JP6830199B2 - Fuel cell system and its operation method - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池システム及びその運転方法に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell system and a method of operating the same.
燃料電池システムは、水素含有ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることによって電力を生成するためのシステムである。燃料電池システムによれば、高効率な小規模発電が可能である。 A fuel cell system is a system for generating electric power by electrochemically reacting a hydrogen-containing gas with an oxidant gas. According to the fuel cell system, highly efficient small-scale power generation is possible.
従来の燃料電池システムでは、水素利用効率を上げるために、発電に使用されなかった水素含有ガス(「アノードオフガス」とも称する)が燃料電池のアノードガス供給経路に戻されてリサイクルされることがある。ただし、アノードオフガスには窒素ガスなどの不純物が含まれている。そのため、アノードオフガスのリサイクルを長時間続けると、アノードガス供給経路を流れる水素含有ガス中の不純物の濃度が上昇し、発電効率が低下する可能性がある。したがって、アノードオフガスをアノードガス供給経路に戻すためのリサイクル経路から不純物を含むガスを外部に定期的に排出することが必要である。リサイクル経路から排出されたガスは、パージガス(purged gas)と呼ばれている。 In conventional fuel cell systems, hydrogen-containing gas (also referred to as "anode-off gas") that was not used for power generation may be returned to the anode gas supply path of the fuel cell and recycled in order to improve hydrogen utilization efficiency. .. However, the anode off gas contains impurities such as nitrogen gas. Therefore, if the anode off-gas is recycled for a long time, the concentration of impurities in the hydrogen-containing gas flowing through the anode gas supply path may increase, and the power generation efficiency may decrease. Therefore, it is necessary to periodically discharge the gas containing impurities from the recycling route for returning the anode off-gas to the anode gas supply route. The gas discharged from the recycling route is called purged gas.
パージガスには、不純物だけでなく、可燃性を有する水素ガスが含まれている。したがって、パージガスを空気で希釈して水素ガスの濃度を安全な濃度まで下げたのち、希釈されたパージガスを燃料電池システムの外部(例えば、筐体の外部)に排出することが重要である。パージガスに含まれた水素ガスの濃度を検出するために、通常、可燃ガスセンサが使用されている。 The purge gas contains not only impurities but also flammable hydrogen gas. Therefore, it is important to dilute the purge gas with air to reduce the concentration of hydrogen gas to a safe concentration, and then discharge the diluted purge gas to the outside of the fuel cell system (for example, the outside of the housing). A flammable gas sensor is usually used to detect the concentration of hydrogen gas contained in the purge gas.
特許文献1には、アノードから排出されたガスとカソードから排出されたガスとを混合したのち、大気中に排出するように構成された自動車用燃料電池システムが記載されている。 Patent Document 1 describes an automobile fuel cell system configured to mix a gas discharged from an anode and a gas discharged from a cathode and then discharge the gas into the atmosphere.
図7は、特許文献1に記載された従来の自動車用燃料電池システムを示すものである。図7に示すように、特許文献1に記載された自動車用燃料電池システムは、燃料電池スタック201、換気用配管203、排出燃料希釈器205、逃がし弁207及び水素センサ209を備えている。水素センサ209は、排出燃料希釈器205の内部に配置されている。逃がし弁207を通じて、換気用配管203から排出燃料希釈器205に空気が導かれる。排出燃料希釈器205において、アノードオフガスが空気によって希釈される。
FIG. 7 shows a conventional fuel cell system for automobiles described in Patent Document 1. As shown in FIG. 7, the automobile fuel cell system described in Patent Document 1 includes a
しかしながら、水素センサなどの可燃ガスセンサは、水分に弱い。したがって、高湿度のパージガスに晒される環境に可燃ガスセンサが配置されていると、可燃ガスセンサが早く劣化する。そのため、可燃ガスセンサの点検及び交換のサイクルを早める必要がある。このことは、燃料電池システムの価値を低下させる。 However, flammable gas sensors such as hydrogen sensors are vulnerable to moisture. Therefore, if the combustible gas sensor is arranged in an environment exposed to high humidity purge gas, the combustible gas sensor deteriorates quickly. Therefore, it is necessary to accelerate the inspection and replacement cycle of the combustible gas sensor. This reduces the value of the fuel cell system.
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、可燃ガスセンサの劣化を抑制し、高い安全性を長期にわたって維持することができる燃料電池システムを提供することにある。 The present invention solves the above-mentioned conventional problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of suppressing deterioration of a combustible gas sensor and maintaining high safety for a long period of time.
前記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、
アノード入口及びアノード出口を有する燃料電池と、
前記アノード入口に接続されたアノードガス供給経路と、
前記アノード出口に接続された一端、及び、前記アノードガス供給経路に接続された他端を有する循環経路と、
前記循環経路に接続された一端を有し、所定の合流位置まで延びているパージ経路と、
前記燃料電池、前記アノードガス供給経路、前記循環経路、及び、前記パージ経路を収納している筐体と、
前記筐体の内部に設けられ、前記パージ経路を通じて前記循環経路から排出された水素含有ガスを前記所定の合流位置において希釈ガスに合流させるガス合流部と、
前記筐体に設けられ、前記希釈ガスによって希釈された前記水素含有ガスを前記ガス合流部から前記筐体の外部に排出させるための排気口と、
前記所定の合流位置を基準として、前記希釈ガスの流れ方向の上流側に配置された可燃ガスセンサと、
を備えたものである。
In order to solve the above-mentioned conventional problems, the fuel cell system of the present invention is used.
A fuel cell with an anode inlet and an anode outlet,
The anode gas supply path connected to the anode inlet and
A circulation path having one end connected to the anode outlet and the other end connected to the anode gas supply path.
A purge path that has one end connected to the circulation path and extends to a predetermined confluence position,
A housing containing the fuel cell, the anode gas supply path, the circulation path, and the purge path.
A gas merging portion provided inside the housing and merging hydrogen-containing gas discharged from the circulation path through the purging path with the diluted gas at the predetermined merging position.
An exhaust port provided in the housing and for discharging the hydrogen-containing gas diluted by the dilution gas from the gas confluence to the outside of the housing.
With the combustible gas sensor arranged on the upstream side in the flow direction of the diluted gas with reference to the predetermined merging position,
It is equipped with.
また、本発明の燃料電池システムの運転方法は、上記燃料電池システムの運転方法であって、
燃料電池のアノードから排出された未使用の水素含有ガスを前記アノードの入口に戻すための循環経路を用い、前記水素含有ガスを前記アノードに戻して再利用することと、
前記燃料電池が発電を行なっている期間において、前記燃料電池の発電電力又は電圧が所定値以下になった場合、前記循環経路からパージ経路に前記未使用の水素含有ガスをパージすることと、
前記パージ経路から排出された前記未使用の水素含有ガスであるパージガスを希釈ガスで希釈することと、
前記希釈されたパージガス中の水素ガスの濃度を検出することと、
前記希釈されたパージガス中の前記水素ガスの濃度が基準値を下回るまでの経過時間を計測することと、
前記経過時間が閾値時間を超えた場合、前記燃料電池システムの状態若しくは異常を報知する、又は、前記燃料電池システムの運転を停止することと、
を含むものである。
Further, the operation method of the fuel cell system of the present invention is the operation method of the fuel cell system described above.
Using a circulation path for returning the unused hydrogen-containing gas discharged from the anode of the fuel cell to the inlet of the anode, the hydrogen-containing gas is returned to the anode for reuse.
When the generated power or voltage of the fuel cell becomes a predetermined value or less during the period when the fuel cell is generating power, the unused hydrogen-containing gas is purged from the circulation path to the purge path.
Diluting the purge gas, which is the unused hydrogen-containing gas discharged from the purge path, with a dilution gas,
To detect the concentration of hydrogen gas in the diluted purge gas,
To measure the elapsed time until the concentration of the hydrogen gas in the diluted purge gas falls below the reference value, and
When the elapsed time exceeds the threshold time, the state or abnormality of the fuel cell system is notified, or the operation of the fuel cell system is stopped.
Is included.
本発明によれば、可燃ガスセンサの劣化が抑制され、燃料電池システムの安全性が長期にわたって維持される。 According to the present invention, deterioration of the combustible gas sensor is suppressed, and the safety of the fuel cell system is maintained for a long period of time.
燃料電池システムには、例えば、半導体式の可燃ガスセンサが使用されている。半導体式の可燃ガスセンサは、水素、炭化水素などの可燃性ガスの存在を半導体素子の導電性の変化によって検出するものであり、可燃性ガスの濃度を高感度に検出することができる。 For example, a semiconductor type combustible gas sensor is used in the fuel cell system. The semiconductor-type combustible gas sensor detects the presence of flammable gas such as hydrogen and hydrocarbon by the change in conductivity of the semiconductor element, and can detect the concentration of combustible gas with high sensitivity.
結露が発生するような高湿度の環境に可燃ガスセンサが長期にわたって置かれていると、可燃ガスセンサの特性が変化し、可燃ガスセンサの寿命が短くなるおそれがある。燃料電池システムのパージガスは、高湿度であり、結露を発生させやすい。そのため、パージガスに直接的に晒される位置に可燃ガスセンサが配置されていると、可燃ガスセンサが劣化して筐体の内部における可燃性ガスの濃度を正しく検出できない可能性がある。 If the combustible gas sensor is placed in a high humidity environment where dew condensation occurs for a long period of time, the characteristics of the combustible gas sensor may change and the life of the combustible gas sensor may be shortened. Purge gas in fuel cell systems has high humidity and is prone to condensation. Therefore, if the combustible gas sensor is arranged at a position where it is directly exposed to the purge gas, the combustible gas sensor may deteriorate and the concentration of the combustible gas inside the housing may not be detected correctly.
第1の発明の燃料電池システムは、アノード入口及びアノード出口を有する燃料電池と、前記アノード入口に接続されたアノードガス供給経路と、前記アノード出口に接続された一端、及び、前記アノードガス供給経路に接続された他端を有する循環経路と、前記循環経路に接続された一端を有し、所定の合流位置まで延びているパージ経路と、前記燃料電池、前記アノードガス供給経路、前記循環経路、及び、前記パージ経路を収納している筐体と、前記筐体の内部に設けられ、前記パージ経路を通じて前記循環経路から排出された水素含有ガスを前記所定の合流位置において希釈ガスに合流させるガス合流部と、前記筐体に設けられ、前記希釈ガスによって希釈された前記水素含有ガスを前記ガス合流部から前記筐体の外部に排出させるための排気口と、前記所定の合流位置を基準として、前記希釈ガスの流れ方向の上流側に配置された可燃ガスセンサと、を備えたことにより、パージ経路から排出された高温多湿のパージガスに可燃ガスセンサが直接晒されることを回避できる。可燃ガスセンサの上に結露が生じることも防止できる。そのため、可燃ガスセンサの劣化が抑制され、可燃ガスセンサの寿命を延ばすことができる。また、可燃ガスセンサの測定誤差も縮小する。その結果、燃料電池システムの安全性及び信頼性を長期間にわたって確保することができる。 The fuel cell system of the first invention includes a fuel cell having an anode inlet and an anode outlet, an anode gas supply path connected to the anode inlet, one end connected to the anode outlet, and the anode gas supply path. A circulation path having the other end connected to, a purge path having one end connected to the circulation path and extending to a predetermined merging position, the fuel cell, the anode gas supply path, the circulation path, A gas containing the purge path and a gas provided inside the housing and merging the hydrogen-containing gas discharged from the circulation path through the purge path with the diluted gas at the predetermined merging position. With reference to the merging portion, the exhaust port provided in the housing and for discharging the hydrogen-containing gas diluted by the diluting gas from the gas merging portion to the outside of the housing, and the predetermined merging position. By providing the combustible gas sensor arranged on the upstream side in the flow direction of the diluted gas, it is possible to prevent the combustible gas sensor from being directly exposed to the hot and humid purge gas discharged from the purge path. Condensation can also be prevented from forming on the combustible gas sensor. Therefore, deterioration of the combustible gas sensor is suppressed, and the life of the combustible gas sensor can be extended. In addition, the measurement error of the combustible gas sensor is reduced. As a result, the safety and reliability of the fuel cell system can be ensured for a long period of time.
第2の発明は、特に、第2の発明の燃料電池システムの前記パージ経路は、前記所定の合流位置に向かって開口している開口部を含み、前記可燃ガスセンサから前記排気口への前記希釈ガスの流路上に前記パージ経路の前記開口部が存在していることにより、パージガスを空気で確実に希釈することができるとともに、希釈されたパージガスを確実に排気口に導くことができる。 In a second aspect of the invention, in particular, the purge path of the fuel cell system of the second invention includes an opening that opens toward the predetermined confluence position, and the dilution from the combustible gas sensor to the exhaust port. Since the opening of the purge path is present on the gas flow path, the purge gas can be reliably diluted with air, and the diluted purge gas can be reliably guided to the exhaust port.
第3の発明は、特に、第1又は第2の発明の燃料電池システムの前記所定の合流位置から前記排気口までの距離は、前記可燃ガスセンサから前記排気口までの距離よりも短いことにより、パージガスに含まれた水分が可燃ガスセンサに到達することを極力防ぐことができる。 The third invention is based on the fact that the distance from the predetermined confluence position of the fuel cell system of the first or second invention to the exhaust port is shorter than the distance from the combustible gas sensor to the exhaust port. It is possible to prevent the moisture contained in the purge gas from reaching the combustible gas sensor as much as possible.
第4の発明は、特に、第1〜第3のいずれか1つの発明の燃料電池システムの前記ガス合流部は、前記所定の合流位置を囲っている隔壁を有することにより、パージ経路から合流位置に向かって排出されたパージガスの拡散を効果的に制御することができる。 In the fourth invention, in particular, the gas merging portion of the fuel cell system of any one of the first to third inventions has a partition wall surrounding the predetermined merging position, so that the merging position is from the purge path. It is possible to effectively control the diffusion of the purge gas discharged toward.
第5の発明は、特に、第4の発明の燃料電池システムの前記隔壁は、一端及び他端が開口している風洞を構成しており、前記風洞の前記一端と前記風洞の前記他端との間において、前記隔壁に前記パージ経路が接続されていることにより、パージガスの拡散をより効果的に制御することができる。 In a fifth aspect of the invention, in particular, the partition wall of the fuel cell system of the fourth invention constitutes a wind tunnel having one end and the other end open, and the one end of the wind tunnel and the other end of the wind tunnel. By connecting the purge path to the partition wall between the two, the diffusion of the purge gas can be controlled more effectively.
第6の発明は、特に、第5の発明の燃料電池システムの前記風洞の外に前記可燃ガスセンサが配置されていることにより、パージガスに含まれた水分が可燃ガスセンサに到達することを確実に防ぎつつ、空気で希釈されたパージガス中の水素ガスの濃度を検出することができる。 The sixth invention ensures that the moisture contained in the purge gas does not reach the combustible gas sensor, in particular, by disposing the combustible gas sensor outside the wind tunnel of the fuel cell system of the fifth invention. At the same time, the concentration of hydrogen gas in the purge gas diluted with air can be detected.
第7の発明は、特に、第1〜第6のいずれか1つの発明の燃料電池システムの前記燃料電池は、カソード出口をさらに有し、前記燃料電池システムは、前記カソード出口に接続されたカソードオフガス経路と、前記カソードオフガス経路と前記パージ経路とを連通させて前記カソードオフガス経路の中の酸化剤ガスと前記パージ経路の中の前記水素含有ガスとを混合させるオフガス混合器と、をさらに備えていることにより、パージガス中の水素濃度(水素ガスの濃度)を効率的に下げることができる。 In a seventh invention, in particular, the fuel cell of the fuel cell system of any one of the first to sixth aspects further has a cathode outlet, and the fuel cell system has a cathode connected to the cathode outlet. An off-gas mixer further provided with an off-gas path, an off-gas mixer that communicates the cathode off-gas path and the purge path to mix the oxidizing agent gas in the cathode off-gas path and the hydrogen-containing gas in the purge path. Therefore, the hydrogen concentration (hydrogen gas concentration) in the purge gas can be efficiently lowered.
第8の発明は、特に、第7の発明の燃料電池システムの前記オフガス混合器は、気液分離器を含むことにより、カソードオフガスとパージガスとの混合ガスから水分が除去されるので、結露による可燃ガスセンサの劣化をより効果的に抑制することができる。 The eighth invention, in particular, is due to dew condensation because the off-gas mixer of the fuel cell system of the seventh invention includes a gas-liquid separator to remove water from the mixed gas of the cathode off-gas and the purge gas. Deterioration of the combustible gas sensor can be suppressed more effectively.
第9の発明は、特に、第1〜第8のいずれか1つの発明の燃料電池システムの前記筐体は、前記希釈ガスとしての空気を前記筐体の外部から取り入れるための吸気口を有することにより、吸気口から筐体の内部に取り込まれた空気は、燃料電池の酸化剤ガスとして使用されうる。吸気口から筐体の内部に取り込まれた空気は、燃料電池から排出された水素含有ガスの希釈ガスとしても使用されうる。 A ninth aspect of the invention is that the housing of the fuel cell system of any one of the first to eighth aspects has an intake port for taking in air as a diluting gas from the outside of the housing. Therefore, the air taken into the inside of the housing from the intake port can be used as the oxidant gas of the fuel cell. The air taken into the housing from the intake port can also be used as a diluting gas for the hydrogen-containing gas discharged from the fuel cell.
第10の発明は、特に、第9の発明の燃料電池システムの前記排気口は、前記吸気口よりも鉛直方向の上側に設けられていることにより、水素ガスが筐体の外部に排出されやすい。 In the tenth invention, in particular, since the exhaust port of the fuel cell system of the ninth invention is provided on the upper side in the vertical direction with respect to the intake port, hydrogen gas is likely to be discharged to the outside of the housing. ..
第11の発明は、特に、第1〜第10のいずれか1つの発明の燃料電池システムは、前記排気口に面する位置に配置された排気ファンをさらに備えていることにより、排気ファンを作動させると筐体の内部が負圧の状態になる。筐体の内部空間における空気の流れ方向が一定の方向に定まるので、1つの可燃ガスセンサで水素ガスの濃度を確実に測定することが可能になる。 In the eleventh invention, in particular, the fuel cell system of any one of the first to tenth inventions operates the exhaust fan by further including an exhaust fan arranged at a position facing the exhaust port. When this is done, the inside of the housing becomes negative pressure. Since the air flow direction in the internal space of the housing is determined in a fixed direction, it is possible to reliably measure the concentration of hydrogen gas with one combustible gas sensor.
第12の発明は、特に、第1〜第11のいずれか1つの発明の燃料電池システムは、前記燃料電池の冷却剤から熱を取り除くための空冷式の放熱器をさらに備え、前記希釈ガスによって希釈された前記水素含有ガスが前記放熱器を通過した空気によってさらに希釈されることにより、パージガス中の水素ガスの濃度をさらに低下させて筐体の外部に排出することができる。 A twelfth invention, in particular, the fuel cell system of any one of the first to eleventh inventions further comprises an air-cooled radiator for removing heat from the fuel cell coolant, by the diluent gas. By further diluting the diluted hydrogen-containing gas with the air that has passed through the radiator, the concentration of the hydrogen gas in the purge gas can be further reduced and discharged to the outside of the housing.
第13の発明は、特に、第1〜第10のいずれか1つの発明の燃料電池システムは、前記パージ経路に配置されたパージ弁と、前記パージ弁の開閉を制御する制御器と、をさらに備えていることにより、燃料電池の出力電圧を常に高い状態に維持することができる。 A thirteenth invention, in particular, the fuel cell system of any one of the first to tenth inventions further comprises a purge valve arranged in the purge path and a controller for controlling the opening and closing of the purge valve. By providing the fuel cell, the output voltage of the fuel cell can be kept high at all times.
第14の発明は、特に、第13の発明の燃料電池システムの前記制御器は、前記燃料電池で発電を行なっている期間において、所定のタイミングで前記パージ弁を開くように制御することにより、燃料電池の出力電圧を常に高い状態に維持することができる。 In the fourteenth invention, in particular, the controller of the fuel cell system of the thirteenth invention is controlled to open the purge valve at a predetermined timing during a period in which the fuel cell is generating electricity. The output voltage of the fuel cell can be kept high at all times.
第15の発明は、特に、第14の発明の燃料電池システムの前記制御器は、前記パージ弁を開いた時点から所定時間が経過するまでの期間において前記可燃ガスセンサの出力を監視し、前記可燃ガスセンサの前記出力が閾値を越えた場合、前記燃料電池システムの状態若しくは前記燃料電池システムの異常を報知するための電気的処理を実行する、又は、前記燃料電池システムの運転を停止させることにより、燃料電池システムをより安全に運転することができる。 A fifteenth aspect of the present invention is particularly, the controller of the 14 fuel cell system of the present invention the output of the combustible gas sensor monitors the period from the time of opening the purge valve until a predetermined time elapses, the combustible When the output of the gas sensor exceeds the threshold value, an electric process for notifying the state of the fuel cell system or an abnormality of the fuel cell system is executed, or the operation of the fuel cell system is stopped. The fuel cell system can be operated more safely.
第16の発明の燃料電池システムの運転方法は、特に、第1の発明の燃料電池システムの運転方法であって、燃料電池のアノードから排出された未使用の水素含有ガスを前記アノードの入口に戻すための循環経路を用い、前記水素含有ガスを前記アノードに戻して再利用することと、前記燃料電池が発電を行なっている期間において、前記燃料電池の発電電力又は電圧が所定値以下になった場合、前記循環経路からパージ経路に前記未使用の水素含有ガスをパージすることと、前記パージ経路から排出された前記未使用の水素含有ガスであるパージガスを希釈ガスで希釈することと、前記希釈されたパージガス中の水素ガスの濃度を検出することと、前記希釈されたパージガス中の前記水素ガスの濃度が基準値を下回るまでの経過時間を計測することと、前記経過時間が閾値時間を超えた場合、前記燃料電池システムの状態若しくは異常を報知する、又は、前記燃料電池システムの運転を停止することと、を含むことにより、希釈されたパージガス中の水素ガスの濃度が可燃限界(燃焼が起こりうる濃度)に達することを防止できる。また、パージガス中の水素ガスの濃度が基準値以上である状態が閾値時間を越えて継続することを回避できる。そのため、燃料電池システムを安全に運転することができる。 The method for operating the fuel cell system of the sixteenth invention is, in particular, the method for operating the fuel cell system of the first invention, in which unused hydrogen-containing gas discharged from the fuel cell anode is used at the inlet of the anode. The hydrogen-containing gas is returned to the anode and reused by using the circulation path for returning, and the generated power or voltage of the fuel cell becomes a predetermined value or less during the period during which the fuel cell is generating power. In this case, purging the unused hydrogen-containing gas from the circulation path to the purge path, diluting the purge gas which is the unused hydrogen-containing gas discharged from the purge path with a diluting gas, and the above. Detecting the concentration of hydrogen gas in the diluted purge gas, measuring the elapsed time until the concentration of the hydrogen gas in the diluted purge gas falls below the reference value, and determining the elapsed time as the threshold time. When it exceeds, the concentration of hydrogen gas in the diluted purge gas becomes the flammable limit (combustion) by notifying the state or abnormality of the fuel cell system or stopping the operation of the fuel cell system. Can be prevented from reaching a possible concentration). In addition, it is possible to prevent the state in which the concentration of hydrogen gas in the purge gas is equal to or higher than the reference value continues beyond the threshold time. Therefore, the fuel cell system can be operated safely.
第17の発明は、特に、第16の発明の燃料電池システムの運転方法は、前記希釈されたパージガス中の前記水素ガスの濃度が前記基準値以上であるとき、前記希釈ガスの流量を増やすことをさらに含み、前記経過時間は、前記希釈ガスの流量を増加させた時点からの経過時間であることにより、燃料電池システムをより安全に運転することができる。 The seventeenth invention, in particular, the method of operating the fuel cell system of the sixteenth invention is to increase the flow rate of the diluted gas when the concentration of the hydrogen gas in the diluted purge gas is equal to or higher than the reference value. The fuel cell system can be operated more safely because the elapsed time is the elapsed time from the time when the flow rate of the diluted gas is increased.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The present invention is not limited to the present embodiment.
(実施の形態1)
図1は、本発明の第1の実施の形態における燃料電池システムの構成図を示すものである。図1に示すように、本実施の形態の燃料電池システム100は、筐体10及び燃料電池20を備えている。燃料電池20(燃料電池スタック)は、筐体10の内部に配置されている。燃料電池システム100の他のコンポーネントも燃料電池20と同様に筐体10の内部に配置されている。燃料電池20は、アノード21(燃料極)、カソード22(空気極)及び電解質層23を有する。燃料電池20は、例えば、固体高分子型燃料電池、固体酸化物型燃料電池、リン酸型燃料電池又は溶融炭酸塩型燃料電池である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows a configuration diagram of a fuel cell system according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the
筐体10は、例えば、中空の直方体の形状を有する。筐体10には、吸気口11及び排気口12が設けられている。吸気口11は、筐体10の外部から筐体10の内部に空気を取り込むための開口部である。吸気口11から筐体10の内部に取り込まれた空気は、燃料電池20の酸化剤ガスとして使用されうる。吸気口11から筐体10の内部に取り込まれた空気は、燃料電池20から排出された水素含有ガスの希釈ガスとしても使用されうる。排気口12は、筐体10の内部から筐体10の外部にガスを排出するための開口部である。燃料電池20から排出された未反応の水素含有ガスが筐体10の内部において希釈され、排気口12を通じて筐体10の外部に排出される。吸気口11は、例えば、筐体10の1つの側面にのみ設けられている。複数の側面に吸気口が設けられている場合と比較して、本実施の形態によれば、燃料電池システム100の設置方法を多様化できる。排気口12は、吸気口11が設けられた側面とは異なる側面の上部に設けられている。ただし、排気口12は、吸気口11が設けられた側面と同じ側面に設けられていてもよい。複数の吸気口11が筐体10に設けられていてもよい。複数の排気口12が筐体10に設けられていてもよい。
The
本実施の形態において、排気口12は、吸気口11よりも鉛直方向の上側に設けられている。吸気口11は、例えば、筐体10の下部に設けられている。排気口12は、例えば、筐体10の上部に設けられている。このような構成によれば、水素ガスが筐体10の外部に排出されやすい。さらに、吸気口11から筐体10の内部に取り込まれた空気が筐体10の内部空間の換気風(破線矢印)として作用する。この場合、燃料電池システム100の運転中に燃料電池20などのコンポーネントによって温められた空気が筐体10の外部に排出されやすい。筐体10を高さ方向に3等分したとき、最も上に位置している部分を「上部」と定義し、最も下に位置している部分を「下部」と定義することができる。
In the present embodiment, the
燃料電池20のアノード21は、アノード入口及びアノード出口を含む。燃料電池20のカソード22は、カソード入口及びカソード出口を含む。アノード入口にアノードガス供給経路31が接続されている。アノード出口に循環経路33が接続されている。カソード入口にカソードガス供給経路41が接続されている。カソード出口にカソードオフガス経路42が接続されている。図1に示す各経路は、金属製又は樹脂製の少なくとも1つの配管によって構成されている。
The
アノードガス供給経路31は、アノード21に燃料ガスを供給するための経路である。アノードガス供給経路31は、筐体10の外部に延び、図示しない燃料供給源に接続されうる。燃料供給源は、燃料電池20のアノード21に燃料ガスを供給するためのインフラストラクチャである。燃料ガスは、典型的には、水素ガスである。燃料供給源は、例えば、液化水素の貯蔵タンクである。アノードガス供給経路31には、加湿器などの他の機器が設けられていてもよい。
The anode
循環経路33は、アノード21から排出されたアノードオフガスをアノードガス供給経路31に戻すための経路である。アノードオフガスは、発電に使用されなかった水素含有ガスである。循環経路33は、アノード出口に接続された一端とアノードガス供給経路31に接続された他端とを有する。本実施の形態において、循環経路33は、第1部分33a、第2部分33b及びアノード凝縮水タンク33cを含む。第1部分33aは、アノード出口とアノード凝縮水タンク33cとを接続している部分である。第2部分33bは、アノード凝縮水タンク33cとアノードガス供給経路31とを接続している部分である。第1部分33aを通じて、燃料電池20のアノード21からアノード凝縮水タンク33cにアノードオフガスが導かれる。アノードオフガスに含まれた凝縮水がアノード凝縮水タンク33cに貯留される。アノードオフガスは、第2部分33bを通じて、アノード凝縮水タンク33cからアノードガス供給経路31に導かれる。
The
カソードガス供給経路41は、カソード22に酸化剤ガスを供給するための経路である。酸化剤ガスは、典型的には、空気である。カソードガス供給経路41は、筐体10の外部に延びていてもよいし、筐体10の内部に位置する開口部を有していてもよい。前者によれば、筐体10の外部からカソードガス供給経路41に空気が取り込まれ、後者によれば、筐体10の内部からカソードガス供給経路41に空気が取り込まれる。カソードガス供給経路41には、ブロワ、ファンなどの他の機器が設けられていてもよい。
The cathode
カソードオフガス経路42は、カソード22から排出されたカソードオフガスを燃料電池20の外部に排出するための経路である。カソードオフガスは、発電に使用されなかった空気である。本実施の形態において、カソードオフガス経路42は、カソード出口と後述するオフガス混合器50とを接続している。カソードオフガス経路42を通じて、燃料電池20のカソード22からオフガス混合器50にカソードオフガスが導かれる。
The cathode off
また、燃料電池システム100は、パージ経路52、オフガス混合器50、ガス合流部53及び可燃ガスセンサ54を備えている。
Further, the
パージ経路52は、循環経路33から筐体10の内部に水素含有ガスをパージするための経路である。パージ経路52は、循環経路33に接続された一端を有し、筐体10の内部の所定の合流位置まで延びている。言い換えれば、パージ経路52は、循環経路33(詳細には、第2部分33b)から分岐している。パージ経路52にはパージ弁35が配置されている。パージ弁35は、典型的には、開閉弁である。本実施の形態において、パージ経路52は、第1部分52a及び第2部分52bを含む。第1部分52aは、循環経路33とオフガス混合器50とを接続している部分である。第2部分52bは、オフガス混合器50に接続されているとともに、所定の合流位置まで延びている部分である。所定の合流位置は、ガス合流部53が設けられている位置である。パージ弁35は、第1部分52aに配置されている。
The
オフガス混合器50は、カソードオフガス経路42とパージ経路52とを連通させている。オフガス混合器50の役割は、カソードオフガス経路42の中の酸化剤ガス(カソードオフガス)とパージ経路52の中の水素含有ガス(パージガス)とを混合させることである。これにより、パージガス中の水素濃度(水素ガスの濃度)を効率的に下げることができる。パージ経路52の第2部分52bを通じてカソードオフガスとパージガスとの混合ガスがガス合流部53に送られる。
The off-
オフガス混合器50において、カソードオフガスとパージガスとが混合され、混合ガスから凝縮水が分離される。つまり、オフガス混合器50は、気液分離器の役割も担っている。混合ガスから水分が除去されるので、結露による可燃ガスセンサ54の劣化をより効果的に抑制することができる。
In the off-
オフガス混合器50には、凝縮水経路43の一端が接続されている。凝縮水経路43の他端は、カソード凝縮水タンク44に接続されている。オフガス混合器50で回収された凝縮水は、凝縮水経路43を通じて、オフガス混合器50からカソード凝縮水タンク44に導かれる。カソードオフガスに含まれた凝縮水がカソード凝縮水タンク44に貯留される。
One end of the
ガス合流部53は、筐体10の内部に設けられた部分であって、パージ経路52を通じて循環経路33から排出されたパージガスを所定の合流位置において希釈ガスに合流させるための部分である。希釈ガスは空気である。希釈されたパージガスは、ガス合流部53から排気口12に向かって進み、排気口12を通じて、筐体10の外部に排出される。本実施の形態において、ガス合流部53は、筐体10の上部に配置されている。詳細には、ガス合流部53は、燃料電池20の上方に位置している。
The
可燃ガスセンサ54は、希釈されたパージガス中の水素ガス濃度を検出する。可燃ガスセンサ54は、典型的には、半導体式の水素ガスセンサである。
The
燃料電池システム100は、さらに、排気ファン55を備えている。排気ファン55は、排気口12に面する位置に配置されている。排気ファン55は、筐体10の内部に配置されている。排気ファン55を作動させると筐体10の内部が負圧の状態になる。筐体10の内部空間における空気の流れ方向が一定の方向に定まるので、1つの可燃ガスセンサ54で水素ガスの濃度を確実に測定することが可能になる。その結果、燃料電池システム100の安全性を損なうことなく、燃料電池システム100の製造コストを下げることができる。
The
また、燃料電池システム100は、制御器62を備えている。制御器62は、例えば、A/D変換回路、入出力回路、演算回路、記憶装置などを含むDSP(Digital Signal Processor)である。制御器62には、燃料電池システム100を適切に運転するためのプログラムが格納されている。本実施の形態において、制御器62は、筐体10の上部に配置されている。
Further, the
次に、ガス合流部53とその周辺の詳細な構造について説明する。図2には、希釈ガスとしての空気G1の流れ、パージガスG2の流れ、及び、空気で希釈されたパージガスG3の流れがそれぞれ矢印で示されている。
Next, the detailed structure of the
図2に示すように、ガス合流部53は、所定の合流位置57を囲っている隔壁53kを有する。言い換えれば、隔壁53kによって囲まれた空間の一部又は全部が所定の合流位置57である。隔壁53kによれば、パージ経路52から合流位置57に向かって排出されたパージガスの拡散を効果的に制御することができる。したがって、空気で希釈されたパージガス中の水素ガスの濃度を正確に検出するために、可燃ガスセンサ54、ガス合流部53及び排気口12の位置関係を比較的容易に定めることができる。
As shown in FIG. 2, the
可燃ガスセンサ54は、所定の合流位置57を基準として、空気の流れ方向の上流側に配置されている。言い換えれば、可燃ガスセンサ54から排気口12までの空気の流路上に所定の合流位置57がある。このような位置関係によれば、可燃ガスセンサ54が高温多湿のパージガスに直接晒されることを確実に防ぐことができる。なお、本明細書において「距離」の語句は、最短距離を意味する。
The
隔壁53kは、例えば、両端が開口している筒の形状を有している。つまり、隔壁53kは、一端53p及び他端53qが開口している風洞を構成している。風洞の一端53pと風洞の他端53qとの間において、隔壁53kにパージ経路52が接続されている。一端53p及び他端53qは、それぞれ、ガス合流部53の入口53p及び出口53qでもある。このような構造によれば、パージガスの拡散をより効果的に制御することができる。本実施の形態では、排気ファン55の中心と可燃性ガスセンサ54とを結ぶ直線が隔壁53kによって形成された風洞の中を通っている。このような構造によれば、空気で希釈されたパージガスが速やかに排気口12に導かれて筐体10の外部に排出される。
The
パージ経路52は、所定の合流位置57に向かって開口している開口部52pを含む。可燃ガスセンサ54から排気口12への空気の流路上にパージ経路52の開口部52pが存在している。このような構造によれば、パージガスを空気で確実に希釈することができるとともに、希釈されたパージガスを確実に排気口12に導くことができる。
The
可燃ガスセンサ54は、パージ経路52の開口部52pを基準として、ガス合流部53の入口53p(風洞の一端53p)と同じ側に配置されている。可燃ガスセンサ54からガス合流部53の入口53pまでの距離は、可燃ガスセンサ54からパージ経路52の開口部52pまでの距離よりも短い。このような位置関係によれば、可燃ガスセンサ54が高温多湿のパージガスに直接晒されることを確実に防ぐことができる。
The
また、所定の合流位置57から排気口12までの距離は、可燃ガスセンサ54から排気口12までの距離よりも短い。このような位置関係によれば、パージガスに含まれた水分(水蒸気)が可燃ガスセンサ54に到達することを極力防ぐことができる。水蒸気と比較して、水素ガスの拡散速度は非常に速いので、空気の流れ方向の上流側に可燃ガスセンサ54が配置されていたとしても、水素ガスの濃度を検出することができる。上記の各距離は、可燃ガスセンサ54で水素ガスの濃度を確実に検出でき、かつ、希釈されたパージガスを効率的に筐体10の外部に排出できるように定められる。
Further, the distance from the predetermined merging
本実施の形態において、可燃ガスセンサ54は、風洞の外に配置されている。つまり、可燃ガスセンサ54は、隔壁53kによって囲まれた空間の外に配置されている。詳細には、可燃ガスセンサ54は、風洞の一端53p(ガス合流部53の入口53p)に面する位置に配置されている。このような位置に可燃性ガスセンサ54が配置されていると、パージガスに含まれた水分が可燃ガスセンサ54に到達することを確実に防ぎつつ、空気で希釈されたパージガス中の水素ガスの濃度を検出することができる。もちろん、可燃ガスセンサ54は、風洞の中に配置されていてもよい。この場合、空気で希釈されたパージガス中の水素ガスの濃度をより正確に検出することができる。
In this embodiment, the
本実施の形態の燃料電池システム100において、水素含有ガスは、アノードガス供給経路31を通り、燃料供給源から燃料電池20のアノード21に供給される。空気は、筐体10の吸気口11から空気ポンプ(図示省略)でカソードガス供給経路41に導入される。空気は、カソードガス供給経路41を通り、燃料電池20のカソード22に供給される。燃料電池20において、水素含有ガスと空気とを用いて電力が生成される。
In the
発電に使用されなかったアノードオフガスは多湿状態である。そのため、アノードオフガスは、循環経路33の第1部分33aを通じて、燃料電池20のアノード21からアノード凝縮水タンク33cに送られる。アノード凝縮水タンク33cにおいて、アノードオフガスから凝縮水が除去される。アノードオフガスは、循環経路33の第2部分33bを通じて、アノード凝縮水タンク33cからアノードガス供給経路31に戻され、燃料電池20において発電のために再利用される。
The anode off gas that was not used for power generation is in a humid state. Therefore, the anode off-gas is sent from the
発電に使用されなかったカソードオフガスも多湿状態である。カソードオフガスは、カソードオフガス経路42を通じて気液分離器50に送られ、気液分離器50においてパージガスに混合され、ガス合流部53に導かれる。つまり、カソードオフガスは、パージガスの希釈ガスとして使用される。カソードオフガスに含まれた凝縮水は、気液分離器50において、ガス成分から分離され、凝縮水経路43を通じて、カソード凝縮水タンク44に送られる。
The cathode off gas that was not used for power generation is also in a humid state. The cathode-off gas is sent to the gas-
ガス合流部53では、排気ファン55の働きにより、筐体10の内部の空気が可燃ガスセンサ54を通り、ガス合流部53に引き込まれる。パージ経路52から放出されたパージガスは、ガス合流部53の合流位置57において、空気によってさらに希釈される。希釈されたパージガスは、ガス合流部53の外に流れ、排出口12を通じて筐体10の外部に排出される。
In the
水素ガスの拡散速度は空気の拡散速度のよりも速い。そのため、合流位置57を基準として、可燃ガスセンサ54が空気の流れ方向の上流側に存在していたとしても、可燃ガスセンサ54に水素ガスが到達しうる。これにより、可燃ガスセンサ54は、希釈されたパージガス中の水素ガスを検出しうる。水素ガスが到達しうる範囲、及び、水素ガスの到達濃度は、空気の流速、隔壁53kによって囲まれた空間の広さなどに応じて決まる。そのため、空気の流量及び隔壁53kによる風洞の断面積は、可燃ガスセンサ54に水素ガスが到達するように適切に設計されている。
The diffusion rate of hydrogen gas is faster than the diffusion rate of air. Therefore, even if the
本実施の形態によれば、パージ経路52から排出された高温多湿のパージガスに可燃ガスセンサ54が直接晒されることを回避できる。可燃ガスセンサ54の上に結露が生じることも防止できる。そのため、可燃ガスセンサ54の劣化が抑制され、可燃ガスセンサ54の寿命を延ばすことができる。また、可燃ガスセンサ54の測定誤差も縮小する。その結果、燃料電池システム100の安全性及び信頼性を長期間にわたって確保することができる。
According to the present embodiment, it is possible to prevent the
次に、パージ弁35の制御について説明する。
Next, the control of the
燃料電池20において、アノード21に水素含有ガスが供給され、カソード22に空気が供給され、電気化学反応によって電力が生成される。燃料電池システム100の運転中において、循環経路33を活用したアノードオフガスのリサイクルを行うと、時間の経過にともなってアノードガス供給経路31の水素含有ガス中の不純物の濃度が上昇する。その結果、燃料電池20の出力電圧が時間の経過とともに低下する。
In the
図3のグラフBに示すように、アノードオフガスのパージを全く実施しない場合、燃料電池20の出力電圧は、ある時点から急激に低下する。他方、所定の条件が成立した場合にパージ弁35を開き、循環経路33からパージ経路52に水素含有ガスを流して窒素ガスなどの不純物を排除すれば、アノード21に供給される水素含有ガス中の水素ガスの濃度が上がる。その結果、図3のグラフAに示すように、燃料電池20の出力電圧を回復させることができる。上記の所定の条件は、例えば、パージ弁35を閉じたまま燃料電池システム100の運転を所定時間にわたって連続運転したことである。言い換えれば、制御器62は、燃料電池20で発電を行なっている期間において、所定のタイミングでパージ弁を開くように制御する。パージ弁35は、所定時間(例えば、30分間)が経過するたびに開放される。このような制御によれば、燃料電池20の出力電圧を常に高い状態に維持することができる。図3のグラフAは、時間t1,t2及びt3のタイミングでパージ弁35を開く制御が行われた場合の電圧の変化を示している。燃料電池20の電圧は、閾値電圧Vthを常に上回っている。
As shown in Graph B of FIG. 3, when the anode off-gas is not purged at all, the output voltage of the
次に、図4を参照しつつ、燃料電池システム100の運転の一例を説明する。図4のフローチャートは、制御器62において実行される処理を示している。制御器62は、発電開始から発電終了まで以下の処理を実行する。燃料電池システム100は、燃料電池20のアノード21に供給された水素含有ガスと燃料電池20のカソード22に供給された酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることによって電力を生成する。
Next, an example of operation of the
ステップS101において、燃料電池システム100の発電停止指示の有無を確認し、発電を継続すべきかどうか判断する。発電停止指示があれば、燃料電池システム100の運転を停止する(ステップS112)。発電を継続すべき場合には、燃料電池20の発電電力を測定する(ステップS102)。そして、測定された発電電力が所定値以下かどうか判断する(ステップS103)。本実施の形態では、制御器62から指示された発電電力の90%が「所定値」である。測定された発電電力が所定値よりも大きい場合、ステップS101に戻る。測定された発電電力が所定値以下である場合、循環経路33からパージ経路52にアノードオフガスをパージする(ステップS104)。具体的には、パージ弁35を開く。循環経路33からパージ経路52に導かれたガスであるパージガスは、パージ経路52からガス合流部53に排出される。ガス合流部53において、パージガスは、空気によって希釈される。そして、空気によって希釈されたパージガス中の水素ガスの濃度を可燃ガスセンサ54によって検出する(ステップS105)。
In step S101, it is confirmed whether or not there is an instruction to stop power generation of the
なお、「発電電力」に代えて、図3を参照して説明したように、「電圧」を測定し、測定された電圧と所定の閾値電圧(所定値)との比較結果に応じて、パージ弁35の制御を行なってもよい。さらに、図3を参照して説明したように、所定時間おきにパージ弁35を開く制御を行なってもよい。
In addition, instead of the "generated power", as described with reference to FIG. 3, the "voltage" is measured, and the purge is performed according to the comparison result between the measured voltage and the predetermined threshold voltage (predetermined value). The
次に、検出された水素ガスの濃度が基準値未満かどうか判断する(ステップS106)。本実施の形態では、「基準値」は、2%(体積%)である。希釈されたパージガス中の水素ガスの濃度が2%以上である場合、排気ファン55の風量を増やし、空気によるパージガスの希釈を促進する(ステップS107)。具体的には、排気ファン55の回転数を上げて空気の流量を増やす。次に、排気ファン55の風量を最初に増やした時点からの経過時間を計測する(ステップS108)。言い換えれば、空気の流量を増加させた時点から現在までの経過時間を計測する。経過時間は、希釈されたパージガス中の水素ガスの濃度が基準値を下回るまでの時間でありうる。
Next, it is determined whether or not the detected hydrogen gas concentration is less than the reference value (step S106). In the present embodiment, the "reference value" is 2% (volume%). When the concentration of hydrogen gas in the diluted purge gas is 2% or more, the air volume of the
次に、経過時間が閾値時間(例えば1分間)以下かどうか判断する(ステップS109)。経過時間が閾値時間を越えた場合、燃料電池システム100の運転を停止する(ステップS112)。つまり、水素ガスの濃度が2%以上の状態が1分間を超えて継続した場合、燃料電池システム100の運転を停止して発電を停止する。経過時間が閾値時間以下の場合、再度、空気で希釈されたパージガス中の水素ガスの濃度を検出し(ステップS110)、水素ガスの濃度が2%未満かどうか判断する(ステップS111)。水素ガスの濃度が2%以上の場合、ステップS107に戻り、水素ガスの濃度が2%未満に低下するまで、排気ファン55の風量を維持する(排気ファン55の回転数を維持する)。あるいは、排気ファン55の風量を徐々に増やしてもよい。言い換えれば、排気ファン55の回転数を徐々に増やしてもよい。
Next, it is determined whether the elapsed time is equal to or less than the threshold time (for example, 1 minute) (step S109). When the elapsed time exceeds the threshold time, the operation of the
ステップS106において水素ガスの濃度が2%未満である場合、及び、ステップS111において水素ガスの濃度が2%未満である場合、ステップS101に戻る。各ステップの処理を完了したのち、待機時間を設けずに瞬時に次のステップの処理に移行してもよい。 If the concentration of hydrogen gas is less than 2% in step S106, and if the concentration of hydrogen gas is less than 2% in step S111, the process returns to step S101. After the processing of each step is completed, the processing of the next step may be performed instantly without providing a waiting time.
図4のフローチャートに示す各処理を実行すれば、希釈されたパージガス中の水素ガスの濃度が可燃限界(例えば、4%)に達することを防止できる。また、パージガス中の水素ガスの濃度が基準値以上である状態が閾値時間を越えて継続することを回避できる。そのため、燃料電池システム100を安全に運転することができる。
By executing each process shown in the flowchart of FIG. 4, it is possible to prevent the concentration of hydrogen gas in the diluted purge gas from reaching the flammable limit (for example, 4%). In addition, it is possible to prevent the state in which the concentration of hydrogen gas in the purge gas is equal to or higher than the reference value continues beyond the threshold time. Therefore, the
ステップS104において開放されたパージ弁35は、所定時間後(例えば、2分間経過後)に閉じられる。ステップS105の処理によれば、希釈されたパージガス中の水素ガスの濃度がパージ弁35の開放中に検出される。つまり、制御器62は、パージ弁35を開いた時点から所定時間(2分間)が経過するまでの期間において可燃ガスセンサ54の出力を監視する。そして、可燃ガスセンサ54の出力が閾値を越えた場合、燃料電池システム100の状態又は燃料電池システム100の異常を報知するための電気的処理を実行する。あるいは、制御器62は、可燃ガスセンサ54の出力が閾値を越えた場合、燃料電池システム100の運転を停止させる。このようにすれば、燃料電池システム100をより安全に運転することができる。「可燃ガスセンサ54の出力が閾値を越えた場合」とは、可燃ガスセンサ54の出力が可燃限界又はそれに近い濃度を示した場合を意味する。
The
ステップS112において、燃料電池システム100の運転を停止することに代えて、燃料電池システム100の状態又は燃料電池システム100の異常を報知するための電気的処理を実行してもよい。例えば、燃料電池システム100の発電状態、水素ガスの濃度の検出値、水素ガスの濃度が2%を越えたことなどを報知するための電気的処理を実行する。これらの情報は、制御器62に接続されたモニタに表示されてもよいし、インターネット等の通信網を介してユーザ又は管理者の端末に送信されて表示されてもよい。
In step S112, instead of stopping the operation of the
(実施の形態2)
図5に示すように、本実施の形態の燃料電池システム200は、放熱器63及び冷却ファン64を備えている。実施の形態1の燃料電池システム100と本実施の形態の燃料電池システム200とで共通する要素には同じ参照符号を付し、それらの説明を省略することがある。すなわち、各実施の形態に関する説明は、技術的に矛盾しない限り、相互に適用されうる。さらに、技術的に矛盾しない限り、各実施の形態は、相互に組み合わされてもよい。
(Embodiment 2)
As shown in FIG. 5, the
放熱器63は、燃料電池20の冷却剤から熱を取り除くための機器である。冷却剤は、水などの冷却液である。放熱器63は、例えば、フィンチューブ熱交換器によって構成されている。放熱器63は、冷却経路65によって燃料電池20に接続されている。放熱器63と燃料電池20との間で冷却剤が循環する。冷却経路65にはポンプ(図示省略)が設けられている。燃料電池システム200の運転時において、燃料電池20が冷却剤で冷却される。冷却ファン64を作動させると放熱器63に空気(外気)が供給され、放熱器63において冷却剤と空気との間で熱交換が行われる。
The
本実施の形態において、放熱器63は空冷式である。筐体10には、第2吸気口13が設けられている。第2吸気口13は、例えば、排気口12に隣り合っている。筐体10の内部にダクト67が設けられており、排気口12及び第2吸気口がそのダクト67で囲まれている。ダクト67の内部に放熱器63及び冷却ファン64が配置されている。冷却ファン64は、第2吸気口13を通じて筐体10の外部から放熱器63に向かって空気の流れ(矢印)を生じさせる位置に配置されている。図6では、冷却ファン64が1つのみ示されている。ただし、第2吸気口13、放熱器63及び排気口12の順番に空気の流れが生じるように、複数のファンがダクト67の内部に配置されていてもよい。空気の流れ方向を整える整流板などの部品がダクト67の内部に配置されていてもよい。
In the present embodiment, the
ガス合流部53において空気によって希釈されたパージガスは、冷却ファン64の働きによって、排気口12に向かって流れる。ガス合流部53から排気口12への経路上において、パージガスは、ダクト67に吸い込まれ、ダクト67の内部において、放熱器63を通過した空気によってさらに希釈され、排気口12を通じて筐体10の外部に排出される。このような構成によれば、パージガス中の水素ガスの濃度をさらに低下させて筐体10の外部に排出することができる。また、本実施の形態によれば、冷却ファン64が実施の形態1で説明した排気ファン55の役割も担っている。排気ファン55を省略することができるので、燃料電池システム200の簡素化を図ることができる。
The purge gas diluted with air in the
ガス合流部53の構造、可燃ガスセンサ54の配置など燃料電池システム200の他の構成は実施の形態1で説明したとおりである。したがって、本実施の形態においても、実施の形態1と同じ効果が得られる。
Other configurations of the
本発明は、燃料電池システムに有用である。 The present invention is useful for fuel cell systems.
10 筐体
11 吸気口
12 排気口
20 燃料電池
31 アノードガス供給経路
33 循環経路
35 パージ弁
42 カソードオフガス経路
50 オフガス混合器
52 パージ経路
52p 開口部
53 ガス合流部
53k 隔壁
54 可燃ガスセンサ
55 排気ファン
57 合流位置
63 放熱器
100,200 燃料電池システム
10
Claims (17)
前記アノード入口に接続されたアノードガス供給経路と、
前記アノード出口に接続された一端、及び、前記アノードガス供給経路に接続された他端を有する循環経路と、
前記循環経路に接続された一端を有し、所定の合流位置まで延びているパージ経路と、
前記燃料電池、前記アノードガス供給経路、前記循環経路、及び、前記パージ経路を収納している筐体と、
前記筐体の内部に設けられ、前記パージ経路を通じて前記循環経路から排出された水素含有ガスを前記所定の合流位置において希釈ガスに合流させるガス合流部と、
前記筐体に設けられ、前記希釈ガスによって希釈された前記水素含有ガスを前記ガス合流部から前記筐体の外部に排出させるための排気口と、
前記所定の合流位置を基準として、前記希釈ガスの流れ方向の上流側に配置された可燃ガスセンサと、
を備えた、燃料電池システム。 A fuel cell with an anode inlet and an anode outlet,
The anode gas supply path connected to the anode inlet and
A circulation path having one end connected to the anode outlet and the other end connected to the anode gas supply path.
A purge path that has one end connected to the circulation path and extends to a predetermined confluence position,
A housing containing the fuel cell, the anode gas supply path, the circulation path, and the purge path.
A gas merging portion provided inside the housing and merging hydrogen-containing gas discharged from the circulation path through the purging path with the diluted gas at the predetermined merging position.
An exhaust port provided in the housing and for discharging the hydrogen-containing gas diluted by the dilution gas from the gas confluence to the outside of the housing.
With the combustible gas sensor arranged on the upstream side in the flow direction of the diluted gas with reference to the predetermined merging position,
A fuel cell system equipped with.
前記可燃ガスセンサから前記排気口への前記希釈ガスの流路上に前記パージ経路の前記開口部が存在している、請求項1に記載の燃料電池システム。 The purge path includes an opening that opens toward the predetermined confluence position.
The fuel cell system according to claim 1, wherein the opening of the purge path exists on the flow path of the diluted gas from the combustible gas sensor to the exhaust port.
前記風洞の前記一端と前記風洞の前記他端との間において、前記隔壁に前記パージ経路が接続されている、請求項4に記載の燃料電池システム。 The partition wall constitutes a wind tunnel with one end and the other end open.
The fuel cell system according to claim 4, wherein the purge path is connected to the partition wall between the one end of the wind tunnel and the other end of the wind tunnel.
前記燃料電池システムは、
前記カソード出口に接続されたカソードオフガス経路と、
前記カソードオフガス経路と前記パージ経路とを連通させて前記カソードオフガス経路の中の酸化剤ガスと前記パージ経路の中の前記水素含有ガスとを混合させるオフガス混合器と、をさらに備えている、請求項1〜6のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 The fuel cell further has a cathode outlet.
The fuel cell system
The cathode off gas path connected to the cathode outlet and
Claimed to further include an off-gas mixer that communicates the cathode off-gas path with the purge path to mix the oxidant gas in the cathode off-gas path with the hydrogen-containing gas in the purge path. Item 6. The fuel cell system according to any one of Items 1 to 6.
前記希釈ガスによって希釈された前記水素含有ガスが前記放熱器を通過した空気によってさらに希釈される、請求項1〜11のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 Further equipped with an air-cooled radiator for removing heat from the fuel cell coolant,
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 11, wherein the hydrogen-containing gas diluted with the diluting gas is further diluted with air passing through the radiator.
前記パージ弁の開閉を制御する制御器と、
をさらに備えた、請求項1〜12のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 The purge valve arranged in the purge path and
A controller that controls the opening and closing of the purge valve,
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 12, further comprising.
燃料電池のアノードから排出された未使用の水素含有ガスを前記アノードの入口に戻すための循環経路を用い、前記水素含有ガスを前記アノードに戻して再利用することと、
前記燃料電池が発電を行なっている期間において、前記燃料電池の発電電力又は電圧が所定値以下になった場合、前記循環経路からパージ経路に前記未使用の水素含有ガスをパージすることと、
前記パージ経路から排出された前記未使用の水素含有ガスであるパージガスを希釈ガスで希釈することと、
前記希釈されたパージガス中の水素ガスの濃度を検出することと、
前記希釈されたパージガス中の前記水素ガスの濃度が基準値を下回るまでの経過時間を計測することと、
前記経過時間が閾値時間を超えた場合、前記燃料電池システムの状態若しくは異常を報知する、又は、前記燃料電池システムの運転を停止することと、
を含む、燃料電池システムの運転方法。 The method of operating the fuel cell system according to claim 1 .
Using a circulation path for returning the unused hydrogen-containing gas discharged from the anode of the fuel cell to the inlet of the anode, the hydrogen-containing gas is returned to the anode for reuse.
When the generated power or voltage of the fuel cell becomes a predetermined value or less during the period when the fuel cell is generating power, the unused hydrogen-containing gas is purged from the circulation path to the purge path.
Diluting the purge gas, which is the unused hydrogen-containing gas discharged from the purge path, with a dilution gas,
To detect the concentration of hydrogen gas in the diluted purge gas,
To measure the elapsed time until the concentration of the hydrogen gas in the diluted purge gas falls below the reference value, and
When the elapsed time exceeds the threshold time, the state or abnormality of the fuel cell system is notified, or the operation of the fuel cell system is stopped.
How to operate a fuel cell system, including.
前記経過時間は、前記希釈ガスの流量を増加させた時点からの経過時間である、請求項16に記載の燃料電池システムの運転方法。 When the concentration of the hydrogen gas in the diluted purge gas is equal to or higher than the reference value, the flow rate of the diluted gas is further increased.
The method for operating a fuel cell system according to claim 16, wherein the elapsed time is an elapsed time from the time when the flow rate of the diluted gas is increased.
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