JP4742522B2 - Fuel cell system - Google Patents

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JP4742522B2 JP2004169818A JP2004169818A JP4742522B2 JP 4742522 B2 JP4742522 B2 JP 4742522B2 JP 2004169818 A JP2004169818 A JP 2004169818A JP 2004169818 A JP2004169818 A JP 2004169818A JP 4742522 B2 JP4742522 B2 JP 4742522B2
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Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に、アノードガスとカソードガスの圧力を調整する調圧弁を備えた燃料電池システムに適用して好適である。   The present invention relates to a fuel cell system, and is particularly suitable for application to a fuel cell system including a pressure regulating valve that adjusts the pressures of an anode gas and a cathode gas.

燃料電池は、アノード側に供給した水素と、カソード側に供給した酸素を反応させて電力を発生する。このような燃料電池において、特開2003−68334号公報には、水素圧力を調圧する調圧弁を設け、燃料電池供給前の水素圧力と燃料電池供給前の酸素圧力の差圧を調整する技術が開示されている。   The fuel cell generates electric power by reacting hydrogen supplied to the anode side with oxygen supplied to the cathode side. In such a fuel cell, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-68334 discloses a technique for adjusting a differential pressure between a hydrogen pressure before supplying the fuel cell and an oxygen pressure before supplying the fuel cell by providing a pressure regulating valve for adjusting the hydrogen pressure. It is disclosed.

特開2003−68334号公報JP 2003-68334 A 特開2002−373682号公報JP 2002-373682 A 特開2002−313395号公報JP 2002-313395 A 特開2003−203665号公報JP 2003-203665 A 特開平7−271450号公報JP 7-271450 A

特開2003−68334号公報に開示された技術では、水素圧力を調圧する調圧弁には、信号圧力を得るために燃料電池供給前の酸素ガスが導入される。しかしながら、調圧弁に供給される酸素ガス中には水分が含まれるため、調圧弁に酸素ガスを導入すると、酸素ガス中の水分が凍結して調圧弁の動作に不具合が生じたり、水分によって調圧弁、配管等が腐食する虞がある。   In the technique disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2003-68334, oxygen gas before fuel cell supply is introduced into a pressure regulating valve that regulates the hydrogen pressure in order to obtain a signal pressure. However, since the oxygen gas supplied to the pressure regulating valve contains moisture, when oxygen gas is introduced into the pressure regulating valve, the moisture in the oxygen gas freezes, causing malfunctions in the pressure regulating valve, or by adjusting the moisture. There is a risk of corrosion of the pressure valve and piping.

この発明は、上述のような問題を解決するためになされたものであり、燃料電池供給前の水素圧力と酸素圧力の差圧を調整する調圧弁を備えたシステムにおいて、ガス中に含まれる水分によって調圧弁を含む経路に腐食、凍結等が生じることを抑止することを目的とする。   The present invention has been made in order to solve the above-described problems. In a system including a pressure regulating valve that adjusts a differential pressure between a hydrogen pressure and an oxygen pressure before supplying a fuel cell, moisture contained in the gas is provided. The purpose is to prevent corrosion, freezing and the like from occurring in the path including the pressure regulating valve.

第1の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
アノードに水素を含むアノードガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含むカソードガスの供給を受けて、発電を行う燃料電池と、
前記カソードガスが導入される基準ガス室を有し前記カソードガスの圧力に基づいて前記アノードガスの圧力を調整する調圧弁と、
前記調圧弁の前記基準ガス室少なくとも含む所定の経路に備えられた排出弁を有し、当該排出弁を介して前記所定の経路から水分を排出する水分排出手段と、
前記燃料電池の前記カソードから排出されたカソードオフガスを再び前記カソードへ供給する循環系を形成するように前記燃料電池の前記カソードの入口側と前記カソードの出口側とを連通させた連通状態と、前記循環系を形成しないように前記燃料電池の前記カソードの入口側と前記カソードの出口側とを遮断した遮断状態と、を切り換え可能な弁と、
を備え、
前記水分排出手段によって前記所定の経路から水分を排出する際には、前記弁を前記遮断状態とすることを特徴とする。
In order to achieve the above object, a first invention is a fuel cell system,
A fuel cell that receives an anode gas containing hydrogen at the anode and a cathode gas containing oxygen at the cathode to generate power; and
A pressure regulating valve having a reference gas chamber into which the cathode gas is introduced and adjusting the pressure of the anode gas based on the pressure of the cathode gas ;
A water discharge means having a discharge valve provided in a predetermined path including at least the reference gas chamber of the pressure regulating valve , and discharging water from the predetermined path via the discharge valve ;
A communication state in which the cathode inlet side and the cathode outlet side of the fuel cell communicate with each other so as to form a circulation system for supplying the cathode off-gas discharged from the cathode of the fuel cell to the cathode again; A valve capable of switching between a cut-off state in which the inlet side of the cathode and the outlet side of the cathode of the fuel cell are cut off so as not to form the circulation system;
With
When water is discharged from the predetermined path by the water discharging means, the valve is set to the shut-off state .

の発明は、第1の発明において、前記水分排出手段は、前記燃料電池の運転停止時に前記所定の経路から水分を排出することを特徴とする。 According to a second invention, in the first invention, the moisture discharging means discharges moisture from the predetermined path when the fuel cell is stopped.

の発明は、第1または第2の発明において、記水分排出手段は、前記カソードガスを前記調圧弁に送るガス供給手段を更に含み、前記排出弁から前記カソードガスとともに水分を排出することを特徴とする。 The third invention is the first or second aspect of the invention, prior Symbol moisture discharging means further comprises a gas supply means for feeding the cathode gas to the pressure regulating valve, to discharge the water together with the cathode gas from the exhaust valve It is characterized by that.

第1の発明によれば、水分排出手段によって調圧弁を含む経路から水分を排出することができる。従って、調圧弁を含む経路内で水分が凍結してしまうことを抑止することができ、また水分によって調圧弁を含む経路内に腐食が発生してしまうことを抑止できる。これにより、調圧弁を確実に作動させることが可能となり、燃料電池システムの信頼性を高めることが可能となる。さらに、第1の発明によれば水分を排出する際に循環の機能を停止させることで、カソードオフガスに含まれる水分が循環されて調圧弁に送られてしまうことを抑止できる。従って、水分を排出している際に、調圧弁を含む経路に水分が送られてしまうことを抑止できる。 According to 1st invention, a water | moisture content can be discharged | emitted from the path | route containing a pressure regulation valve by a water | moisture-content discharge means. Therefore, it is possible to prevent the moisture from being frozen in the path including the pressure regulating valve, and it is possible to prevent the corrosion from occurring in the path including the pressure regulating valve due to the moisture. As a result, the pressure regulating valve can be reliably operated, and the reliability of the fuel cell system can be improved. Furthermore, according to the first invention, when the moisture is discharged, the circulation function is stopped, so that the moisture contained in the cathode off-gas can be prevented from being circulated and sent to the pressure regulating valve. Therefore, when moisture is discharged, it is possible to prevent moisture from being sent to the path including the pressure regulating valve.

の発明によれば、燃料電池の運転停止時に水分を排出するため、運転停止後のシステムの温度低下によって水分が凍結してしまうことを抑止できる。また、燃料電池の運転停止時に水分を排出するため、燃料電池作動中の調圧弁による圧力調整に影響が生じることを抑止できる。 According to the second invention, since water is discharged when the fuel cell is stopped, it is possible to prevent the water from freezing due to a temperature drop of the system after the operation is stopped. In addition, since water is discharged when the fuel cell is stopped, it is possible to prevent the pressure adjustment by the pressure regulating valve during operation of the fuel cell from being affected.

の発明によれば、ガス供給手段によって調圧弁にガスを送りながら排出弁を開くことで、調圧弁からガスとともに水分を排出することができる。 According to the third aspect of the present invention, moisture can be discharged together with the gas from the pressure regulating valve by opening the discharge valve while sending the gas to the pressure regulating valve by the gas supply means.

以下、図面に基づいてこの発明のいくつかの実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。   Several embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the element which is common in each figure, and the overlapping description is abbreviate | omitted. The present invention is not limited to the following embodiments.

実施の形態1.
図1は、本発明の一実施形態にかかる燃料電池システム10の構成を示す模式図である。本実施形態において、燃料電池12は固体高分子電解質膜を備えた燃料電池(PEMFC)であり、電解質膜、アノード、カソード、およびセパレータとから構成されるセルを複数積層して構成される。アノード、カソードの間には、水素ガスおよび酸化ガスの流路が形成されている。電解質膜は、フッ素系の固体高分子材料で形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。アノードおよびカソードは、共に炭素繊維を織成したカーボンクロスにより形成されている。また、アノードおよびカソードに供給したガスにイオン反応を生じさせる電極触媒は、例えば、白金(Pt)を担持したカーボンペーストを電解質膜の表面に塗布することで形成されている。セパレータは、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンなどガス不透過の導電性部材により形成されている。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell system 10 according to an embodiment of the present invention. In the present embodiment, the fuel cell 12 is a fuel cell (PEMFC) provided with a solid polymer electrolyte membrane, and is configured by stacking a plurality of cells including an electrolyte membrane, an anode, a cathode, and a separator. Between the anode and the cathode, a flow path for hydrogen gas and oxidizing gas is formed. The electrolyte membrane is a proton-conductive ion exchange membrane formed of a fluorine-based solid polymer material. Both the anode and the cathode are made of carbon cloth woven from carbon fibers. The electrode catalyst that causes an ionic reaction to the gas supplied to the anode and the cathode is formed, for example, by applying a carbon paste carrying platinum (Pt) on the surface of the electrolyte membrane. The separator is formed of a gas-impermeable conductive member such as dense carbon which is compressed by gas and impermeable to gas.

図1に示すように、燃料電池12には、アノードガス流路14及びカソードガス流路16が導入されている。アノードガス流路14は水素タンク18と接続されており、水素タンク18からアノードへ水素リッチなアノードガスが送られる。また、カソードガス流路16には空気ポンプ20が設けられており、空気ポンプ20の駆動によりカソードへ酸素を含む酸化ガスとしてのカソードガスが送られる。   As shown in FIG. 1, an anode gas channel 14 and a cathode gas channel 16 are introduced into the fuel cell 12. The anode gas flow path 14 is connected to a hydrogen tank 18, and hydrogen-rich anode gas is sent from the hydrogen tank 18 to the anode. In addition, an air pump 20 is provided in the cathode gas flow path 16, and cathode gas as an oxidizing gas containing oxygen is sent to the cathode by driving the air pump 20.

燃料電池12のアノードでは、アノードガスが送り込まれると、このアノードガス中の水素から水素イオンを生成し(H→2H+2e)、カソードは、カソードガスが送り込まれると、このカソードガス中の酸素から酸素イオンを生成し、燃料電池12内では電力が発生する。また、これと同時にカソードにおいて、上記の水素イオンと酸素イオンとから水が生成される((1/2)O+2H+2e→HO)。この水のほとんどは、燃料電池12内で発生する熱を吸収して水蒸気となり、カソードオフガス中に含まれて排出される。 In the anode of the fuel cell 12, when the anode gas is sent, hydrogen ions are generated from hydrogen in the anode gas (H 2 → 2H + + 2e ), and when the cathode gas is sent, the cathode Oxygen ions are generated from the oxygen and electric power is generated in the fuel cell 12. At the same time, water is generated from the hydrogen ions and oxygen ions at the cathode ((1/2) O 2 + 2H + + 2e → H 2 O). Most of this water absorbs the heat generated in the fuel cell 12 to become water vapor, which is contained in the cathode offgas and discharged.

アノードから排出されたアノードオフガスは、アノードオフガス流路21から排出される。アノードオフガス流路21には、アノードオフガスの排出量を調整する水素排出弁22が設けられている。また、水素排出弁22の下流には、アノードオフガス中の水素を希釈するための処理装置24が設けられている。   The anode off gas discharged from the anode is discharged from the anode off gas flow path 21. The anode off gas flow path 21 is provided with a hydrogen discharge valve 22 that adjusts the discharge amount of the anode off gas. Further, a processing device 24 for diluting hydrogen in the anode off-gas is provided downstream of the hydrogen discharge valve 22.

カソードから排出されたカソードオフガスは、カソードオフガス流路25に送られる。カソードオフガス流路25には空気調圧弁26が設けられている。空気調圧弁26の下流には、カソードオフガス流路25から分岐し、カソードガス流路16と接続された流路27が設けられている。カソードオフガスの一部は空気調圧弁26から流路27に送られ、カソードガス流路16に戻される。流路27には、カソードガス流路16に戻されるカソードオフガス量を調整する空気循環弁28が設けられている。このように、本実施形態のシステムは、カソードオフガスを循環させて燃料電池12のカソードへ送る循環系を備えている。   The cathode offgas discharged from the cathode is sent to the cathode offgas flow path 25. An air pressure regulating valve 26 is provided in the cathode off gas passage 25. A flow path 27 branched from the cathode off gas flow path 25 and connected to the cathode gas flow path 16 is provided downstream of the air pressure regulating valve 26. A part of the cathode off-gas is sent from the air pressure regulating valve 26 to the flow path 27 and returned to the cathode gas flow path 16. The flow path 27 is provided with an air circulation valve 28 that adjusts the amount of cathode off-gas returned to the cathode gas flow path 16. As described above, the system of this embodiment includes a circulation system that circulates the cathode off gas and sends it to the cathode of the fuel cell 12.

アノードガス流路14には調圧弁30が設けられている。調圧弁30には、カソードガス流路16から分岐した流路32が導入されており、カソードガスの一部が流路32から調圧弁30に送られる。   A pressure regulating valve 30 is provided in the anode gas flow path 14. A flow path 32 branched from the cathode gas flow path 16 is introduced into the pressure regulating valve 30, and a part of the cathode gas is sent from the flow path 32 to the pressure regulating valve 30.

調圧弁30は、流路32から送られたカソードガスの圧力に基づいて、アノードガスの圧力を調整する機能を有している。図2は、調圧弁30の構造の一例を示す断面図である。図2に示すように、調圧弁30の本体34の内部空間はダイヤフラム36によって上下に仕切られている。ダイヤフラム36よりも上側の空間は基準ガス室38を構成し、ダイヤフラム36よりも下側の空間はガス通路40を構成している。基準ガス室38には、流路32からカソードガスが導入される。また、ガス通路40にはアノードガス流路14からアノードガスが送られる。   The pressure regulating valve 30 has a function of adjusting the pressure of the anode gas based on the pressure of the cathode gas sent from the flow path 32. FIG. 2 is a cross-sectional view showing an example of the structure of the pressure regulating valve 30. As shown in FIG. 2, the internal space of the main body 34 of the pressure regulating valve 30 is partitioned up and down by a diaphragm 36. The space above the diaphragm 36 constitutes a reference gas chamber 38, and the space below the diaphragm 36 constitutes a gas passage 40. A cathode gas is introduced into the reference gas chamber 38 from the flow path 32. An anode gas is sent from the anode gas flow path 14 to the gas passage 40.

水素ガス通路40は、その中間部に弁座42を備えており、弁座42よりも上流側のガス通路40aには、水素ガス入口44からアノードガスが供給される。また、弁座42よりも下流側のガス通路40bは、ガス出口46を介してアノードガス流路14に接続されている。ダイヤフラム36は、ステム48によって連結され連動するように構成されており、ステム48はガス通路40a内に突出して、その先端に弁体50を備えている。弁体50はガス通路40a側から弁座42に着座離間可能とされており、弁体50が弁座42に着座するとガス通路40aとガス通路40bが遮断されて、調圧弁30は全閉状態となる。また、弁体50が弁座42から離間すると、ガス通路40aとガス通路40bが連通して、調圧弁30は開弁状態となる。なお、図2では、調圧弁30が全閉となった状態を示している。   The hydrogen gas passage 40 includes a valve seat 42 at an intermediate portion thereof, and an anode gas is supplied from a hydrogen gas inlet 44 to the gas passage 40 a upstream of the valve seat 42. Further, the gas passage 40 b on the downstream side of the valve seat 42 is connected to the anode gas passage 14 via the gas outlet 46. The diaphragm 36 is configured to be connected and interlocked by a stem 48. The stem 48 protrudes into the gas passage 40a and includes a valve body 50 at the tip thereof. The valve body 50 can be separated from the valve seat 42 from the gas passage 40a side. When the valve body 50 is seated on the valve seat 42, the gas passage 40a and the gas passage 40b are shut off, and the pressure regulating valve 30 is fully closed. It becomes. When the valve body 50 is separated from the valve seat 42, the gas passage 40a and the gas passage 40b communicate with each other, and the pressure regulating valve 30 is opened. FIG. 2 shows a state in which the pressure regulating valve 30 is fully closed.

また、基準ガス室38には、ダイヤフラム36をガス通路40に接近する方向に押し付けるバイアス設定用のスプリング52が設置されており、スプリング52は、ダイヤフラム36およびステム48を介して、弁体50を弁座42から離間する方向に付勢する。   The reference gas chamber 38 is provided with a bias setting spring 52 that presses the diaphragm 36 in a direction approaching the gas passage 40, and the spring 52 allows the valve body 50 to pass through the diaphragm 36 and the stem 48. Biasing is performed in a direction away from the valve seat 42.

このように構成された調圧弁30によれば、ガス通路40b内の水素ガスの圧力がダイヤフラム36の下面に作用するため、これに基づいてダイヤフラム36の下面に上向きの力が作用し、一方、基準ガス室38内の空気の圧力とスプリング52の押し付け力がダイヤフラム36の上面に作用するため、これに基づいてダイヤフラム36の上面に下向きの力が作用する。そして、ダイヤフラム36は上面に作用する力と下面に作用する力の差に支配されて動くこととなる。すなわち、ダイヤフラム36の下面に作用する力が上面に作用する力よりも大きいときにはダイヤフラム36に上向きの力が作用し、弁体50を弁座42に接近させる方向(すなわち閉弁方向)に作動させ、ダイヤフラム36の下面に作用する力が上面に作用する力よりも小さくなったときにはダイヤフラム36に下向きの力が作用し、弁体50を弁座42から離間させる方向(すなわち、開弁方向)に作動させる。   According to the pressure regulating valve 30 configured in this manner, the pressure of the hydrogen gas in the gas passage 40b acts on the lower surface of the diaphragm 36, and based on this, an upward force acts on the lower surface of the diaphragm 36, Since the pressure of the air in the reference gas chamber 38 and the pressing force of the spring 52 act on the upper surface of the diaphragm 36, a downward force acts on the upper surface of the diaphragm 36 based on this. The diaphragm 36 moves by being controlled by the difference between the force acting on the upper surface and the force acting on the lower surface. That is, when the force acting on the lower surface of the diaphragm 36 is larger than the force acting on the upper surface, an upward force acts on the diaphragm 36 to operate the valve body 50 in a direction approaching the valve seat 42 (that is, a valve closing direction). When the force acting on the lower surface of the diaphragm 36 becomes smaller than the force acting on the upper surface, a downward force acts on the diaphragm 36 in the direction in which the valve body 50 is separated from the valve seat 42 (ie, the valve opening direction). Operate.

このように、調圧弁30によれば、基準ガス室38内に供給されたカソードガスの圧力に基づいて燃料電池12へのアノードガスの供給状態を制御することができる。従って、スプリング52の押し付け力を適宜調整することで、燃料電池12に供給されるカソードガスの圧力とアノードガスの圧力の差圧を所望の値に調整することが可能となる。   Thus, according to the pressure regulating valve 30, the supply state of the anode gas to the fuel cell 12 can be controlled based on the pressure of the cathode gas supplied into the reference gas chamber 38. Accordingly, by appropriately adjusting the pressing force of the spring 52, the differential pressure between the pressure of the cathode gas and the pressure of the anode gas supplied to the fuel cell 12 can be adjusted to a desired value.

これにより、燃料電池12に供給されるカソードガスの圧力とアノードガスの圧力との圧力差を許容範囲内に設定することが可能となる。また、カソードガスの圧力とアノードガスの圧力が略一定となることが望まれるシステムにおいては、燃料電池12に供給されるカソードガスの圧力とアノードガスの圧力を略同一の値に設定することが可能となり、電解質膜の両側に供給されるカソードガス、アノードガスの圧力を同等にすることができる。従って、カソードガスとアノードガスの圧力差に起因して電解質膜に不具合が生じることを抑止でき、燃料電池12の信頼性を高めることが可能となる。   Thereby, the pressure difference between the pressure of the cathode gas supplied to the fuel cell 12 and the pressure of the anode gas can be set within an allowable range. In a system in which the pressure of the cathode gas and the pressure of the anode gas are desired to be substantially constant, the pressure of the cathode gas and the pressure of the anode gas supplied to the fuel cell 12 can be set to substantially the same value. Thus, the pressures of the cathode gas and the anode gas supplied to both sides of the electrolyte membrane can be made equal. Therefore, it is possible to suppress the occurrence of a problem in the electrolyte membrane due to the pressure difference between the cathode gas and the anode gas, and the reliability of the fuel cell 12 can be improved.

ところで、上述したように燃料電池12のカソードでは水分が生成されるため、カソードから排出されたカソードオフガスには水分が含まれている。従って、空気循環弁28によって水分を含むカソードオフガスをカソードガス流路16に戻すことで、燃料電池12に送るカソードガスを予め加湿することができ、燃料電池12における反応効率を高めることができる。   Incidentally, as described above, since moisture is generated at the cathode of the fuel cell 12, the cathode off-gas discharged from the cathode contains moisture. Therefore, the cathode gas sent to the fuel cell 12 can be humidified in advance by returning the cathode off-gas containing moisture to the cathode gas flow path 16 by the air circulation valve 28, and the reaction efficiency in the fuel cell 12 can be improved.

一方、カソードガスは流路32から調圧弁30に送られるため、カソードオフガスに含まれていた水分は流路32から調圧弁30にも送られる。この場合、調圧弁30の信号室38内に水分が溜まり、氷点下時に水分が凍結して調圧弁30の機能に支障が生じる場合がある。また、水分によって調圧弁30を構成する部品、流路32の配管等が腐食することも想定される。   On the other hand, since the cathode gas is sent from the flow path 32 to the pressure regulating valve 30, the moisture contained in the cathode off gas is also sent from the flow path 32 to the pressure regulating valve 30. In this case, moisture accumulates in the signal chamber 38 of the pressure regulating valve 30, and the water freezes when the temperature is below freezing, which may impair the function of the pressure regulating valve 30. It is also assumed that the components constituting the pressure regulating valve 30 and the piping of the flow path 32 are corroded by moisture.

このため、本実施形態のシステムでは、図2に示すように、基準ガス室38から水分を排出するための排出弁54を設けている。そして、空気ポンプ20を作動させた状態で排出弁54を開くことで、流路32内、および基準ガス室38から空気、水分を強制的に排出することができる。これにより、流路32、基準ガス室38に水分が溜まってしまうことを抑止でき、腐食、凍結等の発生を抑止できる。   For this reason, in the system of the present embodiment, as shown in FIG. 2, a discharge valve 54 for discharging moisture from the reference gas chamber 38 is provided. Then, by opening the discharge valve 54 with the air pump 20 activated, air and moisture can be forcibly discharged from the flow path 32 and the reference gas chamber 38. Thereby, it can suppress that a water | moisture content accumulates in the flow path 32 and the reference | standard gas chamber 38, and generation | occurrence | production of corrosion, freezing, etc. can be suppressed.

排出弁54を開くタイミングは、例えば燃料電池システム10の停止時とすることが好適であり、システムの停止時に、空気ポンプ20を作動させた状態で排出弁54を開くようにする。これにより、システムの停止時に流路32、調圧弁30内に残留している水分を排出することができ、システム停止後に水分が凍結してしまうことを抑止できる。また、通常の運転時には排出弁54を閉じておくことで、調圧弁30の機能を発揮させることができる。   The timing for opening the discharge valve 54 is preferably, for example, when the fuel cell system 10 is stopped. When the system is stopped, the discharge valve 54 is opened while the air pump 20 is operated. Thereby, the water | moisture content which remains in the flow path 32 and the pressure regulation valve 30 at the time of a system stop can be discharged | emitted, and it can suppress that a water | moisture content freezes after a system stop. Further, by closing the discharge valve 54 during normal operation, the function of the pressure regulating valve 30 can be exhibited.

また、システムの起動時に排出弁54を開くようにしても良い。この場合、システムの起動時に、空気ポンプ20を作動させた状態で排出弁54を開くようにする。これにより、通常運転を始める前に流路32、基準ガス室38から水分を排出することができる。   Further, the discharge valve 54 may be opened when the system is activated. In this case, when the system is started, the discharge valve 54 is opened while the air pump 20 is operated. Thereby, moisture can be discharged from the flow path 32 and the reference gas chamber 38 before starting normal operation.

排出弁54を開いて水分を排出する際には、空気循環弁28を閉じておくことが好適である。これにより、カソードオフガス中の水分がカソードガス流路16から流路32、調圧弁30に供給されてしまうことを抑止でき、乾燥した空気のみを調圧弁30に送ることができる。従って、流路32、基準ガス室38から確実に水分を排出することができる。   When opening the discharge valve 54 and discharging water, it is preferable to close the air circulation valve 28. Thereby, it can suppress that the water | moisture content in cathode off gas is supplied to the flow path 32 and the pressure regulation valve 30 from the cathode gas flow path 16, and only the dry air can be sent to the pressure regulation valve 30. Therefore, moisture can be reliably discharged from the flow path 32 and the reference gas chamber 38.

このように、本実施形態のシステムでは、排出弁54を開くことで流路32、調圧弁30の掃気を行い、水分を排出することができるため、水分を含む湿潤ガスであっても積極的に調圧弁30に送ることが可能となる。従って、燃料電池12に供給される直前の、水分を含んだ状態のカソードガスを基準ガスとして調圧弁30に送ることができる。これにより、調圧弁30に送られたカソードガスと、燃料電池12に供給されたカソードガスとの間に生じる圧力損失、時間遅れを最小限に抑えることができ、燃料電池12に供給されたカソードガスとほぼ同一の圧力を有するガスに基づいてアノードガスの圧力を調整することができる。従って、燃料電池12内におけるカソードガスとアノードガスの差圧をより高い精度で制御することができる。   As described above, in the system according to the present embodiment, by opening the discharge valve 54, the flow path 32 and the pressure regulating valve 30 can be scavenged and the water can be discharged. Can be sent to the pressure regulating valve 30. Therefore, the cathode gas containing water just before being supplied to the fuel cell 12 can be sent to the pressure regulating valve 30 as the reference gas. As a result, the pressure loss and time delay generated between the cathode gas sent to the pressure regulating valve 30 and the cathode gas supplied to the fuel cell 12 can be minimized, and the cathode supplied to the fuel cell 12 can be minimized. The pressure of the anode gas can be adjusted based on a gas having approximately the same pressure as the gas. Therefore, the differential pressure between the cathode gas and the anode gas in the fuel cell 12 can be controlled with higher accuracy.

図3は、カソードガスを加湿するための加湿器56を備えたシステムに本発明を適用した例を示す模式図である。図3のシステムでは、カソードガス流路16の空気ポンプ20の下流に加湿器56が設けられている。加湿器56にはカソードオフガスの流路25が導入されており、カソードオフガス中の水分は、加湿器56によってカソードガス流路16に送られ、カソードガスが加湿される。また、図3のシステムでは、カソードガス流路16から分岐して、加湿器56をバイパスするバイパス流路17と、バイパス流路17へのガス流を制御する三方弁19が設けられている。その他の構成は図1のシステムと同様である。   FIG. 3 is a schematic diagram showing an example in which the present invention is applied to a system including a humidifier 56 for humidifying the cathode gas. In the system of FIG. 3, a humidifier 56 is provided downstream of the air pump 20 in the cathode gas flow path 16. A cathode off-gas channel 25 is introduced into the humidifier 56, and moisture in the cathode off-gas is sent to the cathode gas channel 16 by the humidifier 56 to humidify the cathode gas. Further, in the system of FIG. 3, a bypass passage 17 that branches from the cathode gas passage 16 and bypasses the humidifier 56, and a three-way valve 19 that controls the gas flow to the bypass passage 17 are provided. Other configurations are the same as those of the system of FIG.

図3のシステムでは、通常の運転時には、カソードガスが空気ポンプ20から加湿器56に送られるように三方弁19の状態が設定される。一方、排出弁54を開いて調圧弁30、流路32から水分を排出する場合は、カソードガスがバイパス流路17に流れるように三方弁19の状態が設定される。これにより、水分を排出する際に、加湿器56から水分を含むガスが流路32、調圧弁30に送られてしまうことを抑止でき、流路32、調圧弁30から確実に水分を排出することができる。   In the system of FIG. 3, the state of the three-way valve 19 is set so that the cathode gas is sent from the air pump 20 to the humidifier 56 during normal operation. On the other hand, when the discharge valve 54 is opened to discharge moisture from the pressure regulating valve 30 and the flow path 32, the state of the three-way valve 19 is set so that the cathode gas flows into the bypass flow path 17. Thereby, when discharging | emitting water | moisture content, it can suppress that the gas containing a water | moisture content is sent to the flow path 32 and the pressure regulation valve 30 from the humidifier 56, and water | moisture content is discharged | emitted reliably from the flow path 32 and the pressure regulation valve 30. be able to.

このように、カソードガス循環系の代わりに加湿器56を備えたシステムにおいて、調圧弁30を含む経路から水分を排出する排出弁54を設けても良い。これにより、水分による腐食、凍結の発生を抑止することができる。   Thus, in a system including the humidifier 56 instead of the cathode gas circulation system, a discharge valve 54 that discharges moisture from a path including the pressure regulating valve 30 may be provided. Thereby, the occurrence of corrosion and freezing due to moisture can be suppressed.

なお、図4に示すように、カソードオフガス流路25にバイパス流路64、三方弁66を設けても良い。この場合、排出弁54を開いて調圧弁30、流路32から水分を排出する場合は、カソードオフガスがバイパス流路64側に流れ、加湿器56に流れないように三方弁66の状態を設定する。これにより、加湿器56からカソードガス流路16への水分の供給を停止させることができ、図3の場合と同様に、水分を含むガスが加湿器56から流路32、調圧弁30に送られてしまうことを抑止できる。   As shown in FIG. 4, a bypass flow path 64 and a three-way valve 66 may be provided in the cathode off gas flow path 25. In this case, when the discharge valve 54 is opened and water is discharged from the pressure regulating valve 30 and the flow path 32, the state of the three-way valve 66 is set so that the cathode off gas flows to the bypass flow path 64 side and does not flow to the humidifier 56. To do. As a result, the supply of moisture from the humidifier 56 to the cathode gas channel 16 can be stopped, and the gas containing moisture is sent from the humidifier 56 to the channel 32 and the pressure regulating valve 30 as in the case of FIG. Can be prevented.

なお、図3及び図4にシステムにおいて、バイパス流路17,64を設けることなく、流路32から調圧弁30へカソードガスを送った場合であっても、排出弁54を開くことで調圧弁30を含む経路から水分を排出することは可能である。従って、図3及び図4において、バイパス流路17,64、三方弁19,66を設けることなくシステムを構成しても良い。   3 and 4, even if the cathode gas is sent from the flow path 32 to the pressure regulating valve 30 without providing the bypass flow paths 17 and 64, the pressure regulating valve is opened by opening the discharge valve 54. It is possible to drain moisture from the path containing 30. Therefore, in FIGS. 3 and 4, the system may be configured without providing the bypass channels 17 and 64 and the three-way valves 19 and 66.

図5は、アノードガスを調圧弁30の基準ガス室38に導入し、アノードガスの圧力に基づいてカソードガスの供給を制御するシステムを示している。このシステムでは、アノードオフガス流路21とアノードガス流路14を流路58で接続し、流路58に設けたポンプ60によってアノードオフガスをアノードガス流路14へ戻し、燃料電池12のアノードへ供給する循環系を構成している。   FIG. 5 shows a system in which the anode gas is introduced into the reference gas chamber 38 of the pressure regulating valve 30 and the supply of the cathode gas is controlled based on the pressure of the anode gas. In this system, the anode off gas passage 21 and the anode gas passage 14 are connected by a passage 58, and the anode off gas is returned to the anode gas passage 14 by a pump 60 provided in the passage 58 and supplied to the anode of the fuel cell 12. Constitutes a circulating system.

このように、本実施形態のシステムは、アノードオフガスを循環させてアノードガス利用効率を高めるアノード循環系燃料電池システムや、燃料電池に供給した燃料ガスを燃料電池内部に留めることにより燃料ガスの利用効率を高めるアノードデッドエンド式の燃料電池システム等に適用可能である。   As described above, the system of the present embodiment uses the anode circulation system fuel cell system for increasing the anode gas utilization efficiency by circulating the anode off gas, and the use of the fuel gas by keeping the fuel gas supplied to the fuel cell inside the fuel cell. The present invention can be applied to an anode dead end type fuel cell system for improving efficiency.

そして、図5のシステムでは、アノードガス流路14から分岐する流路62を設け、流路62を調圧弁30の基準ガス室38へ導入している。一方、カソードガス流路16は調圧弁30のガス流路40に導入されている。従って、基準ガス室38に送られたアノードガスの圧力に基づいて、燃料電池12に供給されるカソードガスの圧力を所望の値に調整することができる。   In the system of FIG. 5, a flow path 62 branched from the anode gas flow path 14 is provided, and the flow path 62 is introduced into the reference gas chamber 38 of the pressure regulating valve 30. On the other hand, the cathode gas channel 16 is introduced into the gas channel 40 of the pressure regulating valve 30. Therefore, the pressure of the cathode gas supplied to the fuel cell 12 can be adjusted to a desired value based on the pressure of the anode gas sent to the reference gas chamber 38.

燃料電池12に供給されるアノードガス中にも水分が含まれる場合があり、アノードガスを調圧弁30の基準ガス室38に供給した場合、カソードガスを基準ガス室38に供給した場合と同様に腐食、凍結等が生じる場合がある。図5のシステムにおいても、調圧弁30から水分を排出する排出弁54を設けることで、アノードガス中に含まれる水分によって流路62内、調圧弁30内に腐食、凍結等が生じてしまうことを抑止できる。   The anode gas supplied to the fuel cell 12 may also contain moisture. When the anode gas is supplied to the reference gas chamber 38 of the pressure regulating valve 30, the cathode gas is supplied to the reference gas chamber 38 in the same manner as when the cathode gas is supplied to the reference gas chamber 38. Corrosion, freezing, etc. may occur. In the system of FIG. 5 as well, by providing the discharge valve 54 that discharges moisture from the pressure regulating valve 30, the moisture contained in the anode gas causes corrosion, freezing, and the like in the flow path 62 and the pressure regulating valve 30. Can be suppressed.

図5の例では、排出弁54の下流に処理装置64を設けている。処理装置64は、排出弁54から排出されたアノードガス中の水素がそのまま大気中に排出されてしまうことを回避するため、所定の処理を行う装置である。排出弁54から排出された水素ガスは、処理装置64によって希釈等の処理が成された後、大気に排出される。   In the example of FIG. 5, a processing device 64 is provided downstream of the discharge valve 54. The processing device 64 is a device that performs a predetermined process in order to avoid that hydrogen in the anode gas discharged from the discharge valve 54 is discharged into the atmosphere as it is. The hydrogen gas discharged from the discharge valve 54 is subjected to processing such as dilution by the processing device 64 and then discharged to the atmosphere.

図6は、図5のシステムにおいて、処理装置24と処理装置64を共通に構成した例を示している。図5のシステムによれば、アノードガス中の水素を処理する装置が1つで済むため、燃料電池システム10を簡素に構成することができる。なお、図5及び図6の例では、アノードガスを循環させる循環系を備えたシステムを例示しているが、図1と同様にアノードガスを循環させずに排気しても良い。   FIG. 6 shows an example in which the processing device 24 and the processing device 64 are configured in common in the system of FIG. According to the system shown in FIG. 5, the fuel cell system 10 can be simply configured because only one device is required to process hydrogen in the anode gas. 5 and 6 exemplifies a system including a circulation system for circulating the anode gas, but the anode gas may be exhausted without being circulated similarly to FIG.

以上説明したように本実施形態によれば、調圧弁30から水分を排出するための排出弁54を設けたため、調圧弁30、流路32を含む経路に溜まった水分を確実に排出することが可能となる。従って、流路32内、調圧弁30内で水分が凍結してしまうことを抑止することができ、また水分によって腐食が発生してしまうことを抑止できる。これにより、調圧弁30を確実に作動させることができ、燃料電池システム10の信頼性を高めることが可能となる。   As described above, according to the present embodiment, since the discharge valve 54 for discharging moisture from the pressure regulating valve 30 is provided, the water accumulated in the path including the pressure regulating valve 30 and the flow path 32 can be surely discharged. It becomes possible. Therefore, it is possible to prevent moisture from freezing in the flow path 32 and the pressure regulating valve 30, and it is possible to prevent corrosion due to moisture. Thereby, the pressure regulating valve 30 can be reliably operated, and the reliability of the fuel cell system 10 can be improved.

本発明の一実施形態にかかる燃料電池システムの構成を示す模式図である。It is a mimetic diagram showing the composition of the fuel cell system concerning one embodiment of the present invention. 調圧弁の構造の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the structure of a pressure regulation valve. カソードガスを加湿するための加湿器を備えたシステムに本発明を適用した例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the example which applied this invention to the system provided with the humidifier for humidifying cathode gas. カソードオフガス流路にバイパス流路、三方弁を設けた例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the example which provided the bypass flow path and the three-way valve in the cathode offgas flow path. アノードガスを調圧弁の基準ガス室に導入し、アノードガスの圧力に基づいてカソードガスの供給を制御するシステムを示す模式図である。It is a schematic diagram showing a system for introducing an anode gas into a reference gas chamber of a pressure regulating valve and controlling the supply of cathode gas based on the pressure of the anode gas. 図5のシステムにおいて、水素の処理装置を共通に構成した例を示す模式図である。FIG. 6 is a schematic diagram illustrating an example in which hydrogen treatment apparatuses are configured in common in the system of FIG. 5.

符号の説明Explanation of symbols

10 燃料電池システム
12 燃料電池
20 空気ポンプ
24,64 処理装置
27 流路
28 空気循環弁
30 調圧弁
32,62 流路
38 基準ガス室
54 排出弁
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fuel cell system 12 Fuel cell 20 Air pump 24,64 Processing device 27 Flow path 28 Air circulation valve 30 Pressure regulating valve 32, 62 Flow path 38 Reference gas chamber 54 Discharge valve

Claims (3)

アノードに水素を含むアノードガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含むカソードガスの供給を受けて、発電を行う燃料電池と、
前記カソードガスが導入される基準ガス室を有し前記カソードガスの圧力に基づいて前記アノードガスの圧力を調整する調圧弁と、
前記調圧弁の前記基準ガス室少なくとも含む所定の経路に備えられた排出弁を有し、当該排出弁を介して前記所定の経路から水分を排出する水分排出手段と、
前記燃料電池の前記カソードから排出されたカソードオフガスを再び前記カソードへ供給する循環系を形成するように前記燃料電池の前記カソードの入口側と前記カソードの出口側とを連通させた連通状態と、前記循環系を形成しないように前記燃料電池の前記カソードの入口側と前記カソードの出口側とを遮断した遮断状態と、を切り換え可能な弁と、
を備え、
前記水分排出手段によって前記所定の経路から水分を排出する際には、前記弁を前記遮断状態とすることを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell that receives an anode gas containing hydrogen at the anode and a cathode gas containing oxygen at the cathode to generate power; and
A pressure regulating valve having a reference gas chamber into which the cathode gas is introduced and adjusting the pressure of the anode gas based on the pressure of the cathode gas ;
A water discharge means having a discharge valve provided in a predetermined path including at least the reference gas chamber of the pressure regulating valve , and discharging water from the predetermined path via the discharge valve ;
A communication state in which the cathode inlet side and the cathode outlet side of the fuel cell communicate with each other so as to form a circulation system for supplying the cathode off-gas discharged from the cathode of the fuel cell to the cathode again; A valve capable of switching between a cut-off state in which the inlet side of the cathode and the outlet side of the cathode of the fuel cell are cut off so as not to form the circulation system;
With
The fuel cell system according to claim 1, wherein when the moisture is discharged from the predetermined path by the moisture discharging means, the valve is in the shut-off state .
記水分排出手段は、前記燃料電池の運転停止時に前記所定の経路から水分を排出す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。 Before Symbol water discharge means, the fuel cell system according to claim 1, characterized in that for discharging water from said predetermined path during operation stop of the fuel cell. 記水分排出手段は、前記カソードガスを前記調圧弁に送るガス供給手段を更に含み、
前記排出弁から前記カソードガスとともに水分を排出することを特徴とする請求項1または2に記載の燃料電池システム。
Before SL moisture discharging means further comprises a gas supply means for feeding the cathode gas to the pressure regulating valve,
The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein moisture is discharged together with the cathode gas from the discharge valve.
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