JP2008251315A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムの構成に関し、特に遮断弁の駆動システムに関する。 The present invention relates to a configuration of a fuel cell system, and more particularly to a drive system for a shutoff valve.
燃料電池は燃料と酸化剤の電気化学反応によって発電をするもので、イオン交換膜からなる電解質の両側に燃料側極と酸化剤側極とが対向して配置された膜電極アセンブリ(MEA)と、燃料側極に燃料を供給する燃料供給流路が形成された燃料用セパレータと、酸化剤側極に酸化剤を供給する酸化剤供給流路が形成された酸化剤用セパレータと、を備えている。燃料と酸化剤には色々なガスが用いられるが、例えば、燃料には水素、酸化剤としては酸素を含む空気が用いられ、電気化学反応によって発電がされると共に酸化剤極側に水が生成される形式のものが多く用いられている。 A fuel cell generates electricity by an electrochemical reaction between a fuel and an oxidant, and includes a membrane electrode assembly (MEA) in which a fuel side electrode and an oxidant side electrode are disposed on opposite sides of an electrolyte made of an ion exchange membrane. A fuel separator having a fuel supply channel for supplying fuel to the fuel side electrode; and an oxidant separator having an oxidant supply channel for supplying an oxidant to the oxidant side electrode. Yes. Various gases are used for fuel and oxidizer. For example, hydrogen is used for fuel, and oxygen-containing air is used for oxidizer. Power is generated by electrochemical reaction and water is generated on the oxidizer electrode side. Many of these formats are used.
このような燃料電池において、運転が停止した際には、酸化剤極側の酸化剤供給流路中に酸化剤ガスである空気が残留しており、燃料側極の燃料供給流路中には燃料ガスである水素が残留した状態となっている。一方、停止中の燃料電池内では、燃料ガスである水素がイオン交換膜を通って酸化剤極側に移動し、逆に酸化剤ガスである空気中の酸素がイオン交換膜を通って燃料極側に移動するクロスリークが発生する。このクロスリークが発生すると、発電反応とは違う化学反応によって水素と酸素が結合して水が生成される。そして、酸化剤極側の空気中の酸素が燃料極側に移動してしまうと、酸化剤極には水素と反応しない窒素分が残り、燃料極側には未反応の水素が残る。また、反応によって水素ガスと酸素ガスとが反応して水が生成されることから、停止中の燃料電池内部の圧力は低下してくる(例えば、特許文献1参照)。 In such a fuel cell, when the operation is stopped, air as an oxidant gas remains in the oxidant supply channel on the oxidant electrode side, and in the fuel supply channel on the fuel side electrode. The fuel gas, hydrogen, remains. On the other hand, in the stopped fuel cell, hydrogen as the fuel gas moves to the oxidant electrode side through the ion exchange membrane, and conversely, oxygen in the air as the oxidant gas passes through the ion exchange membrane to the fuel electrode. Cross leak that moves to the side. When this cross leak occurs, hydrogen and oxygen are combined by a chemical reaction different from the power generation reaction to produce water. When oxygen in the air on the oxidant electrode side moves to the fuel electrode side, nitrogen that does not react with hydrogen remains on the oxidant electrode, and unreacted hydrogen remains on the fuel electrode side. Further, since hydrogen gas and oxygen gas react to generate water by the reaction, the pressure inside the stopped fuel cell decreases (for example, see Patent Document 1).
特許文献1には、燃料電池の停止中に燃料極と酸化剤極の各出入口を開閉弁によって封止して、クロスリークによる反応によって生成される水により電解質膜の湿潤度の低下を抑制する方法が記載されている。また、特許文献2には、燃料電池を封止する遮断弁を空気圧で駆動するシステムと、このシステムにおいてアキュムレータを介して駆動用の空気を供給する方法が記載されている。 In Patent Document 1, the fuel electrode and the oxidant electrode are sealed with the on / off valves while the fuel cell is stopped, and the decrease in the wetness of the electrolyte membrane is suppressed by the water generated by the reaction due to the cross leak. A method is described. Patent Document 2 describes a system that pneumatically drives a shut-off valve that seals a fuel cell, and a method of supplying driving air via an accumulator in this system.
また、燃料電池の酸化剤極側と燃料極側との間に圧力差があると、膜電極アセンブリ電解質膜に不具合が生じる場合があり、酸化剤極側と燃料極側との圧力を所定の許容範囲内になるよう調節することが必要な場合がある。このため、酸化剤ガスを調節弁に導入して、酸化剤ガスと燃料ガスとの圧力を同等とするようなシステムが提案されている(特許文献3参照)。 In addition, if there is a pressure difference between the oxidant electrode side and the fuel electrode side of the fuel cell, a problem may occur in the membrane electrode assembly electrolyte membrane, and the pressure between the oxidant electrode side and the fuel electrode side may be set to a predetermined value. It may be necessary to adjust to an acceptable range. For this reason, a system has been proposed in which an oxidant gas is introduced into a control valve so that the pressures of the oxidant gas and the fuel gas are equal (see Patent Document 3).
特許文献2の従来技術は、空気圧圧縮機から燃料電池あるいは改質器に供給される空気の圧力と燃料電池から排出される改質ガス圧力又は空気圧力との差圧によって遮断弁を駆動していることから、駆動力が不足する場合がある。特に、空気側は燃料電池内の空気流路の圧力損失によって発生する差圧を遮断弁の駆動源としていることから、燃料電池の空気側の圧力損失を低下させて全体効率を上げようとすると遮断弁の駆動力が不足することとなることとなる。更に負荷によって燃料電池に流れる空気流量が少なくなると差圧が低下するため更に駆動力が小さくなってしまう。 In the prior art of Patent Document 2, the shut-off valve is driven by the differential pressure between the pressure of air supplied from the pneumatic compressor to the fuel cell or reformer and the pressure of the reformed gas or air discharged from the fuel cell. Therefore, the driving force may be insufficient. In particular, since the air side uses the differential pressure generated by the pressure loss of the air flow path in the fuel cell as a drive source of the shut-off valve, trying to increase the overall efficiency by reducing the pressure loss on the air side of the fuel cell The driving force of the shut-off valve will be insufficient. Further, when the flow rate of air flowing to the fuel cell is reduced by the load, the differential pressure is reduced, and the driving force is further reduced.
特許文献3に記載の従来技術は、酸化剤ガスを圧力調節システムに導入して調節弁を駆動するものであるが、酸化剤ガスには水分が含まれる場合がありシステム構成機器に水分がたまって腐食が発生したり、燃料電池の停止後に調節弁の中に残留した酸化剤ガスが結露によって水分発生し、この結露水分が凍結してシステムの動作不良を引き起こしたりする場合がある。
The prior art described in
本発明は、簡便なシステムで遮断弁に十分な駆動力を供給すると共に、安定した動作ができるようにすることを目的とする。 An object of the present invention is to supply a sufficient driving force to a shut-off valve with a simple system and to enable stable operation.
本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、燃料電池の酸化剤ガスの入口及び出口に設けられ、燃料電池の運転中には開弁状態に保持され、燃料電池の停止中には閉弁状態に保持される酸化剤ガス遮断弁と、を含む燃料電池システムであって、各酸化剤ガス遮断弁は、燃料電池に供給される燃料ガスによって駆動される各弁開閉駆動機構を有することを特徴とする。 The fuel cell system of the present invention is provided at a fuel cell that generates power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas, and at an inlet and an outlet of the oxidant gas of the fuel cell. And an oxidant gas shut-off valve that is kept closed when the fuel cell is stopped, wherein each oxidant gas shut-off valve is a fuel gas supplied to the fuel cell. It has each valve opening and closing drive mechanism driven by.
本発明の燃料電池システムにおいて、弁開閉駆動機構は、大気に連通する大気圧室と、大気圧室と仕切られて燃料ガスによって加圧される加圧室と、弁に閉弁方向の力を付勢する閉弁用ばねとを含み、大気圧室と加圧室との間の圧力差と閉弁用ばねの付勢力とによって酸化剤ガス遮断弁の開閉駆動を行い、大気圧室と加圧室との間の圧力差が無い場合には閉弁用ばねによって酸化剤ガス遮断弁を閉弁状態に保持すること、としても好適であるし、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給路に設けられて燃料ガス供給路を開閉する燃料ガス供給弁と、燃料電池から反応後のガスを排出する排出路に設けられて反応後のガスを排出する排出弁と、燃料電池と燃料ガス供給弁との間に接続された加圧用燃料ガス供給路とを含み、燃料電池の発電制御と燃料ガス供給弁及び排出弁の開閉動作を行う制御部を備え、制御部は、燃料電池の停止の際に、燃料ガス供給弁と排出弁とを閉とすると共に、燃料電池内に残留した燃料ガスを発電反応によって消費させて加圧用燃料ガス供給路の圧力を停止の際の圧力よりも低下させ、各酸化剤ガス遮断弁を閉弁させる閉弁動作手段を有すること、としても好適である。 In the fuel cell system of the present invention, the valve opening / closing drive mechanism includes an atmospheric pressure chamber that communicates with the atmosphere, a pressurization chamber that is partitioned from the atmospheric pressure chamber and pressurized by fuel gas, and a valve that exerts a force in the valve closing direction. The oxidant gas shut-off valve is driven to open and close by the pressure difference between the atmospheric pressure chamber and the pressurizing chamber and the urging force of the valve closing spring. When there is no pressure difference from the pressure chamber, the oxidant gas shut-off valve is preferably kept closed by the valve closing spring, and the fuel gas supply for supplying fuel gas to the fuel cell A fuel gas supply valve that opens and closes the fuel gas supply path, a discharge valve that discharges the reacted gas from the fuel cell and discharges the reacted gas, a fuel cell, and a fuel gas A fuel gas supply passage for pressurization connected between the supply valve and the power generation of the fuel cell And a control unit that opens and closes the fuel gas supply valve and the discharge valve. When the fuel cell is stopped, the control unit closes the fuel gas supply valve and the discharge valve and remains in the fuel cell. It is also preferable to have a valve closing operation means for causing the generated fuel gas to be consumed by a power generation reaction so that the pressure of the pressurizing fuel gas supply path is made lower than the pressure at the time of stop and each oxidant gas shut-off valve is closed. It is.
本発明の燃料電池システムにおいて、弁開閉駆動機構は、大気に連通する大気圧室と、大気圧室と仕切られて燃料ガスによって加圧される加圧室と、弁に開弁方向の力を付勢する開弁用ばねとを含み、大気圧室と加圧室との間の圧力差と開弁用ばねの付勢力とによって酸化剤ガス遮断弁の開閉駆動を行い、大気圧室と加圧室との間の圧力差が無い場合には開弁用ばねによって酸化剤ガス遮断弁を開弁状態に保持すること、としても好適であるし、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給路に設けられて燃料ガス供給路を開閉する燃料ガス供給弁と、燃料電池から反応後のガスを排出する排出路に設けられて反応後のガスを排出する排出弁と、燃料電池と燃料ガス供給弁との間に接続された加圧用燃料ガス供給路とを含み、燃料電池の発電制御と燃料ガス供給弁及び排出弁の開閉動作を行う制御部を備え、制御部は、燃料電池の停止の際に、燃料ガス供給弁と排出弁とを閉とすると共に、燃料電池内に残留した燃料ガスを発電反応によって消費させて加圧用燃料ガス供給路の圧力を負圧として、各酸化剤ガス遮断弁を閉弁させる閉弁動作手段を有すること、としても好適であるし、加圧用燃料ガス供給路に加圧用燃料ガス供給路遮断弁を備え、制御部は加圧用燃料ガス供給路遮断弁の開閉動作を行い、制御部は、閉弁動作手段によって各酸化剤ガス遮断弁を閉弁させた後、加圧用燃料ガス供給路遮断弁を閉とし、燃料ガス供給弁を開として燃料電池に燃料ガスを供給し、加圧する再加圧手段を備えること、としても好適であるし、各酸化剤ガス遮断弁は、燃料電池側に設けられた弁座と、弁座の反燃料電池側に配置され、燃料電池の停止中に燃料電池内の負圧によって弁座に吸引される弁体を備えていること、としても好適である。 In the fuel cell system of the present invention, the valve opening / closing drive mechanism includes an atmospheric pressure chamber that communicates with the atmosphere, a pressurization chamber that is partitioned from the atmospheric pressure chamber and pressurized by fuel gas, and a force in the valve opening direction. The oxidant gas shut-off valve is driven to open and close by the pressure difference between the atmospheric pressure chamber and the pressurizing chamber and the urging force of the valve opening spring. When there is no pressure difference from the pressure chamber, it is also preferable to hold the oxidant gas shut-off valve in an open state by a valve opening spring, and a fuel gas supply for supplying fuel gas to the fuel cell A fuel gas supply valve that opens and closes the fuel gas supply path, a discharge valve that discharges the reacted gas from the fuel cell and discharges the reacted gas, a fuel cell, and a fuel gas A fuel gas supply passage for pressurization connected between the supply valve and the power generation of the fuel cell And a control unit that opens and closes the fuel gas supply valve and the discharge valve. When the fuel cell is stopped, the control unit closes the fuel gas supply valve and the discharge valve and remains in the fuel cell. It is also preferable that the fuel gas is consumed by a power generation reaction, the pressure of the fuel gas supply passage for pressurization is made negative, and each oxidant gas shut-off valve is closed. The fuel gas supply path is provided with a pressurization fuel gas supply path shut-off valve, the control section opens and closes the pressurization fuel gas supply path shut-off valve, and the control section closes each oxidant gas shut-off valve by a valve closing operation means. It is also preferable to include a repressurization means for closing the pressurization fuel gas supply path shut-off valve, opening the fuel gas supply valve and supplying the fuel gas to the fuel cell and pressurizing it after Each oxidant gas shut-off valve was provided on the fuel cell side A seat, disposed in the counter-fuel cell side of the valve seat, that has a valve body which is attracted to the valve seat by the negative pressure in the fuel cell during the stop of the fuel cell, it is also suitable as.
本発明の燃料電池システムにおいて、加圧室に供給される燃料ガスを蓄圧するバッファタンクを有すること、としても好適であるし、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給路と、燃料電池から反応後のガスを排出する排出路と、排出路と燃料ガス供給路とを接続する再循環路とを備え、加圧用燃料ガス供給路は、再循環路と燃料ガス供給路との接続位置よりも燃料ガス上流側の燃料ガス供給路に接続されていること、としても好適であるし、加圧用燃料ガス供給路に設けられた仕切弁を有すること、としても好適であるし、再循環路の接続位置と加圧用燃料ガス供給路の接続位置との間の燃料ガス供給路に設けられた仕切弁を有すること、としても好適であるし、加圧室に供給される燃料ガスは、水素供給源に蓄圧された高圧燃料ガスを減圧した低圧燃料ガスであること、としても好適である。 In the fuel cell system of the present invention, it is preferable to have a buffer tank for accumulating the fuel gas supplied to the pressurizing chamber, and a fuel gas supply path for supplying the fuel gas to the fuel cell, and a fuel cell. A discharge path for discharging the gas after the reaction, and a recirculation path for connecting the discharge path and the fuel gas supply path, the pressurizing fuel gas supply path from the connection position of the recirculation path and the fuel gas supply path It is also preferable that it is connected to the fuel gas supply path upstream of the fuel gas, and it is also preferable to have a gate valve provided in the fuel gas supply path for pressurization, and the recirculation path And a fuel gas supply path between the connection position of the pressurization fuel gas supply path and the fuel gas supplied to the pressurization chamber is hydrogen. High-pressure fuel gas accumulated in the supply source It is a low-pressure fuel gas vacuum, it is also preferable.
本発明は、簡便なシステムで遮断弁に十分な駆動力を供給すると共に、安定した動作を行うことができるという効果を奏する。 The present invention provides an effect that a sufficient driving force can be supplied to the shut-off valve with a simple system and a stable operation can be performed.
以下、本発明の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。図1に示すように本実施形態の燃料電池システム11は、燃料ガスである水素ガスと酸化剤ガスである空気とが供給されて電気化学反応によって発電する燃料電池13と、燃料電池13に供給する水素ガスを貯留する水素タンク41と、燃料電池13に供給する空気を圧縮する空気圧縮機17と、燃料電池13に供給する空気を加湿する加湿モジュール15とを備えている。空気圧縮機17と加湿モジュール15とは圧縮空気供給管27によって接続され、加湿モジュール15と燃料電池13とは、加湿モジュールにおいて加湿された空気を燃料電池13の空気入口に導く空気入口管29と燃料電池13の空気出口から排出された空気を加湿モジュールに導く空気出口管31とによって接続され、加湿モジュール15には空気を外部に排出する空気排出管33が接続されている。また、圧縮空気供給管27と空気排出管33とを接続するバイパス管35が設けられ、圧縮空気供給管27には圧力を測定する圧力センサ26が設けられている。空気圧縮機17はモータ19によって駆動され、空気圧縮機17によって温度が上昇した空気はインタークーラー21によって冷却されてから加湿モジュール15に供給される。
Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. As shown in FIG. 1, the
空気入口管29には空気入口遮断弁70が設けられ、空気出口管31には空気出口遮断弁80が設けられている。また、空気出口管31の燃料電池13の空気出口と空気出口遮断弁80との間には空気圧力調節弁25が設けられ、空気圧力調節弁25上流側の空気出口管31には燃料電池13の出口空気圧力を測定する圧力センサ37が設けられている。また、バイパス管35にはバイパス流量調節弁23が設けられている。
The
水素タンク41は燃料ガス供給路である水素ガス供給管45によって燃料電池13に接続され、燃料電池13には空気との反応後のガスを燃料電池13から排出するガス排出管47が設けられている。水素ガス供給管45には、水素タンク41に貯留された高圧水素ガスを減圧すると共に、水素ガス供給管45を開閉して燃料電池13への水素ガスの供給を調節する水素ガス供給弁43が設けられている。ガス排出管47は、大気放出管34に平行に設けられた希釈器59に接続され、反応後のガスは空気によって希釈された後、大気放出管34から排出空気と共に大気に放出される。ガス排出管47にはガス排出管47を開閉して反応後のガスの大気への放出を調節する排出弁55が設けられている。
The
ガス排出管47と水素ガス供給管45のとの間には、燃料電池13から排出された反応後ガスの一部を水素ガス供給管45に再循環させる再循環管49が設けられている。再循環管49は、燃料電池13と水素ガス供給弁43との間の接続点46と、燃料電池13と排出弁55との間の分岐点48との間を接続するよう構成されている。再循環管49には反応後ガスをガス排出管47から水素ガス供給管45に再循環させる循環ポンプ51が設けられている。
Between the
水素ガス供給管45の水素ガス供給弁43と再循環管49の接続点46との間の分岐点44には、空気入口遮断弁70と空気出口遮断弁80との駆動用水素ガスを供給する加圧用水素ガス供給管61が接続されている。加圧用水素ガス供給管61は、各遮断弁70,80の駆動用水素ガスを貯留しておくバッファタンク63に接続され、バッファタンク63と各遮断弁70,80とは、遮断弁駆動用水素ガス管65によって接続され、遮断弁駆動用水素ガス管65には、圧力センサ67が取り付けられている。
Hydrogen gas for driving the air
空気入口遮断弁70は、弁本体70bと駆動部70aとを備えている。弁本体70bはケーシングの中に弁座78と弁体76とを備え、弁体76には弁棒77が取り付けられている。駆動部70aはケーシングに取り付けられたダイヤフラム74とダイヤフラム74に接続された駆動板75とによって2つの圧力室に仕切られている。図1の上部の圧力室は大気に連通する大気連通孔79を備える大気圧室71であり、図1の下部の圧力室はバッファタンク63からの遮断弁駆動用水素ガス管65が接続され、バッファタンク63から供給される水素ガスによって加圧される加圧室72となっている。駆動板75の加圧室72側は、弁棒77を介して弁体76に接続され、駆動板75の大気圧室71室側には大気圧室71の壁面に取り付けられて駆動板75を弁座78側に向かって押し付ける閉弁用ばね73aが設けられている。空気出口遮断弁80も空気入口遮断弁70と同様の構造を有し、弁本体80bと駆動部80aとを備え、弁本体80bは弁座88と弁体86とを備え、駆動部80aは大気に連通する大気連通孔89を備える大気圧室81とバッファタンク63からの遮断弁駆動用水素ガス管65が接続される加圧室82と、弁棒87を介して弁体86に接続されている駆動板85とダイヤフラム84と閉弁用ばね83aとが設けられている。
The air inlet shut-off
圧縮空気供給管27の圧力センサ26と、燃料電池13の空気出口の圧力センサ37と、遮断弁駆動用水素ガス管65の圧力センサ67とは制御部100に接続され、検出信号が制御部100に入力されるように構成されている。また、空気圧縮機17のモータ19と、バイパス流量調節弁23と、空気圧力調節弁25と、水素ガス供給弁43と、排出弁55と、循環ポンプ51とは制御部100に接続され、制御部100の指令によって動作するよう構成されている。
The
空気入口遮断弁70と空気出口遮断弁80とは、バッファタンク63から供給される水素ガス圧力が高い場合には水素ガスによって各加圧室72,82が加圧され、圧力によって各駆動板75,85が大気圧室71,81側に押し上げられて開状態になり、バッファタンクから供給される水素ガス圧力が低い場合には、各閉弁用ばね73a,83aによって各駆動板75,85は押し下げられ、各弁体76,86が各弁座78,88に押し付けられて各空気遮断弁70,80は閉状態になる。このため、水素ガス圧力が無くなった場合には、各遮断弁は閉弁する。
When the hydrogen gas pressure supplied from the
以下、本実施形態の燃料電池システム11の動作について説明する。燃料電池システム11が停止状態にある場合には、燃料電池13の空気入口遮断弁70と空気出口遮断弁80は閉となって燃料電池13の空気側極は外気と遮断されている。また、水素側極は外気及び水素タンク41と遮断された状態となっている。
Hereinafter, the operation of the
燃料電池システム11の起動指令が出されると、制御部100は空気圧縮機17のモータ19を起動して空気圧縮機17の回転数を増加させていくと共にバイパス流量調節弁23を開として、空気圧縮機17から圧縮空気供給管27に供給された圧縮空気をバイパス管35から空気排出管33に流し、大気放出管34から大気に放出する。
When the start command for the
また、燃料電池の起動指令によって、制御部100は水素ガス供給弁43を開けて、高圧の水素タンク41に貯留された水素ガスを減圧しつつ燃料電池13の水素極側に注入し、その圧力を運転圧力に向かって上昇させていく。燃料電池13の水素側極が水素ガスによって加圧されると、水素ガス供給管45に接続されている加圧用水素ガス供給管61、バッファタンク63、遮断弁駆動用水素ガス管65にも水素が注入され、その圧力が上昇していく。そして、この水素は遮断弁駆動用水素ガス管65から各遮断弁70,80の各加圧室72,82に入って、その圧力を上昇させていく。加圧室72,82の圧力が上昇するにつれて大気圧室71,81との間に圧力差ができ、この圧力差が大きくなるにつれて駆動板75,85にかかる開弁方向の力が大きくなっていく。そして、加圧室72,82と大気圧室71,81との圧力差によって駆動板75にかかる開弁方向の力が、閉弁用ばね73a,83aの閉弁方向の力よりも大きくなると、各遮断弁70,80は開弁する。
Further, in response to the start command of the fuel cell, the
各遮断弁70,80が開弁すると、空気圧縮機17によって圧縮された圧縮空気は燃料電池13の内部に流入してくる。各遮断弁70,80が開いて空気が燃料電池13に流入することができるようになると、制御部100はバイバス流量調節弁23の開度を絞ると共に空気圧力調節弁25の開度を上げて、燃料電池13の空気側極の圧力制御を空気圧力調節弁25に引き渡し、空気圧力調節弁25によって空気側極の圧力制御を行う。
When the shut-off
水素側極、空気側極ともに加圧されると、制御部100は燃料電池13の発電を出力要求に応じた発電出力となるように制御して、運転を続けていく。水素側極の圧力は水素ガス供給弁43によって調節される。燃料電池13の負荷によっては、水素ガス供給弁43が閉まる場合もあるが、各遮断弁70,80の駆動用の水素ガスはバッファタンク63を介して供給されていることから、安定した圧力の駆動用水素ガスが供給され、各遮断弁70,80を開状態に保持することができる。
When both the hydrogen side electrode and the air side electrode are pressurized, the
燃料電池13の停止指令が出されると、制御部100は、水素ガス供給弁43を閉として燃料電池13への水素ガスの注入を停止すると共に、排出弁55を閉として外気と水素側極とを遮断する。また、制御部100は、空気圧力調節弁25を閉として燃料電池13への空気の流入を停止すると共に、バイパス流量調節弁23を開として空気圧縮機17によって圧縮された空気をバイパス管35から空気排出管33に流すようにする。燃料電池13の空気側極の圧力はバイパス流量調節弁23によって制御される。
When a stop command for the
燃料電池13への水素ガス、空気の流入を停止させた後、制御部100は燃料電池13の水素側極に残留している水素と空気とを反応させて、水素側極の圧力を低下させる水素消費運転を行う。水素側極は、水素ガス供給弁43、排出弁55が閉となって封止状態となっていることから、水素消費運転によって残留している水素が消費されると、水素側極の圧力が低下してくる。燃料電池13の水素側極は水素ガス供給管45、加圧用水素ガス供給管61と連通しているので、加圧用水素ガス供給管61の圧力も低下してくる。更に加圧用水素ガス供給管61の圧力が低下すると、バッファタンク63、遮断弁駆動用水素ガス管65の圧力も低下し、それに伴って、各遮断弁70,80の各加圧室72,82の圧力が低下してくる。そして、各加圧室72,82と各大気圧室71,81との間の差圧による開弁方向力が閉弁用ばね73a,83aの閉弁方向の力よりも小さくなってくると、各遮断弁70,80は閉弁する。各遮断弁70,80が閉となると、制御部100は水素消費運転を停止する。
After stopping the inflow of hydrogen gas and air into the
各遮断弁70,80が閉弁すると、燃料電池13の空気側極は大気と遮断された状態となるが、燃料電池13の空気側極に残留している空気と水素側極に残留している水素とが更に反応することによって、空気側極、水素側極共に圧力が低下し、空気側極、水素側極共にその圧力が負圧となる。各遮断弁70,80の各弁座78,88は燃料電池13の側に設けられており、燃料電池13の空気側極が負圧となると、その負圧によって弁体76,86が弁座78,88に吸引、吸着され、閉弁用ばね73a,83aの閉弁方向の力とあいまって各遮断弁70,80は閉弁状態に保持される。
When the
本実施形態は、高圧の水素タンク41に貯留されている水素ガスの圧力を利用して各遮断弁70,80の加圧室72,82の圧力を上昇させて各遮断弁70,80を開弁させるようにし、燃料電池13停止の際の水素消費運転によって各遮断弁70,80の加圧室72,82の圧力を低下させて各遮断弁70,80を閉弁させる様に構成していることから、各遮断弁70,80を開閉するための駆動用ガスを開閉するような弁が不要となり、簡便な構成で各遮断弁70,80の開閉動作を行うことができるという効果を奏する。また、開弁状態を保持するための動力や閉弁状態を保持するための動力も必要なく、燃料電池システム11の効率の低下を抑えることができるという効果を奏する。また、高圧状態の水素タンク41の圧力を減圧して駆動用ガスとして用いていることから、駆動圧力を自由に設定することができ、十分な駆動力を確保することができる。更に、バッファタンク63を設けることによって、圧力変動を抑え安定した駆動圧力とすることができるという効果を奏する。
In the present embodiment, the pressure of the pressurizing
本実施形態は、加圧用水素ガス供給管61の接続位置を再循環管49の水素ガス供給管45への接続点46よりも上流の分岐点44としていることから、再循環管49の中に空気側極から入り込んだ水分が各遮断弁70,80の加圧用水素ガス供給管61に入り込むことが少ない構成となっている。このため、各遮断弁70,80の加圧室72,82には乾燥した水素ガスを駆動用ガスとして供給することができ、低温の際の結露などによって各遮断弁70,80が凍結して動作不良を起こすことを低減し、燃料電池システム11の動作を安定させることができるという効果を奏する。
In the present embodiment, the connecting position of the pressurizing hydrogen
図2に示すように、この効果をより効果的にするために再循環管49と水素ガス供給管45との接続点46と加圧用水素ガス供給管61の分岐点44との間に仕切弁57を設けて、再循環管49のガスが加圧用水素ガス供給管61に入り込まないように構成してもよい。また、加圧用水素ガス供給管61に設けた仕切弁56、又は、遮断弁駆動用水素ガス管65に設けた仕切弁58によって、再循環管49のガスが各加圧室72,82に入り込まないように構成してもよい。これらの各仕切弁56,57,58は制御部100に接続され、各遮断弁70,80の開閉動作が終了したら閉とし、起動の際に開とするように構成してもよい。
As shown in FIG. 2, in order to make this effect more effective, a gate valve is provided between the
本発明の他の実施形態について、図3を参照しながら説明する。図1と同様の部位には同様の符号を付して説明は省略する。図3に示した他の実施形態は、先に説明した実施形態の各遮断弁70,80に設けられていた閉弁用ばね73a,83aに代わって、開弁用ばね73b,83bが設けられているものである。各開弁用ばね73b,83bはそれぞれ一端が各加圧室72,82の壁面に当接し、他の一端は各駆動板75,85に当接するように取り付けられ、各駆動板75,85を開弁方向に向かって押し上げる力を与えるように構成されている。
Another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. Parts similar to those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted. In another embodiment shown in FIG. 3, valve opening springs 73b and 83b are provided in place of the valve closing springs 73a and 83a provided in the shut-off
本実施形態の空気入口遮断弁70と空気出口遮断弁80とは、バッファタンク63から供給される水素ガス圧力が負圧の場合には水素ガスによって各加圧室72,82が負圧状態になり、負圧力によって各駆動板75,85が弁体76,86を弁座78,88に押しつけて閉状態になり、バッファタンク63から供給される水素ガス圧力が正圧の場合には、各開弁用ばね73b,83b及び正圧力によって各駆動板75,85が押し上げられて各空気遮断弁70,80は開状態になる。このため、水素ガス圧力が無くなった場合には、各遮断弁は開弁する。
The air inlet shut-off
次に、本実施形態の燃料電池システム11の動作について説明する。燃料電池システム11が停止状態にある場合には、燃料電池13の空気入口遮断弁70と空気出口遮断弁80は閉となって燃料電池13の空気側極は外気と遮断されている。また、水素側極は外気及び水素タンク41と遮断された状態となっている。燃料電池13の空気側極と水素側極はそれぞれ負圧となっていることから、各遮断弁70,80の各加圧室72,82も負圧となって弁体に閉弁方向の力を与え、燃料電池13の空気側極の負圧によって各弁体76,86は各弁座78,88に吸引されて閉弁方向の力がかかっている。そしてこれらの閉弁方向の力が開弁用ばね73b,83bの開方向の力よりも大きくなっているため、弁は閉弁状態となっている。
Next, the operation of the
燃料電池システム11が起動されると、空気側極、水素側極共に加圧されることから、各遮断弁70,80の加圧室72,82の圧力が正圧となって駆動板75,85には開弁方向の力がかかる。この開弁方向の力と開弁用ばね73b,83bによる開弁方向の力が、各弁体76,86にかかる閉弁方向の力よりも大きくなると各遮断弁70,80は開弁する。開弁すると、空気が燃料電池13の空気側極に流入し、空気側極も正圧となって、弁体76,86にも開弁方向の力が加わる。これによって、燃料電池システムが運転されている間は各遮断弁70,80が開状態に保持される。
When the
先に述べた実施形態と同様に。燃料電池13の停止の際には、水素ガス供給弁43と排出弁55を閉として燃料電池13の水素消費運転を行い、水素側極の圧力を低下させる。そして、本実施形態では、遮断弁駆動用水素ガス管65に設けられた圧力センサ67よって検出される圧力が負圧となるまで燃料電池13の水素消費運転を行う。そして、遮断弁駆動用水素ガス管65の負圧が所定の負圧よりも低い圧力となった場合には、制御部100は各遮断弁70,80が閉弁されたと判断して、水素消費運転を停止する。
Similar to the previous embodiment. When the
本実施形態も先に述べた実施形態と同様の効果を奏する。 This embodiment also has the same effect as the above-described embodiment.
また、本実施形態において、加圧用水素ガス供給管61に遮断弁駆動用水素ガス供給遮断弁を取り付けて、水素側極に連通した遮断弁駆動用水素ガス管65が負圧となるまで水素消費運転を行って各遮断弁70,80を閉弁した後に、加圧用水素ガス供給管61に取り付けた遮断弁駆動用水素ガス供給遮断弁を閉弁して各遮断弁70,80の加圧室72,82の負圧状態を保持できるようにし、水素ガス供給弁43を開として水素側極を再加圧してから停止するようにしても良い。このように、燃料電池13の水素側極を再加圧して停止後の水素側極の水素濃度を高めておくことにより、低水素による燃料電池13の性能劣化を防止することができるという効果を奏する。
In this embodiment, a hydrogen gas supply shutoff valve for shutoff valve driving is attached to the hydrogen
11 燃料電池システム、13 燃料電池、15 加湿モジュール、17 空気圧縮機、19 モータ、21 インタークーラー、23 バイバス流量調節弁、25 空気圧力調節弁、26,37,67 圧力センサ、27 圧縮空気供給管、29 空気入口管、31 空気出口管、33 空気排出管、34 大気放出管、35 バイパス管、41 水素タンク、43 水素ガス供給弁、44 分岐点、45 水素ガス供給管、46 接続点、47 ガス排出管、48 分岐点、49 再循環管、51 循環ポンプ、55 排出弁、56〜58 仕切弁、59 希釈器、61 加圧用水素ガス供給管、63 バッファタンク、65 遮断弁駆動用水素ガス管、70 空気入口遮断弁、70a,80a 駆動部、70b,80b 弁本体、71,81 大気圧室、72,82 加圧室、73a,83a 閉弁用ばね、73b,83b 開弁用ばね、74,84 ダイヤフラム、75,85 駆動板、76,86 弁体、77,87 弁棒、78,88 弁座、79,89 大気連通孔、80 空気出口遮断弁、100 制御部。
DESCRIPTION OF
Claims (12)
各酸化剤ガス遮断弁は、燃料電池に供給される燃料ガスによって駆動される各弁開閉駆動機構を有することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas, and is provided at the inlet and outlet of the oxidant gas of the fuel cell. The fuel cell is kept open during operation, and the fuel cell is stopped. A fuel cell system including an oxidant gas cutoff valve held in a closed state,
Each oxidant gas shut-off valve has a valve opening / closing drive mechanism that is driven by a fuel gas supplied to the fuel cell.
弁開閉駆動機構は、大気に連通する大気圧室と、大気圧室と仕切られて燃料ガスによって加圧される加圧室と、弁に閉弁方向の力を付勢する閉弁用ばねとを含み、大気圧室と加圧室との間の圧力差と閉弁用ばねの付勢力とによって酸化剤ガス遮断弁の開閉駆動を行い、大気圧室と加圧室との間の圧力差が無い場合には閉弁用ばねによって酸化剤ガス遮断弁を閉弁状態に保持することを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1,
The valve opening / closing drive mechanism includes an atmospheric pressure chamber that communicates with the atmosphere, a pressure chamber that is partitioned from the atmospheric pressure chamber and pressurized by fuel gas, and a valve closing spring that biases the valve in a valve closing direction. The oxidant gas shut-off valve is driven to open and close by the pressure difference between the atmospheric pressure chamber and the pressurizing chamber and the biasing force of the valve closing spring, and the pressure difference between the atmospheric pressure chamber and the pressurizing chamber When there is no fuel, the fuel cell system is characterized in that the oxidant gas cutoff valve is held in a closed state by a valve closing spring.
燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給路に設けられて燃料ガス供給路を開閉する燃料ガス供給弁と、燃料電池から反応後のガスを排出する排出路に設けられて反応後のガスを排出する排出弁と、燃料電池と燃料ガス供給弁との間に接続された加圧用燃料ガス供給路とを含み、
燃料電池の発電制御と燃料ガス供給弁及び排出弁の開閉動作を行う制御部を備え、
制御部は、燃料電池の停止の際に、燃料ガス供給弁と排出弁とを閉とすると共に、燃料電池内に残留した燃料ガスを発電反応によって消費させて加圧用燃料ガス供給路の圧力を停止の際の圧力よりも低下させ、各酸化剤ガス遮断弁を閉弁させる閉弁動作手段を有すること、
を特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 2, wherein
A fuel gas supply valve that is provided in a fuel gas supply path for supplying fuel gas to the fuel cell and opens and closes the fuel gas supply path, and a discharge path that discharges the gas after reaction from the fuel cell to supply the gas after reaction. A discharge valve for discharging, and a fuel gas supply passage for pressurization connected between the fuel cell and the fuel gas supply valve,
A control unit for performing power generation control of the fuel cell and opening / closing operation of the fuel gas supply valve and the discharge valve;
When the fuel cell is stopped, the control unit closes the fuel gas supply valve and the discharge valve, and consumes the fuel gas remaining in the fuel cell by a power generation reaction, thereby adjusting the pressure of the pressurizing fuel gas supply path. Having a valve closing operation means for lowering the pressure at the time of stopping and closing each oxidant gas cutoff valve;
A fuel cell system.
弁開閉駆動機構は、大気に連通する大気圧室と、大気圧室と仕切られて燃料ガスによって加圧される加圧室と、弁に開弁方向の力を付勢する開弁用ばねとを含み、大気圧室と加圧室との間の圧力差と開弁用ばねの付勢力とによって酸化剤ガス遮断弁の開閉駆動を行い、大気圧室と加圧室との間の圧力差が無い場合には開弁用ばねによって酸化剤ガス遮断弁を開弁状態に保持することを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1,
The valve opening / closing drive mechanism includes an atmospheric pressure chamber that communicates with the atmosphere, a pressurization chamber that is partitioned from the atmospheric pressure chamber and pressurized by fuel gas, and a valve opening spring that biases the valve in a valve opening direction. The pressure difference between the atmospheric pressure chamber and the pressurization chamber is controlled by the pressure difference between the atmospheric pressure chamber and the pressurization chamber, and the urging force of the valve opening spring opens and closes the oxidant gas shut-off valve. When there is no fuel, the fuel cell system is characterized in that the oxidant gas shut-off valve is held open by a valve opening spring.
燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給路に設けられて燃料ガス供給路を開閉する燃料ガス供給弁と、燃料電池から反応後のガスを排出する排出路に設けられて反応後のガスを排出する排出弁と、燃料電池と燃料ガス供給弁との間に接続された加圧用燃料ガス供給路とを含み、
燃料電池の発電制御と燃料ガス供給弁及び排出弁の開閉動作を行う制御部を備え、
制御部は、燃料電池の停止の際に、燃料ガス供給弁と排出弁とを閉とすると共に、燃料電池内に残留した燃料ガスを発電反応によって消費させて加圧用燃料ガス供給路の圧力を負圧として、各酸化剤ガス遮断弁を閉弁させる閉弁動作手段を有すること、
を特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 4, wherein
A fuel gas supply valve that is provided in a fuel gas supply path for supplying fuel gas to the fuel cell and opens and closes the fuel gas supply path, and a discharge path that discharges the gas after reaction from the fuel cell to supply the gas after reaction. A discharge valve for discharging, and a fuel gas supply passage for pressurization connected between the fuel cell and the fuel gas supply valve,
A control unit for performing power generation control of the fuel cell and opening / closing operation of the fuel gas supply valve and the discharge valve;
When the fuel cell is stopped, the control unit closes the fuel gas supply valve and the discharge valve, and consumes the fuel gas remaining in the fuel cell by a power generation reaction, thereby adjusting the pressure of the pressurizing fuel gas supply path. Having a closing operation means for closing each oxidant gas cutoff valve as a negative pressure;
A fuel cell system.
加圧用燃料ガス供給路に加圧用燃料ガス供給路遮断弁を備え、
制御部は加圧用燃料ガス供給路遮断弁の開閉動作を行い、
制御部は、閉弁動作手段によって各酸化剤ガス遮断弁を閉弁させた後、加圧用燃料ガス供給路遮断弁を閉とし、燃料ガス供給弁を開として燃料電池に燃料ガスを供給、加圧する再加圧手段を備えること、
を特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 5, wherein
A pressurization fuel gas supply path is provided with a pressurization fuel gas supply path cutoff valve,
The control unit opens and closes the pressurization fuel gas supply path cutoff valve,
The control unit closes each oxidant gas shut-off valve by the valve closing operation means, then closes the pressurization fuel gas supply path shut-off valve, opens the fuel gas supply valve, and supplies and adds fuel gas to the fuel cell. Providing re-pressurizing means for pressing,
A fuel cell system.
各酸化剤ガス遮断弁は、燃料電池側に設けられた弁座と、弁座の反燃料電池側に配置され、燃料電池の停止中に燃料電池内の負圧によって弁座に吸引される弁体を備えていること、
を特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 4 to 6,
Each oxidant gas shut-off valve is a valve seat provided on the fuel cell side and a valve seat disposed on the anti-fuel cell side of the valve seat, and is sucked into the valve seat by the negative pressure in the fuel cell while the fuel cell is stopped Having a body,
A fuel cell system.
加圧室に供給される燃料ガスを蓄圧するバッファタンクを有することを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1, wherein
A fuel cell system comprising a buffer tank for accumulating fuel gas supplied to a pressurizing chamber.
燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給路と、燃料電池から反応後のガスを排出する排出路と、排出路と燃料ガス供給路とを接続する再循環路とを備え、
加圧用燃料ガス供給路は、再循環路と燃料ガス供給路との接続位置よりも燃料ガス上流側の燃料ガス供給路に接続されていること
を特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 8,
A fuel gas supply path for supplying fuel gas to the fuel cell, a discharge path for discharging the reacted gas from the fuel cell, and a recirculation path for connecting the discharge path and the fuel gas supply path,
The fuel cell system, wherein the pressurizing fuel gas supply path is connected to a fuel gas supply path upstream of the fuel gas with respect to a connection position between the recirculation path and the fuel gas supply path.
加圧用燃料ガス供給路に設けられた仕切弁を有すること、
を特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 9, wherein
Having a gate valve provided in the fuel gas supply passage for pressurization;
A fuel cell system.
再循環路の接続位置と加圧用燃料ガス供給路の接続位置との間の燃料ガス供給路に設けられた仕切弁を有すること、
を特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 9 or 10, wherein
Having a gate valve provided in the fuel gas supply path between the connection position of the recirculation path and the connection position of the fuel gas supply path for pressurization;
A fuel cell system.
加圧室に供給される燃料ガスは、水素供給源に蓄圧された高圧燃料ガスを減圧した低圧燃料ガスであることを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 11,
The fuel cell system, wherein the fuel gas supplied to the pressurizing chamber is a low-pressure fuel gas obtained by decompressing the high-pressure fuel gas accumulated in the hydrogen supply source.
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