口シャット弁5及び空気スタック出口シャット弁8の動作がコントロールユニット3により制御される。
【0015】
水素ガス系は、水素供給流路L3に、水素タンク9、水素調圧弁10、水素加湿器入口シャット弁11及び加湿器6が設けられる。この水素ガス系は、燃料電池システムの通常運転時において、水素タンク9に貯蔵した水素を水素ガスとして燃料電池スタック1に導く。このとき、水素ガス系は、コントロールユニット3により水素調圧弁10の開度が調整されることで、水素圧力及び水素流量が調整される。
【0016】
また、この水素ガス系は、燃料電池スタック1の水素排出側に、燃料電池スタック1から排出された水素ガスを再度燃料電池スタック1に戻す水素循環流路L4、燃料電池システムの緊急停止時に燃焼器2に水素ガスを排出するための水素排出流路L5、水素ガスのパージをするためのパージ流路L6が設けられて構成されている。水素循環流路L4には、水素循環系シャット弁12、水素循環ポンプ13が設けられ、更に分岐した外気吸い込み流路L7に外気吸い込み弁14が設けられている。また、水素排出流路L5には、水素排出用開度可変弁15、水素スタック出口シャット弁16が設けられ、パージ流路L6には、パージ弁17が設けられている。
【0017】
このような水素ガス系は、燃料電池システムの通常運転時において、コントロールユニット3により水素循環ポンプ13が駆動されて水素ガスの再利用が行われると共に、必要に応じてパージ弁17が開状態とされる。また、この水素ガス系は、燃料電池システムの緊急停止時において、水素スタック出口シャット弁16、水素循環系シャット弁12及び外気吸い込み弁14の動作がコントロールユニット3により制御される。
【0018】
加湿用純水系は、純水循環流路L8に、加湿純水タンク18、加湿純水ポンプ19、純水加湿器入口シャット弁20、加湿器6、純水排出用開度可変弁21、純水加湿器出口シャット弁22が設けられて構成されている。この加湿用純水系は、燃料電池システムの通常運転時において、コントロールユニット3により加湿純水ポンプ19の回転数及び純水排出用開度可変弁21の開度が調整されて、加湿純水タンク18に蓄積した加湿用純水を加湿器6に送ることで、燃料電池スタック1に供給する空気及び水素ガスを加湿させる。また、この加湿用純水系は、燃料電池システムの緊急停止時において、純水加湿器入口シャット弁20及び純水加湿器出口シャット弁22の動作がコントロールユニット3により制御される。
【0019】
冷却水系は、冷却水循環流路L9に、スタック冷却水ポンプ23、冷却水スタック入口シャット弁24、燃料電池スタック1、冷却水排出用開度調整弁25、冷却水スタック出口シャット弁26、冷却水ラジエータバイパス用三方弁27、ラジエータ28及び送風ファン29が設けられて構成されている。この冷却水系は、燃料電池システムの通常運転時において、コントロールユニット3によりスタック冷却水ポンプ23の駆動量、及び冷却水排出用開度調整弁25の開度、冷却水ラジエータバイパス用三方弁27の動作、送風ファン29の駆動量が調整されて、スタック冷却水ポンプ23から燃料電池スタック1に供給する冷却水温度が適正な値に調整される。また、この冷却水系は、燃料電池システムの緊急停止時において、冷却水スタック入口シャット弁24及び冷却水スタック出口シャット弁26の動作がコントロールユニット3により制御される。
【0020】
また、この燃料電池システムでは、燃料電池スタック1を収容するスタック収容部1Aを有し、当該スタック収容部1A内の温度及び湿度等を調整して、燃料電池スタック1の周囲の温度及び湿度を適切な値にすべく、燃料電池スタック1の周囲に空気を供給して換気をするための換気系を備える。この換気系は、空気流路L10に、スタックベンチレーションブロア30、スタック収容部1A、及びベンチレーションブロアライン三方弁31が設けられて構成されている。この換気系は、燃料電池システムの通常運転時において、スタックベンチレーションブロア30の駆動量を調整すると共に、スタック収容部1Aを介して排出された空気を大気に排出するようにベンチレーションブロアライン三方弁31を動作させる。
【0021】
更に、この燃料電池システムでは、図2に示すように、燃料電池スタック1に放電抵抗41が接続可能とされ、更に燃料電池スタック1と並列にコンバータ42及び二次電池43が接続されている。この燃料電池システムでは、通常運転時において、燃料電池スタック1にて発電した電力をコンバータ42で取り出して、図示しない駆動モータや補機類等の負荷に供給すると共に、必要に応じて二次電池43を充放電させる。
【0022】
このように構成された燃料電池システムの通常運転時において、コントロールユニット3は、空気供給流路L1に設けられた空気スタック入口圧力センサ51、水素供給流路L3に設けられた水素スタック入口圧力センサ52、純水循環流路L8に設けられた純水加湿器入口圧力センサ53、冷却水循環流路L9に設けられた冷却水スタック入口圧力センサ54からのセンサ信号を読み込むと共に、空気コンプレッサ4、水素循環ポンプ13、加湿純水ポンプ19、スタック冷却水ポンプ23及びスタックベンチレーションブロア30の回転数を監視する。そして、コントロールユニット3では、燃料電池スタック1に要求される発電電力に応じて、各センサからのセンサ信号を参照して、空気、水素ガス、加湿用純水、冷却水の各流体の流量及び圧力を制御する制御信号を各部に送る。
【0023】
また、このコントロールユニット3は、燃料電池システムが何らかの理由により緊急停止した場合、燃料電池システムを停止する緊急停止処理を実行する。なお、この緊急停止処理の詳細については後述する。
【0024】
[緊急停止処理]
つぎに、上述したように構成された燃料電池システムにおける緊急停止処理の処理手順について図3のフローチャートを参照して説明する。
【0025】
コントロールユニット3では、燃料電池システムが何らかの理由で緊急停止した際にステップS1以降の処理を開始し、先ず、ステップS1においては、空気加湿器入口シャット弁5、水素加湿器入口シャット弁11、空気スタック出口シャット弁8、水素スタック出口シャット弁16、純水加湿器入口シャット弁20、純水加湿器出口シャット弁22、冷却水スタック入口シャット弁24及び冷却水スタック出口シャット弁26を同時に閉止することで、ステップS1を開始した時点の運転状態とほぼ同じ圧力で、各シャット弁間の流路内に各流体を閉じ込める。なお、この緊急停止処理では、通常運転時と同様にパージ弁17も閉状態となっている。
【0026】
このようにステップS1の処理を行うと、図4に示すように、例えば時刻t1にて緊急停止した場合に、各シャット弁5,8,11,16,20,22,24,26を閉状態にすることにより各流体を閉じ込めた状態となり、水素圧力、空気圧力、スタック冷却水圧力及び加湿用純水圧力が、通常運転時と略同値の一定値となる。
【0027】
次のステップS2においては、放電抵抗41を燃料電池スタック1に対して接続状態にして、放電抵抗41により燃料電池スタック1に残留した電圧(残留電圧)を放電させて低下させる。これは、燃料電池スタック1の発電を停止したにも拘わらず燃料電池スタック1に残留電圧が存在する状態を長時間放置した場合に、燃料電池スタック1内の高分子膜の劣化を抑制するためである。このように残留電圧が存在する状態が長時間に亘る場合としては、例えば二次電池43が後述の緊急停止処理を実行する程に電力が充電されていない場合に、緊急停止処理を行うために外部電源が利用可能な場所に移動するための時間が必要とされる場合である。
【0028】
次のステップS3においては、コントロールユニット3により、後述の動作モードを実行するための電力が二次電池43に充電されているか否かを判定することで、各系内の流体間の差圧を予め設定した許容値以内に抑えながら、水素を排出する動作モード(水素排出モード)の開始が可能か否かを判定する。水素排出モードの開始が可能でないと判定した場合にはステップS4に処理を進める一方で、水素排出モードの開始が可能であると判定した場合にはステップS5に処理を進める。
【0029】
ステップS4においては、コントロールユニット3により、水素排出モードを実行するための外部電源を供給させるように運転者に通知して、運転者に二次電池43の充電を促して、ステップS3に処理を戻す。
【0030】
また、ステップS5においては、コントロールユニット3により水素排出モードの開始が可能であることを運転者に通知し、この通知に応じて運転者により水素排出モードの開始を許可する指示がなされた場合にステップS6に移行する。ここで、水素排出モードの開始が可能であることを運転者に通知するときには、例えば図示しない表示機構や放音機構等を利用し、水素排出モードの開始を許可する指示は、例えば図示しないボタン等の操作機構の操作を検出する。なお、このように水素排出モードの開始を許可する指示を運転者に促す場合のみならず、二次電池43に充分な電力が充電されている場合には自動的にステップS6以降の処理に移行しても良い。
【0031】
ステップS6においては、コントロールユニット3により、空気スタック入口圧力センサ51、水素スタック入口圧力センサ52、純水加湿器入口圧力センサ53及び冷却水スタック入口圧力センサ54からのセンサ信号を読み込み、各センサ信号に応じた各圧力値から、空気調圧弁7、水素排出用開度可変弁15、純水排出用開度可変弁21、冷却水排出用開度調整弁25の開度、スタックベンチレーションブロア30の回転数を決定して駆動させる。このようにスタックベンチレーションブロア30の回転数を決定することで、コントロールユニット3では、ベンチレーションブロアライン三方弁31を介して燃焼器2に供給する空気流量を決定して、水素排出時に水素を希釈するための空気流量を決定する。
【0032】
次のステップS7においては、コントロールユニット3により、ベンチレーションブロワライン三方弁31を、大気に対して閉状態とすると共に燃焼器2に対して開状態とするように制御する。その後、ステップS7においては、水素スタック出口シャット弁16を開状態にして、水素加湿器入口シャット弁11から水素スタック出口シャット弁16までの流路内及び水素循環流路L4内の水素ガスを、ステップS6にて駆動した水素排出用開度可変弁15の開度にて燃焼器2に送る。これにより、燃焼器2内では、水素スタック出口シャット弁16を介して送られた水素を、ベンチレーションブロアライン三方弁31を介して供給された空気で混合して希釈する。このとき、燃焼器2は、水素ガスを空気で混合する混合器として機能する。
【0033】
次のステップS8においては、コントロールユニット3により、空気スタック出口シャット弁8、純水加湿器出口シャット弁22及び冷却水スタック出口シャット弁26を開状態にすると共に、空気スタック入口圧力センサ51、水素スタック入口圧力センサ52、純水加湿器入口圧力センサ53及び冷却水スタック入口圧力センサ54からのセンサ信号を参照して、各流体の圧力差が許容値以内となるように空気調圧弁7、純水排出用開度可変弁21及び冷却水排出用開度調整弁25の開度を調整する。これにより、空気系の空気は燃焼器2に排出開始され、冷却水系の冷却水はラジエータ28等に排出開始され、加湿用純水系の加湿用純水は加湿純水タンク18に排出開始される。
【0034】
ここで、ステップS8は、ステップS7と略同時に実行されることで、図4の時刻t2以降に示すように、水素を水素排出用開度可変弁15及び水素スタック出口シャット弁16を介して燃焼器2に排出することによる水素圧力の低下と略同じ傾きにて空気圧力、冷却水圧力及び加湿用純水圧力を低下させるように、各センサ信号を参照しながらコントロールユニット3により制御する。また、コントロールユニット3では、各流体の圧力差が許容差圧内となるように各弁の開度を制御する。
【0035】
次のステップS9においては、コントロールユニット3により、水素スタック入口圧力センサ52からのセンサ信号を監視して、図4に示すように各流体を排出し続けることで各流体の圧力が徐々に低下し、同図の時刻t3にて水素ガス圧力が大気圧まで低下したことを検出すると、ステップS10に処理を進める。
【0036】
ステップS10においては、コントロールユニット3により、空気スタック出口シャット弁8、純水加湿器出口シャット弁22及び冷却水スタック出口シャット弁26を閉状態に制御することで、水素ガス系以外の燃料電池スタック1の流体出口及び加湿器6の流体出口における流体の移動を停止させる。
【0037】
次のステップS11においては、水素ガス系内の残留水素の空気への置換を開始する。
【0038】
ステップS12においては、コントロールユニット3により、水素循環系シャット弁12を閉状態にすると共に、外気吸い込み弁14を開状態にする。
【0039】
次のステップS13においては、コントロールユニット3により、水素循環ポンプ13を起動開始することで、外気吸い込み弁14からの空気の取り込んで水素から空気への置換をする。このとき、コントロールユニット3では、水素ガス系と、空気系、冷却水系及び加湿用純水系との差圧が許容差圧以内に収まる範囲の揚程、且つスタックベンチレーションブロア30から燃焼器2に送られる空気で燃焼器2に送られた水素が可燃域以下にまで希釈可能な空気流量となるように水素循環ポンプ13を駆動させる。
【0040】
次のステップS14においては、コントロールユニット3により、水素スタック入口圧力センサ52からのセンサ信号を参照し、他の系の圧力との差圧を許容差圧以内にするように水素ガス系の圧力を調節するために、水素排出用開度可変弁15の開度を調節する。
【0041】
次のステップS15においては、コントロールユニット3により、ステップS13にて水素ガス系を空気に置換開始してからの一定時間後、水素循環ポンプ13の駆動を停止して、水素スタック出口シャット弁16を閉状態にすることで処理を終了する。ここで、一定時間は、水素ガス系の容積及び空気置換時の水素循環ポンプ13の流量から求めた時間としている。
【0042】
[実施形態の効果]
以上詳細に説明したように、本発明を適用した燃料電池システムによれば、システムの緊急停止時に、燃料電池スタック1の流体入口及び流体出口に設けられたシャット弁5,8,11,16,20,22,24,26を閉じることで各流体を各シャット弁間に閉じ込めた後に、各流体の圧力を徐々に低くしながら排出すると共に、スタックベンチレーションブロア30から燃焼器2に空気を送るようにしたので、可燃性のある水素を徐々に燃焼器2に排出しながら空気にて希釈することができる。したがって、この燃料電池システムによれば、例えば水素を希釈するための窒素ボンベ等を用いることなく、簡単な構成で、高濃度の水素が一度に大量に排出されることを防止することができる
また、この燃料電池システムによれば、各シャット弁5,8,11,16,20,22,24,26を同時に閉じるようにしたので、各流体を通常運転中の圧力と略同じ状態で閉じこめて、各流体の圧力を許容差圧以内に保持しながら各流体を排出させることができ、各流体の圧力低下の仕方が異なることに起因する燃料電池スタック1の破損を防止することができる。
【0043】
更に、この燃料電池システムによれば、冷却水循環流路L9に冷却水スタック入口シャット弁24及び冷却水スタック出口シャット弁26を設けて、水素ガス系及び空気系と同様に冷却水を排出して圧力低下させるようにしたので、冷却水と水素や空気との差圧に起因する燃料電池スタック1の破損を防止することができ、緊急停止時の燃料電池スタック1に対する信頼性をより向上させることができる。
【0044】
更にまた、この燃料電池システムによれば、各流体を各系内に閉じ込めている間に放電抵抗41を燃料電池スタック1に接続して、燃料電池スタック1の残留電圧を低下させるので、例えば二次電池43が使用不可となっている場合等、水素を排出するために時間を要する場合であっても、燃料電池スタック1の高分子膜の劣化を防止することができる。
【0045】
更にまた、この燃料電池システムによれば、ステップS5以降の水素排出モードを行うことが可能であることを運転者に通知することができるので、運転者に水素排出モードを行う場所やタイミングを選択させることができる。
【0046】
更にまた、この燃料電池システムによれば、燃焼器2を、スタックベンチレーションブロア30からの空気と水素ガス系からの水素ガスとを混合する混合器として使用することができ、他のブロア等を追加することなく、より簡単な構成で確実に水素ガスを希釈して排出することができ、システムの低コスト化、レイアウト性の向上を実現しつつ、システムの緊急停止に対する信頼性をより向上させることができる。
【0047】
更にまた、この燃料電池システムによれば、混合器として、通常運転時のパージを行う際に使用する水素ガスの燃焼器2を用いることができ、新たに混合器を追加することなく、より簡単な構成で確実に水素ガスを希釈して排出することができ、システムの低コスト化、レイアウト性の向上を実現しつつ、システムの緊急停止に対する信頼性をより向上させることができる。
【0048】
更にまた、この燃料電池システムによれば、通常運転時にはスタックベンチレーションブロア30からの空気を燃焼器2に対して迂回させて大気排出するバイパス流路を設けたので、通常運転時にスタックベンチレーションブロア30からの空気によって燃焼器2の温度を低下させることなく、燃焼器2の燃焼性能を低下させることを防止することができる。
【0049】
更にまた、この燃料電池システムによれば、シャット弁5,8,11,16,20,22,24,26を閉じた状態での各流体の圧力を参照して、スタックベンチレーションブロア30の回転数を決定して燃焼器2に供給する最適な空気流量を決定することができ、スタックベンチレーションブロア30の消費電力を最小限に抑制することができる。
【0050】
更にまた、この燃料電池システムによれば、水素ガス系の水素圧力が大気圧近傍まで低下した後に、水素循環ポンプ13を駆動して外気吸い込み弁14から空気を取り込むことで水素ガス系の水素を空気に置換し、置換された水素ガスを燃焼器2にて空気で希釈するので、燃料電池スタック1内に水素が残存するのを確実に抑制することができ、残留水素による燃料電池スタック1の劣化を抑制することができる。
【0051】
更にまた、この燃料電池システムによれば、燃料電池スタック1の流体出口側に連続的に開度調整が可能な空気調圧弁7、水素排出用開度可変弁15、冷却水排出用開度調整弁25を設けると共に、加湿器6の流体出口側に純水排出用開度可変弁21を設けるので、各弁の開度を大きくして各流体を排出させることができ、短時間で各流体を排出することができる。
【0052】
更にまた、この燃料電池システムによれば、シャット弁5,8,11,16,20,22,24,26を閉じた状態での各流体の圧力を参照して、各弁7,15,21,25の開度を決定するので、緊急停止状態となる直前での運転状態に拘わらず、排出する水素ガス濃度を確実に可燃域以下に希釈し、且つ短時間で水素ガスの排出を完了することができる。
【0053】
更にまた、この燃料電池システムによれば、各流体を微量づつ徐々に排出する際に、各流体の圧力を参照しながら、それぞれの流体間の差圧を許容値以内とするように各弁7,15,21,25の開度を調節するので、差圧による燃料電池スタック1や加湿器6の破損をより確実に防止することができる。
【0054】
更にまた、この燃料電池システムによれば、純水循環流路L8に純水加湿器入口シャット弁20及び純水加湿器出口シャット弁22を設けて、水素ガス系及び空気系と同様に加湿用純水を排出して圧力低下させるようにしたので、加湿用純水と水素や空気との差圧に起因する加湿器6の破損を防止することができ、システムの緊急停止時の加湿器6に対する信頼性をより向上させることができる。
【0055】
なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
【0056】
すなわち、上述した実施形態では、水素ガスの供給も停止しなければならない緊急停止時に特に効果的であることを説明したが、ステップS1〜ステップS15の処理を通常停止時にも行っても良いのは勿論である。
【0057】
また、上述した実施形態では、燃料電池スタック1に供給する流体が、水素ガス、空気、加湿用純水及び冷却水である場合について説明したが、これに限らず、燃料電池スタック1に供給される流体が、水素ガス及び酸化剤ガスのみの場合であっても、上述の緊急停止処理を行うことにより同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を適用した燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図2】本発明を適用した燃料電池システムの電気的な構成を示すブロック図である。
【図3】本発明を適用した燃料電池システムにおいて、緊急停止処理を行うときの処理手順を示すフローチャートである。
【図4】本発明を適用した燃料電池システムにおいて、緊急停止処理を行ったときの水素ガス圧力、空気圧力、冷却水圧力及び加湿用純水圧力の時間的な変化を示す図である。
【符号の説明】
1 燃料電池スタック
1A スタック収容部
2 燃焼器
3 コントロールユニット
4 空気コンプレッサ
5 空気加湿器入口シャット弁
6 加湿器
7 空気調圧弁
8 空気スタック出口シャット弁
9 水素タンク
10 水素調圧弁
11 水素加湿器入口シャット弁
12 水素循環系シャット弁
13 水素循環ポンプ
14 外気吸い込み弁
15 水素排出用開度可変弁
16 水素スタック出口シャット弁
17 パージ弁
18 加湿純水タンク
19 加湿純水ポンプ
20 純水加湿器入口シャット弁
21 純水排出用開度可変弁
22 純水加湿器出口シャット弁
23 スタック冷却水ポンプ
24 冷却水スタック入口シャット弁
25 冷却水排出用開度調整弁
26 冷却水スタック出口シャット弁
27 冷却水ラジエータバイパス用三方弁
28 ラジエータ
29 送風ファン
30 スタックベンチレーションブロア
31 ベンチレーションブロアライン三方弁
41 放電抵抗
42 コンバータ
43 二次電池
51 空気スタック入口圧力センサ
52 水素スタック入口圧力センサ
53 純水加湿器入口圧力センサ
54 冷却水スタック入口圧力センサ
L1 空気供給流路
L2 空気排出流路
L3 水素供給流路
L4 水素循環流路
L5 水素排出流路
L6 パージ流路
L7 外気吸い込み流路
L8 純水循環流路
L9 冷却水循環流路
L10 空気流路[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell system for supplying a plurality of types of fluids such as hydrogen and air to a fuel cell stack to generate power.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in a fuel cell system including a fuel cell stack that generates power using hydrogen as a fuel gas, at the time of an emergency stop of the system, by opening a nitrogen supply valve prior to a shutoff operation of a hydrogen shutoff valve, A technique for reliably diluting hydrogen is known from Patent Document 1 below.
[0003]
[Patent Document 1]
JP-A-9-293522
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, the above-described conventional fuel cell system has an advantage that hydrogen dilution is not delayed, but on the other hand, it must have a nitrogen cylinder, so that the whole system becomes expensive and there is a problem in layout when mounted on a vehicle, for example. .
[0005]
Therefore, the present invention has been proposed in view of the above-described circumstances, and has a simple configuration and can prevent a large amount of high-concentration hydrogen from being discharged at once when the system is stopped. The purpose is to provide a system.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In the present invention, a fuel cell stack that is supplied with a plurality of fluids including at least a fuel gas and an oxidizing gas to generate electric power, and for each of the fluids, is provided on a fluid inlet side of the fuel cell stack and uses A plurality of fluid supply systems each having a fluid supply flow path for supplying a stack, a fluid discharge flow path provided on a fluid outlet side of the fuel cell stack and discharging each fluid passing through the fuel cell stack, A shutoff valve is provided in each of the supply flow path and each of the fluid discharge flow paths, and each of the shutoff valves is kept open during normal operation.
[0007]
In this fuel cell system, when the operation of the system is stopped, the respective shut-off valves are closed, and each fluid is gradually confined between the shut-off valve of each fluid supply flow passage and the shut-off valve of each fluid discharge flow passage. The above-mentioned problem is solved by discharging each fluid.
[0008]
【The invention's effect】
According to the fuel cell system of the present invention, when the operation of the system is stopped, each fluid is confined between the shut valves by closing the shut valves provided at the fluid inlet and the fluid outlet of the fuel cell stack. Is gradually discharged, so that a large amount of high-concentration hydrogen can be prevented from being discharged at once with a simple configuration without using a nitrogen cylinder or the like for diluting the fuel gas.
[0009]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0010]
The present invention is applied to, for example, a fuel cell system configured as shown in FIG.
[0011]
[Configuration of fuel cell system]
As shown in FIG. 1, the fuel cell system includes a fuel cell stack 1 that generates power by being supplied with a fuel gas and an oxidizing gas. The fuel cell stack 1 is configured by, for example, sandwiching a fuel cell structure in which an air electrode and a hydrogen electrode are opposed to each other with a solid polymer electrolyte membrane interposed therebetween and a separator, and stacking a plurality of cell structures. . In the present embodiment, a description will be given of a fuel cell system that supplies hydrogen gas to the hydrogen electrode as a fuel gas for causing the fuel cell stack 1 to generate a power generation reaction, and supplies air containing oxygen as an oxidant gas to the air electrode. .
[0012]
In this fuel cell system, an air system that supplies air to the fuel cell stack 1 and guides the air discharged from the fuel cell stack 1 to the
[0013]
In the air system, an air compressor 4, an air humidifier inlet shut-off
[0014]
In this air system, the operation of the air humidifier inlet shut-off
[0015]
In the hydrogen gas system, a
[0016]
In addition, the hydrogen gas system is provided on the hydrogen discharge side of the fuel cell stack 1 with a hydrogen circulation flow path L4 for returning the hydrogen gas discharged from the fuel cell stack 1 to the fuel cell stack 1 again. The
[0017]
In such a hydrogen gas system, during normal operation of the fuel cell system, the
[0018]
The humidifying pure water system includes a humidifying
[0019]
The cooling water system includes a cooling water circulation passage L9, a stack cooling
[0020]
Further, this fuel cell system has a stack accommodating portion 1A for accommodating the fuel cell stack 1, and adjusts the temperature and humidity inside the stack accommodating portion 1A to adjust the temperature and humidity around the fuel cell stack 1. A ventilation system for supplying air to the periphery of the fuel cell stack 1 and performing ventilation is provided in order to set an appropriate value. This ventilation system is configured such that a
[0021]
Further, in this fuel cell system, as shown in FIG. 2, a
[0022]
During normal operation of the fuel cell system thus configured, the
[0023]
The
[0024]
[Emergency stop processing]
Next, the processing procedure of the emergency stop processing in the fuel cell system configured as described above will be described with reference to the flowchart of FIG.
[0025]
The
[0026]
When the process of step S1 is performed in this manner, as shown in FIG. 4, for example, when an emergency stop is performed at time t1, each of the
[0027]
In the next step S2, the
[0028]
In the next step S3, the
[0029]
In step S4, the
[0030]
Also, in step S5, the
[0031]
In step S6, the
[0032]
In the next step S7, the
[0033]
In the next step S8, the
[0034]
Here, step S8 is executed substantially simultaneously with step S7, so that hydrogen is combusted via the hydrogen discharge opening
[0035]
In the next step S9, the
[0036]
In step S10, the
[0037]
In the next step S11, the replacement of residual hydrogen in the hydrogen gas system with air is started.
[0038]
In step S12, the
[0039]
In the next step S13, by starting the
[0040]
In the next step S14, the
[0041]
In the next step S15, the
[0042]
[Effects of Embodiment]
As described above in detail, according to the fuel cell system to which the present invention is applied, the shut-off
Further, according to this fuel cell system, since the shut-off
[0043]
Further, according to this fuel cell system, the cooling water circulation passage L9 is provided with the cooling water stack
[0044]
Furthermore, according to this fuel cell system, the
[0045]
Furthermore, according to this fuel cell system, the driver can be notified that the hydrogen discharge mode can be performed after step S5, so that the driver can select the place and timing for performing the hydrogen discharge mode. Can be done.
[0046]
Furthermore, according to this fuel cell system, the
[0047]
Furthermore, according to this fuel cell system, the
[0048]
Furthermore, according to this fuel cell system, the bypass ventilation flow path is provided for diverting the air from the
[0049]
Furthermore, according to this fuel cell system, the rotation of the
[0050]
Furthermore, according to this fuel cell system, after the hydrogen pressure of the hydrogen gas system drops to near the atmospheric pressure, the
[0051]
Furthermore, according to this fuel cell system, the air pressure regulating valve 7, the hydrogen discharge opening
[0052]
Furthermore, according to this fuel cell system, each
[0053]
Furthermore, according to this fuel cell system, when gradually discharging each fluid by a small amount, each valve 7 is controlled so that the differential pressure between the fluids is within an allowable value while referring to the pressure of each fluid. , 15, 21, and 25, the damage of the fuel cell stack 1 and the
[0054]
Furthermore, according to this fuel cell system, a pure water humidifier inlet shut-off
[0055]
Note that the above embodiment is an example of the present invention. For this reason, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and other than the present embodiment, various modifications may be made according to the design and the like within a range not departing from the technical idea according to the present invention. Can be changed.
[0056]
That is, in the above-described embodiment, it has been described that the present embodiment is particularly effective at the time of an emergency stop in which the supply of the hydrogen gas also needs to be stopped. However, the processing of steps S1 to S15 may be performed at the time of the normal stop. Of course.
[0057]
In the above-described embodiment, the case where the fluid supplied to the fuel cell stack 1 is hydrogen gas, air, pure water for humidification, and cooling water has been described. Even when the fluid to be used is only the hydrogen gas and the oxidizing gas, the same effect can be obtained by performing the above-described emergency stop processing.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a fuel cell system to which the present invention is applied.
FIG. 2 is a block diagram showing an electrical configuration of a fuel cell system to which the present invention is applied.
FIG. 3 is a flowchart showing a processing procedure when performing an emergency stop processing in a fuel cell system to which the present invention is applied.
FIG. 4 is a diagram showing temporal changes in hydrogen gas pressure, air pressure, cooling water pressure and humidification pure water pressure when an emergency stop process is performed in a fuel cell system to which the present invention is applied.
[Explanation of symbols]
1 Fuel cell stack
1A Stack storage section
2 Combustor
3 Control unit
4 Air compressor
5. Air humidifier inlet shut-off valve
6 humidifier
7 Air pressure regulating valve
8 Air stack outlet shut-off valve
9 Hydrogen tank
10 Hydrogen pressure regulating valve
11 Hydrogen humidifier inlet shut-off valve
12. Hydrogen circulation system shut-off valve
13 Hydrogen circulation pump
14 Outside air intake valve
15 Variable opening valve for hydrogen discharge
16 Hydrogen stack outlet shut-off valve
17 Purge valve
18 humidified pure water tank
19 Humidifying pure water pump
20 Pure water humidifier inlet shut-off valve
21 Variable opening valve for pure water discharge
22 Pure water humidifier outlet shut valve
23 Stack cooling water pump
24 Cooling water stack inlet shut-off valve
25 Cooling water discharge opening adjustment valve
26 Cooling water stack outlet shut-off valve
27 Three-way valve for cooling water radiator bypass
28 Radiator
29 blower fan
30 Stack ventilation blower
31 Ventilation blower line three-way valve
41 Discharge resistance
42 Converter
43 Secondary battery
51 Air stack inlet pressure sensor
52 Hydrogen stack inlet pressure sensor
53 Pure water humidifier inlet pressure sensor
54 Cooling water stack inlet pressure sensor
L1 air supply channel
L2 air discharge channel
L3 hydrogen supply channel
L4 hydrogen circulation channel
L5 hydrogen discharge channel
L6 purge channel
L7 Outside air suction channel
L8 Pure water circulation channel
L9 Cooling water circulation channel
L10 air flow path
Claims (13)
前記各流体ごとに、前記燃料電池スタックの流体入口側に設けられ各流体を前記燃料電池スタックに供給する流体供給流路と、前記燃料電池スタックの流体出口側に設けられ当該燃料電池スタックを通過した各流体を排出する流体排出流路とを有する複数の流体供給系と、
前記各流体供給流路及び前記各流体排出流路に設けられたシャット弁とを備え、
システムの運転停止時に前記各シャット弁を閉じ、各流体を各流体供給流路のシャット弁と各流体排出流路のシャット弁との間に閉じ込めた後に、徐々に各流体を排出することを特徴とする燃料電池システム。A fuel cell stack that is supplied with a plurality of fluids including at least a fuel gas and an oxidant gas to generate power,
For each of the fluids, a fluid supply channel provided on the fluid inlet side of the fuel cell stack and supplying each fluid to the fuel cell stack, and passing through the fuel cell stack provided on the fluid outlet side of the fuel cell stack A plurality of fluid supply systems having a fluid discharge flow path for discharging each of the fluids,
A shut valve provided in each of the fluid supply channels and each of the fluid discharge channels,
When shutting down the system, the shut valves are closed, each fluid is confined between the shut valve of each fluid supply channel and the shut valve of each fluid discharge channel, and then each fluid is gradually discharged. And a fuel cell system.
各流体を各流体供給流路のシャット弁と各流体排出流路のシャット弁との間に閉じ込めている間に、徐々に各流体を排出するために使用する電力が前記二次電池に充電されているか否かを判定し、各流体の排出開始を通知することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。Further comprising a secondary battery for discharging and charging power,
While each fluid is confined between the shut valve of each fluid supply flow path and the shut valve of each fluid discharge flow path, the secondary battery is gradually charged with power used to discharge each fluid. 2. The fuel cell system according to claim 1, wherein it is determined whether or not the discharge is performed, and the start of discharge of each fluid is notified. 3.
前記ブロアから前記燃料電池スタックの周囲を介して供給される空気と、前記流体排出流路を介して排出された燃料ガスとを混合して、燃料ガスを希釈する混合器と
を更に備えることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。A blower for ventilation for supplying air around the fuel cell stack,
It further comprises a mixer for mixing the air supplied from the blower through the periphery of the fuel cell stack and the fuel gas discharged through the fluid discharge passage to dilute the fuel gas. The fuel cell system according to claim 1, wherein:
燃料ガスを徐々に排出して燃料ガス圧力が略大気圧まで低下した後に、前記燃料循環ポンプにより外気を取り込んで、前記循環流路、燃料ガスの前記流体供給流路及び前記流体排出流路内の燃料ガスを空気に置換し、燃料ガスを前記ブロアの空気により希釈することを特徴とする請求項5に記載の燃料電池システム。A fuel circulation pump that returns a fuel gas discharged from the fuel cell stack to a fuel gas inlet of the fuel cell stack;
After the fuel gas is gradually discharged and the fuel gas pressure is reduced to substantially the atmospheric pressure, outside air is taken in by the fuel circulation pump, and the circulation flow path, the fuel gas fluid supply flow path and the fuel discharge flow path The fuel cell system according to claim 5, wherein the fuel gas is replaced with air, and the fuel gas is diluted with the air of the blower.
前記加湿器に加湿水を循環させる加湿水循環流路と、
前記加湿器の加湿水入口及び加湿水出口の前記加湿水循環流路にそれぞれ設けられた加湿水用シャット弁とを更に備え、
システムの運転停止時に前記各加湿水用シャット弁を閉じ、加湿水を各加湿水用シャット弁間に閉じ込め、前記各流体を徐々に排出すると共に、徐々に加湿水を排出することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。Humidifier for humidifying at least one of the fuel gas and the oxidizing gas using humidifying water,
A humidifying water circulation channel for circulating humidifying water to the humidifier,
The humidifier further includes a humidification water inlet and a humidification water shutoff valve provided in the humidification water circulation flow path of the humidification water outlet, respectively.
When the operation of the system is stopped, the respective humidifying water shut valves are closed, the humidifying water is confined between the respective humidifying water shut valves, and the respective fluids are gradually discharged, and the humidifying water is gradually discharged. The fuel cell system according to claim 1.
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