JP2006156136A - 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ものである。 The present invention relates to a fuel cell system.
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、前記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 maintained in a wet state, water is supplied to each of the fuel electrode side and the oxygen electrode side. . 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。この場合、酸素極側における余剰の水分は空気とともに大気中に放出することができるが、燃料極側における余剰の水分は、安全上の観点から水素の大気中への放出が制限される。そこで、希釈器を使用して水素ガスの濃度を低下させてから大気中に放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、希釈器を使用する必要があるので燃料電池装置全体の構成が複雑かつ大型になってしまい、コストも高くなってしまう。また、空気や水素ガスに含まれる水分を回収せずに排出してしまうので、燃料極側及び酸素極側に供給された水の消費量が増加してしまう。 However, in the conventional fuel cell system, since it is necessary to use a diluter, the configuration of the entire fuel cell device becomes complicated and large, and the cost increases. In addition, since water contained in the air or hydrogen gas is discharged without being recovered, the amount of water supplied to the fuel electrode side and the oxygen electrode side is increased.
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、燃料電池スタックにおける酸化ガス出口と排出された酸化ガス及び生成水を一時収容した後に排出する排気マニホールドの途中に、パージされた燃料ガスを排出する燃料排出管路を接続することによって、希釈器等の装置を使用することなく、簡単な構成で燃料ガスの濃度を低下させてから大気中に放出することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention solves the problems of the conventional fuel cell system, and is purged in the middle of the exhaust gas manifold and the exhaust manifold that discharges the oxidized gas and the generated water after temporarily storing them in the fuel cell stack. By connecting a fuel discharge line for discharging fuel gas, a fuel cell system capable of reducing the concentration of the fuel gas with a simple configuration and then releasing it into the atmosphere without using a device such as a diluter The purpose is to provide.
そのために、本発明の燃料電池システムにおいては、燃料ガス及び酸化ガスが供給されて発電する燃料電池スタックと、該燃料電池スタックの燃料ガス出口から排出された燃料ガスを燃料ガス入口に戻して循環させる循環路と、前記燃料電池スタックの酸化ガス出口から排出された酸化ガス及び生成水を一時収容した後に排出する排気マニホールドと、前記循環路のパージによって排出された不純物含有燃料ガスを前記排気マニホールド内に排出する燃料排出管路とを有する。 Therefore, in the fuel cell system of the present invention, a fuel cell stack that is supplied with fuel gas and an oxidizing gas to generate power, and a fuel gas discharged from the fuel gas outlet of the fuel cell stack is returned to the fuel gas inlet and circulated. A circulation path to be discharged, an exhaust manifold for temporarily discharging the oxidizing gas and generated water discharged from the oxidizing gas outlet of the fuel cell stack, and an exhaust manifold for discharging the impurity-containing fuel gas discharged by purging the circulation path And a fuel discharge pipe for discharging into the inside.
本発明の他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記燃料排出管路の出口端は前記燃料電池スタックの酸化ガス出口の近傍に配設されている。 In another fuel cell system of the present invention, the outlet end of the fuel discharge pipe is disposed in the vicinity of the oxidizing gas outlet of the fuel cell stack.
本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記燃料排出管路から不純物含有燃料ガスが排出される場合、前記排気マニホールドより排出される燃料ガスの濃度を大気中に放出可能な濃度にまで希釈することができるように前記燃料電池スタックへの酸化ガスの供給量を制御する制御手段を有する。 In still another fuel cell system of the present invention, when impurity-containing fuel gas is discharged from the fuel discharge pipe, the concentration of the fuel gas discharged from the exhaust manifold is set to a concentration that can be released into the atmosphere. Control means for controlling the supply amount of the oxidizing gas to the fuel cell stack so that the fuel cell stack can be diluted.
本発明によれば、燃料電池システムにおいては、燃料ガス及び酸化ガスが供給されて発電する燃料電池スタックと、該燃料電池スタックの燃料ガス出口から排出された燃料ガスを燃料ガス入口に戻して循環させる循環路と、前記燃料電池スタックの酸化ガス出口から排出された酸化ガス及び生成水を一時収容した後に排出する排気マニホールドと、前記循環路のパージによって排出された不純物含有燃料ガスを前記排気マニホールド内に排出する燃料排出管路とを有する。 According to the present invention, in a fuel cell system, a fuel cell stack that is supplied with fuel gas and an oxidizing gas to generate power, and a fuel gas discharged from the fuel gas outlet of the fuel cell stack is returned to the fuel gas inlet and circulated. A circulation path to be discharged, an exhaust manifold that is discharged after temporarily storing the oxidizing gas and the generated water discharged from the oxidizing gas outlet of the fuel cell stack, and the exhaust manifold that contains the impurity-containing fuel gas discharged by purging the circulation path And a fuel discharge pipe for discharging into the inside.
この場合、燃料排出管路から排出された燃料ガスは、排気マニホールド内を通過する酸化ガス流中にスムーズに拡散し、速やかに酸化ガスと混合する。また、希釈器のような燃料ガスを希釈するための特別な機構を備えていないので、燃料電池システムの構成を簡素化して、小型化することができ、コストを抑制することができる。 In this case, the fuel gas discharged from the fuel discharge pipe smoothly diffuses into the oxidizing gas flow passing through the exhaust manifold and quickly mixes with the oxidizing gas. Further, since a special mechanism for diluting the fuel gas such as a diluter is not provided, the configuration of the fuel cell system can be simplified, the size can be reduced, and the cost can be suppressed.
他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記燃料排出管路の出口端は前記燃料電池スタックの酸化ガス出口の近傍に配設されている。 In another fuel cell system, the outlet end of the fuel discharge pipe is disposed in the vicinity of the oxidizing gas outlet of the fuel cell stack.
この場合、排気マニホールド内における燃料ガスと酸化ガスとの混合距離を長く取ることができるので、燃料ガスと酸化ガスとの混合が促進され、前記燃料ガスは酸化ガス中に十分に拡散して混合し、局所的に高濃度となることがない。 In this case, since the mixing distance of the fuel gas and the oxidizing gas in the exhaust manifold can be increased, the mixing of the fuel gas and the oxidizing gas is promoted, and the fuel gas is sufficiently diffused and mixed in the oxidizing gas. However, there is no local high concentration.
更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記燃料排出管路から不純物含有燃料ガスが排出される場合、前記排気マニホールドより排出される燃料ガスの濃度を大気中に放出可能な濃度にまで希釈することができるように前記燃料電池スタックへの酸化ガスの供給量を制御する制御手段を有する。 In still another fuel cell system, when impurity-containing fuel gas is discharged from the fuel discharge pipe, the concentration of the fuel gas discharged from the exhaust manifold is diluted to a concentration that can be released into the atmosphere. And a control means for controlling the supply amount of the oxidizing gas to the fuel cell stack.
この場合、燃料排出管路から排出された燃料ガスは、排気マニホールド内を通過する十分に多量の酸化ガス流中にスムーズに拡散し、速やかに酸化ガスと混合する。そして、燃料ガスが多量の酸化ガス中に混合しているので、大気中に放出される燃料ガス濃度は、十分に低下しており、安全上の問題が発生することがない。 In this case, the fuel gas discharged from the fuel discharge pipe is smoothly diffused into a sufficiently large amount of oxidizing gas flow passing through the exhaust manifold, and quickly mixed with the oxidizing gas. Since the fuel gas is mixed in a large amount of the oxidizing gas, the concentration of the fuel gas released into the atmosphere is sufficiently lowered, and no safety problem occurs.
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 the figure,
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、水素ガスを燃料とし、酸素又は空気を酸化剤とする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, it is called a PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) type fuel cell or PEM (Proton Exchange Membrane) type fuel cell using hydrogen gas as fuel and oxygen or air as oxidant. 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.
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とし、該燃料極表面に接する燃料流路を介し前記燃料極に燃料ガス、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とし、該酸素極表面に接する空気流路を介し前記酸素極に酸化ガス、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、前記水素イオン及び電子が結合して、水が生成され、生成水が発生する。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. Then, when one of the gas diffusion electrodes is used as a fuel electrode, and fuel gas, that is, hydrogen gas as anode gas, is supplied to the fuel electrode through a fuel flow path in contact with the fuel electrode surface, hydrogen is converted into hydrogen ions (protons). And electrons, and hydrogen ions permeate the solid polymer electrolyte membrane. Further, when the other of the gas diffusion electrodes is an oxygen electrode and an oxidizing gas, that is, air as a cathode gas, is supplied to the oxygen electrode through an air flow channel in contact with the surface of the oxygen electrode, oxygen in the air, the hydrogen ions And the electrons are combined to produce water, and produced water is generated. An electromotive force is generated by such an electrochemical reaction.
また、図には、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ている。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、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 the figure, an apparatus for supplying hydrogen gas as a fuel gas and air as an oxidant to the
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の燃料ガス入口、すなわち、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。なお、前記第1燃料供給管路21には、燃料電池スタック20の起動時に前記第2燃料圧力調整弁25bをバイパスして水素ガスを供給するための起動用バイパス管路22が接続され、該起動用バイパス管路22には起動用燃料供給電磁弁23が配設される。また、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の燃料ガス出口、すなわち、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の燃料ガス出口から排出された燃料ガスを燃料ガス入口に戻して循環させる循環路が形成され、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。
Then, hydrogen gas discharged as an unreacted component from the fuel gas outlet of the
また、前記水回収ドレインタンク60には、アノードガス排出管としての燃料排出管路56が接続され、該燃料排出管路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、燃料排出管路56の出口端側は排気マニホールド71に接続されている。さらに、燃料排出管路56は途中から分岐し、分岐部分が吸引循環ポンプ36と水素循環電磁弁34との間において燃料排出管路30に接続されている。また、前記分岐部分には水素起動停止電磁弁56aが配設されている。
The water
さらに、前記燃料排出管路30における第2燃料供給管路33と水素循環電磁弁34との間には、外気導入管路28が接続されている。そして、該外気導入管路28には、外気導入用電磁弁28a及びエアフィルタ28bが配設され、燃料電池スタック20の運転終了時に外気を燃料ガス流路に導入することができるようになっている。
Further, an outside
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、前記起動用燃料供給電磁弁23、燃料供給電磁弁26、外気導入用電磁弁28a、水素循環電磁弁34、水素起動停止電磁弁56a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。なお、前記エアフィルタ28bは、空気に含まれる塵埃(じんあい)、不純物、有害ガス等を除去する。
The start fuel
一方、酸化剤、すなわち、酸化ガスとしての空気は、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。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、排気マニホールド71及び凝縮器72を通って大気中へ排出される。この場合、前記排気マニホールド71は、燃料電池スタック20の酸化ガス出口から排出された酸化ガスとしての空気、及び、酸素極で発生した生成水を一時収容した後に排出する機能を備える。
On the other hand, the oxidant, that is, the air as the oxidant gas is supplied from the
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)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及び燃料極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、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
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図示されない制御手段を有する。該制御手段は、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、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、起動用燃料供給電磁弁23、燃料供給電磁弁26、外気導入用電磁弁28a、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、水素起動停止電磁弁56a、水素起動排気電磁弁62等の動作を制御する。さらに、前記制御手段は、他のセンサ及び他の制御装置と連携して、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、前記制御手段は、後述されるように、燃料排出管路56から不純物含有燃料ガスが排出される場合、前記排気マニホールド71より排出される燃料ガスとしての水素ガスの濃度を大気中に放出可能な濃度にまで希釈することができるように燃料電池スタック20への酸化ガスとしての空気の供給量を制御する。
In the present embodiment, the fuel cell system has control means (not shown). 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 is supplied from various sensors to the fuel gas flow path and the air flow path of the
次に、燃料排出管路56の出口端が排気マニホールド71に接続される部分の構成について詳細に説明する。
Next, the configuration of the portion where the outlet end of the
図2は本発明の実施の形態における燃料電池スタックに取り付けられた吸気マニホールド及び排気マニホールドの構成を示す図である。なお、図2(a)は平面図であり、図2(b)は側面図である。 FIG. 2 is a diagram showing the configuration of the intake manifold and the exhaust manifold attached to the fuel cell stack in the embodiment of the present invention. 2A is a plan view, and FIG. 2B is a side view.
図2は、車両の床下等に配設された燃料電池スタック20に取り付けられた吸気マニホールド74及び排気マニホールド71の例を示している。この場合、酸化剤供給源75としてはシロッコファン等から成る空気供給ファンが使用され、吸気マニホールド74の先端(図1及び2における右端)に接続される。そして、前記吸気マニホールド74の後端は、燃料電池スタック20の上面を覆うようにして取り付けられ、前記吸気マニホールド74を通過して供給されたカソードガスとしての空気は、燃料電池スタック20内を上方から下方に向けて流通する。すなわち、図2に示される例において、燃料電池スタック20内の空気流路は、図2(b)における上下方向に延在するように形成されている。そして、燃料電池スタック20の空気流路から排出された空気は、燃料電池スタック20の下面を覆うようにして取り付けられた排気マニホールド71内に流入する。この場合、該排気マニホールド71は、図2(b)に示されるように、斜め上後方に向けて延在し、後端(図における左端)が図示されない凝縮器72に接続されている。
FIG. 2 shows an example of the
ここで、前記排気マニホールド71には燃料排出管路56の出口端側が接続され、燃料排出管路56の出口端部材56bは、排気マニホールド71内における空気流路のほぼ中央に位置するように配設されている。また、前記出口端部材56bは、排気マニホールド71内を通過する空気流路の下流側を向いており、出口端部材56bから排出された水素ガスが排気マニホールド71内を通過する空気と同方向に流れるようになっている。そのため、前記出口端部材56bから排出された水素ガスは、排気マニホールド71内を通過する空気流中にスムーズに拡散し、空気と混合する。また、出口端部材56bは、燃料電池スタック20における空気流路の出口にできる限り近い位置に配設されることが望ましい。すなわち、燃料排出管路56の出口端は燃料電池スタック20の酸化ガス出口の近傍に配設されることが望ましい。これにより、排気マニホールド71内における水素ガスと空気との混合距離を長く取ることができる。
Here, the outlet end side 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。 Next, the operation of the fuel cell system having the above configuration will be described.
図3は本発明の実施の形態における燃料電池システムの動作を説明する図である。なお、図3では、燃料電池システムにおいて動作の説明と関係する部分の構成のみが模式的に示されている。 FIG. 3 is a diagram for explaining the operation of the fuel cell system according to the embodiment of the present invention. FIG. 3 schematically shows only the configuration of the portion related to the description of the operation in the fuel cell system.
まず、定常運転における動作について説明する。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は常に一定量の空気を燃料電池スタック20の空気流路に供給するように作動する。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の空気流路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。
First, the operation in steady operation will be described. 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を透過して燃料ガス流路にまで浸透して、前記固体高分子電解質膜の燃料極側を加湿する。これにより、該固体高分子電解質膜の燃料極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の外部に導出される。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。なお、水素起動停止電磁弁56aが閉じた状態となっているので、吸引循環ポンプ36から排出された水素ガスは、燃料排出管路56を通って大気中に排出されることなく、第2燃料供給管路33に導入される。また、外気導入用電磁弁28aも閉じた状態となっているので、外気が第2燃料供給管路33に導入されることもない。
In steady operation, the hydrogen gas discharged from the fuel discharge line 30 passes through the open hydrogen circulation
ここで、前記燃料排出管路30は、水回収ドレインタンク60上部の側壁に接続されているので、逆拡散水が分離して軽量となった乾燥した状態の水素ガスだけが、燃料排出管路30から排出され、水分が排出されることがない。また、燃料排出管路31と燃料排出管路30とは、互いに離れた位置で水回収ドレインタンク60上部の側壁に接続されているので、燃料排出管路31から水回収ドレインタンク60内に導入された気液混合物が、そのまま燃料排出管路30から流出してしまうこともない。これにより、燃料ガス流路に浸透して余剰となった逆拡散水を適切にトラップすることができ、余剰となった水素ガスを乾燥した状態で回収して、再利用することができる。
Here, since the fuel discharge line 30 is connected to the side wall of the upper part of the water
一方、前記気液混合物から分離して落下した逆拡散水は、水回収ドレインタンク60内の下部に貯留水として貯留する。ここで、前記水回収ドレインタンク60の容量が十分に大きい場合には、燃料電池スタック20を搭載した車両が、一度燃料である水素ガスを燃料貯蔵手段73に充填(てん)してから走行を行って、次回に水素ガスを燃料貯蔵手段73に充填するまでの間に、水回収ドレインタンク60から水分を排出する必要がない。しかし、前記水回収ドレインタンク60の容量が十分に大きくない場合には、燃料電池システムにおける定常運転時にも、水回収ドレインタンク60から水分を排出するための動作としてのパージを行う必要がある。
On the other hand, the reverse diffusion water that has been separated from the gas-liquid mixture and dropped is stored as stored water in the lower portion of the water
パージを行う場合、制御手段は、水素循環電磁弁34を閉じて水素ガスの循環を停止させる。そして、水素起動排気電磁弁62を開いて、水回収ドレインタンク60内に貯留された貯留水を燃料排出管路56から排出させる。また、水素起動停止電磁弁56aを開いて、燃料ガス流路内の水素ガスを燃料排出管路56から排出させる。これにより、水素ガスは、水回収ドレインタンク60内の貯留水、燃料電池スタック20の燃料流路内の水分、その他の不純物等を伴って、図3において矢印81で示されるように、燃料排出管路56内を流れ、出口端部材56bから排気マニホールド71内に流入する。すなわち、循環路のパージによって排出された不純物含有燃料ガスが、燃料排出管路56によって排気マニホールド71内に排出される。
When purging, the control means closes the hydrogen circulation
前述したように、燃料排出管路56の出口端部材56bは、排気マニホールド71内における空気流路のほぼ中央に位置するように配設され、排気マニホールド71内を通過する空気流路の下流側を向き、出口端部材56bから排出された水素ガスが排気マニホールド71内を通過する空気と同方向に流れるようになっている。そして、酸化剤供給源75から供給された多量の空気が、図3において矢印82で示されるように、吸気マニホールド74、燃料電池スタック20内の空気流路、排気マニホールド71及び凝縮器72内を流通している。
As described above, the
また、前記制御手段は、酸化剤供給源75から十分に多量の空気を供給させる。この場合、前記制御手段は、水素ガス量−空気量マップに基づき、酸化剤供給源75から供給される空気量を設定する。前記水素ガス量−空気量マップは、燃料排出管路56から排出された水素ガスの量と、該排出された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り、記憶手段に格納されている。これにより、設定された水素ガスの排出量に対して、酸化剤供給源75から十分に多量の空気を供給させることができる。
The control means supplies a sufficiently large amount of air from the
さらに、前記制御手段は、酸化剤供給源75が設定された量の空気の供給を開始してから、所定時間が経過した後に、燃料排出管路56からの水素ガスの排出を開始させる。前記所定の時間は、酸化剤供給源75が設定された量の空気の供給を開始してから、排気マニホールド71内を設定された量の空気が流通するようになるまでの時間であって、あらかじめ設定されている。
Further, the control means starts the discharge of hydrogen gas from the
そのため、出口端部材56bから排出された水素ガスは、排気マニホールド71内を通過する十分に多量の空気流中にスムーズに拡散し、速やかに空気と混合する。また、出口端部材56bは、燃料電池スタック20における空気流路の出口にできる限り近い位置に配設されることが望ましい。これにより、排気マニホールド71内における水素ガスと空気との混合距離を長く取ることができる。
Therefore, the hydrogen gas discharged from the
なお、前記排気マニホールド71内の出口端部材56bよりも下流側に水素濃度検出器を配設することもできる。この場合、前記制御手段は、水素濃度検出器によって検出した水素濃度と水素濃度−空気量マップとに基づき、酸化剤供給源75から供給される空気量を設定する。前記水素濃度−空気量マップは、排気マニホールド71内の空気中の水素濃度が所定値以上である場合に、排気マニホールド71内の空気中の水素濃度と、排気マニホールド71内の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り、記憶手段に格納されている。これにより、水素ガスの濃度を大気中に放出可能な程度までに低下させるために必要な量の空気を酸化剤供給源75から供給させることができる。
Note that a hydrogen concentration detector may be disposed on the downstream side of the
そして、水素ガスが拡散して混合した空気は、凝縮器72を通過して、大気中に放出される。この場合、凝縮器72を通過することによって、水素ガスと空気との混合が更に促進される。そして、水素ガスが多量の空気中に混合しているので、凝縮器72を通過して放出される空気中の水素ガス濃度は、十分に低下しており、安全上の問題が発生することがない。また、前記水素ガスは、凝縮器72を通過して放出される空気中に十分に拡散して混合しているので、局所的に高濃度となることもなく、安全である。
And the air which hydrogen gas diffused and mixed passes through the
なお、水素ガスとともに燃料排出管路56の出口端部材56bから排気マニホールド71内に流入した水分も、空気中に混合するが、凝縮器72を通過する際に、凝縮されて空気中から除去される。そして、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、その後、給水管路53を通って水供給ノズル76からスプレーされ、燃料電池スタック20の空気極を湿潤な状態に維持し、かつ、冷却するために再利用される。
In addition, the water flowing into the
次に、燃料電池システムの運転を停止する際の動作について説明する。この場合、制御手段は、まず、燃料供給電磁弁26及び水素循環電磁弁34を閉じて、燃料ガス流路への水素ガスの供給を遮断する。そして、水素起動停止電磁弁56aを開いて、燃料ガス流路内の水素ガスを燃料排出管路56の出口端部材56bから排気マニホールド71内に排出させる。これにより、水回収ドレインタンク60内に貯留された貯留水も排出される。
Next, the operation when stopping the operation of the fuel cell system will be described. In this case, the control means first closes the fuel supply
この場合、吸引循環ポンプ36が作動しているので、燃料電池スタック20、水回収ドレインタンク60、第2燃料供給管路33、燃料排出管路30及び燃料排出管路31に残留している水素ガスは、吸引循環ポンプ36によって吸引され、燃料排出管路56の出口端部材56bから排気マニホールド71内に排出される。そして、燃料ガス流路の内部が負圧となるので、燃料ガス流路内から水素ガスが確実に速やかに除去されて排出される。
In this case, since the
そして、前述した定常運転においてパージを行う場合と同様に、制御手段は、酸化剤供給源75から十分に多量の空気を供給させる。そのため、出口端部材56bから排出された水素ガスは、排気マニホールド71内を通過する十分に多量の空気流中にスムーズに拡散し、速やかに空気と混合する。
Then, as in the case of purging in the above-described steady operation, the control means supplies a sufficiently large amount of air from the
さらに、水素ガスが拡散して混合した空気は、凝縮器72を通過して、大気中に放出される。この場合、凝縮器72を通過することによって、水素ガスと空気との混合が更に促進される。そして、水素ガスが多量の空気中に混合しているので、凝縮器72を通過して放出される空気中の水素ガス濃度は、十分に低下しており、安全上の問題が発生することがない。また、前記水素ガスは、凝縮器72を通過して放出される空気中に十分に拡散して混合しているので、局所的に高濃度となることもなく、安全である。
Further, the air in which hydrogen gas is diffused and mixed passes through the
また、水素ガスとともに燃料排出管路56の出口端部材56bから排気マニホールド71内に流入した水分も、空気中に混合するが、凝縮器72を通過する際に、凝縮されて空気中から除去される。そして、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。
Also, the water flowing into the
なお、前記燃料ガス流路内の水素ガスの圧力は、圧力センサ78によって検出される。この場合、水素ガスの流れる経路において燃料供給電磁弁26から吸引循環ポンプ36までの範囲では水素ガスの圧力は同一であると考えることができるので、圧力センサ78が前記範囲内に配設されていれば、該圧力センサ78の検出する圧力は、燃料電池スタック20の燃料ガス流路の圧力に等しい。
The pressure of the hydrogen gas in the fuel gas flow path is detected by a
続いて、この状態で該燃料ガス流路内の水素ガスの圧力が所定圧力以下となるか、前記圧力が所定圧力となるまでの時間である所定時間が経過すると、前記制御手段は外気導入用電磁弁28aを開き、空気を燃料ガス流路内へ導入する。この場合、燃料供給電磁弁26は閉じた状態であるので、導入された空気が燃料貯蔵手段73の方へ流入することはない。これにより、燃料電池スタック20の燃料ガス流路内には空気が充満する。なお、前記空気はエアフィルタ28bを通過して濾(ろ)過された空気なので、大気中に存在する塵埃、不純物、有害ガス等を含んでいない。したがって、前記燃料ガス流路における触媒等の部材が前記塵埃、不純物、有害ガス等によって汚染されたり変質させられることがない。
Subsequently, when the hydrogen gas pressure in the fuel gas flow path becomes a predetermined pressure or lower in this state, or when a predetermined time, which is a time until the pressure reaches the predetermined pressure, elapses, the control means The
続いて、この状態で燃料電池スタック20の出力が所定電圧以下となるか、又は、前記出力が所定電圧となるまでの所定時間が経過するまで待機する。ここで、前記所定電圧は、燃料ガス流路に水素ガスが残留しておらず、空気が充満しており、燃料極と空気極との間に実質的に電位差が生じていない状態に対応する出力電圧である。
Subsequently, the process waits until the output of the
そして、燃料電池スタック20の出力が前記所定電圧以下となるか、又は、前記所定時間が経過すると、前記制御手段は吸引循環ポンプ36を停止させ、外気導入用電磁弁28aを閉じ、最後に酸化剤供給源75を停止させる。これにより、燃料電池スタック20の出力が停止された状態となる。
When the output of the
なお、前記燃料電池システムの運転を開始する場合には、まず、水素起動排気電磁弁62及び水素起動停止電磁弁56aを開けて、燃料電池スタック20の燃料ガス流路内の空気が燃料排出管路56を通って排出されるようにする。続いて、燃料供給電磁弁26をオンして燃料貯蔵手段73からの水素ガスが第1燃料供給管路21及び第2燃料供給管路33を通って燃料電池スタック20の燃料ガス流路に供給されるようにする。このとき、水素起動排気電磁弁62及び水素起動停止電磁弁56aが開いているので、前記燃料ガス流路内に残留する空気や水分が供給された水素ガスによってパージされる。
When the operation of the fuel cell system is started, first, the hydrogen start
このように、本実施の形態においては、燃料電池システムは、燃料電池スタック20の出口に接続された排気マニホールド71内に燃料排出管路56の出口端部材56bを配設し、パージされた水素ガスを排気マニホールド71内に排出するようになっている。そのため、前記出口端部材56bから排出された水素ガスは、排気マニホールド71内を通過する空気流中にスムーズに拡散し、速やかに空気と混合する。
As described above, in the present embodiment, the fuel cell system includes the
また、排出された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が酸化剤供給源75から排気マニホールド71内に供給される。そのため、大気中に放出される空気中の水素ガス濃度は、十分に低下しており、安全上の問題が発生することがない。
In addition, an amount of air necessary for diluting the discharged hydrogen gas and reducing the hydrogen concentration to such an extent that it can be safely released into the atmosphere is supplied from the
さらに、排気マニホールド71の後端には凝縮器72が接続され、水素ガスが拡散して混合した空気は、凝縮器72を通過して大気中に放出される。そのため、凝縮器72を通過することによって、水素ガスと空気との混合が更に促進されるので、前記水素ガスは空気中に十分に拡散して混合し、局所的に高濃度となることがない。
Further, a
さらに、水素ガスとともに排気マニホールド71内に流入した水分は、空気中に混合するが、凝縮器72を通過する際に、凝縮されて空気中から除去され、水タンク52に回収して再利用される。そのため、燃料電池スタック20の空気極を加湿するためにスプレーする水の不足を補うことができ、水タンク52を小型軽量化することができる。
Further, the water flowing into 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.
20 燃料電池スタック
30、31、56 燃料排出管路
71 排気マニホールド
20
Claims (3)
該燃料電池スタックの燃料ガス出口から排出された燃料ガスを燃料ガス入口に戻して循環させる循環路と、
前記燃料電池スタックの酸化ガス出口から排出された酸化ガス及び生成水を一時収容した後に排出する排気マニホールドと、
前記循環路のパージによって排出された不純物含有燃料ガスを前記排気マニホールド内に排出する燃料排出管路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 that is supplied with fuel gas and oxidizing gas to generate electricity;
A circulation path for circulating the fuel gas discharged from the fuel gas outlet of the fuel cell stack back to the fuel gas inlet;
An exhaust manifold that discharges after temporarily storing the oxidizing gas and generated water discharged from the oxidizing gas outlet of the fuel cell stack;
A fuel cell system comprising: a fuel discharge pipe for discharging the impurity-containing fuel gas discharged by purging the circulation path into the exhaust manifold.
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