JP4106960B2 - Fuel cell system - Google Patents

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JP4106960B2
JP4106960B2 JP2002138905A JP2002138905A JP4106960B2 JP 4106960 B2 JP4106960 B2 JP 4106960B2 JP 2002138905 A JP2002138905 A JP 2002138905A JP 2002138905 A JP2002138905 A JP 2002138905A JP 4106960 B2 JP4106960 B2 JP 4106960B2
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    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池システムに係り、特に、起動時間を短縮することができる燃料電池システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
例えば、燃料電池システムの起動方法として、特許第2735396号に記載されたものがある。
この従来例では、燃料電池システムの起動時は、燃料と空気を供給し、燃料電池の出力電圧を監視し、この出力電圧値が電圧許容下限値を超えた時点で、電力負荷を取り出すようにしている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、燃料電池の出力電圧が上昇した状態であっても、電力負荷を取り出すと問題が起こる場合がある。
例えば、燃料電池システムを長時間運転せずに放置した場合を考える。放置状態では、燃料電池の燃料極及び燃料配管内の燃料ガスは、システム外に徐々に拡散したり、徐々に燃料電池内で空気中の酸素と反応して失われるため、燃料極及び燃料配管内は空気、または窒素が充満した状態となる。
【0004】
ここで、燃料電池システムを起動するために、燃料極、空気極にそれぞれ燃料ガス、空気を供給すると、燃料極または燃料通路内の空気が燃料ガスに十分置き換わっていなくても、すぐに燃料電池の出力電圧は立ち上がる。しかし、ここですぐに負荷を取り出すと、燃料通路または燃料極内の燃料ガス濃度が不充分なため、急激な電圧降下が発生し、負荷を安定して取り出せないという問題点があった。
【0005】
本発明は、上記従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、長時間放置後であっても確実にかつ短時間で起動できる燃料電池システムを提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するため、電解質膜を挟んで燃料極と酸化剤極が対設された燃料電池本体と、燃料ガスとして水素ガスを貯蔵する水素タンクと、該水素タンクから供給される水素ガスの圧力を調整する可変絞り弁と、該可変絞り弁で圧力調整された水素ガスを燃料極へ供給する燃料ガス供給通路と、燃料電池運転中に燃料電池本体から排出された燃料ガスを一時的に外に排出するパージと、を備えた燃料電池システムにおいて、前記パージ開弁時の開口面積より大きい開弁時の開口面積を有し、燃料電池の起動時に燃料電池本体から排出された燃料ガスを外へ排出する燃料ガス排出と、燃料電池本体の燃料極のガス圧力を検出する圧力検出手段と、を備え、燃料電池システムの起動時に、前記圧力検出手段が検出する燃料極のガス圧力が一定となるように燃料ガスを供給しつつ、燃料ガスを前記燃料ガス排出から排出することにより、前記燃料ガス供給通路および燃料電池本体の燃料極を、燃料ガスで置換する燃料ガス置換を行うことを要旨とする。
【0007】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料電池システムの起動時に、燃料ガス通路および燃料電池の燃料極が確実に燃料ガスで置換され、長時間放置の後であっても確実にかつ短時間で起動できるという効果がある。
【0008】
【発明の実施の形態】
次に図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
〔第1実施形態〕
図1は、本発明に係る燃料電池システムの第1実施形態の構成を説明する構成図である。同図において、燃料電池本体である燃料電池スタック1は、固体高分子電解質膜を挟んで酸化剤極と燃料極を対設した燃料電池構造体をセパレータで挟持し、複数これを積層したものである。燃料としては水素、酸化剤としては空気を用いる。
【0009】
水素タンク2(燃料ガス供給手段)の水素ガスは、可変絞り弁3を介して燃料電池スタック1に供給される。可変絞り弁3は、通常運転時は、燃料電池スタック1への水素供給圧が適正になるようにコントローラ14で制御される。
【0010】
可変絞り弁3と燃料電池スタック1の間の水素配管4(燃料ガス供給通路)には、イジェクタ5が設けられる。燃料電池スタック1から排出される余剰水素は、水素戻り配管6からイジェクタ5の吸入口に戻され、通常運転時は、イジェクタ5で水素を循環させることにより、燃料電池スタック1の反応効率を上げている。
【0011】
開閉弁7は、通常運転時に、例えば燃料電池スタック1内の水素通路が水で閉塞された場合等に、一時的に水素ラインをパージするためのパージ弁(パージ手段)である。
【0012】
開閉弁8は、起動時に水素ラインを水素で置換するための、水素置換バルブ(燃料ガス排出手段)であり、パージ弁7より大きな開口面積に設定する。
【0013】
圧力センサ9は、燃料電池スタック1に供給される水素圧を検知し、コントローラ14が可変絞り弁3を制御する際に用いるとともに、後述するように、本発明での水素置換においても用いる。
【0014】
コンプレッサ10は、空気を圧縮して燃料電池スタック1の酸化剤極の入口へ供給し、酸化剤極の出口に設けられた空気圧調整弁12により酸化剤極の空気圧が調整される。燃料電池スタック1への空気の供給及び空気圧の制御は、コントローラ14がコンプレッサ10及び空気圧調整弁12を制御することにより行われる。
【0015】
次に、上記構成による燃料電池システムの起動時の処理概要を、図2のフローチャートに基づいて説明する。
まず、ステップ(以下、ステップをSと略す)11で起動操作を開始すると、燃料ガス通路及び燃料極を燃料ガスで置換する燃料ガス置換開始の指示が出る。
【0016】
S12で水素置換バルブ8を開き、続いてS13でスタック水素極圧力(スタック水素入口圧力)、すなわち圧力センサ9で検知した圧力が略一定(例えば0.2バール程度)となるように、可変絞り弁3の開度を調整しながらシステムに水素を供給して、水素ライン内を新規に供給した水素で置き換える水素置換(燃料ガス置換)を行う。
【0017】
S14で置換時間が所定時間(例えば10秒程度)となったら、水素ラインが十分置換されたと判定し、水素置換を終了、すなわち可変絞り弁3を閉じて水素の供給を止め、S15で水素置換バルブ8を閉じ、S16では、水素置換を終了して、通常運転操作に基づき空気、水素を供給し、電力負荷取り出しを開始する。
【0018】
S14での所定時間は、燃料電池システムの水素ラインが、例えば空気で充満されている場合でも十分に置換できる時間を、予め実験的に求めておき設定する。
【0019】
なお、本実施形態では、パージ弁とは別に、パージ弁より開口面積の大きい水素置換バルブを設けた。バルブを別個に設けたのは、パージ弁は燃料消費率を悪化させないために、必要最小限の大きさとしたいが、そうすると、起動時の水素置換で、大きな流量を流そうとした時に圧損が大きくなってしまうためである。
【0020】
もちろん、一つの開閉弁をパージ弁兼水素置換バルブとして用いても構わない。この場合、バルブを大きくすると、通常運転中にパージする時にパージ流量が不必要に多くなり、燃料消費が増える。また、バルブを小さくすると、起動時に水素置換流量を大きくしようとすると、バルブの圧損により燃料電池スタック1にかかる圧力が高くなっていまい、燃料電池スタック1にダメージを与えてしまうおそれがあり、水素置換流量を小さくせざるをえなくなり、必要な置換時間が長くなり、起動時間が延びてしまう。
【0021】
そこで、パージ弁兼水素置換バルブとして用いる開閉弁は、単なる開閉弁ではなくて、2段階の開度を有するバルブとする。そしてパージ弁として動作する場合の第1の開度より、水素置換バルブとして動作する場合の第2の開度の方が大きい開口面積とする。
【0022】
このように、バルブ一つとすることにより、低コスト化が可能であり、燃料消費率、起動時間、コストのバランスで、バルブを一つにするか二つにするか選択すべきである。
【0023】
以上説明したように本実施形態によれば、燃料電池システムの起動時に、燃料極のガス圧力が略一定となるように燃料ガスを供給しつつ、燃料ガスを水素置換バルブ(燃料ガス排出手段)から排出することにより、燃料ガス通路および燃料電池本体の燃料極を、燃料ガスで置換する燃料ガス置換を行うようにしたので、確実に必要十分な水素置換を行うことができ、長期間放置後であっても、短時間で確実な起動が可能となるという効果がある。
【0024】
また、パージ弁(パージ手段)より開口面積の大きい水素置換バルブ(燃料ガス排出手段)を備えたことにより、迅速な燃料ガス置換と燃費の向上とを両立させることができる。
【0025】
さらに、燃料極のガス圧力が略一定となるように燃料ガスを供給する燃料ガス置換が所定時間が経過したら終了させるようにしたので、簡単な制御で燃料ガス置換の終了を判定できる。
【0026】
なお、本実施形態においては、イジェクタで水素を循環させるシステムについて説明してきたが、例えば、外部動力による水素循環ポンプを用いて水素を循環させるシステム、水素を循環させないシステムにおいても本発明を適用可能であることは言うまでもない。
【0027】
〔第2実施形態〕
第2実施形態の構成は、図1に示した第1実施形態の構成と同様である。第1実施形態において、スタック入口の圧力が一定となるように燃料ガス置換を行う場合、図3に示すように、置換開始からの供給水素流量の時間変化は、置換時の水素圧力と水素置換バルブの開口面積で決まる流量まで、時間とともに増加していく。実線が、起動前に水素ラインが完全に空気で充満していた場合、破線は、起動前に水素が一部残存していた場合である。
【0028】
このように水素濃度が高まるほど水素供給流量が増加するのは、水素より空気(酸素及び窒素)の方が分子量が大きく、等圧力差で水素置換バルブを通過する体積流量は、空気の方が少ないからである。
【0029】
よって、第2実施形態では、水素供給流量に関連する値を検出する流量関連値検出手段を備え、起動時の水素置換において、流量関連値検出手段が検出した値が所定値以上になったら、置換を終了するようにして、水素ライン中の水素残存の度合い(濃度)に応じて、必要最小限の時間で、十分な置換が行える。尚、流量関連値検出手段として、直接水素ガス流量を検出する流量センサを図1の水素配管4に備えてもよい。
【0030】
本実施形態の基本的な処理手順を、図4のフローチャートで説明する。S21からS23までの流れは、第1実施形態のS11からS13までと同様である。S24にて、水素供給量が所定値(例えば100L/分程度)以上であるか否かを判定する。S24の判定で所定値未満であればS23へ戻る。S24の判定で所定値以上であれば、S25で可変絞り弁3を閉じ、S26で水素置換バルブ8を閉じ、S27で置換を終了する。
【0031】
次に、本実施形態での供給水素流量の検出方法を説明する。
図5に示すように、可変絞り弁3の開度と水素供給流量との間には、一意の関係があるため、流量関連値検出手段として可変絞り弁3の開度を検出することで水素流量が検出できる。
【0032】
従って、図6のフローチャートのS34にて、可変絞り弁3の開度が所定値以上かどうか判定することにより、水素置換の終了を判定すればよい。
【0033】
以上説明してきたように、本実施形態によれば、燃料電池本体の燃料極内、または燃料ガス通路内の燃料ガス濃度に関連する値を検出する濃度関連値検出手段を備え、この濃度関連値検出手段が検出した値に基づいて燃料ガス置換を終了させるようにしたので、水素ライン中の水素残存の度合い(濃度)に応じて、水素置換時間を必要最小限にでき、確実に、かつ短時間で起動することができる。
【0034】
また、上述した特性を利用することで水素ライン中の水素残存の度合いを燃料ガス供給流量から判断することで水素濃度検出専用のセンサも必要ない。
さらに、流量関連値検出手段として可変絞り弁開度から燃料ガス供給流量を判断するので高精度の流量計を用いることなく燃料ガス置換の終了を検出することができる。
【0035】
〔第3実施形態〕
第2実施形態において、可変絞り弁の開度の検出精度が十分でない場合、十分な置換がなされていないのに置換が終了したり、実際の水素流量が十分増加しても、弁開度を十分大きいと判断せずに置換が終わらなくなる不具合が予測される。
【0036】
そこで、本実施形態では、第2実施形態に対し、置換終了判定する水素可変絞り弁開度の敷居値をやや低くする代わりに、開度が敷居値を超えた後も所定時間(例えば3秒程度)置換を継続するようにした。
【0037】
図7にフローチャートを示す。図6の第2実施形態のフローに対し、S45を追加したフローであり、可変絞り弁開度が所定値を超えた後も、所定時間燃料ガス置換を継続するようにした。
【0038】
以上説明してきたように、本実施形態によれば、可変絞り弁の開度が所定値を超えてから所定時間経過後に燃料ガス置換を終了するようにしたので、可変絞り弁開度の検出精度が不充分な、安価なバルブを用いても、確実に、かつ短時間で起動することができる。
【0039】
〔第4実施形態〕
図8は、本発明に係る燃料電池システムの第4実施形態の構成を示す構成図である。第1、第2実施形態と構成上の相違は、イジェクタ5の上流で燃料ガス圧力を検出する第2圧力検出手段として圧力センサ13を追加したことである。その他の構成は、図1に示した第1、2実施形態と同様であるので、同一構成要素には同じ符号を付与して、重複する説明を省略する。
【0040】
イジェクタ5は、その入口側のノズルが絞りとして作用し、圧損が発生するため、図9に示すように、その入口圧力と供給水素流量との間には一意の関係がある。
【0041】
従って、図10のフローチャートに示すように、S54にて、圧力センサ13が検出したイジェクタ入口圧力が所定値(例えば1バール程度)以上かを判定して、所定値以上の場合置換を終了することにより、第2実施形態と同様な効果が得られるのである。
【0042】
本実施形態においても、イジェクタ5上流の圧力センサ13の精度が不足する場合は、前述したような不具合が発生するおそれがある。
【0043】
このような場合は、図11のフローチャートに示すように、S64で圧力センサ13が検出したイジェクタ入口圧力が所定値(例えば0.8バール程度)を超えた後、S65で所定時間(例えば3秒程度)置換を継続するようにすれば、安価な圧力センサであっても、短時間で確実に燃料電池システムを起動することができる。
【0044】
以上説明したように、本実施形態によれば、イジェクタ上流の燃料ガス圧力を検出する圧力センサ13(第2圧力検出手段)を備え、この圧力センサ13が検出した燃料ガス圧力に基づいて燃料ガス置換を終了させるようにしたので、既存のイジェクタの特性を利用して、簡単、確実かつ短時間での燃料電池システムの起動ができる。
【0045】
また、圧力センサ13が検出したイジェクタ入口圧力が所定値を超えてから所定時間経過後に燃料ガス置換を終了するようにしたので、ガス圧力の検出精度が不充分な、安価な圧力センサを用いても、確実に、かつ短時間で起動することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る燃料電池システムの第1実施形態の構成を説明する構成図である。
【図2】第1実施形態における燃料電池システム起動時の燃料ガス置換動作を説明するフローチャートである。
【図3】圧力一定で水素を供給した場合の経過時間に対する水素供給流量を示す図である。
【図4】第2実施形態における燃料電池システム起動時の燃料ガス置換動作を説明するフローチャートである。
【図5】可変絞り弁開度に対する供給水素流量を示す図である。
【図6】第2実施形態における燃料電池システム起動時の燃料ガス置換動作を説明するフローチャートである。
【図7】第3実施形態における燃料電池システム起動時の燃料ガス置換動作を説明するフローチャートである。
【図8】本発明に係る燃料電池システムの第4実施形態の構成を説明する構成図である。
【図9】イジェクタ入口圧に対する供給水素流量を示す図である。
【図10】第4実施形態における燃料電池システム起動時の燃料ガス置換動作を説明するフローチャートである。
【図11】第4実施形態における燃料電池システム起動時の燃料ガス置換動作を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
1…燃料電池スタック(燃料電池本体)
2…水素タンク
3…可変絞り弁
4…水素配管(燃料ガス供給通路)
5…イジェクタ
6…水素戻り配管
7…パージ弁
8…水素置換バルブ(燃料ガス排出手段)
9…圧力センサ(圧力検出手段)
10…コンプレッサ
11…空気配管
12…空気圧調整弁
13…圧力センサ(第2圧力検出手段)
14…コントローラ
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system capable of shortening a startup time.
[0002]
[Prior art]
For example, there is a method described in Japanese Patent No. 2735396 as a method for starting a fuel cell system.
In this conventional example, when the fuel cell system is started, fuel and air are supplied, the output voltage of the fuel cell is monitored, and the power load is taken out when the output voltage value exceeds the allowable voltage lower limit value. ing.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, even when the output voltage of the fuel cell is increased, there may be a problem if the power load is taken out.
For example, consider a case where the fuel cell system is left without operating for a long time. When left unattended, the fuel gas in the fuel electrode and fuel pipe of the fuel cell gradually diffuses out of the system or gradually reacts with oxygen in the air inside the fuel cell and is lost. The inside is filled with air or nitrogen.
[0004]
Here, when fuel gas and air are supplied to the fuel electrode and the air electrode, respectively, to start the fuel cell system, the fuel cell is immediately replaced even if the air in the fuel electrode or fuel passage is not sufficiently replaced by the fuel gas. The output voltage rises. However, if the load is taken out immediately here, the concentration of the fuel gas in the fuel passage or the fuel electrode is insufficient, so that a sudden voltage drop occurs and the load cannot be taken out stably.
[0005]
The present invention has been made to solve the above-described problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system that can be reliably and quickly started even after being left for a long time. .
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above-mentioned object, the present invention provides a fuel cell main body in which a fuel electrode and an oxidant electrode are provided with an electrolyte membrane interposed therebetween, a hydrogen tank that stores hydrogen gas as fuel gas, and a hydrogen tank that is supplied from the hydrogen tank. a variable throttle valve for adjusting the pressure of the hydrogen gas, the variable throttle valve and the fuel gas supply passage for supplying the hydrogen gas pressure regulator to the fuel electrode, the fuel gas discharged from the fuel cell body in the fuel cell operation in temporary fuel cell system comprising a purge valve, the discharged to the outside air, and has an opening area at the opening area larger than the opening at the valve opening of the purge valve, the fuel cell when starting the fuel cell a fuel gas exhaust valve for discharging the fuel gas discharged from the main body to the outside air, a pressure detection means for detecting the gas pressure of the fuel electrode of the fuel cell main body, provided with, at the time of starting the fuel cell system, the pressure detecting means Detected by While supplying the fuel gas to the pole of the gas pressure is a constant, by discharging the fuel gas from the fuel gas discharging valve, the fuel electrode of the fuel gas supply passage and the fuel cell body, replaced with the fuel gas The main point is to perform the replacement of the fuel gas.
[0007]
【The invention's effect】
According to the present invention, when the fuel cell system is started, the fuel gas passage and the fuel electrode of the fuel cell are surely replaced with the fuel gas, and even after being left for a long time, the start can be performed reliably and in a short time. There is.
[0008]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[First Embodiment]
FIG. 1 is a configuration diagram illustrating the configuration of a first embodiment of a fuel cell system according to the present invention. In the figure, a fuel cell stack 1 as a fuel cell main body is a structure in which a fuel cell structure in which a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between an oxidant electrode and a fuel electrode is sandwiched between separators, and a plurality of them are stacked. is there. Hydrogen is used as the fuel, and air is used as the oxidant.
[0009]
Hydrogen gas in the hydrogen tank 2 (fuel gas supply means) is supplied to the fuel cell stack 1 via the variable throttle valve 3. The variable throttle valve 3 is controlled by the controller 14 so that the hydrogen supply pressure to the fuel cell stack 1 becomes appropriate during normal operation.
[0010]
An ejector 5 is provided in the hydrogen pipe 4 (fuel gas supply passage) between the variable throttle valve 3 and the fuel cell stack 1. Excess hydrogen discharged from the fuel cell stack 1 is returned from the hydrogen return pipe 6 to the intake port of the ejector 5, and during normal operation, the hydrogen is circulated through the ejector 5 to increase the reaction efficiency of the fuel cell stack 1. ing.
[0011]
The on-off valve 7 is a purge valve (purge means) for temporarily purging the hydrogen line during normal operation, for example, when the hydrogen passage in the fuel cell stack 1 is blocked with water.
[0012]
The on-off valve 8 is a hydrogen replacement valve (fuel gas discharge means) for replacing the hydrogen line with hydrogen at the time of activation, and is set to have an opening area larger than that of the purge valve 7.
[0013]
The pressure sensor 9 detects the hydrogen pressure supplied to the fuel cell stack 1, and is used when the controller 14 controls the variable throttle valve 3, and also used in hydrogen replacement in the present invention as will be described later.
[0014]
The compressor 10 compresses air and supplies the compressed air to the inlet of the oxidant electrode of the fuel cell stack 1, and the air pressure of the oxidant electrode is adjusted by the air pressure adjusting valve 12 provided at the outlet of the oxidant electrode. Supply of air to the fuel cell stack 1 and control of air pressure are performed by the controller 14 controlling the compressor 10 and the air pressure adjusting valve 12.
[0015]
Next, an outline of processing at the time of startup of the fuel cell system having the above configuration will be described based on the flowchart of FIG.
First, when starting operation is started in step (hereinafter, step is abbreviated as S) 11, a fuel gas replacement start instruction for replacing the fuel gas passage and the fuel electrode with fuel gas is issued.
[0016]
In step S12, the hydrogen replacement valve 8 is opened, and in step S13, the stack hydrogen electrode pressure (stack hydrogen inlet pressure), that is, the variable throttle is adjusted so that the pressure detected by the pressure sensor 9 becomes substantially constant (for example, about 0.2 bar). Hydrogen replacement (fuel gas replacement) is performed by supplying hydrogen to the system while adjusting the opening of the valve 3 and replacing the hydrogen line with newly supplied hydrogen.
[0017]
When the replacement time reaches a predetermined time (for example, about 10 seconds) in S14, it is determined that the hydrogen line has been sufficiently replaced, and the hydrogen replacement is completed, that is, the variable throttle valve 3 is closed and the supply of hydrogen is stopped, and the hydrogen replacement is performed in S15. The valve 8 is closed, and in S16, the hydrogen replacement is completed, air and hydrogen are supplied based on the normal operation, and the electric power load extraction is started.
[0018]
The predetermined time in S14 is set by experimentally obtaining in advance a time when the hydrogen line of the fuel cell system can be sufficiently replaced even when it is filled with air, for example.
[0019]
In this embodiment, a hydrogen replacement valve having an opening area larger than that of the purge valve is provided separately from the purge valve. The valve is provided separately so that the purge valve does not deteriorate the fuel consumption rate, so it is desired to make it as small as possible. However, if this is done, the pressure loss will be large when trying to flow a large flow rate by hydrogen replacement at startup. This is because it becomes.
[0020]
Of course, one on-off valve may be used as a purge valve and a hydrogen replacement valve. In this case, if the valve is enlarged, the purge flow rate is unnecessarily increased when purging during normal operation, and fuel consumption increases. In addition, if the valve is made smaller and the hydrogen replacement flow rate is increased at the time of startup, the pressure applied to the fuel cell stack 1 is increased due to the pressure loss of the valve, which may cause damage to the fuel cell stack 1. The replacement flow rate must be reduced, the required replacement time is lengthened, and the startup time is extended.
[0021]
Therefore, the opening / closing valve used as the purge valve / hydrogen replacement valve is not a simple opening / closing valve but a valve having a two-stage opening degree. Then, the opening area of the second opening when operating as a hydrogen replacement valve is larger than the first opening when operating as a purge valve.
[0022]
In this way, the cost can be reduced by using one valve, and one or two valves should be selected according to the balance of fuel consumption rate, start-up time, and cost.
[0023]
As described above, according to the present embodiment, when the fuel cell system is started, the fuel gas is supplied so that the gas pressure of the fuel electrode becomes substantially constant, and the fuel gas is replaced with a hydrogen replacement valve (fuel gas discharge means). Since the fuel gas passage that replaces the fuel gas passage and the fuel electrode of the fuel cell main body with the fuel gas is performed by exhausting from the fuel cell, the necessary and sufficient hydrogen replacement can be surely performed. Even so, there is an effect that reliable start-up is possible in a short time.
[0024]
Further, by providing a hydrogen replacement valve (fuel gas discharge means) having an opening area larger than that of the purge valve (purge means), both rapid fuel gas replacement and improved fuel efficiency can be achieved.
[0025]
Furthermore, since the fuel gas replacement for supplying the fuel gas is terminated when a predetermined time has elapsed so that the gas pressure of the fuel electrode becomes substantially constant, the end of the fuel gas replacement can be determined by simple control.
[0026]
In this embodiment, a system for circulating hydrogen with an ejector has been described. However, for example, the present invention can be applied to a system that circulates hydrogen using a hydrogen circulation pump that uses external power or a system that does not circulate hydrogen. Needless to say.
[0027]
[Second Embodiment]
The configuration of the second embodiment is the same as the configuration of the first embodiment shown in FIG. In the first embodiment, when the fuel gas replacement is performed so that the pressure at the stack inlet is constant, as shown in FIG. 3, the time change of the supplied hydrogen flow rate from the start of the replacement is the hydrogen pressure at the time of replacement and the hydrogen replacement. The flow rate increases with time until the flow rate is determined by the opening area of the valve. The solid line is when the hydrogen line is completely filled with air before start-up, and the broken line is when some hydrogen remains before start-up.
[0028]
As the hydrogen concentration increases, the hydrogen supply flow rate increases because the molecular weight of air (oxygen and nitrogen) is larger than that of hydrogen, and the volume flow rate passing through the hydrogen replacement valve with an equal pressure difference is higher for air. Because there are few.
[0029]
Therefore, in the second embodiment, it is provided with flow rate related value detection means for detecting a value related to the hydrogen supply flow rate, and when the value detected by the flow rate related value detection means in the hydrogen replacement at the time of startup becomes a predetermined value or more, By completing the replacement, sufficient replacement can be performed in the minimum necessary time according to the degree (concentration) of remaining hydrogen in the hydrogen line. In addition, you may provide the flow rate sensor which detects a hydrogen gas flow rate directly in the hydrogen piping 4 of FIG.
[0030]
The basic processing procedure of this embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG. The flow from S21 to S23 is the same as S11 to S13 in the first embodiment. In S24, it is determined whether or not the hydrogen supply amount is a predetermined value (for example, about 100 L / min) or more. If the determination in S24 is less than the predetermined value, the process returns to S23. If the determination in S24 is greater than or equal to the predetermined value, the variable throttle valve 3 is closed in S25, the hydrogen replacement valve 8 is closed in S26, and the replacement is terminated in S27.
[0031]
Next, a method for detecting the supply hydrogen flow rate in this embodiment will be described.
As shown in FIG. 5, since there is a unique relationship between the opening degree of the variable throttle valve 3 and the hydrogen supply flow rate, hydrogen is detected by detecting the opening degree of the variable throttle valve 3 as flow rate related value detection means. The flow rate can be detected.
[0032]
Therefore, in S34 of the flowchart of FIG. 6, the end of the hydrogen replacement may be determined by determining whether the opening of the variable throttle valve 3 is equal to or greater than a predetermined value.
[0033]
As described above, according to the present embodiment, the concentration related value detecting means for detecting a value related to the fuel gas concentration in the fuel electrode of the fuel cell main body or in the fuel gas passage is provided, and this concentration related value is provided. Since the replacement of the fuel gas is terminated based on the value detected by the detection means, the hydrogen replacement time can be minimized, reliably and shortly according to the degree of hydrogen remaining (concentration) in the hydrogen line. Can be activated in time.
[0034]
Further, a sensor dedicated to hydrogen concentration detection is not required by using the above-described characteristics to determine the degree of hydrogen remaining in the hydrogen line from the fuel gas supply flow rate.
Furthermore, since the fuel gas supply flow rate is determined from the variable throttle valve opening as the flow rate related value detection means, it is possible to detect the end of the fuel gas replacement without using a highly accurate flow meter.
[0035]
[Third Embodiment]
In the second embodiment, if the detection accuracy of the opening of the variable throttle valve is not sufficient, even if the replacement is completed even if the replacement is not complete or the actual hydrogen flow rate is sufficiently increased, It is predicted that the replacement will not end without judging that it is sufficiently large.
[0036]
Therefore, in the present embodiment, in contrast to the second embodiment, instead of lowering the threshold value of the hydrogen variable throttle valve opening degree for determining the completion of replacement, a predetermined time (for example, 3 seconds) after the opening degree exceeds the threshold value is set. Degree) The substitution was continued.
[0037]
FIG. 7 shows a flowchart. 6 is a flow in which S45 is added to the flow of the second embodiment of FIG. 6, and the fuel gas replacement is continued for a predetermined time even after the variable throttle valve opening exceeds a predetermined value.
[0038]
As described above, according to the present embodiment, since the fuel gas replacement is terminated after a predetermined time has elapsed since the opening of the variable throttle valve exceeds the predetermined value, the detection accuracy of the variable throttle valve opening is determined. However, even if an inexpensive valve that is insufficient is used, it can be started reliably and in a short time.
[0039]
[Fourth Embodiment]
FIG. 8 is a configuration diagram showing the configuration of the fourth embodiment of the fuel cell system according to the present invention. A difference in configuration from the first and second embodiments is that a pressure sensor 13 is added as second pressure detection means for detecting the fuel gas pressure upstream of the ejector 5. Since other configurations are the same as those of the first and second embodiments shown in FIG. 1, the same reference numerals are given to the same components, and duplicate descriptions are omitted.
[0040]
The ejector 5 has a unique relationship between the inlet pressure and the supply hydrogen flow rate, as shown in FIG. 9, because the nozzle on the inlet side acts as a throttle and pressure loss occurs.
[0041]
Therefore, as shown in the flowchart of FIG. 10, in S54, it is determined whether the ejector inlet pressure detected by the pressure sensor 13 is equal to or higher than a predetermined value (for example, about 1 bar). Thus, the same effect as in the second embodiment can be obtained.
[0042]
Also in the present embodiment, when the accuracy of the pressure sensor 13 upstream of the ejector 5 is insufficient, the above-described problems may occur.
[0043]
In such a case, as shown in the flowchart of FIG. 11, after the ejector inlet pressure detected by the pressure sensor 13 at S64 exceeds a predetermined value (for example, about 0.8 bar), a predetermined time (for example, 3 seconds) at S65. If the replacement is continued, the fuel cell system can be reliably started in a short time even with an inexpensive pressure sensor.
[0044]
As described above, according to the present embodiment, the pressure sensor 13 (second pressure detecting means) that detects the fuel gas pressure upstream of the ejector is provided, and the fuel gas is detected based on the fuel gas pressure detected by the pressure sensor 13. Since the replacement is terminated, the fuel cell system can be started simply, reliably and in a short time using the characteristics of the existing ejector.
[0045]
Further, since the fuel gas replacement is terminated after a predetermined time has elapsed since the ejector inlet pressure detected by the pressure sensor 13 exceeds a predetermined value, an inexpensive pressure sensor with insufficient gas pressure detection accuracy is used. However, it can be activated reliably and in a short time.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram illustrating a configuration of a first embodiment of a fuel cell system according to the present invention.
FIG. 2 is a flowchart for explaining a fuel gas replacement operation when the fuel cell system is started in the first embodiment.
FIG. 3 is a diagram showing a hydrogen supply flow rate with respect to an elapsed time when hydrogen is supplied at a constant pressure.
FIG. 4 is a flowchart for explaining a fuel gas replacement operation when the fuel cell system is started in the second embodiment.
FIG. 5 is a graph showing a supply hydrogen flow rate with respect to a variable throttle valve opening.
FIG. 6 is a flowchart for explaining a fuel gas replacement operation when the fuel cell system according to the second embodiment is started.
FIG. 7 is a flowchart for explaining a fuel gas replacement operation when the fuel cell system is started in the third embodiment.
FIG. 8 is a configuration diagram illustrating the configuration of a fourth embodiment of a fuel cell system according to the present invention.
FIG. 9 is a diagram showing a supply hydrogen flow rate with respect to an ejector inlet pressure.
FIG. 10 is a flowchart for explaining a fuel gas replacement operation when the fuel cell system according to the fourth embodiment is started.
FIG. 11 is a flowchart for explaining a fuel gas replacement operation when the fuel cell system according to the fourth embodiment is started.
[Explanation of symbols]
1 ... Fuel cell stack (fuel cell body)
2 ... Hydrogen tank 3 ... Variable throttle valve 4 ... Hydrogen piping (fuel gas supply passage)
5 ... Ejector 6 ... Hydrogen return pipe 7 ... Purge valve 8 ... Hydrogen replacement valve (fuel gas discharge means)
9 ... Pressure sensor (pressure detection means)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Compressor 11 ... Air piping 12 ... Air pressure adjustment valve 13 ... Pressure sensor (2nd pressure detection means)
14 ... Controller

Claims (11)

電解質膜を挟んで燃料極と酸化剤極が対設された燃料電池本体と、
燃料ガスとして水素ガスを貯蔵する水素タンクと、
該水素タンクから供給される水素ガスの圧力を調整する可変絞り弁と、
該可変絞り弁で圧力調整された水素ガスを燃料極へ供給する燃料ガス供給通路と、
燃料電池運転中に燃料電池本体から排出された燃料ガスを一時的に外に排出するパージと、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記パージ開弁時の開口面積より大きい開弁時の開口面積を有し、燃料電池の起動時に燃料電池本体から排出された燃料ガスを外へ排出する燃料ガス排出と、燃料電池本体の燃料極のガス圧力を検出する圧力検出手段と、を備え、
燃料電池システムの起動時に、前記圧力検出手段が検出する燃料極のガス圧力が一定となるように燃料ガスを供給しつつ、燃料ガスを前記燃料ガス排出から排出することにより、前記燃料ガス供給通路および燃料電池本体の燃料極を、燃料ガスで置換する燃料ガス置換を行うことを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell main body in which a fuel electrode and an oxidant electrode are provided across an electrolyte membrane;
A hydrogen tank for storing hydrogen gas as fuel gas;
A variable throttle valve for adjusting the pressure of hydrogen gas supplied from the hydrogen tank;
A fuel gas supply passage for supplying hydrogen gas pressure-adjusted by the variable throttle valve to the fuel electrode;
A purge valve for discharging temporarily to ambient fuel gas discharged from the fuel cell body in the fuel cell operation, the fuel cell system equipped with,
The has an opening area at the opening area larger than the opening at the valve opening of the purge valve, and the fuel gas exhaust valve for discharging the fuel gas discharged from the fuel cell main body at startup of the fuel cell to the outside air, the fuel cell Pressure detecting means for detecting the gas pressure of the fuel electrode of the main body,
During startup of the fuel cell system, while supplying the fuel gas such that the gas pressure of the fuel electrode, wherein the pressure detecting means detects becomes a constant, by discharging the fuel gas from the fuel gas exhaust valve, the fuel gas A fuel cell system that performs fuel gas replacement in which the supply passage and the fuel electrode of the fuel cell main body are replaced with fuel gas.
前記燃料ガス置換を所定時間経過したら終了させることを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。  2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel gas replacement is terminated when a predetermined time elapses. 燃料電池本体の燃料極内、または前記燃料ガス供給通路内の燃料ガス濃度に関連する値を検出する濃度関連値検出手段を備え、
該濃度関連値検出手段が検出した値に基づいて前記燃料ガス置換を終了させることを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。
A concentration-related value detecting means for detecting a value related to the fuel gas concentration in the fuel electrode of the fuel cell main body or in the fuel gas supply passage;
Claim 1 Symbol mounting the fuel cell system of the concentration related value detecting means is equal to or to terminate the fuel gas replacement based on the value detected.
燃料ガス供給流量に関連する値を検出する流量関連値検出手段を備え、
該流量関連値検出手段が検出した値に基づいて前記燃料ガス置換を終了させることを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。
A flow rate related value detecting means for detecting a value related to the fuel gas supply flow rate;
Claim 1 Symbol mounting the fuel cell system of the flow amount-related value detecting means is equal to or to terminate the fuel gas replacement based on the value detected.
前記燃料電池本体の燃料極のガス圧力が略一定となるように前記可変絞り弁を操作するとともに、
前記可変絞り弁の開度に基づいて前記燃料ガス置換を終了させることを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。
While operating the variable throttle valve so that the gas pressure of the fuel electrode of the fuel cell body is substantially constant,
Claim 1 Symbol mounting the fuel cell system, characterized in that to terminate the fuel gas replacement based on the opening degree of the variable throttle valve.
前記可変絞り弁の開度が所定値を超えてから所定時間経過後に前記燃料ガス置換を終了することを特徴とする請求項5記載の燃料電池システム。  6. The fuel cell system according to claim 5, wherein the fuel gas replacement is terminated after a predetermined time has elapsed since the opening of the variable throttle valve exceeds a predetermined value. 前記可変絞り弁と燃料電池本体との間の前記燃料ガス供給通路にイジェクタを備え、
燃料電池本体から排出された余剰燃料ガスを、前記イジェクタの吸入口に戻す燃料電池システムであって、
イジェクタ上流の燃料ガス圧力を検出する第2圧力検出手段を備え、
該第2圧力検出手段が検出した燃料ガス圧力に基づいて前記燃料ガス置換を終了させることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
Comprising the ejector to the fuel gas supply passage between said variable throttle valve and the fuel cell body,
A fuel cell system for returning surplus fuel gas discharged from the fuel cell main body to the intake port of the ejector,
A second pressure detecting means for detecting the fuel gas pressure upstream of the ejector;
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel gas replacement is terminated based on the fuel gas pressure detected by the second pressure detecting means.
前記第2圧力検出手段が検出したイジェクタ上流の燃料ガス圧力増加から所定時間経過後に前記燃料ガス置換を終了することを特徴とする請求項7記載の燃料電池システム。  8. The fuel cell system according to claim 7, wherein the replacement of the fuel gas is terminated after a predetermined time has elapsed since the increase in the fuel gas pressure upstream of the ejector detected by the second pressure detecting means. 電解質膜を挟んで燃料極と酸化剤極が対設された燃料電池本体と、
燃料電池本体に燃料ガス供給通路を介して燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段を備えた燃料電池システムにおいて、
燃料電池本体から排出された燃料ガスを外へ排出する燃料ガス排出と、
燃料ガス供給流量を検出する流量検出手段を備え、
燃料電池システムの起動時に、燃料極に一定の圧力で燃料ガスを供給しつつ、燃料ガスを前記燃料ガス排出から排出することにより、前記燃料ガス供給通路および燃料電池本体の燃料極を、燃料ガスで置換する燃料ガス置換を行い、
前記流量検出手段が検出した燃料ガス供給流量が所定値以上となったときに前記燃料ガス置換を終了させることを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell main body in which a fuel electrode and an oxidant electrode are provided across an electrolyte membrane;
In a fuel cell system comprising fuel gas supply means for supplying fuel gas to a fuel cell main body via a fuel gas supply passage,
A fuel gas exhaust valve for discharging the fuel gas discharged from the fuel cell main body to the outside air,
Provided with a flow rate detection means for detecting the fuel gas supply flow rate,
When starting the fuel cell system, the fuel gas is discharged from the fuel gas discharge valve while supplying the fuel gas to the fuel electrode at a constant pressure, whereby the fuel gas supply passage and the fuel electrode of the fuel cell main body are connected to the fuel electrode. Fuel gas replacement to replace with gas,
The fuel cell system is characterized in that the fuel gas replacement is terminated when the fuel gas supply flow rate detected by the flow rate detection means becomes a predetermined value or more.
電解質膜を挟んで燃料極と酸化剤極が対設された燃料電池本体と、
燃料電池本体に燃料ガス供給通路を介して燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段を備えた燃料電池システムにおいて、
燃料電池本体から排出された燃料ガスを外へ排出する燃料ガス排出と、
燃料ガス供給通路に可変絞り弁を備え、
燃料電池システムの起動時に、前記可変絞り弁を操作して燃料極に一定の圧力で燃料ガスを供給しつつ、燃料ガスを前記燃料ガス排出から排出することにより、前記燃料ガス供給通路および燃料電池本体の燃料極を、燃料ガスで置換する燃料ガス置換を行い、
前記可変絞り弁の開度が所定値以上となったときに前記燃料ガス置換を終了させることを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell main body in which a fuel electrode and an oxidant electrode are provided across an electrolyte membrane;
In a fuel cell system comprising fuel gas supply means for supplying fuel gas to a fuel cell main body via a fuel gas supply passage,
A fuel gas exhaust valve for discharging the fuel gas discharged from the fuel cell main body to the outside air,
A variable throttle valve is provided in the fuel gas supply passage,
When starting the fuel cell system, the variable throttle valve is operated to supply the fuel gas to the fuel electrode at a constant pressure, and the fuel gas is discharged from the fuel gas discharge valve , whereby the fuel gas supply passage and the fuel are discharged. Perform fuel gas replacement to replace the fuel electrode of the battery body with fuel gas,
The fuel cell system is characterized in that the fuel gas replacement is terminated when the opening of the variable throttle valve becomes a predetermined value or more.
電解質膜を挟んで燃料極と酸化剤極が対設された燃料電池本体と、
燃料電池本体に燃料ガス供給通路を介して燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段を備えた燃料電池システムにおいて、
燃料電池本体から排出された燃料ガスを外へ排出する燃料ガス排出と、
燃料ガス供給通路に可変絞り弁を備え、
前記可変絞り弁と燃料電池本体との間の燃料通路にイジェクタを備え、
燃料電池本体から排出された余剰燃料ガスを、前記イジェクタの吸入口に戻す燃料電池システムであって、
イジェクタ上流の燃料ガス圧力を検出する圧力検出手段を備え、
燃料電池システムの起動時に、前記可変絞り弁を操作して燃料極に一定の圧力で燃料ガスを供給しつつ、燃料ガスを前記燃料ガス排出から排出することにより、前記燃料ガス供給通路および燃料電池本体の燃料極を、燃料ガスで置換する燃料ガス置換を行い、
前記圧力検出手段が検出したイジェクタ上流の燃料ガス圧力が所定値以上となったときに、前記燃料ガス置換を終了させることを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell main body in which a fuel electrode and an oxidant electrode are provided across an electrolyte membrane;
In a fuel cell system comprising fuel gas supply means for supplying fuel gas to a fuel cell main body via a fuel gas supply passage,
A fuel gas exhaust valve for discharging the fuel gas discharged from the fuel cell main body to the outside air,
A variable throttle valve is provided in the fuel gas supply passage,
An ejector is provided in a fuel passage between the variable throttle valve and the fuel cell main body,
A fuel cell system for returning surplus fuel gas discharged from the fuel cell main body to the intake port of the ejector,
Pressure detecting means for detecting fuel gas pressure upstream of the ejector,
When starting the fuel cell system, the variable throttle valve is operated to supply the fuel gas to the fuel electrode at a constant pressure, and the fuel gas is discharged from the fuel gas discharge valve , whereby the fuel gas supply passage and the fuel are discharged. Perform fuel gas replacement to replace the fuel electrode of the battery body with fuel gas,
The fuel cell system is characterized in that the fuel gas replacement is terminated when the fuel gas pressure upstream of the ejector detected by the pressure detecting means becomes a predetermined value or more.
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