WO2007063715A1 - 燃料電池システム - Google Patents

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Nobuo Fujita
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Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system.
  • a fuel cell system is a system in which fuel gas and oxidant gas are supplied to a fuel cell via a supply path for these gases, and electric power is generated by using an electrochemical reaction of these gases in the battery body. It is. This electrochemical reaction generates water in the battery body, and this water is discharged from the battery body in a state of being contained in the oxidant off-gas (oxidant gas discharged from the fuel cell body). Further, since the fuel gas is usually supplied via the electrolyte of the battery body, the fuel off-gas (fuel gas discharged from the fuel cell body cover) also contains moisture.
  • Patent Document 1 JP 2002-313395 A
  • the present invention has been made in view of such a problem, and is located at a position away from the heat transfer component force such as the flow path of the battery main body or the fuel off-gas or oxidant off-gas, and the heat from the fuel cell is transmitted. It is an object of the present invention to provide a fuel cell system that can efficiently prevent freezing of components that are difficult to be done in a low temperature environment.
  • a fuel cell body that generates electric power by an electrochemical reaction of a first reaction gas and a second reaction gas, and first and second reaction gases in the fuel cell body.
  • the first gas supply channel and the second gas supply channel for supplying gas
  • the first gas discharge channel and the second gas discharge channel for discharging the off-gas of the first and second reaction gases from the fuel cell main body.
  • a branch flow path branched from one of the first gas discharge flow path and the second gas discharge flow path, and the other flow path includes the other flow path.
  • the present fuel cell system may include a bypass flow path that guides the off-gas of the other gas discharge flow path to the branch flow path.
  • a bypass flow path that guides the off-gas of the other gas discharge flow path to the branch flow path.
  • the fuel cell system may include adjusting means for introducing the off-gas of the other gas discharge channel into the bypass channel.
  • the off gas since the off gas can be reliably introduced into the bypass flow path by the adjusting means, the components can be more effectively prevented from freezing.
  • an electromagnetic valve is disposed upstream of the branch flow path and the connection point between the branch flow path and the bypass flow path, and the adjusting means is configured such that when the electromagnetic valve is closed, It may be operated so as to introduce the off-gas of the other gas discharge channel into the bypass channel. As a result, it is possible to prevent the off gas of the reaction gas having the bypass flow path force from flowing back through the branch flow path.
  • the branch flow path may have a pipe having a double pipe structure, and the off gas of the other reaction gas from the bypass flow path may be circulated through one of the double pipes.
  • the off-gas of the reaction gas does not flow back through the branch flow path, and the above-described solenoid valve becomes unnecessary.
  • the branch flow path may be a flow path for discharging a gas containing moisture processed by the gas-liquid separation means.
  • the first gas discharge channel is connected to the first gas supply channel, and the branch channel is a first gas channel.
  • the adjusting means is capable of distributing off-gas flowing through the discharge flow path to the bypass flow path and the discharge flow path connected to the bypass flow path by adjusting the opening degree. It may be a step. As a result, even when the reaction gas off-gas is introduced into the bypass flow path, it is possible to avoid the problem that the power load increases and the fuel efficiency of the system deteriorates due to excessive back pressure rise in the off-gas discharge flow path.
  • the opening degree of the adjusting means is the temperature of the branch flow path to which the bypass flow path is connected and
  • the branch flow path has a first electromagnetic valve
  • the branch flow path is connected to the other gas discharge flow path, and another discharge flow path is provided between the first solenoid valve and the other gas discharge flow path.
  • a second solenoid valve may be arranged.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell system according to the present invention.
  • FIG. 2 is a flowchart showing the operation of the freeze prevention unit in the fuel cell system of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram showing a second embodiment of the freeze prevention unit in the fuel cell system of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram showing a third embodiment of a freeze prevention unit in the fuel cell system of the present invention.
  • FIG. 1 shows a configuration example of a fuel cell system according to the present invention.
  • This system has a fuel cell main body 1, and the electric power generated in the fuel cell main body 1 can be used as a drive source for a vehicle, for example.
  • the fuel cell system also includes a fuel gas flow path 2 for flowing fuel gas in the system, an oxidant gas flow path 3 for flowing oxidant gas (air), and a control unit 4. ing.
  • the first branch flow path 207 branched from the gas-liquid separator 220 described later is targeted as a place where the freeze prevention effect of the present invention is exhibited. (This part is called the target area 5).
  • a system using hydrogen gas as the fuel gas supplied to the fuel cell will be described as an example.
  • a fuel gas flow path (hereinafter also referred to as a hydrogen gas flow path) 2 is a fuel gas supply flow path for supplying fuel gas from a hydrogen fuel source, such as a high-pressure hydrogen tank 200, to the fuel cell body 1. 2, and a fuel off-gas discharge passage 203 for discharging the fuel off-gas from the fuel cell main body 1.
  • the fuel off-gas discharge passage 203 is substantially a circulation passage and is connected to the fuel gas supply passage 201 from the fuel cell body 1 side via a gas-liquid separator 220 and a hydrogen pump 210 described later. It has been.
  • the fuel off-gas discharge channel 203 is also referred to as a circulation channel 203.
  • the circulation channel 203 is connected to a first branch channel 207 and a second branch channel 209.
  • a normally closed electromagnetic valve 230 is disposed at the discharge port of the high-pressure hydrogen tank 200, and the pressure is reduced in order toward the fuel cell body 1 side.
  • Valve 23 2 and normally closed solenoid valve 234 are arranged.
  • a normally closed solenoid valve 240, a gas-liquid separator 220, a hydrogen pump 210, and a check valve 242 are arranged in this order in the circulation flow path 203 as seen from the fuel cell body 1 side force.
  • the first branch channel 207 is connected to the gas-liquid separator 220, and a normally closed electromagnetic valve 244 is disposed in the middle thereof.
  • the second branch channel 209 is connected to the circulation channel 203 between the outlet side of the pump 210 and the connection point A between the circulation channel 203 and the fuel gas supply channel 201.
  • the second branch passage 209 has a normally closed solenoid valve (purge valve) 246 and
  • the other end of the second branch channel 209 on the outlet side of the diluter 250 is connected to an oxidant off-gas discharge channel 303 described later.
  • the other end of the first branch flow path 2007 is also connected to the oxidant off-gas discharge flow path 303.
  • the oxidant gas flow path 3 includes an oxidant gas supply flow path 301 for supplying an oxidant gas to the fuel cell main body, and an oxidant off gas for discharging the oxidant offgas from the fuel cell main body 1. And a discharge channel 303.
  • a compressor 305 and a humidifier 325 are disposed in the oxidant gas supply channel 301. Further, the humidifier 325 described above is installed in the oxidant off-gas discharge flow path 303, and an electromagnetic valve (air pressure regulating valve) 309 is disposed between the humidifier 325 and the fuel cell main body 1.
  • the oxidizing agent off-gas discharge channel 303 has an oxidant off-gas branching channel 312 on the downstream side of the target region 5 described later, and this oxidant off-gas branching channel 312 is connected to the diluter 250 described above. .
  • a gas-liquid separator 320 for oxidant off-gas is installed further downstream of the oxidant off-gas discharge passage 303, and a downstream branch passage 307 is connected to the gas-liquid separator 320.
  • a solenoid valve 344 is arranged on the way. However, the diluter 250, the oxidant off-gas branch channel 312 and Z or the gas-liquid separator 320, the downstream branch channel 307, and the solenoid valve 344 may be omitted.
  • the control unit 4 receives the pressure measurement result 400 and the temperature measurement result 401 from the pressure sensor and the temperature sensor installed at predetermined positions in each flow path described above, and receives the valves 234, 240, 244, Controls 246, 230, 232, 309, hydrogen pump 210, compressor 305, and the like. Further, the control unit 4 also controls the adjusting means 505 for the target area 5 described later. In order to make the drawing easier to see, control lines and the like are omitted.
  • the control unit 4 drives the compressor 305 so that atmospheric air is taken in as oxidant gas, passes through the oxidant gas supply channel 301, and passes through the humidifier 325. Supplied to the fuel cell 1.
  • the supplied oxidant gas is consumed by an electrochemical reaction in the fuel cell 1 and then discharged as an oxidant off-gas.
  • the discharged oxidant off-gas passes through the oxidant off-gas discharge channel 303 and is discharged to the outside through the gas-liquid separator 320 and the like.
  • the flow of hydrogen gas will be described.
  • the electromagnetic valve 230 is opened by the control unit 4 and hydrogen gas is released from the high-pressure hydrogen tank 200.
  • the released hydrogen gas passes through the fuel gas supply channel 201 and is reduced by the pressure reducing valve 232.
  • the fuel cell main body 1 is supplied via the electromagnetic valve 234.
  • the supplied hydrogen gas is consumed in an electrochemical reaction in the fuel cell 1 and then discharged as a hydrogen off gas.
  • the discharged hydrogen off-gas passes through the circulation channel 203, and after moisture is removed by the gas-liquid separator 220, it is returned to the fuel gas supply channel 201 via the hydrogen pump 210, and again the fuel cell body 1 To be supplied.
  • the check valve 242 Since the check valve 242 is provided between the connection point A between the fuel gas supply channel 201 and the circulation channel 203 and the pump 210, the circulating hydrogen off-gas does not flow back. Normally, the solenoid valves 244 and 246 of the first and second branch flow paths 207 and 209 are closed. When these valves are opened as necessary, the gas-liquid separation is performed from the respective branch flow paths. A gas containing a lot of water treated in the vessel 220 and a hydrogen off-gas that no longer needs to be circulated are discharged. These liquid and Z or gas are discharged out of the system through the oxidant off-gas discharge channel 303.
  • the target region 5 includes a bypass channel 502 branched from the oxidant off-gas discharge channel 303 and an adjusting means 505. More precisely, however, the freeze prevention part 5 represents a part surrounded by a broken line in FIG. 1 and includes a part of the oxidant off-gas discharge channel 303 and a part of the first branch channel 207.
  • the adjusting means 505 is a device that can switch the gas flow in two directions.
  • the target area 5 of the present invention requires the oxidant off-gas by controlling the adjusting means 5 05 installed at the contact point between the oxidant off-gas discharge channel 303 and the bypass channel 502 by the control unit 4. Depending on the bypass flow path 5 Can be distributed to 02.
  • the adjusting means 505 is a variable guide device, the amount of oxidant off-gas flowing through the bypass channel 502 can be adjusted.
  • the oxidant off-gas circulated through the bypass flow path 502 then passes through the first branch flow path 207, joins the oxidant off-gas discharge flow path 303 again, and is discharged out of the system.
  • step S10 the outside air temperature or the target pipe temperature (the pipe temperature of the first branch flow path 207 in the case of the system configuration in FIG. 1) is measured. Whether or not the freeze prevention operation is necessary is determined by comparison with the set threshold value. When the measured temperature exceeds the threshold value, the control unit 4 does not operate the adjusting means 505, and the oxidant off-gas is not circulated through the no-pass flow path 502, and the oxidant off-gas discharge flow path 303 is normal. Only flows and discharged. On the other hand, if the measured temperature 401 is equal to or lower than the threshold value, the control unit 4 determines that the subject part needs to be protected from freezing, and proceeds to the next step S20.
  • the control unit 4 determines that the subject part needs to be protected from freezing, and proceeds to the next step S20.
  • step S20 the open / close state of the solenoid valve 244 of the gas-liquid separator 220 is confirmed.
  • the adjusting means 505 is operated so as to branch the oxidant off-gas (usually part thereof) to the bypass flow path 502 side, and this high-temperature gas flows.
  • the piping of the first branch flow path 207 is warmed and freezing is prevented.
  • the opening degree of the adjusting means 505 (the ratio of the off-gas flowing to the bypass channel 502 side: 100% means that all the oxidant off-gas flows to the bypass channel 502 side) is the above-mentioned outside air temperature or target You may change according to the measured value 401 of piping temperature.
  • the opening degree of the adjusting means 505 is low, the time until the antifreezing effect is obtained becomes longer. Therefore, when the opening degree of the adjusting means 505 after the operation is constant, one of the influences appears remarkably.
  • the controller 4 is configured to appropriately change the opening degree of the adjusting means 505, it is possible to both prevent rapid freezing of the low temperature portion and suppress bad fuel consumption.
  • This operation is The control unit 4 can perform this by storing the relationship between the outside air temperature or the target pipe temperature and the opening degree of the adjusting means 505 in advance.
  • the opening degree of the adjusting means 505 is increased, and after the target pipe temperature starts to increase due to heat exchange with the oxidant off-gas to be bypassed, It is possible to perform an operation of gradually decreasing the opening degree of the adjusting means 505 in accordance with the temperature.
  • step S20 if it is determined in step S20 that the solenoid valve 244 is open, the adjusting means 505 is not operated. This is because, when the oxidant off-gas flows from the oxidant off-gas exhaust flow path 303 to the bypass flow path 502 with the solenoid valve 244 opened, the first branch flow path 207 passes through this gas force solenoid valve 244. This is because there is a possibility of reverse flow.
  • FIG. 3 Another embodiment of the target region 5 according to the fuel cell system of the present invention is shown in FIG. 3 and FIG.
  • the pipes constituting the first branch flow path 207 have a double pipe structure. That is, in this embodiment, the branched oxidant off-gas flow path in the previous embodiment is composed of the bypass flow path 502a and the flow path 502b on the outer peripheral side of the double pipe.
  • the inner tube of the double tube serves as a flow path for moisture processed by the gas-liquid separator 220 and serves as the first branch flow path 207 described above.
  • the target area 5 discharges the pipe 207c constituting the first branch flow path 207 and the branched oxidant off-gas. And a solenoid valve 510 connected to the discharge pipe 503. Under normal conditions, solenoid valve 510 and solenoid valve 244 are closed. When water or the like processed by the gas-liquid separator 220 is discharged, only the solenoid valve 244 is opened, and the pipe 207c is used as a branch flow path 207 for discharging the water processed by the gas-liquid separator 220.
  • the pipe 207 c is used as a bypass flow path for the oxidant off-gas discharge flow path 303. That is, during the freeze prevention operation, the electromagnetic valve 244 is closed, the electromagnetic valve 510 is opened, and the oxidant off-gas supplied from the oxidant off-gas discharge flow path 303 flows through the pipe 207c in the direction of arrow Q. The heat is exchanged in the pipe 207c and then discharged from the discharge pipe 503. In this structure, the oxidant off-gas does not flow through the pipe 503 when the solenoid valve 510 is closed.
  • the first branch flow path 207 has been selected and described as the portion (target region 5) where the freeze prevention treatment of the fuel cell system is performed.
  • the present invention can be applied to other places where freezing is likely to occur, such as the second branch channel 209.
  • the configuration of the fuel cell system used for explaining the present invention is an example, and does not limit the present invention.
  • other components such as solenoid valves and piping may also be installed in locations that are not present, and conversely some components shown in Fig. 1 may be omitted.
  • This application claims priority based on Japanese patent application 2005-349337 filed on December 2, 2005, the entire contents of which are incorporated herein by reference.

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Description

明 細 書
燃料電池システム
技術分野
[0001] 本発明は、燃料電池システムに関する。
背景技術
[0002] 燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスをこれらのガスの供給経路を介して燃 料電池に供給し、電池本体でのこれらのガスの電気化学反応を利用して発電を行う システムである。この電気化学反応によって電池本体では水が生成されるが、この水 は、酸化剤オフガス (燃料電池本体から排出される酸化剤ガス)中に含まれた状態で 電池本体カゝら排出される。また通常、燃料ガスは、電池本体の電解質を介して供給さ れるため、燃料オフガス (燃料電池本体カゝら排出される燃料ガス)中にも水分が含ま れている。
[0003] 従って、燃料電池システムの停止中等に外気の温度が例えば氷点下にまで低下 すると、システムのガス流路に設けられた弁や配管等に残留するガス中の水分が凝 縮して、これらの構成部品が凍結する場合がある。このような場合、その後燃料電池 システムを始動させようとしても、始動させることができな力つたり、始動させることがで きても正常な作動を行うことができなくなる恐れがある。
[0004] この対策として、燃料電池のシステムを停止する前に、コンプレッサ力も供給される 酸化剤ガス (空気)を用いて燃料電池システムの酸化剤ガス経路および燃料ガス経 路を掃気して、残留水分を除去する方法が提案されている (特許文献 1)。
特許文献 1 :特開 2002— 313395号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0005] し力しながら、特許文献 1の技術を用いて、燃料電池システム内に残留水分を排出 した状態でシステムを停止した場合でも、その後システムが低温下で始動されると、 燃料電池内での電気化学反応により再度、水が生成される。この場合、高温の燃料 オフガスや酸化剤オフガス等が常時流れる主流通路等に配置された弁や配管は、こ れらのガスと直接接触することで暖められるため、運転中にこのような箇所で凍結が 生じる可能性は低い。しかし、主流通路から離れた位置に設置された配管等は、高 温のオフガスにさらされないため、システム稼動中も外気温度に近い低温状態のまま である。従って、起動後に燃料電池での電気化学反応により生成された水が低温の 配管部等に接触すると、システム稼動中ではあっても、その部位では凍結が生じてし まう。特に、配管等に凍結が生じて配管が閉塞した場合には、システムを適正に作動 させることができなくなるという問題がある。
[0006] 本発明はこのような課題に鑑みなされたものであり、電池本体または燃料オフガス や酸化剤オフガスの流通路のような伝熱部品力 離れた位置にあり、燃料電池から の熱が伝達されにくい構成部品の低温環境下での凍結を効率的に防止することの できる燃料電池システムを提供することを目的とする。
課題を解決するための手段
[0007] 上記の目的を達成するため、本発明では、第 1の反応ガスと第 2の反応ガスの電気 化学反応により発電する燃料電池本体と、燃料電池本体に第 1および第 2の反応ガ スを供給する第 1ガス供給流路および第 2ガス供給流路と、燃料電池本体から第 1お よび第 2の反応ガスのオフガスを排出する第 1ガス排出流路および第 2ガス排出流路 と、を備える燃料電池システムであって、さらに、第 1ガス排出流路と第 2ガス排出流 路のうちの一方から分岐された分岐流路を有し、該分岐流路には、他方のガス排出 流路カゝら導かれたオフガスが流通できることを特徴とする燃料電池システムが提供さ れる。
[0008] このようなシステム構成とした場合、通常は高温のオフガスに触れず低温環境下で 凍結しやすい、一方のオフガス用の分岐流路に設けられた配管やバルブ等の構成 部品力 他方のガス排出流路力 のオフガスの熱によって効率的に暖められるため、 これらの部品の凍結を防止することが可能となる。
[0009] 例えば、本燃料電池システムは、前記他方のガス排出流路のオフガスを、分岐流 路に導くバイパス流路を備えても良い。なお、「分岐流路に導く」とは、反応ガスのォ フガスを直接分岐流路に導入すること、および反応ガスのオフガスを分岐流路の近 傍に導入して、オフガスの有する熱を分岐流路に伝達することの両方の意味を含む 。このようなバイパス流路を設けることにより、より確実に前述の効果を得ることができ る。
[0010] ここで、燃料電池システムは、前記他方のガス排出流路のオフガスを、バイパス流 路に導入するための調整手段を有しても良い。この場合、調整手段によってオフガス を確実にバイパス流路に導入することができるため、より効果的に構成部品の凍結を 防止することができる。
[0011] また前記分岐流路の、該分岐流路とバイパス流路の接続点よりも上流側には、電 磁弁が配置され、前記調整手段は、前記電磁弁が閉じているときに、前記他方のガ ス排出流路のオフガスを前記バイパス流路に導入するように操作されても良 、。これ により、バイパス流路力 の反応ガスのオフガスが分岐流路を逆流することを防ぐこと ができる。
[0012] あるいは前記分岐流路は、 2重管構造の配管を有し、 2重管の一方には、バイパス 流路からの他方の反応ガスのオフガスが流通されるようにしても良い。この場合、反 応ガスのオフガスが分岐流路を逆流することは生じなくなり、前述の電磁弁が不要と なる。
[0013] ここで、前記分岐流路は、気液分離手段で処理された水分を含むガスを排出する 流路であっても良い。
[0014] あるいは第 1ガス排出流路は、第 1ガス供給流路に接続され、前記分岐流路は、第
1の反応ガスを系外に排出する流路であっても良い。
[0015] また、前記調整手段は、開度を調整することにより、バイパス流路と、該バイパス流 路が接続された排出流路に、該排出流路を流れるオフガスを分配することのできる手 段であっても良い。これにより、バイパス流路側に反応ガスのオフガスを導入させた 場合でも、オフガス排出流路の過度の背圧上昇のため、動力負荷が増大してシステ ムの燃費が悪くなるという問題を回避できる。
[0016] 特に、前記調整手段の開度は、バイパス流路が接続された分岐流路の温度および
Zまたは外気温度によって、変化させることが好ましい。これにより、より効率的な凍 結防止操作が可能となる。
[0017] あるいは、本発明の別の態様として、前記分岐流路は、第 1の電磁弁を有し、前記 分岐流路は、前記他方のガス排出流路に接続され、第 1の電磁弁と前記他方のガス 排出流路の間には、別の排出流路が設けられ、該別の排出流路には第 2の電磁弁 が配置されても良い。このようなシステム構成では、前述のバイパス流路および調整 手段を新たに設置しなくても、分岐流路に設置された配管およびバルブ等の凍結防 止が可能となる。
発明の効果
[0018] 本発明の燃料電池システムでは、燃料電池から離れた位置にあり、燃料電池から の熱が伝達されにくい配管等の構成部品の効率的な凍結防止が可能となり、低温環 境下においても燃料電池システムを正常に作動させることが可能となる。
図面の簡単な説明
[0019] [図 1]本発明の燃料電池システムの構成図である。
[図 2]本発明の燃料電池システムにおける凍結防止部の動作を示すフローチャート である。
[図 3]本発明の燃料電池システムにおける凍結防止部の第 2の実施形態を示す図で ある。
[図 4]本発明の燃料電池システムにおける凍結防止部の第 3の実施形態を示す図で ある。
符号の説明
[0020] 1 燃料電池本体、 2 燃料ガス流路、 3 酸化剤ガス流路、 4 制御部、
5 対象領域、 200 高圧水素タンク、 201 燃料ガス供給流路、
203 循環流路、 207 第 1の分岐流路、 209 第 2の分岐流路、
210 水素ポンプ、 220 燃料オフガス用気液分離器、
230、 234、 240、 244、 246 電磁弁、 232 減圧弁、
242 逆止弁、 250 希釈器、 301 酸化剤ガス供給流路、
303 酸化剤オフガス排出流路、 305 コンプレッサ、
307 下流側分岐流路、 309、 344 電磁弁、 325 加湿器、
312 酸化剤オフガス分岐流路、 320 酸化剤オフガス用気液分離器、 400 圧力測定結果、 401 温度測定結果、 502 バイパス流路、 503 排出管、 505 調整手段、 510 電磁弁
発明を実施するための最良の形態
[0021] 以下図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
[0022] 図 1には、本発明による燃料電池システムの構成例を示す。このシステムは、燃料 電池本体 1を有し、この燃料電池本体 1で発生した電力を、例えば車両等の駆動源と して利用することができる。またこの燃料電池システムは、システム内で燃料ガスを流 通させるための燃料ガス流路 2と、酸化剤ガス (空気)を流通させるための酸化剤ガス 流路 3と、制御部 4とを備えている。ここで図 1の例では、本発明の凍結防止効果を発 揮させる箇所として、後述する気液分離器 220から分岐された第 1の分岐流路 207を 対象としていることに留意する必要がある(当該箇所を対象領域 5という)。なお以下 の説明では、燃料電池に供給する燃料ガスとして水素ガスを使用するシステムを例 に説明する。
[0023] 燃料ガス流路(以下水素ガス流路とも 、う) 2は、例えば高圧水素タンク 200のような 水素燃料源からの燃料ガスを燃料電池本体 1に供給するための燃料ガス供給流路 2 01と、燃料電池本体 1から燃料オフガスを排出するための燃料オフガス排出流路 20 3とを備えている。ただし燃料オフガス排出流路 203は、実質的には循環流路となつ ており、燃料電池本体 1側から、後述する気液分離器 220および水素ポンプ 210を 介して燃料ガス供給流路 201に接続されて 、る。以降この燃料オフガス排出流路 20 3を循環流路 203とも呼ぶ。循環流路 203には、第 1の分岐流路 207と、第 2の分岐 流路 209とが接続されて 、る。
[0024] また、水素ガス流路 2の燃料ガス供給流路 201には、高圧水素タンク 200の放出口 に常閉電磁弁 230が配置されており、燃料電池本体 1側に向かって順に、減圧弁 23 2、常閉電磁弁 234が配置されている。一方循環流路 203には、燃料電池本体 1側 力も見てこの順に常閉電磁弁 240、気液分離器 220、水素ポンプ 210および逆止弁 242が配置されている。また第 1の分岐流路 207は、気液分離器 220と接続されてお り、その途中には常閉電磁弁 244が配置されている。第 2の分岐流路 209は、ポンプ 210の出口側と、循環流路 203と燃料ガス供給流路 201の接続点 Aの間で、循環流 路 203に接続されている。第 2の分岐流路 209には常閉電磁弁 (パージ弁) 246およ び希釈器 250が配置されており、希釈器 250の出口側の第 2の分岐流路 209の他端 は、後述する酸化剤オフガス排出流路 303と接続されている。なお第 1の分岐流路 2 07の他端も、酸化剤オフガス排出流路 303と接続されて 、る。
[0025] 一方、酸化剤ガス流路 3は、燃料電池本体に酸化剤ガスを供給するための酸化剤 ガス供給流路 301と、燃料電池本体 1から酸化剤オフガスを排出するための酸化剤 オフガス排出流路 303とを備えて 、る。
[0026] 酸化剤ガス供給流路 301には、コンプレッサ 305と加湿器 325とが配置されている 。また酸化剤オフガス排出流路 303には、前述の加湿器 325が設置され、加湿器 32 5と燃料電池本体 1の間には電磁弁 (エア調圧弁) 309が配置されている。また酸ィ匕 剤オフガス排出流路 303は、後述する対象領域 5の下流側に酸化剤オフガス分岐流 路 312を有し、この酸化剤オフガス分岐流路 312は前述の希釈器 250と接続される。 酸化剤オフガス排出流路 303のさらに下流側には、酸化剤オフガス用の気液分離器 320が設置され、この気液分離器 320には、下流側分岐流路 307が接続されており 、その途中には電磁弁 344が配置されている。ただし、希釈器 250と酸化剤オフガス 分岐流路 312および Zまたは気液分離器 320と下流側分岐流路 307と電磁弁 344 は、省略される場合もある。
[0027] 制御部 4は、前述の各流路の所定の箇所に設置された圧力センサと温度センサか らの圧力測定結果 400、温度測定結果 401を受けて、各弁 234、 240、 244、 246、 230、 232、 309、水素ポンプ 210およびコンプレッサ 305等をそれぞれ制御する。さ らに制御部 4は、後述する対象領域 5の調整手段 505の制御も行う。なお図面を見や すくするため、制御線等は省略されている。
[0028] ここで、酸化剤ガスの通常の流れにっ 、て簡単に説明する。燃料電池システムの 通常の運転時には、制御部 4によって、コンプレッサ 305を駆動させることにより、大 気中の空気が酸化剤ガスとして取り込まれ、酸化剤ガス供給流路 301を通り、加湿器 325を介して燃料電池 1に供給される。供給された酸化剤ガスは、燃料電池 1内にお いて電気化学反応により消費された後、酸化剤オフガスとして排出される。排出され た酸化剤オフガスは、酸化剤オフガス排出流路 303を通り、気液分離器 320等を介 して外部に排出される。 [0029] 次に水素ガスの流れについて説明する。通常の運転時には、制御部 4によって電 磁弁 230が開かれ、高圧水素タンク 200から水素ガスが放出され、その放出された 水素ガスは、燃料ガス供給流路 201を通って、減圧弁 232で減圧された後、電磁弁 234を介して燃料電池本体 1に供給される。供給された水素ガスは、燃料電池 1内で 電気化学反応に消費された後、水素オフガスとして排出される。排出された水素オフ ガスは、循環流路 203を通り、気液分離器 220で水分が除去された後、水素ポンプ 2 10を介して燃料ガス供給流路 201に戻され、再び燃料電池本体 1に供給される。な お燃料ガス供給流路 201と循環流路 203の接続点 Aとポンプ 210との間には逆止弁 242が設けられているため、循環している水素オフガスは、逆流しない。なお通常は 、第 1および第 2の分岐流路 207、 209の電磁弁 244および 246は閉じている力 必 要に応じてこれらのバルブが開かれると、それぞれの分岐流路から、気液分離器 22 0で処理された水分を多く含むガスおよび循環させる必要のなくなった水素オフガス が排出される。これらの液体および Zまたは気体は、酸化剤オフガス排出流路 303を 介して系外に排出される。
[0030] 次に本発明の特徴的部分でもある対象領域 5の構成および動作について説明する
[0031] 対象領域 5は、酸化剤オフガス排出流路 303から分岐したバイパス流路 502と、調 整手段 505とを有する。ただしより正確には、凍結防止部 5は、図 1の破線で囲まれ た部分を表し、酸化剤オフガス排出流路 303の一部および第 1の分岐流路 207の一 部を含む。なお調整手段 505は、ガス流を 2方向に切り換えることができる装置であ る。
[0032] 通常、燃料電池システムにおいて、燃料電池力 の熱が伝達されにくい第 1の分岐 流路 207のような箇所では、流路に残留する水分が凍結してしまい、流路が閉塞さ れて適正な作動が行えない場合がある。この現象は、特に燃料電池システムを例え ば 0°Cのような低温環境で使用する場合に顕著であり、システムが稼動中であっても 、前述の箇所では配管が凍結する場合がある。し力しながら本発明の対象領域 5は、 酸化剤オフガス排出流路 303とバイパス流路 502との接点に設置された調整手段 5 05を制御部 4で制御することにより、酸化剤オフガスを必要に応じて、バイパス流路 5 02に流通させることができる。従って、高温の酸化剤オフガスをバイパス流路 502に 流通させて熱交換させることで、第 1の分岐流路 207の凍結を防止することが可能で ある。特に、調整手段 505を可変式のガイド装置とした場合には、バイパス流路 502 に流通させる酸化剤オフガス量を調整することができる。なお、バイパス流路 502に 流通された酸化剤オフガスは、その後第 1の分岐流路 207を通り、再度酸化剤オフ ガス排出流路 303に合流して、系外に排出される。
[0033] この動作を図 2に示すフローチャートを参照して、詳しく説明する。
[0034] まずステップ S10では、外気温度または対象配管温度(図 1のシステム構成の場合 は、第 1の分岐流路 207の配管温度)が測定され、制御部 4では、この測定温度 401 と予め設定された閾値との比較により、凍結防止操作の必要有無が判断される。測 定温度が閾値を上回る場合には、制御部 4による調整手段 505の操作は行われず、 酸化剤オフガスは、ノ ィパス流路 502には流通されず、通常通り酸化剤オフガス排 出流路 303のみに流れて排出される。一方、測定温度 401が閾値以下の場合には、 制御部 4にお 、て対象部の凍結防止操作が必要と判断され、次のステップ S20に進 む。
[0035] ステップ S20においては、気液分離器 220の電磁弁 244の開閉状態が確認される 。電磁弁 244が閉じている場合、次のステップ S30において調整手段 505は、バイパ ス流路 502側に酸化剤オフガス (通常はその一部)を分岐させるように操作され、この 高温ガスが流れることによって、第 1の分岐流路 207の配管が暖められ、凍結が防止 される。ここで、調整手段 505の開度 (バイパス流路 502側にオフガスを流す割合: 1 00%は全酸化剤オフガスがバイパス流路 502側に流れることを意味する)は、前述 の外気温度または対象配管温度の測定値 401に応じて変化させても良い。原理的 に制御手段 505の開度が高くなる程、背圧の上昇により、動力(コンプレッサ 305等) の負荷の増大による燃費の悪ィ匕につながる。一方で調整手段 505の開度が低い場 合、凍結防止効果が得られるまでの時間が長くなる。従って、操作後の調整手段 50 5の開度が一定の場合、いずれかの影響が顕著に現れてしまう。このような場合でも 、制御部 4によって調整手段 505の開度を適宜変化させる構成とした場合には、低温 部分の迅速な凍結の防止と、燃費悪ィ匕の抑制の両立が可能となる。なおこの操作は 、制御部 4に、外気温度または対象配管温度と調整手段 505の開度との関係を予め 記憶させておくことにより行うことができる。これにより例えば制御部 4によって、対象 配管温度が著しく低いときには、調整手段 505の開度を高めておき、ノ ィパスされる 酸化剤オフガスでの熱交換によって対象配管温度が上昇し始めた以降は、その温 度に応じて調整手段 505の開度を徐々に低下させるという操作を行うことが可能とな る。一方、ステップ S20において、電磁弁 244が開いていると判断された場合は、調 整手段 505は操作されない。これは、電磁弁 244が開いた状態で、酸化剤オフガス 排気流路 303からバイパス流路 502に酸化剤オフガスが流入された場合、このガス 力 電磁弁 244を介して第 1の分岐流路 207を逆流する可能性があるためである。
[0036] 上記のステップは、基本的に燃料電池システムの始動時以降、作動中に繰り返し 行われ、常時低温部分の凍結を回避することが可能となる。
[0037] 本発明の燃料電池システムによる対象領域 5の別の実施の形態は、図 3および図 4 に示されている。
[0038] 対象領域 5の第 2の実施例では、図 3に示すように、第 1の分岐流路 207を構成す る配管が 2重管構造になっている。すなわちこの実施例では、先の実施例での分岐 された酸化剤オフガスの流路は、バイパス流路 502aと、 2重管の外周側の流路 502 bとで構成される。また 2重管の内側管は、気液分離器 220で処理された水分等の流 通路となり、前述の第 1の分岐流路 207としての役割を有する。この場合、酸化剤ォ フガス流路 303からノ ィパス流路 502a側に分岐された酸化剤オフガスは、 2重管の 外側を流れるため、この酸化剤オフガスとの熱交換により、 2重管の内側管の凍結が 防止される。この構造では、制御部 4により調整手段 505を操作する際に、気液分離 器 220の下流に配置された電磁弁 244の開閉状態に配慮する必要がなくなるという 利点がある。電磁弁 244が開いた状態で、酸化剤オフガスがバイパス流路 502aに供 給されても、このガスが気液分離器 220側に逆流することがないからである。従って、 より効率的な凍結防止操作を行うことができる。
[0039] 対象領域 5の第 3の実施例では、前述の 2つの実施例のようなバイパス流路 502 (ま たは 502a)を新たに設置する必要はない。この場合、対象領域 5は、図 4に示すよう に、第 1の分岐流路 207を構成する配管 207cと、分岐させた酸化剤オフガスを放出 するための排出管 503と、排出管 503に接続された電磁弁 510とで構成される。通 常の状態では、電磁弁 510と電磁弁 244は閉じている。また気液分離器 220で処理 された水分等を排出させる場合は、電磁弁 244のみが開き、配管 207cは気液分離 器 220で処理された水分を排出する分岐流路 207として利用される。この時の流体 の流れを矢印 Pで示す。一方、凍結防止操作時には、配管 207cは、酸化剤オフガス 排出流路 303のバイパス流路として利用される。すなわち凍結防止操作時には、電 磁弁 244が閉止され、電磁弁 510が開かれて、酸化剤オフガス排出流路 303から分 岐供給された酸化剤オフガスは、配管 207c中を矢印 Qの方向に流れ、配管 207cで 熱交換を行った後に排出管 503から排出される。この構造では、電磁弁 510が閉止 されている際には、酸化剤オフガスが配管 503を流通することはない。その一方で電 磁弁 510が開いている際には、配管 503の流路の方力 酸化剤オフガス排出流路 3 03より背圧が低くなるため、酸化剤オフガスが配管 503側にも流通するようになり、前 述の調整手段 505が不要となる。また既存の燃料電池システムに、新たな専用のバ ィパス流路を設置する必要がな 、ため、システムの省スペース化が可能となる。
[0040] なお本発明の各実施例では、燃料電池システムの凍結防止処置を施す箇所 (対象 領域 5)として、第 1の分岐流路 207を選定して説明を行った。し力しながら、本発明 は、例えば第 2の分岐流路 209など、他の凍結が生じやすい箇所にも適用できること は明らかであろう。
[0041] また、前述の説明では、酸化剤オフガスを利用して、燃料オフガスの流路に接続さ れた分岐流路の凍結を防止する構成について説明した。しかしながら、本発明では 、これとは逆に燃料オフガスを利用して、酸化剤ガスの流路に接続された分岐流路( 例えば下流側分岐流路 307)の凍結を防止することも可能である。この場合、必要に 応じて前述の実施例の説明における、「酸化剤オフガス」または「酸化剤ガス」 ヽぅ 用語または接頭語を「燃料オフガス」、「燃料ガス」もしくは「水素オフガス」、「水素ガ ス」と、あるいはその逆に読み替えることで、本発明の別の構成をより理解することが できよう。
[0042] また、本発明の説明のために使用した燃料電池システムの構成は一例であって、 本発明を限定するものではない。例えば、実際の燃料電池システムでは、示されてい ない箇所にも、電磁弁や配管等他の構成部品が配設される場合があり、逆に図 1に 示したいくつかの構成部品が省略される場合もあり得ることに留意する必要がある。 なお、本願 ίま、 2005年 12月 2曰に出願した曰本国特許出願 2005— 349337号 に基づく優先権を主張するものであり、同日本国出願の全内容を本願に参照により 援用する。

Claims

請求の範囲
[1] 第 1の反応ガスと第 2の反応ガスの電気化学反応により発電する燃料電池本体と、 燃料電池本体に第 1および第 2の反応ガスを供給する第 1ガス供給流路および第 2 ガス供給流路と、燃料電池本体から第 1および第 2の反応ガスのオフガスを排出する 第 1ガス排出流路および第 2ガス排出流路と、を備える燃料電池システムであって、 さらに、第 1ガス排出流路と第 2ガス排出流路のうちの一方力 分岐された分岐流 路を有し、該分岐流路には、他方のガス排出流路力 導かれたオフガスが流通でき ることを特徴とする燃料電池システム。
[2] 前記他方のガス排出流路のオフガスを、分岐流路に導くバイパス流路を備えること を特徴とする請求項 1に記載の燃料電池システム。
[3] 前記他方のガス排出流路のオフガスをバイパス流路に導入するための調整手段を 有することを特徴とする請求項 2に記載の燃料電池システム。
[4] 前記分岐流路の、該分岐流路とバイパス流路の接続点よりも上流側には、電磁弁 が配置され、前記調整手段は、前記電磁弁が閉じているときに、前記他方のガス排 出流路のオフガスを前記バイパス流路に導入するように操作されることを特徴とする 請求項 3に記載の燃料電池システム。
[5] 前記分岐流路は、 2重管構造の配管を有し、 2重管の一方には、バイパス流路から の他方の反応ガスのオフガスが流通されることを特徴とする請求項 2に記載の燃料電 池システム。
[6] 前記分岐流路は、気液分離手段で処理された水分を含むガスを排出する流路であ 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。
[7] 第 1ガス排出流路は、第 1ガス供給流路に接続され、前記分岐流路は、第 1の反応 ガスを系外に排出する流路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。
[8] 前記調整手段は、開度を調整することにより、バイパス流路と、該バイパス流路が接 続された排出流路に、該排出流路を流れるオフガスを分配することのできる手段であ ることを特徴とする請求項 3に記載の燃料電池システム。
[9] 前記調整手段の開度は、バイパス流路が接続された分岐流路の温度および Zまた は外気温度によって、変化することを特徴とする請求項 8に記載の燃料電池システム 前記分岐流路は、第 1の電磁弁を有し、
前記分岐流路は、前記他方のガス排出流路に接続され、
第 1の電磁弁と前記他方のガス排出流路の間には、別の排出流路が設けられ、該 別の排出流路には第 2の電磁弁が配置され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。
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