JP2006253041A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池のアノードから排出される排ガスをアノードに再循環させる循環路を有する燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system having a circulation path for recirculating exhaust gas discharged from an anode of a fuel cell to the anode.
燃料電池のアノードに供給する燃料ガスとして水素ガスが知られている。水素ガスを供給する際には、所望の電力を得るために必要な理論上の水素量よりも多くの水素ガスを供給する。水素ガスリッチとすることで、発電効率を維持するとともに、燃料電池内の燃料ガス流路から不純物を効率的に排出する。不純物は、電気化学反応により生じた水蒸気等であり、水素ガスの流速を高めることで燃料電池側に排出できる。一方、水素ガスを過剰に供給するため、排出ガスには電気化学反応に寄与しない水素ガスが多く含まれることとなる。そこで、従来より、燃料電池のアノードに供給する水素ガスに加えて、燃料電池から排出された排出ガスを循環させるシステムが提案されている。 Hydrogen gas is known as a fuel gas supplied to the anode of a fuel cell. When supplying hydrogen gas, more hydrogen gas is supplied than the theoretical amount of hydrogen necessary to obtain the desired power. By making the hydrogen gas rich, the power generation efficiency is maintained and impurities are efficiently discharged from the fuel gas flow path in the fuel cell. Impurities are water vapor generated by an electrochemical reaction, and can be discharged to the fuel cell side by increasing the flow rate of hydrogen gas. On the other hand, since hydrogen gas is supplied excessively, the exhaust gas contains a large amount of hydrogen gas that does not contribute to the electrochemical reaction. Therefore, conventionally, a system for circulating exhaust gas discharged from the fuel cell in addition to hydrogen gas supplied to the anode of the fuel cell has been proposed.
下記の特許文献には、排出ガスを循環させるシステム構成、及び循環流路に水分量の多い液体から水分量の少ない液体に水分を移動させる水透過膜式除湿器を設け、循環流路を流れる液体の水分を水透過膜式除湿器に移動させることで水素ガスから水分を除去する構成が開示されている。 In the following patent document, a system configuration that circulates exhaust gas, and a water permeable membrane dehumidifier that moves water from a liquid with a high water content to a liquid with a low water content are provided in the circulation channel, and flows through the circulation channel A configuration for removing moisture from hydrogen gas by moving liquid moisture to a water permeable membrane dehumidifier is disclosed.
燃料電池から排出され循環される排ガスには生成水が固体高分子電解質膜を透過してくることにより水蒸気が含まれており、この水蒸気が凝縮し、さらに氷点下の環境下において凍結するとガス流路に設けられる各種の弁の開閉制御が不能となる、あるいは弁に溜まった水分により開閉速度が低下する、あるいは弁の腐食が進む問題がある。上記の従来技術では、水分を除去しているものの除湿器等を介在させているため構成が複雑化する。また、除湿器の動作停止時における凝縮や凍結に対応できない。 The exhaust gas discharged and circulated from the fuel cell contains water vapor as the generated water permeates through the solid polymer electrolyte membrane. When this water vapor condenses and freezes in a sub-freezing environment, the gas flow path There is a problem that the opening / closing control of various valves provided in the valve becomes impossible, or the opening / closing speed is lowered due to moisture accumulated in the valve, or the corrosion of the valve proceeds. In the above prior art, although the moisture is removed, a dehumidifier or the like is interposed, so that the configuration becomes complicated. Moreover, it cannot respond to condensation or freezing when the operation of the dehumidifier is stopped.
本発明の目的は、簡易な構成でありながら水分の凝縮あるいは凍結による弁の動作不良を防止できる燃料電池システムを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a fuel cell system that can prevent a malfunction of a valve due to condensation or freezing of water while having a simple configuration.
本発明は、燃料ガス供給源からの燃料ガスを供給路を介して燃料電池のアノードに供給する燃料ガス供給部と、前記燃料電池から排出される排出ガスを循環路を介して前記供給路に合流させるガス循環部とを有する燃料電池システムであって、前記供給路に前記燃料ガスの供給を制御する弁が配設され、前記弁は、前記燃料ガスと前記排出ガスの合流部よりも鉛直上方に配設されることを特徴とする。 The present invention includes a fuel gas supply unit that supplies fuel gas from a fuel gas supply source to an anode of a fuel cell via a supply path, and exhaust gas discharged from the fuel cell to the supply path via a circulation path. A fuel cell system having a gas circulation part to be joined, wherein a valve for controlling the supply of the fuel gas is disposed in the supply path, and the valve is more vertically than the joining part of the fuel gas and the exhaust gas. It is characterized by being disposed above.
また、本発明は、燃料ガス供給源からの燃料ガスを供給路を介して燃料電池のアノードに供給する燃料ガス供給部と、前記燃料電池から排出される排出ガスを循環路を介して前記供給路に合流させるガス循環部とを有する燃料電池システムであって、前記循環路に前記排出ガスの供給を制御する弁が配設され、前記弁は、前記燃料ガスと前記排出ガスの合流部よりも鉛直上方に配設されることを特徴とする。 The present invention also provides a fuel gas supply unit for supplying fuel gas from a fuel gas supply source to the anode of the fuel cell via a supply path, and supplying the exhaust gas discharged from the fuel cell via a circulation path. A fuel cell system having a gas circulation part to be merged with a passage, wherein a valve for controlling the supply of the exhaust gas is disposed in the circulation path, and the valve is provided by a joining part of the fuel gas and the exhaust gas. Is also arranged vertically above.
循環路を有する燃料電池システムでは、循環される排出ガスに水蒸気が含まれており、これが凝縮してアノード側の供給路に水分が溜まりやすい。システムの動作中は燃料電池側に向けて燃料ガスを流しているため水分も燃料電池側に流れるが、システムの停止状態においては凝縮した水分が逆流(燃料電池側を下流とすると)して弁に浸入することになる。本発明では、供給路あるいは循環路のいずれかに配設された弁を合流部よりも鉛直上方に配設し(弁を合流部よりも高い位置に配設する)、水分の浸入を簡易に防止する。本発明では、供給路と循環路の少なくとも一方に燃料ガスの流通を調整する弁を備え、この弁を供給路と循環路の合流部よりも鉛直上方に配設すればよい。 In a fuel cell system having a circulation path, water vapor is contained in the circulated exhaust gas, which tends to condense and accumulate moisture in the supply path on the anode side. During the operation of the system, the fuel gas is flowing toward the fuel cell side, so that the moisture also flows to the fuel cell side. However, when the system is stopped, the condensed moisture flows backward (assuming the fuel cell side is downstream). Will invade. In the present invention, the valve disposed in either the supply path or the circulation path is disposed vertically above the merging portion (the valve is disposed at a position higher than the merging portion), so that moisture can easily enter. To prevent. In the present invention, a valve for adjusting the flow of the fuel gas is provided in at least one of the supply path and the circulation path, and this valve may be disposed vertically above the junction between the supply path and the circulation path.
本発明によれば、水分遮断フィルタや除湿器等を付加的に用いることなく、簡易な構成で弁への水分浸入を防止し、弁の動作を確保できる。 According to the present invention, it is possible to prevent moisture from entering the valve with a simple configuration without using a moisture barrier filter, a dehumidifier, or the like, and to ensure the operation of the valve.
以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
<第1実施形態>
<基本構成>
まず、燃料電池システムの基本構成について説明する。図1に、燃料電池システムのシステム構成図を示す。燃料電池システム10は、燃料電池12、水素タンク14、ブロワ16、循環ポンプ18を有する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
<First Embodiment>
<Basic configuration>
First, the basic configuration of the fuel cell system will be described. FIG. 1 shows a system configuration diagram of the fuel cell system. The
水素タンク14は、水素ガスを貯蔵してシステムに水素ガスを供給する供給源であり、燃料ガス供給路20を介して燃料電池12に接続される。燃料ガス供給路20には、水素タンク14の近傍にレギュレータ22が配設される。また、レギュレータ22よりも下流側に制御弁24が配設される。レギュレータ22は水素タンク14から燃料電池12に供給されるガス流量を調整し、制御弁24は水素ガスの供給を遮蔽/導通(ON/OFF)を制御する遮断弁として機能する。水素ガスの圧力は、レギュレータ22により例えば200kPa程度に調整される。燃料ガスとしての水素ガスは、燃料電池12のアノードに供給される。
The
燃料電池12は、固体高分子電解質型の燃料電池であり、構成単位である単セルを複数積層したスタック構造を有する。単セルそれぞれのアノードに水素ガスを供給し、カソードに酸素を含有する酸化ガス(空気)を供給する。アノードでは水素ガスがイオン化して固体高分子電解質中を移動し、電子は外部負荷を通ってカソードに移動し、カソードで酸素と反応して水を生成する。この電気化学的反応により電気エネルギが生成される。
The
ブロワ16は、酸化ガス供給路26を介して燃料電池12に接続され、空気を燃料電池12のカソードに供給する。電気化学反応に供された後の排ガスは、カソード排ガス路28を介して外部に排出される。
The
一方、燃料電池12において電気化学反応に供された残りの水素ガス(アノード排ガス)は、アノード排ガス路30に排出される。アノード排ガス路30は、循環ポンプ18を介して燃料ガス供給路20に接続される。残りの水素ガスは、循環ポンプ18により合流部S(接続点)において水素タンク14からの水素ガス(フレッシュな水素ガス)と混合され、再び燃料電池12のアノードに供給される。アノード排ガス路30は循環路として機能する。なお、合流部Sから燃料電池12までの供給路20を便宜上、供給路(混合ガス供給路)32と称する。
On the other hand, the remaining hydrogen gas (anode exhaust gas) subjected to the electrochemical reaction in the
従来においては、制御弁24は合流部Sの下流側(燃料電池12側)に配設される場合があり、このため水蒸気の凝縮により生じた水分が制御弁内に溜まり、開閉制御の速度低下や腐食、あるいは氷点下の環境下での水分凍結による開閉制御不能が生じていた。本実施形態の制御弁24は、上記の如く、合流部Sよりも上流側に配設し、かつ、合流点よりも鉛直上方に配設することで、燃料電池システム動作中だけでなく停止中においても凝縮した水分が弁に到達することを防止する。
Conventionally, the
<制御弁の配置>
図2に、制御弁24の配設位置を示す。図において、XY平面は水平面、Z軸は鉛直方向を示す。循環ポンプ18に接続されるアノード排ガス路30及び供給路32をシステムの下部(鉛直下方)に配設する。また、制御弁24を合流部Sより鉛直上方に、つまりアノード排ガス路30及び供給路32より鉛直上方に配設する。制御弁24と合流部Sとの間は、例えば曲率を有する配管で接続する。
<Arrangement of control valve>
FIG. 2 shows the arrangement position of the
このように、制御弁24を合流部Sよりも鉛直上方に配設し、制御弁24と合流部Sとの間に高低差を形成することで、アノード排出ガス中の水蒸気が凝縮して水分が生じても、この水分が制御弁24まで到達することはなく、水分による開閉速度の低下や腐食、水分凍結による動作不能を防止できる。なお、制御弁24と合流部Sとの間に高低差がない場合でも、システム動作中は水素ガスの圧力により水分が制御弁24に溜まることはなく燃料電池12側に流されるが、システムの動作が停止した場合には水分が制御弁24に浸入する。制御弁24の配設位置を鉛直上方として高低差を形成することで、システム動作停止中においても水分の浸入を簡易にかつ確実に防止できる。本実施形態では、重力により水分の浸入を防止するため、水分除去フィルタや除湿器等の構成が不要化される。
As described above, the
制御弁24と合流部Sとの高低差は任意に設定でき、配管径及び予想水分量に応じて設定すればよい。高低差の一例は50mm程度である。また、制御弁24の配設位置は固定ではなく、鉛直方向に調整自在に配設してもよい。
The height difference between the
<制御弁の具体的配置>
図3に、制御弁24のより具体的な配置を示す。図において、3軸方向の「UP」は鉛直方向、「RH」は水平面内における車両左右方向、「FR」は水平面内における車両前後方向を示す。図示しない水素タンクから供給された水素ガスは供給路20を介して制御弁24に供給される。制御弁24は車載マイクロコンピュータからの制御で開閉制御され、水素ガスの供給/遮蔽を制御する。制御弁24からの水素ガスは、配管を介して合流部Sに供給される。制御弁24は、合流部Sよりも「UP」側、つまり鉛直上方側に配設され、合流部Sとの間に高低差が形成される。
<Specific arrangement of control valves>
FIG. 3 shows a more specific arrangement of the
一方、燃料電池12のアノードから排出されたアノード排ガスは循環ポンプ18に供給される。循環ポンプ18は、アノード排ガス路30を介してアノード排ガスを合流部Sに供給する。合流部Sでフレッシュな水素ガスとアノード排ガスとが混合される。合流部Sの近傍で合流部Sより下流側に圧力センサ34が配設され、混合ガスの圧力が測定される。混合ガスの圧力はセンサ34からマイクロコンピュータに供給され、混合ガスの圧力が所望値となるように供給路20側及びアノード排ガス路30側の圧力が調整される。混合ガスは、供給路32を介して燃料電池12のアノードに供給される。
On the other hand, the anode exhaust gas discharged from the anode of the
<第2実施形態>
図4に、本実施形態の基本構成を示す。第1実施形態では、制御弁24は供給路20に配設されているが、本実施形態ではさらに制御弁36がアノード排ガス路30にも配設される。制御弁36はアノード排ガスを遮断する弁として機能する他、アノード排ガスを別系統に切り替える切替弁として機能してもよい。制御弁36を切替弁として機能させる構成は、特開2004−186065号公報に開示されている。この公報では、アノード排ガスから不純物がより高い不純物リッチガスを除去するための分離室を設け、制御弁36を切り替えてアノード排ガスを分離室に導く。分離室で不純物が除去されたアノード排ガスは合流部Sと異なる他の合流部S’(不図示)でフレッシュな水素ガスと混合される。分離室を通って循環する経路をバイパス経路、分離室を通らず循環する経路をメイン経路と称すると、制御弁36はメイン経路とバイパス経路を切り替える弁である。制御弁36は、所定の時間間隔でメイン経路とバイパス経路を切り替える。
Second Embodiment
FIG. 4 shows a basic configuration of the present embodiment. In the first embodiment, the
このような構成において、制御弁36も制御弁24と同様に、合流部Sよりも鉛直上方に配置し、合流部との間に高低差を形成する。これにより、システム動作停止中に凝縮した水分が制御弁36に浸入することを防止し、制御弁36の動作を確保する。
In such a configuration, similarly to the
<第3実施形態>
図5に、第3実施形態におけるアノード排ガス路30及び供給路32の配置を示す。上記の実施形態では、合流部Sと制御弁24あるいは制御弁36の高低差に着目しており、アノード排ガス路30及び供給路32は同一水平面内(燃料電池システムの最下部)に配設されているが、本実施形態ではアノード排ガス路30及び供給路32は傾斜して配設される。アノード排ガス路30及び供給路32は燃料電池12側で低く(Z方向の鉛直下方)、循環ポンプ18側で高く(Z方向の鉛直上方)なるように傾斜配設される。合流部Sを基準とすると、上流側を高く、下流側を低く配設するということもできる。制御弁36は合流部Sの上流側に配設されるから、当然ながら制御弁36は合流部Sよりも鉛直上方に配設されることになる。この配設方法によっても、システム動作停止時に凝縮した水分が逆流して制御弁36に浸入することを防止できる。供給路20についても同様であり、上流側が高くなるように傾斜して配設できる。
<Third Embodiment>
FIG. 5 shows the arrangement of the anode
<第4実施形態>
図6に、本実施形態のさらに他の基本構成を示す。アノード排ガス路30に、アノード排ガスを循環させずに外部に排出するためのパージ弁40が配設される。アノード排ガスには、水素以外の不純物が混入する場合がある。例えば、燃料電池12のカソードから窒素ガスや生成水が電解質膜を透過してアノードに達し、アノード排ガスに混入する等である。したがって、アノード排ガスを循環し続けると次第に水素濃度が低下し、発電反応の低下を引き起こす。そこで、循環路であるアノード排ガス路30から配管を分岐させ、この分岐路にパージ弁40を配設する。パージ弁40は通常は閉状態にあり、所定条件、例えば運転時間が一定時間に達した場合や水素濃度が所定値以下に低下した場合等において合流部Sに至る循環路を遮断し、パージ弁40を開状態としてアノード排ガスに含まれる窒素ガスや水等の不純物を外部に排出する。パージ弁40で排出されたガス及びカソード排ガスは、いずれも希釈器42で処理された後に外部に排出される。
<Fourth embodiment>
FIG. 6 shows still another basic configuration of the present embodiment. A
このような構成において、パージ弁40を合流部Sよりも鉛直上方に配置し、合流部との間に高低差を形成する。これにより、システム動作停止中に凝縮した水がパージ弁40に浸入することを防止し、パージ弁40の動作を確保する。制御弁24及びパージ弁40をともに合流部Sよりも鉛直上方に配置してもよい。
In such a configuration, the
10 燃料電池システム、12 燃料電池、14 水素タンク、16 ブロワ、18 循環ポンプ、20 供給路(燃料ガス供給路)、22 レギュレータ、24 制御弁、26 酸化ガス供給路、28 カソード排ガス路、30 アノード排ガス路(循環路)、32 供給路(混合ガス供給路)、40 パージ弁。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記燃料電池から排出される排出ガスを循環路を介して前記供給路に合流させるガス循環部と、
を有する燃料電池システムであって、
前記供給路と前記循環路の少なくとも一方に燃料ガスの流通を調整する弁を備え、
前記弁は、前記供給路と前記循環路の合流部よりも鉛直上方に配設されることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel gas supply unit for supplying fuel gas from a fuel gas supply source to the anode of the fuel cell via a supply path;
A gas circulation unit that joins exhaust gas discharged from the fuel cell to the supply path via a circulation path;
A fuel cell system comprising:
A valve for adjusting the flow of fuel gas in at least one of the supply path and the circulation path;
The fuel cell system, wherein the valve is disposed vertically above a junction of the supply path and the circulation path.
前記供給路に前記燃料ガスの供給を制御する弁が配設され、
前記弁は、前記燃料ガスと前記排出ガスの合流部よりも鉛直上方に配設される
ことを特徴とする燃料電池システム。 The system of claim 1, wherein
A valve for controlling the supply of the fuel gas is disposed in the supply path;
The valve is disposed vertically above a junction of the fuel gas and the exhaust gas. The fuel cell system.
前記循環路に前記排出ガスの供給を制御する弁が配設され、
前記弁は、前記燃料ガスと前記排出ガスの合流部よりも鉛直上方に配設される
ことを特徴とする燃料電池システム。 The system of claim 1, wherein
A valve for controlling the supply of the exhaust gas is disposed in the circulation path;
The valve is disposed vertically above a junction of the fuel gas and the exhaust gas. The fuel cell system.
前記循環路に前記排出ガスを所定条件下で外部に排出するパージ用の弁が配設され、
前記弁は、前記燃料ガスと前記排出ガスの合流部よりも鉛直上方に配設される
ことを特徴とする燃料電池システム。 The system of claim 1, wherein
A purge valve for discharging the exhaust gas to the outside under a predetermined condition is disposed in the circulation path,
The valve is disposed vertically above a junction of the fuel gas and the exhaust gas. The fuel cell system.
前記循環路は、前記合流部を含む少なくともその一部が前記燃料電池側が鉛直下方となるように傾斜して配設されることを特徴とする燃料電池システム。 In the system in any one of Claims 1-4,
The fuel cell system according to claim 1, wherein at least a part of the circulation path including the merging portion is inclined so that the fuel cell side is vertically downward.
前記弁は、前記燃料ガスを遮断する遮断弁であることを特徴とする燃料電池システム。
The system of claim 1, wherein
The fuel cell system according to claim 1, wherein the valve is a shutoff valve that shuts off the fuel gas.
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