JP2010135214A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池の発電停止後に、第1の開閉バルブと第2の開閉バルブとを弁閉状態としてカソードを封鎖すると共に、前記燃料電池の発電中に、第1の開閉バルブと第2の開閉バルブとを弁開状態として前記カソードを開放することが可能な燃料電池システムに関する。 According to the present invention, after the power generation of the fuel cell is stopped, the first on-off valve and the second on-off valve are closed to seal the cathode, and during the power generation of the fuel cell, the first on-off valve and the second on-off valve are closed. The open / close valve is opened and the cathode can be opened.
例えば、特許文献1には、燃料電池の発電停止中に発生するクロスリークを抑制するため、燃料電池のカソードの出入口に空気入口遮断弁及び空気出口遮断弁をそれぞれ設け、燃料電池の発電停止後に前記空気入口遮断弁及び空気出口遮断弁をそれぞれ弁閉状態として、前記カソードを封鎖する燃料電池システムが開示されている。 For example, in Patent Document 1, an air inlet shut-off valve and an air outlet shut-off valve are respectively provided at the cathode inlet / outlet of the fuel cell in order to suppress cross leaks that occur when the fuel cell power generation is stopped. A fuel cell system is disclosed in which the air inlet shut-off valve and the air outlet shut-off valve are respectively closed to seal the cathode.
この特許文献1に開示された燃料電池システムでは、エアコンプレッサで圧縮されたエアを燃料電池へ供給圧力よりも高い圧力で蓄圧するバッファタンクが設けられ、大気に連通する大気圧室と前記バッファタンクから供給されるエアによって加圧される加圧室との差圧によって、前記空気入口遮断弁及び空気出口遮断弁の弁開閉動作の切り換えを行っている。
しかしながら、特許文献1に開示された従来技術では、バッファタンクから供給されるエア圧力(エア圧駆動)によって空気入口遮断弁及び空気出口遮断弁の弁開閉動作の切り換えを行っているが、例えば、燃料電池の発電中のように各遮断弁を弁開状態とする必要がある場合、何らかの原因によって各遮断弁が弁閉状態で故障したときに弁開状態への切換動作が困難となり、エアコンプレッサから供給された圧縮エアによってカソード系内が過大な圧力となる。この結果、システム内のエア圧力の異常による燃料電池及びシステムの破損又はシステムの異常停止を招来するおそれがある。 However, in the prior art disclosed in Patent Document 1, switching of the valve opening / closing operation of the air inlet shut-off valve and the air outlet shut-off valve is performed by the air pressure (air pressure drive) supplied from the buffer tank. When it is necessary to open each shut-off valve, such as during fuel cell power generation, if the shut-off valve fails for some reason when the shut-off valve fails, switching to the valve open state becomes difficult. The inside of the cathode system becomes excessive pressure due to the compressed air supplied from. As a result, the fuel cell and the system may be damaged or the system may be stopped abnormally due to an abnormal air pressure in the system.
本発明は、前記の点に鑑みてなされたものであり、カソード系内で過大な圧力が発生することを防止して、燃料電池及びシステムの破損又はシステムの異常停止を回避することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above points, and can prevent the occurrence of excessive pressure in the cathode system, thereby avoiding damage to the fuel cell and system or abnormal shutdown of the system. An object is to provide a fuel cell system.
前記の目的を達成するために、本発明は、アノードに燃料ガスが供給され、カソードに酸化剤ガスが供給される燃料電池と、前記酸化剤ガスを前記燃料電池に対して供給する酸化剤ガス供給手段と、前記酸化剤ガスを前記燃料電池に供給し、前記燃料電池から排出する酸化剤ガス流路と、前記酸化剤ガス流路の供給側に設けられた第1の開閉バルブと、前記酸化剤ガス流路の排出側に設けられた第2の開閉バルブと、前記第1の開閉バルブを開閉操作する第1の開閉操作手段と、前記第2の開閉バルブを開閉操作する第2の開閉操作手段と、前記燃料電池の発電停止後に前記第1の開閉操作手段及び前記第2の開閉操作手段により、前記第1の開閉バルブと前記第2の開閉バルブとを弁閉状態として前記カソードを封鎖すると共に、前記燃料電池の発電中に前記第1の開閉操作手段及び前記第2の開閉操作手段により、前記第1の開閉バルブと前記第2の開閉バルブとを弁開状態として前記カソードを開放するカソード封鎖可能手段とを備えた燃料電池システムにおいて、
前記第1の開閉バルブ及び前記第2の開閉バルブの少なくとも一方の故障を検知し、前記酸化剤ガス供給手段と前記第1の開閉バルブとの間に配設されるリリーフバルブを含む故障検知手段を備え、前記故障検知手段によって前記第1の開閉バルブ及び前記第2の開閉バルブの少なくとも一方の故障が検知されたとき、前記リリーフバルブによって前記酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスが外部に放出されることを特徴とする。
To achieve the above object, the present invention provides a fuel cell in which a fuel gas is supplied to an anode and an oxidant gas is supplied to a cathode, and an oxidant gas that supplies the oxidant gas to the fuel cell. A supply means; an oxidant gas flow path for supplying the oxidant gas to the fuel cell and discharging from the fuel cell; a first on-off valve provided on a supply side of the oxidant gas flow path; A second opening / closing valve provided on the discharge side of the oxidant gas flow path; a first opening / closing operation means for opening / closing the first opening / closing valve; and a second opening / closing operation for opening the second opening / closing valve. The cathode switch is configured to close the first opening / closing valve and the second opening / closing valve by the opening / closing operation means and the first opening / closing operation means and the second opening / closing operation means after the power generation of the fuel cell is stopped. And block the fuel Cathode blockable means for opening the cathode by opening the first open / close valve and the second open / close valve by the first open / close operation means and the second open / close operation means during power generation in the pond In a fuel cell system comprising
A failure detection unit that detects a failure of at least one of the first on-off valve and the second on-off valve and includes a relief valve disposed between the oxidant gas supply unit and the first on-off valve. When the failure detecting means detects a failure of at least one of the first on-off valve and the second on-off valve, the oxidant gas flowing through the oxidant gas flow path is externally provided by the relief valve. It is characterized in that it is released.
本発明によれば、燃料電池システムの運転中において、第1の開閉バルブ又は第2の開閉バルブの少なくとも一方が閉故障(弁体が弁閉状態のままで弁開状態に切り換わらない故障)したことを故障検知手段が検知したとき、酸化剤供給手段から供給される酸化剤ガスにより過大となった酸化剤ガス流路内(カソード系内)の圧力流体をリリーフバルブから外部に放出することができる。この結果、本発明では、燃料電池及びカソード系内におけるシステムの破損又は燃料電池システムの異常停止を好適に回避することができる。 According to the present invention, during the operation of the fuel cell system, at least one of the first opening / closing valve and the second opening / closing valve is closed (failure that does not switch to the valve open state while the valve body remains closed). When the failure detection means detects this, the pressure fluid in the oxidant gas passage (in the cathode system) that has become excessive due to the oxidant gas supplied from the oxidant supply means is discharged from the relief valve to the outside. Can do. As a result, in the present invention, it is possible to preferably avoid the system damage or the abnormal stop of the fuel cell system in the fuel cell and the cathode system.
また、本発明によれば、故障検知手段によって故障が検知されたときに、酸化剤ガス供給手段からの酸化剤ガスの供給を停止させることによって、酸化剤ガス流路内の圧力が急激に上昇することを回避することができる。 Further, according to the present invention, when a failure is detected by the failure detection means, the supply of the oxidant gas from the oxidant gas supply means is stopped, thereby rapidly increasing the pressure in the oxidant gas flow path. Can be avoided.
本発明では、リリーフバルブによってカソード系内で発生した過大な圧力流体を外部に放出することにより、燃料電池及びシステムの破損又はシステムの異常停止を回避することが可能な燃料電池システムを得ることができる。 According to the present invention, it is possible to obtain a fuel cell system capable of avoiding damage to the fuel cell and the system or an abnormal stop of the system by discharging excessive pressure fluid generated in the cathode system to the outside by the relief valve. it can.
次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。図1は、本発明の第1実施形態に係る燃料電池システムの全体構成図である。なお、以下に示す実施形態では、燃料電池自動車を例示して説明しているが、これに限定されるものでなく、例えば、船舶や航空機等、又は業務用や家庭用の定置式等に適用することができる。 Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings as appropriate. FIG. 1 is an overall configuration diagram of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention. In the embodiment described below, a fuel cell vehicle is described as an example. However, the present invention is not limited to this, and is applied to, for example, a ship, an aircraft, or a stationary type for business use or home use. can do.
図1に示されるように、第1実施形態に係る燃料電池システム10は、燃料電池12、アノード系14、カソード系16、アノード掃気系18、制御系20を備えて構成されている。
As shown in FIG. 1, the fuel cell system 10 according to the first embodiment includes a fuel cell 12, an
燃料電池12は、固体高分子型燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell:PEFC)からなり、MEA(Membrane Electrode Assembly、膜電極接合体)を図示しないセパレータで挟持してなる単セルが複数積層されて構成されている。 The fuel cell 12 is composed of a polymer electrolyte fuel cell (PEFC), and is configured by laminating a plurality of single cells each having a MEA (Membrane Electrode Assembly) sandwiched between separators (not shown). Has been.
MEAは、電解質膜(固定高分子膜)、これを挟持するカソード及びアノード等を備える。前記カソード及びアノードは、例えば、白金等の触媒がカーボンブラック等の触媒担体に担持された電極触媒層からなる。また、各セパレータには、溝や貫通孔からなるアノード流路22及びカソード流路24が形成されている。
The MEA includes an electrolyte membrane (fixed polymer membrane), a cathode and an anode that sandwich the membrane. The cathode and the anode are each composed of an electrode catalyst layer in which a catalyst such as platinum is supported on a catalyst carrier such as carbon black. Each separator has an
このような燃料電池12では、アノードに水素(反応ガス、燃料ガス)が供給され、一方、カソードに酸素を含むエア(反応ガス、酸化剤ガス)が供給されると、アノード及びカソードに含まれる触媒上で電極反応が起こり、燃料電池12が発電可能な状態となる。 In such a fuel cell 12, when hydrogen (reaction gas, fuel gas) is supplied to the anode, and when air containing oxygen (reaction gas, oxidant gas) is supplied to the cathode, it is included in the anode and cathode. An electrode reaction occurs on the catalyst, and the fuel cell 12 is ready for power generation.
前記燃料電池12は、図示しない外部負荷と電気的に接続され、前記外部負荷によって電流が取り出されると、燃料電池12が発電するようになっている。なお、前記外部負荷とは、走行用のモータ、バッテリやキャパシタ等の蓄電装置、後記するエアポンプ26等である。
The fuel cell 12 is electrically connected to an external load (not shown). When a current is taken out by the external load, the fuel cell 12 generates power. The external load includes a traveling motor, a power storage device such as a battery or a capacitor, an
アノード系14は、水素タンク28、遮断弁30、パージ弁32、配管a1〜a5等によって構成される。
The
水素タンク28は、高純度の水素を高圧で圧縮したものであり、配管a1を介して下流側の遮断弁30と接続されている。前記遮断弁30は、例えば、電磁弁からなり、配管a2を介して下流側の燃料電池12のアノード流路22の入口と接続されている。
The
パージ弁32は、例えば、電磁弁からなり、配管a3を介して上流側の燃料電池12のアノード流路22の出口と接続されている。また、入口側の配管a2と出口側の配管a3には、燃料電池12のアノードの出口から排出された未反応の水素をアノードの入口側に戻す配管a4がそれぞれ接続されている。
The
なお、配管a4から配管a2への合流部には、図示しないエゼクタが設けられ、水素タンク28から導出される水素の流れによって生じる負圧によって、配管a4から戻るガス(水素)を吸引するように構成されている。また、パージ弁32は、配管a5を介して下流側の希釈器34と接続されている。
Note that an unillustrated ejector is provided at the junction from the pipe a4 to the pipe a2, so that the gas (hydrogen) returning from the pipe a4 is sucked by the negative pressure generated by the hydrogen flow led out from the
カソード系16は、エアポンプ(酸化剤ガス供給手段)26、リリーフバルブ(故障検知手段)35、第1の開閉バルブ36a、第2の開閉バルブ36b、背圧弁38、希釈器34、配管(酸化剤ガス流路)c1〜c5等で構成されている。
The
エアポンプ26は、例えば、図示しないモータで駆動される機械式の過給器であり、取り込んだ外気(エア)を圧縮して燃料電池12に供給する。
The
第1の開閉バルブ36aは、酸化剤ガスの供給側に設けられ、配管c1を介して上流側のエアポンプ26と接続されると共に、配管c2を介して下流側の燃料電池12のカソード流路24の入口と接続されている。第2の開閉バルブ36bは、酸化剤ガスの排出側に設けられ、配管c3を介して上流側の燃料電池12のカソード流路24の出口と接続されると共に、配管c4を介して下流側の背圧弁34と接続されている。
The first opening /
第1の開閉バルブ36a及び第2の開閉バルブ36bは、それぞれ、ノーマルクローズタイプで同一構成からなるため、以下、第1の開閉バルブ36aの構成を詳細に説明して、第2の開閉バルブ36bの説明を省略する。
Since the first on-off
この第1の開閉バルブ36aは、図2に示されるように、流体が導入されるインレットポート40a及び流体が導出されるアウトレットポート40bがそれぞれ形成されたバルブハウジング42と、前記バルブハウジング42の室44内に設けられてインレットポート40aとアウトレットポート40bとの連通状態と非連通状態とを切り換える弁体46と、前記弁体46を着座部48に向かって押圧するばね部材50と、前記弁体46が着座部48から離間する方向及び着座部48に着座する方向に沿って前記弁体46を変位させる弁駆動機構52(開閉操作手段)とを備える。
As shown in FIG. 2, the first open /
なお、図1に示されるように、第1の開閉バルブ36aには、バルブハウジング42のインレットポート40aに対してエアポンプ26に連通する配管c1が接続され、アウトレットポート40bに対して燃料電池12のカソード流路24に連通する配管c2が接続される。また、第2の開閉バルブ36bには、バルブハウジング42のインレットポート40aに対して燃料電池12のカソード流路24に連通する配管c3が接続され、アウトレットポート40bに対して背圧弁38に連通する配管c4が接続される。この場合、第1の開閉バルブ36aと第2の開閉バルブ36bとでは、インレットポート40aとアウトレットポート40bの位置が逆転して配設される。
As shown in FIG. 1, a pipe c1 communicating with the
弁体46は、円板状に形成された弁部46aと、前記弁部46aの中心に連結されるロッド部46bとを有し、前記弁部46aの下面には、バルブハウジング42の着座部48に当接してシール機能を発揮する弁パッキン46cが装着される。
The valve body 46 includes a valve portion 46a formed in a disc shape and a
弁駆動機構52は、例えば、ステッピングモータ等の電気駆動手段からなる回転駆動源56と、前記回転駆動源56の回転駆動軸56a(モータ軸)に連結されたピニオン58と、バルブハウジング42から露呈する弁体46のロッド部46bの外周面に設けられ前記ピニオン58と噛合するラック部60とを有する。なお、前記回転駆動源56は、バルブハウジング42に連結された図示しない固定部材によって固定される。
The valve drive mechanism 52 is exposed from, for example, a rotation drive source 56 formed of an electric drive means such as a stepping motor, a
この場合、回転駆動源56が回転駆動されて回転駆動軸56aの回転運動がピニオン58に伝達され、前記ピニオン58の回転運動は、ピニオン58とラック部60との噛合作用によって弁体46の直線運動(昇降運動)に変換される。この結果、前記弁体46が着座部48に着座してアウトレットポート40bを閉塞することにより、インレットポート40aとアウトレットポート40bとの連通が遮断された弁閉状態となり(図2の実線参照)、一方、前記弁体46が着座部48から離間することにより、バルブハウジング42内の室44を介してインレットポート40aとアウトレットポート40bとが連通する弁開状態となる(図2の二点鎖線参照)。
In this case, the rotational drive source 56 is rotationally driven and the rotational motion of the
弁駆動機構52の回転駆動源56は、例えば、高圧バッテリとは別個に設けられた図示しない低圧バッテリの電力によって駆動される。また、前記第1の開閉バルブ36a及び第2の開閉バルブ36bは、前記したようなノーマルクローズタイプに限定されるものではなく、例えば、燃料電池12の発電中に弁開状態となり、燃料電池12の発電停止後にカソード封鎖するときに前記弁駆動機構52を介して弁閉状態とし、その弁閉状態が図示しない固定部材(又はロック機構)等によって保持されるような、ノーマルオープンタイプの開閉バルブとしてもよい。
The rotational drive source 56 of the valve drive mechanism 52 is driven by, for example, electric power of a low voltage battery (not shown) provided separately from the high voltage battery. Further, the first opening /
リリーフバルブ35は、エアポンプ26と第1の開閉バルブ36aとの間である配管c1中に配設され、公知の直動形リリーフ弁によって構成される。このリリーフバルブ35は、例えば、略円筒状のバルブボデイの内部に調節ばねのばね力によってバルブシートに押圧される図示しない弁部材(ボールを含む)を有する。この場合、バルブボデイの図示しない入口ポートから導入された圧力流体(配管c1中を流通するエア)が前記弁部材をバルブシートから離間する方向に押圧して、前記圧力流体の圧力が調節ばねのばね力に打ち勝つことにより前記弁部材がバルブシートから離間し、圧力流体が図示しないリリーフポートから外部に放出(リリーフ)される。
The
なお、前記リリーフバルブ35には、例えば、ホール効果を利用して前記弁部材に付設された永久磁石の磁界強度を検出するホール素子(Hall element)等からなり、弁部材の位置を検出する位置検出センサ(故障検知手段)37が設けられる。前記位置検出センサ37は、前記弁部材がバルブシートから離間してリリーフ状態となったときに後記するECU100に対して検出信号を導出する。
The
背圧弁38は、第2の開閉バルブ36bの下流側に配設され、燃料電池12のカソードの圧力を調整する機能を有する。前記背圧弁38は、後記するECU100からの弁開度信号によって弁開度の調節が可能なバタフライ弁(常開型)等で構成されている。また、背圧弁38は、配管c5を介して希釈器34と接続されている。
The
希釈器34は、パージ弁32から排出された未消費の水素を、カソードから排出されたカソードオフガスによって希釈して車外に排出するものである。なお、カソード系16には、エアポンプ26から供給された空気を加湿する図示しない加湿器が配管c1に設けられている。
The
アノード掃気系18は、エア導入配管70、エア導入弁72、エア導出配管74、エア導出弁76等で構成されている。
The
エア導入配管70は、エアポンプ26からのエア(掃気ガス、酸化剤ガス)をアノードに導入する流路を構成し、上流側の端部が配管c1と接続され、下流側の端部が配管a2と接続されている。エア導入弁72は、エア導入配管70の流路上に設けられ、燃料電池12の発電停止後のアノード掃気時にECU100によって開弁される。
The
エア導出配管74は、アノードから排出されたエア(掃気ガス)をカソード系16に戻す流路を構成し、上流側の端部が配管a3と接続され、下流側の端部が背圧弁38の下流側の配管c5と接続されている。エア導出弁76は、エア導出配管74の流路上に設けられ、アノード掃気時にECU100によって開弁される。
The air outlet piping 74 constitutes a flow path for returning air (scavenging gas) discharged from the anode to the
制御系20は、ECU(故障検知手段)100(Electronic Control Unit)を含み、前記ECU100は、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)等で構成される。また、ECU100は、遮断弁30、パージ弁32、エア導入弁72、エア導出弁76をそれぞれ開閉制御すると共に、弁駆動機構52を駆動制御することにより、第1の開閉バルブ36a及び第2の開閉バルブ36bの弁閉状態と弁閉状態とをそれぞれ切換制御する。さらに、ECU100は、エアポンプ26のモータの回転速度を制御して前記エアポンプ26から燃料電池12に供給されるエア流量(エア圧力)を制御すると共に、背圧弁38の弁開度を調整する。
The
第1実施形態に係る燃料電池システム10は、基本的に以上のように構成されるものであり、次にその作用効果について説明する。 The fuel cell system 10 according to the first embodiment is basically configured as described above. Next, the function and effect will be described.
先ず、燃料電池自動車のイグニッションスイッチがオフ(IG−OFF)されて、燃料電池12の発電が停止されている場合について説明する。 First, the case where the ignition switch of the fuel cell vehicle is turned off (IG-OFF) and the power generation of the fuel cell 12 is stopped will be described.
運転者によってイグニッションスイッチがオフ(IG−OFF)されている場合、ECU100からの制御信号によって、遮断弁30が閉じられて燃料電池12側への水素の供給が停止されていると共に、エアポンプ26の図示しないモータの駆動が停止されて燃料電池12側へのエアの供給が停止されている。また、燃料電池12の発電停止中は、第1の開閉バルブ36a及び第2の開閉バルブ36bが弁閉状態となり、燃料電池12のカソードが封鎖されている。
When the ignition switch is turned off (IG-OFF) by the driver, the
換言すると、燃料電池12の発電停止中において、第1の開閉バルブ36a及び第2の開閉バルブ36bは、例えば、ノーマルクローズタイプのバルブからなる場合、図2の実線で示されるように、ばね部材50のばね力によって弁体46が着座部48に対して着座するように押圧されている。従って、第1の開閉バルブ36a及び第2の開閉バルブ36bは、インレットポート40aとアウトレットポート40bとの連通が遮断された弁閉状態となる。その際、弁駆動機構52の回転駆動源56は、非通電状態にある。
In other words, when power generation of the fuel cell 12 is stopped, when the first on-off
燃料電池12のカソードが第1の開閉バルブ36a及び第2の開閉バルブ36bによって封鎖されることにより、燃料電池12の発電停止中において、カソード流路24内に新たなエアが流れ込むことが好適に阻止され、クロスリークの発生を防止して燃料電池12の性能低下を阻止することができる。
Preferably, the cathode of the fuel cell 12 is blocked by the first opening /
次に、運転者によって燃料電池自動車のイグニッションスイッチがオン(IG−ON)されて燃料電池システム10が運転中である場合には、ECU100によって第1の開閉バルブ36a及び第2の開閉バルブ36bがそれぞれ弁開状態とされてカソードの封鎖状態が解除されると共に、遮断弁30が弁開状態とされて水素タンク28からアノードに水素が供給されると共に、エアポンプ26が駆動されてカソードにエア(空気)が供給されて、燃料電池12の発電が行われる。
Next, when the ignition switch of the fuel cell vehicle is turned on (IG-ON) by the driver and the fuel cell system 10 is in operation, the
なお、燃料電池システム10の運転中において、エア導入弁72及びエア導出弁76は、それぞれ弁閉状態とされ、パージ弁32は、適宜弁開状態とされて、配管a2、a3、a4及びアノード流路22からなるアノード循環系に蓄積した窒素等の不純物や生成水を排出する。窒素や生成水は、電解質膜を介してカソードからアノードを透過したものである。
During the operation of the fuel cell system 10, the
ここで、燃料電池システム10の運転中において、何らかの原因によって第1の開閉バルブ36a又は第2の開閉バルブ36bのいずれか一方又はその両方が閉故障(弁体46が弁閉状態に保持されて弁閉状態から弁開状態へ切り換わらない故障)したときについて、以下説明する。
Here, during the operation of the fuel cell system 10, one or both of the first on-off
燃料電池12の上流側に配設された第1の開閉バルブ36aのみが閉故障した場合には、エアポンプ26から供給されるエア圧力によって第1の開閉バルブ36aの上流側の配管c1内のエア圧力が増大する。前記配管c1内のエア圧力が所定圧力に到達したとき、調節ばねのばね力に打ち勝ってリリーフバルブ35の弁部材をバルブシートから離間させ、前記エア圧力が増大したエアをリリーフポートから外部に放出することができる。
When only the first opening /
なお、前記「所定圧力」は、リリーフバルブ35のバルブボデイの内部に配設されて、弁部材を押圧する調節ばねのばね力(ばね定数)によって設定される。さらに、前記リリーフバルブ35に設けられた図示しない調節ノブを回動させて、調節ばねのばね力を所望の値に調節するようにしてもよい。
The “predetermined pressure” is set by the spring force (spring constant) of an adjusting spring that is disposed inside the valve body of the
燃料電池12の下流側に配設された第2の開閉バルブ36bのみが閉故障した場合には、エアポンプ26から供給されるエア圧力によって、第2の開閉バルブ36bの上流側である配管c3内のエア圧力、燃料電池12のカソード流路24内のエア圧力、配管c2内のエア圧力及び配管c1内のエア圧力がそれぞれ増大する。そこで、前記配管c1内のエア圧力が所定圧力に到達したとき、調節ばねのばね力に打ち勝ってリリーフバルブ35の弁部をバルブシートから離間させ、前記エア圧力が増大したエアをリリーフポートから外部に放出することができる。なお、燃料電池12の下流側に配設された第2の開閉バルブ36bのみが閉故障したとき、前記所定圧力は、燃料電池12及び配管c1〜c3が破損しない程度の圧力(耐圧圧力)に設定されるとよい。
When only the second opening /
燃料電池12の上流側に配設された第1の開閉バルブ36a及び第2の開閉バルブ36bの両方が閉故障した場合には、第1の開閉バルブ36aのみの閉故障と同様に、エアポンプ26から供給されるエア圧力によって第1の開閉バルブ36aの上流側の配管c1内のエア圧力が増大する。そこで、前記配管c1内のエア圧力が所定圧力に到達したとき、調節ばねのばね力に打ち勝ってリリーフバルブ35の弁部をバルブシートから離間させ、前記エア圧力が増大したエアをリリーフポートから外部に放出することができる。
When both the first opening /
その際、ECU100は、リリーフバルブ35の弁部材の位置を検出する位置検出センサ37から、前記弁部材がバルブシートから離間したことを検出した検出信号が入力されたとき、エアポンプ26に制御信号を出力して前記エアポンプ26の回転速度を制御して、エアポンプ26から供給されるエア圧力(エア流量)を減少させ、又は、エアポンプ26のモータの回転駆動を停止させて前記エアポンプ26からのエアの供給を停止させる。前記エアポンプ26からのエアの供給が停止されることにより、カソード系16内の急激なエア圧力の上昇を回避することができる。
At that time, when a detection signal that detects that the valve member is separated from the valve seat is input from the
さらに、ECU100は、前記位置検出センサ37からの検出信号が入力された後、背圧弁38の弁開度を検知して前記背圧弁38の弁体が全開状態から閉じ側の方向で圧力制御を行っていると判断したとき、前記弁体(バタフライ弁)を全開状態とする弁開度信号を背圧弁38に対して出力する。従って、前記背圧弁38の弁体が全開状態となってカソードの背圧(back pressure)を減少させることにより、カソード系16内の急激なエア圧力の上昇を抑制することに寄与させることができる。
Further, after the detection signal from the
このように、本実施形態では、燃料電池システム10の運転中において、何らかの原因によって第1の開閉バルブ36a又は第2の開閉バルブ36bのいずれか一方又はその両方が閉故障した場合、エアポンプ26から供給されるエアにより過大となったカソード系16内の圧力流体をリリーフバルブ35から外部に放出することができる。この結果、本実施形態では、燃料電池12及びカソード系16におけるシステムの破損又は燃料電池システム10の異常停止を好適に回避することができる。
As described above, in the present embodiment, when one or both of the first opening /
次に、本発明の第2実施形態に係る燃料電池システムの全体構成図を図3に示す。なお、以下に示す実施形態において、図1に示される構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。 Next, FIG. 3 shows an overall configuration diagram of the fuel cell system according to the second embodiment of the present invention. In the following embodiment, the same components as those shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
この第2実施形態に係る燃料電池システム10aでは、図3に示されるように、第1の開閉バルブ36a及び第2の開閉バルブ36bの弁体46の弁開度を検出し、その検出信号をECU100に対して出力する弁開度センサ(故障検知手段)39をそれぞれ設けると共に、ECU100からの駆動信号によってリリーフバルブ35の弁部材を駆動するソレノイド部35aを設けている点で第1の実施形態と異なっている。
In the fuel cell system 10a according to the second embodiment, as shown in FIG. 3, the opening degree of the valve body 46 of the first on-off
すなわち、ECU100は、第1の開閉バルブ36a及び第2の開閉バルブ36bの弁体46の弁開度を検出する弁開度センサ39からの検出信号によって、第1の開閉バルブ36a又は第2の開閉バルブ36bのいずれか一方又はその両方が閉故障したと判断したとき、リリーフバルブ35のソレノイド部35aに駆動信号を出力する。リリーフバルブ35では、ソレノイド部35aのコイルが励磁されて弁部材が吸引され、前記弁部材がバルブシートから離間する。従って、エアポンプ26から供給されるエアにより過大な圧力となったカソード系16内の圧力流体をリリーフバルブ35から外部に放出することができる。この結果、本実施形態では、燃料電池12及びカソード系16におけるシステムの破損又は燃料電池システム10の異常停止を好適に回避することができる。
That is, the
この場合、第1の実施形態と同様に、ECU100は、エアポンプ26の回転速度を制御すると共に、背圧弁38の弁開度を制御する。
In this case, as in the first embodiment, the
次に、本発明の第3実施形態に係る燃料電池システムの全体構成図を図4に示す。
この第3実施形態に係る燃料電池システム10bでは、図4に示されるように、前記弁開度センサ39に代替して、第1の開閉バルブ36aと燃料電池12のカソード入口との間に圧力検出センサ(故障検知手段)41を配設し、燃料電池12のカソード入口の上流側の配管c2を流通するエアの圧力を検出してその検出信号をECU100に出力する点で第2の実施形態と異なっている。
Next, FIG. 4 shows an overall configuration diagram of a fuel cell system according to a third embodiment of the present invention.
In the fuel cell system 10b according to the third embodiment, as shown in FIG. 4, instead of the
すなわち、ECU100は、燃料電池12のカソード系16の上流側のエア圧力を検出する圧力検出センサ41からの検出信号によって、第1の開閉バルブ36a又は第2の開閉バルブ36bのいずれか一方又はその両方が閉故障したと判断したとき、リリーフバルブ35のソレノイド部35aに駆動信号を出力する。この場合、ECU100は、エアポンプ26のモータの回転速度情報や背圧弁38の弁開度情報等から現在の燃料電池システム10の運転状況に対応する基準圧力を図示しないテーブル等から求め、この基準圧力と圧力検出センサ41によって検出された実際のエア圧力とを比較して閉故障であると判断する。例えば、上流側の第1の開閉バルブ36aが閉故障した場合には、実際のエア圧力が基準圧力よりも低いときに閉故障であると判断し、一方、下流側の第2の開閉バルブ36bが閉故障した場合には、実際の圧力が基準圧力を超えたときに閉故障であると判断する。
That is, the
このようにしてECU100が第1の開閉バルブ36a又は第2の開閉バルブ36bのいずれか一方又はその両方が閉故障したと判断したとき、リリーフバルブ35では、ソレノイド部35aのコイルが励磁されて弁部材が吸引され、前記弁部材がバルブシートから離間する。従って、エアポンプ26から供給されるエアにより過大な圧力となったカソード系16内の圧力流体をリリーフバルブ35から外部に放出することができる。この結果、本実施形態では、燃料電池12及びカソード系16におけるシステムの破損又は燃料電池システム10の異常停止を好適に回避することができる。
In this way, when the
この場合、第1の実施形態と同様に、ECU100は、エアポンプ26の回転速度を制御すると共に、背圧弁38の弁開度を制御する。
In this case, as in the first embodiment, the
次に、本発明の第4実施形態に係る燃料電池システムの全体構成図を図5に示す。
この第4実施形態に係る燃料電池システム10cでは、図5に示されるように、第1の開閉バルブ36a及び第2の開閉バルブ36bの弁体46の弁開度を検出する弁開度センサ39と、第1の開閉バルブ36aと燃料電池12のカソード入口との間に配設される圧力検出センサ41とを併設し、それぞれの検出信号をECU100に出力する点で異なっている。
Next, FIG. 5 shows an overall configuration diagram of a fuel cell system according to a fourth embodiment of the present invention.
In the fuel cell system 10c according to the fourth embodiment, as shown in FIG. 5, a
この場合、ECU100は、弁開度センサ39から出力される検出信号と、圧力検出センサ41から出力される検出信号との両者に基づいてアンドをとることにより、第1の開閉バルブ36a及び第2の開閉バルブ36bのいずれか一方又はその両方の閉故障を、確実且つ精度良く検知することができる。
In this case, the
10、10a〜10c 燃料電池システム
12 燃料電池
16 カソード系
24 カソード流路
26 エアポンプ(酸化剤ガス供給手段)
35 リリーフバルブ(故障検知手段)
36a 第1の開閉バルブ
36b 第2の開閉バルブ
37 位置検出センサ(故障検知手段)
39 弁開度センサ(故障検知手段)
41 圧力検出センサ(故障検知手段)
46 弁体
52 弁駆動機構(第1及び第2の開閉操作手段)
100 ECU(カソード封鎖可能手段、故障検知手段)
c1〜c5 配管(酸化剤ガス流路)
10, 10a to 10c Fuel cell system 12
35 Relief valve (Failure detection means)
36a First open /
39 Valve opening sensor (failure detection means)
41 Pressure detection sensor (failure detection means)
46 valve body 52 valve drive mechanism (first and second opening / closing operation means)
100 ECU (cathode blockable means, failure detection means)
c1 to c5 piping (oxidant gas flow path)
Claims (2)
前記酸化剤ガスを前記燃料電池に対して供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記酸化剤ガスを前記燃料電池に供給し、前記燃料電池から排出する酸化剤ガス流路と、
前記酸化剤ガス流路の供給側に設けられた第1の開閉バルブと、
前記酸化剤ガス流路の排出側に設けられた第2の開閉バルブと、
前記第1の開閉バルブを開閉操作する第1の開閉操作手段と、
前記第2の開閉バルブを開閉操作する第2の開閉操作手段と、
前記燃料電池の発電停止後に前記第1の開閉操作手段及び前記第2の開閉操作手段により、前記第1の開閉バルブと前記第2の開閉バルブとを弁閉状態として前記カソードを封鎖すると共に、前記燃料電池の発電中に前記第1の開閉操作手段及び前記第2の開閉操作手段により、前記第1の開閉バルブと前記第2の開閉バルブとを弁開状態として前記カソードを開放するカソード封鎖可能手段と、
を備えた燃料電池システムにおいて、
前記第1の開閉バルブ及び前記第2の開閉バルブの少なくとも一方の故障を検知し、前記酸化剤ガス供給手段と前記第1の開閉バルブとの間に配設されるリリーフバルブを含む故障検知手段を備え、
前記故障検知手段によって前記第1の開閉バルブ及び前記第2の開閉バルブの少なくとも一方の故障が検知されたとき、前記リリーフバルブによって前記酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスが外部に放出されることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell in which fuel gas is supplied to the anode and oxidant gas is supplied to the cathode; and
Oxidant gas supply means for supplying the oxidant gas to the fuel cell;
Supplying the oxidant gas to the fuel cell and discharging the oxidant gas from the fuel cell;
A first on-off valve provided on the supply side of the oxidant gas flow path;
A second on-off valve provided on the discharge side of the oxidant gas flow path;
First opening / closing operation means for opening / closing the first opening / closing valve;
Second opening / closing operation means for opening / closing the second opening / closing valve;
After the power generation of the fuel cell is stopped, the first opening / closing operation means and the second opening / closing operation means close the first opening / closing valve and the second opening / closing valve to close the cathode, and During the power generation of the fuel cell, the first open / close operation means and the second open / close operation means open the cathode by closing the first open / close valve and the second open / close valve. Possible means,
In a fuel cell system comprising:
A failure detection unit that detects a failure of at least one of the first on-off valve and the second on-off valve and includes a relief valve disposed between the oxidant gas supply unit and the first on-off valve. With
When at least one failure of the first on-off valve and the second on-off valve is detected by the failure detecting means, the oxidant gas flowing through the oxidant gas flow path is released to the outside by the relief valve. A fuel cell system.
前記故障検知手段によって故障が検知されたときには、前記酸化剤ガス供給手段からの酸化剤ガスの供給を停止させ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
When a failure is detected by the failure detection means, supply of the oxidant gas from the oxidant gas supply means is stopped.
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