JP6857827B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池システムに関し、特に、燃料電池のアノードからアノードオフガスを排出する燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system that discharges anode-off gas from the anode of the fuel cell.
従来の燃料電池システムとして、特許文献1に示す燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムでは、燃料電池に循環する熱媒体を、熱交換用ファンにより送られた空気により熱交換器で冷却している。さらに、この空気により、燃料電池のアノードから排出されたアノードオフガスを拡散し、アノードオフガスに含まれる水素を希釈している。
As a conventional fuel cell system, the fuel cell system shown in
しかしながら、上記特許文献1の従来技術について、アノードオフガスの希釈及び燃料電池の温度制御の両立の観点から未だ改善の余地がある。本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、アノードオフガスの希釈及び燃料電池の温度制御を両立することができる燃料電池システムを提供することを目的としている。
However, there is still room for improvement in the prior art of
本発明のある態様に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池のアノードに供給される前記燃料ガスが流通する供給流路と、前記アノードから排出されるアノードオフガスが流通し、前記供給流路と接続するリサイクル流路と、前記リサイクル流路から分岐し、前記アノードオフガスが流通する排出流路と、前記排出流路に設けられた開閉弁と、前記燃料電池を冷却する冷却水と空気との間で熱交換させる熱交換器と、前記燃料電池と前記熱交換器との間を前記冷却水が循環する水流路と、前記熱交換器に前記空気を送る送風ファンと、前記排出流路から排出されるアノードオフガスと、前記熱交換器を通過した空気とが合流して外部に排出する合流部と、制御器と、を備え、前記制御器は、前記開閉弁を開放して前記アノードオフガスを排出する前に前記送風ファンの風量を低下し、前記開閉弁を開放して前記アノードオフガスを排出するときに前記送風ファンの風量を増加する。 A fuel cell system according to an aspect of the present invention includes a fuel cell that generates power using a fuel gas and an oxidizing agent gas, a supply flow path through which the fuel gas supplied to the anode of the fuel cell flows, and the anode. A recycle flow path through which the anode off-gas discharged from is circulated and connected to the supply flow path, a discharge flow path branched from the recycle flow path and through which the anode off-gas flows, and an opening / closing provided in the discharge flow path. A valve, a heat exchanger that exchanges heat between the cooling water that cools the fuel cell and air, a water flow path through which the cooling water circulates between the fuel cell and the heat exchanger, and the heat exchange. A blower fan that sends the air to the vessel, an anode off gas discharged from the discharge flow path, a confluence portion in which the air that has passed through the heat exchanger merges and discharges to the outside, and a controller are provided. The controller reduces the air volume of the blower fan before opening the on-off valve and discharging the anode off gas, and reduces the air volume of the blower fan when the on-off valve is opened and the anode off gas is discharged. To increase.
本発明は、燃料電池システムにおいてアノードオフガスの希釈及び燃料電池の温度制御を両立することが可能であるという効果を奏する。 The present invention has the effect that it is possible to achieve both dilution of the anode off gas and temperature control of the fuel cell in the fuel cell system.
本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。 The above objectives, other objectives, features, and advantages of the present invention will be apparent from the following detailed description of preferred embodiments with reference to the accompanying drawings.
(本発明の基礎となった知見)
本発明者らは、燃料電池システムにおけるアノードオフガスの希釈及び燃料電池の温度制御の両立について鋭意検討をした。その中で、本発明者等は従来技術には下記のような問題があることを見出した。
(Knowledge that became the basis of the present invention)
The present inventors have diligently studied the compatibility between the dilution of the anode off-gas in the fuel cell system and the temperature control of the fuel cell. Among them, the present inventors have found that the prior art has the following problems.
上記特許文献1の燃料電池システムでは、アノードオフガスの排出(パージ)時には熱交換器用ファンを最大回転数で駆動している。これにより、熱交換器用ファンによる空気でアノードオフガスを拡散し、アノードオフガス中の水素を希釈している。
In the fuel cell system of
しかしながら、熱交換器用ファンを最大回転数で駆動すると、熱交換器用ファンによる空気により熱媒体の温度が下がり過ぎる。これにより、熱媒体が通過する燃料電池を所定の温度範囲に保つことができない場合がある。 However, when the heat exchanger fan is driven at the maximum rotation speed, the temperature of the heat medium drops too much due to the air generated by the heat exchanger fan. As a result, it may not be possible to keep the fuel cell through which the heat medium passes within a predetermined temperature range.
これに対して、燃料電池を所定の温度範囲に維持するため、熱交換器用ファンの回転数を下げると、それに伴い熱交換器用ファンによる空気の量が減少する。このため、アノードオフガスの水素濃度が所定値以下になるようにアノードオフガスを熱交換器用ファンによる空気で十分に希釈できない問題が生じる。 On the other hand, when the rotation speed of the heat exchanger fan is lowered in order to maintain the fuel cell in a predetermined temperature range, the amount of air by the heat exchanger fan is reduced accordingly. Therefore, there arises a problem that the anode off-gas cannot be sufficiently diluted with air from the heat exchanger fan so that the hydrogen concentration of the anode-off gas becomes equal to or less than a predetermined value.
そこで、本発明者等は、アノードオフガスを排出する前に送風ファンの風量を低下し、アノードオフガスを排出するときに送風ファンの風量を増加することにより、アノードオフガスの希釈及び燃料電池の温度制御の両立を図っている。本発明はこの知見に基づいてなされたものである。 Therefore, the present inventors reduce the air volume of the blower fan before discharging the anode off gas and increase the air volume of the blower fan when discharging the anode off gas to dilute the anode off gas and control the temperature of the fuel cell. We are trying to achieve both. The present invention has been made based on this finding.
本発明の実施の第1態様に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池のアノードに供給される前記燃料ガスが流通する供給流路と、前記アノードから排出されるアノードオフガスが流通し、前記供給流路と接続するリサイクル流路と、前記リサイクル流路から分岐し、前記アノードオフガスが流通する排出流路と、前記排出流路に設けられた開閉弁と、前記燃料電池を冷却する冷却水と空気との間で熱交換させる熱交換器と、前記燃料電池と前記熱交換器との間を前記冷却水が循環する水流路と、前記熱交換器に前記空気を送る送風ファンと、前記排出流路から排出されるアノードオフガスと、前記熱交換器を通過した空気とが合流して外部に排出する合流部と、制御器と、を備え、前記制御器は、前記開閉弁を開放して前記アノードオフガスを排出する前に前記送風ファンの風量を低下し、前記開閉弁を開放して前記アノードオフガスを排出するときに前記送風ファンの風量を増加する。 The fuel cell system according to the first embodiment of the present invention includes a fuel cell that generates power using a fuel gas and an oxidizing agent gas, and a supply flow path through which the fuel gas supplied to the anode of the fuel cell flows. , A recycle flow path through which the anode off gas discharged from the anode flows and is connected to the supply flow path, a discharge flow path branched from the recycle flow path and through which the anode off gas flows, and the discharge flow path are provided. An on-off valve, a heat exchanger that exchanges heat between the cooling water that cools the fuel cell and air, a water flow path through which the cooling water circulates between the fuel cell and the heat exchanger, and the like. A blower fan that sends the air to the heat exchanger, an anode off gas discharged from the discharge flow path, a confluence portion where the air that has passed through the heat exchanger merges and discharges to the outside, a controller, and the controller. The controller reduces the air volume of the blower fan before opening the on-off valve to discharge the anode off gas, and opens the on-off valve to discharge the anode off gas. Increase the air volume of.
この構成によれば、排出流路から排出されるアノードオフガスと、熱交換器を通過した空気とが、合流部において合流することにより、アノードオフガスを空気により十分に希釈して合流部から外部へ排出することができる。また、送風ファンによる送風を、冷却水の冷却及びアノードオフガスの希釈の両方に用いることができる。さらに、アノードオフガスの排出前に送風ファンの風量の低下によって、送風ファンの送風により冷却される冷却水及びこれにより冷却される燃料電池の温度を上昇させている。そして、アノードオフガスの排出時にこの高くなった温度から冷却水及び燃料電池の温度が送風ファンの風量の増加によって低下するため、燃料電池が冷え過ぎることを防止し、燃料電池を適切に温度制御することができる。 According to this configuration, the anode off-gas discharged from the discharge channel and the air that has passed through the heat exchanger merge at the confluence, so that the anode-off gas is sufficiently diluted with air and from the confluence to the outside. Can be discharged. In addition, the air blown by the blower fan can be used for both cooling the cooling water and diluting the anode off-gas. Further, by reducing the air volume of the blower fan before discharging the anode off-gas, the temperature of the cooling water cooled by the blower of the blower fan and the fuel cell cooled by the blower is raised. Then, when the anode off gas is discharged, the temperature of the cooling water and the fuel cell decreases from this increased temperature due to the increase in the air volume of the blower fan, so that the fuel cell is prevented from becoming too cold and the temperature of the fuel cell is appropriately controlled. be able to.
本発明の実施の第2態様に係る燃料電池システムは、第1の態様において、前記供給流路は第1供給流路であり、前記排出流路は第1排出流路であり、前記燃料電池のカソードに供給される前記酸化剤ガスが流通する第2供給流路と、前記カソードから排出されるカソードオフガスが流通する第2排出流路と、をさらに備え、前記合流部において前記アノードオフガス、前記空気及び前記第2排出流路から排出されるカソードオフガスが合流して外部に排出されてもよい。この構成によれば、合流部にカソードオフガスを排出することにより、空気に加えてカソードオフガスによりアノードオフガスを十分に希釈して合流部から外部へ排出することができる。 In the fuel cell system according to the second aspect of the embodiment of the present invention, in the first aspect, the supply flow path is the first supply flow path, the discharge flow path is the first discharge flow path, and the fuel cell. A second supply flow path through which the oxidant gas supplied to the cathode of the cathode flows, and a second discharge flow path through which the cathode off gas discharged from the cathode flows, and the anode off gas at the confluence portion. The air and the cathode off gas discharged from the second discharge flow path may merge and be discharged to the outside. According to this configuration, by discharging the cathode off gas to the confluence portion, the anode off gas can be sufficiently diluted by the cathode off gas in addition to air and discharged from the confluence portion to the outside.
本発明の実施の第3態様に係る燃料電池システムは、第1又は第2の態様において、前記制御器は、前記開閉弁を開放して前記アノードオフガスを排出するときに前記送風ファンの風量を増加し、さらに前記開閉弁を閉鎖して前記アノードオフガスの排出を停止するときに前記送風ファンの風量を減少してもよい。この構成によれば、アノードオフガスの排出後に送風ファンの風量を低下させることにより、アノードオフガスの排出時の風量の増加により低下した燃料電池の温度を速やかに上昇させて、燃料電池の温度変動を抑制することができる。 In the fuel cell system according to the third aspect of the embodiment of the present invention, in the first or second aspect, when the controller opens the on-off valve and discharges the anode off gas, the air volume of the blower fan is increased. In addition, the air volume of the blower fan may be reduced when the on-off valve is closed to stop the discharge of the anode off gas. According to this configuration, by reducing the air volume of the blower fan after the anode off gas is discharged, the temperature of the fuel cell lowered due to the increase in the air volume at the time of discharging the anode off gas is rapidly raised, and the temperature fluctuation of the fuel cell is caused. It can be suppressed.
本発明の実施の第4態様に係る燃料電池システムは、第1〜3のいずれかの態様において、前記制御器は、前記燃料電池の出力が小さいほど、前記開閉弁を開放する前に、前記送風ファンの風量を減少する時間を長くしてもよい。この構成によれば、燃料電池の出力が小さく、送風ファンの風量の減少に対する燃料電池の温度応答性が遅い場合であっても、送風ファンの風量を減少する時間を長くすることにより、送風ファンの送風により冷却される冷却水及びこれにより冷却される燃料電池の温度変動を低減することができる。 In the fuel cell system according to the fourth aspect of the embodiment of the present invention, in any one of the first to third aspects, the smaller the output of the fuel cell, the smaller the controller, the earlier the on-off valve is opened. The time for reducing the air volume of the blower fan may be lengthened. According to this configuration, even when the output of the fuel cell is small and the temperature response of the fuel cell to the decrease of the air volume of the blower fan is slow, the blower fan is increased by lengthening the time for reducing the air volume of the blower fan. It is possible to reduce the temperature fluctuation of the cooling water cooled by the blown air and the fuel cell cooled by the cooling water.
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら具体的に説明する。なお、以下では全ての図面を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the drawings. In the following, the same or corresponding elements will be designated by the same reference numerals throughout the drawings, and duplicate description thereof will be omitted.
(実施の形態1)
<構成>
実施の形態1に係る燃料電池システム10について、図1を参照して説明する。燃料電池システム10は、燃料電池11、供給流路(第1供給流路)12、リサイクル流路13、排出流路(第1排出流路)14、開閉弁15、熱交換器16、水流路17、送風ファン18、合流部19及び制御器20を備えている。燃料電池システム10は、この他に、第1循環器21及び第2循環器22を備えていてもよい。
(Embodiment 1)
<Structure>
The
燃料電池11は、燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素とを電気化学的に反応させて、電気を発生する装置である。燃料電池11は、複数のセルが積層されたスタック(図示せず)を備えている。セルは、高分子電解質膜を用いた電解質、及びこれを挟む一対の電極(アノード、カソード)により構成されている。セルには、アノードに燃料ガスを供給するアノード流路、及びカソードに酸化剤ガスを供給するカソード流路が備えられている。
The
第1供給流路12は、燃料電池11のアノードに供給される燃料ガスが流通する流路であって、燃料電池11のアノード流路の入口に接続している。この燃料ガスは、水素又は水素を含有するガスであって、例えば、都市ガス等の原料ガスを改質器(図示せず)にて改質反応して得られる改質ガス、及び、水電解等から得られる水素が用いられる。なお、第1供給流路12には、燃料ガスを加湿する加湿器(図示せず)が設けられていてもよい。
The first
第1供給流路12には、燃料ガス供給器(図示せず)を設けてもよい。例えば、燃料電池11に供給される燃料ガスの圧力が燃料電池11を流れる燃料ガスの圧力損失よりも低い場合、燃料供給器によって燃料ガスは昇圧して燃料電池11へ供給することができる。さらに、燃料ガス供給器は、燃料ガスの圧力を調整できる圧力調整器を備えていてもよい。これにより、例えば、燃料ガスの供給源に水素タンク等が用いられて、燃料電池11に供給される燃料ガスの圧力が燃料ガスの圧力損失より高い場合、圧力調整器によって所定の圧力に燃料ガスを調整して燃料電池11に供給することができる。
A fuel gas supply device (not shown) may be provided in the first
リサイクル流路13は、燃料電池11のアノードから排出されたアノードオフガスが流通する流路であって、燃料電池11のアノード流路の出口と第1供給流路12とを接続している。これにより、リサイクル流路13、この接続点よりも下流側の第1供給流路12、及び、燃料電池11のアノード流路により循環流路が形成される。
The
燃料電池11のアノード流路から排出されるアノードオフガスにはまだ未利用の水素が含まれているため、この水素を燃料電池11で再利用することができる。よって、アノード流路から排出されたアノードオフガスを燃料ガスとしてリサイクル流路13から第1供給流路12へ流入させ、リサイクル流路13の接続点よりも上流側の第1供給流路12を流通してきた燃料ガスと混合させ、燃料電池11のアノード流路に供給している。このようにして、アノードオフガスはリサイクル流路13、第1供給流路12及びアノード流路から成る循環流路を循環する。
Since the anode off-gas discharged from the anode flow path of the
第1循環器21は、リサイクル流路13に設けられ、且つ、リサイクル流路13を流通するアノードオフガスを第1供給流路12へ流入させるための機器であって、一般的には昇圧ポンプ等が用いられる。第1循環器21には、例えば、入力電圧によりアノードオフガスの流量を調整できる電磁誘導式のダイアフラムポンプが用いられる。
The
第1排出流路14は、リサイクル流路13から分岐して合流部19へ延び、且つ、アノードオフガスが流通する流路である。第1排出流路14は、第1循環器21よりも上流側のリサイクル流路13に接続し、合流部19を介して燃料電池システム10の外部と連通している。
The first
開閉弁15は、第1排出流路14に設けられ、例えば、ソレノイド式の電磁弁が用いられる。開閉弁15が開放され開状態にされることにより、リサイクル流路13を流れるアノードオフガス及び凝縮水等の不純物がリサイクル流路13から第1排出流路14を介して開閉弁15を通り外部へ排出される。
The on-off
水流路17は、燃料電池11の温度を所定の目標温度に維持するための冷却水が流通する流路であり、燃料電池11及び熱交換器16を貫通し、燃料電池11と熱交換器16との間を循環している。水流路17には、燃料電池11、第2循環器22及び熱交換器16が設けられ、必要に応じて温度検知器や流量計等(図示せず)が設けられてもよい。
The
第2循環器22は、水流路17を流通する冷却水を燃料電池11と熱交換器16との間で循環させる機器であって、例えば、ポンプである。第2循環器22は、例えば、制御器20からの制御信号に応じて水流路17を循環する冷却水の流量を調整できる機能(流量調整機能)を有している。なお、流量調整機能は第2循環器22に内蔵されていてもよいし、流量調整機能を有する部品として第2循環器22とは別に設けられていてもよい。
The
熱交換器16は、燃料電池11を流通する冷却水と、大気中の空気との間で熱交換をさせる機器である。例えば、熱交換器16としては、フィンアンドチューブ型のラジエータが挙げられる。この場合、熱交換器16から排出された冷却水の熱は大気に放出され、冷却水が冷却される。なお、熱交換器16はいずれの型式でも構わない。
The
送風ファン18は、熱交換器16に空気を送るファンである。送風ファン18は、熱交換器16側に向かって空気を引き入れる吸い込み型であってもよいし、熱交換器16側に向かって空気を送る吹きつけ型であってもよい。送風ファン18により空気が熱交換器16に導入されて、熱交換器16における放熱効果が促進される。これにより、熱交換器16のサイズを維持又は小さくすることができる。また、送風ファン18の風量(m3/min)は可変であって、制御器20により制御される。例えば、燃料電池11の入口の水流路17に第1温度センサ17aが設けられており、この第1温度センサ17aにより検知される燃料電池11の入口の冷却水の温度等に基づいて送風ファン18の風量が調整される。
The
合流部19は、第1排出流路14から排出されたアノードオフガスと、熱交換器16を通過した空気とが合流して外部に排出するよう構成されている。例えば、合流部19は、筐体23内に設けられた空間であって、熱交換器16に隣接し、第1排出流路14に連通し、開口部23aを介して外部に開放され、合流部19内に送風ファン18が設けられている。
The merging
制御器20は、CPU等の演算部(図示せず)、及びROM、RAM等の記憶部(図示せず)を備えている。記憶部には燃料電池システム10の基本プログラム及び各種固定データ等の情報が記憶されており、演算部はこの基本プログラム等のソフトウェアを読み出して実行することにより、制御器20は各部の動作を制御する。なお、制御器20は、集中制御する単独の制御器20によって構成されていてもよいし、互いに協働して分散制御する複数の制御器20によって構成されていてもよい。
The
<運転方法>
燃料電池システム10の運転方法について、図2及び図3を参照して説明する。この運転方法は、制御器20により制御されている。ここでは、熱交換器16にラジエータを用いた場合について説明する。
<Driving method>
The operation method of the
まず、燃料電池11の運転状態などに応じてアノードオフガスの排出(パージ)命令が出力されると(ステップS1:YES)、制御器20は送風ファン18による空気の冷却量が希釈量以上か否かを判定する(ステップS2)。この冷却量は、燃料電池11を所定温度に冷却するために冷却水を冷却するのに必要な送風ファン18の風量であって、第1温度センサ17aによる検知温度に基づいて調整される。希釈量は、排出されたアノードオフガスの水素濃度が所定値よりも低下させるためにアノードオフガスを希釈するのに必要な送風ファン18の風量であって、例えば、最大風量である。
First, when an anode off-gas discharge (purge) command is output according to the operating state of the fuel cell 11 (step S1: YES), the
燃料電池11の発電量が多いほど、燃料電池11を冷却する冷却水に対して高い冷却能力が必要になるため、冷却水を冷却する空気の流量(冷却量)が多くなる。この冷却量が希釈量以上になれば(ステップS2:YES)、冷却量で希釈量を賄うことができ、この冷却量の空気で冷却水を冷却し、かつ、冷却後の空気によりアノードオフガスを十分に希釈することができる。
As the amount of power generated by the
このため、送風ファン18により冷却量の空気を送りながら、第1排出流路14の開閉弁15を開放してパージを開始する(ステップS3)。これにより、第1排出流路14が合流部19に連通し、燃料電池11から排出されたアノードオフガスが第1排出流路14により合流部19へ流出する。この合流部19では、送風ファン18により冷却量の空気が熱交換器16へ送られた後、熱交換器16を通過して合流部19へ放出される。この空気によりアノードオフガスが希釈されて、アノードオフガスの水素濃度が所定値以下に低下する。そして、希釈されたアノードオフガスは開口部23aを介して合流部19から外部へ流出する。
Therefore, while sending a cooling amount of air by the
この開閉弁15の開放からの経過時間が所定時間に達する等、燃料電池システム10からアノードオフガスが排出される所定条件が具備されると(ステップS4:YES)、制御部は開閉弁15を閉鎖する(ステップS5)。これにより、アノードオフガスのパージ処理が終了する。
When a predetermined condition for discharging the anode off gas from the
一方、ステップS2において、例えば、燃料電池11の発電量が小さく、送風ファン18による冷却量が希釈量よりも少なければ(ステップS2:NO)、冷却量で希釈量を賄うことができない。ただし、空気によりアノードオフガスを十分に希釈する必要があるため、アノードオフガスのパージ時には送風ファン18は希釈量を送風しなければならない。
On the other hand, in step S2, for example, if the power generation amount of the
このため、制御器20は、開閉弁15を開放してアノードオフガスを排出する前に、送風ファン18の風量を低下し、開閉弁15を開放してアノードオフガスを排出するときに、送風ファン18の風量を増加する。これにより、アノードオフガスの希釈及び燃料電池11の温度制御を両立することができる。
Therefore, the
つまり、通常、図3Aに示すように、点A1でアノードオフガスのパージ命令が出力されると、第1排出流路14の開閉弁15を開放してパージを開始すると共に、送風ファン18の風量を希釈量に上昇させる。そして、点A2で開閉弁15を閉鎖してパージを終了すると共に、送風ファン18の風量を冷却量に減少する。
That is, normally, as shown in FIG. 3A, when the anode off gas purge command is output at the point A1, the on-off
このように、点A1のアノードオフガスのパージ開始時には、開閉弁15を開放により第1排出流路14を介してアノードオフガスが合流部19へ排出されると共に、送風ファン18の風量の上昇により合流部19へ供給される風量が希釈量に増加する。これにより、合流部19においてアノードオフガスが送風ファン18による空気により希釈されて、合流部19から外部へ排出される。
In this way, at the start of purging the anode off-gas at point A1, the anode-off gas is discharged to the merging
しかしながら、送風ファン18の風量が増加するに伴い、送風ファン18の送風により熱交換器16において水流路17の冷却水が冷却される。これにより、図3Bに示すように、冷却水により冷却される燃料電池11の温度が、目標温度の最低温度T2よりも低下してしまう。目標温度は、例えば、燃料電池11の発電量に応じた所定の温度であって、幅のある温度であってもよい。この場合、目標温度の中心温度T0は52℃であり、目標温度の最高温度T1は54℃であり、目標温度の最低温度T2は50℃である。
However, as the air volume of the
これに対して、図1に示す燃料電池システム10では、図4Aに示すように、点B1のアノードオフガスのパージ命令に応じて、第1排出流路14の開閉弁15を開放せずに、送風ファン18の風量を、パージ命令時の風量等の減少前の風量よりも減少させる(ステップS6)。この風量の減少は、送風ファン18の停止も含む。これにより、送風ファン18の送風により冷却される冷却水の温度低下が少なくなるため、冷却水による燃料電池11に対する冷却能力が低下し、図4Bに示すように、燃料電池11の温度が上昇する。
On the other hand, in the
そして、制御器20は、例えば、所定時間の経過、又は、冷却水の所定温度への到達等の所定条件が具備されるか否かを判定する(ステップS7)。この所定時間は、燃料電池11の温度が所定の目標温度の最高温度T1に達するまでの時間である。また、所定の温度は、目標温度の最高温度T1以下の温度である。
Then, the
所定条件が具備されると(ステップS7:YES)、制御器20は第1排出流路14の開閉弁15を開放しパージを開始する(ステップS8)。これと同時又は同等のタイミングで、制御器20は送風ファン18の風量を希釈量に増加する(ステップS9)。これにより、送風ファン18の風量は、パージ命令時の風量等の点B1における減少前の風量よりも上昇し、例えば、最大風量になる。
When the predetermined condition is satisfied (step S7: YES), the
これにより、図4Aの点B2において開閉弁15を開放により第1排出流路14を介してアノードオフガスが合流部19へ排出されると共に、送風ファン18の風量の上昇により合流部19へ供給される風量が希釈量になる。このため、合流部19においてアノードオフガスが送風ファン18による空気により十分に希釈され、アノードオフガスの水素濃度が低下されて、合流部19から外部へ排出される。
As a result, at point B2 in FIG. 4A, the anode off gas is discharged to the
また、図4Bに示すように、送風ファン18の風量の上昇に伴い、送風ファン18の送風により冷却される冷却水及びこれにより冷却される燃料電池11の温度が低下していく。ここで、送風ファン18の風量の上昇前に、一旦、風量を減少しているため、燃料電池11の温度が目標温度よりも高くなっている。ここから、送風ファン18の大きな風量により燃料電池11が目標温度よりも低い温度へ冷却される。このため、燃料電池11の温度は目標温度を中心に上下動するため、目標温度よりも低下することが防止され、燃料電池11の適切な温度制御が可能になる。
Further, as shown in FIG. 4B, as the air volume of the
そして、所定時間の経過等、所望量のアノードオフガスを排出したと判定されたら(ステップS10:YES)、図4Aの点B3において開閉弁15を閉じる(ステップS11)。これにより、アノードオフガスのパージ処理が終了する。
Then, when it is determined that a desired amount of anode off-gas has been discharged (step S10: YES), such as when a predetermined time has elapsed, the on-off
一方、ステップS1において、アノードオフガスのパージ命令が出力されていないと(ステップS1:NO)、燃料電池11の温度が目標温度になるように第1温度センサ17aによる冷却水の温度に応じて送風ファン18の風量がフィードバック制御される。例えば、燃料電池11の温度が目標温度であれば(ステップS12:YES)、送風ファン18の風量を変化させずにその風量に維持して、ステップS1の処理に戻る。一方、燃料電池11の温度が目標温度よりも低ければ(ステップS12:NO、ステップS13:YES)、燃料電池11を冷却する冷却水の冷却能力を下げるために、冷却水を冷却する送風ファン18の風量を減少する(ステップS14)。これに対し、燃料電池11の温度が目標温度以上であれば(ステップS12:NO、ステップS13:NO)、燃料電池11を冷却する冷却水の冷却能力を上げるために、冷却水を冷却する送風ファン18の風量を増加する(ステップS15)。そして、ステップS1の処理に戻る。
On the other hand, if the anode off gas purge command is not output in step S1 (step S1: NO), air is blown according to the temperature of the cooling water by the
(実施の形態2)
本発明の実施の第2態様に係る燃料電池システム10は、燃料電池システム10は、図1に示すように、第2供給流路24及び第2排出流路25をさらに備えていている。
(Embodiment 2)
In the
第2供給流路24は、燃料電池11のカソードに供給される酸化剤ガスが流通する流路であって、燃料電池11のカソード流路の入口に接続している。酸化剤ガスには、例えば空気を用いることができ、この場合、空気を燃料電池11へ供給するための酸化剤ガス供給器(図示せず)が第2供給流路24に設けられていてもよい。酸化剤ガス供給器には、例えば、コンプレッサー及び電磁誘導式のダイアフラムポンプが用いられる。なお、第2供給流路24には酸化剤ガスを加湿する加湿器が設けられていてもよい。
The second
第2排出流路25は、燃料電池11のカソードから排出されたカソードオフガスが流通する流路であって、燃料電池11のカソード流路の出口に接続し、合流部19に連通している。このため、カソードオフガスは、合流部19に放出される。これにより、合流部19においてアノードオフガスが送風ファン18の空気に加えてカソードオフガスによっても希釈される。よって、アノードオフガスの水素濃度が所定値以下に十分に低下されて、開口部23aを介して合流部19から外部へ流出する。
The second
(実施の形態3)
本発明の実施の第3態様に係る燃料電池システム10では、制御器20は、開閉弁15を開放してアノードオフガスを排出するときに、送風ファン18の風量を増加し、さらに開閉弁15を閉鎖してアノードオフガスの排出を停止するときに、送風ファン18の風量を減少する。
(Embodiment 3)
In the
この場合、図5に示すフローでは、制御器20は、図2に示したステップS1〜S15の各処理を実行し、さらに、ステップS11の処理の後にステップS20において送風ファン18の風量を減少する処理を行う。図5のS1〜S15の各処理は図2のステップS1〜S15の各処理と同様であるため、その説明を省略する。
In this case, in the flow shown in FIG. 5, the
図4Aの点B3において、開閉弁15を閉じ(ステップS11)、これと同時、あるいは同等のタイミングで、送風ファン18の風量をアノードオフガスのパージ前の風量、あるいは所定の風量になるように減少させる(ステップS20)。これにより、図4Bの点B2〜点B3のアノードオフガスのパージ時に送風ファン18の風量の増加によって燃料電池11の温度が低下している。これに対し、図4Bの点B3のパージの終了後に風量を低下するため、燃料電池11の温度が速やかに上昇し、燃料電池11の温度変動をより低減することができる。
At point B3 in FIG. 4A, the on-off
(実施の形態4)
本発明の実施の第4態様に係る燃料電池システム10では、制御器20は、燃料電池11の出力が小さいほど、開閉弁15を開放する前に、送風ファン18の風量を減少する時間を長くする。
(Embodiment 4)
In the
発明者らの知見によると、燃料電池11の出力が小さいほど、燃料電池11の発熱量が小さくなるため、送風ファン18の風量を低下させた際の燃料電池11の温度応答性が低下する。
According to the findings of the inventors, the smaller the output of the
例えば、燃料電池11の出口の水流路17に第2温度センサ17bが設けられており、第2温度センサ17bにより検知される燃料電池11の出口の冷却水が検知される。この第2温度センサ17bの温度に基づいて第2循環器22が制御され、第2循環器22により水流路17を流通する冷却水の流量が調整されている。この際、燃料電池11の発熱量が小さいほど、燃料電池11の出口の冷却水の温度が低くなり、第2循環器22による冷却水の流量が低下する。よって、熱交換器16の熱容量に対して冷却水の流量が少ないため、熱交換器16の温度応答が遅く、冷却水の熱交換器16の出口の温度応答も遅い。これに伴って、燃料電池11の温度上昇速度も遅くなるため、燃料電池11の温度応答性が低下する。
For example, a
これに対して、送風ファン18の風量を低下させる時間を長くすることにより、パージ前に、燃料電池11の温度を、例えば、目標温度の中心温度T0以上で最高温度T1以下の所定の温度に上昇させることができる。これにより、パージ時に送風ファン18の風量を増加し、送風ファン18の送風による冷却水の温度が低下した際にも、冷却水により冷却される燃料電池11の温度を目標温度の最低温度T2以上に収めることができる。このように、燃料電池11の温度変動を低減できる。
On the other hand, by lengthening the time for lowering the air volume of the
(実施の形態5)
本発明の実施の第5態様に係る燃料電池システム10は、制御器20は、送風ファン18の風量を送風ファン18の回転数により制御する。この風量と回転数との関係は、関係式あるいはマップ等により予め定められている。これにより、送風ファン18の風量が回転数により直接的に調整されるため、所望の風量を即座に発生させることができるので、より適切な温度制御が行える。
(Embodiment 5)
In the
(その他の実施の形態)
なお、上記全実施の形態は、互いに相手を排除しない限り、互いに組み合わせてもよい。例えば、実施の第2態様に係る燃料電池システム10において、制御器20は実施の第3、第4及び/又は第5態様と同様に制御してもよい。また、実施の第3態様に係る燃料電池システム10において、制御器20は実施の第4及び/又は第5態様と同様に制御してもよい。さらに、実施の第4態様に係る燃料電池システム10において、制御器20は実施の第5態様と同様に制御してもよい。
(Other embodiments)
In addition, all the above-described embodiments may be combined with each other as long as the other party is not excluded from each other. For example, in the
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施の形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び/又は機能の詳細を実質的に変更できる。 From the above description, many improvements and other embodiments of the present invention will be apparent to those skilled in the art. Therefore, the above description should be construed as an example only and is provided for the purpose of teaching those skilled in the art the best aspects of carrying out the present invention. The details of its structure and / or function can be substantially changed without departing from the spirit of the present invention.
本発明の燃料電池システムは、アノードオフガスの希釈及び燃料電池の温度制御の両立を図った燃料電池システムとして有用である。 The fuel cell system of the present invention is useful as a fuel cell system that achieves both dilution of anode off-gas and temperature control of the fuel cell.
10 :燃料電池システム
11 :燃料電池
12 :第1供給流路
13 :リサイクル流路
14 :第1排出流路
15 :開閉弁
16 :熱交換器
17 :水流路
18 :送風ファン
19 :合流部
20 :制御器
21 :第1循環器
22 :第2循環器
24 :第2供給流路
25 :第2排出流路
10: Fuel cell system 11: Fuel cell 12: First supply flow path 13: Recycling flow path 14: First discharge flow path 15: On-off valve 16: Heat exchanger 17: Water flow path 18: Blower fan 19: Confluence part 20 : Controller 21: 1st circulator 22: 2nd circulator 24: 2nd supply flow path 25: 2nd discharge flow path
Claims (4)
前記燃料電池のアノードに供給される前記燃料ガスが流通する供給流路と、
前記アノードから排出されるアノードオフガスが流通し、前記供給流路と接続するリサイクル流路と、
前記リサイクル流路から分岐し、前記アノードオフガスが流通する排出流路と、
前記排出流路に設けられた開閉弁と、
前記燃料電池を冷却する冷却水と空気との間で熱交換させる熱交換器と、
前記燃料電池と前記熱交換器との間を前記冷却水が循環する水流路と、
前記熱交換器に前記空気を送る送風ファンと、
前記排出流路から排出されるアノードオフガスと、前記熱交換器を通過した空気とが合流して外部に排出する合流部と、
制御器と、を備え、
前記制御器は、前記開閉弁を開放して前記アノードオフガスを排出する前に前記送風ファンの風量を低下し、前記開閉弁を開放して前記アノードオフガスを排出するときに前記送風ファンの風量を増加する、燃料電池システム。 A fuel cell that generates electricity using fuel gas and oxidant gas,
A supply flow path through which the fuel gas supplied to the anode of the fuel cell flows, and
A recycling flow path through which the anode off gas discharged from the anode flows and is connected to the supply flow path, and a recycling flow path.
A discharge channel that branches off from the recycling channel and through which the anode off-gas flows.
An on-off valve provided in the discharge flow path and
A heat exchanger that exchanges heat between the cooling water that cools the fuel cell and air,
A water flow path in which the cooling water circulates between the fuel cell and the heat exchanger, and
A blower fan that sends the air to the heat exchanger,
A confluence portion where the anode off gas discharged from the discharge flow path and the air passing through the heat exchanger merge and are discharged to the outside.
With a controller,
The controller reduces the air volume of the blower fan before opening the on-off valve and discharging the anode off gas, and reduces the air volume of the blower fan when the on-off valve is opened and the anode off gas is discharged. Increasing fuel cell system.
前記排出流路は第1排出流路であり、
前記燃料電池のカソードに供給される前記酸化剤ガスが流通する第2供給流路と、
前記カソードから排出されるカソードオフガスが流通する第2排出流路と、をさらに備え、
前記合流部において前記アノードオフガス、前記空気及び前記第2排出流路から排出されるカソードオフガスが合流して外部に排出される、請求項1に記載の燃料電池システム。 The supply flow path is the first supply flow path.
The discharge flow path is the first discharge flow path.
A second supply flow path through which the oxidant gas supplied to the cathode of the fuel cell flows, and
A second discharge flow path through which the cathode off gas discharged from the cathode flows is further provided.
The fuel cell system according to claim 1, wherein the anode off gas, the air, and the cathode off gas discharged from the second discharge flow path merge at the merging portion and are discharged to the outside.
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