JP4698965B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は燃料電池システムに関し、より詳しくは燃料電池の運転を停止する際に、燃料電池に残留する水分のパージを行うようにしたシステムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a system in which moisture remaining in a fuel cell is purged when the operation of the fuel cell is stopped.
固体高分子電解質膜の両面に電極を接合してなる膜電極構造体(いわゆるMEA)を1つ以上備える燃料電池は、その発電運転を行うために、各膜電極構造体の各電極(アノード電極およびカソード電極)の表面に、それぞれ反応ガスとしてのアノードガス、カソードガスが供給される。通常、アノードガス、カソードガスとしては、それぞれ水素ガス、空気(詳しくは酸素を含む空気)が用いられる。そして、この燃料電池は、供給された水素と空気中の酸素とを各膜電極構造体で反応させることで、H2O(水または水蒸気)を生成しつつ発電する。また、燃料電池はその発電運転時に発熱するので、その自己発熱によって該燃料電池が過剰に高温になるのを防止するために、ラジエターなどの冷却装置(放熱器)と燃料電池(詳しくは燃料電池内に形成された冷媒流路)とを経由して循環するように設けられた冷媒循環流路で冷媒を循環させつつ、該冷媒を燃料電池に供給するようにしている。 A fuel cell including one or more membrane electrode structures (so-called MEAs) formed by joining electrodes on both surfaces of a solid polymer electrolyte membrane is provided with each electrode (anode electrode) of each membrane electrode structure in order to perform its power generation operation. Anode gas and cathode gas as reaction gases are supplied to the surfaces of the cathode electrode and the cathode electrode, respectively. Usually, hydrogen gas and air (specifically, air containing oxygen) are used as the anode gas and the cathode gas, respectively. The fuel cell generates power while generating H 2 O (water or water vapor) by reacting the supplied hydrogen and air oxygen with each membrane electrode structure. Further, since the fuel cell generates heat during its power generation operation, a cooling device (heat radiator) such as a radiator and a fuel cell (specifically, a fuel cell) are used to prevent the fuel cell from becoming excessively hot due to its self-heating. The refrigerant is supplied to the fuel cell while the refrigerant is circulated through the refrigerant circulation passage provided so as to circulate via the refrigerant passage formed in the inside.
この種の燃料電池では、燃料電池の運転中に生成されたH2Oの一部が燃料電池の運転停止後に燃料電池内に残留したまま結露する。そして、特に、燃料電池内に残留して結露するH2O(以下、残留水分という)の量が比較的多い場合には、燃料電池の運転を再開するときに、その残留水分が燃料電池内の反応ガス流路での反応ガスの円滑な流れを阻害したり、あるいは、膜電極構造体での水素や酸素の拡散を阻害し、燃料電池の起動時の発電能力が損なわれやすい。特に、低温環境下で残留水分の凍結が発生すると、上記の不都合が顕著になると共に、凍結した残留水分が膜電極構造体などを損傷させる恐れもある。 In this type of fuel cell, a part of H 2 O generated during the operation of the fuel cell is condensed while remaining in the fuel cell after the operation of the fuel cell is stopped. In particular, when the amount of H 2 O (hereinafter referred to as residual moisture) remaining in the fuel cell and dew condensation is relatively large, when the fuel cell is restarted, the residual moisture is contained in the fuel cell. Thus, the smooth flow of the reaction gas in the reaction gas flow path is hindered, or the diffusion of hydrogen and oxygen in the membrane electrode structure is hindered, so that the power generation capability at the start of the fuel cell is easily impaired. In particular, when the residual moisture freezes in a low temperature environment, the above-described disadvantage becomes remarkable, and the frozen residual moisture may damage the membrane electrode structure and the like.
このため、燃料電池の運転停止時に、燃料電池内の掃気(パージ)を行う技術が例えば特表2003−510786号公報(特許文献1)や、特開2002−246053号公報(特許文献2)に提案されている。特許文献1のものでは、乾燥した窒素ガスなどのパージ用流体あるいは反応ガスを燃料電池内の反応ガス流路に供給することで、燃料電池内の膜電極構造体や反応ガス流路の残留水分を強制排出するようにしている。
For this reason, for example, Japanese Patent Publication No. 2003-510786 (Patent Document 1) and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-246053 (Patent Document 2) disclose techniques for scavenging (purging) the fuel cell when the fuel cell is stopped. Proposed. In
また、特許文献2のものでは、乾燥した反応ガスを燃料電池に供給して該燃料電池の発電を行いつつ該燃料電池の出力電流を制御する(出力電流を燃料電池内の残留水分量の低下に伴い、小さくしていく)ことにより、燃料電池の自己熱によって残留水分および新たに生成される水を蒸発させて反応ガスと共に燃料電池から排出するようにしている。さらに、特許文献2のものでは、燃料電池が過剰に高温になったり、燃料電池の温度が下がり過ぎて水分の蒸発量が低下するのを防止するために、該冷媒を循環させる冷媒循環流路をラジエターを通る流路とラジエターを迂回する流路とに燃料電池の温度に応じて切り替えることで、燃料電池に供給する冷媒の温度を所要の温度範囲に収めるようにしている。
しかしながら、前記特許文献1および特許文献2のものでは次のような不都合があった。すなわち、特許文献1のものは、単に、燃料電池の反応ガス流路に窒素ガスなどのパージ用流体あるいは反応ガスを供給して燃料電池内の残留水分を強制排出するものであるので、燃料電池の内部熱が供給されたパージ用流体もしくは反応ガスと共に燃料電池の外部に放出されて該燃料電池の温度が低下しやすい。このため、燃料電池内の残留水分の結露が生じやすい。その結果、燃料電圧内の残留水分を十分に排出するためには、パージ用流体あるいは反応ガスの供給圧力を、かなり高圧なもの(例えば燃料電池の運転時の反応ガスの供給圧力よりも高圧なもの)とする必要がある。そして、その高圧のパージ用流体あるいは反応ガスを燃料電池に供給するために、その供給手段(コンプレッサや流路)や、燃料電池の耐圧性を高めなければならない。また、特に、残留水分の排出のために反応ガスとは別種のパージ用ガスを使用する場合には、反応ガスの供給手段とは別にパージ用ガスの供給手段が必要となって燃料電池システムの構成が大型化してしまうと共に、燃料電池内のパージ用流体を排出するまで、燃料電池の運転を再開することができないという不都合がある。
However, those in
また、前記特許文献2のものでは、燃料電池の発電を行いながら、換言すれば、H2Oを新たに生成しながら残留水分の排出を行うようにしているため、残留水分を十分に除去するために、燃料電池の複雑な電流制御が必要になる。さらに、残留水分量を所望の量に低減させるまでに時間がかかりやすく、残留水分の排出を効率よく短時間で行うことが難しい。さらに、特許文献2のものでは、燃料電池を電気自動車に搭載し、残留水分を排出するために燃料電池を発電させるときに、その出力電流をDC/DCコンバータを介して燃料電池とは別に備えた2次電池(走行用電動機の電源)に供給するようにしている。しかるに、この場合、該2次電池が満充電状態である場合には、燃料電池の出力電流を所望の電流値に制御することができず、ひいては、燃料電池から残留水分を効果的に排出することが困難となる。そして、これを回避するためには、自動車の運転停止状態で燃料電池から所望の電流を供給し得るような負荷を別途備える必要がある。
Further, the intended in
本発明はかかる背景に鑑みてなされたものであり、燃料電池の運転を停止するときに、燃料電池内の残留水分を比較的簡単な構成で効率よく排出することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such a background, and provides a fuel cell system capable of efficiently discharging residual moisture in a fuel cell with a relatively simple configuration when the operation of the fuel cell is stopped. For the purpose.
本発明の燃料電池システムは、かかる目的を達成するために、燃料電池と、該燃料電池に反応ガスであるアノードガスおよびカソードガスを供給する反応ガス供給手段と、該燃料電池に接続された冷媒循環流路で冷媒を循環させつつ該燃料電池に冷媒を供給する冷媒循環手段と、該燃料電池の外部で前記冷媒循環流路に介装された冷媒冷却手段と、該冷媒冷却手段を迂回するように前記冷媒循環流路の冷媒冷却手段の上流側から分岐されて該冷媒冷却手段の下流側に合流された冷媒バイパス流路と、前記冷媒循環流路における冷媒の流れを冷媒冷却手段と冷媒バイパス流路とに選択的に切り替える冷媒流路切替手段とを備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の運転を停止するとき、該燃料電池の出力電流を遮断した状態において、所定の条件が成立するまで燃料電池に反応ガスと冷媒とを供給させるように前記反応ガス供給手段および前記冷媒循環手段を作動させつつ、前記冷媒循環流路の冷媒の流れを前記冷媒冷却手段側から冷媒バイパス流路側に切り替えるように前記冷媒流路切替手段を作動させる制御手段を備え、前記反応ガス供給手段は、前記アノードガスおよびカソードガスのうちの少なくともいずれか一方の種類の反応ガスを加圧する加圧手段と、その加圧された反応ガスを前記冷媒バイパス流路に介装された熱交換手段を経由させて前記燃料電池に供給する反応ガス供給路とを備えて、該熱交換手段で前記冷媒バイパス流路を流れる冷媒と前記加圧された反応ガスとの熱交換を行わしめるように構成され、前記冷媒バイパス流路は、前記燃料電池の運転中に該燃料電池以外の機器を冷却するための冷媒を流す機器用冷媒流路の一部を構成する流路であり、前記冷媒流路切替手段は、前記燃料電池の運転中に前記冷媒バイパス流路を前記冷媒循環流路から遮断すると共に前記機器用冷媒流路に連通させ、且つ、前記冷媒循環流路の冷媒の流れを前記冷媒冷却手段側から冷媒バイパス流路側に切り替えるときに、前記冷媒バイパス流路を前記機器用冷媒流路から遮断すると共に前記冷媒循環流路に連通させるように構成されていることを特徴とする。 In order to achieve the above object, the fuel cell system of the present invention includes a fuel cell, reaction gas supply means for supplying anode gas and cathode gas, which are reaction gases, to the fuel cell, and a refrigerant connected to the fuel cell. Refrigerant circulation means for supplying refrigerant to the fuel cell while circulating the refrigerant in the circulation flow path, refrigerant cooling means interposed in the refrigerant circulation flow path outside the fuel cell, and bypassing the refrigerant cooling means As described above, the refrigerant bypass passage branched from the upstream side of the refrigerant cooling means of the refrigerant circulation passage and joined to the downstream side of the refrigerant cooling means, and the refrigerant flow in the refrigerant circulation passage is changed to the refrigerant cooling means and the refrigerant In the fuel cell system comprising the refrigerant flow path switching means for selectively switching to the bypass flow path, when stopping the operation of the fuel cell, in the state where the output current of the fuel cell is cut off, While the reaction gas supply means and the refrigerant circulation means are operated so that the reaction gas and the refrigerant are supplied to the fuel cell until a certain condition is satisfied, the refrigerant flow in the refrigerant circulation passage is changed to the refrigerant cooling means side. Control means for operating the refrigerant flow path switching means to switch from the refrigerant bypass flow path side to the refrigerant bypass flow path side, and the reaction gas supply means adds at least one kind of reaction gas of the anode gas and the cathode gas. Pressurizing means for pressurizing, and a reaction gas supply path for supplying the pressurized reaction gas to the fuel cell via the heat exchange means interposed in the refrigerant bypass flow path, the heat exchange means The refrigerant bypass passage is configured to perform heat exchange between the refrigerant flowing through the refrigerant bypass passage and the pressurized reaction gas, and the refrigerant bypass passage is in operation of the fuel cell. A flow path constituting a part of a refrigerant flow path for equipment for flowing a refrigerant for cooling equipment other than the fuel cell, wherein the refrigerant flow path switching means is configured to operate the refrigerant bypass flow path during operation of the fuel cell. When the refrigerant flow in the refrigerant circulation channel is switched from the refrigerant cooling means side to the refrigerant bypass channel side. The flow path is configured to be cut off from the equipment coolant flow path and to communicate with the coolant circulation flow path .
かかる本発明によれば、燃料電池の運転を停止するときに、燃料電池に反応ガスと冷媒とを供給しつつ、冷媒循環流路の冷媒の流れを冷媒冷却手段側から冷媒バイパス流路側に切り替えるので、該冷媒は、冷媒冷却手段で冷却されることなく、冷媒バイパス流路を経由して冷媒循環流路で循環しつつ、燃料電池に供給される。このため、冷媒循環流路で流れる冷媒は、温度低下が生じ難く、燃料電池の運転中(発電中)における冷媒の温度からの低下が緩やかになる。従って、燃料電池の温度も、燃料電池の運転中の温度に近い比較的高い温度に維持される期間が比較的長くなる。そして、このような状態で、反応ガスが燃料電池に供給されるので、燃料電池内の残留水分が円滑に蒸発(気化)しつつ、反応ガスと共に燃料電池内から排出される。また、このとき、燃料電池の出力電流を遮断しているので、燃料電池の実質的な発電運転は行われず、反応ガスの反応によって新たに生成されるH2Oはごく少量に留まると共に、燃料電池の格別な電流制御も必要としない。従って、燃料電池内の残留水分を速やかに排出することができる。燃料電池内の残留水分を比較的簡単な構成で効率よく排出することができる
よって、本発明によれば、燃料電池内の残留水分を比較的簡単な構成で効率よく排出することができる。
According to the present invention, when the operation of the fuel cell is stopped, the flow of the refrigerant in the refrigerant circulation passage is switched from the refrigerant cooling means side to the refrigerant bypass passage side while supplying the reaction gas and the refrigerant to the fuel cell. Therefore, the refrigerant is supplied to the fuel cell while being circulated in the refrigerant circulation passage via the refrigerant bypass passage without being cooled by the refrigerant cooling means. For this reason, the temperature of the refrigerant flowing in the refrigerant circulation channel is unlikely to decrease, and the decrease from the temperature of the refrigerant during operation of the fuel cell (during power generation) becomes moderate. Therefore, the period during which the temperature of the fuel cell is maintained at a relatively high temperature close to the temperature during operation of the fuel cell is also relatively long. In such a state, since the reaction gas is supplied to the fuel cell, the residual moisture in the fuel cell is smoothly evaporated (vaporized) and discharged from the fuel cell together with the reaction gas. At this time, since the output current of the fuel cell is cut off, the fuel cell does not perform a substantial power generation operation, and H 2 O newly generated by the reaction of the reaction gas remains in a very small amount. No special current control of the battery is required. Therefore, residual moisture in the fuel cell can be quickly discharged. Since the residual moisture in the fuel cell can be efficiently discharged with a relatively simple configuration, according to the present invention, the residual moisture in the fuel cell can be efficiently discharged with a relatively simple configuration.
なお、本発明の燃料電池システムでは、反応ガスとしては、好適には、水素ガスと、空気(酸素を含有する空気)もしくは酸素ガスとが使用される。また、燃料電池の運転を停止するときに燃料電池に供給する反応ガスは、少なくとも燃料電池の運転中よりも乾燥している(含有水分が少ない)ことが好ましい。例えば、燃料電池の運転中に反応ガスを加湿器を介して供給するようにしている場合には、燃料電池の運転を停止するときに、該加湿器を迂回させて(バイパスさせて)反応ガスを燃料電池に供給するようにすればよい。 In the fuel cell system of the present invention, hydrogen gas and air (air containing oxygen) or oxygen gas are preferably used as the reaction gas. Further, it is preferable that the reaction gas supplied to the fuel cell when the operation of the fuel cell is stopped is at least dried (having less water content) than during the operation of the fuel cell. For example, when the reaction gas is supplied through the humidifier during the operation of the fuel cell, the reaction gas is bypassed to bypass the humidifier when the operation of the fuel cell is stopped. May be supplied to the fuel cell.
かかる本発明の燃料電池システムでは、前記冷媒バイパス流路を経由する冷媒循環流路には、冷媒の保温機能を有する蓄熱器が介装されていることが好適である。 In such a fuel cell system of the present invention, it is preferable that a heat accumulator having a refrigerant heat retaining function is interposed in the refrigerant circulation passage passing through the refrigerant bypass passage.
これによれば、冷媒循環流路を流れる冷媒の温度低下をさらに抑制することができ、ひいては、燃料電池内の残留水分の蒸発を促進して、より速やかに該残留水分を排出することができる。なお、蓄熱器としては、例えば断熱材で構成された冷媒タンクなどが挙げられる。 According to this, it is possible to further suppress the temperature decrease of the refrigerant flowing through the refrigerant circulation flow path, and consequently, it is possible to accelerate the evaporation of the residual moisture in the fuel cell and to discharge the residual moisture more quickly. . In addition, as a heat storage device, the refrigerant | coolant tank etc. which were comprised, for example with the heat insulating material are mentioned.
また、本発明では、前記反応ガス供給手段および冷媒循環手段の作動を停止するタイミングを規定する前記所定の条件は、例えば燃料電池の運転停止後の経過時間によって規定することも可能であるが、前記燃料電池内の残留水分量を把握する残留水分量把握手段を備え、前記所定の条件は、該残留水分量把握手段により把握される残留水分量が所定値以下になるという条件であることが好ましい。 In the present invention, the predetermined condition that defines the timing for stopping the operation of the reaction gas supply means and the refrigerant circulation means can be defined by, for example, an elapsed time after the operation of the fuel cell is stopped. A residual moisture amount grasping means for grasping a residual moisture amount in the fuel cell; and the predetermined condition is a condition that the residual moisture amount grasped by the residual moisture amount grasping means is a predetermined value or less. preferable.
これによれば、燃料電池内の残留水分量を確実に所定値以下に低下させるように残留水分の排出を行うことができる。 According to this, the residual moisture can be discharged so as to reliably reduce the residual moisture content in the fuel cell to a predetermined value or less.
また、本発明では、前記した如く、前記反応ガス供給手段は、前記アノードガスおよびカソードガスのうちの少なくともいずれか一方の種類の反応ガスを加圧する加圧手段と、その加圧された反応ガスを前記冷媒バイパス流路に介装された熱交換手段を経由させて前記燃料電池に供給する反応ガス供給路とを備え、該熱交換手段で前記冷媒バイパス流路を流れる冷媒と前記加圧された反応ガスとの熱交換を行わしめるように構成した。 In the present invention, as described above, the reactive gas supply means includes a pressurizing means for pressurizing at least one of the anode gas and the cathode gas, and the pressurized reactive gas. And a reaction gas supply path for supplying the fuel cell with a heat exchange means interposed in the refrigerant bypass flow path, and the heat exchange means pressurizes the refrigerant flowing through the refrigerant bypass flow path and configurations to occupy perform heat exchange with the reaction gas.
これによれば、前記一方の種類の反応ガスを加圧することで、その反応ガスは昇温する。このため、冷媒バイパス流路を流れる冷媒は、該冷媒バイパス流路の熱交換手段を通るときに、昇温した反応ガスとの熱交換によって温度低下がより一層抑制される。このため、燃料電池に供給される冷媒の保温性、ひいては燃料電池の保温性がより一層高まる。その結果、燃料電池内での冷媒の蒸発(気化)がさらに促進され、ひいては、燃料電池内の残留水分の排出を早めることができる。また、昇温した反応ガスと冷媒との熱交換によって、燃料電池スタックに供給される反応ガスが過剰に高温になるのも防止できる。 According to this, the reaction gas is heated by pressurizing the one kind of reaction gas. For this reason, when the refrigerant flowing through the refrigerant bypass passage passes through the heat exchange means of the refrigerant bypass passage, the temperature drop is further suppressed by heat exchange with the heated reaction gas. For this reason, the heat retention of the refrigerant supplied to the fuel cell, and hence the heat retention of the fuel cell, is further enhanced. As a result, the evaporation (vaporization) of the refrigerant in the fuel cell is further promoted, and as a result, the discharge of residual moisture in the fuel cell can be accelerated. In addition, it is possible to prevent the reaction gas supplied to the fuel cell stack from being excessively heated due to heat exchange between the reaction gas whose temperature has been increased and the refrigerant.
なお、前記一方の種類の反応ガスの加圧は、その加圧された反応ガスが、燃料電池の運転中における冷媒の温度とほぼ同等の温度(当該冷媒の温度の近傍範囲の温度)か、もしくはそれよりも若干高い温度に昇温するように行うことが好適である。また、燃料電池に供給する反応ガスであるアノードガスおよびカソードガスとして、それぞれ水素ガス、空気を用いるときには、加圧する反応ガスは空気であることが好適である。 In addition, the pressurization of the one kind of reaction gas is performed such that the pressurized reaction gas has a temperature substantially equal to the temperature of the refrigerant during operation of the fuel cell (a temperature in the vicinity of the temperature of the refrigerant), Alternatively, it is preferable that the temperature is raised to a slightly higher temperature. Further, when hydrogen gas and air are used as the anode gas and the cathode gas, which are reaction gases supplied to the fuel cell, respectively, it is preferable that the reaction gas to be pressurized is air.
上記のように加圧された反応ガスと冷媒バイパス流路を流れる冷媒との熱交換を行う本発明では、前記冷媒バイパス流路は、前記加圧手段の作動時の発熱エネルギーを吸収するように該加圧手段を経由して設けられていることがさらに好適である。 In the present invention in which heat is exchanged between the pressurized reaction gas and the refrigerant flowing through the refrigerant bypass flow path as described above, the refrigerant bypass flow path absorbs heat generation energy during operation of the pressurizing means. More preferably, it is provided via the pressurizing means.
これによれば、燃料電池の運転を停止するときに冷媒バイパス流路を流れる冷媒は、加圧手段の発熱エネルギーを吸収できるので、さらに該冷媒の保温効果がさらに高まり、燃料電池内の残留水分の蒸発およびその排出効果を高めることができる。同時に、加圧手段(例えばコンプレッサやスーパチャージャ)が過剰に高温になるのも防止できる。 According to this, since the refrigerant flowing through the refrigerant bypass passage when the operation of the fuel cell is stopped can absorb the heat generation energy of the pressurizing means, the heat retention effect of the refrigerant is further enhanced, and the residual moisture in the fuel cell is increased. Can evaporate the gas and increase its discharge effect. At the same time, it is possible to prevent the pressurizing means (for example, a compressor or a supercharger) from becoming too hot.
また、加圧された反応ガスと冷媒バイパス流路を流れる冷媒との熱交換を行ったり、冷媒バイパス流路を加圧手段を経由させる本発明では、前記した如く、前記冷媒バイパス流路は、前記燃料電池の運転中に該燃料電池以外の機器を冷却するための冷媒を流す機器用冷媒流路の一部を構成する流路であり、前記冷媒流路切替手段は、前記燃料電池の運転中に前記冷媒バイパス流路を前記冷媒循環流路から遮断すると共に前記機器用冷媒流路に連通させ、且つ、前記冷媒循環流路の冷媒の流れを前記冷媒冷却手段側から冷媒バイパス流路側に切り替えるときに、前記冷媒バイパス流路を前記機器用冷媒流路から遮断すると共に前記冷媒循環流路に連通させるように構成されている。 Further, in the present invention in which heat is exchanged between the pressurized reaction gas and the refrigerant flowing through the refrigerant bypass passage, or the refrigerant bypass passage is passed through the pressurizing means , as described above, the refrigerant bypass passage is A flow path constituting a part of a refrigerant flow path for equipment for flowing a refrigerant for cooling equipment other than the fuel cell during operation of the fuel cell, and the refrigerant flow path switching means is configured to operate the fuel cell. The refrigerant bypass flow path is blocked from the refrigerant circulation flow path and communicated with the equipment refrigerant flow path, and the refrigerant flow in the refrigerant circulation flow path is changed from the refrigerant cooling means side to the refrigerant bypass flow path side. when switching, that is configured the refrigerant bypass flow path so as to communicate with the coolant circulation flow path while blocking the refrigerant flow path for the device.
これによれば、燃料電池の運転中は、冷媒バイパス流路を含む機器用冷媒流路に冷媒を流しつつ、前記加圧手段で加圧された反応ガスと該機器用冷媒流路を流れる冷媒との熱交換を熱交換手段で行って該反応ガスが過剰に高温になるのを防止できる。また、特に該冷媒バイパス流路が加圧手段を経由するときには(この場合、前記燃料電池以外の機器には、加圧手段を構成する機器が含まれる)、該加圧手段の過剰な昇温を防止できる。なお、このとき、冷媒バイパス流路は、冷媒循環流路から遮断されているので、機器用冷媒流路での冷媒の流れが、冷媒循環流路に影響を及ぼすことはなく、燃料電池の過剰な昇温の防止を支障なく確実に行うことができる。 According to this, during the operation of the fuel cell, the refrigerant flows through the equipment refrigerant flow path including the refrigerant bypass flow path, and the reaction gas pressurized by the pressurizing means and the refrigerant flowing through the equipment refrigerant flow path. It is possible to prevent the reaction gas from becoming excessively hot by performing heat exchange with the heat exchange means. In particular, when the refrigerant bypass passage passes through the pressurizing means (in this case, the equipment other than the fuel cell includes equipment constituting the pressurizing means), the excessive temperature rise of the pressurizing means Can be prevented. At this time, since the refrigerant bypass flow path is blocked from the refrigerant circulation flow path, the flow of the refrigerant in the equipment refrigerant flow path does not affect the refrigerant circulation flow path, and the fuel cell is excessive. Therefore, it is possible to reliably prevent temperature rise without hindrance.
そして、燃料電池の運転を停止するときには、冷媒バイパス流路が機器用冷媒流路から遮断されるものの、冷媒循環流路の冷媒が流れることで、前記した如く、冷媒循環流路を流れる冷媒の保温、加圧された反応ガスの過剰な昇温の防止、あるいは、加圧手段の過剰な昇温の防止を実現しつつ、燃料電池内の残留水分の排出を効率よく行うことができる。また、冷媒バイパス流路を機器用冷媒流路と冷媒循環流路とで共用することで、それらの流路を合わせた冷媒の流路構成を小型で簡易な構成とすることができる。 When the operation of the fuel cell is stopped, the refrigerant bypass flow path is blocked from the equipment refrigerant flow path, but the refrigerant flowing in the refrigerant circulation flow path flows as described above. Residual moisture in the fuel cell can be efficiently discharged while maintaining the temperature, preventing excessive temperature increase of the pressurized reaction gas, or preventing excessive temperature increase of the pressurizing means. Further, by sharing the refrigerant bypass flow path for the apparatus refrigerant flow path and the refrigerant circulation flow path, the flow path configuration of the refrigerant combined with the flow paths can be made small and simple.
本発明に関連する参考例としての第1実施形態を図1および図2を参照して説明する。図1は第1実施形態の燃料電池システムの全体的構成を示す図である。図1に示す如く、本実施形態の燃料電池システムは、本発明における燃料電池に相当する燃料電池スタック1と、これに反応ガスとしての水素ガス(アノードガス)および空気(カソードガス)をそれぞれ供給する反応ガス供給手段としての水素ガス供給手段2および空気供給手段3と、燃料電池スタック1に冷媒を循環させながら供給する冷媒循環手段4と、これらの燃料電池スタック1、水素ガス供給手段2、空気供給手段3、冷媒循環供給手段4などの運転制御を行う制御手段としてのコントローラ5とを備えている。
A first embodiment as a reference example related to the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a diagram showing an overall configuration of the fuel cell system according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, the fuel cell system of the present embodiment supplies a
燃料電池スタック1の基本構造を図2を参照して説明する。図2は燃料電池スタック1の要部の断面を概略的に示す図である。
The basic structure of the
燃料電池スタック1は、図2に示す如く、固体高分子電解質膜6の両面にそれぞれアノード電極7およびカソード電極8を接合してなる膜電極構造体(いわゆるMEA)9と、この膜電極構造体9の各電極7,8の表面に装着された導電性のセパレータ10とから構成された単位セル(最小単位の燃料電池)を膜電極構造体9の法線方向に複数、積層することで電池本体部(発電機能部)が構成されたものである。各膜電極構造体9の両側のセパレータ10,10のうち、アノード電極7に臨むセパレータ10は該アノード電極7の表面との間に水素ガスの流路11を形成し、カソード電極8に臨むセパレータ10は、該カソード電極8の表面との間に空気の流路12を形成している。また、本実施形態では、隣合う膜電極構造体9,9の間に介在されているセパレータ10,10は、それらの間に冷媒の流路13を形成している。上記のような流路11,12,13は、通常、カーボン材からなるセパレータに溝を形成し、あるいは、金属板からなるセパレータをプレス加工により波板状に成形することにより形成される。そして、図2のセパレータ10は、例えば金属板をプレス加工して、上記流路11,12,13を形成するようにしたものを例示している。
As shown in FIG. 2, the
なお、図示は省略するが、燃料電池スタック1の電池本体部は筐体に収容されており、その筐体には水素ガスの各流路11が連通する水素ガス主通路と、空気の各流路12が連通する空気主通路と、冷媒の各流路13が連通する冷媒主通路とが設けられている。そして、各流路11,12,13への水素ガス、空気、冷媒の流入・流出は、それぞれこれらの主通路を介して行われるようになっている。
Although not shown, the battery main body of the
図1に戻って、燃料電池スタック1には、その発電運転時の出力電流を供給する電気負荷14が、コントローラ5により開閉制御されるスイッチ15を介して電気的に接続されている。本実施形態の燃料電池システムは、例えば自動車(燃料電池自動車)に搭載されたものであり、電気負荷14としては、例えば走行用電動機やその主たる電源としてのコンデンサ、あるいは各種の補機電装品(コントローラ5など)の電源電池(2次電池)などが挙げられる。
Returning to FIG. 1, the
さらに、燃料電池スタック1には、その内部を流れる反応ガスの相対湿度を検出する湿度センサ16が内臓されている。この湿度センサ16は、例えば燃料電池スタック1の空気の排出口近傍に設けられている。該湿度センサ16は、本発明における残留水分量把握手段に相当するものであり、燃料電池スタック1の空気の排出口近傍の相対湿度に応じた信号を燃料電池スタック1内の残留水分量を表すものとして出力する。なお、湿度センサ16は、燃料電池スタック1の水素ガスの排出口近傍に設けてもよく、あるいは、空気の排出口近傍と水素の排出口近傍の両者に備えたり、複数の単位セルのそれぞれの空気の流路12の出口近傍や、水素の流路11の出口近傍に設けてもよい。複数の湿度センサを備えた場合には、例えばそれらの湿度センサの出力の平均値や、最大値を、燃料電池スタック1内の残留水分量を示すものとして用いればよい。
Furthermore, the
前記水素ガス供給手段2は、水素ガスを送出する水素ガス供給器17と、この水素ガス供給器17から導出され、加湿器18を経由して燃料電池スタック1の水素ガス流入口1aに接続された水素ガス供給路19と、加湿器18を迂回するように加湿器18の上流側の箇所から分岐して、該加湿器18の下流側の箇所に合流された水素ガスバイパス流路20とを備えている。そして、加湿器18の上流側における水素ガスバイパス流路20の分岐箇所には、水素ガス供給器17から送出される水素ガスの流れを、加湿器18側の経路と水素ガスバイパス路20側の経路とに選択的に切り替える電動切替弁21が介装されている。
The hydrogen gas supply means 2 is led out from the
加湿器18は、燃料電池スタック1の発電運転時に、水素ガス供給器17から送出される水素ガスに水分を含ませるためのものである。これは、燃料電池スタック1の各膜電極構造体9がある程度湿っている状態において、各膜電極構造体9での水素ガスと空気中の酸素ガスとの反応およびその反応による発電が良好に行われるからである。
The
なお、水素ガス供給手段2の水素ガス供給器17および電動切替弁21は、その作動がコントローラ5によって制御される。
The operation of the
前記空気供給手段3は、大気を吸引して加圧し、その加圧空気を送出する加圧手段としてのスーパチャージャ22と、このスーパチャージャ22から導出され、インタークーラ23および加湿器24を順に経由して燃料電池スタック1の空気流入口1bに接続された空気供給流路25と、加湿器24を迂回するように加湿器24の上流側の箇所(インタークーラ23の下流側の箇所)から分岐して、該加湿器24の下流側の箇所に合流された空気バイパス流路26とを備えている。そして、加湿器24の上流側における空気バイパス流路26の分岐箇所には、スーパチャージャ22から送出される空気の流れをインタークーラ23の下流側で加湿器24側の経路と空気バイパス流路26側の経路とに選択的に切り替える電動切替弁27が介装されている。
The air supply means 3 sucks and pressurizes the atmosphere, supercharges 22 as a pressurizing means for sending out the pressurized air, and is derived from the
加湿器24は、水素ガスの場合と同様の理由によって、燃料電池スタック1の発電運転時に、スーパチャージャ22から送出される空気に水分を含ませるためのものである。また、インタークーラ23は、放熱機能を持つものであり、過剰に高温の空気が燃料電池スタック1に供給されるのを防止するものである。すなわち、スーパチャージャ22で加圧される空気は、その加圧によって昇温するが、その昇温した空気をインタークーラ23である程度放熱させた上で燃料電池スタック1に供給することで、過剰に高温の空気が燃料電池スタック1に供給されるのが防止される。
The
なお、空気供給手段3のスーパチャージャ22および電動切替弁27は、その作動がコントローラ5によって制御される。
The operation of the
前記冷媒循環手段4は、燃料電池スタック1を経由して冷媒を循環させるように該燃料電池スタック1の冷媒流入口1dおよび冷媒流出口1cに両端が接続された冷媒循環流路28を備えている。この冷媒循環流路28には、その上流側(燃料電池スタック1の冷媒流出口1c側)から順番に、冷媒を貯蔵する冷媒タンク29と、電動ポンプ30と、冷媒冷却手段としてのラジエータ31(放熱器)とが介装されている。さらに、冷媒循環流路28には、ラジエータ31を迂回するようにラジエータ31の上流側の箇所(電動ポンプ30の下流側の箇所)から分岐して、該ラジエータ31の下流側の箇所に合流された冷媒バイパス流路32が設けられている。そして、ラジエータ31の上流側における冷媒バイパス流路32の分岐箇所とラジエータ31の下流側における冷媒バイパス流路32の合流箇所とにそれぞれ冷媒流路切替手段としての電動切替弁33,34が介装されている。なお、冷媒としては、例えばエチレングリコールが使用される。
The refrigerant circulation means 4 includes a
ここで、冷媒タンク29は、断熱性の高い材質により構成されており、冷媒の保温機能を持つ蓄熱器として機能するものである。
Here, the
また、電動切替弁33は、電動ポンプ30からの冷媒の流れをラジエータ31側の経路と冷媒バイパス流路32側の経路とに選択的に切り替えるものであり、電動切替弁34は、これを備えた合流箇所を冷媒バイパス流路32から遮断すると同時にラジエータ31側に連通させる位置(以下、ラジエータ側連通位置という)と、該合流箇所を冷媒バイパス流路32に連通させると同時にラジエータ31側から遮断する位置(冷媒バイパス流路側連通位置)とに動作するものである。この場合、電動切替弁33を冷媒バイパス流路32側に動作させ(該電動切替弁33を備えた分岐箇所を冷媒バイパス流路32側にのみ連通させる)、且つ、電動切替弁34を前記冷媒バイパス流路側連通位置に動作させることで、冷媒は、ラジエータ31を経由せずに、冷媒バイパス流路32を流れて燃料電池スタック1に供給される。また、電動切替弁33をラジエータ31側に動作させ(該電動切替弁33を備えた分岐箇所をラジエータ31側にのみ連通させる)、且つ、電動切替弁34を前記ラジエータ側連通位置に動作させることで、冷媒は、冷媒バイパス流路32を経由せずに、ラジエータ31を流れて燃料電池スタック1に供給される。
The
なお、冷媒循環手段4の電動ポンプ30並びに電動切替弁33,34は、その作動がコントローラ5によって制御される。また、本実施形態では、ラジエータ31の上流側の分岐箇所と下流側の合流箇所との両者に電動切替弁33,34を備えるようにしたが、いずれか一方を省略してもよい。
The operation of the
前記コントローラ5は、マイクロコンピュータを含む電子回路で構成されたものであり、前記湿度センサ16の検出信号や、図示しないイグニッションスイッチのON/OFFに伴う燃料電池システムの運転要求信号、運転停止信号などが入力されるようになっている。そして、コントローラ5は、それらの入力信号やあらかじめ記憶保持したデータ、プログラムなどに基づいて前記水素ガス供給器17、スーパーチャージャ22、電動切替弁21,27,33,34、電動ポンプ30、スイッチ15の作動を図示しないアクチュエータや駆動回路を介して制御するようにしている。
The controller 5 is composed of an electronic circuit including a microcomputer. The detection signal of the
次に本実施形態の燃料電池システムの作動を説明する。 Next, the operation of the fuel cell system of this embodiment will be described.
コントローラ5に運転要求信号が与えられ、燃料電池システムの運転(燃料電池スタック1の発電運転)を行う状態では、コントローラ5は、前記スイッチ15を閉成し、また、水素ガス供給手段2の電動切替弁21を加湿器18側に動作させると共に空気供給手段3の電動切替弁27を加湿器24側に動作させている。さらに、コントローラ5は、冷媒循環手段4の電動切替弁33をラジエータ31側に動作させると共に電動切替弁34を前記ラジエータ側連通位置に動作させている。そして、このような状態で、コントローラ5は、水素ガス供給器17、スーパチャージャ22および電動ポンプ30を作動させる。
In a state where the operation request signal is given to the controller 5 and the fuel cell system is operated (power generation operation of the fuel cell stack 1), the controller 5 closes the
このとき、水素ガス供給器17から加湿器18を経由して(図1の実線矢印Y1を参照)、燃料電池スタック1に水分を含んだ水素ガスが供給され、また、スーパチャージャ22から、インタークーラ23および加湿器24を経由して(図1の実線矢印Y3を参照)、燃料電池スタック1に水分を含んだ空気が供給される。そして、燃料電池スタック1に供給された水素ガスおよび空気中の酸素ガスは、各膜電極構造体9で反応する。これにより、各膜電極構造体9でH2O(水または水蒸気)が生成されつつ、各膜電極構造体9の両電極7,8間に起電力が発生し、それを全ての膜電極構造体9について直列に合成した起電力による出力電流がスイッチ15を介して電気負荷14に供給される。これにより、燃料電池スタック1の発電運転が行われる。
At this time, hydrogen gas containing moisture is supplied to the
また、冷媒循環手段4の電動ポンプ30の作動によって、冷媒が冷媒タンク29から電動ポンプ30、ラジエータ31および燃料電池スタック1を順に経由して循環しつつ、該燃料電池スタック1に供給される(図1の実線矢印Y5,Y7を参照)。このとき、該冷媒は、燃料電池スタック1内の冷媒の流路13で膜電極構造体9の発熱エネルギーを吸収し、その吸収した熱エネルギーをラジエータ31で放出する。これにより、燃料電池スタック1が過剰に高温になるのが防止される。
Further, by the operation of the
以上が、燃料電池スタック1の発電運転時の作動である。次に、燃料電池スタック1の発電運転を停止する(電気負荷14への出力電流の供給を停止する)ときの作動を説明する。
The above is the operation during the power generation operation of the
図示しないイグニッションスイッチのOFF操作によってコントローラ5に運転停止信号が与えられると、該コントローラ5は、以下に説明する処理を実行する。すなわち、コントローラ5は、スイッチ15を開成して燃料電池スタック1の出力電流を遮断した後(燃料電池スタック1の発電を停止させた後)、水素ガス供給器17、スーパチャージャ22、および電動ポンプ30を作動させながら、水素ガス供給手段2の電動切替弁21を加湿器18側から水素ガスバイパス流路20に切り替えると共に、空気供給手段2の電動切替弁27を加湿器24側から空気バイパス流路26側に切り替える。さらに、コントローラ5は、冷媒循環手段4の電動切替弁33をラジエータ31側から冷媒バイパス流路32側に切り替えると共に、電動切替弁33をラジエータ側連通位置から冷媒バイパス流路側連通位置に切り替える。
When an operation stop signal is given to the controller 5 by turning off an ignition switch (not shown), the controller 5 executes a process described below. That is, the controller 5 opens the
このとき、水素ガス供給器17から送出される水素ガスと、スーパチャージャ22から送出される空気とは、それぞれ加湿器18,24を経由せずに、水素ガスバイパス流路20、空気バイパス流路26を経由して(図1の2点鎖線の矢印Y2,Y4を参照)燃料電池スタック1に供給される。このため、燃料電池スタック1には、比較的乾燥した水素ガスおよび空気がパージ用ガスとして供給される。この場合、燃料電池スタック1の出力電流が遮断されているので、供給された水素ガスと空気中の酸素との反応はさほど発生せず、従って、新たに生成されるH2Oは少量である。
At this time, the hydrogen gas delivered from the
また、冷媒循環手段4にあっては、冷媒が冷媒タンク29から電動ポンプ30、冷媒バイパス流路32、燃料電池スタック1を経由して循環する(図1の2点鎖線の矢印Y6,Y8を参照)。この場合、冷媒は、ラジエータ31を経由せず、しかも、冷媒タンク29が保温機能を持っている。さらに、ラジエータ31の上流側と下流側とが電動切替弁33,34で閉塞されることから、ラジエータ31内で放熱して冷却された冷媒が、冷媒循環流路28で冷媒バイパス流路32を経由して流れる冷媒に混ざることもない。このため、冷媒循環手段4における冷媒の単位時間当たりの放熱量は比較的小さなものとなる。その結果、燃料電池スタック1の内部を通って循環する冷媒の温度、ひいては燃料電池スタック1の温度は、急速な温度低下を生じることなく、燃料電池スタック1の発電運転時の温度(例えば70〜75℃)から緩やかに低下していく。
In the refrigerant circulation means 4, the refrigerant circulates from the
従って、燃料電池スタック1内(詳しくは、膜電極構造体9並びに流路11,12の内部)の残留水分は、燃料電池スタック1の内部熱によって円滑に気化しながら、供給されるパージ用ガスとしての水素ガスおよび空気によって運搬されて、該水素ガスおよび空気と共に燃料電池スタック1の外部に排出される。この場合、燃料電池スタック1の発電運転時に生成されるH2Oは、空気の流路12内に発生しやすいので、該流路12内に残留水分が溜まりやすい。しかるに、燃料電池スタック1に供給される空気は、加圧されていてその動圧が比較的高いため、該流路12内の残留水分も円滑に排出される。
Accordingly, the residual moisture in the fuel cell stack 1 (specifically, inside the
コントローラ5は、上記の如く燃料電池システムを作動させながら、湿度センサ16の出力信号を監視する。そして、湿度センサ16の出力信号が示す相対湿度があらかじめ定めた所定値以下になったときに、燃料電池スタック1内の残留水分量が所定量以下になったものとして、水素ガス供給器17、スーパチャージャ22、および電動ポンプ30の運転を停止する。
The controller 5 monitors the output signal of the
以上が燃料電池スタック1の運転を停止するときに、燃料電池スタック1内の残留水分を排出するための作動である。この場合、前記した通り、燃料電池スタック1内の残留水分が円滑に気化しながら、供給される水素ガスおよび空気と共に燃料電池スタック1の外部に排出されることから、残留水分の排出を短時間で行うことができる。また、このとき、燃料電池スタック1の出力電流を遮断して、燃料電池スタック1の発電を行わず、水素ガス供給器17、スーパチャージャ22および電動ポンプ30を作動させつつ、電磁切替弁21,27,33,34の切替作動を行うだけで、燃料電池スタック1内の残留水分を短時間で排出できる。つまり、燃料電池システムの複雑な運転制御を必要とすることなく、簡単な構成で燃料電池スタック1内の残留水分を効率よく排出できる。
The above is the operation for discharging residual moisture in the
次に、本発明の一実施形態としての第2実施形態を図3を参照して説明する。なお、本実施形態は、前記第1実施形態のものと一部の構成および作動のみが相違するものであるので、第1実施形態と同一の構成部分については第1実施形態と同一の参照符号を用いて説明を省略する。 Next, a second embodiment as an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. Since the present embodiment is different from the first embodiment only in part of the configuration and operation, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals as those in the first embodiment. Description is omitted using.
図3を参照して、本実施形態が第1実施形態と相違する部分を説明すると、本実施形態では、図示しない走行用モータ、モータドライブ回路や、前記スーパチャージャ22を冷却するための機器用冷媒流路35の一部が、燃料電池スタック1の冷却用の前記冷媒循環手段4の冷媒バイパス流路32を兼ねている。さらに詳細には、本実施形態では、機器用冷媒流路35は、前記スーパチャージャ22およびインタークーラ23を経由するように設けられており、このスーパチャージャ22の上流側の箇所36からインタークーラ23の下流側の箇所37までの部分が、冷媒循環手段4の冷媒バイパス流路32を兼ねるものとして、前記ラジエータ31の上流側および下流側の電磁切替弁33,34を介して冷媒循環流路28に接続されている。また、スーパチャージャ22の上流側の箇所36よりも、機器用冷媒流路35の上流側の箇所と、インタークーラ23の下流側の箇所37よりも、機器用冷媒流路35の下流側の箇所とには、それぞれコントローラ5により開閉制御される電磁弁38,39が介装され、これらの電磁弁38,39を閉弁させることで、冷媒バイパス流路32が機器用冷媒流路35から遮断されるようになっている。電磁弁38,39は、電磁切替弁33,34と合わせて、冷媒流路切替手段を構成するものである。
Referring to FIG. 3, the differences of the present embodiment from the first embodiment will be described. In the present embodiment, a travel motor, a motor drive circuit, and a device for cooling the
上記の構成によって、ラジエータ31の上流側の電磁切替弁33をラジエータ31側に動作させ、且つラジエータ31の下流側の電磁切替弁34を前記ラジエータ側連通位置に動作させ、また、電磁弁38,39を開弁することで、冷媒バイパス流路32は、機器用冷媒流路35に連通して、該機器用冷媒流路35に組み込まれると共に、冷媒循環流路28と機器用冷媒流路35とは実質的に遮断され、両流路28,35の間での冷媒の移動が生じないと共に、両流路28,35の間での熱伝達も実質的に発生しない。この状態では、機器用冷媒流路35での冷媒の流れ(これはスーパチャージャ22およびインタークーラ23を経由する)と、冷媒循環手段4での冷媒の流れ(これはラジエータ31を経由する)とは互いに独立して行われることとなる。
With the above configuration, the
また、ラジエータ31の上流側の電磁切替弁33を冷媒バイパス流路32側に動作させ、且つラジエータ31の下流側の電磁切替弁34を前記冷媒バイパス流路側連通位置に動作させ、さらに、電磁弁38,39を閉弁することで、冷媒バイパス流路32は、冷媒循環流路28に連通して冷媒循環手段4に組み込まれると共に、機器用冷媒流路35から遮断され、該機器用冷媒流路35と冷媒バイパス流路32および冷媒循環流路28との間での冷媒の移動が生じないと共に、それらの間での熱伝達も実質的に遮断される。この状態では、冷媒循環手段4での冷媒の流れは、ラジエータ31を経由せずに、スーパチャージャ22およびインタークーラ23を通る冷媒バイパス流路32を経由して行われる。
Further, the
また、本実施形態では、インタークーラ23は、これを通る冷媒バイパス流路32を流れる冷媒と、スーパチャージャ22から供給される加圧空気との熱交換を行う機能を有するものとされている。従って、本実施形態では、インタークーラ23は本発明における熱交換手段としての機能を持つものとなっている。
In the present embodiment, the
以上説明した以外の構成は、前記第1実施形態と同一である。 Configurations other than those described above are the same as those in the first embodiment.
次に、本実施形態の燃料電池システムの作動を説明する。燃料電池スタック1の発電運転中は、コントローラ5は、前記スイッチ15を閉成し、また、水素ガス供給手段2の電動切替弁21を加湿器18側に動作させると共に空気供給手段3の電動切替弁27を加湿器24側に動作させる。さらに、コントローラ5は、冷媒循環手段4の電動切替弁33をラジエータ31側に動作させると共に電動切替弁34を前記ラジエータ側連通位置に動作させる。また、コントローラ5は、機器用冷媒流路35の電磁弁38,39を開弁状態に動作させる。そして、このような状態で、コントローラ5は、水素ガス供給器17、スーパチャージャ22および電動ポンプ30を作動させる。
Next, the operation of the fuel cell system of this embodiment will be described. During the power generation operation of the
このとき、第1実施形態と同様に、水素ガスおよび空気が燃料電池スタック1に供給されて(図3の実線矢印Y1,Y2を参照)、該燃料電池スタック1の発電が行われると共に、冷媒循環手段4によって冷媒がラジエータ31を経由して循環しつつ、燃料電池スタック1に供給され(図3の実線矢印Y5,Y7を参照)、該燃料電池スタック1が過剰に昇温するのが防止される。なお、このとき、機器用冷媒流路35の図示しないポンプが作動されて、該機器用冷媒流路35の冷媒バイパス流路32を冷媒が流れることで、スーパチャージャ22やインタークーラ23が過剰に高温になるのも防止される。補足すると、機器用冷媒流路35を流れる冷媒の温度は、定常状態で例えば60℃程度である。
At this time, as in the first embodiment, hydrogen gas and air are supplied to the fuel cell stack 1 (see solid arrows Y1 and Y2 in FIG. 3), and power generation of the
一方、図示しないイグニッションスイッチのOFF操作によって、燃料電池スタック1の発電運転を停止するときには、コントローラ5は、スイッチ15を開成して燃料電池スタック1の出力電流を遮断した後(燃料電池スタック1の発電を停止させた後)、水素ガス供給器17、スーパチャージャ22、および電動ポンプ30を作動させながら、水素ガス供給手段2の電動切替弁21を加湿器18側から水素ガスバイパス流路20に切り替えると共に、空気供給手段2の電動切替弁27を加湿器24側から空気バイパス流路26側に切り替える。さらに、コントローラ5は、冷媒循環手段4の電動切替弁33をラジエータ31側から冷媒バイパス流路32側に切り替えると共に、電動切替弁33をラジエータ側連通位置から冷媒バイパス流路側連通位置に切り替える。さらに、コントローラ5は、電磁弁38,39を閉弁状態に動作させる。
On the other hand, when the power generation operation of the
このとき、燃料電池スタック1には、第1実施形態と同様に、比較的乾燥した水素ガスおよび空気(加圧された空気)がパージ用ガスとして供給される。また、冷媒循環手段4にあっては、冷媒が図3の2点鎖線の矢印Y6,Y12,Y13,Y14で示す如く、ラジエータ31を経由せずに、冷媒バイパス流路32を経由しつつ冷媒循環流路28を循環する。この循環の過程において、冷媒が冷媒バイパス流路32のインタークーラ23を通るとき、その冷媒と、該インタークーラ23にスーパチャージャ22から供給される加圧空気との熱交換が行われる。この場合、本実施形態では、スーパチャージャ22で加圧される空気は、その加圧によって、燃料電池スタック1の発電運転中に冷媒循環流路28を流れる冷媒の定常的な温度(例えば70〜75℃)とほぼ同等の温度か、もしくはそれよりも若干高い温度(例えば80℃)に昇温するようになっている。冷媒循環流路28を流れる冷媒は、冷媒バイパス流路32でインタークーラ23を通るときに、スーパチャージャ22から送出される加圧・昇温された空気との熱交換によって、放熱をほとんど伴わずに保温される。またさらに、本実施形態では、冷媒バイパス流路32は、スーパチャージャ22を通るので、該冷媒バイパス流路32を流れる冷媒は、このスーパチャージャ22の発熱エネルギーの一部を吸収できる。このため、前記第1実施形態のものよりも、冷媒循環流路28を流れる冷媒の保温性が高まって、該冷媒の温度が燃料電池スタック1の発電運転の終了時における温度から低下していくのがより効果的に抑制される。ひいては、燃料電池スタック1の温度が発電運転の終了時の温度に近い温度に維持される状態が安定して継続する。
At this time, as in the first embodiment, relatively dry hydrogen gas and air (pressurized air) are supplied to the
この結果、本実施形態では、燃料電池スタック1での残留水分の気化(燃料電池スタック1の内部熱による気化)が第1実施形態よりも円滑に促進され、燃料電池スタック1に供給されるパージ用ガスである水素ガスおよび空気によって、より速やかに燃料電池スタック1の内部から排出される。なお、冷媒バイパス流路32を流れる冷媒が、スーパチャージャ22の発熱エネルギーを吸収することで、該スーパチャージャ22が過剰に高温になるのも防止できると共に、冷媒バイパス流路32を流れる冷媒とスーパチャージャ22により加圧された空気との熱交換によって、該空気が過剰に高温になるのも防止される。
As a result, in the present embodiment, vaporization of residual moisture in the fuel cell stack 1 (vaporization due to internal heat of the fuel cell stack 1) is promoted more smoothly than in the first embodiment, and the purge supplied to the
そして、コントローラ5は、前記第1実施形態と同様に、前記湿度センサ16の出力信号が示す相対湿度があらかじめ定めた所定値以下になったときに、燃料電池スタック1内の残留水分量が所定量以下になったものとして、水素ガス供給器17、スーパチャージャ22、および電動ポンプ30の運転を停止する。これにより、燃料電池スタック1内の残留水分を排出するための作動が終了する。
Then, as in the first embodiment, the controller 5 determines the amount of residual water in the
この場合、前記した通り、燃料電池スタック1内の残留水分が第1実施形態のものよりもより速やかに円滑に気化しながら、供給される水素ガスおよび空気と共に燃料電池スタック1の外部に排出されることから、残留水分の排出をより短時間で行うことができる。また、冷媒循環流路28で循環させる冷媒の保温を、空気供給手段3のインタークーラ23を利用して行うと共に、機器用冷媒流路35の一部を冷媒バイパス流路32として用いるため、燃料電池スタック1の残留水分を効率よく排出させるための冷媒流路構成を構成を小型で簡易な構成とすることができる。
In this case, as described above, the residual moisture in the
なお、以上説明した実施形態では、残留水分量把握手段として、湿度センサ16を用いたが、例えば燃料電池スタック1の1つもしくは複数のセルの抵抗値を計測し、その抵抗値の計測値に基づいて燃料電池スタック1内の残留水分量を把握するようにすることも可能である。この場合には、前記スイッチ15を開成した状態で、例えば補機用電池から、燃料電池スタック1の1つもしくは複数のセルにパルス状の電圧を周期的に付与して電流を通電すると共にその通電時の電流を計測し、その計測した電流値を基に、セルの抵抗値を計測するようにすればよい。この場合、セルの抵抗値は、残留水分量が多いほど、低くなるので、計測したセルの抵抗値が所定値以上になったときに、残留水分量が所定量以下になったものと判断するようにすればよい。
In the embodiment described above, the
1…燃料電池スタック、2…水素ガス供給手段(反応ガス供給手段)、3…空気供給手段(反応ガス供給手段)、4…冷媒循環手段、5…コントローラ(制御手段)、16…湿度センサ(残留水分量把握手段)、22…スーパチャージャ(加圧手段)、23…インタークーラ(熱交換手段)、28…冷媒循環流路、29…冷媒タンク(蓄熱器)、31…ラジエータ(冷媒冷却手段)、32…冷媒バイパス流路、33,34,38,39…冷媒流路切替手段、35…機器用冷媒流路。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記燃料電池の運転を停止するとき、該燃料電池の出力電流を遮断した状態において、所定の条件が成立するまで燃料電池に反応ガスと冷媒とを供給させるように前記反応ガス供給手段および前記冷媒循環手段を作動させつつ、前記冷媒循環流路の冷媒の流れを前記冷媒冷却手段側から冷媒バイパス流路側に切り替えるように前記冷媒流路切替手段を作動させる制御手段を備え、
前記反応ガス供給手段は、前記アノードガスおよびカソードガスのうちの少なくともいずれか一方の種類の反応ガスを加圧する加圧手段と、その加圧された反応ガスを前記冷媒バイパス流路に介装された熱交換手段を経由させて前記燃料電池に供給する反応ガス供給路とを備えて、該熱交換手段で前記冷媒バイパス流路を流れる冷媒と前記加圧された反応ガスとの熱交換を行わしめるように構成され、
前記冷媒バイパス流路は、前記燃料電池の運転中に該燃料電池以外の機器を冷却するための冷媒を流す機器用冷媒流路の一部を構成する流路であり、前記冷媒流路切替手段は、前記燃料電池の運転中に前記冷媒バイパス流路を前記冷媒循環流路から遮断すると共に前記機器用冷媒流路に連通させ、且つ、前記冷媒循環流路の冷媒の流れを前記冷媒冷却手段側から冷媒バイパス流路側に切り替えるときに、前記冷媒バイパス流路を前記機器用冷媒流路から遮断すると共に前記冷媒循環流路に連通させるように構成されていることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell, a reaction gas supply means for supplying anode gas and cathode gas, which are reaction gases to the fuel cell, and a coolant supplied to the fuel cell while circulating the coolant through a coolant circulation channel connected to the fuel cell Branching from the upstream side of the refrigerant cooling means of the refrigerant circulation passage so as to bypass the refrigerant cooling means, and the refrigerant cooling means interposed in the refrigerant circulation passage outside the fuel cell A refrigerant bypass passage joined to the downstream side of the refrigerant cooling means, and a refrigerant passage switching means for selectively switching the refrigerant flow in the refrigerant circulation passage between the refrigerant cooling means and the refrigerant bypass passage. In the provided fuel cell system,
When stopping the operation of the fuel cell, in a state where the output current of the fuel cell is interrupted, the reaction gas supply means and the refrigerant are supplied to the fuel cell so that the reaction gas and the refrigerant are supplied until a predetermined condition is satisfied. Control means for operating the refrigerant flow switching means to switch the refrigerant flow in the refrigerant circulation flow path from the refrigerant cooling means side to the refrigerant bypass flow path side while operating the circulation means ;
The reactive gas supply means includes a pressurizing means for pressurizing at least one kind of the reactive gas of the anode gas and the cathode gas, and the pressurized reactive gas is interposed in the refrigerant bypass flow path. And a reaction gas supply path for supplying the fuel cell via the heat exchange means, and heat exchange between the refrigerant flowing through the refrigerant bypass flow path and the pressurized reaction gas is performed by the heat exchange means. Configured to squeeze,
The refrigerant bypass flow path is a flow path that constitutes a part of a refrigerant flow path for equipment for flowing a refrigerant for cooling equipment other than the fuel cell during operation of the fuel cell, and the refrigerant flow path switching means Shuts off the refrigerant bypass channel from the refrigerant circulation channel and communicates with the device refrigerant channel during operation of the fuel cell, and causes the refrigerant cooling means to flow the refrigerant in the refrigerant circulation channel A fuel cell system configured to block the refrigerant bypass channel from the device refrigerant channel and to communicate with the refrigerant circulation channel when switching from the refrigerant side to the refrigerant bypass channel side .
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