JP2007018837A - Hydrogen gas dilution apparatus for fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、パージ時に燃料電池から排出された水素を希釈する燃料電池の水素ガス希釈装置に関する。 The present invention relates to a hydrogen gas diluting device for a fuel cell that dilutes hydrogen discharged from the fuel cell during purging.
燃料電池自動車などに搭載される燃料電池は、例えば、固体高分子電解質膜の両面をアノード極とカソード極とで挟み、アノード極に水素、カソード極に空気(酸素)を供給して化学反応させることにより、電気エネルギーの取出しを行っている。ところで、この種の燃料電池が搭載されたシステムでは、燃料の無駄な使用を避けるために、燃料電池から排出された未反応の水素を再び燃料電池に戻して循環させることが行われている。このため、カソード極に供給された空気中の窒素が固体高分子電解質膜を介してアノード極側に透過することがあり、これによってアノード極側の水素濃度が低下して、発電性能が低下する。また、水素と酸素との化学反応による副生成物として水が生成され、この水がアノード極に蓄積されることによっても、発電性能が低下する。 A fuel cell mounted on a fuel cell vehicle, for example, sandwiches both surfaces of a solid polymer electrolyte membrane between an anode and a cathode, and supplies hydrogen to the anode and air (oxygen) to the cathode to cause a chemical reaction. As a result, electrical energy is extracted. By the way, in a system equipped with this type of fuel cell, unreacted hydrogen discharged from the fuel cell is returned to the fuel cell and circulated in order to avoid wasteful use of fuel. For this reason, nitrogen in the air supplied to the cathode electrode may permeate to the anode electrode side through the solid polymer electrolyte membrane, thereby reducing the hydrogen concentration on the anode electrode side and reducing the power generation performance. . Further, water is generated as a by-product due to a chemical reaction between hydrogen and oxygen, and this water is accumulated in the anode electrode, so that the power generation performance is lowered.
そこで、発電性能が低下するのを防止するための技術として、水素を循環させる循環ルートにカソードオフガス配管に接続される分岐路を設け、アノードオフガスとカソードオフガスとを混合して希釈装置に導入することが行われている(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、従来の希釈装置では、燃料電池から排出された水素を一時的に滞留させるための滞留室や混合室を設け、さらに滞留室や混合室内で滞留させた水素をエアと混合させるとともに、エアと混合された水素を排出するための分岐配管が必要になり、構造が複雑になる。 However, in the conventional diluting device, a retention chamber and a mixing chamber for temporarily retaining hydrogen discharged from the fuel cell are provided, and the hydrogen retained in the retention chamber and the mixing chamber is mixed with air. Branch piping for discharging the mixed hydrogen is required, and the structure becomes complicated.
本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、簡単な構造で、高濃度の水素が排出されるのを防止することができる燃料電池の水素ガス希釈装置を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described conventional problems, and an object thereof is to provide a hydrogen gas diluting device for a fuel cell that can prevent high-concentration hydrogen from being discharged with a simple structure. .
本発明は、燃料電池から排出される水素を導入させる排出水素導入路と、液体を蓄える貯留タンクとを有し、前記排出水素導入路を前記貯留タンクの下部に接続し、前記貯留タンクの上部に前記水素を希釈する希釈ガスを導入させることを特徴とする。 The present invention has a discharge hydrogen introduction path for introducing hydrogen discharged from a fuel cell, and a storage tank for storing liquid, the discharge hydrogen introduction path is connected to a lower part of the storage tank, and an upper part of the storage tank And a diluent gas for diluting the hydrogen is introduced.
本発明によれば、液体中に水素を導入することにより、水素が液体によって分散されながら、その浮き上がり速度が抑制されるので、水素に時間遅れを生じさせて希釈ガスと混合させることができ、瞬間的に水素濃度が高まるのを抑えることができる。 According to the present invention, by introducing hydrogen into the liquid, the rising speed of the hydrogen is suppressed while being dispersed by the liquid, so that the hydrogen can be mixed with the diluent gas with a time delay, Instantaneous increase in hydrogen concentration can be suppressed.
また、前記液体は、水よりも比重の大きな液体であることが好ましい。これにより、燃料電池から水素とともに排出される水を比重差によって液体の表面に浮き上がらせて、希釈ガスとともに排出させることができる。 Further, the liquid is preferably a liquid having a specific gravity greater than that of water. Thereby, the water discharged together with hydrogen from the fuel cell can float on the surface of the liquid due to the difference in specific gravity, and can be discharged together with the dilution gas.
また、前記貯留タンク内には、邪魔板が設けられていてもよい。これにより、水素をさらに時間遅れで希釈ガスと混合させることが可能になり、高濃度水素の排出を防止できる。 A baffle plate may be provided in the storage tank. As a result, it becomes possible to mix the hydrogen with the diluent gas with a further time delay, and the discharge of high-concentration hydrogen can be prevented.
また、前記液体は、使用環境下において不凍、かつ、不揮発性のものであることが好ましい。これにより、低温環境下での長期間の使用にも耐えることが可能になる。 Moreover, it is preferable that the said liquid is non-freezing and a non-volatile thing in use environment. This makes it possible to withstand long-term use in a low temperature environment.
本発明の燃料電池の水素ガス希釈装置によれば、簡単な構造によって、水素が高濃度で排出されるのを防止することができる。 According to the hydrogen gas dilution device for a fuel cell of the present invention, it is possible to prevent hydrogen from being discharged at a high concentration with a simple structure.
(第1実施形態)
図1は第1実施形態の水素ガス希釈装置が設けられた燃料電池システムを示す構成図、図2は水素ガス希釈装置内を模式的に示す図である。
図1に示すように、第1実施形態の水素ガス希釈装置1Aが設けられた燃料電池システムF1は、燃料電池FC、アノード系10、カソード系20、制御部30などを備えて構成されている。
(First embodiment)
FIG. 1 is a configuration diagram showing a fuel cell system provided with the hydrogen gas dilution device of the first embodiment, and FIG. 2 is a diagram schematically showing the inside of the hydrogen gas dilution device.
As shown in FIG. 1, the fuel cell system F1 provided with the hydrogen gas diluting apparatus 1A of the first embodiment includes a fuel cell FC, an
前記燃料電池FCは、固体高分子型であるPEM(Proton Exchange Membrane)型の燃料電池であり、電解質膜の両面にアノード極とカソード極とを設けた膜電極構造体(MEA;Membrane Electrode Assembly)を、さらに一対の導電性のセパレータ(図示せず)で挟んで構成された単セルを、複数積層した構造を有している。 The fuel cell FC is a solid polymer type PEM (Proton Exchange Membrane) type fuel cell, and a membrane electrode assembly (MEA) having an anode electrode and a cathode electrode on both sides of an electrolyte membrane. And a plurality of unit cells each having a structure in which a cell is sandwiched between a pair of conductive separators (not shown).
前記アノード系10は、燃料電池FCのアノード極に水素を供給し且つアノード極から水素を排出するものであり、アノードガス配管a1、アノードオフガス配管a2、高圧水素タンク11、水素循環装置12、パージ弁13などを備えている。
The
前記アノードガス配管a1は、一端が燃料電池FCのアノード極の入口側に接続され、他端が高圧水素タンク11と接続されている。また、前記アノードオフガス配管a2は、その一端が燃料電池FCのアノード極の出口側に接続され、他端がパージ弁13に接続されている。
One end of the anode gas pipe a <b> 1 is connected to the inlet side of the anode electrode of the fuel cell FC, and the other end is connected to the high-
前記高圧水素タンク11は、例えば、高純度の水素を非常に高い圧力で蓄積可能な容器と、電磁式の遮断弁(図示せず)とを備えて構成されている。制御部30が、遮断弁を開弁することにより、アノードガス配管a1を介して燃料電池FCのアノード極に向けて水素が供給されるようになっている。
The high-
前記水素循環装置12は、燃料電池FCから排出された水素を再び燃料電池FCに戻して循環させるものであり、エゼクタ12aと循環配管12bとで構成されている。エゼクタ12aは、アノードガス配管a1に設けられ、循環配管12bの一端がエゼクタ12aと接続され、他端がアノードオフガス配管a2と接続されている。このように、水素循環装置12を設けて水素を循環させることにより、水素の無駄な使用などを防止できるようになっている。
The
前記パージ弁13は、アノードオフガス配管a2に、前記循環配管12bの他端よりも下流側に設けられている。このパージ弁13は、後記する制御部30によって、例えば定期的に開閉制御される。
The
前記カソード系20は、燃料電池FCのカソード極に酸化剤としてのエア(空気)を供給し且つカソード極からエアを排出するものであり、カソードガス配管c1、カソードオフガス配管c2、コンプレッサ21、加湿器(図示せず)などを備えている。
The
前記カソードガス配管c1は、一端が燃料電池FCのカソード極の入口側に接続され、他端がコンプレッサ21に接続されている。また、前記カソードオフガス配管c2は、一端が燃料電池FCのカソード極の出口側に接続され、他端が水素ガス希釈装置1Aを通って燃料電池システムF1の系外に通じている。
One end of the cathode gas pipe c <b> 1 is connected to the inlet side of the cathode electrode of the fuel cell FC, and the other end is connected to the
前記コンプレッサ21は、モータにより駆動されるスーパーチャージャ等からなり、図示しないフィルタを介してカソードガス配管c1にエアが導入される。前記加湿器は、コンプレッサ21の下流側に設けられ、コンプレッサ21からの空気を燃料電池FCでの発電に適した湿度に加湿するものである。この加湿器は、例えば、燃料電池FCのカソード極から排出されたカソードオフガス(加湿エア+生成水)によって、コンプレッサ21から導入された乾燥したエアを加湿する。
The
なお、前記燃料電池システムF1には、さらに図示しないラジエタや循環ポンプなどから構成された冷却系が設けられており、この冷却系により、燃料電池FCが発電に伴って発生した熱を大気中に放出するようになっている。 The fuel cell system F1 is further provided with a cooling system including a radiator and a circulation pump (not shown), and the cooling system causes heat generated by the fuel cell FC to generate power in the atmosphere. Released.
前記制御部30は、図示しないCPU、ROM、RAM、周辺回路、入出力インタフェース等から構成されており、図示しないセンサによって検出された各種の運転情報に基づいて、前記高圧水素タンク11に設けられた遮断弁(図示せず)、コンプレッサ21のモータの回転出力、パージ弁13の開閉動作などを制御する。
The
第1実施形態の水素ガス希釈装置1Aは、燃料電池FCの下流側に設けられ、貯留タンク2と排出水素導入配管3とを備えて構成されている。この排出水素導入配管3が、本発明での排出水素導入路に相当している。 The hydrogen gas diluting apparatus 1A of the first embodiment is provided on the downstream side of the fuel cell FC, and includes a storage tank 2 and a discharged hydrogen introduction pipe 3. This exhaust hydrogen introduction pipe 3 corresponds to the exhaust hydrogen introduction path in the present invention.
図2に示すように、前記貯留タンク2は、例えば筒状に形成され、その内部に液体Lが、貯留タンク2内の上部2aに所定の空間が形成される程度に貯められている。 As shown in FIG. 2, the storage tank 2 is formed in a cylindrical shape, for example, and the liquid L is stored therein so that a predetermined space is formed in the upper portion 2 a in the storage tank 2.
さらに、液体Lは、例えば、非極性、かつ、水よりも比重の大きな液体である。このような特性の液体を用いることで、水素とともに導入される水を、液体と水との比重差によって液体L中を浮上させることができる。 Furthermore, the liquid L is, for example, a nonpolar liquid having a specific gravity greater than that of water. By using a liquid having such characteristics, water introduced together with hydrogen can be floated in the liquid L due to a difference in specific gravity between the liquid and water.
ここでの液体Lとしては、前記した各特性を有するものであれば特に限定されるものではないが、例えば、エチレングリコールなどのグリコール類、グリセリンなどのアルコール類などを挙げることができる。なお、本発明の効果を損なわない範囲において、防錆剤などの各種の添加剤を使用できる。 The liquid L here is not particularly limited as long as it has the above-described characteristics, and examples thereof include glycols such as ethylene glycol and alcohols such as glycerin. In addition, various additives, such as a rust preventive agent, can be used in the range which does not impair the effect of this invention.
なお、液体Lは、システムの使用環境下において、不凍、かつ、不揮発性のものであってもよい。このような特性の液体を用いることで、寒冷地や冬季など低温環境下での長期間の使用にも耐えることができる。 Note that the liquid L may be non-freezing and non-volatile under the usage environment of the system. By using a liquid having such characteristics, it can withstand long-term use in a low-temperature environment such as a cold region or winter.
また、前記貯留タンク2には、カソードオフガス配管c2が、貯留タンク2の上部2aつまり貯留タンク2内の液体Lの表面よりも上側を通るように、貯留タンク2に接続されている。 The storage tank 2 is connected to the storage tank 2 so that the cathode offgas pipe c2 passes above the upper portion 2a of the storage tank 2, that is, the surface of the liquid L in the storage tank 2.
また、前記貯留タンク2内には、複数枚の邪魔板2c,2c,2cが設けられている。各邪魔板2cは、その上部と下部を完全に遮断するものではなく、部分的に上部と下部とが連通するような形状および配置となっている。なお、本実施形態の効果を損なわない範囲において、邪魔板2cの枚数、大きさ、傾き、間隔などは適宜変更することができる。
In the storage tank 2, a plurality of
前記排出水素導入配管3は、前記貯留タンク2とパージ弁13とを接続するものであり、貯留タンク2の下部2bつまり貯留タンク2の底部に近い側面にその先端が貯留タンク2内に突出するように接続されている。
The exhaust hydrogen introduction pipe 3 connects the storage tank 2 and the
次に、第1実施形態の水素ガス希釈装置1Aの動作について説明する。
燃料電池FCのアノード極に高圧水素タンク11から水素が、コンプレッサ21が運転されて、カソード極に空気がそれぞれ供給されると、水素と空気中の酸素とが電気化学反応することによって発電が行われる。発電された電力(発電電流)は、例えば燃料電池システムF1が車両に搭載されるものであれば、図示しない走行モータや補機などの負荷に供給される。ところで、燃料電池FCのアノード極では水素循環装置12によって水素が循環するように構成されているため、燃料電池FCの発電が継続されると、カソード極に供給された空気中に含まれる窒素が電解質膜を介してアノード極に透過し、また、カソード極において発電に伴って生成された水が電解質膜を介してアノード極に透過して、アノード極の水素濃度が低下する。その結果、燃料電池FCの発電性能が低下することがある。そこで、高圧水素タンク11から水素を供給しながら、制御部30からの制御によってパージ弁13を、例えば定期的(所定時間毎)に開閉することで、アノード極に蓄積した窒素などの不純物を排出するとともに新たな水素を導入することで、燃料電池FCの発電性能の低下を防止している。
Next, operation | movement of 1 A of hydrogen gas dilution apparatuses of 1st Embodiment is demonstrated.
When hydrogen is supplied from the high-
制御部30の制御によってパージ弁13が開弁すると、排出水素導入配管3を介して貯留タンク2内に、窒素などの不純物とともにアノード系10内の水素や水が導入される。貯留タンク2内に水素が導入されると、水素は、貯留タンク2内を、カソードオフガス配管c2に向けて浮き上がる。このとき、貯留タンク2内の液体Lは、水素の浮上を邪魔し、水素に対して時間遅れを生じさせながら貯留タンク2内を上昇させる。さらに、貯留タンク2に導入された水素は、複数の邪魔板2cによってその進路が邪魔されるので、一層時間遅れを生じながら浮き上がることとなる。液体Lの表面(上面)まで到達した水素は、液体Lから飛び出して、カソードオフガス配管c2を流通するカソードオフガス(希釈ガス)によって希釈された後に大気中へと排出される。このように、燃料電池FCのパージ時に排出された水素を、液体Lに流通させることによって、高濃度の水素が一気に放出されるのを防止することが可能になる。なお、邪魔板2cは、設置されない構成であってもよい。パージ終了後は、パージ弁13を閉じることにより、貯留タンク2内への水素や水の導入が停止される。
When the
また、液体Lを、非極性で水より比重の大きなものとすることにより、貯留タンク2内に導入された水も比重差で液体L中を浮上させることができるので、水素と同様にカソードオフガス配管c2を介して大気中へ排出できる。 In addition, by making the liquid L nonpolar and having a specific gravity greater than that of water, water introduced into the storage tank 2 can also float in the liquid L with a specific gravity difference. It can be discharged into the atmosphere via the pipe c2.
なお、燃料電池システムF1の運転停止後は、低温環境下での運転停止にも対応できるように、貯留タンク2内に残留している水の凍結に備えて、充分に排水して停止することが好ましい。 In addition, after the operation of the fuel cell system F1 is stopped, the fuel cell system F1 should be sufficiently drained and stopped in preparation for freezing of the water remaining in the storage tank 2 so as to cope with the operation stop in a low temperature environment. Is preferred.
(第2実施形態)
図3は第2実施形態の水素ガス希釈装置が設けられた燃料電池システムを示す構成図である。
第2実施形態の水素ガス希釈装置1Bは、カソードオフガス配管c2に、希釈ガスとして燃料電池FCに供給される前の乾燥したガスが供給されるように構成したものである。すなわち、第2実施形態での水素ガス希釈装置1Bは、前記燃料電池システムF1に、バイパス配管4と開閉弁5,6とを追加した構成となっている。なお、水素ガス稀釈装置1Bの構成は前記水素ガス希釈装置1Aと同様であり、またその他の構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。
(Second Embodiment)
FIG. 3 is a configuration diagram showing a fuel cell system provided with the hydrogen gas dilution device of the second embodiment.
The hydrogen gas diluting apparatus 1B of the second embodiment is configured such that a dry gas before being supplied to the fuel cell FC as a diluting gas is supplied to the cathode offgas pipe c2. That is, the hydrogen gas dilution device 1B in the second embodiment has a configuration in which a bypass pipe 4 and on-off
前記バイパス配管4は、その一端が燃料電池FCの上流側のカソードガス配管c1に接続され、他端が燃料電池FCの下流側のカソードオフガス配管c2に接続されている。なお、カソードガス配管c1に前記した加湿器が設けられている場合には、加湿器の上流側でカソードガス配管c1とバイパス配管4とが接続される。 One end of the bypass pipe 4 is connected to the cathode gas pipe c1 on the upstream side of the fuel cell FC, and the other end is connected to the cathode offgas pipe c2 on the downstream side of the fuel cell FC. When the humidifier described above is provided in the cathode gas pipe c1, the cathode gas pipe c1 and the bypass pipe 4 are connected on the upstream side of the humidifier.
前記開閉弁5は、カソードガス配管c1のバイパス配管4との接続部よりも下流側に、前記開閉弁6は、バイパス配管4にそれぞれ設けられている。各開閉弁5,6は、制御部30によって開閉制御される。
The on-off valve 5 is provided on the downstream side of the connection portion of the cathode gas pipe c1 with the bypass pipe 4, and the on-off
このように構成された水素ガス希釈装置1Bでは、燃料電池FCの発電中においては、制御部30によって、開閉弁5が開弁するとともに開閉弁6が閉弁するように制御されることで、パージ時に貯留タンク2に導入された水素が、カソードオフガス配管c2へ時間遅れをもって排出され、高濃度水素の排出を防止できる。
In the hydrogen gas dilution device 1B configured as described above, during the power generation of the fuel cell FC, the
また、前記水素ガス希釈装置1Bでは、燃料電池FCの発電停止時においては、コンプレッサ21を停止させる前に、開閉弁5が閉弁するとともに開閉弁6が開弁するように制御されることで、貯留タンク2を介してカソードオフガス配管c2へ水素とともに排出された水が、カソードオフガス配管c2を流通する希釈ガス(カソードオフガス)によって希釈される。このときの希釈ガスは、燃料電池FCを経ずにカソードオフガス配管c2に直接に導入された乾燥したガス(エア)であるので、貯留タンク2内に残留している水を気化させるなどして確実に排出することが可能になる。よって、燃料電池システムF1を寒冷地や冬季などの低温環境下において使用する場合に、貯留タンク2内に残留した水が凍結して、機器が破損するといった不都合を回避することができる。
In the hydrogen gas dilution device 1B, when the power generation of the fuel cell FC is stopped, the on-off valve 5 is controlled to be closed and the on-off
1A,1B 水素ガス希釈装置
2 貯留タンク
2c 邪魔板
3 排出水素導入配管(排出水素導入路)
FC 燃料電池
L 液体
1A, 1B Hydrogen gas diluting device 2
FC fuel cell L Liquid
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JP2008226759A (en) * | 2007-03-15 | 2008-09-25 | Toyota Motor Corp | Fuel cell system |
WO2008136518A1 (en) * | 2007-04-27 | 2008-11-13 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell system |
JP2009212050A (en) * | 2008-03-06 | 2009-09-17 | Toyota Industries Corp | Exhaust gas treatment device of fuel cell |
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2005
- 2005-07-07 JP JP2005198260A patent/JP2007018837A/en active Pending
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