JP2007005170A - 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。 The present invention relates to a fuel cell system.
従来、燃料電池スタックの空気供給配管上に一定の容量を有するバッファタンクを設け、運転停止時に燃料電池スタック内のガスをすべて窒素雰囲気とするように、バッファタンクから空気を供給してスタック内に残存する水素を完全消費させようとする燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムにおいてバッファタンクは、燃料電池スタック内の水素を完全に消費できるだけの酸素分子数を有する空気量を貯蔵可能な容量となっている(例えば特許文献1参照)。
しかしながら、従来の燃料電池システムでは、バッファタンクの容量が固定されているため、バッファタンク内の酸素分子数は、空気温度が高い場合に少なくなり、空気温度が低い場合に多くなる。このため、運転停止時にバッファタンク内の空気を燃料電池に供給しても、空気温度が高い場合には酸素分子数が不足することとなり、水素ガスを完全消費させることができなくなってしまう。すなわち、従来の燃料電池システムでは、水素ガスを完全消費させるだけの酸素の提供を行うことができない可能性があった。また、空気温度が低い場合には酸素分子数が過剰となり、スタック内のガスを全て窒素雰囲気とする事が出来ない可能性があった。 However, in the conventional fuel cell system, since the capacity of the buffer tank is fixed, the number of oxygen molecules in the buffer tank decreases when the air temperature is high and increases when the air temperature is low. For this reason, even if the air in the buffer tank is supplied to the fuel cell when the operation is stopped, the number of oxygen molecules is insufficient when the air temperature is high, and the hydrogen gas cannot be completely consumed. That is, in the conventional fuel cell system, there is a possibility that it is not possible to provide oxygen enough to completely consume hydrogen gas. Further, when the air temperature is low, the number of oxygen molecules becomes excessive, and there is a possibility that all the gases in the stack cannot be made into a nitrogen atmosphere.
本発明はこのような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、運転停止時において燃料ガスを完全消費させることが可能な酸化剤ガスをバッファタンクから供給することができ、スタック内のガスを全て窒素雰囲気とすることが可能な燃料電池システムを提供することにある。 The present invention has been made to solve such a conventional problem, and an object of the present invention is to supply an oxidant gas from the buffer tank that can completely consume the fuel gas when the operation is stopped. An object of the present invention is to provide a fuel cell system in which all the gases in the stack can be in a nitrogen atmosphere.
本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、酸化剤ガス供給系と、バッファタンクと、制御手段とを備えている。燃料電池は、燃料ガスの供給を受ける燃料極及び酸化剤ガスの供給を受ける酸化剤極を有し、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電するものである。酸化剤ガス供給系は、通常運転時において燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスを供給するものである。バッファタンクは燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスを供給可能なものであり、酸化剤ガスの貯蔵容量が可変とされている。制御手段は、運転停止を行うにあたり酸化剤ガス供給系によって燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスを供給せず、バッファタンク内の酸化剤ガスを燃料電池の酸化剤極に供給させ、燃料電池の燃料極に残存する燃料ガスを消費させるものである。また、制御手段は、酸化剤ガスの温度などに基き、燃料電池の燃料極に残存する燃料ガスを消費させるだけの分子数を有する酸化剤ガス量を演算し、演算した酸化剤ガス量を貯蔵する容量にバッファタンクの容量を変更するものである。 The fuel cell system of the present invention includes a fuel cell, an oxidant gas supply system, a buffer tank, and control means. A fuel cell has a fuel electrode supplied with a fuel gas and an oxidant electrode supplied with an oxidant gas, and generates electricity by reacting the fuel gas with the oxidant gas. The oxidant gas supply system supplies oxidant gas to the oxidant electrode of the fuel cell during normal operation. The buffer tank can supply an oxidant gas to the oxidant electrode of the fuel cell, and the storage capacity of the oxidant gas is variable. The control means does not supply the oxidant gas to the oxidant electrode of the fuel cell by the oxidant gas supply system when stopping the operation, but supplies the oxidant gas in the buffer tank to the oxidant electrode of the fuel cell. The fuel gas remaining in the fuel electrode is consumed. The control means calculates the amount of oxidant gas having the number of molecules sufficient to consume the fuel gas remaining in the fuel electrode of the fuel cell based on the temperature of the oxidant gas, and stores the calculated amount of oxidant gas. The capacity of the buffer tank is changed to the capacity to be performed.
本発明によれば、燃料電池の燃料極に残存する燃料ガスを消費させるだけの分子数を有する酸化剤ガス量を演算し、演算した酸化剤ガス量を貯蔵する容量にバッファタンクの容量を変更することとしている。このため、温度状況などの要因により、単位体積あたりの酸化剤ガスの分子数が変化する状況においても、必要な分子数を含む酸化剤ガス量が求められ、その量が貯蔵されるようにバッファタンクの容量が変更される。故に、バッファタンクには燃料ガスを消費させるだけの分子数を有する酸化剤ガスが適切に貯蔵されることとなる。従って、運転停止時において燃料ガスを完全消費させることが可能な酸化剤ガスをバッファタンクから供給することができる。さらに、スタック内のガスを全て窒素雰囲気とする事ができる。 According to the present invention, the amount of oxidant gas having the number of molecules sufficient to consume the fuel gas remaining in the fuel electrode of the fuel cell is calculated, and the capacity of the buffer tank is changed to a capacity for storing the calculated amount of oxidant gas. To do. For this reason, even in a situation where the number of molecules of oxidant gas per unit volume changes due to factors such as temperature conditions, the amount of oxidant gas including the required number of molecules is obtained and the buffer is stored so that the amount is stored. The capacity of the tank is changed. Therefore, the buffer tank appropriately stores the oxidant gas having the number of molecules sufficient to consume the fuel gas. Therefore, the oxidant gas that can completely consume the fuel gas when the operation is stopped can be supplied from the buffer tank. Further, all the gas in the stack can be in a nitrogen atmosphere.
以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。図1に示す燃料電池システム1は、車両の駆動動力源として用いられるものであって、燃料電池10と、燃料ガス供給系20と、燃料ガス排出系30と、燃料ガス循環系40と、酸化剤ガス供給系50と、酸化剤ガス排出系60とを備えている。
FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. A fuel cell system 1 shown in FIG. 1 is used as a driving power source for a vehicle, and includes a
燃料電池10は、燃料ガスの供給を受ける燃料極11及び酸化剤ガスの供給を受ける酸化剤極12を有し、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電するものである。ここで、本実施形態では燃料ガスとして水素ガスが用いられ、酸化剤ガスとして酸素が用いられる。
The
燃料ガス供給系20は、燃料電池10に燃料ガスである水素ガスを供給するものであって、図示しない水素タンクに接続され、水素タンクからの水素ガスを燃料電池10の燃料極11に供給するものである。この燃料ガス供給系20は、水素ガス供給配管21と、水素加湿器22とを備えている。水素ガス供給配管21は、水素タンクと燃料電池10の燃料極11とを接続し、水素タンクからの水素ガスを燃料電池10の燃料極11まで導くための流路となるものである。水素加湿器22は、燃料電池10の電解質膜を湿潤に保つべく、燃料電池10に供給する空気を加湿するものであり、内部に貯水部を有し、貯水部に蓄えられる水などによって水素ガスを加湿するようになっている。
The fuel
また、燃料ガス供給系20は、水素ガス流量調整弁23と、水素ガス供給弁24と、第1分岐管25と、第2分岐管26と、水素加湿器入口弁27と、水素加湿器出口弁28と、燃料極入口弁29とを備えている。水素ガス流量調整弁23は、水素ガス供給配管21に設けられ、開度を調整することにより水素タンクから燃料電池10の燃料極11に供給される水素ガス量を制御するものである。水素ガス供給弁24は、水素ガス流量調整弁23と燃料極11との間の水素ガス供給配管21に設けられ、開閉動作することにより水素ガス供給配管21内の流路を遮断したり開放したりするものである。
The fuel
第1分岐管25は、一端が水素ガス流量調整弁23と水素ガス供給弁24との間の水素ガス供給配管21(図1中の接続点A)に接続され、他端が水素加湿器22に接続されている。また、第1分岐管25の他端は、水素加湿器22の貯水部まで伸びており、貯水部に蓄えられる水に浸かるようになっている。第2分岐管26は、一端が水素加湿器22に接続され、他端が水素ガス供給弁24と燃料極11との間の水素ガス供給配管21(図1中の接続点B)に接続されている。なお、第2分岐管26の一端は、水素加湿器22の貯水部まで伸びているが、貯水部に蓄えられる水には浸かっていない。
One end of the
また、水素加湿器入口弁27は第1分岐管25に設けられ、開閉動作することにより第1分岐管25内の流路を遮断したり開放したりするものである。水素加湿器出口弁28は、第2分岐管26に設けられ、開閉動作することにより第2分岐管26内の流路を遮断したり開放したりするものである。燃料極入口弁29は、接続点Bと燃料極11との間の水素ガス供給配管21に設けられ、開閉動作することにより水素ガス供給配管21内の流路を遮断したり開放したりするものである。
The hydrogen
このように構成されるため、燃料極入口弁29が開放されている場合、水素ガス流量調整弁23の開度に応じて水素ガスが燃料電池10の燃料極11に供給される。また、水素ガス供給弁24が閉じられ、水素加湿器入口弁27及び水素加湿器出口弁28が開けられている場合、水素ガス流量調整弁23を介して流れてきた水素ガスは、第1分岐管25を通じて水素加湿器22に流入し、貯水部を通過する過程で加湿されて第2分岐管26を通り、燃料電池10の燃料極11に供給される。一方、水素ガス供給弁24が開けられ、水素加湿器入口弁27及び水素加湿器出口弁28が閉じられている場合、水素ガスは、水素加湿器22を介することなく、燃料極11に供給される。
With this configuration, when the fuel
燃料ガス排出系30は、水素ガス排出配管31と、燃料極出口弁32とを備えている。水素ガス排出配管31は、燃料電池10の燃料極11と外部とを接続し、燃料極11から排出されたオフガスを外部に導くものである。燃料極出口弁32は、水素ガス排出配管31に設けられ、開閉動作することにより水素ガス排出配管31の流路を遮断したり開放したりしてオフガスの排出を制御するものである。
The fuel
燃料ガス循環系40は、発電に寄与することなく排出された水素ガスを、燃料電池10の燃料極11の下流から上流に循環させるものであって、水素循環配管41と、水素循環ポンプ42と、水素ガス脱水器(脱水手段)43と、水素循環配管入口弁44と、水素循環配管出口弁45とを備えている。水素循環配管41は、燃料極11から排出されたオフガスを燃料極11の下流から上流に循環させるための流路となるものであって、一端が燃料電池10の燃料極11と燃料極出口弁32との間の水素ガス排出配管31(図1中の接続点C)に接続され、他端が燃料極入口弁29と燃料電池10の燃料極11との間の水素ガス供給配管21(図1中の接続点D)に接続されている。水素循環ポンプ42は、水素循環配管41に設けられており、燃料電池10の燃料極11から排出されたオフガスを循環させて再度燃料極11に送り込むための循環動力源となるものである。
The fuel
水素ガス脱水器43は、燃料電池10の発電により生成された生成水を除去するものであって、例えば水素ガスに含まれる水分を凝縮して取りだすことにより生成水を除去する構成となっている。また、水素ガス脱水器43は、凝縮して取り出した水分を不図示の配管を通じて水素加湿器22に送るようになっている。水素循環配管入口弁44は、接続点Cと水素ガス脱水器43との間の水素循環配管41に設けられ、開閉動作することにより水素循環配管41内の流路を遮断したり開放したりするものである。水素循環配管出口弁45は水素循環ポンプ42と接続点Dとの間の水素循環配管41に設けられ、開閉動作することにより水素循環配管41内の流路を遮断したり開放したりするものである。
The
このような構成であるため、燃料極11からのオフガスは、燃料極出口弁32が開放されると外部に排出されることとなる。他方、燃料極出口弁32が開放されていない場合、水素循環配管入口弁44と水素循環配管出口弁45とが開けられ、燃料極11からのオフガスは、水素循環ポンプ42により燃料極11の上流に戻されることとなる。この際に、オフガスは水素ガス脱水器43により脱水され、余分な水分が除去される。
Due to such a configuration, the off-gas from the
酸化剤ガス供給系50は、燃料電池10に酸化剤ガスである酸素を供給するものであって、図示しないコンプレッサに接続され、コンプレッサから圧送される空気を燃料電池10の酸化剤極12に供給するものである。この酸化剤ガス供給系50は、空気供給配管51と、空気加湿器52とを備えている。空気供給配管51は、コンプレッサと燃料電池10の酸化剤極12とを接続し、コンプレッサから圧送される空気を燃料電池10の酸化剤極12まで導くための流路となるものである。空気加湿器52は、燃料電池10の電解質膜を湿潤に保つべく、燃料電池10に供給する空気を加湿するものであり、内部に貯水部を有し、貯水部に蓄えられる水などによって空気を加湿するようになっている。
The oxidant
また、酸化剤ガス供給系50は、空気流量調整弁53と、空気供給弁54と、第3分岐管55と、第4分岐管56と、空気加湿器入口弁57と、空気加湿器出口弁58と、酸化剤極入口弁59とを備えている。空気流量調整弁53は、空気供給配管51に設けられ、開度を調整することによりコンプレッサから燃料電池10の酸化剤極12に供給される空気量を制御するものである。空気供給弁54は、空気流量調整弁53と酸化剤極12との間の空気供給配管51に設けられ、開閉動作することにより空気供給配管51内の流路を遮断したり開放したりするものである。
The oxidant
第3分岐管55は、一端が空気流量調整弁53と空気供給弁54との間の空気供給配管51(図1中の接続点E)に接続され、他端が空気加湿器52に接続されている。また、第3分岐管55の他端は、空気加湿器52の貯水部まで伸びており、貯水部に蓄えられる水に浸かるようになっている。第4分岐管56は、一端が空気加湿器52に接続され、他端が空気供給弁54と酸化剤極12との間の空気供給配管51(図1中の接続点F)に接続されている。なお、第4分岐管56の一端は、空気加湿器52の貯水部まで伸びているが、貯水部に蓄えられる水には浸かっていない。
One end of the
また、空気加湿器入口弁57は、第3分岐管55に設けられ、開閉動作することにより第3分岐管55内の流路を遮断したり開放したりするものである。空気加湿器出口弁58は、第4分岐管56に設けられ、開閉動作することにより第4分岐管56内の流路を遮断したり開放したりするものである。酸化剤極入口弁59は、接続点Fと酸化剤極12との間の空気供給配管51に設けられ、開閉動作することにより酸化剤極入口弁59内の流路を遮断したり開放したりするものである。
The air
このように構成されるため、酸化剤極入口弁59が開放されている場合、空気流量調整弁53の開度に応じて空気が燃料電池10の酸化剤極12に供給される。また、空気の供給経路は2種類あり、空気供給弁54が閉じられ、空気加湿器入口弁57及び空気加湿器出口弁58が開けられている場合、空気流量調整弁53を介して流れてきた空気は、第3分岐管55を通じて空気加湿器52に流入し、貯水部を通過する過程で加湿されて第4分岐管56を通り、燃料電池10の酸化剤極12に供給される。一方、空気供給弁54が開けられ、空気加湿器入口弁57及び空気加湿器出口弁58が閉じられている場合、空気は、空気加湿器52を介することなく、酸化剤極12に供給される。
With this configuration, when the oxidant
酸化剤ガス排出系60は、空気排出配管61と、酸化剤極出口弁62とを備えている。空気排出配管61は、燃料電池10の酸化剤極12と外部とを接続し、酸化剤極12からのオフガスを外部に導くものである。酸化剤極出口弁62は、空気排出配管61に設けられ、開閉動作することにより空気排出配管61内の流路を遮断したり開放したりしてオフガスの排出を制御するものである。このような構成であるため、酸化剤極12からのオフガスは、酸化剤極出口弁62が開放されると外部に排出されることとなる。
The oxidant
さらに、燃料電池システム1は、バッファタンク70と、タンク供給配管71と、タンク容量制御弁72と、タンク排出配管73と、容量調整用排出弁74と、第1空気供給ライン80と、第1空気供給ライン弁81とを備えている。
Further, the fuel cell system 1 includes a
バッファタンク70は、酸化剤ガスである空気の貯蔵容量が可変とされたタンクであり、内部空間を二分する容量調整板70aを有している。この容量調整板70aは、バッファタンク70内をスライド可能に設けられ、バッファタンク70内部に貯蔵可能な空気量を変更可能になっている。また、バッファタンク70のうち容量調整板70aにより隔てられる一方の空間側には第1空気供給ライン80の一端が接続されている。この第1空気供給ライン80は、他端が酸化剤極入口弁59と燃料電池10の酸化剤極12との間の空気供給配管51(図1中の接続点G)に接続されており、バッファタンク70内部の空気を酸化剤極12に供給するための流路となるものである。第1空気供給ライン弁81は、第1空気供給ライン80に設けられ、開閉動作することにより第1空気供給ライン80内の流路を遮断したり開放したりするものである。
The
このように第1空気供給ライン80及び第1空気供給ライン弁81が設けられているため、バッファタンク70は、燃料電池10の酸化剤極12にバッファタンク70内の空気を供給可能に構成されていることとなる。
Since the first
タンク供給配管71は、コンプレッサなどから圧送される空気をバッファタンク70に供給するための流路となるものであり、一端が例えばコンプレッサに接続され、他端が容量調整板70aにより隔てられる他方側の空間につながっている。タンク容量制御弁72は、タンク供給配管71に設けられ、開度を調整することによりコンプレッサからバッファタンク70の他方側空間に供給される空気量を制御するものである。
The
また、タンク排出配管73は、バッファタンク70内の空気を排出するための流路となるものであり、一端が容量調整板70aにより隔てられる他方側の空間につながっており、他端が外部につながっている。容量調整用排出弁74は、タンク排出配管73に設けられ、開閉動作することによりタンク排出配管73内の流路を遮断したり開放したりして、バッファタンク70の他方側空間内に存在する空気の排出を制御するものである。
The
このように構成されるため、タンク容量制御弁72の開度に応じて空気がバッファタンク70の他方側の空間に供給される。このとき、容量調整板70aはスライドして他方側の空間を広げていく。これにより、バッファタンク70の一方側の空間内の容量が小さくなる。また、一方側の空間内の空気圧力を高めることにもなる。また、容量調整用排出弁74が開けられると、バッファタンク70内の空気は外部に排出される。このとき、容量調整板70aはスライドして他方側の空間を狭めていく。すなわち、バッファタンク70の一方側の空間内の容量が大きくなる。また、一方側の空間内の空気圧力を低めることにもなる。このように、バッファタンク70は容量が可変となっており、さらには空気圧力についても可変とできる構成となっている。
With this configuration, air is supplied to the space on the other side of the
また、燃料電池システム1は、第2空気供給ライン90と、第2空気供給ライン弁91とを備えている。第2空気供給ライン90は、バッファタンク70内部の空気を燃料極11に供給するための流路となるものであり、一端がバッファタンク70と第1空気供給ライン弁81との間の第1空気供給ライン80(図1中の接続点H)に接続され、他端が接続点Dと燃料電池10の燃料極11との間の水素ガス供給配管21(図1中の接続点I)に接続されている。第2空気供給ライン弁91は、第2空気供給ライン90に設けられ、開閉動作することにより第2空気供給ライン90内の流路を遮断したり開放したりするものである。
The fuel cell system 1 includes a second
このように第2空気供給ライン90及び第2空気供給ライン弁91が設けられているため、バッファタンク70は、酸化剤極12のみならず、内部のガスを燃料極11にも供給可能に構成されていることとなる。
Since the second
さらに、燃料電池システム1は、コントローラ(制御手段)100と、酸化剤ガス循環系110とを備えている。コントローラ100は、燃料電池システム1全体を制御するものである。このコントローラ100は、通常運転制御と停止運転制御を行えるようになっている。
Furthermore, the fuel cell system 1 includes a controller (control means) 100 and an oxidant
通常運転制御とは、負荷側から要求される電流量に応じた発電を行う制御である。この通常運転制御においてコントローラ100は、燃料ガス供給系20を制御して適量の水素ガスを燃料電池10の燃料極11に供給する。また、コントローラ100は、酸化剤ガス供給系50を制御して適量の水素ガスを燃料電池10の酸化剤極12に供給する。
The normal operation control is control that performs power generation according to the amount of current required from the load side. In this normal operation control, the controller 100 controls the fuel
また、停止運転制御とは、燃料電池システム1を停止させる制御であり、燃料電池10の触媒を劣化させないようにするために、燃料電池10内の水素ガス及び酸素を可能な限り消費させる制御である。この停止運転制御においてコントローラ100は、燃料極入口弁29、燃料極出口弁32、酸化剤極入口弁59、及び酸化剤極出口弁62を閉じる。また、コントローラ100は、第1空気供給ライン弁81を開け、バッファタンク70内の空気を燃料電池10の酸化剤極12に供給する。これにより、コントローラ100は燃料電池10の燃料極11に存在する水素ガスを消費させる。
The stop operation control is control for stopping the fuel cell system 1 and is control for consuming as much hydrogen gas and oxygen in the
酸化剤ガス循環系110は、燃料電池10の酸化剤極12の下流からバッファタンク70を介して酸化剤極12の上流にガスを循環させるものであり、上記停止運転制御の際に利用されるものである。この酸化剤ガス循環系110は、空気循環配管111と、空気循環ポンプ112、空気脱水器(脱水手段)113と、空気循環配管入口弁114と、空気循環配管出口弁115とを備えている。
The oxidant
空気循環配管111は、酸化剤極12から排出されたオフガスを酸化剤極12の下流から上流に循環させるために、オフガスをバッファタンク70に送り込む流路となるものである。この空気循環配管111は、一端が燃料電池10の酸化剤極12と酸化剤極出口弁62との間の空気排出配管61(図1中の接続点J)に接続され、他端がバッファタンク70の一方側の空間につながっている。空気循環ポンプ112は、空気循環配管111に設けられており、燃料電池10の酸化剤極12から排出されたオフガスを循環させるために、バッファタンク70に送り込むための動力源となるものである。
The
空気脱水器113は、燃料電池10の発電により生成された生成水を除去するものであって、例えば空気に含まれる水分を凝縮して取りだすことにより生成水を除去する構成となっている。また、空気脱水器113は、凝縮して取り出した水分を不図示の配管を通じて空気加湿器52に送るようになっている。空気循環配管入口弁114は、接続点Jと空気脱水器113との間の空気循環配管111に設けられ、開閉動作することにより空気循環配管111内の流路を遮断したり開放したりするものである。空気循環配管出口弁115は空気循環ポンプ112とバッファタンク70との間の空気循環配管111に設けられ、開閉動作することにより空気循環配管111内の流路を遮断したり開放したりするものである。
The
このような構成であるため、酸化剤極12からのオフガスは、酸化剤極出口弁62が開放されると外部に排出されることとなるが、停止運転制御に際しては、酸化剤極出口弁62が閉じられ、空気循環配管入口弁114と空気循環配管出口弁115とが開けられる。そして、空気循環ポンプ112が駆動し、酸化剤極12からのオフガスは空気脱水器113により脱水されたうえでバッファタンク70に戻されることとなる。また、停止運転制御では、バッファタンク70内の空気は燃料電池10の酸化剤極12に供給されることから、バッファタンク70内の空気は、第1空気供給ライン80と空気循環配管111とを通って循環することとなる。
Due to such a configuration, the off-gas from the oxidant electrode 12 is discharged to the outside when the oxidant
なお、図1に示す燃料電池10には、負荷装置120、二次電池121、及び電圧測定器122が接続されている。負荷装置120は、例えば燃料電池車両の駆動源となるモータなどの機器である。二次電池121は、補助的なバッテリであって、負荷装置120にて消費されない余剰電力を蓄えておき、燃料電池10にて発電を行えなかったり発電量が不足したりする場合に負荷装置120に電力を供給するものである。電圧測定器122は、燃料電池10の発電電圧を測定するものである。
In addition, the
次に、本実施形態に係る燃料電池システム1の動作の概略を説明する。通常運転時において燃料電池システム1は、負荷装置120の要求に応じた発電を行うべく、燃料ガス供給系20と酸化剤ガス供給系50とを制御して適量の水素ガス及び酸素を燃料電池10に供給する。そして、車両停止など燃料電池システム1を停止させる場合、コントローラ100は、停止運転制御を実行する。この際、コントローラ100は、各弁29,32,59,62を閉じ、第1空気供給ライン弁81を開けて、バッファタンク70内の空気を燃料電池10の酸化剤極12に供給する。ここで、従来では、バッファタンク70が一定容量分の空気しか貯蔵できなかったため、温度変化により酸化剤ガスが膨張した場合などには、停止運転制御において燃料電池10の酸化剤極12に供給する空気分子数が減少して、燃料電池10の水素ガスを消費しきることができなかった。
Next, an outline of the operation of the fuel cell system 1 according to the present embodiment will be described. During normal operation, the fuel cell system 1 controls the fuel
しかし、本実施形態では、バッファタンク70は容量が可変となっている。このため、停止運転制御にあたり、適切な量の空気を燃料電池10の酸化剤極12に提供できることとなる。具体的に説明すると、コントローラ100は、燃料電池10の停止直前における燃料極11の圧力、水素ガスの温度、空気の温度、及び燃料極11内の水素ガス濃度の少なくとも1つに基づいて、燃料電池10の燃料極11に残存する水素ガスを消費させるだけの分子数を有できる酸素量(空気量)を演算する。そして、コントローラ100は、演算した酸素量を貯蔵する容量にバッファタンク70の容量を変更する。これにより、運転停止時において燃料電池10内の水素ガスを完全消費させることが可能な酸素をバッファタンク70から供給することができる。
However, in this embodiment, the capacity of the
次に、本実施形態に係る燃料電池システム1の詳細動作を説明する。図2は、本実施形態に係る燃料電池システム1の詳細動作を示すフローチャートである。なお、図2に示す処理は、停止運転制御を示すものであり、停止運転制御が行われるまえには、通常運転制御が行われているものとする。 Next, detailed operation of the fuel cell system 1 according to the present embodiment will be described. FIG. 2 is a flowchart showing a detailed operation of the fuel cell system 1 according to the present embodiment. Note that the processing shown in FIG. 2 indicates the stop operation control, and it is assumed that the normal operation control is performed before the stop operation control is performed.
同図に示すように、停止運転制御にあたりコントローラ100は、まず、水素ガス供給弁24と空気供給弁54とを開け、水素加湿器入口弁27と水素加湿器出口弁28と空気加湿器入口弁57と空気加湿器出口弁58とを閉じる(ST1)。そして、コントローラ100は、第1空気供給ライン弁81、空気循環配管入口弁114及び空気循環配管出口弁115を開ける(ST2)。
As shown in the figure, in the stop operation control, the controller 100 first opens the hydrogen
その後、コントローラ100は、燃料電池10の停止直前における燃料極11の圧力、水素ガスの温度、空気の温度、及び燃料極11内の水素ガス濃度に基づいて、燃料電池10の燃料極11に残存する水素ガスを消費させるだけの分子数を有する酸素量(空気量)を演算する(ST3)。次に、コントローラ100は、空気循環ポンプ112を起動する(ST4)。
Thereafter, the controller 100 remains in the
そして、コントローラ100は、タンク容量制御弁72、及び容量調整用排出弁74を制御して、演算された酸素量を取り込めるようにバッファタンク70の容量を変化させ、該酸素量(空気量)をバッファタンク70内に取り込む(ST5)。これにより、バッファタンク70内に適量の空気が取り込まれる。
Then, the controller 100 controls the tank
その後、コントローラ100は、空気流量調整弁53、酸化剤極入口弁59及び酸化剤極出口弁62を閉じ、ガスを循環させる(ST6)。次いで、コントローラ100は、水素ガス流量調整弁23、燃料極入口弁29及び燃料極出口弁32を閉じ、水素循環配管入口弁44及び水素循環配管出口弁45を開け、水素循環ポンプ42を起動して、ガスを循環させる(ST7)。このように、ガスを循環させることで、水素ガスと酸素との電気化学反応を促進させて水素ガスを素早く消費し、燃料電池システム1の運転停止を早期に行うようにしている。
Thereafter, the controller 100 closes the air flow
その後、コントローラ100は、両脱水器43,113を作動させる(ST8)。すなわち、コントローラ100は、空気脱水器113を作動させることにより運転停止の処理中に生成された生成水を除去すると共に、水素ガス脱水器43を作動させることによりクロスリークにより酸化剤極12側に移動してきた水を除去する。これにより、水が酸化剤極12の流路を塞いで電気化学反応に遅れが生じてしまうことを防止している。
Thereafter, the controller 100 operates both the
そして、コントローラ100は、セル電圧が一定値以下となったか否かを判断する(ST9)。すなわち、コントローラ100は、水素ガスと酸素とが消費されて、セル電圧が小さくなったか否かを判断している。ここで、燃料電池10のガスは完全に消費されることが望ましいため、一定値は略「0V」に設定される。なお、一定値は「0V」に限るものではない。
Then, controller 100 determines whether or not the cell voltage has become a certain value or less (ST9). That is, the controller 100 determines whether or not the hydrogen gas and oxygen are consumed and the cell voltage is reduced. Here, since the gas of the
セル電圧が一定値以下となっていないと判断した場合(ST9:NO)、コントローラ100は、セル電圧が一定値以下となったと判断されるまで、この処理を繰り返す。一方、セル電圧が一定値以下となったと判断した場合(ST9:YES)、コントローラ100は、燃料電池10内の水素ガス及び酸素がほぼ消費されたと判断する。すなわち、この時点で、燃料電池10内はほぼ窒素ガスにより占められている。
If it is determined that the cell voltage is not lower than the predetermined value (ST9: NO), the controller 100 repeats this process until it is determined that the cell voltage is lower than the predetermined value. On the other hand, when it is determined that the cell voltage has become equal to or lower than a certain value (ST9: YES), the controller 100 determines that the hydrogen gas and oxygen in the
そして、コントローラ100は、第1空気供給ライン弁81を閉じ、第2空気供給ライン弁91を開ける(ST10)。これにより、コントローラ100は窒素ガスを燃料電池10の燃料極11に送り込む。その後、コントローラ100は、燃料極11と酸化剤極12とが等圧となったか否かを判断する(ST11)。すなわち、コントローラ100は、両極11,12を等圧とし、燃料電池システム1の停止処理を完了させることができるか否かを判断している。
Then, the controller 100 closes the first air
燃料極11と酸化剤極12とが等圧となっていないと判断した場合(ST11:NO)、コントローラ100は、燃料極11と酸化剤極12とが等圧となったと判断するまで、この処理を繰り返す。一方、燃料極11と酸化剤極12とが等圧となったと判断した場合(ST11:YES)、燃料電池システム1の停止処理が完了することとなる。
When it is determined that the
このようにして、本実施形態に係る燃料電池システム1によれば、燃料電池10の燃料極11に残存する水素ガスを消費させるだけの分子数を有する酸素量(空気量)を演算し、演算した酸素量を貯蔵する容量にバッファタンク70の容量を変更することとしている。このため、温度状況などの要因により、単位体積あたりの酸素分子数が変化する状況においても、必要な分子数を含む酸素量が求められ、その量が貯蔵されるようにバッファタンク70の容量が変更される。故に、バッファタンク70には水素ガスを消費させるだけの分子数を有する酸素が適切に貯蔵されることとなる。従って、運転停止時において水素ガスを完全消費させることが可能な酸素をバッファタンクから供給することができ、さらに、スタック内のガスを全て窒素雰囲気とすることができる。
In this way, according to the fuel cell system 1 according to the present embodiment, the oxygen amount (air amount) having the number of molecules sufficient to consume the hydrogen gas remaining in the
また、バッファタンク70内の空気を燃料電池10の酸化剤極12に供給させて燃料電池10の燃料極11に残存する水素ガスを消費させた後に、バッファタンク70内のガスを燃料電池10の燃料極11に供給して、燃料極11と酸化剤極12とを等圧とさせることとしている。このため、速やかに燃料極11と酸化剤極12とを等圧とし、燃料電池システム1の運転停止を早期に行うことができる。
Further, after the air in the
また、バッファタンク70内の空気を燃料電池10の酸化剤極12に供給させて燃料電池10の燃料極11に残存する水素ガスを消費させるにあたり、酸化剤ガス循環系110(第1空気供給ライン80を含む)及び燃料ガス循環系40においてそれぞれのガスを循環させることとしている。このため、水素ガスと酸素との電気化学反応を促進させて水素ガスを素早く消費し、燃料電池システム1の運転停止を早期に行うことができる。
Further, when the air in the
また、バッファタンク70内の空気を燃料電池10の酸化剤極12に供給させて燃料電池10の燃料極11に残存する水素ガスを消費させるにあたり、両脱水器43,113を作動させて生成水を除去するので、運転停止の処理中に生成された生成水が酸化剤極12の流路などを塞ぐことを防止できる。これにより、電気化学反応の遅れを防止し、燃料電池システム1の運転停止を早期に行うことができる。
In addition, when the air in the
また、燃料極11の圧力、水素ガスの温度、空気の温度、及び燃料極11内の水素ガス濃度の少なくとも1つに基づいて、燃料電池10の燃料極11に残存する水素ガスを消費させるだけの分子数を有する空気量を演算するので、正確にバッファタンク70の容量を演算することができる。
Further, the hydrogen gas remaining in the
以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよい。例えば、本実施形態において、燃料ガスを水素ガスとし酸化剤ガスを酸素としているが、これに限らず、他の気体であってもよい。 As described above, the present invention has been described based on the embodiment, but the present invention is not limited to the above embodiment, and may be modified without departing from the gist of the present invention. For example, in the present embodiment, the fuel gas is hydrogen gas and the oxidant gas is oxygen. However, the present invention is not limited to this, and other gases may be used.
1…燃料電池システム
10…燃料電池
11…燃料極
12…酸化剤極
20…燃料ガス供給系
21…水素ガス供給配管
22…水素加湿器
23…水素ガス流量調整弁
24…水素ガス供給弁
25…第1分岐管
26…第2分岐管
27…水素加湿器入口弁
28…水素加湿器出口弁
29…燃料極入口弁
30…燃料ガス排出系
31…水素ガス排出配管
32…燃料極出口弁
40…燃料ガス循環系
41…水素循環配管
42…水素循環ポンプ
43…水素ガス脱水器(脱水手段)
44…水素循環配管入口弁
45…水素循環配管出口弁
50…酸化剤ガス供給系
51…空気供給配管
52…空気加湿器
53…空気流量調整弁
54…空気供給弁
55…第3分岐管
56…第4分岐管
57…空気加湿器入口弁
58…空気加湿器出口弁
59…酸化剤極入口弁
60…酸化剤ガス排出系
61…空気排出配管
62…酸化剤極出口弁
70…バッファタンク
70a…容量調整板
71…タンク供給配管
72…タンク容量制御弁
73…タンク排出配管
74…容量調整用排出弁
80…第1空気供給ライン
81…第1空気供給ライン弁
90…第2空気供給ライン
91…第2空気供給ライン弁
100…コントローラ(制御手段)
110…酸化剤ガス循環系
111…空気循環配管
112…空気循環ポンプ
113…空気脱水器(脱水手段)
114…空気循環配管入口弁
115…空気循環配管出口弁
120…負荷装置
121…二次電池
122…電圧測定器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
44 ... Hydrogen circulation
110 ... oxidant
114 ... Air circulation piping
Claims (4)
通常運転時において前記燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給系と、
前記燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスを供給可能なバッファタンクと、
運転停止を行うにあたり前記酸化剤ガス供給系によって前記燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスを供給せず、前記バッファタンク内の酸化剤ガスを前記燃料電池の酸化剤極に供給させ、前記燃料電池の燃料極に残存する燃料ガスを消費させる制御手段と、を備え、
前記バッファタンクは、酸化剤ガスの貯蔵容量が可変とされており、
前記制御手段は、燃料極の圧力、燃料ガスの温度、酸化剤ガスの温度、及び燃料極内の燃料ガス濃度の少なくとも1つに基づいて、前記燃料電池の燃料極に残存する燃料ガスを消費させるだけの分子数を有する酸化剤ガス量を演算し、演算した酸化剤ガス量を貯蔵する容量にバッファタンクの容量を変更する
ことを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell having a fuel electrode supplied with a fuel gas and an oxidizer electrode supplied with an oxidant gas, and reacting the fuel gas with the oxidant gas to generate electric power;
An oxidant gas supply system for supplying an oxidant gas to the oxidant electrode of the fuel cell during normal operation;
A buffer tank capable of supplying an oxidant gas to the oxidant electrode of the fuel cell;
When the operation is stopped, the oxidant gas supply system does not supply the oxidant gas to the oxidant electrode of the fuel cell, but the oxidant gas in the buffer tank is supplied to the oxidant electrode of the fuel cell. Control means for consuming fuel gas remaining in the fuel electrode of the battery,
The buffer tank has a variable oxidant gas storage capacity,
The control means consumes the fuel gas remaining in the fuel electrode of the fuel cell based on at least one of the pressure of the fuel electrode, the temperature of the fuel gas, the temperature of the oxidant gas, and the fuel gas concentration in the fuel electrode. A fuel cell system, comprising: calculating an amount of oxidant gas having a number of molecules sufficient to allow the buffer tank to have a capacity for storing the calculated amount of oxidant gas.
前記制御手段は、前記バッファタンク内の酸化剤ガスを前記燃料電池の酸化剤極に供給させて前記燃料電池の燃料極に残存する燃料ガスを消費させた後に、バッファタンク内のガスを前記燃料電池の燃料極に供給して、燃料極と酸化剤極とを等圧とさせる
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 The buffer tank is capable of supplying an oxidant gas to the fuel electrode of the fuel cell,
The control means supplies the oxidant gas in the buffer tank to the oxidant electrode of the fuel cell and consumes the fuel gas remaining in the fuel electrode of the fuel cell, and then converts the gas in the buffer tank to the fuel The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel electrode and the oxidant electrode are supplied with an equal pressure by being supplied to the fuel electrode of the battery.
前記燃料電池の燃料極の下流から上流にガスを循環させる燃料ガス循環系と、を備え、
前記制御手段は、前記バッファタンク内の酸化剤ガスを前記燃料電池の酸化剤極に供給させて前記燃料電池の燃料極に残存する燃料ガスを消費させるにあたり、前記酸化剤ガス循環系及び前記燃料ガス循環系においてそれぞれガスを循環させる
ことを特徴とする請求項1又は請求項2のいずれかに記載の燃料電池システム。 An oxidant gas circulation system for circulating gas from the oxidant electrode downstream of the fuel cell through the buffer tank to the oxidant electrode upstream;
A fuel gas circulation system for circulating gas from downstream to upstream of the fuel electrode of the fuel cell,
The control means supplies the oxidant gas in the buffer tank to the oxidant electrode of the fuel cell and consumes the fuel gas remaining in the fuel electrode of the fuel cell. The fuel cell system according to claim 1, wherein the gas is circulated in the gas circulation system.
前記制御手段は、前記バッファタンク内の酸化剤ガスを前記燃料電池の酸化剤極に供給させて前記燃料電池の燃料極に残存する燃料ガスを消費させるにあたり、前記脱水手段を作動させて生成水を除去する
ことを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
Further comprising dehydrating means for removing generated water generated by power generation in the fuel cell;
The control means operates the dehydration means to supply the oxidant gas in the buffer tank to the oxidant electrode of the fuel cell and consume the fuel gas remaining in the fuel electrode of the fuel cell. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein the fuel cell system is removed.
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