JP2018125069A - Fuel cell system and method for operating the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池から排出される未反応燃料ガスを、再び燃料電池に燃料ガスとして供給する燃料電池システム及びその運転方法に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell system that supplies unreacted fuel gas discharged from a fuel cell to the fuel cell again as a fuel gas, and an operation method thereof.
燃料電池システムでは、例えば水素を含有する燃料ガスを有効利用し、燃料電池システムの発電効率を高めるために、燃料電池で利用されなかった未反応燃料ガスを再び燃料電池に燃料ガスとして供給するように燃料ガス循環経路が設けられる。 In a fuel cell system, for example, in order to effectively use a fuel gas containing hydrogen and increase the power generation efficiency of the fuel cell system, unreacted fuel gas that has not been used in the fuel cell is supplied again to the fuel cell as a fuel gas. Is provided with a fuel gas circulation path.
燃料ガスが燃料ガス循環経路を循環するように構成すると、燃料ガス中に含有していた不純物ガスや、燃料電池の電解質膜を通して酸化剤ガス側から燃料ガス側に、空気に含まれる窒素などの不純物ガスが透過して濃縮され、燃料電池の発電を阻害し、燃料電池の発電電圧が低下して、燃料電池の発電効率が大きく低下する。 When configured so that the fuel gas circulates in the fuel gas circulation path, the impurity gas contained in the fuel gas or the nitrogen contained in the air from the oxidant gas side to the fuel gas side through the electrolyte membrane of the fuel cell, etc. Impurity gas permeates and concentrates, impedes fuel cell power generation, reduces the power generation voltage of the fuel cell, and greatly reduces the power generation efficiency of the fuel cell.
そこで、燃料ガス循環経路に未反応燃料ガスを排出するための未反応燃料ガス排出経路を設けて、未反応燃料ガス循環経路に通流する不純物ガスを未反応燃料ガスと共に周期的に排出する。 Therefore, an unreacted fuel gas discharge path for discharging unreacted fuel gas is provided in the fuel gas circulation path, and the impurity gas flowing through the unreacted fuel gas circulation path is periodically discharged together with the unreacted fuel gas.
ここで、燃料電池の発電開始からの時間経過と共に燃料ガスに濃縮される空気中の窒素ガスの量を予め実験等で把握し、窒素ガスの量が所定量溜まる時間である、所定時間の間隔で定期的に窒素ガスを未反応燃料ガスと共に排出することで、必要以上に未反応燃料ガスを排出することを防止する燃料電池システムが提案されている(例えば、特許文献1参照)。 Here, the amount of nitrogen gas in the air that is concentrated in the fuel gas with the passage of time from the start of power generation of the fuel cell is obtained in advance through experiments or the like, and a predetermined time interval during which the amount of nitrogen gas accumulates. A fuel cell system has been proposed in which nitrogen gas is periodically discharged together with unreacted fuel gas to prevent unreacted fuel gas from being discharged more than necessary (see, for example, Patent Document 1).
図7は、特許文献1に開示された従来の燃料電池システムの構成のブロック図である。図7に示すように、燃料電池システム300は、燃料電池301と、燃料ガス供給経路302と、酸化剤ガス供給経路303と、未反応燃料ガス供給経路304と、未反応燃料ガス排出経路305と、未反応燃料ガス排出弁306と、エゼクタ307と、制御器308から構成されている。
FIG. 7 is a block diagram of a configuration of a conventional fuel cell system disclosed in Patent Document 1. In FIG. As shown in FIG. 7, the
燃料電池301に供給された燃料ガスのうち、発電に使用されなかった未反応燃料ガスは、未反応燃料ガス供給経路304、エゼクタ307を通して、燃料電池301に再び供給する。
Of the fuel gas supplied to the
そのため、未反応燃料ガス供給経路304内に蓄積する窒素ガスを排出するために、制御器308は、所定時間の間隔で未反応燃料ガス排出弁306を開放し、未反応燃料ガス排出経路305を通して、窒素ガスを含んだ燃料ガスを排出する。
Therefore, in order to discharge the nitrogen gas accumulated in the unreacted fuel
前記従来の構成では、未反応燃料ガスは一定の供給量となるように運転されるのが一般的である。このような場合、未反応燃料ガスの循環運転中は、燃料電池の発電開始からの時間の経過と共に燃料ガスに、図8に示す従来の燃料電池の燃料消費率の変化を表すタイ
ミングチャートのように窒素ガスが濃縮していき、運転動作中の燃料電池の燃料消費率Ufが大きく変動する。ここで、燃料電池の燃料消費率Ufは(数1)で表現される。
In the conventional configuration, the unreacted fuel gas is generally operated so as to have a constant supply amount. In such a case, during the circulation operation of the unreacted fuel gas, as the time elapsed from the start of power generation of the fuel cell, the fuel gas is changed to the fuel gas as shown in the timing chart showing the change in the fuel consumption rate of the conventional fuel cell shown in FIG. As the nitrogen gas concentrates, the fuel consumption rate Uf of the fuel cell during operation varies greatly. Here, the fuel consumption rate Uf of the fuel cell is expressed by (Equation 1).
また、燃料電池の燃料消費率Ufの変動幅を小さくする方法として、不純物ガスを未反応燃料ガスと共に排出する周期を短くする方法が考えられるが、排出弁の作動回数が多くなって、排出弁の耐久性の観点で課題があった。 Further, as a method of reducing the fluctuation range of the fuel consumption rate Uf of the fuel cell, a method of shortening the cycle in which the impurity gas is discharged together with the unreacted fuel gas can be considered. There was a problem in terms of durability.
本発明は、排出弁の耐久性を低下させることなく、燃料電池の発電効率を安定させることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the fuel cell system which can stabilize the power generation efficiency of a fuel cell, without reducing the durability of a discharge valve.
前記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させることで発電を行う燃料電池と、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路と、燃料電池から排出される未反応燃料ガスを燃料ガスとして燃料ガス供給経路に供給するための未反応燃料ガス供給経路と、未反応燃料ガス供給経路から未反応燃料ガスを燃料ガス供給経路に供給する搬送手段と、未反応燃料ガス供給経路から分岐する未反応燃料ガス排出経路と、未反応燃料ガス排出経路を開閉する未反応燃料ガス排出弁と、制御器と、を備え、制御器は、未反応燃料ガスに含まれる不純物ガス濃度に応じて、運転動作中の燃料電池の燃料消費率が略一定になるように、搬送手段による未反応燃料ガスの供給量を変動させるものである。 In order to solve the above-described conventional problems, a fuel cell system of the present invention includes a fuel cell that generates power by reacting a fuel gas and an oxidant gas, a fuel gas supply path that supplies fuel gas to the fuel cell, and , An unreacted fuel gas supply path for supplying unreacted fuel gas discharged from the fuel cell as a fuel gas to the fuel gas supply path, and an unreacted fuel gas supplied from the unreacted fuel gas supply path to the fuel gas supply path An unreacted fuel gas discharge path that branches from the unreacted fuel gas supply path, an unreacted fuel gas discharge valve that opens and closes the unreacted fuel gas discharge path, and a controller. According to the impurity gas concentration contained in the unreacted fuel gas, the supply amount of the unreacted fuel gas by the conveying means is varied so that the fuel consumption rate of the fuel cell during the operation is substantially constant.
この構成とすることで、燃料電池の安定した発電が可能になると共に、未反応燃料ガスの排出弁の耐久信頼性の確保が可能となる。 With this configuration, the fuel cell can stably generate power, and the durability reliability of the unreacted fuel gas discharge valve can be ensured.
本発明によれば、燃料電池から排出される未反応燃料ガスを、再び燃料電池に燃料ガスとして供給する燃料電池システムにおいて、運転動作中の燃料電池の燃料消費率Ufを一定に保ち、燃料電池の安定した発電が可能になると共に、未反応燃料ガスの排出弁の作動回数を抑制することで、排出弁の耐久信頼性の確保が可能となり、燃料電池システムの信頼性が向上する。 According to the present invention, in a fuel cell system in which unreacted fuel gas discharged from a fuel cell is supplied again to the fuel cell as fuel gas, the fuel consumption rate Uf of the fuel cell during operation is kept constant, and the fuel cell As a result, it is possible to ensure stable power generation and to suppress the number of operations of the discharge valve of the unreacted fuel gas, thereby ensuring durability reliability of the discharge valve and improving the reliability of the fuel cell system.
第1の発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させることで発電を行う燃料電池と、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路と、燃料電池から排出される未反応燃料ガスを燃料ガスとして燃料ガス供給経路に供給するための未反応燃料ガス供給経路と、未反応燃料ガス供給経路から未反応燃料ガスを燃料ガス供給経路に供給する搬送手段と、未反応燃料ガス供給経路から分岐する未反応燃料ガス排出経路と、未反応燃料ガス排出経路を開閉する未反応燃料ガス排出弁と、制御器と、を備え、制御器が、未反応燃料ガスに含まれる不純物ガス濃度に応じて、運転動作中の燃料電池の燃料消費率が略一定になるように、搬送手段による未反応燃料ガスの供給量を変動させることを特徴とする、燃料電池システムである。 According to a first aspect of the present invention, there is provided a fuel cell that generates power by reacting a fuel gas and an oxidant gas, a fuel gas supply path for supplying the fuel gas to the fuel cell, and an unreacted fuel gas discharged from the fuel cell. From the unreacted fuel gas supply path for supplying the fuel gas to the fuel gas supply path, transport means for supplying the unreacted fuel gas from the unreacted fuel gas supply path to the fuel gas supply path, and from the unreacted fuel gas supply path An unreacted fuel gas discharge path that branches, an unreacted fuel gas discharge valve that opens and closes the unreacted fuel gas discharge path, and a controller, the controller depending on the impurity gas concentration contained in the unreacted fuel gas Thus, the fuel cell system is characterized in that the amount of unreacted fuel gas supplied by the conveying means is varied so that the fuel consumption rate of the fuel cell during operation is substantially constant.
この構成とすることで、燃料電池から排出される未反応燃料ガスを、再び燃料電池に燃料ガスとして供給する燃料電池システムにおいて、未反応燃料ガスの供給量を、未反応燃料ガスに含まれる不純物ガス濃度に応じて変動することで、燃料電池に供給される燃料ガス量を一定に保つことが可能となる。 With this configuration, in the fuel cell system in which the unreacted fuel gas discharged from the fuel cell is supplied again to the fuel cell as the fuel gas, the supply amount of the unreacted fuel gas is reduced to the impurities contained in the unreacted fuel gas. By varying according to the gas concentration, the amount of fuel gas supplied to the fuel cell can be kept constant.
これにより運転動作中の燃料電池の燃料消費率Ufを一定に保つことが可能となり、燃料電池の安定した発電が可能となる燃料電池システムを提供することができる。 As a result, the fuel consumption rate Uf of the fuel cell during operation can be kept constant, and a fuel cell system capable of stable power generation of the fuel cell can be provided.
第2の発明は、特に、第1の発明において、制御器が、未反応燃料ガスに含まれる窒素濃度に応じて、運転動作中の燃料電池の燃料消費率が略一定になるように、搬送手段による未反応燃料ガスの供給量を変動させることを特徴とするものである。 In particular, according to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the controller conveys the fuel consumption rate of the fuel cell during operation so as to be substantially constant according to the nitrogen concentration contained in the unreacted fuel gas. The supply amount of the unreacted fuel gas by the means is varied.
この構成とすることで、燃料電池から排出される未反応燃料ガスに含まれる不純物ガスの中でも、特に、燃料電池の燃料消費率Ufの変動に大きな影響を与える窒素濃度に応じて、未反応燃料ガスの供給量を変動することで、より効果的に燃料電池に供給される燃料ガス量を一定に保つことが可能となる。 With this configuration, among the impurity gases contained in the unreacted fuel gas discharged from the fuel cell, the unreacted fuel particularly in accordance with the nitrogen concentration that greatly affects the fluctuation of the fuel consumption rate Uf of the fuel cell. By varying the gas supply amount, the fuel gas amount supplied to the fuel cell more effectively can be kept constant.
これにより運転動作中の燃料電池の燃料消費率Ufを一定に保つことが可能となり、より燃料電池の安定した発電が可能となる燃料電池システムを提供することができる。 As a result, the fuel consumption rate Uf of the fuel cell during operation can be kept constant, and a fuel cell system capable of more stable power generation of the fuel cell can be provided.
第3の発明は、特に、第1の発明において、制御器が、不純物ガスの濃度が予め設定された不純物ガス濃度の上限値に達する前に、未反応燃料ガス排出弁を開くように制御することを特徴とするものである。 According to a third invention, in particular, in the first invention, the controller controls the unreacted fuel gas discharge valve to be opened before the impurity gas concentration reaches an upper limit value of the impurity gas concentration set in advance. It is characterized by this.
この構成とすることで、予め設定された不純物ガス濃度の上限値に達する前に、未反応燃料排出弁を開くことが可能となることから、不純物ガス濃度の上昇により、燃料電池の発電電圧が低下して、燃料電池の発電効率が大きく低下することを抑制することが可能となる。これにより、より燃料電池の安定した発電が可能となる燃料電池システムを提供することができる。 With this configuration, the unreacted fuel discharge valve can be opened before reaching the preset upper limit value of the impurity gas concentration. It becomes possible to suppress that the power generation efficiency of a fuel cell falls and falls greatly. Thereby, it is possible to provide a fuel cell system that enables more stable power generation of the fuel cell.
第4の発明は、特に、第2の発明において、制御器が、窒素濃度が、予め設定された窒素濃度の上限値に達する前に、未反応燃料ガス排出弁を開くように制御することを特徴とするものである。 According to a fourth aspect of the invention, in particular, in the second aspect of the invention, the controller controls the unreacted fuel gas discharge valve to open before the nitrogen concentration reaches a preset upper limit value of the nitrogen concentration. It is a feature.
この構成とすることで、燃料電池から排出される未反応燃料ガスに含まれる不純物ガスの中でも、特に、燃料電池の燃料消費率Ufの変動に大きな影響を与える窒素濃度に応じて、予め設定された窒素濃度の上限値に達する前に、未反応燃料排出弁を開くことが可能となることから、窒素濃度の上昇により燃料電池の発電電圧が低下して、燃料電池の発電効率が大きく低下することを抑制することが可能となる。 With this configuration, the impurity gas contained in the unreacted fuel gas discharged from the fuel cell is set in advance according to the nitrogen concentration that has a great influence on the fluctuation of the fuel consumption rate Uf of the fuel cell. Since the unreacted fuel discharge valve can be opened before the upper limit of the nitrogen concentration is reached, the power generation efficiency of the fuel cell is greatly reduced due to a decrease in the power generation voltage of the fuel cell due to the increase in the nitrogen concentration. This can be suppressed.
これにより、より燃料電池の安定した発電が可能となる燃料電池システムを提供することができる。 Thereby, it is possible to provide a fuel cell system that enables more stable power generation of the fuel cell.
第5の発明は、特に、第1の発明において、制御器が、搬送手段による未反応燃料ガスの供給量が搬送手段の供給量上限値に達する前に、未反応燃料ガス排出弁を開くように制御することを特徴とするものである。 According to a fifth aspect of the invention, in particular, in the first aspect of the invention, the controller opens the unreacted fuel gas discharge valve before the supply amount of the unreacted fuel gas by the transfer means reaches the supply amount upper limit value of the transfer means. It is characterized by controlling to.
この構成とすることで、搬送手段による未反応燃料ガスの供給量が搬送手段の供給量上限値に達する前に、未反応燃料ガス排出弁を開くことが可能となることから、搬送手段の供給量不足による燃料電池の燃料消費率Ufの上昇を抑制することが可能となる。 With this configuration, it is possible to open the unreacted fuel gas discharge valve before the supply amount of unreacted fuel gas by the transfer means reaches the supply amount upper limit value of the transfer means. It is possible to suppress an increase in the fuel consumption rate Uf of the fuel cell due to an insufficient amount.
これにより、さらに燃料電池の安定した発電が可能となる燃料電池システムを提供することができる。 Thereby, it is possible to provide a fuel cell system that enables more stable power generation of the fuel cell.
以下、本発明の実施の形態を具体的に説明する。なお、全ての図面において、同一または相当部分には、同一符号を付して、その重複する説明は省略する。また、全ての図面において、本発明を説明するために必要となる構成要素のみを抜粋して図示しており、その他の構成要素については図示を省略している。さらに、本発明は以下の実施の形態に限定されない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described. In all the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and redundant description thereof is omitted. Further, in all the drawings, only components necessary for explaining the present invention are extracted and illustrated, and other components are not illustrated. Furthermore, the present invention is not limited to the following embodiment.
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1における燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。図2は、本発明の実施の形態1における燃料電池システムの運転方法を示すフローチャートである。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 2 is a flowchart showing a method of operating the fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention.
図3は、本発明の実施の形態1の燃料電池システムにおける燃料電池の燃料消費率と未反応燃料ガスの供給量と未反応燃料ガス中の窒素濃度と未反応燃料ガス排出弁の発電開始からの時間経過に伴う変化を表すの変化を表すタイミングチャートである。 FIG. 3 shows the fuel consumption rate of the fuel cell, the supply amount of unreacted fuel gas, the nitrogen concentration in the unreacted fuel gas, and the power generation start of the unreacted fuel gas discharge valve in the fuel cell system of Embodiment 1 of the present invention. It is a timing chart showing the change of the change showing the passage of time.
図1に示すように、本実施の形態の燃料電池システム100は、燃料電池1と、燃料ガス供給経路2と、酸化剤ガス供給経路3と、未反応燃料ガス供給経路4と、未反応燃料ガス排出経路5と、未反応燃料ガス排出弁6と、搬送手段7と、制御器101とを備える。
As shown in FIG. 1, the
燃料電池1は、水素を含有する燃料ガス及び酸素を含有する酸化剤ガスを用いて発電するものである。燃料ガスと酸化剤ガスは、それぞれの供給装置(図示せず)により供給する。本実施の形態では、燃料ガスとして純水素ガスを用い燃料電池システム内で発生する圧力損失よりも高い圧力で供給する。また、酸化剤ガスとして空気を用いる。燃料電池1には、固体高分子形燃料電池を用いる。 The fuel cell 1 generates power using a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas containing oxygen. The fuel gas and the oxidant gas are supplied by respective supply devices (not shown). In the present embodiment, pure hydrogen gas is used as the fuel gas and is supplied at a pressure higher than the pressure loss generated in the fuel cell system. Air is used as the oxidant gas. As the fuel cell 1, a solid polymer fuel cell is used.
燃料ガス供給経路2は、燃料電池1に純水素ガスを供給するための経路である。酸化剤
ガス供給経路3は、燃料電池1に空気を供給するための経路である。未反応燃料ガス供給経路4は、燃料電池1から排出された未反応燃料ガスを再び燃料電池1へ燃料ガスとして供給するための経路である。
The fuel
未反応燃料ガス排出経路5は、未反応燃料ガス供給経路4から分岐して、未反応燃料ガス供給経路4内の未反応燃料ガスを外部へ排出するための経路である。
The unreacted fuel
本実施の形態では、未反応燃料ガス排出経路5から排出される未反応燃料ガスは、空気で希釈して、未反応燃料ガスに含まれる水素の濃度を可燃範囲以下に下げてから、大気に排出する。
In the present embodiment, the unreacted fuel gas discharged from the unreacted fuel
未反応燃料ガス排出弁6は、未反応燃料ガス排出経路5の経路内に設けられており、未反応燃料ガス供給経路4内の未反応燃料ガスを、未反応燃料ガス供給経路4内の不純物ガスと共に、外部へ排出するために経路を周期的に開閉する開閉弁である。本実施の形態では、電磁弁を使用する。
The unreacted fuel
搬送手段7は、未反応燃料ガス供給経路4から燃料ガス供給経路2を介して燃料電池1に未反応燃料ガスを循環させるために、未反応燃料ガス供給経路4の経路内に設けられたポンプである。
The transport means 7 is a pump provided in the unreacted fuel
制御器101は、燃料電池システム100を制御するための制御機能を有するものであればよく、演算処理部(図示せず)と、制御プログラムを記憶する記憶部(図示せず)とを備える。演算処理部には、CPUを備えている。記憶部には、メモリーを備えている。
The
固体高分子形燃料電池は、一般的に、MEAをセパレータで挟持した構造であり、本実施の形態では、MEAは、ガス拡散層、カソード触媒層、固体高分子電解質膜、アノード触媒層、およびガス拡散層を順に積層した構造を有する。電池反応は、触媒と、触媒を担持する担体、およびアイオノマー(イオン伝導性高分子)とからなるカソード触媒層とアノード触媒層において進行する。 The polymer electrolyte fuel cell generally has a structure in which MEA is sandwiched between separators. In this embodiment, the MEA includes a gas diffusion layer, a cathode catalyst layer, a solid polymer electrolyte membrane, an anode catalyst layer, and It has a structure in which gas diffusion layers are sequentially stacked. The cell reaction proceeds in a cathode catalyst layer and an anode catalyst layer comprising a catalyst, a carrier supporting the catalyst, and an ionomer (ion conductive polymer).
燃料電池1は、燃料電池1内のガス流路のガス拡散の性能などから、供給された純水素ガスを全て発電に使用することが困難であり、燃料電池1からは未反応燃料ガスが排出される。 It is difficult for the fuel cell 1 to use all of the supplied pure hydrogen gas for power generation because of the gas diffusion performance of the gas flow path in the fuel cell 1, and unreacted fuel gas is discharged from the fuel cell 1. Is done.
この排出された未反応燃料ガスをそのまま捨ててしまうと、純水素ガスを無駄にして燃料電池システム100の発電効率が低下するため、燃料電池1で利用されなかった未反応燃料ガスを再び燃料電池1の燃料ガス供給経路2に循環させる。
If the discharged unreacted fuel gas is discarded as it is, pure hydrogen gas is wasted and the power generation efficiency of the
そして、燃料電池1の発電開始からの時間経過と共に未反応燃料ガスに濃縮される不純物ガスの量を予め実験で把握し、不純物ガスの量が所定量溜まる時間である、所定時間の間隔で定期的(周期的)に不純物ガスを未反応燃料ガスと共に排出し、必要以上に未反応燃料ガスを排出することを防止する。 Then, the amount of the impurity gas concentrated in the unreacted fuel gas is grasped by experiments in advance with the passage of time from the start of power generation of the fuel cell 1, and periodically at a predetermined time interval, which is a time during which the amount of impurity gas accumulates. The impurity gas is discharged together with the unreacted fuel gas periodically (periodically) to prevent the unreacted fuel gas from being discharged more than necessary.
その際に、未反応燃料ガス供給経路4の未反応燃料ガス中の不純物ガス濃度に応じて、運転動作中の燃料電池1の燃料消費率Ufが略一定になるように、搬送手段7による未反応燃料ガスの供給量を変動させる。
At that time, in accordance with the impurity gas concentration in the unreacted fuel gas in the unreacted fuel
本実施の形態では、搬送手段7による未反応燃料ガスの供給量は、予め実験によって設定された燃料電池1の発電開始からの時間と窒素濃度の傾きから設定される。ここでは、燃料電池1の発電開始からの時間15分に対し、窒素濃度が40%上昇する傾きであるた
め、搬送手段7による未反応燃料ガスの供給量は、窒素濃度の変動に合わせ、燃料電池1の発電開始からの時間15分に対し、40%上昇する傾きで設定する。
In the present embodiment, the supply amount of the unreacted fuel gas by the transport means 7 is set from the time from the start of power generation of the fuel cell 1 and the slope of the nitrogen concentration set in advance by experiments. Here, since the slope of the nitrogen concentration is increased by 40% with respect to the time of 15 minutes from the start of power generation of the fuel cell 1, the amount of unreacted fuel gas supplied by the conveying
これにより、燃料電池1に供給される純水素ガス量を一定に保つことが可能となる。また、未反応燃料ガス供給経路4の未反応燃料ガス中の窒素濃度を所定濃度以下に低減するために、未反応燃料ガス供給経路4内の未反応燃料ガスを、未反応燃料ガス排出経路5から排出する。
Thereby, the amount of pure hydrogen gas supplied to the fuel cell 1 can be kept constant. Further, in order to reduce the nitrogen concentration in the unreacted fuel gas in the unreacted fuel
未反応燃料ガス排出動作は、未反応燃料ガス排出弁6を開放し未反応燃料ガス排出経路5から未反応燃料ガスを排出する。本実施の形態では、未反応燃料ガス排出経路5から未反応燃料ガス排出動作を実施するか否かを未反応燃料ガス供給経路4の未反応燃料ガス中の窒素濃度により決定する。
In the unreacted fuel gas discharge operation, the unreacted fuel
窒素濃度が第1所定濃度であれば、燃料電池1が純水素ガス中の窒素ガスにより電圧が低下し発電効率が低下するため、未反応燃料ガス排出動作を実施する。未反応燃料ガス排出動作を実施し、正常に未反応燃料ガス供給経路4の窒素濃度が第2所定濃度に低下すると、燃料電池1の電圧が回復することで燃料電池1の発電効率が上昇する。本実施の形態では、第1所定濃度を50%とし、第2所定濃度を5%とした。
If the nitrogen concentration is the first predetermined concentration, the fuel cell 1 performs the unreacted fuel gas discharge operation because the voltage is lowered by the nitrogen gas in the pure hydrogen gas and the power generation efficiency is lowered. When the unreacted fuel gas discharge operation is performed and the nitrogen concentration in the unreacted fuel
以上のように構成された燃料電池システム100について、以下その動作、作用を、図2および図3を参照しながら説明する。
The operation and action of the
図2に示すように、制御器101は、燃料電池システム100が発電を開始した時点をスタートとし、常時以下の動作を行う。
As shown in FIG. 2, the
制御器101は、燃料電池1の発電開始と共に発電時間t1を取得開始する(S101)。次に、発電時間t1から窒素濃度α1を、予め実験で取得した燃料電池1の発電時間と窒素濃度の傾きβ1の関係から算出する(S102)。そして、窒素濃度の傾きβ1に合わせ、搬送手段7の供給量L1を変動させる(S103)。
The
窒素濃度α1が第1所定濃度50%より高いか判定する(S104)。窒素濃度α1が第1所定濃度50%より低ければS102に戻り、窒素濃度α1が第1所定濃度50%より高ければ、未反応燃料ガス排出弁6を開放する(S105)。そして、窒素濃度α1が第2所定濃度5%より低いか判定する(S106)。
It is determined whether the nitrogen concentration α1 is higher than the first predetermined concentration 50% (S104). If the nitrogen concentration α1 is lower than the first predetermined concentration 50%, the process returns to S102, and if the nitrogen concentration α1 is higher than the first predetermined concentration 50%, the unreacted fuel
窒素濃度α1が第2所定濃度5%より高ければS105に戻り、窒素濃度α1が第2所定濃度5%より低ければ、未反応燃料ガス排出弁6を閉止(S107)して、S101に戻る。各ステップは各ステップを実施完了後、待機時間を設けずに速やかに移行するようにする。このような動作を行うと、図3に示すタイミングチャートに示すようになり、燃料電池1の燃料消費率Ufを一定に保つ運転ができる。
If the nitrogen concentration α1 is higher than the second
以上のように、本実施の形態において、未反応燃料ガス供給経路4の未反応燃料ガス中の窒素濃度に応じて、運転動作中の燃料電池1の燃料消費率Ufが略一定になるように、搬送手段7による未反応燃料ガスの供給量を変動させることで、燃料電池1に供給される純水素ガス量を一定に保つことが可能となることから、運転動作中の燃料電池1の燃料消費率Ufを一定に保つことが可能となる。
As described above, in the present embodiment, the fuel consumption rate Uf of the fuel cell 1 during operation is substantially constant according to the nitrogen concentration in the unreacted fuel gas in the unreacted fuel
そのため、燃料電池1の安定した発電が可能となる。また、窒素濃度が、予め設定された窒素濃度の上限値に達する前に、未反応燃料ガス排出弁6を開くように制御する。そのため、窒素濃度の上昇により燃料電池1の発電電圧が低下して、燃料電池1の発電効率が
大きく低下することを抑制することが可能となる。
Therefore, stable power generation of the fuel cell 1 is possible. Further, control is performed so that the unreacted fuel
これにより、より燃料電池1の安定した発電が可能となる燃料電池システム100を提供することができる。これらの動作により、燃料電池システム100の安定した発電が可能になる。
As a result, the
また、本実施の形態では、燃料電池1の発電開始からの経過時間から窒素濃度を算出して、窒素濃度に合わせ、供給量を変動させたが、これに限らず燃料電池1の発電開始からの経過時間で供給量を変動させても構わない。 Further, in the present embodiment, the nitrogen concentration is calculated from the elapsed time from the start of power generation of the fuel cell 1, and the supply amount is varied in accordance with the nitrogen concentration. The supply amount may be varied with the elapsed time.
さらに、本実施の形態では、不純物ガスを、燃料電池1の電解質膜を通して空気側から純水素ガス側に透過する空気に含まれる窒素ガスとしたが、これに限らず純水素ガス中に含有していた二酸化炭素や一酸化炭素、アンモニアなどであっても構わない。 Furthermore, in the present embodiment, the impurity gas is nitrogen gas contained in the air that permeates from the air side to the pure hydrogen gas side through the electrolyte membrane of the fuel cell 1, but is not limited thereto, and is contained in the pure hydrogen gas. It may be carbon dioxide, carbon monoxide, ammonia or the like.
なお、未反応燃料ガス供給経路4に燃料ガスを循環させるために、未反応燃料ガス供給経路4にポンプを設置せず、燃料ガス供給経路2と未反応燃料ガス供給経路4が合流する部位にエゼクタやインジェクタを設置しても構わない。
In order to circulate the fuel gas in the unreacted fuel
なお、未反応燃料ガス排出動作を継続する時間は、未反応燃料ガス供給経路4から不純物ガスを排出し、所定濃度より低くすることができれば、いかなる時間であっても構わない。
The time for continuing the unreacted fuel gas discharge operation may be any time as long as the impurity gas is discharged from the unreacted fuel
(実施の形態2)
本発明の実施の形態2の燃料電池システムの概略構成を示すブロック図は、図1に示した実施の形態1との燃料電池システム100と同じである。
(Embodiment 2)
The block diagram showing the schematic configuration of the fuel cell system according to the second embodiment of the present invention is the same as the
図4は、本発明の実施の形態2における燃料電池システムの運転方法を示すフローチャートである。なお、実施の形態1と同様の構成要素については同一符号を付与し、その説明はここでは省略する。
FIG. 4 is a flowchart showing a method of operating the fuel cell system according to
本実施の形態における燃料電池システム100を構成する各機器の動作にて、実施の形態1と異なる点について述べる。
Differences from the first embodiment in the operation of each device constituting the
本実施の形態では、未反応燃料ガス排出経路5から未反応燃料ガス排出動作を実施するか否かを未反応燃料ガス供給経路4の未反応燃料ガス中の窒素濃度と、搬送手段7による未反応燃料ガスの供給量により決定する。
In the present embodiment, whether or not the unreacted fuel gas discharge operation is performed from the unreacted fuel
窒素濃度が第1所定濃度であれば、燃料電池1が純水素ガス中の窒素により電圧が低下し発電効率が低下するため、未反応燃料ガス排出動作を実施する。また、搬送手段7による未反応燃料ガスの供給量が第1所定流量であれば、搬送手段7の供給量の上限値に達する前に、未反応燃料ガス排出動作を実施する。 If the nitrogen concentration is the first predetermined concentration, the fuel cell 1 performs the unreacted fuel gas discharge operation because the voltage decreases due to the nitrogen in the pure hydrogen gas and the power generation efficiency decreases. If the supply amount of the unreacted fuel gas by the transport means 7 is the first predetermined flow rate, the unreacted fuel gas discharge operation is performed before the upper limit value of the supply amount of the transport means 7 is reached.
未反応燃料ガス排出動作を実施し、正常に未反応燃料ガス供給経路4の未反応燃料ガス中の窒素濃度が第2所定濃度に低下すると、燃料電池1の電圧が回復することで燃料電池1の発電効率が上昇する。
When the unreacted fuel gas discharge operation is performed and the concentration of nitrogen in the unreacted fuel gas in the unreacted fuel
また、未反応燃料ガス排出動作を実施し、正常に搬送手段7の未反応燃料ガスの供給量が、第2所定流量に低下したならば、搬出手段7の供給量が上限に達するのを防止することが可能となる。
Further, when the unreacted fuel gas discharge operation is performed and the supply amount of the unreacted fuel gas of the conveying
本実施の形態では、第1所定濃度を50%とし、第2所定濃度を5%とした。また、第1所定流量を10L/minとし、第2所定流量を3L/minとした。 In the present embodiment, the first predetermined density is 50% and the second predetermined density is 5%. The first predetermined flow rate was 10 L / min, and the second predetermined flow rate was 3 L / min.
これにより、未反応燃料ガス排出弁6の作動間隔を供給量上限まで長く設定することが可能となり、未反応燃料ガス排出弁6の作動回数を抑制することが可能となると共に、搬送手段7による未反応燃料ガスの供給量が搬送手段7の供給量上限値に達する前に、未反応燃料ガス排出弁6を開くことが可能となることから、搬送手段7の供給量不足による燃料電池1の燃料消費率Ufの上昇を抑制することが可能となる。
Thereby, it becomes possible to set the operation interval of the unreacted fuel
そのため、より燃料電池1の安定した発電が可能となる燃料電池システム100を提供することが可能となる。
Therefore, it is possible to provide the
燃料電池1から発電する電力の量のことを本実施の形態では発電量と呼ぶ。本実施の形態では通常700Wで発電する。700Wで発電する際の、燃料電池1で使用される純水素ガス量は7L/minである。 In the present embodiment, the amount of power generated from the fuel cell 1 is referred to as a power generation amount. In this embodiment, power is normally generated at 700W. The amount of pure hydrogen gas used in the fuel cell 1 when generating power at 700 W is 7 L / min.
以上のように構成された燃料電池システム100について、以下その動作、作用を、図4を参照しながら説明する。
The operation and action of the
図4に示すように、制御器101は、燃料電池システム100が発電を開始した時点をスタートとし、常時以下の動作を行う。
As shown in FIG. 4, the
制御器101は、燃料電池1の発電開始と共に発電時間t1を取得開始する(S201)。次に、発電時間t1から窒素濃度α1を、予め実験で取得した燃料電池1の発電時間と、窒素濃度の傾きβ1の関係から算出する(S202)。
The
そして、窒素濃度の傾きβ1に合わせ、搬送手段7の供給量L1を変動させる(S203)。窒素濃度α1が第1所定濃度50%より高いか、また、供給量L1が第1所定流量10L/minより高いか判定する(S204)。窒素濃度α1が第1所定濃度50%より低ければS202に戻り、窒素濃度α1が第1所定濃度50%より高ければ、未反応燃料ガス排出弁6を開放する(S205)。
Then, the supply amount L1 of the conveying
また、供給量L1が第1所定流量10L/minより低ければS203に戻り、供給量L1が第1所定流量10L/minより高ければ、未反応燃料ガス排出弁6を開放する(S205)。そして、窒素濃度α1が第2所定濃度5%より低いか、また供給量L1が第2所定流量3L/minより低いか判定する(S206)。
If the supply amount L1 is lower than the first predetermined flow rate 10 L / min, the process returns to S203. If the supply amount L1 is higher than the first predetermined flow rate 10 L / min, the unreacted fuel
窒素濃度α1が第2所定濃度5%より高いか、供給量L1が第2所定流量3L/minより高ければS205に戻り、窒素濃度α1が第2所定濃度5%より低いか、供給量L1が第2所定流量3L/minより低ければ、未反応燃料ガス排出弁6を閉止(S207)して、S201に戻る。各ステップは各ステップを実施完了後、待機時間を設けずに速やかに移行するようにする。
If the nitrogen concentration α1 is higher than the second
以上のように、本実施の形態において、未反応燃料ガス供給経路4の燃料ガス中の窒素濃度に応じて、運転動作中の燃料電池1の燃料消費率Ufが略一定になるように、搬送手段7による未反応燃料ガスの供給量を変動させることで、燃料電池1に供給される純水素ガス量を一定に保つことが可能となることから、運転動作中の燃料電池1の燃料消費率Ufを一定に保つことが可能となる。
As described above, in the present embodiment, conveyance is performed so that the fuel consumption rate Uf of the fuel cell 1 during operation is substantially constant according to the nitrogen concentration in the fuel gas in the unreacted fuel
そのため、燃料電池1の安定した発電が可能となる。また、搬送手段7の供給量が、予
め設定された供給量の上限値に達する前に、未反応燃料ガス排出弁6を開くように制御する。
Therefore, stable power generation of the fuel cell 1 is possible. Further, the unreacted fuel
これにより、未反応燃料ガス排出弁6の作動回数を抑制することが可能となると共に、搬送手段7の供給量不足による燃料電池1の燃料消費率Ufの上昇を抑制することが可能となる。
This makes it possible to suppress the number of operations of the unreacted fuel
これらの動作により、燃料電池システム100の、より安定した発電が可能になると共に、未反応燃料ガス排出弁6の耐久信頼性の確保が可能となる。
These operations enable more stable power generation of the
また、本実施の形態では、燃料電池1の発電開始からの経過時間から窒素濃度を算出して、窒素濃度に合わせ、供給量を変動させたが、これに限らず燃料電池1の発電開始からの経過時間で供給量を変動させても構わない。 Further, in the present embodiment, the nitrogen concentration is calculated from the elapsed time from the start of power generation of the fuel cell 1, and the supply amount is varied in accordance with the nitrogen concentration. The supply amount may be varied with the elapsed time.
さらに、本実施の形態では、不純物ガスを、燃料電池1の電解質膜を通して空気側から純水素ガス側に透過する空気に含まれる窒素ガスとしたが、これに限らず燃料ガス中に含有していた二酸化炭素や一酸化炭素、アンモニアなどであっても構わない。 Further, in the present embodiment, the impurity gas is nitrogen gas contained in the air that permeates from the air side to the pure hydrogen gas side through the electrolyte membrane of the fuel cell 1, but is not limited to this, and is contained in the fuel gas. Carbon dioxide, carbon monoxide, ammonia, etc. may be used.
なお、未反応燃料ガス供給経路4に未反応燃料ガスを循環させるために、未反応燃料ガス供給経路4にポンプを設置せず、燃料ガス供給経路2と未反応燃料ガス供給経路4が合流する部位にエゼクタやインジェクタを設置しても構わない。
In order to circulate the unreacted fuel gas in the unreacted fuel
なお、未反応燃料ガス排出動作を継続する時間は、未反応燃料ガス供給経路4から不純物ガスを排出し、所定濃度より低くすることができれば、いかなる時間であっても構わない。
The time for continuing the unreacted fuel gas discharge operation may be any time as long as the impurity gas is discharged from the unreacted fuel
なお、搬送手段7の供給量は、第1所定流量を10L/min、第2所定流量を3L/minで設定したが、燃料電池システム100の構成によって異なってくるため、燃料電池1が安定して発電することができれば、いかなる流量値であっても構わない。
The supply amount of the conveying
また、第一所定流量は絶対値でなくてもよく、例えば、未反応燃料ガス排出動作前後の未反応燃料ガスの流量値変化量であっても構わない。 Further, the first predetermined flow rate may not be an absolute value, and may be, for example, an unreacted fuel gas flow value change amount before and after the unreacted fuel gas discharge operation.
(実施の形態3)
本発明の実施の形態3における燃料電池システムの構成について、図5を用いて説明する。図5は、本発明の実施の形態3における燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。図6は、本発明の実施の形態3における燃料電池システムの運転方法を示すフローチャートである。なお、実施の形態1と同様の構成要素については、同一符号を付与し、その説明はここでは省略する。
(Embodiment 3)
The configuration of the fuel cell system according to
図5に示す燃料電池システム200においては、未反応燃料ガス供給経路4にガスセンサ8を備える点で実施の形態1と異なっている。
The
ガスセンサ8は、未反応燃料ガスに流通する未反応燃料ガス中の窒素濃度を計測する濃度計である。 The gas sensor 8 is a concentration meter that measures the nitrogen concentration in the unreacted fuel gas flowing through the unreacted fuel gas.
本実施の形態における燃料電池システム200を構成する各機器の動作は、実施の形態1と同様であるため説明を省略するが、制御器102が、ガスセンサ8により計測された濃度値をもとに、運転動作中の燃料電池1の燃料消費率Ufが略一定になるように、搬送手段7による未反応燃料ガスの供給量を変動させる点が異なっている。
Since the operation of each device constituting the
以上のように構成された燃料電池システム200について、以下その動作、作用を、図6を参照しながら説明する。
The operation and action of the
図6は、本実施の形態3の燃料電池システムの運転方法を示すフローチャートである。 FIG. 6 is a flowchart showing a method of operating the fuel cell system according to the third embodiment.
図6に示すように、制御器102は、燃料電池システム200が発電を開始した時点をスタートとし、常時以下の動作を行う。
As shown in FIG. 6, the
制御器102は、燃料電池1の発電開始と共にガスセンサ8で窒素濃度α2の計測を開始する(S301)。そして、窒素濃度の傾きβ2に合わせ、搬送手段7の供給量L2を変動させる(S302)。窒素濃度α2が第1所定濃度50%より高いか判定する(S303)。窒素濃度α2が第1所定濃度50%より低ければS302に戻り、窒素濃度α2が第1所定濃度50%より高ければ、未反応燃料ガス排出弁6を開放する(S304)。
The
そして、窒素濃度α2が第2所定濃度5%より低いか判定する(S305)。窒素濃度α2が第2所定濃度5%より高ければS304に戻り、窒素濃度α2が第2所定濃度5%より低ければ、未反応燃料ガス排出弁6を閉止(S306)して、S301に戻る。各ステップは各ステップを実施完了後、待機時間を設けずに速やかに移行するようにする。
Then, it is determined whether the nitrogen concentration α2 is lower than the second
以上のように、本実施の形態においては、ガスセンサ8によって計測した未反応燃料ガス供給経路4の未反応燃料ガス中の窒素濃度に応じて、運転動作中の燃料電池1の燃料消費率Ufが略一定になるように、搬送手段7による未反応燃料ガスの供給量を変動させることで、燃料電池1に供給される純水素ガス量をより一定に保つことが可能となることから、運転動作中の燃料電池1の燃料消費率Ufをより一定に保つことが可能となる。
As described above, in the present embodiment, the fuel consumption rate Uf of the fuel cell 1 during the operation is determined according to the nitrogen concentration in the unreacted fuel gas in the unreacted fuel
そのため、燃料電池1の安定した発電が可能となる。これらの動作により、燃料電池システム200のより安定した発電が可能となる。
Therefore, stable power generation of the fuel cell 1 is possible. By these operations, the
また、本実施の形態では、ガスセンサ8で計測する濃度を窒素としたが、これに限らず純水素ガス中に含有していた二酸化炭素や一酸化炭素、アンモニアなどであっても構わない。さらに、未反応燃料ガス中に含有している不純物ガスを間接的に計測できれば水素濃度であっても構わない。 In the present embodiment, the concentration measured by the gas sensor 8 is nitrogen. However, the concentration is not limited to this, and carbon dioxide, carbon monoxide, ammonia, or the like contained in pure hydrogen gas may be used. Furthermore, the hydrogen concentration may be used as long as the impurity gas contained in the unreacted fuel gas can be indirectly measured.
本発明の燃料電池システムは、燃料電池から排出される未反応燃料ガスを、再び燃料電池に燃料ガスとして供給する燃料電池システムにおいて、未反応燃料ガスの供給量を、未反応燃料ガスに含まれる不純物ガス濃度に応じて変動することで、燃料電池の安定した発電が可能となる。そのため、長期間にわたり安定した発電を行いたい用途、例えば、家庭用または業務用の燃料電池システムの分野で有用である。 The fuel cell system of the present invention is a fuel cell system in which unreacted fuel gas discharged from the fuel cell is again supplied to the fuel cell as fuel gas. The amount of unreacted fuel gas supplied is included in the unreacted fuel gas. By changing according to the impurity gas concentration, stable power generation of the fuel cell becomes possible. Therefore, it is useful in applications where stable power generation is desired over a long period of time, for example, in the field of household or commercial fuel cell systems.
1 燃料電池
2 燃料ガス供給経路
3 酸化剤ガス供給経路
4 未反応燃料ガス供給経路
5 未反応燃料ガス排出経路
6 未反応燃料ガス排出弁
7 搬送手段
8 ガスセンサ
100 燃料電池システム
101 制御器
102 制御器
200 燃料電池システム
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (5)
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路と、
前記燃料電池から排出される未反応燃料ガスを前記燃料ガスとして前記燃料ガス供給経路に供給するための未反応燃料ガス供給経路と、
前記未反応燃料ガス供給経路から前記未反応燃料ガスを前記燃料ガス供給経路に供給する搬送手段と、
前記未反応燃料ガス供給経路から分岐する未反応燃料ガス排出経路と、
前記未反応燃料ガス排出経路を開閉する未反応燃料ガス排出弁と、
制御器と、を備え、
前記制御器は、前記未反応燃料ガスに含まれる不純物ガス濃度に応じて、運転動作中の前記燃料電池の燃料消費率が略一定になるように、前記搬送手段による前記未反応燃料ガスの供給量を変動させることを特徴とする、
燃料電池システム。 A fuel cell that generates power by reacting a fuel gas and an oxidant gas;
A fuel gas supply path for supplying fuel gas to the fuel cell;
An unreacted fuel gas supply path for supplying unreacted fuel gas discharged from the fuel cell as the fuel gas to the fuel gas supply path;
Conveying means for supplying the unreacted fuel gas from the unreacted fuel gas supply path to the fuel gas supply path;
An unreacted fuel gas discharge path branched from the unreacted fuel gas supply path;
An unreacted fuel gas discharge valve for opening and closing the unreacted fuel gas discharge path;
A controller, and
The controller supplies the unreacted fuel gas by the transfer means so that the fuel consumption rate of the fuel cell during operation is substantially constant according to the impurity gas concentration contained in the unreacted fuel gas. Characterized by varying the amount,
Fuel cell system.
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