JP2006120532A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムに係り、特に起動時の制御を改善した燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system with improved control at startup.
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.
固体高分子型燃料電池の起動時制御の従来技術としては、特許文献１に記載の技術が知られている。この技術によれば、燃料電池の起動時に、アノード配管にあるパージ用バルブを開とし、燃料電池スタックとアノード循環配管に水素を供給することで、短時間での燃料ガス置換を可能としている。
しかしながら、上記従来技術においては、燃料電池の停止から再起動までの時間が十分長いと、アノード配管中に残存した空気が燃料電池スタックに供給されたり、燃料供給速度が遅くなったりすることで、劣化を引き起こす可能性があるという問題点があった。 However, in the above prior art, if the time from the stop to restart of the fuel cell is sufficiently long, the air remaining in the anode pipe is supplied to the fuel cell stack, or the fuel supply speed is slowed down. There was a problem that it could cause deterioration.
上記問題点を解決するために、本発明は、燃料極に供給された燃料ガスと酸化剤極に供給された酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池スタックと、前記酸化剤極へ酸化剤ガスを供給する酸化剤供給配管と、前記酸化剤極から酸化剤ガスを排出する酸化剤排気配管と、前記燃料極へ燃料ガスを供給する燃料供給配管と、前記燃料極から燃料ガスを排出する燃料排気配管と、該燃料排気配管から分岐して、前記燃料供給配管へ燃料ガスを再循環させる燃料循環配管と、前記燃料循環配管を介して燃料ガスを循環駆動する燃料循環手段とを備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料供給配管、前記燃料排気配管、前記燃料循環配管のいずれかに、少なくとも１つのガスを封止するためのバルブを設け、燃料電池起動時に、前記燃料循環配管もしくは前記燃料電池スタックのいずれか一方を先に燃料を供給して燃料置換し、その後他方に燃料供給して燃料置換し、燃料電池を起動することを要旨とする。 In order to solve the above problems, the present invention provides a fuel cell stack that generates power by an electrochemical reaction between a fuel gas supplied to a fuel electrode and an oxidant gas supplied to an oxidant electrode, and the oxidant electrode. An oxidant supply pipe for supplying oxidant gas, an oxidant exhaust pipe for discharging oxidant gas from the oxidant electrode, a fuel supply pipe for supplying fuel gas to the fuel electrode, and a fuel gas from the fuel electrode A fuel exhaust pipe for discharging, a fuel circulation pipe branched from the fuel exhaust pipe and recirculating the fuel gas to the fuel supply pipe, and a fuel circulation means for circulatingly driving the fuel gas through the fuel circulation pipe In the fuel cell system provided, a valve for sealing at least one gas is provided in any one of the fuel supply pipe, the fuel exhaust pipe, and the fuel circulation pipe. One of the ring pipe or the fuel cell stack by supplying fuel earlier and fuel replacement, then the other fuel supply and with fuel replaced, and summarized in that to start the fuel cell.
本発明によれば、燃料循環配管と燃料電池スタック内を素早く燃料で置換した後に燃料電池を起動することで、起動時に、燃料電池スタックに供給される水素濃度を高く、酸素濃度を低くすることができるので起動時の劣化を抑制することができる。従って、劣化の少ない信頼性の高い燃料電池を提供することができるという効果がある。 According to the present invention, the fuel cell is started after the fuel circulation pipe and the fuel cell stack are quickly replaced with fuel, so that the hydrogen concentration supplied to the fuel cell stack is increased and the oxygen concentration is decreased at the time of startup. Therefore, deterioration at startup can be suppressed. Therefore, there is an effect that a highly reliable fuel cell with little deterioration can be provided.
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、以下に説明する各実施例は、特に限定されないが燃料電池車両に好適な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 each Example described below is not specifically limited, it is a fuel cell system suitable for a fuel cell vehicle.
図１は、本発明に係る燃料電池システムの実施例１の構成を説明する概略構成図である。図１において、燃料電池スタック１は、燃料が供給される燃料極２と酸化剤が供給される酸化剤極３とを備えている。燃料としての水素は、燃料タンク４から燃料供給量調整弁５を通じて燃料供給配管９により燃料極２に、酸化剤としての空気は、酸化剤ブロアー６から酸化剤供給配管１２により酸化剤極３にそれぞれ供給される。なお、酸化剤の供給量を調節する手段を酸化剤供給配管１２中に配置されていてもよい。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram illustrating the configuration of a first embodiment of a fuel cell system according to the present invention. In FIG. 1, the
燃料極２を通過した燃料は、燃料排気配管１０を通じ、コントローラ１８からの信号で燃料排気配管弁１５を開とし外気に排出するか、燃料排気配管弁１５を閉とし燃料循環配管１１により循環し再び燃料入口に供給する。ただし、外気に排出される前に、水素濃度を安全範囲に抑えるために希釈装置や燃焼装置を通すことが望ましい。図１では、燃料循環配管１１中に循環ポンプ７が配置されており、強制的に燃料が循環されるようになっている。
The fuel that has passed through the
図１において、更に本発明に特徴的な構成要素として、燃料電池スタック１近傍の燃料供給配管９に、燃料供給配管弁１４が設置されている。なお、燃料供給配管弁１４はコントローラ１８により開閉ができるようになっている。
In FIG. 1, a fuel
本実施例１では、燃料電池起動時に、図１において燃料供給配管弁１４を閉とし、燃料供給量調整弁５と燃料排気配管弁１５を開き、燃料タンク４から燃料を燃料循環配管１１内に供給し、燃料循環配管１１中の空気を燃料で置換する。燃料循環配管１１の内部が燃料で十分置換されたと判断したら、燃料排気配管弁１５を閉、燃料供給配管弁１４を開とし、循環ポンプ７を起動して燃料を燃料極２に供給し、酸化剤ブロアー６により酸化剤を酸化剤極３に供給して、燃料電池を起動する。
In the first embodiment, when the fuel cell is started, the fuel
本実施例によれば、燃料循環配管と燃料電池内を素早く燃料で置換した後に燃料電池を起動することで、起動時に、燃料電池スタックに供給される水素濃度を高く、酸素濃度を低くすることができるので起動時の劣化を抑制することができるという効果がある。 According to this embodiment, the fuel cell is started after the fuel circulation pipe and the fuel cell are quickly replaced with fuel, so that the hydrogen concentration supplied to the fuel cell stack is increased and the oxygen concentration is decreased at the time of startup. Therefore, there is an effect that deterioration at start-up can be suppressed.
図２は、本発明に係る燃料電池システムの実施例２の構成を説明する概略構成図である。本実施例は、図２に示すように、燃料タンク４から供給された燃料を燃料供給量調整弁５で調整した後、燃料循環配管１１及び燃料供給配管９を介して燃料電池スタック１の燃料極２へ供給している。本実施例では、燃料を循環させる循環ポンプ７には、新規に供給する燃料と燃料極２から排出されて再循環する燃料とが合わせて流れる。そして燃料供給量調整弁５と循環ポンプ７とを接続する燃料循環配管１１に、燃料極２の出口を接続する配管上に、スタック出口側燃料循環配管弁２５が設けられている。
FIG. 2 is a schematic configuration diagram illustrating the configuration of the fuel cell system according to the second embodiment of the present invention. In the present embodiment, as shown in FIG. 2, after the fuel supplied from the
図２において、スタック出口側燃料循環配管弁２５を閉とし、燃料供給量調整弁５と燃料排気配管弁１５を開き、燃料タンク４から燃料を燃料循環配管１１内に供給し、燃料循環配管１１中の空気を燃料で置換する。十分置換されたと判断したら、スタック出口側燃料循環配管弁２５を開とし、燃料極２内に燃料を供給する。燃料極２内も燃料置換された後に、燃料排気配管弁１５を閉、循環ポンプ７を起動して燃料を燃料極２に供給し、酸化剤ブロアー６により酸化剤を酸化剤極３に供給して、燃料電池を起動してもよい。
In FIG. 2, the stack outlet side fuel
図３は、本発明に係る燃料電池システムの実施例３の構成を説明する概略構成図である。図３に示した本実施例の構成は、図１の循環ポンプ７を、新規に供給される燃料ガスを駆動流として燃料を循環させるエゼクタ８に置き換えた実施例である。その他の構成要素は、図１に示した実施例１と同様であるので、同じ構成要素には、同じ符号を付与して説明を省略する。また本実施例の動作は、実施例１と同様であるので、詳細な説明は省略する。
FIG. 3 is a schematic configuration diagram illustrating the configuration of a third embodiment of the fuel cell system according to the present invention. The configuration of the present embodiment shown in FIG. 3 is an embodiment in which the
図４は、本発明に係る燃料電池システムの実施例４の構成を説明する概略構成図である。図４に示した本実施例の構成は、図１に加えて、燃料排気配管１０中の燃料電池スタック１付近にスタック側燃料排気配管弁１５ａが追加されている。その他の構成要素は、図１に示した実施例１と同様であるので、同じ構成要素には、同じ符号を付与して説明を省略する。
FIG. 4 is a schematic configuration diagram illustrating the configuration of a fuel cell system according to a fourth embodiment of the present invention. In the configuration of the present embodiment shown in FIG. 4, in addition to FIG. 1, a stack side fuel
本実施例４では、燃料電池起動時に、図４において燃料供給配管弁１４とスタック側燃料排気配管弁１５ａを閉とし、燃料供給量調整弁５と燃料排気配管弁１５を開き、燃料タンク４から燃料を燃料循環配管１１内に供給し、燃料循環配管１１中の空気を燃料で置換する。十分置換されたと判断したら、燃料排気配管弁１５を閉、燃料供給配管弁１４とスタック側燃料排気配管弁１５ａを開とし、循環ポンプ７を起動して燃料を燃料極２に供給し、酸化剤ブロアー６により酸化剤を酸化剤極３に供給して、燃料電池を起動する。
In the fourth embodiment, when the fuel cell is started, the fuel
図５は、本発明に係る燃料電池システムの実施例５の構成を説明する概略構成図である。図５に示した本実施例の構成は、図１に加えて、燃料排気配管１０中の燃料電池スタック１付近にスタック側燃料排気配管弁１５ａと燃料循環配管１１中に燃料循環配管弁２２とが追加されている。その他の構成要素は、図１に示した実施例１と同様であるので、同じ構成要素には、同じ符号を付与して説明を省略する。
FIG. 5 is a schematic configuration diagram illustrating the configuration of the fuel cell system according to the fifth embodiment of the present invention. The configuration of this embodiment shown in FIG. 5 includes, in addition to FIG. 1, a stack-side fuel
本実施例５では、燃料極２と燃料循環配管１１とをそれぞれ独立に燃料で置換することができるので、燃料電池の起動手順は、二通り考えられる。
In the fifth embodiment, since the
まず、燃料循環配管１１を燃料で置換してから、燃料極２を燃料で置換して、燃料電池を起動する方法を説明する。燃料電池起動時に、図５において燃料供給配管弁１４とスタック側燃料排気配管弁１５ａを閉とし、燃料供給量調整弁５と燃料循環配管弁２２と燃料排気配管弁１５を開き、燃料タンク４から燃料を燃料循環配管１１内に供給し、燃料循環配管１１中の空気を燃料で置換する。十分置換されたと判断したら、燃料循環配管弁２２を閉、燃料供給配管弁１４とスタック側燃料排気配管弁１５ａを開とし、燃料電池スタック１内に燃料を供給する。燃料電池スタック１内も燃料循環配管１１と同様に置換されたと判断したら、燃料循環配管弁２２を開とし、循環ポンプ７を起動して燃料を燃料極２に供給し、酸化剤ブロアー６により酸化剤を酸化剤極３に供給して、燃料電池を起動する。
First, a method of starting the fuel cell by replacing the
また、本実施例における燃料置換順序を変更して、燃料極２を先にし、燃料循環配管１１を後にすることもできる。この場合、燃料電池起動時に、図５において燃料循環配管弁２２を閉、燃料供給配管弁１４と燃料排気配管弁１５とスタック側燃料排気配管弁１５ａと燃料供給量調整弁５を開き、燃料タンク４から燃料を燃料極２内に供給し、燃料極２中の空気を燃料で置換する。十分置換されたと判断したら、燃料供給配管弁１４とスタック側燃料排気配管弁１５ａを閉とし、燃料循環配管弁２２を開き、燃料を燃料循環配管１１内に供給し、燃料循環配管１１中の空気を燃料で置換する。十分置換されたと判断したら、燃料供給配管弁１４とスタック側燃料排気配管弁１５ａを開き、燃料排気配管弁１５を閉じ、循環ポンプ７を起動して燃料を燃料極２に供給し、酸化剤ブロアー６により酸化剤を酸化剤極３に供給して、燃料電池を起動する。
Further, the fuel replacement order in the present embodiment can be changed so that the
図６は、本発明に係る燃料電池システムの実施例６の構成を説明する概略構成図である。図６に示した本実施例の構成は、図１に加えて、酸化剤供給配管１２中に酸化剤供給配管弁１６が配置されており、これによって酸化剤の流量や圧力制御を行う。また、水素検知手段１９を具備し、水素検知手段１９の検知プローブは燃料排気配管１０と酸化剤排気配管１３が合流した後の配管中に配置し、配管中の水素濃度が検知できるようにしている。なお、小型の水素検知手段１９の場合は配管内に具備してもよい。
FIG. 6 is a schematic configuration diagram illustrating the configuration of a sixth embodiment of the fuel cell system according to the present invention. In the configuration of the present embodiment shown in FIG. 6, in addition to FIG. 1, an oxidant
次に、本実施例６のおける第１の起動方法について説明する。燃料電池起動時に、水素検知手段１９によって排気配管中の水素濃度を検知しながら、燃料供給配管弁１４を閉じ、燃料供給量調整弁５及び燃料排気配管弁１５を開いて、燃料循環配管１１の燃料置換を行う。この際、酸化剤ブロアー６は停止し、酸化剤供給配管弁１６及び酸化剤排気配管弁１７は閉じて酸化剤は供給しない。水素検知手段１９で得られる水素濃度が４％を超えたら燃料循環配管１１の燃料置換を停止する。次いで、燃料供給配管弁１４を開き、燃料排気配管弁１５を閉じ、酸化剤供給配管弁１６及び酸化剤排気配管弁１７を開いて、酸化剤ブロアー６を起動し、酸化剤極３へ酸化剤の供給を開始して、燃料電池を起動する。
Next, the first activation method in the sixth embodiment will be described. When the fuel cell is started, while the hydrogen detection means 19 detects the hydrogen concentration in the exhaust pipe, the fuel
次に、本実施例６における第２の起動方法について説明する第２の起動方法では、燃料電池起動時に、排気配管中にある水素検知手段１９によって水素濃度を検知しておき、燃料供給配管弁１４を閉として、酸化剤ブロアー６の出力を極力最大にし酸化剤極３に酸化剤を供給すると同時に、燃料供給量を酸化剤供給量の４％とし燃料を供給する。なお、酸化剤の供給は酸化剤極３を通過せずに、直接燃料排気配管１０に供給される構造でもよい。これにより、水素検知手段１９で得られる水素濃度が４％付近まで徐々に上昇する。水素濃度が４％となったら、燃料循環配管１１の燃料置換は停止し、燃料供給配管弁１４を開き、燃料排気配管弁１５を閉じて、燃料電池を起動する。
Next, in the second starting method for explaining the second starting method in the sixth embodiment, when the fuel cell is started, the hydrogen concentration is detected by the hydrogen detecting means 19 in the exhaust pipe, and the fuel
図７は、本発明に係る燃料電池システムの実施例７の構成を説明する概略構成図である。図７に示した本実施例の構成は、図６に加えて、燃料電池スタック１の温度を測定するための温度測定手段２０と、制御等の時間を管理することのできる時間判定手段２１を備えている。温度測定手段２０は、コントローラ１８に信号ケーブルにて接続され、時間判定手段２１は、コントローラ１８に内蔵されている。
FIG. 7 is a schematic configuration diagram illustrating the configuration of a fuel cell system according to Example 7 of the present invention. The configuration of this embodiment shown in FIG. 7 includes, in addition to FIG. 6, a temperature measuring means 20 for measuring the temperature of the
図８は、実施例７における燃料電池起動時の制御のフローチャートである。まず、ステップＳ１０において、燃料電池起動を行う。即ち、ステップＳ１０では、燃料供給量調整弁５を開、燃料供給配管弁１４を閉、燃料排気配管弁１５を閉、循環ポンプ７を停止の状態である。次いで、ステップＳ１２で燃料循環配管１１中を燃料置換した後に燃料電池を起動する燃料置換起動をするか否かを判定する。ステップＳ１２の判定が否定（Ｎｏ）の場合、ステップＳ１８へ移る。
FIG. 8 is a flowchart of the control at the time of starting the fuel cell in the seventh embodiment. First, in step S10, the fuel cell is activated. That is, in step S10, the fuel supply
ステップＳ１２の判定が肯定（Ｙｅｓ）の場合、ステップＳ１４へ移る。ステップＳ１４では、燃料循環配管１１の内部を燃料ガスで置換する燃料置換を行う。即ち、ステップＳ１４では、燃料排気配管弁１５を開く。これにより、燃料供給量調整弁５、燃料循環配管１１，燃料排気配管弁１５，燃料排気配管１０の経路で燃料ガスが流れ初め、燃料循環配管１１中の空気が押し出される。その他の弁の状態は、ステップＳ１２の状態を維持するとともに、循環ポンプ７も停止を継続する。
If the determination in step S12 is affirmative (Yes), the process moves to step S14. In step S14, fuel replacement for replacing the inside of the
次いで、ステップＳ１６で、燃料置換が終了したか否かを判定する。ステップＳ１６の判定が否定（Ｎｏ）であれば、ステップＳ１４へ戻る。ステップＳ１６の判定が肯定（Ｙｅｓ）であれば、ステップＳ１８へ移る。 Next, in step S16, it is determined whether or not the fuel replacement is completed. If the determination in step S16 is negative (No), the process returns to step S14. If determination of step S16 is affirmative (Yes), it will move to step S18.
ステップＳ１８では、発電を開始する。即ち、ステップＳ１８では、燃料供給量調整弁５を開、燃料供給配管弁１４を開、燃料排気配管弁１５を閉、循環ポンプ７を運転の状態となる。
In step S18, power generation is started. That is, in step S18, the fuel supply
次に、図８のステップＳ１２における、燃料循環配管１１の燃料置換をするか否かの各種判定方法について説明する。第１の判定方法では、燃料電池起動時に、図７の時間判定手段２１によって得られる前回の燃料電池運転停止から今回の起動までの経過時間（以下、保管時間と呼ぶ）が所定時間以上の時は、燃料極２や燃料循環配管１１内に空気が充満していると判断し、実施例１乃至実施例５の起動手順にて燃料循環配管の燃料置換を行う。ここで、所定時間とは、予め実験等により求めた燃料循環配管中の水素濃度対酸素濃度が１対１となる時間とすることが望ましい。
Next, various determination methods for determining whether or not to replace the fuel in the
なお、保管時間が所定時間以下の時は、燃料極２や燃料循環配管１１内に十分な水素が残存していると判断し、燃料循環配管の燃料置換は行わず、直ちに燃料極及び酸化剤極にそれぞれ燃料、酸化剤を供給して燃料電池を起動する通常の起動を行うものとする。
When the storage time is equal to or shorter than the predetermined time, it is determined that sufficient hydrogen remains in the
これにより、燃料電池の運転停止時間である保管時間に応じて、燃料循環配管を燃料置換の効果があるときにだけ燃料置換することで、起動時に消費する燃料を減らすことができる。また、保管時間が短時間のときには燃料置換を行うことなく起動するため短時間での起動ができる。従って、総合的に燃費効率の高い燃料電池を提供することができるという効果がある。 Thereby, according to the storage time which is the operation stop time of the fuel cell, the fuel consumed in the start-up can be reduced by replacing the fuel circulation pipe only when the fuel replacement effect is effective. In addition, when the storage time is short, the fuel cell is started without replacement, so that it can be started in a short time. Therefore, there is an effect that a fuel cell with high fuel efficiency can be provided comprehensively.
また、燃料置換を行うか否かの保管時間の判定に、実験により定めた時間を用いることで、より確実な燃料置換の要否判断をすることができる。従って、複雑な制御を行うことなくシステムを簡略化することができるという効果がある。 Further, by using the time determined by experiments for determining the storage time for determining whether or not to perform fuel replacement, it is possible to determine whether or not fuel replacement is necessary more reliably. Therefore, there is an effect that the system can be simplified without performing complicated control.
次に、図８のステップＳ１２における、燃料循環配管の燃料置換をするか否かの第２の判定方法について説明する。燃料電池起動時に、図６もしくは図７において水素検知手段１９で得られる水素濃度が所定値以下、望ましくは４％程度以下となったときは、燃料極２や燃料循環配管１１内に空気が充満していると判断し、実施例１〜５の起動手順にて燃料循環配管の燃料置換を行う。
Next, the second determination method for determining whether or not to replace the fuel in the fuel circulation pipe in step S12 in FIG. 8 will be described. When the hydrogen concentration obtained by the hydrogen detection means 19 in FIG. 6 or FIG. 7 is less than a predetermined value, preferably about 4% or less when the fuel cell is started, the
これにより、燃料配管中の水素濃度に応じて、燃料循環配管を燃料置換の効果があるときにだけ燃料置換することで、起動時に消費する燃料を減らすことができる。また、保管時間が短時間のときには燃料置換を行うことなく起動するため短時間での起動ができる。従って、総合的に効率の良い燃料電池を得ることができる。 Thereby, according to the hydrogen concentration in fuel piping, the fuel consumed at the time of starting can be reduced by replacing the fuel circulation piping only when there is an effect of fuel replacement. In addition, when the storage time is short, the fuel cell is started without replacement, so that it can be started in a short time. Therefore, an overall fuel cell with high efficiency can be obtained.
なお、水素濃度が所定値以上のときは、燃料極２や燃料循環配管１１内に十分な水素が残存していると判断し、燃料循環配管の燃料置換は行わず、前記通常の起動を行う。
When the hydrogen concentration is equal to or higher than a predetermined value, it is determined that sufficient hydrogen remains in the
次に、図８のステップＳ１２における、燃料循環配管の燃料置換をするか否かの第３の判定方法について説明する。燃料電池起動時に、図７において温度測定手段２０にて燃料電池スタック１の温度を検知しておき、検知した温度が所定範囲内の時は、停止から十分時間が経過し、燃料極２や燃料循環配管１１内に空気が充満しており、燃料と酸化剤の混合ガスによる劣化感度が大きいと判断し、実施例１〜５の起動手順にて燃料循環配管の燃料置換を行う。
Next, the third determination method for determining whether or not to replace the fuel in the fuel circulation pipe in step S12 of FIG. 8 will be described. When the fuel cell is started, the temperature of the
なお、検知した温度が所定範囲の上限を超えた時は、停止から十分な時間が経過してなく、燃料極２や燃料循環配管１１内に十分な水素が残存していると判断し、温度が所定範囲の下限未満の時は、燃料と酸化剤の混合ガスによる劣化感度が小さいと判断し、燃料循環配管の燃料置換は行わず、前記通常の起動を行う。
When the detected temperature exceeds the upper limit of the predetermined range, it is determined that sufficient time has not elapsed since the stop and that sufficient hydrogen remains in the
次に、図８のステップＳ１２における、燃料循環配管の燃料置換をするか否かの第４の判定方法について説明する。燃料電池起動時に、図７において温度測定手段２０にて燃料電池スタック１の温度を検知しておき、外気温度との温度差が所定値以内であれば、運転停止から十分時間が経過し、燃料極２や燃料循環配管１１内に空気が充満していると判断し、実施例１〜５の起動手順にて燃料循環配管の燃料置換を行う。
Next, the fourth determination method for determining whether or not to replace the fuel in the fuel circulation pipe in step S12 in FIG. 8 will be described. When the fuel cell is started up, the temperature of the
これにより、起動時の燃料電池スタックの温度に応じて、燃料循環配管を燃料置換の効果があるときにだけ燃料置換することで、起動時に消費する燃料を減らすことができる。また、保管時間が短時間のときには燃料置換を行うことなく起動するため短時間での起動ができる。従って、総合的に効率の良い燃料電池を得ることができる。 Thereby, according to the temperature of the fuel cell stack at the time of start-up, the fuel consumed in the start-up can be reduced by replacing the fuel circulation pipe only when there is an effect of fuel replacement. In addition, when the storage time is short, the fuel cell is started without replacement, so that it can be started in a short time. Therefore, an overall fuel cell with high efficiency can be obtained.
なお、燃料電池スタック１の温度と外気の温度差が所定値より大きい場合、停止から十分時間が経過してなく、燃料極２や燃料循環配管１１内に十分な水素が残存していると判断して、燃料循環配管の燃料置換は行わず、前記通常の起動を行う。
When the temperature difference between the temperature of the
次に、図８のステップＳ１６における、燃料循環配管の燃料置換を終了する判定について説明する。図７において、実施例１〜５の起動手順にて燃料循環配管の燃料置換が行われている状態で、時間判定手段２１にて所定時間が経過したら、十分燃料循環配管の燃料置換が完了したと判断し、燃料循環配管の燃料循環配管の燃料置換を停止し、燃料電池を起動する。 Next, the determination to end the fuel replacement of the fuel circulation pipe in step S16 in FIG. 8 will be described. In FIG. 7, the fuel replacement of the fuel circulation pipe is sufficiently completed when the predetermined time has elapsed in the time determination means 21 in the state where the fuel replacement of the fuel circulation pipe is performed in the startup procedure of the first to fifth embodiments. The fuel replacement of the fuel circulation pipe of the fuel circulation pipe is stopped, and the fuel cell is started.
これにより、燃料置換の経過時間に応じて、燃料循環配管の燃料置換を終了することで確実に且つ簡単に燃料置換を終了することができる。従って、劣化が少なく、複雑な制御を不要とした信頼性の高い燃料電池を得ることができる。 Accordingly, the fuel replacement can be reliably and easily ended by ending the fuel replacement of the fuel circulation pipe according to the elapsed time of the fuel replacement. Accordingly, it is possible to obtain a highly reliable fuel cell that is less deteriorated and does not require complicated control.
次に、図８のステップＳ１６における、燃料循環配管の燃料置換を停止する判定の別の例について記載する。図７において、実施例１〜５の起動手順にて燃料循環配管の燃料置換が行われている状態で、水素検知手段１９にて水素濃度を検知しておき、その濃度が所定値を超えたら、燃料排気ガス中の水素濃度が高く危険と判断もしくは十分燃料循環配管の燃料置換が完了したと判断し、燃料循環配管の燃料循環配管の燃料置換を停止し、燃料電池を起動する。
Next, another example of determination to stop the fuel replacement of the fuel circulation pipe in step S16 of FIG. 8 will be described. In FIG. 7, in the state where the fuel replacement of the fuel circulation pipe is performed in the start-up procedure of the first to fifth embodiments, the hydrogen concentration is detected by the
これにより、燃料排気配管出口の水素濃度に応じて、燃料循環配管の燃料置換を終了することで確実に燃料置換を終了することができる。従って、劣化が少なく、信頼性の高い燃料電池を得ることができる。 Thereby, according to the hydrogen concentration at the outlet of the fuel exhaust pipe, the fuel replacement can be reliably ended by ending the fuel replacement of the fuel circulation pipe. Therefore, a highly reliable fuel cell with little deterioration can be obtained.
図９は、本発明に係る燃料電池システムの実施例８の構成を説明する概略構成図である。図９において、燃料電池スタック１は燃料が供給される燃料極２と酸化剤が供給される酸化剤極３があり、燃料は燃料タンク４から、燃料タンク元弁４ａ及び燃料供給量調整弁５を通じて燃料供給配管９により燃料極２に、酸化剤は酸化剤ブロアー６から酸化剤供給配管１２により酸化剤極３にそれぞれ供給される。燃料電池スタック１近傍の燃料供給配管９中には燃料供給配管弁１４が配置されている。
FIG. 9 is a schematic configuration diagram illustrating the configuration of the eighth embodiment of the fuel cell system according to the present invention. In FIG. 9, the
なお、酸化剤の供給量を調節する手段を酸化剤供給配管１２中に配置してもよい。燃料極２を通過した燃料は、燃料排気配管１０を通じ、コントローラ１８からの信号で燃料排気配管弁１５を開とし外気に排出するか、燃料排気配管弁１５を閉とし燃料循環配管１１により循環し再び燃料入口に供給する。ただし、外気に排出される前に、水素濃度を安全範囲に抑えるために希釈装置や燃焼装置を通すことが望ましい。
A means for adjusting the supply amount of the oxidant may be disposed in the
燃料排気配管１０中の燃料電池スタックの出口に近い位置に循環ポンプ７が配置されており、強制的に循環されるようになっている。燃料循環配管１１には燃料の流れを止めるためのスタック側燃料排気配管弁１５ａと、燃料排気配管弁１５とは別に燃料循環配管１１内を燃料置換するための燃料循環配管排気弁２３が配置されている。各弁は、コントローラ１８と接続されており、コントローラ１８からの信号により開閉を行うことができる。また、酸化剤極３を通過した燃料は、酸化剤排気配管１３を通じ、酸化剤排気配管弁１７を通過して外気に排出される。
A
図１０は、実施例８における燃料電池起動時の制御を説明するフロー図である。本実施例８では、燃料電池起動時に、図１０の各行として示された順序に従って、燃料タンク元弁４ａ、循環ポンプ７、燃料供給調整弁５、燃料循環配管排気弁２３、スタック側燃料排気配管弁１５ａ、燃料供給配管弁１４、及び燃料排気配管弁１５を操作する。
FIG. 10 is a flowchart for explaining the control at the time of starting the fuel cell in the eighth embodiment. In the eighth embodiment, when the fuel cell is started, the fuel tank
燃料電池起動手順に入る前には、燃料タンク元弁４ａ、燃料供給量調整弁５、燃料循環配管排気弁２３、スタック側燃料排気配管弁１５ａ、燃料供給配管弁１４、燃料排気配管弁１５を閉としておき、循環ポンプ７は停止の状態になっている。燃料電池を起動するとき、まず燃料タンク元弁４ａを開いて燃料タンク４から燃料を供給する。
Before starting the fuel cell startup procedure, the fuel tank
次に、燃料循環配管１１中を燃料置換するため、燃料供給量調整弁５と燃料循環配管排気弁２３を開放する。燃料排気配管弁１５を開放し、循環ポンプ７を駆動する。燃料循環配管１１中が燃料で置換されたと判断したら、燃料循環配管排気弁２３を閉じ、燃料供給配管弁１４を開放する。循環ポンプ７により燃料極２が負圧になっており、勢い良く燃料が燃料排気配管１０を通じ、外気に放出される。燃料電池スタック１の電圧等で燃料極２の燃料置換が終了したと判断したら、スタック側燃料排気配管弁１５ａを開放し、燃料排気配管弁１５を閉じ、燃料電池を起動する。
Next, in order to replace the fuel in the
以上説明した実施例８によれば、燃料供給配管中、燃料循環配管中、燃料排気配管中にそれぞれバルブを有し、燃料循環配管中を燃料で置換した後に、燃料電池スタックに燃料を供給することで、燃料循環配管と燃料電池スタックを独立して燃料に確実に置換することができるので、燃料電池の起動時の劣化を更に抑制することができるという効果がある。 According to the eighth embodiment described above, the fuel supply pipe, the fuel circulation pipe, and the fuel exhaust pipe each have a valve, and after the fuel circulation pipe is replaced with fuel, the fuel is supplied to the fuel cell stack. As a result, the fuel circulation pipe and the fuel cell stack can be reliably replaced with the fuel independently, so that there is an effect that deterioration at the time of startup of the fuel cell can be further suppressed.
また、実施例８によれば、燃料排気配管中の燃料電池スタックと燃料パージ弁の間に燃料循環ポンプを有し、燃料電池スタックに燃料を供給する前に、燃料循環ポンプを駆動し燃料電池スタック内を負圧にすることで、燃料電池スタックに燃料を供給する際に燃料電池スタック内の燃料への置換時間を短くすることができ、起動時の劣化を更に抑制することができる。 Further, according to the eighth embodiment, the fuel circulation pump is provided between the fuel cell stack and the fuel purge valve in the fuel exhaust pipe, and the fuel circulation pump is driven before the fuel is supplied to the fuel cell stack. By setting the inside of the stack to a negative pressure, the time for replacement with the fuel in the fuel cell stack when supplying fuel to the fuel cell stack can be shortened, and deterioration at startup can be further suppressed.
次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例９を説明する。実施例９の構成は、図１０に示した実施例８の構成と同様であるので、重複する説明を省略する。 Next, a ninth embodiment of the fuel cell system according to the present invention will be described. Since the configuration of the ninth embodiment is the same as the configuration of the eighth embodiment shown in FIG.
図１１は、実施例９における燃料電池起動時の制御を説明するフロー図である。本実施例９では、燃料電池起動時に、図１１の各行に示された順序に従って、燃料タンク元弁４ａ、循環ポンプ７、燃料供給調整弁５、燃料循環配管排気弁２３、スタック側燃料排気配管弁１５ａ、燃料供給配管弁１４、及び燃料排気配管弁１５を操作する。
FIG. 11 is a flowchart for explaining the control at the time of starting the fuel cell in the ninth embodiment. In the ninth embodiment, when the fuel cell is activated, the fuel tank
燃料電池起動手順に入る前には、燃料タンク元弁４ａ、燃料供給量調整弁５、燃料循環配管排気弁２３、スタック側燃料排気配管弁１５ａ、燃料供給配管弁１４、燃料排気配管弁１５を閉としておき、循環ポンプ７は停止の状態になっている。燃料電池を起動するとき、まず燃料タンク元弁４ａを開いて燃料タンク４から燃料を供給する。
Before starting the fuel cell startup procedure, the fuel tank
次に、燃料循環配管１１中を燃料置換するため、燃料供給量調整弁５と燃料循環配管排気弁２３を開放する。燃料排気配管弁１５を開放し、循環ポンプ７を駆動する。燃料循環配管１１中が燃料で置換されたと判断したら、燃料循環配管排気弁２３を閉じ、燃料循環配管１１中が燃料供給圧力と概略同じとなってから、燃料供給配管弁１４を開放する。循環ポンプ７により燃料極２が負圧になっていることと、燃料の供給圧力が常圧よりも高いことから、勢い良く燃料が燃料排気配管１０を通じて、外気に放出される。燃料電池スタック１の電圧が所定値を超えた等で燃料極２の燃料置換が終了したと判断したら、スタック側燃料排気配管弁１５ａを開放し、燃料排気配管弁１５を閉じ、燃料電池を起動する。
Next, in order to replace the fuel in the
以上説明した実施例９によれば、燃料供給配管中、燃料循環配管中、燃料排気配管中にそれぞれバルブを有し、燃料循環配管中を燃料で置換した後に、燃料電池スタックに燃料を供給することで、燃料循環配管と燃料電池スタックを独立して燃料に確実に置換することができるので、燃料電池の起動時の劣化を更に抑制することができるという効果がある。 According to the ninth embodiment described above, the fuel supply pipe, the fuel circulation pipe, and the fuel exhaust pipe each have a valve, and after the fuel circulation pipe is replaced with fuel, the fuel is supplied to the fuel cell stack. As a result, the fuel circulation pipe and the fuel cell stack can be reliably replaced with the fuel independently, so that there is an effect that deterioration at the time of startup of the fuel cell can be further suppressed.
また、実施例９によれば、燃料排気配管中の燃料電池スタックと燃料パージ弁の間に燃料循環ポンプを有し、燃料電池スタックに燃料を供給する前に、燃料循環ポンプを駆動し燃料電池スタック内を負圧にすることで、燃料電池スタックに燃料を供給する際に燃料電池スタック内の燃料への置換時間を短くすることができ、起動時の劣化を更に抑制することができる。 Further, according to the ninth embodiment, the fuel circulation pump is provided between the fuel cell stack and the fuel purge valve in the fuel exhaust pipe, and the fuel circulation pump is driven before the fuel is supplied to the fuel cell stack. By setting the inside of the stack to a negative pressure, the time for replacement with the fuel in the fuel cell stack when supplying fuel to the fuel cell stack can be shortened, and deterioration at startup can be further suppressed.
以上本発明の実施例についていくつか説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、当然本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施し得ることは明らかである。 Although several embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and it is obvious that various embodiments can be implemented without departing from the gist of the present invention.
１：燃料電池スタック
２：燃料極
３：酸化剤極
４：燃料タンク
５：燃料供給量調整弁
６：酸化剤ブロアー
７：循環ポンプ
８：エゼクタ
９：燃料供給配管
１０：燃料排気配管
１１：燃料循環配管
１２：酸化剤供給配管
１３：酸化剤排気配管
１４：燃料供給配管弁
１５：燃料排気配管弁
１５ａ：スタック側燃料排気配管弁
１６：酸化剤供給配管弁
１７：酸化剤排気配管弁
１８：コントローラ
１９：水素検知手段
２０：温度検知手段
２１：時間判定手段
２２：燃料循環配管弁
２３：燃料循環配管中排気弁
1: Fuel cell stack 2: Fuel electrode 3: Oxidant electrode 4: Fuel tank 5: Fuel supply amount adjustment valve 6: Oxidant blower 7: Circulation pump 8: Ejector 9: Fuel supply pipe 10: Fuel exhaust pipe 11: Fuel Circulation pipe 12: Oxidant supply pipe 13: Oxidant exhaust pipe 14: Fuel supply pipe valve 15: Fuel
Claims (12)
前記酸化剤極へ酸化剤ガスを供給する酸化剤供給配管と、
前記酸化剤極から酸化剤ガスを排出する酸化剤排気配管と、
前記燃料極へ燃料ガスを供給する燃料供給配管と、
前記燃料極から燃料ガスを排出する燃料排気配管と、
該燃料排気配管から分岐して、前記燃料供給配管へ燃料ガスを再循環させる燃料循環配管と、
前記燃料循環配管を介して燃料ガスを循環駆動する燃料循環手段とを備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料供給配管、前記燃料排気配管、前記燃料循環配管のいずれかに、少なくとも１つのガスを封止するためのバルブを設け、
燃料電池起動時に、前記燃料循環配管もしくは前記燃料電池スタックのいずれか一方を先に燃料を供給して燃料置換し、その後他方に燃料供給して燃料置換し、燃料電池を起動することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell stack that generates electricity by an electrochemical reaction between the fuel gas supplied to the fuel electrode and the oxidant gas supplied to the oxidant electrode;
An oxidant supply pipe for supplying an oxidant gas to the oxidant electrode;
An oxidant exhaust pipe for discharging oxidant gas from the oxidant electrode;
A fuel supply pipe for supplying fuel gas to the fuel electrode;
A fuel exhaust pipe for discharging fuel gas from the fuel electrode;
A fuel circulation pipe branched from the fuel exhaust pipe and recirculating fuel gas to the fuel supply pipe;
In a fuel cell system comprising fuel circulation means for circulatingly driving fuel gas through the fuel circulation pipe,
A valve for sealing at least one gas is provided in any one of the fuel supply pipe, the fuel exhaust pipe, and the fuel circulation pipe,
When starting the fuel cell, either one of the fuel circulation pipe or the fuel cell stack is supplied with fuel first to replace the fuel, and then the other fuel is supplied to replace the fuel to start the fuel cell. Fuel cell system.
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