WO2012036143A1 - 燃料電池システム - Google Patents

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WO2012036143A1
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hydrogen
cell unit
reflux
flow rate
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Inventor
池添 圭吾
市川 靖
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日産自動車株式会社
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    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04097Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with recycling of the reactants
    • HELECTRICITY
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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

 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。 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11と、このセルユニット11から排出された排水素含有ガスを、そのセルユニット11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流量判定手段C1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C2とを有している。

Description

燃料電池システム
 本発明は、例えば固体高分子型セルを用いたセルユニットを有する燃料電池システムに関する。
 従来、この種の燃料電池システムとして、燃料循環式燃料電池システムとした名称において、特許文献1に開示された構成のものがある。
 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。
特開2003‐151588号公報
 上記特許文献1に開示された燃料循環式燃料電池システムは、発電に必要な水素ガスの供給量が少ないときには、エゼクタノズル部における流速が減少し、これに伴ってベルヌーイ効果が小さくなって、排水素含有ガスが十分に循環できないことに着目し、水素ガスの供給が少ない低負荷状態においては、排水素含有ガスを取り込んで送出するための燃料ポンプを設けたものである。
 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。
 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。
 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増減変動させるガス送給圧力変動手段とを有している。
 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。
(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。 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。 (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。 本発明の第三の実施形態に係る燃料電池システムの起動時における他例に係る動作を示すフローチャートである。 本発明の第四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である。 (A)は、本発明の第五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。 同上の第五の実施形態に係る燃料電池システムの起動時における他例に係る動作を示すフローチャートである。
 以下に、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。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A1の概略構成を示す説明図、(B)は、その第一の実施形態に係る燃料電池システムA1の起動時における動作を示すフローチャートである。
 なお、図1及び以下に示す図3,5,6においては、水素含有ガスと酸素含有ガスのうち、水素含有ガスの流通系統についてのみ図示し、酸素含有ガスの流通系統についての図示を省略することにより簡略化している。
 本発明の第一の実施形態に係る燃料電池システムA1は、セルスタック10の他、燃料タンク20、調圧弁21、エゼクタ22、圧力センサ23、温度センサ28、窒素パージ弁24、セパレートタンク30、排水弁31等とともに、コントロールユニットCを有して構成されている。
 セルスタック10は、複数のセルユニット11…を互いに間隙をもって重合してなるものであり、それら各セルユニット11…内外に、水素含有ガスと酸素含有ガスを互いに分離して流通させることによる発電を行うようにしたものである。
 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。
 セルユニット11…は、アノードとカソードとを電解質の両側に配設した固体高分子型セルをセパレータ間に(いずれも図示しない)収容したものである。
 燃料タンク20は、セルスタック10に送給するための所要量の水素ガスを貯蔵するものであり、その燃料タンク20とセルスタック10の受入部との間に送給パイプ20aが連結されている。
 上記した調圧弁21は、燃料タンク20から送給される水素ガスの圧力を無段階に増減調整する機能を有するものであり、送給パイプ20aの中間部位に配設されているとともに、詳細を後述するコントロールユニットCの出力側に接続されて、圧力を増減制御されるようにしている。
 本実施形態においては、調圧弁21が、水素ガスの供給源である燃料タンク20からセルスタック10の受入部、従ってまた、各セルユニット11のアノードに送給される水素ガスの圧力を増減調整するための調圧部である。このような調圧部を設けることにより、アノードに送給される水素ガスの圧力を容易に増減調整できる。
 セルスタック10の排出部には、排出パイプ10aを介して後述するセパレートタンク30が接続されているとともに、そのセパレータタンク30とエゼクタ22との間には還流路である還流パイプ30aが接続されている。
 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。
 上記エゼクタ22は、送給パイプ20aであって調圧弁21の下流側に配置されている。
 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。
 圧力センサ23は、エゼクタ22から排出された水素ガスの圧力を測定するものであり、送給パイプ20aであって上記エゼクタ22の下流側に配置しているとともに、コントロールユニットCの入力側に接続されている。
 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。
 セパレートタンク30は、アノードから排出された排水素含有ガスに含まれる水wを分離して貯留するようになっており、セパレートタンク30内に貯留した水wは、排水弁31を通じて外部に排出されるようにしている。
 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。
 コントローラCは、CPU(Central Processing Unit)やインターフェース回路等からなるものであり、所要のプログラムの実行により、次の各機能を発揮する。
(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。
(2)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、その水素含有ガスの圧力を増減変動させる機能。この機能を「ガス送給圧力変動手段C2」という。
 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。
 「間歇的に」とは、等間隔の他、不規則な間隔を含むものである。
 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。
 例えば、通常の圧力変動を窒素ガス等を排出させられる比較的低い圧力値に設定し、その圧力変動を所定数繰り返した後に、水を排出させられる比較的高い圧力の値での圧力変動を行なうようにしてもよい。
 すなわち、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。
 上記した構成からなる燃料電池システムA1の起動時の動作について、図1(B)を参照して説明する。
 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2:負荷が所要値よりも大きいか否かを判定し、負荷が所定の流量よりも大きいと判定されればステップ3に進み、そうでなければステップ1に戻る。
 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。
 次に、本発明の第二の実施形態に係る燃料電池システムについて、図1(A)とともに図2を参照して説明する。図2は、本発明の第二の実施形態に係る燃料電池システムA2の起動時における動作を示すフローチャートである。
 燃料電池システムA2のハードウェアの構成については、上記した第一の実施形態に係る燃料電池システムA1において説明したものと同等のものであるので、ここでは、相違点について説明する。
 燃料電池システムA2は、上記した流量判定手段に替えて、後述する還流流量推定手段C3とともに、還流流量判定手段C4を設けた点が上記した燃料電池システムA1と相違している。
 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。
(3)エゼクタ22を介してセルユニット11に還流させる排水素含有ガスの還流流量を推定する機能。この機能を「還流流量推定手段C3」という。
 「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。
 換言すると、窒素濃度は、温度・圧力・負荷とそれらのパラメータに応じた開度の窒素パージ弁24から推定することができる。本実施形態においては、ある窒素濃度にするために窒素パージ弁24の開度をコントロールしている。
 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。
 負荷と温度から、一次流(燃料タンク20からセルスタック10に供給する水素ガス)の流速が求まるので、排水素含有ガスの体積流量を求めることができる。体積流量が求められれば、そのときの窒素濃度、水蒸気濃度から還流される排水素含有ガスの質量流量を算出することができる。また、水蒸気濃度は温度から推定することができる。
(4)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機能。この機能を「還流流量判定手段C4」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。
 上記した構成からなる燃料電池システムA2の動作について、図2を参照して説明する。
 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2:排水素含有ガスの還流流量が所定の流量よりも大きいか否かを判定し、排水素含有ガスの還流流量が所定の流量よりも大きいと判定されればステップ3に進み、そうでなければステップ4に進む。
 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。
 上記した実施形態によれば、次の効果を得ることができる。
・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。
・間歇運転時は、アノードに作用する圧力がカソードに作用する圧力より平均的に高くなってしまい、カソードへの水素透過量が多くなり燃費が悪化してしまうが、エゼクタ22をより好適に使うことにより、圧力を不必要に上げなくてよいので燃費を向上させることができる。
 次に、発明の第三の実施形態に係る燃料電池システムについて、図3(A),(B)を参照して説明する。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、その第三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。
 第三の実施形態に係る燃料電池システムA3のハードウェアの構成については、上記した第一の実施形態に係る燃料電池システムA1において説明したものに、遮断弁25を配設したものであるので、本実施形態においては、上述した第一の実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略し、ここでは相違点について説明する。
 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。
 遮断弁25は還流パイプ30aを流通する排水素含有ガスを遮断するための所謂オン‐オフバルブであり、その還流パイプ30aに配設されている。
 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。
 すなわち、間歇運転の昇圧時に還流パイプ30a側に圧力がかかり、排水素含有ガスがセルスタック10に逆流することを防止するようにしたものであり、このような遮断弁25を還流パイプ30aに配設することにより、より安定した発電を行なうことができる。
 すなわち、本実施形態においてはコントロールユニットCが次の機能を有している。
(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。
(6)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C6」という。
 「氷点温度を含む所定の温度領域」は、カソードからの窒素透過量が増大して、デッドエンド運転が困難になり、かつ、エゼクタ22の温度がセンサー類の誤差やエゼクタ22の熱容量を加味しても、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。
 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。
 「アイシング」とは、セルスタック10からの還流中の水蒸気が燃料タンク20からの氷点下の供給水素で冷却され、エゼクタノズル部で凍結、閉塞させることである。
 また、還流手段として還流パイプ30aにHRBを設けてエゼクタ22の代わりに三方管を設けた場合でも、「アイシング」とは、セルスタック10からの還流中の水蒸気が燃料タンク20からの氷点下の供給水素で冷却され、三方管で凍結、閉塞させることである。
(7)検出したセルユニット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)と判定したときには、流通制御部25を介して水蒸気の還流を停止する機能。この機能を「還流停止手段C7」という。
 なお、「氷点温度を含む所定の温度領域」は、上記したとおりである。
 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。
 上記した構成からなる燃料電池システムA3の動作について、図3(B)をも参照して説明する。
 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2:負荷が所定の流量よりも大きいか否かを判定し、負荷が所定の流量よりも大きいと判定されればステップ3に進み、そうでなければステップ1に戻る。
 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。
 上記した構成からなる燃料電池システムA3の起動時における温度検知に基づく他例に係る動作について、図4を参照して説明する。図4は、燃料電池システムA3の起動時における他例に係る動作を示すフローチャートである。
 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。
 ステップ1:図4においては、「Sd1」と略記する。以下、同様。
 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3:遮断弁25を開駆動させて、エゼクタ22を介して排水素ガスを還流させる。
 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N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。
 本実施形態によれば、次の効果を得ることができる。
・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。
 次に、本発明の第四の実施形態に係る燃料電池システムについて、図5を参照して説明する。図5は、本発明の第四の実施形態に係る燃料電池システムA4の概略構成を示す説明図である。
 第四の実施形態に係る燃料電池システムA4のハードウェアの構成については、上記した第一の実施形態に係る燃料電池システムA1において説明したものに、逆止弁26を配設したものであるので、本実施形態においては、上述した第一の実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略し、ここでは相違点について説明する。
 逆止弁26は、間歇運転の昇圧時に還流パイプ30a側に圧力がかかって、排水素含有ガスがセルスタック10に逆流するのを防止するためのものであり、上記還流パイプ30aに配設されている。このような逆止弁26を配設することにより、より安定した発電を行なうことができる。
 すなわち、本実施形態においては、逆止弁26によって還流路30aを流通する排水素含有ガスの逆流を防ぐことによって、排水素含有ガスがセルスタック10に逆流することを防止している。
 次に、本発明の第五の実施形態に係る燃料電池システムについて、図6(A),(B)を参照して説明する。図6(A)は、本発明の第五の実施形態に係る燃料電池システムA5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。
 第五の実施形態に係る燃料電池システムA5のハードウェアの構成については、上記した第一の実施形態に係る燃料電池システムA1において説明したものに、迂回路27aと三方弁27を配設したものであるので、本実施形態においては、上述した第一の実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略し、ここでは相違点について説明する。
 三方弁27は、送給パイプ20aに配設したエゼクタ22の上流側に設けられており、これとエゼクタ22の下流側の送給パイプ20a間に迂回路であるパイパスパイプ27aが配設されている。
 なお、この実施形態においてもエゼクタ22の代わりに、還流パイプ30aにHRBを設けるとともに三方管を還流手段として設けてもよい。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。
 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。
 すなわち、本実施形態においてはコントロールユニットCが次の機能を有している。
(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。
 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、迂回送給手段C8を有しているのである。
 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。
 上記した構成からなる燃料電池システムA5の動作について、図6(B)をも参照して説明する。
 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。
 ステップ2:負荷が所要の流量よりも大きいか否かを判定し、負荷が所要値よりも大きいと判定されればステップ3に進み、そうでなければステップ1に戻る。
 ステップ3:水素ガスをエゼクタ22に流通させるように三方弁27を切り替えて、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。
 本実施形態においては、コントロールユニットCに次の機能を発揮させるようにしてもよい。
(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。
(10)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機能。この機能を「迂回送給手段C10」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。
 上記した構成からなる燃料電池システムA5の起動時における他例に係る動作について、図7を参照して説明する。図7は、燃料電池システムA5の起動時における他例に係る動作を示すフローチャートである。
 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温度センサ28によって検知したものである。
 ステップ1:図7においては、「Sf1」と略記する。以下、同様。
 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3:三方弁27をエゼクタ22側に切り替えてステップ1に戻る。
 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N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。
 なお、本発明は上述した実施形態に限るものではなく、次のような変形実施が可能である。
・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。
 以上詳細に説明したが、いずれにしても、上記各実施形態において説明した構成は、それら各実施形態にのみ適用することに限らず、一の実施形態において説明した構成を、他の実施形態に準用若しくは適用し、さらには、それを任意に組み合わせることができるものである。
11  セルユニット
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)

  1.  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。
  2.  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。
  3.  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。
  4.  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。
  5.  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。
  6.  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。
  7.  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。
  8.  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。
  9.  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。
  10.  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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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9780395B2 (en) 2012-03-30 2017-10-03 Temasek Polytechnic Fuel cell apparatus and method of operation
JP2020514955A (ja) * 2016-12-21 2020-05-21 プロトン モータ フューエル セル ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツングProton Motor Fuel Cell Gmbh 燃料電池システム用燃料供給装置及び燃料電池システム
JP6961194B1 (ja) * 2021-03-18 2021-11-05 アビオスエンジニアリング株式会社 燃料電池及び燃料電池システム
JP7501396B2 (ja) 2021-02-03 2024-06-18 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103329325B (zh) * 2010-11-22 2015-11-25 日产自动车株式会社 燃料电池系统
JP6102893B2 (ja) 2014-11-14 2017-03-29 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システムおよび燃料電池搭載車両
AT521823B1 (de) * 2018-11-12 2021-03-15 Avl List Gmbh Ermittlung des Massenstromes eines Abgasbestandteils einer Brennstoffzelle
JP7207338B2 (ja) * 2020-01-20 2023-01-18 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システムの流路構造
CN113782790B (zh) * 2021-09-09 2022-03-04 金华氢途科技有限公司 一种基于燃料电池阳极压力变频喷射的叠加喷射控制方法
CN113553678B (zh) * 2021-09-18 2022-02-15 北京英博新能源有限公司 防冻引射器及其设计方法和制作方法
DE102021212308A1 (de) * 2021-11-02 2023-05-04 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Vorrichtung und Betriebsverfahren zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems, Brennstoffzellensystem

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002151116A (ja) * 2000-11-09 2002-05-24 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2002216811A (ja) * 2001-01-17 2002-08-02 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2002237322A (ja) * 2001-02-08 2002-08-23 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2003151588A (ja) 2001-11-09 2003-05-23 Honda Motor Co Ltd 燃料循環式燃料電池システム
JP2005150090A (ja) * 2003-10-24 2005-06-09 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP2006134695A (ja) * 2004-11-05 2006-05-25 Toyota Motor Corp 燃料電池システム及びその制御装置、制御方法並びにコンピュータプログラム
JP2006252918A (ja) * 2005-03-10 2006-09-21 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システムの制御装置
JP2006331863A (ja) * 2005-05-26 2006-12-07 Toyota Motor Corp 燃料電池システムおよび制御方法
JP2007149423A (ja) * 2005-11-25 2007-06-14 Toyota Motor Corp 燃料電池システム及びその運転方法
JP2009252654A (ja) * 2008-04-09 2009-10-29 Toyota Motor Corp 燃料電池システム、循環流量の推定方法及びこれを用いた運転方法

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3882667B2 (ja) * 2002-04-19 2007-02-21 日産自動車株式会社 燃料電池システム及び制御方法
JP2005044748A (ja) 2003-07-25 2005-02-17 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2005129312A (ja) * 2003-10-22 2005-05-19 Denso Corp 燃料電池の燃料供給装置
US8092943B2 (en) * 2006-04-19 2012-01-10 Daimler Ag Fuel cell system with improved fuel recirculation
JP5103998B2 (ja) * 2007-04-12 2012-12-19 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002151116A (ja) * 2000-11-09 2002-05-24 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2002216811A (ja) * 2001-01-17 2002-08-02 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2002237322A (ja) * 2001-02-08 2002-08-23 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2003151588A (ja) 2001-11-09 2003-05-23 Honda Motor Co Ltd 燃料循環式燃料電池システム
JP2005150090A (ja) * 2003-10-24 2005-06-09 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP2006134695A (ja) * 2004-11-05 2006-05-25 Toyota Motor Corp 燃料電池システム及びその制御装置、制御方法並びにコンピュータプログラム
JP2006252918A (ja) * 2005-03-10 2006-09-21 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システムの制御装置
JP2006331863A (ja) * 2005-05-26 2006-12-07 Toyota Motor Corp 燃料電池システムおよび制御方法
JP2007149423A (ja) * 2005-11-25 2007-06-14 Toyota Motor Corp 燃料電池システム及びその運転方法
JP2009252654A (ja) * 2008-04-09 2009-10-29 Toyota Motor Corp 燃料電池システム、循環流量の推定方法及びこれを用いた運転方法

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9780395B2 (en) 2012-03-30 2017-10-03 Temasek Polytechnic Fuel cell apparatus and method of operation
JP2020514955A (ja) * 2016-12-21 2020-05-21 プロトン モータ フューエル セル ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツングProton Motor Fuel Cell Gmbh 燃料電池システム用燃料供給装置及び燃料電池システム
JP7501396B2 (ja) 2021-02-03 2024-06-18 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP6961194B1 (ja) * 2021-03-18 2021-11-05 アビオスエンジニアリング株式会社 燃料電池及び燃料電池システム
WO2022196045A1 (ja) * 2021-03-18 2022-09-22 アビオスエンジニアリング株式会社 燃料電池及び燃料電池システム

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