JP2007335382A - Fuel supplying method for fuel cell system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel supplying method for a fuel cell system which can supply fuel without damaging a fuel cell and can efficiently discharge purge gas in a fuel passage to replace it with fuel. <P>SOLUTION: The fuel supplying method for the fuel cell system comprising a fuel cell, a fuel container for supplying fuel to the fuel cell, and a fuel passage with a purge valve includes a step of opening the purge valve before beginning of supply of the fuel from the fuel container to the fuel cell, and a step of closing the opened purge valve after beginning of supply of the fuel. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池システムにおける燃料供給方法に関するものである。   The present invention relates to a fuel supply method in a fuel cell system.

従来燃料電池は、様々なタイプのものが研究・開発されてきた。中でも、固体高分子形燃料電池は、運転温度が比較的低いこと、電解質が高分子膜であるため扱いやすいこと、等の理由から車載用や家庭用の発電装置として、広く研究開発が行なわれている。
固体高分子形燃料電池は、電解質に高分子電解質膜を用い、両側に触媒電極層を備えた膜電極接合体に対し、一方の触媒電極層（アノード）に燃料（水素など）を、もう一方の触媒電極層（カソード）に酸化剤（空気など）を供給することで発電が行なわれる。その際、生成物として水が発生する。アノード、および、カソードでの反応式は、以下の通りである。
アノード：Ｈ2 → ２Ｈ+ ＋２ｅ-
カソード：１／２ Ｏ2 ＋２Ｈ+＋２ｅ- → Ｈ2Ｏ
一組の膜電極接合体の理論電圧は１．２３Ｖ程度で、通常の運転状態においては、一般的に０．７Ｖ程度で使用される。
そのため、より高い電圧が必要な場合や、高出力密度が必要な場合には、複数のセルを積層し、各燃料電池セルを電気的に直列に接続する場合が多い。
このような積層構造は燃料電池スタックと呼ばれ、通常、スタック内では、酸化剤流路と燃料流路は、セパレータと呼ばれる部材によって、隔離されている。 Conventionally, various types of fuel cells have been researched and developed. In particular, polymer electrolyte fuel cells have been widely researched and developed as in-vehicle and household power generators because of their relatively low operating temperature and ease of handling because the electrolyte is a polymer membrane. ing.
A polymer electrolyte fuel cell uses a polymer electrolyte membrane as an electrolyte and has a catalyst electrode layer (anode) with fuel (hydrogen, etc.) for one membrane electrode assembly and a catalyst electrode layer on both sides. Electricity is generated by supplying an oxidant (such as air) to the catalyst electrode layer (cathode). At that time, water is generated as a product. The reaction formulas at the anode and the cathode are as follows.
Anode: H 2 → 2H + + 2e −
Cathode: 1/2 O 2 + 2H + + 2e − → H 2 O
The theoretical voltage of a set of membrane electrode assemblies is about 1.23V, and in a normal operation state, it is generally used at about 0.7V.
Therefore, when a higher voltage is required or when a high power density is required, a plurality of cells are often stacked and the fuel cells are electrically connected in series in many cases.
Such a laminated structure is called a fuel cell stack. Usually, in the stack, the oxidant flow path and the fuel flow path are separated by a member called a separator.

燃料電池の停止時においては、外部負荷への電力供給は遮断されるが、固体高分子形燃料電池に使用される電解質膜は、燃料や酸化剤を微量ながら透過するため、クロスリークが発生し、残留ガスは徐々に反応によって消費される。
このような反応は、燃料電池の劣化を引き起こす要因として知られている。
このような劣化を防ぐため、例えば、特許文献１のように、燃料電池停止時に、燃料、または、酸化剤を不活性ガスでパージする方法が提案されている。
このような方法を用いた場合、燃料電池の始動時には、系内は不活性ガスで満たされている。また、上記パージ手段を用いない場合においても、酸化剤に空気を用いる場合においては、空気中の窒素が、電解質膜を透過して、燃料流路内に蓄積される。
このようにして、不活性ガスが燃料電池系内に存在していると、燃料電池の始動時に、反応が起こりにくく、起動に時間がかかってしまうという場合がある。 When the fuel cell is stopped, the power supply to the external load is cut off. However, the electrolyte membrane used in the polymer electrolyte fuel cell permeates a small amount of fuel and oxidant, so that cross leakage occurs. Residual gas is gradually consumed by the reaction.
Such a reaction is known as a factor causing deterioration of the fuel cell.
In order to prevent such deterioration, for example, as in Patent Document 1, a method of purging fuel or oxidant with an inert gas when the fuel cell is stopped has been proposed.
When such a method is used, the interior of the system is filled with an inert gas when the fuel cell is started. Even when the purge means is not used, when air is used as the oxidant, nitrogen in the air permeates the electrolyte membrane and accumulates in the fuel flow path.
In this way, if the inert gas is present in the fuel cell system, the reaction is unlikely to occur when the fuel cell is started, and it may take time to start.

そこで、特許文献２のように、パージ弁によって燃料ガス循環流路から循環燃料ガスを排出する燃料電池システムの起動方法が提案されている。
この方法での燃料電池システムでは、燃料ガス（例えば、実施形態における水素ガス）と空気中の酸素ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、前記燃料電池と接続された燃料ガス排出流路を燃料ガス供給流路に合流させる燃料ガス循環流路を備えている。さらに、燃料ガス循環流路から循環燃料ガスを排出するパージ弁を備えている。
そして、この燃料電池システムの起動方法に際し、前記燃料電池に燃料ガスを供給すると共に前記パージ弁を開作動させ、前記燃料ガス循環流路の窒素ガスが燃料ガスで置換された後に、前記パージ弁を閉作動させるように構成されている。 Therefore, as disclosed in Patent Document 2, a method for starting a fuel cell system in which the circulating fuel gas is discharged from the fuel gas circulation flow path by a purge valve has been proposed.
In the fuel cell system according to this method, a fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between a fuel gas (for example, hydrogen gas in the embodiment) and oxygen gas in the air, and a fuel gas discharge flow connected to the fuel cell. A fuel gas circulation passage for joining the passage to the fuel gas supply passage is provided. Further, a purge valve for discharging the circulating fuel gas from the fuel gas circulation passage is provided.
In the starting method of the fuel cell system, after supplying the fuel gas to the fuel cell and opening the purge valve, the nitrogen gas in the fuel gas circulation passage is replaced with the fuel gas, and then the purge valve Is configured to be closed.

一方、小型の電気機器を持ち運んで使用するためには、種々の一次電池、二次電池が使用されてきた。
しかし、最近の小型電気機器の高性能化に伴い、消費電力が大きくなり、一次電池では、小型軽量で、十分なエネルギーを供給できなくなっている。
また、二次電池においては、繰り返し充電して使用できるという利点はあるものの、一回の充電で使用できるエネルギーは一次電池よりも更に少ない。
そして、二次電池の充電の為には、別の電源が必要である上、充電には通常数十分から数時間かかり、いつでもどこでもすぐに使用できる様にするということは困難である。
今後、電気機器のますますの小型、軽量化が進み、ワイヤレスのネットワーク環境が整うことにより、機器を持ち運んで使用する傾向が高まる中で、従来の一次電池、二次電池では機器の駆動に十分なエネルギーを供給することは困難である。 On the other hand, various primary batteries and secondary batteries have been used to carry and use small electric devices.
However, with recent high performance of small electric devices, power consumption has increased, and primary batteries are small and light and cannot supply sufficient energy.
In addition, although the secondary battery has an advantage that it can be repeatedly charged and used, the energy that can be used in one charge is much less than that of the primary battery.
In order to charge the secondary battery, another power source is required, and charging usually takes several tens of minutes to several hours, and it is difficult to immediately use it anytime and anywhere.
In the future, as electric devices become increasingly smaller and lighter, and the wireless network environment is in place, the tendency to carry and use devices will increase. Conventional primary and secondary batteries are sufficient to drive devices. It is difficult to supply a large amount of energy.

このような問題の解決策として、小型の燃料電池が注目されている。これは、燃料電池が小型電気機器の駆動源として有用な理由に体積当たり、重量当たりの供給可能なエネルギー量が従来の電池に比べて、数倍から十倍近くであるためである。
さらに、燃料のみを交換すれば連続して使用が可能であるため、他の二次電池の様に充電に時間がかかることもない。
燃料電池には、様々な方式のものが発明されているが、小型電気機器、とりわけ持ち運びして使用する機器に対しては、固体高分子形燃料電池が適している。
これは、常温に近い温度で使用でき、また、電解質が液体ではなく固体であるので、安全に持ち運べるという利点を有しているためである。 As a solution to such a problem, a small fuel cell has attracted attention. This is because a fuel cell is useful as a drive source for a small electric device because the amount of energy that can be supplied per volume and per weight is several to ten times that of a conventional battery.
Furthermore, since it can be used continuously if only the fuel is replaced, it does not take time to charge unlike other secondary batteries.
Although various types of fuel cells have been invented, solid polymer fuel cells are suitable for small electric devices, especially devices that are carried and used.
This is because it can be used at a temperature close to room temperature, and since the electrolyte is a solid rather than a liquid, it has the advantage that it can be safely carried.

小型電気機器用の燃料電池の燃料としては、従来メタノールが検討されてきた。これは、メタノールが保存しやすく、また入手しやすい燃料であることが主な理由である。
また、大きな出力を得るための燃料電池には、水素を燃料に使用するのが効果的である。
水素を蓄える方法としては、気体のままタンクに貯蔵したり、水素吸蔵合金などの吸蔵材料を充填したタンクを使用することができる。
燃料電池に使用される高分子電解質膜は、機械的強度を保ち、また、燃料が透過しないようにするために通常５０〜１００μｍ程度の厚さのものが使用される。これらの固体高分子電解質膜の強度は３００〜５００ｋＰａ（３〜５ｋｇ／ｃｍ2）程度である。
従って、差圧による膜の破断を防ぐためには、燃料電池の酸化剤極室と燃料極室との差圧が、平常時には５０ｋＰａ（０．５ｋｇ／ｃｍ2）、非常時でも１００ｋＰａ（１ｋｇ／ｃｍ2）以下になるように制御することが好ましい。
そこで、燃料極室内の圧力が上記圧力より高くなった場合、高分子電解質の破断を避けるため、極室内の圧力を下げる必要がある。
特許文献３においては、燃料電池の燃料流路に安全弁を備え、流路内が設定圧力より高くなった場合に、燃料ガスを外部に排出することにより、システムの破損を防ぐ機構が開示されている。 Conventionally, methanol has been studied as a fuel for fuel cells for small electrical devices. This is mainly due to the fact that methanol is a fuel that is easily stored and easily available.
In addition, it is effective to use hydrogen as a fuel for a fuel cell for obtaining a large output.
As a method for storing hydrogen, it is possible to use a tank filled with a storage material such as a hydrogen storage alloy or stored in a tank as a gas.
The polymer electrolyte membrane used in the fuel cell is usually about 50 to 100 μm thick in order to maintain mechanical strength and prevent the permeation of fuel. The strength of these solid polymer electrolyte membranes is about 300 to 500 kPa (3 to 5 kg / cm 2 ).
Therefore, in order to prevent the membrane from being broken by the differential pressure, the differential pressure between the oxidant electrode chamber and the fuel electrode chamber of the fuel cell is 50 kPa (0.5 kg / cm 2 ) in normal times and 100 kPa (1 kg / cm 2 ) even in an emergency. 2 ) It is preferable to control so that it becomes the following.
Therefore, when the pressure in the fuel electrode chamber becomes higher than the above pressure, it is necessary to reduce the pressure in the electrode chamber in order to avoid breakage of the polymer electrolyte.
Patent Document 3 discloses a mechanism for preventing a system from being damaged by providing a safety valve in a fuel flow path of a fuel cell and discharging fuel gas to the outside when the flow path becomes higher than a set pressure. Yes.

また、大型の燃料電池システムにおいては、燃料は発電で消費される以上の量を供給、循環させている場合が多いのに対し、小型電気器向け燃料電池では、燃料流路をデッドエンドにして、消費される量のみを補充する方式を用いる場合が多い。
ただし、この場合には、燃料流路中に水蒸気や窒素などの不純物が蓄積され、時間とともに発電特性が低下する問題が指摘されている。
そのため、従来においては、流路中にパージバルブを設けて、定期的にパージ動作が行なわれていた。特に、特許文献４においては、デッドエンド型の小型燃料電池において、アクティブなパージバルブを使用せずに、パッシブな機構で燃料流路のパージを行ない、発電特性の低下を防ぐ技術が開示されている。
特開平７−２７２７４０号公報 特開２００４−１９３１０７号公報 特開平１０−２８４０９８号公報 米国特許第００６４２３４３７号明細書 Also, in large fuel cell systems, fuel is often supplied and circulated in excess of the amount consumed by power generation, whereas in fuel cells for small electrical appliances, the fuel flow path is set to the dead end. In many cases, a method of replenishing only the amount consumed is used.
However, in this case, it has been pointed out that impurities such as water vapor and nitrogen accumulate in the fuel flow path, and the power generation characteristics deteriorate with time.
Therefore, conventionally, a purge valve is provided in the flow path, and the purge operation is performed periodically. In particular, Patent Document 4 discloses a technique for preventing a decrease in power generation characteristics by purging a fuel flow path with a passive mechanism without using an active purge valve in a dead-end type small fuel cell. .
JP-A-7-272740 JP 2004-193107 A Japanese Patent Laid-Open No. 10-284098 U.S. Pat. No. 006423437

しかしながら、上記した従来の不活性ガスを用いたパージ手段による燃料電池システムの燃料供給方法においては、つぎのような問題を有していた。
すなわち、燃料タンク内の圧力は、燃料の充填条件、燃料タンクの温度などにより、変動し、燃料供給開始時に、高い圧力となっている場合がある。
このような時に、燃料電池への燃料供給が開始されると、燃料電池へ大きな負荷がかかり、破損の要因となる可能性がある。
このため、燃料流路内の燃料タンクと燃料電池セルとの間に、圧力供給弁を設けることによって、このような影響を緩和することができるが、弁の応答性によっては、燃料供給時の圧力上昇速度に対応しきれない場合が生じる。
これらは、例えば上記従来例の特許文献３のように、燃料流路内に安全弁を用いる場合においても同様であり、弁の応答性が遅い場合に燃料供給時の初期圧力上昇速度に対応しきれない場合が生じる。
それだけではなく、このような安全弁の開閉は、流路内の圧力のみに応じて行なわれ、パージガスである不活性ガスを追い出すために設計されたものではないことから、弁の仕様や流路内の圧力によっては、十分に不活性ガスが追い出しきれない場合が生じる。 However, the conventional fuel supply method of the fuel cell system using the purge means using an inert gas has the following problems.
That is, the pressure in the fuel tank varies depending on the fuel filling conditions, the temperature of the fuel tank, and the like, and may be high at the start of fuel supply.
In such a case, if fuel supply to the fuel cell is started, a large load is applied to the fuel cell, which may cause damage.
For this reason, by providing a pressure supply valve between the fuel tank and the fuel cell in the fuel flow path, such an influence can be mitigated, but depending on the responsiveness of the valve, There may be cases where the pressure rise speed cannot be accommodated.
The same applies to the case where a safety valve is used in the fuel flow path as in, for example, Patent Document 3 of the above-described conventional example. If the valve responsiveness is slow, it can fully correspond to the initial pressure increase rate at the time of fuel supply. There may be no cases.
In addition, the opening and closing of such a safety valve is performed only according to the pressure in the flow path, and is not designed to expel the inert gas that is a purge gas. Depending on the pressure, the inert gas may not be driven out sufficiently.

本発明は、上記課題に鑑み、燃料電池を破損することなく燃料の供給を行なうことができ、燃料流路内のパージガスを効率よく排出して燃料と置換することが可能となる燃料電池システムにおける燃料供給方法を提供することを目的とするものである。   In view of the above problems, the present invention provides a fuel cell system in which fuel can be supplied without damaging the fuel cell, and purge gas in the fuel flow path can be efficiently discharged and replaced with fuel. An object of the present invention is to provide a fuel supply method.

本発明は、上記課題を解決するため、つぎのように構成した燃料電池システムにおける燃料供給方法を提供するものである。
本発明の燃料電池システムにおける燃料供給方法は、
燃料電池と、該燃料電池に燃料を供給するための燃料容器と、パージバルブが設けられた燃料流路とを備え、前記パージバルブによって前記燃料流路の外部にパージガスを排出可能に構成した燃料電池システムにおける燃料供給方法であって、
前記パージバルブを、前記燃料容器から前記燃料電池に燃料の供給が開始される前に、開状態とする段階と、
前記開状態とされているパージバルブを、前記燃料の供給が開始された後に、閉状態とする段階と、を有することを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムにおける燃料供給方法は、前記パージバルブを開状態とする段階において、前記パージバルブは前記燃料容器が燃料電池に接続された最初の過程で開状態とされ、
前記開状態とされているパージバルブを閉状態とする段階において、前記パージバルブは前記最初の過程を経て前記燃料の供給が開始された後の過程で閉状態とされることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムにおける燃料供給方法は、前記燃料容器が燃料電池に接続された際における前記パージバルブを開状態及び閉状態とする動作が、前記燃料容器と前記燃料電池との間に設けられた着脱検出機構によって行われることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムにおける燃料供給方法は、前記パージバルブを開状態とする動作が、運転開始前における燃料電池が停止されてから予め設定された時間が経過した際に、開始されることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムにおける燃料供給方法は、前記パージバルブを開状態とする動作が、前記燃料の供給が開始される直前に、開始されることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムにおける燃料供給方法は、前記パージバルブを閉状態とする動作が、前記燃料の供給が開始されてから予め設定された時間が経過した際に、開始されることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムにおける燃料供給方法は、前記パージバルブを閉状態とする動作が、前記燃料供給開始後に燃料電池の電圧が予め設定された電圧に達した際に、開始されることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムにおける燃料供給方法は、前記パージバルブを閉状態とする動作が、前記燃料供給開始後に燃料の流量が予め設定された流量範囲になった際に、開始されることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムにおける燃料供給方法は、前記パージバルブを閉状態とする動作が、前記燃料供給開始後に燃料の累積流量が予め設定された流量に達した際に、開始されることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムにおける燃料供給方法は、前記パージバルブを閉状態とする動作が、前記燃料供給開始後に燃料容器の圧力が予め設定された圧力以下になった際に、開始されることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムにおける燃料供給方法は、前記パージバルブを閉状態とする動作が、前記燃料供給開始後に燃料流路の圧力が予め設定された圧力範囲になった際に、開始されることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムにおける燃料供給方法は、前記パージバルブを閉状態とする動作が、前記燃料供給開始後に燃料容器の温度が予め設定された範囲になった際に、開始されることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムにおける燃料供給方法は、前記燃料電池は、アノードに燃料を、カソードに酸化剤を供給するように構成された発電部を備え、前記カソードにおける流路が大気に開放されていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムにおける燃料供給方法は、前記燃料電池が、一端に燃料を供給する燃料入口部を、他端にパージバルブが設けられた燃料流路を有し、該パージバルブは少なくとも通常発電中は閉状態で運転されることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムにおける燃料供給方法は、前記燃料電池が、固体高分子型燃料電池であることを特徴とする。 In order to solve the above problems, the present invention provides a fuel supply method in a fuel cell system configured as follows.
The fuel supply method in the fuel cell system of the present invention includes:
A fuel cell system comprising a fuel cell, a fuel container for supplying fuel to the fuel cell, and a fuel flow path provided with a purge valve, wherein the purge gas can be discharged to the outside of the fuel flow path by the purge valve A fuel supply method in
Opening the purge valve before fuel supply from the fuel container to the fuel cell is started; and
The purge valve in the open state is closed after the fuel supply is started.
Further, in the fuel supply method in the fuel cell system of the present invention, in the stage of opening the purge valve, the purge valve is opened in the initial process when the fuel container is connected to the fuel cell,
In the step of closing the purge valve that is in the open state, the purge valve is closed in a process after the fuel supply is started through the first process.
Further, in the fuel supply method in the fuel cell system of the present invention, the operation of opening and closing the purge valve when the fuel container is connected to the fuel cell is performed between the fuel container and the fuel cell. It is characterized in that it is performed by a provided attachment / detachment detection mechanism.
Further, in the fuel supply method in the fuel cell system of the present invention, the operation for opening the purge valve is started when a preset time has elapsed since the fuel cell was stopped before the operation was started. It is characterized by.
The fuel supply method in the fuel cell system according to the present invention is characterized in that the operation for opening the purge valve is started immediately before the fuel supply is started.
The fuel supply method in the fuel cell system according to the present invention is characterized in that the operation of closing the purge valve is started when a preset time has elapsed since the fuel supply was started. And
The fuel supply method in the fuel cell system according to the present invention is such that the operation of closing the purge valve is started when the voltage of the fuel cell reaches a preset voltage after the fuel supply starts. Features.
Further, the fuel supply method in the fuel cell system of the present invention is such that the operation of closing the purge valve is started when the flow rate of the fuel falls within a preset flow rate range after the start of the fuel supply. Features.
Further, the fuel supply method in the fuel cell system of the present invention is such that the operation of closing the purge valve is started when the cumulative flow rate of the fuel reaches a preset flow rate after the fuel supply starts. Features.
Further, the fuel supply method in the fuel cell system of the present invention is started when the operation of closing the purge valve is started when the pressure of the fuel container becomes equal to or lower than a preset pressure after the fuel supply is started. It is characterized by.
In the fuel supply method in the fuel cell system of the present invention, the operation of closing the purge valve is started when the pressure of the fuel flow path falls within a preset pressure range after the fuel supply is started. It is characterized by that.
Further, the fuel supply method in the fuel cell system of the present invention is such that the operation of closing the purge valve is started when the temperature of the fuel container is in a preset range after the fuel supply is started. Features.
In the fuel cell system according to the present invention, the fuel cell includes a power generation unit configured to supply fuel to the anode and oxidant to the cathode, and the flow path in the cathode is open to the atmosphere. It is characterized by being.
The fuel supply method in the fuel cell system according to the present invention is such that the fuel cell has a fuel flow path having a fuel inlet portion for supplying fuel at one end and a purge valve at the other end. During power generation, it is operated in a closed state.
The fuel supply method in the fuel cell system of the present invention is characterized in that the fuel cell is a polymer electrolyte fuel cell.

本発明の燃料電池システムにおける燃料供給方法によれば、燃料電池を破損することなく燃料の供給を行なうことができ、燃料流路内のパージガスを効率よく排出して燃料と置換することが可能となる。   According to the fuel supply method in the fuel cell system of the present invention, fuel can be supplied without damaging the fuel cell, and the purge gas in the fuel flow path can be efficiently discharged and replaced with fuel. Become.

本発明を実施するための最良の形態を、以下の実施例により説明する。   The best mode for carrying out the present invention will be described by the following examples.

［実施例１］
実施例１においては、本発明を適用した燃料電池システムにおける燃料供給方法について説明する。
図１に、本実施例の燃料電池システムの概略図を示す。
図１において、１は燃料電池、２は燃料タンク、３は燃料供給弁、４はパージバルブ、５は発電制御部である。 [Example 1]
In the first embodiment, a fuel supply method in a fuel cell system to which the present invention is applied will be described.
FIG. 1 shows a schematic diagram of the fuel cell system of the present embodiment.
In FIG. 1, 1 is a fuel cell, 2 is a fuel tank, 3 is a fuel supply valve, 4 is a purge valve, and 5 is a power generation control unit.

本実施例の燃料電池システムでは、燃料タンク２には燃料が蓄えられており、燃料流路を通過して燃料電池１に供給される。
燃料には、例えば水素を用いることができ、水素吸蔵合金などを燃料タンク２に充填しておけば、より低圧で効率よく水素を蓄えることができる。
また、燃料流路内には燃料タンク２から燃料電池１への燃料の供給を制御する燃料供給弁３、および、燃料を燃料流路外に排出するパージバルブ４が設けられている。
一方、酸化剤としては大気を通気孔から自然拡散によって取り込むことができる。発電された電力は出力端子を介して外部機器に供給される。 In the fuel cell system of this embodiment, fuel is stored in the fuel tank 2 and is supplied to the fuel cell 1 through the fuel flow path.
For example, hydrogen can be used as the fuel. If the hydrogen storage alloy or the like is filled in the fuel tank 2, hydrogen can be efficiently stored at a lower pressure.
Further, a fuel supply valve 3 that controls the supply of fuel from the fuel tank 2 to the fuel cell 1 and a purge valve 4 that discharges the fuel to the outside of the fuel flow path are provided in the fuel flow path.
On the other hand, as the oxidant, the atmosphere can be taken in from the air holes by natural diffusion. The generated power is supplied to an external device via an output terminal.

つぎに、本実施例の燃料電池への燃料供給方法について説明する。
図２は本実施例における燃料供給方法を説明するためのフローチャートである。
まず、燃料電池停止中は、燃料供給弁３が閉じられ、燃料タンク２から燃料電池１への燃料の供給は遮断されている。
発電制御部５が搭載機器から燃料電池の発電開始命令をうけると、まず、パージバルブ４が開き、燃料流路は外部に開放される。
次に、流路供給弁３を開き、燃料の供給を開始する。燃料の供給開始後、パージバルブ４を閉じる。 Next, a method for supplying fuel to the fuel cell of this embodiment will be described.
FIG. 2 is a flowchart for explaining the fuel supply method in this embodiment.
First, when the fuel cell is stopped, the fuel supply valve 3 is closed and the supply of fuel from the fuel tank 2 to the fuel cell 1 is shut off.
When the power generation control unit 5 receives a fuel cell power generation start command from the mounted device, first, the purge valve 4 is opened, and the fuel flow path is opened to the outside.
Next, the flow path supply valve 3 is opened, and fuel supply is started. After the start of fuel supply, the purge valve 4 is closed.

ここで、パージバルブ４を開くタイミングは、発電命令後であってもよいし、燃料電池の停止方法によっては、前回の燃料電池停止後で発電命令の前であってもよい。
一方、パージバルブ４を閉じるタイミングは、燃料供給開始後から所定の時間が経過した際でもよい。
また、パージバルブ４を閉じるタイミングは、燃料供給開始後に燃料電池の電圧が所定の電圧に達した際でもよい。
また、パージバルブ４を閉じるタイミングは、燃料供給開始後に燃料の流量が所定の範囲内になった場合でもよいし、累積流量が所定の値に達した場合でも良い。
また、パージバルブ４を閉じるタイミングは、燃料供給開始後に燃料容器の圧力が所定の圧力以下になった場合でも良い。
また、パージバルブ４を閉じるタイミングは、燃料供給開始後に燃料流路の圧力が所定の範囲内になった場合でも良い。
燃料の圧力は燃料タンク内の温度にも依存する。特に、燃料に水素を用い、燃料タンクに水素吸蔵材料を充填して用いる場合などには、燃料の放出に伴い、吸蔵材料の温度変化が起こる。
そこで、パージバルブ４を閉じるタイミングは、燃料供給開始後に燃料タンクの温度が所定の範囲内になった場合でも良い。
また、これらの基準を組み合わせて用いることも可能である。 Here, the timing of opening the purge valve 4 may be after the power generation command, or may be after the previous fuel cell stop and before the power generation command depending on the fuel cell stop method.
On the other hand, the timing of closing the purge valve 4 may be when a predetermined time has elapsed since the start of fuel supply.
The purge valve 4 may be closed when the fuel cell voltage reaches a predetermined voltage after the start of fuel supply.
The purge valve 4 may be closed when the fuel flow rate is within a predetermined range after the start of fuel supply, or when the cumulative flow rate reaches a predetermined value.
Further, the timing for closing the purge valve 4 may be when the pressure of the fuel container becomes equal to or lower than a predetermined pressure after the fuel supply is started.
Further, the timing of closing the purge valve 4 may be when the pressure of the fuel flow path is within a predetermined range after the start of fuel supply.
The fuel pressure also depends on the temperature in the fuel tank. In particular, when hydrogen is used as the fuel and the fuel tank is filled with a hydrogen storage material, the temperature of the storage material changes as the fuel is released.
Therefore, the timing for closing the purge valve 4 may be when the temperature of the fuel tank falls within a predetermined range after the start of fuel supply.
It is also possible to use a combination of these criteria.

また、燃料供給弁３を開くスピードがゆっくりであるほど、燃料が燃料電池に供給され始める際の圧力変動を抑えることができる。
同様にパージバルブ４を閉じるスピードがゆっくりであるほど、パージバルブ閉止後の圧力変動を抑えることができる。 In addition, as the speed at which the fuel supply valve 3 is opened is slower, the pressure fluctuation when the fuel starts to be supplied to the fuel cell can be suppressed.
Similarly, as the speed at which the purge valve 4 is closed is slower, the pressure fluctuation after the purge valve is closed can be suppressed.

［実施例２］
実施例２においては、実施例１と異なる形態による燃料電池システムにおける燃料供給方法について説明する。
図３に、本実施例の燃料電池システムの概略図を示す。
図３において、６は着脱検出機構、１０１は燃料電池側燃料供給口、１０２は燃料タンク側燃料供給口である。なお、上記した図１に示す実施例１と共通の構成には同一の符号が用いられており、説明を省略する。 [Example 2]
In the second embodiment, a fuel supply method in a fuel cell system according to a mode different from the first embodiment will be described.
FIG. 3 shows a schematic diagram of the fuel cell system of the present embodiment.
In FIG. 3, 6 is an attachment / detachment detection mechanism, 101 is a fuel cell side fuel supply port, and 102 is a fuel tank side fuel supply port. In addition, the same code | symbol is used for the same structure as Example 1 shown in above-mentioned FIG. 1, and description is abbreviate | omitted.

本実施例の燃料電池システムでは、実施例１と同様に、燃料タンク２には燃料が蓄えられており、燃料流路を通過して燃料電池１に供給される。
燃料タンク２と燃料電池１とはコネクタにより接続され、燃料タンク側の燃料供給口１０２のカップリングはコネクタが接続されていると開き、コネクタが脱離していると閉じる（ノーマリークローズ）となっている。
一方、燃料電池側の燃料供給口１０１のカップリングは常時開いていてもよいし（ノーマリーオープン）、コネクタが脱離している際には閉じていてもよい（ノーマリークローズ）。 In the fuel cell system of the present embodiment, as in the first embodiment, fuel is stored in the fuel tank 2 and is supplied to the fuel cell 1 through the fuel flow path.
The fuel tank 2 and the fuel cell 1 are connected by a connector, and the coupling of the fuel supply port 102 on the fuel tank side opens when the connector is connected, and closes when the connector is detached (normally closed). ing.
On the other hand, the coupling of the fuel supply port 101 on the fuel cell side may be always open (normally open) or may be closed when the connector is detached (normally closed).

つぎに、本実施例の燃料電池への燃料供給方法について説明する。
図４は本実施例における燃料供給方法を説明するためのフローチャートである。
まず、燃料タンク２を燃料電池１に接続する際に、パージバルブ４を開き、その後に、タンク側の燃料供給口１０２のカップリングがオープンになり、燃料が燃料電池１に供給される。
燃料の供給開始後、パージバルブ４を閉じる。燃料タンク２の着脱を検出する着脱検出機構６には、例えば、図５に示すような機構を用いることができる。
図５において、１１はスイッチ、１２はピンである。 Next, a method for supplying fuel to the fuel cell of this embodiment will be described.
FIG. 4 is a flowchart for explaining the fuel supply method in this embodiment.
First, when the fuel tank 2 is connected to the fuel cell 1, the purge valve 4 is opened, and then the coupling of the fuel supply port 102 on the tank side is opened, and fuel is supplied to the fuel cell 1.
After the start of fuel supply, the purge valve 4 is closed. For example, a mechanism as shown in FIG. 5 can be used as the attachment / detachment detection mechanism 6 that detects attachment / detachment of the fuel tank 2.
In FIG. 5, 11 is a switch and 12 is a pin.

ここで、燃料タンク２の燃料タンク側燃料供給口１０２にはピン１２が設けられており、一方燃料電池側燃料供給口１０１にはスイッチ１１が設けられている（図５（ａ））。
スイッチ１１がＯＮ（押された状態）になるとパージバルブ４が開き、ＯＦＦ（押されていない状態）になるとパージバルブ４が閉じるように構成される。
燃料タンク２を燃料電池１に接続していくと、まずピン１２によってスイッチ１１が押される（この時まだ燃料タンクからの燃料供給は開始されていない）。
スイッチ１１が押されたことにより、パージバルブ４が開かれる（図５（ｂ））。
さらに、燃料タンク２の接続を進めると、燃料タンク側燃料供給口１０２のカップリングが開き、燃料の供給が開始される。
さらに、コネクタ部のピン１２がはずれて、スイッチ１１はオフになり、パージバルブ４が閉じる（図５（ｃ））。 Here, the fuel tank side fuel supply port 102 of the fuel tank 2 is provided with a pin 12, while the fuel cell side fuel supply port 101 is provided with a switch 11 (FIG. 5A).
The purge valve 4 is opened when the switch 11 is turned on (pressed state), and the purge valve 4 is closed when the switch 11 is turned off (not pushed).
When the fuel tank 2 is connected to the fuel cell 1, the switch 11 is first pushed by the pin 12 (at this time, fuel supply from the fuel tank has not yet started).
When the switch 11 is pushed, the purge valve 4 is opened (FIG. 5B).
Further, when the connection of the fuel tank 2 is advanced, the coupling of the fuel tank side fuel supply port 102 is opened, and the supply of fuel is started.
Further, the pin 12 of the connector part is removed, the switch 11 is turned off, and the purge valve 4 is closed (FIG. 5C).

本実施例において、ピンの形状（奥行きなど）やタンクの挿入速度によって、パージバルブ４の開閉や燃料供給のタイミングを制御することが可能である。
また、本実施例では、燃料タンク２の着脱の検出だけでなく、パージバルブ４の開閉も同じ機構中で実現しているが、燃料タンク２の着脱とパージバルブ４の開動作、閉動作はそれぞれ別の機構によって、制御してもよい。
タッチセンサなどのセンサや電磁弁などのアクティブなバルブ、および、制御回路との組み合わせでも本実施例における上記方法を実現することも可能である。 In this embodiment, the opening / closing of the purge valve 4 and the timing of fuel supply can be controlled by the shape of the pin (depth, etc.) and the insertion speed of the tank.
Further, in this embodiment, not only the detection of attachment / detachment of the fuel tank 2 but also the opening / closing of the purge valve 4 is realized in the same mechanism, but the attachment / detachment of the fuel tank 2 and the opening operation and closing operation of the purge valve 4 are different. It may be controlled by this mechanism.
It is also possible to realize the above-described method in this embodiment even in combination with a sensor such as a touch sensor, an active valve such as an electromagnetic valve, and a control circuit.

パージバルブ４を開くタイミングは、発電命令後であってもよいし、燃料電池の停止方法によっては、前回の燃料電池停止後で発電命令の前であってもよい。
一方、パージバルブ４を閉じるタイミングは、燃料供給開始後から所定の時間が経過した際でもよい。
また、パージバルブ４を閉じるタイミングは、燃料供給開始後に燃料電池の電圧が所定の電圧に達した際でもよい。
また、パージバルブ４を閉じるタイミングは、燃料供給開始後に燃料の流量が所定の範囲内になった場合でもよいし、累積流量が所定の値に達した場合でも良い。
また、パージバルブ４を閉じるタイミングは、燃料供給開始後に燃料容器の圧力が所定の圧力以下になった場合でも良い。
また、パージバルブ４を閉じるタイミングは、燃料供給開始後に燃料流路の圧力が所定の範囲内になった場合でも良い。
燃料の圧力は燃料タンク内の温度にも依存する。特に、燃料に水素を用い、燃料タンクに水素吸蔵材料を充填して用いる場合などには、燃料の放出に伴い、吸蔵材料の温度変化が起こる。そこで、パージバルブ４を閉じるタイミングは、燃料供給開始後に燃料タンクの温度が所定の範囲内になった場合でも良い。
また、これらの基準を組み合わせて用いることも可能である。 The timing for opening the purge valve 4 may be after the power generation command, or may be before the power generation command after the previous stop of the fuel cell depending on the method of stopping the fuel cell.
On the other hand, the timing of closing the purge valve 4 may be when a predetermined time has elapsed since the start of fuel supply.
The purge valve 4 may be closed when the fuel cell voltage reaches a predetermined voltage after the start of fuel supply.
The purge valve 4 may be closed when the fuel flow rate is within a predetermined range after the start of fuel supply, or when the cumulative flow rate reaches a predetermined value.
Further, the timing for closing the purge valve 4 may be when the pressure of the fuel container becomes equal to or lower than a predetermined pressure after the fuel supply is started.
Further, the timing of closing the purge valve 4 may be when the pressure of the fuel flow path is within a predetermined range after the start of fuel supply.
The fuel pressure also depends on the temperature in the fuel tank. In particular, when hydrogen is used as the fuel and the fuel tank is filled with a hydrogen storage material, the temperature of the storage material changes as the fuel is released. Therefore, the timing for closing the purge valve 4 may be when the temperature of the fuel tank falls within a predetermined range after the start of fuel supply.
It is also possible to use a combination of these criteria.

また、パージバルブ４を閉じるスピードがゆっくりであるほど、パージバルブ閉止後の圧力変動を抑えることができる。
また、燃料タンク２と燃料電池１との間に燃料供給弁を設けることも可能である。この場合、燃料供給開始は、予め燃料タンク２を接続しておき、燃料供給弁を実施例１と同様に動作させてもよいし、燃料供給弁を開いておいて、本実施例に従って燃料タンクを接続することで、供給を開始しても良い。 Further, as the speed at which the purge valve 4 is closed is slower, the pressure fluctuation after the purge valve is closed can be suppressed.
It is also possible to provide a fuel supply valve between the fuel tank 2 and the fuel cell 1. In this case, the fuel supply may be started by connecting the fuel tank 2 in advance and operating the fuel supply valve in the same manner as in the first embodiment, or by opening the fuel supply valve and in accordance with the present embodiment. Supply may be started by connecting.

以上に説明した本発明の燃料供給方法によれば、燃料供給時の安全性の向上、燃料電池の起動時間の短縮、等を図ることができ、高分子電解質膜を用いた発電装置、デバイス、等に有用である。   According to the fuel supply method of the present invention described above, it is possible to improve the safety at the time of fuel supply, shorten the start-up time of the fuel cell, etc. Etc. are useful.

本発明の実施例１における燃料電池システムの概略構成を示す図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The figure which shows schematic structure of the fuel cell system in Example 1 of this invention. 本発明の実施例１におけ燃料電池への燃料供給方法を説明するためのフローチャート。The flowchart for demonstrating the fuel supply method to the fuel cell in Example 1 of this invention. 本発明の実施例２における燃料電池システムの概略構成を示す図。The figure which shows schematic structure of the fuel cell system in Example 2 of this invention. 本発明の実施例２におけ燃料電池への燃料供給方法を説明するためのフローチャート。The flowchart for demonstrating the fuel supply method to the fuel cell in Example 2 of this invention. 本発明の実施例２におけるタンク着脱検出機構の構成例を示す図。The figure which shows the structural example of the tank attachment / detachment detection mechanism in Example 2 of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

１：燃料電池
２：燃料タンク
３：燃料供給弁
４：パージバルブ
５：発電制御部
６：着脱検出機構
１１：スイッチ
１２：ピン
１０１：燃料電池側燃料供給口
１０２：燃料タンク側燃料供給口 1: Fuel cell 2: Fuel tank 3: Fuel supply valve 4: Purge valve 5: Power generation control unit 6: Attachment / detachment detection mechanism 11: Switch 12: Pin 101: Fuel cell side fuel supply port 102: Fuel tank side fuel supply port

Claims (15)

燃料電池と、該燃料電池に燃料を供給するための燃料容器と、パージバルブが設けられた燃料流路とを備え、前記パージバルブによって前記燃料流路の外部にパージガスを排出可能に構成した燃料電池システムにおける燃料供給方法であって、
前記パージバルブを、前記燃料容器から前記燃料電池に燃料の供給が開始される前に、開状態とする段階と、
前記開状態とされているパージバルブを、前記燃料の供給が開始された後に、閉状態とする段階と、
を有することを特徴とする燃料電池システムにおける燃料供給方法。 A fuel cell system comprising a fuel cell, a fuel container for supplying fuel to the fuel cell, and a fuel flow path provided with a purge valve, wherein the purge gas can be discharged to the outside of the fuel flow path by the purge valve A fuel supply method in
Opening the purge valve before fuel supply from the fuel container to the fuel cell is started; and
Closing the purge valve in the open state after the fuel supply is started; and
A fuel supply method for use in a fuel cell system. 前記パージバルブを開状態とする段階において、前記パージバルブは前記燃料容器が燃料電池に接続された最初の過程で開状態とされ、
前記開状態とされているパージバルブを閉状態とする段階において、前記パージバルブは前記最初の過程を経て前記燃料の供給が開始された後の過程で閉状態とされ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における燃料供給方法。 In the step of opening the purge valve, the purge valve is opened in the first process when the fuel container is connected to the fuel cell;
2. The step of closing the purge valve in the open state, wherein the purge valve is closed in a process after the fuel supply is started through the first process. A fuel supply method in the fuel cell system according to claim 1. 前記燃料容器が燃料電池に接続された際における前記パージバルブを開状態及び閉状態とする動作が、前記燃料容器と前記燃料電池との間に設けられた着脱検出機構によって行われることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システムにおける燃料供給方法。   The operation of opening and closing the purge valve when the fuel container is connected to the fuel cell is performed by an attachment / detachment detection mechanism provided between the fuel container and the fuel cell. The fuel supply method in the fuel cell system according to claim 2. 前記パージバルブを開状態とする動作が、運転開始前における燃料電池が停止されてから予め設定された時間が経過した際に、開始されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおける燃料供給方法。   4. The operation of opening the purge valve is started when a preset time has elapsed since the fuel cell was stopped before the operation was started. A fuel supply method in the fuel cell system according to claim 1. 前記パージバルブを開状態とする動作が、前記燃料の供給が開始される直前に、開始されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおける燃料供給方法。   4. The fuel supply method in the fuel cell system according to claim 1, wherein the operation of opening the purge valve is started immediately before the supply of the fuel is started. 5. 前記パージバルブを閉状態とする動作が、前記燃料の供給が開始されてから予め設定された時間が経過した際に、開始されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおける燃料供給方法。   4. The operation according to claim 1, wherein the operation of closing the purge valve is started when a preset time has elapsed since the fuel supply was started. Supply method in the fuel cell system of the present invention. 前記パージバルブを閉状態とする動作が、前記燃料供給開始後に燃料電池の電圧が予め設定された電圧に達した際に、開始されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおける燃料供給方法。   4. The operation according to claim 1, wherein the operation of closing the purge valve is started when the voltage of the fuel cell reaches a preset voltage after the fuel supply is started. 5. A fuel supply method in the described fuel cell system. 前記パージバルブを閉状態とする動作が、前記燃料供給開始後に燃料の流量が予め設定された流量範囲になった際に、開始されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおける燃料供給方法。   4. The operation according to claim 1, wherein the operation of closing the purge valve is started when the flow rate of the fuel falls within a preset flow rate range after the fuel supply is started. 5. A fuel supply method in the described fuel cell system. 前記パージバルブを閉状態とする動作が、前記燃料供給開始後に燃料の累積流量が予め設定された流量に達した際に、開始されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおける燃料供給方法。   4. The operation according to claim 1, wherein the operation of closing the purge valve is started when a cumulative flow rate of fuel reaches a preset flow rate after the fuel supply starts. 5. A fuel supply method in the described fuel cell system. 前記パージバルブを閉状態とする動作が、前記燃料供給開始後に燃料容器の圧力が予め設定された圧力以下になった際に、開始されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおける燃料供給方法。   The operation of closing the purge valve is started when the pressure of the fuel container becomes equal to or lower than a preset pressure after the fuel supply is started. A fuel supply method in the fuel cell system according to claim 1. 前記パージバルブを閉状態とする動作が、前記燃料供給開始後に燃料流路の圧力が予め設定された圧力範囲になった際に、開始されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおける燃料供給方法。   4. The operation of closing the purge valve is started when the pressure of the fuel flow path falls within a preset pressure range after the fuel supply is started. 5. A fuel supply method in the fuel cell system according to item. 前記パージバルブを閉状態とする動作が、前記燃料供給開始後に燃料容器の温度が予め設定された範囲になった際に、開始されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおける燃料供給方法。   4. The operation according to claim 1, wherein the operation of closing the purge valve is started when the temperature of the fuel container is in a preset range after the fuel supply is started. 5. A fuel supply method in the described fuel cell system. 前記燃料電池は、アノードに燃料を、カソードに酸化剤を供給するように構成された発電部を備え、前記カソードにおける流路が大気に開放されていることを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおける燃料供給方法。   13. The fuel cell according to claim 1, further comprising a power generation unit configured to supply fuel to the anode and oxidant to the cathode, and a flow path in the cathode is open to the atmosphere. The fuel supply method in the fuel cell system of any one of Claims 1. 前記燃料電池が、一端に燃料を供給する燃料入口部を、他端にパージバルブが設けられた燃料流路を有し、該パージバルブは少なくとも通常発電中は閉状態で運転されることを特徴とする請求項１から１３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおける燃料供給方法。   The fuel cell includes a fuel flow path having a fuel inlet portion for supplying fuel at one end and a purge valve at the other end, and the purge valve is operated in a closed state at least during normal power generation. The fuel supply method in the fuel cell system according to any one of claims 1 to 13. 前記燃料電池が、固体高分子型燃料電池であることを特徴とする請求項１から１４のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおける燃料供給方法。   The fuel supply method for a fuel cell system according to any one of claims 1 to 14, wherein the fuel cell is a polymer electrolyte fuel cell.
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