JP2024012923A - Fuel battery system - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a technique for completing a fuel gas replacement processing in a short time.
SOLUTION: A fuel battery system comprises: a fuel battery stack; a fuel gas supply path that is connected to a supply port of the fuel battery stack, and provided with a supply control valve; an exhaust drain path that is connected to an exhaust port of the fuel battery stack, and provided with an exhaust drain valve; a circulation path that is extended to the fuel gas supply path from the exhaust drain path, and circulates an off gas exhausted from the fuel battery stack to the fuel gas supply path; a pump that is provided in the circulation path, and sends the off gas to the fuel gas supply path by a forward rotation; and a control device that can execute fuel gas replacement processing at a time of start of the fuel battery stack by controlling an operation of the supply control valve, the pump, and the exhaust drain valve. In the fuel gas replacement processing, the control device opens the supply control valve, and reversely rotates the pump in a state where the exhaust drain valve is opened.
SELECTED DRAWING: Figure 2
COPYRIGHT: (C)2024,JPO&INPIT

Description

本明細書が開示する技術は、燃料電池システムに関する。 The technology disclosed herein relates to a fuel cell system.

特許文献1に、燃料電池システムが記載されている。この燃料電池システムは、燃料電池スタックから排出されたオフガスを、燃料ガス供給経路へ再供給する循環経路を備える。循環経路には、オフガスを燃料ガス供給経路に向けて送出するポンプが設けられている。 Patent Document 1 describes a fuel cell system. This fuel cell system includes a circulation path that re-supplies off-gas discharged from the fuel cell stack to the fuel gas supply path. The circulation path is provided with a pump that sends the off-gas toward the fuel gas supply path.

特開2007-220425号公報Japanese Patent Application Publication No. 2007-220425

燃料電池システムでは、例えば氷点下以下の低温で動作するときに、燃料電池スタック内に存在する残留ガスにおける燃料ガス濃度(例えば、水素ガス濃度)が低下していると、燃料電池スタックの劣化を招くおそれがある。そこで、特に氷点下以下の環境下では、燃料電池システムを始動させるときに、燃料電池スタック内の残留ガスを燃料ガスで置換する処理(以下、燃料ガス置換処理と称する)を実行して、燃料電池スタック内の燃料ガス濃度を高めておくことが好ましい。 In a fuel cell system, for example, when operating at a low temperature below freezing, if the fuel gas concentration (e.g. hydrogen gas concentration) in the residual gas present in the fuel cell stack decreases, the fuel cell stack will deteriorate. There is a risk. Therefore, especially in environments below freezing, when starting the fuel cell system, a process is performed to replace the residual gas in the fuel cell stack with fuel gas (hereinafter referred to as fuel gas replacement process), and the fuel cell It is preferable to increase the fuel gas concentration within the stack.

燃料ガス置換処理では、燃料ガス供給経路から燃料電池スタックへ燃料ガスを供給しつつ、排気排水経路から燃料電池スタック内の残留ガスを排出する。このとき、循環経路のポンプは停止しており、排出された残留ガスの循環が禁止される。しかしながら、循環経路のポンプを停止させていても、ポンプ内には隙間が存在していることから、燃料電池スタックから流出した残留ガスが、循環経路を通じて燃料ガス供給経路へ流入するおそれがある。この場合、一部の残留ガスが外部へ排出されることなく循環するため、燃料ガス置換処理に要する時間が長くなってしまう。これを避けるためには、循環経路に遮断弁を設けることも考えられるが、遮断弁における圧力損失が大きくなるという問題や、燃料電池システムの構成が複雑化するという問題がある。 In the fuel gas replacement process, while supplying fuel gas to the fuel cell stack from the fuel gas supply path, residual gas in the fuel cell stack is discharged from the exhaust drainage path. At this time, the pump in the circulation path is stopped, and circulation of the discharged residual gas is prohibited. However, even if the pump in the circulation path is stopped, there is a gap inside the pump, so there is a risk that residual gas flowing out from the fuel cell stack may flow into the fuel gas supply path through the circulation path. In this case, a portion of the residual gas is circulated without being discharged to the outside, which increases the time required for the fuel gas replacement process. In order to avoid this, it is possible to provide a cutoff valve in the circulation path, but there are problems in that the pressure loss in the cutoff valve becomes large and that the configuration of the fuel cell system becomes complicated.

上記の実情を鑑み、本明細書は、燃料電池システムの構成を複雑化させることなく、燃料ガス置換処理を短時間で完了するための技術を提供する。 In view of the above circumstances, the present specification provides a technique for completing fuel gas replacement processing in a short time without complicating the configuration of the fuel cell system.

本明細書が開示する技術は、燃料電池システムに具現化される。その第1の態様において、燃料電池システムは、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの供給口に接続されているとともに、供給制御弁が設けられた燃料ガス供給経路と、前記燃料電池スタックの排出口に接続されているとともに、排気排水弁が設けられた排気排水経路と、前記排気排水経路から前記燃料ガス供給経路へ延びており、前記燃料電池スタックから排出されたオフガスを前記燃料ガス供給経路へ循環させる循環経路と、前記循環経路に設けられているとともに、正回転することによって前記オフガスを前記燃料ガス供給経路に送出するポンプと、前記供給制御弁、前記ポンプ、及び、前記排気排水弁の動作を制御することによって、前記燃料電池スタックの始動時に燃料ガス置換処理を実行可能な制御装置と、を備える。前記燃料ガス置換処理において、前記制御装置は、前記供給制御弁を開弁するとともに、前記排気排水弁を開弁した状態で、前記ポンプを逆回転させる。 The technology disclosed in this specification is embodied in a fuel cell system. In the first aspect, the fuel cell system includes a fuel cell stack, a fuel gas supply path connected to a supply port of the fuel cell stack and provided with a supply control valve, and an exhaust gas supply path of the fuel cell stack. an exhaust drainage path connected to the outlet and provided with an exhaust drainage valve; and an exhaust drainage path extending from the exhaust drainage path to the fuel gas supply path, the off-gas discharged from the fuel cell stack being transferred to the fuel gas supply path. a pump that is provided in the circulation path and sends the off-gas to the fuel gas supply path by rotating in the forward direction, the supply control valve, the pump, and the exhaust drainage valve. and a control device capable of executing fuel gas replacement processing at the time of startup of the fuel cell stack by controlling the operation of the fuel cell stack. In the fuel gas replacement process, the control device opens the supply control valve and reversely rotates the pump with the exhaust and drain valve open.

上記した燃料ガス置換処理では、燃料ガス供給経路から燃料電池スタックへ燃料ガスを供給しつつ、排気排水経路から燃料電池スタック内の残留ガスを排出する。このとき、循環経路に設けられたポンプを逆回転させることで、燃料電池スタックから流出した残留ガスが、循環経路を通じて燃料電池スタックへ流入することを回避できる。これにより、燃料ガス置換処理中は、燃料ガス供給機構によって供給される燃料ガスのみを燃料電池スタックへ供給して、燃料ガス置換処理を短時間で完了することができる。 In the above-described fuel gas replacement process, while supplying fuel gas to the fuel cell stack from the fuel gas supply path, residual gas in the fuel cell stack is discharged from the exhaust drainage path. At this time, by rotating the pump provided in the circulation path in the reverse direction, it is possible to prevent the residual gas that has flowed out of the fuel cell stack from flowing into the fuel cell stack through the circulation path. Thereby, during the fuel gas replacement process, only the fuel gas supplied by the fuel gas supply mechanism is supplied to the fuel cell stack, and the fuel gas replacement process can be completed in a short time.

第2の態様では、前記第1の態様において、制御装置は、供給制御弁の動作を制御することにより燃料電池スタックに供給される燃料ガス供給流量に応じて、ポンプを逆回転させる回転数を決定してもよい。ポンプを逆回転させるときの回転数が低すぎると、循環経路を通じた残留ガスの循環を十分に抑制することができない。一方、ポンプを逆回転させるときの回転数が高すぎると、燃料ガス供給経路の燃料ガスが循環経路を通じて排気排水経路へ逆流して、燃料電池スタックから排出される残留ガスの流れが阻害されてしまう。この点に関して、ポンプを逆回転させるときの適切な回転数は、燃料ガス供給経路から燃料電池スタックへ供給される燃料ガス供給流量に依存する。従って、ポンプを逆回転させるときは、燃料ガス供給流量に応じてポンプの回転数を決定することにより、循環経路におけるガスの流れを過不足なく抑制することができる。 In a second aspect, in the first aspect, the control device controls the rotation speed at which the pump is rotated in reverse according to the fuel gas supply flow rate supplied to the fuel cell stack by controlling the operation of the supply control valve. You may decide. If the rotation speed when rotating the pump in reverse is too low, the circulation of residual gas through the circulation path cannot be sufficiently suppressed. On the other hand, if the rotation speed when rotating the pump in reverse is too high, the fuel gas in the fuel gas supply path will flow back through the circulation path to the exhaust drainage path, blocking the flow of residual gas discharged from the fuel cell stack. Put it away. In this regard, the appropriate rotational speed for reverse rotation of the pump depends on the fuel gas supply flow rate supplied from the fuel gas supply path to the fuel cell stack. Therefore, when the pump is rotated in reverse, the flow of gas in the circulation path can be suppressed to just the right amount by determining the rotational speed of the pump depending on the fuel gas supply flow rate.

第3の態様では、前記第1又は前記第2の態様において、制御装置は、燃料ガス供給流量にかかわらず、ポンプを逆回転させる回転数を所定の上限値以下に決定してもよい。このような構成によると、燃料ガス供給経路の燃料ガスが、循環経路から排気排水経路を通じて燃料電池スタックへ逆流することを、回避することができる。 In a third aspect, in the first or second aspect, the control device may determine the rotation speed at which the pump is reversely rotated to be equal to or lower than a predetermined upper limit value, regardless of the fuel gas supply flow rate. According to such a configuration, it is possible to prevent the fuel gas in the fuel gas supply path from flowing back from the circulation path to the fuel cell stack through the exhaust drainage path.

実施例の燃料電池システム10の構成を概略的に示す図。1 is a diagram schematically showing the configuration of a fuel cell system 10 according to an example. 制御装置60が実行する水素ガス置換処理の一例を示すフロー図。FIG. 6 is a flow diagram showing an example of a hydrogen gas replacement process executed by the control device 60. FIG. 燃料ガスの供給流量とポンプ54の逆回転数との関係の一例を示す図。なお、燃料ガスの供給流量の単位であるNL(ノルマルリットル)/minとは、大気圧時(即ち、圧力0.1013MPa)、温度0度、相対湿度0パーセントの条件下で測定された1分あたりのガス流量を意味する。また、ポンプ54の逆回転数については、当該逆回転数が正の値であるときに、ポンプ54が逆回転することを意味する。5 is a diagram showing an example of the relationship between the supply flow rate of fuel gas and the reverse rotation speed of the pump 54. FIG. Note that NL (normal liter)/min, which is the unit of fuel gas supply flow rate, is one minute measured at atmospheric pressure (i.e., pressure 0.1013 MPa), temperature 0 degrees, and relative humidity 0 percent. means the gas flow rate per. Further, regarding the reverse rotation speed of the pump 54, when the reverse rotation speed is a positive value, it means that the pump 54 rotates in the reverse direction.

図面を参照して、実施例の燃料電池システム10について説明する。本実施例の燃料電池システム10は、燃料電池車両(例えば、自動車、バス、トラック、電車)や定置用燃料電池装置等に搭載される。なお、燃料電池システム10は、車両以外の各種移動体(例えば、船舶や飛行機)に搭載されてもよい。 A fuel cell system 10 according to an embodiment will be described with reference to the drawings. The fuel cell system 10 of this embodiment is installed in a fuel cell vehicle (for example, a car, a bus, a truck, a train), a stationary fuel cell device, or the like. Note that the fuel cell system 10 may be mounted on various types of moving bodies (for example, ships and airplanes) other than vehicles.

図1に示すように、燃料電池システム10は、燃料電池スタック20と、酸化ガス供給ユニット30と、燃料ガス供給ユニット40と、制御装置60とを備える。燃料電池スタック20は、複数の燃料電池セル22が積層された構造を有する。燃料電池スタック20は、酸化ガスと燃料ガスとを、複数の燃料電池セル22内で化学反応させることによって発電する。本実施例の燃料電池システム10では、酸化ガスとして空気を使用し、水素ガスを高濃度で含むガスを燃料ガスとして使用される。 As shown in FIG. 1, the fuel cell system 10 includes a fuel cell stack 20, an oxidizing gas supply unit 30, a fuel gas supply unit 40, and a control device 60. The fuel cell stack 20 has a structure in which a plurality of fuel cells 22 are stacked. The fuel cell stack 20 generates electricity by chemically reacting oxidizing gas and fuel gas within a plurality of fuel cells 22 . In the fuel cell system 10 of this embodiment, air is used as the oxidizing gas, and gas containing hydrogen gas at a high concentration is used as the fuel gas.

なお、燃料電池セル22の具体的な構成は、特に限定されない。図示省略するが、例えば、各燃料電池セル22は、膜電極ガス拡散層接合体(Membrane Electrode and Gas Diffusion Layer Assembly:MEGA)と、アノード側セパレータと、カソード側セパレータと、支持フレームとを備える。膜電極ガス拡散層接合体は、アノード側ガス拡散層、アノード電極、電解質膜、カソード電極、及び、カソード側ガス拡散層が順に積層されることによって構成されている。 Note that the specific configuration of the fuel cell 22 is not particularly limited. Although not shown, each fuel cell 22 includes, for example, a membrane electrode and gas diffusion layer assembly (MEGA), an anode separator, a cathode separator, and a support frame. The membrane electrode gas diffusion layer assembly is constructed by laminating an anode gas diffusion layer, an anode electrode, an electrolyte membrane, a cathode electrode, and a cathode gas diffusion layer in this order.

図1に示すように、酸化ガス供給ユニット30は、酸化ガス(空気)を燃料電池スタック20に供給するためのユニットである。酸化ガス供給ユニット30は、コンプレッサ32と、酸化ガス供給経路34と、酸化ガス排出経路36と、分流経路38とを備える。コンプレッサ32は、酸化ガス供給経路34を介して、燃料電池スタック20に接続されている。燃料電池スタック20は、酸化ガス排出経路36に接続されている。酸化ガス供給経路34は、分流経路38を介して、酸化ガス排出経路36に接続されている。分流経路38には、分流弁(不図示)が設けられている。 As shown in FIG. 1, the oxidizing gas supply unit 30 is a unit for supplying oxidizing gas (air) to the fuel cell stack 20. The oxidizing gas supply unit 30 includes a compressor 32 , an oxidizing gas supply path 34 , an oxidizing gas exhaust path 36 , and a branch path 38 . The compressor 32 is connected to the fuel cell stack 20 via an oxidizing gas supply path 34. The fuel cell stack 20 is connected to an oxidizing gas exhaust path 36. The oxidizing gas supply path 34 is connected to the oxidizing gas exhaust path 36 via a branch path 38. The diversion path 38 is provided with a diversion valve (not shown).

以上の構成において、外部からコンプレッサ32に取り入れられた空気は、コンプレッサ32によって圧縮された後、酸化ガス供給経路34を介して、燃料電池スタック20内に流入する。このとき、分流経路38に設けられた分流弁が開弁されていると、酸化ガス供給経路34内の空気の一部は、燃料電池スタック20内に流入し、酸化ガス供給経路34内の空気の残部は、分流経路38を介して、酸化ガス排出経路36に流入する。燃料電池スタック20内に流入した空気は、分流経路38から合流した空気と共に、酸化ガス排出経路36から外部へ排出される。なお、特に限定されないが、酸化ガス供給ユニット30は、燃料電池スタック20に供給される空気の圧力を調整するための調圧弁、燃料電池スタック20から排出される空気の圧力(即ち、背圧)を調整する背圧弁等をさらに備えてもよい。 In the above configuration, air taken into the compressor 32 from the outside is compressed by the compressor 32 and then flows into the fuel cell stack 20 via the oxidizing gas supply path 34. At this time, if the diversion valve provided in the diversion path 38 is opened, part of the air in the oxidant gas supply path 34 flows into the fuel cell stack 20, and the air in the oxidation gas supply path 34 flows into the fuel cell stack 20. The remainder flows into the oxidizing gas discharge path 36 via the branch path 38. The air that has flowed into the fuel cell stack 20 is discharged to the outside from the oxidizing gas exhaust path 36 together with the air that has joined from the branch path 38 . Note that, although not particularly limited, the oxidizing gas supply unit 30 includes a pressure regulating valve for regulating the pressure of air supplied to the fuel cell stack 20, and a pressure of air discharged from the fuel cell stack 20 (i.e., back pressure). It may further include a back pressure valve or the like for adjusting the pressure.

図1に示すように、燃料ガス供給ユニット40は、燃料ガス(主に水素ガス)を燃料電池スタック20に供給するためのユニットである。燃料ガス供給ユニット40は、燃料ガスタンク42と、燃料ガス供給経路44と、供給制御弁46と、排気排水経路48と、気液分離器50と、循環経路52と、ポンプ54と、排気排水弁56とを備える。燃料ガスタンク42は、燃料ガス(主に水素ガス)を貯留している。燃料ガスタンク42は、燃料ガス供給経路44を介して、燃料電池スタック20の供給口20aに接続されている。燃料電池スタック20の供給口20aは、燃料電池スタック20内で、複数の燃料電池セル22の各々に接続されている。燃料ガス供給経路44には、供給制御弁46が設けられている。特に限定されないが、供給制御弁46は、インジェクタバルブやソレノイドバルブである。燃料電池スタック20の排出口20bは、排気排水経路48に接続されている。燃料電池スタック20の排出口20bは、燃料電池スタック20内で、複数の燃料電池セル22の各々に接続されている。排気排水経路48には、排気排水弁56が設けられている。 As shown in FIG. 1, the fuel gas supply unit 40 is a unit for supplying fuel gas (mainly hydrogen gas) to the fuel cell stack 20. The fuel gas supply unit 40 includes a fuel gas tank 42, a fuel gas supply path 44, a supply control valve 46, an exhaust drainage path 48, a gas-liquid separator 50, a circulation path 52, a pump 54, and an exhaust drainage valve. 56. The fuel gas tank 42 stores fuel gas (mainly hydrogen gas). The fuel gas tank 42 is connected to the supply port 20a of the fuel cell stack 20 via a fuel gas supply path 44. The supply port 20a of the fuel cell stack 20 is connected to each of the plurality of fuel cells 22 within the fuel cell stack 20. A supply control valve 46 is provided in the fuel gas supply path 44 . Although not particularly limited, the supply control valve 46 is an injector valve or a solenoid valve. The exhaust port 20b of the fuel cell stack 20 is connected to the exhaust drainage path 48. The exhaust port 20b of the fuel cell stack 20 is connected to each of the plurality of fuel cells 22 within the fuel cell stack 20. The exhaust drainage path 48 is provided with an exhaust drainage valve 56 .

循環経路52は、排気排水経路48から分岐して、燃料ガス供給経路44へ延びている。排気排水経路48から循環経路52が分岐する位置には、気液分離器50が設けられている。循環経路52には、ポンプ54が設けられている。ポンプ54は、正回転することによって、排気排水経路48から燃料ガス供給経路44へ向かう流れを形成する。これにより、燃料電池スタック20の排出口20bから排出されたオフガスは、気液分離器50を通過したのち、循環経路52を通じて燃料ガス供給経路44へと循環する。 The circulation path 52 branches from the exhaust drainage path 48 and extends to the fuel gas supply path 44 . A gas-liquid separator 50 is provided at a position where the circulation path 52 branches from the exhaust drainage path 48 . A pump 54 is provided in the circulation path 52 . By rotating forward, the pump 54 forms a flow from the exhaust drainage path 48 to the fuel gas supply path 44 . Thereby, the off-gas discharged from the exhaust port 20b of the fuel cell stack 20 passes through the gas-liquid separator 50 and then circulates through the circulation path 52 to the fuel gas supply path 44.

一例ではあるが、ポンプ54は、三相交流のモータを用いて逆回転可能なエンペラを備えるポンプであり、ウエスコ式、ルーツ式、スクロール式のポンプ等を採用することができる。そのため、制御装置60は、モータの交流電流を制御して、ポンプ54のエンペラを正回転及び逆回転させることができ、その正回転及び逆回転の回転数も制御することもできる。なお、本明細書において、ポンプ54を正回転及び逆回転させることには、ポンプ54のエンペラを正回転及び逆回転させることが含まれる。 Although this is just one example, the pump 54 is a pump that uses a three-phase alternating current motor and includes an emperor that can rotate in reverse, and a Wesco type, Roots type, scroll type pump, etc. can be adopted. Therefore, the control device 60 can control the alternating current of the motor to rotate the propeller of the pump 54 in forward and reverse directions, and can also control the rotation speed of the forward and reverse rotations. Note that, in this specification, rotating the pump 54 in forward and reverse directions includes rotating the emperor of the pump 54 in forward and reverse directions.

以上の構成において、供給制御弁46が開弁することにより、燃料ガスタンク42から供給される燃料ガスが、燃料ガス供給経路44を通過して、燃料電池スタック20の供給口20aに送出される。加えて、燃料ガス供給経路44には、燃料電池スタック20の排出口20bから排出されたオフガスが、循環経路52から合流する。これにより、燃料電池スタック20には、燃料ガスタンク42から供給される燃料ガスが、循環経路52から合流するオフガスと共に供給される。 In the above configuration, when the supply control valve 46 opens, the fuel gas supplied from the fuel gas tank 42 passes through the fuel gas supply path 44 and is sent to the supply port 20a of the fuel cell stack 20. In addition, off-gas discharged from the exhaust port 20b of the fuel cell stack 20 joins the fuel gas supply path 44 from the circulation path 52. Thereby, the fuel gas supplied from the fuel gas tank 42 is supplied to the fuel cell stack 20 together with the off-gas that merges from the circulation path 52.

燃料電池スタック20に供給された燃料ガスは、燃料電池スタック20内での反応後、オフガスとして排出口20bから排出される。排出されたオフガスは、排気排水経路48を介して気液分離器50に流入する。気液分離器50では、燃料電池スタック20における化学反応により生成された水及び一部のオフガスが除去される。当該水及び一部のオフガスは、排気排水弁56を開弁することによって、排気排水経路48から外部へ排出される。その一方で、水が除去された残部のオフガスは循環経路52へ供給される。循環経路52に設けられたポンプ54が正回転することによって、残部のオフガスが燃料ガス供給経路44に送出される。そのため、前述したように、残部のオフガスは、循環経路52を通じて燃料ガス供給経路44へと循環する。このように、燃料電池システム10では、オフガスが燃料電池スタック20で再利用される。 After the fuel gas supplied to the fuel cell stack 20 undergoes a reaction within the fuel cell stack 20, it is discharged from the exhaust port 20b as an off-gas. The discharged off-gas flows into the gas-liquid separator 50 via the exhaust drainage path 48. In the gas-liquid separator 50, water and some off-gas generated by the chemical reaction in the fuel cell stack 20 are removed. The water and a portion of the off-gas are discharged to the outside from the exhaust drainage path 48 by opening the exhaust drainage valve 56. On the other hand, the remaining off-gas from which water has been removed is supplied to the circulation path 52. By rotating the pump 54 provided in the circulation path 52 in the forward direction, the remaining off-gas is delivered to the fuel gas supply path 44 . Therefore, as described above, the remaining off-gas is circulated through the circulation path 52 to the fuel gas supply path 44 . In this manner, in the fuel cell system 10, off-gas is reused in the fuel cell stack 20.

図1に示すように、制御装置60は、プロセッサやメモリ等を有するコンピュータ装置である。制御装置60は、燃料電池スタック20、酸化ガス供給ユニット30のコンプレッサ32、燃料ガス供給ユニット40の供給制御弁46、及び、ポンプ54の各々と通信可能に接続されており、これらの動作を制御及び監視することができる。制御装置60は、外部からの要求電力に基づいて、燃料電池スタック20への要求電力を算出する。算出した要求電力に基づいて、制御装置60は、コンプレッサ32、供給制御弁46、及び、ポンプ54の各々を制御する。これにより、燃料電池スタック20に供給される空気の圧力及び燃料ガスの圧力が制御され、燃料電池スタック20からの出力電力が前述した要求電力に調整される。また、制御装置60は、排気排水弁56の開弁及び閉弁を制御することもできる。詳しくは後述するが、制御装置60は、燃料電池スタック20の始動時に、燃料電池スタック20内の残留ガスを燃料ガスで置換する処理、即ち、燃料ガス置換処理を実行可能に構成されている。なお、制御装置60は、単一のコンピュータ装置で構成されてもよいし、複数のコンピュータ装置の組み合わせで構成されてもよい。 As shown in FIG. 1, the control device 60 is a computer device including a processor, memory, and the like. The control device 60 is communicably connected to each of the fuel cell stack 20, the compressor 32 of the oxidizing gas supply unit 30, the supply control valve 46 of the fuel gas supply unit 40, and the pump 54, and controls their operations. and can be monitored. The control device 60 calculates the required power to the fuel cell stack 20 based on the externally requested power. Based on the calculated required power, the control device 60 controls each of the compressor 32, supply control valve 46, and pump 54. Thereby, the pressure of the air and the pressure of the fuel gas supplied to the fuel cell stack 20 are controlled, and the output power from the fuel cell stack 20 is adjusted to the above-mentioned required power. Further, the control device 60 can also control opening and closing of the exhaust and drain valve 56. As will be described in detail later, the control device 60 is configured to be able to perform a process of replacing residual gas in the fuel cell stack 20 with fuel gas, that is, a fuel gas replacement process when the fuel cell stack 20 is started. Note that the control device 60 may be configured with a single computer device or a combination of multiple computer devices.

次に、図2、3を参照して、制御装置60が実行する燃料ガス置換処理について説明する。制御装置60は、外部から燃料電池スタック20の始動指令を受けたときに、図2に示す燃料ガス置換処理を実行する。この燃料ガス置換処理では、0度以下の環境下において、燃料電池システム10を始動するときに、燃料ガス供給経路44から燃料電池スタック20の供給口20aへ燃料ガスを供給することで、排気排水経路48から燃料電池スタック20内の残留ガスが排出される。そして、燃料電池スタック20内における水素ガス濃度が所定値以上となった後に、燃料電池システム10を動作させることで、燃料電池スタック20の劣化を回避又は抑制することができる。 Next, the fuel gas replacement process executed by the control device 60 will be described with reference to FIGS. 2 and 3. The control device 60 executes the fuel gas replacement process shown in FIG. 2 when receiving a command to start the fuel cell stack 20 from the outside. In this fuel gas replacement process, when starting the fuel cell system 10 in an environment of 0 degrees or less, fuel gas is supplied from the fuel gas supply path 44 to the supply port 20a of the fuel cell stack 20, thereby eliminating exhaust drainage. Residual gas within the fuel cell stack 20 is exhausted from the path 48 . By operating the fuel cell system 10 after the hydrogen gas concentration within the fuel cell stack 20 reaches a predetermined value or more, deterioration of the fuel cell stack 20 can be avoided or suppressed.

図2に示すように、制御装置60は、先ず、燃料電池スタック20の温度が0度以下であるのか否かを判定する(ステップS10)。一例ではあるが、燃料電池スタック20の温度とは、燃料電池スタック20の排出口20bから排出される水の温度を意味する。ステップS10でNOの場合、制御装置60は、燃料ガス置換処理を終了する。なお、他の実施形態では、燃料電池スタック20の温度として、燃料電池スタック20の排出口20bから排出される水の温度に代えて、燃料電池スタック20内の各燃料電池セル22の温度等が採用されてもよい。 As shown in FIG. 2, the control device 60 first determines whether the temperature of the fuel cell stack 20 is 0 degrees or less (step S10). Although this is an example, the temperature of the fuel cell stack 20 means the temperature of water discharged from the discharge port 20b of the fuel cell stack 20. If NO in step S10, the control device 60 ends the fuel gas replacement process. Note that in other embodiments, the temperature of the fuel cell stack 20 may be the temperature of each fuel cell 22 in the fuel cell stack 20 instead of the temperature of water discharged from the outlet 20b of the fuel cell stack 20. May be adopted.

ステップS10でYESの場合、制御装置60は、供給制御弁46を開弁して(ステップS12)、排気排水弁56を開弁する(ステップS14)。さらに、制御装置60は、ポンプ54を逆回転させるための逆回転数を決定し(ステップS16)、決定した逆回転数でポンプ54を作動させる。前述したように、制御装置60は、循環経路52に設けられたポンプ54を任意の回転数で、逆回転させることができる。 If YES in step S10, the control device 60 opens the supply control valve 46 (step S12) and opens the exhaust drainage valve 56 (step S14). Furthermore, the control device 60 determines the reverse rotation speed for rotating the pump 54 in the reverse direction (step S16), and operates the pump 54 at the determined reverse rotation speed. As described above, the control device 60 can reversely rotate the pump 54 provided in the circulation path 52 at an arbitrary rotation speed.

供給制御弁46が開弁されることで、燃料ガスタンク42から燃料電池スタック20の供給口20aへ燃料ガスが供給され、燃料電池スタック20内の残留ガスが排出口20bから排気排水経路48へ排出される。排気排水経路48の残留ガスは、気液分離器50を通過し、排気排水弁56から外部へ排出される。このとき、循環経路52ではポンプ54が逆回転しているので、排気排水経路48の残留ガスが、気液分離器50から循環経路52へ流入することが禁止又は抑制される。これにより、燃料電池スタック20から排出された残留ガスが、循環経路52を通じて燃料電池スタック20へ流入することを禁止又は抑制される。 By opening the supply control valve 46, fuel gas is supplied from the fuel gas tank 42 to the supply port 20a of the fuel cell stack 20, and residual gas in the fuel cell stack 20 is discharged from the discharge port 20b to the exhaust drainage path 48. be done. The residual gas in the exhaust drainage path 48 passes through the gas-liquid separator 50 and is discharged to the outside from the exhaust drainage valve 56. At this time, since the pump 54 is rotating in the reverse direction in the circulation path 52, the residual gas in the exhaust drainage path 48 is prohibited or suppressed from flowing into the circulation path 52 from the gas-liquid separator 50. Thereby, residual gas discharged from the fuel cell stack 20 is prohibited or suppressed from flowing into the fuel cell stack 20 through the circulation path 52.

ポンプ54を逆回転させるときの逆回転数は、固定された値であってもよいし、様々な要因を加味して適宜決定される値であってもよい。一例ではあるが、本実施例の制御装置60は、燃料電池スタック20に供給される燃料ガスの供給流量に応じて、ポンプ54の逆回転数を決定するように構成されている。詳しくは、図2のステップS12において、制御装置60は、燃料電池スタック20内における燃料ガスの圧力に応じて、供給制御弁46の動作を制御する。これにより、燃料電池スタック20内における燃料ガスの圧力が、予め定められた目標圧力となるように、供給制御弁46による燃料ガスの供給流量が調整される。そして、図2のステップS16において、制御装置60は、供給制御弁46による燃料ガスの供給流量に応じて、ポンプ54の目標とする逆回転数を決定する。 The number of reverse rotations when the pump 54 is reversely rotated may be a fixed value, or may be a value that is appropriately determined in consideration of various factors. Although this is just one example, the control device 60 of this embodiment is configured to determine the reverse rotation speed of the pump 54 in accordance with the supply flow rate of fuel gas supplied to the fuel cell stack 20. Specifically, in step S12 in FIG. 2, the control device 60 controls the operation of the supply control valve 46 according to the pressure of the fuel gas within the fuel cell stack 20. As a result, the flow rate of fuel gas supplied by the supply control valve 46 is adjusted so that the pressure of the fuel gas within the fuel cell stack 20 reaches a predetermined target pressure. Then, in step S16 in FIG. 2, the control device 60 determines the target reverse rotation speed of the pump 54 according to the flow rate of fuel gas supplied by the supply control valve 46.

図3に示すように、供給制御弁46によって燃料電池スタック20に供給される燃料ガスの供給流量が多いときほど、ポンプ54の逆回転数は大きな値に設定される。このポンプ54の逆回転数としては、燃料電池スタック20から排気排水経路48へ排出された残留ガスが、循環経路52に流入することを防止するのに十分な回転数が採用される。またポンプ54の逆回転数は、燃料電池スタック20から排気排水経路48へ排出された残留ガスが、排気排水弁56から外部へ排出されることを阻害しない回転数であるとよい。なお、燃料電池スタック20に供給される燃料ガスの供給流量とポンプ54の逆回転数との関係は、実験的に得られたマップに基づいて定められてもよいし、シミュレーション等によって決定された計算式により定められてもよい。燃料電池スタック20に供給される燃料ガスの供給流量は、燃料電池スタック20に供給される燃料ガスの流量を測定した実測値であってもよいし、制御装置60による供給制御弁46の制御に基づいて燃料ガスの流量を推定した推定値であってもよい。 As shown in FIG. 3, the higher the flow rate of the fuel gas supplied to the fuel cell stack 20 by the supply control valve 46, the higher the reverse rotation speed of the pump 54 is set. The reverse rotational speed of the pump 54 is set to a rotational speed sufficient to prevent residual gas discharged from the fuel cell stack 20 into the exhaust and drainage path 48 from flowing into the circulation path 52. The reverse rotational speed of the pump 54 is preferably a rotational speed that does not inhibit the residual gas discharged from the fuel cell stack 20 to the exhaust drainage path 48 from being discharged to the outside from the exhaust drainage valve 56. Note that the relationship between the supply flow rate of the fuel gas supplied to the fuel cell stack 20 and the reverse rotation speed of the pump 54 may be determined based on an experimentally obtained map, or may be determined by simulation or the like. It may be determined by a calculation formula. The supply flow rate of the fuel gas supplied to the fuel cell stack 20 may be an actual value obtained by measuring the flow rate of the fuel gas supplied to the fuel cell stack 20, or may be a value determined by the control of the supply control valve 46 by the control device 60. It may be an estimated value obtained by estimating the flow rate of fuel gas based on the flow rate of the fuel gas.

次に、制御装置60は、燃料電池スタック20内における燃料ガス濃度(ここでは、水素ガス濃度)が所定値以上であるのか否かを判定する(ステップS20)。ここでいう所定値とは、例えば95パーセントである。燃料電池スタック20内における燃料ガス濃度は、制御装置60による供給制御弁46及び排気排水弁56の制御、燃料電池スタック20における発電量等に基づいて推測される推定値であってもよいし、センサ等により測定される実測値であってもよい。ステップS20でNOの場合、制御装置60は、ステップS12の処理に戻る。特に限定されないが、制御装置60は、ステップS12からステップS18までの処理を再び実行する際に、供給制御弁46及び排気排水弁56の開度やポンプ54の逆回転数等を変更してもよい。 Next, the control device 60 determines whether the fuel gas concentration (here, hydrogen gas concentration) in the fuel cell stack 20 is equal to or higher than a predetermined value (step S20). The predetermined value here is, for example, 95%. The fuel gas concentration within the fuel cell stack 20 may be an estimated value estimated based on the control of the supply control valve 46 and the exhaust/drain valve 56 by the control device 60, the amount of power generation in the fuel cell stack 20, etc. It may be an actual value measured by a sensor or the like. If NO in step S20, the control device 60 returns to the process of step S12. Although not particularly limited, the control device 60 may change the opening degrees of the supply control valve 46 and the exhaust/drain valve 56, the reverse rotation speed of the pump 54, etc. when executing the processes from step S12 to step S18 again. good.

ステップS20でYESの場合、制御装置60は、供給制御弁46及び排気排水弁56を閉弁するとともに、ポンプ54を停止させ(ステップS22)、燃料ガス置換処理を終了する。 If YES in step S20, the control device 60 closes the supply control valve 46 and the exhaust drainage valve 56, stops the pump 54 (step S22), and ends the fuel gas replacement process.

上記した構成では、図2に示す燃料ガス置換処理において、供給制御弁46が動作されることで、燃料ガスが燃料電池スタック20に供給されるとともに、排気排水弁56が開弁されることで、燃料電池スタック20内の残留ガスが外部に排出される。このとき、循環経路52に設けられたポンプ54が逆回転することで、残留ガスが燃料電池スタック20へ循環することを回避できる。即ち、燃料ガス置換処理中は、供給制御弁46の開弁によって供給される燃料ガスのみを燃料電池スタック20へ供給することができる。これにより、燃料ガス置換処理を短時間で完了することができる。 In the above configuration, in the fuel gas replacement process shown in FIG. 2, the supply control valve 46 is operated to supply fuel gas to the fuel cell stack 20, and the exhaust drain valve 56 is opened. , residual gas within the fuel cell stack 20 is discharged to the outside. At this time, the pump 54 provided in the circulation path 52 rotates in the opposite direction, thereby preventing the residual gas from circulating to the fuel cell stack 20. That is, during the fuel gas replacement process, only the fuel gas supplied by opening the supply control valve 46 can be supplied to the fuel cell stack 20. Thereby, the fuel gas replacement process can be completed in a short time.

上記した図2のステップS16において、制御装置60は、燃料ガスの供給流量にかかわらず、ポンプ54を逆回転させる回転数を所定の上限値以下に決定してもよい。一例ではあるが、排気排水弁56の排出最大流量を生じさせるポンプ54の回転数を、所定の上限値として採用することができる。このような構成によると、燃料ガス供給経路44から供給される燃料ガスが、循環経路52から排気排水経路48を通じて燃料電池スタック20へ逆流することを、回避することができる。言い換えると、本明細書に係る技術では、ポンプ54を逆回転させたときに、燃料ガス供給経路44の燃料ガスが、循環経路52へ流入することを必ずしも排除しない。 In step S16 of FIG. 2 described above, the control device 60 may determine the rotation speed at which the pump 54 is rotated in reverse to a predetermined upper limit value or less, regardless of the supply flow rate of the fuel gas. Although this is an example, the rotation speed of the pump 54 that causes the maximum discharge flow rate of the exhaust and drain valve 56 can be adopted as the predetermined upper limit value. According to such a configuration, it is possible to prevent the fuel gas supplied from the fuel gas supply path 44 from flowing back from the circulation path 52 to the fuel cell stack 20 through the exhaust drainage path 48. In other words, the technology according to this specification does not necessarily exclude that the fuel gas in the fuel gas supply path 44 flows into the circulation path 52 when the pump 54 is rotated in the reverse direction.

以上、いくつかの具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書又は図面に説明した技術要素は、単独であるいは組み合わせによって技術的有用性を発揮するものである。 Although several specific examples have been described in detail above, these are merely illustrative and do not limit the scope of the claims. The techniques described in the claims include various modifications and changes to the specific examples illustrated above. The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical utility alone or in combination.

10 :燃料電池システム
20 :燃料電池スタック
20a :供給口
20b :排出口
22 :燃料電池セル
30 :酸化ガス供給ユニット
32 :コンプレッサ
34 :酸化ガス供給経路
36 :酸化ガス排出経路
38 :分流経路
40 :燃料ガス供給ユニット
42 :燃料ガスタンク
44 :燃料ガス供給経路
46 :供給制御弁
48 :排気排水経路
50 :気液分離器
52 :循環経路
54 :ポンプ
56 :排気排水弁
60 :制御装置
10: Fuel cell system 20: Fuel cell stack 20a: Supply port 20b: Discharge port 22: Fuel cell 30: Oxidizing gas supply unit 32: Compressor 34: Oxidizing gas supply path 36: Oxidizing gas discharge path 38: Diversion path 40: Fuel gas supply unit 42 : Fuel gas tank 44 : Fuel gas supply path 46 : Supply control valve 48 : Exhaust drainage path 50 : Gas-liquid separator 52 : Circulation path 54 : Pump 56 : Exhaust drainage valve 60 : Control device

Claims (3)

燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの供給口に接続されているとともに、供給制御弁が設けられた燃料ガス供給経路と、
前記燃料電池スタックの排出口に接続されているとともに、排気排水弁が設けられた排気排水経路と、
前記排気排水経路から前記燃料ガス供給経路へ延びており、前記燃料電池スタックから排出されたオフガスを前記燃料ガス供給経路へ循環させる循環経路と、
前記循環経路に設けられているとともに、正回転することによって前記オフガスを前記燃料ガス供給経路に送出するポンプと、
前記供給制御弁、前記ポンプ、及び、前記排気排水弁の動作を制御することによって、前記燃料電池スタックの始動時に燃料ガス置換処理を実行可能な制御装置と、
を備え、
前記燃料ガス置換処理において、前記制御装置は、前記供給制御弁を開弁するとともに、前記排気排水弁を開弁した状態で、前記ポンプを逆回転させる、
燃料電池システム。
fuel cell stack,
a fuel gas supply path connected to the supply port of the fuel cell stack and provided with a supply control valve;
an exhaust drainage path connected to the exhaust port of the fuel cell stack and provided with an exhaust drainage valve;
a circulation path that extends from the exhaust drainage path to the fuel gas supply path and circulates off-gas discharged from the fuel cell stack to the fuel gas supply path;
a pump that is provided in the circulation path and sends the off-gas to the fuel gas supply path by rotating in the forward direction;
a control device capable of executing fuel gas replacement processing at the time of startup of the fuel cell stack by controlling operations of the supply control valve, the pump, and the exhaust and drain valve;
Equipped with
In the fuel gas replacement process, the control device opens the supply control valve and rotates the pump in the opposite direction with the exhaust and drainage valve open.
fuel cell system.
前記燃料ガス置換処理において、前記制御装置は、前記供給制御弁の動作を制御することにより前記燃料電池スタックに供給される燃料ガス供給流量に応じて、前記ポンプを逆回転させる回転数を決定する、請求項1に記載の燃料電池システム。 In the fuel gas replacement process, the control device determines the rotation speed at which the pump is rotated in reverse according to the fuel gas supply flow rate supplied to the fuel cell stack by controlling the operation of the supply control valve. , The fuel cell system according to claim 1. 前記制御装置は、前記燃料ガス供給流量にかかわらず、前記ポンプを逆回転させる前記回転数を所定の上限値以下に決定する、請求項2に記載の燃料電池システム。
3. The fuel cell system according to claim 2, wherein the control device determines the rotation speed at which the pump is reversely rotated to be equal to or less than a predetermined upper limit value, regardless of the fuel gas supply flow rate.
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