JP6637870B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
この発明は、燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.
産業車両等の車両に搭載される燃料電池システムの燃料電池スタックには水素及び空気が供給され、水素と空気中の酸素とが化学反応を起こすことにより発電が行われる。ここで、燃料電池システムが運転を停止して車両が保管されている間、燃料電池スタックに空気が入り込んでしまうと燃料電池スタックのセルが酸化して性能が低下してしまうおそれがある。 Hydrogen and air are supplied to a fuel cell stack of a fuel cell system mounted on a vehicle such as an industrial vehicle, and power is generated by causing a chemical reaction between hydrogen and oxygen in the air. Here, when air enters the fuel cell stack while the fuel cell system stops operating and the vehicle is stored, the cells of the fuel cell stack may be oxidized and performance may be reduced.
そこで、特許文献1では、燃料電池システムの運転停止中であっても燃料電池スタックの性能が低下しないよう、水素供給流路上の2つの閉状態のバルブの間に保持される水素がバイパス流路を介して燃料電池スタックに供給される。そして、供給された水素は燃料電池スタックの中の酸素と反応して酸素を消費し、セルの酸化を防止する。バイパス流路には、燃料電池スタックに供給される水素の流量を少量に制限する流量制限手段としてオリフィスが設けられる。 Therefore, in Patent Document 1, the hydrogen held between the two closed valves on the hydrogen supply flow path is supplied to the bypass flow path so that the performance of the fuel cell stack is not deteriorated even when the operation of the fuel cell system is stopped. Is supplied to the fuel cell stack via Then, the supplied hydrogen reacts with oxygen in the fuel cell stack to consume oxygen, thereby preventing oxidation of the cell. An orifice is provided in the bypass flow path as flow rate limiting means for limiting the flow rate of hydrogen supplied to the fuel cell stack to a small amount.
しかしながら、特許文献1の燃料電池システムの流量制限手段は、バイパス流路から燃料電池スタックに流入する水素の量を、その時点の燃料電池スタック1の水素濃度に応じて適宜調整することはできない。そのため、適切な量の水素を燃料電池スタックに供給することは困難であった。 However, the flow rate restricting means of the fuel cell system disclosed in Patent Document 1 cannot appropriately adjust the amount of hydrogen flowing into the fuel cell stack from the bypass passage according to the hydrogen concentration of the fuel cell stack 1 at that time. Therefore, it has been difficult to supply an appropriate amount of hydrogen to the fuel cell stack.
また一方で、バイパス流路に電磁弁を設け、制御手段がセンサを介して水素供給流路の水素濃度をモニタリングしつつ電磁弁を制御してバイパス流路の水素の流量を調整する方法もある。しかしながら、このように電磁弁を設ける方法を採用すると燃料電池システムの構造が煩雑となってしまい、製造コストが増加してしまう。 On the other hand, there is a method in which an electromagnetic valve is provided in the bypass flow path, and the control unit controls the electromagnetic valve while monitoring the hydrogen concentration in the hydrogen supply flow path via a sensor to adjust the flow rate of hydrogen in the bypass flow path. . However, adopting such a method of providing an electromagnetic valve complicates the structure of the fuel cell system and increases the manufacturing cost.
この発明は、このような問題を解決するためになされ、簡易な構造で、適切に燃料電池スタックの発電停止時の性能低下を防止することができる燃料電池システム提供することを目的とする。 The present invention has been made in order to solve such a problem, and it is an object of the present invention to provide a fuel cell system having a simple structure and capable of appropriately preventing performance degradation of a fuel cell stack when power generation is stopped.
上記の課題を解決するために、この発明に係る燃料電池システムは、水素と空気中の酸素とを反応させて発電を行う燃料電池スタックと、水素を燃料電池スタックに供給する水素タンクと、燃料電池スタックと水素タンクとの間に設けられ、水素が流通する水素供給流路と、水素供給流路に設けられ、燃料電池スタックに流入する水素の圧力を調整する圧力調整装置と、圧力調整装置をバイパスするとともに水素供給流路に接続されるバイパス流路と、バイパス流路に設けられるリリーフ弁と、バイパス流路に設けられる遮断弁とを備え、バイパス流路において、リリーフ弁の上流の水素の圧力がリリーフ弁の下流の水素の圧力よりも高く、かつ、リリーフ弁の上流の水素の圧力とリリーフ弁の下流の水素の圧力との間に所定の圧以上の圧力差がある時に、リリーフ弁は開状態となり、遮断弁は、燃料電池スタックの発電中は閉状態であり、燃料電池スタックの発電停止中は開状態である。 In order to solve the above problems, a fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell stack that generates power by reacting hydrogen and oxygen in air, a hydrogen tank that supplies hydrogen to the fuel cell stack, and a fuel tank. A hydrogen supply passage provided between the cell stack and the hydrogen tank and through which hydrogen flows, a pressure adjustment device provided in the hydrogen supply passage to adjust the pressure of hydrogen flowing into the fuel cell stack, and a pressure adjustment device A bypass flow path connected to the hydrogen supply flow path, a relief valve provided in the bypass flow path, and a shut-off valve provided in the bypass flow path. Is higher than a predetermined pressure between the pressure of hydrogen upstream of the relief valve and the pressure of hydrogen downstream of the relief valve. When there is, the relief valve is Ri Do opened, shut-off valve, during the power generation of the fuel cell stack are closed, during the power generation stop of the fuel cell stack is in the open state.
また、圧力調整装置は、インジェクタであってもよい。 Further, the pressure adjusting device may be an injector .
この発明に係る燃料電池システムによれば、簡易な構造で、適切に燃料電池スタックの発電停止時の性能低下を防止することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to the fuel cell system which concerns on this invention, the performance fall at the time of a power generation stop of a fuel cell stack can be prevented appropriately with a simple structure.
以下、この発明の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。
図1に示すように、燃料電池システム100は、燃料電池スタック1と、燃料電池スタック1のカソード側に空気を供給するエアコンプレッサ2と、燃料電池スタック1のアノード側に水素を供給する水素タンク3とを備える。なお、水素タンク3の内部の水素圧は、例えば、1〜35MPaである。エアコンプレッサ2と燃料電池スタック1との間には、空気が流通するための空気供給流路L1が設けられる。また、水素タンク3と燃料電池スタック1との間には、水素が流通するための水素供給流路L2が設けられる。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
As shown in FIG. 1, a
空気供給流路L1には空気遮断弁16が設けられる。ここで、空気遮断弁16が開状態の時、エアコンプレッサ2で圧縮された空気は空気供給流路L1を流通して燃料電池スタック1に供給され、空気遮断弁16が閉状態の時は、燃料電池スタック1への空気の供給は停止する。
An
また、水素供給流路L2には、上流側から下流側に向かって、水素遮断弁12、減圧弁13及びインジェクタ4が順次設けられている。ここで、水素遮断弁12が開状態の時、水素タンク3の内部に貯留される高圧の水素は水素供給流路L2を流通して燃料電池スタック1に供給され、水素遮断弁12が閉状態の時は、燃料電池スタック1への水素の供給は停止する。また、減圧弁13は水素タンク3から流通する高圧の水素を減圧する。また、インジェクタ4は、水素供給流路L2を流通して燃料電池スタック1に流入する水素の流量及び圧力を調整することができる電磁駆動式の開閉弁である。
ここで、インジェクタ4は圧力調整装置を構成する。
In the hydrogen supply flow path L2, a
Here, the injector 4 constitutes a pressure adjusting device.
水素供給流路L2には、インジェクタ4をバイパスするバイパス流路L3が接続する。バイパス流路L3の上流側の一端は、減圧弁13の下流かつインジェクタ4の上流の第一分岐点4aに接続されている。また、バイパス流路L3の下流側の他端は、インジェクタ4の下流に設けられる第二分岐点4bに接続される。このバイパス流路L3にはリリーフ弁11が設けられている。
A bypass flow path L3 that bypasses the injector 4 is connected to the hydrogen supply flow path L2. One end of the bypass flow path L3 on the upstream side is connected to a
ここで、水素供給流路L2の減圧弁13の下流かつインジェクタ4の上流の部分及びバイパス流路L3のリリーフ弁11の上流の部分の水素圧を第一水素圧PMとする。第一水素圧PMは、圧力センサ7aによって検出される。また、水素供給流路L2のインジェクタ4の下流及びバイパス流路L3のリリーフ弁11の下流の水素圧、すなわち燃料電池スタック1のアノード側の入口の水素圧を第二水素圧PLとする。第二水素圧PLは圧力センサ7bによって検出される。具体的には、第一水素圧PMは約0.85MPaであり、第二水素圧PLは0.11〜0.3MPaの値をとるものとするが、この値に必ずしも限定されるものではない。なお、第二水素圧PLの下限圧はPLLとする。
Here, the downstream and the hydrogen pressure in the upstream portion of the
また、燃料電池スタック1の排気側には、カソード側に空気排気流路L4が接続され、アノード側に水素排気流路L5が接続される。空気排気流路L4及び水素排気流路L5は、各々、下流側において希釈器5に接続される。また、空気排気流路L4には、空気の供給圧力を調整するための空気調圧弁14が設けられる。さらに、水素排気流路L5には排出される水素の流量を調整する水素排気弁15が設けられる。
On the exhaust side of the fuel cell stack 1, an air exhaust passage L4 is connected to the cathode side, and a hydrogen exhaust passage L5 is connected to the anode side. The air exhaust passage L4 and the hydrogen exhaust passage L5 are each connected to the diluter 5 on the downstream side. The air exhaust passage L4 is provided with an air
さらに、水素排気流路L5の水素排気弁15の上流には第三分岐点6aが設けられ、第三分岐点6aには水素循環流路L6の一端が接続される。さらに、水素循環流路L6の他端は水素供給流路L2の第二分岐点4bの下流に設けられる第四分岐点6bに接続されている。水素循環流路L6には水素循環ポンプ6が設けられる。
Further, a
次に、図1及び2を用いて、燃料電池システム100の動作について説明する。
まず、燃料電池システム100が運転中であり、燃料電池スタック1が発電中である時は、インジェクタ4、水素遮断弁12、減圧弁13、空気調圧弁14、水素排気弁15及び空気遮断弁16は開状態である。そして、燃料電池スタック1のカソード側には、空気供給流路L1を介してエアコンプレッサ2から圧縮された空気が供給される。また、水素タンク3の内部の高圧の水素は水素供給流路L2を流通し、減圧弁13及びインジェクタ4によって圧力を調整されて燃料電池スタック1のアノード側に送り込まれる。燃料電池スタック1では、水素と空気中の酸素とが化学反応を起こして発電が行われるとともに水が生成される。
Next, the operation of the
First, when the
そして、燃料電池スタック1のカソード側及びアノード側の排気は、各々、空気排気流路L4及び水素排気流路L5に流出する。空気排気流路L4には、未反応の酸素を含む空気が流通し、希釈器5に流入する。また、未反応の水素は水素排気流路L5を流通するとともに、その一部は、水素循環流路L6を介して水素供給流路L2の水素と合流し、燃料電池スタック1に再び流入する。そして、水素排気流路L5を流通する残りの水素は希釈器5に流入し、空気排気流路L4から流入した空気によって希釈されて外部に排出される。 Then, the exhaust gas on the cathode side and the anode side of the fuel cell stack 1 flows out to the air exhaust passage L4 and the hydrogen exhaust passage L5, respectively. Air containing unreacted oxygen flows through the air exhaust passage L4 and flows into the diluter 5. Unreacted hydrogen flows through the hydrogen exhaust passage L5, and a part of the unreacted hydrogen merges with the hydrogen in the hydrogen supply passage L2 via the hydrogen circulation passage L6 and flows into the fuel cell stack 1 again. Then, the remaining hydrogen flowing through the hydrogen exhaust passage L5 flows into the diluter 5, is diluted by the air flowing from the air exhaust passage L4, and is discharged to the outside.
また、燃料電池システム100の運転停止時、すなわち燃料電池スタック1が発電停止中の時は、インジェクタ4、水素遮断弁12、減圧弁13、空気調圧弁14、水素排気弁15及び空気遮断弁16は閉状態である。水素供給流路L2及びバイパス流路L3には、水素が残留している。ここで、図2に示すように、燃料電池システム100が運転を停止している時、すなわち燃料電池スタック1が発電を停止している状態において、第一水素圧PMは第二水素圧PLよりも高い圧力となる。また、バイパス流路L3のリリーフ弁11は、上流の第一水素圧PMと下流の第二水素圧PLとの圧力差が所定の圧Pc以上となると閉状態から開状態に切り替わるものとする。ここで、燃料電池スタック1の発電中におけるインジェクタ4の上流の第一水素圧PMと下流の第二水素圧PLとの間の最大の圧力差を発電時最大圧力差dP1とすると、圧Pcは発電時最大圧力差dP1よりも大きい。これにより、燃料電池スタック1が発電中の時はリリーフ弁11が開状態となることはない。言い換えれば、このようにして、所定の圧Pc(リリーフ弁11のクラッキング圧)が決定される。
When the operation of the
さらに、燃料電池スタック1の発電停止中に、燃料電池スタック1の内部に空気が入り込むと、浸入した空気に含まれる酸素が燃料電池スタック1内部に残留している水素と反応して水が生成される。そして、その分、図2に示すように、燃料電池スタック1のアノード側の入口の第二水素圧PLは徐々に低下していく。その結果、時間t1経過後に第一水素圧PMと第二水素圧PLとの差圧が圧Pcに達し、リリーフ弁11が開状態となる。そして、インジェクタ4の上流側に残留する水素が、バイパス流路L3を介してインジェクタ4の下流側、すなわち燃料電池スタック1のアノード側の入口に供給される。これにより、第一水素圧PMは下がり、第二水素圧PLは上がるため、第一水素圧PMと第二水素圧PLとの差圧は圧Pcより小さくなってリリーフ弁11は再び閉状態となる。
Further, when air enters the fuel cell stack 1 while the power generation of the fuel cell stack 1 is stopped, oxygen contained in the infiltrated air reacts with hydrogen remaining in the fuel cell stack 1 to produce water. Is done. Then, correspondingly, as shown in FIG. 2, the second hydrogen pressure P L of the inlet of the anode side of the fuel cell stack 1 is gradually reduced. As a result, the differential pressure between the first hydrogen pressure P M and the second hydrogen pressure P L after lapse of time t1 reaches the pressure Pc, the
そして、再び第二水素圧PLは徐々に低下していき、時間t2経過後に第一水素圧PMと第二水素圧PLとの差圧が圧Pcに達して、リリーフ弁11が開状態となる。その後、再び第一水素圧PMと第二水素圧PLとの差圧は圧Pcより小さくなってリリーフ弁11は閉状態となる。そしてさらに、時間t3経過後にも、同様の原理でリリーフ弁11は開状態と閉状態とに切り替わる動作を行う。すなわち、図2に示すように、ほぼ一定の周期でリリーフ弁11は閉状態から開状態に切り替わった後、すぐに再び閉状態となり、その都度、第一水素圧PMは低下するとともに第二水素圧PLは一時的に上昇する。
Then, again the second hydrogen pressure P L gradually decreases, the differential pressure between the first hydrogen pressure P M and the second hydrogen pressure P L reaches the pressure Pc after the elapsed time t2, the
以上より、この実施の形態に係る燃料電池システム100は、インジェクタ4をバイパスするバイパス流路L3にリリーフ弁11を有し、リリーフ弁11は第一水素圧PMと第二水素圧PLとの差圧が所定の圧Pcを超えると閉状態から開状態に切り替わる。これによって、図2に示すように、第二水素圧PLが下限圧PLLに達しない範囲で、インジェクタ4の上流に残留している水素が燃料電池スタック1に供給される。従って、排気側から燃料電池スタック1に入り込んだ空気中の酸素は、燃料電池スタック1に供給された水素と反応して消費されるため、燃料電池スタック1の酸化による劣化や性能の低下が防止される。また、リリーフ弁11は、第一水素圧PMと第二水素圧PLとの差圧に応じて開閉するため、リリーフ弁11の開閉を電気的に制御したり、第一水素圧PM及び第二水素圧PLをセンサを用いてモニタリングしたりする必要がない。従って、燃料電池システム100では、簡易な構造で確実に燃料電池スタック1の性能の低下を防止することができるため、燃料電池システム100の構造を複雑にしたり、排気側の空気調圧弁14のシール性能を向上させたりする必要もない。
Thus, the
なお、図1に示す燃料電池システム100の構成に限定されず、図2に示す燃料電池システム200のように、バイパス流路L3には、リリーフ弁11の上流側にバイパス側遮断弁21が設けられていてもよい。バイパス側遮断弁21は、車両のキーがONの時、すなわち燃料電池スタック1が発電中の時は閉状態であり、車両のキーがOFFの時、すなわち燃料電池スタック1が発電を停止している時は開状態となる。これによって、燃料電池システム100の駆動中にリリーフ弁11が開状態となってしまうことを防止することができる。また、圧Pcを必ずしも発電時最大圧力差dP1よりも大きく設定する必要がないため、燃料電池スタック1の発電停止中の第一水素圧PM及び第二水素圧PLの変動範囲をより自由に設定することができる。
The configuration is not limited to the configuration of the
また、燃料電池システム100,200において、燃料電池スタック1の発電が停止している間、水素遮断弁12及び減圧弁13を常に開状態としていてもよい。これにより、インジェクタ4の上流には常に水素が供給され、リリーフ弁11が開状態となった際も第一水素圧PMは低下せずに一定の圧力が保たれる。また、発電停止時の燃料電池スタック1の性能の低下を抑止することができる時間がより延長される。
Further, in the
1 燃料電池スタック、3 水素タンク、4 インジェクタ(圧力調整装置)、11 リリーフ弁、21 バイパス側遮断弁(遮断弁)、100,200 燃料電池システム、L2 水素供給流路、L3 バイパス流路、Pc 所定の圧。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell stack, 3 hydrogen tank, 4 injectors (pressure regulator), 11 relief valve, 21 bypass side shutoff valve (shutoff valve), 100, 200 fuel cell system, L2 hydrogen supply flow path, L3 bypass flow path, Pc Predetermined pressure.
Claims (2)
前記水素を前記燃料電池スタックに供給する水素タンクと、
前記燃料電池スタックと前記水素タンクとの間に設けられ、前記水素が流通する水素供給流路と、
前記水素供給流路に設けられ、前記燃料電池スタックに流入する前記水素の圧力を調整する圧力調整装置と、
前記圧力調整装置をバイパスするとともに前記水素供給流路に接続されるバイパス流路と、
前記バイパス流路に設けられるリリーフ弁と、
前記バイパス流路に設けられる遮断弁とを備え、
前記バイパス流路において、前記リリーフ弁の上流の前記水素の圧力が前記リリーフ弁の下流の前記水素の圧力よりも高く、かつ、前記リリーフ弁の上流の前記水素の圧力と前記リリーフ弁の下流の前記水素の圧力との間に所定の圧以上の圧力差がある時に、前記リリーフ弁は開状態となり、
前記遮断弁は、前記燃料電池スタックの発電中は閉状態であり、前記燃料電池スタックの発電停止中は開状態である
燃料電池システム。 A fuel cell stack that generates electricity by reacting hydrogen with oxygen in the air,
A hydrogen tank that supplies the hydrogen to the fuel cell stack;
A hydrogen supply channel provided between the fuel cell stack and the hydrogen tank, through which the hydrogen flows;
A pressure adjusting device provided in the hydrogen supply channel to adjust the pressure of the hydrogen flowing into the fuel cell stack;
A bypass flow path that bypasses the pressure regulator and is connected to the hydrogen supply flow path;
A relief valve provided in the bypass flow path ,
A shutoff valve provided in the bypass flow path ,
In the bypass passage, the pressure of the hydrogen upstream of the relief valve is higher than the pressure of the hydrogen downstream of the relief valve, and the pressure of the hydrogen upstream of the relief valve and the pressure of the hydrogen downstream of the relief valve. when there is a pressure differential on a predetermined pressure or higher between the pressure of the hydrogen, the relief valve is Ri Do opened,
The fuel cell system, wherein the shut-off valve is in a closed state during power generation of the fuel cell stack, and is in an open state when power generation of the fuel cell stack is stopped .
請求項1に記載の燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1 , wherein the pressure adjusting device is an injector .
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