JPWO2012036143A1 - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
Description
特許文献1に開示された従来の燃料循環式燃料電池システムは、燃料である水素ガスと酸化剤である空気とが供給されて発電を行う燃料電池と、この燃料電池に上記水素ガスを供給するための燃料供給流路と、上記燃料電池から排出された未反応の燃料である排水素含有ガスを上記燃料供給流路の何れかの位置に合流させ、上記水素ガスを循環させるための燃料循環流路と、上記排水素含有ガスを取り込んで送り出す燃料ポンプと、上記水素ガスが流れる際に発生する負圧を利用して上記排水素含有ガスを吸入して、前記水素ガスに合流させるエゼクタとを備えたものである。
本実施形態においては、「水素含有ガス」として「水素ガス」、また、「酸素含有ガス」として「空気」を例として説明するが、それらに限るものではない。
すなわち、セルスタック10のアノードから排出される排水素含有ガスを、エゼクタ22を介してセルスタック10に還流させられるようにしている。
このエゼクタ22は、送給パイプ20aを流通する水素ガスによる巻き込み作用により、セルスタック10から排出された排水素含有ガスを、還流パイプ30aを通じてアノードに還流させる機能を有するものである。
なお、還流手段としてのエゼクタ22の代わりに、還流パイプ30aにHRB(Hydrogen recirculation blower、水素循環ポンプの略称、以下、「HRB」とする)を設けて、エゼクタ22の代わりに三方管を設けて還流手段としてもよい。
すなわち、エゼクタ22のみが還流手段となり、また、HRBと三方管を合わせて還流手段ともなる。さらに、エゼクタ22を設けるとともに、還流パイプ30aにHRBを設けた構成にした還流手段としてもよい。
温度センサ28は、セルスタック10、従ってまた、セルユニット11の温度を測定するためのものであり、コントロールユニットCの入力側に接続されている。
なお、排水弁31は、コントロールユニットCの出力側に接続されて適宜に開閉制御されるようになっている。
窒素パージ弁24は、セパレートタンク30に滞留する窒素ガスを排出するためのものであり、コントロールユニットCの出力側に接続されて開閉制御されるようになっている。
(1)セルユニット11に送給される水素含有ガスが所定の流量より小さいか否かを判定する機能。この機能を「流量判定手段C1」という。
「流量が所定の流量より小さいか否かの判定」は、例えば最高出力の10%以下の低負荷であるか否かによる。なお、最高出力の要求値で設計した一般的なエゼクタでは、10%以下の低負荷(低流量域では還流できない)であることを実験的に確認している。
すなわち、「所定の流量」は、排水素含有ガスがセルユニット11に還流されない流量である。換言すると、排水素含有ガスを還流パイプ30aを通じてセルユニット11に還流させられない水素ガスの流量のことである。
本実施形態においては、上記調圧部である調圧弁21を介して、セルユニット11のアノードに送給される水素ガスの圧力を間歇的に増減変動させているが、必ずしも間歇的でなくともよい。
なお、水素ガスの流量が所定の流量を超えるときには、その水素ガスの圧力を一定にした送給を行なわせている。
また、圧力の増減変動の値は、固体高分子型セル中の不純物を排出できるように設定する。具体的には、水を排出させられる比較的高い圧力の値と、窒素ガス等を排出させられる比較的低い圧力の値との二つの値にすることができる。
ステップ1:図1(B)においては、「Sa1」と略記する。以下、同様。
燃料タンク20から送給される水素ガスの圧力を間歇的に増減変動させてアノードに送給する。
ステップ3:アノードの圧力が一定となるように水素ガスを連続して送給させて、ステップ2に戻る。
すなわち、本実施形態におけるコントローラCは、所要のプログラムの実行により、還流流量推定手段C3と還流流量判定手段C4の各機能を発揮する。
「温度」は、セルスタック10の所要位置に配設した温度センサ28によって測定している。
すなわち、温度・圧力・負荷とそれらのパラメータに応じて窒素パージ弁24を開閉する機能をコントロールユニットCが有している。この機能を「窒素濃度調整手段」という。
この場合、推定した還流流量が所定の流量より小さいと判定したとき、ガス送給圧力変動手段C2は、アノードに送給される水素ガスの圧力を間歇的に増減変動させるようにしている。
なお、「所定の流量」については上記したとおりである。
ステップ1:図2においては、「Sb1」と略記する。以下、同様。
上述したようにして、アノードから排出される排水素含有ガスの還流流量を推定する。
ステップ3:アノードの圧力が一定となるように水素ガスを連続して送給させて、ステップ2に戻る。
ステップ4:燃料タンク20から送給される水素ガスを間歇的にアノードに圧送して、ステップ1に戻る。
・燃料電池システムA1において説明した負荷のみで判定する場合に比べて、より好ましい条件においてエゼクタ22を使用することができる。
また、エゼクタ22の代わりに、還流パイプ30aにHRBを設けてエゼクタ22の代わりに三方管を設けて還流手段とした場合やエゼクタ22を設けるとともに還流パイプ30aにHRBを設けて還流手段とした場合にも同様である。
なお、この実施形態においてもエゼクタ22の代わりに、還流手段として還流パイプ30aにHRBを設けるとともにエゼクタ22の代わりに三方管を設けてもよい。勿論、エゼクタ22を設けるとともに還流パイプ30aにHRBを設けた構成にした還流手段としてもよい。
本実施形態においては、遮断弁25が、排水素ガス(排水素含有ガス)のセルユニット11への逆流を防止するための流通制御部である。この流通制御部は後述するように温度に応じて還流を実施、又は停止するためのものである。
(5)セルユニット11に送給される水素含有ガスが所定の流量よりも少ないと判定したときには、遮断弁25を介して還流路30aを流通する排水素含有ガスを遮断する機能。この機能を「ガス遮断手段C5」という。
また、還流手段として還流パイプ30aにHRBを設けた場合でも、アイシングを起こさない上限温度である20℃程度以下の温度領域である。
すなわち、本実施形態においては、流量判定手段C1、ガス送給圧力変動手段C2とともにガス遮断手段C5、セル温度判定手段C6、還流停止手段C7を有しているのである。
ステップ1:図3(B)においては、「Sc1」と略記する。以下、同様。
遮断弁25を閉じ、かつ、燃料タンク20から送給される水素ガスを間歇的にアノードに圧送する。
ステップ3:遮断弁25を開くとともに、アノードの圧力が一定となるように水素ガスを連続して送給させて、ステップ2に戻る。
本実施形態における他例に係る動作は、温度検知に基づく動作である。
「温度検知」は、セルスタック10の所要位置に配設した上記温度センサ28によって検知したものである。
セルスタック10の温度を検知する。
ステップ2:セルユニット11の温度が氷点温度を含む所定の温度領域に入ったか否か(氷点温度を含む所定の温度領域にまで低下したか否か)を判定し、当該温度が氷点温度を含む所定の温度領域に入った(氷点温度を含む所定の温度領域にまで低下した)と判定されればステップ4に進み、そうでなければステップ3に進む。
ステップ4:遮断弁25を閉駆動させて、燃料タンク20から送給される水素ガスの圧力を間欠的に増減変動させてアノードに送給する(還流を停止する)。
また、低温では膜のN2透過が非常に少ない領域では圧力の増減変動をさせなくてもよい。なお、「圧力の増減変動」には、脈動しない態様も含む。
・氷点下時の水蒸気の還流を停止し、エゼクタにおけるアイシングを防ぐことができる。
・低温時は窒素透過量が少ないので、デッドエンド運転をより容易に行なうことができる。また、氷点下でなくても、温度センサの配置によっては、エゼクタが氷点以下の場合があり、この場合にもアイシングを有効に防止することができる。
この三方弁27は、コントロールユニットCの出力側に接続され、適宜切り替え制御されるようになっている。
(8)セルユニット11に送給される水素含有ガスが所定の流量よりも少ないと判定したときには、三方弁27を介してセルユニット11に向けて送給される水素含有ガスを迂回路27aに切り替え送給する機能。この機能を「迂回送給手段C8」という。
これにより、間歇運転の時には、エゼクタ22をバイパスさせて、そのエゼクタ22の圧損を回避することができ、より安定した間歇運転を行なうことができるようにしている。
ステップ1:図6(B)においては、「Se1」と略記する。以下、同様。
水素ガスをパイパスパイプ27aに流通させるように三方弁27を切り替えるとともに、水素ガスを間歇的にアノードに送給する。
(9)上記温度センサを介して測定したセルユニットの温度が氷点温度を含む所定の温度領域に入ったか否かを判定する機能。この機能を「セル温度判定手段C9」という。
「氷点温度を含む所定の温度領域」等の定義については、上述したとおりである。
これにより、間歇運転の時には、エゼクタ22をバイパスさせて、そのエゼクタ22の圧損を回避することができ、より安定した間歇運転を行なうことができるようにしている。
「温度検知」は、セルスタック10の所要位置に配設した温度センサ28によって検知したものである。
セルスタック10、従ってまた、セルユニット11の温度を検知する。
ステップ2:セルユニット11の温度が氷点温度を含む所定の温度領域に入ったか否か(氷点温度を含む所定の温度領域にまで低下したか否か)を判定し、セルユニット11の温度が氷点温度を含む所定の温度領域に入った(氷点温度を含む所定の温度領域にまで低下した)と判定されればステップ4に進み、そうでなければステップ3に進む。
ステップ4:三方弁27をパイパスパイプ27a側に切り替えるとともに、燃料タンク20から送給される水素ガスの圧力を間欠的に増減変動させてアノードに送給する(還流を停止する)。
また、低温では膜のN2透過が非常に少ない領域では圧力の増減変動をさせなくてもよい。なお、「圧力の増減変動」には、脈動しない態様も含む。
なお、図7においては、「水素ガスの圧力を間歇的に増減変動」させることを、「非循環デッドエンド運転」と記している。
・上記した温度センサは、セルユニットの温度を測定するように配設したものを例示したが、その形態に限らず、上記セルユニットの温度を測定する温度センサとは別に、例えばエゼクタの温度を測定するための温度センサを配設してもよい。
21 調圧部(調圧弁)
22 エゼクタ
25 遮断弁
26 逆止弁
27 三方弁
30a 還流路(還流パイプ)
C1 流量判定手段
C2 ガス送給圧力変動手段
C3 還流流量推定手段
C4 還流流量判定手段
C5 ガス遮断手段
C6 迂回送給手段
C7 還流停止手段
C8 迂回送給手段
C9 セル温度判定手段
C10 迂回送給手段
[0005]
しかしながら、上記構成においては燃料ポンプを設けることに加えて、その燃料ポンプの制御を行なわなければならず、システムが複雑化するとともに小型化を図ることが難しい。
[0006]
そこで本発明は、水素含有ガスの流量の増減に関わらずに、排水素含有ガスを良好に循環させられるとともに、システムを簡素化して小型化を図ることができる燃料電池システムの提供を目的としている。
課題を解決するための手段
[0007]
上記課題を解決するための本発明は、水素含有ガスと酸素含有ガスとを互いに分離して流接させることによる発電を行うセルユニットと、このセルユニットから排出された排水素含有ガスを、上記セルユニットに送給される水素含有ガスの巻き込み作用により、そのセルユニットに還流させるための還流手段を配した燃料電池システムにおいて、上記セルユニットに送給される水素含有ガスが所定の流量より小さいか否かを判定する流量判定手段と、そのセルユニットに送給される水素含有ガスが所定の流量よりも少ないと判定したときには、その水素含有ガスの圧力を間歇的に増減変動させるガス送給圧力変動手段とを有している。
発明の効果
[0008]
本発明によれば、水素含有ガスの流量の増減に関わらずに、排水素含有ガスを良好に循環させられるとともに、システムを簡素化して小型化を図ることができる。
また、排水素含有ガスを還流させられない場合には、アノード圧を間歇的に増減変動させることにより、固体高分子型セル中の不純物(水、窒素等)を排出させている。これにより、その固体高分子型セルのアノード上流から下流までの水素ガス濃度を全体的に向上させることができ、これにより安定した発電を行わせることができる。
図面の簡単な説明
[0009]
[図1](A)は、本発明の第一の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す説明図、(B)は、その起動時の動作を示すフローチャートである。
[図2]本発明の第二の実施形態に係る燃料電池システムの起動時における動作を示すフローチャートである。
[図3](A)は、本発明の第三の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す説明図、(B)は、その起動時における動作を示すフローチャートである。
Claims (10)
- 水素含有ガスと酸素含有ガスとを互いに分離して流接させることによる発電を行うセルユニットと、このセルユニットから排出された排水素含有ガスを、そのセルユニットに還流させるための還流手段を配した燃料電池システムにおいて、
上記セルユニットに送給される水素含有ガスが所定の流量より小さいか否かを判定する流量判定手段と、
そのセルユニットに送給される水素含有ガスが所定の流量よりも少ないと判定したときには、その水素含有ガスの圧力を増減変動させるガス送給圧力変動手段とを有することを特徴とする燃料電池システム。 - 所定の流量は、上記排水素含有ガスがセルユニットに還流されない流量であることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
- 水素含有ガスをセルユニットに送給するための供給源を有するとともに、
上記供給源からセルユニットに到る送給路に、送給される水素含有ガスの圧力を増減調整するための調圧部が配設されており、
ガス送給圧力変動手段は、セルユニットに送給される水素含有ガスの圧力を上記調圧部を介して増減変動させることを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池システム。 - 水素含有ガスと酸素含有ガスとを互いに分離して流接させることによる発電を行うセルユニットと、このセルユニットから排出された排水素含有ガスを、上記セルユニットに送給される水素含有ガスの巻き込み作用により、そのセルユニットに還流させるための還流手段を配した燃料電池システムにおいて、
上記還流手段を介してセルユニットに還流させる排水素含有ガスの還流流量を推定する還流流量推定手段と、
推定した排水素含有ガスの還流流量が所定の流量より小さいか否かを判定する還流流量判定手段と、
推定した排水素含有ガスの還流流量が所定の流量より小さいと判定したときには、セルユニットに送給される水素含有ガスの圧力を増減変動させるガス送給圧力変動手段とを有することを特徴とする燃料電池システム。 - 還流流量推定手段は、負荷、圧力及び温度に基づいて、還流流量を推定することを特徴とする請求項4に記載の燃料電池システム。
- セルユニットから排出される排水素含有ガスを、そのセルユニットに還流させるための還流路が配設されているとともに、
その還流路に、この還流路を流通する排水素含有ガスを遮断するための遮断弁を設けているとともに、
セルユニットに送給される水素含有ガスが所定の流量よりも少ないと判定したときには、遮断弁を介して還流路を流通する排水素含有ガスを遮断するガス遮断手段を有することを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 - 還流路に、この還流路を流通する排水素含有ガスの逆流を防止するための逆止弁を配設していることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
- 送給路に還流手段を迂回させるための迂回路と、セルユニットに向けて送給される水素含有ガスを、迂回路に切り替えるための三方弁とを有するとともに、
セルユニットに送給される水素含有ガスが所定の流量よりも少ないと判定したときには、三方弁を介してセルユニットに向けて送給される水素含有ガスを迂回路に切り替え送給する迂回送給手段を設けていることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 - セルユニットから排出される排水素含有ガスを、そのセルユニットに還流させるための還流路と、この還流路に、この還流路を流通する排水素含有ガスを遮断するための遮断弁を設けているとともに、
セルユニットの温度を測定するための温度センサを配設しているとともに、
上記温度センサを介して測定したセルユニットの温度が氷点温度を含む所定の温度領域に入ったか否かを判定するセル温度判定手段と、
セルユニットの温度が氷点温度を含む所定の温度領域に入ったと判定したときには、遮断弁によって還流を停止する還流停止手段を設けたことを特徴とする請求項6〜8のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 - 送給路に還流手段を迂回させるための迂回路と、セルユニットに向けて送給される水素含有ガスを、迂回路に切り替えるための三方弁と、セルユニットの温度を測定するための温度センサとを配設しているとともに、
上記温度センサを介して測定したセルユニットの温度が氷点温度を含む所定の温度領域に入ったか否かを判定するセル温度判定手段と、
セルユニットの温度が氷点温度を含む所定の温度領域に入ったと判定したときには、三方弁を介してセルユニットに向けて送給される水素含有ガスを迂回路に切り替え送給する迂回送給手段とを設けていることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
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