JP2020009544A - Fuel cell system and fuel cell ship - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料ガス供給路を通じて燃料電池装置に燃料ガスを供給する燃料電池システム及びそれを備えた燃料電池船に関する。 The present invention relates to a fuel cell system that supplies fuel gas to a fuel cell device through a fuel gas supply path, and a fuel cell ship provided with the same.
燃料ガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池スタックを有する燃料電池装置を備えた燃料電池システムでは、燃料電池スタックに供給される水素ガス又は改質を経て当該水素ガスとなる炭化水素ガス等の燃料ガスが、ボンベ等の燃料ガス貯留部から燃料ガス供給路を通じて燃料電池装置のアノード側に供給される。このような燃料電池システムでは、燃料ガス供給路に設けられた遮断弁を閉弁させることにより、燃料電池装置への燃料ガスの供給を停止して、運転が停止される(例えば、特許文献1を参照)。 In a fuel cell system including a fuel cell device having a fuel cell stack that generates power by an electrochemical reaction of a fuel gas, hydrogen gas supplied to the fuel cell stack or hydrocarbon gas that becomes the hydrogen gas through reforming is used. Fuel gas is supplied from a fuel gas storage unit such as a cylinder to the anode side of the fuel cell device through a fuel gas supply path. In such a fuel cell system, the supply of the fuel gas to the fuel cell device is stopped by closing a shut-off valve provided in the fuel gas supply passage, and the operation is stopped (for example, Patent Document 1). See).
燃料電池システムの運転停止時には、燃料電池装置への燃料ガスの供給を確実に停止する必要がある。特に船舶では高い安全基準が要求されることから、動力源として燃料電池システムを搭載した燃料電池船では、遮断弁の遮断不良等に起因する燃料電池装置側への燃料ガスの漏洩を確実に防止することが要求される。 When the operation of the fuel cell system is stopped, it is necessary to surely stop the supply of the fuel gas to the fuel cell device. In particular, since high safety standards are required for ships, fuel cell ships equipped with a fuel cell system as a power source reliably prevent leakage of fuel gas to the fuel cell device side due to poor shut-off of shut-off valves, etc. Is required.
燃料ガス供給源から燃料ガス供給路を通じて燃料ガス供給先へ燃料ガスを供給するシステムにおいて、燃料ガスの供給を確実且つ安全に遮断するための構成として、ダブルブロックアンドブリード(以下、「DBB」と呼ぶ。)と呼ぶものが知られている。かかるDBBは、燃料ガス供給路に直列状態で2つの遮断弁を設けると共に、これら2つの遮断弁の間に形成された遮断弁間空間に接続され、当該空間を外部に開放可能なブリード弁を設けて構成されている。そして、これら2つの遮断弁及びブリード弁の作動を制御する弁制御手段は、燃料電池装置への燃料ガスの供給を停止する供給停止時に、2つ遮断弁を閉弁させると共にブリード弁を開弁させる。 In a system for supplying a fuel gas from a fuel gas supply source to a fuel gas supply destination through a fuel gas supply path, a double block and bleed (hereinafter, referred to as “DBB”) is used as a configuration for reliably and safely shutting off the supply of the fuel gas. Is known. Such a DBB is provided with two shut-off valves in series with the fuel gas supply path, and is connected to a space between the two shut-off valves formed between the two shut-off valves, and is provided with a bleed valve capable of opening the space to the outside. It is provided and configured. The valve control means for controlling the operation of the two shut-off valves and the bleed valve closes the two shut-off valves and opens the bleed valve when the supply of fuel gas to the fuel cell device is stopped. Let it.
しかしながら、上述のような燃料電池システムにDBBを採用する場合、上記ブリード弁を閉弁させると共に上記2つの遮断弁を開弁させて燃料電池装置への燃料ガスの供給を開始する起動時に、上記遮断弁間空間に存在していた空気中の酸素が燃料電池装置のアノード側に供給される。すると、改質器の改質触媒の劣化や燃料電池スタックの腐食電流の発生等により燃料電池装置の性能が低下するという問題が懸念される。 However, when the DBB is adopted in the above-described fuel cell system, the above-described bleed valve is closed and the two shut-off valves are opened to start supplying the fuel gas to the fuel cell device. Oxygen in the air existing in the space between the shut-off valves is supplied to the anode side of the fuel cell device. Then, there is a concern that the performance of the fuel cell device is reduced due to the deterioration of the reforming catalyst of the reformer, the generation of corrosion current of the fuel cell stack, and the like.
この実情に鑑み、燃料ガス供給路を通じて燃料電池装置に燃料ガスを供給する燃料電池システム及びそれを備えた燃料電池船において、運転停止時に安全且つ確実に燃料電池装置への燃料ガスの供給を停止しながら、起動時に燃料電池装置への空気の供給に起因する性能低下を防止することができる技術を提供する点にある。 In view of this situation, in a fuel cell system that supplies fuel gas to a fuel cell device through a fuel gas supply path and a fuel cell ship equipped with the same, the supply of fuel gas to the fuel cell device is stopped safely and reliably when the operation is stopped. It is another object of the present invention to provide a technique capable of preventing performance degradation due to air supply to a fuel cell device at the time of startup.
本発明に係る燃料電池システムの第1特徴構成は、燃料ガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池スタックを有する燃料電池装置と、
前記燃料電池装置に燃料ガスを供給する燃料ガス供給路と、
前記燃料ガス供給路に設けられて当該供給路を遮断可能な遮断弁と、
前記遮断弁を閉弁させて前記燃料電池装置への燃料ガスの供給を停止し、前記遮断弁を開弁させて前記燃料電池装置への燃料ガスの供給を開始する形態で前記遮断弁の作動を制御する弁制御手段と、を備えた燃料電池システムであって、
前記燃料ガス供給路に直列状態で設けられて当該供給路を遮断可能な上流側遮断弁及び下流側遮断弁を、前記遮断弁として備え、
前記燃料ガス供給路における前記上流側遮断弁と前記下流側遮断弁との間に形成される遮断弁間空間に接続されて当該空間を外部に開放可能なブリード弁を備え、
前記弁制御手段が、前記燃料電池装置への燃料ガスの供給時に前記ブリード弁を閉弁させ、前記燃料電池装置への燃料ガスの供給停止時に前記ブリード弁を開弁させる形態で前記ブリード弁の作動を制御すると共に、前記燃料電池装置への燃料ガスの供給開始前に前記遮断弁間空間に対して燃料ガス及び不活性ガスの少なくとも一方であるパージガスを供給して当該遮断弁間空間をパージするパージ処理を実行する点にある。
A first characteristic configuration of the fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell device having a fuel cell stack that generates power by an electrochemical reaction of a fuel gas;
A fuel gas supply path for supplying fuel gas to the fuel cell device;
A shutoff valve provided in the fuel gas supply path and capable of shutting off the supply path;
The operation of the shut-off valve in a form in which the shut-off valve is closed to stop supplying fuel gas to the fuel cell device, and the shut-off valve is opened to start supplying fuel gas to the fuel cell device. And a valve control means for controlling the fuel cell system,
An upstream shutoff valve and a downstream shutoff valve that are provided in series with the fuel gas supply passage and that can shut off the supply passage are provided as the shutoff valve,
A bleed valve that is connected to a space between shutoff valves formed between the upstream shutoff valve and the downstream shutoff valve in the fuel gas supply path and can open the space to the outside,
The valve control means closes the bleed valve when fuel gas is supplied to the fuel cell device, and opens the bleed valve when supply of fuel gas to the fuel cell device is stopped. Controlling the operation and supplying a purge gas, which is at least one of a fuel gas and an inert gas, to the space between the shut-off valves before starting the supply of the fuel gas to the fuel cell device to purge the space between the shut-off valves. The purging process is performed.
また、本発明に係る燃料電池船の特徴構成は、本発明に係る燃料電池システムと、
前記燃料電池システムに供給される燃料ガスを貯留する燃料ガス貯留部と、を備え、
前記燃料電池システムの発電電力を船内の電力負荷に供給する点にある。
Further, the characteristic configuration of the fuel cell ship according to the present invention includes a fuel cell system according to the present invention,
A fuel gas storage unit for storing fuel gas supplied to the fuel cell system,
The point is that the power generated by the fuel cell system is supplied to the power load in the ship.
本構成によれば、高い安全基準が要求される燃料電池船等に搭載される燃料電池システムにおいて、燃料ガス供給路に直列状態で設けられる上流側遮断弁及び下流側遮断弁と当該両遮断弁の間に形成される遮断弁間空間に接続されるブリード弁とを備えて構成されるDBB(ダブルブロックアンドブリード)が採用されている。
そして、燃料電池システムの運転停止時には、上流側遮断弁及び下流側遮断弁並びにブリード弁の作動を制御する弁制御手段により、上流側遮断弁及び下流側遮断弁を閉弁させると共にブリード弁を開弁させる形態で、燃料ガス貯留部等の燃料ガス供給源から燃料電池装置への燃料ガスの供給が停止される。このように燃料ガスの供給を停止することで、上流側遮断弁及び下流側遮断弁のうちの何れかに遮断不良が生じた場合であっても、燃料ガス供給路における燃料ガス供給源側と燃料電池装置側とを大気等の外部に開放された遮断弁間空間で隔離させることができる。よって、遮断弁の遮断不良に起因する燃料ガス供給源から燃料電池装置への燃料ガスの漏洩を確実に防止することができる。更には、燃料ガスの供給停止時に遮断弁間空間に流出した燃料ガスについては、開弁状態であるブリード弁を介して外部へ放出して、安全性を保持することができる。
According to this configuration, in a fuel cell system mounted on a fuel cell ship or the like that requires a high safety standard, an upstream shutoff valve and a downstream shutoff valve provided in series with a fuel gas supply path, and both the shutoff valves And a bleed valve connected to the inter-shut-off valve space formed between them.
When the operation of the fuel cell system is stopped, the upstream shutoff valve and the downstream shutoff valve are closed and the bleed valve is opened by valve control means for controlling the operation of the upstream shutoff valve and the downstream shutoff valve and the bleed valve. In the valve form, the supply of the fuel gas from the fuel gas supply source such as the fuel gas storage unit to the fuel cell device is stopped. By stopping the supply of the fuel gas in this way, even if a shut-off failure occurs in any of the upstream shut-off valve and the downstream shut-off valve, the fuel gas supply path and the fuel gas supply source side are not connected. The fuel cell device side can be isolated by the space between the shut-off valves opened to the outside such as the atmosphere. Therefore, it is possible to reliably prevent the leakage of the fuel gas from the fuel gas supply source to the fuel cell device due to the failure of the shut-off valve. Furthermore, the fuel gas that has flowed into the space between the shut-off valves when the supply of the fuel gas is stopped can be released to the outside via the bleed valve which is in an open state, and safety can be maintained.
一方、燃料電池システムの起動時には、弁制御手段により、上流側遮断弁及び下流側遮断弁を開弁させると共にブリード弁を閉弁させる形態で、燃料ガス貯留部等の燃料ガス供給源から燃料電池装置への燃料ガスの供給を開始することができる。そして、このような燃料電池装置への燃料ガスの供給開始前には、弁制御手段により、上記パージ処理が実行される。このパージ処理では、空気(酸素)を略含まない上記パージガスが遮断弁間空間に供給されて当該遮断弁間空間がパージされる。すると、燃料ガスの供給停止時に外部から開弁状態であるブリード弁を介して遮断弁間空間に侵入した空気が、上記パージ処理の実行により適切に除去された上で、燃料電池装置への燃料ガスの供給が開始される。このことで、燃料電池装置のアノード側への空気の供給に起因する性能低下を防止することができる。 On the other hand, when the fuel cell system is started, the valve control means opens the upstream shut-off valve and the downstream shut-off valve and closes the bleed valve. The supply of fuel gas to the device can be started. Before the start of the supply of the fuel gas to the fuel cell device, the purge process is performed by the valve control unit. In this purging process, the purge gas containing substantially no air (oxygen) is supplied to the inter-shut-valve space to purge the inter-shut-valve space. Then, when the supply of the fuel gas is stopped, the air that has entered the space between the shut-off valves from the outside via the bleed valve that is open from the outside is appropriately removed by performing the above-described purge processing. Gas supply is started. As a result, it is possible to prevent performance degradation due to the supply of air to the anode side of the fuel cell device.
従って、本発明により、燃料ガス供給路を通じて燃料電池装置に燃料ガスを供給する燃料電池システムにおいて、運転停止時に安全且つ確実に燃料電池装置への燃料ガスの供給を停止しながら、起動時に燃料電池装置への空気の供給に起因する性能低下を防止することができる技術を提供することができる。 Therefore, according to the present invention, in a fuel cell system for supplying a fuel gas to a fuel cell device through a fuel gas supply path, the fuel cell system can be safely and reliably stopped when the operation is stopped while the fuel cell It is possible to provide a technique capable of preventing performance degradation caused by supply of air to the device.
本発明に係る燃料電池システムの第2特徴構成は、上記第1特徴構成に加えて、前記弁制御手段は、前記パージ処理を所定の設定パージ時間実行した後に前記燃料電池装置への燃料ガスの供給を開始する点にある。 According to a second characteristic configuration of the fuel cell system according to the present invention, in addition to the first characteristic configuration, the valve control unit performs the purge process for a fuel gas to the fuel cell device after performing a predetermined set purge time. The point is to start supplying.
本構成によれば、弁制御手段によりパージ処理が所定の設定パージ時間実行された後に、燃料電池装置への燃料ガスの供給が開始される。よって、簡単な構成で、遮断弁間空間に滞留する空気を除去した上で燃料電池装置への燃料ガスの供給を開始することができる。また、パージ処理を実行する設定パージ時間については、遮断弁間空間に滞留する空気が略完全に除去可能な時間として適宜設定することができ、例えば、各弁の開度、各流路の断面積、パージガスの供給圧力等をパラメータとして実験やシミュレーション等により適宜求めることができる。 According to this configuration, the supply of the fuel gas to the fuel cell device is started after the purge process is performed by the valve control unit for the predetermined set purge time. Therefore, with a simple configuration, the supply of the fuel gas to the fuel cell device can be started after removing the air staying in the space between the shut-off valves. Further, the set purge time for executing the purge process can be appropriately set as a time during which air staying in the space between the shut-off valves can be almost completely removed. For example, the opening degree of each valve and the cutoff of each flow path can be set. The area, the supply pressure of the purge gas, and the like can be appropriately determined by experiments, simulations, and the like using the parameters.
本発明に係る燃料電池システムの第3特徴構成は、上記第1特徴構成乃至上記第2特徴構成の何れかに加えて、前記弁制御手段が、前記パージ処理において、前記ブリード弁を開弁状態に維持して、前記遮断弁間空間に供給された前記パージガスを前記ブリード弁を介して外部に放出する点にある。 In a third characteristic configuration of the fuel cell system according to the present invention, in addition to any one of the first characteristic configuration and the second characteristic configuration, the valve control unit may open the bleed valve in the purge process. The purge gas supplied to the inter-shutoff valve space is discharged to the outside via the bleed valve.
本構成によれば、燃料ガスの供給停止時に開弁されたブリード弁が、燃料電池装置への燃料ガスの供給開始前におけるパージ処理の実行時に開弁状態に維持される。即ち、このパージ処理では、遮断弁間空間に供給されたパージガスを、開放状態であるブリード弁を介して外部に放出させる形態で、遮断弁間空間をパージすることができる。このことで、遮断弁間空間において特にブリード弁近傍に滞留する空気を略完全に除去した上で、燃料電池装置への燃料ガスの供給を開始することができる。 According to this configuration, the bleed valve that is opened when the supply of the fuel gas is stopped is maintained in the open state when the purge process is performed before the supply of the fuel gas to the fuel cell device is started. That is, in this purging process, the space between the shut-off valves can be purged in such a manner that the purge gas supplied to the space between the shut-off valves is discharged to the outside via the bleed valve in an open state. Thus, the supply of the fuel gas to the fuel cell device can be started after the air remaining particularly in the vicinity of the bleed valve in the space between the shutoff valves is almost completely removed.
本発明に係る燃料電池システムの第4特徴構成は、上記第3特徴構成に加えて、前記弁制御手段が、前記燃料電池装置への燃料ガスの供給開始時に、前記下流側遮断弁の開弁後に前記ブリード弁を閉弁させる点にある。 A fourth characteristic configuration of the fuel cell system according to the present invention, in addition to the third characteristic configuration, wherein the valve control unit opens the downstream side shut-off valve when the supply of the fuel gas to the fuel cell device starts. The point is that the bleed valve is closed later.
本構成によれば、パージ処理の実行時にブリード弁を開弁状態に維持して、パージ処理の実行後に下流側遮断弁を開弁させて燃料電池装置への燃料ガスの供給を開始するにあたり、当該下流側遮断弁が開弁された後に、ブリード弁が閉弁される。すると、ブリード弁の閉弁時に下流側遮断弁が開弁状態であることから、弁の開閉切替時における燃料ガス供給路の過剰な圧力上昇を抑制することができる。また、下流側遮断弁の開弁直後において、遮断弁間空間に供給されたパージガスを、ブリード弁及び下流側遮断弁の両方に通過させることできる。このことで、遮断弁間空間において特にブリード弁近傍や下流側遮断弁近傍に滞留する空気をパージガスで遮断弁間空間から押し出した上で、燃料電池装置への燃料ガスの供給を開始することができる。 According to this configuration, when the bleed valve is maintained in the open state during the execution of the purge process, the supply of the fuel gas to the fuel cell device is started by opening the downstream side shutoff valve after the execution of the purge process. After the downstream cutoff valve is opened, the bleed valve is closed. Then, since the downstream cutoff valve is in the open state when the bleed valve is closed, it is possible to suppress an excessive rise in the pressure of the fuel gas supply passage at the time of switching between opening and closing of the valve. Further, immediately after the downstream cutoff valve is opened, the purge gas supplied to the inter-shutoff valve space can be passed through both the bleed valve and the downstream cutoff valve. With this, it is possible to start the supply of the fuel gas to the fuel cell device after pushing out the air stagnating particularly in the vicinity of the bleed valve or the vicinity of the downstream side shutoff valve in the space between the shutoff valves with the purge gas from the space between the shutoff valves. it can.
本発明に係る燃料電池システムの第5特徴構成は、上記第1特徴構成乃至上記第4特徴構成の何れかに加えて、前記弁制御手段が、前記パージ処理において、前記上流側遮断弁を開弁させて当該上流側遮断弁を介して前記遮断弁間空間に前記パージガスとして燃料ガスを供給する点にある。 In a fifth aspect of the fuel cell system according to the present invention, in addition to any one of the first to fourth aspects, the valve control means may open the upstream shutoff valve in the purge process. The point is that fuel gas is supplied as the purge gas to the space between the shut-off valves via the upstream shut-off valve.
本構成によれば、燃料電池装置への燃料ガスの供給開始前に実行されるパージ処理において、遮断弁間空間に供給するパージガスとして、燃料ガスを利用することができる。即ち、当該パージ処理において、上流側遮断弁が開弁されるので、燃料ガス供給路に供給された燃料ガスをパージガスとして上流側遮断弁を介して遮断弁間空間に流入させて、当該遮断弁間空間を燃料ガスによりパージすることができる。このことで、パージ処理を実行して遮断弁間空間を燃料ガスで満たした状態で、当該遮断弁間空間を含む燃料ガス供給路を通じて燃料電池装置への燃料ガスの供給が開始されるので、燃料電池装置のアノード側への空気の供給に起因する性能低下を適切に防止することができる。 According to this configuration, in the purge process performed before the supply of the fuel gas to the fuel cell device is started, the fuel gas can be used as the purge gas to be supplied to the space between the shut-off valves. That is, since the upstream shut-off valve is opened in the purging process, the fuel gas supplied to the fuel gas supply path is caused to flow into the inter-shut-valve space via the upstream shut-off valve as the purge gas, and the shut-off valve is opened. The interspace can be purged with fuel gas. With this, the supply of the fuel gas to the fuel cell device is started through the fuel gas supply path including the space between the shut-off valves in a state where the space between the shut-off valves is filled with the fuel gas by performing the purge process. It is possible to appropriately prevent performance degradation due to supply of air to the anode side of the fuel cell device.
本発明に係る燃料電池システムの第6特徴構成は、上記第5特徴構成に加えて、前記燃料ガス供給路での燃料ガスの流量を調整可能な流量調整手段を備え、
前記弁制御手段が、前記流量調整手段を制御して、前記パージ処理時における前記燃料ガス供給路での燃料ガスの流量を、前記燃料電池装置の通常運転時における前記燃料ガス供給路での燃料ガスの流量よりも小さく設定する点にある。
A sixth characteristic configuration of the fuel cell system according to the present invention includes, in addition to the fifth characteristic configuration, a flow rate adjusting unit that can adjust a flow rate of the fuel gas in the fuel gas supply path,
The valve control means controls the flow rate adjusting means to change the flow rate of the fuel gas in the fuel gas supply path at the time of the purging process to the fuel gas flow rate in the fuel gas supply path during the normal operation of the fuel cell device. The point is that it is set smaller than the gas flow rate.
本構成によれば、燃料電池装置への燃料ガスの供給開始前に実行されるパージ処理が、上流側遮断弁を介して燃料ガス供給路に供給された燃料ガスをパージガスとして遮断弁間空間に流入させる処理である場合に、当該パージ処理の実行時における燃料ガス供給路での燃料ガスの流量が、弁制御手段による流量調整手段の制御により、燃料電池装置の通常運転時における燃料ガス供給路での燃料ガスの流量よりも小さく設定される。このことで、パージ処理による燃料ガスの消費量の増加を抑制すると共に、当該パージガスとしての外部へ放出する燃料ガスをできるだけ少なくして、外部での燃料ガス濃度を確実に爆発限界未満に維持して、安全性を確保することができる。 According to this configuration, the purge process performed before the start of the supply of the fuel gas to the fuel cell device uses the fuel gas supplied to the fuel gas supply path via the upstream-side shut-off valve as the purge gas in the space between the shut-off valves. In the case of the inflow processing, the flow rate of the fuel gas in the fuel gas supply path during the execution of the purging processing is controlled by the flow rate adjustment means by the valve control means, so that the fuel gas supply path during the normal operation of the fuel cell device is controlled. Is set to be smaller than the flow rate of the fuel gas at. This suppresses an increase in fuel gas consumption due to the purging process, minimizes the amount of fuel gas released to the outside as the purge gas, and ensures that the concentration of fuel gas outside is kept below the explosion limit. Therefore, safety can be ensured.
本発明に係る燃料電池システムの第7特徴構成は、上記第5特徴構成又は上記第6特徴構成に加えて、前記燃料ガス供給路における前記下流側遮断弁よりも下流側に設けられた下流側開閉弁と、
前記燃料ガス供給路における前記下流側遮断弁と前記下流側開閉弁との間に形成される下流側弁間空間に接続されて当該空間を外部に開放可能な下流側逃し弁と、を備え、
前記弁制御手段が、前記パージ処理において、前記下流側開閉弁を閉弁すると共に前記下流側遮断弁及び前記下流側逃し弁を開弁させて、前記遮断弁間空間に供給された燃料ガスを前記下流側遮断弁を介して前記下流側弁間空間に供給すると共に、前記下流側弁間空間に供給された燃料ガスを前記下流側逃し弁を介して外部に放出する点にある。
A seventh characteristic configuration of the fuel cell system according to the present invention is the fuel cell system according to the fifth characteristic configuration or the sixth characteristic configuration, further comprising a downstream side provided on the fuel gas supply path downstream of the downstream side shutoff valve. An on-off valve,
A downstream relief valve that is connected to a downstream inter-valve space formed between the downstream shut-off valve and the downstream on-off valve in the fuel gas supply path and that can open the space to the outside,
In the purging process, the valve control unit closes the downstream open / close valve and opens the downstream shutoff valve and the downstream relief valve, thereby allowing the fuel gas supplied to the space between the shutoff valves to be opened. The point is that the fuel gas supplied to the downstream inter-valve space is supplied to the downstream inter-valve space via the downstream shut-off valve, and the fuel gas supplied to the downstream inter-valve space is discharged to the outside via the downstream relief valve.
本構成によれば、燃料電池装置への燃料ガスの供給開始前に実行されるパージ処理において、下流側開閉弁が閉弁されると共に下流側遮断弁及び下流側逃し弁が開弁される。よって、当該パージ処理において、上流側遮断弁を介してパージガスとして遮断弁間空間に流入した燃料ガスを、下流側遮断弁を介して下流側弁間空間に流入させた後に逃し弁を介して外部に放出させる形態で、遮断弁間空間及び下流側弁間空間を燃料ガスによりパージすることができる。このことで、遮断弁間空間において特に下流側遮断弁近傍に滞留する空気を略完全に除去した上で、燃料電池装置への燃料ガスの供給を開始することができる。 According to this configuration, in the purge process executed before the start of the supply of the fuel gas to the fuel cell device, the downstream open / close valve is closed, and the downstream shutoff valve and the downstream relief valve are opened. Therefore, in the purging process, the fuel gas that has flowed into the inter-valve space as a purge gas through the upstream side shut-off valve flows into the downstream inter-valve space through the downstream side shut-off valve, and then is discharged through the relief valve. The space between the shutoff valve and the space between the downstream valves can be purged by the fuel gas. Thus, the supply of the fuel gas to the fuel cell device can be started after the air staying particularly in the vicinity of the downstream side shutoff valve in the inter-shutoff valve space is almost completely removed.
本発明に係る燃料電池システムの第8特徴構成は、上記第7特徴構成に加えて、前記弁制御手段が、前記燃料電池装置への燃料ガスの供給開始時に、前記下流側開閉弁の開弁後に前記下流側逃し弁を閉弁させる点にある。 According to an eighth aspect of the fuel cell system according to the present invention, in addition to the seventh aspect, the valve control means opens the downstream side on-off valve when the supply of fuel gas to the fuel cell device is started. The point is that the downstream relief valve is closed later.
本構成によれば、下流側開閉弁を閉弁すると共に下流側遮断弁及び下流側逃し弁を開弁させる形態でパージ処理を実行する場合において、当該パージ処理の実行後に下流側開閉弁を開弁させて燃料電池装置への燃料ガスの供給を開始するにあたり、当該下流側開閉弁が開弁された後に、下流側逃し弁が閉弁される。すると、下流側開閉弁の開弁直後において、下流側弁間空間に供給されたパージガスとしての燃料ガスを、下流側逃し弁及び下流側開閉弁に通過させることできる。このことで、下流側弁間空間において特に下流側逃し弁近傍及び下流側開閉弁近傍に滞留する空気を燃料ガスで下流側弁間空間から押し出した上で、燃料電池装置への燃料ガスの供給を開始することができる。 According to this configuration, in a case where the purge process is performed in such a manner that the downstream-side on-off valve is closed and the downstream-side shutoff valve and the downstream-side relief valve are opened, the downstream-side on-off valve is opened after the purge process is performed. In starting the supply of the fuel gas to the fuel cell device by opening the valve, the downstream side on-off valve is opened, and then the downstream side relief valve is closed. Then, immediately after the downstream on-off valve is opened, the fuel gas serving as the purge gas supplied to the downstream inter-valve space can be passed through the downstream relief valve and the downstream on-off valve. With this, air remaining in the downstream inter-valve space, particularly near the downstream relief valve and the downstream on-off valve, is pushed out from the downstream inter-valve space by the fuel gas, and then the fuel gas is supplied to the fuel cell device. Can be started.
本発明に係る燃料電池システムの第9特徴構成は、上記第1特徴構成乃至上記第8特徴構成の何れかに加えて、前記燃料ガス供給路に接続されて当該燃料ガス供給路に不活性ガスを供給可能な不活性ガス供給路と、
前記不活性ガス供給路に設けられた不活性ガス供給弁と、を備え、
前記弁制御手段が、前記パージ処理において、前記不活性ガス供給弁を開弁させて前記不活性ガス供給路から前記遮断弁間空間に前記パージガスとして不活性ガスを供給する点にある。
According to a ninth feature of the fuel cell system according to the present invention, in addition to any one of the first to eighth features, an inert gas is connected to the fuel gas supply passage and is connected to the fuel gas supply passage. An inert gas supply path capable of supplying
An inert gas supply valve provided in the inert gas supply path,
The valve control means is characterized in that, in the purging process, the inert gas supply valve is opened to supply an inert gas as the purge gas from the inert gas supply passage to the inter-shutoff valve space.
本構成によれば、上記不活性ガス供給路と上記不活性ガス供給弁とを備えることで、燃料電池装置への燃料ガスの供給開始前に実行されるパージ処理において、遮断弁間空間に供給するパージガスとして、窒素ガス等の不活性ガスを利用することができる。即ち、当該パージ処理において、不活性ガス供給弁が開弁されるので、当該不活性ガス供給弁を介して不活性ガス供給路から燃料ガス供給路に不活性ガスをパージガスとして流入させ、その不活性ガスを遮断弁間空間に流入させて、当該遮断弁間空間を不活性ガスによりパージすることができる。このことで、パージ処理を実行して遮断弁間空間を不活性ガスで満たした状態で、当該遮断弁間空間を含む燃料ガス供給路を通じて燃料電池装置への燃料ガスの供給が開始されるので、燃料電池装置のアノード側への空気の供給に起因する性能低下を適切に防止することができる。 According to this configuration, by providing the inert gas supply path and the inert gas supply valve, the purge gas is supplied to the space between the shut-off valves in the purge process performed before the start of the supply of the fuel gas to the fuel cell device. An inert gas such as a nitrogen gas can be used as the purge gas. That is, since the inert gas supply valve is opened in the purging process, the inert gas flows from the inert gas supply path into the fuel gas supply path as a purge gas through the inert gas supply valve, and the inert gas is supplied to the inert gas supply valve. The active gas can be caused to flow into the space between the shut-off valves, and the space between the shut-off valves can be purged with the inert gas. Accordingly, the supply of the fuel gas to the fuel cell device through the fuel gas supply path including the space between the shut-off valves is started in a state where the space between the shut-off valves is filled with the inert gas by performing the purge process. In addition, it is possible to appropriately prevent performance degradation due to supply of air to the anode side of the fuel cell device.
本発明に係る燃料電池システムの第10特徴構成は、上記第9特徴構成に加えて、前記不活性ガス供給路が、前記燃料ガス供給路における前記下流側遮断弁の下流側に形成される下流側空間に接続されており、
前記弁制御手段が、前記パージ処理において、前記不活性ガス供給弁及び前記下流側遮断弁を開弁させて前記不活性ガス供給路から前記下流側空間を介して前記遮断弁間空間に不活性ガスを供給する点にある。
According to a tenth feature of the fuel cell system according to the present invention, in addition to the ninth feature, the inert gas supply passage is formed downstream of the fuel gas supply passage on a downstream side of the downstream shutoff valve. It is connected to the side space,
In the purge process, the valve control unit opens the inert gas supply valve and the downstream shutoff valve to inactivate the inert gas supply passage through the downstream space to the space between the shutoff valves. The point is to supply gas.
本構成によれば、不活性ガス供給路が、燃料ガス供給路における下流側遮断弁の下流側に形成される下流側空間に接続されており、燃料電池装置への燃料ガスの供給開始前に実行されるパージ処理において、その不活性ガス供給路に設けられた不活性ガス供給弁及び下流側遮断弁が開弁される。よって、当該パージ処理において、不活性ガス供給路から下流側空間にパージガスとして供給された不活性ガスを、下流側遮断弁を介して遮断弁間空間に流入させる形態で、当該遮断弁間空間を不活性ガスによりパージすることができる。このことで、遮断弁空間において特に下流側遮断弁近傍に滞留する空気を略完全に除去した上で、燃料電池装置への燃料ガスの供給を開始することができる。 According to this configuration, the inert gas supply path is connected to the downstream space formed on the downstream side of the downstream cutoff valve in the fuel gas supply path, and before the start of supply of the fuel gas to the fuel cell device, In the purge process to be executed, the inert gas supply valve and the downstream cutoff valve provided in the inert gas supply path are opened. Therefore, in the purging process, the inert gas supplied from the inert gas supply path to the downstream space as the purge gas is caused to flow into the inter-shut valve space via the downstream-side shut-off valve. It can be purged with an inert gas. Thus, the supply of the fuel gas to the fuel cell device can be started after the air staying particularly in the vicinity of the downstream side shutoff valve in the shutoff valve space is almost completely removed.
本発明に係る燃料電池システムの第11特徴構成は、上記第10特徴構成に加えて、前記弁制御手段が、前記パージ処理において、前記上流側遮断弁を開弁させて当該上流側遮断弁を介して前記遮断弁間空間に前記パージガスとして燃料ガスを供給する点にある。 According to an eleventh characteristic configuration of the fuel cell system according to the present invention, in addition to the tenth characteristic configuration, the valve control unit opens the upstream-side shut-off valve in the purging process to open the upstream-side shut-off valve. And supplying a fuel gas as the purge gas to the space between the shut-off valves via the intermittent valve.
本構成によれば燃料電池装置への燃料ガスの供給開始前に実行されるパージ処理において、下流側空間にパージガスとして供給された不活性ガスをパージガスとして下流側遮断弁を介して遮断弁間空間に流入させると共に、燃料ガス供給路に供給された燃料ガスをパージガスとして上流側遮断弁を介して遮断弁間空間に流入させて、当該遮断弁間空間を不活性ガス及び燃料ガスの両方によりパージすることができる。このことで、遮断弁間空間において上流側遮断弁近傍及び下流側遮断弁近傍に滞留する空気を燃料ガス及び不活性ガスで略完全に除去した上で、燃料電池装置への燃料ガスの供給を開始することができる。 According to this configuration, in the purge process performed before the start of the supply of the fuel gas to the fuel cell device, the inert gas supplied to the downstream space as the purge gas is used as the purge gas as the purge gas via the downstream shutoff valve and the space between the shutoff valves. At the same time, the fuel gas supplied to the fuel gas supply path is caused to flow as a purge gas into the inter-shut valve space via the upstream side shut-off valve, and the inter-shut valve space is purged with both the inert gas and the fuel gas. can do. With this, air remaining in the vicinity of the upstream side shutoff valve and the vicinity of the downstream side shutoff valve in the space between the shutoff valves is almost completely removed with the fuel gas and the inert gas, and then the supply of the fuel gas to the fuel cell device is performed. You can start.
〔第1実施形態〕
本発明の第1実施形態について、図1等に基づいて説明する。
図1に示す燃料電池システム50は、水素ガス(燃料ガスの一例)の電気化学反応により発電を行う燃料電池スタック41を有する燃料電池装置40と、燃料電池装置40に水素ガスG1を供給する燃料ガス供給路10と、運転を制御する運転制御装置60等とを備えて構成されている。
また、本実施形態において、燃料電池装置40は、上記燃料電池スタック41を備えて構成されており、上記燃料ガス供給路10から燃料電池スタック41のアノード41Aに水素ガスG1が供給される。
[First Embodiment]
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
The
In the present embodiment, the
燃料ガス供給路10は、水素ガスG1を貯留する水素ボンベ1(燃料ガス貯留部の一例)と、燃料電池装置40の燃料電池スタック41のアノード41Aとを接続する管路として構成されている。この燃料ガス供給路10には、当該供給路10を遮断可能な開閉弁である遮断弁11A,11Bが設けられている。また、この燃料ガス供給路10における上記遮断弁11A,11Bよりも上流側には、燃料ガス供給路10での水素ガスG1の流量を調整可能な流量調整弁25(流量調整手段の一例)が設けられている。
The fuel
そして、運転制御装置60は、遮断弁11A,11Bを閉弁させて燃料電池装置40への水素ガスG1の供給を停止し、遮断弁11A,11Bを開弁させて燃料電池装置40への水素ガスG1の供給を開始する形態で、遮断弁11A,11Bの作動を制御する弁制御手段として機能する。
Then, the
即ち、燃料電池システム50の運転停止時には、燃料電池スタック41での発電が停止されて、例えば図1(a)に示すように、運転制御装置60により遮断弁11A,11Bが閉弁されて、燃料電池スタック41のアノード41Aへの水素ガスG1の供給が停止される。一方、燃料電池システム50の起動時には、例えば図1(d)に示すように、運転制御装置60により遮断弁11A,11Bが開弁されることで、燃料電池スタック41のアノード41Aへの水素ガスG1の供給が開始されて、当該燃料電池スタック41での発電が開始される。また、燃料電池装置40への水素ガスG1の供給時に、運転制御装置60は、流量調整弁25の開度を調整して、燃料ガス供給路10における水素ガスG1の流量、言い換えれば燃料電池装置40への水素ガスG1の供給量を、通常運転時における所望の設定供給量に設定する。
That is, when the operation of the
本実施形態における燃料電池システム50は、図7に示すように、燃料電池船100に動力源として搭載されている。即ち、かかる燃料電池船100は、燃料電池システム50と、燃料電池システム50に供給される水素ガスG1を貯留する水素ボンベ1と、を備え、推進用プロペラ56を回転駆動する電動モータ55等の船内の電力負荷に対して燃料電池システム50の発電電力を供給するように構成されている。尚、船内の電力負荷としては、駆動用の電動モータ55以外に、照明やポンプ等の船内の付帯設備(図示省略)がある。そして、燃料電池システム50は、電動モータ55や付帯設備の少なくとも一部に対して発電電力を供給するものとして船内に設置することができる。例えば、電動モータ55のみ、又は付帯設備のみ、或いは電動モータ55と付帯設備の両方に対して、燃料電池システム50の発電電力を供給することができる。
As shown in FIG. 7, the
このように燃料電池船100に搭載される燃料電池システム50では、遮断弁11A,11Bの遮断不良等に起因する燃料電池装置40側への水素ガスG1の漏洩を確実に防止することが要求される。
そこで、本実施形態の燃料電池システム50では、水素ボンベ1から燃料ガス供給路10を通じて燃料電池装置40へ水素ガスG1を供給するにあたり、水素ガスG1の供給を確実且つ安全に遮断するための構成としてDBB(ダブルブロックアンドブリード)が採用されている。
As described above, in the
Therefore, in the
上記DBBでは、燃料ガス供給路10に直列状態で設けられて当該供給路10を遮断可能な上流側遮断弁11A及び下流側遮断弁11Bが、上記遮断弁11A,11Bとして設けられている。更に、燃料ガス供給路10における上流側遮断弁11Aと下流側遮断弁11Bとの間に形成される遮断弁間空間10Bに接続されて当該空間10Bを大気(外部の一例)に開放可能なブリード弁21が設けられている。即ち、ブリード弁21は、燃料ガス供給路10の遮断弁間空間10Bから分岐して大気に通じる分岐路20に設けられた開閉弁として構成されている。
In the DBB, an
そして、運転制御装置60は、図1(d)に示すように、遮断弁11A,11Bを開弁させて燃料電池装置40へ水素ガスG1を供給して当該燃料電池装置40での発電を行う通常運転時には、ブリード弁21を閉弁させた状態とする。一方、運転制御装置60は、図1(a)に示すように、遮断弁11A,11Bを閉弁させて燃料電池装置40への水素ガスG1の供給を停止して当該燃料電池装置40での発電を停止する運転停止時には、ブリード弁21を開弁させた状態とする。
Then, the
即ち、運転停止時には、遮断弁間空間10Bが大気に開放された状態で上流側遮断弁11Aと下流側遮断弁11Bとが閉弁されて燃料電池装置40への水素ガスG1の供給が停止される。このことで、上流側遮断弁11A及び下流側遮断弁11Bのうちの何れかに遮断不良が生じた場合であっても、燃料ガス供給路10における水素ボンベ1側と燃料電池装置40側とが大気に開放された遮断弁間空間10Bで隔離されることになる。よって、これら遮断弁11A,11Bの遮断不良に起因する水素ボンベ1から燃料電池装置40への水素ガスG1の漏洩が確実に防止される。更に、運転停止時に遮断弁間空間10Bに流出した水素ガスG1については、開弁状態であるブリード弁21を介して大気へ放出されるので、安全性が保持される。
That is, when the operation is stopped, the
上記DBBを採用した燃料電池システム50において、図1(a)に示すように、運転停止時には、分岐路20を通じて遮断弁間空間10Bに空気が侵入した状態となっている。そして、燃料電池装置40への水素ガスG1の供給が開始する燃料電池システム50の起動時に、遮断弁間空間10Bに存在する空気中の酸素が燃料電池装置40のアノード41A側に供給されると、燃料電池スタック41の腐食電流の発生等により燃料電池装置40の性能が低下するという問題が生じる。
In the
そこで、本実施形態の燃料電池システム50では、運転停止状態から通常運転に移行する起動時において、燃料電池装置40への空気の供給に起因する性能低下を防止する。そのために、詳細については後述するが、燃料電池装置40への水素ガスG1の供給開始前に遮断弁間空間10Bに対して空気(酸素)を略含まないパージガスPGを供給して当該遮断弁間空間10Bをパージするパージ処理が、運転制御装置60により実行される。即ち、このようなパージ処理が、燃料電池装置40への水素ガスG1の供給開始前に実行されると、遮断弁間空間10Bに侵入した空気が適切に燃料ガス供給路10から除去された上で、燃料電池装置40への水素ガスG1の供給が開始される。このことで、燃料電池スタック41のアノード41Aへの空気の供給に起因する性能低下が防止される。
Thus, in the
本実施形態における上記パージ処理の詳細構成について、本実施形態の燃料電池システム50の運転を開始する起動時における燃料ガス供給路10における状態変化の詳細と共に、以下に説明を加える。
尚、本実施形態の燃料電池システム50では、起動時に、運転制御装置60により行われる弁制御により、燃料ガス供給路10の状態が、供給停止状態(図1(a)を参照)、パージ状態(図1(b)を参照)、移行状態(図1(c)を参照)、供給継続状態(図1(d)を参照)の順に変化する。以下では、夫々の状態について詳細を説明する。
The detailed configuration of the purging process in the present embodiment will be described below together with the details of the state change in the fuel
In the
(供給停止状態)
図1(a)は、燃料電池システム50の運転を停止している運転停止時に、燃料電池装置40への水素ガスG1の供給を停止している供給停止状態を示す。
この供給停止状態では、上流側遮断弁11A及び下流側遮断弁11Bが閉弁され、ブリード弁21が開弁される。
(Supply stopped)
FIG. 1A shows a supply stopped state in which the supply of the hydrogen gas G1 to the
In this supply stop state, the
すると、燃料ガス供給路10における上流側遮断弁11Aよりも上流側に形成されて水素ボンベ1に通じる上流側空間10Aについては、供給停止状態となる前の供給継続状態において通流していた水素ガスG1が満たされた状態となる。また、燃料ガス供給路10における下流側遮断弁11Bよりも下流側に形成されて燃料電池装置40に通じる下流側空間10Cについても、供給停止状態となる前の供給継続状態において通流していた水素ガスG1が満たされた状態となる。一方、燃料ガス供給路10における上流側遮断弁11Aと下流側遮断弁11Bとの間に形成される遮断弁間空間10Bについては、開弁状態のブリード弁21を通じて大気に開放された状態となるため、大気から侵入した空気が存在する状態となる。
そして、このように燃料電池装置40への水素ガスG1の供給が停止されることで、上述したように、水素ボンベ1から燃料電池装置40への水素ガスG1の漏洩が確実に防止され、安全性が保持される。
Then, with respect to the
By stopping the supply of the hydrogen gas G1 to the
(パージ状態)
運転制御装置60は、燃料電池装置40への水素ガスG1の供給を開始する前にパージ処理を実行する。そして、図1(b)は、パージ処理が実行された際の燃料ガス供給路10の状態であるパージ状態を示す。即ち、燃料電池システム50の起動時に、パージ処理が実行されることで、燃料ガス供給路10の状態は上記供給停止状態からこのパージ状態に遷移する。
(Purge state)
The
供給停止状態からパージ状態に遷移するにあたっては、下流側遮断弁11Bが閉弁状態に維持され、且つ、ブリード弁21が開弁状態に維持されたままで、上流側遮断弁11Aが開弁される。すると、水素ボンベ1から供給された水素ガスG1が、開弁された上流側遮断弁11Aを介して遮断弁間空間10BにパージガスPGとして供給される。同時に、当該遮断弁間空間10Bに供給された水素ガスG1が、開弁状態に維持されたブリード弁21を介して分岐路20を通じて外部に放出される。そして、このような形態で、遮断弁間空間10Bが水素ガスG1によりパージされることになる。即ち、本実施形態では、遮断弁間空間10Bに供給するパージガスPGとして水素ガスG1が利用され、この水素ガスG1により遮断弁間空間10Bがパージされる。
In transition from the supply stop state to the purge state, the downstream
このようなパージ処理が実行されると、上記供給停止状態において大気からブリード弁21を介して遮断弁間空間10Bに侵入した空気は、分岐路20のブリード弁21を介して大気に放出されて、燃料ガス供給路10から除去されることになる。そして、この状態に続いて燃料電池装置40への水素ガスG1の供給を開始することで、燃料電池スタック41のアノード41Aへの空気の供給に起因する性能低下が防止される。
When such a purging process is performed, air that has entered the
運転制御装置60は、流量調整弁25を制御して、パージ処理時における燃料ガス供給路10での水素ガスG1の流量を、燃料電池装置40の通常運転時における燃料ガス供給路10での水素ガスG1の流量よりも小さく設定する。即ち、このパージ状態及び後述する移行状態における遮断弁間空間10Bへの水素ガスG1の供給量が、後述する供給継続状態での燃料電池装置40への水素ガスG1の設定供給量よりも小さく設定される。このことで、パージ処理によりパージガスPGとして消費される水素ガスG1の消費量の増加が抑制される。更に、分岐路20を通じて大気に放出される水素ガスG1が少なくなって、当該大気での水素ガスG1の濃度が確実に爆発限界未満に維持されて、安全性が確保されている。
The
また、運転制御装置60は、パージ処理の実行時間を、遮断弁間空間10Bに滞留する空気を略完全に除去可能な時間として適切な設定パージ時間に設定する。この適切な設定パージ時間は、例えば各弁の開度、各流路の断面積や流路長、水素ガスG1の供給圧力等をパラメータとして実験やシミュレーション等により適宜求めることができる。また、遮断弁間空間10Bの酸素濃度を計測する酸素濃度センサを設け、酸素濃度センサで計測された酸素濃度が0又は一定値以下となるまでの間、パージ処理を実行するように構成しても構わない。
In addition, the
本実施形態の燃料電池システム50では、燃料ガス供給路10における下流側遮断弁11Bの配置位置が、分岐路20への分岐部と近接して配置されている。即ち、遮断弁間空間10Bにおいて分岐路20への分岐部から下流側遮断弁11Bに至る空間ができるだけ小さくなるように、下流側遮断弁11Bが配置されている。このことで、パージ処理において、上流側遮断弁11A側から分岐路20に流入する形態でパージガスPGとしての水素ガスG1が遮断弁間空間10Bを通流する際に、下流側遮断弁11B近傍に空気が残留することが抑制されている。
In the
(移行状態)
運転制御装置60は、パージ処理を終了時における燃料電池装置40への水素ガスG1の供給開始時には、下流側遮断弁11Bの開弁後にブリード弁21を閉弁させる。そして、図1(c)は、このときの燃料ガス供給路10の状態である移行状態を示す。即ち、燃料電池システム50の起動時において上記パージ処理が終了される際に、燃料ガス供給路10の状態は、上記パージ状態からこの移行状態に遷移する。
(Transition state)
At the start of the supply of the hydrogen gas G1 to the
パージ状態から移行状態に遷移するにあたっては、上流側遮断弁11A及びブリード弁21が開弁状態に維持されたままで、下流側遮断弁11Bが開弁される。すると、上流側遮断弁11Aを介して遮断弁間空間10Bに供給された水素ガスG1は、下流側遮断弁11Bの開弁直後において、ブリード弁21及び下流側遮断弁11Bの両方を通過することになる。このことで、遮断弁間空間10Bにおいて特にブリード弁21近傍や下流側遮断弁11B近傍に滞留する空気を、遮断弁間空間10Bから押し出した状態で、燃料電池装置40への水素ガスG1の供給が開始されることになる。また、後の供給継続状態においてブリード弁21を閉弁する際に、下流側遮断弁11Bが開弁状態であることから、ブリード弁21の閉弁時における燃料ガス供給路10の過剰な圧力上昇が抑制される。
In transition from the purge state to the transition state, the downstream
(供給継続状態)
図1(d)は、燃料電池システム50の運転を行っている通常運転時に、燃料電池装置40への水素ガスG1の供給を継続している供給継続状態を示す。即ち、燃料電池システム50の起動時に、燃料ガス供給路10の状態は、上記移行状態からこの供給継続状態に遷移する。
(Supply continued)
FIG. 1D illustrates a supply continuation state in which the supply of the hydrogen gas G1 to the
移行状態から供給継続状態に遷移するにあたっては、上流側遮断弁11A及び下流側遮断弁11Bが開弁状態に維持されたままで、ブリード弁21が閉弁される。すると、ブリード弁21を介した大気への水素ガスG1の放出が停止される。その状態で、水素ボンベ1から供給された水素ガスG1が、上流側遮断弁11A及び下流側遮断弁11Bを介して燃料電池装置40に供給されて、当該燃料電池装置40において所望の発電が行われることになる。そして、この供給継続状態への遷移時に、事前にパージ処理が実行されているので、燃料ガス供給路10は空気が存在せずに水素ガスG1で満たされた状態となっている。よって、燃料電池装置40への空気の供給に起因する性能低下が好適に防止されることになる。
When transitioning from the transition state to the supply continuation state, the
尚、本実施形態では、燃料電池装置40への水素ガスG1の供給開始時のパージ処理を終了時に、下流側遮断弁11Bの開弁後にブリード弁21を閉弁させて、燃料ガス供給路10の状態をパージ状態(図1(b)を参照)から移行状態(図1(c)を参照)を経て供給継続状態(図1(d)を参照)に遷移させた。しかし、これら下流側遮断弁11B及びブリード弁21等の開閉タイミングについては適宜変更することができる。例えば、下流側遮断弁11Bの開弁と同時又はその直前にブリード弁21を閉弁させることで、燃料ガス供給路10の状態をパージ状態(図1(b)を参照)から直接供給継続状態(図1(d)を参照)に遷移させるように構成しても構わない。
In this embodiment, at the end of the purge process at the start of the supply of the hydrogen gas G1 to the
〔第2実施形態〕
本発明の第2実施形態について、図2及び図3等に基づいて説明する。
尚、上述の実施形態と同様の構成については、詳細な説明を割愛する場合がある。
図2及び図3に示す燃料電池システム50は、上述の実施形態と同様に、燃料電池装置40と燃料ガス供給路10と運転制御装置60等とを備え、燃料ガス供給路10から燃料電池スタック41のアノード41Aに水素ガスG1が供給される。
また、本実施形態の燃料電池システム50は、上述の実施形態と同様に、上流側遮断弁11A、下流側遮断弁11B、及びブリード弁21で構成されたDBB(ダブルブロックアンドブリード)が採用されている。
[Second embodiment]
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
In addition, about the structure similar to embodiment mentioned above, detailed description may be omitted.
The
Further, the
更に、燃料ガス供給路10には、下流側遮断弁11Bよりも下流側に下流側開閉弁13が設けられている。また、燃料ガス供給路10における下流側遮断弁11Bと下流側開閉弁13との間に形成される下流側弁間空間10C1に接続されて当該空間10Cを外部に開放可能な下流側逃し弁23が設けられている。即ち、下流側逃し弁23は、燃料ガス供給路10の下流側弁間空間10C1から分岐して大気に通じる分岐路22に設けられた開閉弁として構成されている。
Further, the fuel
そして、運転制御装置60は、図3(e)に示すように、遮断弁11A,11Bを開弁させて燃料電池装置40へ水素ガスG1を供給して当該燃料電池装置40での発電を行う通常運転時には、下流側開閉弁13を開弁させると共に、ブリード弁21及び下流側逃し弁23を閉弁させた状態とする。一方、運転制御装置60は、図2(a)に示すように、遮断弁11A,11Bを閉弁させて燃料電池装置40への水素ガスG1の供給を停止して当該燃料電池装置40での発電を停止する運転停止時には、ブリード弁21を開弁させると共に、下流側開閉弁13を閉弁させ、下流側逃し弁23を閉弁させた状態とする。このとき、遮断弁11Bが故障して遮断弁間空間10Bの空気が遮断弁11Bの下流側に漏れた場合でも、下流側開閉弁13が閉状態であれば、燃料電池装置40への空気流入が防止される。また、ブリード弁23が故障して、下流側弁間空間10C1に大気側から空気が流入した場合でも、下流側開閉弁13が閉状態であれば、燃料電池装置40への空気流入が防止される。尚、運転停止時において下流側開閉弁13は開弁させても構わない。
Then, the
即ち、運転停止時には、遮断弁間空間10Bが大気に開放された状態で上流側遮断弁11Aと下流側遮断弁11Bとが閉弁されて燃料電池装置40への水素ガスG1の供給が停止される。このことで、上流側遮断弁11A及び下流側遮断弁11Bのうちの何れかに遮断不良が生じた場合であっても、燃料ガス供給路10における水素ボンベ1側と燃料電池装置40側とが大気に開放された遮断弁間空間10Bで隔離されることになる。よって、これら遮断弁11A,11Bの遮断不良に起因する水素ボンベ1から燃料電池装置40への水素ガスG1の漏洩が確実に防止される。更に、運転停止時に遮断弁間空間10Bに流出した水素ガスG1については、開弁状態であるブリード弁21を介して大気へ放出されるので、安全性が保持される。
That is, when the operation is stopped, the
更に、本実施形態の燃料電池システム50では、運転停止状態から通常運転に移行する起動時において、燃料電池装置40への空気の供給に起因する性能低下を防止する。そのために、詳細については後述するが、燃料電池装置40への水素ガスG1の供給開始前に遮断弁間空間10Bに対して空気(酸素)を略含まないパージガスPGを供給して当該遮断弁間空間10Bをパージするパージ処理としての第1パージ処理及び第2パージ処理が、運転制御装置60により実行される。即ち、このようなパージ処理が、燃料電池装置40への水素ガスG1の供給開始前に実行されると、遮断弁間空間10Bに侵入した空気が適切に燃料ガス供給路10から除去された上で、燃料電池装置40への水素ガスG1の供給が開始される。このことで、燃料電池スタック41のアノード41Aへの空気の供給に起因する性能低下が防止される。
Furthermore, in the
本実施形態における上記パージ処理の詳細構成について、本実施形態の燃料電池システム50の運転を開始する起動時における燃料ガス供給路10における状態変化の詳細と共に、以下に説明を加える。
尚、本実施形態の燃料電池システム50では、起動時に、運転制御装置60により行われる弁制御により、燃料ガス供給路10の状態が、供給停止状態(図2(a)を参照)、第1パージ状態(図2(b)を参照)、第2パージ状態(図2(c)を参照)、移行状態(図3(d)を参照)、供給継続状態(図3(e)を参照)の順に変化する。以下では、夫々の状態について詳細を説明する。
The detailed configuration of the purging process in the present embodiment will be described below together with the details of the state change in the fuel
Note that, in the
(供給停止状態)
図2(a)は、燃料電池システム50の運転を停止している運転停止時に、燃料電池装置40への水素ガスG1の供給を停止している供給停止状態を示す。
この供給停止状態では、上流側遮断弁11A及び下流側遮断弁11Bが閉弁され、ブリード弁21が開弁される。更に、この供給停止状態では、下流側開閉弁13は閉弁され、下流側逃し弁23は閉弁される。
(Supply stopped)
FIG. 2A shows a supply stopped state in which the supply of the hydrogen gas G1 to the
In this supply stop state, the
すると、燃料ガス供給路10における上流側遮断弁11Aよりも上流側に形成されて水素ボンベ1に通じる上流側空間10Aについては、供給停止状態となる前の供給継続状態において通流していた水素ガスG1が満たされた状態となる。また、燃料ガス供給路10における下流側遮断弁11Bよりも下流側に形成されて燃料電池装置40に通じる下流側空間10C1,10C2についても、供給停止状態となる前の供給継続状態において通流していた水素ガスG1が満たされた状態となる。一方、燃料ガス供給路10における上流側遮断弁11Aと下流側遮断弁11Bとの間に形成される遮断弁間空間10Bについては、開弁状態のブリード弁21を通じて大気に開放された状態となるため、大気から侵入した空気が存在する状態となる。
そして、このように燃料電池装置40への水素ガスG1の供給が停止されることで、上述したように、水素ボンベ1から燃料電池装置40への水素ガスG1の漏洩が確実に防止され、安全性が保持される。
Then, with respect to the
By stopping the supply of the hydrogen gas G1 to the
(第1パージ状態)
運転制御装置60は、燃料電池装置40への水素ガスG1の供給を開始する前にパージ処理として第1パージ処理と第2パージ処理とを順に実行する。そして、図2(b)は、第1パージ処理が実行された際に燃料ガス供給路10の状態である第1パージ状態を示す。即ち、燃料電池システム50の起動時に、第1パージ処理が実行されることで、燃料ガス供給路10の状態は上記供給停止状態からこの第1パージ状態に遷移する。
(First purge state)
The
供給停止状態から第1パージ状態に遷移するにあたっては、下流側遮断弁11B及び下流側逃し弁23が閉弁状態に維持され、且つ、ブリード弁21及び下流側開閉弁13が開弁状態に維持されたままで、上流側遮断弁11A及び下流側開閉弁13が開弁される。すると、水素ボンベ1から供給された水素ガスG1が、開弁された上流側遮断弁11Aを介して遮断弁間空間10BにパージガスPGとして供給される。同時に、当該遮断弁間空間10Bに供給された水素ガスG1が、開弁状態に維持されたブリード弁21を介して分岐路20を通じて外部に放出される。そして、このような形態で、遮断弁間空間10Bが水素ガスG1によりパージされることになる。即ち、本実施形態では、遮断弁間空間10Bに供給するパージガスPGとして水素ガスG1が利用され、この水素ガスG1により遮断弁間空間10B等がパージされる。
In transition from the supply stop state to the first purge state, the
このような第1パージ処理が実行されると、上記供給停止状態において大気からブリード弁21を介して遮断弁間空間10Bに侵入した空気は、分岐路20のブリード弁21を介して大気に放出されて、遮断弁間空間10Bから除去されることになる。
When the first purge process is performed, the air that has entered the
また、運転制御装置60は、第1パージ処理の実行時間を、遮断弁間空間10Bに滞留する空気を略完全に除去可能な時間として適切な設定第1パージ時間に設定する。この適切な設定第1パージ時間は、例えば各弁の開度、各流路の断面積や流路長、水素ガスG1の供給圧力等をパラメータとして実験やシミュレーション等により適宜求めることができる。また、遮断弁間空間10Bの酸素濃度を計測する酸素濃度センサを設け、酸素濃度センサで計測された酸素濃度が0又は一定値以下となるまでの間、パージ処理を実行するように構成しても構わない。
In addition, the
(第2パージ状態)
図2(c)は、第2パージ処理が実行された際に燃料ガス供給路10の状態であるパージ状態を示す。即ち、燃料電池システム50の起動時に、第2パージ処理が実行されることで、燃料ガス供給路10の状態は上記第1パージ状態からこの第2パージ状態に遷移する。
(Second purge state)
FIG. 2C shows a purge state, which is a state of the fuel
第1パージ状態から第2パージ状態に遷移するにあたっては、下流側逃し弁23が閉弁状態に維持され、且つ、上流側遮断弁11A及びブリード弁21が開弁状態に維持されたままで、下流側開閉弁13が閉弁され、下流側逃し弁23が開弁された上で、下流側遮断弁11Bが開弁される。すると、開弁された下流側遮断弁11Bを介して遮断弁間空間10Bから下流側弁間空間10C1に、パージガスPGとしての水素ガスG1が供給される。同時に、当該下流側弁間空間10C1に供給された水素ガスG1が、開弁状態に維持された下流側逃し弁23を介して分岐路22を通じて外部に放出される。このような形態で、遮断弁間空間10B並びに下流側弁間空間10C1が水素ガスG1によりパージされることになる。
In the transition from the first purge state to the second purge state, the
そして、このような第2パージ処理が実行されると、上記第1パージ処理の実行後においても遮断弁間空間10Bにおける下流側遮断弁11B近傍に滞留する空気は、下流側弁間空間10C1及び分岐路22の下流側逃し弁23を介して大気に放出されて、燃料ガス供給路10から除去されることになる。そして、この状態に続いて燃料電池装置40への水素ガスG1の供給を開始することで、燃料電池スタック41のアノード41Aへの空気の供給に起因する性能低下が防止される。
When the second purge process is performed, the air remaining near the downstream
また、運転制御装置60は、第2パージ処理の実行時間を、下流側弁間空間10C1に滞留する空気を略完全に除去可能な時間として適切な設定第2パージ時間に設定する。この適切な設定第2パージ時間は、例えば各弁の開度、各流路の断面積や流路長、水素ガスG1の供給圧力等をパラメータとして実験やシミュレーション等により適宜求めることができる。また、下流側弁間空間10C1の酸素濃度を計測する酸素濃度センサを設け、酸素濃度センサで計測された酸素濃度が0又は一定値以下となるまでの間、パージ処理を実行するように構成しても構わない。
In addition, the
(移行状態)
運転制御装置60は、第2パージ処理を終了時における燃料電池装置40への水素ガスG1の供給開始時には、下流側開閉弁13の開弁後に下流側逃し弁23を閉弁させる。そして、図3(d)は、このときの燃料ガス供給路10の状態である移行状態を示す。即ち、燃料電池システム50の起動時において上記パージ処理が終了される際に、燃料ガス供給路10の状態は、上記第2パージ状態からこの移行状態に遷移する。
(Transition state)
At the start of the supply of the hydrogen gas G1 to the
第2パージ状態から移行状態に遷移するにあたっては、上流側遮断弁11A、下流側遮断弁11B、及び下流側逃し弁23が開弁状態に維持されたままで、下流側開閉弁13が開弁されると共に、ブリード弁21が閉弁される。すると、上流側遮断弁11A及び下流側遮断弁11Bを介して下流側弁間空間10C1に供給された水素ガスG1は、下流側遮断弁11Bの開弁直後において、下流側逃し弁23及び下流側開閉弁13の両方を通過することになる。このことで、下流側弁間空間10C1において特に下流側逃し弁23近傍や下流側開閉弁13近傍に滞留する空気を、下流側弁間空間10C1から押し出した状態で、燃料電池装置40への水素ガスG1の供給が開始されることになる。また、後の供給継続状態において下流側逃し弁23を閉弁する際に、下流側開閉弁13が開弁状態であることから、下流側逃し弁23の閉弁時における燃料ガス供給路10の過剰な圧力上昇が抑制される。
In the transition from the second purge state to the transition state, the downstream shut-off
(供給継続状態)
図3(e)は、燃料電池システム50の運転を行っている通常運転時に、燃料電池装置40への水素ガスG1の供給を継続している供給継続状態を示す。即ち、燃料電池システム50の起動時に、燃料ガス供給路10の状態は、上記移行状態からこの供給継続状態に遷移する。
(Supply continued)
FIG. 3E illustrates a supply continuation state in which the supply of the hydrogen gas G1 to the
移行状態から供給継続状態に遷移するにあたっては、上流側遮断弁11A、下流側遮断弁11B、及び下流側開閉弁13が開弁状態に維持されたままで、下流側逃し弁23が閉弁される。すると、下流側逃し弁23を介した大気への水素ガスG1の放出が停止される。その状態で、水素ボンベ1から供給された水素ガスG1が、上流側遮断弁11A、下流側遮断弁11B、及び下流側開閉弁13を介して燃料電池装置40に供給されて、当該燃料電池装置40において所望の発電が行われることになる。そして、この供給継続状態への遷移時に、事前に第1パージ処理及び第2パージ処理が実行されているので、燃料ガス供給路10は空気が存在せずに水素ガスG1で満たされた状態となっている。よって、燃料電池装置40への空気の供給に起因する性能低下が好適に防止されることになる。
In the transition from the transition state to the supply continuation state, the
尚、本実施形態では、第2燃料電池装置40への水素ガスG1の供給開始時のパージ処理を終了時に、下流側開閉弁13の開弁後に下流側逃し弁23を閉弁させて、燃料ガス供給路10の状態を第2パージ状態(図2(c)を参照)から移行状態(図3(d)を参照)を経て供給継続状態(図3(e)を参照)に遷移させた。しかし、これら下流側開閉弁13及び下流側逃し弁23等の開閉タイミングについては適宜変更することができる。例えば、下流側開閉弁13の開弁と同時又はその直前に下流側逃し弁23を閉弁させることで、燃料ガス供給路10の状態を第2パージ状態(図2(c)を参照)から直接供給継続状態(図3(e)を参照)に遷移させるように構成しても構わない。
In the present embodiment, when the purge process at the start of the supply of the hydrogen gas G1 to the second
〔第3実施形態〕
本発明の第3実施形態について、図4等に基づいて説明する。
尚、上述の実施形態と同様の構成については、詳細な説明を割愛する場合がある。
図4に示す燃料電池システム50は、上述の実施形態と同様に、燃料電池装置40と燃料ガス供給路10と運転制御装置60等とを備え、燃料ガス供給路10から燃料電池スタック41のアノード41Aに水素ガスG1が供給される。
また、本実施形態の燃料電池システム50は、上述の実施形態と同様に、上流側遮断弁11A、下流側遮断弁11B、及びブリード弁21で構成されたDBB(ダブルブロックアンドブリード)が採用されている。
更に、燃料ガス供給路10には、下流側遮断弁11Bよりも下流側に下流側開閉弁13が設けられている。
[Third embodiment]
A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
In addition, about the structure similar to embodiment mentioned above, detailed description may be omitted.
The
Further, the
Further, the fuel
燃料ガス供給路10に接続されて当該燃料ガス供給路10に窒素ガスNG(不活性ガスの一例)を供給可能な窒素ガス供給路31(不活性ガス供給路の一例)が設けられている。当該窒素ガス供給路31は、燃料ガス供給路10における下流側遮断弁11Bよりも下流側に形成される下流側空間、具体的には燃料ガス供給路10における下流側遮断弁11Bと下流側開閉弁13との間に形成される下流側弁間空間10C1に接続されている。即ち、この窒素ガス供給路31は、窒素ガスNGを貯留する窒素ガスボンベ30と、燃料ガス供給路10における下流側弁間空間10C1とを接続する管路として構成されている。尚、本実施形態では、不活性ガスとして窒素ガスNGを利用するが、別の不活性ガスを利用しても構わない。
A nitrogen gas supply path 31 (an example of an inert gas supply path) connected to the fuel
窒素ガス供給路31には、窒素ガス供給弁32(不活性ガス供給弁の一例)が設けられている。運転制御装置60は、この窒素ガス供給弁32の開閉作動を制御することにより、窒素ガス供給路31から燃料ガス供給路10の下流側弁間空間10C1への窒素ガスNGの供給を断続させることができる。
The nitrogen
そして、運転制御装置60は、図4(c)に示すように、遮断弁11A,11Bを開弁させて燃料電池装置40へ水素ガスG1を供給して当該燃料電池装置40での発電を行う通常運転時には、下流側開閉弁13を開弁させると共に、ブリード弁21及び窒素ガス供給弁32を閉弁させた状態とする。一方、運転制御装置60は、図4(a)に示すように、遮断弁11A,11Bを閉弁させて燃料電池装置40への水素ガスG1の供給を停止して当該燃料電池装置40での発電を停止する運転停止時には、ブリード弁21を開弁させると共に、下流側開閉弁13を開弁させ、窒素ガス供給弁32を閉弁させた状態とする。
Then, as shown in FIG. 4C, the
即ち、運転停止時には、遮断弁間空間10Bが大気に開放された状態で上流側遮断弁11Aと下流側遮断弁11Bとが閉弁されて燃料電池装置40への水素ガスG1の供給が停止される。このことで、上流側遮断弁11A及び下流側遮断弁11Bのうちの何れかに遮断不良が生じた場合であっても、燃料ガス供給路10における水素ボンベ1側と燃料電池装置40側とが大気に開放された遮断弁間空間10Bで隔離されることになる。よって、これら遮断弁11A,11Bの遮断不良に起因する水素ボンベ1から燃料電池装置40への水素ガスG1の漏洩が確実に防止される。更に、運転停止時に遮断弁間空間10Bに流出した水素ガスG1については、開弁状態であるブリード弁21を介して大気へ放出されるので、安全性が保持される。
That is, when the operation is stopped, the
更に、本実施形態の燃料電池システム50では、運転停止状態から通常運転に移行する起動時において、燃料電池装置40への空気の供給に起因する性能低下を防止する。そのために、詳細については後述するが、燃料電池装置40への水素ガスG1の供給開始前に遮断弁間空間10Bに対して空気(酸素)を略含まないパージガスPGを供給して当該遮断弁間空間10Bをパージするパージ処理が、運転制御装置60により実行される。即ち、このようなパージ処理が、燃料電池装置40への水素ガスG1の供給開始前に実行されると、遮断弁間空間10Bに侵入した空気が適切に燃料ガス供給路10から除去された上で、燃料電池装置40への水素ガスG1の供給が開始される。このことで、燃料電池スタック41のアノード41Aへの空気の供給に起因する性能低下が防止される。
Furthermore, in the
本実施形態における上記パージ処理の詳細構成について、本実施形態の燃料電池システム50の運転を開始する起動時における燃料ガス供給路10における状態変化の詳細と共に、以下に説明を加える。
尚、本実施形態の燃料電池システム50では、起動時に、運転制御装置60により行われる弁制御により、燃料ガス供給路10の状態が、供給停止状態(図4(a)を参照)、パージ状態(図4(b)を参照)、供給継続状態(図4(c)を参照)の順に変化する。以下では、夫々の状態について詳細を説明する。
The detailed configuration of the purging process in the present embodiment will be described below together with the details of the state change in the fuel
In the
(供給停止状態)
図4(a)は、燃料電池システム50の運転を停止している運転停止時に、燃料電池装置40への水素ガスG1の供給を停止している供給停止状態を示す。
この供給停止状態では、上流側遮断弁11A及び下流側遮断弁11Bが閉弁され、ブリード弁21が開弁される。更に、この供給停止状態では、下流側開閉弁13は開弁され、窒素ガス供給弁32は閉弁される。
(Supply stopped)
FIG. 4A shows a supply stopped state in which the supply of the hydrogen gas G1 to the
In this supply stop state, the
すると、燃料ガス供給路10における上流側遮断弁11Aよりも上流側に形成されて水素ボンベ1に通じる上流側空間10Aについては、供給停止状態となる前の供給継続状態において通流していた水素ガスG1が満たされた状態となる。また、燃料ガス供給路10における下流側遮断弁11Bよりも下流側に形成されて燃料電池装置40に通じる下流側空間10C1,10C2についても、供給停止状態となる前の供給継続状態において通流していた水素ガスG1が満たされた状態となる。一方、燃料ガス供給路10における上流側遮断弁11Aと下流側遮断弁11Bとの間に形成される遮断弁間空間10Bについては、開弁状態のブリード弁21を通じて大気に開放された状態となるため、大気から侵入した空気が存在する状態となる。
そして、このように燃料電池装置40への水素ガスG1の供給が停止されることで、上述したように、水素ボンベ1から燃料電池装置40への水素ガスG1の漏洩が確実に防止され、安全性が保持される。
Then, with respect to the
By stopping the supply of the hydrogen gas G1 to the
(パージ状態)
運転制御装置60は、燃料電池装置40への水素ガスG1の供給を開始する前にパージ処理を実行する。そして、図4(b)は、パージ処理が実行された際に燃料ガス供給路10の状態であるパージ状態を示す。即ち、燃料電池システム50の起動時に、パージ処理が実行されることで、燃料ガス供給路10の状態は上記供給停止状態からこのパージ状態に遷移する。
(Purge state)
The
供給停止状態からパージ状態に遷移するにあたっては、上流側遮断弁11Aが閉弁状態に維持され、且つ、ブリード弁21が開弁状態に維持されたままで、下流側開閉弁13が閉弁され、且つ、下流側遮断弁11B及び窒素ガス供給弁32が開弁される。すると、窒素ガスボンベ30から供給された窒素ガスNGが、開弁された窒素ガス供給弁32を介して下流側弁間空間10C1にパージガスPGとして供給され、その窒素ガスNGが、開弁された下流側遮断弁11Bを介して遮断弁間空間10BにパージガスPGとして供給される。同時に、当該遮断弁間空間10Bに供給された窒素ガスNGが、開弁状態に維持されたブリード弁21を介して分岐路20を通じて外部に放出される。そして、このような形態で、遮断弁間空間10Bが窒素ガスNGによりパージされることになる。即ち、本実施形態では、遮断弁間空間10Bに供給するパージガスPGとして窒素ガスNGが利用され、この窒素ガスNGにより遮断弁間空間10B等がパージされる。
When transitioning from the supply stop state to the purge state, the downstream shut-off
このようなパージ処理が実行されると、上記供給停止状態において大気からブリード弁21を介して遮断弁間空間10Bに侵入した空気は、分岐路20のブリード弁21を介して大気に放出されて、遮断弁間空間10Bから除去されることになる。そして、この状態に続いて燃料電池装置40への水素ガスG1の供給を開始することで、燃料電池スタック41のアノード41Aへの空気の供給に起因する性能低下が防止される。
When such a purging process is performed, air that has entered the
(供給継続状態)
図4(c)は、燃料電池システム50の運転を行っている通常運転時に、燃料電池装置40への水素ガスG1の供給を継続している供給継続状態を示す。即ち、燃料電池システム50の起動時に、燃料ガス供給路10の状態は、上記パージ状態からこの供給継続状態に遷移する。
(Supply continued)
FIG. 4C shows a supply continuation state in which the supply of the hydrogen gas G1 to the
パージ状態から供給継続状態に遷移するにあたっては、下流側遮断弁11Bが開弁状態に維持されたままで、窒素ガス供給弁32及びブリード弁21が閉弁され、且つ、上流側遮断弁11A及び下流側開閉弁13が開弁される。すると、燃料ガス供給路10への窒素ガスNGの供給とブリード弁21を介した大気への窒素ガスNGの放出とが停止される。その状態で、水素ボンベ1から供給された水素ガスG1が、上流側遮断弁11A、下流側遮断弁11B、及び下流側開閉弁13を介して燃料電池装置40に供給されて、当該燃料電池装置40において所望の発電が行われることになる。そして、この供給継続状態への遷移時に、事前にパージ処理が実行されているので、燃料ガス供給路10は空気が存在せずに水素ガスG1又は窒素ガスNGで満たされた状態となっている。よって、燃料電池装置40への空気の供給に起因する性能低下が好適に防止されることになる。
In the transition from the purge state to the supply continuation state, the nitrogen
尚、本実施形態では、燃料電池装置40への水素ガスG1の供給開始時のパージ処理を終了時に、窒素ガス供給弁32及びブリード弁21の閉弁と同時に、上流側遮断弁11A及び下流側開閉弁13を開弁させるが、各弁の開閉タイミングについては適宜変更することができる。例えば、下流側開閉弁13を開弁させた後に、窒素ガス供給弁32及びブリード弁21の閉弁と上流側遮断弁11Aの開弁を行うこともできる。
In the present embodiment, when the purging process at the start of the supply of the hydrogen gas G1 to the
〔第4実施形態〕
本発明の第4実施形態について、図5等に基づいて説明する。
尚、上述の実施形態と同様の構成については、詳細な説明を割愛する場合がある。
図5に示す燃料電池システム50は、上述の実施形態と同様に、燃料電池装置40と燃料ガス供給路10と運転制御装置60等とを備え、燃料ガス供給路10から燃料電池スタック41のアノード41Aに水素ガスG1が供給される。
また、本実施形態の燃料電池システム50は、上述の実施形態と同様に、上流側遮断弁11A、下流側遮断弁11B、及びブリード弁21で構成されたDBB(ダブルブロックアンドブリード)が採用されている。
更に、燃料ガス供給路10には、下流側遮断弁11Bよりも下流側に下流側開閉弁13が設けられている。
[Fourth embodiment]
A fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
In addition, about the structure similar to embodiment mentioned above, detailed description may be omitted.
The
Further, the
Further, the fuel
燃料ガス供給路10に接続されて当該燃料ガス供給路10に窒素ガスNG(不活性ガスの一例)を供給可能な窒素ガス供給路31(不活性ガス供給路の一例)が設けられている。当該窒素ガス供給路31は、燃料ガス供給路10における下流側遮断弁11Bよりも下流側に形成される下流側空間、具体的には燃料ガス供給路10における下流側遮断弁11Bと下流側開閉弁13との間に形成される下流側弁間空間10C1に接続されている。即ち、この窒素ガス供給路31は、窒素ガスNGを貯留する窒素ガスボンベ30と、燃料ガス供給路10における下流側弁間空間10C1とを接続する管路として構成されている。
A nitrogen gas supply path 31 (an example of an inert gas supply path) connected to the fuel
窒素ガス供給路31には、窒素ガス供給弁32(不活性ガス供給弁の一例)が設けられている。運転制御装置60は、この窒素ガス供給弁32の開閉作動を制御することにより、窒素ガス供給路31から燃料ガス供給路10の下流側弁間空間10C1への窒素ガスNGの供給を断続させることができる。
The nitrogen
そして、運転制御装置60は、図5(c)に示すように、遮断弁11A,11Bを開弁させて燃料電池装置40へ水素ガスG1を供給して当該燃料電池装置40での発電を行う通常運転時には、下流側開閉弁13を開弁させると共に、ブリード弁21及び窒素ガス供給弁32を閉弁させた状態とする。一方、運転制御装置60は、図5(a)に示すように、遮断弁11A,11Bを閉弁させて燃料電池装置40への水素ガスG1の供給を停止して当該燃料電池装置40での発電を停止する運転停止時には、ブリード弁21を開弁させると共に、下流側開閉弁13を開弁させ、窒素ガス供給弁32を閉弁させた状態とする。
Then, the
即ち、運転停止時には、遮断弁間空間10Bが大気に開放された状態で上流側遮断弁11Aと下流側遮断弁11Bとが閉弁されて燃料電池装置40への水素ガスG1の供給が停止される。このことで、上流側遮断弁11A及び下流側遮断弁11Bのうちの何れかに遮断不良が生じた場合であっても、燃料ガス供給路10における水素ボンベ1側と燃料電池装置40側とが大気に開放された遮断弁間空間10Bで隔離されることになる。よって、これら遮断弁11A,11Bの遮断不良に起因する水素ボンベ1から燃料電池装置40への水素ガスG1の漏洩が確実に防止される。更に、運転停止時に遮断弁間空間10Bに流出した水素ガスG1については、開弁状態であるブリード弁21を介して大気へ放出されるので、安全性が保持される。
That is, when the operation is stopped, the
更に、本実施形態の燃料電池システム50では、運転停止状態から通常運転に移行する起動時において、燃料電池装置40への空気の供給に起因する性能低下を防止する。そのために、詳細については後述するが、燃料電池装置40への水素ガスG1の供給開始前に遮断弁間空間10Bに対して空気(酸素)を略含まないパージガスPGを供給して当該遮断弁間空間10Bをパージするパージ処理が、運転制御装置60により実行される。即ち、このようなパージ処理が、燃料電池装置40への水素ガスG1の供給開始前に実行されると、遮断弁間空間10Bに侵入した空気が適切に燃料ガス供給路10から除去された上で、燃料電池装置40への水素ガスG1の供給が開始される。このことで、燃料電池スタック41のアノード41Aへの空気の供給に起因する性能低下が防止される。
Furthermore, in the
本実施形態における上記パージ処理の詳細構成について、本実施形態の燃料電池システム50の運転を開始する起動時における燃料ガス供給路10における状態変化の詳細と共に、以下に説明を加える。
尚、本実施形態の燃料電池システム50では、起動時に、運転制御装置60により行われる弁制御により、燃料ガス供給路10の状態が、供給停止状態(図5(a)を参照)、パージ状態(図5(b)を参照)、供給継続状態(図5(c)を参照)の順に変化する。以下では、夫々の状態について詳細を説明する。
The detailed configuration of the purging process in the present embodiment will be described below together with the details of the state change in the fuel
In the
(供給停止状態)
図5(a)は、燃料電池システム50の運転を停止している運転停止時に、燃料電池装置40への水素ガスG1の供給を停止している供給停止状態を示す。
この供給停止状態では、上流側遮断弁11A及び下流側遮断弁11Bが閉弁され、ブリード弁21が開弁される。更に、この供給停止状態では、下流側開閉弁13は開弁され、窒素ガス供給弁32は閉弁される。
(Supply stopped)
FIG. 5A illustrates a supply stopped state in which the supply of the hydrogen gas G1 to the
In this supply stop state, the
すると、燃料ガス供給路10における上流側遮断弁11Aよりも上流側に形成されて水素ボンベ1に通じる上流側空間10Aについては、供給停止状態となる前の供給継続状態において通流していた水素ガスG1が満たされた状態となる。また、燃料ガス供給路10における下流側遮断弁11Bよりも下流側に形成されて燃料電池装置40に通じる下流側空間10C1,10C2についても、供給停止状態となる前の供給継続状態において通流していた水素ガスG1が満たされた状態となる。一方、燃料ガス供給路10における上流側遮断弁11Aと下流側遮断弁11Bとの間に形成される遮断弁間空間10Bについては、開弁状態のブリード弁21を通じて大気に開放された状態となるため、大気から侵入した空気が存在する状態となる。
そして、このように燃料電池装置40への水素ガスG1の供給が停止されることで、上述したように、水素ボンベ1から燃料電池装置40への水素ガスG1の漏洩が確実に防止され、安全性が保持される。
Then, with respect to the
By stopping the supply of the hydrogen gas G1 to the
(パージ状態)
運転制御装置60は、燃料電池装置40への水素ガスG1の供給を開始する前にパージ処理を実行する。そして、図5(b)は、パージ処理が実行された際に燃料ガス供給路10の状態であるパージ状態を示す。即ち、燃料電池システム50の起動時に、パージ処理が実行されることで、燃料ガス供給路10の状態は上記供給停止状態からこのパージ状態に遷移する。
(Purge state)
The
供給停止状態からパージ状態に遷移するにあたっては、ブリード弁21が開弁状態に維持されたままで、下流側開閉弁13が閉弁され、且つ、上流側遮断弁11A、下流側遮断弁11B、及び窒素ガス供給弁32が開弁される。すると、水素ボンベ1から供給された水素ガスG1が、開弁された上流側遮断弁11Aを介して遮断弁間空間10BにパージガスPGとして供給される。更に、窒素ガスボンベ30から供給された窒素ガスNGが、開弁された窒素ガス供給弁32を介して下流側弁間空間10C1にパージガスPGとして供給され、その窒素ガスNGが、開弁された下流側遮断弁11Bを介して遮断弁間空間10BにパージガスPGとして供給される。同時に、当該遮断弁間空間10Bに供給された水素ガスG1及び窒素ガスNGが、開弁状態に維持されたブリード弁21を介して分岐路20を通じて外部に放出される。そして、このような形態で、遮断弁間空間10Bが水素ガスG1及び窒素ガスNGによりパージされることになる。即ち、本実施形態では、遮断弁間空間10Bに供給するパージガスPGとして水素ガスG1及び窒素ガスNGが利用され、この水素ガスG1及び窒素ガスNGにより遮断弁間空間10B等がパージされる。
In transition from the supply stop state to the purge state, the downstream side on-off
このようなパージ処理が実行されると、上記供給停止状態において大気からブリード弁21を介して遮断弁間空間10Bに侵入した空気は、分岐路20のブリード弁21を介して大気に放出されて、遮断弁間空間10Bから除去されることになる。そして、この状態に続いて燃料電池装置40への水素ガスG1の供給を開始することで、燃料電池スタック41のアノード41Aへの空気の供給に起因する性能低下が防止される。
When such a purging process is performed, air that has entered the
尚、本実施形態では、パージ処理において、上流側遮断弁11A、下流側遮断弁11B、及び窒素ガス供給弁32を同時に開弁させて、遮断弁間空間10BへのパージガスPGとしての水素ガスG1及び窒素ガスNGの供給を同時に行うように構成した。しかし、上流側遮断弁11Aの開弁タイミングと、下流側遮断弁11B及び窒素ガス供給弁32の開弁タイミングとを、異なるタイミングに設定しても構わない。例えば、上流側遮断弁11Aの開弁タイミングを、下流側遮断弁11B及び窒素ガス供給弁32の開弁タイミングよりも早くすることで、遮断弁間空間10Bに水素ガスG1をパージガスPGとして供給した後に、その遮断弁間空間10Bに窒素ガスNGをパージガスPGとして供給することができる。逆に、下流側遮断弁11B及び窒素ガス供給弁32の開弁タイミングを、上流側遮断弁11Aの開弁タイミングよりも早くすることで、遮断弁間空間10Bに窒素ガスNGをパージガスPGとして供給した後に、その遮断弁間空間10Bに水素ガスG1をパージガスPGとして供給することができる。また、遮断弁間空間10Bに対するパージガスPGとしての水素ガスG1の供給と、遮断弁間空間10Bに対するパージガスPGとしての窒素ガスNGの供給とについて、一方を終了させた後に他方を開始するように、上流側遮断弁11A、下流側遮断弁11B、及び窒素ガス供給弁32の開閉タイミングを設定しても構わない。
In the present embodiment, in the purging process, the upstream
(供給継続状態)
図5(c)は、燃料電池システム50の運転を行っている通常運転時に、燃料電池装置40への水素ガスG1の供給を継続している供給継続状態を示す。即ち、燃料電池システム50の起動時に、燃料ガス供給路10の状態は、上記パージ状態からこの供給継続状態に遷移する。
(Supply continued)
FIG. 5C shows a supply continuation state in which the supply of the hydrogen gas G1 to the
パージ状態から供給継続状態に遷移するにあたっては、上流側遮断弁11A及び下流側遮断弁11Bが開弁状態に維持されたままで、窒素ガス供給弁32及びブリード弁21が閉弁され、且つ、下流側開閉弁13が開弁される。すると、燃料ガス供給路10への窒素ガスNGの供給とブリード弁21を介した大気への水素ガスG1及び窒素ガスNGの放出とが停止される。その状態で、水素ボンベ1から供給された水素ガスG1が、上流側遮断弁11A、下流側遮断弁11B、及び下流側開閉弁13を介して燃料電池装置40に供給されて、当該燃料電池装置40において所望の発電が行われることになる。そして、この供給継続状態への遷移時に、事前にパージ処理が実行されているので、燃料ガス供給路10は空気が存在せずに水素ガスG1又は窒素ガスNGで満たされた状態となっている。よって、燃料電池装置40への空気の供給に起因する性能低下が好適に防止されることになる。
When transitioning from the purge state to the supply continuation state, the nitrogen
尚、本実施形態では、燃料電池装置40への水素ガスG1の供給開始時のパージ処理を終了時に、窒素ガス供給弁32及びブリード弁21の閉弁と同時に、下流側開閉弁13を開弁させるが、各弁の開閉タイミングについては適宜変更することができる。例えば、下流側開閉弁13を開弁させた後に、窒素ガス供給弁32及びブリード弁21の閉弁を行うこともできる。
In the present embodiment, when the purge process at the start of the supply of the hydrogen gas G1 to the
〔別実施形態〕
本発明の他の実施形態について説明する。尚、以下に説明する各実施形態の構成は、それぞれ単独で適用することに限らず、他の実施形態の構成と組み合わせて適用することも可能である。
[Another embodiment]
Another embodiment of the present invention will be described. The configuration of each embodiment described below is not limited to being applied independently, and may be applied in combination with the configuration of another embodiment.
(1)上記実施形態では、燃料電池装置40を、燃料ガス供給路10からアノード41Aに水素ガスG1が供給される燃料電池スタック41を備えたものとして構成した。しかし、図6に示すように、燃料電池装置40を、メタンガスやプロパンガスなどの炭化水素ガスG2を改質して水素ガスG1を含む水素含有ガスを生成する改質器42と、当該生成された水素ガスG1の電気化学反応により発電を行う燃料電池スタック41とを備えて構成しても構わない。この場合、燃料ガス供給路10には、炭化水素ガスG2が通流することになり、その炭化水素ガスG2が、燃料ガスとして、燃料ガス供給路10から改質器42に供給され、当該改質器42の改質により水素ガスG1を含む水素含有ガスとなる。そして、このような燃料電池装置40への炭化水素ガスG2の供給開始前において、燃料ガス供給路10においてパージ処理を実行することができる。この場合、パージ処理において炭化水素ガスG2をパージガスPGとして利用することができる。
(1) In the above embodiment, the
(2)上記実施形態では、燃料電池システム50を燃料電池船100の動力源として搭載した例を説明したが、本発明はそのような構成に限定されるものではなく、他の輸送機械又はエネルギー機器に搭載された燃料電池システムにおいて本発明を適用することもできる。
(2) In the above embodiment, the example in which the
1 水素ボンベ(燃料ガス貯留部)
10 燃料ガス供給路
10B 遮断弁間空間
10C 下流側空間
10C1 下流側弁間空間(下流側空間)
11A 上流側遮断弁
11B 下流側遮断弁
13 下流側開閉弁
21 ブリード弁
23 下流側逃し弁
25 流量調整弁(流量調整手段)
31 窒素ガス供給路(不活性ガス供給路)
32 窒素ガス供給弁(不活性ガス供給弁)
40 燃料電池装置
41 燃料電池スタック
50 燃料電池システム
55 電動モータ(船内の電力負荷)
60 運転制御装置(弁制御手段)
100 燃料電池船
G1 水素ガス(燃料ガス)
G2 炭化水素ガス(燃料ガス)
NG 窒素ガス(不活性ガス)
PG パージガス
1 hydrogen cylinder (fuel gas storage section)
10 Fuel
11A Upstream
31 Nitrogen gas supply path (inert gas supply path)
32 Nitrogen gas supply valve (inert gas supply valve)
40
60 Operation control device (valve control means)
100 Fuel cell ship G1 Hydrogen gas (fuel gas)
G2 Hydrocarbon gas (fuel gas)
NG Nitrogen gas (inert gas)
PG purge gas
Claims (12)
前記燃料電池装置に燃料ガスを供給する燃料ガス供給路と、
前記燃料ガス供給路に設けられて当該供給路を遮断可能な遮断弁と、
前記遮断弁を閉弁させて前記燃料電池装置への燃料ガスの供給を停止し、前記遮断弁を開弁させて前記燃料電池装置への燃料ガスの供給を開始する形態で前記遮断弁の作動を制御する弁制御手段と、を備えた燃料電池システムであって、
前記燃料ガス供給路に直列状態で設けられて当該供給路を遮断可能な上流側遮断弁及び下流側遮断弁を、前記遮断弁として備え、
前記燃料ガス供給路における前記上流側遮断弁と前記下流側遮断弁との間に形成される遮断弁間空間に接続されて当該空間を外部に開放可能なブリード弁を備え、
前記弁制御手段が、前記燃料電池装置への燃料ガスの供給時に前記ブリード弁を閉弁させ、前記燃料電池装置への燃料ガスの供給停止時に前記ブリード弁を開弁させる形態で前記ブリード弁の作動を制御すると共に、前記燃料電池装置への燃料ガスの供給開始前に前記遮断弁間空間に対して燃料ガス及び不活性ガスの少なくとも一方であるパージガスを供給して当該遮断弁間空間をパージするパージ処理を実行する燃料電池システム。 A fuel cell device having a fuel cell stack that generates power by an electrochemical reaction of fuel gas,
A fuel gas supply path for supplying fuel gas to the fuel cell device;
A shutoff valve provided in the fuel gas supply path and capable of shutting off the supply path;
The operation of the shut-off valve in a form in which the shut-off valve is closed to stop supplying fuel gas to the fuel cell device, and the shut-off valve is opened to start supplying fuel gas to the fuel cell device. And a valve control means for controlling the fuel cell system,
An upstream shutoff valve and a downstream shutoff valve that are provided in series with the fuel gas supply passage and that can shut off the supply passage are provided as the shutoff valve,
A bleed valve connected to an inter-shut-valve space formed between the upstream-side shut-off valve and the downstream-side shut-off valve in the fuel gas supply path to open the space to the outside;
The valve control means closes the bleed valve when fuel gas is supplied to the fuel cell device, and opens the bleed valve when supply of fuel gas to the fuel cell device is stopped. Controlling the operation and supplying a purge gas, which is at least one of a fuel gas and an inert gas, to the space between the shut-off valves before starting the supply of the fuel gas to the fuel cell device to purge the space between the shut-off valves. Fuel cell system that performs a purge process.
前記弁制御手段が、前記流量調整手段を制御して、前記パージ処理時における前記燃料ガス供給路での燃料ガスの流量を、前記燃料電池装置の通常運転時における前記燃料ガス供給路での燃料ガスの流量よりも小さく設定する請求項5に記載の燃料電池システム。 The fuel gas supply path has a flow rate adjusting means capable of adjusting the flow rate of the fuel gas,
The valve control means controls the flow rate adjusting means to change the flow rate of the fuel gas in the fuel gas supply path at the time of the purging process to the fuel gas flow rate in the fuel gas supply path during the normal operation of the fuel cell device. The fuel cell system according to claim 5, wherein the flow rate is set to be smaller than the gas flow rate.
前記燃料ガス供給路における前記下流側遮断弁と前記下流側開閉弁との間に形成される下流側弁間空間に接続されて当該空間を外部に開放可能な下流側逃し弁と、を備え、
前記弁制御手段が、前記パージ処理において、前記下流側開閉弁を閉弁すると共に前記下流側遮断弁及び前記下流側逃し弁を開弁させて、前記遮断弁間空間に供給された燃料ガスを前記下流側遮断弁を介して前記下流側弁間空間に供給すると共に、前記下流側弁間空間に供給された燃料ガスを前記下流側逃し弁を介して外部に放出する請求項5又は6に記載の燃料電池システム。 A downstream open / close valve provided downstream of the downstream shutoff valve in the fuel gas supply path;
A downstream relief valve that is connected to a downstream inter-valve space formed between the downstream shut-off valve and the downstream on-off valve in the fuel gas supply path and that can open the space to the outside,
In the purging process, the valve control unit closes the downstream open / close valve and opens the downstream shutoff valve and the downstream relief valve, thereby allowing the fuel gas supplied to the space between the shutoff valves to be opened. 7. The fuel supply system according to claim 5, wherein the fuel gas supplied to the downstream inter-valve space is discharged to the outside through the downstream relief valve while being supplied to the downstream inter-valve space via the downstream shut-off valve. The fuel cell system as described.
前記不活性ガス供給路に設けられた不活性ガス供給弁と、を備え、
前記弁制御手段が、前記パージ処理において、前記不活性ガス供給弁を開弁させて前記不活性ガス供給路から前記遮断弁間空間に前記パージガスとして不活性ガスを供給する請求項1〜8の何れか1項に記載の燃料電池システム。 An inert gas supply path connected to the fuel gas supply path and capable of supplying an inert gas to the fuel gas supply path;
An inert gas supply valve provided in the inert gas supply path,
The said valve control means opens the said inert gas supply valve in the said purge process, and supplies an inert gas as said purge gas from the said inert gas supply path to the said inter-shut valve space. The fuel cell system according to claim 1.
前記弁制御手段が、前記パージ処理において、前記不活性ガス供給弁及び前記下流側遮断弁を開弁させて前記不活性ガス供給路から前記下流側空間を介して前記遮断弁間空間に不活性ガスを供給する請求項9に記載の燃料電池システム。 The inert gas supply path is connected to a downstream space formed on the fuel gas supply path on the downstream side of the downstream cutoff valve,
In the purge process, the valve control unit opens the inert gas supply valve and the downstream shutoff valve to inactivate the inert gas supply passage through the downstream space to the space between the shutoff valves. The fuel cell system according to claim 9, which supplies a gas.
前記燃料電池システムに供給される燃料ガスを貯留する燃料ガス貯留部と、を備え、
前記燃料電池システムの発電電力を船内の電力負荷に供給する燃料電池船。 A fuel cell system according to any one of claims 1 to 11,
A fuel gas storage unit for storing fuel gas supplied to the fuel cell system,
A fuel cell ship for supplying electric power generated by the fuel cell system to an electric load on the ship.
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