JP2006286482A - 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、燃料電池システム内の凝縮水を排出する手法に関する。 The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly, to a method for discharging condensed water in the fuel cell system.
一般に、燃料ガス(例えば、水素)を用いる固体高分子型燃料電池では、燃料電池から排出される反応ガス(余剰水素)を燃料電池スタックの入口側に循環する循環流路を備えており、これにより、発電効率の向上を図っている。この燃料電池では、酸化剤として空気を用いた場合には、空気中の窒素が酸化剤極から燃料極に拡散するため、循環するガスの窒素濃度が増加し、水素分圧が減少する傾向となる。そのため、循環流路と連通する排出流路に設けられたパージ弁を開閉することにより、窒素を含む余剰水素を外部に排出している。 In general, a polymer electrolyte fuel cell using a fuel gas (for example, hydrogen) includes a circulation flow path for circulating reaction gas (excess hydrogen) discharged from the fuel cell to the inlet side of the fuel cell stack. As a result, power generation efficiency is improved. In this fuel cell, when air is used as the oxidant, nitrogen in the air diffuses from the oxidant electrode to the fuel electrode, so the nitrogen concentration of the circulating gas increases and the hydrogen partial pressure tends to decrease. Become. For this reason, surplus hydrogen containing nitrogen is discharged to the outside by opening and closing a purge valve provided in a discharge channel communicating with the circulation channel.
ところで、この類の燃料電池では、燃料電池の反応によって生成される水蒸気が冷却されると、これが凝縮水としてシステム内に残留する。この凝縮水は、燃料電池の始動時の不具合の原因となるため、発電停止時には、この凝縮水を排出流路から排出する排出処理が行われている(例えば、特許文献1参照)。
ところで、この排出処理では、発電停止後も燃料電池に水素を供給することにより、循環流路で反応ガスを循環させ、凝縮水を水素とともに排出流路より排出している。しかしながら、システム内から凝縮水が排出されたタイミングを適切に判断しないと、水素を不必要に外部に放出することとなり、燃料ガスの浪費に繋がる虞がある。 By the way, in this discharge process, hydrogen is supplied to the fuel cell even after power generation is stopped, whereby the reaction gas is circulated in the circulation flow path, and condensed water is discharged from the discharge flow path together with hydrogen. However, unless the timing at which condensed water is discharged from the system is not properly determined, hydrogen is unnecessarily released to the outside, which may lead to waste of fuel gas.
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、システム内の凝縮水を排出しつつも、燃料ガスの排出を最小限に抑制することである。 This invention is made | formed in view of such a situation, The objective is suppressing the discharge | emission of fuel gas to the minimum, discharging | emitting the condensed water in a system.
かかる課題を解決するために、本発明は、燃料電池システムを提供する。この燃料電池システムは、燃料電池と、循環流路と、第1の貯蔵手段と、排出流路と、第1の開閉手段と、圧力検出手段と、制御手段とを有する。燃料電池は、燃料極に燃料ガスを供給するとともに、酸化剤極に酸化剤ガスを供給することにより、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて発電を行う。循環流路は、燃料電池の燃料極から排出される反応ガスが、燃料ガスの供給側へと循環される。第1の貯蔵手段は、循環流路に設けられ、燃料電池の反応によって生成される凝縮水が蓄えられる。排出流路は、第1の貯蔵手段を介して循環流路と連通しており、第1の貯蔵手段に蓄えられた凝縮水を外部へ排出する。第1の開閉手段は、排出流路を開閉する。圧力検出手段は、排出流路内の圧力を検出する。制御手段は、圧力検出手段の検出結果に基づいて、第1の開閉手段の開閉状態を制御する。 In order to solve this problem, the present invention provides a fuel cell system. The fuel cell system includes a fuel cell, a circulation channel, a first storage unit, a discharge channel, a first opening / closing unit, a pressure detection unit, and a control unit. The fuel cell supplies fuel gas to the fuel electrode and supplies oxidant gas to the oxidant electrode, thereby generating electric power by electrochemically reacting the fuel gas and the oxidant gas. In the circulation channel, the reaction gas discharged from the fuel electrode of the fuel cell is circulated to the fuel gas supply side. The first storage means is provided in the circulation channel and stores condensed water generated by the reaction of the fuel cell. The discharge channel communicates with the circulation channel via the first storage unit, and discharges the condensed water stored in the first storage unit to the outside. The first opening / closing means opens and closes the discharge channel. The pressure detection means detects the pressure in the discharge channel. The control means controls the open / close state of the first opening / closing means based on the detection result of the pressure detection means.
本発明によれば、排出流路内の圧力に基づいて、凝縮水の有無を判断して、排出流路を閉じることができるので、不必要に排出される水素ガス量を低減することができるとともに、排出時間の短縮を図ることができる。よって、システム内の凝縮水を排出しつつも、燃料ガスの排出を最小限に抑制することができる。 According to the present invention, the presence or absence of condensed water can be determined based on the pressure in the discharge flow path, and the discharge flow path can be closed, so that the amount of hydrogen gas discharged unnecessarily can be reduced. At the same time, the discharge time can be shortened. Accordingly, it is possible to minimize the discharge of the fuel gas while discharging the condensed water in the system.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成図である。この燃料電池システムは、図1に示すように、燃料電池スタック1、燃料タンク2、循環ポンプ5と、パージ弁(第1の開閉手段)9と、コンプレッサ11と、制御部(制御手段)16とを主体に構成される。
(First embodiment)
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the fuel cell system includes a fuel cell stack 1, a fuel tank 2, a circulation pump 5, a purge valve (first opening / closing means) 9, a
燃料電池スタック1は、固体高分子電解質膜を挟んで燃料極と酸化剤極とを対設した燃料電池構造体(燃料電池)をセパレータで挟持し、これを複数積層して構成される。この燃料電池スタック1は、燃料極に燃料ガス(本実施形態では、水素)を供給し、酸化剤極に酸化剤ガス(本実施形態では、空気)を供給することにより、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて発電を行う。 The fuel cell stack 1 is configured by sandwiching a fuel cell structure (fuel cell) in which a fuel electrode and an oxidant electrode are opposed to each other with a solid polymer electrolyte membrane interposed therebetween, and laminating a plurality thereof. The fuel cell stack 1 supplies a fuel gas (in this embodiment, hydrogen) to the fuel electrode, and supplies an oxidant gas (in this embodiment, air) to the oxidant electrode, so that the fuel gas and the oxidant are supplied. Electric power is generated by electrochemical reaction with gas.
燃料ガスである水素は、燃料タンク2である高圧水素ボンベに貯蔵された状態から、水素供給流路4を介して、燃料電池スタック1の燃料極に供給される。水素供給流路4には、水素調圧弁3が設けられており、この水素調圧弁3は、燃料電池スタック1へ供給される水素流量と水素圧力とが適正な値となるように、制御部16によってその開度が制御される。また、水素供給流路4には、水素調圧弁3よりも下流側に循環ポンプ5が設けられている。燃料電池スタック1の燃料極から排出された反応ガス(未使用の水素(余剰水素)を含む排出ガス)は、この循環ポンプ5によって、循環流路である水素循環流路7を介して水素の供給側に循環され、水素供給流路4を介して燃料電池スタック1の燃料極へ再度供給される。これにより、安定した発電を維持することができるとともに、反応効率の向上を図ることができる。 Hydrogen, which is a fuel gas, is supplied to the fuel electrode of the fuel cell stack 1 through the hydrogen supply channel 4 from the state stored in the high-pressure hydrogen cylinder that is the fuel tank 2. The hydrogen supply flow path 4 is provided with a hydrogen pressure regulating valve 3, and this hydrogen pressure regulating valve 3 controls the control unit so that the flow rate of hydrogen supplied to the fuel cell stack 1 and the hydrogen pressure become appropriate values. The opening degree is controlled by 16. Further, a circulation pump 5 is provided in the hydrogen supply channel 4 on the downstream side of the hydrogen pressure regulating valve 3. The reaction gas (exhaust gas containing unused hydrogen (surplus hydrogen)) discharged from the fuel electrode of the fuel cell stack 1 is supplied by the circulation pump 5 through the hydrogen circulation channel 7 which is a circulation channel. It is circulated to the supply side and supplied again to the fuel electrode of the fuel cell stack 1 through the hydrogen supply flow path 4. Thereby, while being able to maintain stable electric power generation, the improvement of reaction efficiency can be aimed at.
水素循環流路7には、他端が大気に開放された排出流路6が連通しており、この排出流路6には、流路を開閉するパージ弁9が設けられている。このパージ弁9は、燃料電池スタック1の運転状態に応じて、その開閉状態が制御部16によって制御される。パージ弁9は、基本的に、閉状態に制御されているが、燃料電池スタック1の燃料極内や水素循環流路7内の窒素濃度が上昇した場合には、閉状態から開状態へと切り替えられ、これにより、未反応な水素ガスとともに窒素ガスがシステム系内から排出される。また、パージ弁9は、後述するように、燃料電池スタック1の発電停止時には、開状態に制御され、これにより、燃料電池スタック1の燃料極内や水素循環流路7内の凝縮水が水素とともに排出される。
The hydrogen circulation channel 7 communicates with a
本実施形態において、水素循環流路7と排出流路6との連通部位には、凝縮水タンク(第1の貯蔵手段)8が設けられている。換言すれば、排出流路6は、凝縮水タンク8を介して水素循環流路7と連通することとなる。凝縮水タンク8には、燃料電池の反応によって生成される凝縮水(より具体的には、生成された水蒸気が冷却された水である冷却水)が貯蔵される。また、排出流路6には、その最下流、すなわち、パージ弁9よりも下流側にオリフィス10が設けられている。
In the present embodiment, a condensed water tank (first storage means) 8 is provided at a communication portion between the hydrogen circulation passage 7 and the
一方、酸化剤ガスである空気は、大気がコンプレッサ11によって加圧され、空気供給流路12を介して燃料電池スタック1の酸化剤極に供給される。燃料電池スタック1から排出された空気が大気に放出される空気排出流路13には、空気調圧弁14が設けられている。この空気調圧弁14は、燃料電池スタック1へ供給される空気流量と空気圧力とが適正な値となるように、その開度が、コンプレッサ11の駆動量とともに制御部16によって制御される。また、空気供給流路12には、コンプレッサ11と燃料電池スタック1との間に、燃料電池スタック1への空気の供給を遮断する遮断弁15が設けられている。この遮断弁15は、通常、開状態に制御されているが、後述するように、燃料電池スタック1の発電停止時には必要に応じて閉状態へと切り替えられる。
On the other hand, the air, which is an oxidant gas, is pressurized by the
制御部16は、燃料電池システムの運転状態に応じて、制御信号を各種のアクチュエータ(図示せず)に出力することにより、水素調圧弁3、パージ弁9、空気調圧弁14および遮断弁15を制御する。制御部16としては、例えば、CPU、ROM、RAM、入出力インターフェースを主体に構成されるマイクロコンピュータを用いることができる。この制御部16には、燃料電池システムの運転状態を検出すべく、各種のセンサ17〜19からの検出信号が入力されている。水素圧力センサ17は、水素供給流路4において、循環ポンプ5よりも下流側に設けられており、燃料電池スタック1へ供給される水素圧力を検出する。この水素圧力センサ17の検出結果は、水素調圧弁3の開度制御の際に参照される。圧力センサ(圧力検出手段)18は、排出流路6において、パージ弁9とオリフィス10との間に設けられており、排出流路6の圧力を検出する。この圧力センサ18の検出結果は、パージ弁9の開閉制御の際に参照される。空気圧力センサ19は、空気供給流路12において、遮断弁15よりも下流側に設けられており、燃料電池スタック1へ供給される空気圧力を検出する。この空気圧力センサ19の検出結果は、空気調圧弁14の開度制御の際に参照される。
The
燃料電池スタック1による発電を行う通常制御において、制御部16は、例えば、外部からの燃料電池スタック1の発電要求に応じて、水素圧力センサ17および空気圧力センサ19から、燃料電池スタック1に供給されている空気圧力および水素圧力を読み込む。そして、制御部16は、発電要求を満たす電力を燃料電池スタック1で発生させるために、コンプレッサ11の駆動量と、空気調圧弁14の開度とを制御し、空気流量および空気圧力を調整すると共に、水素調圧弁3の開度を制御し、水素流量および水素圧力を調整する。
In normal control in which power generation by the fuel cell stack 1 is performed, the
このような通常制御を行っている場合、燃料電池システムでは、燃料電池スタック1から排出された反応ガスが水素循環流路7を介して循環ポンプ5に戻され、燃料電池スタック1へと循環される。制御部16は、通常、パージ弁9を閉状態に制御しており、酸化剤極から水素系内に窒素が拡散して蓄積された場合に、窒素を主として含む水素以外の不純物を外部に排出するべく、パージ弁9を開状態に切り替える。
When such normal control is performed, in the fuel cell system, the reaction gas discharged from the fuel cell stack 1 is returned to the circulation pump 5 through the hydrogen circulation passage 7 and circulated to the fuel cell stack 1. The The
このような構成を有する燃料電池システムにおいて、以下、燃料電池スタック1の発電を停止する際の停止処理について説明する。ここで、図2は、第1の実施形態に係る冷却システムの停止処理(第1の排出処理)を示すフローチャートである。同図に示す処理は、例えば、外部からの燃料電池スタック1の発電停止要求に応じて、制御部16によって実行される。
In the fuel cell system having such a configuration, a stop process when stopping the power generation of the fuel cell stack 1 will be described below. Here, FIG. 2 is a flowchart showing a cooling system stop process (first discharge process) according to the first embodiment. The process shown in the figure is executed by the
まず、ステップ1において、制御部16は、燃料電池スタック1への空気(酸化剤)の供給を停止する。具体的には、制御部16は、空気供給流路12の遮断弁15を閉状態に制御する。なお、ステップ1において酸素の供給は停止されるものの、この段階では、まだ水素の供給は停止されておらず、燃料電池スタック1には、水素が供給され続けている。
First, in step 1, the
ステップ2において、制御部16は、排出流路6のパージ弁9を開状態に制御する。凝縮水タンク8に凝縮水が溜まっている場合には、パージ弁9の開弁に伴い、凝縮水は排出流路6を介して排出される方向へと作用する。そして、ステップ3において、制御部16は、排出流路6の圧力センサ18の検出値を読み込む。
In step 2, the
ステップ4において、制御部16は、排出流路6の圧力値(圧力センサ18の検出結果)Pが、しきい値Pth以上であるか否かを判定する。ここで、図3は、しきい値Pthの説明図である。凝縮水タンク8に凝縮水が溜まっている状況では、パージ弁9の開弁とともに、凝縮水が排出流路6を通って排出される。そのため、同図に示すように、凝縮水が排出されている間では、圧力センサ18の圧力値Pは大きな値で推移する。一方、凝縮水タンク8の凝縮水が排出流路6から排出され、反応ガスが排出されるようになると、圧力センサ18の圧力値Pは、先の状態よりも小さな値となる。なぜならば、排出流路6の圧力センサ18の下流にオリフィス10が設けられていることを前提に、凝縮水と反応ガスとでは粘性が違うため、排出時の圧力値に差が生じるからである。
In step 4, the
このような粘性特性に基づいて、しきい値Pthには、凝縮水タンク8の凝縮水が排出流路6から排出されたことを判定するための圧力値Pが、実験やシミュレーションを通じ予め適切に設定されている。本実施形態では、このしきい値Pthには、排出流路6に凝縮水があるとみなせる程度の排出流路6の圧力値Pの最小値が設定されている。
Based on such a viscosity characteristic, the pressure value P for determining that the condensed water in the condensed water tank 8 is discharged from the
このステップ4において肯定判定された場合(P≧Pth)、すなわち、凝縮水タンク8の凝縮水が排出流路6から排出されていない場合には、ステップ5に進む。ステップ5では、燃料電池スタック1へ水素が供給され続けていることを前提に、制御部16は、空気圧力を調整する。具体的には、制御部16は、水素圧力センサ17によって検出される水素圧力と、空気圧力センサ19によって検出される空気圧力とが同圧となるように、空気調圧弁14の開度を制御する。この際、水素圧力に対して空気圧力が不足するような場合には、制御部16は、所定時間だけ遮断弁15を開弁するとともにコンプレッサ11を作動させ、必要に応じて空気圧力を上げる。
If an affirmative determination is made in step 4 (P ≧ Pth), that is, if the condensed water in the condensed water tank 8 is not discharged from the
一方、ステップ4において否定判定された場合(P<Pth)、すなわち、凝縮水タンク8の凝縮水が排出流路6から排出された場合には、ステップ6に進む。ステップ6において、制御部16は、パージ弁9を閉状態に制御する。そして、ステップ7において、制御部16は、水素(燃料)の供給を停止した上で、本処理を終了する。
On the other hand, if a negative determination is made in step 4 (P <Pth), that is, if the condensed water in the condensed water tank 8 is discharged from the
このように、本実施形態によれば、燃料電池スタック1の発電を停止する場合には、パージ弁9を開状態に制御し、反応ガスの循環を利用して、システム内部の凝縮水が溜まった凝縮水タンク8から排出流路6を介して、この凝縮水を排出している。この際、排出流路6内の圧力値に基づいて、凝縮水タンク8の凝縮水が排出流路6から排出されたか否かを判断することができるので、この圧力値に基づいて、パージ弁9の開閉状態を制御することにより、システム内の凝縮水を排出しつつも、水素の排出を最小限に抑制することができる。
As described above, according to the present embodiment, when the power generation of the fuel cell stack 1 is stopped, the
特に、制御部16は、燃料電池スタック1の発電停止時には、第1の排出処理として、パージ弁9を開状態に制御するとともに、圧力センサ18によって検出される圧力値の経時的な推移に基づいて、凝縮水タンク8の凝縮水が排出流路6から排出されたことを判断した場合には、パージ弁9を閉状態に制御する。これにより、凝縮水が排出されたタイミングに応じてパージ弁9が閉じられるので、パージ弁9の閉弁タイミングの最適化を図ることができる。そのため、凝縮水が排出された後にも、長時間にわたり水素を排出することを抑制することができる。これにより、排出時間の短縮を図ることができるととももに、排出される水素を節約することができる。
In particular, when the power generation of the fuel cell stack 1 is stopped, the
また、制御部16は、圧力センサによって検出される圧力値Pが、凝縮水タンク8の凝縮水が排出流路6から排出されたことを判定するしきい値Pthよりも小さくなった場合に、パージ弁9を閉状態に制御する。これにより、パージ弁9の閉弁タイミングを一義的に判断することができるので、排出時間の短縮と、排出される水素の節約とを図ることができる。
Further, when the pressure value P detected by the pressure sensor becomes smaller than the threshold value Pth for determining that the condensed water in the condensed water tank 8 is discharged from the
また、本実施形態では、排出流路6にオリフィス10が設けられている。オリフィス10がない場合には、排出流路6内の圧力値が相対的に低くなり、凝縮水が排出されたか否かを判定することが困難となる虞があるが、本実施形態では、より高精度に判定を行うことができる。
In the present embodiment, an
(第2の実施形態)
図4は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成図である。第2の実施形態に係る燃料電池システムが第1の実施形態のそれと相違する点は、スタック用凝縮水タンク(第2の貯蔵手段)20と、スタック用排出流路(バイパス流路)21と、スタック用パージ弁(第2の開閉手段)22とをさらに有する点である。なお、第1の実施形態と同一の構成については説明を省略するものとし、以下、相違点について説明する。
(Second Embodiment)
FIG. 4 is an overall configuration diagram of a fuel cell system according to the second embodiment of the present invention. The fuel cell system according to the second embodiment is different from that of the first embodiment in that the stack condensate tank (second storage means) 20, the stack discharge passage (bypass passage) 21, And a stack purge valve (second opening / closing means) 22. The description of the same configuration as that of the first embodiment will be omitted, and differences will be described below.
スタック用凝縮水タンク20は、燃料電池スタック1の燃料極からの反応ガスの排出側と、水素循環流路7とを連通しており、燃料電池スタック1から排出される反応ガス中に含まれる水蒸気が凝縮して水となった凝縮水が貯蔵される。スタック用凝縮水タンク20を燃料電池スタック1の排出側の直下に設けている関係上、反応ガスは中に含まれる凝縮水は、第一次的に、このスタック用凝縮水タンク20に蓄えられるとともに、燃料電池スタック1から排出される反応ガスは、このタンク20を経由して、水素循環流路7へと流れる。また、この水素循環流路7と排出流路6との連通部には、第1の実施形態と同様に、凝縮水タンク8が設けられているため、その後に生成された凝縮水は、第二次的に、凝縮水タンク8に蓄えられることとなる。
The stack condensate tank 20 communicates the reaction gas discharge side from the fuel electrode of the fuel cell stack 1 with the hydrogen circulation passage 7 and is included in the reaction gas discharged from the fuel cell stack 1. Condensed water that is condensed into water is stored. Since the stack condensate tank 20 is provided immediately below the discharge side of the fuel cell stack 1, the condensate contained in the reaction gas is primarily stored in the stack condensate tank 20. At the same time, the reaction gas discharged from the fuel cell stack 1 flows to the hydrogen circulation passage 7 via the tank 20. Moreover, since the condensed water tank 8 is provided in the communication part of this hydrogen circulation flow path 7 and the
スタック用排出流路21は、凝縮水タンク8をバイパスし、スタック用凝縮水タンク20と、排出流路6のパージ弁9よりも下流側(具体的には、圧力センサ18よりも上流側)とを連通しており、スタック用凝縮水タンク20に蓄えられる凝縮水は、このスタック用排出流路21および排出流路6を介して外部へ排出される。スタック用排出流路21には、流路を開閉するスタック用パージ弁22が設けられている。このパージ弁9は、通常、制御部16によって閉状態に制御されているが、必要に応じて閉状態から開状態へと切り替えられる。
The stack discharge passage 21 bypasses the condensate water tank 8, and is downstream of the stack condensate water tank 20 and the
このような構成を有する燃料電池システムにおいて、以下、燃料電池スタック1の発電を停止する際の停止処理について説明する。ここで、図5は、第2の実施形態に係る冷却システムの停止処理を示すフローチャートである。同図に示す処理は、例えば、外部からの燃料電池スタック1の発電停止要求に応じて、制御部16によって実行される。
In the fuel cell system having such a configuration, a stop process when stopping the power generation of the fuel cell stack 1 will be described below. Here, FIG. 5 is a flowchart showing a stop process of the cooling system according to the second embodiment. The process shown in the figure is executed by the
まず、ステップ10において、制御部16は、燃料電池スタック1への空気(酸化剤)の供給を停止する。具体的には、制御部16は、空気供給流路12の遮断弁15を閉状態に制御する。なお、ステップ10において酸素の供給は停止されるものの、この段階では、まだ水素の供給は停止されておらず、燃料電池スタック1には、水素が供給され続ける。
First, in
ステップ11において、制御部16は、スタック用パージ弁22を開状態に制御する。スタック用凝縮水タンク20に凝縮水が溜まっている場合には、スタック用パージ弁22の開弁に伴い、凝縮水は、スタック用排出流路21および排出流路6を介して外部に排出される方向へと作用する。そして、ステップ12において、制御部16は、排出流路6の圧力センサ18の検出値を読み込む。
In
ステップ13において、制御部16は、排出流路6の圧力値(圧力センサ18の検出結果)Pが、第1のしきい値Pth1以上であるか否かを判定する。ここで、図6は、第1のしきい値Pth1の説明図である。スタック用凝縮水タンク20の凝縮水が溜まっている状況では、スタック用パージ弁22の開弁とともに、凝縮水がスタック用排出流路21および排出流路6を通って排出される。そのため、同図に示すように、凝縮水が排出されている間では、圧力センサ18の圧力値は大きな値で推移する。一方、スタック用凝縮水タンク20の凝縮水が排出流路6から排出され、その後に、排出流路6から反応ガスが排出されるようになると、排出流路6の圧力値は、先の状態よりも小さな値へと移行する。これは、第1の実施形態と同様、凝縮水と反応ガスとでは粘性が違うことに起因する。
In
このような特性に基づいて、第1のしきい値Pth1には、スタック用凝縮水タンク20の凝縮水が排出流路6から排出されたことを判定するための圧力値Pが、実験やシミュレーションを通じ予め適切に設定されている。本実施形態では、第1のしきい値Pth1には、スタック用凝縮水タンク20に凝縮水があるとみなせる程度の圧力センサ18の圧力値Pの最小値が設定されている。
Based on such characteristics, the pressure value P for determining that the condensed water in the stack condensed water tank 20 has been discharged from the
このステップ13において肯定判定された場合(P≧Pth1)、すなわち、凝縮水がスタック用凝縮水タンク20から排出されていない場合には、ステップ14に進む。そして、ステップ14において、制御部16は、第1の実施形態と同様に、空気圧力を調整する。一方、ステップ13において否定判定された場合(P<Pth1)、すなわち、凝縮水がスタック用凝縮水タンク20から排出された場合には、ステップ15に進む。ステップ15において、制御部16は、スタック用パージ弁22を閉弁する。
If an affirmative determination is made in step 13 (P ≧ Pth1), that is, if condensed water is not discharged from the stack condensed water tank 20, the process proceeds to step. In
つぎに、ステップ15〜21において、第1の実施形態のステップ2〜7の処理(第1の排出処理)と同様に、制御部16は、パージ弁9を開弁し、水素循環流路7に設けられた凝縮水タンク8に溜まっている凝縮水を排出し、本処理を終了する。この場合、上述した図6に示すように、パージ弁9の閉弁タイミングを規定するしきい値Pth2は、第1の実施形態と同様に、凝縮水タンク8から凝縮水が排出されたことを判定するための圧力値Pが、実験やシミュレーションを通じ予め適切に設定されている。この第2のしきい値Pth2は、燃料電池スタック1内の凝縮水が、スタック用凝縮水タンク20から既に排出されている関係上、上述した第1のしきい値Pth1よりも相対的に低い値となる。
Next, in steps 15 to 21, the
このように、本実施形態によれば、燃料電池スタック1の発電を停止する場合には、スタック用パージ弁22を開状態に制御し、反応ガスの循環を利用して、システム内部の凝縮水が溜まったスタック用凝縮水タンク20から排出流路6を介して、この凝縮水を排出している。この際、排出流路6内の圧力値に基づいて、スタック用凝縮水タンク20の凝縮水が排出流路6から排出されたか否かを判断することができるので、この圧力値に基づいて、スタック用パージ弁22の開閉状態を制御することにより、システム内の凝縮水を排出しつつも、水素の排出を最小限に抑制することができる。
As described above, according to this embodiment, when power generation of the fuel cell stack 1 is stopped, the
特に、本実施形態によれば、制御部16は、燃料電池スタック1の発電停止時には、スタック用パージ弁22を開状態に制御するともに、圧力センサ18によって検出される圧力値Pの経時的な推移に基づいて、スタック用凝縮水タンク20の凝縮水が排出流路6から排出されたことを判断した場合には、スタック用凝縮水タンク20を閉状態に制御する。そして、制御部16、この一連の処理の実行後に、第1の実施形態に示す第1の排出処理を実行する。これにより、凝縮水が排出されたタイミングに応じてスタック用パージ弁22が閉じられるので、スタック用パージ弁22の閉弁タイミングの最適化を図ることができる。そのため、凝縮水が排出された後にも、長時間にわたり水素を排出することを抑制することができる。これにより、排出時間の短縮を図ることができるととももに、排出される水素を節約することができる。
In particular, according to the present embodiment, the
また、パージ弁9を開弁し、反応ガスの循環を利用して、凝縮水タンク8に溜まった凝縮水を排出している。この際、排出流路6内の圧力値に基づいて、凝縮水タンク8の凝縮水の有無を判断することにより、凝縮水が排出されたタイミングと同期して、パージ弁9が閉弁される。これにより、パージ弁9の閉弁タイミングの最適化を図ることができるので、長時間にわたり凝縮水とともに水素を排出していた場合と比較して、排出時間が短縮されるので、排出される水素を節約することができる。
In addition, the
特に、第2の実施形態によれば、燃料スタック1の排出側のスタック用凝縮水タンク20に凝縮水を溜め、これを優先的に排出しているので、第1の実施形態の手法と比較して、凝縮水による圧損が低減される。これにより、短時間で効率よく燃料電池システム内の凝縮水を排出することができる。なお、パージ弁9を優先的に制御して凝縮水を排出し、その後に、スタック用パージ弁22を制御して凝縮水を排出した場合には、燃料電池スタック1内の凝縮水が水素循環流路7を通ってパージ弁9から排出される為、水素循環流路7が長い為に圧損が大きくなり、短時間で効率よく排出することが困難となるという不都合があるが、本実施形態によれば、このような不都合を解消することができる。
In particular, according to the second embodiment, the condensed water is stored in the stack condensate tank 20 on the discharge side of the fuel stack 1 and is discharged preferentially, so that it is compared with the method of the first embodiment. Thus, pressure loss due to condensed water is reduced. Thereby, the condensed water in a fuel cell system can be discharged | emitted efficiently in a short time. Note that when the
1 燃料電池スタック
2 燃料タンク
3 水素調圧弁
4 水素供給流路
5 循環ポンプ
6 排出流路
7 循環流路
8 凝縮水タンク
9 パージ弁
10 オリフィス
11 コンプレッサ
12 空気供給流路
13 空気排出流路
14 空気調圧弁
15 遮断弁
16 制御部
17 水素圧力センサ
18 圧力センサ
19 空気圧力センサ
20 スタック用凝縮水タンク
21 スタック用排出流路
22 スタック用パージ弁
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell stack 2 Fuel tank 3 Hydrogen pressure regulation valve 4 Hydrogen supply flow path 5
Claims (8)
前記燃料電池の燃料極から排出される反応ガスが、前記燃料ガスの供給側へと循環される循環流路と、
前記循環流路に設けられ、前記燃料電池の反応によって生成される凝縮水が蓄えられる第1の貯蔵手段と、
前記第1の貯蔵手段を介して前記循環流路と連通しており、前記第1の貯蔵手段に蓄えられた凝縮水を外部へ排出する排出流路と、
前記排出流路を開閉する第1の開閉手段と、
前記排出流路内の圧力を検出する圧力検出手段と、
前記圧力検出手段の検出結果に基づいて、前記第1の開閉手段の開閉状態を制御する制御手段と
を有することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell that generates power by electrochemically reacting the fuel gas and the oxidant gas by supplying a fuel gas to the fuel electrode and supplying an oxidant gas to the oxidant electrode;
A circulation channel through which the reaction gas discharged from the fuel electrode of the fuel cell is circulated to the supply side of the fuel gas;
A first storage means provided in the circulation flow path, in which condensed water generated by the reaction of the fuel cell is stored;
A discharge passage that communicates with the circulation passage through the first storage means, and that discharges condensed water stored in the first storage means to the outside;
First opening and closing means for opening and closing the discharge flow path;
Pressure detecting means for detecting the pressure in the discharge channel;
A fuel cell system comprising: control means for controlling an open / closed state of the first open / close means based on a detection result of the pressure detection means.
前記第2の貯蔵手段と、前記排出流路の前記第1の開閉手段よりも下流側とを連通するバイパス流路と、
前記バイパス流路を開閉する第2の開閉手段とをさらに有し、
前記制御手段は、前記圧力検出手段の検出結果に基づいて、前記第2の開閉手段の開閉状態をさらに制御することを特徴する請求項1から3のいずれか一項に記載された燃料電池システム。 A second storage means for communicating the reaction gas discharge side from the fuel electrode in the fuel cell and the circulation channel, and storing the condensed water;
A bypass passage communicating the second storage means with the downstream side of the first opening / closing means of the discharge passage;
Second opening and closing means for opening and closing the bypass flow path;
4. The fuel cell system according to claim 1, wherein the control unit further controls an open / close state of the second open / close unit based on a detection result of the pressure detection unit. 5. .
前記第2のしきい値は、前記第1のしきい値よりも大きな値に設定されていることを特徴とする請求項5に記載された燃料電池システム。 The control means, when the pressure value detected by the pressure detection means becomes smaller than a threshold value for determining that the condensed water of the second storage means is discharged from the discharge flow path, Controlling the second opening / closing means to a closed state;
The fuel cell system according to claim 5, wherein the second threshold value is set to a value larger than the first threshold value.
前記循環流路には、前記燃料電池の反応によって生成される凝縮水が蓄えられる貯蔵手段が設けられており、当該貯蔵手段を介して前記循環流路と連通する排出流路に設けられ開閉手段を開くことにより、前記反応ガスの循環を利用して、前記凝縮水を前記排出流路から排出するとともに、当該排出流路内の圧力変化に応じて前記凝縮水の有無を判断して前記開閉手段を開状態から閉状態へと切り替えることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel gas is supplied to the fuel electrode and an oxidant gas is supplied to the oxidant electrode, whereby the fuel gas and the oxidant gas are reacted electrochemically to generate power, and the fuel electrode of the fuel cell In the fuel cell system in which the reaction gas discharged from the fuel gas is circulated to the fuel gas supply side through a circulation channel,
The circulation channel is provided with storage means for storing condensed water generated by the reaction of the fuel cell, and is provided with an opening / closing means provided in a discharge channel communicating with the circulation channel via the storage means. The condensate is discharged from the discharge channel using the reaction gas circulation, and the opening / closing is determined by determining the presence or absence of the condensate according to the pressure change in the discharge channel. A fuel cell system characterized in that the means is switched from an open state to a closed state.
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2014509045A (en) * | 2011-02-01 | 2014-04-10 | コンパニー ゼネラール デ エタブリッスマン ミシュラン | Recirculation loop for fuel cell stack |
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EP3327845A2 (en) | 2016-11-28 | 2018-05-30 | Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. | Fuel cell system and method of operating the same |
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2005
- 2005-04-01 JP JP2005106814A patent/JP2006286482A/en active Pending
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