JP2006120375A - Fuel cell system and operation method of the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システム及びその運転方法に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell system and an operation method thereof.
従来、燃料電池は発電効率が高く、有害物質を排出しないので、産業用、家庭用の発電装置として、又は、人工衛星や宇宙船などの動力源として実用化されてきたが、近年は、乗用車、バス、トラック等の車両用の動力源として開発が進んでいる。そして、前記燃料電池は、アルカリ水溶液型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、直接型メタノール等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池が一般的である。 Conventionally, since fuel cells have high power generation efficiency and do not emit harmful substances, they have been put into practical use as power generators for industrial and household use, or as power sources for artificial satellites and spacecrafts. Development is progressing as a power source for vehicles such as buses and trucks. The fuel cell may be an alkaline aqueous solution type, a phosphoric acid type, a molten carbonate type, a solid oxide type, a direct type methanol or the like, but a solid polymer type fuel cell is generally used.
この場合、固体高分子電解質膜を2枚のガス拡散電極で挟み、一体化させて接合する。そして、該ガス拡散電極の一方を燃料極(アノード極)とし、その表面に燃料としての水素ガスを供給すると、水素が水素イオン(プロトン)と電子とに分解され、水素イオンが固体高分子電解質膜を透過する。また、前記ガス拡散電極の他方を酸素極(カソード極)とし、その表面に酸化剤としての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子とが結合して、水が生成される。このような電気化学反応によって起電力が生じるようになっている。 In this case, the solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between two gas diffusion electrodes and integrated to join. When one of the gas diffusion electrodes is used as a fuel electrode (anode electrode) and hydrogen gas as fuel is supplied to the surface thereof, hydrogen is decomposed into hydrogen ions (protons) and electrons, and the hydrogen ions are converted into a solid polymer electrolyte. Permeates the membrane. Further, when the other of the gas diffusion electrodes is an oxygen electrode (cathode electrode) and air as an oxidant is supplied to the surface, oxygen in the air is combined with the hydrogen ions and electrons to generate water. The An electromotive force is generated by such an electrochemical reaction.
そして、固体高分子型燃料電池においては、固体高分子電解質膜の両側を湿潤な状態に維持する必要があるので、燃料極側及び酸素極側のそれぞれに水を供給するようになっている。この場合、水分は、燃料極側から酸素極側に向けてプロトン同伴水として移動し、酸素極側から燃料極側に向けて逆拡散水として移動する。 In the polymer electrolyte fuel cell, since both sides of the polymer electrolyte membrane need to be kept wet, water is supplied to the fuel electrode side and the oxygen electrode side, respectively. In this case, moisture moves as proton-entrained water from the fuel electrode side toward the oxygen electrode side, and moves as back diffusion water from the oxygen electrode side toward the fuel electrode side.
ところで、酸素極側から燃料極側において余剰となった水分を滞留させておくと水素や酸素の十分な供給が阻害されるので、余剰の水分を排出する必要がある。そこで、車両の停車中に前記水分を水素ガスとともにパージすることが行われている。なお、水素ガスは希釈器において十分に希釈されてから大気中に放出されるようになっているが、開閉弁等の水素排出装置の故障によって多量の水素ガスが希釈器に送り込まれてしまうことがある。そこで、希釈器から排出される水素ガスの濃度を検出して、水素排出装置の故障を検出する技術が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
しかしながら、前記従来の燃料電池システムにおいては、水素ガスのパージを行うための希釈器から排出される水素ガスの濃度を検出するようになっているので、クロスリークの発生を検出することができなかった。燃料電池の場合、固体高分子電解質膜が割れたり、固体高分子電解質膜の耐差圧特性が低下したりすることによって、燃料としての水素ガスと酸化剤としての空気との交差混合(Cross Over)、すなわち、クロスリーク(Cross Leak)が発生することがある。該クロスリークが発生すると、燃料極側において水素と空気(酸素)とが混合して電極触媒の劣化が発生し、触媒粒子が溶出して燃料電池の性能が低下してしまう。また、水素ガスが未使用のまま酸素極側に透過して排出されてしまうので、燃料消費率が悪化してしまう。さらに、高濃度の水素ガスが大気中に放出される場合には安全上の問題が発生する。 However, in the conventional fuel cell system, since the concentration of hydrogen gas discharged from the diluter for purging hydrogen gas is detected, the occurrence of cross leak cannot be detected. It was. In the case of a fuel cell, cross-mixing of hydrogen gas as fuel and air as oxidant (Cross Over) is caused by cracking of the solid polymer electrolyte membrane or deterioration of the differential pressure resistance characteristics of the solid polymer electrolyte membrane. ), That is, a cross leak may occur. When the cross leak occurs, hydrogen and air (oxygen) are mixed on the fuel electrode side, the electrode catalyst is deteriorated, the catalyst particles are eluted, and the performance of the fuel cell is lowered. Moreover, since hydrogen gas permeates | emits and discharges to the oxygen electrode side unused, a fuel consumption rate will deteriorate. Furthermore, safety problems arise when high-concentration hydrogen gas is released into the atmosphere.
本発明は、前記従来の燃料電池システムの問題点を解決して、燃料電池スタックから排出された空気中の水素濃度に基づいてクロスリークの発生を検出することによって、簡単な構成でクロスリークの発生を早期に検出することができ、クロスリークに対する適切な動作を行うことができ、燃料電池スタックの性能の低下を防止することができ、高濃度の水素ガスを放出することを防止することができる燃料電池システム及びその運転方法を提供することを目的とする。 The present invention solves the problems of the conventional fuel cell system and detects the occurrence of cross leak based on the hydrogen concentration in the air exhausted from the fuel cell stack, thereby reducing the cross leak with a simple configuration. Occurrence can be detected early, proper operation against cross-leakage can be performed, performance degradation of the fuel cell stack can be prevented, and high-concentration hydrogen gas can be prevented from being released An object of the present invention is to provide a fuel cell system that can be operated and a method for operating the fuel cell system.
そのために、本発明の燃料電池システムにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで狭持した燃料電池が、前記酸素極に沿って空気流路が形成されたセパレータを挟んで積層されている燃料電池スタックと、該燃料電池スタックから排出された空気中の水素濃度を検出する水素濃度検出器と、該水素濃度検出器によって検出された水素濃度が所定値以上の場合、前記電解質層にクロスリークが発生したと判断する制御装置とを有する。 Therefore, in the fuel cell system of the present invention, a fuel cell in which an electrolyte layer is sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode is stacked with a separator having an air channel formed along the oxygen electrode. A fuel cell stack; a hydrogen concentration detector for detecting a hydrogen concentration in the air discharged from the fuel cell stack; and if the hydrogen concentration detected by the hydrogen concentration detector exceeds a predetermined value, And a control device that determines that a leak has occurred.
本発明の他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記空気流路の出口に一端が接続された排気マニホールドと、該排気マニホールドの他端に接続され、前記燃料電池スタックから排出された空気中の水分を回収する凝縮器とを更に有し、該凝縮器の出口側に前記水素濃度検出器が配設される。 In another fuel cell system of the present invention, an exhaust manifold having one end connected to the outlet of the air flow path, and an exhaust manifold connected to the other end of the exhaust manifold and discharged from the fuel cell stack. And a condenser for collecting moisture, and the hydrogen concentration detector is disposed on the outlet side of the condenser.
本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記制御装置は、前記電解質層にクロスリークが発生したと判断すると、前記空気中の水素濃度を所定値未満とするのに必要な空気量を算出し、算出された量の空気を供給する。 In still another fuel cell system of the present invention, when the control device determines that a cross leak has occurred in the electrolyte layer, the amount of air required to make the hydrogen concentration in the air less than a predetermined value. Is calculated, and the calculated amount of air is supplied.
本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記制御装置は、前記電解質層にクロスリークが発生したと判断すると、前記燃料電池の出力リレーをオフにして前記燃料極への水素の供給を遮断し、警告を出力する。 In still another fuel cell system of the present invention, when the controller determines that a cross leak has occurred in the electrolyte layer, the output relay of the fuel cell is turned off to supply hydrogen to the fuel electrode. Is shut off and a warning is output.
本発明の燃料電池システムの運転方法においては、車両に搭載された燃料電池スタックの空気流路に常圧の空気を供給するとともに、前記燃料電池スタックの燃料ガス流路に燃料ガスを供給し、未反応成分として排出された燃料ガスから逆拡散水を回収して前記燃料ガス流路に戻し、前記燃料電池スタックの運転を停止したときに、回収容器内に燃料ガスを導入して回収された前記逆拡散水を排出する燃料電池システムの運転方法であって、前記燃料電池スタックから排出された空気中の水素濃度が所定値以上の場合、前記燃料電池スタックの電解質層にクロスリークが発生したと判断する。 In the operation method of the fuel cell system of the present invention, while supplying normal pressure air to the air flow path of the fuel cell stack mounted on the vehicle, supplying fuel gas to the fuel gas flow path of the fuel cell stack, Back diffusion water was recovered from the fuel gas discharged as an unreacted component and returned to the fuel gas flow path. When the operation of the fuel cell stack was stopped, the fuel gas was introduced into the recovery container and recovered. A method of operating a fuel cell system that discharges the reverse diffusion water, wherein a cross leak occurs in an electrolyte layer of the fuel cell stack when a hydrogen concentration in the air discharged from the fuel cell stack is a predetermined value or more. Judge.
本発明によれば、燃料電池システムにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで狭持した燃料電池が、前記酸素極に沿って空気流路が形成されたセパレータを挟んで積層されている燃料電池スタックと、該燃料電池スタックから排出された空気中の水素濃度を検出する水素濃度検出器と、該水素濃度検出器によって検出された水素濃度が所定値以上の場合、前記電解質層にクロスリークが発生したと判断する制御装置とを有する。 According to the present invention, in a fuel cell system, a fuel cell in which an electrolyte layer is sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode is stacked with a separator having an air channel formed along the oxygen electrode. A fuel cell stack; a hydrogen concentration detector for detecting a hydrogen concentration in the air discharged from the fuel cell stack; and if the hydrogen concentration detected by the hydrogen concentration detector exceeds a predetermined value, And a control device that determines that a leak has occurred.
この場合、簡単な構成でクロスリークの発生を早期に確実に検出することができる。そのため、燃料電池システムのコストを増加させることなく、燃料電池システムの緊急停止という適切な動作を迅速に行うことができる。これにより、電極触媒の劣化の発生を防止することができるので、触媒粒子が溶出して燃料電池スタックの性能が低下してしまうことがない。また、水素ガスが未使用のまま酸素極側に透過して排出されることを防止するので、燃料電池システムの燃料消費率が悪化してしまうこともない。 In this case, it is possible to reliably detect the occurrence of the cross leak early with a simple configuration. Therefore, an appropriate operation of emergency stop of the fuel cell system can be quickly performed without increasing the cost of the fuel cell system. Accordingly, it is possible to prevent the electrode catalyst from deteriorating, so that the catalyst particles are not eluted and the performance of the fuel cell stack is not deteriorated. Further, since hydrogen gas is prevented from passing through and discharged to the oxygen electrode side without being used, the fuel consumption rate of the fuel cell system does not deteriorate.
他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記空気流路の出口に一端が接続された排気マニホールドと、該排気マニホールドの他端に接続され、前記燃料電池スタックから排出された空気中の水分を回収する凝縮器とを更に有し、該凝縮器の出口側に前記水素濃度検出器が配設される。 In another fuel cell system, an exhaust manifold whose one end is connected to the outlet of the air flow path, and moisture in the air discharged from the fuel cell stack, which is connected to the other end of the exhaust manifold, are collected. And a hydrogen concentration detector is disposed on the outlet side of the condenser.
この場合、簡単な構成でありながら、燃料電池スタックから排出された空気中の水素濃度を確実に検出することができるので、クロスリークの発生を早期に、かつ、確実に検出することができる。 In this case, since the hydrogen concentration in the air discharged from the fuel cell stack can be reliably detected with a simple configuration, the occurrence of a cross leak can be detected early and reliably.
更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記制御装置は、前記電解質層にクロスリークが発生したと判断すると、前記空気中の水素濃度を所定値未満とするのに必要な空気量を算出し、算出された量の空気を供給する。 In yet another fuel cell system, when the controller determines that a cross leak has occurred in the electrolyte layer, it calculates the amount of air necessary to make the hydrogen concentration in the air less than a predetermined value. Supply a calculated amount of air.
この場合、大気中に排出される水素濃度を十分に低下させることができるので、安全上の問題が発生することがない。 In this case, the hydrogen concentration discharged into the atmosphere can be sufficiently reduced, so that a safety problem does not occur.
更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記制御装置は、前記電解質層にクロスリークが発生したと判断すると、前記燃料電池の出力リレーをオフにして前記燃料極への水素の供給を遮断し、警告を出力する。 In yet another fuel cell system, when the control device determines that a cross leak has occurred in the electrolyte layer, the control device shuts off the supply of hydrogen to the fuel electrode by turning off the output relay of the fuel cell. , Output a warning.
この場合、燃料電池の運転を迅速に停止させるので、燃料電池スタックの性能が低下してしまうことがない。また、運転者はクロスリークが発生したために燃料電池の運転が停止されたことを正確に認識することができる。 In this case, since the operation of the fuel cell is quickly stopped, the performance of the fuel cell stack is not deteriorated. In addition, the driver can accurately recognize that the operation of the fuel cell has been stopped due to the occurrence of the cross leak.
本発明によれば、燃料電池システムの運転方法においては、車両に搭載された燃料電池スタックの空気流路に常圧の空気を供給するとともに、前記燃料電池スタックの燃料ガス流路に燃料ガスを供給し、未反応成分として排出された燃料ガスから逆拡散水を回収して前記燃料ガス流路に戻し、前記燃料電池スタックの運転を停止したときに、回収容器内に燃料ガスを導入して回収された前記逆拡散水を排出する燃料電池システムの運転方法であって、前記燃料電池スタックから排出された空気中の水素濃度が所定値以上の場合、前記燃料電池スタックの電解質層にクロスリークが発生したと判断する。 According to the present invention, in the operation method of the fuel cell system, normal pressure air is supplied to the air flow path of the fuel cell stack mounted on the vehicle, and the fuel gas is supplied to the fuel gas flow path of the fuel cell stack. When the reverse diffusion water is recovered from the fuel gas discharged as an unreacted component and returned to the fuel gas flow path, and the operation of the fuel cell stack is stopped, the fuel gas is introduced into the recovery container. A method of operating a fuel cell system that discharges the recovered reverse diffusion water, wherein when the hydrogen concentration in the air discharged from the fuel cell stack is equal to or higher than a predetermined value, a cross leak occurs in the electrolyte layer of the fuel cell stack. Is determined to have occurred.
この場合、車両の通常運転時における回収容器からの水素の大気中への排出を不要とすることができ、かつ、クロスリークの発生を早期に確実に検出することができる。そのため、燃料電池システムのコストを増加させることなく、燃料電池システムの緊急停止という適切な動作を迅速に行うことができる。これにより、電極触媒の劣化の発生を防止することができるので、触媒粒子が溶出して燃料電池スタックの性能が低下してしまうことがない。また、水素ガスが未使用のまま酸素極側に透過して排出されることを防止するので、燃料電池システムの燃料消費率が悪化してしまうこともない。 In this case, it is possible to eliminate the discharge of hydrogen from the collection container into the atmosphere during normal operation of the vehicle, and it is possible to reliably detect the occurrence of a cross leak early. Therefore, an appropriate operation of emergency stop of the fuel cell system can be quickly performed without increasing the cost of the fuel cell system. Accordingly, it is possible to prevent the electrode catalyst from deteriorating, so that the catalyst particles are not eluted and the performance of the fuel cell stack is not deteriorated. Further, since hydrogen gas is prevented from passing through and discharged to the oxygen electrode side without being used, the fuel consumption rate of the fuel cell system does not deteriorate.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図2は本発明の実施の形態における燃料電池スタックの構成を示す図、図3は本発明の実施の形態における燃料電池のセルモジュールの構成を示す図、図4は本発明の実施の形態における燃料電池の単位セルの構成を示す模式断面図である。 FIG. 2 is a diagram showing the configuration of the fuel cell stack in the embodiment of the present invention, FIG. 3 is a diagram showing the configuration of the cell module of the fuel cell in the embodiment of the present invention, and FIG. 4 is in the embodiment of the present invention. It is a schematic cross section which shows the structure of the unit cell of a fuel cell.
図2において、20は燃料電池(FC)としての燃料電池スタックであり、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両用の動力源として使用される。ここで、前記車両は、照明装置、ラジオ、パワーウィンドウ等の車両の停車中にも使用される電気を消費する補機類を多数備えており、また、走行パターンが多様であり動力源に要求される出力範囲が極めて広いので、動力源としての燃料電池スタック20と図示されない蓄電手段としての二次電池とを併用して使用することが望ましい。
In FIG. 2, a
そして、燃料電池スタック20は、アルカリ水溶液型(AFC)、リン酸型(PAFC)、溶融炭酸塩型(MCFC)、固体酸化物型(SOFC)、直接型メタノール(DMFC)等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池(PEMFC)であることが望ましい。
The
なお、更に望ましくは、水素ガスを燃料ガス、すなわち、アノードガスとし、酸素又は空気を酸化剤、すなわち、カソードガスとするPEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)型燃料電池、又は、PEM(Proton Exchange Membrane)型燃料電池と呼ばれるものである。ここで、該PEM型燃料電池は、一般的に、プロトン等のイオンを透過する電解質層としての固体高分子電解質膜の両側に触媒、電極及びセパレータを結合した燃料電池としてのセル(Fuel Cell)を複数及び直列に結合したスタック(Stack)から成る。 More preferably, PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) type fuel cell or PEM (Proton Exchange Membrane) using hydrogen gas as fuel gas, that is, anode gas, and oxygen or air as oxidant, that is, cathode gas. ) Type fuel cell. Here, the PEM fuel cell is generally a fuel cell in which a catalyst, an electrode, and a separator are combined on both sides of a solid polymer electrolyte membrane as an electrolyte layer that transmits ions such as protons. Are composed of a plurality of stacks connected in series.
本実施の形態において、燃料電池スタック20は、図2に示されるように、複数のセルモジュール10を有する。なお、図2における矢印は、燃料ガスとしての水素ガスの流れを示している。セルモジュール10は、図3に示されるように、燃料電池としての単位セル(MEA:Membrane Electrode Assembly)10Aと、該単位セル10A同士を電気的に接続するとともに、単位セル10Aに導入される水素ガスの流路と空気とを分離するセパレータ10Bと、単位セル10A及びセパレータ10Bを1セットとして、板厚方向に複数セット重ねて構成されている。セルモジュール10は、単位セル10A同士が所定の間隙(げき)を隔てて配置されるように、単位セル10Aとセパレータ10Bとが、多段に重ねられて積層されている。
In the present embodiment, the
単位セル10Aは、電解質層としての固体高分子電解質膜11の側に設けられた酸素極としての空気極12及び他側に設けられた燃料極13とで構成されている。前記空気極12は、反応ガスを拡散しながら透過する導電性材料から成る拡散層と、該拡散層上に形成され、固体高分子電解質膜11と接触させて支持される触媒層とから成る。また、単位セル10Aの空気極12側の電極拡散層に接触して集電するとともに空気と水との混合流を透過する多数の開口が形成された網状の集電体としての空気極側コレクタ14と、単位セル10Aの燃料極13側の電極拡散層に接触して同じく電流を外部に導出するための網状の導電体としての燃料極側コレクタ15とを有する。
The
そして、単位セル10Aにおいては、図4に示されるように、水が移動する。図4において、48は燃料ガス流路としての燃料室であり、49は空気流路としての酸素室である。この場合、燃料極側コレクタ15の燃料室48内に燃料ガス、すなわち、アノードガスとしての水素ガスを供給すると、水素が水素イオン(プロトン)と電子とに分解され、水素イオンがプロトン同伴水を伴って、固体高分子電解質膜11を透過する。また、前記空気極12をカソード極とし、酸素室49内に酸化剤、すなわち、カソードガスとしての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子とが結合して、水が生成される。なお、水分が逆拡散水として固体高分子電解質膜11を透過し、燃料極側コレクタ15の燃料室48内に移動する。ここで、逆拡散水とは、酸素室49において生成される水が固体高分子電解質膜11内に拡散し、該固体高分子電解質膜11内を前記水素イオンと逆方向に透過して燃料室48にまで浸透したものである。
And in
次に、燃料電池システムの全体構成について説明する。 Next, the overall configuration of the fuel cell system will be described.
図1は本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す図である。 FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
図1において、燃料電池スタック20に燃料ガスとしての水素ガス及び酸化剤としての空気を供給する装置が示される。なお、図示されない改質装置によってメタノール、ガソリン等を改質して取り出した燃料である水素ガスを燃料電池スタック20に直接供給することもできるが、車両の高負荷運転時にも安定して十分な量の水素ガスを供給することができるようにするためには、燃料貯蔵手段73に貯蔵した水素ガスを供給することが望ましい。これにより、該水素ガスがほぼ一定の圧力で、常に、十分に供給されるので、前記燃料電池スタック20は車両の負荷の変動に遅れることなく追随して、必要な電流を供給することができる。この場合、前記燃料電池スタック20の出力インピーダンスは極めて低く、0に近似することが可能である。
In FIG. 1, a device for supplying hydrogen gas as a fuel gas and air as an oxidant to a
水素ガスは、水素吸蔵合金を収納した容器、デカリンのような水素吸蔵液体を収納した容器、水素ガスボンベ等の燃料貯蔵手段73から、燃料供給管路としての第1燃料供給管路21、及び、該第1燃料供給管路21に接続された燃料供給管路としての第2燃料供給管路33を通って、燃料電池スタック20の燃料ガス流路の入口に供給される。そして、前記第1燃料供給管路21には、燃料貯蔵手段元開閉弁24、圧力センサ27、第1燃料圧力調整弁25a、第2燃料圧力調整弁25b及び燃料供給電磁弁26が配設される。また、前記第2燃料供給管路33には、安全弁33a及び前記燃料ガス流路内の圧力を検出する圧力センサ78が配設される。この場合、前記燃料貯蔵手段73は、十分に大きな容量を有し、常に、十分に高い圧力の水素ガスを供給することができる能力を有するものである。なお、図1に示される例においては、燃料貯蔵手段73が複数、例えば、3つ配設され、また、第1燃料供給管路21は、各燃料貯蔵手段73に接続される部分で複数本に分岐され、途中で合流して1本になっている。しかし、燃料貯蔵手段73は、単数であってもよいし、また、複数であってもよいし、複数の場合にはいくつであってもよい。
Hydrogen gas is stored in a container containing a hydrogen storage alloy, a container containing a hydrogen storage liquid such as decalin, a fuel storage means 73 such as a hydrogen gas cylinder, a first
そして、燃料電池スタック20の燃料ガス流路の出口から未反応成分として排出される水素ガスは、燃料排出管路31を通って燃料電池スタック20の外部に排出される。前記燃料排出管路31には、回収容器としての水回収ドレインタンク60が配設されている。そして、該水回収ドレインタンク60には水と分離された水素ガスとを排出する燃料排出管路30が接続され、該燃料排出管路30にはポンプとしての吸引循環ポンプ36が配設されている。また、前記燃料排出管路30には水素循環電磁弁34が配設されている。また、前記燃料排出管路30における水回収ドレインタンク60と反対側の端部は、第2燃料供給管路33に接続されている。これにより、燃料電池スタック20の外部に排出された水素ガスを回収し、燃料電池スタック20の燃料ガス流路に供給して再利用することができる。
The hydrogen gas discharged as an unreacted component from the outlet of the fuel gas flow path of the
また、前記水回収ドレインタンク60には、起動用燃料排出管路56が接続され、該起動用燃料排出管路56には水素起動排気電磁弁62が配設され、燃料電池スタック20の起動時に燃料ガス流路から排出される水素ガスを大気中に排出することができるようになっている。なお、起動用燃料排出管路56の出口端は排気マニホールド71に接続されている。また、起動用燃料排出管路56に、必要に応じて水素燃焼器を配設することもできる。該水素燃焼器によって排出される水素ガスを燃焼させ、水にしてから大気中に排出することができる。
Further, a startup
ここで、前記第1燃料圧力調整弁25a及び第2燃料圧力調整弁25bは、バタフライバルブ、レギュレータバルブ、ダイヤフラム式バルブ、マスフローコントローラ、シーケンスバルブ等のものであるが、前記第1燃料圧力調整弁25a及び第2燃料圧力調整弁25bの出口から流出する水素ガスの圧力をあらかじめ設定した圧力に調整することができるものであれば、いかなる種類のものであってもよい。なお、前記圧力の調整は、手動によってなされてもよいが、電気モータ、パルスモータ、電磁石等から成るアクチュエータによってなされることが望ましい。
Here, the first fuel
また、前記燃料供給電磁弁26、水素循環電磁弁34及び水素起動排気電磁弁62は、いわゆる、オン−オフ式のものであり、電気モータ、パルスモータ、電磁石等から成るアクチュエータによって作動させられる。なお、前記燃料貯蔵手段元開閉弁24は手動又は電磁弁を用いて自動的に作動させられる。さらに、前記吸引循環ポンプ36は、水素ガスとともに逆拡散水を強制的に排出し、燃料ガス流路内を負圧の状態にすることができるポンプであれば、いかなる種類のものであってもよい。
The fuel supply solenoid valve 26, the hydrogen
一方、酸化剤としての空気は、空気供給ファン、空気ボンベ、空気タンク等の酸化剤供給源75から、酸化剤供給管路77及び吸気マニホールド74を通って、燃料電池スタック20の空気流路に供給される。この場合、供給される空気の圧力は大気圧程度の常圧である。なお、酸化剤として、空気に代えて酸素を使用することもできる。そして、空気流路から排出される空気は、マニホールドとしての排気マニホールド71、凝縮器72、出口側排気マニホールド22及び排気口22aを通って大気中へ排出される。
On the other hand, air as an oxidant is supplied from an
また、前記酸化剤供給管路77には、水をスプレーして、燃料電池スタック20の空気極(カソード極)12を湿潤な状態に維持するための水供給ノズル76が配設される。また、スプレーされた水によって前記空気極12及び燃料極13を冷却することができる。さらに、前記排気マニホールド71の端部に配設された凝縮器72は、前記燃料電池スタック20から排出される空気に含まれる水分を凝縮して除去するためのもので、前記凝縮器72によって凝縮された水は凝縮水排出管路79を通って水タンク52に回収される。なお、前記凝縮水排出管路79には排水ポンプ51が配設され、前記水タンク52にはレベルゲージ(水位計)52aが配設されている。
The
そして、前記水タンク52内の水は、給水管路53を通って水供給ノズル76に供給される。なお、前記給水管路53には、給水ポンプ54及び水フィルタ55が配設されている。ここで、前記排水ポンプ51及び給水ポンプ54は、水を吸引して吐出することができるポンプであれば、いかなる種類のものであってもよい。また、前記水フィルタ55は、水に含まれる塵埃(じんあい)、不純物等を除去するものであれば、いかなる種類のものであってもよい。
The water in the
さらに、前記凝縮器72の出口側に接続された出口側排気マニホールド22には、水素濃度検出器23が配設され、凝縮器72の出口における空気中の水素濃度を検出するようになっている。そして、前記水素濃度検出器23が検出した水素濃度が所定値以上である場合には、燃料電池スタック20においてクロスリークが発生したと判断される。なお、前記水素濃度検出器23は、凝縮器72の出口側における空気中の水素濃度でなく、凝縮器72の入口側における空気中の水素濃度を検出するものであってもよい。すなわち、前記水素濃度検出器23を排気マニホールド71に配設することもできる。
Further, the outlet
また、前記蓄電手段としての二次電池は、いわゆる、バッテリ(蓄電池)であり、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池等が一般的である。なお、前記蓄電手段は、必ずしもバッテリでなくてもよく、電気二重層キャパシタのようなキャパシタ(コンデンサ)、フライホイール、超伝導コイル、蓄圧器等のように、エネルギを電気的に蓄積し放出する機能を有するものであれば、いかなる形態のものであってもよい。さらに、これらの中のいずれかを単独で使用してもよいし、複数のものを組み合わせて使用してもよい。 The secondary battery as the power storage means is a so-called battery (storage battery), and a lead storage battery, a nickel cadmium battery, a nickel hydrogen battery, a lithium ion battery, a sodium sulfur battery, and the like are common. The power storage means does not necessarily have to be a battery, and electrically stores and discharges energy, such as a capacitor (capacitor) such as an electric double layer capacitor, a flywheel, a superconducting coil, and a pressure accumulator. Any form may be used as long as it has a function. Furthermore, any of these may be used alone, or a plurality of them may be used in combination.
また、前記燃料電池スタック20は図示されない負荷に接続され、発生した電流を前記負荷に供給する。ここで、該負荷は、一般的には、駆動制御装置であるインバータ装置であり、前記燃料電池スタック20又は蓄電手段からの直流電流を交流電流に変換して、車両の車輪を回転させる駆動モータに供給する。ここで、該駆動モータは発電機としても機能するものであり、車両の減速運転時には、いわゆる、回生電流を発生する。この場合、前記駆動モータは車輪によって回転させられて発電するので、前記車輪にブレーキをかける、すなわち、車両の制動装置(ブレーキ)として機能する。そして、前記回生電流が蓄電手段に供給されて該蓄電手段が充電される。
The
なお、本実施の形態において、燃料電池システムは制御手段として、図示されないFCコントロールECU(Electronic Control Unit)を有する。前記制御手段は、CPU、MPU等の演算手段、磁気ディスク、半導体メモリ等の記憶手段、入出力インターフェイス等を備え、水素濃度検出器23を含む各種のセンサから燃料電池スタック20の燃料ガス流路及び空気流路に供給される水素、酸素、空気等の流量、温度、出力電圧等を検出して、前記酸化剤供給源75、第1燃料圧力調整弁25a、第2燃料圧力調整弁25b、燃料供給電磁弁26、水素循環電磁弁34、吸引循環ポンプ36、排水ポンプ51、給水ポンプ54、水素起動排気電磁弁62等の動作を制御する。さらに、前記FCコントロールECUは、車両に配設された他のセンサ、及び、車両の制御手段としての図示されないEV(Electric Vehicle)コントロールECUと連携して、燃料電池スタック20に燃料及び酸化剤を供給するすべての装置の動作を統括的に制御する。そして、前記FCコントロールECUは、水素濃度検出器23の出力に基づいて燃料電池スタック20においてクロスリークが発生したと判断した場合、燃料電池スタック20の運転を停止させるとともに、異常が発生した旨をEVコントロールECUに送信して、車両の運転者に対して警告を出力させるようになっている。
In the present embodiment, the fuel cell system has an FC control ECU (Electronic Control Unit) (not shown) as control means. The control means includes arithmetic means such as a CPU and MPU, storage means such as a magnetic disk and a semiconductor memory, an input / output interface, and the like, and a fuel gas flow path of the
次に、前記構成の燃料電池システムの動作について説明する。まず、定常運転における動作について説明する。 Next, the operation of the fuel cell system having the above configuration will be described. First, the operation in steady operation will be described.
本実施の形態の燃料電池システムにおける定常運転時には、第1燃料圧力調整弁25a及び第2燃料圧力調整弁25bの出口から流出する水素ガスの圧力をあらかじめ設定した一定の圧力に調整した後、前記第1燃料圧力調整弁25a及び第2燃料圧力調整弁25bは燃料電池システムの運転中には調整されることがなく、そのままの状態が保持される。また、酸化剤供給源75は、燃料電池の出力電流に応じてあらかじめ設定された空気が供給されるように作動する。この場合、供給される空気の量は、燃料電池スタック20の出力が最大となるために必要な空気の量よりも十分に多い量である。また、本実施の形態において、燃料電池スタック20の単位セル10Aに供給される空気の圧力は大気圧程度の常圧であり、特段加圧される必要がない。そのため、前記酸化剤供給源75、酸化剤供給管路77、吸気マニホールド74、排気マニホールド71、凝縮器72、出口側排気マニホールド22等は、耐圧性を有する必要がないので構成を簡素化することができる。
During steady operation in the fuel cell system of the present embodiment, after adjusting the pressure of hydrogen gas flowing out from the outlets of the first fuel
そして、燃料電池スタック20が運転を開始すると、該燃料電池スタック20を構成する各単位セル10Aにおいて逆拡散水が発生し、該逆拡散水が固体高分子電解質膜11を透過して燃料ガス流路にまで達し、前記固体高分子電解質膜11の燃料極13側を加湿する。これにより、該固体高分子電解質膜11の燃料極13側は湿潤な状態となり、電気化学反応によって水素から生成された水素イオンが固体高分子電解質膜11内をスムーズに移動することができる。
When the
また、前記燃料ガス流路に供給されて余剰となった未反応成分としての水素ガスは、前記燃料ガス流路にまで浸透して余剰となった逆拡散水と混合して、気液混合物となる。該気液混合物となった水素ガスは、吸引循環ポンプ36によって吸引され、燃料電池スタック20に接続された燃料排出管路31を通って前記燃料電池スタック20の外部に排出される。そして、前記気液混合物は、燃料排出管路31を通過して水回収ドレインタンク60内に導入される。そして、比較的広い空間を備える前記水回収ドレインタンク60内に滞留することによって、重量物である水分が重力によって下方に落下し、水素ガスから逆拡散水が分離する。該逆拡散水が分離して乾燥した状態の水素ガスは、燃料排出管路30から水回収ドレインタンク60外に排出される。
Further, the hydrogen gas as an unreacted component that is supplied to the fuel gas flow path and surplus is mixed with the back-diffused water that has permeated into the fuel gas flow path and becomes surplus, and a gas-liquid mixture Become. The hydrogen gas that has become the gas-liquid mixture is sucked by the
そして、定常運転においては、前記燃料排出管路30から排出された水素ガスは、開いた状態になっている水素循環電磁弁34を通過して、第2燃料供給管路33に導入され、再び、燃料電池スタック20の燃料ガス流路に供給されて再利用される。
In steady operation, the hydrogen gas discharged from the
次に、燃料電池スタック20においてクロスリークが発生した場合の動作について説明する。
Next, an operation when a cross leak occurs in the
図5は本発明の実施の形態における燃料電池システムのクロスリークが発生した場合の動作を示すフローチャートである。 FIG. 5 is a flowchart showing an operation when a cross leak occurs in the fuel cell system according to the embodiment of the present invention.
まず、FCコントロールECUは、凝縮器72の出口における空気中の水素濃度を検出した水素濃度検出器23の出力信号に基づいて、前記凝縮器72から排出されたカソードガスとしての空気中の水素濃度を計測する(ステップS1)。続いて、計測された水素濃度がn〔ppm〕、すなわち、所定値以上であるか否かを判断する(ステップS2)。そして、計測された水素濃度が所定値以上でない場合には処理を終了する。 First, the FC control ECU determines the hydrogen concentration in the air as the cathode gas discharged from the condenser 72 based on the output signal of the hydrogen concentration detector 23 that detects the hydrogen concentration in the air at the outlet of the condenser 72. Is measured (step S1). Subsequently, it is determined whether or not the measured hydrogen concentration is n [ppm], that is, a predetermined value or more (step S2). If the measured hydrogen concentration is not greater than or equal to the predetermined value, the process is terminated.
また、計測された水素濃度が所定値以上である場合、前記FCコントロールECUは、燃料電池スタック20にクロスリークが発生したものと判断して、燃料電池システムの緊急停止を行う。クロスリークは、単位セル10Aにおける固体高分子電解質膜11が割れたり、固体高分子電解質膜11の耐差圧特性が低下したりすることによって、水素ガスと空気とが交差混合する現象である。そして、クロスリークが発生すると、燃料極13側において水素と空気中の酸素とが混合して電極触媒の劣化が発生し、触媒粒子が溶出して燃料電池スタック20の性能が低下してしまう。また、水素ガスが未使用のまま空気極12側に透過して排出されてしまうので、燃料電池システムの燃料消費率が悪化してしまう。さらに、高濃度の水素ガスが大気中に放出される可能性もある。
If the measured hydrogen concentration is greater than or equal to a predetermined value, the FC control ECU determines that a cross leak has occurred in the
そこで、前記FCコントロールECUは、燃料電池スタック20にクロスリークが発生したと判断すると、燃料電池システムを緊急停止させるために、FC出力リレーをオフにする(ステップS3)。すなわち、燃料電池スタック20の出力端子に接続されている出力用電気回路に配設されたリレースイッチをオフにして、前記出力用電気回路を遮断する。そのため、燃料電池スタック20から車両を駆動するためのモータへの電力供給が遮断される。続いて、前記FCコントロールECUは水素供給電磁弁、すなわち、燃料供給電磁弁26をオフにする(ステップS4)。これにより、燃料ガス流路への水素ガスの供給が遮断される。さらに、前記FCコントロールECUはFC異常信号、すなわち、燃料電池スタック20に異常が発生したことを示す信号をEVコントロールECUに送信する(ステップS5)。
Therefore, when the FC control ECU determines that a cross leak has occurred in the
続いて、前記FCコントロールECUは水素濃度−空気量マップに基づいて空気量を計算する(ステップS6)。なお、前記水素濃度−空気量マップは、あらかじめ作成されて記憶手段に格納されたマップであり、凝縮器72から排出された空気中の水素濃度が所定値以上である場合に、前記凝縮器72から排出された空気中の水素濃度と、前記凝縮器72から排出された空気中の水素ガスを希釈して安全に大気中に放出可能な程度までに水素濃度を低下させるために必要な空気量との関係を示すマップである。そして、前記FCコントロールECUは、酸化剤供給源75を作動させ、前記水素濃度−空気量マップに基づいて計算された空気量の空気を吸気マニホールド74、燃料電池スタック20、排気マニホールド71及び凝縮器72を通して、出口側排気マニホールド22に供給させる。これにより、排気口22aから大気中に放出される空気における水素濃度は十分に低い値となり、安全上の問題が発生することがない。
Subsequently, the FC control ECU calculates the air amount based on the hydrogen concentration-air amount map (step S6). The hydrogen concentration-air amount map is a map prepared in advance and stored in the storage means. When the hydrogen concentration in the air discharged from the condenser 72 is equal to or higher than a predetermined value, the condenser 72 The hydrogen concentration in the air discharged from the air and the amount of air necessary to reduce the hydrogen concentration to such an extent that the hydrogen gas in the air discharged from the condenser 72 can be diluted and safely released into the atmosphere. It is a map which shows the relationship. Then, the FC control ECU activates the
続いて、前記FCコントロールECUは、凝縮器72の出口における空気中の水素濃度を検出した水素濃度検出器23の出力信号に基づいて、前記凝縮器72から排出されたカソードガスとしての空気中の水素濃度を計測する(ステップS7)。そして、計測された水素濃度がn〔ppm〕、すなわち、所定値以上であるか否かを判断する(ステップS8)。この場合、計測された水素濃度が所定値未満となるまで、水素濃度の計測を繰り返して行う。そして、計測された水素濃度が所定値未満となると、前記FCコントロールECUは、FC全補機停止を行い(ステップS9)、燃料電池システムのすべての補機類の動作を停止させ、処理を終了する。これにより、燃料電池システムの緊急停止が完了する。 Subsequently, the FC control ECU detects the concentration of hydrogen in the air at the outlet of the condenser 72, based on the output signal of the hydrogen concentration detector 23, and in the air as the cathode gas discharged from the condenser 72. The hydrogen concentration is measured (step S7). Then, it is determined whether or not the measured hydrogen concentration is n [ppm], that is, a predetermined value or more (step S8). In this case, the measurement of the hydrogen concentration is repeated until the measured hydrogen concentration becomes less than a predetermined value. When the measured hydrogen concentration becomes less than the predetermined value, the FC control ECU stops the FC all auxiliary equipment (step S9), stops the operation of all the auxiliary equipment of the fuel cell system, and ends the processing. To do. Thereby, the emergency stop of the fuel cell system is completed.
一方、前記EVコントロールECUは、FCコントロールECUから信号を受信すると(ステップS10)、受信した該信号がFC異常信号であるか否かを判断する(ステップS11)。そして、FC異常信号でない場合にはそのまま処理を終了する。また、FC異常信号である場合、前記EVコントロールECUは、車両の運転者に対して警告を出力する(ステップS12)。該警告は、例えば、車両のメータパネル等に配設された赤いランプ等の警告灯を点滅させたり表示させたりしてもよいし、スピーカ等の音声出力手段から警告音を発生させるようにしてもよい。これにより、車両の運転者は、燃料電池スタック20に異常が発生したために燃料電池システムの緊急停止が行われたことを認識することができ、適切に対処することができる。
On the other hand, when the EV control ECU receives a signal from the FC control ECU (step S10), the EV control ECU determines whether or not the received signal is an FC abnormality signal (step S11). If it is not an FC abnormality signal, the process is terminated as it is. If it is an FC abnormality signal, the EV control ECU outputs a warning to the vehicle driver (step S12). The warning may be, for example, blinking or displaying a warning light such as a red lamp arranged on a meter panel of the vehicle, or generating a warning sound from a sound output means such as a speaker. Also good. Thereby, the driver of the vehicle can recognize that the fuel cell system is urgently stopped due to an abnormality in the
このように、本実施の形態において、燃料電池システムは、凝縮器72の出口側に接続された出口側排気マニホールド22に配設された水素濃度検出器23を有し、凝縮器72の出口における空気中の水素濃度を検出するようになっている。そして、検出された水素濃度が所定値以上の場合、燃料電池スタック20にクロスリークが発生したものと判断して、燃料電池システムの緊急停止を行うようになっている。そのため、電極触媒の劣化が発生し、触媒粒子が溶出して燃料電池スタック20の性能が低下してしまうことがない。また、水素ガスが未使用のまま空気極12側に透過して排出されることを防止するので、燃料電池システムの燃料消費率が悪化してしまうこともない。
As described above, in the present embodiment, the fuel cell system has the hydrogen concentration detector 23 disposed in the outlet
さらに、燃料電池スタック20にクロスリークが発生したものと判断した場合、水素濃度−空気量マップに基づいて計算された空気量の空気を出口側排気マニホールド22に供給して、空気に混入した水素ガスを希釈するようになっている。そのため、排気口22aから大気中に放出される空気における水素濃度は十分に低い値となり、安全上の問題が発生することがない。また、希釈された水素ガスの濃度を前記水素濃度検出器23によって確認するようになっているので、水素ガスを確実に希釈することができる。
Further, when it is determined that a cross leak has occurred in the
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。 In addition, this invention is not limited to the said embodiment, It can change variously based on the meaning of this invention, and does not exclude them from the scope of the present invention.
10A 単位セル
10B セパレータ
11 固体高分子電解質膜
12 空気極
13 燃料極
20 燃料電池スタック
23 水素濃度検出器
48 燃料室
49 酸素室
60 水回収ドレインタンク
71 排気マニホールド
72 凝縮器
Claims (5)
該燃料電池スタックから排出された空気中の水素濃度を検出する水素濃度検出器と、
該水素濃度検出器によって検出された水素濃度が所定値以上の場合、前記電解質層にクロスリークが発生したと判断する制御装置とを有することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell stack in which an electrolyte layer is sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode, and is stacked with a separator having an air flow path formed along the oxygen electrode;
A hydrogen concentration detector for detecting the hydrogen concentration in the air discharged from the fuel cell stack;
A fuel cell system comprising: a control device that determines that a cross leak has occurred in the electrolyte layer when the hydrogen concentration detected by the hydrogen concentration detector is equal to or greater than a predetermined value.
該排気マニホールドの他端に接続され、前記燃料電池スタックから排出された空気中の水分を回収する凝縮器とを更に有し、
該凝縮器の出口側に前記水素濃度検出器が配設される請求項1に記載の燃料電池システム。 An exhaust manifold having one end connected to an outlet of the air flow path;
A condenser connected to the other end of the exhaust manifold and recovering moisture in the air discharged from the fuel cell stack;
The fuel cell system according to claim 1, wherein the hydrogen concentration detector is disposed on an outlet side of the condenser.
前記燃料電池スタックから排出された空気中の水素濃度が所定値以上の場合、前記燃料電池スタックの電解質層にクロスリークが発生したと判断することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。 Supply normal pressure air to the air flow path of the fuel cell stack mounted on the vehicle, supply fuel gas to the fuel gas flow path of the fuel cell stack, and back diffuse from the fuel gas discharged as unreacted components Operation of a fuel cell system that recovers water and returns it to the fuel gas flow path, and when the operation of the fuel cell stack is stopped, introduces fuel gas into a recovery container and discharges the back-diffused water recovered A method,
A method for operating a fuel cell system, comprising: determining that a cross leak has occurred in an electrolyte layer of the fuel cell stack when a hydrogen concentration in air discharged from the fuel cell stack is a predetermined value or more.
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