WO2012036143A1 - 燃料電池システム - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a fuel cell system having a cell unit using, for example, a solid polymer cell.
- Patent Document 1 Conventionally, as this type of fuel cell system, there is a configuration disclosed in Patent Document 1 under the name of a fuel circulation type fuel cell system.
- a conventional fuel circulation fuel cell system disclosed in Patent Document 1 is a fuel cell that generates power by supplying hydrogen gas as a fuel and air as an oxidant, and supplies the hydrogen gas to the fuel cell.
- the present invention has an object to provide a fuel cell system that can circulate the exhausted hydrogen-containing gas satisfactorily regardless of the increase or decrease of the flow rate of the hydrogen-containing gas, and can simplify the system and reduce the size. .
- the present invention for solving the above problems includes a cell unit for generating power by separating and flowing a hydrogen-containing gas and an oxygen-containing gas, and a waste hydrogen-containing gas discharged from the cell unit.
- the hydrogen-containing gas fed to the cell unit is smaller than a predetermined flow rate.
- the exhausted hydrogen-containing gas can be circulated satisfactorily regardless of the increase or decrease in the flow rate of the hydrogen-containing gas, and the system can be simplified and downsized.
- (A) is explanatory drawing which shows schematic structure of the fuel cell system which concerns on 1st embodiment of this invention
- (B) is a flowchart which shows the operation
- (A) is explanatory drawing which shows schematic structure of the fuel cell system which concerns on 3rd embodiment of this invention
- (B) is a flowchart which shows the operation
- FIG. 1A is an explanatory diagram showing a schematic configuration of the fuel cell system A1 according to the first embodiment of the present invention
- FIG. 1B is a diagram at the time of startup of the fuel cell system A1 according to the first embodiment. It is a flowchart which shows operation
- FIGS. 3, 5, and 6 shown below, only the hydrogen-containing gas distribution system is illustrated among the hydrogen-containing gas and the oxygen-containing gas, and the illustration of the oxygen-containing gas distribution system is omitted. It is simplified by.
- the fuel cell system A1 includes a fuel tank 20, a pressure regulating valve 21, an ejector 22, a pressure sensor 23, a temperature sensor 28, a nitrogen purge valve 24, a separate tank 30, A control unit C is provided together with the drain valve 31 and the like.
- the cell stack 10 is formed by polymerizing a plurality of cell units 11 with a gap between each other, and generates electric power by allowing a hydrogen-containing gas and an oxygen-containing gas to flow separately inside and outside the cell units 11. It is what I do.
- hydrogen gas as “hydrogen-containing gas” and “air” as “oxygen-containing gas” will be described as examples, but the present invention is not limited thereto.
- the cell unit 11 is a unit in which a solid polymer cell in which an anode and a cathode are disposed on both sides of an electrolyte is accommodated between separators (none of which is shown).
- the fuel tank 20 stores a required amount of hydrogen gas to be supplied to the cell stack 10, and a supply pipe 20 a is connected between the fuel tank 20 and the receiving portion of the cell stack 10. .
- the above-described pressure regulating valve 21 has a function of steplessly increasing / decreasing the pressure of hydrogen gas fed from the fuel tank 20, and is disposed at an intermediate portion of the feed pipe 20a. It is connected to the output side of a control unit C, which will be described later, so that the pressure is controlled to increase or decrease.
- the pressure regulating valve 21 increases or decreases the pressure of the hydrogen gas supplied from the fuel tank 20 which is a hydrogen gas supply source to the receiving portion of the cell stack 10 and thus to the anode of each cell unit 11. It is the pressure regulation part for doing. By providing such a pressure adjusting unit, the pressure of the hydrogen gas supplied to the anode can be easily adjusted.
- a separation tank 30 (to be described later) is connected to the discharge portion of the cell stack 10 via a discharge pipe 10a, and a return pipe 30a as a return path is connected between the separator tank 30 and the ejector 22. Yes.
- the exhaust hydrogen-containing gas discharged from the anode of the cell stack 10 can be recirculated to the cell stack 10 via the ejector 22.
- the ejector 22 is a supply pipe 20 a and is disposed on the downstream side of the pressure regulating valve 21.
- the ejector 22 has a function of returning the exhausted hydrogen-containing gas discharged from the cell stack 10 to the anode through the return pipe 30a by the entrainment action of the hydrogen gas flowing through the supply pipe 20a.
- an HRB Hydrogen recirculation blower, abbreviated as hydrogen circulation pump, hereinafter referred to as “HRB”
- HRB Hydrophilic acid
- the pressure sensor 23 measures the pressure of the hydrogen gas discharged from the ejector 22 and is arranged on the downstream side of the ejector 22 and is connected to the input side of the control unit C.
- the temperature sensor 28 is for measuring the temperature of the cell stack 10, and hence also the cell unit 11, and is connected to the input side of the control unit C.
- the separation tank 30 separates and stores the water w contained in the exhausted hydrogen-containing gas discharged from the anode, and the water w stored in the separation tank 30 is discharged to the outside through the drain valve 31. I try to do it.
- the drain valve 31 is connected to the output side of the control unit C and is appropriately controlled to open and close.
- the nitrogen purge valve 24 is for discharging the nitrogen gas staying in the separation tank 30 and is connected to the output side of the control unit C so as to be controlled for opening and closing.
- the controller C includes a CPU (Central Processing Unit), an interface circuit, and the like, and exhibits the following functions by executing a required program.
- the “predetermined flow rate” is a flow rate at which the exhaust hydrogen-containing gas is not recirculated to the cell unit 11. In other words, this is the flow rate of hydrogen gas at which the exhaust hydrogen-containing gas cannot be recirculated to the cell unit 11 through the recirculation pipe 30a.
- This function is referred to as “gas supply pressure fluctuation means C2.”
- the pressure of the hydrogen gas supplied to the anode of the cell unit 11 is intermittently increased or decreased through the pressure regulating valve 21 that is the pressure regulating unit, but this is not necessarily intermittent. Good.
- the hydrogen gas is supplied at a constant pressure.
- the value of the pressure fluctuation is set so that the impurities in the solid polymer cell can be discharged. Specifically, it can be set to two values: a relatively high pressure value at which water is discharged and a relatively low pressure value at which nitrogen gas or the like is discharged.
- a normal pressure fluctuation is set to a relatively low pressure value at which nitrogen gas or the like can be discharged, and after repeating the pressure fluctuation a predetermined number of times, the pressure fluctuation is performed at a relatively high pressure value at which water can be discharged. You may do it.
- the startup operation of the fuel cell system A1 having the above-described configuration will be described with reference to FIG. Step 1: In FIG. 1B, abbreviated as “Sa1”. The same applies hereinafter.
- the pressure of the hydrogen gas supplied from the fuel tank 20 is intermittently increased or decreased and supplied to the anode.
- Step 2 It is determined whether or not the load is larger than a required value. If it is determined that the load is larger than the predetermined flow rate, the process proceeds to Step 3, and if not, the process returns to Step 1.
- Step 3 Hydrogen gas is continuously fed so that the anode pressure becomes constant, and the process returns to Step 2.
- FIG. 2 is a flowchart showing the operation at the start-up of the fuel cell system A2 according to the second embodiment of the present invention.
- the fuel cell system A2 is different from the fuel cell system A1 described above in that a recirculation flow rate determination unit C4 is provided together with a recirculation flow rate estimation unit C3 described later instead of the flow rate determination unit. That is, the controller C in this embodiment exhibits the functions of the reflux flow rate estimation means C3 and the reflux flow rate determination means C4 by executing a required program.
- the “temperature” is measured by a temperature sensor 28 disposed at a required position of the cell stack 10.
- the nitrogen concentration can be estimated from the nitrogen purge valve 24 having an opening degree corresponding to the temperature, pressure, load, and parameters thereof.
- the opening degree of the nitrogen purge valve 24 is controlled in order to obtain a certain nitrogen concentration. That is, the control unit C has a function of opening and closing the nitrogen purge valve 24 in accordance with the temperature, pressure, load, and parameters thereof. This function is called “nitrogen concentration adjusting means”.
- the volume flow rate of the exhaust hydrogen-containing gas can be obtained. If the volume flow rate is obtained, the mass flow rate of the exhausted hydrogen-containing gas recirculated from the nitrogen concentration and water vapor concentration at that time can be calculated. The water vapor concentration can be estimated from the temperature.
- a function of determining whether or not the estimated recirculation flow rate of the exhaust hydrogen-containing gas is smaller than a predetermined flow rate This function is referred to as “reflux flow rate determination means C4”.
- the gas supply pressure fluctuation means C2 intermittently increases or decreases the pressure of the hydrogen gas supplied to the anode.
- the “predetermined flow rate” is as described above.
- Step 2 It is determined whether or not the recirculation flow rate of the exhaust hydrogen-containing gas is larger than a predetermined flow rate. If it is determined that the recirculation flow rate of the exhaust hydrogen-containing gas is larger than the predetermined flow rate, the process proceeds to Step 3. If not, go to Step 4.
- Step 3 Hydrogen gas is continuously fed so that the anode pressure becomes constant, and the process returns to Step 2.
- Step 4 Hydrogen gas fed from the fuel tank 20 is intermittently pumped to the anode, and the process returns to Step 1.
- the ejector 22 can be used under more preferable conditions than in the case where the determination is made only with the load described in the fuel cell system A1. Further, instead of the ejector 22, when HRB is provided in the reflux pipe 30 a and a three-way pipe is provided instead of the ejector 22 as a reflux means, or when the ejector 22 is provided and the reflux pipe 30 a is provided with HRB as the reflux means The same applies to
- the pressure acting on the anode becomes higher on average than the pressure acting on the cathode, and the amount of hydrogen permeating to the cathode increases and fuel consumption deteriorates, but the ejector 22 is used more suitably. As a result, it is not necessary to increase the pressure unnecessarily, so that fuel consumption can be improved.
- FIG. 3A is an explanatory view showing a schematic configuration of a fuel cell system according to the third embodiment of the present invention
- FIG. 3B shows an operation at the time of startup of the fuel cell system according to the third embodiment. It is a flowchart to show.
- the shutoff valve 25 is provided.
- the same components as those described in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted. Differences will be described here.
- an HRB may be provided in the return pipe 30 a as a return means, and a three-way pipe may be provided in place of the ejector 22.
- a reflux means in which the ejector 22 is provided and the reflux pipe 30a is provided with the HRB.
- the shutoff valve 25 is a so-called on-off valve for shutting off the exhausted hydrogen-containing gas flowing through the reflux pipe 30a, and is disposed on the reflux pipe 30a.
- the shutoff valve 25 is a flow control unit for preventing the backflow of exhaust hydrogen gas (exhaust hydrogen-containing gas) to the cell unit 11. As will be described later, this flow control unit is for carrying out or stopping the reflux according to the temperature.
- control unit C has the following functions. (5) A function of shutting off the exhausted hydrogen-containing gas flowing through the reflux path 30a via the shut-off valve 25 when it is determined that the hydrogen-containing gas supplied to the cell unit 11 is less than the predetermined flow rate. This function is referred to as “gas blocking means C5”.
- cell temperature determination means C6 A function of determining whether or not the temperature of the cell unit measured through the temperature sensor has entered a predetermined temperature range including the freezing point temperature. This function is referred to as “cell temperature determination means C6”.
- the “predetermined temperature range including the freezing point temperature” increases the amount of nitrogen permeated from the cathode, making it difficult to perform a dead-end operation, and the temperature of the ejector 22 takes into account sensor errors and the heat capacity of the ejector 22.
- it is a temperature range of about 20 ° C. or less, which is the upper limit temperature that does not cause icing.
- HRB is provided in the reflux pipe 30a as the reflux means
- the temperature range is about 20 ° C. or less, which is the upper limit temperature that does not cause icing.
- “Icing” means that the water vapor being refluxed from the cell stack 10 is cooled by the hydrogen supplied below the freezing point from the fuel tank 20 and frozen and blocked by the ejector nozzle portion.
- the “predetermined temperature range including the freezing point temperature” is as described above.
- the flow rate judging means C1 and the gas supply pressure fluctuation means C2 are provided together with the gas cutoff means C5, the cell temperature judging means C6, and the reflux stop means C7.
- Step 2 It is determined whether or not the load is larger than a predetermined flow rate. If it is determined that the load is larger than the predetermined flow rate, the process proceeds to Step 3, and if not, the process returns to Step 1.
- Step 3 The shutoff valve 25 is opened, and hydrogen gas is continuously fed so that the anode pressure becomes constant, and the process returns to Step 2.
- FIG. 4 is a flowchart showing an operation according to another example when the fuel cell system A3 is started.
- the operation according to another example in the present embodiment is an operation based on temperature detection. “Temperature detection” is detected by the temperature sensor 28 disposed at a required position of the cell stack 10.
- Step 1 In FIG. 4, abbreviated as “Sd1”. The same applies hereinafter.
- the temperature of the cell stack 10 is detected.
- Step 2 It is determined whether or not the temperature of the cell unit 11 has entered a predetermined temperature range including the freezing point temperature (whether or not it has fallen to a predetermined temperature range including the freezing point temperature), and the temperature includes the freezing point temperature. If it is determined that the temperature has entered the predetermined temperature range (decreased to a predetermined temperature range including the freezing point temperature), the process proceeds to step 4; otherwise, the process proceeds to step 3.
- Step 3 The shutoff valve 25 is driven to open, and the exhausted hydrogen gas is recirculated through the ejector 22.
- Step 4 The shut-off valve 25 is driven to close, and the pressure of the hydrogen gas supplied from the fuel tank 20 is intermittently increased and decreased and supplied to the anode (stopping the reflux). Further, it is not necessary to increase or decrease the pressure in a region where the N 2 permeation of the membrane is very low at low temperatures. Note that the “pressure fluctuation” includes a mode in which no pulsation occurs.
- the following effects can be obtained. -Stops the reflux of water vapor when the temperature is below freezing, and prevents icing in the ejector. -Since the nitrogen permeation amount is low at low temperatures, dead-end operation can be performed more easily. Even if the temperature is not below the freezing point, the ejector may be below the freezing point depending on the arrangement of the temperature sensor. In this case, icing can be effectively prevented.
- FIG. 5 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system A4 according to the fourth embodiment of the present invention.
- a check valve 26 is provided.
- the same components as those described in the first embodiment described above are denoted by the same reference numerals, description thereof is omitted, and differences will be described here.
- the check valve 26 is provided to prevent the exhausted hydrogen-containing gas from flowing back to the cell stack 10 due to pressure applied to the reflux pipe 30a side during the pressure increase in the intermittent operation, and is disposed in the reflux pipe 30a. ing. By providing such a check valve 26, more stable power generation can be performed.
- the check valve 26 prevents the exhaust hydrogen-containing gas flowing back through the reflux path 30 a, thereby preventing the exhaust hydrogen-containing gas from flowing back to the cell stack 10.
- FIG. 6A is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system A5 according to the fifth embodiment of the present invention
- FIG. 6B is a flowchart showing an operation at the time of startup.
- the hardware configuration of the fuel cell system A5 according to the fifth embodiment is the same as that described in the fuel cell system A1 according to the first embodiment, except that the bypass 27a and the three-way valve 27 are disposed. Therefore, in the present embodiment, the same components as those described in the first embodiment described above are denoted by the same reference numerals, description thereof is omitted, and differences will be described here.
- the three-way valve 27 is provided on the upstream side of the ejector 22 disposed on the feed pipe 20a, and a bypass pipe 27a serving as a bypass is disposed between the ejector 22 and the feed pipe 20a on the downstream side of the ejector 22. Yes.
- an HRB may be provided in the reflux pipe 30a and a three-way pipe may be provided as the reflux means.
- a reflux means in which the ejector 22 is provided and the reflux pipe 30a is provided with the HRB.
- the three-way valve 27 is connected to the output side of the control unit C and is appropriately controlled to be switched.
- control unit C has the following functions. (8) When it is determined that the hydrogen-containing gas supplied to the cell unit 11 is less than the predetermined flow rate, the hydrogen-containing gas supplied toward the cell unit 11 via the three-way valve 27 is transferred to the bypass 27a. Function to switch and feed. This function is referred to as “detour feeding means C8”.
- the detour feeding means C8 is provided together with the flow rate judging means C1 and the gas feeding pressure fluctuation means C2. Thereby, at the time of intermittent operation, the ejector 22 can be bypassed, pressure loss of the ejector 22 can be avoided, and more stable intermittent operation can be performed.
- the operation of the fuel cell system A5 having the above configuration will be described with reference to FIG. Step 1: In FIG. 6B, abbreviated as “Se1”. The same applies hereinafter.
- the three-way valve 27 is switched so as to circulate the hydrogen gas through the bypass pipe 27a, and the hydrogen gas is intermittently supplied to the anode.
- Step 2 It is determined whether or not the load is larger than the required flow rate. If it is determined that the load is larger than the required value, the process proceeds to Step 3, and if not, the process returns to Step 1.
- Step 3 The three-way valve 27 is switched so that the hydrogen gas flows to the ejector 22, the hydrogen gas is continuously fed so that the anode pressure becomes constant, and the process returns to Step 2.
- control unit C may exhibit the following functions.
- (9) A function of determining whether or not the temperature of the cell unit measured through the temperature sensor has entered a predetermined temperature range including the freezing point temperature. This function is referred to as “cell temperature determination means C9”.
- the definition of “predetermined temperature range including freezing point temperature” and the like are as described above.
- (10) A function of switching the hydrogen-containing gas supplied to the cell unit via the three-way valve to the detour when it is determined that the temperature of the cell unit has entered a predetermined temperature range including the freezing point temperature. This function is referred to as “detour feeding means C10”. Thereby, at the time of intermittent operation, the ejector 22 can be bypassed, pressure loss of the ejector 22 can be avoided, and more stable intermittent operation can be performed.
- FIG. 7 is a flowchart showing an operation according to another example when the fuel cell system A5 is started.
- the operation according to another example in the present embodiment is an operation based on temperature detection. “Temperature detection” is detected by a temperature sensor 28 disposed at a required position of the cell stack 10.
- Step 1 In FIG. 7, abbreviated as “Sf1”. The same applies hereinafter.
- the temperature of the cell stack 10 and thus also the cell unit 11 is detected.
- Step 2 It is determined whether or not the temperature of the cell unit 11 has entered a predetermined temperature range including the freezing point temperature (whether or not the temperature has decreased to a predetermined temperature range including the freezing point temperature). If it is determined that a predetermined temperature range including the temperature has been entered (decreased to a predetermined temperature range including the freezing point temperature), the process proceeds to step 4. Otherwise, the process proceeds to step 3.
- Step 3 Switch the three-way valve 27 to the ejector 22 side and return to Step 1.
- Step 4 The three-way valve 27 is switched to the bypass pipe 27a side, and the pressure of the hydrogen gas supplied from the fuel tank 20 is intermittently increased / decreased and supplied to the anode (return is stopped). Further, it is not necessary to increase or decrease the pressure in a region where the N 2 permeation of the membrane is very low at low temperatures. Note that the “pressure fluctuation” includes a mode in which no pulsation occurs. In FIG. 7, “intermittent increase / decrease in the hydrogen gas pressure” is referred to as “non-circulating dead-end operation”.
- the present invention is not limited to the above-described embodiments, and the following modifications can be made.
- positioned so that the temperature of a cell unit may be measured it is not restricted to the form, For example, the temperature of an ejector is measured separately from the temperature sensor which measures the temperature of the said cell unit.
- a temperature sensor for measurement may be provided.
- the configuration described in each of the above embodiments is not limited to the application to each of the above embodiments, and the configuration described in one embodiment is applied to another embodiment. It can be applied mutatis mutandis or applied, and can be arbitrarily combined.
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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
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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