JP2006049135A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、内部加湿型燃料電池と外部加湿型燃料電池と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 including an internal humidification fuel cell and an external humidification fuel cell.
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、水素貯蔵装置や燃料改質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、大気汚染物質の排出がなく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 has a hydrogen storage device and a fuel reformer mounted on the vehicle, and hydrogen supplied from the vehicle and oxygen-containing air are sent to the fuel cell to react with each other, and the electric energy extracted from the fuel cell is obtained. It drives the motor connected to the drive wheels, and it is the ultimate clean vehicle without the emission of air pollutants.
ところで、固体高分子型燃料電池に用いられる固体高分子電解質膜は、湿潤状態を維持しないと良好な水素イオン導電性を発揮しない。固体高分子膜を湿潤状態に維持する為には、燃料電池の外部に設けた加湿装置で燃料ガスや酸化剤ガスを加湿する外部加湿方法や、燃料電池内部に加湿用の純水通路を設け、この純水通路と多孔質性の水透過板を介して燃料ガスや酸化剤ガスを加湿する内部加湿方法がある。前者の加湿方法によるものは外部加湿型燃料電池、後者のものは内部加湿型燃料電池とそれぞれ呼ばれている。 By the way, the solid polymer electrolyte membrane used in the polymer electrolyte fuel cell does not exhibit good hydrogen ion conductivity unless it is kept in a wet state. In order to maintain the solid polymer membrane in a wet state, an external humidification method in which fuel gas or oxidant gas is humidified by a humidifier provided outside the fuel cell, or a pure water passage for humidification is provided inside the fuel cell. There is an internal humidification method in which fuel gas or oxidant gas is humidified through this pure water passage and a porous water permeable plate. The former humidification method is called an external humidification fuel cell, and the latter is called an internal humidification fuel cell.
外部加湿型燃料電池としては、ガス送給ライン上に噴霧チャンバを設け、噴霧チャンバ内へ加熱された水を噴霧することにより、反応ガスを加湿する技術が公知である(例えば、特許文献1)。また、多孔質の水透過膜による水蒸気交換装置を加湿装置として使用した外部加湿型燃料電池がある。これは、水蒸気透過膜や中空糸膜を介して燃料電池へ供給する反応ガスと燃料電池から排出される排ガスとの水蒸気交換により反応ガスを加湿している(例えば、特許文献2、3)。 As an external humidification type fuel cell, a technique for humidifying a reaction gas by providing a spray chamber on a gas supply line and spraying heated water into the spray chamber is known (for example, Patent Document 1). . In addition, there is an external humidification type fuel cell using a water vapor exchange device using a porous water permeable membrane as a humidification device. This humidifies the reaction gas by water vapor exchange between the reaction gas supplied to the fuel cell via the water vapor permeable membrane or the hollow fiber membrane and the exhaust gas discharged from the fuel cell (for example, Patent Documents 2 and 3).
内部加湿型燃料電池としては、ガス拡散層に設けた水路から直接電極膜接合体(MEA)を加湿する技術(例えば、特許文献4)や、燃料ガス流路と冷却水流路とを隔てるセパレータの冷却水路側から多孔質材を介して燃料ガス流路側へ水を染み出させ、燃料ガスを加湿する技術が知られている(例えば、特許文献5)。
しかしながら、上記従来の外部加湿型燃料電池にあっては、燃料電池本体とは別に加湿装置を備える必要があり、燃料電池システムの容積が増加し、出力密度及び車両搭載性が低下するという問題点があった。また、加湿装置で反応ガスに加湿するためのエネルギーを要するので、燃料電池システム全体としての燃費性能の低下を招くという問題点があった。 However, in the conventional external humidification fuel cell, it is necessary to provide a humidification device separately from the fuel cell main body, which increases the volume of the fuel cell system and decreases the output density and the vehicle mountability. was there. Moreover, since the energy required to humidify the reaction gas by the humidifier is required, there is a problem in that the fuel efficiency performance of the fuel cell system as a whole is reduced.
また、上記従来の内部加湿型燃料電池にあっては、燃料電池本体を構成する発電単位であるセルの大きさが外部加湿型燃料電池のセルに比べて増加するため、燃料電池システムの容積が増加し、出力密度及び車両搭載性が低下するという問題点があった。 Further, in the above-described conventional internal humidification fuel cell, since the size of the cell that is a power generation unit constituting the fuel cell main body is increased as compared with the cell of the external humidification fuel cell, the volume of the fuel cell system is increased. There has been a problem that the power density and the vehicle mountability are reduced.
上記問題点を解決するために、本発明は、燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料ガス供給手段及び前記酸化剤ガス供給手段からそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する内部加湿型燃料電池と、該内部加湿型燃料電池から排出される排燃料ガス及び排酸化剤ガスの供給を受けて発電する外部加湿型燃料電池と、を備えたことを要旨とする燃料電池システムである。 In order to solve the above problems, the present invention includes a fuel gas supply means for supplying a fuel gas, an oxidant gas supply means for supplying an oxidant gas, the fuel gas supply means, and the oxidant gas supply means. An internal humidified fuel cell that generates power by receiving supply of fuel gas and oxidant gas, and an external humidified fuel that generates power by receiving supply of exhaust fuel gas and exhaust oxidant gas discharged from the internal humidified fuel cell, respectively A fuel cell system comprising a battery.
本発明によれば、まず加湿器を必要としない内部加湿型燃料電池に燃料ガスと酸化剤ガスとを供給し、内部加湿型燃料電池からそれぞれ水蒸気を含んで排出される未反応の燃料ガスと、未反応の酸化剤ガスとを外部加湿型燃料電池に供給することができるので、燃料電池システムに加湿器を設けることなく、燃料電池システムの容積を減少させ、出力密度及び車両搭載性を高めた燃料電池システムを提供することができるという効果がある。 According to the present invention, first, fuel gas and oxidant gas are supplied to an internal humidification type fuel cell that does not require a humidifier, and unreacted fuel gas discharged from the internal humidification type fuel cell, each containing water vapor, and Since unreacted oxidant gas can be supplied to the external humidification type fuel cell, the volume of the fuel cell system can be reduced without providing a humidifier in the fuel cell system, and the output density and the vehicle mountability can be improved. The fuel cell system can be provided.
また、本発明によれば、加湿器によるエネルギー消費がないので、燃料電池システムとしての燃費性能が向上するという効果がある。 In addition, according to the present invention, since there is no energy consumption by the humidifier, there is an effect that fuel efficiency performance as a fuel cell system is improved.
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。尚、以下に説明する実施形態は、特に限定されないが燃料電池車両用に好適な出力密度及び車両搭載性に優れた燃料電池システムである。 Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, although embodiment described below is not specifically limited, it is a fuel cell system excellent in the output density suitable for fuel cell vehicles, and vehicle mounting property.
図1は、本発明に係る燃料電池システムの実施形態の構成を説明するシステム構成図である。図1において、燃料電池システム1は、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する内部加湿型燃料電池2と、内部加湿型燃料電池2から排出される排燃料ガス及び排酸化剤ガスの供給を受けて発電する外部加湿型燃料電池3とを備えている。 FIG. 1 is a system configuration diagram illustrating a configuration of an embodiment of a fuel cell system according to the present invention. In FIG. 1, a fuel cell system 1 includes an internal humidified fuel cell 2 that generates power upon receiving supply of fuel gas and oxidant gas, and exhaust fuel gas and exhaust oxidant gas discharged from the internal humidified fuel cell 2. And an external humidified fuel cell 3 that generates electric power upon supply.
本実施形態では、内部加湿型燃料電池2及び外部加湿型燃料電池3は、固体高分子型燃料電池とする。これらの燃料電池のアノード(燃料極)2a,3a及びカソード(酸化剤極)2b,3bにおける電気化学反応及び燃料電池全体としての反応は、以下に示す式(1)〜(3)による。 In the present embodiment, the internal humidification fuel cell 2 and the external humidification fuel cell 3 are solid polymer fuel cells. The electrochemical reaction at the anodes (fuel electrodes) 2a and 3a and the cathodes (oxidant electrodes) 2b and 3b of these fuel cells and the reaction as the whole fuel cell are expressed by the following equations (1) to (3).
〔化1〕
〔アノード〕 H2 → 2H+ +2e- …(1)
〔カソード〕 1/2 O2 +2H+ +2e- → H2O …(2)
〔全体〕 H2 +1/2 O2 → H2O …(3)
次に、燃料ガス系を説明する。燃料電池システム1は、燃料ガス供給手段として、例えば、高圧水素タンク4及び水素圧力調整弁5を備え、高圧水素タンク4の高圧水素を運転条件に適した圧力まで水素圧力調整弁5にて圧力低下させて、燃料ガス供給路6を介して内部加湿型燃料電池2のアノード2aに供給している。アノード2aでは、供給された水素ガスが後述する純水ポンプ32から供給される純水で加湿され、供給された水素の一部が発電のための電気化学反応に使用される。アノード2aから排出された残りの水素ガスは、水蒸気を含んだ状態で中間弁7及び燃料電池間燃料ガス供給路8を介して、外部加湿型燃料電池3のアノード3aへ供給される。
[Chemical formula 1]
[Anode] H 2 → 2H + + 2e − (1)
[Cathode] 1/2 O 2 + 2H + + 2e − → H 2 O (2)
[Overall] H 2 +1/2 O 2 → H 2 O (3)
Next, the fuel gas system will be described. The fuel cell system 1 includes, for example, a high-pressure hydrogen tank 4 and a hydrogen pressure adjustment valve 5 as fuel gas supply means. The high-pressure hydrogen in the high-pressure hydrogen tank 4 is pressurized by the hydrogen pressure adjustment valve 5 to a pressure suitable for operating conditions. It is lowered and supplied to the anode 2 a of the internal humidified fuel cell 2 through the fuel
アノード3aで未使用の燃料ガスは、水回収器16、燃料ガス循環路14及び燃料ガス循環ポンプ15を介してアノード3aへ循環される。燃料ガス循環路14及び燃料ガス循環ポンプ15を設けたことにより、アノード3aで未使用の燃料ガスを再利用することが可能となり、燃料電池システムの燃費性能を向上させることができる。
Unused fuel gas at the anode 3 a is circulated to the anode 3 a via the
尚、アノード3aから、水回収器16,燃料ガス循環路14、燃料ガス循環ポンプ15を経てアノード3aに戻る燃料ガスの循環経路には、カソード3bからリークした空気中の窒素やアルゴン等の不純物ガス、或いは、過剰な水分が液化した液水が蓄積することがある。これらの不純物ガスは、水素の分圧を低下させて発電効率を低下させたり、循環ガスの平均分子量を上昇させ、燃料ガスの循環を困難にする。また液水は、燃料ガスの循環を妨げる。このため、燃料ガス排出路11と、これを開閉するパージ弁12が設けられている。上記不純物ガスや液水が蓄積したとき、制御装置43からの指示でパージ弁12を短時間開き、不純物ガスや液水をアノード3aから系外へ排出させるパージを行う。これにより、アノード3aを含む燃料ガス循環経路内の水素分圧や循環性能を回復させることができる。
In the circulation path of the fuel gas from the anode 3a through the
尚、燃料電池の運転条件と適合すれば、燃料ガス循環ポンプ15に代えて、流体ポンプであるエゼクタを使用してもよいことは明らかである。
It is obvious that an ejector that is a fluid pump may be used in place of the fuel
水回収器16は、例えば、空冷や液冷の熱交換器を備え、アノード3aから排出される水蒸気を含んだ排燃料ガスから水蒸気を凝縮させて回収するものである。水回収器16には、内部に貯留した回収水の水位を検出する水位センサ41が設けられている。水位センサ41の検出信号は、制御装置43へ入力され、開閉弁36の開閉制御に利用させる。
The
アノード3aへ循環される未使用の燃料ガスは、水回収器16により水蒸気成分が低減されているので、循環されるガスの平均分子量が低下し、燃料ガスが循環し易くなり燃料ガス循環ポンプ15の消費電力を低減し、燃料電池システムとしての燃費性能を向上させることができる。
In the unused fuel gas circulated to the anode 3a, the water vapor component is reduced by the
次に、酸化剤ガス系を説明する。燃料電池システム1は、酸化剤ガス供給手段として、例えば、空気を圧縮して供給するコンプレッサ17を備えている。コンプレッサ17は、圧縮した空気を酸化剤供給路18を介して内部加湿型燃料電池2のカソード2bへ供給する。カソード2bでは、供給された空気が純水ポンプ32から供給される純水で加湿され、水蒸気を含んだ空気中の一部の酸素が発電のための電気化学反応に使用される。カソード2bで未使用の酸化剤ガスは、空気圧力調整弁21により圧力調整されて空気排出路20から系外へ排出される。
Next, the oxidant gas system will be described. The fuel cell system 1 includes, for example, a compressor 17 that compresses and supplies air as oxidant gas supply means. The compressor 17 supplies the compressed air to the cathode 2 b of the internal humidification fuel cell 2 through the
次に、純水系を説明する。燃料電池システム1の純水系は、純水タンク31と、純水タンク31の純水を内部加湿型燃料電池2へ圧送する純水ポンプ32と、純水供給路33と、純水排出路34と、水回収器16と、純水回収路35と、開閉弁36とで構成されている。
Next, a pure water system will be described. The pure water system of the fuel cell system 1 includes a
純水タンク31に貯蔵された純水は、純水ポンプ32によりアノード2a、カソード2bの圧力に応じた水圧で純水供給路33を介して内部加湿型燃料電池2へ圧送される。内部加湿型燃料電池2は、供給された純水で燃料ガスである水素、酸化剤ガスである空気を加湿する。加湿に使用されなかった純水は、純水排出路34を介して純水タンク31に戻る。また、水回収器16は、外部加湿型燃料電池3のアノード3aから排出された排燃料ガスから回収した純水を純水回収路35,開閉弁36を介して純水タンク31へ送る。この純水回収機能により、純水タンク31には、純水を補給する必要がなく、燃料電池システム1の保守や整備の手間を省略し、燃料電池システムの運用コストを低下させることができる。
The pure water stored in the
尚、本実施形態においては、水回収器16の設置位置は、純水タンク31の上部の位置より高い位置としている。これにより、水回収器16から自然流下により回収水が純水タンク31に流入することができ、純水回収用のポンプ及びそのエネルギー消費を省略することができる。
In the present embodiment, the installation position of the
電圧検出器42は、外部加湿型燃料電池3の各セル毎のセル電圧、または一定数毎の直列接続されたセル群の電圧を検出する電圧検出器である。
The
制御装置43は、燃料電池システム1の全体を制御するとともに、電圧検出器42により検出された外部加湿型燃料電池3のセル電圧、またはセル群電圧に基づいてパージを制御する制御装置である。
The
また、制御装置43には、水回収器16に貯留された純水の水位を検出する水位センサ41と、純水回収路35を開閉する開閉弁36が接続されている。制御装置43は、水位センサ41の検出値が所定値に達すると、開閉弁36を一時的に開いて、水回収器16に貯留された純水を純水タンク31へ回収する。また、燃料電池システムの運転停止時に、開閉弁36を一時的に開いて、水回収器16に貯留した純水を純水タンク31へ排出させるように制御する。
The
制御装置43は、特に限定されないが本実施形態では、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。
In the present embodiment, the
図2(a)は、内部加湿型燃料電池の一例を示す模式断面図、図2(b)は外部加湿型燃料電池の一例を示す模式断面図である。 FIG. 2A is a schematic cross-sectional view showing an example of an internal humidification fuel cell, and FIG. 2B is a schematic cross-sectional view showing an example of an external humidification fuel cell.
図2(a)に示すように、内部加湿型燃料電池の単位であるセルは、固体高分子型電解質膜を用いた電解質膜52の両面にアノード電極触媒層53及びカソード電極触媒層54をそれぞれ形成した膜電極接合体(MEA)51と、MEA51の両面に配置されたアノードガス拡散層55,カソードガス拡散層56と、水透過板57,58と、セパレータ59,60を備えている。
As shown in FIG. 2 (a), the cell which is a unit of the internal humidification type fuel cell has an anode
水透過板57,58は、例えば、主として機械的強度を担う板状のフレーム材61に設けた多数の貫通孔に、加湿機能を担う多孔質材62を埋め込んで形成されている。セパレータ59と水透過板57,セパレータ60と水透過板58との間には、それぞれ純水流路73,74が設けられ、純水が供給される。純水は、水透過板57,58の純水流路73,74に接する一方の面から多孔質材62を介して他方の面に浸透する。水透過板57,58の他方の面にはそれぞれ水素流路71,空気流路72が設けられ、純水流路から浸透した純水がそれぞれ水素、空気を加湿するようになっている。
The water
図2(b)に示すように、外部加湿型燃料電池の単位であるセルは、固体高分子型電解質膜を用いた電解質膜52の両面にアノード電極触媒層53及びカソード電極触媒層54をそれぞれ形成した膜電極接合体(MEA)51と、MEA51の両面に配置されたアノードガス拡散層55,カソードガス拡散層56と、セパレータ59,60を備えている。
As shown in FIG. 2B, the cell which is a unit of the external humidification type fuel cell has an anode
セパレータ59とアノードガス拡散層55との間には、水素流路71が設けられ、燃料電池の外部で加湿された水素が供給される。同様に、セパレータ60とカソードガス拡散層56との間には、空気流路72が設けられ、燃料電池の外部で加湿された空気が供給される。
A hydrogen channel 71 is provided between the
図2(a)、(b)を比較すれば明らかなように、内部加湿型燃料電池は、水透過板57,58と、純水流路73,74の分だけ、外部加湿型燃料電池よりスタック積層方向の寸法が大きくなっている。内部加湿型燃料電池と外部加湿型燃料電池の発電性能が同等とすれば、それだけ単位体積当たりの出力電力である出力密度は、内部加湿型燃料電池が外部加湿型燃料電池より低下することになる。
As apparent from comparison between FIGS. 2A and 2B, the internal humidification type fuel cell is stacked from the external humidification type fuel cell by the amount of the water
本発明では、出力密度の高い外部加湿型燃料電池を主電池として、内部加湿型燃料電池を副電池とし、加湿器を無くして、内部加湿型燃料電池で加湿及び生成水による水蒸気を付加された未反応の燃料ガス及び酸化剤ガスを外部加湿型燃料電池に供給することにより、燃料電池システムとしての出力密度を高め、車両搭載性を向上させるとともに、加湿器によるエネルギー消費を無くして、燃費性能を向上させることができる。 In the present invention, the external humidified fuel cell having a high output density is used as the main cell, the internal humidified fuel cell is used as the sub cell, the humidifier is removed, and the internal humidified fuel cell is added with water vapor by humidification and generated water By supplying unreacted fuel gas and oxidant gas to the external humidification type fuel cell, the power density of the fuel cell system is increased, the vehicle mountability is improved, and energy consumption by the humidifier is eliminated, resulting in fuel efficiency. Can be improved.
次に、図3の制御フローチャートを参照して、本実施形態の制御装置43によるパージ制御について説明する。本実施形態では、内部加湿型燃料電池2は、燃料ガスの循環路がないので不純物ガスの蓄積が無く、また、燃料ガス及び空気が燃料電池内部で水透過板と湿度均衡しているので液水の凝結もない。このため内部加湿型燃料電池2は、パージの必要がないが、外部加湿型燃料電池3は、パージを行う必要がある。
Next, purge control by the
図3の制御フローチャートは、燃料電池システムを起動して定常運転状態に移行後に、一定時間毎に呼び出されて制御装置43で実行されるものとする。
The control flowchart of FIG. 3 is called at regular intervals and executed by the
まずステップ(以下、ステップをSと略す)10において、パージが必要か否かの判定のために、外部加湿型燃料電池の状態情報を制御装置へ読み込む。本実施形態では、外部加湿型燃料電池の状態情報とは、電圧検出器42から読み込むセル電圧、またはセル群電圧としている。この他に、外部加湿型燃料電池2のアノード3aの入口と出口の圧力差や、前回パージ後の経過時間を外部加湿型燃料電池の状態情報としてもしてもよい。
First, in step 10 (hereinafter, step is abbreviated as S), the state information of the external humidification fuel cell is read into the control device in order to determine whether or not purge is necessary. In the present embodiment, the state information of the external humidification fuel cell is a cell voltage read from the
次いでS12において、制御装置はパージが必要か否かを判定(パージ開始条件を判定)する。本実施形態では、現在の外部加湿型燃料電池2の出力電流値Iにおけるセル電圧が予め記憶した基準電圧より一定値、または一定割合低下した場合、或いはセル電圧、またはセル群の電圧のばらつきが一定以上となった場合に、パージが必要と判定する。これは、不純物ガスが燃料ガス循環経路に蓄積して水素分圧が低下したり、液水がアノード3a内部の燃料ガス通路を狭くすることによるセル間の燃料ガス配分のばらつきの増加を判定していることになる。 Next, in S12, the control device determines whether purge is necessary (determines the purge start condition). In the present embodiment, when the cell voltage at the current output current value I of the external humidification fuel cell 2 is lower than the reference voltage stored in advance by a certain value or a certain rate, or the cell voltage or the voltage of the cell group varies. When the value exceeds a certain level, it is determined that purging is necessary. This is because the impurity gas accumulates in the fuel gas circulation path and the hydrogen partial pressure decreases, or the liquid water narrows the fuel gas passage inside the anode 3a, thereby determining the increase in dispersion of fuel gas distribution between cells. Will be.
燃料電池の状態をアノード3aの入口と出口との圧力差とした場合には、現在の外部加湿型燃料電池2の出力電流値Iにおける圧力差が予め記憶した基準圧力差より一定値、または一定割合上昇した場合にパージが必要と判定する。また外部加湿型燃料電池を一定の出力で運用する場合には、前回のパージ後一定時間経過していればパージ必要と判定することもできる。 When the fuel cell state is a pressure difference between the inlet and the outlet of the anode 3a, the current pressure difference in the output current value I of the external humidification fuel cell 2 is a constant value or a constant value from a previously stored reference pressure difference. When the rate is increased, it is determined that purging is necessary. Further, when the external humidification type fuel cell is operated at a constant output, it can be determined that the purge is necessary if a certain time has elapsed after the previous purge.
S12の判定で、パージが不要と判定した場合、何も実行せずにリターンする。S12の判定で、パージが必要と判断した場合、S14へ移り、制御装置は、パージ弁12を開く。次いで、S16で所定時間(例えば、0.2〔Sec〕)経過してアノード3aの圧力が落ち着いた後に、S18へ移り、制御装置は、バイパス弁10を開く。これにより、水素圧力調整弁5から、バイパス路9、バイパス弁10を介して、乾燥した水素ガスが外部加湿型燃料電池3のアノード3aに供給開始される。
If it is determined in S12 that the purge is unnecessary, the process returns without executing anything. If it is determined in S12 that the purge is necessary, the process proceeds to S14, and the control device opens the
次いでS20で、制御装置は、所定時間(例えば、0.2〔Sec〕)経過してアノード3aの圧力が落ち着いた後に、S22へ移り、内部加湿型燃料電池2のアノード2aと外部加湿型燃料電池3のアノード3aとを接続する燃料電池間燃料ガス供給路8に設けられた中間弁7を閉じる。これにより、内部加湿型燃料電池2から外部加湿型燃料電池3への水素ガス供給が停止する。以後、外部加湿型燃料電池のアノード3aに供給される全てのガスは、水素圧力調整弁5から、バイパス路9、バイパス弁10を介した乾燥水素ガスとなる。これにより、アノード3a内部の不純物ガス及び液水を効果的に水素排出路11及びパージ弁12を介して系外へ排出することができる。
Next, in S20, the control device moves to S22 after a predetermined time (for example, 0.2 [Sec]) has elapsed and the pressure of the anode 3a has settled, and then the anode 2a of the internal humidification fuel cell 2 and the external humidification fuel The intermediate valve 7 provided in the inter-fuel cell fuel gas supply path 8 that connects the anode 3a of the battery 3 is closed. Thereby, the supply of hydrogen gas from the internal humidification fuel cell 2 to the external humidification fuel cell 3 is stopped. Thereafter, all the gas supplied to the anode 3a of the external humidification type fuel cell becomes dry hydrogen gas from the hydrogen pressure regulating valve 5 via the bypass passage 9 and the bypass valve 10. Thereby, the impurity gas and liquid water inside the anode 3a can be effectively discharged out of the system via the
次いで、S24で制御装置は、外部加湿型燃料電池の状態情報を読み込む。これは、S10における状態情報と同じ種類の状態情報である。次いで、S26で、状態情報に基づいてパージ終了条件が成立したか否かを判定する。パージ終了条件は、S12におけるパージ開始条件に対応するもので、本実施形態では、現在の外部加湿型燃料電池2の出力電流値Iにおけるセル電圧が予め記憶した基準電圧から一定以内に回復した場合、或いはセル電圧、またはセル群の電圧のばらつきが一定以内となった場合に、パージが終了と判定する。 Next, in S24, the control device reads the state information of the external humidification fuel cell. This is the same type of status information as the status information in S10. Next, in S26, it is determined whether the purge end condition is satisfied based on the state information. The purge end condition corresponds to the purge start condition in S12. In the present embodiment, the current cell voltage at the output current value I of the external humidification fuel cell 2 recovers within a certain range from the previously stored reference voltage. Alternatively, when the cell voltage or cell group voltage variation is within a certain range, it is determined that the purge is completed.
S26の判定がNo、即ち制御装置がパージ終了と判定しなければ、S24へ戻る。S26の判定がYes、即ち制御装置がパージ終了と判定すれば、S28へ進み、制御装置はパージ弁12を閉じる。次いでS30でn制御装置は、所定時間(例えば、0.2〔Sec〕)経過してアノード3aの圧力が落ち着いた後に、S32へ移り、内部加湿型燃料電池2のアノード2aと外部加湿型燃料電池3のアノード3aとを接続する燃料電池間燃料ガス供給路8に設けられた中間弁7を開く。
If the determination in S26 is No, that is, if the control device does not determine that the purge is complete, the process returns to S24. If the determination in S26 is Yes, that is, if the control device determines that the purge is complete, the process proceeds to S28, and the control device closes the
次いで、S34で所定時間(例えば、0.2〔Sec〕)経過してアノード3aの圧力が落ち着いた後に、S36へ移り、制御装置は、バイパス弁10を閉じる。こうしてパージ終了後、運転状態に復帰してリターンする。 Next, after a predetermined time (for example, 0.2 [Sec]) has elapsed in S34 and the pressure of the anode 3a has settled, the process proceeds to S36, and the control device closes the bypass valve 10. Thus, after the purge is completed, the operation state is restored and the process returns.
図4は、純水タンク31における水位の時間変化を説明する図である。純水タンクの水位は、起動直前の水位から、燃料電池システムの起動に伴って、内部加湿型燃料電池2に純水が供給されるために低下する。ある程度低下した後は、内部加湿型燃料電池2で加湿のために消費される純水消費量と、外部加湿型燃料電池の排燃料ガスから水回収器が回収して純水タンクに戻す純水回収量とがバランスし、一定量を維持する。
FIG. 4 is a diagram for explaining the temporal change of the water level in the
燃料電池システムの運転停止後、内部加湿型燃料電池の純水流路内の純水は、純水タンクに回収されるが、このとき、水回収器内部に貯留した純水を純水タンクに回収しないとすれば、純水タンクの水位は、運転開始前の水位に戻るだけである。 After the fuel cell system is shut down, the pure water in the pure water flow path of the internal humidification fuel cell is collected in the pure water tank. At this time, the pure water stored in the water collector is collected in the pure water tank. If not, the water level of the pure water tank will only return to the water level before the start of operation.
もしこの状態で、燃料電池システムが長時間運転停止を継続すると、内部加湿型燃料電池の水透過板に保持された水が乾燥してしまい、次に運転開始する場合に、水透過板の乾燥分を補うために前回の水位低下分以上に水位が低下してしまい、ついには純水量の不足を生じることになる。これを避けるために本実施形態では、燃料電池システムの運転停止後、水回収器内部に貯留した純水を純水タンクに回収するように開閉弁36を制御している。これにより、運転停止直後の純水タンクの水位は、運転開始前より高い水位となる。
If the fuel cell system continues to be shut down for a long time in this state, the water retained on the water permeation plate of the internal humidification type fuel cell is dried, and the water permeation plate is dried when the operation is started next time. In order to make up for the water level, the water level will drop more than the previous water level drop, eventually resulting in a shortage of pure water. In order to avoid this, in the present embodiment, after the operation of the fuel cell system is stopped, the open /
1…燃料電池システム
2…内部加湿型燃料電池
3…外部加湿型燃料電池
4…高圧水素タンク
5…水素圧力調整弁
6…燃料ガス供給路
7…中間弁
8…燃料電池間燃料ガス供給路
9…バイパス路
10…バイパス弁
11…燃料ガス排出路
12…パージ弁
14…燃料ガス循環路
15…燃料ガス循環ポンプ
16…水回収器
17…コンプレッサ
18…酸化剤ガス供給路
19…燃料電池間酸化剤ガス供給路
20…酸化剤ガス排出路
21…空気圧力調整弁
31…純水タンク
32…純水ポンプ
33…純水供給路
34…純水排出路
35…純水回収路
36…開閉弁
41…水位センサ
42…電圧検出器
43…制御装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell system 2 ... Internal humidification type fuel cell 3 ... External humidification type fuel cell 4 ... High-pressure hydrogen tank 5 ... Hydrogen
Claims (5)
酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料ガス供給手段及び前記酸化剤ガス供給手段からそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する内部加湿型燃料電池と、
該内部加湿型燃料電池から排出される排燃料ガス及び排酸化剤ガスの供給を受けて発電する外部加湿型燃料電池と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。 Fuel gas supply means for supplying fuel gas;
Oxidant gas supply means for supplying oxidant gas;
An internal humidification type fuel cell for generating electricity by receiving supply of fuel gas and oxidant gas from the fuel gas supply means and oxidant gas supply means, respectively;
An external humidified fuel cell that generates electric power by receiving supply of exhaust fuel gas and exhaust oxidant gas discharged from the internal humidified fuel cell;
A fuel cell system comprising:
前記循環路を通過する排燃料ガスから水を回収する水回収器と、
該水回収器で回収した水を前記純水タンクへ供給する純水回収路と、
を備えたことを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システム。 A pure water tank for supplying water to the internal humidification fuel cell;
A water recovery device for recovering water from the exhaust fuel gas passing through the circulation path;
A pure water recovery path for supplying water recovered by the water recovery device to the pure water tank;
The fuel cell system according to claim 2, further comprising:
前記水回収器は、前記純水タンク上部より高い位置に設置され、
前記水回収器の水位が所定値に達するか或いは燃料電池システムの運転停止時に、前記開閉弁を開いて前記水回収器内の水を純水タンクへ移動させることを特徴とする請求項3に記載の燃料電池システム。 An on-off valve for opening and closing the pure water recovery path;
The water collector is installed at a position higher than the upper part of the pure water tank,
The water in the water recovery device is moved to a pure water tank by opening the on-off valve when the water level of the water recovery device reaches a predetermined value or when the operation of the fuel cell system is stopped. The fuel cell system described.
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- 2004-08-05 JP JP2004229597A patent/JP2006049135A/en active Pending
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