JP2005346951A - 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。 The present invention relates to a fuel cell system.
燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。すなわち、燃料電池車両は、高圧水素タンク、液体水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどの水素貯蔵装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。 In a fuel cell, a fuel gas such as hydrogen gas and an oxidizing gas containing oxygen are electrochemically reacted through an electrolyte, and electric energy is directly taken out between electrodes provided on both surfaces of the electrolyte. In particular, a polymer electrolyte fuel cell using a polymer electrolyte has attracted attention as a power source for electric vehicles because of its low operating temperature and easy handling. That is, a fuel cell vehicle is equipped with a hydrogen storage device such as a high-pressure hydrogen tank, a liquid hydrogen tank, or a hydrogen storage alloy tank in the vehicle, and reacts by supplying hydrogen supplied therefrom and air containing oxygen to the fuel cell. This is the ultimate clean vehicle that drives the motor connected to the drive wheels with the electric energy extracted from the fuel cell, and the only exhaust material is water.
通常、燃料電池の末端セル及び発電面の末端部まで反応ガスが行き渡るように、アノード及びカソードには、電気化学反応で消費される反応ガス量より多い量の水素や空気が供給される。アノード出口からは、アノードオフガスと呼ばれる余剰の水素ガスを含んだガスが排出される。アノードオフガスは、未反応の水素ガスを含んでいるので、新規に供給される水素と混合されて再度アノードに供給される。このように、アノードオフガスを循環させる機能を有する燃料電池では、電解質膜を介してカソードの空気から窒素やアルゴンという不活性ガスがアノードへリークし、アノード循環経路内に蓄積する。また、このアノード循環経路内には、燃料ガスとしての水素に含まれていた不純物ガスが蓄積することもある。 Usually, the anode and the cathode are supplied with a larger amount of hydrogen or air than the amount of the reaction gas consumed in the electrochemical reaction so that the reaction gas reaches the end cell of the fuel cell and the end of the power generation surface. A gas containing excess hydrogen gas called anode off-gas is discharged from the anode outlet. Since the anode off gas contains unreacted hydrogen gas, it is mixed with newly supplied hydrogen and supplied to the anode again. As described above, in the fuel cell having the function of circulating the anode off gas, the inert gas such as nitrogen or argon leaks from the cathode air to the anode through the electrolyte membrane and accumulates in the anode circulation path. Further, impurity gas contained in hydrogen as a fuel gas may accumulate in the anode circulation path.
これらの不純物がアノード循環経路に蓄積する量は、燃料電池の運転時間の経過と共に増加し、アノードにおける水素分圧が低下するので発電性能が低下する。このため、運転時間中に時々、アノードオフガスを系外に排出して、アノード循環経路から不純物を除くパージと呼ばれる動作を行っている。しかしながら、パージ動作を行う際には、未反応の水素ガスも放出されるために、燃料電池の燃費性能が低下する。 The amount of these impurities accumulated in the anode circulation path increases as the fuel cell operating time elapses, and the hydrogen partial pressure at the anode decreases, resulting in a decrease in power generation performance. For this reason, during the operation time, the anode off gas is sometimes discharged out of the system, and an operation called purging is performed to remove impurities from the anode circulation path. However, when performing the purge operation, unreacted hydrogen gas is also released, so that the fuel efficiency of the fuel cell is lowered.
この対策として、例えば、特許文献1によれば、水素供給源と燃料電池との間に、水素を選択的に透過させる水素透過膜を有する水素分離装置を配置し、再循環させたアノードオフガスと、供給ガス(水素リッチガス)の両方を同時に水素分離装置に供給し、水素透過膜を透過した水素を燃料電池へ供給する燃料電池システムが開示されている。 As a countermeasure, for example, according to Patent Document 1, a hydrogen separator having a hydrogen permeable membrane that selectively permeates hydrogen is disposed between a hydrogen supply source and a fuel cell, A fuel cell system is disclosed in which both supply gas (hydrogen-rich gas) is supplied simultaneously to a hydrogen separator, and hydrogen that has permeated through a hydrogen permeable membrane is supplied to the fuel cell.
また、特許文献1によれば、燃料電池のアノード循環系に残存する水素濃度又は量を算出し、パージ中に残存水素を全て使い切るだけの負荷電流を燃料電池にかけることで、パージ時に排出される水素量を極力低減する方法が開示されている。
しかしながら、上記従来の燃料電池システムによれば、アノードオフガスからの水素分離と供給ガスからの水素分離とを共用の水素分離装置で行っているため、アノードオフガスからの分離水素量は、単独でアノードオフガスから水素分離する場合よりも少なくなるため、水素分離効率は低下するという問題点があった。 However, according to the conventional fuel cell system described above, the hydrogen separation from the anode off gas and the hydrogen separation from the supply gas are performed by the common hydrogen separation device, and therefore the amount of hydrogen separated from the anode off gas is the anode alone. Since this is less than the case of hydrogen separation from off-gas, there is a problem that the hydrogen separation efficiency is lowered.
また、パージ中に水素循環系の残存水素を使い切ることで水素の排出量を低減しようとすると、燃料電池の電解質膜や電極触媒が劣化する虞があるという問題点があった。 In addition, if the amount of hydrogen discharged is reduced by using up the remaining hydrogen in the hydrogen circulation system during the purge, there is a problem that the electrolyte membrane and electrode catalyst of the fuel cell may be deteriorated.
本発明は、上記問題点を解決するため、水素及び酸化剤の電気化学反応により発電する燃料電池本体と、前記燃料電池本体のアノード入口に水素を供給する水素供給経路と、前記燃料電池本体のアノード出口から排出されたアノードオフガスを前記水素供給経路へ戻すアノードオフガス循環経路と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記水素供給経路と前記アノードオフガス循環経路との合流点より上流の前記アノードオフガス循環経路上に、アノードオフガスから水素を分離する水素分離装置を備えたことを要旨とする。 In order to solve the above problems, the present invention provides a fuel cell body that generates electricity by an electrochemical reaction of hydrogen and an oxidant, a hydrogen supply path for supplying hydrogen to the anode inlet of the fuel cell body, An anode offgas circulation path for returning the anode offgas discharged from the anode outlet to the hydrogen supply path, and the anode offgas circulation upstream from the junction of the hydrogen supply path and the anode offgas circulation path The gist is that a hydrogen separator for separating hydrogen from the anode off-gas is provided on the path.
本発明によれば、水素循環路にアノードオフガス専用の水素分離装置を設けたので、燃料電池上流側に水素分離装置を設けて新規供給ガスとアノードオフガスの両方から一つの水素分離装置を共用して水素分離する場合よりも、アノードオフガスから分離できる水素量及び分離効率が向上するという効果がある。 According to the present invention, since the hydrogen separator dedicated to the anode off-gas is provided in the hydrogen circulation path, a hydrogen separator is provided upstream of the fuel cell to share one hydrogen separator from both the new supply gas and the anode off-gas. Thus, the amount of hydrogen that can be separated from the anode off-gas and the separation efficiency are improved compared to the case of hydrogen separation.
また、パージ自体の必要がなく、パージ中に水素循環系の残存水素を使い切ることに由来する電解質膜や電極触媒の劣化の虞もない。 Further, there is no need for purging itself, and there is no possibility of deterioration of the electrolyte membrane or electrode catalyst resulting from using up the remaining hydrogen in the hydrogen circulation system during purging.
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。 Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明に係る燃料電池システムの実施例1の構成を説明するシステム概略図である。図1において、燃料電池システム1は、アノード3及びカソード4を有する燃料電池本体2と、燃料電池本体2の出力電流を検出する電流計5と、燃料電池本体2が発電した電力を消費する負荷装置6と、水素供給源7と、水素供給源7から供給される水素ガスの圧力を調整する水素調圧弁8と、水素調圧弁8とアノード3の入口3aとを接続する水素供給路10と、アノード3の出口3bと水素循環ポンプ12の入口とを接続する水素循環路11と、アノード出口3bから排出されたアノードオフガスを圧送する水素循環ポンプ12と、水素循環ポンプ12の下流で分岐する水素循環路13,14と、水素循環路13上に配置された可変オリフィス15と、水素循環路14上に配置された水素分離装置16と、水素循環路13及び14の下流で合流した水素循環路17と、水素循環路17が水素供給路10に合流する合流点9と、水素分離装置16から分離された不純物を排出する
排出路18と、カソード4に酸化剤ガスとしての空気を供給する空気コンプレッサ19と、カソード4から排出される空気の圧力を調整する空気調圧弁20と、アノード入口3aの圧力を検出する圧力センサ21と、水素分離装置16の入口圧力を検出する圧力センサ22と、水素分離装置16の出口圧力を検出する圧力センサ23と、燃料電池システム1を制御するコントローラ24とを備えている。
FIG. 1 is a system schematic diagram illustrating the configuration of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention. In FIG. 1, a fuel cell system 1 includes a fuel cell
燃料電池本体2は、例えば、固体高分子電解質を備えた固体高分子型燃料電池である。水素供給源7は、高圧水素タンク、水素吸蔵材料タンク、液化水素貯蔵装置等の水素貯蔵装置、または原燃料から改質した水素を生成する燃料改質装置である。
The fuel cell
水素分離装置16は、水素透過性金属膜、分子篩炭素膜等を使用して、水素を含むガスから水素ガスと水素以外の不純物ガスとを分離する装置である。水素透過性金属膜を用いた水素分離装置としては、特開2003−334417号公報記載の「水素透過膜利用装置」が公知である。分子篩炭素膜を用いた水素分離装置としては、特開2003−160308号公報記載の「分子篩炭素膜による水素の精製方法」を適用することができる。特に分子篩炭素膜は、室温乃至150〔℃〕程度の条件下で優れた水素分離特性を示すので、固体高分子型燃料電池のアノードオフガスから水素を分離する用途に好ましい。
The
可変オリフィス15は、水素分離装置16が配置された水素循環路14と並列に配置されたバイパス路である水素循環路13の流量を調整するバイパス流量制御手段であり、可変オリフィスに代えて開度調節可能な弁を用いてもよい。
The
コントローラ24は、燃料電池システム1の全体を制御すると共に、負荷装置6からの要求負荷、電流計5による燃料電池出力電流、圧力計21によるアノード供給圧力、圧力計22及び23による水素分離装置16の入口出口間の差圧等を入力し、この要求負荷に応じた運転圧力に反応ガスを制御すると共に、可変オリフィス15の開度を制御するものである。
The
尚、特に限定されないが本実施例では、コントローラ24は、CPUと、プログラムROMと、作業用RAMと、入出力インタフェースとを備えたマイクロプロセッサで構成されている。
Although not particularly limited, in this embodiment, the
次に、上記構成による本実施例の動作を説明する。水素供給源7より燃料電池本体2のアノード3へ水素が供給される。水素供給源7と燃料電池本体2との間には、供給する水素の圧力調整のための調圧弁8が設けられていて、コントローラ24は、負荷に応じた要求水素供給量を満たすよう調圧弁8を制御して供給水素圧力調整を行う。
Next, the operation of this embodiment having the above configuration will be described. Hydrogen is supplied from the
燃料電池本体2のアノード3においては、供給された水素が全て反応するということはなく、アノード触媒で反応しない未反応水素が、水蒸気、カソード4からアノード3へ透過してきた窒素、アルゴンなどの不純ガスと共に排出される。
In the
アノード3の出口3bから排出される未反応水素、水蒸気、窒素などが混じったアノードオフガスは、未反応水素の再利用による燃料効率向上と、反応を促進させるために水素供給源7から供給されるドライ水素の加湿を行うこと、余剰水素を循環させることで安定した出力を得ることなどのために常時循環している。
The anode off gas mixed with unreacted hydrogen, water vapor, nitrogen, etc. discharged from the
アノードオフガスは、水素循環路11を通過し水素循環ポンプ12によって圧送されることで、水素循環路17を介して水素供給路10との合流点9で合流する。水素循環ポンプ12の下流の水素循環路は、水素循環路13,14に分岐する。水素循環路14には、水素分離装置16が配置され、水素循環路13には、水素分離装置16をバイパスするバイパス流量制御手段としての可変オリフィス15により流量が制御される。
The anode off-gas passes through the
水素分離装置16では、アノードオフガスから水素が分離され、窒素、水蒸気などの不純ガスは、排出路18から系外へ排出される。分離された水素は、水素循環路17を介して水素供給路10との合流点9に至る。可変オリフィス15により流量が調整されたアノードオフガスも水素循環路17を介して水素供給路10との合流点9に至る。
In the
燃料電池本体2の出力が大出力時に、水素分離装置16の圧力損失などから、システムが要求するアノードオフガス循環流量を保持することができないことがある。それを回避するために、水素分離装置16を設けた分離循環路14と並列に、バイパス路の役割を果たす経路として可変オリフィス15など流量調整が可能な装置を設けた水素循環路13を設けている。
When the output of the fuel cell
変動する燃料電池の負荷に応じたアノードオフガスの循環流量の確保と、水素分離装置16に対する最適分離効率の維持の両立させるために、水素循環ポンプ12,調圧弁8、可変オリフィス15による水素分離装置16の入口出口間の差圧の補正制御が行える構成になっている。
In order to achieve both the securing of the circulation flow rate of the anode off gas according to the changing load of the fuel cell and the maintenance of the optimum separation efficiency for the
コントローラ24は、水素循環ポンプ12の吐出圧力と、可変オリフィス15の開度とを制御して、水素分離装置16の入口圧力と出口圧力との差圧、または水素分離装置の流量を、最適分離効率を達成できる差圧または流量へ調整を行う。しかし、燃料電池出力の大出力時には、水素循環路13上の可変オリフィス15の開度を開いて、たとえ水素分離装置16の最適分離効率が達成できる差圧または流量からはずれても、燃料電池システムが要求するアノードオフガス循環流量の確保が可能である。
The
水素分離装置16で分離された不純ガスは、水素を含まず、主成分は水蒸気、窒素、アルゴンなどの環境に対して無害なガスであるため、排出路18から常時外部へ排出される。
The impure gas separated by the
本実施形態では、燃料電池の高負荷時、即ちアノードオフガスの循環流量が多い時に、水素分離装置の圧力損失によるアノードオフガス循環流量不足を水素循環路13の可変オリフィス15の開度を大きくすることにより回避しているのは、水素分離装置16の分離性能(分離効率、圧力損失、使用流量域)を限定せずに適用可能であることを意味する。即ち、水素分離装置の分離性能が十分高ければ、高出力時に循環流量が増加したアノードオフガスを水素循環路13によってバイパスしなくともシステムが要求する循環流量のアノードオフガスを水素分離装置16に通過させることができることは言うまでもない。
In this embodiment, when the fuel cell is under a high load, that is, when the circulation flow rate of the anode off gas is large, the opening of the
次に、図3のフローチャートを参照して、本実施例におけるコントローラ24による制御を説明する。図3のフローチャートは、燃料電池起動開始の入口と、起動して暖機が完了した後に所定時間毎(例えば、10〔mS〕毎)に呼び出される入口の二つの入口がある。
Next, control by the
まず、燃料電池システムの起動が開始されると、ステップ(以下、ステップをSと略す)10において、燃料電池本体2の暖機運転を開始する。これには、空気コンプレッサ19及び水素循環ポンプ12を起動すると共に、アノードの水素圧力及びカソードの空気圧力が所定の暖機運転圧力となるように、空気調圧弁20及び水素調圧弁8を設定し、燃料電池本体2から暖機用の出力電流を取り出す。
First, when the activation of the fuel cell system is started, the warm-up operation of the fuel cell
次いでS12で、燃料電池本体2の温度であるスタック温度Tsを図1には図示しない温度センサで検出し、S14でTsが所定の暖機温度T0 (例えば、固体高分子型燃料電池の場合、80〔℃〕)を超えたか否かを判定する。S14の判定でTsがT0 を超えていなければ、S12に戻る。
Next, at S12, the stack temperature Ts, which is the temperature of the fuel cell
S14の判定で、TsがT0 を超えていれば、暖機終了としてS16へ進む。S16では、負荷装置6からの要求負荷Wrをコントローラ24へ読み込み、S18で要求負荷Wrから燃料電池本体2が出力すべき目標電流Itを算出する。次いで、S20で目標電流Itから目標運転圧力Ptを算出する。これには、予め実験に基づいて作成された制御マップをコントローラ24に記憶させておき、この制御マップを参照して、目標電流Itから目標運転圧力Ptを算出する。
If it is determined in S14 that Ts exceeds T0, the warm-up is terminated and the process proceeds to S16. In S16, the required load Wr from the
次いでS22で、圧力センサ21が検出するアノード入口圧力が目標運転圧力Ptとなるように水素調圧弁8を制御し、S24で、可変オリフィス15の開度を水素分離装置16が最適分離効率となる所定の差圧に設定する。このとき、水素分離装置16の入口圧力を検出する圧力センサ22と、同出口圧力を検出する圧力センサ23との検出値の差を算出して水素分離装置16の入口出口間の差圧値とし、この差圧値が予め設定された水素分離装置16が最大分離効率となる所定値となるように可変オリフィス15の開度、言い換えれば水素循環路13によるアノードオフガスのバイパス流量を制御する。
Next, in S22, the hydrogen pressure regulating valve 8 is controlled so that the anode inlet pressure detected by the
次いで、S26で圧力センサ21が検出したアノード入口圧力P1 をコントローラ24へ読み込み、S28で目標運転圧力Ptとアノード入口圧力P1 との偏差の絶対値が所定の誤差ε未満となったか否かを判定する。S28の判定で、偏差の絶対値がε以上であれば、S22へ戻り、制御誤差を更に縮小するための制御を続ける。
Next, the anode inlet pressure P1 detected by the
S28の判定で、偏差の絶対値がε未満であれば、制御誤差範囲内として、S30へ移る。S30では、電流計5により燃料電池の出力電流Ioを検出し、コントローラ24へ読み込む。次いで、S32で、目標電流Itと出力電流Ioとの差が許容値α未満であるか否かを判定する。目標電流Itと出力電流Ioとの差が許容値α未満であれば、メインルーチンへリターンする。以後、S16以下の処理が所定時間毎に呼び出されて実行される。
If it is determined in S28 that the absolute value of the deviation is less than ε, the process proceeds to S30 within the control error range. In S <b> 30, the
S32の判定で、目標電流Itと出力電流Ioとの差が許容値α以上であれば、水素循環経路内に過剰な不純物が蓄積し、水素分圧が低下したために出力電流Ioと目標電流Itとの乖離が許容値を超えたとして、S34へ進み、水素調圧弁8を目標運転圧力に調整し、S36で可変オリフィス15を調整して、水素分離装置16の入口出口の差圧が水素分離装置16の最大不純物分離流量となるように調整する。これにより、急速にアノードオフガス循環経路から不純物が除去されて、循環経路内の水素分圧が上昇することになる。
If the difference between the target current It and the output current Io is greater than or equal to the allowable value α in the determination of S32, excess impurities accumulate in the hydrogen circulation path and the hydrogen partial pressure has decreased, so that the output current Io and the target current It are The flow proceeds to S34, the hydrogen pressure regulating valve 8 is adjusted to the target operating pressure, the
次いで、S38で電流計5により燃料電池の出力電流Ioを検出してコントローラ24へ読み込み、S40で、目標電流Itと出力電流Ioとの差が許容値α未満であるか否かを判定する。目標電流Itと出力電流Ioとの差が許容値α未満であれば、メインルーチンへリターンする。以後、S16以下の処理が所定時間毎に呼び出されて実行される。
Next, the output current Io of the fuel cell is detected by the
S40の判定で、目標電流Itと出力電流Ioとの差が許容値α以上であれば、S34へ戻り、運転圧力と出力電流がともに目標値を満足するように制御する。 If it is determined in S40 that the difference between the target current It and the output current Io is equal to or larger than the allowable value α, the process returns to S34, and control is performed so that both the operating pressure and the output current satisfy the target value.
以上説明した本実施例によれば、水素供給源から供給される水素とアノードオフガスとの混合ガスを水素分離装置に供給せず、アノードオフガスのみから水素分離装置で水素を分離するために、水素分離装置の水素分離膜を通過しうる水素はすべてアノードオフガス中に含まれていた水素となるため、未反応水素の回収率及び水素循環流量を向上できるという効果がある。 According to the present embodiment described above, in order to separate hydrogen from the anode offgas only from the anode offgas without supplying the mixed gas of hydrogen and anode offgas supplied from the hydrogen supply source to the hydrogen separator, Since all the hydrogen that can pass through the hydrogen separation membrane of the separator becomes hydrogen contained in the anode offgas, there is an effect that the recovery rate of unreacted hydrogen and the hydrogen circulation flow rate can be improved.
また本実施例によれば、水素分離装置16をバイパスする水素循環路13を設けて、この水素循環路13上にバイパス流量を制御するバイパス流量制御手段としての可変オリフィス15を設けたので、水素分離装置16が最適分離効率となるアノードオフガス流量を水素分離装置16に供給するとともに、システムが要求するアノードオフガス循環流量を確保することができる。
Further, according to the present embodiment, the
図2は、本発明に係る燃料電池システムの実施例2の構成を説明するシステム概略図である。図2において、燃料電池システム1は、アノード3及びカソード4を有する燃料電池本体2と、燃料電池本体2の出力電流を検出する電流計5と、燃料電池本体2が発電した電力を消費する負荷装置6と、水素供給源7と、水素供給源7から供給される水素ガスの圧力を調整する水素調圧弁8と、水素調圧弁8から供給される新規水素を駆動流としてアノードオフガスを循環させる流体ポンプであるエゼクタ31,32と、エゼクタ31及び32の下流に設けられた合流点9aと燃料電池本体2のアノード3の入口3aとを接続する水素供給路10と、アノード3の出口3bと水蒸気除去装置33の入口とを接続する水素循環路11と、水蒸気除去装置33の出口から分岐する水素循環路34,35,36と、水素循環路34上に配置された水素循環ポンプ12と、水素循環路35上に配置された可変オリフィス15と、水素循環路36から2分岐する入口配管37,38に接続された水素分離装置16と、水素分離装置16から分離された不純物を排出する排出路18と、水素循環ポンプ12の出口側の水素循環路41が水素供給路10に合流する合流点9bと、可変オリフィス15の下流とエゼクタ32の吸込口とを接続する水素循環路40と、水素分離装置16で分離された水素の出口とエゼクタ31の吸込口とを接続する水素循環路39と、カソード4に酸化剤ガスとしての空気を供給する空気コンプレッサ19と、カソード4から排出される空気の圧力を調整する空気調圧弁20と、アノード入口3aの圧力を検出する圧力センサ21と、水素分離装置16の入口圧力を検出する圧力センサ22と、水素分離装置16の出口圧力を検出する圧力センサ23と、燃料電池システム1を制御するコントローラ24とを備えている。
FIG. 2 is a system schematic diagram illustrating the configuration of the fuel cell system according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 2, the fuel cell system 1 includes a
本実施例と実施例1との相違点は、アノードオフガスから水蒸気を除去する水蒸気除去装置33を備えること、水素循環経路に水素循環ポンプ12以外に、大流量時に水素循環を行う流体ポンプであるエゼクタ31,32を備えていることである。上記相違する構成要素及びこれらに伴う管路以外の構成要素は、実施例1と同様であるので同様の構成要素には、同じ符号を付与して重複する説明を省略する。
The difference between the present embodiment and the first embodiment is that it is provided with a water vapor removing device 33 that removes water vapor from the anode off gas, and is a fluid pump that performs hydrogen circulation at a high flow rate in addition to the
水蒸気除去装置33は、例えば、アノードオフガスを露点以下に冷却して、アノードオフガスから水蒸気を除去する凝縮器や、空気コンプレッサ19から供給する空気とアノードオフガスとを透湿性中空糸膜等を介して水蒸気交換することにより、アノードオフガスから水蒸気を除去する装置が適用できる。
For example, the water vapor removing device 33 cools the anode off gas below the dew point and removes the water vapor from the anode off gas, the air supplied from the
アノードオフガスから水蒸気除去装置により水蒸気を除去することにより、その下流に配置された水素分離装置16の分離膜の目詰まりを防止することができるので、水素分離効率を上昇させることができる。
By removing the water vapor from the anode off-gas by the water vapor removing device, clogging of the separation membrane of the
また、アノードオフガス循環のための駆動力として、外部動力を必要としない流体ポンプであるエゼクタ31,32を用いているので水素循環のための消費エネルギーを低減することができる。エゼクタ31は、水素調圧弁8から供給される新規水素を駆動流としてノズルから吹き出し、吸込口から水素分離装置16で分離された水素を吸い込んで、両者を混合したガスを排出口から水素供給路10へ送り出すものである。エゼクタ32は、水素調圧弁8から供給される新規水素を駆動流としてノズルから吹き出し、吸込口から可変オリフィス15で流量調整されたアノードオフガスを吸い込んで、両者を混合したガスを排出口から水素供給路10へ送り出すものである。
Further, since the
複数のエゼクタを直列に配置した場合、各エゼクタノズル断面は有限であり、流体も体積を持っているため通れる量には限界があるため、エゼクタノズル断面を通過することができる流量は限られている。このことから、どんなに差圧を大きくしてもどれか一つのエゼクタが大きなストイキ(総流量/駆動流量)を得ると、その他のエゼクタにおいて、エゼクタ入口流量が増減するなどの制限を受けてしまい、ノズルの循環分量が減少したり、流速低下により大きな負圧を作ることができなってしまい、ほとんどストイキを得ることができないなどの弊害が出るため、全体での循環流量は不足してしまう。 When a plurality of ejectors are arranged in series, each ejector nozzle section is finite and the amount of fluid that can pass through is limited, so the flow rate that can pass through the ejector nozzle section is limited. Yes. For this reason, if any one ejector obtains a large stoichiometry (total flow rate / driving flow rate) no matter how large the differential pressure is increased, other ejectors are subject to restrictions such as increasing or decreasing the ejector inlet flow rate. As a result, the amount of circulating water decreases, or a large negative pressure cannot be created due to a decrease in flow velocity, resulting in problems such as almost no stoichiometry.
しかし本実施例のようにエゼクタ31,32を並列に配置することで、各経路のノズルを通過する流量は他のエゼクタノズル通過流量による制限を受けないため、すべてのエゼクタに最適なエゼクタ入口流量を流すことができ、各エゼクタのストイキを最適な値に保つことが可能となる。また複数のエゼクタを並列に配置したことによる一つあたりエゼクタの差圧低下(エゼクタを1つ並列に増やすということは、全体でのノズル断面積合計が1つ分だけ増加することになるため、流速が落ち、その結果差圧は低下する)は、上流側に配置された調圧弁を開くことでエゼクタ上流側の圧力を底上げできるため回避でき、常時最適なストイキを確保することが可能となる。
However, by arranging the
燃料電池本体2の出力が小さいとき、水素調圧弁8から供給される新規水素流によるエゼクタ31,32の駆動力が十分でないので、水素循環ポンプ12を補助的に駆動し、所要のアノードオフガス循環量を得るようにしている。燃料電池出力がある程度以上となったら、エゼクタ31,32の循環機能を移し、水素循環ポンプ12は停止させる。
When the output of the fuel cell
このような構成によって、水素分離装置16に対し常時最適な水素分離効率を維持し、燃料電池本体2の要求水素量の確保も同時に行うシステムを実現する。水素循環路35に設けられた可変オリフィス15はシステムに対し最適な分離効率を達成できるよう水素循環路36と35への流量配分を行う。
Such a configuration realizes a system that always maintains the optimum hydrogen separation efficiency for the
尚、水素循環路39と40とに、それぞれ図示しない開閉弁を設けて、燃料電池を起動した直後やアイドリング時に、開閉弁を閉じて水素の小流量時にエゼクタの吸い込みが不足して逆流するのを防止してもよい。
In addition, an open / close valve (not shown) is provided in each of the
水素分離装置16へ至る水素循環路36は、水素分離装置16の入口で循環路37と循環路38とに分岐しているが、このような構成によって水素分離装置16内部のみにおいて流量を落とすことなく供給流速を降下させることができるため、水素分離装置内のアノードオフガス滞在時間が伸びた分、水素拡散量も増加し水素分離効率が向上する。この効果によるエゼクタの吸い込みを妨げる圧力損失は発生しない。
The
次に、図4のフローチャートを参照して、本実施例におけるコントローラ24による制御を説明する。図4のフローチャートは、燃料電池起動開始の入口と、起動して暖機が完了した後に所定時間毎(例えば、10〔mS〕毎)に呼び出される入口の二つの入口がある。
Next, control by the
まず、燃料電池システムの起動が開始されると、S50において、燃料電池本体2の暖機運転を開始する。これには、空気コンプレッサ19及び水素循環ポンプ12を起動すると共に、アノードの水素圧力及びカソードの空気圧力が所定の暖機運転圧力となるように、空気調圧弁20及び水素調圧弁8を設定し、燃料電池本体2から暖機用の出力電流を取り出す。
First, when the start of the fuel cell system is started, the warm-up operation of the fuel cell
次いでS52で、燃料電池本体2の温度であるスタック温度Tsを図2には図示しない温度センサで検出し、S54でTsが所定の暖機温度T0 (例えば、固体高分子型燃料電池の場合、80〔℃〕)を超えたか否かを判定する。S54の判定でTsがT0 を超えていなければ、S52に戻る。
Next, at S52, the stack temperature Ts, which is the temperature of the fuel cell
S54の判定で、TsがT0 を超えていれば、暖機終了としてS56へ進む。S56では、負荷装置6からの要求負荷Wrをコントローラ24へ読み込み、S58で要求負荷Wrから燃料電池本体2が出力すべき目標電流Itを算出する。次いで、S60で目標電流Itから目標運転圧力Ptを算出する。これには、予め実験に基づいて作成された制御マップをコントローラ24に記憶させておき、この制御マップを参照して、目標電流Itから目標運転圧力Ptを算出する。
If it is determined in S54 that Ts exceeds T0, the warm-up ends and the process proceeds to S56. In S56, the required load Wr from the
次いで、S62で、要求負荷Wrが所定負荷W0 未満か否かを判定する。この所定負荷W0 は、エゼクタ31,32及び燃料電池本体2を含む水素循環路の流体力学的特性からエゼクタ31,32では、十分な水素循環特性を得られないと判断する水素流量に対応する負荷であり、例えば、燃料電池システムのシミュレーションから求めた値を実験データに基づいて補正したものである。
Next, in S62, it is determined whether or not the required load Wr is less than a predetermined load W0. This predetermined load W0 is a load corresponding to a hydrogen flow rate that determines that the
S62の判定で、要求負荷Wrが所定負荷W0 未満であれば、S64へ進み、水素循環流量を補うために水素循環ポンプ12を作動させる。S62の判定で、要求負荷Wrが所定負荷W0 以上であれば、エゼクタ31,32の吸い込みに必要な流量は十分確保されているとして、S66へ進み、水素循環ポンプ12を停止させる。
If it is determined in S62 that the required load Wr is less than the predetermined load W0, the process proceeds to S64, and the
次いでS68で、圧力センサ21が検出するアノード入口圧力が目標運転圧力Ptとなるように水素調圧弁8を制御し、S70で、可変オリフィス15の開度を水素分離装置16が最適分離効率となる所定の差圧に設定する。このとき、水素分離装置16の入口圧力を検出する圧力センサ22と、同出口圧力を検出する圧力センサ23との検出値の差を算出して水素分離装置16の入口出口間の差圧値とし、この差圧値が予め設定された水素分離装置16が最大分離効率となる所定値となるように可変オリフィス15の開度、言い換えれば水素循環路13によるアノードオフガスのバイパス流量を制御する。
Next, in S68, the hydrogen pressure regulating valve 8 is controlled so that the anode inlet pressure detected by the
次いで、S72で圧力センサ21が検出したアノード入口圧力P1 をコントローラ24へ読み込み、S74で目標運転圧力Ptとアノード入口圧力P1 との偏差の絶対値が所定の誤差ε未満となったか否かを判定する。S28の判定で、偏差の絶対値がε以上であれば、S68へ戻り、制御誤差を更に縮小するための制御を続ける。
Next, the anode inlet pressure P1 detected by the
S74の判定で、偏差の絶対値がε未満であれば、制御誤差範囲内として、S76へ移る。S76では、電流計5により燃料電池の出力電流Ioを検出し、コントローラ24へ読み込む。次いで、S78で、目標電流Itと出力電流Ioとの差が許容値α未満であるか否かを判定する。目標電流Itと出力電流Ioとの差が許容値α未満であれば、メインルーチンへリターンする。以後、S56以下の処理が所定時間毎に呼び出されて実行される。
If it is determined in S74 that the absolute value of the deviation is less than ε, the process proceeds to S76 within the control error range. In S76, the
S78の判定で、目標電流Itと出力電流Ioとの差が許容値α以上であれば、水素循環経路内に過剰な不純物が蓄積し、水素分圧が低下したために出力電流Ioと目標電流Itとの乖離が許容値を超えたとして、S80へ進み、水素調圧弁8を目標運転圧力に調整し、S82で可変オリフィス15を調整して、水素分離装置16の入口出口の差圧が水素分離装置16の最大不純物分離流量となるように調整する。これにより、急速にアノードオフガス循環経路から不純物が除去されて、循環経路内の水素分圧が上昇することになる。
If the difference between the target current It and the output current Io is greater than or equal to the allowable value α in the determination of S78, excess impurities accumulate in the hydrogen circulation path and the hydrogen partial pressure has decreased, so that the output current Io and the target current It are The flow proceeds to S80, the hydrogen pressure regulating valve 8 is adjusted to the target operating pressure, the
次いで、S84で電流計5により燃料電池の出力電流Ioを検出してコントローラ24へ読み込み、S86で、目標電流Itと出力電流Ioとの差が許容値α未満であるか否かを判定する。目標電流Itと出力電流Ioとの差が許容値α未満であれば、メインルーチンへリターンする。以後、S56以下の処理が所定時間毎に呼び出されて実行される。
Next, in S84, the output current Io of the fuel cell is detected by the
S86の判定で、目標電流Itと出力電流Ioとの差が許容値α以上であれば、S80へ戻り、運転圧力と出力電流がともに目標値を満足するように制御する。 If it is determined in S86 that the difference between the target current It and the output current Io is equal to or greater than the allowable value α, the process returns to S80, and control is performed so that both the operating pressure and the output current satisfy the target value.
以上、本発明の種々の実施例について説明をしてきたが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲においては種々の構成を採ることができることは言うまでもない。 Although various embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments, and it goes without saying that various configurations can be adopted without departing from the spirit of the present invention.
1…燃料電池システム
2…燃料電池本体
3…アノード
4…カソード
5…電流計
6…負荷装置
7…水素供給源
8…水素調圧弁
9…合流点
10…水素供給路
11…水素循環路
12…水素循環ポンプ
13、14…水素循環路
15…可変オリフィス
16…水素分離装置
18…排出経路
19…空気コンプレッサ
20…空気調圧弁
21,22,23…圧力センサ
24…コントローラ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
Claims (6)
前記燃料電池本体のアノード入口に水素を供給する水素供給経路と、
前記燃料電池本体のアノード出口から排出されたアノードオフガスを前記水素供給経路へ戻すアノードオフガス循環経路と、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記水素供給経路と前記アノードオフガス循環経路との合流点より上流の前記アノードオフガス循環経路上に、アノードオフガスから水素を分離する水素分離装置を備えたことを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell body that generates electricity by an electrochemical reaction of hydrogen and an oxidant; and
A hydrogen supply path for supplying hydrogen to the anode inlet of the fuel cell body;
An anode offgas circulation path for returning the anode offgas discharged from the anode outlet of the fuel cell main body to the hydrogen supply path,
A fuel cell system comprising a hydrogen separation device that separates hydrogen from anode offgas on the anode offgas circulation path upstream from a junction of the hydrogen supply path and anode offgas circulation path.
該バイパス経路のガス流量を制御するバイパス流量制御手段と、
を備えたことを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。 A bypass path for bypassing the hydrogen separator;
Bypass flow rate control means for controlling the gas flow rate of the bypass path;
The fuel cell system according to claim 1, further comprising:
該水素循環ポンプの下流に、前記水素分離装置、前記バイパス経路及び前記バイパス流量制御手段を配設したことを特徴とする請求項2記載の燃料電池システム。 A hydrogen circulation pump for pumping the anode off-gas discharged from the anode outlet of the fuel cell body;
3. The fuel cell system according to claim 2, wherein the hydrogen separator, the bypass path, and the bypass flow rate control means are disposed downstream of the hydrogen circulation pump.
前記複数のエゼクタのうち第1のエゼクタにより、前記水素分離装置で分離された水素を前記水素供給経路へ合流させ、
前記複数のエゼクタのうち第2のエゼクタにより、前記バイパス経路を経由したアノードオフガスを前記水素供給経路へ合流させることを特徴とする請求項2記載の燃料電池システム。 A plurality of ejectors for recirculating the anode off gas discharged from the anode outlet of the fuel cell main body to the anode inlet;
The first ejector out of the plurality of ejectors joins the hydrogen separated by the hydrogen separator to the hydrogen supply path,
3. The fuel cell system according to claim 2, wherein an anode off-gas that has passed through the bypass path is joined to the hydrogen supply path by a second ejector of the plurality of ejectors.
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