JP2005100846A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は燃料電池の劣化防止に関するものである。 The present invention relates to prevention of deterioration of a fuel cell.
従来、燃料電池の停止時に水素極の劣化を防止するために、排気水素及び供給水素を酸化剤ガスと混ぜ、燃焼器によって燃焼を行い、生成された不活性ガスを水素極へ充填させるものが、特許文献1に開示されている。
しかし、上記の発明では、燃料電池の停止時に水素をパージするために排気水素を酸化剤ガスと混ぜ、燃焼し、それによって生成された不活性ガスを水素極へ供給しているが、排気水素と酸化剤ガスとを燃焼させるために燃焼器を設けているので、重量の増加やコストの増加といった問題点がある。 However, in the above invention, exhaust hydrogen is mixed with an oxidant gas in order to purge hydrogen when the fuel cell is stopped, burns, and the inert gas generated thereby is supplied to the hydrogen electrode. Since the combustor is provided to burn the gas and the oxidant gas, there are problems such as an increase in weight and an increase in cost.
本発明ではこのような問題点を解決するために発明されたもので、不活性ガスの充填により燃料電池の劣化を防止でき、燃焼器を必要とせずに燃料電池システムを小型にすることを目的とする。 The present invention was devised to solve such problems, and it is possible to prevent deterioration of the fuel cell by filling with an inert gas, and to reduce the size of the fuel cell system without requiring a combustor. And
本発明では、燃料電池システムにおいて、燃料電池の停止処理を行う際に、水素極と酸素極の各排出流路を遮断する流路遮断手段と、酸素極から排出される排出ガスを酸素極へ循環させる循環流路と、循環流路と接続するガス蓄積手段と、不活性ガスの濃度が高くなった排出ガスを蓄えるガス蓄積手段へ導入するガス導入手段と、ガス蓄積手段から水素極へ供給する排出酸化剤ガスが流れる排出ガス供給流路と、循環流路と排出ガス供給流路とをそれぞれ遮断可能に切り換える流路切換手段と、燃料電池への燃料供給を停止した後の燃料電池の発電状態を推定する発電状態推定手段と、その発電状態に基づいてガス蓄積手段から不活性ガスを水素極へ送り込むガス送出手段と、発電状態推定手段によって推定される燃料電池の発電量に基づいて循環流路と排出酸化剤ガス流路とを切り換え、ガス送出手段によって排出ガスを水素極へ充填する排出ガス充填制御手段と、を備える。 In the present invention, when performing stop processing of the fuel cell in the fuel cell system, the channel blocking means for blocking the discharge channel of the hydrogen electrode and the oxygen electrode, and the exhaust gas discharged from the oxygen electrode to the oxygen electrode Circulating circulation path, gas accumulation means connected to the circulation flow path, gas introduction means for introducing gas accumulation means for storing exhaust gas having a high concentration of inert gas, and supply from the gas accumulation means to the hydrogen electrode The exhaust gas supply flow path through which the exhaust oxidant gas flows, the flow path switching means for switching the circulation flow path and the exhaust gas supply flow path to be cut off, and the fuel cell after the fuel supply to the fuel cell is stopped. Based on the power generation state estimation means for estimating the power generation state, the gas delivery means for sending the inert gas from the gas storage means to the hydrogen electrode based on the power generation state, and the power generation amount of the fuel cell estimated by the power generation state estimation means Switching the circulation flow path and the discharge oxidizing gas passage, and a discharge gas filling control means for filling the hydrogen electrode exhaust gas by a gas delivery means.
本発明によると、燃料電池を停止する際に排出ガスを酸素極へ循環させることで排出ガス中の酸素を消費し、排出ガス中の不活性ガスの濃度を高め、その不活性ガスをガス蓄積手段へ蓄積し、水素極の水素がほぼ無くなると、そのガスを水素極へ供給し、充填することで水素極の劣化を防止することができる。また、燃焼器などを用いないために、システムを小型にすることができる。 According to the present invention, when the fuel cell is stopped, the exhaust gas is circulated to the oxygen electrode to consume oxygen in the exhaust gas, to increase the concentration of the inert gas in the exhaust gas, and to store the inert gas in the gas When the hydrogen is accumulated in the means and the hydrogen at the hydrogen electrode almost disappears, the gas can be supplied to the hydrogen electrode and filled to prevent deterioration of the hydrogen electrode. In addition, since the combustor or the like is not used, the system can be downsized.
本発明の第1実施形態の構成を図1の構成図を用いて説明する。 The configuration of the first embodiment of the present invention will be described with reference to the configuration diagram of FIG.
本発明の第1実施形態は、水素極1aに供給された水素と酸素極1bに供給された酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池1を備える。また、燃料電池1の発電量を検出する電圧検出手段として電圧検出装置17を備える。
The first embodiment of the present invention includes a
燃料系40は、図示しない水素ボンベなどから供給される水素の流量を制御する水素供給弁3と、水素供給弁3によって流量を制御された水素を水素極1aへ供給する流路となる水素供給流路2を備える。さらに、水素極1aから排出される排出酸化剤ガスを外部へ排出する際の流路となる水素排出流路4と、排出ガスの流量を制御する流路遮断手段である水素排出弁5を備える。
The
また、酸化剤系41は、図示しないコンプレッサなどから供給される酸化剤ガス、例えば空気、の流量を制御する酸化剤ガス供給弁7と、酸化剤ガス供給弁7によって流量を制御された酸化剤ガスを酸素極1bへ供給する流路となる酸化剤ガス供給流路6を備える。さらに、酸素極1bから排出される排出酸化剤ガスの流路となる酸化剤ガス排出流路8と、排出酸化剤ガスの流量を制御する流路遮断手段である酸化剤ガス排出弁9を備える。
The oxidant system 41 includes an oxidant gas supply valve 7 that controls the flow rate of an oxidant gas, such as air, supplied from a compressor (not shown), and an oxidant whose flow rate is controlled by the oxidant gas supply valve 7. An oxidant gas supply channel 6 serving as a channel for supplying gas to the
また、排出酸化剤ガス循環系42は、酸化剤ガス排出流路8と酸化剤ガス供給流路6とを接続し、酸素極1bを循環する排出酸化剤ガスが通る循環流路である酸化剤ガス循環流路10と、酸化剤ガス循環流路10への排出酸化ガスの流入を制御する流量制御弁15と、排出酸化剤ガスを循環させるポンプ11と、酸素極1bへ供給する排出酸化剤ガスを制御する流量制御弁16とを備える。
The exhaust oxidant
また、酸素極1bを循環することで酸素を消費して酸素濃度が低くなり、不活性ガス濃度が高くなった排出酸化剤ガスを蓄積するガス蓄積手段であるガスタンク13を備える。ガスタンク13は、内部にピストン13aで仕切られたガス収容室13bを有しており、ピストン13aに連結したピストンロッド13cをモータ29で駆動することで、ピストン13aはモータ29の動きと連動してガス収容室13bの容積を変化させ、ガスタンク13内に排出酸化剤ガスを吸引、またはガスタンク13から排出する。例えば、ピストンロッド13cにラックを形成し、モータ29の回転軸にピニオンを設け、ラックとピニオンを噛み合わせピストン13aの動力機構とする。この場合排出酸化剤ガスを吸引するときにはガス吸入手段、また排出するときにはガス送出手段として、ピストン13aがガスタンク13内に排出酸化剤ガスを吸入したり、押し出したりする。
Further, a
また、不活性ガス供給系43は、ガスタンク13のガス収容室13bから水素極1aへ不活性ガス濃度の高い排出酸化剤ガスを供給するための排出ガス供給流路である不活性ガス供給流路12と、その排出酸化剤ガス流量を制御する流量制御手段である不活性ガス流量制御弁14とを備える。
The inert
また、本発明の燃料電池システムを制御する制御手段としてコントローラ30を備える。コントローラ30は燃料電池1の運転と停止とを原則的に次のように制御する。
Moreover, the
通常運転時には、水素供給弁3によって流量を制御された水素は、水素供給流路2を通り燃料電池1の水素極1aに供給され、燃料電池1の発電により消費された排出水素は水素排出弁5によって流量を調整され、外部へ排出される。
During normal operation, the hydrogen whose flow rate is controlled by the
酸化剤ガス供給弁7によって流量を制御された酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給流路6を通り燃料電池1の酸素極1bに供給され、燃料電池1での反応後に排出される排出酸化剤ガスは、通常時では酸化剤ガス排出流路8を通り、酸化剤ガス排出弁9によって流量を調整され、外部へ排出される。
The oxidant gas whose flow rate is controlled by the oxidant gas supply valve 7 is supplied to the
これに対して、燃料電池1を停止するときに行う停止処理では、酸化剤ガス排出弁9を閉じ、流量制御弁15、16を開き、ポンプ11を起動させることで、酸素極1bから排出される排出酸化剤ガスは酸化剤ガス循環流路10を通り、酸素極1bを循環させられる。排出酸化剤ガスを酸素極1bへ循環させることで、燃料電池1は発電量を減少させつつも、排出酸化剤ガス中の酸素が消費されるので酸素濃度が低くなり、酸素極1bで消費されない不活性ガス濃度が高くなる。そして、酸素濃度が十分に低くなるとモータ29によってピストン13a動かしてガスタンク13のガス収容室13bの容積を大きくし、ガス収容室13bに不活性ガス濃度の高い排出酸化剤ガス(以下、ガスタンク13に蓄えられた不活性ガス濃度の高い排出酸化剤ガスを不活性ガスとする)を蓄積する。ここでは不活性ガスは空気中に含まれる窒素である。
On the other hand, in the stop process performed when the
燃料電池1での発電量が所定値よりも小さくなると、流量制御弁15、16を閉じ、ポンプ11を停止し、不活性ガス流量制御弁14を開く(流量制御弁15、16、及び不活性ガス流量制御弁14が流路切換手段を形成する)。そしてモータ29によってピストン13aを動かしてガスタンク13のガス収容室13bの容積を小さくし、ガス収容室13bに蓄えられた不活性ガスを水素極1aへ供給し、残留水素を排出し、水素極1aに不活性ガスを充填させる。
When the power generation amount in the
次にコントローラ30の制御動作を図2のタイムチャートに従って詳しく説明する。なお、酸素濃度と不活性ガス濃度はコントローラ30による制御から予測されるものである。
Next, the control operation of the
t0において燃料電池1は稼働しており、この時には水素供給弁3と水素排出弁5、及び酸化剤ガス供給弁7と酸化剤ガス排出弁9は開いており、燃料電池1での発電に必要な水素と酸化剤ガスの流量をそれぞれの供給弁の開度によって制御している。また、流量制御弁15、16と不活性ガス流量制御弁14は閉じている。これにより燃料電池1の水素極1a、酸素極1bから排出される発電後の余剰な水素、酸化剤を含む各排出ガスは外部へと排出される。
At time t0, the
t1において燃料電池1の停止処理が開始される。ここではまず、酸化剤ガス排出弁9を閉じ、流量制御弁15、16を開き、ポンプ11を始動する。これにより酸素極1bから排出される排出酸化剤ガスは、酸化剤ガス循環流路10へ流入し、酸素極1bを循環する。
The stop process of the
そしてt2において、ポンプ11の回転数が十分に高くなり安定すると、モータ29によってピストン13aを動かしてガスタンク13のガス収容室13bの容積を徐々に増やし、ガス収容室13bに不活性ガスを蓄積させる。なお、ガス収容室13bの容積分が増えるので、酸化剤ガス循環流路10を含め循環する酸化剤ガスのボリュームが増え、また一時的に酸素濃度も高くなる。その後、循環を繰り返すうちに酸素極1bによって排出酸化剤ガス中の酸素が消費され、酸素濃度は次第に低くなる。また、酸素濃度が低くなることで、燃料電池1での発電電力が減少し、電圧検出装置17で検出される電圧が次第に低くなる。この場合、モータ29によるピストン13aの移動速度を遅くすることにより、ガス収容室13bの容積を徐々に増やし、酸素極1b内の圧力変動を小さくし、圧力変動による酸素極1bの破損を防ぐようにする。更に、酸素極1bの圧力低下による酸素極1bの劣化を防ぐために外部より酸化剤ガスを供給し、酸素極1bの圧力を、酸素極1bが劣化しない圧力範囲に調整する。なお、酸素極1bの圧力は図示しない圧力計によって検出する。
At t2, when the rotational speed of the
循環している排出酸化剤ガスの酸素が消費され、酸素濃度が低くなると燃料電池1の反応が小さくなる。t3において電圧検出装置17で検出される電圧が水素供給停止電圧V1より低くなると、水素極1aに水素を新たに供給する必要がないと判断し、水素供給弁3を閉じて水素極1aへの水素供給を停止する。ここで水素供給停止電圧V1は予め実験などにより求められた電圧である。また、酸化剤ガス供給弁7を閉じ、外部からの酸化剤ガス供給を停止する。その後、発電に使用する水素は水素極1a内の残留水素を使用する。これにより水素極1a内に水素を残留させることなく消費することができる。
When the oxygen in the circulating exhaust oxidant gas is consumed and the oxygen concentration becomes low, the reaction of the
そして排出酸化剤ガス中の酸素量が更に少なくなり、電圧検出装置17で検出される電圧が更に低くなり、t4において不活性ガス供給開始電圧V2になると、水素極1a内の残留水素が消費され、更に排出酸化剤ガス中の酸素も十分に消費され、またガス収容室13bに不活性ガスが十分に蓄積されていると判断し、流量制御弁15、16を閉じ、ポンプ11を停止し、排出酸化剤ガスの循環を停止する。また、不活性ガス流量制御弁14を開き、モータ29によってピストン13aを押して、ガス収容室13bに蓄積した不活性ガスの水素極1aへの供給を開始する。ここで不活性ガス供給開始電圧V2は予め実験などにより求められた値である。
When the amount of oxygen in the exhaust oxidant gas is further reduced, the voltage detected by the
その後t5において水素極1aでは、ほとんど残っていない残留水素が排出され、その代わりに不活性ガスが十分に充填されたので、水素排出弁5と不活性ガス流量制御弁14を閉じ停止処理を完了する(t4からt5までが排出ガス充填制御手段を構成する)。
Thereafter, at t5, the
なお、この実施形態では燃料電池1の発電状態を計るために電圧検出装置17を使用したが、その代わりにセル電圧のばらつき度合いを測定する装置を用いても良い。
In this embodiment, the
また、ガス収容室13bの最大容積Vtは、図3に示すように水素極1aの容積と、ガス収容室13bから水素極1aまでの流路容積と、燃料電池1から水素排出弁5までの水素排出流路4の流路容積との合計容積である水素極側容積Vhと同じ、もしくはそれ以上とする。これによりガス収容室13bに蓄えた不活性ガスによって水素極1aを充填できる。この際、ガス収容室13bの最大容積Vtと水素極側容積Vhが同じ場合は、水素排出側から空気が逆流する恐れがあるので、水素排出弁5を閉じる時期はt4より以前に閉じることも可能である。
Further, the maximum volume Vt of the
本発明の第1実施形態の効果について説明する。 The effect of 1st Embodiment of this invention is demonstrated.
燃料電池1を停止させるときに酸素極1bから排出される排出酸化剤ガスを酸化剤ガス循環流路10によって酸素極1bへ循環させ、循環するにつれて不活性ガス濃度の高くなった排出酸化剤ガスをガス収容室13bへ蓄積し、その後ガス収容室13bから水素極1aへ不活性ガスを供給、充填することで、燃料電池1停止中の燃料電池1の劣化を防止することができる。また、燃焼器などを用いずに、酸化剤ガス循環流路10にガスタンク13を備えるという簡単な構成で燃料電池1の停止後の水素極1aに不活性ガスを充填することができるので、燃料電池システムを小型にすることができる。
The exhaust oxidant gas discharged from the
ガス収容室13bに不活性ガスを蓄積する際に、ピストン13aの移動速度を小さくすることで、酸素極1bの圧力変動を小さくし、また排出酸化剤ガスの酸素が消費されても、外部より酸化剤ガスを供給し酸素極1bの圧力を調整するので、酸素極1bの劣化を防ぐことができる。
When accumulating the inert gas in the
本発明の第2実施形態の構成を図4を用いて説明する。 The configuration of the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
第2実施形態については第1実施形態と異なる部分を中心に説明する。この実施形態では第1実施形態の構成に加え、水素供給流路2に圧力検出手段である圧力計18を設ける。この圧力計18は水素極1aの圧力を検出する。また、コントローラ30には圧力計18によって検出された圧力に基づいて水素極1aの圧力変動が所定の範囲に収まるように不活性ガス流量制御弁14の開度を調整する不活性ガス供給制御機能を有する。これにより、水素の消費、または不活性ガス流入による水素極1aの圧力変動を規制する。制御方法としてはPI制御などを用いる。
The second embodiment will be described with a focus on differences from the first embodiment. In this embodiment, in addition to the configuration of the first embodiment, a
コントローラ30による制御動作を図5のタイムチャートに従って説明する。
The control operation by the
ここでt0からt2までの制御については、第1実施形態のt0からt2と同じなのでここでの説明は省略する。 Here, the control from t0 to t2 is the same as that from t0 to t2 in the first embodiment, and a description thereof will be omitted.
循環している排出酸化剤ガスの酸素が消費され、酸素濃度が低くなると燃料電池1の反応が小さくなる。t3において電圧検出装置17で検出される電圧が水素供給停止電圧V1より低くなると、水素極1aに水素を新たに供給する必要がないと判断し、水素供給弁3を閉じて水素極1aへの水素供給を停止する。また、酸化剤ガス供給弁7を閉じ、外部からの酸化剤ガス供給を停止する。ここで水素供給停止電圧V1は予め実験などにより求められた電圧である。その後、発電に使用する水素は水素極1a内の残留水素を使用する。これにより水素極1a内に水素を残留させることなく消費することができる。水素極1aにおいて残留水素が消費されるとその消費された水素の圧力が減少するが、圧力計18によって検出された水素極1aの圧力に応じて不活性ガス流量制御弁14の開度を調整し、排出酸化剤ガスを水素極1aに供給し、水素極1a内の圧力を所定範囲内に収まるように制御する。
When the oxygen in the circulating exhaust oxidant gas is consumed and the oxygen concentration becomes low, the reaction of the
そして電圧検出装置17で検出される電圧が更に低くなり、t4において不活性ガス供給開始電圧V2になると、水素極1a内の残留水素が更に消費され、またガス収容室13b内に不活性ガスが十分に蓄積されていると判断し、流量制御弁15、16を閉じ、ポンプ11を停止し、排出酸化剤ガスの循環を停止する。また、不活性ガス流量制御弁14を更に開き、モータ29によってピストン13aを押して、ガス収容室13b内に蓄積した不活性ガスの水素極1aへの供給を開始する。これにより水素極1aに不活性ガスを充填していくことができる。ガス収容室13bから不活性ガスを水素極1aに供給すると水素極1aの圧力が高くなるが、圧力計18によって水素極1aの圧力を検出し、その圧力に応じて不活性ガス流量制御弁14を徐々に開くことで水素極1aの圧力が急激に高くならないように制御する。これにより水素極1aの破損を防ぐことができる。
When the voltage detected by the
水素極1a内の圧力が安定し、残留水素が排出され、不活性ガスが充填されるとt5において水素排出弁5と不活性ガス流量制御弁14を閉じ、燃料電池の停止処理を終了する。
When the pressure in the
本発明の第2実施形態の効果について説明する。 The effect of 2nd Embodiment of this invention is demonstrated.
水素供給弁3を閉じた後に水素極1aの圧力低下に応じて、排気酸化剤ガスを水素極1aに供給することで、水素極1aの急激な圧力低下を防ぐことができ、またガス収容室13bから不活性ガスを水素極1aに充填するときには、不活性ガス流量制御弁14を水素極1aの圧力に応じて徐々に開くことで、水素極1aの急激な圧力上昇を防ぐことができ、燃料電池1の破損を防ぐことができる。
By supplying the exhaust oxidant gas to the
本発明の第3実施形態の構成を図6を用いて説明する。 The configuration of the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
第3実施形態については図1と異なる部分を中心に説明する。この実施形態は第1実施形態の構成に加え、水素供給弁3の上流に水素流量検出手段として流量計19を備える。コントローラ30は、排出酸化剤ガスを循環させる場合に排出酸化剤ガス中に含まれる酸素を消費させるために必要な水素量を算出する。また、流量計19によって検出される水素の流量を積算する。これにより、燃料電池1の停止処理において必要な水素のみを水素極1aへ正確に供給し、不要な水素供給を防ぐようにする。
The third embodiment will be described with a focus on differences from FIG. This embodiment includes a
ここで、水素量の算出方法について説明する。 Here, a method for calculating the hydrogen amount will be described.
図3に示すように酸素極1bの容積と、排出酸化剤ガス循環系42(ガス収容室13bは最大容積)の流路容積と、排出酸化剤ガスが循環するときに通る酸化剤ガス供給流路6と酸化剤ガス排出流路8の流路容積の合計となる酸素側容積V0中の酸素を燃料電池1の発電によって消費するために必要な水素は、酸素側容積V0中の酸素のモル数より少なくとも2倍のモル数が必要となる。まず、酸素側容積V0の空気モル数N(Air)は、
N(Air)mol=V0×P0/(R×T0) (1)
ただし、P0:酸素極周りの平均圧力、R:気体定数、T0:平均温度、である。
と表すことができ、空気の比重を28.96gとして空気の比重を前記(1)にかけると排出酸化ガスの空気重量となり、排出酸化ガスの構成比率を窒素80%、酸素20%とすると、排出酸化ガス中の酸素モル数N(O2)は、
N(O2)mol=N(Air)×28.96×0.2/32 (2)
となる。この酸素を燃料電池1で消費するために必要な水素のモル数N(H2)は前記(2)式の2倍必要となるので、
N(H2)mol=2N(O2)mol (3)
となる。これにより排出酸化ガス中の酸素を消費するために必要な水素のモル数を算出することができる。ここで酸素極1b周りの平均圧力と平均温度は、図示しない圧力計と温度計で測定する。
As shown in FIG. 3, the volume of the
N (Air) mol = V0 × P0 / (R × T0) (1)
However, P0: average pressure around the oxygen electrode, R: gas constant, T0: average temperature.
When the specific gravity of air is 28.96 g and the specific gravity of air is applied to the above (1), it becomes the air weight of exhausted oxidant gas, and the composition ratio of exhausted oxidant gas is 80% nitrogen and 20% oxygen, The number of moles of oxygen N (O2) in the exhausted oxidizing gas is
N (O2) mol = N (Air) × 28.96 × 0.2 / 32 (2)
It becomes. Since the number of moles of hydrogen N (H2) necessary for consuming this oxygen in the
N (H2) mol = 2N (O2) mol (3)
It becomes. This makes it possible to calculate the number of moles of hydrogen necessary for consuming oxygen in the exhausted oxidant gas. Here, the average pressure and the average temperature around the
次にコントローラ30による制御動作を図7のタイムチャートに従って説明する。
Next, the control operation by the
t0において燃料電池1が稼働しており、この時には水素供給弁3と水素排出弁5、及び酸化剤ガス供給弁7と酸化剤ガス排出弁9は開いており、流量制御弁15、16と不活性ガス流量制御弁14は閉じている。これにより燃料電池1の水素極1a、酸素極1bから排出される発電後の余剰水素、酸化剤を含む各排出ガスは外部へと排出される。
At time t0, the
t1において燃料電池1の停止処理が開始される。ここではまず、酸化剤ガス排出弁9を閉じ、流量制御弁15、16を開き、ポンプ11が始動する。これにより酸素極1bから排出される排出酸化剤ガスは、酸化剤ガス循環流路10へ流入し、酸素極1bを循環する。また、流量計19によって測定された水素流量の積算を開始する。
The stop process of the
そしてt2において、ポンプ11の回転数が十分に高くなり安定すると、モータ29によってピストン13aを動かしてガス収容室13bの容積を徐々に増やし、ガス収容室13bに不活性ガスを蓄積させる。なお、ガス収容室13bの容積分が増えるので、酸化剤ガス循環流路10を含め循環する酸化剤ガスのボリュームが増え、また一時的に酸素濃度も高くなる。その後、循環を繰り返すうちに酸素極1bによって排出酸化剤ガス中の酸素が消費され、酸素濃度は次第に低くなる。また、酸素濃度が低くなることで、燃料電池1での発電電力が減少し、電圧検出装置17で検出される電圧が次第に低くなる。この場合、モータ29によるピストン13aの移動速度を遅くすることにより、ガス収容室13bの容積を徐々に増やし、酸素極1b内の圧力変動を小さくし、圧力変動による酸素極1bの破損を防ぐようにする。更に、酸素極1bの圧力低下による酸素極1bの劣化を防ぐために外部より酸化剤ガスを供給し、酸素極1bの圧力を、酸素極1bが劣化しない圧力範囲に調整する。なお、酸素極1bの圧力は図示しない圧力計によって検出する。
When the rotational speed of the
次にt3において、時間t1〜t3までの間に流量計19によって検出された水素流量を積算した水素量が、前記(3)式により算出された水素量に達すると、排出酸化ガス中の酸素を消費するために必要な水素が水素極1aに供給されたと判断し、水素供給弁3を閉じて燃料電池1の水素極1aへ水素の供給を停止する。また、酸化剤ガス供給弁7を閉じ、外部からの酸化剤ガス供給を停止する。その後、発電に使用する水素は水素極1a内の残留水素を使用する。これにより水素極1a内に水素を残留させることなく消費することができる。
Next, at t3, when the amount of hydrogen obtained by integrating the hydrogen flow rate detected by the
その後のt4以降の制御については第1実施形態と同じなので、ここでの説明は省略する。 Subsequent control after t4 is the same as in the first embodiment, and a description thereof is omitted here.
本発明の第3実施形態の効果について説明する。 The effect of the third embodiment of the present invention will be described.
排出酸化ガス中の酸素量に応じて、燃料電池1の停止処理に必要な水素量を算出し、また流量計19によって検出した水素流量を積算し、積算した水素流量が算出した水素量に達すると水素極1aへの水素供給を止め、必要な水素量だけを水素極1aに供給するので、燃料電池1の停止における水素の不足量、または余剰量を少なくすることができ、燃料電池1の劣化を更に防ぐことができる。
The amount of hydrogen necessary for the stop process of the
本発明の第4実施形態の構成を図8を用いて説明する。 The configuration of the fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
第4実施形態については図1と異なる部分を中心に説明する。この実施形態は第1実施形態の構成に加え、酸化剤ガス循環流路10に排出酸化ガス中の酸素濃度を測定する酸素濃度検出手段として酸素濃度センサ20を備える。また、コントローラ30には酸素濃度センサ20に基づいて水素極1aへの不活性ガス供給を判断し、不活性ガス供給制御弁14を制御する不活性ガス供給制御機能を有する。これにより、排出酸化剤ガス中の酸素濃度を正確に測定し、酸素濃度が十分に低い不活性ガスを水素極1aへ充填する。
The fourth embodiment will be described with a focus on differences from FIG. In this embodiment, in addition to the configuration of the first embodiment, the oxidant
次にコントローラ30による制御動作を図9のタイムチャートに従って説明する。
Next, the control operation by the
ここでt0からt2までについては第1実施形態と同じなので、ここでの説明は省略する。 Here, since t0 to t2 are the same as those in the first embodiment, description thereof is omitted here.
t3において、ガス収容室13bの容積が最大となると酸素濃度判定処理を開始する。この処理は、酸素濃度センサ20によって排出酸化剤ガス中の酸素濃度を検出し、酸素極1bへの循環により排出酸化剤ガス中の酸素が消費され、不活性ガス濃度が高まっているかを判断する。
At t3, when the volume of the
酸素極1bを循環している排出酸化剤ガスの酸素が消費され、酸素濃度が低くなると燃料電池1の反応が小さくなり、t4において電圧検出装置17で検出される電圧が水素供給停止電圧V1より低くなると、水素極1aに水素を新たに供給する必要がないと判断し、水素供給弁3を閉じて水素極1aへの水素供給を停止する。また、酸化剤ガス供給弁7を閉じ、外部からの酸化剤ガス供給を停止する。ここで水素供給停止電圧電圧V1は予め実験などにより求められた電圧である。その後、発電に使用する水素は水素極1a内の残留水素を使用する。これにより水素極1a内に水素を残留させることなく消費することができる。
When the oxygen in the exhaust oxidant gas circulating in the
そしてt5において、酸素濃度センサ20によって検出された酸素濃度が不活性ガス供給濃度N1よりも低くなると、ガス収容室13bに酸素を十分に消費した不活性ガスが蓄積されていると判断し、流量制御弁15、16を閉じ、ポンプ11を停止し、排出酸化剤ガスの循環を停止する。また、不活性ガス流量制御弁14を開き、モータ29によりピストン13aを押してガス収容室13bに蓄積した不活性ガスの水素極1aへの供給を開始する。これにより水素極1aに不活性ガスを充填させることができる。ここで不活性ガス供給濃度N1は予め実験などにより求められた酸素濃度である。
When the oxygen concentration detected by the
その後t6において、水素極1aではほとんど残っていない残留水素が排出され、その代わりに不活性ガスが十分に充填されたので、水素排出弁4と不活性ガス流量制御弁14を閉じ停止処理を完了する。
After that, at t6, the residual hydrogen that hardly remains at the
本発明の第4実施形態の効果について説明する。 The effect of 4th Embodiment of this invention is demonstrated.
酸素濃度センサ20によって排出酸化剤ガス中の酸素濃度を検出するので、酸素極1bにおける酸素消費を正確に検出し、さらにその濃度に基づいてガス収容室13bから不活性ガスを水素極1aへ供給、充填を開始するので、正確な濃度の不活性ガスを素早く供給することができ、充填を開始するまでの時間を短縮することができる。
Since the oxygen concentration in the exhaust oxidant gas is detected by the
本発明の第5実施形態の構成を図10を用いて説明する。 The configuration of the fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
第5実施形態については図1と異なる部分を中心に説明する。この実施形態では第1実施形態の構成に加え、水素極1aからの排出水素を循環させるポンプ23と、ポンプ23によって循環する排出水素の流路となる水素循環流路24と、水素循環流路24への排出水素流量を制御する流量制御弁22と、ポンプ23から水素供給流路2への排出水素流量を制御する流量制御弁21とを備える。これにより、燃料電池1の停止処理を行う際に、水素極1aから排出される排出水素を水素極1aへ循環させ、残留水素を消費させる。
The fifth embodiment will be described with a focus on differences from FIG. In this embodiment, in addition to the configuration of the first embodiment, a
次にコントローラ30による制御動作を図11のタイムチャートに従って説明する。
Next, the control operation by the
t0において燃料電池1が稼働しており、この時水素供給弁3と水素排出弁5、及び酸化剤ガス供給弁7と酸化剤ガス排出弁9は開いており、流量制御弁15、16と不活性ガス流量制御弁14は閉じている。また、流量制御弁21、22は開いており、ポンプ23は稼働している。これにより燃料電池1の酸素極1bから排出される排出酸化剤ガスは外部へと排出され、水素極1aから排出される排出水素の一部は、水素循環流路24を通り、水素極1aへ再び供給され、消費される。
At time t0, the
t1からt4以前までについては、流量制御弁21、22とポンプ23ではt0においての制御を継続させる。その他の制御については第1実施形態と同じなので、ここでの説明は省略する。
From t1 to before t4, the
そして更に排出酸化剤ガス中の酸素量が更に少なくなり、電圧検出装置17で検出される電圧が更に低くなり、t4において予め設定された不活性ガス供給開始電圧V2になると、水素極1a内の残留水素が消費され、更に酸化剤ガス中の酸素も消費され、またガスタンク13内に不活性ガスが十分に蓄積されていると判断し、流量制御弁15、16を閉じ、ポンプ11を停止し、排出酸化剤ガスの循環を停止する。さらに流量制御弁21、22を閉じ、ポンプ23を停止する。また、不活性ガス流量制御弁14を開き、モータ29によってピストン13aを押して、ガス収容室13bに蓄積した不活性ガスの水素極1aへの供給を開始する。これにより水素極1aに不活性ガスを充填させることができる。
Further, when the amount of oxygen in the exhaust oxidant gas is further reduced, the voltage detected by the
その後t5において、水素極1aのほとんど残っていない残留水素が排出され、その代わりに不活性ガスが十分に充填されたので、水素排出弁5と不活性ガス流量制御弁14を閉じ停止処理を完了する。
After that, at t5, the residual hydrogen that hardly remains in the
本発明の第5実施形態の効果について説明する。 The effect of 5th Embodiment of this invention is demonstrated.
燃料電池1を停止する際に、水素循環流路24に残留水素を循環させ、酸化剤ガスと同じく水素濃度を低減してから水素極1aへ不活性ガスを充填するので、残留水素の外部への排出量を極力少なくしつつ、燃料電池1の劣化を防止することができる。
When the
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。 It goes without saying that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes various modifications and improvements that can be made within the scope of the technical idea.
燃料電池を使用する様々な分野で利用することができるが、特に起動、停止を頻繁に行う、燃料電池自動車に利用することができる。 The present invention can be used in various fields where fuel cells are used. In particular, it can be used in fuel cell vehicles that are frequently started and stopped.
1 燃料電池
2 水素供給流路
3 水素供給弁
5 水素排出弁(流路遮断手段)
9 酸化剤排出弁(流路遮断手段)
10 酸化剤ガス循環流路(循環流路)
11 ポンプ
12 不活性ガス供給流路
13 ガスタンク(ガス蓄積手段)
13a ピストン
13b ガス収容室
14 不活性ガス流量制御弁(流量制御手段)
17 電圧検出装置(発電状態推定手段)
18 圧力計(圧力検出手段)
19 流量計(水素流量検出手段)
20 酸素濃度センサ(酸素濃度検出手段)
24 水素循環流路
29 モータ
DESCRIPTION OF
9 Oxidant discharge valve (channel blocking means)
10 Oxidant gas circulation channel (circulation channel)
11
17 Voltage detector (power generation state estimation means)
18 Pressure gauge (pressure detection means)
19 Flow meter (hydrogen flow rate detection means)
20 Oxygen concentration sensor (oxygen concentration detection means)
24 Hydrogen
Claims (9)
前記燃料電池の停止処理時に前記水素極と前記酸素極の各排出流路を遮断する流路遮断手段と、
前記燃料電池の停止処理時に、前記酸素極から排出される不活性ガスを含む排出ガスを前記酸素極へ循環させる循環流路と、
前記循環流路と接続するガス蓄積手段と、
前記循環流路を循環し、不活性ガス濃度が高くなった排出ガスを前記ガス蓄積手段へ導入するガス導入手段と、
前記ガス蓄積手段と前記水素極を接続する排出ガス供給流路と、
前記循環流路と前記排出ガス供給流路とをそれぞれ遮断可能に切り換える流路切換手段と、
前記燃料電池への前記水素と前記酸化剤の供給を停止した後の前記燃料電池の発電状態を推定する発電状態推定手段と、
前記ガス蓄積手段から前記水素極へ前記排出ガスを送り込むガス送出手段と、
前記発電状態推定手段によって推定された前記燃料電池の発電量が所定値以下になると、前記流路切換手段によって前記循環流路を遮断し、かつ前記排出ガス供給流路を導通させ、前記ガス送出手段によって前記ガス蓄積手段から前記排出ガスを前記水素極へ送出、充填する排出ガス充填制御手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。 In a fuel cell system comprising a fuel cell that generates electricity by a reaction between hydrogen supplied to a hydrogen electrode and an oxidant supplied to an oxygen electrode,
A flow path blocking means for blocking each discharge flow path of the hydrogen electrode and the oxygen electrode during the stop process of the fuel cell;
A circulation flow path for circulating exhaust gas containing an inert gas exhausted from the oxygen electrode to the oxygen electrode during a stop process of the fuel cell;
Gas accumulating means connected to the circulation channel;
A gas introduction means for circulating the circulation passage and introducing the exhaust gas having a high inert gas concentration into the gas accumulation means;
An exhaust gas supply passage connecting the gas storage means and the hydrogen electrode;
Channel switching means for switching between the circulation channel and the exhaust gas supply channel so that they can be blocked;
Power generation state estimation means for estimating the power generation state of the fuel cell after stopping the supply of the hydrogen and the oxidant to the fuel cell;
Gas delivery means for delivering the exhaust gas from the gas accumulation means to the hydrogen electrode;
When the power generation amount of the fuel cell estimated by the power generation state estimation means becomes a predetermined value or less, the flow path switching means shuts off the circulation flow path and makes the exhaust gas supply flow path conductive, and the gas delivery A fuel cell system comprising: exhaust gas filling control means for sending and filling the exhaust gas from the gas storage means to the hydrogen electrode.
前記発電状態推定手段は、前記電圧検出手段によって検出された前記燃料電池の電圧に基づいて前記燃料電池の発電状態を推定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。 Voltage detecting means for detecting the power generation voltage of the fuel cell;
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the power generation state estimation unit estimates a power generation state of the fuel cell based on the voltage of the fuel cell detected by the voltage detection unit.
前記発電状態検出手段は、前記酸素濃度検出手段によって検出された前記排出ガスの酸素濃度に基づいて前記燃料電池の発電状態を推定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。 Comprising oxygen concentration detection means for detecting the oxygen concentration of the exhaust gas;
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the power generation state detection unit estimates a power generation state of the fuel cell based on an oxygen concentration of the exhaust gas detected by the oxygen concentration detection unit.
前記ガス導入手段が前記ガス収容室の容積を拡大し、前記ガス送出手段が同じく容積を縮小することを特徴とする請求項1から4のいずれか一つに記載の燃料電池システム。 The gas storage means is a gas tank capable of changing the volume of the gas storage chamber;
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, wherein the gas introduction unit enlarges the volume of the gas storage chamber, and the gas delivery unit also reduces the volume.
前記ピストンを送り機構を介して移動させるモータと、を備え、
前記モータによって移動する前記ピストンによって、前記ガス収容室を拡大、または縮小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 slidable piston that is housed in the gas tank and defines the gas storage chamber;
A motor for moving the piston via a feed mechanism,
6. The fuel cell system according to claim 5, wherein the gas storage chamber is enlarged or reduced by the piston that is moved by the motor.
前記ガス蓄積手段から前記水素極へ供給する前記排出ガスの流量を制御する流量制御手段と、を備え、
前記水素極へ前記排出ガスを充填するときに、前記圧力検出手段によって検出された圧力に応じて前記流量制御手段による前記排出ガスの流量を制御することを特徴とする請求項1から6のいずれか一つに記載の燃料電池システム。 Pressure detecting means for detecting the pressure of the hydrogen electrode;
Flow rate control means for controlling the flow rate of the exhaust gas supplied from the gas storage means to the hydrogen electrode,
7. The flow rate of the exhaust gas by the flow rate control unit is controlled according to the pressure detected by the pressure detection unit when the exhaust gas is filled in the hydrogen electrode. The fuel cell system according to any one of the above.
前記燃料電池の停止処理に移行してからの前記水素流量検出手段によって検出された水素流量の積算値が、前記循環流路を流れる前記排出ガス中の酸素濃度を所定値以下に低下させる水素流量に達すると前記水素極への水素供給を停止することを特徴とする請求項1から7のいずれか一つに記載の燃料電池システム。 A hydrogen flow rate detecting means for detecting a hydrogen flow rate to the hydrogen electrode;
The hydrogen flow rate at which the integrated value of the hydrogen flow rate detected by the hydrogen flow rate detection means after the transition to the fuel cell stop process reduces the oxygen concentration in the exhaust gas flowing through the circulation flow path to a predetermined value or less. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 7, wherein the supply of hydrogen to the hydrogen electrode is stopped when reaching the value.
前記排出ガスを前記ガス蓄積手段から前記水素極へ供給するときには、前記水素循環流路を閉塞することを特徴とする請求項1から8のいずれか一つに記載の燃料電池システム。 A hydrogen circulation passage for circulating hydrogen discharged from the hydrogen electrode to the hydrogen electrode;
9. The fuel cell system according to claim 1, wherein when supplying the exhaust gas from the gas storage unit to the hydrogen electrode, the hydrogen circulation passage is closed.
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