JP7476559B2 - Fuel Cell Systems - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.

燃料電池スタックから燃料ガス排出路に排出されたアノードオフガスの少なくとも一部を、燃料ガス循環路に通流させるポンプを備える燃料電池システムが知られている。燃料ガス循環路を流通するアノードオフガスは、インジェクターから燃料電池スタックへ向かって燃料ガス供給路を流通する水素ガスに混合されて燃料電池スタックへ再び供給される(例えば、特許文献1参照)。 There is known a fuel cell system equipped with a pump that passes at least a portion of the anode off-gas discharged from the fuel cell stack to the fuel gas exhaust passage through the fuel gas circulation passage. The anode off-gas flowing through the fuel gas circulation passage is mixed with hydrogen gas flowing through the fuel gas supply passage from the injector toward the fuel cell stack, and is then supplied again to the fuel cell stack (see, for example, Patent Document 1).

特開2014-192033号公報JP 2014-192033 A

従来の燃料電池システムは、燃料電池スタックのアノードオフガスを循環させるポンプを備えている。このポンプは、アノードオフガスを循環させるために相応の電力を消費する。このようなポンプの電力消費は、燃料電池システムの発電効率を低下させる。また、ポンプは、相応の搭載スペースを要する。このようなポンプの搭載スペースは、燃料電池システムの小型化を妨げる。 Conventional fuel cell systems are equipped with a pump that circulates the anode off-gas from the fuel cell stack. This pump consumes a considerable amount of power to circulate the anode off-gas. Such power consumption by the pump reduces the power generation efficiency of the fuel cell system. In addition, the pump requires a considerable amount of installation space. The installation space for such a pump prevents the fuel cell system from being made smaller.

そこで、本発明は、燃料電池スタックのアノードオフガスを発電に再利用することが可能であって、発電効率を向上可能であり、かつ小型化可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention aims to provide a fuel cell system that can reuse the anode off-gas from the fuel cell stack for power generation, improve power generation efficiency, and be compact.

前記の課題を解決するため本発明に係る燃料電池システムは、酸化剤ガスと燃料ガスとを反応させて発電する燃料電池と、前記燃料ガスを貯留する貯槽と、前記貯槽に貯留される前記燃料ガスの圧力を調整して前記燃料電池へ供給する第一噴射装置と、前記燃料電池から排出される前記燃料ガスの圧力を調整する第二噴射装置と、前記第二噴射装置の下流側を前記第一噴射装置の下流側に繋げて前記燃料電池から排出される前記燃料ガスを前記燃料電池へ供給される前記燃料ガスに合流させる合流装置と、前記第二噴射装置の噴射量を制御する制御部と、を備えている。 In order to solve the above problems, the fuel cell system of the present invention comprises a fuel cell that generates electricity by reacting an oxidant gas with a fuel gas, a storage tank for storing the fuel gas, a first injection device that adjusts the pressure of the fuel gas stored in the storage tank and supplies it to the fuel cell, a second injection device that adjusts the pressure of the fuel gas discharged from the fuel cell, a confluence device that connects the downstream side of the second injection device to the downstream side of the first injection device and confluences the fuel gas discharged from the fuel cell with the fuel gas supplied to the fuel cell, and a control unit that controls the injection amount of the second injection device.

本発明によれば、燃料電池スタックのアノードオフガスを発電に再利用することが可能であって、発電効率を向上可能であり、かつ小型化可能な燃料電池システムを提供できる。 The present invention makes it possible to reuse the anode off-gas from the fuel cell stack for power generation, thereby providing a fuel cell system that can improve power generation efficiency and be made compact.

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図。1 is a configuration diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係る燃料電池システムが実行するアノードオフガス循環制御のアルゴリズムの一例を表現するフローチャート。4 is a flowchart showing an example of an algorithm for anode off-gas circulation control executed by the fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

本発明に係る燃料電池システムの実施形態について図1から図2を参照して説明する。なお、複数の図面中、同一または相当する構成には同一の符号を付す。 An embodiment of a fuel cell system according to the present invention will be described with reference to Figures 1 and 2. Note that the same or corresponding components are designated by the same reference numerals in the drawings.

図1は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 Figure 1 is a diagram showing the configuration of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

図1に示すように、本実施形態に係る燃料電池システム1は、燃料ガスとしての水素ガスと酸化剤ガスとしての酸素ガス(空気に含まれる酸素ガス)とを反応させて発電する燃料電池3と、燃料電池3へ空気を供給する空気供給通路5と、燃料電池3から発電反応に使用された空気を排出する空気排出通路6と、水素ガスを貯蔵する貯槽7と、貯槽7から燃料電池3に水素ガスを供給する水素供給通路8と、燃料電池3から排出された水素ガスを水素供給通路8に送り込んで再び燃料電池3に供給する水素循環通路9と、燃料電池システム1の運転を制御する制御部11と、を備えている。 As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 according to this embodiment includes a fuel cell 3 that generates electricity by reacting hydrogen gas as a fuel gas with oxygen gas (oxygen gas contained in air) as an oxidant gas, an air supply passage 5 that supplies air to the fuel cell 3, an air exhaust passage 6 that exhausts air used in the power generation reaction from the fuel cell 3, a storage tank 7 that stores hydrogen gas, a hydrogen supply passage 8 that supplies hydrogen gas from the storage tank 7 to the fuel cell 3, a hydrogen circulation passage 9 that sends hydrogen gas exhausted from the fuel cell 3 to the hydrogen supply passage 8 and supplies it again to the fuel cell 3, and a control unit 11 that controls the operation of the fuel cell system 1.

燃料電池システム1は、燃料電池3で発電した電力を負荷101へ供給する。例えば、燃料電池システム1が車両に搭載される場合には、負荷101は、駆動輪を駆動させるモーター102を含む。モーター102は、インバーター103を介して燃料電池3に接続される。この車両が、燃料電池システム1に並列に接続される電池105を備えている場合には、負荷101が要求する電力は、燃料電池システム1と電池105とで分担される。このような車両では、制御部11は、燃料電池システム1と電池105との出力配分を演算できることが好ましい。また、電池105は、蓄電池、例えばリチウムイオン電池である。 The fuel cell system 1 supplies the power generated by the fuel cell 3 to the load 101. For example, when the fuel cell system 1 is mounted on a vehicle, the load 101 includes a motor 102 that drives the drive wheels. The motor 102 is connected to the fuel cell 3 via an inverter 103. When the vehicle is equipped with a battery 105 connected in parallel to the fuel cell system 1, the power required by the load 101 is shared between the fuel cell system 1 and the battery 105. In such a vehicle, it is preferable that the control unit 11 is able to calculate the output distribution between the fuel cell system 1 and the battery 105. The battery 105 is a storage battery, for example a lithium-ion battery.

燃料電池3は、積層方向Lに沿って積層される多数の燃料電池セル15を備えている。燃料電池3は、燃料電池セル15を最小単位とし、積層された数十から数百の燃料電池セル15を備えている。積層される燃料電池セル15の数量は、燃料電池3に要求される発電能力による。複数の燃料電池セル15の積層体は、燃料電池スタックと呼ばれる。 The fuel cell 3 comprises a large number of fuel cell units 15 stacked along the stacking direction L. The fuel cell 3 comprises tens to hundreds of stacked fuel cell units 15, with the fuel cell unit 15 being the smallest unit. The number of stacked fuel cell units 15 depends on the power generation capacity required of the fuel cell 3. A stack of multiple fuel cell units 15 is called a fuel cell stack.

それぞれの燃料電池セル15は、アノード極16(燃料極)、固体高分子膜17(電解質)、カソード極18(空気極)を一体化した膜電極接合体19(Membrane Electrode Assembly、MEA)と、膜電極接合体19を表裏から挟む一対のセパレーター21、22と、を備えている。 Each fuel cell 15 includes a membrane electrode assembly 19 (MEA) that integrates an anode 16 (fuel electrode), a solid polymer membrane 17 (electrolyte), and a cathode 18 (air electrode), and a pair of separators 21, 22 that sandwich the membrane electrode assembly 19 from the front and back.

また、それぞれの燃料電池セル15は、アノード極16に反応ガスとしての水素ガスを供給する水素ガス流通路28と、カソード極18に反応ガスとしての酸素ガスを含む空気を供給する空気流通路29と、を有している。水素ガス流通路28は、アノード極16とアノード極16に対面するセパレーター21との間に区画されている。空気流通路29は、カソード極18とカソード極18に対面するセパレーター22との間に区画されている。 Each fuel cell 15 also has a hydrogen gas flow passage 28 that supplies hydrogen gas as a reactant gas to the anode 16, and an air flow passage 29 that supplies air containing oxygen gas as a reactant gas to the cathode 18. The hydrogen gas flow passage 28 is defined between the anode 16 and the separator 21 facing the anode 16. The air flow passage 29 is defined between the cathode 18 and the separator 22 facing the cathode 18.

水素ガス流通路28を通じてそれぞれの燃料電池セル15に水素ガスが供給され、空気流通路29を通じてそれぞれの燃料電池セル15に空気が供給される。これら、水素ガスと空気に含まれる酸素ガスとが膜電極接合体19を挟んで反応してそれぞれの燃料電池セル15に電圧を生じさせる。それぞれの燃料電池セル15に生じた電圧の総和が燃料電池3の出力電圧である。 Hydrogen gas is supplied to each fuel cell 15 through the hydrogen gas flow passage 28, and air is supplied to each fuel cell 15 through the air flow passage 29. The hydrogen gas and oxygen gas contained in the air react across the membrane electrode assembly 19, generating a voltage in each fuel cell 15. The sum of the voltages generated in each fuel cell 15 is the output voltage of the fuel cell 3.

空気供給通路5は、燃料電池3の空気流通路29の上流に接続されている。空気供給通路5は、燃料電池3へ空気を供給可能な圧縮機35と、圧縮機35で圧縮されて高温になった空気を冷却するインタークーラー36と、インタークーラー36の上流で空気供給通路5から分岐しインタークーラー36の下流で空気供給通路5に合流するバイパス回路37と、を備えている。 The air supply passage 5 is connected upstream of the air flow passage 29 of the fuel cell 3. The air supply passage 5 includes a compressor 35 capable of supplying air to the fuel cell 3, an intercooler 36 that cools the air compressed by the compressor 35 to a high temperature, and a bypass circuit 37 that branches off from the air supply passage 5 upstream of the intercooler 36 and merges with the air supply passage 5 downstream of the intercooler 36.

圧縮機35は、インタークーラー36の上流側に配置されている。圧縮機35は、吸い込んだ空気を圧縮して空気供給通路5に送り込む。圧縮機35はターボ形である。 The compressor 35 is disposed upstream of the intercooler 36. The compressor 35 compresses the air it draws in and sends it to the air supply passage 5. The compressor 35 is a turbo type.

インタークーラー36は、圧縮機35によって圧縮された空気の温度が燃料電池3に供給するには高温すぎる場合には、圧縮機35によって圧縮された空気を冷却する。 The intercooler 36 cools the air compressed by the compressor 35 when the temperature of the air is too high to supply to the fuel cell 3.

インタークーラー36は、圧縮機35の下流側に配置されている。バイパス回路37は、圧縮機35から吐出されて燃料電池3へ向かう空気のうち、インタークーラー36を通過する空気の分配量と、インタークーラー36を通過せずに迂回する空気の分配量と、を変化させる。そうすることで、バイパス回路37は、燃料電池3に供給される空気の温度を、燃料電池セル15の発電反応が効率的に起きる適正な温度範囲に収まるよう調整する。バイパス回路37は、バイパス回路37を通過してインタークーラー36を迂回する空気の分配量を変化させ、その結果、インタークーラー36を通過する空気の分配量を変化させる迂回量調整弁39を備えている。 The intercooler 36 is disposed downstream of the compressor 35. The bypass circuit 37 changes the distribution amount of air passing through the intercooler 36 and the distribution amount of air bypassing the intercooler 36, among the air discharged from the compressor 35 and heading toward the fuel cell 3. In this way, the bypass circuit 37 adjusts the temperature of the air supplied to the fuel cell 3 so that it falls within an appropriate temperature range in which the power generation reaction of the fuel cell 15 occurs efficiently. The bypass circuit 37 is equipped with a bypass amount adjustment valve 39 that changes the distribution amount of air that passes through the bypass circuit 37 and bypasses the intercooler 36, thereby changing the distribution amount of air that passes through the intercooler 36.

空気排出通路6は、燃料電池3の空気流通路29の下流に接続されている。空気排出通路6は、背圧弁45を備えている。背圧弁45は、燃料電池3の下流側の圧力損失を変化させて燃料電池3に流れる空気の流量を変化させることができる。 The air exhaust passage 6 is connected downstream of the air flow passage 29 of the fuel cell 3. The air exhaust passage 6 is equipped with a back pressure valve 45. The back pressure valve 45 can change the pressure loss downstream of the fuel cell 3 to change the flow rate of air flowing to the fuel cell 3.

水素供給通路8は、燃料電池3の水素ガス流通路28の上流に接続されている。水素供給通路8は、貯槽7に貯留されている水素ガスの圧力を燃料電池3の燃料ガスとして適合する圧力に調整する第一インジェクター51(第一噴射装置)を備えている。貯槽7に貯留されている水素ガスは、第一インジェクター51によって降圧されて燃料電池3へ供給される。 The hydrogen supply passage 8 is connected upstream of the hydrogen gas flow passage 28 of the fuel cell 3. The hydrogen supply passage 8 is equipped with a first injector 51 (first injection device) that adjusts the pressure of the hydrogen gas stored in the storage tank 7 to a pressure suitable for use as fuel gas for the fuel cell 3. The hydrogen gas stored in the storage tank 7 is reduced in pressure by the first injector 51 and supplied to the fuel cell 3.

第一インジェクター51は、制御部11の制御によって目標圧力の水素ガスを燃料電池3へ所定の周期で間欠的に噴射する。この第一インジェクター51の噴射量の制御は、燃料電池3の水素ガス流通路28における水素ガスの圧力と空気流通路29における空気の圧力との差圧を所定の範囲内に維持するよう機能する。 The first injector 51 intermittently injects hydrogen gas at a target pressure into the fuel cell 3 at a predetermined cycle under the control of the control unit 11. The control of the injection amount of the first injector 51 functions to maintain the differential pressure between the hydrogen gas pressure in the hydrogen gas flow passage 28 of the fuel cell 3 and the air pressure in the air flow passage 29 within a predetermined range.

水素循環通路9は、燃料電池3の水素ガス流通路28の下流に接続されている。水素循環通路9は、燃料電池3から排出される未反応の水素ガスを含む排出ガス(以下、「アノードオフガス」と言う。)を水素供給通路8に流入させる。水素循環通路9は、水素供給通路8の第一インジェクター51よりも下流側で水素供給通路8に合流する。水素循環通路9は、アノードオフガスの圧力を調整する第二インジェクター52(第二噴射装置)と、第二インジェクター52の下流側を第一インジェクター51の下流側に繋げてアノードオフガスを燃料電池3へ供給される水素ガスに合流させるエジェクター53(合流装置)と、第二インジェクター52からエジェクター53へ流通する水素ガスの逆流を妨げる逆止弁55と、を備えている。 The hydrogen circulation passage 9 is connected downstream of the hydrogen gas flow passage 28 of the fuel cell 3. The hydrogen circulation passage 9 allows exhaust gas (hereinafter referred to as "anode off-gas") containing unreacted hydrogen gas discharged from the fuel cell 3 to flow into the hydrogen supply passage 8. The hydrogen circulation passage 9 merges with the hydrogen supply passage 8 downstream of the first injector 51 of the hydrogen supply passage 8. The hydrogen circulation passage 9 is equipped with a second injector 52 (second injection device) that adjusts the pressure of the anode off-gas, an ejector 53 (merging device) that connects the downstream side of the second injector 52 to the downstream side of the first injector 51 and merges the anode off-gas with the hydrogen gas supplied to the fuel cell 3, and a check valve 55 that prevents backflow of hydrogen gas flowing from the second injector 52 to the ejector 53.

第二インジェクター52内のバルブ(図示省略)が開くと、アノードオフガスが逆止弁55およびエジェクター53を介して水素供給通路8に送り込まれ、第一インジェクター51から流出する水素ガスと合流して再び燃料電池3に供給される。なお、第二インジェクター52に代えて、圧力調整弁や開閉弁などの弁を設けても良い。 When a valve (not shown) in the second injector 52 opens, the anode off-gas is sent through the check valve 55 and the ejector 53 into the hydrogen supply passage 8, where it merges with the hydrogen gas flowing out of the first injector 51 and is supplied again to the fuel cell 3. Note that a valve such as a pressure regulating valve or an on-off valve may be provided instead of the second injector 52.

第二インジェクター52も第一インジェクター51と同様に、制御部11の制御によって目標圧力の水素ガスをエジェクター53へ所定の周期で間欠的に噴射する。この第二インジェクター52の噴射量の制御は、逆止弁55の上流側の圧力(第二インジェクター52から逆止弁55までの流路の圧力)と下流側の圧力(逆止弁55からエジェクター53までの流路の圧力)との圧力差を変化させる。この圧力差が、逆止弁55のクラッキング圧より大きい場合には、逆止弁55が開放して水素循環通路9から水素供給通路8へアノードオフガスが送られる一方、この圧力差が、逆止弁55のクラッキング圧以下であれば、逆止弁55が閉鎖して水素循環通路9から水素供給通路8へのアノードオフガスの供給が妨げられる。 Similarly to the first injector 51, the second injector 52 also injects hydrogen gas at a target pressure intermittently into the ejector 53 at a predetermined cycle under the control of the control unit 11. The control of the injection amount of the second injector 52 changes the pressure difference between the pressure on the upstream side of the check valve 55 (the pressure in the flow path from the second injector 52 to the check valve 55) and the pressure on the downstream side (the pressure in the flow path from the check valve 55 to the ejector 53). If this pressure difference is greater than the cracking pressure of the check valve 55, the check valve 55 opens and the anode off-gas is sent from the hydrogen circulation passage 9 to the hydrogen supply passage 8, whereas if this pressure difference is equal to or less than the cracking pressure of the check valve 55, the check valve 55 closes and the supply of the anode off-gas from the hydrogen circulation passage 9 to the hydrogen supply passage 8 is prevented.

エジェクター53は、水素供給通路8と水素循環通路9との合流部に配置されている。エジェクター53は、水素循環通路9の最下流に設けられ、かつ第一インジェクター51と燃料電池3との間の流路に設けられている。エジェクター53は、水素循環通路9を流通したアノードオフガスを、第一インジェクター51から燃料電池3へ向かって水素供給通路8を流通する水素ガスに混合する。エジェクター53は、第一インジェクター51から流れ込む水素ガスをノズル(図示省略)から高速に噴出させて負圧を生じさせ、この負圧によって水素循環通路9内のアノードオフガスを吸い込み、第一インジェクター51から流出する水素ガスに混合させる。また、エジェクター53は、混合流体の速度を減じて圧力を回復させるディフューザー(図示省略)を有している。 The ejector 53 is disposed at the junction of the hydrogen supply passage 8 and the hydrogen circulation passage 9. The ejector 53 is provided at the most downstream of the hydrogen circulation passage 9 and is provided in the flow path between the first injector 51 and the fuel cell 3. The ejector 53 mixes the anode off-gas that has flowed through the hydrogen circulation passage 9 with the hydrogen gas that flows through the hydrogen supply passage 8 from the first injector 51 toward the fuel cell 3. The ejector 53 ejects the hydrogen gas flowing from the first injector 51 from a nozzle (not shown) at high speed to generate negative pressure, and uses this negative pressure to suck in the anode off-gas in the hydrogen circulation passage 9 and mix it with the hydrogen gas flowing out from the first injector 51. The ejector 53 also has a diffuser (not shown) that reduces the speed of the mixed fluid to restore pressure.

また、水素循環通路9は、燃料電池3から第二インジェクター52へ流通するアノードオフガスに含まれる水分を分離する気水分離器57を備えている。気水分離器57は、燃料電池3から排出されるアノードオフガスに含まれる水分を分離し、水分が分離された、乾いたアノードオフガスを第二インジェクター52へ送る。気水分離器57は、アノードオフガスから分離した水分を貯留する。気水分離器57は、貯留した水分を適宜に排水する機能を有する排水弁58を備えている。 The hydrogen circulation passage 9 also includes a water-air separator 57 that separates the moisture contained in the anode off-gas that flows from the fuel cell 3 to the second injector 52. The water-air separator 57 separates the moisture contained in the anode off-gas discharged from the fuel cell 3, and sends the dry anode off-gas from which the moisture has been separated to the second injector 52. The water-air separator 57 stores the moisture separated from the anode off-gas. The water-air separator 57 includes a drain valve 58 that has the function of appropriately draining the stored moisture.

さらに、水素循環通路9は、アノードオフガスを大気へ放出するパージ弁59を備えている。パージ弁59は、気水分離器57から第二インジェクター52へ向かう流路から分岐した箇所に設けられている。パージ弁59は、例えば逆止弁55を閉鎖して水素循環通路9から水素供給通路8へのアノードオフガスの供給を妨げている場合に、アノードオフガスを水素循環通路9から大気へ放出する。パージ弁59は、制御部11の制御によって開閉する、例えば電磁弁である。 The hydrogen circulation passage 9 further includes a purge valve 59 that releases the anode off-gas to the atmosphere. The purge valve 59 is provided at a point branching off from the flow path from the steam separator 57 to the second injector 52. The purge valve 59 releases the anode off-gas from the hydrogen circulation passage 9 to the atmosphere when, for example, the check valve 55 is closed to prevent the supply of the anode off-gas from the hydrogen circulation passage 9 to the hydrogen supply passage 8. The purge valve 59 is, for example, a solenoid valve that opens and closes under the control of the control unit 11.

空気供給通路5から燃料電池3に供給される空気は、積層された複数の燃料電池セル15のそれぞれが有するカソード側の空気流通路29に分配される。分配された空気は、それぞれの膜電極接合体19のカソード側の面内を伝って流れた後、空気排出通路6へ排出される。 The air supplied to the fuel cell 3 from the air supply passage 5 is distributed to the cathode-side air flow passages 29 of each of the stacked fuel cell cells 15. The distributed air flows along the cathode-side surface of each membrane electrode assembly 19, and then is discharged to the air discharge passage 6.

水素供給通路8から燃料電池3に供給された水素ガスは、積層された複数の燃料電池セル15のそれぞれが有するアノード側の水素ガス流通路28に分配される。分配された水素ガスは、それぞれの膜電極接合体19のアノード側の面内を伝って流れた後、水素循環通路9へ排出される。 The hydrogen gas supplied to the fuel cell 3 from the hydrogen supply passage 8 is distributed to the hydrogen gas flow passages 28 on the anode side of each of the stacked fuel cell cells 15. The distributed hydrogen gas flows along the anode side surface of each membrane electrode assembly 19 and is then discharged to the hydrogen circulation passage 9.

制御部11は、信号線61を介して燃料電池3、圧縮機35、迂回量調整弁39、背圧弁45、第一インジェクター51、第二インジェクター52、気水分離器57、およびパージ弁59に接続されている。制御部11は、負荷101が要求する電力量(要求電力量、要求出力)に基づいて、これら燃料電池3、圧縮機35、迂回量調整弁39、背圧弁45、第一インジェクター51、第二インジェクター52、気水分離器57、およびパージ弁59の運転を制御し、または運転の指令を下す。制御部11は、負荷101の運転制御を含んでいても良い。負荷101が要求する電力量は、燃料電池システム1を含む上位システムの制御部から燃料電池システム1の制御部11へ送られる信号に含まれている。 The control unit 11 is connected to the fuel cell 3, the compressor 35, the bypass amount adjustment valve 39, the back pressure valve 45, the first injector 51, the second injector 52, the steam separator 57, and the purge valve 59 via a signal line 61. The control unit 11 controls or issues an operation command to the fuel cell 3, the compressor 35, the bypass amount adjustment valve 39, the back pressure valve 45, the first injector 51, the second injector 52, the steam separator 57, and the purge valve 59 based on the amount of power (required amount of power, required output) required by the load 101. The control unit 11 may also include an operation control of the load 101. The amount of power required by the load 101 is included in a signal sent from the control unit of a higher-level system including the fuel cell system 1 to the control unit 11 of the fuel cell system 1.

制御部11は、例えば中央処理装置(Central Processing Unit、CPU、図示省略)、中央処理装置で実行(処理)される各種演算プログラム、パラメータなどを記憶する補助記憶装置(例えば、Read Only Memory、ROM、図示省略)、プログラムの作業領域が動的に確保される主記憶装置(例えば、Random Access Memory、RAM、図示省略)を備えている。 The control unit 11 includes, for example, a central processing unit (CPU, not shown), an auxiliary storage device (for example, read only memory, ROM, not shown) that stores various calculation programs and parameters executed (processed) by the central processing unit, and a main storage device (for example, random access memory, RAM, not shown) in which a working area for the programs is dynamically allocated.

燃料電池システム1は、空気の吸気および排気と、水素ガスの受け入れ、供給、循環、および排気と、燃料電池3、圧縮機35、迂回量調整弁39、背圧弁45、第一インジェクター51、第二インジェクター52、気水分離器57、およびパージ弁59の運転制御と、に要する種々のセンサーを備えている。制御部11は、これら種々のセンサーから取得する情報に基づいて燃料電池システム1の運転を制御し、負荷101へ電力を供給する。 The fuel cell system 1 is equipped with various sensors required for the intake and exhaust of air, the reception, supply, circulation, and exhaust of hydrogen gas, and the operation control of the fuel cell 3, compressor 35, bypass amount adjustment valve 39, back pressure valve 45, first injector 51, second injector 52, steam separator 57, and purge valve 59. The control unit 11 controls the operation of the fuel cell system 1 based on information obtained from these various sensors, and supplies power to the load 101.

これら種々のセンサーは、例えば、燃料電池3の温度を測定する温度センサー62を含んでいる。 These various sensors include, for example, a temperature sensor 62 that measures the temperature of the fuel cell 3.

また、これら種々のセンサーは、例えば、第二インジェクター52から逆止弁55へ流通する水素ガスの圧力(第一圧力Pa)を測定する逆止弁上流圧力センサー65(第一圧力センサー)と、逆止弁55からエジェクター53へ流通する水素ガスの圧力(第二圧力Pb)を測定する逆止弁下流圧力センサー66(第二圧力センサー)と、エジェクター53から燃料電池3へ流通する水素ガスの圧力(第三圧力Pc)を測定する水素ガス供給側圧力センサー67(第三圧力センサー)と、を含んでいる。 These various sensors also include, for example, a check valve upstream pressure sensor 65 (first pressure sensor) that measures the pressure (first pressure Pa) of hydrogen gas flowing from the second injector 52 to the check valve 55, a check valve downstream pressure sensor 66 (second pressure sensor) that measures the pressure (second pressure Pb) of hydrogen gas flowing from the check valve 55 to the ejector 53, and a hydrogen gas supply side pressure sensor 67 (third pressure sensor) that measures the pressure (third pressure Pc) of hydrogen gas flowing from the ejector 53 to the fuel cell 3.

さらに、これら種々のセンサーは、例えば、圧縮機35が吐出する空気の流量を測定する吐出流量センサー71と、圧縮機35の回転数を測定する回転数センサー72と、圧縮機35の吸込側の圧力を測定する吸込側圧力センサー73と、圧縮機35の吐出側の圧力を測定する吐出側圧力センサー75と、を含んでいる。 Furthermore, these various sensors include, for example, a discharge flow rate sensor 71 that measures the flow rate of air discharged by the compressor 35, a rotation speed sensor 72 that measures the rotation speed of the compressor 35, a suction side pressure sensor 73 that measures the pressure on the suction side of the compressor 35, and a discharge side pressure sensor 75 that measures the pressure on the discharge side of the compressor 35.

また、制御部11は、例えば燃料電池3の暖機運転の際に、水素循環通路9を通じたアノードオフガスの循環を断ち、暖機運転の終了後には水素循環通路9を通じてアノードオフガスを燃料電池3に循環させるアノードオフガス循環制御機能81を有している。 The control unit 11 also has an anode off-gas circulation control function 81 that, for example, stops the circulation of anode off-gas through the hydrogen circulation passage 9 during warm-up operation of the fuel cell 3, and circulates the anode off-gas to the fuel cell 3 through the hydrogen circulation passage 9 after the warm-up operation is completed.

アノードオフガス循環制御機能81は、演算プログラムである。アノードオフガス循環制御機能81は、逆止弁上流圧力センサー65が測定する圧力Paと逆止弁下流圧力センサー66が測定する圧力Pbとの差圧(圧力Pa-圧力Pb)に基づいて第二インジェクター52の噴射量を制御する。 The anode off-gas circulation control function 81 is a calculation program. The anode off-gas circulation control function 81 controls the injection amount of the second injector 52 based on the differential pressure (pressure Pa-pressure Pb) between the pressure Pa measured by the check valve upstream pressure sensor 65 and the pressure Pb measured by the check valve downstream pressure sensor 66.

ここで、逆止弁55のクラッキング圧力をCPとする。そして、アノードオフガス循環制御機能81は、アノードオフガスを循環させる場合には、第一圧力Paと第二圧力Pbとの差圧がクラッキング圧力CPより大きくなるよう第二インジェクター52の噴射量を制御する。また、アノードオフガス循環制御機能81は、アノードオフガスの循環を断つ場合には、第一圧力Paと第二圧力Pbとの差圧(圧力Pa-圧力Pb)がクラッキング圧力CP以下になるよう第二インジェクター52の噴射量を制御する。換言すると、アノードオフガス循環制御機能81は、アノードオフガスを循環させる場合には、[数1]の関係が満たされるよう第二インジェクター52の噴射量を制御する。また、アノードオフガス循環制御機能81は、アノードオフガスの循環を断つ場合には、[数2]の関係が満たされるよう第二インジェクター52の噴射量を制御する。なお、第二インジェクター52内のバルブを閉じて第二インジェクター52の噴射量を零値にすることで[数2]の関係は容易に満たされる。 Here, the cracking pressure of the check valve 55 is CP. When circulating the anode off-gas, the anode off-gas circulation control function 81 controls the injection amount of the second injector 52 so that the pressure difference between the first pressure Pa and the second pressure Pb is greater than the cracking pressure CP. When cutting off the circulation of the anode off-gas, the anode off-gas circulation control function 81 controls the injection amount of the second injector 52 so that the pressure difference between the first pressure Pa and the second pressure Pb (pressure Pa - pressure Pb) is equal to or less than the cracking pressure CP. In other words, when circulating the anode off-gas, the anode off-gas circulation control function 81 controls the injection amount of the second injector 52 so that the relationship of [Equation 1] is satisfied. When cutting off the circulation of the anode off-gas, the anode off-gas circulation control function 81 controls the injection amount of the second injector 52 so that the relationship of [Equation 2] is satisfied. Furthermore, the relationship in [Equation 2] can be easily satisfied by closing the valve in the second injector 52 and setting the injection volume of the second injector 52 to zero.

[数1]
(圧力Pa)-(圧力Pb)>(クラッキング圧力CP)
[Equation 1]
(Pressure Pa) - (Pressure Pb) > (Cracking pressure CP)

[数2]
(圧力Pa)-(圧力Pb)≦(クラッキング圧力CP)
[Equation 2]
(Pressure Pa) - (Pressure Pb) ≦ (Cracking pressure CP)

なお、[数1]の関係が満たされるよう第二インジェクター52の噴射量を制御してアノードオフガスを循環させる制御、および[数2]の関係が満たされるよう第二インジェクター52の噴射量を制御してアノードオフガスの循環を断つ制御をアノードオフガス循環制御と呼ぶ。 The control of circulating the anode off-gas by controlling the injection amount of the second injector 52 so that the relationship in [Equation 1] is satisfied, and the control of cutting off the circulation of the anode off-gas by controlling the injection amount of the second injector 52 so that the relationship in [Equation 2] is satisfied are called anode off-gas circulation control.

また、エジェクター53の仕様または実験値に基づいて、エジェクター53から燃料電池3へ流通する水素ガスの圧力Pcと逆止弁55からエジェクター53へ流通する水素ガスの圧力Pbとの関係が定まる場合には、アノードオフガス循環制御機能81は、エジェクター53から燃料電池3へ流通する水素ガスの圧力Pcと、第二インジェクター52から逆止弁55へ流通する水素ガスの圧力Paと、に基づいてアノードオフガス循環制御を実行できる。この場合には、燃料電池システム1は、逆止弁55からエジェクター53へ流通する水素ガスの圧力Pbを測定する逆止弁下流圧力センサー66を備えていなくても良い。この場合、エジェクター53から燃料電池3へ流通する水素ガスの圧力Pcと逆止弁55からエジェクター53へ流通する水素ガスの圧力Pbとの関係をΔP(ΔP=圧力Pc-圧力Pb)と定義すると、[数1]および[数2]における圧力Pbの代わりに、圧力PcからΔPを引いた差(圧力Pc-ΔP)が[数1]および[数2]に代入される。 In addition, when the relationship between the pressure Pc of hydrogen gas flowing from the ejector 53 to the fuel cell 3 and the pressure Pb of hydrogen gas flowing from the check valve 55 to the ejector 53 is determined based on the specifications or experimental values of the ejector 53, the anode off-gas circulation control function 81 can execute anode off-gas circulation control based on the pressure Pc of hydrogen gas flowing from the ejector 53 to the fuel cell 3 and the pressure Pa of hydrogen gas flowing from the second injector 52 to the check valve 55. In this case, the fuel cell system 1 does not need to be provided with a check valve downstream pressure sensor 66 that measures the pressure Pb of hydrogen gas flowing from the check valve 55 to the ejector 53. In this case, if the relationship between the pressure Pc of the hydrogen gas flowing from the ejector 53 to the fuel cell 3 and the pressure Pb of the hydrogen gas flowing from the check valve 55 to the ejector 53 is defined as ΔP (ΔP = pressure Pc - pressure Pb), the difference obtained by subtracting ΔP from pressure Pc (pressure Pc - ΔP) is substituted into [Equation 1] and [Equation 2] instead of pressure Pb.

さらに、燃料電池システム1は、逆止弁55を備えていなくても良い。この場合には、アノードオフガス循環制御機能81は、逆止弁上流圧力センサー65および逆止弁下流圧力センサー66に代えて、第二インジェクター52からエジェクター53へ流通する水素ガスの圧力(第四圧力)を測定するエジェクター吸引圧力センサー(第四圧力センサー、図示省略)を備えていれば良い。アノードオフガス循環制御機能81は、水素ガス供給側圧力センサー67が測定する圧力Pcとエジェクター吸引圧力センサーが測定する圧力に基づいて第二インジェクター52の噴射量を制御する。 Furthermore, the fuel cell system 1 does not need to include a check valve 55. In this case, the anode off-gas circulation control function 81 may include an ejector suction pressure sensor (fourth pressure sensor, not shown) that measures the pressure (fourth pressure) of the hydrogen gas flowing from the second injector 52 to the ejector 53, instead of the check valve upstream pressure sensor 65 and the check valve downstream pressure sensor 66. The anode off-gas circulation control function 81 controls the injection amount of the second injector 52 based on the pressure Pc measured by the hydrogen gas supply side pressure sensor 67 and the pressure measured by the ejector suction pressure sensor.

ところで、エジェクター53の吸込流量(第二インジェクター52からエジェクター53へ流通する水素ガスの流量)は、第一インジェクター51からエジェクター53へ供給される水素ガスの供給圧力によって決まる。エジェクター53は、この吸込流量が、保証流量範囲内に収まっている場合に、第二インジェクター52側の水素ガスを安定して吸い込むことができる。換言すると、エジェクター53は、第二インジェクター52からエジェクター53へ吸い込まれる水素ガスの吸込流量が保証流量範囲内に収まっている場合には(保証流量下限値≦吸込流量≦保証流量上限値)、第二インジェクター52側から水素ガスを確実に吸い込み、この吸込流量がある保証流量範囲から外れている場合には(保証流量下限値>吸込流量、吸込流量>保証流量上限値)、第二インジェクター52側から水素ガスを安定して吸い込めない。そこで、第四圧力とエジェクター53の吸込流量との相関関係を、予め実験または試験によって予め取得し、保証流量範囲に対応する保証圧力範囲を明らかにしておく。そして、アノードオフガス循環制御は、アノードオフガスを循環させる場合には、第四圧力が保証圧力範囲内に収まるように第二インジェクター52の開度を制御する(保証圧力下限値≦第四圧力≦保証圧力上限値)。また、アノードオフガス循環制御は、アノードオフガスを循環させない場合には、第二インジェクター52を全閉させる。 The suction flow rate of the ejector 53 (the flow rate of hydrogen gas flowing from the second injector 52 to the ejector 53) is determined by the supply pressure of the hydrogen gas supplied from the first injector 51 to the ejector 53. When this suction flow rate is within the guaranteed flow rate range, the ejector 53 can stably suck in the hydrogen gas on the second injector 52 side. In other words, when the suction flow rate of the hydrogen gas sucked from the second injector 52 to the ejector 53 is within the guaranteed flow rate range (guaranteed flow rate lower limit value ≦ suction flow rate ≦ guaranteed flow rate upper limit value), the ejector 53 reliably sucks in hydrogen gas from the second injector 52 side, but when this suction flow rate is outside a certain guaranteed flow rate range (guaranteed flow rate lower limit value > suction flow rate, suction flow rate > guaranteed flow rate upper limit value), it cannot stably suck in hydrogen gas from the second injector 52 side. Therefore, the correlation between the fourth pressure and the suction flow rate of the ejector 53 is obtained in advance by experiment or testing, and the guaranteed pressure range corresponding to the guaranteed flow rate range is clarified. Then, when the anode off-gas is circulated, the anode off-gas circulation control controls the opening degree of the second injector 52 so that the fourth pressure falls within the guaranteed pressure range (guaranteed pressure lower limit value≦fourth pressure≦guaranteed pressure upper limit value). Also, when the anode off-gas circulation control does not circulate the anode off-gas, the second injector 52 is fully closed.

また、燃料電池システム1は、パージ弁59の開閉を制御することで、アノードオフガス循環制御を行うこともできる。 The fuel cell system 1 can also perform anode off-gas circulation control by controlling the opening and closing of the purge valve 59.

図2は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムが実行するアノードオフガス循環制御のアルゴリズムの一例を表現するフローチャートである。 Figure 2 is a flowchart showing an example of an algorithm for anode off-gas circulation control executed by a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

図2に示すように、本実施形態に係る燃料電池システム1の制御部11は、燃料電池3が起動すると、アノードオフガス循環制御を開始する。制御部11は、温度センサー62から燃料電池3の温度を取得する(ステップS1)。 As shown in FIG. 2, the control unit 11 of the fuel cell system 1 according to this embodiment starts anode off-gas circulation control when the fuel cell 3 is started. The control unit 11 acquires the temperature of the fuel cell 3 from the temperature sensor 62 (step S1).

次いで、アノードオフガス循環制御機能81は、燃料電池3の温度が予め設定される温度閾値以下か否かを判断する(ステップS2)。ステップS2の判断が肯定される場合、つまり燃料電池3の温度が予め設定される温度閾値以下の場合には(ステップS2 Yes)、アノードオフガス循環制御機能81は、アノードオフガス循環制御によって第二インジェクター52の噴射量を制御してアノードオフガスの循環を断ち(ステップS3)、ステップS1へ戻り、処理を継続する。この場合、制御部11は、[数2]の関係が満たされるよう第二インジェクター52の噴射量を制御し、かつパージ弁59を開いてアノードオフガスを大気へ排気する。 Then, the anode off-gas circulation control function 81 judges whether the temperature of the fuel cell 3 is equal to or lower than a preset temperature threshold (step S2). If the judgment in step S2 is positive, that is, if the temperature of the fuel cell 3 is equal to or lower than a preset temperature threshold (step S2 Yes), the anode off-gas circulation control function 81 controls the injection amount of the second injector 52 by anode off-gas circulation control to stop the circulation of the anode off-gas (step S3), returns to step S1, and continues processing. In this case, the control unit 11 controls the injection amount of the second injector 52 so that the relationship of [Equation 2] is satisfied, and opens the purge valve 59 to exhaust the anode off-gas to the atmosphere.

低温環境下において低負荷運転を継続させると、燃料電池3の温度が低下する。また、低温環境下における起動直後の燃料電池3は、十分に暖まっていない。そして、低温な燃料電池3に湿気を帯びたアノードオフガスを循環させると、燃料電池3内の水素ガス流通路28にフラッディングが生じる虞がある。このフラッディングは、水素ガス流通路28の圧力損失を増加させて水素ガスの流通を阻害し、燃料電池3の出力を低下させる。そこで、温度閾値は、例えば、湿気を帯びたアノードオフガスを燃料電池3に循環させることで、燃料電池3内の水素ガス流通路28にフラッディングを生じさせることのない温度に設定される。 When low-load operation is continued in a low-temperature environment, the temperature of the fuel cell 3 drops. In addition, the fuel cell 3 is not sufficiently warmed up immediately after startup in a low-temperature environment. If moist anode off-gas is circulated through the low-temperature fuel cell 3, flooding may occur in the hydrogen gas flow passage 28 in the fuel cell 3. This flooding increases the pressure loss in the hydrogen gas flow passage 28, impeding the flow of hydrogen gas and reducing the output of the fuel cell 3. Therefore, the temperature threshold is set to a temperature that does not cause flooding in the hydrogen gas flow passage 28 in the fuel cell 3 by circulating moist anode off-gas through the fuel cell 3, for example.

一方、ステップS2の判断が否定される場合、つまり燃料電池3の温度が予め設定される温度閾値より大きい場合には(ステップS2 No)、アノードオフガス循環制御機能81は、アノードオフガス循環制御によって第二インジェクター52の噴射量を制御してアノードオフガスを循環させて(ステップS4)、ステップS2へ戻り、処理を継続する。この場合、制御部11は、[数1]の関係が満たされるよう第二インジェクター52の噴射量を制御する。 On the other hand, if the judgment in step S2 is negative, that is, if the temperature of the fuel cell 3 is higher than the preset temperature threshold (step S2 No), the anode off-gas circulation control function 81 controls the injection amount of the second injector 52 by anode off-gas circulation control to circulate the anode off-gas (step S4), and returns to step S2 to continue processing. In this case, the control unit 11 controls the injection amount of the second injector 52 so that the relationship of [Equation 1] is satisfied.

また、例えば、気水分離器57の排水弁58の作動不良によって、気水分離器57の排水機能が低下または喪失した場合には、気水分離器57から液体の水(液水)が水素循環通路9に流入する虞がある。そして、気水分離器57から水素循環通路9に液水が流れ込む状態でアノードオフガスを循環させると、燃料電池3内の水素ガス流通路28にフラッディングが生じる。そこで、アノードオフガス循環制御機能81は、気水分離器57の排水機能が低下または喪失した場合には、第二インジェクター52を制御してエジェクター53へ向かう水素ガスの流通を停止させる。 In addition, for example, if the drainage function of the water separator 57 is reduced or lost due to malfunction of the drain valve 58 of the water separator 57, liquid water (liquid water) may flow from the water separator 57 into the hydrogen circulation passage 9. If the anode off-gas is circulated in a state in which liquid water flows from the water separator 57 into the hydrogen circulation passage 9, flooding will occur in the hydrogen gas flow passage 28 in the fuel cell 3. Therefore, if the drainage function of the water separator 57 is reduced or lost, the anode off-gas circulation control function 81 controls the second injector 52 to stop the flow of hydrogen gas toward the ejector 53.

以上のように、本実施形態に係る燃料電池システム1は、燃料電池3から排出される水素ガスの圧力を調整する第二インジェクター52と、第二インジェクター52の下流側を第一インジェクター51の下流側に繋げて燃料電池3から排出される水素ガスを燃料電池3へ供給される水素ガスに合流させるエジェクター53と、を備えている。したがって、燃料電池システム1は、従来の燃料電池システムのようにポンプを用いることなく、アノードオフガスを燃料電池3へ循環可能である。換言すると、燃料電池システム1は、一般的にポンプに比べて省電力かつコンパクトな燃料噴射装置または弁を用いてアノードオフガスを燃料電池3へ循環可能である。そのため、燃料電池システム1は、従来の燃料電池システムのような発電効率の低下を抑制し、かつ容易に小型化できる。 As described above, the fuel cell system 1 according to this embodiment includes the second injector 52 that adjusts the pressure of the hydrogen gas discharged from the fuel cell 3, and the ejector 53 that connects the downstream side of the second injector 52 to the downstream side of the first injector 51 to merge the hydrogen gas discharged from the fuel cell 3 with the hydrogen gas supplied to the fuel cell 3. Therefore, the fuel cell system 1 can circulate the anode off-gas to the fuel cell 3 without using a pump as in conventional fuel cell systems. In other words, the fuel cell system 1 can circulate the anode off-gas to the fuel cell 3 using a fuel injection device or valve that is generally more energy-efficient and compact than a pump. Therefore, the fuel cell system 1 can suppress the decrease in power generation efficiency as in conventional fuel cell systems and can be easily miniaturized.

また、本実施形態に係る燃料電池システム1は、第二インジェクター52からエジェクター53へ流通する水素ガスの逆流を妨げる逆止弁55を備えている。そのため、燃料電池システム1は、電力を消費することなく水素循環通路9における水素ガスの逆流を防止できる。また、燃料電池システム1は、ポンプを備える従来の燃料電池システムに比べて、第二インジェクター52または弁と逆止弁55とを備える簡易な構成によって、燃料電池3へのアノードオフガスの循環と循環停止とを切り替え可能であり、かつ水素循環通路9での水素ガスの逆流を防止可能である。さらに、燃料電池システム1は、第二インジェクター52または弁と逆止弁55とによって、水素循環通路9における水素ガスの逆流防止機能のロバスト性を向上できる。 The fuel cell system 1 according to this embodiment is also provided with a check valve 55 that prevents the backflow of hydrogen gas flowing from the second injector 52 to the ejector 53. Therefore, the fuel cell system 1 can prevent the backflow of hydrogen gas in the hydrogen circulation passage 9 without consuming electricity. Compared to conventional fuel cell systems equipped with a pump, the fuel cell system 1 can switch between circulating and stopping the circulation of anode off-gas to the fuel cell 3 with a simple configuration including the second injector 52 or a valve and a check valve 55, and can prevent the backflow of hydrogen gas in the hydrogen circulation passage 9. Furthermore, the fuel cell system 1 can improve the robustness of the backflow prevention function of hydrogen gas in the hydrogen circulation passage 9 with the second injector 52 or the valve and the check valve 55.

さらに、本実施形態に係る燃料電池システム1は、逆止弁上流圧力センサー65が測定する圧力Paと逆止弁下流圧力センサー66が測定する圧力Pbとの差圧(圧力Pa-圧力Pb)に基づいて第二インジェクター52の噴射量を制御する。そのため、燃料電池システム1は、極めて容易に燃料電池3へのアノードオフガスの循環と循環停止とを切り替え可能である。なお、燃料電池システム1は、エジェクター53から燃料電池3へ流通する水素ガスの圧力Pcと、第二インジェクター52から逆止弁55へ流通する水素ガスの圧力Paと、に基づいて第二インジェクター52の噴射量を制御することもできる。また、燃料電池システム1は、水素ガス供給側圧力センサー67が測定する圧力Pcとエジェクター吸引圧力センサーが測定する圧力とに基づいて第二インジェクター52の噴射量を制御することもできる。 Furthermore, the fuel cell system 1 according to this embodiment controls the injection amount of the second injector 52 based on the pressure difference (pressure Pa-pressure Pb) between the pressure Pa measured by the check valve upstream pressure sensor 65 and the pressure Pb measured by the check valve downstream pressure sensor 66. Therefore, the fuel cell system 1 can very easily switch between circulating the anode off-gas to the fuel cell 3 and stopping the circulation. The fuel cell system 1 can also control the injection amount of the second injector 52 based on the pressure Pc of the hydrogen gas flowing from the ejector 53 to the fuel cell 3 and the pressure Pa of the hydrogen gas flowing from the second injector 52 to the check valve 55. The fuel cell system 1 can also control the injection amount of the second injector 52 based on the pressure Pc measured by the hydrogen gas supply side pressure sensor 67 and the pressure measured by the ejector suction pressure sensor.

また、本実施形態に係る燃料電池システム1は、燃料電池3の温度が温度閾値以下の場合には、第二インジェクター52または弁を制御してエジェクター53へ向かう水素ガスの流通を停止させる。そのため、燃料電池システム1は、低温環境下における燃料電池3の起動時や低負荷運転時に、燃料電池3の温度低下にともなうフラッディングの発生を容易に防止できる。 In addition, the fuel cell system 1 according to this embodiment controls the second injector 52 or the valve to stop the flow of hydrogen gas toward the ejector 53 when the temperature of the fuel cell 3 is equal to or lower than the temperature threshold. Therefore, the fuel cell system 1 can easily prevent flooding caused by a drop in the temperature of the fuel cell 3 when the fuel cell 3 is started up or operated at a low load in a low-temperature environment.

さらに、本実施形態に係る燃料電池システム1は、気水分離器57が排水機能を喪失した場合には、第二インジェクター52または弁を制御してエジェクター53へ向かう水素ガスの流通を停止させる。そのため、燃料電池システム1は、気水分離器57が排水機能を喪失した場合であってもフラッディングの発生を容易に防止できる。 Furthermore, in the fuel cell system 1 according to this embodiment, if the water-air separator 57 loses its drainage function, the second injector 52 or the valve is controlled to stop the flow of hydrogen gas toward the ejector 53. Therefore, the fuel cell system 1 can easily prevent flooding from occurring even if the water-air separator 57 loses its drainage function.

したがって、本発明に係る燃料電池システム1によれば、燃料電池3のアノードオフガスを発電に再利用することが可能であって、発電効率を向上可能であり、かつ小型化可能である。 Therefore, the fuel cell system 1 according to the present invention makes it possible to reuse the anode off-gas of the fuel cell 3 for power generation, improving power generation efficiency and enabling miniaturization.

1…燃料電池システム、3…燃料電池、5…空気供給通路、6…空気排出通路、7…貯槽、8…水素供給通路、9…水素循環通路、11…制御部、15…燃料電池セル、16…アノード極、17…固体高分子膜、18…カソード極、19…膜電極接合体、21、22…セパレーター、28…水素ガス流通路、29…空気流通路、35…圧縮機、36…インタークーラー、37…バイパス回路、39…迂回量調整弁、45…背圧弁、51…第一インジェクター、52…第二インジェクター、53…エジェクター、55…逆止弁、57…気水分離器、58…排水弁、59…パージ弁、61…信号線、62…温度センサー、65…逆止弁上流圧力センサー、66…逆止弁下流圧力センサー、67…水素ガス供給側圧力センサー、71…吐出流量センサー、72…回転数センサー、73…吸込側圧力センサー、75…吐出側圧力センサー、81…アノードオフガス循環制御機能、101…負荷、102…モーター、103…インバーター、105…電池。 1... fuel cell system, 3... fuel cell, 5... air supply passage, 6... air exhaust passage, 7... storage tank, 8... hydrogen supply passage, 9... hydrogen circulation passage, 11... control unit, 15... fuel cell cell, 16... anode electrode, 17... solid polymer membrane, 18... cathode electrode, 19... membrane electrode assembly, 21, 22... separator, 28... hydrogen gas flow passage, 29... air flow passage, 35... compressor, 36... intercooler, 37... bypass circuit, 39... bypass amount adjustment valve, 45... back pressure valve, 51... first injector, 52... second injector Injector, 53...Ejector, 55...Check valve, 57...Water-steam separator, 58...Drain valve, 59...Purge valve, 61...Signal line, 62...Temperature sensor, 65...Pressure sensor upstream of check valve, 66...Pressure sensor downstream of check valve, 67...Hydrogen gas supply side pressure sensor, 71...Discharge flow rate sensor, 72...Rotation speed sensor, 73...Suction side pressure sensor, 75...Discharge side pressure sensor, 81...Anode off-gas circulation control function, 101...Load, 102...Motor, 103...Inverter, 105...Battery.

Claims (6)

酸化剤ガスと燃料ガスとを反応させて発電する燃料電池と、
前記燃料ガスを貯留する貯槽と、
前記貯槽に貯留される前記燃料ガスの圧力を調整して前記燃料電池へ供給する第一噴射装置と、
前記燃料電池から排出される前記燃料ガスの圧力を調整する第二噴射装置と
前記第二噴射装置の下流側を前記第一噴射装置の下流側に繋げて前記燃料電池から排出される前記燃料ガスを前記燃料電池へ供給される前記燃料ガスに合流させる合流装置と、
前記第二噴射装置の噴射量を制御する制御部と、を備える燃料電池システム。
a fuel cell that generates electricity by reacting an oxidant gas with a fuel gas;
A storage tank for storing the fuel gas;
a first injection device that adjusts the pressure of the fuel gas stored in the storage tank and supplies the fuel gas to the fuel cell;
a second injection device for adjusting the pressure of the fuel gas discharged from the fuel cell;
a confluence device that connects a downstream side of the second injection device to a downstream side of the first injection device and confluences the fuel gas discharged from the fuel cell with the fuel gas supplied to the fuel cell;
a control unit that controls the injection amount of the second injection device.
前記第二噴射装置から前記合流装置へ流通する前記燃料ガスの逆流を妨げる逆止弁を備える請求項1に記載の燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1 , further comprising a check valve for preventing a backflow of the fuel gas flowing from the second injection device to the merging device. 前記第二噴射装置から前記逆止弁へ流通する前記燃料ガスの第一圧力を測定する第一圧力計と、
前記逆止弁から前記合流装置へ流通する前記燃料ガスの第二圧力を測定する第二圧力計と、を備え、
前記制御部は、前記第一圧力と前記第二圧力との差圧に基づいて前記第二噴射装置の噴射量を制御する請求項2に記載の燃料電池システム。
a first pressure gauge for measuring a first pressure of the fuel gas flowing from the second injection device to the check valve;
a second pressure gauge for measuring a second pressure of the fuel gas flowing from the check valve to the junction device,
The fuel cell system according to claim 2 , wherein the control unit controls the injection amount of the second injection device based on a pressure difference between the first pressure and the second pressure.
前記合流装置から前記燃料電池へ流通する前記燃料ガスの第三圧力を測定する第三圧力計と、
前記第二噴射装置から前記合流装置へ流通する前記燃料ガスの第四圧力を測定する第四圧力計と、を備え、
前記制御部は、前記第三圧力と前記第四圧力との差圧に基づいて前記第二噴射装置の噴射量を制御する請求項1または2に記載の燃料電池システム。
a third pressure gauge for measuring a third pressure of the fuel gas flowing from the junction device to the fuel cell;
a fourth pressure gauge that measures a fourth pressure of the fuel gas flowing from the second injection device to the junction device,
3. The fuel cell system according to claim 1, wherein the control unit controls an injection amount of the second injection device based on a pressure difference between the third pressure and the fourth pressure.
前記燃料電池の温度を測定する温度計を備え、
前記制御部は、前記温度が閾値以下の場合には、前記第二噴射装置を制御して前記合流装置へ向かう前記燃料ガスの流通を停止させる請求項1から4のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
a thermometer for measuring a temperature of the fuel cell;
5. The fuel cell system according to claim 1, wherein the control unit controls the second injection device to stop the flow of the fuel gas toward the merging device when the temperature is equal to or lower than a threshold value.
前記燃料電池から前記第二噴射装置へ流通する前記燃料ガスに含まれる水分を分離する気水分離器を備え、
前記制御部は、前記気水分離器が排水機能を喪失した場合には、前記第二噴射装置を制御して前記合流装置へ向かう前記燃料ガスの流通を停止させる請求項1から5のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
a water-steam separator that separates water contained in the fuel gas flowing from the fuel cell to the second injection device ,
6. The fuel cell system according to claim 1, wherein the control unit controls the second injection device to stop the flow of the fuel gas toward the junction device when the steam-water separator loses its drainage function.
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