JP6755159B2

JP6755159B2 - Fuel cell system

Info

Publication number: JP6755159B2
Application number: JP2016196883A
Authority: JP
Inventors: 金子　亮; 亮金子; 将人堺; 敦史鈴木; 谷口　茂; 茂谷口
Original assignee: Kyosan Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Kyosan Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2016-10-05
Filing date: 2016-10-05
Publication date: 2020-09-16
Anticipated expiration: 2036-10-05
Also published as: JP2018060660A

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、例えば、積層されたセルを有するスタックと前記スタックに燃料を供給する水素吸蔵合金を備えた燃料供給装置とを用いた燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system, and relates to, for example, a fuel cell system using a stack having stacked cells and a fuel supply device including a hydrogen storage alloy for supplying fuel to the stack.

固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）のスタックは、複数のセルを積層することで所望の電圧を出力可能としている。また、各セルは、ＭＥＡ（膜電極接合体）をアノードセパレータとカソードセパレータとで挟んだ構成となっている。アノードセパレータとカソードセパレータの各背面、すなわちＭＥＡを挟み込んだ側と反対の各面には、空気流路が形成されている。セルには燃料として、水素吸蔵合金から水素が供給される。 The stack of polymer electrolyte fuel cells (PEFC) can output a desired voltage by stacking a plurality of cells. Further, each cell has a structure in which a MEA (membrane electrode assembly) is sandwiched between an anode separator and a cathode separator. An air flow path is formed on each back surface of the anode separator and the cathode separator, that is, on each surface opposite to the side sandwiching the MEA. Hydrogen is supplied to the cell from a hydrogen storage alloy as fuel.

一般的に、燃料電池において発電時のＭＥＡ温度（またはスタック温度）が所定の動作温度（一般には、８０〜１００℃）以下で運転する必要がある。所定以上の高温状態となった場合、発電が低下し、さらなる運転を続けた場合には、ＭＥＡが乾燥状態（ドライ状態）となり、再起不能状態となる。 Generally, it is necessary to operate the fuel cell at a MEA temperature (or stack temperature) at the time of power generation at a predetermined operating temperature (generally 80 to 100 ° C.) or less. When the temperature becomes higher than a predetermined value, the power generation decreases, and when the operation is continued, the MEA becomes a dry state (dry state) and cannot be restarted.

また、水素を供給する水素吸蔵合金では、水素放出時に吸熱作用が生じて、圧力が徐々に低下し、水素放出能力が低下する。水素吸蔵合金は所定の水素放出を得るためには、適度に保温して、圧力を一定以上確保して運転する必要がある。 Further, in a hydrogen storage alloy that supplies hydrogen, an endothermic action occurs at the time of hydrogen release, the pressure gradually decreases, and the hydrogen release capacity decreases. In order to obtain a predetermined hydrogen release, the hydrogen storage alloy needs to be operated with an appropriate heat retention and a certain pressure or more.

低温から高温の環境用途において、水素吸蔵合金を利用した燃料電池システムは、スタックの温度範囲管理と水素吸蔵合金が所定圧力を得るための保温制御を行い、スタックの発電性能と一定の水素供給能力を得る必要がある。スタックの発熱は、負荷へ供給する電力が大きいほど大きくなり、水素吸蔵合金の吸熱は水素放出量が増えるほど大きくなる。 In low-temperature to high-temperature environmental applications, fuel cell systems that use hydrogen storage alloys control the temperature range of the stack and keep the hydrogen storage alloy warm to obtain a predetermined pressure, and the power generation performance and constant hydrogen supply capacity of the stack. Need to get. The heat generated by the stack increases as the power supplied to the load increases, and the endothermic heat of the hydrogen storage alloy increases as the amount of hydrogen released increases.

このようなことから、温度管理に関して各種の技術が提案されている。例えば、水素吸蔵合金の放出性能を得るために、ファン風量を制御する技術がある（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に開示の技術では、４０℃以上となった場合に、ファン最大風量として、スタックの発熱を抑える方法となっている。 For this reason, various techniques have been proposed for temperature control. For example, there is a technique for controlling the fan air volume in order to obtain the release performance of the hydrogen storage alloy (see, for example, Patent Document 1). The technique disclosed in Patent Document 1 is a method of suppressing heat generation of the stack as the maximum fan air volume when the temperature becomes 40 ° C. or higher.

また、風路を確保して水素吸蔵合金の冷却ガスをスタックへ供給し、スタックの発熱を再度水素吸蔵合金の保温に利用する循環系を提案する技術もある（例えば、特許文献２参照。）。また、リチウムイオン電池等を用いた電源に関して、空冷方向を双方向可変とすることで、筐体内の温度を制御する技術も提案されている（例えば、特許文献３参照）。 There is also a technique for proposing a circulation system that secures an air passage, supplies the cooling gas of the hydrogen storage alloy to the stack, and uses the heat generated by the stack again to keep the hydrogen storage alloy warm (see, for example, Patent Document 2). .. Further, with respect to a power source using a lithium ion battery or the like, a technique for controlling the temperature inside the housing by making the air cooling direction bidirectionally variable has also been proposed (see, for example, Patent Document 3).

特開２０１０−２４４９４６号公報JP-A-2010-244946 特開２００７−３２８９７１号公報JP-A-2007-328971 特許第５１６８８５３号Patent No. 5168853

ところで、特許文献１に開示の技術は、同一方向に空気を供給しているため、ファン風量増大による電力消費と周囲温度が上がった場合に、スタックの発熱を抑えられるか不明であり、別の技術が求められていた。特許文献２に開示の技術は、環境温度が高温で、空冷の空気媒体が高温になった場合に、入口側の水素吸蔵合金の吸熱によって、スタックの発電に合わせた冷却能力が得られるかが不明であり、また、構造上、風路を形成し、熱伝導性を考慮した設計をすることは容易ではなく、別の技術が求められていた。特許文献３に開示の技術は、主にリチウムイオン電池を想定したもので、燃料電池へ適応した場合に、燃料電池特有の特性に十分に対応できるかが不明であり、別の技術が求められていた。 By the way, since the technique disclosed in Patent Document 1 supplies air in the same direction, it is unclear whether the heat generation of the stack can be suppressed when the power consumption and the ambient temperature rise due to the increase in the fan air volume. Technology was required. According to the technique disclosed in Patent Document 2, when the ambient temperature is high and the air-cooled air medium becomes high, the heat absorption of the hydrogen storage alloy on the inlet side can obtain a cooling capacity suitable for the power generation of the stack. It is unknown, and structurally, it is not easy to form an air passage and design in consideration of thermal conductivity, and another technique has been required. The technology disclosed in Patent Document 3 mainly assumes a lithium-ion battery, and it is unclear whether or not it can sufficiently cope with the characteristics peculiar to the fuel cell when applied to the fuel cell, and another technology is required. Was there.

さらに、上記特許文献１〜３では、燃料電池スタックが設置される周囲環境が低温または高温状態においても、スタックの発電性能と水素放出性能を維持することができるか否かが不明であり、新たな技術が求められていた。 Further, in Patent Documents 1 to 3, it is unclear whether or not the power generation performance and hydrogen release performance of the stack can be maintained even when the ambient environment in which the fuel cell stack is installed is low or high. Technology was required.

本発明は、このような状況に鑑みなされたものであって、上記課題を解決する技術を提供することにある。 The present invention has been made in view of such a situation, and an object of the present invention is to provide a technique for solving the above problems.

本発明の燃料電池システムは、複数のセルが積層されている燃料電池スタックと、水素吸蔵合金を搭載し前記燃料電池スタックに燃料を供給する燃料ユニットと、前記燃料電池スタック及び前記燃料ユニットへ送風を行うファンと、前記ファンの動作を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記ファンの送風方向を、前記燃料ユニットから前記燃料電池スタックへ、または前記燃料電池スタックから前記燃料ユニットへ切り替えて、前記燃料電池スタックを所定の温度範囲に制御する。
また、前記燃料ユニットは、主燃料供給ユニットの第１の燃料ユニットと補助燃料供給ユニットの第２の燃料ユニットとを備え、前記第１の燃料ユニットと前記第２の燃料ユニットとは、配管で相互に燃料の授受が可能に接続されており、かつ、前記燃料電池スタックは前記第１の燃料ユニットと前記第２の燃料ユニットの間に設置されてもよい。
また、前記第１の燃料ユニットの圧力を検知する第１の圧力センサと、前記第２の燃料ユニットの圧力を検知する第２の圧力センサと、を備え、前記第１の燃料ユニットの圧力が、所定値以下となった場合に、前記制御部は、前記第２の燃料ユニットから前記第１の燃料ユニットへ燃料を供給してもよい。
また、前記燃料電池スタックは、水平方向に前記セルを積層しており、前記第１の燃料ユニットは、前記燃料電池スタックの上側に配置され、前記第２の燃料ユニットは、前記燃料電池スタックの下側に配置され、前記ファンは、前記第１の燃料ユニットと前記燃料電池スタックとの間に配置されてもよい。
In the fuel cell system of the present invention, a fuel cell stack in which a plurality of cells are stacked, a fuel unit equipped with a hydrogen storage alloy to supply fuel to the fuel cell stack, and air blown to the fuel cell stack and the fuel unit. The control unit includes a fan that controls the operation of the fan and a control unit that controls the operation of the fan. To control the fuel cell stack to a predetermined temperature range.
Further, the fuel unit includes a first fuel unit of the main fuel supply unit and a second fuel unit of the auxiliary fuel supply unit, and the first fuel unit and the second fuel unit are connected by pipes. The fuel cell stack may be installed between the first fuel unit and the second fuel unit while being connected to each other so that fuel can be exchanged.
Further, a first pressure sensor for detecting the pressure of the first fuel unit and a second pressure sensor for detecting the pressure of the second fuel unit are provided, and the pressure of the first fuel unit can be measured. When the value becomes equal to or less than a predetermined value, the control unit may supply fuel from the second fuel unit to the first fuel unit.
Further, the fuel cell stack is laminated with the cells in the horizontal direction, the first fuel unit is arranged above the fuel cell stack, and the second fuel unit is the fuel cell stack. Located on the lower side, the fan may be located between the first fuel unit and the fuel cell stack.

本発明によると、燃料電池スタックの負荷電力供給時の発熱エネルギーと水素吸蔵合金が水素を放出する際に生じる吸熱エネルギーを利用して熱交換を行い、燃料電池スタックが設置される周囲環境が低温または高温状態においても、スタックの発電性能と水素放出性能を維持する技術を実現できる。 According to the present invention, heat exchange is performed by utilizing the heat generation energy when the load power of the fuel cell stack is supplied and the heat absorption energy generated when the hydrogen storage alloy releases hydrogen, and the ambient environment in which the fuel cell stack is installed is low temperature. Alternatively, it is possible to realize a technique for maintaining the power generation performance and hydrogen release performance of the stack even in a high temperature state.

本実施形態に係る、燃料電池システムの概略構成を示した図である。It is a figure which showed the schematic structure of the fuel cell system which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る、燃料電池システムの機能ブロック図である。It is a functional block diagram of the fuel cell system which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る、低温時の燃料電池システムにおいて、正逆方向ファンが正方向に回転している状態を示した図である。It is a figure which showed the state which the forward / reverse direction fan is rotating in the forward direction in the fuel cell system at a low temperature which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る、低温時の燃料電池システムにおいて、正逆方向ファンが逆方向に回転している状態を示した図である。It is a figure which showed the state which the forward / reverse direction fan is rotating in the reverse direction in the fuel cell system at a low temperature which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る、高温時の燃料電池システムの状態を示した図である。It is a figure which showed the state of the fuel cell system at the time of high temperature which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る、温度センサの値の設定範囲とＭＥＡ運転温度範囲の関係を示した図である。It is a figure which showed the relationship between the setting range of the value of the temperature sensor and the MEA operating temperature range which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る、制御フローを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the control flow which concerns on this embodiment.

次に、本発明を実施するための形態（以下、単に「実施形態」という）を、図面を参照して具体的に説明する。 Next, an embodiment for carrying out the present invention (hereinafter, simply referred to as “embodiment”) will be specifically described with reference to the drawings.

本実施形態の概要は、次の通りである。ここでは、燃料電池スタックと水素吸蔵合金を搭載した二つの燃料ユニットをスタック（燃料電池スタック）の両側にそれぞれ配し、これらの間に空気流路が形成されている。スタックの温度上昇に追従させて、正方向及び逆方向へ風量方向を変更するファンを設置し、ファンの風量方向を正・逆に変更することにより、周囲環境が低温時には、スタックの廃熱を水素吸蔵合金へ放出して水素吸蔵合金の水素放出性能を維持する。高温時には、水素吸蔵合金の吸熱によって冷却された空気をスタックへ供給し、スタックの高温化を防止する。
The outline of this embodiment is as follows. Here, two fuel units equipped with a fuel cell stack and a hydrogen storage alloy are arranged on both sides of the stack (fuel cell stack), and an air flow path is formed between them. By installing a fan that changes the air volume direction in the forward and reverse directions in accordance with the temperature rise of the stack and changing the air volume direction of the fan in the forward and reverse directions, waste heat of the stack is removed when the ambient environment is low. It is released to the hydrogen storage alloy to maintain the hydrogen release performance of the hydrogen storage alloy. At high temperatures, air cooled by the endothermic of the hydrogen storage alloy is supplied to the stack to prevent the stack from becoming hot.

図１は本実施形態に係る燃料電池システム１０の概略構成を示す図であり、特に、温度制御に着目して示している。また、図２は燃料電池システム１０の機能ブロック図であり、特に温度制御を行う制御部１２（図２にのみ図示している。）に着目して示している。 FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system 10 according to the present embodiment, and is particularly focused on temperature control. Further, FIG. 2 is a functional block diagram of the fuel cell system 10, paying particular attention to the control unit 12 (shown only in FIG. 2) that controls the temperature.

燃料電池システム１０は、スタック２０と、スタック２０の上部に配置された正逆方向ファン３０と、第１及び第２の燃料ユニット５０、６０と、制御部１２とを備える。第１の燃料ユニット５０は、スタック２０の上部に設置されている。第２の燃料ユニット６０は、スタック２０の下部に、すなわちスタック２０を挟んで第１の燃料ユニット５０の反対側に設置されている。
The fuel cell system 10 includes a stack 20, forward and reverse fans 30 arranged above the stack 20, first and second fuel units 50 and 60, and a control unit 12. The first fuel unit 50 is installed on top of the stack 20. The second fuel unit 60 is installed at the bottom of the stack 20, that is, on the opposite side of the first fuel unit 50 with the stack 20 in between.

第１の燃料ユニット５０は、複数（ここでは３つ）の円柱形状を呈する上部水素吸蔵合金ボトル５１を備える。同様に、第２の燃料ユニット６０は、複数（ここでは２つ）の円柱形状を呈する下部水素吸蔵合金ボトル６１を備える。上部水素吸蔵合金ボトル５１と下部水素吸蔵合金ボトル６１については、数や形状等は、特に限定しないが、アルミ合金等の熱伝導性に優れたケース（筐体）によって覆われている。 The first fuel unit 50 includes a plurality of (here, three) upper hydrogen storage alloy bottles 51 having a cylindrical shape. Similarly, the second fuel unit 60 includes a plurality of (here, two) lower hydrogen storage alloy bottles 61 having a cylindrical shape. The number and shape of the upper hydrogen storage alloy bottle 51 and the lower hydrogen storage alloy bottle 61 are not particularly limited, but they are covered with a case (housing) having excellent thermal conductivity such as an aluminum alloy.

第１の燃料ユニット５０と第２の燃料ユニット６０とは、配管１１により環状に連結されている。配管１１の図示右側の略中間位置に方向切替弁１５が、図示左側の略中間位置に電磁弁１６が設けられている。 The first fuel unit 50 and the second fuel unit 60 are annularly connected by a pipe 11. A direction switching valve 15 is provided at a substantially intermediate position on the right side of the pipe 11, and a solenoid valve 16 is provided at a substantially intermediate position on the left side of the drawing.

方向切替弁１５及び電磁弁１６は、制御部１２により制御される。制御部１２は、方向切替弁１５を切り替えて、第１の燃料ユニット５０または第２の燃料ユニット６０から水素を放出しスタック２０に供給する。また、電磁弁１６を解放することで、第１の燃料ユニット５０と第２の燃料ユニット６０とは、燃料ガスを相互に授受が可能となっている。通常は、電磁弁１６がクローズ状態で運用される。 The direction switching valve 15 and the solenoid valve 16 are controlled by the control unit 12. The control unit 12 switches the direction switching valve 15 to release hydrogen from the first fuel unit 50 or the second fuel unit 60 and supply it to the stack 20. Further, by releasing the solenoid valve 16, the first fuel unit 50 and the second fuel unit 60 can exchange fuel gas with each other. Normally, the solenoid valve 16 is operated in the closed state.

上部配管１１ａには上部圧力計４１が取り付けられており、制御部１２が第１の燃料ユニット５０（上部水素吸蔵合金ボトル５１）の水素吸蔵合金吸着圧力を監視する。同様に、下部配管１１ｂには下部圧力計４２が取り付けられており、制御部１２が第２の燃料ユニット６０（下部水素吸蔵合金ボトル６１）の水素吸蔵合金吸着圧力を監視する。 An upper pressure gauge 41 is attached to the upper pipe 11a, and the control unit 12 monitors the hydrogen storage alloy adsorption pressure of the first fuel unit 50 (upper hydrogen storage alloy bottle 51). Similarly, a lower pressure gauge 42 is attached to the lower pipe 11b, and the control unit 12 monitors the hydrogen storage alloy adsorption pressure of the second fuel unit 60 (lower hydrogen storage alloy bottle 61).

スタック２０は、複数のセルを図示横方向に積層した状態で縦に配置されている（図中、Ｃｅｌｌ１、Ｃｅｌｌ２、・・・と表記する。）。積層中央位置には、温度センサ２５が配置され、スタック２０の温度が制御部１２により管理される。 The stack 20 is vertically arranged in a state in which a plurality of cells are stacked in the horizontal direction shown in the drawing (indicated as Cell1, Cell2, ... In the figure). A temperature sensor 25 is arranged at the center position of the stack, and the temperature of the stack 20 is managed by the control unit 12.

各セルにおいて、ＭＥＡを挟み込むアノードセパレータとカソードセパレータの背面に形成された空気流路に、制御部１２によって動作制御される正逆方向ファン３０による空気が送り込まれ、スタック２０が冷却される。以下では、便宜的に、下から上方向に空気が流れる向きを正方向、上から下に空気が流れる向きを逆方向として説明する。 In each cell, air is sent from the forward / reverse fan 30 whose operation is controlled by the control unit 12 to the air flow path formed on the back surface of the anode separator and the cathode separator that sandwich the MEA, and the stack 20 is cooled. In the following, for convenience, the direction in which air flows from bottom to top will be described as the forward direction, and the direction in which air flows from top to bottom will be described as the reverse direction.

第１の燃料ユニット５０及び第２の燃料ユニット６０は、アルミ等の熱伝導性の優れた材料で形成され、内部の空気流路は、ハニカム形状で圧力損失がなく熱交換性能が得られる形状であることが望ましい。 The first fuel unit 50 and the second fuel unit 60 are made of a material having excellent thermal conductivity such as aluminum, and the internal air flow path has a honeycomb shape so that heat exchange performance can be obtained without pressure loss. Is desirable.

以上の構成の燃料電池システム１０に関して、温度条件に応じた具体的な燃料供給動作例を図３〜５を参照して説明する。図３及び図４は、低温時の燃料電池システム１０の系統を示す図である。図３は正逆方向ファン３０が正方向に回転している状態、図４は正逆方向ファン３０が逆方向に回転している状態を示している。 A specific fuel supply operation example according to the temperature condition will be described with reference to FIGS. 3 to 5 with respect to the fuel cell system 10 having the above configuration. 3 and 4 are diagrams showing a system of the fuel cell system 10 at a low temperature. FIG. 3 shows a state in which the forward / reverse direction fan 30 is rotating in the forward direction, and FIG. 4 shows a state in which the forward / reverse direction fan 30 is rotating in the reverse direction.

図３では、第１の燃料ユニット５０から水素（燃料）が放出され、上部配管１１ａ、方向切替弁１５を通って、スタック２０に供給されている。正逆方向ファン３０は正方向に回転しており、その結果、スタック２０の下側から取り込まれた空気は、スタック２０が発生する熱を吸収し、暖気として第１の燃料ユニット５０に送り込まれ、上部水素吸蔵合金ボトル５１を保温する。 In FIG. 3, hydrogen (fuel) is released from the first fuel unit 50 and is supplied to the stack 20 through the upper pipe 11a and the direction switching valve 15. The forward / reverse fan 30 is rotating in the forward direction, and as a result, the air taken in from the lower side of the stack 20 absorbs the heat generated by the stack 20 and is sent to the first fuel unit 50 as warm air. , The upper hydrogen storage alloy bottle 51 is kept warm.

図４では、第２の燃料ユニット６０から水素（燃料）が放出され、下部配管１１ｂ、方向切替弁１５を通って、スタック２０に供給されている。正逆方向ファン３０は逆方向に回転しており、その結果、スタック２０の上側から取り込まれた空気は、スタック２０が発生する熱を吸収し、暖気として第２の燃料ユニット６０に送り込まれ、下部水素吸蔵合金ボトル６１を保温する。 In FIG. 4, hydrogen (fuel) is released from the second fuel unit 60 and is supplied to the stack 20 through the lower pipe 11b and the direction switching valve 15. The forward / reverse fan 30 is rotating in the opposite direction, and as a result, the air taken in from the upper side of the stack 20 absorbs the heat generated by the stack 20 and is sent to the second fuel unit 60 as warm air. The lower hydrogen storage alloy bottle 61 is kept warm.

低温時からの燃料電池システム１０（燃料電池）の起動に際しては、上部水素吸蔵合金ボトル５１、下部水素吸蔵合金ボトル６１は冷えた状態になっている。よって、スタック２０の排熱を効率良く利用するにあたっては、図３の状態から立ち上げ、第１の燃料ユニット５０の燃料が無くなった後に、図４の状態、すなわち第２の燃料ユニット６０からの燃料供給に切り替えることが好ましい。 When the fuel cell system 10 (fuel cell) is started from a low temperature, the upper hydrogen storage alloy bottle 51 and the lower hydrogen storage alloy bottle 61 are in a cold state. Therefore, in order to efficiently utilize the exhaust heat of the stack 20, the stack 20 is started from the state shown in FIG. 3, and after the fuel of the first fuel unit 50 is exhausted, the state shown in FIG. 4, that is, from the second fuel unit 60 is used. It is preferable to switch to fuel supply.

なお、図３の状態から図４の状態へ切り替える時に、第２の燃料ユニット６０の下部水素吸蔵合金ボトル６１の低温化が懸念されるが、スタック２０を一定時間運転することによって、燃料電池システム１０の筐体内部に配置されているスタック２０の熱量により、筐体内全体が保温されるため、燃料電池システム１０は適切に運転できる。 When switching from the state of FIG. 3 to the state of FIG. 4, there is a concern that the temperature of the lower hydrogen storage alloy bottle 61 of the second fuel unit 60 may become low. However, by operating the stack 20 for a certain period of time, the fuel cell system Since the entire inside of the housing is kept warm by the amount of heat of the stack 20 arranged inside the housing of 10, the fuel cell system 10 can be operated appropriately.

図５は、高温時の燃料電池システム１０の系統を示す図である。正逆方向ファン３０の動作が、風量を逆方向とするもので、図３に示したものとは逆になっている。すなわち、第１の燃料ユニット５０の上部水素吸蔵合金ボトル５１からスタック２０へ水素が供給されている。第１の燃料ユニット５０を経由した空気が水素放出時の冷却作用により冷気となり、スタック２０の上部から取り込まれる。取り込まれた冷気は、スタック２０の空気流路を通過し、スタック２０の下部から放出され、さらに第２の燃料ユニット６０を通過し外部に放出される。スタック２０を通過する際に、暖気となるため、第２の燃料ユニット６０へ暖気が供給される。
FIG. 5 is a diagram showing a system of the fuel cell system 10 at a high temperature. The operation of the forward / reverse direction fan 30 is such that the air volume is in the reverse direction, which is opposite to that shown in FIG. That is, hydrogen is supplied to the stack 20 from the upper hydrogen storage alloy bottle 51 of the first fuel unit 50. The air passed through the first fuel unit 50 becomes cold by the cooling action during the hydrogen release is taken from the top of the stack 20. The taken-in cold air passes through the air flow path of the stack 20, is discharged from the lower part of the stack 20, and further passes through the second fuel unit 60 and is discharged to the outside. As it passes through the stack 20, it becomes warm air, so that warm air is supplied to the second fuel unit 60.

本動作において、水素放出の時間経過とともに、第１の燃料ユニット５０の上部水素吸蔵合金ボトル５１が冷やされる。このため、水素残量があるのにもかかわらず、上部水素吸蔵合金ボトル５１の低温化によって所定の圧力が得られない場合が想定される。 In this operation, the upper hydrogen storage alloy bottle 51 of the first fuel unit 50 is cooled with the passage of time for hydrogen release. Therefore, it is assumed that a predetermined pressure cannot be obtained due to the low temperature of the upper hydrogen storage alloy bottle 51 even though there is a remaining amount of hydrogen.

そこで、上部圧力計４１の圧力Ｐ１が所定値以下となった場合、電磁弁１６が開放される。これによって、暖気によって暖められている第２の燃料ユニット６０（下部水素吸蔵合金ボトル６１）から水素を放出し、スタック２０へ水素を放出している第１の燃料ユニット５０の上部水素吸蔵合金ボトル５１へ水素を吸着させ、一時的に上部水素吸蔵合金ボトル５１を暖めて圧力を高める。このように、一時的に圧力を高めることで、上部水素吸蔵合金ボトル５１の圧力低下を防止し、所定の放出性能を維持する。 Therefore, when the pressure P1 of the upper pressure gauge 41 becomes equal to or less than a predetermined value, the solenoid valve 16 is opened. As a result, the upper hydrogen storage alloy bottle of the first fuel unit 50 that releases hydrogen from the second fuel unit 60 (lower hydrogen storage alloy bottle 61) that is warmed by warm air and releases hydrogen to the stack 20. Hydrogen is adsorbed on 51 to temporarily warm the upper hydrogen storage alloy bottle 51 to increase the pressure. By temporarily increasing the pressure in this way, the pressure drop of the upper hydrogen storage alloy bottle 51 is prevented, and a predetermined release performance is maintained.

なお、一時的な圧力確保の手段として電磁弁１６（のライン）が設置されているが、上部水素吸蔵合金ボトル５１の表面温度を計測し、スタック２０の冷却作用を損なわない範囲で、マスフローメータ等を用いて定量的に水素を供給してもよい。水素を放出中の上部水素吸蔵合金ボトル５１（水素吸蔵合金）に水素を吸着させるフローでは、電磁弁１６を一時的に開放するか、またはマスフローメータ等で流量コントロールして、水素を放出している上部水素吸蔵合金ボトル５１（水素吸蔵合金）の昇温を防止する必要がある。 A solenoid valve 16 (line) is installed as a means of temporarily securing the pressure, but the mass flow meter measures the surface temperature of the upper hydrogen storage alloy bottle 51 and does not impair the cooling action of the stack 20. You may supply hydrogen quantitatively by using or the like. In the flow of adsorbing hydrogen to the upper hydrogen storage alloy bottle 51 (hydrogen storage alloy) that is releasing hydrogen, the electromagnetic valve 16 is temporarily opened or the flow rate is controlled by a mass flow meter or the like to release hydrogen. It is necessary to prevent the temperature of the upper hydrogen storage alloy bottle 51 (hydrogen storage alloy) from rising.

なお、図示の構成では、第１の燃料ユニット５０の上部水素吸蔵合金ボトル５１を３本、第２の燃料ユニット６０の下部水素吸蔵合金ボトル６１を２本としている。しかし、暖気が当たる下部水素吸蔵合金ボトル６１は、上部水素吸蔵合金ボトル５１の圧力補償用に水素を供給する量と運転中の燃料電池の水素ガスパージ量の水素量に合致させるのが最適であり、燃料電池システム１０の運転時間に合わせて最適本数とすることができる。 In the illustrated configuration, the upper hydrogen storage alloy bottle 51 of the first fuel unit 50 is three, and the lower hydrogen storage alloy bottle 61 of the second fuel unit 60 is two. However, the lower hydrogen storage alloy bottle 61, which is exposed to warm air, is optimally matched with the amount of hydrogen supplied for pressure compensation of the upper hydrogen storage alloy bottle 51 and the amount of hydrogen gas purged in the fuel cell during operation. , The optimum number can be set according to the operating time of the fuel cell system 10.

図３及び図５の制御フローについて、図６及び図７を参照して説明する。図６は、温度センサ２５の値の設定範囲とＭＥＡ運転温度範囲の関係を示している。図７は、制御フローを示すフローチャートである。 The control flow of FIGS. 3 and 5 will be described with reference to FIGS. 6 and 7. FIG. 6 shows the relationship between the value setting range of the temperature sensor 25 and the MEA operating temperature range. FIG. 7 is a flowchart showing a control flow.

図６において、第１設定温度ｔ１は、スタック廃熱利用温度であり、正逆方向ファン３０が正方向に送風を供給開始する温度である。第２設定温度ｔ２は、正逆方向ファン３０を停止し風量供給を停止する温度であり、第１設定温度ｔ１より低い値である。第３設定温度ｔ３は、水素吸蔵合金冷気利用温度であり、第１設定温度ｔ１より高い値である。ＭＥＡ推奨最低温度ｔ４は、第２設定温度ｔ２より低い値である。ＭＥＡ推奨最高温度ｔ５は、第３設定温度ｔ３より高い値である。すなわち、ＭＥＡ温度範囲（ｔ４〜ｔ５）で燃料電池システム１０の動作制御が行われる。 In FIG. 6, the first set temperature t1 is the stack waste heat utilization temperature, which is the temperature at which the forward / reverse direction fan 30 starts supplying air in the forward direction. The second set temperature t2 is a temperature at which the forward / reverse direction fan 30 is stopped and the air volume supply is stopped, and is a value lower than the first set temperature t1. The third set temperature t3 is a hydrogen storage alloy cold air utilization temperature, which is higher than the first set temperature t1. The MEA recommended minimum temperature t4 is a value lower than the second set temperature t2. The MEA recommended maximum temperature t5 is a value higher than the third set temperature t3. That is, the operation of the fuel cell system 10 is controlled in the MEA temperature range (t4 to t5).

以下の処理では、温度センサ２５によりスタック２０の温度を感知し、低温時処理ＳＡ（Ｓ１４〜Ｓ２２）及び高温時処理ＳＢ（Ｓ２６〜Ｓ３６）を切り替える。 In the following processing, the temperature of the stack 20 is detected by the temperature sensor 25, and the low temperature processing SA (S14 to S22) and the high temperature processing SB (S26 to S36) are switched.

第１の燃料ユニット５０からの燃料供給指令がオン（Ｐ１開指令）となり、方向切替弁１５を第１の燃料ユニット５０からの燃料供給経路に切り替わることで（Ｓ１０）、第１の燃料ユニット５０からスタック２０への水素注入処理が開始する（Ｓ１２）。水素注入処理開始により、スタック２０の温度は上昇を開始する。低温時処理ＳＡが開始する。 The fuel supply command from the first fuel unit 50 is turned on (P1 open command), and the direction switching valve 15 is switched to the fuel supply path from the first fuel unit 50 (S10), so that the first fuel unit 50 The hydrogen injection process into the stack 20 starts from (S12). With the start of the hydrogen injection process, the temperature of the stack 20 starts to rise. Low temperature treatment SA starts.

温度センサ２５によりスタック２０の温度（スタック温度Ｔｓ）が監視されており、スタック温度Ｔｓが第１設定温度ｔ１以上になったか否かが監視される（Ｓ１４）。第１設定温度ｔ１未満の場合（Ｓ１４のＮ）、上記監視が継続される。スタック温度Ｔｓが第１設定温度ｔ１以上になると（Ｓ１４のＹ）、正逆方向ファン３０が正方向に動作し、空気がスタック２０の下から上に向かって流れる（Ｓ１６）。すなわち、図３に示した状態になる。 The temperature of the stack 20 (stack temperature Ts) is monitored by the temperature sensor 25, and whether or not the stack temperature Ts becomes equal to or higher than the first set temperature t1 is monitored (S14). When the temperature is less than the first set temperature t1 (N in S14), the above monitoring is continued. When the stack temperature Ts becomes equal to or higher than the first set temperature t1 (Y in S14), the forward / reverse fan 30 operates in the forward direction, and air flows from the bottom to the top of the stack 20 (S16). That is, the state shown in FIG. 3 is obtained.

つづいて、スタック温度Ｔｓが第２設定温度ｔ２〜第３設定温度ｔ３（以下、「ファン動作温度範囲」という。）の間にあることが監視される（Ｓ１８）。ファン動作温度範囲にある間は（Ｓ１８のＮ）、正逆方向ファン３０の正方向の動作は継続する（Ｓ１６）。 Subsequently, it is monitored that the stack temperature Ts is between the second set temperature t2 and the third set temperature t3 (hereinafter, referred to as “fan operating temperature range”) (S18). While the fan is in the operating temperature range (N in S18), the forward and reverse fan 30 continues to operate in the forward direction (S16).

スタック温度Ｔｓがファン動作温度範囲を外れ第２設定温度ｔ２以下となると（Ｓ１８のａ）、正逆方向ファン３０の送風正方向の動作が停止する（Ｓ２０）。上部圧力計４１の圧力Ｐ１が最低圧力値Ｐｍｉｎ以上の場合（Ｓ２２のＹ）、Ｓ１４の処理に戻り、低温時処理ＳＡが継続する。 When the stack temperature Ts goes out of the fan operating temperature range and becomes the second set temperature t2 or less (a in S18), the operation of the fan 30 in the forward / reverse direction in the forward direction of ventilation is stopped (S20). When the pressure P1 of the upper pressure gauge 41 is equal to or higher than the minimum pressure value Pmin (Y in S22), the process returns to the process of S14, and the low temperature process SA continues.

上部圧力計４１の圧力Ｐ１が最低圧力値Ｐｍｉｎより低い場合（Ｓ２２のＮ）、スタック２０の出力として所定性能が得られる限界値であること、すなわち燃料停止レベル（水素供給停止レベル）であることから、方向切替弁１５を閉じる指令（Ｐ１閉指令）によって、スタック２０への燃料供給が停止する（Ｓ２４）。 When the pressure P1 of the upper pressure gauge 41 is lower than the minimum pressure value Pmin (N in S22), it is the limit value at which a predetermined performance can be obtained as the output of the stack 20, that is, the fuel stop level (hydrogen supply stop level). Then, the fuel supply to the stack 20 is stopped by the command to close the direction switching valve 15 (P1 closing command) (S24).

スタック温度Ｔｓがファン動作温度範囲を外れ第３設定温度ｔ３以上になると（Ｙ１８のｂ）、高温時処理ＳＢに切り替わり、正逆方向ファン３０が逆方向に動作する（Ｓ２６）。上部圧力計４１の圧力Ｐ１が監視され、所定値Ｐｔｈ以上であるか否かがチェックされる（Ｓ２８）。 When the stack temperature Ts goes out of the fan operating temperature range and becomes the third set temperature t3 or more (b of Y18), the process is switched to the high temperature processing SB, and the forward / reverse direction fan 30 operates in the reverse direction (S26). The pressure P1 of the upper pressure gauge 41 is monitored, and it is checked whether or not it is equal to or higher than the predetermined value Pth (S28).

所定値Ｐｔｈ以上の場合（Ｓ２８のＹ）、スタック温度Ｔｓが第２設定温度ｔ２以下になったか否かを監視する（Ｓ３０）。第２設定温度ｔ２を上回っていれば（Ｓ３０のＮ）、正逆方向ファン３０の逆方向動作を継続する（Ｓ２６）。第２設定温度ｔ２以下になれば（Ｓ３０のＹ）、低温時動作に切り替わり（ＳＡ）、スタック温度Ｔｓが第１設定温度ｔ１以上になったか否かの監視に戻る（Ｓ１４）。 When the predetermined value Pth or more (Y in S28), it is monitored whether or not the stack temperature Ts becomes the second set temperature t2 or less (S30). If the temperature exceeds the second set temperature t2 (N in S30), the reverse operation of the forward / reverse fan 30 is continued (S26). When the second set temperature is t2 or less (Y in S30), the operation is switched to the low temperature operation (SA), and the process returns to monitoring whether the stack temperature Ts is equal to or higher than the first set temperature t1 (S14).

Ｓ２８の処理で、所定値Ｐｔｈ未満である場合（Ｓ２８のＮ）、すなわち水素吸蔵合金圧力が所定性能を発揮できない状態に近づいた場合、電磁弁１６が解放され、第２の燃料ユニット６０から電磁弁１６を介した、すなわち上部配管１１ａを経由した水素燃料の供給が行われる（Ｓ３２）。 In the processing of S28, when the value is less than the predetermined value Pth (N of S28), that is, when the hydrogen storage alloy pressure approaches a state where the predetermined performance cannot be exhibited, the solenoid valve 16 is released and the solenoid valve 16 is released from the second fuel unit 60. Hydrogen fuel is supplied via the valve 16, that is, via the upper pipe 11a (S32).

つづいて、上部圧力計４１の圧力Ｐ１が所定値Ｐｔｈ以上となったか否かがチェックされる（Ｓ３４）。所定値Ｐｔｈ以上となれば（Ｓ３４のＹ）、正逆方向ファン３０の逆方向動作を継続する（Ｓ２６）。所定値Ｐｔｈ未満であれば（Ｓ３４のＮ）、さらに上部圧力計４１の圧力Ｐ１が最低圧力値Ｐｍｉｎ以上であるか否かを監視する（Ｓ３６）。 Subsequently, it is checked whether or not the pressure P1 of the upper pressure gauge 41 is equal to or higher than the predetermined value Pth (S34). When the value becomes the predetermined value Pth or more (Y in S34), the reverse operation of the forward / reverse fan 30 is continued (S26). If it is less than the predetermined value Pth (N in S34), it is further monitored whether or not the pressure P1 of the upper pressure gauge 41 is equal to or higher than the minimum pressure value Pmin (S36).

最低圧力値Ｐｍｉｎ以上であれば（Ｓ３６のＹ）、正逆方向ファン３０の逆方向動作は継続する（Ｓ２６）。最低圧力値Ｐｍｉｎ未満であれば（Ｓ３６のＮ）、燃料停止レベル（水素供給停止レベル）であることから、方向切替弁１５が閉じられ、スタック２０への燃料供給が停止する（Ｓ２４）。 If the minimum pressure value is Pmin or more (Y in S36), the reverse operation of the forward / reverse fan 30 continues (S26). If the pressure is less than the minimum pressure value Pmin (N in S36), the fuel stop level (hydrogen supply stop level) is reached, so that the direction switching valve 15 is closed and the fuel supply to the stack 20 is stopped (S24).

以上、本実施形態の燃料電池システム１０は、スタック２０の負荷電力供給時の発熱エネルギーと上部水素吸蔵合金ボトル５１、下部水素吸蔵合金ボトル６１が水素を放出する際に生じる吸熱エネルギーを利用して熱交換を行う。それによって、スタック２０が設置される周囲環境が低温または高温状態においても、スタック２０の発電性能と第１の燃料ユニット５０及び第２の燃料ユニット６０の水素放出性能を適切に維持することができる。 As described above, the fuel cell system 10 of the present embodiment utilizes the heat generation energy when the load power of the stack 20 is supplied and the heat absorption energy generated when the upper hydrogen storage alloy bottle 51 and the lower hydrogen storage alloy bottle 61 release hydrogen. Perform heat exchange. As a result, the power generation performance of the stack 20 and the hydrogen release performance of the first fuel unit 50 and the second fuel unit 60 can be appropriately maintained even when the ambient environment in which the stack 20 is installed is low or high. ..

以上、本発明を実施形態をもとに説明した。この実施形態は例示であり、それらの各構成要素の組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、また、そうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。例えば、正逆方向ファン３０は、スタック２０と第１の燃料ユニット５０の間に設けているが、さらに、スタック２０と第２の燃料ユニット６０の間に設けてもよい。その場合、送風方向をそれぞれの方向で固定とし、必要とされる送風方向に対応したファンを稼動させてもよい。また、第１の燃料ユニット５０と第２の燃料ユニット６０とを、上下に配置するのではなく、スタック２０を挟んで左右に配置してもよい。 The present invention has been described above based on the embodiments. It is understood by those skilled in the art that this embodiment is an example, and that various modifications are possible for the combination of each of these components, and that such modifications are also within the scope of the present invention. For example, the forward / reverse fan 30 is provided between the stack 20 and the first fuel unit 50, but may be further provided between the stack 20 and the second fuel unit 60. In that case, the blowing direction may be fixed in each direction, and the fan corresponding to the required blowing direction may be operated. Further, the first fuel unit 50 and the second fuel unit 60 may be arranged on the left and right sides of the stack 20 instead of being arranged vertically.

１０燃料電池システム
１１配管
１２制御部
１１ａ上部配管
１１ｂ下部配管
２０スタック
２５温度センサ
３０正逆方向ファン
４１上部圧力計
５０第１の燃料ユニット
５１上部水素吸蔵合金ボトル
６０第２の燃料ユニット
６１下部水素吸蔵合金ボトル 10 Fuel cell system 11 Piping 12 Control unit 11a Upper piping 11b Lower piping 20 Stack 25 Temperature sensor 30 Forward / reverse fan 41 Upper pressure gauge 50 First fuel unit 51 Upper hydrogen storage alloy bottle 60 Second fuel unit 61 Lower hydrogen Storage alloy bottle

Claims

A fuel cell stack in which multiple cells are stacked,
A fuel unit equipped with a hydrogen storage alloy and supplying fuel to the fuel cell stack,
A fan that blows air to the fuel cell stack and the fuel unit,
A control unit that controls the operation of the fan
With
The control unit switches the blowing direction of the fan from the fuel unit to the fuel cell stack, or from the fuel cell stack to the fuel unit, and controls the fuel cell stack within a predetermined temperature range. Fuel cell system.

The fuel unit includes a first fuel unit of the main fuel supply unit and a second fuel unit of the auxiliary fuel supply unit.
The first fuel unit and the second fuel unit are connected to each other by a pipe so that fuel can be exchanged with each other, and the fuel cell stack is the first fuel unit and the second fuel. The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel cell system is installed between units .

A first pressure sensor that detects the pressure of the first fuel unit,
A second pressure sensor that detects the pressure of the second fuel unit, and
With
2. The second aspect of the present invention is that when the pressure of the first fuel unit becomes equal to or less than a predetermined value, the control unit supplies fuel from the second fuel unit to the first fuel unit. The fuel cell system described in.

The fuel cell stack has cells stacked in the horizontal direction.
The first fuel unit is located above the fuel cell stack.
The second fuel unit is located below the fuel cell stack.
The fan, the fuel cell system according to claim 2 or 3, characterized in that it is disposed between the fuel cell stack and said first fuel unit.