JP2011113859A - 電磁弁の開閉制御を用いた燃料及び酸化剤循環式燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【課題】高効率かつ低コストなガス循環式燃料電池システムを構築することができる技術を提供する。
【解決手段】電磁弁15の閉状態がある一定時間(X秒)を経過した時に電磁弁15を開くことで燃料電池8下流に位置する循環経路10,11に第1逆止弁2経由で燃料を貯蔵し、電磁弁15の開状態がある一定時間(Y秒)を経過した時に電磁弁15を閉じることで電磁弁15を介した燃料供給を停止し、循環経路10,11に貯蔵された燃料を第2逆止弁3経由で燃料電池8に循環させ、電磁弁15の閉状態がある一定時間(X秒)を経過した時に電磁弁15を再度開き、燃料電池8への燃料供給を再開させる。
【選択図】図3
【解決手段】電磁弁15の閉状態がある一定時間(X秒)を経過した時に電磁弁15を開くことで燃料電池8下流に位置する循環経路10,11に第1逆止弁2経由で燃料を貯蔵し、電磁弁15の開状態がある一定時間(Y秒)を経過した時に電磁弁15を閉じることで電磁弁15を介した燃料供給を停止し、循環経路10,11に貯蔵された燃料を第2逆止弁3経由で燃料電池8に循環させ、電磁弁15の閉状態がある一定時間(X秒)を経過した時に電磁弁15を再度開き、燃料電池8への燃料供給を再開させる。
【選択図】図3
Description
本発明は、燃料電池システムに関し、特に、燃料電池出口から排出される未反応分の燃料および酸化剤ガスを入口に再供給、つまりガスを循環させる循環式燃料電池システムに関する。
燃料電池は、水素と酸素から水を生成する電気化学反応を利用したエネルギー変換デバイスである。燃料電池から電気を取り出すために水素と酸素(空気)がそれぞれ供給されるが、一般的に、水素および酸素は燃料電池が消費する量よりも過剰に供給されている。これは、燃料電池反応により生成される水の除去、供給ガス量不足による燃料電池の損傷ならびに電力の出力低下を防止するためである。しかしながら、未反応分のガスをそのまま系外に排気してしまうと、その排気分のガスが持つエネルギーを有効に活用できなくなってしまう。そのため、燃料電池システムのエネルギー効率は低下してしまう。未反応分のガスのエネルギーを有効に活用するために、ポンプやエジェクタなどを用いて燃料電池出口から排出されるガスを燃料電池入口に再供給する、つまりガスを循環させる循環式燃料電池システムが多数考案されている。
しかしながら、ポンプを用いて循環を行う場合、ガスを循環するためにポンプ自体が燃料電池の発電電力の一部を消費してしまうため、システムとしての効率は低下してしまう。また、ポンプは可動部を有するため、振動ならびに騒音の発生源となる。従来の熱機関による発電装置と比較した場合の燃料電池の利点として、高効率、静寂、可動部を有しない、等が挙げられるが、ポンプを燃料電池システムのコンポーネントの1つとして採用することは、燃料電池の利点を定性的に相殺することになってしまう。
エジェクタは、電力を消費することなくガスを循環することが可能であるが、主な短所として動作範囲が比較的狭いことが挙げられる。可動ニードルを具備することにより広範囲で動作可能なエジェクタや、複数個のエジェクタを用いることでシステムとしての動作範囲を拡大する方式などが提案されている(例えば、特許文献1〜2等)。しかし、これらの方法は、エジェクタ本来の狭範囲の特性を制御やシステム構成でカバーしているものであるため、制御やシステムが複雑化してしまう。
以上のように、高効率且つ簡素な燃料電池システムを構築するには、従来とは異なる循環システムが望まれる。
例えば、ポンプやエジェクタを用いることなく、燃料電池のガス消費による負圧発生を利用した図1に示すような循環システムが提案されている(例えば、本出願人による特許出願:特願2009−049201号)。図1は、本発明の前提として検討した、圧力調節器を用いた燃料電池システムの構成例を示す図である。図1に示すように、燃料電池システムは、燃料ガスが貯蔵される水素ボンベ7と、水素ボンベ7の高圧水素を減圧して燃料電池8に供給する圧力調整器1と、燃料電池8の圧力を検出する圧力センサ5と、圧力センサ5の検出結果に基づいて燃料電池8の圧力を圧力調節器1を用いて制御する制御装置9と、燃料電池出口から排出されるガスが通過する第1逆止弁2と、燃料電池出口から排出されたガスが燃料電池入口6へ循環されるための循環経路10および循環経路11と、燃料電池出口から排出されたガスと水分を分離するための気液分離器4と、循環経路11を経由したガスが通過する第2逆止弁3により構成されている。ここで、循環経路10と循環経路11は、ある内容積を有する配管である。以上は燃料極側の構成について示したものであるが、酸素極側についても同様の構成を用いることが可能である。
また、図1に示した循環システムの圧力調節器1を、図2に示すように流量調節器14に置き換えた循環システムも提案されている(例えば、本出願人による特許出願:特願2009−167720号)。図2は、本発明の前提として検討した、流量調節器を用いた燃料電池システムの構成例を示す図である。
しかし、以上のシステムでは循環を行うために電気的に制御可能な圧力調節器もしくは流量調節器が必要であった。しかし、これらの流体制御デバイスは比較的高価であるため、システムの低コスト化のためには電磁弁等の安価なデバイスに置き換えられることが望ましい。
そこで、本発明の1つの目的は、高効率かつ低コストなガス循環式燃料電池システムを構築することができる技術を提供することにある。本発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。
本願において開示される実施例のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
本発明の循環式燃料電池システムの第1の実施形態は、電磁弁の閉状態がある一定時間(X秒)を経過した時に電磁弁を開くことで燃料電池下流に位置する循環経路に第1逆止弁経由で燃料を貯蔵し、電磁弁の開状態がある一定時間(Y秒)を経過した時に電磁弁を閉じることで電磁弁を介した燃料供給を停止し、循環経路に貯蔵された燃料を第2逆止弁経由で燃料電池に循環させ、電磁弁の閉状態がある一定時間(X秒)を経過した時に電磁弁を再度開き、燃料電池への燃料供給を再開させるように機能することを特徴とする。
本発明の循環式燃料電池システムの第2の実施形態は、燃料電池の燃料圧力がある下限値(第1設定値)に達した時に電磁弁を開くことで燃料電池下流に位置する循環経路に第1逆止弁経由で燃料を貯蔵し、燃料電池の燃料圧力がある上限値(第2設定値)に達した時に電磁弁を閉じることで電磁弁を介した燃料供給を停止し、循環経路に貯蔵された燃料を第2逆止弁経由で燃料電池に循環させ、燃料電池の燃料圧力がある下限値(第1設定値)に達した時に電磁弁を再度開き、燃料電池への燃料供給を再開させるように機能することを特徴とする。
本発明の循環式燃料電池システムの第3の実施形態は、燃料電池の電圧がある第1設定値に達した時に電磁弁を開くことで燃料電池下流に位置する循環経路に第1逆止弁経由で燃料を貯蔵し、燃料電池の電圧がある第2設定値(第1設定値よりも高い値)に達した時に電磁弁を閉じることで電磁弁を介した燃料供給を停止し、循環経路に貯蔵された燃料を第2逆止弁経由で燃料電池に循環させ、燃料電池の電圧がある第1設定値に達した時に電磁弁を再度開き、燃料電池への燃料供給を再開させるように機能することを特徴とする。
本発明の循環式燃料電池システムの第4の実施形態は、時間、燃料圧力、燃料電池電圧のうちいずれか一つがそれぞれに対応するある第1設定値に達した時に電磁弁を開くことで燃料電池下流に位置する循環経路に第1逆止弁経由で燃料を貯蔵し、時間、燃料圧力、燃料電池電圧のうちいずれか一つがそれぞれに対応するある第2設定値に達した時に電磁弁を閉じることで電磁弁を介した燃料供給を停止し、循環経路に貯蔵された燃料を第2逆止弁経由で燃料電池に循環させ、時間、燃料圧力、燃料電池電圧のうちいずれか一つがそれぞれに対応するある第1設定値に達した時に電磁弁を再度開き、燃料電池への燃料供給を再開させるように機能することを特徴とする。
また、本発明の循環式燃料電池システムは、前記第1〜第4の実施形態の燃料を酸化剤に置き換えたものである。
本発明によれば、ポンプやエジェクタを用いることなくガス(燃料または酸化剤)を循環させることが可能であるため高効率かつ簡素な燃料電池システムを構築できると同時に、圧力調節器や流量調節器の代わりに安価な電磁弁を用いることが可能なため、柔軟且つ低コストのシステム設計が可能となる。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
なお、以下の第1〜第4の実施形態において、燃料電池は、水素、メタンガスなどの燃料が供給される水素極と、酸素、空気などの酸化剤が供給される酸素極とから構成されるが、図3、図5〜図8,図10及び図12では水素極側のみについて示している。したがって、酸素極側にも、図3、図5〜図8,図10及び図12と同様な構成をとることが可能である。その場合、水素の代わりに酸素又は空気が供給される。
(第1の実施形態)
図3は本発明の第1の実施形態による燃料電池システムの構成例を示す図である。まず、図3により、本実施の形態による燃料電池システムの構成の一例を説明する。
図3は本発明の第1の実施形態による燃料電池システムの構成例を示す図である。まず、図3により、本実施の形態による燃料電池システムの構成の一例を説明する。
図3に示すように、本実施の形態による燃料電池システムは、例えば、水素と酸素の電気化学反応により発電する燃料電池8と、燃料ガスが貯蔵される水素ボンベ7と、水素ボンベ7の水素圧力を減圧する減圧弁16と、燃料電池8へ燃料を供給もしくは遮断するための電磁弁15と、電磁弁15の開閉を制御する制御装置9と、電磁弁15が開もしくは閉となったタイミングからの時間(秒)をカウントするためのタイマー18と、燃料電池8の出口(燃料電池出口12)から排出されるガス(未反応分の燃料ガス)が通過する第1逆止弁2と、燃料電池出口12から排出されたガスが燃料電池入口6へ循環されるための循環経路10および循環経路11と、燃料電池出口12から排出されたガスと水分を分離するための気液分離器4と、循環経路11を経由したガスが通過する第2逆止弁3などから構成されている。ここで循環経路10と循環経路11は、ある内容積を有する配管である。
電磁弁15は減圧弁16と燃料電池入口6との間に接続され、第1逆止弁2は燃料電池出口12と循環経路10との間に接続され、気液分離器4は循環経路10と循環経路11との間に接続され、第2逆止弁3は循環経路11と燃料電池入口6との間に接続されている。また、第1逆止弁2は、逆流防止用の弁であり、燃料電池出口12から循環経路10の方向へのみガスが流れるようになっている。また、第2逆止弁3も同様に、逆流防止用の弁であり、循環経路11から燃料電池入口6の方向へのみガスが流れるようになっている。
図4に、図3の燃料電池システムの動作時における燃料電池電圧、制御装置9から出力される電磁弁15用の制御信号、燃料電池圧力、電磁弁15を介したガスの流量、第1逆止弁2を通過するガスの流量、第2逆止弁3を通過するガスの流量の時間的変化を示す。なお、図3において、燃料電池圧力は燃料電池8の入口における圧力であるが、燃料電池内の燃料ガスの圧力とほぼ等しい。
図4に示すように、本実施の形態による燃料電池システムが動作して燃料電池8が発電している時は、期間Iと期間IIが交互に繰り返される。図5に期間Iの初期(圧力上昇中)におけるガスの流れ方を、図6に期間Iの中後半(圧力一定期間)におけるガスの流れ方を、図7に期間IIにおけるガスの流れ方をそれぞれ示す。
初期状態として燃料電池8の圧力が減圧弁16の二次側の圧力よりも低い場合を考える。制御装置9からの信号を受けて電磁弁15は開の状態となった瞬間に燃料は電磁弁15経由で燃料電池8へと供給される。このときのガスの流れ方は、図5に示すように、減圧弁16→電磁弁15→燃料電池入口6→燃料電池8→燃料電池出口12→第1逆止弁2→循環経路10→気液分離器4→循環経路11、となり、燃料電池8から排出された水素ガスは循環経路10と11に蓄えられることになる。第1逆止弁2に流れるガス流量は燃料電池8の燃料消費量分だけ電磁弁15に流れるガス流量よりも小さくなる。循環経路11における圧力は、燃料電池8や第1逆止弁2や気液分離器4や配管の圧力損失分だけ燃料電池入口6の圧力よりも低いため、第2逆止弁3は閉の状態となる。その結果、ガスは第2逆止弁3を流れない。時間の経過と共に燃料電池入口6、燃料電池出口12、循環経路10と11の圧力は一定値に達する(図4では代表として燃料電池入口6の圧力のみ図示している)。このときのガスの流れ方は図6に示すように、減圧弁16→電磁弁15→燃料電池入口6→燃料電池8、となる。このとき電磁弁15に流れるガス流量は燃料電池8の燃料消費量分と等しくなる。図6の状態では、燃料電池出口12を流れるガスの流量はほぼゼロとなるため、発電により生成された水のうち水素極側に堆積した分は燃料電池8から排出されることなく燃料電池8の内部に蓄積してゆく。蓄積された水は燃料電池内部における水素ガスの拡散を阻害するため、その結果、燃料電池電圧は徐々に低下する。電磁弁15を開にした瞬間からあらかじめ設定された時間(Y秒)を経過した時にタイマー18は制御装置9へと信号を出力し、制御装置9は電磁弁15に対して閉の信号を出力することで電磁弁15は閉の状態となり、期間IIへと移行する。
期間IIにおいては電磁弁15を経由したガス供給は止まるが、燃料電池8はガスを消費し続けるため、燃料電池8の圧力は循環経路10や循環経路11に対して負圧となる。その場合、燃料電池システムにおけるガスの流れ方は図7(図4における期間II)のように変化する。循環経路10と循環経路11は内容積を有しているため、期間IIの間は、循環経路10と循環経路11に蓄えられたガスが、循環経路10→気液分離器4→循環経路11→第2逆止弁3→燃料電池入口6→燃料電池8、の順に流れることになる。このとき、燃料電池8におけるガス消費量が一定であれば、第2逆止弁3に流れるガス流量は一定となる。燃料電池出口12における圧力は、気液分離器4や第2逆止弁3や燃料電池8や配管の圧力損失分だけ循環経路10の圧力よりも低いため、第1逆止弁2は閉の状態となる。その結果、ガスは第1逆止弁2を流れない。電磁弁15を経由したガス供給が止まっているため、燃料電池8がガスを消費するにつれて圧力は低下してゆく。期間IIにおいては、前述の生成水の蓄積の影響に加えて燃料電池の圧力が低下するため、燃料電池電圧の低下は期間Iに比べて顕著になる。電磁弁15を閉にした瞬間からあらかじめ設定された時間(X秒)を経過した時にタイマー18は制御装置9へと信号を出力し、制御装置9は電磁弁15に対して開の信号を出力することで電磁弁15は開の状態となり、再び期間Iへと移行する。
期間IIで循環経路11と12の圧力は低下した状態であったため、期間Iで電磁弁15が開となった瞬間に循環経路11と12へと水素ガスが急激に流れ込む。この時、燃料電池内部で蓄積されていた水は急激な水素ガスの流れと共に燃料電池から排出され、気液分離器4にて除去される。燃料電池内部の蓄積されていた水が除去された瞬間、燃料電池内部における水素ガスの拡散性が向上するため、燃料電池電圧は回復する。
期間Iにおいて循環経路10と循環経路11に蓄えられるガスは燃料電池8から排気されたガスに相当し、期間IIにおいてはそのガスが再び燃料電池に供給されるため、期間Iと期間IIを通じてガスは循環されたことになる。また図5〜図7からも分かるように、循環経路を流れるガスの流れは一方通行であり、循環されるガスに含まれる水は気液分離器4にて除去される。
以上では、時間を基準にして電磁弁15の開閉の制御を行った。しかし、負荷変動等によりガスの消費速度が高まり、期間IIの燃料電池電圧や燃料電池圧力が急激に低下し、場合によっては転極に至る心配がある。また、生成水の除去が不十分であった場合等においても同様に燃料電池電圧の低下の心配がある。この対策として、以下の実施形態が考えられる。
(第2の実施形態)
図8は本発明の第2の実施形態による燃料電池システムの構成例を示す図である。図8のシステムは図3にて説明したシステムからタイマー18を取り除き、替わりに圧力センサ5を加えたものである。図3のシステムでは時間を基準に電磁弁15の開閉の制御を行っていたが、図8のシステムでは圧力センサ5で検出した燃料電池圧力を基準に制御を行う。
図8は本発明の第2の実施形態による燃料電池システムの構成例を示す図である。図8のシステムは図3にて説明したシステムからタイマー18を取り除き、替わりに圧力センサ5を加えたものである。図3のシステムでは時間を基準に電磁弁15の開閉の制御を行っていたが、図8のシステムでは圧力センサ5で検出した燃料電池圧力を基準に制御を行う。
図9に、図8の燃料電池システムの動作時における燃料電池電圧、制御装置9から出力される電磁弁15用の制御信号、燃料電池圧力、電磁弁15を介したガスの流量、第1逆止弁2を通過するガスの流量、第2逆止弁3を通過するガスの流量の時間的変化をそれぞれ示す。なお期間IおよびIIにおける水素ガスの流れは図5〜7と同様である。初期状態として燃料電池8の圧力が減圧弁16の二次側の圧力よりも低い場合を考える。制御装置9からの信号を受けて電磁弁15は開の状態となった瞬間に燃料は電磁弁15経由で燃料電池8へと供給され、燃料電池の圧力は上昇してゆく。燃料電池電圧は発電により生成された水が内部に蓄積されていくにつれて徐々に低下する。圧力センサ5は燃料電池の圧力をモニタしており、燃料電池圧力が上限圧力値(第2設定値)まで上昇した時に制御装置9は電磁弁15に対して閉の信号を出力する。電磁弁15が閉となることで期間IIに移行する。期間IIでは燃料電池圧力の低下に伴い燃料電池電圧の低下は顕著になる。燃料電池圧力が下限圧力値(第1設定値)に達した時に制御装置9は電磁弁15に対して開の信号を出力する。その瞬間に期間Iへと移行することで循環経路11と12へと水素ガスが急激に流れ込むのと同時に燃料電池内部に蓄積されていた生成水も除去され、燃料電池電圧は回復する。ここで、上限圧力値と下限圧力値はそれぞれ固定の値である必要は無く、燃料電池の経時的特性変動や運転条件などに応じて変化させてもよい。
図8のシステムでは燃料電池圧力を基準に電磁弁15の制御を行うため、燃料電池圧力は任意の範囲内に保たれる。よって、燃料電池圧力の低下に起因する燃料電池電圧の低下はある程度防止することが可能である。
(第3の実施形態)
図10は本発明の第3の実施形態による燃料電池システムの構成例を示す図である。図10のシステムは図3にて説明したシステムからタイマー18を取り除き、替わりに電圧検出回路17を加えたものである。図3のシステムでは時間を基準に電磁弁15の開閉の制御を行っていたが、図10のシステムでは電圧検出回路17で検出した燃料電池電圧を基準に制御を行う。
図10は本発明の第3の実施形態による燃料電池システムの構成例を示す図である。図10のシステムは図3にて説明したシステムからタイマー18を取り除き、替わりに電圧検出回路17を加えたものである。図3のシステムでは時間を基準に電磁弁15の開閉の制御を行っていたが、図10のシステムでは電圧検出回路17で検出した燃料電池電圧を基準に制御を行う。
図11に、図10の燃料電池システムの動作時における燃料電池電圧、制御装置9から出力される電磁弁15用の制御信号、燃料電池圧力、電磁弁15を介したガスの流量、第1逆止弁2を通過するガスの流量、第2逆止弁3を通過するガスの流量の時間的変化をそれぞれ示す。なお期間IおよびIIにおける水素ガスの流れは図5〜7と同様である。電磁弁15が開状態である期間Iにおいて、発電により生成された水が燃料電池内部の徐々に蓄積してゆくことで燃料電池の電圧は徐々に低下してゆく。電圧検出回路17は燃料電池の電圧をモニタしており、燃料電池電圧がレベル1(第2設定値)まで低下した時に制御装置9は電磁弁15に対して閉の信号を出力する。電磁弁15が閉となることで期間IIに移行する。期間IIでは燃料電池圧力が低下するため、燃料電池電圧の低下は顕著となる。そして、燃料電池電圧がレベル2(第1設定値)に達した時に制御装置9は電磁弁15に対して開の信号を出力する。その瞬間に期間Iへと移行することで循環経路11と12へと水素ガスが急激に流れ込むのと同時に燃料電池内部に蓄積されていた生成水も除去され、燃料電池電圧は回復する。ここで、レベル1(第2設定値)とレベル2(第1設定値)はそれぞれ固定の値である必要は無く、燃料電池の経時的特性変動や運転条件などに応じて変化させてもよい。なお、ここで、レベル1はレベル2より高い電圧である。
図10のシステムでは燃料電池電圧を基準に電磁弁15の制御を行うため、燃料電池電圧がレベル2以下には低下しない。しかし、燃料電池電圧は期間IIにおいてレベル2まで低下するため、循環動作の毎周期ごとに電圧変動が発生する。この対策として、次の実施形態が考えられる。
(第4の実施形態)
図12は本発明の第4の実施形態による燃料電池システムの構成例を示す図である。図12のシステムは図3にて説明したシステムに圧力センサ5と電圧検出回路17を加えたもの、つまり図8と図10のシステムの制御ループを組み合わせたものである。図3や図8や図10のシステムでは時間、圧力、電圧のうちいずれか1つを基準に電磁弁15の開閉の制御を行っていたが、図12のシステムでは時間、圧力、電圧の3種類のパラメータを用いて電磁弁の開閉制御を行う。
図12は本発明の第4の実施形態による燃料電池システムの構成例を示す図である。図12のシステムは図3にて説明したシステムに圧力センサ5と電圧検出回路17を加えたもの、つまり図8と図10のシステムの制御ループを組み合わせたものである。図3や図8や図10のシステムでは時間、圧力、電圧のうちいずれか1つを基準に電磁弁15の開閉の制御を行っていたが、図12のシステムでは時間、圧力、電圧の3種類のパラメータを用いて電磁弁の開閉制御を行う。
一例として、電磁弁閉のタイミングを電圧で、電磁弁開のタイミングを圧力で制御を行う場合について説明する。図13には燃料電池システムの動作時における燃料電池電圧、制御装置9から出力される電磁弁15用の制御信号、燃料電池圧力、電磁弁15を介したガスの流量、第1逆止弁2を通過するガスの流量、第2逆止弁3を通過するガスの流量の時間的変化をそれぞれ示す。なお期間IおよびIIにおける水素ガスの流れは図5〜7と同様である。電磁弁15が開状態である期間Iにおいて、発電により生成された水が燃料電池内部で徐々に蓄積してゆくことで燃料電池の電圧は徐々に低下してゆく。電圧検出回路17は燃料電池の電圧をモニタしており、燃料電池電圧がレベル1まで低下した時に制御装置9は電磁弁15に対して閉の信号を出力する。電磁弁15が閉となることで期間IIに移行する。期間IIでは燃料電池圧力が低下するため、燃料電池電圧の低下は顕著である。そして、燃料電池圧力が下限圧力値に達した時に制御装置9は電磁弁15に対して開の信号を出力する。その瞬間に期間Iへと移行することで循環経路11と12へと水素ガスが急激に流れ込むのと同時に燃料電池内部に蓄積されていた生成水も除去され、燃料電池電圧は回復する。ここで、電圧検出のレベル2と下限圧力値はそれぞれ固定の値である必要は無く、燃料電池の経時的特性変動や運転条件などに応じて変化させてもよい。
ここでは電磁弁の閉および閉をそれぞれ電圧と圧力のパラメータを用いて制御を行った場合について説明を行ったが、時間を制御パラメータとして用いてもよい。電磁弁の開および閉にそれぞれ時間、圧力、電圧の3種のパラメータを用いることが出来るので、開閉制御の組み合わせとしては合計9種類の制御方式で動作させることが可能である。
図13では電磁弁の開および閉に時間、圧力、電圧の3種類のパラメータのうちいずれか1つずつを用いた場合についての例であったが、同時に全てのパラメータを用いて制御を行うことも可能である。時間、圧力、電圧を常時モニタしておき、いずれか1つのパラメータが設定値を超過した場合に電磁弁の開閉を行うといったものである。つまり、時間、圧力、電圧のそれぞれのパラメータが設定値を超過したか否かの判定結果はORのロジックで電磁弁の開閉制御に用いられる。
図14には、時間、圧力、電圧の全てのパラメータを用いて電磁弁の開閉制御を行った際における図12の燃料電池システムの動作特性を示す。電磁弁15が開状態である期間Iにおいて、発電により生成された水が燃料電池内部に徐々に蓄積してゆくことで燃料電池の電圧は徐々に低下してゆく。図中のA点において、電磁弁15が開となった瞬間からあらかじめ設定された時間(Y秒)は経過しておらず、また燃料電池圧力も上限圧力値には達していない。しかし燃料電池電圧はレベル1まで低下しているので、制御装置9は電磁弁15に対して閉の信号を出力する。電磁弁15が閉となることで期間IIに移行する。期間IIでは燃料電池圧力が低下するのに伴い、燃料電池電圧も低下する。図中のB点において、電磁弁15が閉となった瞬間からあらかじめ設定された時間(X秒)は経過しておらず、また燃料電池電圧もレベル2には達していない。しかし燃料電池圧力が下限圧力値まで低下しているので、制御装置9は電磁弁15に対して開の信号を出力する。電磁弁15が開となることで再び期間Iに移行する。その瞬間に循環経路11と12へと水素ガスが急激に流れ込むのと同時に燃料電池内部に蓄積されていた生成水も除去され、燃料電池電圧は回復する。
時間の経過と共に発電により生成された水が燃料電池内部の徐々に蓄積してゆくため燃料電池の電圧は再び徐々に低下してゆく。図中のC点の時間おいて、燃料電池電圧はレベル1に達しておらず、また燃料電池圧力も上限圧力値には達していない。しかし、電磁弁15が開となった瞬間からあらかじめ設定された時間(Y秒)を経過しているので、制御装置9は電磁弁15に対して閉の信号を出力する。電磁弁15が閉となることで期間IIに移行する。期間IIでは燃料電池圧力が低下するのに伴い、燃料電池電圧も低下する。図中のD点において、電磁弁15が閉となった瞬間からあらかじめ設定された時間(X秒)は経過しておらず、また燃料電池圧力も下限設定値には達していない。しかし燃料電池電圧がレベル2まで低下しているので、制御装置9は電磁弁15に対して開の信号を出力する。電磁弁15が開となることで再び期間Iに移行する。その瞬間に循環経路11と12へと水素ガスが急激に流れ込むのと同時に燃料電池内部に蓄積されていた生成水も除去され、燃料電池電圧は回復する。
時間の経過と共に発電により生成された水が燃料電池内部の徐々に蓄積してゆくため燃料電池の電圧は再び徐々に低下してゆく。図中のE点において、電磁弁15が開となった瞬間からあらかじめ設定された時間(Y秒)は経過しておらず、また燃料電池電圧もレベル1には達していない。しかし、燃料電池圧力が上限設定値に達しているので、制御装置9は電磁弁15に対して閉の信号を出力する。電磁弁15が閉となることで期間IIに移行する。期間IIでは燃料電池圧力が低下するのに伴い、燃料電池電圧も低下する。図中のF点の時間において、燃料電池電圧はレベル2に達しておらず、また燃料電池圧力も下限圧力値には達していない。しかし、電磁弁15が閉となった瞬間からあらかじめ設定された時間(X秒)を経過しているので、制御装置9は電磁弁15に対して開の信号を出力する。電磁弁15が開となることで再び期間Iに移行する。その瞬間に循環経路11と12へと水素ガスが急激に流れ込むのと同時に燃料電池内部に蓄積されていた生成水も除去され、燃料電池電圧は回復する。
ここで、電圧検出の各設定値(レベル1、2)、上下限圧力値、経過時間(X、Y秒)はそれぞれ固定の値である必要は無く、燃料電池の経時的特性変動や運転条件などに応じて変化させてもよい。
したがって、本発明の第4の実施形態による燃料電池システムによれば、電圧、圧力共にモニタされているため、電圧、圧力の異常低下を防止することができる。
なお、前記実施の形態1〜4を、燃料の代わりに酸化剤に適用した場合も、同様の効果を得ることができる。
以上、本発明における実施形態を具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
本発明は、移動体用燃料電池システム、定置用燃料電池システムなど、ガスを循環させる必要性のある燃料電池システムに利用可能である。
1…圧力調節器、2…第1逆止弁、3…第2逆止弁、4…気液分離器、5…圧力センサ、6…燃料電池入口、7…水素ボンベ、8…燃料電池、9…制御装置、10,11…循環経路、12…燃料電池出口、14…流量調節器、15…電磁弁、16…減圧弁、17…電圧検出回路、18…タイマー。
Claims (9)
- 燃料と酸化剤とが供給されて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池へ燃料を供給もしくは遮断するための電磁弁と、
前記燃料電池の出口に接続された第1逆止弁と、
前記燃料電池の入口に接続された第2逆止弁と、
前記第1逆止弁と前記第2逆止弁との間に設けられた循環経路とを有し、
前記電磁弁の閉状態が第1の時間を経過した時に前記電磁弁を開くことで前記燃料電池下流に位置する前記循環経路に前記第1逆止弁経由で燃料を貯蔵し、前記電磁弁の開状態が第2の時間を経過した時に前記電磁弁を閉じることで前記電磁弁を介した燃料供給を停止し、前記循環経路に貯蔵された燃料を前記第2逆止弁経由で前記燃料電池に循環させ、前記電磁弁の閉状態が前記第1の時間を経過した時に前記電磁弁を再度開き、前記燃料電池への燃料供給を再開させるように機能することを特徴とする燃料電池システム。 - 燃料と酸化剤とが供給されて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池へ燃料を供給もしくは遮断するための電磁弁と、
前記燃料電池の出口に接続された第1逆止弁と、
前記燃料電池の入口に接続された第2逆止弁と、
前記第1逆止弁と前記第2逆止弁との間に設けられた循環経路とを有し、
前記燃料電池の燃料圧力が第1設定値に達した時に前記電磁弁を開くことで前記燃料電池下流に位置する前記循環経路に前記第1逆止弁経由で燃料を貯蔵し、前記第1設定値より高い第2設定値に前記燃料電池の燃料圧力が達した時に前記電磁弁を閉じることで前記電磁弁を介した燃料供給を停止し、前記循環経路に貯蔵された燃料を前記第2逆止弁経由で前記燃料電池に循環させ、前記燃料電池の燃料圧力が前記第1設定値に達した時に前記電磁弁を再度開き、前記燃料電池への燃料供給を再開させるように機能することを特徴とする燃料電池システム。 - 燃料と酸化剤とが供給されて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池へ燃料を供給もしくは遮断するための電磁弁と、
前記燃料電池の出口に接続された第1逆止弁と、
前記燃料電池の入口に接続された第2逆止弁と、
前記第1逆止弁と前記第2逆止弁との間に設けられた循環経路とを有し、
前記燃料電池の電圧が第1設定値に達した時に前記電磁弁を開くことで前記燃料電池下流に位置する前記循環経路に前記第1逆止弁経由で燃料を貯蔵し、前記第1設定値より高い第2設定値に前記燃料電池の電圧が達した時に前記電磁弁を閉じることで前記電磁弁を介した燃料供給を停止し、前記循環経路に貯蔵された燃料を前記第2逆止弁経由で前記燃料電池に循環させ、前記燃料電池の電圧が前記第1設定値に達した時に前記電磁弁を再度開き、前記燃料電池への燃料供給を再開させるように機能することを特徴とする燃料電池システム。 - 燃料と酸化剤とが供給されて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池へ燃料を供給もしくは遮断するための電磁弁と、
前記燃料電池の出口に接続された第1逆止弁と、
前記燃料電池の入口に接続された第2逆止弁と、
前記第1逆止弁と前記第2逆止弁との間に設けられた循環経路とを有し、
時間、燃料圧力、燃料電池電圧のうちいずれか一つがそれぞれに対応する第1設定値に達した時に前記電磁弁を開くことで前記燃料電池下流に位置する前記循環経路に前記第1逆止弁経由で燃料を貯蔵し、時間、燃料圧力、燃料電池電圧のうちいずれか一つがそれぞれに対応する第2設定値に達した時に前記電磁弁を閉じることで前記電磁弁を介した燃料供給を停止し、前記循環経路に貯蔵された燃料を前記第2逆止弁経由で前記燃料電池に循環させ、時間、燃料圧力、燃料電池電圧のうちいずれか一つがそれぞれに対応する前記第1設定値に達した時に前記電磁弁を再度開き、前記燃料電池への燃料供給を再開させるように機能することを特徴とする燃料電池システム。 - 燃料と酸化剤とが供給されて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池へ酸化剤を供給もしくは遮断するための電磁弁と、
前記燃料電池の出口に接続された第1逆止弁と、
前記燃料電池の入口に接続された第2逆止弁と、
前記第1逆止弁と前記第2逆止弁との間に設けられた循環経路とを有し、
前記電磁弁の閉状態が第1の時間を経過した時に電磁弁を開くことで前記燃料電池下流に位置する前記循環経路に前記第1逆止弁経由で酸化剤を貯蔵し、前記電磁弁の開状態が第2の時間を経過した時に前記電磁弁を閉じることで前記電磁弁を介した酸化剤供給を停止し、前記循環経路に貯蔵された酸化剤を前記第2逆止弁経由で前記燃料電池に循環させ、前記電磁弁の閉状態がある前記第1の時間を経過した時に前記電磁弁を再度開き、前記燃料電池への酸化剤供給を再開させるように機能することを特徴とする燃料電池システム。 - 燃料と酸化剤とが供給されて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池へ酸化剤を供給もしくは遮断するための電磁弁と、
前記燃料電池の出口に接続された第1逆止弁と、
前記燃料電池の入口に接続された第2逆止弁と、
前記第1逆止弁と前記第2逆止弁との間に設けられた循環経路とを有し、
前記燃料電池の酸化剤圧力が第1設定値に達した時に前記電磁弁を開くことで前記燃料電池下流に位置する前記循環経路に前記第1逆止弁経由で酸化剤を貯蔵し、前記第1設定値より高い第2設定値に前記燃料電池の酸化剤圧力が達した時に前記電磁弁を閉じることで前記電磁弁を介した酸化剤供給を停止し、前記循環経路に貯蔵された酸化剤を前記第2逆止弁経由で前記燃料電池に循環させ、前記燃料電池の酸化剤圧力がある前記第1設定値に達した時に前記電磁弁を再度開き、前記燃料電池への酸化剤供給を再開させるように機能することを特徴とする燃料電池システム。 - 燃料と酸化剤とが供給されて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池へ酸化剤を供給もしくは遮断するための電磁弁と、
前記燃料電池の出口に接続された第1逆止弁と、
前記燃料電池の入口に接続された第2逆止弁と、
前記第1逆止弁と前記第2逆止弁との間に設けられた循環経路とを有し、
前記燃料電池の電圧が第1設定値に達した時に前記電磁弁を開くことで前記燃料電池下流に位置する前記循環経路に前記第1逆止弁経由で酸化剤を貯蔵し、前記第1設定値より高い第2設定値に前記燃料電池の電圧が達した時に前記電磁弁を閉じることで前記電磁弁を介した酸化剤供給を停止し、前記循環経路に貯蔵された酸化剤を前記第2逆止弁経由で前記燃料電池に循環させ、前記燃料電池の電圧が前記第1設定値に達した時に前記電磁弁を再度開き、前記燃料電池への酸化剤供給を再開させるように機能することを特徴とする燃料電池システム。 - 燃料と酸化剤とが供給されて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池へ酸化剤を供給もしくは遮断するための電磁弁と、
前記燃料電池の出口に接続された第1逆止弁と、
前記燃料電池の入口に接続された第2逆止弁と、
前記第1逆止弁と前記第2逆止弁との間に設けられた循環経路とを有し、
時間、酸化剤圧力、燃料電池電圧のうちいずれかがそれぞれに対応する第1設定値に達した時に前記電磁弁を開くことで前記燃料電池下流に位置する前記循環経路に前記第1逆止弁経由で酸化剤を貯蔵し、時間、酸化剤圧力、燃料電池電圧のうちいずれか一つがそれぞれに対応する第2設定値に達した時に前記電磁弁を閉じることで前記電磁弁を介した酸化剤供給を停止し、前記循環経路に貯蔵された酸化剤を前記第2逆止弁経由で前記燃料電池に循環させ、時間、酸化剤圧力、燃料電池電圧のうちいずれか一つがそれぞれに対応する前記第1設定値に達した時に前記電磁弁を再度開き、前記燃料電池への酸化剤供給を再開させるように機能することを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1〜4のうちのいずれかを燃料循環に用い、請求項5〜8のうちいずれかを酸化剤循環に用いることを特徴とする燃料電池システム。
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