JP2007242530A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池に燃料ガスと酸化剤ガスを供給して発電させる燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system that generates power by supplying fuel gas and oxidant gas to a fuel cell.
水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池においては、従来氷点下などの低温時の起動を正常に行うためには、ヒータなどの加熱手段を用いてシステム構成部品を暖めるというものが多い。 In a fuel cell that generates power by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, conventionally, in order to normally start at a low temperature such as below freezing point, a system component is often warmed using a heating means such as a heater.
ところが、この場合には加熱手段を別途設ける必要があることから、駆動電力が余計に必要となって、特に自動車などの移動体に燃料電池を搭載する場合には、コストや設置スペースなどを考慮すると採用が困難となる。 However, in this case, since it is necessary to provide a separate heating means, extra driving power is required, especially when a fuel cell is mounted on a moving body such as an automobile, in consideration of cost and installation space. Then, adoption becomes difficult.
ここで、上記した燃料電池システムの構成部品のうち、燃料電池に供給する反応ガス(水素や空気)の圧力を調整する調圧弁に着目すると、例えば、下記特許文献1によれば、氷点下などの低温時に調圧弁が凍結しないように、凍結しそうな状態であることを検知したときに、調圧弁の開度を所定開度以下にしないように制御するという方法がある。
しかしながら、上記した従来の燃料電池システムにおいては、発電が開始されてから水分を持った排出ガスが調圧弁に導入されると、流速が上がって圧力が低下するため、流路内面に霜付きが生じやすく、それが高じて弁の動作を遅くしたり、最悪凍結して弁を固着させ、調圧不能にするという問題がある。 However, in the conventional fuel cell system described above, when exhaust gas with moisture is introduced into the pressure regulating valve after power generation is started, the flow velocity increases and the pressure decreases, so that the inner surface of the flow channel is frosted. There is a problem that it is easy to occur and slows down the operation of the valve, or worst freezes to fix the valve and make the pressure adjustment impossible.
また、調圧弁の開度を所定開度以下にしないように制御していることから、調圧弁による圧力制御の範囲が制限されて燃料電池システムとして運転効率の低下を招くという問題も発生する。 In addition, since the pressure control valve is controlled so that the opening degree of the pressure regulation valve is not less than a predetermined opening degree, a range of pressure control by the pressure regulation valve is limited, which causes a problem that the operation efficiency of the fuel cell system is reduced.
そこで、本発明は、燃料電池システムとして運転効率の低下を防止しつつ、調圧弁の低温時での作動不良を防止することを目的としている。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to prevent a malfunction of a pressure regulating valve at a low temperature while preventing a decrease in operating efficiency as a fuel cell system.
本発明は、燃料電池に燃料ガスと酸化剤ガスを供給して発電させる燃料電池システムにおいて、前記燃料電池に圧縮機から酸化剤ガスを含む空気を供給する空気供給通路および、前記燃料電池から排出空気が流れる空気排出通路をそれぞれ設けるとともに、前記空気排出通路に空気の圧力を調整する調圧弁を設け、この調圧弁に前記空気供給通路から前記圧縮空気を供給する調圧弁用空気供給通路を接続して設けたことを最も主要な特徴とする。 The present invention provides a fuel cell system in which fuel gas and oxidant gas are supplied to a fuel cell to generate power, an air supply passage for supplying air containing oxidant gas from a compressor to the fuel cell, and exhaust from the fuel cell Each air discharge passage through which air flows is provided, and a pressure regulating valve for adjusting the pressure of the air is provided in the air discharge passage, and a pressure regulating valve air supply passage for supplying the compressed air from the air supply passage is connected to the pressure regulating valve. The most important feature is that
本発明によれば、燃料電池の空気排出通路に設けた調圧弁には、圧縮機を出て温度が高く、乾燥した空気が直接供給できるので、別途加熱手段を設けることなく、調圧弁の霜付や凍結などに起因する低温時での作動不良を防止して低温始動性を高めることができ、この際、調圧弁の開度を制限する必要がないので、燃料電池システムとして運転効率の低下を回避することができる。 According to the present invention, the pressure regulating valve provided in the air discharge passage of the fuel cell has a high temperature and can be supplied with dry air directly from the compressor, so that the frost of the pressure regulating valve can be provided without any additional heating means. It is possible to improve the low temperature startability by preventing malfunction at low temperature due to sticking or freezing, etc. At this time, it is not necessary to limit the opening of the pressure regulating valve, so the operating efficiency of the fuel cell system is reduced Can be avoided.
また、燃料電池をアイドル運転時のような低負荷で運転する際、圧縮機をあまり低回転で運転することは効率が悪いため、ある程度回転を維持したまま燃料電池に空気を供給すると、燃料電池が乾燥して発電性能が落ちてしまう可能性がある。このような場合であっても、低負荷時にて余剰となる空気を、調圧弁用空気供給通路を経て調圧弁に供給すれば、燃料電池の発電性能を維持したまま、圧縮機の効率も落とさず運転することができる。 Also, when operating the fuel cell at a low load such as during idle operation, it is inefficient to operate the compressor at a very low speed, so if air is supplied to the fuel cell while maintaining a certain degree of rotation, the fuel cell May dry out and power generation performance may drop. Even in such a case, if the excess air at low load is supplied to the pressure regulating valve via the pressure regulating valve air supply passage, the efficiency of the compressor is reduced while maintaining the power generation performance of the fuel cell. You can drive without stopping.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の第1の実施形態に係わる燃料電池システムを示す全体構成図である。燃料電池1に対し、図示しない水素タンクなどの燃料供給源から燃料ガスである水素ガスが、水素供給通路3に設けた水素調圧弁5を通して供給され、燃料電池1から排出される排出水素ガスは、水素循環通路7に設けた水素循環装置9を通して水素調圧弁5の下流に戻され、これにより水素循環系を構成している。
FIG. 1 is an overall configuration diagram showing a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention. Hydrogen gas, which is a fuel gas, is supplied to the
水素循環通路7の水素循環装置9より下流には、燃料ガス排出通路となるパージ配管11を接続し、このパージ配管11に設けたパージ弁13を通して、後述する空気排出通路15に循環水素の一部を流す。
A
一方、空気は、圧縮機17から空気供給通路19に設けた加湿装置21を通って燃料電池1に供給され、燃料電池1から排出される排出空気は前記した空気排出通路15を通って外部に排出される。空気排出通路15には、燃料電池1側から前記した加湿装置21および調圧弁23をそれぞれ設置している。この調圧弁23の下流に、前記したパージ配管11を接続している。
On the other hand, the air is supplied from the
加湿装置21では、空気排出通路15を流れる排出空気中の水分により、空気供給通路19を流れる乾燥した空気を加湿し、この加湿空気を燃料電池1に供給することで、燃料電池1の構成部品である固体高分子電解質膜を湿潤状態に確保する。
In the
圧縮機17と加湿装置21との間の空気供給通路19には、燃料電池1をパイパスして空気が流れる空気バイパス通路25の一端を上流側に、燃料電池1を収容する燃料電池ケース27内に空気を供給する換気入口通路29の一端を、下流側にそれぞれ接続する。これら空気バイパス通路25および換気入口通路29には、通路開閉手段としてのバイパス弁31および換気弁33をそれぞれ設置する。
In the
そして、上記した空気バイパス通路25の他端を、調圧弁23に接続する。また、燃料電池ケース27には、上記した換気入口通路29の他端を接続するとともに、換気出口通路35の一端を接続し、換気出口通路35の他端を調圧弁23に接続する。この換気出口通路35と換気入口通路29とで換気通路37を構成している。また、換気通路37および空気バイパス通路25は、調圧弁用空気供給通路を構成している。
Then, the other end of the
調圧弁23より下流の空気排出通路15には、燃料ガス濃度検出手段としての水素濃度センサ39を設置し、水素濃度センサ39が検出する水素濃度が、所定値以下になっているか否かを、制御手段としての制御装置41が監視している。
A
図2(a)は調圧弁23の簡略化した断面図で、図2(b)は図2(a)のA−A線断面に対応する断面図である。ただし、図2(a)と図2(b)とでは、調圧弁23の開度を異ならせている。
2A is a simplified cross-sectional view of the
上記した調圧弁23は、円筒形状のハウジング43内に、その通路壁に対して回転可能な軸部45と、この軸部45に設けられて内部の通路、すなわち空気供給通路15を開閉する弁体47とを備えている。
The
ハウジング43は、軸部45および弁体47より図2中で右側の上流側を二重管構造として、環状の空気供給空間49を備えるとともに、空気供給空間49より下流側には、空気供給空間49に連続する空気流出空間51を備えている。これら空気供給空間49および空気流出空間51により空気導入通路53を構成している。
The
上記した空気供給空間49および空気流出空間51からなる空気導入通路53の形状を図3に斜視図として示す。図3に示すように、空気流出空間51は、円周方向の相互に対向する2箇所にて、空気供給空間49の下流側端部からさらに下流に向けて延長し、その下流端に空気流出口55を設けている。
The shape of the
一方、空気供給空間49の上記した空気流出空間51とは円周方向に沿って90度隔てた相互に対向する位置に、空気流入口57を設け、この各空気流入口57に前記した空気バイパス通路25および換気出口通路35をそれぞれ接続する。
On the other hand,
上記した構成の燃料電池システムによれば、水素調圧弁5にて調圧された水素が水素供給通路3を通って燃料電池1に供給されるとともに、圧縮機17で圧縮された空気が加湿装置21にて加湿されて燃料電池1に供給され、これにより燃料電池1が発電する。
According to the fuel cell system having the above-described configuration, the hydrogen regulated by the hydrogen regulating valve 5 is supplied to the
この際、燃料電池1から排出される排出水素ガスは、水素循環装置9により水素循環通路7を通って水素供給通路3に戻され再度燃料電池1に供給される。一方、燃料電池1の運転状態に応じてパージ弁13が開いたときに、排出水素ガスの一部がパージ配管11を通って調圧弁23下流の空気排出通路15に流れ込む。
At this time, the discharged hydrogen gas discharged from the
一方、燃料電池1から排出される排出空気は、加湿装置21にて空気供給通路19を流れる乾燥した空気を加湿し、調圧弁23にて調圧された後、システム外に放出される。
On the other hand, the exhausted air discharged from the
また、空気供給通路19から換気入口通路29に流れる換気空気は、常に一定開度で開いている換気弁33を通して燃料電池ケース27内に流入し、燃料電池ケース27内において、燃料電池1から僅かに透過して燃料電池ケース27内空間に漏れ出た微量な水素が滞留し、その濃度が高くならないように希釈して燃料電池ケース27外に放出される。
Further, the ventilation air flowing from the
そして、この希釈後の空気は、換気出口通路35を通って調圧弁23に供給されるとともに、空気供給通路19から空気バイパス通路25に流れる空気が、そのときの運転状態に応じて開度が調整されるバイパス弁31を通って調圧弁23に供給される。
The diluted air is supplied to the
空気バイパス通路25に流れる空気および換気出口通路35を流れる空気が、上記のように調圧弁23に供給される際には、図2,図3に示すように、環状の空気供給空間49に空気流入口57を通して流入した後、空気流出空間51を経て空気流出口55から、軸部45の通路壁近傍の端部に向けて流出する。
When the air flowing through the
ここで、上記したような、いわゆるバタフライ弁型の調圧弁23において、図2(b)に示すように軸部45近傍の弁体47と通路壁面との隙間が一番小さく流速が高いため、圧力が下がって温度も下がり、低温起動時にハウジング43が冷え切った状態で水分を持った排出空気が導入されると、従来では、図4に示すように、軸部45近傍の通路壁面周辺で霜59が付着しやすく、これが高じると、霜59を掻き取るように弁体47が動くことによって霜59が堆積し、霜59と弁体47との摩擦で動作が遅くなったり、最悪凍結して固着してしまう場合がある。
Here, in the so-called butterfly valve type
しかしながら、本実施形態においては、上記のように軸部45の通路壁近傍の端部に、圧縮機17を出て温度が高く、乾燥している空気を供給するので、上記したような霜59の付着を防止し、スムーズな低温起動を実施できる。この際、本実施形態では、調圧弁23の開度を制限する必要がないので、燃料電池システムとして運転効率の低下を回避することができる。
However, in the present embodiment, the
また、燃料電池システムにおけるアイドル運転のような低負荷で運転する際に、圧縮機17をあまり低回転で運転することは効率が悪いため、ある程度回転を維持したまま燃料電池1に空気を供給すると、燃料電池1が乾燥して発電性能が落ちてしまう問題が発生する。そこで、低負荷時にて余剰となる空気を、バイパス弁31を用いて燃料電池1をバイパスさせることで、燃料電池1の発電性能を維持したまま、圧縮機17の効率も落とさず運転することができるという効果もある。
Further, when operating at a low load such as an idle operation in the fuel cell system, it is inefficient to operate the
図5は、燃料電池システムの負荷とバイパス弁31の開度との関係を示しており、これによれば、調圧弁23内にて霜の発生や凍結の発生しやすい低温時には、破線で示すように、低負荷時にバイパス弁31を負荷Lとなるまでの一定期間だけ全開として調圧弁23に供給する空気を多くし、その後の負荷の増大とともにバイパス弁31の開度を徐々に小さくしていく。これにより、霜の発生や凍結の発生を防止しつつ、燃料電池システムの運転効率を所望に維持することができる。
FIG. 5 shows the relationship between the load of the fuel cell system and the opening degree of the
一方、温度が高まる通常の発電時には、霜の発生や凍結の発生の恐れがないことから、実線で示すように、運転開始から負荷の増大とともにバイパス弁31の開度を全開から徐々に小さくする。この際、低負荷では圧縮機17の効率を維持できる回転数のまま、燃料電池1に負荷に応じた必要な空気が供給されるようにバイパス弁31の開度を設定する。
On the other hand, during normal power generation when the temperature rises, there is no risk of frost or freezing. Therefore, as shown by the solid line, the opening of the
また、上記した実施形態によれば、霜の発生しやすい軸部45の端部近傍に集中して温度の高い乾燥空気を導入することにより、効率的に調圧弁23の動作不良を防止できる。
In addition, according to the above-described embodiment, it is possible to efficiently prevent malfunction of the
また、空気バイパス通路25を流れる空気に加えて、換気通路37を流れる空気をも調圧弁23に供給しているので、温度の高い空気の量が増し、調圧弁23の動作不良を防止する効果をより高めることができる。
In addition to the air flowing through the
なお、換気弁33は、基本的には通常発電でも低温起動においても、常に一定開度で開いており、特に開度を制御する必要がないため、オリフィスを用いたり、配管そのものの径を適切に選択すれば、省略しても特に問題はない。
Note that the
図6(a)は、本発明の第2の実施形態を示す調圧弁23Aの、前記図2(a)に対応する断面図で、図6(b)は図6(a)のB−B線断面に対応する断面図である。ただし、図6(a)と図6(b)とでは、調圧弁23Aの開度を異ならせている。
FIG. 6A is a cross-sectional view corresponding to FIG. 2A of a
上記した調圧弁23Aは、前記図2に示した調圧弁23と同様に、円筒形状のハウジング43A内に、その通路壁に対して回転可能な軸部45と、この軸部45に設けられて内部の通路、すなわち空気供給通路15を開閉する弁体47とを備えている。
Like the
ハウジング43Aは、軸部45および弁体47より図6中で右側の上流側を二重管構造とし、環状の空気供給空間61を備えている。空気供給空間61の上流側端部の外周には、前記した空気バイパス通路25を流れる空気を、空気供給空間61内に導入するバイパス空気流入口63と、換気出口通路35を流れる換気空気を、空気供給空間61内に導入する換気空気流入口65とをそれぞれ接続する。
The
これらバイパス空気流入口63および換気空気流入口65は、空気供給空間61内に流入した空気が、図7の矢印で示すように円周方向に沿って螺旋状に流れるように、上流側端部付近において、通路の下流に向かい、かつ通路の軸線に対して傾斜するよう接続する。
The
また、空気供給空間61の下流側の端部は、全周にわたり開口し、空気流出口67となっている。
Further, the downstream end of the
上記した空気供給空間61と、バイパス空気流入口63および換気空気流入口65と、空気流出口67とで空気導入通路を構成している。
The
上記図6,図7に示した第2の実施形態においては、バイパス空気流入口63および換気空気流入口65からバイパス空気および換気空気が、空気供給空間61に流入し、空気流出口67から流出した後は通路内面に沿って流れつつ弁体47の周囲に向けて流れる。
In the second embodiment shown in FIGS. 6 and 7, the bypass air and the ventilation air flow into the
これにより、第1の実施形態と同様に、軸部45の通路壁近傍の端部に、圧縮機17を出て温度が高く、乾燥している空気を供給することになるので、前記図4に示したような霜59の付着を防止し、スムーズな低温起動を実施できる。
As a result, as in the first embodiment, air that is high in temperature and dried out of the
また、第2の実施形態では、空気供給空間61に流入したバイパス空気および換気空気が円周方向に沿って螺旋状に流れるので、ハウジング43A自体をこれら導入した温度の高い乾燥空気によって暖め、また空気流出口67から流出した乾燥空気が通路内面に沿って層を形成し、この空気層により排出空気が直接通路内面に触れないようにするため、より効果的に霜の付着および凍結を防止することができる。
In the second embodiment, since the bypass air and the ventilation air that have flowed into the
さらに、通常発電時には多量に水蒸気を含んだ排出空気が調圧弁23に導入されるが、空気バイパス通路25を通しての温度の高い乾燥空気導入により、軸部45や弁体47およびハウジング43Aでの水蒸気の凝縮を防止し、液水が溜まることによる調圧不良も防止できる。このような効果は第1の実施形態においても同様に発生する。
Further, during normal power generation, exhaust air containing a large amount of water vapor is introduced into the
なお、上記した第2の実施形態においては、バイパス空気流入口63および換気空気流入口65の空気供給空間61への空気導入角度によって、空気供給空間61内に螺旋状に回転する空気流を発生させているが、例えば、空気供給空間61内に螺旋状に回転する空気流が発生するように空気流れを整流する導風板を、空気供給空間61内に取り付けてもよい。
In the second embodiment described above, a spirally rotating air flow is generated in the
図8は、換気弁33の開度動作の一例を示した説明図である。この例は、換気弁33を、開度調整可能な弁とし、通常発電時は実線で示すように開度一定とし、低温起動時には、破線で示すように、開度を大きくし、負荷の増大とともに開度を徐々に小さくする。これにより、低温起動時の低負荷時には、空気バイパス通路25による空気の導入に加え、さらに多量の温度の高い乾燥空気を調圧弁23に導入できるため、より効率的に凍結防止が可能となる。
FIG. 8 is an explanatory view showing an example of the opening operation of the
また、通常所定濃度以上であった場合の警告をするだけの目的で設置されている水素濃度センサ39を使用し、開度調整可能なバイパス31弁および換気弁33を用いて、水素濃度センサ39で検知した水素濃度に応じてこれらバイパス弁31および換気弁33の開度を、制御装置41が変化させることで、より運転領域を広げることが可能となる。
Further, a
例えば、所定の水素濃度以上を検知した場合、バイパス弁31および換気弁33の開度が全開でなく、かつ燃料電池1への運転に必要な供給空気量を維持できる範囲で、バイパス弁31および換気弁33の開度を大きくすることで、空気排出通路15内の水素濃度を下げることができ、運転を継続できる時間をより長くすることができる。
For example, when a predetermined hydrogen concentration or more is detected, the
1 燃料電池
11 パージ配管(燃料ガス排出通路)
15 空気排出通路
17 圧縮機
19 空気供給通路
23 空気の圧力を調整する調圧弁
25 空気バイパス通路(調圧弁用空気供給通路)
31 バイパス弁(通路開閉手段)
33 換気弁(通路開閉手段)
37 換気通路(調圧弁用空気供給通路)
39 水素濃度センサ(燃料ガス濃度検出手段)
41 制御装置(制御手段)
43,43A 調圧弁のハウジング
45 調圧弁の軸部
47 調圧弁の弁体
49 空気供給空間(空気導入通路)
51 空気流出空間(空気導入通路)
53 空気導入通路
55 空気流出空間の空気流出口(流出口)
61 空気供給空間(空気導入通路)
63 バイパス空気流入口(空気導入通路,流入口)
65 換気空気流入口(空気導入通路,流入口)
67 空気流出口(空気導入通路,流出口)
1
DESCRIPTION OF
31 Bypass valve (passage opening / closing means)
33 Ventilation valve (passage opening / closing means)
37 Ventilation passage (Air supply passage for pressure regulating valve)
39 Hydrogen concentration sensor (fuel gas concentration detection means)
41 Control device (control means)
43, 43A Pressure regulating
51 Air outflow space (air introduction passage)
53
61 Air supply space (air introduction passage)
63 Bypass air inlet (air introduction passage, inlet)
65 Ventilation air inlet (air introduction passage, inlet)
67 Air outlet (air introduction passage, outlet)
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