JP2005129246A - Hydrogen discharging device of vehicle with fuel cell system mounted - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、燃料電池システムを搭載した車両の水素排出装置に係り、特に大気に排出される水素ガスを希釈する燃料電池システムを搭載した車両の水素排出装置に関するものである。 The present invention relates to a hydrogen discharge device for a vehicle equipped with a fuel cell system, and more particularly to a hydrogen discharge device for a vehicle equipped with a fuel cell system for diluting hydrogen gas discharged to the atmosphere.
車両の燃料電池システムにおいては、固体高分子電解質膜を挟んでアノード側電極(水素極)とカソード側電極(空気極)とを対向して配置した燃料電池セルを複数個組み合わせて構成された燃料電池スタックを設け、アノード側電極(水素極)に水素循環ポンプ(燃料ポンプ)によって水素ガス(アノードガス)を供給するとともに、カソード側電極(空気極)にコンプレッサによって酸化ガス(空気)を供給し、そして、燃料電池スタックでは、この供給された水素ガスと酸化ガスとにより発電するとともに、燃料電池システムの停止の際に、この発電に使用された水素ガス(水素オフガス)と酸素ガス(酸素オフガス)とを排出している。 In a fuel cell system for a vehicle, a fuel comprising a combination of a plurality of fuel cells each having an anode side electrode (hydrogen electrode) and a cathode side electrode (air electrode) facing each other across a solid polymer electrolyte membrane A battery stack is provided, and hydrogen gas (anode gas) is supplied to the anode side electrode (hydrogen electrode) by a hydrogen circulation pump (fuel pump), and oxidizing gas (air) is supplied to the cathode side electrode (air electrode) by a compressor. In the fuel cell stack, power is generated by the supplied hydrogen gas and oxidizing gas, and the hydrogen gas (hydrogen offgas) and oxygen gas (oxygen offgas) used for power generation when the fuel cell system is stopped. ) And are discharged.
従来、燃料電池システムにおける水素ガスの排出装置には、水素ガス排出路の水素ガスを酸素ガス排出路の混合部で酸素ガスと混合して希釈し、この混合されたガスを白金触媒を備えたコンバスタに送り、このコンバスタで混合ガスに含まれる水素濃度を低減し、このように、水素濃度を低減した水素ガスを大気に排出しているものがある。
ところで、従来、燃料電池システムの水素ガスの排出装置においては、大気に排出される水素ガスの水素濃度を可燃限度(4%)以下にしなければならないが、この大気に排出される水素ガスを希釈化するためには、空気ブロア等の機器が必要になるとともに、燃料電池スタックから排出された水素ガスの水素濃度が高かった場合に、水素濃度を適正な値まで低減することが困難であるという不都合があった。 By the way, in the conventional hydrogen gas discharge device of the fuel cell system, the hydrogen concentration of the hydrogen gas discharged to the atmosphere must be less than the flammable limit (4%), but the hydrogen gas discharged to the atmosphere is diluted. It is difficult to reduce the hydrogen concentration to an appropriate value when the hydrogen concentration of the hydrogen gas discharged from the fuel cell stack is high. There was an inconvenience.
この発明は、水素ガスと酸化ガスとを供給することにより発電するとともに、この発電に使用された水素ガスと酸素ガスとを排出する燃料電池スタックを備えた燃料電池システムを搭載した車両の水素排出装置において、前記燃料電池スタックの酸素ガス排出口に連結されて酸素ガスを排出する第1排出路を設け、上流側が前記燃料電池スタックの水素ガス排出口に連結されるとともに下流側が前記第1排出路に連結されて水素ガスを排出する第2排出路を設け、この第2排出路には該第2排出路を開閉するパージバルブを設けるとともに前記第1排出路が連結された合流部と大気排出口とを接続する第3排出路を連結して設け、前記燃料電池システムの停止時において、先ず、前記燃料電池スタックへの水素ガスの供給を停止し、次に、残留水素ガスにより微量発電を行った後に、前記パージバルブを開放制御する制御手段を設けたことを特徴とする。 This invention generates hydrogen by supplying hydrogen gas and oxidizing gas, and discharges hydrogen from a vehicle equipped with a fuel cell system equipped with a fuel cell stack that discharges the hydrogen gas and oxygen gas used in this power generation. In the apparatus, a first discharge path for discharging oxygen gas is provided connected to the oxygen gas discharge port of the fuel cell stack, the upstream side is connected to the hydrogen gas discharge port of the fuel cell stack, and the downstream side is the first discharge A second discharge passage connected to the passage to discharge hydrogen gas is provided, and a purge valve for opening and closing the second discharge passage is provided in the second discharge passage, and a merging portion connected to the first discharge passage and an air discharge A third discharge path connected to the outlet is provided in a connected manner, and when the fuel cell system is stopped, the supply of hydrogen gas to the fuel cell stack is first stopped, and then the remaining After the trace generated by the hydrogen gas, characterized in that a control means for opening controlling the purge valve.
この発明の燃料電池システムを搭載した車両の水素排出装置は、燃料電池システムの停止時において、先ず、燃料電池スタックへの水素ガスの供給を停止し、次に、残留水素ガスにより微量発電を行った後に、パージバルブを開放することから、燃料電池スタックから排出される水素ガスの量を低下させた後に、燃料電池スタックからの水素ガスを酸素ガスと混合し、燃料電池スタックからの水素ガスを、可燃限度(4%)以下の適正な水素濃度に希釈してから大気に排出することができる。 The hydrogen discharge device for a vehicle equipped with the fuel cell system according to the present invention first stops the supply of hydrogen gas to the fuel cell stack when the fuel cell system is stopped, and then performs micro-power generation using the residual hydrogen gas. After the purge valve is opened, the amount of hydrogen gas discharged from the fuel cell stack is reduced, and then the hydrogen gas from the fuel cell stack is mixed with oxygen gas, and the hydrogen gas from the fuel cell stack is Diluted to an appropriate hydrogen concentration below the flammable limit (4%) and then discharged to the atmosphere.
この発明は、燃料電池スタックから排出された水素ガスを、可燃限度(4%)以下の適正な水素濃度に希釈して大気に排出する目的を、燃料電池スタックから排出される水素ガスの量を低下させた後に、燃料電池スタックからの水素ガスを酸素ガスと混合して実現するものである。
以下、図面に基づいてこの発明の実施例を詳細且つ具体的に説明する。
The purpose of this invention is to dilute the hydrogen gas discharged from the fuel cell stack to an appropriate hydrogen concentration below the flammable limit (4%) and discharge it to the atmosphere. After the reduction, the hydrogen gas from the fuel cell stack is mixed with oxygen gas.
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail and specifically with reference to the drawings.
図1〜図3は、この発明の実施例を示すものである。 1 to 3 show an embodiment of the present invention.
図1において、2は車両(図示せず)に搭載された燃料電池システムである。 In FIG. 1, reference numeral 2 denotes a fuel cell system mounted on a vehicle (not shown).
この燃料電池システム2には、アノード側電極(水素極)とカソード側電極(空気極)と固体高分子電解質膜とからなる燃料電池セル(図示せず)を複数個組み合わせて構成した燃料電池スタック4が設けられている。この燃料電池スタック4は、水素ガスと酸化ガスとを供給することにより発電するとともに、この発電に使用された水素ガス(水素オフガス)と酸素ガス(酸素オフガス)とを排出するものである。
The fuel cell system 2 includes a fuel cell stack configured by combining a plurality of fuel cell cells (not shown) each including an anode side electrode (hydrogen electrode), a cathode side electrode (air electrode), and a solid polymer electrolyte membrane. 4 is provided. The
このため、燃料電池システム2には、燃料電池スタック4に空気(カソードガス:酸化ガス)を供給する空気系の空気供給機構6が設けられているとともに、燃料電池スタック4に水素ガス(アノードガス)を供給する水素系の水素供給機構8が設けられ、また、車両駆動用電気機器や車両駆動用モータ(図示せず)等が設けられている。
For this reason, the fuel cell system 2 is provided with an air-based
空気供給機構6においては、燃料電池スタック4の酸化ガス供給口10とエアクリーナ(フィルタ)12とが、燃料電池スタック4に酸化ガスを供給する酸化ガス供給路14で連結されている。この酸化ガス供給路14には、エアクリーナ12側から順次に、酸化ガスの流量を計測する酸化ガス側流量計16と、酸化ガスを燃料電池スタック4側に圧送するコンプレッサ18と、このコンプレッサ18で発生した騒音を低減する酸化ガス消音器20と、酸化ガスの温度を低減する酸化ガス熱交換器22とが設けられている。また、燃料電池スタック4の酸素ガス排出口24には、酸素ガスを排出する酸素ガス側排出路である第1排出路26が連結されている。この第1排出路26には、酸素ガスの排出騒音を低減する酸素ガス消音器28が設けられている。
In the
水素供給機構8においては、燃料電池スタック4の水素ガス供給口30に水素タンク(図示せず)からの水素ガスを導く水素ガス供給路32が連結されている。また、燃料電池スタック4の水素ガス排出口34には、燃料電池スタック4から排出された水素ガスを導くための水素ガス排出路である第2排出路36の上流側が連結されている。この第2排出路36の下流側は、第1排出路26の酸素ガス消音器28よりも下流側の合流部38に連結されている。水素ガス供給路32の供給側連結部40と第2排出路36の排出側連結部42とは、循環路44で連結されている。
In the
この循環路44は、燃料電池スタック4から排出された未反応ガスとしての水素ガスの一部を燃料電池スタック4に循環するものである。この循環路44には、排出側連結部42側から順次に、水素タンク側からの水素ガス及び燃料電池スタック4から排出された未反応ガスとしての水素ガスの一部を燃料電池スタック4側に圧送する水素循環ポンプ46と、燃料電池スタック4から排出された未反応ガスとしての水素ガスの流量を計測する水素ガス側流量計48とが設けられている。
The
また、排出側連結部42よりも下流側の第2排出路36には、該第2排出路36を開閉するパージバルブ50が設けられている。このパージバルブ50は、水素ガスを燃料電池スタック4に圧送する水素循環ポンプ46を含む水素循環路52の近傍に配設されている。また、第2排出路36には、第1排出路26が連結された合流部38と大気排出口54とを接続する第3排出路56が連結して設けられる。この第3排出路56には、図示しないが、圧力調整弁が設けられている。
Further, a
排出側連結部42とパージバルブ50間の第2排出路36の接続部58には、水素排出路60が接続されている。この水素排出路60には、図示しないが、圧力調整弁が設けられている。
A
また、パージバルブ50には、制御手段62が連絡して設けられる。この制御手段62は、燃料電池システム2の停止時において、先ず、燃料電池スタック4への水素ガスの供給を停止し、次に、残留水素ガスにより微量発電を行った後に、パージバルブ50を開放制御するものである。また、制御手段62は、水素供給機構8での水素系圧力が設定値よりも下がったときに、パージバルブ50を開放制御するものである。水素系圧力は、例えば、水素系圧力センサ64で計測されるものである。
The
また、コンプレッサ18の下流側で、コンプレッサ18と酸化ガス消音器20間の第1排出路26には、分岐部66から分岐して酸素ガス消音器28よりも燃料電池スタック4側の第1排出路26途中に連結するバイバス通路68が連結されている。このバイバス通路68には、コンプレッサ18から圧送された第1排出路26側への空気流量を調整可能な空気量調整バルブ70が設けられている。また、空気供給機構6には、空気系圧力を計測する空気系圧力センサ72が設けられている。
Further, on the downstream side of the
コンプレッサ18と水素循環ポンプ46と空気量調整バルブ70とは、制御手段62に連絡して、該制御手段62により作動制御される。また、制御手段62には、水素系圧力センサ64と空気系圧力センサ72とからの検知信号が入力される。
The
そして、制御手段62は、燃料電池システムの起動中に、コンプレッサ18と空気量調整バルブ70とを作動制御し、燃料電池スタック4からの水素ガスの水素濃度を、コンプレッサ18側からの空気量で調整するものである。
Then, the control means 62 controls the operation of the
次に、この実施例の作用を説明する。 Next, the operation of this embodiment will be described.
燃料電池システム2において、図1に示す如く、空気供給機構6では、コンプレッサ18が駆動することにより、エアクリーナ12側からの酸化ガスが酸化ガス供給路14から燃料電池スタック4に供給されるとともに、この燃料電池スタック4からの酸素ガスが第1排出路26から排出され、また、水素供給機構8では、水素循環ポンプ46が駆動することにより、水素タンクの水素ガスが水素ガス供給路32から燃料電池スタック4に供給されるとともに、この燃料電池スタック4からの水素ガスが第2排出路36にから排出される。
In the fuel cell system 2, as shown in FIG. 1, in the
そして、車両の停止時等で、燃料電池システム2の起動停止時の水素ガスの排出にあっては、図2に示す如く、制御手段62のプログラムがスタートすると(ステップ102)、燃料電池システム2の起動停止か否かを判断し(ステップ104)、このステップ104がNOの場合に、この判断を継続し、一方、このステップ104がYESの場合には、水素ガスの供給停止後に、微量発電を実施する(ステップ106)。この微量発電は、水素タンク側からの水素ガスの供給を行わず、所定時間(例えば約1分以内)、燃料電池スタック4内に残っている水素ガスのみを消費するために行う発電である。
Then, when the fuel cell system 2 is started or stopped when the vehicle is stopped or the like, as shown in FIG. 2, when the program of the control means 62 is started (step 102), the fuel cell system 2 (Step 104). If this
次いで、水素系圧力(PH2)が水素系設定値(P1)以下及び空気系圧力(PO2)が空気系設定値(P2)以下か否かを判断する(ステップ108)。この場合、水素系設定値(P1)=空気系設定値(P2)で、この水素系設定値(P1)、空気系設定値(P2)は、例えば、110〜120(KPa)である。 Next, it is determined whether the hydrogen pressure (PH2) is equal to or lower than the hydrogen pressure set value (P1) and the air pressure (PO2) is equal to or lower than the air pressure set value (P2) (step 108). In this case, hydrogen system set value (P1) = air system set value (P2), and this hydrogen system set value (P1) and air system set value (P2) are, for example, 110 to 120 (KPa).
前記ステップ108がNOの場合に、この判断を継続し、一方、このステップ108がYESの場合には、パージバルブ50を開放制御し(ステップ110)、そして、混合空気量を調整し、つまり、燃料電池スタック4から排出された水素ガスの水素濃度が適正な水素濃度(2〜4%以下)となるように、コンプレッサ18や空気量調整バルブ70を作動制御し(ステップ112)、且つ、パージバルブ50を適宜開放作動し、そして、混合ガスを第3排出路56から大気に排出し(ステップ114)、プログラムをエンドとする(ステップ116)。
If
また、車両の起動中等で、燃料電池システム2の起動中の水素ガスの排出にあっては、図3に示す如く、制御手段62のプログラムがスタートすると(ステップ202)、水素系内の水素ガスの水素濃度(CH2)が設定水素濃度(C1)以下か否かを判断し(ステップ204)、このステップ204がNOの場合に、この判断を継続する。この水素系内の水素濃度(CH2)は、センサ等の検知手段による検知ではなく、燃料電池システム2の運転時間や発電量等により、所定のマップから算出されている。なお、起動中において、燃料電池スタック4内の水素ガスの水素濃度は、空気の膜透過等によって徐々に低下していくものである。これを防ぐために、図3の起動中の排出方法を用いて、適宜発電に使用された水素ガスを、希釈した上で、大気中に排出し、燃料電池スタック4内に供給する水素ガスの水素濃度を一定値以上に保つ必要がある。
Further, when the fuel cell system 2 is being started up, for example, during the start of the vehicle, as shown in FIG. 3, when the program of the control means 62 is started (step 202), the hydrogen gas in the hydrogen system It is determined whether or not the hydrogen concentration (CH2) is equal to or lower than the set hydrogen concentration (C1) (step 204). If this
一方、前記ステップ204がYESの場合には、パージバルブ50を開放制御し(ステップ206)、そして、混合空気量を調整し、つまり、燃料電池スタック4から排出された水素ガスの水素濃度が適正な2〜4%以下となるように、コンプレッサ18や空気量調整バルブ70を作動制御し(ステップ208)、且つ、パージバルブ50を適宜開放作動し、そして、混合ガスを大気に排出し(ステップ210)、プログラムをエンドとする(ステップ212)。
On the other hand, if
この結果、燃料電池スタック4の酸素ガス排出口24に連結されて酸素ガスを排出する第1排出路26を設け、上流側が燃料電池スタック4の水素ガス排出口34に連結されてるとともに下流側が第1排出路26に連結されて水素ガスを排出する第2排出路36を設け、この第2排出路36には、該第2排出路36を開閉するパージバルブ50を設けるとともに、第1排出路26が連結された合流部38と大気排出口54とを接続する第3排出路56を連結して設け、燃料電池システム2の停止時において、先ず、燃料電池スタック4への水素ガスの供給を停止し、次に、残留水素ガスにより微量発電を行った後に、パージバルブ50を開放制御することから、燃料電池スタック4から排出される水素ガスの量を低下させた後に、燃料電池スタック4からの水素ガスを酸素ガスと混合して大気に排出するので、燃料電池スタック4からの水素ガスを、適正な水素濃度(2〜4%以下)に希釈して大気に排出することができる。
As a result, a
また、制御手段62は、水素系圧力(PH2)が水素系設定値(P1)よりも下がったときに、パージバルブ50を開放制御することから、水素ガスが適正な圧力値に下がってからパージバルブ50の開放制御を実施しているので、高い濃度の水素ガスが大気に放出されることがない。
Further, since the control means 62 controls the opening of the
更に、パージバルブ50は、水素ガスを燃料電池スタック4に圧送する水素循環ポンプ46を含む水素循環路52の近傍に配設されていることから、水素ガスが水素ガスの系路に溜まるのを回避させて残留水素ガスの量を減少することができる。
Further, since the
更にまた、燃料電池システム2は、燃料電池スタック4に酸化ガスを供給する酸化ガス供給路14を備え、この酸化ガス供給路14は、酸化ガスを圧送するコンプレッサ18の下流側から分岐して第1排出路26に連結するバイバス通路68を備え、このバイバス通路68には、空気流量を調整可能な空気量調整バルブ70を備えたことから、空気系にバイパス通路68及び補機としてのコンプレッサ18を設けて第1排出路26への空気流量を調整することにより、水素ガスの濃度が高い場合でも、大気に放出される水素ガスを適正な水素濃度に希釈することができる。
Furthermore, the fuel cell system 2 includes an oxidizing
また、制御手段62は、燃料電池システム2の起動中に、コンプレッサ18と空気量調整バルブ70とを制御し、大気中に排出される水素ガスの濃度を制御することから、燃料電池システム2の起動中においても、空気系の空気量をコンプレッサ18と空気量調整バルブ70とを制御することで、酸素ガスと混合して大気に排出するので、水素ガスを適正な水素濃度に希釈することができ、よって、燃料電池システム2の起動中に、適宜に希釈した水素ガスを放出することができ、燃料電池スタック4の発電性能を高いレベルに維持することができる。
Further, the control means 62 controls the
即ち、この実施例においては、燃料電池システム4の起動停止時に、水素ガスを車外に放出する前に、燃料電池スタック4への水素ガスの供給を停止し、微量発電により水素系内に残った水素ガスを消費し、そして、水素ガスの圧力が十分に低下した後に、パージバルブ50を開放制御して微量に残った水素ガスを、燃料電池スタック4に供給している空気と混合し、水素ガスの水素濃度を設定値(2〜4%)以下で、水素ガスを空気系の大気排出口54から排出する。また、空気系には、コンプレッサ18から大気排出口54までに、バイパス通路68と空気量調整バルブ70とがあり、大気排出口54側への空気量を任意に調整することができる。更に、水素ガスと空気との合流部分である第2排出路36と第1排出路26との合流部38は、大気排出口54付近にレイアウトされ、よって、水素ガスの配管部分を短くし、水素ガスの漏洩防止や水素脆性対策等、特殊な材料を使用する部品を低減し、水素ガスを大気に排出することができる。
That is, in this embodiment, when the
つまり、車両が起動停止した後に、水素ガスの供給を停止し、そして、微量発電により水素ガスを消費させるので、水素系に残った水素ガスを消費することができ、水素系内の配管の圧力を下げることができる。また、水素系の排出側にパージバルブ50を設け、空気系の大気排出口54に水素ガスを合流させることから、水素ガスを希釈するための空気ブロア等を別途に不要とすることができる。更に、空気系にバイパス通路68と空気量調整バルブ70とを設けることにより、水素ガスを希釈する際に、空気流量を調整することができ、適正な水素濃度にすることができる。更にまた、水素と空気との合流部8が大気排出口54近傍に配設されているので、水素ガスの配管を短くすることができる。また、水素ガスの流量を制御するパージバルブ50は、水素循環路52の近傍に配設されていることから、水素ガスの残量を低減することができる。更に、コンプレッサ18と空気量調整バルブ70とを厳密に制御することにより、車両の起動中の水素ガスを、適正に希釈して大気に排出することができる。
In other words, the hydrogen gas supply is stopped after the vehicle starts and stops, and the hydrogen gas is consumed by a small amount of power generation. Therefore, the hydrogen gas remaining in the hydrogen system can be consumed, and the pressure of the piping in the hydrogen system Can be lowered. Further, since the
なお、パージバルブを空気の大気排出口よりも水素系の循環部分近傍にレイアウトすることにより、水素ガスの滞留する容量を低減することができる。また、空気量調整バルブを厳密に制御することにより、起動中の水素ガスも希釈することができる。 Note that by laying out the purge valve closer to the hydrogen-based circulation portion than the air discharge port of air, the capacity of the hydrogen gas to be retained can be reduced. Further, the hydrogen gas being started can be diluted by strictly controlling the air amount adjusting valve.
また、この発明においては、水素ガスの燃料電池スタックへの供給停止後に、水素循環ポンプを駆動し続け、残留水素ガスを微量発電に積極的に使用して水素ガスの有効利用を図ることも可能である。また、循環路にガス貯留タンクを設け、水素ガスの燃料電池スタックへの供給停止後に、残留水素ガスをガス貯留タンクに貯留させ、そして、再起動時に、このガス貯留タンクの水素ガスを燃料電池スタックに供給して、水素ガスの無駄を無くすることも可能である。 In the present invention, after the supply of hydrogen gas to the fuel cell stack is stopped, the hydrogen circulation pump can be continuously driven, and the residual hydrogen gas can be actively used for micro power generation to effectively use the hydrogen gas. It is. In addition, a gas storage tank is provided in the circulation path, and after the supply of hydrogen gas to the fuel cell stack is stopped, the residual hydrogen gas is stored in the gas storage tank, and the hydrogen gas in the gas storage tank is stored in the fuel cell at the time of restart. It is also possible to eliminate the waste of hydrogen gas by supplying it to the stack.
排出される水素ガスの量を低下させた後に、水素ガスを酸素ガスと混合する構造を、燃料電池システム及び燃料電池車両に適用することができる。 A structure in which hydrogen gas is mixed with oxygen gas after the amount of discharged hydrogen gas is reduced can be applied to a fuel cell system and a fuel cell vehicle.
2 燃料電池システム
4 燃料電池スタック
6 空気供給機構
8 水素供給機構
14 酸素ガス供給路
18 コンプレッサ
26 第1排出路
36 第2排出路
38 合流部
44 循環路
46 水素循環ポンプ
50 パージバルブ
52 水素循環路
54 大気排出口
56 第3排出路
62 制御手段
68 バイパス通路
70 空気量調整バルブ
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