WO2007117018A1 - 燃料電池運転システム及び燃料電池運転システムにおける弁の凍結防止方法 - Google Patents

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Description

燃料電池運転システム及び燃料電池運転システムにおける弁の凍結防止方法 技術分野
本発明は、 燃料電池運転システム及び燃料電池運転システムにおける弁の凍結 防止方法に係り、 特に水素を燃料ガスとする燃料電池において力ソード側に酸化 ガスの流れを調整する弁を有する燃料電池運転システム及び燃料電池運転システ ムにおける弁の凍結防止方法に関する。 .
明 背景技術
燃料電池として、 固体電解質膜及び触媒層の積層体である膜積層体 (M e m b r a m e E l e c t r o d e A s s e mb 1 y : M E A) を挟んでアノード 側に燃料ガスとしての水素を供給し、 力ソ一ド側に酸化ガスとしての空気を供給 するシステムが周知である。 この燃料電池運転システムでは、 M E Aを含むセル 内部において、 水素と、 空気中の酸素との反応によって電力を発生するとともに 、 力ソード側から反応生成物としての水が排出される。 力ソード側に供給する空 気の量を調整するため、 燃料電池の力ソ一ド側出口に背圧バルブ、 あるいは調圧 弁と呼ばれる調整弁が設けられる。
また、 ME Aは膜の積層体であるので、 アノード側から力ソード側に水素が一 部漏れることがあり、 この漏れてきた水素と、 アノード側における未反応の水素 は、 空気でもって希釈され排出される。 そのために、 力ソード側には、 酸化ガス である空気を、 セルにおける反応のためのガスと、 希釈のためのガスとに振り分 けるために、 ノ ィパス流路が設けられ、 またバイパス流路中にバイパス弁が設け られる。
例えば、 日本国特開 2 0 0 3— 1 8 0 0 0 6号公報には、 高価なバヅテリパヅ クを用いない燃料電池車両用の回生制動システムが開示され、 ここでは、 燃料電 池のカゾード側出口と大気開放端との間に背圧バルブが設けられ、 また圧縮空気 を供給するコンプレッサと力ソードとの間に、 大気開放端へのバイパスのための 3方弁であるバイパスバルブが設けられている。
このように、 水素を燃料ガスとする燃料運転システムにおいては、 水素ガスの 供給、 空気の供給とともに、 いくつかの弁の操作によって、 適切な発電電力の取 り出しと、 発電反応物の水の排水とともに排気の希釈が行われる。
ここで、 燃料電池システムのガス供給路には上記のように、 反応生成物である 水が含まれるので、 ガス供給路に設けられる調整弁やバイパス弁は、 周囲温度の 低下による水の凍結等で固着して起動時に作動しなくなることがある。
上記のように、 燃料電池運転システムには、 調整弁とバイパス弁が用いられる が、 バイパス弁の主な機能は、 排気ガスに含まれる水素濃度を希釈するために空 気を供給することであるので、 通常運転のときは全閉となっていることが多い。 したがって、 このバイパス弁の近傍に水があると、 外気温が氷点下となったとき にこの水が凍結し、 バイパス弁を作動させることが困難になる。
本発明の目的は、 弁の凍結を防止できる燃料電池運転システム及び燃料電池運 転システムにおける弁の固着防止方法を提供することである。 発明の開示
本発明に係る燃料電池運転システムは、 燃料電池と、 燃料電池のアノード側に 、 燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、 燃料電池の力ソード側に、 酸化ガス を供給する酸化ガス供給装置と、 酸化ガス供給装置と燃料電池の力ソード側ガス 入口とを接続する入口側流路と、 燃料電池のカソ一ド側ガス出口から排気側へ接 続される出口側流路と、 入口側流路と出口側流路を接続し、 燃料電池と並列に配 置されるバイパス流路と、 入口側流路又は出口側流路の少なくとも一方に設けら れ、 力ソード側のガス流量を調整する調整弁と、 バイパス流路に設けられ、 ノ イ パス流路のガス流量を調節するバイパス弁と、 燃料電池の運転を制御する制御部 と、 を含む燃料電池運転システムであって、 制御部は、 燃料電池の発電が停止し たことを検出判断する手段と、 燃料電池の発電が停止したと判断した後に、 ク イ パス弁を開け、 出口側流路及びバイパス流路の水を排水する手段と、 を有するこ とを特徴とする。
また、 本発明に係る燃料電池運転システムは、 燃料電池と、 燃料電池のァノ一 ド側に、 燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、 燃料電池の力ソード側に、 酸 化ガスを供給する酸化ガス供給装置と、 酸化ガス供給装置と燃料電池のカソ一ド 側ガス入口とを接続する入口側流路と、 燃料電池の力ソード側ガス出口から排気 側へ接続される出口側流路と、 入口側流路と出口側流路を接続し、 燃料電池と並 列に配置されるバイパス流路と、 入口側流路又は出口側流路の少なくとも一方に 設けられ、 力ソード側のガス流量を調整する調整弁と、 ノ ィパス流路に設けられ 、 バイパス流路のガス流量を調節するバイパス弁と、 燃料電池の運転を制御する 制御部と、 を含む燃料電池運転システムであって、 制御部は、 燃料電池の発電が 停止したことを検出判断する手段と、 燃料電池の発電が停止したと判断した後に 、 所定の延長時間の間、 酸化ガス供給装置から酸化ガスを供給して、 出口側流路 及びバイパス流路の水を排水する手段と、 を有することを特徴とする。
また、 制御部は、 さらに、 燃料電池運転システムの温度が所定の低温条件とな るか否かを判断し、 所定の低温条件になると判断するときに、 発電停止検出判断 処理と、 排水処理とを実行させる低温処理手段を有することが好ましい。
また、 本発明に係る燃料電池運転システムにおける弁の凍結防止方法は、 燃料 電池と、 燃料電池のアノード側に、 燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、 燃 料電池の力ソード側に、 酸化ガスを供給する酸化ガス供給装置と、 酸化ガス供給 装置と燃料電池のカゾード側ガス入口とを接続する入口側流路と、 燃料電池の力 ソ一ド側ガス出口から排気側へ接続される出口側流路と、 入口側流路と出口側流 路を接続し、 燃料電池と並列に配置されるバイパス流路と、 入口側流路又は出口 側流路の少なくとも一方に設けられ、 力ソード側のガス流量を調整する調整弁と 、 バイパス流路に設けられ、 バイパス流路のガス流量を調節するバイパス弁と、 燃料電池の運転を制御する制御部と、 を含む燃料電池運転システムにおける弁の 凍結防止方法であって、 燃料電池の発電が停止したことを検出判断する工程と、 燃料電池の発電が停止したと判断した後に、 バイパス弁を開け、 出口側流路及び バイパス流路の水を排水する工程と、 を有することを特徴とする。
上記構成により、 燃料電池運転システムは、 力ソード側において、 調整弁が入 口側流路又は出口側流路の少なくとも一方に設けられ、 ノ^パス弁が燃料電池と 並列に、 入口側流路と出口側流路を接続するように設けられる。 そして、 燃料電 池の発電が停止したことを検出判断し、 燃料電池の発電が停止したと判断した後 に、 バイパス弁を開け、 出口側流路及びバイパス流路の水を排水する。
したがって、 燃料電池の発電停止の際に、 出口側流路及びバイパス流路の水が 排水されるので、 その後外気温が低くなつても、 出口側流路及ぴバイパス流路は 凍結せず、 それらに設けられる弁の凍結を防止できる。
また、 燃料電池の発電が停止したことを検出判断し、 燃料電池の発電が停止し たと判断した後に、 所定の延長時間の間、 酸化ガス供給装置から酸化ガスを供給 して、 出口側流路及びバイパス流路の水を排水する。
したがって、 燃料電池の発電停止の際に、 出口側流路及びバイパス流路の水が 排水されるので、 その後外気温が低くなつても、 出口側流路及びバイパス流路は 凍結せず、 それらに設けられる弁の凍結を防止できる。
また、 燃料電池運転システムの温度が所定の低温条件となるか否かを判断し、 低温条件になると判断するときに、 発電停止検出判断処理と、 排水処理とを実行 させるので、 これらの処理を凍結の可能性のある適切な場合にのみ行わせること ができる。 図面の簡単な説明
図 1は、 本発明に係る実施の形態の燃料電池運転システムの構成図である。 図 2は、 '本発明に係る実施の形態における、 弁の凍結を防止するための手順を 示すフロ一チヤ一トである。 発明を実施するための最良の形態
以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。 図 1は燃 料電池運転システム 1 0の構成図である。 燃料電池運転システム 1 0は、 システ ム本体部 2 0と、 システム本体部 2 0の各要素.をシステム全体として制御する制 御部 7 0とから構成されている。
システム本体部 2 0は、 燃料電池セルが複数積層されて燃料電池スタック 2 2 と呼ばれる燃料電池本体及び、 燃料電池スタック 2 2のアノード側に配置される 燃料ガスである水素ガス供給のための各要素と、 カソード側に配置される酸化ガ スである空気供給のための各要素を含んで構成される。
ァノ一ド側の燃料ガス供給源 2 4は、 燃料ガスとしての水素を供給するタンク である。 燃料ガス供給源 2 4は、 レギユレ一夕 2 6に接続される。 レギユレ一夕 2 6は、 燃料ガス供給源 2 4からの水素ガスを適当な圧力と流量に調整する機能 を有する。 レギユレ一夕 2 6の出力口に設けられる圧力計 2 8は、 供給水素圧力 を検出する測定器である。 レギユレ一夕 2 6の出力口は燃料電池スタック 2 2の アノード側入口に接続され、 適当な圧力と流量に調整された水素ガスが燃料電池 スタック 2 2に供給される。
燃料電池スタック 2 2のアノード側出口から排出されるガスは、 発電で水素が 消費されて水素濃度が低くなり、 また、 M E Aを通して力ソード側の空気の成分 である窒素ガスが透過してきて不純物ガス濃度が高くなつている。 また、 M E A を通して、 反応生成物の水も透過してくる。
燃料電池スタック 2 2のアノード側出口に接続される分流器 3 2は、 アノード 側出口からの排出ガスの不純物ガス濃度が高まってきたときに、 排気バルブ 3 4 を通して希釈器 6 4に流すためのものである。 このときの排気ガスは、 窒素の他 に反応生成物の水も含む水素ガスである。 また、 分流器 3 2の後でさらにァノー ド側入口との間に設けられる循環昇圧器 3 0は、 アノード側出口から戻ってくる ガスの水素分圧を高めて再びアノード側入口に戻し再利用する機能を有する水素 ポンプである。
カゾード側の酸化ガス供給源 4 0は、 実際には大気を用いることができる。 酸 化ガス供給源 4 0である大気 (エア) はフィルタ 4 2を通してから力ソード側に 供給される。 フィル夕 4 2の後に設けられる流量計 4 4は、 酸化ガス供給源 4 0 からの全供給流量を検出するフローメータである。 また、 フィル夕 4 2の後に設 けられる温度計 4 6は、 酸素ガス供給源 4 0からのガスの温度を検出する機能を 有する。
エアコンプレヅサ (A C P ) 4 8は、 乇一夕 5 0によって酸化ガスである空気 を容積圧縮してその圧力を高める気体昇圧機である。 また A C P ( 4 8 ) は、 制 御部 7 0の制御の下で、 その回転速度 (毎分当りの回転数) を可変して、 所定量 の酸化ガスを提供する機能を有する。 すなわち、 酸化ガスの所要流量が大きいと きは、 モー夕 5 0の回転速度を上げ、 逆に酸化ガスの所要流量が小さいときは、 モ一夕 5 0の回転速度を下げる。 A C P消費電力検出部 5 2は、 A C P ( 4 8 ) の消費電力、 具体的にはモ一夕 5 0の消費電力を検出する機能を有する測定器で ある。 モー夕 5 0は、 回転速度を上げると消費電力が大きくなり、 回転速度を下 げると消費電力が小さくなるので、 消費電力は、 モー夕の回転速度、 あるいは酸 化ガス流量に密接に関連する。
このように燃料電池ス夕ック 2 2の力ソード側には酸化ガスとしての空気が A C P ( 4 8 ) によって制御部 7 0の制御の下で供給される。 すなわちここでは、 酸化ガスと、 空気、 あるいはエアとは、 同義語である。 したがって、 酸化ガス供 給源 4 0から A C P ( 4 8 ) までの要素を、 酸化ガス供給装置と呼ぶことができ る o
加湿器 5 4は、 酸化ガスを適度に湿らせ、 燃料電池スタック 2 2での燃料電池 反応を効率よく行わせる機能を有するものである。 加湿器 5 4により適度に湿ら せられた酸化ガスは、 燃料電池スタック 2 2の力ソード側入口に供給され、 カソ ード側出口から排気される。 このときに、 排気とともに反応生成物である水も排 出される。 燃料電池スタック 2 2は反応により高温になるので、 排出される水は 水蒸気となっており、 この水蒸気が加湿器 5 4に供給され、 酸化ガスを適度に湿 らせる。 このように、 加湿器 5 4は、 酸化ガスに水蒸気の水分を適当に与える機 能を有するもので、 いわゆる中空糸を用いたガス交換器を用いることができる。 すなわち、 加湿器 5 4は、 A C P ( 4 8 ) からのガスが流れる流路と、 水蒸気が 流れる流路との間でガス交換できる構成となっている。 例えば、 中空糸の内側流 路を A C P ( 4 8 ) からの酸化ガスの流路とし、 中空糸の外側流路を燃料電池ス タック 2 2の力ソード側出口からの水蒸気とすることで、 燃料電池スタック 2 2 のカソ一ド側入口への酸化ガスを適度に湿らせることができる。
ここで、 上記の酸化ガス供給装置と、 燃料電池スタック 2 2の力ソード側入口 とを接続する流路のことを入口側流路と呼ぶことができる。 これに対応して、 燃 料電池スタック 2 2の力ソード側出口から排気側へ接続される流路を出口側流路 と呼ぶことができる。
出口側流路のカソード側出口に設けられる圧力計 5 6は、 カゾード側出口のガ ス圧を検出する機能を有する。 また出口側流路に設けられる調整弁 6 0は、 背圧 弁とも呼ばれるが、 力ソード側出口のガス圧を調整し、 燃料電池スタック 2 2へ の酸化ガスの流量を調整する機能を有する弁で、 例えばバタフライ弁のように流 路の実効開口を調整できる弁を用いることができる。 なお、 調整弁 6 0は、 場合 によっては入口側流路に設けられるものとしてもよい。
調整弁 6 0の出力口は、 上記の加湿器 5 4に接続されるので、 調整弁 6 0を出 たガスは加湿器 5 4に水蒸気を供給した後、 再び戻って、 希釈器 6 4に入り、 そ の後外部に排出される。
バイパス弁 6 2は、 入口側流路と出口側流路を接続して燃料電池スタック 2 2 と並列に配置されるバイパス流路に設けられる弁で、 主に、 排気における水素濃 度を希釈するための空気を希釈器 6 4に供給する機能を有する。 すなわち、 バイ パス弁 6 2を開くことで、 A C P ( 4 8 ) からの酸化ガスを、 燃料電池スタック 2 2へ流れる成分とは別に、 燃料電池スタック 2 2を流れずにバイパス流路を経 由して、 希釈器 6 4に供給することができる。 バイパス弁 6 2としては、 ェンジ ンの排気ガス希釈のために用いられる排気バイパス弁と同様な構成のものを用い ることができる。
希釈器 6 4は、 アノード側の排気バルブ 3 4からの水素混じりの排水、 及び、 力ソード側の水蒸気混じりでさらに M E Aを通して漏れてくる水素混じりの排気 を集め、 適当な水素濃度として外部に排出するためのバッファ容器である。 そし て、 水素濃度が適当な濃度を超えるときは、 バイパス弁 6 2を開けることで燃料 電池ス夕ヅク 2 2を経由せずに提供される酸化ガスを用いてさらに適度な希釈を 行うことができる。
制御部 7 0は、 システム本体部 2 0の上記の各要素をシステム全体として制御 するもので、 いわゆる燃料電池 C P Uと呼ばれることがある。 制御部 7 0は、 特 に、 燃料電池の発電が停止したことを検出判断する発電停止検出判断モジュール 7 2と、 燃料電池の発電が停止したと判断した後に酸化ガスの供給によっていわ ば強制的に出口側流路及ぴバイパス流路の水を排水する排水処理モジュール 7 4 とを含んで構成される。 発電停止の判断を行う一例は、 燃料電池の運転の停止の 際に、 それまでに供給済みの水素ガスが燃料電池反応によって消費されて発電が 停止するような場合である。 これらの機能はソフトゥヱァで実現でき、 具体的に は、 対応する燃料電池運転プログラム、 あるいはそれに含まれる弁凍結防止プロ グラムを実行することで実現できる。 これらの機能の一部をハードゥエァで実現 することもできる。
かかる構成の燃料電池運転システム 1 0の動作、 特に制御部 7 0の各機能につ き、 図 2のフローチャートを用いて詳細に説明する。 図 2は、 燃料電池運転シス テム 1 0の動作の中で、 弁の凍結を防止するための手順を示すもので、 それそれ の手順は、 弁凍結防止プログラムの各処理手順に相当する。
燃料電池運転システム 1 0の弁凍結防止処理は、 通常、 燃料電池運転システム 1 0の運転停止時に自動的に行われることが多いが、 もちろん必要に応じて任意 のときに、 運転状態の検出に応じて自動的に、 あるいは操作者の指示入力によつ て手動により行うことができる。
弁凍結は、 外気温が所定の低温条件、 例えば氷点下以下となるときに生じるの で、 外気温が所定の低温条件になるか否かを推定判断して弁凍結防止処理が行わ れることが好ましい。 温度計 4 6によって酸化ガスの温度が検出されるので、 そ の温度の時間的変化から外気温が所定の低温条件、 例えば氷点下以下となるか否 かを推定し、 判断することができる。 その判断によって、 外気温が氷点下以下に なると推定されると、 以下の弁の凍結処理の手順が行われる。 氷点下以外の低温 条件、 例えば、 外気温が予め設定された温度以下に下がったときに弁の凍結処理 の手順を行うものとしてもよい。
弁の凍結防止処理の手順は、 最初に、 燃料ガスである水素の供給停止が行われ る (S 1 0 ) 。 具体的には、 制御部 7 0の発電停止検出判断モジュール 7 2の機 能により、 レギユレ一夕 2 6に水素供給停止の指示が与えられ、 それに従ってレ ギユレ一夕 2 6はそのガス供給口を閉じ、 燃料ガス供給源 2 4からの燃料ガスを 燃料電池スタック 2 2に供給しないように作動することで行われる。 水素供給停 止がされても、 A C P ( 4 8 ) の作動はそのまま継続され、 空気である酸化ガス は引き続き燃料電池スタック 2 2に供給される。 したがって、 それまでに供給済 みの燃料ガスが燃料電池反応によって消費されるまで、 燃料電池スタック 2 2に おいて発電が継続される (S 1 2 ) 。 そして発電停止か否かが常に判断される (S 1 4 ) 。 この判断は、 例えば循環 昇圧器 3 0を含むアノード側の水素供給流路における水素分圧を検出する手段を 設け、 水素分圧が所定値以下であるか否かによって行うことができる。 発電停止 か否かは、 発電停止であると判断され.るまで継続して行われる。 あるいは、 水素 供給停止指示から予め定めた所定時間経過することで発電停止であるとすること もできる。 この場合の所定時間は、 燃料電池スタック 2 2の容量や A C P ( 4 8 ) からの酸化ガスの供給状態等によって定めることができる。 S 1 4までの工程' は、 上記の発電停止検出判断モジュ一ルの機能によって行われる。
そして発電停止であると判断されると、 排水処理モジュール 7 4の機能により 、 バイパス弁 6 2を開ける処理が行われる (S 1 6 ) 。 バイパス弁 6 2を開ける ことでバイパス流路に大量の加圧空気が流され、 それによつてバイパス流路にあ る水、 及び出口側流路にある水が強制的に飛ばされて排水される (S 1 8 ) 。 そ のためには、 バイパス弁 6 2は全開にすることが望ましい。 あるいは、 効果的に 水を飛ばすため、 断続的にバイパス弁 6 2を開閉することもできる。
バイパス弁 6 2を開けるのは、 時間管理で制御してもよい。 その場合には、 Λ ィパス流路を流れる酸化ガスの流量.、 圧力等に基づいてバイパス弁 6 2を開ける 時間を定めることができる。 あるいは、 バイパス流路の両端間の差圧、 出口側流 路の両端間の差圧を検出し、 差圧が所定値以下になるまでバイパス弁 6 2を開け るものとしてもよい。 すなわち、 流路に水が滞留しているときは酸化ガスである 空気が流れにくく、 流路の両端間の差圧が大きくなり、 逆に水が十分排除されれ ば、 流路の両端間の差圧は十分に低くなるからである。
また、 発電停止であると判断されるときにバイパス弁 6 2がすでに閧いている ときは、 一旦バイパス弁 6 2を閉じ、 その上で再びバイパス弁 6 2を開くことが 好ましい。 また、 上記のように、 断続的にバイパス弁 6 2を開閉制御してもよい また、 §電停止であると判断されると、 それ以後は反応生成物である水は生じ ないので、 発電停止の判断の後も酸化ガスである空気の供給を停止せず、 そのま ま所定の延長時間の間、 酸化ガスである空気を供給し続けて、 出口側流路及びバ ィパス流路の水を強制的に排水することもできる。 この場合の所定時間の設定は 、 酸化ガスの流量及び圧力等によって定めることができる。 あるいは、 流路両端 間の差圧検出手段を有しているときは、 上記のように、 流路両端間の差圧が十分 低くなる時間を所定の延長時間とすることができる。
排水処理が終了すると、 燃料電池運転システム 1 0の標準的な運転停止設定条 件にバイアス弁 6 2等が設定される。 例えば、 アノード側においてはレギユレ一 夕 2 6によって水素ガスの供給が停止された状態とされ、 カソ一ド側においては A C P 4 8の運転が停止され、 バイアス弁 6 2が閉じられる。
このように、 燃料電池運転システムの運転停止の際に、 バイパス流路及び出口 側流路の水が強制的に排水されるので、 その後において外気温が弁の凍結が防止 される。 . 産業上の利用可能性
本発明は、 燃料電池運転システム及び燃料電池運転システムにおける弁の凍結 防止方法に利用される。 特に水素を燃料ガスとする燃料電池において力ソード側 に酸化ガスの流れを調整する弁を有する燃料電池運転システム及び燃料電池運転 システムにおける弁の凍結防止方法に利用される。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 燃料電池と、
燃料電池のアノード側に、 燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、 燃料電池のカソ一ド側に、 酸化ガスを供給する酸化ガス供給装置と、 酸化ガス供給装置と燃料電池の力ソ一ド側ガス入口とを接続する入口側流路と 燃料電池のカソード側ガス出口から排気側へ接続される出口側流路と、 入口側流路と出口側流路を接続し、 燃料電池と並列に配置されるバイパス流路 と、
入口側流路又は出口側流路の少なくとも一方に設けられ、 力ソード側のガス流 量を調整する調整弁と、
バイパス流路に設けられ、 バイパス流路のガス流量を調節するバイパス弁と、 燃料電池の運転を制御する制御部と、
を含む燃料電池運転システムであって、
制御部は、
燃料電池の発電が停止したことを検出判断する手段と、
燃料電池の発電が停止したと判断した後に、 バイパス弁を開け、 出口側流路及 ぴバイパス流路の水を排水する手段と、
を有することを特徴とする燃料電池運転システム。
2 . 燃料電池と、
燃料鼋池のアノード側に、 燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、 燃料電池のカソ一ド側に、 酸化ガスを供給する酸化ガス供給装置と、 酸化ガス供給装置と燃料電池の力ソ一ド側ガス入口とを接続する入口側流路と 燃料電池のカソード側ガス出口から排気側へ接続される出口側流路と、 入口側流路と出口側流路を接続し、 燃料電池と並列に配置されるバイパス流路 と、
入口側流路又は出口側流路の少なくとも一方に設けられ、 力ソード側のガス流 量を調整する調整弁と、
ノ 'ィパス流路に設けられ、 バイパス流路のガス流量を調節するバイパス弁と、 燃料電池の運転を制御する制御部と、
を含む燃料電池運転システムであって、
制御部は、
燃料電池の発電が停止したことを検出判断する手段と、
燃料電池の発電が停止したと判断した後に、 所定の延長時間の間、 酸化ガス供 給装置から酸化ガスを供給して、 出口側流路及びバイパス流路の水を排水する手 段と、
を有することを特徴とする燃料電池運転システム。
3 . 請求の範囲 1又は請求の範囲 2に記載の燃料電池運転システムにおいて、 制御部は、 さらに、
燃料電池運転システムの温度が所定の低温条件となるか否かを判断し、 所定の 低温条件になると判断するときに、 発電停止検出判断処理と、 排水処理とを実行 させる低温処理手段を有することを特徴とする燃料電池運転システム。
4 . 燃料電池と、
燃料電池のアノード側に、 燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、 燃料電池のカソード側に、 酸化ガスを供給する酸化ガス供給装置と、 酸化ガス供給装置と燃料電池の力ソード側ガス入口とを接続する入口側流路と
燃料電池の力ソード側ガス出口から排気側へ接続される出口側流路と、 入口側流路と出口側流路を接続し、 燃料電池と並列に配置されるバイパス流路 と、
入口側流路又は出口側流路の少なくとも一方に設けられ、 力ソード側のガス流 量を調整する調整弁と、
バイパス流路に設けられ、 バイパス流路のガス流量を調節するバイパス弁と、 燃料電池の運転を制御する制御部と、
を含む燃料電池運転システムにおける弁の凍結防止方法であって、
燃料電池の発電が停止したことを検出判断する工程と、
燃料電池の発電が停止したと判断した後に、 バイパス弁を開け、 出口側流路及 びバイパス流路の水を排水する工程と、
を有することを特徴とする燃料電池運転システムにおける弁の凍結防止方法。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009081697A1 (ja) * 2007-12-25 2009-07-02 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha 燃料電池システム
US20110076580A1 (en) * 2008-06-11 2011-03-31 Nissan Motor Co., Ltd. Fuel cell system, and method of stopping fuel cell system
US8603686B2 (en) * 2008-10-31 2013-12-10 GM Global Technology Operations LLC Method for remedial action in the event of the failure of the compressor bypass valve in a fuel cell system
US8623564B2 (en) * 2008-10-31 2014-01-07 GM Global Technology Operations LLC Method for remedial action in the event of the failure of the primary air flow measurement device in a fuel cell system
EP3133688A1 (de) 2015-08-19 2017-02-22 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Brennstoffzellenvorrichtung und verfahren zum betrieb einer brennstoffzellenvorrichtung

Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4830852B2 (ja) 2006-12-28 2011-12-07 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP4656185B2 (ja) 2008-05-22 2011-03-23 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
DE102008043740A1 (de) * 2008-11-14 2010-05-20 Robert Bosch Gmbh Brennstoffzellensystem
KR101124985B1 (ko) * 2009-06-19 2012-03-27 현대자동차주식회사 연료전지 스택용 통합형 밸브 장치
DE102009043569A1 (de) * 2009-09-30 2011-04-07 Daimler Ag Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
US9182044B1 (en) 2012-05-04 2015-11-10 Tim Parr Tank valve
US10581096B2 (en) * 2012-06-15 2020-03-03 Nissan Motor Co., Ltd. Fuel cell system
JP6848448B2 (ja) * 2017-01-12 2021-03-24 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP6969321B2 (ja) * 2017-11-28 2021-11-24 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
DE102018006608A1 (de) * 2018-08-21 2020-02-27 Daimler Ag Verfahren zur Startvorbereitung eines abgestellten Brennstoffzellensystems
JP7141384B2 (ja) * 2019-11-12 2022-09-22 本田技研工業株式会社 燃料電池システム、及び燃料電池システムの低温動作方法
CN113745578B (zh) * 2021-07-22 2023-12-19 东风汽车集团股份有限公司 一种燃料电池背压阀的破冰控制方法及系统
CN114151376A (zh) * 2021-11-19 2022-03-08 中国北方发动机研究所(天津) 一种燃料电池发动机用离心式空压机防喘振装置

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003132915A (ja) * 2001-10-23 2003-05-09 Honda Motor Co Ltd 排出燃料希釈器および排出燃料希釈式燃料電池システム
WO2003058740A1 (en) * 2002-01-08 2003-07-17 Nissan Motor Co.,Ltd. Fuel cell system and method of removal of water during shutdown for improving freeze tolerance

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6479177B1 (en) 1996-06-07 2002-11-12 Ballard Power Systems Inc. Method for improving the cold starting capability of an electrochemical fuel cell
US6488345B1 (en) 2001-08-16 2002-12-03 General Motors Corporation Regenerative braking system for a batteriless fuel cell vehicle
JP3835362B2 (ja) 2002-07-05 2006-10-18 日産自動車株式会社 燃料電池システム
JP2005071636A (ja) * 2003-08-27 2005-03-17 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システムの停止制御装置
DE102004055728A1 (de) * 2003-11-20 2005-07-28 Kabushiki Kaisha Toyota Jidoshokki, Kariya Brennstoffzellensystem
JP4354792B2 (ja) * 2003-12-12 2009-10-28 パナソニック株式会社 燃料電池発電装置
JP5266620B2 (ja) * 2006-04-07 2013-08-21 トヨタ自動車株式会社 燃料電池運転システム及び燃料電池運転システムにおける弁開度算出方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003132915A (ja) * 2001-10-23 2003-05-09 Honda Motor Co Ltd 排出燃料希釈器および排出燃料希釈式燃料電池システム
WO2003058740A1 (en) * 2002-01-08 2003-07-17 Nissan Motor Co.,Ltd. Fuel cell system and method of removal of water during shutdown for improving freeze tolerance

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009081697A1 (ja) * 2007-12-25 2009-07-02 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha 燃料電池システム
CN101911358A (zh) * 2007-12-25 2010-12-08 丰田自动车株式会社 燃料电池系统
US8691453B2 (en) 2007-12-25 2014-04-08 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell system
US20110076580A1 (en) * 2008-06-11 2011-03-31 Nissan Motor Co., Ltd. Fuel cell system, and method of stopping fuel cell system
US8951687B2 (en) * 2008-06-11 2015-02-10 Nissan Motor Co., Ltd. Fuel cell system, and method of stopping fuel cell system
US8603686B2 (en) * 2008-10-31 2013-12-10 GM Global Technology Operations LLC Method for remedial action in the event of the failure of the compressor bypass valve in a fuel cell system
US8623564B2 (en) * 2008-10-31 2014-01-07 GM Global Technology Operations LLC Method for remedial action in the event of the failure of the primary air flow measurement device in a fuel cell system
DE102009050934B4 (de) * 2008-10-31 2017-01-12 GM Global Technology Operations LLC (n. d. Ges. d. Staates Delaware) Verfahren und System für Abhilfemassnahmen in dem Fall des Ausfalls eines Kathodenbypassventils in einem Brennstoffzellensystem
EP3133688A1 (de) 2015-08-19 2017-02-22 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Brennstoffzellenvorrichtung und verfahren zum betrieb einer brennstoffzellenvorrichtung
DE102015215821A1 (de) 2015-08-19 2017-02-23 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Brennstoffzellenvorrichtung und Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzellenvorrichtung

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