JP2005158434A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムに関する。特に、システム内に純水循環系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. In particular, the present invention relates to a fuel cell system having a pure water circulation system in the system.
純水循環系を備えた燃料電池システムにおいては、低温環境下に長時間放置されることで純水の凍結が生じて膨張し、純水循環系を始め、燃料電池システムを破損する可能性がある。このような破損を防ぐために、従来の燃料電池システムとして以下のようなものが知られている。 In a fuel cell system equipped with a pure water circulation system, the pure water freezes and expands when left in a low temperature environment for a long time, which may damage the fuel cell system, including the pure water circulation system. is there. In order to prevent such damage, the following are known as conventional fuel cell systems.
燃料電池装置の運転を終了させ、凍結防止ボタンを押すと、温度センサで外気温が凍結温度(氷点下)以下かどうか判断される。肯定されると、電磁弁A,Bが開放され、循環ポンプが一定時間駆動される。電磁弁Aを開放することで、メインタンクが大気と通じ、メインタンクの底に設けられた電磁弁Bから水が排出される。また、循環ポンプが駆動して、給水管、燃料電池モジュール、及び排水管に滞留した水がメインタンクへ還流される。つまり、燃料電池装置内の水循環系内の水がメインタンクを通じて外部へ排出されるため、凍結する水が存在しなくなり、装置が破損するようなことがなくなる(例えば、特許文献1、参照。)。
背景技術に提示したような、システム内の水をポンプで排出する方法は、システム内に大きな抵抗要素がない場合に非常に有効である。しかしながら、純水を循環使用するようなシステムの場合、純水の導電率を低く保つためのイオン除去手段等、水抜きの抵抗となる要素を備えている。そのため、従来のシステムでは、水抜きを十分に行うのは困難であり、低温環境下では水の凍結による破損が生じる可能性があるという問題がある。 The method of pumping water in the system as presented in the background art is very effective when there are no large resistance elements in the system. However, in the case of a system that circulates and uses pure water, it is equipped with elements that provide resistance to drainage, such as ion removal means for keeping the conductivity of pure water low. Therefore, in the conventional system, it is difficult to sufficiently drain water, and there is a problem that damage due to freezing of water may occur in a low temperature environment.
そこで本発明は、上記問題を鑑みて、純水循環系の排水を適切に行う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。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a fuel cell system that can appropriately perform drainage of a pure water circulation system.
本発明は、純水による加湿または冷却が行われる燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、前記純水の循環系として、純水を流通する純水流路と、前記純水流路を流れる純水を貯蔵する貯水手段と、前記貯水手段から純水を取出して前記純水流路に循環させる循環手段と、を備える。また、加湿または冷却を行うに先立って、純水の導電率を調整するイオン除去手段と、通常運転時の純水の流通方向についての前記イオン除去手段の上流側を選択的に大気開放する大気開放手段と、を備える。さらに、通常運転時の純水の流通方向についての前記イオン除去手段の下流側で選択的に前記純水流路を遮断する流路遮断手段と、前記イオン除去手段と前記流路遮断手段との間に圧縮ガスを選択的に導入する圧縮ガス遮断手段と、を備える。前記燃料電池停止時に純水が凍結する可能性がある場合には、前記大気開放手段、前記流路遮断手段、前記圧縮ガス遮断手段を、所定の順序で開閉することにより、前記純水循環系の水抜きを行う。 The present invention provides a fuel cell system including a fuel cell that is humidified or cooled by pure water, wherein the pure water circulation system includes a pure water channel that circulates pure water, and pure water that flows through the pure water channel. Water storage means for storing, and circulation means for taking out pure water from the water storage means and circulating it in the pure water flow path. Prior to humidification or cooling, an ion removing unit that adjusts the conductivity of pure water and an atmosphere that selectively opens the upstream side of the ion removing unit with respect to the flow direction of the pure water during normal operation. And an opening means. Further, a flow path blocking means for selectively blocking the pure water flow path downstream of the ion removal means in the flow direction of pure water during normal operation, and between the ion removal means and the flow path blocking means And a compressed gas shut-off means for selectively introducing the compressed gas. When there is a possibility that pure water is frozen when the fuel cell is stopped, the pure water circulation system is opened and closed by opening and closing the air release means, the flow path blocking means, and the compressed gas blocking means in a predetermined order. Drain the water.
イオン除去手段の上流側に純水循環系内を選択的に大気開放する大気開放手段を有し、下流側に圧縮ガスを選択的に導入する圧縮ガス遮断手段を備えるので、圧縮ガスをイオン除去手段の下流側から上流側に向かって流通させることができる。これにより、構成上、水が滞留しやすいイオン除去手段の水を適切に除去することができ、ひいては純水循環系の排水を適切に行うことができる。 There is an air release means for selectively releasing the inside of the pure water circulation system upstream of the ion removal means, and a compressed gas blocking means for selectively introducing compressed gas is provided on the downstream side, so that the compressed gas is ion-removed. It can be distributed from the downstream side of the means toward the upstream side. Thereby, the water of the ion removal means in which water tends to stay can be appropriately removed from the configuration, and the drainage of the pure water circulation system can be appropriately performed.
第1の実施形態に用いる燃料電池システムの構成を図1に示す。 The configuration of the fuel cell system used in the first embodiment is shown in FIG.
水素含有ガスである燃料ガスと、酸素含有ガスである酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池2を備える。例えば、燃料ガスとして水素ガスを、酸化剤ガスとして空気を用いる。また、燃料電池2としては、電解質に固体高分子電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池を用いる。 A fuel cell 2 that generates power using a fuel gas that is a hydrogen-containing gas and an oxidant gas that is an oxygen-containing gas is provided. For example, hydrogen gas is used as the fuel gas, and air is used as the oxidant gas. The fuel cell 2 is a solid polymer fuel cell using a solid polymer electrolyte membrane as an electrolyte.
また、燃料電池2に空気を供給する空気供給手段1を備える。空気供給手段1には、空気を流通する配管やコンプレッサ等を備える。また、ここでは図示しないが、水素ガスを燃料電池2に供給する燃料供給手段を備える。 In addition, air supply means 1 for supplying air to the fuel cell 2 is provided. The air supply means 1 is provided with piping, a compressor, etc. which distribute | circulate air. Although not shown here, a fuel supply means for supplying hydrogen gas to the fuel cell 2 is provided.
さらに、燃料電池2の冷却または加湿を行う純水を循環する純水循環系3を備える。ここでは、純水を燃料電池2内の純水流路に循環させることにより、燃料電池2内の反応ガス、ひいては固体高分子電解質膜の湿潤状態の調整を行う。
Further, a pure
純水循環系3としては、純水を流通する配管15、純水を貯水する貯水タンク11、純水を循環させる純水ポンプ12、純水中のイオンを除去するイオン除去器13、純水の導電率を検出する導電率検出手段14を備える。貯水タンク11から取り出された純水は、純水ポンプ12、イオン除去器13、導電率検出手段14、燃料電池2の順番で循環し、再び貯水タンク11に回収される。
The pure
また、純水循環系3を大気に開放するか否かを選択する大気開放弁21を備える。大気開放弁21は、純水ポンプ12とイオン除去器13との間から分岐し、端部が大気に開放された配管に設ける。なお、通常運転時の純水の循環方向からみると、大気開放弁21は純水ポンプ12の下流側に配置されるが、後述するように水抜き時のガス流通方向からみると、イオン除去器13の下流側に配置される。
In addition, an
また、配管15の少なくとも一部を選択的に遮断する流路遮断弁22を備える。流路遮断弁22を、通常運転時の純水の循環方向からみて、イオン除去器13の下流側に配置する。特にここでは、流路遮断弁22を、燃料電池2の下流側、かつ貯水タンク11の上流側に配置する。さらに、空気供給手段1から圧縮空気を分岐し純水循環系3に供給するか否かを選択する空気遮断弁23を備える。ここでは、燃料電池2から排出された圧縮空気を、空気遮断弁23の開閉により選択的に純水供給系3に供給する。このとき、圧縮空気が通常運転時の純水の循環方向からみてイオン除去器13の下流側、かつ流路遮断弁23の上流側となる位置に導入されるように構成する。特に、ここでは、燃料電池2と流路遮断弁23との間に圧縮空気が導入されるように構成する。
Further, a flow
また、貯水タンク11内の貯水量を検出する貯水量検出手段24と、純水循環系3内の圧力を検出する圧力検出手段25を備える。圧力検出手段25により、イオン除去器13の下流側の圧力を検出する。ここでは、イオン除去器13と導電率検出手段14との間の純水配管15内を流通する流体の圧力を検出する。さらに、このような燃料電池システムの制御を行うコントローラ30を備える。コントローラ30は、予め設定された順序およびタイミングで、大気開放弁21、流路遮断弁22、空気遮断弁23の開閉を行う。
In addition, a water storage
次に、このような燃料電池システムの通常運転時の状態を説明する。 Next, a state during normal operation of such a fuel cell system will be described.
燃料電池2に空気供給系1から空気が、図示しない燃料供給系から燃料ガスが供給される。このとき、燃料電池2の効率を維持するために、燃料電池2に用いた固体高分子電解質膜を湿潤状態に維持する必要がある。そこで、純水循環系3の純水を燃料電池2内部に流通させることにより、固体高分子電解質膜の湿潤状態を調整する。
Air is supplied to the fuel cell 2 from the air supply system 1 and fuel gas is supplied from a fuel supply system (not shown). At this time, in order to maintain the efficiency of the fuel cell 2, it is necessary to maintain the solid polymer electrolyte membrane used in the fuel cell 2 in a wet state. Therefore, the wet state of the solid polymer electrolyte membrane is adjusted by circulating pure water in the pure
純水循環系3において、通常運転時には、大気開放弁21、空気遮断弁23を閉とし、流路遮断弁22を開とする。純水ポンプ12を稼動させることにより貯水タンク11から純水を取り出し、イオン除去器13に導入する。イオン除去器13では、燃料電池2の劣化原因とならない程度まで、純水中のイオンを除去する。ここで、例えば、イオン除去器13から排出された純水の導電率を検出する導電率検出手段14の出力に応じてイオン除去手段13の劣化度合いを知ることができる。
In the pure
このように導電率を調整した純水を燃料電池2に導入する。例えば、燃料電池2内の反応ガス流路を、ポーラス材のプレートに形成した溝により構成し、その裏面に純水の流通路を設ける。ポーラス材のプレートには生成水等の水が含有され、乾燥状態にある部分ではこれが蒸発することにより固体高分子膜の加湿を行う。また、水が過剰となって凝縮水が生じる部分では、その凝縮水をポーラス材に吸収し、これによりフラッディングを抑制する。このとき、反応ガス流路の裏面に形成した純水の流通路を流れる純水が、ポーラス材内に移動することにより、ポーラス材に含まれる水の過不足が調整される。その結果、反応ガスの湿度が適切に維持され、ひいては固体高分子電解質膜の湿潤状態が適切に維持される。 The pure water whose conductivity is adjusted in this way is introduced into the fuel cell 2. For example, the reaction gas flow path in the fuel cell 2 is constituted by a groove formed in a porous material plate, and a pure water flow path is provided on the back surface thereof. The porous material plate contains water such as generated water, and the solid polymer film is humidified by evaporating it in the dry state. Further, in a portion where water is excessive and condensed water is generated, the condensed water is absorbed by the porous material, thereby suppressing flooding. At this time, the pure water flowing through the pure water flow path formed on the back surface of the reaction gas flow path moves into the porous material, thereby adjusting the excess or deficiency of the water contained in the porous material. As a result, the humidity of the reaction gas is appropriately maintained, and consequently the wet state of the solid polymer electrolyte membrane is appropriately maintained.
このように固体高分子電解質膜の湿潤調整に用いられた後、純水は燃料電池2から排出され、流路遮断弁22を介して、再び貯水タンク11に回収される。
After being used to adjust the wetness of the solid polymer electrolyte membrane in this way, pure water is discharged from the fuel cell 2 and is collected again in the
次に、燃料電池2の停止時の状態を説明する。 Next, the state when the fuel cell 2 is stopped will be described.
燃料電池2の停止時にこのような燃料電池システムが低温環境下に放置されると、純水循環系3内の純水が凍結してしまい、燃料電池2や導電率検出手段14、イオン除去器13、および配管15を破壊してしまう可能性がある。そこで、停止時に燃料電池システムが低温環境下に晒される可能性があると判断された際には、純水循環系3の水抜きを行う。
If such a fuel cell system is left in a low temperature environment when the fuel cell 2 is stopped, the pure water in the pure
燃料電池システム停止時の水抜き制御について、図2のタイミングチャートを用いて説明する。例えば、燃料電池2停止時に、図示しない温度検出手段により燃料電池2または外気温度が所定値以下となったと判断されたら水抜き制御を開始する。 The drainage control when the fuel cell system is stopped will be described with reference to the timing chart of FIG. For example, when the fuel cell 2 is stopped and the temperature detecting means (not shown) determines that the fuel cell 2 or the outside air temperature has become a predetermined value or less, the drainage control is started.
水抜き開始と同時(時間T0)に、流路遮断弁22を閉とする。次に空気遮断弁23を開とする。これにより、空気供給手段1から純水循環系3への圧縮空気の供給が開始される。純水循環系3内の純水が、燃料電池2、導電率検出手段14、イオン除去器13、純水ポンプ12の方向に移動し、貯水タンク11内に回収される。
Simultaneously with the start of draining (time T0), the flow
次に、大気開放弁21を開とする。ここで、水抜き開始から純水循環系3内の水が回収されるまでに必要な時間をT1とし、水抜き開始から大気開放弁21を開とするまでの時間をT2とした場合、T2>T1となるように、時間T2を設定する。例えば、純水循環系3内に大量に水が残っている状態で大気開放弁21が開とすると、純水循環系3から水が大気に排出され、次回の起動時に水が不足する可能性がある。そこで、この水不足となる事態を防ぐために、時間T1が経過して純水循環系3内の大部分の水の回収が終了した後、大気開放弁21を開として純水循環系3を大気開放するように時間T2を設定する。
Next, the
次に、純水循環系3を大気開放した状態を所定の時間維持する。ここでは大気開放を維持する所定時間をT3とする。
Next, the state where the pure
大気開放が維持されている間は、空気供給手段1からの圧縮空気は、一方的に燃料電池2、導電率検出手段14、イオン除去器13といった方向に流れる。そのため、充填物が格納されており、水抜き性の悪いイオン除去器13に直接高圧空気を流すことができるため、イオン除去器13の水抜きに有利となる。ここでは、通常運転時の純水流通方向について、イオン除去器13内を下流側から上流側に向かって圧縮空気が流通し、大気開放弁21を介して外部に排出される。圧縮空気は、イオン除去器13内を流通する際に滞留する水分を除去し、水分を含んだ状態で大気開放弁21を介して外部に排出される。
While the air release is maintained, the compressed air from the air supply means 1 unilaterally flows in the direction of the fuel cell 2, the conductivity detection means 14, and the
そこで、大気開放を維持する時間T3を、大気開放した状態で、純水循環系3の特に水が残留しやすいイオン除去器13の排水を行うのに十分な時間に設定する。時間T3の間、大気開放弁21を開の状態を維持し、時間T3経過後に大気開放弁21を閉じて、大気開放を終了する。
Therefore, the time T3 for maintaining the air release is set to a time sufficient for draining the
次に、流路遮断弁22を開とする。ここで、水抜き開始から流路遮断弁22を開とするまでの時間をT4とすると、時間T4は、水抜き開始から大気開放が終了するまでの時間T2+T3より大きくなるように設定する。つまり、T4>T2+T3。流路遮断弁22を開とすると、空気遮断弁23を介して純水循環系3に導入された圧縮空気は、圧力損失の小さい貯水タンク11側に流れる。このとき、大気開放弁21が開となっていると、圧縮空気により貯水タンク11内の水が純水ポンプ12側に流出し、その結果、純水ポンプ12や純水の配管15内に純水が残留して凍結するといった不具合が生じる可能性がある。そこで、大気開放弁21を閉として大気開放を終了した後、流路遮断弁22を開とするように、時間T4を設定することで、上記のような不具合を防止する。
Next, the flow
このように、大気開放弁21が閉、空気遮断弁23が開の状態で流路遮断弁22を開とすることで、流路遮断弁22と貯水タンク11との間の配管15内の純水を、圧縮空気により貯水タンク11に回収する。
In this way, by opening the flow passage shut-off
次に、空気遮断弁23を閉として圧縮空気の導入を停止する。ここで、水抜き開始から空気遮断弁23を閉とするまでの時間をT5とした場合、T5>T4となるように設定する。つまり、前述したように、流路遮断弁22と貯水タンク11の間の配管15内の純水を回収するために、圧縮空気の導入がある状態で流路遮断弁22を開とした後、空気遮断弁23を閉として、圧縮空気の導入を終了する。なお、T4とT5の時間差(=T5−T4)が、流路遮断弁22と貯水タンク11の間の配管15内の純水を十分の回収できる時間となるように時間T5を設定するのが好ましい。
Next, the
次に、流路遮断弁22を閉とする。ここで、水抜き開始時に流路遮断弁22を閉とし、一度開としてから再び閉とするまでの時間をT6とする。このとき、時間T6を、水抜き開始から圧縮空気の導入を終了するまでの時間T5より大きくなるように設定する(T5<T6)。流路遮断弁22を閉としてから空気の導入を終了した場合には、流路遮断弁22の上流側の圧力が高い状態で放置されるため、燃料電池2、導電率検出手段14、イオン除去器13の耐久性を低下させる可能性がある。これを避けるために、空気遮断弁23を閉としてから流路遮断弁22を再び閉とする(T5<T6とする)。その結果、流路遮断弁22の両側の圧力を均一にすることができ、特に、貯水タンク11の上端部の一部が外気に連通している場合等には、純水循環系3内を大気圧の状態にすることができる。時間T6は、水抜き開始から水抜き終了までの時間に相当する。
Next, the flow
なお、時間T1〜T6は、予め設定しておくことができる。例えば、純水ポンプ12、イオン除去器13、導電率検出手段14、燃料電池2の純水通路などの容積を含めた純水循環系3の容積を予め測定する。この容積と、空気遮断弁23を介して供給される空気量から、純水循環系3内の水を貯水タンク11内に回収するのに必要な時間T1を予め設定することができる。なお、水抜き開始から空気遮断弁23を開とするまでに時間差がある場合には、この時間差も加算するのが好ましい。また、大気開放を維持する時間を示すT3も、空気遮断弁23を介して供給される空気量と、純水循環系3の容積から予め設定することができる。この時間T1、T3を用いて、T2、T4〜T6を予め設定することができる。または、該時間T1〜T6を実験等により予め設定しても良い。
The times T1 to T6 can be set in advance. For example, the volume of the pure
または、圧力検出手段25の出力に応じて、大気開放弁21を制御してもよい。イオン除去器13と導電率検出手段14との間に備えた圧力検出手段25の出力は、図3に示すようになる。このように、純水循環系3の一部を大気開放することで、高圧から低圧(大気圧)に急激に変化するが、このとき圧力検出手段25の出力が所定値PAを下回ったらイオン除去器13内の水が排出されたと判断して大気開放を終了することもできる。つまり、大気開放弁21を閉とする時間T2+T3を、圧力検出手段25の出力に応じて決定することもできる。
Alternatively, the
次に、本実施形態の効果について説明する。 Next, the effect of this embodiment will be described.
純水による加湿または冷却が行われる燃料電池2を備えた燃料電池システムにおいて、純水の循環系3として、純水を流通する配管15と、配管15を流れる純水を貯蔵する貯水タンク11を備える。また、貯水タンク11から純水を取出して純水流路(配管15)を循環させる純水ポンプ12と、加湿または冷却を行うに先立って、純水の導電率を調整するイオン除去器13を備える。また、通常運転時の純水の流通方向についてのイオン除去器13の上流側を選択的に大気開放する大気開放弁21と、通常運転時の純水の流通方向についてのイオン除去器13の下流側で選択的に配管15を遮断する流路遮断弁22を備える。さらに、イオン除去器13と流路遮断弁22との間に、開閉により圧縮空気(圧縮ガス)を選択的に導入する空気遮断弁23を備える。燃料電池2停止時に純水が凍結する可能性がある場合には、大気開放弁21、流路遮断弁22、空気遮断弁23を、所定の順序で開閉することにより、純水循環系3の水抜きを行う。このように、イオン除去器13の上流側に純水循環系3内を大気開放する大気開放弁21を有し、下流側に圧縮空気を供給するか否かを選択する空気遮断弁23を備えるので、水抜き時には圧縮空気をイオン除去器13の下流側から上流側に向かって流通させることができる。これにより、構成上、水が滞留しやすいイオン除去器13の水を適切に除去することができ、ひいては純水循環系3の排水を適切に行うことができる。また、所定の順序で大気開放弁21、流路遮断弁11、空気遮断弁23を開閉することにより、純水循環系3内の水を適切に除去することができる。
In a fuel cell system including a fuel cell 2 that is humidified or cooled by pure water, a pure
圧縮ガスとして、圧縮された空気を用いる。ここでは、燃料電池2に空気を供給する空気供給手段1から分岐することにより、圧縮空気を純水循環系3に導入する。これにより、圧縮ガスを簡単な構成で純水循環系3に導入することができる。また、圧縮空気を用いることで、純水循環系3内の純水をより効率的に除去することができる。さらに、圧縮ガスとして、圧縮された空気を用い、空気遮断弁23を開とした状態で、大気開放弁21を開とする。これにより、イオン除去器13内を高圧から低圧(大気圧)に急激に変化させることができ、イオン除去器13内の水を低圧部(大気)へ流出させることができるので、さらに効果的に水を除去することができる。
Compressed air is used as the compressed gas. Here, the compressed air is introduced into the pure
また、イオン除去器13により導電率を調整した純水を直接燃料電池2に流通させるように構成する。流路遮断弁22を、通常運転時の純水の流通方向についての燃料電池2の下流側で配管22を遮断するように設ける。また、空気遮断弁23を、燃料電池2の下流側、かつ、流路遮断弁22の上流側に、圧縮空気を供給するか否かを選択するように設ける。これにより、空気遮断弁23を介して導入された圧縮空気は、燃料電池2を流通した後、イオン除去器13に導入されるので、燃料電池2内の水除去の性能も向上することができ、純水の凍結による燃料電池2の損傷をさらに抑制することができる。
Further, the pure water whose conductivity is adjusted by the
また、燃料電池2停止時に純水が凍結する可能性がある場合には、流路遮断弁22を閉、空気遮断弁23を開、大気開放弁21を開、大気開放弁21を閉、流路遮断弁22を開、空気遮断弁23を閉、流路遮断弁22を閉、という順番で動作させる。これにより、純水循環系3内を適切に水抜きすることができる。
If there is a possibility that pure water may freeze when the fuel cell 2 is stopped, the flow passage shut-off
また、燃料電池停止時に純水が凍結する可能性がある場合には、大気開放弁21、流路遮断弁22、空気遮断弁23を、所定の順序で、予め設定した所定のタイミングで開閉する。純水循環系3内に水が滞留しないように、所定の順序、所定のタイミングを予め設定しておくことで、特別な制御を必要とすることなく、水抜きを容易に行うことができる。
In addition, when there is a possibility that pure water is frozen when the fuel cell is stopped, the
また、燃料電池2停止時に純水が凍結する可能性がある場合には、水抜き開始から大気開放弁21を開とするまでの時間T2を、配管15の内部容積と、空気遮断弁23を介して選択的に供給される圧縮空気流量から予め求められた、純水循環系3の主な純水が回収される時間T1より長い時間とする。大気開放弁21を開するタイミング(T2)をあらかじめ計算または実験によって決められた、純水循環系3内の主な水が回収される時間T1より後とするため、純水循環系3内の純水の大部分を貯水タンク11に回収することができ、次回の運転時に水不足が生じるのを防ぐことができる。
If there is a possibility that the pure water is frozen when the fuel cell 2 is stopped, the time T2 from the start of draining to the opening of the
また、燃料電池2停止時に純水が凍結する可能性がある場合には、空気遮断弁23が開の状態で、大気開放弁21を閉とした後に、流路遮断弁22を開とする。このように、流路遮断弁22を開するタイミング(T4)を大気開放弁21を閉するタイミング(T2+T3)より後とするため、空気供給手段1から供給された空気の圧力によって、貯水タンク11内の水が純水タンク12側の純水循環系3内に再び入るのを防ぐことができる。
Further, when there is a possibility that the pure water is frozen when the fuel cell 2 is stopped, the air flow shut-off
また、燃料電池2停止時に純水が凍結する可能性がある場合には、空気遮断弁23が開の状態で、流路遮断弁22を開とした後に、空気遮断弁23を閉として圧縮空気の供給を停止する。空気遮断弁23を閉するタイミング(T5)を、流路遮断弁22を開するタイミング(T4)より後とするため、流路遮断弁22と貯水タンク11間の水も貯水タンク11内に回収することができる。
If there is a possibility that pure water may freeze when the fuel cell 2 is stopped, the air shut-off
また、燃料電池2停止時に純水が凍結する可能性がある場合には、空気遮断弁23を閉として圧縮空気の供給を停止した後に、流路遮断弁22を再び閉とする。流路遮断弁22を二度目に閉とするタイミング(T6)を空気遮断弁23を閉するタイミング(T5)より後とするため、水抜き後に、純水循環系3内で圧力が局所的に高い部分が生じるのを抑制することができる。
If there is a possibility that the pure water may freeze when the fuel cell 2 is stopped, the
さらに、通常運転時の純水の流通方向についてのイオン除去器13の下流側における、配管15内の圧力を検出する圧力検出手段25を備え、大気開放弁21を開とした後、圧力検出手段25の出力が、予め設定した所定値PAを下回った場合に、大気開放弁21を閉とする。ここでは、イオン除去器13と導電率検出手段14の間に圧力検出手段25を設け、圧力検出手段25の出力が所定値PAを下回った場合に大気開放弁21を閉とする。その結果、イオン除去器13内の水を確実に排出するまで大気開放を維持することができる。また、無駄に長く大気開放を維持するのを避けることができ、最低限必要な時間で水抜きを終了することができる。
Furthermore, a pressure detection means 25 for detecting the pressure in the
次に、第2の実施形態について説明する。ここでは、第1の実施形態と異なる部分を中心に説明する。 Next, a second embodiment will be described. Here, the description will focus on parts that are different from the first embodiment.
水抜き制御のタイミングチャートを図4に示す。ここでは、貯水量検出手段24により検出した貯水タンク11の純水量に応じてタイミングを計る。
A timing chart of the water drain control is shown in FIG. Here, the timing is measured according to the amount of pure water in the
例えば、図5に示すように、単位時間ΔTあたりにおける貯水タンク11の貯水量の増加ΔDの変化割合により、ΔD/ΔTが予め決められた所定値を下回った場合に、純水循環系3の純水が貯水タンク11内に回収されたと判断し、この時点を時間T1とすることができる。同様に、時間T4で空気遮断弁23を介した空気の供給を継続した状態で流路遮断弁22を開とした後に、ΔD/ΔTが予め決められた所定値を下回った場合に、流路遮断弁22と貯水タンク11との間の水を回収されたと判断し、この時点を時間T5とすることができる。
For example, as shown in FIG. 5, when ΔD / ΔT falls below a predetermined value due to the change rate of the increase ΔD in the storage amount of the
なお、ここでは、貯水量検出手段24の出力により、T1、T5のタイミングを計る場合について説明したが、その他、T2についても貯水量検出手段24により検出された貯水タンク11の純水量に応じて設定することができる。または、T2、T3、T4、T6のタイミングは、それぞれとT1、T5との時間差を予め設定することにより決定してもよい。
Here, the case where the timing of T1 and T5 is measured based on the output of the water storage amount detection means 24 has been described, but other than that, T2 also depends on the amount of pure water in the
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第1の実施形態と異なる効果についてのみ説明する。 Next, the effect of this embodiment will be described. Only the effects different from those of the first embodiment will be described below.
貯水タンク11内の純水量を検出する貯水量検出手段24を備える。燃料電池2停止時に純水が凍結する可能性がある場合には、大気開放弁21、流路遮断弁22、空気遮断弁23を、貯水量検出手段24の出力に応じて所定の順序で開閉することにより、純水循環系3の水抜きを行う。これにより、経時的なシステムの変化や外乱によるバラツキなく水抜きのタイミングを制御することができる。その結果、無駄な時間を要することなく、且つより確実に純水循環系3内の水を排出することができる。
Water storage amount detection means 24 for detecting the amount of pure water in the
燃料電池2停止時に純水が凍結する可能性がある場合には、水抜き開始後、貯水量検出手段24の出力の上昇率ΔD/ΔTが、所定の値を下回った時点で、純水循環系3の主な純水を回収されたと判断する。これにより、より正確に貯水タンク11に純水が回収し終わるまでの時間T1を検知することができる。さらに、その後、大気開放弁21を開とする。その結果、確実に純水循環系3内の水が貯水タンク11に戻った後に、速やかに大気開放弁21を開とでき、水抜きの時間を短縮することができる。
If there is a possibility that pure water may freeze when the fuel cell 2 is stopped, after the start of draining, when the rate of increase ΔD / ΔT of the output of the stored water amount detecting means 24 falls below a predetermined value, the pure water circulation It is judged that the main pure water of
また、燃料電池2停止時に純水が凍結する可能性がある場合には、水抜きを開始して大気開放を行い、さらに流路遮断弁22を開とした後、貯水量検出手段24の出力の上昇率ΔD/ΔTが、所定の値を下回ってから、空気遮断弁23を閉とする。つまり、空気遮断弁23を閉とするタイミング(T5)を、貯水量検出手段24の単位時間あたりの検出値の増加量がシーケンス中で2回目に所定値以下となったときとする。これにより、純水循環系3内の純水を貯水タンク11に回収し終わると同時に、空気遮断弁23を閉とすることができ、水抜き時間の短縮することができる。また、圧縮空気の導入時間を短縮することで、空気供給手段1における燃費の向上を図ることができる。
If there is a possibility that the pure water may freeze when the fuel cell 2 is stopped, drainage is started and the atmosphere is released, and the flow passage shut-off
なお、ここでは純水を直接燃料電池2に循環させることにより、固体高分子膜の加湿に用いたが、この限りではない。例えば、直接燃料電池2を循環する純水が冷却のみに関与する場合にも同様に適用することができる。また、純水が、燃料電池2の外部に設けた加湿手段に供給され、燃料電池2に供給される反応ガスの加湿に用いられる場合にも、同様に適用することができる。 Here, pure water is directly circulated to the fuel cell 2 to be used for humidifying the solid polymer membrane, but this is not restrictive. For example, the present invention can be similarly applied when pure water circulating directly through the fuel cell 2 is involved only in cooling. Further, the present invention can be similarly applied when pure water is supplied to a humidifying means provided outside the fuel cell 2 and used for humidifying the reaction gas supplied to the fuel cell 2.
このように、本発明は、上記発明を実施するための最良の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で様々な変更を為し得ることは言うまでもない。 Thus, the present invention is not limited to the best mode for carrying out the invention, and it goes without saying that various modifications can be made within the scope of the technical idea described in the claims. .
本発明は、純水循環系を備えた燃料電池システムに適用することができる。特に、低温環境下に晒される可能性のある、移動体搭載用の燃料電池システムに適用することができる。 The present invention can be applied to a fuel cell system having a pure water circulation system. In particular, the present invention can be applied to a fuel cell system mounted on a mobile body that may be exposed to a low temperature environment.
2 燃料電池
3 純水循環系
11 貯水タンク(貯水手段)
12 純水ポンプ(循環手段)
13 イオン除去器(イオン除去手段)
15 配管(純水流路)
21 大気開放弁(大気開放手段)
22 流路遮断弁(流路遮断手段)
23 空気遮断弁(圧縮ガス遮断手段)
24 貯水量検出手段
25 圧力検出手段
2
12 Pure water pump (circulation means)
13 Ion remover (ion removal means)
15 Piping (pure water flow path)
21 Air release valve (atmosphere release means)
22 Channel shutoff valve (channel shutoff means)
23 Air shut-off valve (Compressed gas shut-off means)
24 Water storage amount detection means 25 Pressure detection means
Claims (13)
前記純水の循環系として、
純水を流通する純水流路と、
前記純水流路を流れる純水を貯蔵する貯水手段と、
前記貯水手段から純水を取出して前記純水流路に循環させる循環手段と、
加湿または冷却を行うに先立って、純水の導電率を調整するイオン除去手段と、
通常運転時の純水の流通方向についての前記イオン除去手段の上流側を選択的に大気開放する大気開放手段と、
通常運転時の純水の流通方向についての前記イオン除去手段の下流側で選択的に前記純水流路を遮断する流路遮断手段と、
前記イオン除去手段と前記流路遮断手段との間に圧縮ガスを選択的に導入する圧縮ガス遮断手段と、を備え、
前記燃料電池停止時に純水が凍結する可能性がある場合には、前記大気開放手段、前記流路遮断手段、前記圧縮ガス遮断手段を、所定の順序で開閉することにより、前記純水循環系の水抜きを行うことを特徴とする燃料電池システム。 In a fuel cell system including a fuel cell that is humidified or cooled with pure water,
As the pure water circulation system,
A pure water flow path for circulating pure water;
Water storage means for storing pure water flowing through the pure water flow path;
A circulation means for taking out pure water from the water storage means and circulating it in the pure water flow path;
Prior to humidification or cooling, ion removal means for adjusting the conductivity of pure water;
Atmospheric release means for selectively releasing the upstream side of the ion removing means with respect to the flow direction of pure water during normal operation;
A flow path blocking means for selectively blocking the pure water flow path downstream of the ion removing means with respect to the flow direction of the pure water during normal operation;
A compressed gas blocking means for selectively introducing a compressed gas between the ion removing means and the flow path blocking means,
When there is a possibility that pure water may freeze when the fuel cell is stopped, the pure water circulation system is opened and closed by opening and closing the air release means, the flow path blocking means, and the compressed gas blocking means in a predetermined order. A fuel cell system for draining water.
前記圧縮ガス遮断手段を開とした状態で、前記大気開放手段を開とする請求項1に記載の燃料電池システム。 As the compressed gas, compressed air is used,
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the air release means is opened while the compressed gas shut-off means is open.
前記流路遮断手段を、通常運転時の純水の流通方向についての前記燃料電池の下流側で前記純水流路を遮断するように設け、
前記圧縮ガス遮断手段を、通常運転時の純水の流通方向についての前記燃料電池の下流側、かつ、前記流路遮断手段の上流側に、圧縮ガスを供給するか否かを選択するように設ける請求項1または2に記載の燃料電池システム。 The pure water whose conductivity is adjusted by the ion removing means is configured to circulate directly to the fuel cell,
The flow path blocking means is provided so as to block the pure water flow path on the downstream side of the fuel cell with respect to the flow direction of pure water during normal operation,
Whether or not to supply compressed gas to the downstream side of the fuel cell and the upstream side of the flow path blocking unit for the compressed gas blocking unit in the flow direction of pure water during normal operation is selected. The fuel cell system according to claim 1 or 2 provided.
前記圧縮ガス遮断手段が開の状態で、前記大気開放手段を閉とした後に、前記流路遮断手段を開とする請求項1から3のいずれか一つに記載の燃料電池システム。 If there is a possibility that pure water may freeze when the fuel cell stops,
4. The fuel cell system according to claim 1, wherein, after the compressed gas blocking unit is open, the flow path blocking unit is opened after the air release unit is closed. 5.
前記圧縮ガス遮断手段が開の状態で、前記流路遮断手段を開とした後に、前記圧縮ガス遮断手段を閉として圧縮ガスの供給を停止する請求項1から3のいずれか一つに記載の燃料電池システム。 If there is a possibility that pure water may freeze when the fuel cell stops,
4. The supply of compressed gas according to claim 1, wherein after the compressed gas blocking means is open and the flow path blocking means is opened, the compressed gas blocking means is closed to stop the supply of compressed gas. 5. Fuel cell system.
前記圧縮ガス遮断手段を閉として圧縮ガスの供給を停止した後に、前記流路遮断手段を再び閉とする請求項1から3のいずれか一つに記載の燃料電池システム。 If there is a possibility that pure water may freeze when the fuel cell stops,
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein after the compressed gas blocking means is closed and the supply of compressed gas is stopped, the flow path blocking means is closed again.
前記流路遮断手段を閉、前記圧縮ガス遮断手段を開、前記大気開放手段を開、前記大気開放手段を閉、前記流路遮断手段を開、前記圧縮ガス遮断手段を閉、前記流路遮断手段を閉、という順番で動作させる請求項1から3のいずれか一つに記載の燃料電池システム。 If there is a possibility that pure water may freeze when the fuel cell stops,
Close the flow path blocking means, open the compressed gas blocking means, open the atmosphere opening means, close the air opening means, open the flow path blocking means, close the compressed gas blocking means, block the flow path The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein the means are operated in the order of closing.
水抜き開始から前記大気開放手段を開とするまでの時間を、
前記純水流路の内部容積と、前記圧縮ガス遮断手段により選択的に供給される圧縮ガス流量から予め求められた、前記純水循環系の主な純水が回収される時間より長い時間とする請求項8に記載の燃料電池システム。 If there is a possibility that pure water may freeze when the fuel cell stops,
The time from the start of draining to the opening of the air release means,
The time is longer than the time during which main pure water in the pure water circulation system is recovered, which is obtained in advance from the internal volume of the pure water flow path and the compressed gas flow rate selectively supplied by the compressed gas shut-off means. The fuel cell system according to claim 8.
前記燃料電池停止時に純水が凍結する可能性がある場合には、前記大気開放手段、前記流路遮断手段、前記圧縮ガス遮断手段を、前記貯水量検出手段の出力に応じて所定の順序で開閉することにより、前記純水循環系の水抜きを行う請求項1から7のいずれか一つに記載の燃料電池システム。 A water storage amount detection means for detecting the amount of pure water in the water storage means,
If there is a possibility that pure water may freeze when the fuel cell is stopped, the air release means, the flow path shut-off means, and the compressed gas shut-off means are set in a predetermined order according to the output of the water storage amount detection means. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 7, wherein the pure water circulation system is drained by opening and closing.
水抜き開始後、前記貯水量検出手段の出力の上昇率が、所定の値を下回った時点で、前記純水循環系の主な純水が回収されたと判断する請求項10に記載の燃料電池システム。 If there is a possibility that pure water may freeze when the fuel cell stops,
11. The fuel cell according to claim 10, wherein after starting draining, when the rate of increase in the output of the water storage amount detection means falls below a predetermined value, it is determined that main pure water in the pure water circulation system has been recovered. system.
水抜きを開始して大気開放を行い、さらに前記流路遮断手段を開とした後、前記貯水量検出手段の出力の上昇率が、所定の値を下回ってから、前記圧縮ガス遮断手段を閉とする請求項10に記載の燃料電池システム。 If there is a possibility that pure water may freeze when the fuel cell stops,
After the drainage is started and the atmosphere is released, and the flow passage blocking means is opened, the compressed gas blocking means is closed after the rate of increase in the output of the water storage amount detecting means falls below a predetermined value. The fuel cell system according to claim 10.
前記大気開放手段を開とした後、前記圧力検出手段の出力が、予め設定した所定値を下回った場合に、前記大気開放手段を閉とする請求項1から7のいずれか一つに記載の燃料電池システム。 A pressure detecting means for detecting the pressure in the pure water flow path downstream of the ion removing means in the flow direction of the pure water during normal operation;
8. The air release means according to claim 1, wherein after the atmosphere release means is opened, the atmosphere release means is closed when an output of the pressure detection means falls below a predetermined value set in advance. 9. Fuel cell system.
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