JP2005032652A - Fuel cell system - Google Patents

Fuel cell system Download PDF

Info

Publication number
JP2005032652A
JP2005032652A JP2003272477A JP2003272477A JP2005032652A JP 2005032652 A JP2005032652 A JP 2005032652A JP 2003272477 A JP2003272477 A JP 2003272477A JP 2003272477 A JP2003272477 A JP 2003272477A JP 2005032652 A JP2005032652 A JP 2005032652A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
fuel
fuel cell
gas
hydrogen
circulation path
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
JP2003272477A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Takeshi Aso
剛 麻生
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nissan Motor Co Ltd filed Critical Nissan Motor Co Ltd
Priority to JP2003272477A priority Critical patent/JP2005032652A/en
Publication of JP2005032652A publication Critical patent/JP2005032652A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To make the operation of a fuel cell continuable even when an abnormality has occurred in a circulating pump for circulation of fuel offgas. <P>SOLUTION: A hydrogen circulating type fuel cell system which is provided with the fuel cell 1, an air feeding means and a hydrogen feeding means to feed air which is oxidant gas, and hydrogen which is fuel gas, to the fuel cell 1, a circulating path 6 and the fuel circulating pump 7 to feed the exhausted fuel offgas from the fuel cell 1 again to the fuel cell 1, is provided with an abnormality detecting means detecting any abnormality of the fuel circulating pump 7 and a valve 8 as a circulating path opening and closing means, for opening and closing the circulating path 6 are provided. Then, when an abnormality is detected in the fuel circulating pump 7 by the abnormality detecting means, the circulating path 6 is closed by the valve 8 so that the fuel offgas from the fuel cell 1 is not fed to the fuel circulating pump 7. Operation is carried out in a so called dead end method, in a state with the fuel offgas sealed inside the closed path. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、燃料電池システムに関するものであり、特に、燃料電池から排出された燃料オフガスを循環させる燃料循環ポンプを備え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 including a fuel circulation pump that circulates a fuel off-gas discharged from the fuel cell.

近年の環境問題、特に自動車等の排出ガスによる大気汚染や二酸化炭素による地球温暖化の問題等に対する対策として、クリーンな排気及び高エネルギ効率を可能とする燃料電池技術が注目を浴びている。燃料電池システムは、燃料となる水素及び酸化剤となる空気を燃料電池の水素極及び空気極に供給して電気化学反応を起こし、化学エネルギを電気エネルギに変換するエネルギ変換システムである。   As a countermeasure against environmental problems in recent years, particularly air pollution caused by exhaust gas from automobiles, global warming due to carbon dioxide, etc., fuel cell technology that enables clean exhaust and high energy efficiency has attracted attention. The fuel cell system is an energy conversion system that supplies hydrogen as fuel and air as an oxidant to the hydrogen electrode and air electrode of the fuel cell to cause an electrochemical reaction and convert chemical energy into electric energy.

このような燃料電池システムの形態としては、燃料電池の高出力化及び水素の利用効率向上を実現するものとして、燃料電池で使用されなかった未使用の水素(燃料ガス)を循環させ、再度燃料電池へと供給して再利用する水素循環方式の燃料電池システムが知られている(例えば、特許文献1等を参照。)。   As a form of such a fuel cell system, unused hydrogen (fuel gas) that has not been used in the fuel cell is circulated and fuel is reused in order to realize high output of the fuel cell and improvement of hydrogen utilization efficiency. A hydrogen circulation type fuel cell system that is supplied to a battery and reused is known (see, for example, Patent Document 1).

特許文献1記載の燃料電池システムでは、燃料電池から排出された燃料オフガスを、燃料循環ポンプの駆動によって循環経路を介してメインの経路に戻し、燃料供給源から新たに供給される燃料ガスと混合して再び燃料電池に供給するようにしている。
特開2002−289237号公報
In the fuel cell system described in Patent Document 1, the fuel off-gas discharged from the fuel cell is returned to the main path through the circulation path by driving the fuel circulation pump, and mixed with the fuel gas newly supplied from the fuel supply source Then, the fuel cell is supplied again.
JP 2002-289237 A

ところで、水素循環方式の燃料電池システムでは、燃料オフガスを循環させるための燃料循環ポンプに異常が発生すると、燃料ガスの適切な供給ができなくなり、燃料電池の運転の継続が困難になるという問題がある。例えば、車載用の燃料電池システムを考えた場合、燃料循環ポンプの異常発生時に直ちに燃料電池システム全体がダウンしてしまい、車両が停止状態になってしまうのは大きな問題である。車両の突然の停止を回避するには、燃料循環ポンプの異常発生時にも燃料電池の運転を継続し得るような何らかの対策を講ずることが必要である。   By the way, in the hydrogen circulation type fuel cell system, if an abnormality occurs in the fuel circulation pump for circulating the fuel off gas, the fuel gas cannot be properly supplied, and it is difficult to continue the operation of the fuel cell. is there. For example, when considering an in-vehicle fuel cell system, it is a big problem that the entire fuel cell system goes down immediately when an abnormality occurs in the fuel circulation pump and the vehicle is stopped. In order to avoid a sudden stop of the vehicle, it is necessary to take some measures so that the operation of the fuel cell can be continued even when an abnormality occurs in the fuel circulation pump.

本発明は、このような従来の燃料電池システムの有する欠点を解消べく創案されたものであって、燃料オフガスを循環させるための燃料循環ポンプに異常が発生した場合にも、燃料電池の運転を継続することが可能で、例えば車載用の燃料電池システムにおいて、車両の突然の停止を回避することが可能な新規な燃料電池システムを提供することを目的とする。   The present invention was devised to eliminate the drawbacks of the conventional fuel cell system, and even when an abnormality occurs in the fuel circulation pump for circulating the fuel off-gas, the operation of the fuel cell is performed. An object of the present invention is to provide a novel fuel cell system that can be continued, for example, in an in-vehicle fuel cell system, in which a sudden stop of the vehicle can be avoided.

本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、燃料電池から排出された燃料オフガスを再び燃料電池に供給するための循環経路及び燃料循環ポンプとを基本構成とし、このような燃料電池システムにおいて、前記目的を達成するために、燃料循環ポンプの異常を検出する異常検出手段と、循環経路を開閉する循環経路開閉手段とを設けるようにした。そして、異常検出手段により燃料循環ポンプの異常が検出された場合に、燃料電池からの燃料オフガスが燃料循環ポンプへ供給されないように循環経路開閉手段により循環経路を閉鎖して、燃料オフガスを閉鎖された経路内に閉じ込めた状態とするようにした。   The fuel cell system of the present invention includes a fuel cell, an oxidant gas supply means for supplying an oxidant gas to the fuel cell, a fuel gas supply means for supplying the fuel gas to the fuel cell, and a fuel off-gas discharged from the fuel cell. And a fuel circulation pump for supplying the fuel cell again to the fuel cell, and in such a fuel cell system, in order to achieve the object, an abnormality detection means for detecting an abnormality of the fuel circulation pump; Circulation path opening / closing means for opening and closing the circulation path is provided. When the abnormality of the fuel circulation pump is detected by the abnormality detection means, the circulation path is closed by the circulation path opening / closing means so that the fuel offgas from the fuel cell is not supplied to the fuel circulation pump, and the fuel offgas is closed. It was made to be in a state of being confined in the route.

以上のような本発明の燃料電池システムでは、燃料循環ポンプの異常が検出された場合には、循環経路が閉鎖されて、燃料ガスを供給する方式が循環方式から循環が行われないデッドエンド方式へと移行することになる。デッドエンド方式では、燃料電池への燃料ガス流入量は、燃料電池の発電で消費されただけの量と等しくなり、燃料循環ポンプに異常があっても、燃料電池の運転は継続される。   In the fuel cell system of the present invention as described above, when an abnormality of the fuel circulation pump is detected, the circulation path is closed, and the method of supplying the fuel gas is a dead end method in which circulation is not performed from the circulation method Will be moved to. In the dead end system, the amount of fuel gas flowing into the fuel cell is equal to the amount consumed by the power generation of the fuel cell, and the operation of the fuel cell is continued even if there is an abnormality in the fuel circulation pump.

デッドエンド方式では、燃料ガスの利用率が100%であり、このように燃料ガスの利用率が極めて高い状態での運転は、燃料電池の出力を低下させる原因となる。しかしながら、短時間の運転であれば問題はなく、例えば、車載用の燃料電池システムでは、デッドエンド方式での短時間の運転によって車両を安全な場所まで移動させることができる。さらに、適正な制御を行うことで、ある程度継続的な運転も可能となる。   In the dead end system, the fuel gas utilization rate is 100%, and the operation in such a state where the fuel gas utilization rate is extremely high causes the output of the fuel cell to decrease. However, there is no problem as long as the driving is performed for a short time. For example, in a vehicle-mounted fuel cell system, the vehicle can be moved to a safe place by a short-time driving in a dead end system. Further, by performing appropriate control, it is possible to continue operation to some extent.

本発明の燃料電池システムによれば、燃料循環ポンプの異常を検出する異常検出手段と、燃料オフガスの循環経路を開閉する循環経路開閉手段とを設け、燃料循環ポンプの異常を検出した場合に、燃料電池からのオフガスが循環ポンプへ供給されないように循環経路を閉鎖し、燃料オフガスを閉鎖された経路内に閉じ込めた状態とするようにしているので、燃料循環ポンプに異常が生じた場合でも、いわゆるデッドエンド方式により燃料電池の運転を継続することが可能である。したがって、例えば車載用の燃料電池システムにおいて、車両の突然の停止を回避することが可能である。   According to the fuel cell system of the present invention, when an abnormality detecting means for detecting an abnormality of the fuel circulation pump and a circulation path opening / closing means for opening and closing the circulation path of the fuel off gas are provided, and an abnormality of the fuel circulation pump is detected, The circulation path is closed so that off gas from the fuel cell is not supplied to the circulation pump, and the fuel off gas is confined in the closed path, so even if an abnormality occurs in the fuel circulation pump, It is possible to continue the operation of the fuel cell by a so-called dead end system. Therefore, for example, in a vehicle-mounted fuel cell system, it is possible to avoid a sudden stop of the vehicle.

以下、本発明を適用した燃料電池システムの実施形態について、図面を参照して説明する。   Hereinafter, embodiments of a fuel cell system to which the present invention is applied will be described with reference to the drawings.

図1は、本実施形態の燃料電池システムの要部構成を示すものである。本実施形態の燃料電池システムは、図1に示すように、燃料ガスである水素及び酸化剤ガスである空気の供給により発電を行う燃料電池1を備えている。   FIG. 1 shows a main configuration of the fuel cell system according to the present embodiment. As shown in FIG. 1, the fuel cell system of this embodiment includes a fuel cell 1 that generates power by supplying hydrogen as a fuel gas and air as an oxidant gas.

燃料電池1は、水素が供給される燃料極と空気が供給される空気極とが電解質・電極触媒複合体を挟んで重ね合わされた発電セルが多段積層された構造を有し、電気化学反応により化学エネルギを電気エネルギに変換するものである。各発電セルの燃料極では、水素が供給されることで水素イオンと電子とが解離し、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させて、空気極側にそれぞれ移動する。また、空気極では、供給された空気中の酸素と前記水素イオン及び電子が反応して水が生成され、外部に排出される。   The fuel cell 1 has a structure in which a power generation cell in which a fuel electrode to which hydrogen is supplied and an air electrode to which air is supplied is overlapped with an electrolyte / electrode catalyst composite interposed therebetween is stacked in a multistage manner. It converts chemical energy into electrical energy. At the fuel electrode of each power generation cell, hydrogen ions and electrons are dissociated when hydrogen is supplied, hydrogen ions pass through the electrolyte, electrons generate power through an external circuit, and move to the air electrode side. To do. In the air electrode, oxygen in the supplied air reacts with the hydrogen ions and electrons to generate water, which is discharged to the outside.

燃料電池1の電解質としては、高エネルギ密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、例えば固体高分子電解質が用いられる。固体高分子電解質は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン(プロトン)伝導性の高分子膜からなるものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。   As the electrolyte of the fuel cell 1, for example, a solid polymer electrolyte is used in consideration of high energy density, low cost, light weight, and the like. The solid polymer electrolyte is made of an ion (proton) conductive polymer film such as a fluororesin ion exchange membrane, and functions as an ion conductive electrolyte when saturated with water.

前記燃料電池1においては、燃料ガスである水素や酸化剤ガスである空気を燃料極や空気極に供給する必要があり、燃料電池システムには、そのための機構として水素供給手段及び空気供給手段が設けられている。   In the fuel cell 1, it is necessary to supply hydrogen, which is a fuel gas, or air, which is an oxidant gas, to a fuel electrode or an air electrode. The fuel cell system includes a hydrogen supply unit and an air supply unit as mechanisms for this purpose. Is provided.

水素供給手段は、例えば、燃料ガスである水素を貯蔵する水素貯蔵手段2と、水素貯蔵手段2からの水素を任意の圧力に調整する圧力制御弁3と、燃料電池1に供給する水素の経路となる水素供給配管4とを有する。そして、水素供給源である水素貯蔵手段2から供給される水素が、圧力制御弁3で減圧され、水素供給配管4を通って燃料電池1の水素極に送り込まれるようになっている。また、水素供給配管4の燃料電池1の手前位置には加湿手段5が設けられており、燃料電池1に供給される水素が、この加湿手段5によって加湿されるようになっている。   The hydrogen supply means includes, for example, a hydrogen storage means 2 that stores hydrogen as a fuel gas, a pressure control valve 3 that adjusts the hydrogen from the hydrogen storage means 2 to an arbitrary pressure, and a hydrogen path that supplies the fuel cell 1 And a hydrogen supply pipe 4. Then, the hydrogen supplied from the hydrogen storage means 2 that is a hydrogen supply source is decompressed by the pressure control valve 3 and sent to the hydrogen electrode of the fuel cell 1 through the hydrogen supply pipe 4. Further, a humidifying means 5 is provided at a position in front of the fuel cell 1 in the hydrogen supply pipe 4, and hydrogen supplied to the fuel cell 1 is humidified by the humidifying means 5.

本実施形態の燃料電池システムは、水素循環方式の燃料電池システムとして構成されており、燃料電池1で消費されずに燃料電池1から排出される水素(燃料電池1から排出される燃料オフガス)が循環されて、新たに水素貯蔵手段2から供給される水素と混合されて、再び燃料電池1の水素極に供給されるようになっている。そして、このための機構として、本実施形態の燃料電池システムには、燃料電池1から排出された燃料オフガスを再び燃料電池1に供給するための循環経路6及び燃料循環ポンプ7が設けられている。   The fuel cell system of this embodiment is configured as a hydrogen circulation type fuel cell system, and hydrogen discharged from the fuel cell 1 without being consumed by the fuel cell 1 (fuel off-gas discharged from the fuel cell 1) is generated. It is circulated and newly mixed with hydrogen supplied from the hydrogen storage means 2 and supplied again to the hydrogen electrode of the fuel cell 1. As a mechanism for this, the fuel cell system of this embodiment is provided with a circulation path 6 and a fuel circulation pump 7 for supplying the fuel off-gas discharged from the fuel cell 1 to the fuel cell 1 again. .

また、前記循環経路6の入口側付近には、循環経路6を開閉する循環経路開閉手段として、当該循環経路6を遮断しこれを閉鎖し得るバルブ8が設けられている。このバルブ8を閉じることにより、燃料電池1からの燃料オフガスが燃料循環ポンプ7へ供給されないように循環経路6が閉鎖され、オフガスは閉鎖された経路(燃料電池1)内に閉じ込められた状態となる。   Further, a valve 8 capable of blocking the circulation path 6 and closing it is provided as a circulation path opening / closing means for opening and closing the circulation path 6 in the vicinity of the inlet side of the circulation path 6. By closing the valve 8, the circulation path 6 is closed so that the fuel off-gas from the fuel cell 1 is not supplied to the fuel circulation pump 7, and the off-gas is confined in the closed path (fuel cell 1). Become.

バルブ8は、燃料循環ポンプ7に異常が発生したときに循環経路6を閉鎖するように作動する。ここで、燃料循環ポンプ7が異常であるか否かの判定は、例えば、燃料循環ポンプ7の回転数を検出して、所望の回転数となっていないことを検出することにより行えばよい。または、燃料循環ポンプ7の出入り口の水素圧力を検出し、出入り口の圧力差が所望に値になっていないことを検出することにより行ってもよく、あるいは、燃料循環ポンプ7の出口の水素圧力を検出し、該圧力が所望に値になっていないことを検出することにより行ってもよい。いずれにしても、採用する検出方法に応じて、燃料循環ポンプ7の異常を検出する異常検出手段を設けておけばよい。   The valve 8 operates to close the circulation path 6 when an abnormality occurs in the fuel circulation pump 7. Here, the determination of whether or not the fuel circulation pump 7 is abnormal may be performed by detecting, for example, the rotational speed of the fuel circulation pump 7 and detecting that the desired rotational speed is not reached. Alternatively, it may be performed by detecting the hydrogen pressure at the inlet / outlet of the fuel circulation pump 7 and detecting that the pressure difference at the inlet / outlet is not a desired value, or the hydrogen pressure at the outlet of the fuel circulation pump 7 may be changed. Detection may be performed by detecting that the pressure does not have a desired value. In any case, an abnormality detection means for detecting an abnormality of the fuel circulation pump 7 may be provided according to the detection method employed.

さらに、燃料電池1の出口側には、前記循環経路6から分岐して水素排気配管9が設けられており、この水素排気配管9には、必要に応じて水素排気配管9を開放してパージ動作を行うためのパージ弁10が設けられている。水素循環方式の燃料電池システムでは、水素の循環に伴って循環経路6内に窒素やCO等の不純物が蓄積し、水素分圧が降下していくため、燃料電池1の効率が低下する。そこで、不純物濃度が高くなった場合や、燃料電池システム起動時には、パージ弁10を開放して、循環経路6内のガスをパージすることで、循環経路6内から不純物を除去するようにしている。   Further, a hydrogen exhaust pipe 9 is provided on the outlet side of the fuel cell 1 so as to branch from the circulation path 6. The hydrogen exhaust pipe 9 is purged by opening the hydrogen exhaust pipe 9 as necessary. A purge valve 10 is provided for performing the operation. In the hydrogen circulation type fuel cell system, impurities such as nitrogen and CO accumulate in the circulation path 6 as the hydrogen circulates, and the hydrogen partial pressure decreases, so the efficiency of the fuel cell 1 decreases. Therefore, when the impurity concentration becomes high or when the fuel cell system is started, the purge valve 10 is opened and the gas in the circulation path 6 is purged to remove impurities from the circulation path 6. .

一方、空気供給手段は、図示は省略するが、外気を吸入し燃料電池1の空気極に空気を圧送するためのコンプレッサ、マイクロダストや硫黄分、コンプレッサから排出されるオイル等をトラップするフィルタ及び空気供給配管と、空気極排ガスを排出するための空気排気配管及び供給される空気の圧力を所望の圧力に制御する圧力制御弁等から構成されており、前記コンプレッサにより空気が空気供給配管に送り込まれ、燃料電池1の空気極に供給されるようになっている。また、燃料電池1で消費されなかった酸素及び空気中の他の成分は、空気排気配管から排出されるようになっている。   On the other hand, although not shown, the air supply means includes a compressor for sucking outside air and pumping the air to the air electrode of the fuel cell 1, a filter for trapping microdust and sulfur, oil discharged from the compressor, and the like. It consists of an air supply pipe, an air exhaust pipe for discharging the air electrode exhaust gas, a pressure control valve for controlling the pressure of the supplied air to a desired pressure, etc., and air is fed into the air supply pipe by the compressor Thus, the fuel cell 1 is supplied to the air electrode. Further, oxygen and other components in the air that have not been consumed in the fuel cell 1 are discharged from the air exhaust pipe.

以上が本実施形態の燃料電池システムの概略構成であるが、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料循環ポンプ7に異常が発生した場合に、燃料電池1への水素の供給方式を循環方式からデッドエンド方式へと移行させ、燃料電池1の運転を継続させるようにしている。このときの制御フローを図2に示す。   The above is the schematic configuration of the fuel cell system of the present embodiment. In the fuel cell system of the present embodiment, when an abnormality occurs in the fuel circulation pump 7, the hydrogen supply method to the fuel cell 1 is changed from the circulation method. The system is shifted to the dead end system and the operation of the fuel cell 1 is continued. The control flow at this time is shown in FIG.

図2の制御フローは、通常運転中に実行されるプログラムジョブの中で、燃料循環ポンプ7の異常を検出し、異常と判定された場合に実行されるものである。   The control flow in FIG. 2 is executed when an abnormality of the fuel circulation pump 7 is detected and determined to be abnormal in a program job executed during normal operation.

本実施形態の燃料電池システムでは、通常運転時には、水素を循環利用するため、バルブ8は開放、パージ弁10は閉じた状態として、燃料電池1から排出される水素(燃料オフガス)を燃料循環ポンプ7によって循環させて、水素貯蔵手段2から新たに供給される水素と混合して、再び燃料電池1に供給するようにしている。また、循環経路6内の水素濃度が低下した場合等、必要に応じてパージ弁10を開放して、パージ動作を行うような制御が適時実行される。   In the fuel cell system of the present embodiment, during normal operation, hydrogen is circulated and used, so that the valve 8 is open and the purge valve 10 is closed, and hydrogen (fuel offgas) discharged from the fuel cell 1 is supplied as a fuel circulation pump. 7 is mixed with the hydrogen newly supplied from the hydrogen storage means 2 and supplied to the fuel cell 1 again. In addition, when the hydrogen concentration in the circulation path 6 is lowered, the purge valve 10 is opened as necessary, and control for performing a purge operation is executed in a timely manner.

燃料循環ポンプ7の異常が判定されて、図2の制御フローが開始されると、燃料電池1の出口側の流路がバルブ8及びパージ弁10で閉じられ、水素供給方式を循環方式から、循環が行われない、いわゆるデッドエンド方式へと切り替える切替え制御が行われる。   When the abnormality of the fuel circulation pump 7 is determined and the control flow of FIG. 2 is started, the flow path on the outlet side of the fuel cell 1 is closed by the valve 8 and the purge valve 10, and the hydrogen supply method is changed from the circulation method. Switching control for switching to a so-called dead end system in which circulation is not performed is performed.

すなわち、ステップS1でバルブ8を閉じ、これにより燃料電池1から排出される水素は循環されず、バルブ8とパージ弁10とで閉鎖された経路が構成される。この結果、燃料電池1への流入水素量は、燃料電池1の発電に消費されただけの量と等しくなり、水素の利用率は100%となる。このような水素利用率が極めて高い状態での運転は、燃料電池1の出力特性を低下させる虞れがある。   That is, in step S1, the valve 8 is closed, whereby hydrogen discharged from the fuel cell 1 is not circulated, and a closed path is formed by the valve 8 and the purge valve 10. As a result, the amount of hydrogen flowing into the fuel cell 1 is equal to the amount consumed for power generation of the fuel cell 1, and the utilization rate of hydrogen is 100%. Such operation with a very high hydrogen utilization rate may reduce the output characteristics of the fuel cell 1.

例えば、燃料電池1内の水素流路の出口側末端に近い部分においては、そこでの水素の流速が入口端と比べて遅くなるので、流路内にできた凝縮水を移動させることが困難となり、その結果、反応面積が減ることになり、反応が悪くなる可能性がある。また、同じく水素流路の出口側末端においては、水素以外の成分の増加の影響を受け、水素分圧が低下して反応が悪くなる虞れもある。   For example, in the portion close to the outlet end of the hydrogen flow path in the fuel cell 1, the hydrogen flow rate there is slower than that at the inlet end, making it difficult to move the condensed water formed in the flow path. As a result, the reaction area is reduced, and the reaction may be worsened. Similarly, at the outlet side end of the hydrogen flow path, there is a possibility that the reaction is worsened due to the decrease in the hydrogen partial pressure due to the influence of an increase in components other than hydrogen.

後者のような水素分圧が低下した際の燃料電池1の特性の低下は、ある電流値以上の領域において顕著となり、その結果、燃料電池1の電圧が急激に低下する。そこで、燃料電池1の特性の急激な低下をできるだけ防止するために、燃料電池1の運転条件を変更し、また、燃料電池1の運転時の出力制限を行うように制御内容の切り替えを行う。その内容を以下に説明する。   The latter deterioration of the characteristics of the fuel cell 1 when the hydrogen partial pressure is reduced becomes significant in a region where a certain current value is exceeded, and as a result, the voltage of the fuel cell 1 rapidly decreases. Therefore, in order to prevent the characteristics of the fuel cell 1 from drastically decreasing as much as possible, the operation conditions of the fuel cell 1 are changed, and the control content is switched so as to limit the output during the operation of the fuel cell 1. The contents will be described below.

先ず、ステップS2において、燃料電池1の運転圧力が循環方式での運転時より高められるように、燃料電池1の運転条件が設定され、これに応じて水素供給手段や空気供給手段の動作制御が実施される。これにより、燃料電池1の水素極に流入する水素の全圧が高まり、水素以外の成分割合が増加していても、水素分圧をできるだけ高い状態とし、拡散分極の影響を小さくすることが可能となる。   First, in step S2, the operating conditions of the fuel cell 1 are set so that the operating pressure of the fuel cell 1 is higher than when operating in the circulation system, and the operation control of the hydrogen supply means and the air supply means is performed accordingly. To be implemented. As a result, even if the total pressure of hydrogen flowing into the hydrogen electrode of the fuel cell 1 increases and the ratio of components other than hydrogen increases, the hydrogen partial pressure can be kept as high as possible, and the influence of diffusion polarization can be reduced. It becomes.

運転圧力の高め方としては、負荷に応じた可変圧運転がされているシステムであれば、通常運転時に低圧な運転を行っている領域において、その運転圧をある係数倍だけ上げる方法でも良く、あるいは、前記低圧な運転を行っている領域も含めて、システムが許容する最高運転圧一定で運転する方法でも良い。   As a method of increasing the operating pressure, if the system is operated with variable pressure according to the load, a method of increasing the operating pressure by a factor of a factor may be used in a region where low pressure operation is performed during normal operation. Alternatively, a method of operating at a constant maximum operating pressure allowed by the system, including the region where the low-pressure operation is performed, may be used.

次に、ステップS3において、パージを行うタイミングを判定するロジックの切り替えが設定され、以降、このロジックに基づいてパージが必要と判断されたときに、パージ弁10を所定時間開放させる制御が行われる。これは、デッドエンド方式での運転は、水素を循環しながら運転する場合と比較して、ガス流路上に凝縮水が貯まり易く、あるいは、水素以外の成分の増加の影響を受け易いので、パージの頻度を多くすることで、これらによる燃料電池1の特性の悪化を防止することを狙いとしている。   Next, in step S3, logic switching for determining the timing for purging is set, and thereafter, when it is determined that purging is necessary based on this logic, control for opening the purge valve 10 for a predetermined time is performed. . This is because the operation in the dead end system is more likely to accumulate condensed water on the gas flow path or to be affected by an increase in components other than hydrogen, compared with the case of operation while circulating hydrogen. This is intended to prevent the deterioration of the characteristics of the fuel cell 1 due to these factors.

ロジック切り替え後のパージ判定としては、循環方式の場合における定期的な頻度を基準に、予め実験等で求めた係数を乗じて求めてもよく、あるいは、燃料電池1の運転条件から水素経路内の窒素濃度を推定し、パージを行うと判定する基準値を通常の循環運転時に対して低くすることで頻度を高めるように設定してもよい。なお、水素経路内の窒素濃度の推定方法としては、電解質膜の諸元、運転圧力、運転温度から、空気極からの窒素のクロスオーバー量を算出し、水素経路内体積と比較して、その濃度を求める方法等を挙げることができる。   The purge determination after the logic switching may be obtained by multiplying a coefficient obtained in advance through experiments or the like on the basis of the periodic frequency in the case of the circulation method, or based on the operating conditions of the fuel cell 1 The frequency may be set to be higher by estimating the nitrogen concentration and lowering the reference value for determining purging as compared with the normal circulation operation. As a method of estimating the nitrogen concentration in the hydrogen path, the amount of nitrogen crossover from the air electrode is calculated from the specifications of the electrolyte membrane, the operating pressure, and the operating temperature, and compared with the volume in the hydrogen path. A method for obtaining the concentration can be exemplified.

次いで、ステップS4において、燃料電池1の運転時に出力制限を行い、出力特性が急激に低下する領域で運転されないような制御に設定する。制限される出力値の算出方法としては、デッドエンド運転時の燃料電池1内の水素経路出口部付近の水素分圧を推定し、その推定された水素分圧からネルンストの式を用いて出力電圧を求め、出力電圧が急激に低下する前の電流値を最大電流値とする方法等を挙げることができる。水素分圧の推定方法としては、前述の窒素濃度を推定し、両ガス成分の比率から求めても良い。   Next, in step S4, output restriction is performed when the fuel cell 1 is operated, and control is set so that the fuel cell 1 is not operated in a region where the output characteristics rapidly decrease. As a calculation method of the limited output value, the hydrogen partial pressure near the hydrogen path outlet in the fuel cell 1 during the dead-end operation is estimated, and the output voltage is calculated from the estimated hydrogen partial pressure using the Nernst equation. And a method of setting the current value before the output voltage rapidly decreases to the maximum current value. As a method for estimating the hydrogen partial pressure, the above-described nitrogen concentration may be estimated and obtained from the ratio of both gas components.

さらに、ステップS5において、加湿手段5の加湿量を通常運転時より低減、あるいは加湿を停止するよう制御する。これにより、特に燃料電池1の水素流路の出口付近における過剰な加湿状態を回避し、大電流域でのフラッディング防止を図る。なお、前記加湿量の低減あるいは加湿の停止は、大電流域においてのみ、また時間を限定して行われるようにしてもよく、これにより、低負荷域等、フラッディングの虞れがない運転状態における加湿の不足を防止することが可能となる。   Further, in step S5, control is performed so that the humidification amount of the humidifying means 5 is reduced or the humidification is stopped compared with the normal operation. This avoids excessive humidification, particularly near the outlet of the hydrogen flow path of the fuel cell 1, and prevents flooding in a large current region. In addition, the reduction of the humidification amount or the stop of the humidification may be performed only in a large current region or for a limited time, so that in an operation state where there is no possibility of flooding such as a low load region. It becomes possible to prevent shortage of humidification.

以上のように、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料となる水素ガスを循環する燃料循環ポンプ7に異常が生じた後にも、水素の供給方式を循環方式からデッドエンド方式へと切り替えることで、燃料電池1の運転を継続させることが可能である。また、水素の供給方式をデッドエンド方式に切り替えたときに、これに対応させるように運転圧力やパージ頻度、最大取り出し電流値、加湿制御等の切り替えを行うことで、燃料電池1の出力特性の低下を抑えることができ、ある程度継続的な運転も可能となる。   As described above, in the fuel cell system according to the present embodiment, the hydrogen supply method is switched from the circulation method to the dead-end method even after an abnormality occurs in the fuel circulation pump 7 that circulates the hydrogen gas as the fuel. The operation of the fuel cell 1 can be continued. Further, when the hydrogen supply method is switched to the dead end method, the output characteristics of the fuel cell 1 are changed by switching the operation pressure, the purge frequency, the maximum extraction current value, the humidification control, etc. so as to correspond to this. The decrease can be suppressed, and the operation can be continued to some extent.

本発明を適用した燃料電池システムの要部構成を示す図である。It is a figure which shows the principal part structure of the fuel cell system to which this invention is applied. 本発明を適用した燃料電池システムにおいて、燃料循環ポンプに異常が発生した場合に実行される制御フローを示すフローチャートである。6 is a flowchart showing a control flow executed when an abnormality occurs in the fuel circulation pump in the fuel cell system to which the present invention is applied.

符号の説明Explanation of symbols

1 燃料電池
2 水素貯蔵手段
5 加湿手段
6 循環経路
7 燃料循環ポンプ
8 バルブ
10 パージ弁
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell 2 Hydrogen storage means 5 Humidification means 6 Circulation path 7 Fuel circulation pump 8 Valve 10 Purge valve

Claims (5)

燃料電池と、
前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料電池から排出された燃料オフガスを再び燃料電池に供給するための循環経路及び燃料循環ポンプと、
前記燃料循環ポンプの異常を検出する異常検出手段と、
前記循環経路を開閉する循環経路開閉手段とを備え、
前記異常検出手段により前記燃料循環ポンプの異常が検出された場合に、前記燃料電池からの燃料オフガスが前記燃料循環ポンプへ供給されないように前記循環経路開閉手段により前記循環経路を閉鎖して、前記燃料オフガスを閉鎖された経路内に閉じ込めた状態とすることを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell;
An oxidant gas supply means for supplying an oxidant gas to the fuel cell;
Fuel gas supply means for supplying fuel gas to the fuel cell;
A circulation path and a fuel circulation pump for supplying the fuel off-gas discharged from the fuel cell to the fuel cell again;
An abnormality detecting means for detecting an abnormality of the fuel circulation pump;
Circulation path opening and closing means for opening and closing the circulation path,
When the abnormality of the fuel circulation pump is detected by the abnormality detection means, the circulation path is closed by the circulation path opening / closing means so that the fuel off-gas from the fuel cell is not supplied to the fuel circulation pump, A fuel cell system in which fuel off-gas is confined in a closed path.
前記循環経路開閉手段により前記循環経路を閉鎖して、前記燃料オフガスを閉鎖された経路内に閉じ込めた状態とした場合に、前記燃料電池に供給される酸化剤ガス及び燃料ガスの運転圧力が高くなるように、前記酸化剤ガス供給手段及び前記燃料ガス供給手段を制御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。 When the circulation path is closed by the circulation path opening / closing means and the fuel off gas is confined in the closed path, the operating pressure of the oxidant gas and the fuel gas supplied to the fuel cell is high. The fuel cell system according to claim 1, wherein the oxidant gas supply unit and the fuel gas supply unit are controlled. 前記循環経路内の燃料オフガスを外部へ排出するパージ動作を行うパージ弁を更に備え、
前記循環経路開閉手段により前記循環経路を閉鎖して、前記燃料オフガスを閉鎖された経路内に閉じ込めた状態とした場合に、パージ動作の頻度が高くなるように前記パージ弁の開閉を制御することを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池システム。
A purge valve for performing a purge operation for discharging the fuel off-gas in the circulation path to the outside;
Controlling the opening and closing of the purge valve so as to increase the frequency of the purge operation when the circulation path is closed by the circulation path opening and closing means and the fuel off gas is confined in the closed path. The fuel cell system according to claim 1, wherein:
前記循環経路開閉手段により前記循環経路を閉鎖して、前記燃料オフガスを閉鎖された経路内に閉じ込めた状態とした場合に、前記燃料電池の発電量を減少させるように出力制限を行うことを特徴とする請求項1乃至3の何れかに記載の燃料電池システム。 When the circulation path is closed by the circulation path opening / closing means and the fuel off gas is confined in the closed path, output restriction is performed so as to reduce the power generation amount of the fuel cell. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3. 前記燃料電池に供給される燃料ガスを加湿するための加湿手段を更に備え、
前記循環経路開閉手段により前記循環経路を閉鎖して、前記燃料オフガスを閉鎖された経路内に閉じ込めた状態とした場合に、前記燃料ガスへの加湿量が減少するように前記加湿手段を制御することを特徴とする請求項1乃至4の何れかに記載の燃料電池システム。
Further comprising humidifying means for humidifying the fuel gas supplied to the fuel cell;
When the circulation path is closed by the circulation path opening / closing means and the fuel off gas is confined in the closed path, the humidification means is controlled so that the humidification amount to the fuel gas is reduced. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, wherein
JP2003272477A 2003-07-09 2003-07-09 Fuel cell system Withdrawn JP2005032652A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2003272477A JP2005032652A (en) 2003-07-09 2003-07-09 Fuel cell system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2003272477A JP2005032652A (en) 2003-07-09 2003-07-09 Fuel cell system

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2005032652A true JP2005032652A (en) 2005-02-03

Family

ID=34210021

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2003272477A Withdrawn JP2005032652A (en) 2003-07-09 2003-07-09 Fuel cell system

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2005032652A (en)

Cited By (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005032502A (en) * 2003-07-10 2005-02-03 Toyota Motor Corp Fuel cell system
JP2006331863A (en) * 2005-05-26 2006-12-07 Toyota Motor Corp Fuel cell system and control method
WO2007018106A1 (en) * 2005-08-09 2007-02-15 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell system, and method for estimating fuel pole nitrogen concentration in fuel cell
WO2007119621A1 (en) * 2006-04-11 2007-10-25 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell system
JP2008041611A (en) * 2006-08-10 2008-02-21 Equos Research Co Ltd Fuel cell system
JP2008177101A (en) * 2007-01-19 2008-07-31 Toyota Motor Corp Fuel cell system
JP2008262824A (en) * 2007-04-12 2008-10-30 Toyota Motor Corp Fuel cell system
JP2009032416A (en) * 2007-07-24 2009-02-12 Toyota Motor Corp Fuel cell system
JP2012256613A (en) * 2012-09-04 2012-12-27 Nissan Motor Co Ltd Fuel cell system
US8541120B2 (en) 2006-03-22 2013-09-24 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell system and operation method for fuel cell system
JP2014002939A (en) * 2012-06-19 2014-01-09 Honda Motor Co Ltd Method for detecting fault in circulation pump
CN105609814A (en) * 2014-11-14 2016-05-25 丰田自动车株式会社 Fuel cell system
JP2018125069A (en) * 2017-01-30 2018-08-09 パナソニックIpマネジメント株式会社 Fuel cell system and method for operating the same
EP3573158A1 (en) 2018-05-23 2019-11-27 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Fuel cell system
JP2021531622A (en) * 2018-07-10 2021-11-18 クミンス エンタープライズ エルエルシー Fuel cell system and its control method

Cited By (25)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005032502A (en) * 2003-07-10 2005-02-03 Toyota Motor Corp Fuel cell system
JP4529387B2 (en) * 2003-07-10 2010-08-25 トヨタ自動車株式会社 Fuel cell system
JP2006331863A (en) * 2005-05-26 2006-12-07 Toyota Motor Corp Fuel cell system and control method
US7736814B2 (en) 2005-08-09 2010-06-15 Toyota Jidosha Kabushiki Kaihsa Fuel-cell system and method of estimating nitrogen concentration on fuel electrode of fuel cell
WO2007018106A1 (en) * 2005-08-09 2007-02-15 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell system, and method for estimating fuel pole nitrogen concentration in fuel cell
US8541120B2 (en) 2006-03-22 2013-09-24 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell system and operation method for fuel cell system
WO2007119621A1 (en) * 2006-04-11 2007-10-25 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell system
DE112007000575T5 (en) 2006-04-11 2009-02-26 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha, Toyota-shi The fuel cell system
JP2008041611A (en) * 2006-08-10 2008-02-21 Equos Research Co Ltd Fuel cell system
JP2008177101A (en) * 2007-01-19 2008-07-31 Toyota Motor Corp Fuel cell system
JP2008262824A (en) * 2007-04-12 2008-10-30 Toyota Motor Corp Fuel cell system
DE112008000960T5 (en) 2007-04-12 2010-01-28 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha, Toyota-shi Fuel cell system and method for controlling the fuel cell system
US8790834B2 (en) 2007-04-12 2014-07-29 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell system and method for controlling the fuel cell system
JP2009032416A (en) * 2007-07-24 2009-02-12 Toyota Motor Corp Fuel cell system
JP2014002939A (en) * 2012-06-19 2014-01-09 Honda Motor Co Ltd Method for detecting fault in circulation pump
JP2012256613A (en) * 2012-09-04 2012-12-27 Nissan Motor Co Ltd Fuel cell system
CN105609814A (en) * 2014-11-14 2016-05-25 丰田自动车株式会社 Fuel cell system
JP2016096047A (en) * 2014-11-14 2016-05-26 トヨタ自動車株式会社 Fuel cell system
US9819035B2 (en) 2014-11-14 2017-11-14 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell system
JP2018125069A (en) * 2017-01-30 2018-08-09 パナソニックIpマネジメント株式会社 Fuel cell system and method for operating the same
EP3573158A1 (en) 2018-05-23 2019-11-27 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Fuel cell system
JP2019207869A (en) * 2018-05-23 2019-12-05 パナソニックIpマネジメント株式会社 Fuel cell system
US10971741B2 (en) 2018-05-23 2021-04-06 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Fuel cell system
JP7257639B2 (en) 2018-05-23 2023-04-14 パナソニックIpマネジメント株式会社 fuel cell system
JP2021531622A (en) * 2018-07-10 2021-11-18 クミンス エンタープライズ エルエルシー Fuel cell system and its control method

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1992035B1 (en) Fuel cell system with regeneration of electrode activity during start or stop
JP4715103B2 (en) Fuel cell system
JP2004055287A (en) Hydrogen purge control device
JP2007035509A (en) Fuel cell system
JP2011508947A (en) Combustion of hydrogen at the cathode of a fuel cell at start-up
JP2005032652A (en) Fuel cell system
US20170179507A1 (en) Method For Shutting Down A System Containing a Fuel Cell Stack and System Comprising a Fuel Cell Stack
JPWO2018029859A1 (en) Catalyst degradation recovery device and catalyst degradation recovery method
US20120225364A1 (en) Method of stopping operation of fuel cell system
JP2004127621A (en) Purge hydrogen diluting device of fuel cell
JP2006196402A (en) Control unit of fuel cell system
JP5164014B2 (en) Fuel cell system and control method thereof
JP2006086015A (en) Fuel cell system
JP2004178845A (en) Fuel cell system
JP5722669B2 (en) Control method of fuel cell system
JP2005166424A (en) Fuel cell system
JP2007323863A (en) Fuel cell system and shutdown method of fuel cell
JP2008112597A (en) Fuel cell system
EP2056387B1 (en) Fuel cell system and scavenging method therefor
JP2008165994A (en) Control device of fuel cell system, and fuel cell system
JP2005108698A (en) Fuel cell system
JP4564347B2 (en) Fuel cell system
JP2006190571A (en) Control device for fuel cell
JP2020009598A (en) Fuel cell system and operation method thereof
JP2006019121A (en) Fuel cell system

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20060529

A761 Written withdrawal of application

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A761

Effective date: 20090908