JP5219394B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
この発明は、例えば水素と空気を用いる固体高分子型燃料電池等の燃料電池システムに関し、詳しくは、アノード(水素極)側の残存ガスの排出の改良に関する。 The present invention relates to a fuel cell system such as a polymer electrolyte fuel cell using, for example, hydrogen and air, and more particularly to improvement of discharge of residual gas on the anode (hydrogen electrode) side.
従来、車両に搭載等される燃料電池システムは、固体高分子電解質膜を両側から挟むようにアノード(水素極)とカソード(酸素極)とが配設されている固体高分子型燃料電池によって形成される。 Conventionally, a fuel cell system mounted on a vehicle or the like is formed by a solid polymer fuel cell in which an anode (hydrogen electrode) and a cathode (oxygen electrode) are disposed so as to sandwich a solid polymer electrolyte membrane from both sides. Is done.
そして、固体高分子型燃料電池では、アノードに燃料ガスとして水素ガスを、カソードに空気を供給することによって、電気化学反応が生じ、アノードとカソードとの間に起電力が発生する。 In the polymer electrolyte fuel cell, when hydrogen gas is supplied as fuel gas to the anode and air is supplied to the cathode, an electrochemical reaction occurs, and an electromotive force is generated between the anode and the cathode.
この固体高分子型燃料電池の燃料電池システムにあっては、よく知られているように、固体高分子電解質膜の初期不良や耐久性劣化によるピンホールの発生、ガスケットの不良等により、発電中にカソードの窒素が固体高分子電解質膜を透過してアノード側に漏出する「クロスリーク」が発生する。 As is well known, this polymer electrolyte fuel cell fuel cell system is generating power due to initial defects in the solid polymer electrolyte membrane, pinholes due to durability deterioration, gasket defects, etc. In addition, a “cross leak” occurs in which nitrogen at the cathode permeates the solid polymer electrolyte membrane and leaks to the anode side.
そして、前記「クロスリーク」が発生すると、固体高分子電解質膜を透過した窒素がアノード側に蓄積することで、燃料電池のアノード側における水素濃度が低下し、燃料電池システムの発電効率が著しく低下する。 When the “cross leak” occurs, the nitrogen that has permeated the solid polymer electrolyte membrane accumulates on the anode side, so that the hydrogen concentration on the anode side of the fuel cell decreases, and the power generation efficiency of the fuel cell system significantly decreases. To do.
そのため、発電によって水素濃度(水素ガス圧)が所定値(下限値)に低下する毎に、アノード側の残存ガスの一部を外部に排出し、その不要な残存ガスを水素ガスとともに排除することで、水素濃度を上げて発電に支障のない水素濃度を維持することが行なわれている。 Therefore, every time the hydrogen concentration (hydrogen gas pressure) decreases to a predetermined value (lower limit) due to power generation, a part of the remaining gas on the anode side is discharged to the outside, and the unnecessary remaining gas is removed together with the hydrogen gas. Therefore, the hydrogen concentration is increased to maintain a hydrogen concentration that does not hinder power generation.
なお、水素濃度が下限値に低下してからアノード側の残存ガスを排出するのは、水素濃度が下限値に低下するまで待たないで排出すると、高濃度の水素を排出することになって、それに伴う種々の悪影響を招くおそれがあり、かつ、発電効率(発電の燃料効率)そのものも低下するからである。 The remaining gas on the anode side after discharging the hydrogen concentration to the lower limit value is discharged without waiting until the hydrogen concentration decreases to the lower limit value. This is because there is a possibility of causing various adverse effects, and the power generation efficiency (fuel efficiency of power generation) itself is also lowered.
ところで、この種の固体高分子型燃料電池の燃料電池システムの一例である水素循環方式の燃料電池システムにおいて、前記アノード側の残存ガスの排出による無駄な水素ガスの排出を抑制するため、アノード循環経路に電気化学的水素ポンプを設けて排出する残存ガス(アノード排ガス)に含まれている水素ガスを選択的に取り出してアノードに戻し、前記残存ガスの残った不純物だけを循環経路外に排出することが提案されている。この場合、水素ガスの無駄な排出を低減し、発電効率の低下を抑制しつつ安全性も高めることが可能である(例えば、特許文献1参照)。 By the way, in a hydrogen circulation type fuel cell system which is an example of a fuel cell system of this type of polymer electrolyte fuel cell, in order to suppress wasteful hydrogen gas discharge due to discharge of residual gas on the anode side, anode circulation The hydrogen gas contained in the residual gas (anode exhaust gas) discharged by providing an electrochemical hydrogen pump in the path is selectively taken out and returned to the anode, and only the remaining impurities of the residual gas are discharged out of the circulation path. It has been proposed. In this case, wasteful discharge of hydrogen gas can be reduced, and safety can be enhanced while suppressing a decrease in power generation efficiency (see, for example, Patent Document 1).
一方、本出願の出願人は、この種の固体高分子型燃料電池の燃料電池システムにおいて、発電によって燃料電池のアノード側に滞留する水(生成水)をポンプ等を用いないで良好に排出する簡易かつ安価な構成を既に出願している(特願2005−310221、特願2006−074825)。
前記特許文献1の従来システムは、アノード循環経路に電気化学的水素ポンプを設ける必要があり、構成が複雑になり、システムのコストアップや制御の煩雑化を招来する問題がある。
The conventional system of
また、電気化学的水素ポンプの作用によって循環経路外に排出する水素ガスが少なくなるとはいえ、安全性を向上する面からは、排出時の前記残存ガス中の水素ガスの濃度は少しでも低いことが望ましい。そのため、前記特許文献1の従来システムにおいても、発電によってアノード側の水素濃度が十分に低くなるまで待ってから残存ガスを排出する必要がある。この場合、通常発電によってアノード側の水素濃度が十分に低くなるまで待ってから残存ガスを排出することになるため、水素濃度の低い状態での発電期間が長くなり、実際には十分な発電効率が得られない。すなわち、前記特許文献1の従来システムにおいても、発電効率と安全性の両方を十分に高くすることは困難である。
In addition, although the amount of hydrogen gas discharged outside the circulation path is reduced due to the action of the electrochemical hydrogen pump, the concentration of hydrogen gas in the residual gas at the time of discharge is as low as possible from the viewpoint of improving safety. Is desirable. Therefore, even in the conventional system of
しかも、適用範囲が燃料電池のアノード出口から排出された残存ガス(アノード排ガス)をアノード入口側へと循環させて再利用する水素循環方式の燃料電池システムに限られ、アノード循環経路がない燃料電池システムには適用できない問題がある。 Moreover, the application range is limited to a hydrogen circulation type fuel cell system in which residual gas (anode exhaust gas) discharged from the anode outlet of the fuel cell is circulated to the anode inlet side and reused, and there is no fuel cell having an anode circulation path. There are problems that are not applicable to the system.
そして、前記した本出願人の既出願の燃料電池システム等の他の構成の従来システムににおいても、発電によって燃料電池のアノード側の水素濃度が十分に低くなるまで待ってから残存ガスを排出するため、発電効率と安全性の両方を十分に高くすることは困難である。 In the conventional system having another configuration, such as the already-filed fuel cell system of the present applicant, the remaining gas is discharged after waiting until the hydrogen concentration on the anode side of the fuel cell becomes sufficiently low by power generation. Therefore, it is difficult to make both power generation efficiency and safety sufficiently high.
本発明は、どのような方式・構成の燃料電池システムにも適用することができる簡素かつ安価な構成により、必要なときにはいつでも燃料電池のアノード側の残存ガスを安全に排出できるようにして発電効率と安全性の両方を十分に高くすることが可能な新規なアノード側の残存ガスの排出構造を提供することを目的とする。 The present invention has a simple and inexpensive configuration that can be applied to a fuel cell system of any system / configuration, so that the remaining gas on the anode side of the fuel cell can be discharged safely whenever necessary. It is an object of the present invention to provide a novel anode-side residual gas discharge structure that can sufficiently increase both safety and safety.
上記した目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、燃料タンクから燃料電池のアノード側に至るアノード上流路に設けられ、前記燃料タンクから前記燃料電池のアノード側への燃料ガスの供給を調節する供給制御手段と、前記燃料電池のアノード側から排出口に至るアノード下流路を開閉し、前記燃料電池のアノード側の残存ガスを断続的に排出する排出制御手段とを備え、前記供給制御手段は、前記残存ガスの排出前に前記燃料タンクから前記燃料電池のアノード側への燃料ガスの供給を遮断又は減少して前記燃料電池を発電状態に維持し、前記燃料電池内のアノード側を減圧状態にする減圧機能を有し、前記排出制御手段は、前記燃料電池のアノード側が前記減圧状態になってから前記アノード下流路を開いて前記残存ガスを排出するものであり、前記燃料電池のアノード側の前記燃料ガスがガス圧Pxの設定濃度に低下すれば、前記供給制御手段の前記減圧機能により前記燃料電池内のアノード側を減圧状態にし、前記燃料電池のアノード側の前記燃料ガスがガス圧Py(<Px)の濃度まで低下してから、前記排出制御手段により前記アノード下流路を開いて前記残存ガスを排出し、前記燃料電池のアノード側の前記燃料ガスがガス圧Pmin(<Py)の下限濃度まで低下すれば前記排出を停止し、前記供給制御手段により前記燃料電池のアノード側に前記燃料ガスを初期ガス圧Pmax(>Px)の初期濃度になるまで供給することを特徴としている(請求項1)。 In order to achieve the above object, a fuel cell system according to the present invention is provided in an anode upper flow path from a fuel tank to the anode side of the fuel cell, and supplies fuel gas from the fuel tank to the anode side of the fuel cell. Supply control means for adjusting the discharge, and discharge control means for opening and closing the anode lower flow path from the anode side of the fuel cell to the discharge port, and intermittently discharging the residual gas on the anode side of the fuel cell, the supply The control means shuts off or reduces the supply of fuel gas from the fuel tank to the anode side of the fuel cell before discharging the residual gas to maintain the fuel cell in a power generation state, and controls the anode side in the fuel cell. The discharge control means opens the anode lower flow path after the anode side of the fuel cell is in the reduced pressure state, and the residual gas Is intended to discharge, if reduced to set the concentration of the fuel gas is gas pressure Px of the anode side of the fuel cell, the anode side of the fuel in the cell by the pressure reducing function of the supply control means in a reduced pressure state, wherein After the fuel gas on the anode side of the fuel cell decreases to a concentration of gas pressure Py (<Px), the discharge control means opens the anode lower flow path to discharge the residual gas, and the anode side of the fuel cell When the fuel gas drops to the lower limit concentration of the gas pressure Pmin (<Py), the discharge is stopped, and the fuel gas is supplied to the anode side of the fuel cell by the supply control means at the initial gas pressure Pmax (> Px). The supply is performed until the initial concentration is reached (claim 1).
また、本発明の燃料電池システムは、カーナビゲーションの道路情報に基づきトンネルの接近が判明したときに、トンネルに入る前に、前記供給制御手段の前記減圧機能により前記燃料電池内のアノード側を減圧状態に強制移行し、前記排出制御手段により前記アノード下流路を開いて前記残存ガスを排出して前記供給制御手段により前記燃料電池のアノード側に初期濃度の前記燃料ガスを供給しておくようにしてもよい(請求項2)。 Further, the fuel cell system of the present invention reduces the anode side in the fuel cell by the pressure reducing function of the supply control means before entering the tunnel when the approach of the tunnel is found based on the road information of the car navigation. The discharge control means opens the anode lower flow path to discharge the residual gas, and the supply control means supplies the initial concentration of the fuel gas to the anode side of the fuel cell. which may be (claim 2).
請求項1の発明によれば、アノード側の残存ガスの排出前になると、アノード上流路に設けられた供給制御手段の減圧機能により、燃料電池のアノード側を減圧状態にする。すなわち、燃料タンクから燃料電池のアノード側への燃料ガスの供給を遮断又は減少して燃料電池を発電状態に維持する。 According to the first aspect of the present invention, when the remaining gas on the anode side is not discharged, the anode side of the fuel cell is put into a reduced pressure state by the pressure reducing function of the supply control means provided in the anode upper flow path. That is, the supply of fuel gas from the fuel tank to the anode side of the fuel cell is interrupted or reduced to maintain the fuel cell in the power generation state.
そして、燃料ガスの供給を遮断又は減少した状態での燃料電池の発電により、燃料電池のアノード側の残存ガス(水素及び窒素)を「濃縮」する。 Then, the remaining gas (hydrogen and nitrogen) on the anode side of the fuel cell is “concentrated” by power generation of the fuel cell in a state where the supply of the fuel gas is cut off or reduced.
ところで、本願の明細書等における残存ガスの「濃縮」とは、アノード側への燃料ガス供給を遮断又は減少することで、アノード側の残存ガスを構成している水素濃度(分圧)のみを低下させて、アノード側のガス全圧を減圧状態にすることである。 Incidentally, the term "enriched" the residual gas in the specification and the like of the present application, by small block or decrease the supply of fuel gas to the anode side, the hydrogen concentration (partial pressure) constituting the remaining gas in the anode side only To reduce the total gas pressure on the anode side.
そして、前記残存ガスの「濃縮」によりアノード側をガス全圧の減圧状態にすることでその燃料ガス濃度(水素濃度)を低下させ、安全な状態になるようにする。 Then, the fuel gas concentration (hydrogen concentration) is lowered by bringing the anode side into a reduced pressure state of the total gas pressure by “concentration” of the residual gas, so that a safe state is achieved.
さらに、アノード側の燃料ガス濃度が低い安全な状態において、排出制御手段がアノード下流路を開いてアノード側の残存ガスを排出する。 Further, in a safe state where the anode side fuel gas concentration is low, the discharge control means opens the anode lower flow path and discharges the anode side residual gas.
この場合、アノード側の残存ガスの排出前に、燃料ガスの燃料電池への供給を遮断又は減少することで、アノード側の残存ガスを「濃縮」してそのガス全圧を減圧状態とし、それによってアノード側の燃料ガス濃度を安全な状態にして残存ガスを排出するため、必要なときにはいつでもアノード側の残存ガスを安全に排出することができる。 In this case, before discharging the remaining gas on the anode side, the supply of fuel gas to the fuel cell is cut off or reduced, so that the remaining gas on the anode side is “concentrated” and its total pressure is reduced. Therefore, the anode side fuel gas concentration is set to a safe state and the residual gas is discharged, so that the anode side residual gas can be safely discharged whenever necessary.
そして、アノード上流路の供給制御手段に減圧機能を付加し、アノード下流路に該下流路を開閉する簡単な排出制御手段を設ければよく、簡素かつ安価な構成で形成することができ、水素循環方式の燃料電池システムは勿論、本出願人の前記既出願の燃料電池システムを含むどのような方式・構成の燃料電池システムにも適用することができる。 Then, a decompression function is added to the supply control means for the anode upper flow path, and a simple discharge control means for opening and closing the lower flow path is provided in the anode lower flow path, which can be formed with a simple and inexpensive configuration. The present invention can be applied not only to the circulation type fuel cell system, but also to any type of fuel cell system including the fuel cell system already filed by the present applicant.
したがって、どのような方式・構成の燃料電池システムにも適用可能な簡素かつ安価な構成により、車両の走行、停止に関わらず、必要なときにはいつでもアノード側の残存ガスを安全に排出することができ、通常発電中に燃料電池のアノード側の燃料ガス濃度が高い状態で早めにその残存ガスを排出し、燃料電池のアノード側の燃料ガス濃度を元の高濃度の状態にリフレッシュして発電効率と安全性の両方を十分に高くするようにした新規なアノード側の残存ガスの排出構造を提供でき、従来システムのようにガス圧Pxからガス圧Pyに低下するまでの水素ガス濃度の低い状態での発電に長期間維持されることがなく、発電効率を著しく向上することができる。 Therefore, the simple and inexpensive configuration applicable to any type of fuel cell system can safely discharge the anode-side residual gas whenever necessary , regardless of whether the vehicle is running or stopped. During normal power generation, the remaining gas is discharged early in a state where the fuel gas concentration on the anode side of the fuel cell is high, and the fuel gas concentration on the anode side of the fuel cell is refreshed to the original high concentration state to improve the power generation efficiency. It is possible to provide a novel anode-side residual gas discharge structure that is sufficiently high in both safety and in a state where the hydrogen gas concentration is low until the gas pressure Px is reduced to the gas pressure Py as in the conventional system. without being maintained for a long time for power generation, Ru can significantly improve the power generation efficiency.
請求項2の発明によれば、カーナビゲーションの道路情報に基づき、燃料ガスが滞留し易く途中での残存ガスの排出が好ましくないトンネルの接近が判明したときには、トンネルに入る前等に強制的に減圧状態に移行して燃料電池のアノード側の残存ガスを排出し、燃料ガス濃度を初期濃度の状態にリフレッシュしておき、トンネル内では燃料電池のアノード側の残存ガスを排出しないようにして安全性を一層向上することが可能である。 According to the invention of claim 2, when it is found that the approach of the tunnel where fuel gas is liable to stay and discharge of the remaining gas is not preferable on the basis of the road information of the car navigation, it is forcibly made before entering the tunnel. Transition to the decompressed state, discharge the residual gas on the anode side of the fuel cell, refresh the fuel gas concentration to the initial concentration state, and do not discharge the residual gas on the anode side of the fuel cell in the tunnel It is possible to further improve the performance.
つぎに、本発明をより詳細に説明するため、一実施形態について、図1〜図4にしたがって詳述する。 Next, in order to describe the present invention in more detail, an embodiment will be described in detail with reference to FIGS.
図1は燃料電池システムのアノード側のブロック図であり、図2は図1のアノード制御のフローチャートである。図3は図1の燃料電池のアノード側ガス分圧の時間変化の説明図、図4は比較のための従来システムの燃料電池のアノード側ガス分圧の時間変化の説明図である。 FIG. 1 is a block diagram of the anode side of the fuel cell system, and FIG. 2 is a flowchart of the anode control of FIG. FIG. 3 is an explanatory view of the time change of the anode side gas partial pressure of the fuel cell of FIG. 1, and FIG. 4 is an explanatory view of the time change of the anode side gas partial pressure of the fuel cell of the conventional system for comparison.
図1の燃料電池システムは、前記した本出願人の既出願の固体高分子型燃料電池の燃料電池システムを改良したものであり、例えば軽自動車等の車両に搭載される。 The fuel cell system of FIG. 1 is an improvement of the above-mentioned solid polymer type fuel cell fuel cell system of the present applicant, and is mounted on a vehicle such as a light vehicle.
図1において、1は水素と酸素を使用する固体高分子型の燃料電池(FC:Fuel Cell)であり、アノード(水素極)側に供給された燃料ガスと、カソード(空気極)側に供給された空気中の酸素との高分子電解質膜を介した電気化学反応が生じて発電する。
In FIG. 1,
2は燃料電池1のアノード側上流の燃料タンク、3はその主止弁、4、5、6は燃料タンク2から燃料電池1に至るアノード上流路7に設けられたレギュレータ、供給弁、圧力センサである。
2 is a fuel tank upstream of the anode of the
そして、レギュレータ4、供給弁5はいずれか一方が本発明の供給制御手段を形成し、燃料タンク2から燃料電池1のアノード側への水素ガス(燃料ガス)の供給を調節(開閉を含む)し、また、本発明の減圧機能を有することによって燃料電池1の残存ガス排出前に燃料タンク2から燃料電池1のアノード側への水素ガスの供給を、供給弁5を閉じて遮断し、又は、レギュレータ4で絞ることにより、水素ガス圧を減少させてアノード側のガス全圧を調節する。なお、供給弁5は前記生成水の排出の制御にも用いられる。
One of the regulator 4 and the
8は燃料電池1から後述の常閉の排気弁10、排水弁11に至るアノード下流路、9はアノード下流路8に設けられた適当な大きさの矩形箱体或いは円筒体の容器であり、燃料電池1から排出された生成水を貯留する水溜り部を形成する。
8 is an anode lower flow path from the
10は容器9の周面上部の挿通路(アノード下流路8の一方の終端部)に設けられた排気弁であり、本発明の排出制御手段を形成し、アノード下流路8を開閉して燃料電池1のアノード側の残存ガスを断続的に排出する。11は容器9の周面下部の挿通路(アノード下流路8の他方の方の終端部)に設けられた排水弁11であり、容器9の貯留水を排出するときにのみ開かれる。
Reference numeral 10 denotes an exhaust valve provided in an insertion passage (one end portion of the anode lower flow path 8) at the upper peripheral surface of the container 9, which forms the discharge control means of the present invention and opens and closes the anode lower flow path 8 to open the fuel. The residual gas on the anode side of the
なお、弁3、5、10、11及びレギュレータ4は白抜きが開いた状態、黒塗りが閉じた状態であり、図示省略した制御ECUによって開閉等が制御される。
The
つぎに、説明を簡単にするため、燃料電池1の残存ガスの排出前に供給弁5の減圧機能によって燃料タンク2から燃料電池1のアノード側への燃料ガス(水素ガス)の供給を遮断する場合の図1の燃料電池システムの動作を、図2〜図4を参照して説明する。
Next, for the sake of simplicity, the supply of the fuel gas (hydrogen gas) from the fuel tank 2 to the anode side of the
まず、イグニッションキーのターンオン等に連動して発電が指令されると、図2のステップS1、S2のループの「加圧」により、発電開始前に排気弁10、排水弁11を閉じた状態で燃料タンク2の主止弁3を通った高圧の水素ガスがレギュレータ4及び供給弁5、圧力センサ6を通って燃料電池1のアノード側に供給され、燃料電池1のアノード側全体の水素ガス濃度が図3(b)に示す設定された初期ガス圧(上限圧)Pmaxの濃度(初期濃度)まで上昇して燃料電池1が図3(a)の「初期」の状態になる。なお、図3(a)は燃料電池1のアノード側の分圧状態を示し、斜線部αは水素分圧、斜線部βは窒素分圧でありる。また、この場合、水素分圧αと窒素分圧βとの和がアノード側のガス全圧となる。さらに、図3(b)の実線が燃料電池1のアノード側の水素ガス圧(水素分圧)の変化を示す。
First, when power generation is commanded in conjunction with the turn-on of the ignition key, etc., the exhaust valve 10 and the drain valve 11 are closed before the start of power generation due to the “pressurization” of the loop of steps S1 and S2 in FIG. The high-pressure hydrogen gas that has passed through the main stop valve 3 of the fuel tank 2 is supplied to the anode side of the
そして、前記「初期」の水素分圧状態になると、図2のステップS2からステップS3に移行し、ステップS3、S4のループにより、燃料タンク1の主止弁3を通った高圧の水素ガスがレギュレータ4で適当に減圧調整され、供給弁5、圧力センサ6を通って燃料電池1のアノード側に発電消費を考慮した定量制御で供給されるようになる。
When the "initial" hydrogen partial pressure state is reached, the process proceeds from step S2 in FIG. 2 to step S3, and the high-pressure hydrogen gas that has passed through the main stop valve 3 of the
このとき、燃料電池1はアノード側に供給された水素ガスと、カソード側に供給された酸素(空気)との高分子電解質膜を介した電気化学反応により発電を開始し、図3(a)の「定常」の通常発電に移行する。
At this time, the
そして、「定常」の通常発電により燃料電池1のアノード側に定量の水素ガスを供給しつつ発電が継続される間に、燃料電池1のカソードの窒素が高分子膜を透過してアノード側に蓄積すると、図3(b)に示すように燃料電池1のアノード側の水素分圧が次第に低くなってその水素濃度(燃料ガス濃度)が低下する。
Then, while power generation is continued while supplying a certain amount of hydrogen gas to the anode side of the
つぎに、例えば「定常」の通常発電で「初期」開始を基準とする「初期」の期間τ1+「定常」の期間τ2、または、「定常」開始を基準とする期間τ2のタイマ設定された時間(通常、分単位の時間)が経過し、前記アノード側の水素ガス濃度がガス圧Pxの設定濃度まで低下してアノード側の残存ガスの排出前になると、燃料電池1のアノード側の残存ガスを排出するため、図2のステップS4からステップS5に移行して従来システムにはない図3(a)の「減圧」に移行する。
Next, for example, in “normal” normal power generation, a timer set time of “initial” period τ1 + “steady” period τ2 based on “initial” start or period τ2 based on “steady” start When (usually time in minutes) elapses and the hydrogen gas concentration on the anode side decreases to the set concentration of the gas pressure Px and before the remaining gas on the anode side is discharged, the remaining gas on the anode side of the
この「減圧」になると、図2のステップS5、S6のループにより、供給弁5が閉じられ、燃料タンク2から燃料電池1のアノード側への水素ガスの供給を遮断して燃料電池1が発電状態に維持される。このとき、燃料電池1のアノード側においては、残存ガスの「濃縮」によりガス全圧の減圧状態になることで、図3(b)に示すように水素分圧が急峻に低下して水素ガス濃度が減少する。
When this “decompression” occurs, the
そして、例えばタイマ設定された時間τ3が経過し、燃料電池1のアノード側の水素ガス濃度が設定したガス圧Pyの安全な下限濃度まで低下し、図3(a)の空白部γに示すように燃料電池1のアノード側の水素ガスが減少し(空白部γは水素ガスの消失割合を示す)、燃料電池1のアノード側が減圧状態になると、図2のステップS6からステップS7に移行し、図3(a)の「排出」の状態になる。このとき、燃料電池1のアノード側のガス全圧は、減圧状態といえども大気圧より高い状態である。
Then, for example, the time τ3 set by the timer elapses, and the hydrogen gas concentration on the anode side of the
そして、「排出」の状態になると、図2のステップS7、S8のループにより、排気弁10が開かれて期間τ4に燃料電池1のアノード側の残留ガスの一部がアノード下流路8の排気弁10を通り、その排出口8aから系外に排出される。図3(a)の斜線部δ1が水素ガスの排出割り合いを示し、同図(a)の斜線部δ2が窒素ガスの排出割り合いを示す。
Then, in the “exhaust” state, the exhaust valve 10 is opened by the loop of steps S7 and S8 in FIG. 2, and a part of the residual gas on the anode side of the
さらに、例えば期間τ4が経過して燃料電池1のアノード側の水素ガス濃度が設定したガス圧(下限値)Pminの安全な下限濃度まで低下すると、図2のステップS8からステップS9に移行する。
Further, for example, when the period τ4 elapses and the hydrogen gas concentration on the anode side of the
そして、発電の終了が指令されない限り、図2のステップS9からステップS1に戻り、排気弁10が閉じられて供給弁5が開かれ、図3(a)の「加圧」に移行する。このとき、排気弁10、排水弁11が閉じられた状態で、燃料タンク2の主止弁3を通った高圧の水素ガスがレギュレータ4及び供給弁5、圧力センサ6を介して燃料電池1のアノード側に供給される。
Then, unless termination of power generation is instructed, the process returns from step S9 in FIG. 2 to step S1, the exhaust valve 10 is closed, the
そして、「加圧」の期間τ5に燃料電池1のアノード側全体の水素ガス濃度が元の初期ガス圧Pmaxの濃度まで上昇すると、再び、上述した「初期」の状態になる。このとき、図3(a)に示すように空白部γ及び斜線部δ1、δ2が水素ガスに入れ替わり、燃料電池1のアノード側の水素ガス濃度がガス圧Pmaxの元の高濃度の状態にリフレッシュされる。
Then, when the hydrogen gas concentration of the entire anode side of the
以降、「初期」、「定常」、「減圧」、「排出」、「加圧」に順に遷移するサイクル動作で、図1の燃料電池システムが発電を継続する。 Thereafter, the fuel cell system of FIG. 1 continues power generation in a cycle operation in which the transition is made in order of “initial”, “steady state”, “decompression”, “discharge”, and “pressurization”.
ところで、発電中には水素と酸素の電気化学反応によって燃料電池1のカソード側に発生した生成水が高分子電解質膜を通して燃料電池1のアノード側に逆拡散して混入する。
By the way, during power generation, the generated water generated on the cathode side of the
そして、混入した生成水を放置して発電を長期間継続すると、生成水が燃料電池1のアノード側に蓄積し、生成水の堆積によってもアノード側の水素ガス濃度が次第に低下し、さらには燃料電池1の損傷を招来する。
When the mixed generated water is left and power generation is continued for a long period of time, the generated water accumulates on the anode side of the
そこで、燃料電池1のアノード側の水素ガス濃度のリフレッシュとは別の制御により、前記生成水の堆積による燃料電池1のアノード側の濡れ状態を検出したときに、供給弁5を閉じて供給弁5、排気弁10、排水弁11が閉じた状態で燃料電池1の発電を行ない、燃料電池1内が減圧状態になった後に供給弁5を開き、減圧状態の燃料電池1内に水素ガスを噴入して燃料電池1のアノード側の生成水を容器9に押し出し、その後、排水弁11を開いて生成水を排水口8bからシステム外部に排出する。
Therefore, when the wet state of the anode side of the
以上のように構成された本実施形態の燃料電池システムの場合、燃料電池1のアノード側の残存ガスの「排出」の前に、従来システムには存在しない「減圧」により、アノード上流路7に設けられた供給制御手段としての供給弁5の減圧機能(閉成)が動作し、燃料タンク2から燃料電池1のアノード側への水素ガスの供給を遮断した状態で燃料電池1を発電状態に維持し、燃料電池1のアノード側の残存ガスを「濃縮」し、アノード側のガス全圧をすみやかに減圧状態にしてその水素濃度(燃料ガス濃度)を安全な状態に下げ、その後、排出制御手段としての排気弁10を開いてアノード側の残存ガスを排出する構造である。
In the case of the fuel cell system of the present embodiment configured as described above, before the “exhaust” of the residual gas on the anode side of the
そのため、従来システムのように通常発電によって燃料電池1内の水素ガス濃度が自然に安全な濃度(ガス圧Py)に下がるのを待たなくてよく、燃料電池1のアノード側の残存ガスの排出が必要なときにはいつでも、「減圧」を行なうことでアノード側の残存ガスを安全に排出することができる。
Therefore, unlike the conventional system, there is no need to wait for the hydrogen gas concentration in the
しかも、「減圧」に移行するガス圧Pxは「排出」のガス圧Pyより高く、その分、「定常」の期間τ2は、従来システムのように「定常」の通常発電によって燃料電池1内の水素ガス濃度が自然に安全なガス圧Pyに下がるのを待つ場合に比して短くなる。その結果、燃料電池1がガス圧Px以上の高い水素ガス濃度の状態でのみ発電するようになり、燃料電池1の発電効率も向上する。
Moreover, the gas pressure Px that shifts to “decompression” is higher than the gas pressure Py of “exhaust”, and accordingly, the “steady” period τ2 is generated in the
そして、アノード上流路7に設けた供給弁5とアノード下流路8に設けた排気弁10との開閉制御を行なえばよいため、どのような方式・構成の燃料電池システムにも適用することができる簡素かつ安価な構成で実現される。
Since the opening / closing control of the
したがって、どのような方式・構成の燃料電池システムにも適用することができる簡素かつ安価な構成により、必要なときにはいつでも燃料電池1のアノード側の残存ガスを安全に排出できるようにして発電効率と安全性の両方を十分に高くすることが可能な新規なアノード側の残存ガスの排出構造を提供することができる。
Therefore, a simple and inexpensive configuration that can be applied to any type of fuel cell system and configuration allows the remaining gas on the anode side of the
なお、比較のために従来システムの発電のサイクル及び分圧状態を図4に示す。図4(a)は図3(a)に対応する燃料電池1のアノード側の分圧状態を示し、図4(b)は図3(b)に対応する燃料電池1のアノード側の水素ガス圧(水素分圧)の変化を示す。
For comparison, FIG. 4 shows a power generation cycle and a partial pressure state of the conventional system. 4A shows a partial pressure state on the anode side of the
そして、図4に示すように、従来システムは「初期」、「定常」、「排出」、「加圧」を一周期とするサイクル動作で発電を継続し、「定常」の通常発電で燃料電池1内の水素ガス濃度が自然に安全な濃度(ガス圧Py)に下がるのを待ってから「排出」に移行する。図中の「初期」、「定常」、「排出」、「加圧」の期間τ11、τ21、τ31、τ51は図3の期間τ1、τ2、τ3、τ5に対応し、一周期Tbは図3の一周期Taに対応する。また、図3(a)の斜線部δ11、δ21は図3(a)の斜線部δ1、δ2に対応する。 As shown in FIG. 4, the conventional system continues power generation with a cycle operation in which “initial”, “steady”, “discharge”, and “pressurization” are one cycle, and fuel cell with “normal” normal power generation. hydrogen gas concentration in 1 proceeds to "drain" wait for the drops naturally safe concentrations (gas pressure Py). In FIG. 3, “initial”, “steady”, “discharge”, and “pressurization” periods τ11, τ21, τ31, and τ51 correspond to the periods τ1, τ2, τ3, and τ5 in FIG. Corresponds to one period Ta. Also, the shaded portions δ11 and δ21 in FIG. 3A correspond to the shaded portions δ1 and δ2 in FIG.
そして、図3と図4との比較からも明らかなように、例えば図3(b)のガス圧Pxをなるべく初期ガス圧Pmaxに近いガス圧に設定することにより、図3(a)の「定常」の期間τ2が従来システムの期間τ21より極めて短くなって従来システムの一周期Tbより短い周期Taで発電を継続する。このとき、期間τ2が短く、燃料電池1はガス圧Px以上の水素ガス濃度の濃い状態で発電をくり返し、従来システムのようにガス圧Pxからガス圧Pyに低下するまでの水素ガス濃度の低い状態での発電に長期間維持されることがなく、発電効率が著しく向上する。なお、ガス圧Pxを高くする程発電効率は高くなるが、その分、「排出」1回当たりの水素ガスのリフレッシュ効果が少なくなる。そのため、ガス圧Pxは発電効率とアノード側の水素ガス濃度のリフレッシュ効果との兼ね合い等から決定することが好ましい。
As is clear from a comparison between FIG. 3 and FIG. 4, for example, by setting the gas pressure Px in FIG. 3B to a gas pressure as close to the initial gas pressure Pmax as possible, “ The “steady” period τ2 is much shorter than the period τ21 of the conventional system, and power generation is continued at a period Ta shorter than one period Tb of the conventional system. At this time, the period τ2 is short, and the
また、必要なときにはいつでも燃料電池1のアノード側の残存ガスを排出してその水素ガス濃度を「初期」の高濃度の状態にリフレッシュできるため、例えば車両に搭載したカーナビゲーションの道路情報に基づき、水素ガスが滞留し易く途中での残存ガスの排出が好ましくないトンネルのような構造物等に接近したときには、ガス圧Pxを燃料電池1のアノード側の現在の水素ガス圧(検出値又は経過時間からの推定値)以下のガス圧に一時的に可変し、トンネルのような構造物に入る前等に強制的に「定常」から「減圧」に移行して燃料電池1のアノード側の残存ガスを排出し、水素ガス濃度を「初期」の高濃度の状態にリフレッシュしておき、構造物内では燃料電池1のアノード側の残存ガスを排出しないようにして安全性を一層向上することも可能である。
Moreover, since the residual gas on the anode side of the
その他、ガス圧Pxの設定や可変調整等に基づき、車両の走行、停止に関わらず、発電の継続中に必要になったときにはいつでも燃料電池1のアノード側の残存ガスを安全に排出し、燃料電池1のアノード側の水素ガス濃度を「初期」の元の高濃度の状態にリフレッシュすることができる。
In addition, based on the setting and variable adjustment of the gas pressure Px, the remaining gas on the anode side of the
そして、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能であり、例えば、燃料電池1のアノード側の水素ガスのガス圧の図3(b)の各ガス圧Pmax、Px、Py、Pminへの上昇又は低下は、前記実施形態のようにタイマ設定された時間の経過から間接的に検出する代わりに、実際に水素濃度センサ、水素ガス圧センサ等を設けて燃料電池1のアノード側の水素ガスの濃度、ガス圧から直接検出してもよく、この場合は、水素ガスの管理精度が向上する利点がある。
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications other than those described above can be made without departing from the spirit thereof, for example, hydrogen on the anode side of the
また、前記実施形態においては、燃料電池1の残存ガスの排出前に供給弁5の減圧機能により、燃料タンク2から燃料電池1のアノード側への燃料ガス(水素ガス)の供給を遮断してアノード側におけるガス全圧を減圧状態とし、水素濃度を低下させる場合について説明したが、燃料電池1の残存ガスの排出前にレギュレータ4の減圧機能により、燃料タンク2から燃料電池1のアノード側への燃料ガス(水素ガス)の供給を絞ってアノード側におけるガス全圧を減圧状態とし、水素濃度を低下させてもよく、この場合は、レギュレータ4が本発明の供給制御手段を形成する。
In the above embodiment, the supply of the fuel gas (hydrogen gas) from the fuel tank 2 to the anode side of the
さらに、図3の各期間τ1〜τ5や一周期Taは燃料電池1の性能等に応じて種々に設定等してよいのは勿論であり、それらの制御手段等はどのようであってもよい。
Furthermore, each period τ1 to τ5 and one cycle Ta in FIG. 3 may be variously set according to the performance of the
そして、本発明は、例えば図1の容器9や排水弁11を省いた構成の燃料電池システムや、上述した水素循環方式の燃料電池システムは勿論、リン酸型や溶融炭酸塩型等の燃料電池の燃料電池システム、更には、改質型等の構成の燃料電池システムにも適用することができる。その際、燃料ガスが水素ガス以外であってもよいのは勿論であり、また、車両に搭載する燃料電池システムは勿論、種々の用途の燃料電池システムであってよいのも勿論である。 The present invention is not limited to, for example, a fuel cell system in which the container 9 and the drain valve 11 in FIG. 1 are omitted, and the above-described hydrogen circulation type fuel cell system, but also a phosphoric acid type or molten carbonate type fuel cell. The present invention can also be applied to a fuel cell system of a reforming type or the like. In this case, the fuel gas may of course be other than hydrogen gas, and of course, the fuel cell system mounted on the vehicle and the fuel cell system for various uses may be used.
1 燃料電池
2 燃料タンク
4 レギュレータ
5 供給弁
7 アノード上流路
8 アノード下流路
8a 排出口
10 排気弁
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記燃料電池のアノード側から排出口に至るアノード下流路を開閉し、前記燃料電池のアノード側の残存ガスを断続的に排出する排出制御手段とを備え、
前記供給制御手段は、前記残存ガスの排出前に前記燃料タンクから前記燃料電池のアノード側への燃料ガスの供給を遮断又は減少して前記燃料電池を発電状態に維持し、前記燃料電池内のアノード側を減圧状態にする減圧機能を有し、
前記排出制御手段は、前記燃料電池のアノード側が前記減圧状態になってから前記アノード下流路を開いて前記残存ガスを排出するものであり、
前記燃料電池のアノード側の前記燃料ガスがガス圧Pxの設定濃度に低下すれば、前記供給制御手段の前記減圧機能により前記燃料電池内のアノード側を減圧状態にし、前記燃料電池のアノード側の前記燃料ガスがガス圧Py(<Px)の濃度まで低下してから、前記排出制御手段により前記アノード下流路を開いて前記残存ガスを排出し、前記燃料電池のアノード側の前記燃料ガスがガス圧Pmin(<Py)の下限濃度まで低下すれば前記排出を停止し、前記供給制御手段により前記燃料電池のアノード側に前記燃料ガスを初期ガス圧Pmax(>Px)の初期濃度になるまで供給することを特徴とする燃料電池システム。 A supply control means for adjusting supply of fuel gas from the fuel tank to the anode side of the fuel cell, provided in an anode upper flow path from the fuel tank to the anode side of the fuel cell;
A discharge control means for opening and closing the anode lower flow path from the anode side of the fuel cell to the discharge port, and for intermittently discharging the residual gas on the anode side of the fuel cell;
The supply control means shuts off or reduces the supply of fuel gas from the fuel tank to the anode side of the fuel cell before discharging the residual gas to maintain the fuel cell in a power generation state. It has a pressure reducing function that makes the anode side in a reduced pressure state,
The discharge control means opens the anode lower flow path after the anode side of the fuel cell is in the reduced pressure state and discharges the residual gas ,
When the fuel gas on the anode side of the fuel cell decreases to a set concentration of the gas pressure Px, the pressure reducing function of the supply control means causes the anode side in the fuel cell to be in a reduced pressure state, and the fuel cell anode side After the fuel gas has dropped to the concentration of gas pressure Py (<Px), the discharge control means opens the anode lower flow path to discharge the remaining gas, and the fuel gas on the anode side of the fuel cell is gas. The discharge is stopped when the pressure Pmin (<Py) decreases to the lower limit concentration, and the fuel gas is supplied to the anode side of the fuel cell by the supply control means until the initial concentration of the initial gas pressure Pmax (> Px) is reached. A fuel cell system.
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