JP4202219B2 - Discharge device and discharge method for fuel cell system - Google Patents
Discharge device and discharge method for fuel cell system Download PDFInfo
- Publication number
- JP4202219B2 JP4202219B2 JP2003324812A JP2003324812A JP4202219B2 JP 4202219 B2 JP4202219 B2 JP 4202219B2 JP 2003324812 A JP2003324812 A JP 2003324812A JP 2003324812 A JP2003324812 A JP 2003324812A JP 4202219 B2 JP4202219 B2 JP 4202219B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- anode
- gas
- fuel cell
- fuel
- amount
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Description
この発明は、燃料電池システムの燃料ガス循環系から水や不純物(窒素等)を排出する排出装置および排出方法に関するものである。 The present invention relates to a discharge device and a discharge method for discharging water and impurities (such as nitrogen) from a fuel gas circulation system of a fuel cell system.
燃料電池車両等に搭載される燃料電池には、固体高分子電解質膜の両側にアノードとカソードとを備え、アノードに燃料ガス(例えば水素ガス)を供給し、カソードに酸化剤ガス(例えば酸素あるいは空気)を供給して、これらガスの酸化還元反応にかかる化学エネルギを直接電気エネルギとして抽出するようにしたものがある。この燃料電池では、アノードで水素ガスがイオン化して固体高分子電解質中を移動し、電子は、外部負荷を通ってカソードに移動し、酸素と反応して水を生成する一連の電気化学反応による電気エネルギを取り出すことができるようになっている。 A fuel cell mounted on a fuel cell vehicle or the like includes an anode and a cathode on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, a fuel gas (for example, hydrogen gas) is supplied to the anode, and an oxidant gas (for example, oxygen or oxygen) is supplied to the cathode. There is a type in which chemical energy related to the oxidation-reduction reaction of these gases is directly extracted as electric energy. In this fuel cell, hydrogen gas is ionized at the anode and moves through the solid polymer electrolyte, and electrons move to the cathode through an external load and react with oxygen to produce water to generate water. Electric energy can be taken out.
また、この種の燃料電池では、発電に供された後にアノードから排出されるガス、すなわちアノードオフガスには未反応の燃料ガスが含まれているので、燃料ガスの消費量節減を図るために、アノードオフガスをリサイクルさせ新鮮な燃料ガスと混合して燃料電池に再供給する燃料電池システム(以下、水素循環型燃料電池システムという)を組むことが多い。 Further, in this type of fuel cell, the gas discharged from the anode after being used for power generation, that is, the anode off-gas contains unreacted fuel gas. Therefore, in order to reduce fuel gas consumption, In many cases, a fuel cell system (hereinafter referred to as a hydrogen circulation type fuel cell system) is assembled that recycles the anode off-gas, mixes it with fresh fuel gas, and supplies the fuel cell again.
ところで、前述したように、前記燃料電池での発電にはカソード側において水が生成されるが、カソード側の生成水の一部は固体高分子電解質膜を透過してアノード側に移動する。この生成水によって燃料電池内のアノード側ガス通路の一部が閉塞されると、燃料電池への燃料ガスの供給量が低下するため、発電性能に悪影響を及ぼすことがある。 By the way, as described above, water is generated on the cathode side for power generation in the fuel cell, but a part of the generated water on the cathode side passes through the solid polymer electrolyte membrane and moves to the anode side. If a part of the anode side gas passage in the fuel cell is blocked by the generated water, the amount of fuel gas supplied to the fuel cell decreases, which may adversely affect the power generation performance.
また、水素循環型燃料電池システムで、水素以外に微量の不純物(例えば、酸素、塩素、アンモニア、窒素など)を含む燃料ガスを使用した場合には、アノードオフガスの循環によって前記不純物の濃度が増加し、燃料電池の発電状態が不安定になるなど発電性能に悪影響を及ぼすことがある。
そこで、特許文献1に開示されているように、燃料ガス循環通路に排出通路を接続しておき、必要に応じて排出通路の排出弁を開放して前記生成水や不純物をアノードオフガスの一部とともに排出することで、生成水による燃料電池内のガス通路閉塞を防止し、燃料ガス中の不純物濃度を低減するようにした燃料電池システムが考案されている。
Therefore, as disclosed in
このように排出弁からアノードオフガスとともに生成水や不純物を排出すると、燃料としての水素も排出されるので、燃費に影響する。したがって、燃費向上のためには、排出弁から排出される水素量を極力低減する必要がある。この対処法として、従来は、排出部にオリフィスを設けたり、排出弁の開閉および開度を精密に制御するなどして、水素排出量を極小化している。
しかしながら、水や不純物を、水素を含むアノードオフガスとともに排出弁から排出する限り、原理的に水素排出量を限りなくゼロに近付けることはできず、排出すべき生成水や不純物の量に比較して排出水素量の方が相対的に多くなることは否めず、燃費向上の点から改善の余地があった。
When the generated water and impurities are discharged together with the anode off gas from the discharge valve in this way, hydrogen as fuel is also discharged, which affects fuel consumption. Therefore, in order to improve fuel efficiency, it is necessary to reduce the amount of hydrogen discharged from the discharge valve as much as possible. Conventionally, as a countermeasure, hydrogen discharge is minimized by providing an orifice in the discharge section or precisely controlling the opening / closing and opening of the discharge valve.
However, as long as water and impurities are discharged from the discharge valve together with the anode off gas containing hydrogen, in principle, the amount of hydrogen discharged cannot approach zero as much as possible, compared to the amount of product water and impurities to be discharged. It cannot be denied that the amount of discharged hydrogen is relatively large, and there is room for improvement in terms of improving fuel consumption.
かといって、燃費を上げるために排出弁からのアノードオフガスの排出頻度や排出量を制限すると、燃料電池の発電状態が不安定になり、燃料電池車両の駆動源(モータ)への電力供給を行う場合には、加速応答性や動力性能等に影響を及ぼしかねない。
そこで、この発明は、燃料電池システムから水や不純物を確実に排出して発電の安定性を確保しつつ、水素放出量を低減することができる燃料電池システムの排出装置および排出方法を提供するものである。
However, if the discharge frequency and discharge amount of anode off gas from the discharge valve are limited to improve fuel efficiency, the power generation state of the fuel cell becomes unstable, and power supply to the drive source (motor) of the fuel cell vehicle is reduced. If it is performed, it may affect acceleration response and power performance.
Accordingly, the present invention provides a fuel cell system discharge apparatus and discharge method capable of reducing the amount of hydrogen released while ensuring the stability of power generation by reliably discharging water and impurities from the fuel cell system. It is.
上記課題を解決するために、請求項1に係る発明は、アノード(例えば、後述する実施の形態におけるアノード2b)に燃料ガス(例えば、後述する実施の形態における水素ガス)が供給されカソード(例えば、後述する実施の形態におけるカソード2c)に酸化剤ガス(例えば、後述する実施の形態における空気)が供給されて発電をする燃料電池(例えば、後述する実施の形態における燃料電池2)と、前記燃料電池のアノードに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給通路(例えば、後述する実施の形態における水素供給通路21)と、前記燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスを前記燃料ガス供給通路に戻し再び前記アノードに供給するためのアノードオフガス通路(例えば、後述する実施の形態におけるアノードオフガス通路22)と、前記アノードオフガス通路との合流点よりも上流の前記燃料ガス供給通路に設けられ前記燃料ガスの供給量を制御する燃料ガス供給制御手段(例えば、後述する実施の形態における水素供給制御弁V1)と、前記アノードオフガス通路内のガスを排出するための排出弁(例えば、後述する実施の形態における排出弁V2)と、を備えた燃料電池システム(例えば、後述する実施の形態における燃料電池システム1)の排出装置において、前記排出弁を開放することにより前記アノードオフガス通路内のガスを排出する前に、前記燃料ガス供給制御手段によって前記燃料ガスの供給量を減少させ、前記燃料電池で消費された水素量に対する燃料電池に供給された水素量の比が1となったときに前記燃料ガスの供給量の減少を停止することを特徴とする。
このように構成することにより、排出弁を開放する前に一時的にアノードオフガス通路内の燃料ガスの濃度を通常運転時よりも低減して0に近づけることができ、この後で排出弁を開いたときに排出弁から排出される燃料ガスの量を減らすことができる。
In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to
By configuring in this way, the concentration of the fuel gas in the anode off-gas passage can be temporarily reduced to 0 compared with that during normal operation before the discharge valve is opened, and then the discharge valve is opened. The amount of fuel gas discharged from the discharge valve can be reduced.
請求項2に係る発明は、請求項1に記載の発明において、前記燃料ガス供給制御手段による減少させた燃料ガスの供給量は、前記燃料電池が通常発電時に供給する燃料ガス量より少なくすることを特徴とする。
このように構成することにより、燃料電池で消費された水素量に対する燃料電池に供給された水素量の比、すなわちストイキを「1」に近づけることができ、無駄に捨てられる燃料ガスの量をより減らすことができる。
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the amount of fuel gas reduced by the fuel gas supply control means is less than the amount of fuel gas supplied by the fuel cell during normal power generation. It is characterized by.
By configuring in this way, the ratio of the amount of hydrogen supplied to the fuel cell to the amount of hydrogen consumed by the fuel cell, that is, the stoichiometry can be made closer to “1”, and the amount of fuel gas that is wasted wasted more. Can be reduced.
請求項3に係る発明は、請求項1または請求項2に記載の発明において、前記排出弁を開放するとの略同時に、前記燃料ガス供給制御手段によって前記燃料ガスの供給量を減少前の供給量以上に増加することを特徴とする。
このように構成することにより、燃料ガス供給量を減少させていたときにはアノードオフガス通路内の圧力が下がっているが、排出弁を開放するのと略同時に燃料ガス供給量を通常発電時よりも増加すると、一時的に燃料ガスの供給量が増大し、燃料電池のアノードを流れるガス流速を増大させることができるので、燃料電池のアノードに溜まっている生成水を燃料電池の外に確実且つ十分に排出することができる。
According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, the supply amount of the fuel gas before the decrease is reduced by the fuel gas supply control means substantially simultaneously with the opening of the discharge valve. It is characterized by increasing above.
By configuring in this way, the pressure in the anode off-gas passage decreases when the fuel gas supply amount is decreased, but the fuel gas supply amount is increased more than during normal power generation almost simultaneously with opening the discharge valve. Then, the supply amount of the fuel gas temporarily increases, and the flow rate of the gas flowing through the anode of the fuel cell can be increased. Therefore, the generated water accumulated in the anode of the fuel cell can be surely and sufficiently removed from the fuel cell. Can be discharged.
請求項4に係る発明は、アノードに燃料ガスが供給されカソードに酸化剤ガスが供給されて発電をする燃料電池と、前記燃料電池のアノードに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給通路と、前記燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスを前記燃料ガス供給通路に戻し再び前記アノードに供給するためのアノードオフガス通路と、前記アノードオフガス通路との合流点よりも上流の前記燃料ガス供給通路に設けられ前記燃料ガスの供給量を制御する燃料ガス供給制御手段と、前記アノードオフガス通路内のガスを排出するための排出弁と、を備えた燃料電池システムの排出方法において、前記排出弁を開放することにより前記アノードオフガス通路内のガスを排出する前に、前記燃料ガス供給制御手段によって前記燃料ガスの供給量を減少させ、前記燃料電池で消費された水素量に対する燃料電池に供給された水素量の比が1となったときに前記燃料ガスの供給量の減少を停止することを特徴とする。
このように構成することにより、排出弁を開放する前に一時的にアノードオフガス通路内の燃料ガスの濃度を通常運転時よりも低減して0に近づけることができ、この後で排出弁を開いたときに排出弁から排出される燃料ガスの量を減らすことができる。
The invention according to claim 4 is a fuel cell in which fuel gas is supplied to the anode and oxidant gas is supplied to the cathode to generate power; a fuel gas supply passage for supplying fuel gas to the anode of the fuel cell; An anode off-gas passage for returning the anode off-gas discharged from the anode of the fuel cell to the fuel gas supply passage and supplying the anode again to the anode, and the fuel gas supply passage upstream of the junction of the anode off-gas passage A fuel cell system discharge method comprising: a fuel gas supply control means for controlling a supply amount of the fuel gas; and a discharge valve for discharging a gas in the anode off-gas passage. Thus, before discharging the gas in the anode off-gas passage, the fuel gas supply control means supplies the fuel gas. The amount reduces, the ratio of the amount of hydrogen supplied to the fuel cell for the amount of hydrogen consumed by the fuel cell is characterized that you stop a decrease in the supply amount of the fuel gas when a 1.
By configuring in this way, the concentration of the fuel gas in the anode off-gas passage can be temporarily reduced to 0 compared with that during normal operation before the discharge valve is opened, and then the discharge valve is opened. The amount of fuel gas discharged from the discharge valve can be reduced.
請求項1に係る発明によれば、排出弁を開放する前に燃料ガスの供給量を減少させることにより、排出弁を開放する前に一時的にアノードオフガス通路内の燃料ガスの濃度を通常運転時よりも低減して0に近づけることができ、この後で排出弁を開いたときに排出弁から排出される燃料ガスの量を減らすことができるので、無駄に捨てられる燃料ガスの量を減らすことができる。したがって、燃料電池車両の駆動源に電力を供給する燃料電池システムに採用した場合には、燃費が向上する。 According to the first aspect of the present invention, the fuel gas supply amount is decreased before the discharge valve is opened, so that the concentration of the fuel gas in the anode off-gas passage is temporarily operated normally before the discharge valve is opened. also can be brought close to zero by reducing from time, it is possible to reduce the amount of fuel gas discharged from the discharge valve when opened the discharge valve after this, reduce the amount of fuel gas being discarded wastefully be able to. Therefore, when it is employed in a fuel cell system that supplies electric power to a drive source of a fuel cell vehicle, fuel efficiency is improved.
請求項2に係る発明によれば、燃料ガス供給量を通常発電時における燃料ガス供給量よりも少なくすることにより、ストイキを「1」に近づけることができ、無駄に捨てられる燃料ガスの量をより減らすことができる。
請求項3に係る発明によれば、前記排出弁を開放するのと略同時に、前記燃料ガス供給制御手段によって前記燃料ガスの供給量を減少前の供給量以上に増加することにより、一時的に燃料ガスの供給量が増大し、燃料電池のアノードを流れるガス流速を増大させることができるので、燃料電池のアノードに溜まっている生成水を燃料電池の外に確実且つ十分に排出することができる。
According to the second aspect of the present invention, the stoichiometric ratio can be made close to “1” by making the fuel gas supply amount smaller than the fuel gas supply amount during normal power generation. It can be reduced more.
According to the invention of claim 3, substantially simultaneously with the opening of the discharge valve, the fuel gas supply control means increases the supply amount of the fuel gas above the supply amount before the decrease, thereby temporarily Since the supply amount of the fuel gas increases and the flow velocity of the gas flowing through the anode of the fuel cell can be increased, the generated water accumulated in the anode of the fuel cell can be surely and sufficiently discharged out of the fuel cell. .
請求項4に係る発明によれば、排出弁を開放する前に燃料ガスの供給量を減少させることにより、排出弁を開放する前に一時的にアノードオフガス通路内の燃料ガスの濃度を通常運転時よりも低減して0に近づけることができ、この後で排出弁を開いたときに排出弁から排出される燃料ガスの量を低減することができるので、無駄に捨てられる燃料ガスの量を減らすことができる。したがって、燃料電池車両の駆動源に電力を供給する燃料電池システムに採用した場合には、燃費が向上する。 According to the invention of claim 4, the fuel gas supply amount is reduced before the discharge valve is opened, so that the concentration of the fuel gas in the anode off-gas passage is temporarily operated normally before the discharge valve is opened. when also can be brought close to zero by reducing from, it is possible to reduce the amount of fuel gas discharged from the discharge valve when opened the discharge valve after this, the amount of fuel gas being discarded wastefully Can be reduced. Therefore, when it is employed in a fuel cell system that supplies electric power to a drive source of a fuel cell vehicle, fuel efficiency is improved.
以下、この発明に係る燃料電池システムの排出装置および排出方法の実施の形態を図1から図5の図面を参照して説明する。なお、この実施の形態における燃料電池システムは、燃料電池車両に搭載された態様である。
図1は水素循環型の燃料電池システム1の概略構成図である。
燃料電池2は、固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜2aをアノード2bとカソード2cとで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されたスタック(図1では単セルのみ示す)からなり、アノード2bに燃料ガスとして水素ガスを供給し、カソード2cに酸化剤としての酸素を含む空気を供給すると、アノード2bで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜2aを通過してカソード2cまで移動して、カソード2cで酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。生成された水の一部は、固体高分子電解質膜2aを透過してアノード2b側にも移動する。
燃料電池2は、各セルの電圧を検出するセル電圧検出手段8を備えている。
Embodiments of a discharge device and a discharge method of a fuel cell system according to the present invention will be described below with reference to the drawings of FIGS. In addition, the fuel cell system in this embodiment is an aspect mounted in the fuel cell vehicle.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a hydrogen circulation type
The
The
高圧水素タンク(燃料供給手段)3に収容された水素ガスは、水素供給通路(燃料ガス供給通路)21を流通し、燃料電池2内のアノード側ガス通路2dを通って各セルのアノード2bに供給される。水素供給通路21には、高圧水素タンク3に近い側から順に、水素供給制御弁V1、エゼクタ4が設けられている。
水素供給制御弁V1は、高圧水素タンク3から燃料電池2に供給する水素ガスの流量を制御するものであり、エゼクタ4は燃料電池2のアノード側ガス通路2dから排出されるアノードオフガスを水素供給通路21に戻すためのものである。
The hydrogen gas stored in the high-pressure hydrogen tank (fuel supply means) 3 flows through the hydrogen supply passage (fuel gas supply passage) 21 and passes through the anode-
The hydrogen supply control valve V1 controls the flow rate of hydrogen gas supplied from the high-pressure hydrogen tank 3 to the
燃料電池2のアノード2bに供給された水素ガスのうち発電に供されなかった水素ガス、すなわち未反応の水素は、燃料電池1からアノードオフガスとしてアノードオフガス通路22に排出される。アノードオフガス通路22には、水素循環ポンプ5と逆流防止弁6が設けられており、燃料電池2から排出されたアノードオフガスは水素循環ポンプ5によって昇圧された後、逆流防止弁6を通ってエゼクタ4に吸引され、高圧水素タンク3から供給される新鮮な水素ガスと合流して再び燃料電池2のアノード2bに供給される。すなわち、燃料電池2から排出されるアノードオフガスは、アノードオフガス通路22、およびエゼクタ4よりも下流の水素供給通路21を通って、燃料電池2を循環する。なお、この実施の形態においては、エゼクタ4よりも下流の水素供給通路21とアノードオフガス通路22によって、燃料ガス循環通路20が構成される。
Of the hydrogen gas supplied to the
アノードオフガス通路22には、水素循環ポンプ5よりも上流側に、アノードオフガス通路22内の水素圧力を検出するための圧力センサ11が設置されている。なお、以下の説明において、圧力センサ11で検出される圧力をポンプ入口圧と称す。
アノードオフガス通路22から分岐された排出通路23には排出弁V2が設けられている。この排出弁V2は通常は閉じており、後述するようにパージ要求があった時に開くように電子制御装置(ECU)10によって制御される。
In the anode off
A discharge valve V2 is provided in the
一方、空気はエアコンプレッサ7により所定圧力に加圧され、空気通路31を通り、燃料電池2内のカソード側ガス通路2eを通って各セルのカソード2cに供給される。燃料電池2に供給された空気は発電に供された後、燃料電池2からカソードオフガスとしてカソードオフガス通路32に排出され、圧力制御弁V3を介して排出される。
圧力センサ11、およびセル電圧検出手段8からの出力信号等はECU10に入力され、ECU10はこれら出力信号等に基づいて、水素供給制御弁V1、排出弁V2、圧力制御弁V3を制御する。
On the other hand, air is pressurized to a predetermined pressure by the air compressor 7, passes through the
Output signals and the like from the pressure sensor 11 and the cell voltage detection means 8 are input to the
この燃料電池システム1においては、燃料電池2のセル電圧が所定値まで低下したときには、燃料電池2内のアノード側ガス通路2dに水分が溜まったか、あるいは、水素ガス中の不純物濃度が上昇したものと判断して、排出弁V2を開いて水分および不純物を系外に排出する(以下、これをパージと称す)。特に、この実施例では、排出弁V2の開弁の前後に燃料電池2への水素供給量を所定に制御することにより、排出弁V2を開いたときに水や不純物とともに排出される水素の量を極力ゼロに近づけることができるようにしている。
In this
排出弁V2の開弁前後における水素供給量の制御方法と水素排出量低減の原理を、図2から図4の模式図を参照して説明する。なお、図2〜図4では、水素循環ポンプ5、逆流防止弁6を省略している。
図2〜図4は、水素流路各部を流れる流体中の水素、水蒸気、窒素(不純物)の質量比の一例を示す図であり、図2は通常発電時、図3は排出弁V2を開く直前、図4は排出弁V2を開いた直後をそれぞれ示している。
図2に示す通常発電時に、高圧水素タンク3から供給される新鮮な水素量が「10」、燃料電池2からアノードオフガス通路22に排出されてエゼクタ4に吸引される水素量が「5」、燃料電池2で消費される水素量が「10」であるとし、この時に燃料電池2から排出されるアノードオフガスに含まれる水蒸気量が「5」、窒素量が「2」であったとする。この場合、燃料電池2に供給される総水素量は「15」であるので、燃料電池2で消費された水素量に対する燃料電池2に供給された水素量の比、すなわちストイキは、15/10=1.5となる。
A method for controlling the hydrogen supply amount before and after the opening of the discharge valve V2 and the principle of reducing the hydrogen discharge amount will be described with reference to the schematic diagrams of FIGS. 2 to 4, the
2 to 4 are diagrams showing an example of the mass ratio of hydrogen, water vapor, and nitrogen (impurities) in the fluid flowing through each part of the hydrogen flow path. FIG. 2 is for normal power generation and FIG. 3 is for opening the discharge valve V2. FIG. 4 shows immediately before and immediately after opening the discharge valve V2.
At the time of normal power generation shown in FIG. 2, the amount of fresh hydrogen supplied from the high-pressure hydrogen tank 3 is “10”, the amount of hydrogen discharged from the
この通常発電運転中にパージ要求があった時には、排出弁V2を開く前に、高圧水素タンク3から供給される新鮮な水素の供給量を減少させ、一時的にストイキを減少させる制御を行う。
例えば、図3に示すように、燃料電池2で消費される水素量を「10」に維持しながら、高圧水素タンク3から供給される新鮮な水素量を「5」に減少させると、通常発電時に燃料電池2から排出されアノードオフガス通路22に残留する水素量「5」の水素がエゼクタ4に吸引されて燃料電池2に供給されるので、燃料電池2に供給される総水素量は「10」となり、この時のストイキは「1.0」となる。但し、この場合、高圧水素タンク3から供給される新鮮な水素量を「5」に減少させた後に燃料電池2からアノードオフガス通路22に排出される水素量は「0」となる。また、アノードオフガスに含まれる水蒸気量と窒素量は通常発電時と同じであり、水蒸気量は「5」、窒素量は「2」となる。
このように、ストイキを低減することにより、排気弁V2を開く前におけるアノードオフガス通路22内の水素量を限りなく「0」に近づけ、アノードオフガス通路22内を水蒸気や窒素等の不純物だけにする。
When there is a purge request during the normal power generation operation, before the discharge valve V2 is opened, control is performed to reduce the amount of fresh hydrogen supplied from the high-pressure hydrogen tank 3 and temporarily reduce stoichiometry.
For example, as shown in FIG. 3, if the amount of fresh hydrogen supplied from the high-pressure hydrogen tank 3 is reduced to “5” while maintaining the amount of hydrogen consumed in the
Thus, by reducing the stoichiometry, the amount of hydrogen in the anode off-
この状態で、排気弁V2を開くことにより、アノードオフガス通路22に充満している水蒸気や窒素等の不純物だけを排出することができ、排出弁V2から排出される水素の量を限りなく「0」に近づけることができる。そして、排出弁V2を開く際には、一時的に高圧水素タンク3から供給される新鮮な水素の供給量を通常発電時よりも増大させて、ストイキを増大させる。これは、燃料電池2内を流れるガス流速を上げることにより、燃料電池2内に溜まっている生成水を確実且つ十分に燃料電池2から排出するためである。詳述すると、排出弁V2を開く前の水素供給量を減少させていたときには、アノードオフガス通路22内の圧力が下がっている。ここで、排出弁V2を開放するのと略同時に水素供給量を通常発電時よりも増加すると、一時的に燃料電池2のアノード2bを流通する水素ガスの流速が増大するので、燃料電池2のアノード2bに溜まっている生成水を燃料電池2からアノードオフガス通路22に確実に且つ十分に排出させることができる。
In this state, by opening the exhaust valve V2, only impurities such as water vapor and nitrogen filled in the anode off-
例えば、図4に示すように、燃料電池2で消費される水素量を「10」に維持しながら、高圧水素タンク3から供給される新鮮な水素量を「12」に増大させると、排出弁V2を開いているのでアノードオフガス通路22からエゼクタ4にガスは吸引されないので、燃料電池2に供給される総水素量は「12」となり、この時のストイキは「1.2」となる。なお、逆流防止弁6の存在により、水素供給通路21からエゼクタ4を介してアノードオフガス通路22に水素が流れ込むことはない。この場合、高圧水素タンク3から供給される新鮮な水素量を「12」に増加させた後に燃料電池2からアノードオフガス通路22に排出される水素量は「2」となるが、図4では、排気弁V2から排出されるガスの水素量に注目してアノードオフガス通路22における水素量を「0」と記している。
For example, as shown in FIG. 4, when the amount of fresh hydrogen supplied from the high-pressure hydrogen tank 3 is increased to “12” while the amount of hydrogen consumed in the
また、排気弁V2の開弁時間を長く保持し過ぎると、ストイキを「1.2」に増加した後に燃料電池2から排出される水素量「2」を含むガス(以下、説明の都合上、掃気ガスと称す)が排出弁V2から排出されてしまうので、この掃気ガスが排出弁V2に到達する直前に、排出弁V2を閉じるように制御するのが好ましい。
Further, if the valve opening time of the exhaust valve V2 is kept too long, the gas including the hydrogen amount “2” discharged from the
次に、燃料電池システム1のパージ処理制御の具体例を、図5のフローチャートに従って説明する。
図5のフローチャートに示されるパージ処理制御ルーチンは、ECU10によって一定時間毎に繰り返し実行される。
まず、ステップS101において、セル電圧検出手段8により検出された各セル電圧に基づき、予め設定した閾値よりも低下したセル電圧があるか否かを判定する。セル電圧が前記閾値よりも低下している場合には、燃料電池2のアノード側ガス通路2dに水分が溜まったか、あるいは、水素ガス中の不純物濃度が上昇したため、パージ要求ありと判断する。
Next, a specific example of purge process control of the
The purge process control routine shown in the flowchart of FIG. 5 is repeatedly executed by the
First, in step S101, based on each cell voltage detected by the cell voltage detection means 8, it is determined whether there is a cell voltage lower than a preset threshold value. When the cell voltage is lower than the threshold value, it is determined that there is a purge request because water has accumulated in the
ステップS101における判定結果が「NO」(パージ要求なし)である場合は、本ルーチンの実行を一旦終了する。
ステップS101における判定結果が「YES」(パージ要求あり)である場合は、ステップS102に進み、水素供給制御弁V1の開度を制御することにより燃料ガス(水素ガス)の供給量を低減し、ストイキの減少制御を実行する。
次に、ステップS103に進み、ストイキが「1」か否かを判定する。ストイキの算出方法としては、燃料電池2に供給される水素量と燃料電池2から排出される水素量を水素流量計で検出し、これに基づいて算出してもよいし、あるいは、燃料電池2から排出される水素量が低下するとアノードオフガス通路22内の圧力が低下することから、圧力センサ11で検出したポンプ入口圧の低下度合いに基づいてストイキを算出することも可能である。
If the determination result in step S101 is “NO” (no purge request), the execution of this routine is temporarily terminated.
If the determination result in step S101 is “YES” (with a purge request), the process proceeds to step S102, where the supply amount of fuel gas (hydrogen gas) is reduced by controlling the opening of the hydrogen supply control valve V1, Execute stoichiometric reduction control.
In step S103, it is determined whether the stoichiometric value is “1”. As a method for calculating the stoichiometry, the amount of hydrogen supplied to the
ステップS103における判定結果が「NO」(ストイキ≠1)である場合は、ステップS102に戻り、燃料ガス供給量低減を継続する。
ステップS103における判定結果が「YES」(ストイキ=1)である場合は、ステップS104に進み、水素供給制御弁V1の開度を制御することにより燃料ガス(水素ガス)の供給量を増大し、ストイキの増大制御を実行するとともに、排出弁V2を開く。
If the determination result in step S103 is “NO” (stoichi ≠ 1), the process returns to step S102 and the fuel gas supply amount reduction is continued.
When the determination result in step S103 is “YES” (stoichiometric = 1), the process proceeds to step S104, and the supply amount of fuel gas (hydrogen gas) is increased by controlling the opening degree of the hydrogen supply control valve V1, The stoichiometric increase control is executed and the discharge valve V2 is opened.
次に、ステップS105に進み、系内掃気が終了したか否かを判定する。系内掃気の終了点は、前述したように、掃気ガスが排出弁V2に到達する直前とするのが好ましく、この終了点を検出する手法としては、次の方法を例示することができる。
(1)排気弁V2から排出されるガス流量を流量計で計測し、その流量が、燃料電池2の出口から排出弁V2までの容積と、排出弁V2を開いている間に燃料電池2で消費される水素量の和に達した時を、系内掃気の終了点と判定する。
(2)掃気ガスがアノードオフガス通路22に流入してくるとアノードオフガス通路22内の圧力が上昇することから、圧力センサ11で検出したポンプ入口圧の上昇度合いに基づいて、系内掃気の終了点か否かを判定する。
(3)予め実験によりパージ時間をストイキ値等との関係でマップ化しておき、このマップを参照してパージ処理条件に応じたパージ時間を求め、該パージ時間が経過した時を系内掃気の終了点と判定する。
Next, it progresses to step S105 and it is determined whether the system scavenging was complete | finished. As described above, the end point of the in-system scavenging is preferably immediately before the scavenging gas reaches the discharge valve V2, and the following method can be exemplified as a method for detecting this end point.
(1) The flow rate of gas discharged from the exhaust valve V2 is measured with a flow meter, and the flow rate is determined by the
(2) When the scavenging gas flows into the anode off-
(3) The purge time is mapped in advance in relation to the stoichiometric value or the like by experiment, the purge time corresponding to the purge processing condition is obtained with reference to this map, and when the purge time has passed, The end point is determined.
ステップS105における判定結果が「NO」である場合は、系内掃気の終了点に達していないので、排出弁V2の開状態を保持し、系内掃気を続行する。
ステップS105における判定結果が「YES」である場合は、系内掃気の終了点に達したので、ステップS106に進み、排出弁V2を閉じて系内掃気を終了し、本ルーチンの実行を一旦終了する。
When the determination result in step S105 is “NO”, since the end point of the system scavenging has not been reached, the open state of the discharge valve V2 is maintained and the system scavenging is continued.
If the determination result in step S105 is “YES”, since the end point of the system scavenging has been reached, the process proceeds to step S106, the exhaust valve V2 is closed to end the system scavenging, and the execution of this routine is temporarily ended. To do.
この実施の形態の燃料電池システムの排出装置および排出方法によれば、排出弁V2を開放する前に水素ガスの供給量を減少させることにより、排出弁V2の開放前に一時的にアノードオフガス通路22内の水素ガスの濃度を通常運転時よりも低減することができる。したがって、この後で排出弁V2を開いたときに排出弁V2から排出される水素ガスの量を減らすことができるので、無駄に捨てられる燃料ガスの量を減らすことができる。したがって、燃料電池車両の燃費が向上する。 According to the discharge device and discharge method of the fuel cell system of this embodiment, the anode off-gas passage is temporarily set before the discharge valve V2 is opened by reducing the supply amount of hydrogen gas before the discharge valve V2 is opened. The concentration of hydrogen gas in 22 can be reduced as compared with the normal operation. Therefore, since the amount of hydrogen gas discharged from the discharge valve V2 when the discharge valve V2 is opened thereafter can be reduced, the amount of fuel gas that is wasted can be reduced. Therefore, the fuel consumption of the fuel cell vehicle is improved.
特に、この実施の形態では、排出弁V2を開放する前に燃料ガス供給量を通常発電時における燃料ガス供給量よりも少なくし、ストイキをほぼ「1」になるまで水素ガスの供給量を減少させているので、アノードオフガス通路22内の水素ガス量を限りなく「0」に近づけることができ、排出弁V2から排出される水素ガスの量を限りなく「0」に近づけることができる。したがって、燃料電池車両の燃費をより向上させることができる。
In particular, in this embodiment, the fuel gas supply amount is made smaller than the fuel gas supply amount at the time of normal power generation before the discharge valve V2 is opened, and the hydrogen gas supply amount is reduced until the stoichiometric value becomes almost “1”. Therefore, the amount of hydrogen gas in the anode off-
また、この実施の形態では、排出弁V2を開放すると略同時に、水素供給制御弁V2によって水素ガスの供給量を通常発電時の供給量以上に増加しているので、一時的に燃料電池2のアノードを流通する水素ガスの流速を増大させて、燃料電池2のアノードに溜まっている生成水を燃料電池2内からアノードオフガス通路22に確実且つ十分に排出することができる。
In this embodiment, since the supply amount of hydrogen gas is increased by the hydrogen supply control valve V2 more than the supply amount at the time of normal power generation almost simultaneously with the opening of the discharge valve V2, the
〔他の実施例〕
なお、この発明は前述した実施の形態に限られるものではない。
例えば、前述した実施の形態では、燃料ガスの供給量を制御する燃料ガス供給制御手段を水素供給制御弁により構成したが、これに限るものではなく、アノードオフガスと合流する前の燃料ガスの供給量を制御することができる他の構成で代替することも可能である。
前述した実施の形態では、排出弁を開く前に燃料ガスの供給量を低減する場合のストイキの目標値を「1」としているが、これは理想値であり、少なくとも通常発電時のストイキ値よりも小さい値をストイキの目標値とすれば、特に「1」に限定されるものではない。
また、この発明は車載用以外の燃料電池システムにも適用可能である。
[Other Examples]
The present invention is not limited to the embodiment described above.
For example, in the above-described embodiment, the fuel gas supply control means for controlling the supply amount of the fuel gas is configured by the hydrogen supply control valve. However, the present invention is not limited to this, and supply of the fuel gas before joining the anode off gas Other configurations that can control the amount are also possible.
In the above-described embodiment, the target value of stoichiometry when the supply amount of fuel gas is reduced before opening the discharge valve is set to “1”, but this is an ideal value and is at least more than the stoichiometric value during normal power generation. If the smaller value is set as the target value for stoichiometry, the value is not particularly limited to “1”.
The present invention can also be applied to fuel cell systems other than those for vehicles.
1 燃料電池システム
2 燃料電池
2b アノード
2c カソード
2d アノード側ガス通路
7 気液分離タンク
21 水素供給通路(燃料ガス供給通路)
22 アノードオフガス通路
V1 水素供給制御弁(燃料ガス供給制御手段)
V2 排出弁
DESCRIPTION OF
22 Anode off-gas passage V1 Hydrogen supply control valve (fuel gas supply control means)
V2 discharge valve
Claims (4)
前記燃料電池のアノードに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給通路と、
前記燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスを前記燃料ガス供給通路に戻し再び前記アノードに供給するためのアノードオフガス通路と、
前記アノードオフガス通路との合流点よりも上流の前記燃料ガス供給通路に設けられ前記燃料ガスの供給量を制御する燃料ガス供給制御手段と、
前記アノードオフガス通路内のガスを排出するための排出弁と、
を備えた燃料電池システムの排出装置において、
前記排出弁を開放することにより前記アノードオフガス通路内のガスを排出する前に、前記燃料ガス供給制御手段によって前記燃料ガスの供給量を減少させ、前記燃料電池で消費された水素量に対する燃料電池に供給された水素量の比が1となったときに前記燃料ガスの供給量の減少を停止することを特徴とする燃料電池システムの排出装置。 A fuel cell in which fuel gas is supplied to the anode and oxidant gas is supplied to the cathode to generate electricity; and
A fuel gas supply passage for supplying fuel gas to the anode of the fuel cell;
An anode offgas passage for returning the anode offgas discharged from the anode of the fuel cell to the fuel gas supply passage and supplying the anode offgas again to the anode;
Fuel gas supply control means for controlling the supply amount of the fuel gas provided in the fuel gas supply passage upstream of the junction with the anode off-gas passage;
A discharge valve for discharging the gas in the anode off-gas passage;
In the discharge device of the fuel cell system comprising
Before the gas in the anode off-gas passage is discharged by opening the discharge valve, the fuel gas supply control means decreases the supply amount of the fuel gas, and the fuel cell with respect to the amount of hydrogen consumed in the fuel cell discharge device for a fuel cell system characterized that you stop a decrease in the supply amount of the fuel gas when the ratio of supplied hydrogen amount becomes 1 in.
前記排出弁を開放することにより前記アノードオフガス通路内のガスを排出する前に、前記燃料ガス供給制御手段によって前記燃料ガスの供給量を減少させ、前記燃料電池で消費された水素量に対する燃料電池に供給された水素量の比が1となったときに前記燃料ガスの供給量の減少を停止することを特徴とする燃料電池システムの排出方法。 A fuel cell in which fuel gas is supplied to the anode and an oxidant gas is supplied to the cathode to generate power, a fuel gas supply passage for supplying fuel gas to the anode of the fuel cell, and an exhaust from the anode of the fuel cell Amount of fuel gas provided in the fuel gas supply passage upstream from the junction of the anode offgas passage for returning the anode offgas to the fuel gas supply passage and supplying the anode offgas again to the anode In a discharge method of a fuel cell system, comprising: a fuel gas supply control means for controlling the gas; and a discharge valve for discharging the gas in the anode off-gas passage.
Before the gas in the anode off-gas passage is discharged by opening the discharge valve, the fuel gas supply control means decreases the supply amount of the fuel gas, and the fuel cell with respect to the amount of hydrogen consumed in the fuel cell discharge method of the fuel cell system the ratio of the supplied amount of hydrogen is characterized that you stop a decrease in the supply amount of the fuel gas when it becomes a 1 in.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003324812A JP4202219B2 (en) | 2003-09-17 | 2003-09-17 | Discharge device and discharge method for fuel cell system |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003324812A JP4202219B2 (en) | 2003-09-17 | 2003-09-17 | Discharge device and discharge method for fuel cell system |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2005093232A JP2005093232A (en) | 2005-04-07 |
JP4202219B2 true JP4202219B2 (en) | 2008-12-24 |
Family
ID=34455463
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2003324812A Expired - Fee Related JP4202219B2 (en) | 2003-09-17 | 2003-09-17 | Discharge device and discharge method for fuel cell system |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP4202219B2 (en) |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR100788194B1 (en) | 2006-05-25 | 2007-12-26 | 엘지전자 주식회사 | Fuel cell system |
JP5113105B2 (en) * | 2009-02-26 | 2013-01-09 | 本田技研工業株式会社 | Fuel cell system and fuel cell system control method |
CN108550943A (en) * | 2018-05-30 | 2018-09-18 | 安徽南都华铂新材料科技有限公司 | A kind of waste and old cylindrical lithium ion battery electric discharge device and its charging method |
-
2003
- 2003-09-17 JP JP2003324812A patent/JP4202219B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2005093232A (en) | 2005-04-07 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP3880898B2 (en) | Hydrogen purge control device | |
US8247121B2 (en) | Fuel cell system with purging and method of operating the same | |
US7531257B2 (en) | Fuel cell system programmed to control reactant gas flow in a gas circulation path | |
JP4384395B2 (en) | Fuel cell purge hydrogen dilution system | |
WO2016051951A1 (en) | Fuel cell system and control method therefor | |
JP5136415B2 (en) | Fuel cell system | |
JP2005032652A (en) | Fuel cell system | |
JP4504896B2 (en) | Fuel cell system | |
JP2010108756A (en) | Fuel cell system and purge control method of fuel cell system | |
JP2004178845A (en) | Fuel cell system | |
JP4263547B2 (en) | Water discharge method for fuel cell system | |
JP4202219B2 (en) | Discharge device and discharge method for fuel cell system | |
JP5082790B2 (en) | Fuel cell system | |
JP4731804B2 (en) | Discharge method of fuel cell system | |
JP4831437B2 (en) | Fuel cell system and control method thereof | |
JP4564347B2 (en) | Fuel cell system | |
JP2010272253A (en) | Fuel cell system | |
JP2005108698A (en) | Fuel cell system | |
JP2009146656A (en) | Fuel cell system | |
JP2005340004A (en) | Fuel cell system and control method of fuel cell | |
JP2004179084A (en) | Exhaust gas discharging method and system for fuel cell system | |
US20240258542A1 (en) | Fuel cell system and method for determining no-load operation state thereof | |
US20070111050A1 (en) | Fuel-cell system and method of controlling fuel cell | |
JP5141893B2 (en) | Fuel cell system | |
JP7310707B2 (en) | Fuel cell system and method for controlling fuel cell |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20051202 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20080704 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20080708 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20080902 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20080930 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20081008 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111017 Year of fee payment: 3 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111017 Year of fee payment: 3 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121017 Year of fee payment: 4 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20131017 Year of fee payment: 5 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |