JP5082790B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池システムに係り、特に、燃料電池スタックから排出されたアノードオフガスおよびカソードオフガスを混合希釈して排気する希釈器を有する燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system having a diluter that mixes and dilutes anode offgas and cathode offgas discharged from a fuel cell stack.
近年、環境に与える影響が少ないことから、自動車または車両に燃料電池スタックの搭載が試行されている。燃料電池スタックは、例えば燃料電池のアノード側に水素等の燃料ガスを供給し、カソード側に酸素を含む酸化剤ガス、例えば空気を供給し、電解質膜を通しての電気化学反応によって必要な電力を取り出すものである。 In recent years, since there is little influence on the environment, an attempt has been made to mount a fuel cell stack on an automobile or vehicle. The fuel cell stack supplies, for example, a fuel gas such as hydrogen to the anode side of the fuel cell, supplies an oxidant gas containing oxygen, such as air, to the cathode side, and takes out necessary power by an electrochemical reaction through the electrolyte membrane. Is.
カソード側に供給された酸化剤ガスが燃料電池スタックから排出される際のカソードオフガスには、電気化学反応によって生じた反応生成水が含まれる。一方、アノード側に供給された燃料ガスが燃料電池スタックから排出される際のアノードオフガスにも、電解質膜を通過してきた反応生成水が含まれることになる。 The cathode offgas when the oxidant gas supplied to the cathode side is discharged from the fuel cell stack includes reaction product water generated by an electrochemical reaction. On the other hand, the reaction product water that has passed through the electrolyte membrane is also included in the anode off-gas when the fuel gas supplied to the anode side is discharged from the fuel cell stack.
アノードオフガスは、燃料電池スタックのアノードオフガス出口と希釈器とを接続する配管の途上に設けられたパージ弁を所定のタイミングで開弁することによって希釈器に送られる。カソードオフガスもまた、配管を介して燃料電池から希釈器に送られる。そして、希釈器内において、アノードオフガスは、カソードオフガスと混合されて希釈されてから、外部に排出される。このとき、カソードオフガスおよびアノードオフガスにそれぞれ含まれる反応生成水も一緒に排出される。 The anode off gas is sent to the diluter by opening a purge valve provided in the middle of a pipe connecting the anode off gas outlet of the fuel cell stack and the diluter at a predetermined timing. Cathode off-gas is also sent from the fuel cell to the diluter via piping. In the diluter, the anode off gas is mixed with the cathode off gas, diluted, and then discharged to the outside. At this time, the reaction product water contained in each of the cathode offgas and the anode offgas is also discharged together.
例えば、特許文献1には、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインと、燃料電池から排燃料ガス(アノードオフガス)を排出する排燃料ガスラインとに開閉弁をそれぞれ設け、燃料電池の作動停止時にこれらの開閉弁を閉じるようにした燃料電池システムが開示されている。 For example, in Patent Document 1, an open / close valve is provided in each of a fuel gas supply line for supplying fuel gas to a fuel cell and an exhaust fuel gas line for discharging exhaust fuel gas (anode offgas) from the fuel cell. A fuel cell system is disclosed in which these on-off valves are closed when operation is stopped.
しかしながら、上記特許文献1に開示される燃料電池システムでは、排燃料ガスを希釈して排出する希釈器を有していないこともあって、燃料電池作動時に排燃料ガスラインに設けた開閉弁が開放状態で故障した場合には、供給ライン上の開閉弁よりも下流側の燃料ガス流路(燃料電池内の流路を含む)に存在する高濃度の燃料ガスがそのままシステム外に排出されてしまうおそれがある。 However, the fuel cell system disclosed in Patent Document 1 does not have a diluter that dilutes and discharges the exhaust fuel gas, and therefore an on-off valve provided in the exhaust fuel gas line when the fuel cell is operated is provided. When a failure occurs in the open state, the high-concentration fuel gas present in the fuel gas flow path (including the flow path in the fuel cell) on the downstream side of the on-off valve on the supply line is directly discharged out of the system. There is a risk that.
そこで、本発明の目的は、アノードオフガスをカソードオフガスで希釈して排気する希釈器を有する燃料電池システムにおいて、アノードオフガスに含まれる高濃度燃料ガスがシステム外に排気されるのを防止できる燃料電池システムを提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a fuel cell system having a diluter that dilutes anode off gas with cathode off gas and exhausts the fuel cell, which can prevent high concentration fuel gas contained in anode off gas from being exhausted outside the system. To provide a system.
本発明に係る燃料電池システムは、アノード側に供給される燃料ガスとカソード側に供給される酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、燃料電池から排出されたアノードオフガスおよびカソードオフガスを混合希釈して排気する希釈器と、燃料電池と希釈器との間のアノードオフガス流路に設けられた開閉弁と、希釈器に対して排気方向下流側に設けられた排気遮断弁と、前記希釈器に対して前記排気方向の下流側に設けられ、前記アノードオフガスおよび前記カソードオフガスに含まれる水を回収して前記酸化剤ガスの加湿に利用する加湿器と、開閉弁が開放状態で動作不良になったときに排気遮断弁を閉弁する制御を実行する制御部と、を備えている。 A fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between a fuel gas supplied to the anode side and an oxidant gas supplied to the cathode side, and an anode off-gas and a cathode off-gas discharged from the fuel cell. a diluter for exhausting by mixing dilute, and on-off valve provided in the anode off-gas flow path between the fuel cell and the diluter, and provided in the exhaust downstream side of the dilution vessel exhaust cutoff valve A humidifier that is provided downstream of the diluter in the exhaust direction and collects water contained in the anode off-gas and the cathode off-gas and uses it to humidify the oxidant gas, and an open / close valve is open. And a control unit that executes control to close the exhaust shut-off valve when an operation failure occurs.
この構成によれば、排気遮断弁を希釈器の排気方向下流側に設置し、開閉弁が開放状態で動作不良になったときに排気遮断弁を閉弁することで、高濃度の燃料ガスがそのままシステム外に排気されてしまうのを防止することができる。 According to this configuration, the exhaust cutoff valve is installed on the downstream side of the diluter in the exhaust direction, and the exhaust cutoff valve is closed when the on-off valve is open and malfunctions, so that high concentration fuel gas is generated. It is possible to prevent exhausting out of the system as it is.
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、燃料電池のカソード側に酸化剤ガスを供給するガス供給機をさらに備え、制御部は、排気遮断弁の閉弁後にガス供給機の回転数を増加させる制御を実行することが好ましい。 The fuel cell system according to the present invention further includes a gas supply device that supplies an oxidant gas to the cathode side of the fuel cell, and the control unit increases the rotation speed of the gas supply device after the exhaust shut-off valve is closed. It is preferable to execute the control.
この構成によれば、排気遮断弁の閉弁によって希釈器内で昇圧したアノードオフガスがカソードオフガス流路を介して燃料電池に逆流してきたときに、ガス供給機の回転数増加によって燃料電池のカソード側に酸化剤ガスを強制供給することで、逆流アノードオフガス中の高濃度燃料ガスに対して反応用の酸化剤ガスを提供することができる。 According to this configuration, when the anode off-gas boosted in the diluter by closing the exhaust shut-off valve flows back to the fuel cell via the cathode off-gas channel, the cathode of the fuel cell is increased by increasing the rotation speed of the gas supply unit. By forcibly supplying the oxidant gas to the side, the oxidant gas for reaction can be provided for the high-concentration fuel gas in the backflow anode offgas.
さらに、本発明に係る燃料電池システムにおいて、燃料電池および希釈器間のカソードオフガス流路に設けられたガス調圧弁をさらに備え、制御部は、排気遮断弁の閉弁後にガス調圧弁の開度調節を実行することが好ましい。 Furthermore, the fuel cell system according to the present invention further includes a gas pressure regulating valve provided in a cathode off gas flow path between the fuel cell and the diluter, and the control unit opens the gas pressure regulating valve after closing the exhaust cutoff valve. It is preferable to carry out the adjustment.
この構成によれば、排気遮断弁の閉弁によって希釈器内で昇圧したアノードオフガスがカソードオフガス流路を介して燃料電池へ向かって逆流する際に、ガス調圧弁の開度調節を行うことにより逆流アノードオフガスに含まれる高濃度燃料ガスを、燃料電池に供給される反応用酸化剤ガスに見合った量に抑えることができる。その結果、逆流した高濃度燃料ガスが燃料電池内を吹き抜けて大気放出されてしまうのを防止できる。 According to this configuration, when the anode off-gas boosted in the diluter by closing the exhaust shut-off valve flows backward toward the fuel cell through the cathode off-gas flow path, the opening of the gas pressure regulating valve is adjusted. The high-concentration fuel gas contained in the backflow anode offgas can be suppressed to an amount commensurate with the reaction oxidant gas supplied to the fuel cell. As a result, it is possible to prevent the backflowed high-concentration fuel gas from being blown through the fuel cell and released into the atmosphere.
以下に、図面を用いて本発明に係る実施の形態について詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料等は、本発明の理解を容易にするための一例であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。 Embodiments according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. In this description, specific shapes, materials, and the like are examples for facilitating the understanding of the present invention, and can be appropriately changed in accordance with the application, purpose, specifications, and the like.
図1は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム10の概略構成を示す図である。燃料電池システム10は、燃料電池としての燃料電池スタック12、パージ弁(開閉弁)14、エア調圧弁(ガス調圧弁)16、希釈器18、エア遮断弁(排気遮断弁)28、および制御部38等を含んで構成されている。
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a
燃料電池スタック12は、電解質膜の両側に触媒電極層を配置したMEA(Membrane Electrode Assembly)の両外側にセパレータを配置して挟持した単電池を複数個組み合わせて積層したものである。燃料電池スタック12は、アノード側に水素等の燃料ガスを供給し、カソード側に酸素を含む酸化剤ガス、例えば空気を供給し、電解質膜を通しての電気化学反応によって発電し、必要な電力を取り出す機能を有する。
The
燃料電池スタック12のアノード側のガス入口には、燃料タンク20からインジェクタ22を介して水素ガスが供給されるようにしてある。インジェクタ22は、燃料タンク20からの水素ガスを適当な圧力と流量に調整して噴出する機能を有する。インジェクタ22から燃料電池スタック12まで延びる配管24には、圧力計26が接続されている。圧力計26は、燃料電池スタック12に供給される水素ガスの圧力を検出するものである。
Hydrogen gas is supplied from a
燃料電池スタック12のアノード側出口は、アノードオフガス流路15を介して希釈器18に接続され、アノードオフガス流路15にはパージ弁14が設けられている。パージ弁14は、制御部38によって所定のタイミングで一時的に開状態に切り替え制御されるようにしてある。また、パージ弁14が閉状態にあるとき、アノード側出口から排出されたアノードオフガスは、例えばポンプである循環昇圧器27によって昇圧されて、燃料電池スタック12のアノード側入口に戻されて再利用されるようにしてある。このように循環するうちに、アノードオフガスでは、燃料ガスである水素が電気化学反応で消費されることで濃度が低下する一方、カソード側から電解質膜を通過してきた電気化学反応生成水や窒素が含まれてくることになる。希釈器18は、燃料電池スタック12から排出されてきた水素および水等を含むアノードオフガスを、燃料電池スタック12のカソード側出口から排出されたカソードオフガスと混合して希釈してから排気するものである。
The anode-side outlet of the
希釈器18は、排気方向下流側に設けられたエア遮断弁28を介して加湿器30に接続されている。希釈器18とエア遮断弁28間、または、エア遮断弁28と加湿器30間に、例えばゴムホース等の絶縁性配管で接続される部分を設けることで、燃料電池スタック12および希釈器18に対する電気的絶縁を採ることができる。エア遮断弁28が開状態にあるとき、希釈器18から排気された排ガスは、加湿器30を通過する際に、加湿器30に内蔵された多孔質体に生成水を受け渡した後、図示しない消音器(マフラとも称される。)を経由して外部に排出されることになる。
The
なお、本実施形態では、エア遮断弁28は、希釈器18と加湿器30との間に配置されているが、これに限定されるものではなく、排気方向に関して加湿器30の下流側に配置されてもよい。
In the present embodiment, the air shut-off
また、燃料電池システム10は、燃料電池スタック12のカソード側に供給する酸化剤ガス、例えば酸素の供給源としての酸化剤ガス源32を備えている。酸化剤ガス源32は、実際には酸素を含んだ大気を用いることができる。酸化剤ガス源32からの空気は、エアコンプレッサ(ガス供給機)34で昇圧された後、加湿器30を通過する際に適度に加湿されてから、燃料電池スタック12のカソード側入口に供給されるようにしてある。酸化剤ガス源32とエアコンプレッサ34との間には、流量計36が設置されている。流量計36は、燃料電池スタック12のカソード側に供給される空気量を検出するものである。
The
なお、図1に示される本実施形態では、燃料電池スタック12に対して酸化剤ガス源32およびエアコンプレッサ34を燃料タンク20と反対側に設けているが、これに限定されるものではなく、酸化剤ガス源32およびエアコンプレッサ34を燃料電池スタック12に対して燃料タンク20と同じ側に設置してもよい。このようにすれば、エアコンプレッサ34から加湿器30までのエア供給経路を短くできる利点がある。また、エアコンプレッサ34に代えて、例えばポンプなどの他のガス供給機を用いてもよい。
In the present embodiment shown in FIG. 1, the
燃料電池スタック12のカソード側出口は、カソードオフガス流路17を介して希釈器18に接続され、カソードオフガス流路17にはエア調圧弁16が設けられている。エア調圧弁16は、背圧弁とも呼ばれるが、カソード側出口のガス圧を調整して、燃料電池スタック12への空気の流量を調整する機能を有する弁で、例えばバタフライ弁のように流路の実効開口を調整できる弁を用いることができる。カソード側出口から排出されたカソードオフガスは、希釈器18においてアノードオフガスに含まれる水素濃度が所定濃度以下になるように薄めるための希釈ガスとして利用される。また、カソードオフガスには、燃料電池スタック12における電気化学反応によって生成された水蒸気や凝縮水が含まれている。
The cathode side outlet of the
制御部38は、燃料電池システム10全体の制御を行うもので、具体的にはCPUとメモリ等によって構成されることができる。また、制御部38は、自動車全体の電気的制御をつかさどる電子制御ユニット(ECU)の一部として構成されることができる。
The
制御部38には、圧力計26および流量計36から各検出信号が入力されるようになっている。また、制御部38からは、インジェクタ22の弁開閉制御信号、パージ弁14の開閉制御信号、エア調圧弁16の開度調節信号、エア遮断弁28の開閉制御信号、エアコンプレッサ34の回転数制御信号等が出力されるようになっている。
Each detection signal is input to the
次に、上述した構成からなる燃料電池システム10の動作および制御について説明する。燃料電池スタック12には、酸化剤ガス源32からエアコンプレッサ34によって昇圧された空気が加湿器30で適度に加湿された後、カソード側入口に供給される。一方、燃料タンク20から噴出した水素ガスは、インジェクタ22によって適当な圧力および流量に調節された後に、燃料電池スタック12のアノード側入口に供給される。燃料電池スタック12では、それぞれ供給された空気中の酸素と水素とが電解質膜を介しての電気化学反応により発電して電力が出力される。
Next, the operation and control of the
燃料電池スタック12のカソード側出口から排出されたカソードオフガスは、電気化学反応により生成された水を含んだ空気であり、エア調圧弁16を介して希釈器18に流入する。一方、燃料電池スタック12のアノード側出口から排出されたアノードオフガスは、未消費の水素と電気化学反応により生成された水等を含んだガスであり、パージ弁14が閉状態にある間は、循環昇圧器27によって昇圧されながらアノード側入口に再度供給されて循環する。そして、パージ弁14が所定のタイミングで一時的に開状態に切り替えられると、アノードオフガスはパージ弁14を介して希釈器18に流入する。
The cathode off gas discharged from the cathode side outlet of the
希釈器18において、アノードオフガスはカソードオフガスによって混合希釈されて排気される。アノードオフガスおよびカソードオフガスの混合気である排ガスは、エア遮断弁28経由で加湿器30に流入する。そこで排ガスに含まれる水は、内蔵された多孔質体に捕捉されて回収される。多孔質体に回収された水は、燃料電池スタック12に供給される空気の加湿に利用される。加湿器30を通過した排ガスは、消音器を介して外部に排出される。
In the
本実施の形態では、加湿器30を希釈器18の下流側に配置しているため、大きな加湿器30を燃料電池スタック12等の収容する燃料電池ケース(図示せず)に収容せずともよく、燃料電池ケースの高さ寸法を小さくすることができる。これにより、燃料電池ケースを車両床下部に省スペースで搭載するのに有利になる。
In the present embodiment, since the
また、何らかの原因で加湿器30内の多孔質体が乾燥してくると、排ガス中の水素が多孔質体を介してカソード側に供給される空気に混入するクロスリークが発生する可能性がある。その場合に、クロスリークした水素が空気と一緒に燃料電池スタック12のカソード側に供給されると触媒反応によって水が生成され、その水がカソードオフガスに含まれて希釈器18を介して加湿器30に到達して回収されることで、加湿器30の乾燥状態を応急的に軽減することができる。
In addition, when the porous body in the
図2は、制御部38において実行される制御フローチャートである。まず、パージ弁14の開故障、すなわち開弁状態で動作不良に陥っていないかを判定する(ステップS1)。この判定では、インジェクタ22の開弁時間に対して圧力計26による検出圧力が所定値Pに達しないときに、パージ弁14が開故障したと判定される。
FIG. 2 is a control flowchart executed by the
パージ弁14の開故障と判定されたとき、上記所定値Pと圧力計26による検出値との圧力差ΔP、および、希釈器18の内容積等に基づいて、水素ガスの漏れ量が算出される。また、同時に、水素ガスの漏れ量に対して、これを排気可能な程度まで希釈するのに必要なエア量が求められ、そのエア量を燃料電池スタック12のカソード側に供給するために必要となるエアコンプレッサ34の回転数が目標値として設定される。
When it is determined that the
パージ弁14が開故障したと判定されると、直ちにインジェクタ22を閉弁して燃料電池スタック12への水素ガス供給を停止するとともに、エア遮断弁28を閉弁する(ステップS2)。
If it is determined that the
パージ弁14が開故障したことで希釈器18に流入した高濃度の水素ガスは、エア遮断弁28が閉弁されて加湿器30側に流れることができないことから、希釈器18内で昇圧した状態になる。そのため、高濃度水素ガスは、希釈器18からカソードオフガス流路17およびエア調圧弁16を介して燃料電池スタック12のカソード側出口に向かって逆流することができる。そこで、エアコンプレッサ34の回転数を増加させる制御を実行する(ステップS3)。これにより、燃料電池スタック12のカソード側にエアを強制的に増加供給することで、逆流してきたアノードオフガス中の高濃度水素ガスに対して反応用の酸素を提供することができる。
The high-concentration hydrogen gas that has flowed into the
さらに、カソード側に供給されるエア流量に見合う逆流水素ガス流量となるようエア調節弁16の開度調節を行う(ステップS4)。これにより、逆流した高濃度水素ガスが燃料電池スタック12内を吹き抜けてエアコンプレッサ34を介して大気放出されるのを防止することができる。
Further, the opening degree of the
それから、エアコンプレッサ34の回転数が上記目標値になったか否かを判定し(ステップS5)、上記目標値に到達するまで上記ステップS3〜S5を繰り返し実行する。そして、エアコンプレッサ34の回転数が目標値に到達したと判定されると、エア遮断弁28を開弁して(ステップS6)、反応生成水および希釈水素ガスを含んだ空気からなるカソードオフガスを希釈器18および加湿器30を介して外部に排出する。
Then, it is determined whether or not the rotational speed of the
上述したように本実施形態の燃料電池システム10では、エア遮断弁28を希釈器18の排気方向下流側に設置し、パージ弁14の開故障が判定された場合にエア遮断弁28を閉弁することで、高濃度の水素ガスがそのままシステム外に排気されてしまうのを防止することができる。
As described above, in the
10 燃料電池システム、12 燃料電池スタック、14 パージ弁、15 アノードオフガス流路、16 エア調圧弁、17 カソードオフガス流路、18 希釈器、20 燃料タンク、22 インジェクタ、24 配管、26 圧力計、27 循環昇圧器、28 エア遮断弁、30 加湿器、32 酸化剤ガス源、34 エアコンプレッサ、36 流量計、38 制御部。
DESCRIPTION OF
Claims (3)
燃料電池のカソード側に酸化剤ガスを供給するガス供給機をさらに備え、制御部は、排気遮断弁の閉弁後にガス供給機の回転数を増加させる制御を実行することを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1, wherein
A fuel cell further comprising a gas supply device for supplying an oxidant gas to the cathode side of the fuel cell, wherein the control unit executes control to increase the rotation speed of the gas supply device after the exhaust shut-off valve is closed. system.
燃料電池および希釈器間のカソードオフガス流路に設けられたガス調圧弁をさらに備え、制御部は、排気遮断弁の閉弁後にガス調圧弁の開度調節を実行することを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1 or 2,
A fuel cell, further comprising a gas pressure regulating valve provided in a cathode off-gas flow path between the fuel cell and the diluter, wherein the control unit adjusts the opening of the gas pressure regulating valve after the exhaust cutoff valve is closed. system.
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