JP4592192B2

JP4592192B2 - Fuel cell system

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Publication number: JP4592192B2
Application number: JP2001010861A
Authority: JP
Inventors: 雅之橋本; 龍太郎福元; 俊宏谷
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2001-01-18
Filing date: 2001-01-18
Publication date: 2010-12-01
Anticipated expiration: 2021-01-18
Also published as: JP2002216822A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、移動体の動力源として燃料電池を利用する場合には、自立型の燃料電池システムを搭載する。その際、燃料電池本体だけでなく、ユーティリティー等の周辺システムを含む燃料電池システム全体を移動体内に搭載する必要がある。そのため、潜水船や自動車等の限られたスペースの移動体に燃料電池を組み込む場合、移動体内での燃料電池システムの占有する割合が高くなり、他の目的に用いるスペースが少なくなる傾向があるため、それを避けるためにシステムの小型化が行われている。しかし、電池性能の理論的限界や、搭載するガスの絶対量の制限等から、燃料電池システムの小型化には限界がある。
【０００３】
一方、操作性の問題から、電源として、ディスプレイ等の端末機器を介した作業や運転プログラムによる制御が可能な、全自動のシステムが求められている。特に、非常に狭い空間において燃料電池を設置する場合、各機器の配置が緻密になる。その場合、運転作業に手動操作や目視による確認等の作業があると、その作業に時間がかかり、作業効率が落ちる事が考えられる。
【０００４】
特に、潜水船のような海中の高圧下で航行する移動体では、周辺環境への影響の少ない周辺環境から独立した、自己完結型の電源システムが必要である。加えて、限られた船体の大きさから、省スペースかつ軽量な燃料電池システムが求められる。その状況においては、水分やガスの制御は重要な点となる。図６において、燃料電池内の水の循環系統について見てみる。これは、燃料電池の起動時における水素側及び酸素側の加湿を行うラインを示している。固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）においては、起動時に充分に電解質に水分を与えておく必要があるので、起動時に多くの水を使用する。しかし、起動後はそれらの水の大部分は不要となるので、海中での航行を開始する前に、余計な水を処分する事が望ましい。それにより、余計な水を貯蔵しておかなければならないタンク及び配管などの無駄なスペースを、除くことが可能となる。
【０００５】
図６においては、水を排出し、外部の貯蔵タンク２１１へ移している。水素側のラインは、水素導入用の手動弁２０１、水素加湿器２０３、水素側生成水タンク２０５、水素側生成水用手動弁２０７、水素側の可視化配管２０９、水素側排水タンク２１１、水素タンク２１３を具備する。また、酸素側のラインは、酸素導入用の手動弁２０２、酸素加湿器２０４、酸素側生成水タンク２０６、酸素側生成水用手動弁２０８、酸素側の可視化配管２１０、酸素側排水タンク２１２、酸素タンク２１４を具備する。ガスのラインは、燃料電池本体２１５に接続されている。
【０００６】
ここでは、水素側及び酸素側のどちらのラインも同様のプロセスなので、水素側についてのみ説明する。水素側では、起動時に最初に窒素が手動弁２０１を介してラインに供給される。そして、水素加湿器２０３に到達した窒素は、そこで加湿され、燃料電池本体２１５の燃料極側へ入る。そして、電解質（図示せず）を加湿したのち、未使用の水は水素加湿器２０３へリサイクルされる。起動途中から、窒素は水素に交換される。水素加湿器２０３の水は、起動時に水素側生成水タンク２０５から供給される。そして起動終了後に過剰となった分は、水素側生成水タンク２０５に戻される。
【０００７】
ここで、水素側生成水タンク２０５の容量を小さく抑えようとすると、出来るだけ不要な水分は除去する必要がある。手動弁２０７から先は、燃料電池本体２１５の定常運転（起動と停止との間の燃料電池が定常的に稼動されている運転状態）時には切り離すものとし、起動時に生成する水分の一部を、起動後に排出する。これまでは、その除去作業は、タンク内が加圧状態の為、慎重に行う必要があり、手動で行う必要があった。
【０００８】
図７を用いて説明する。ここでも、水素側及び酸素側のどちらのラインも同様のプロセスなので、水素側についてのみ説明する。水素側生成水タンク２０５中の水は、手動弁２０７を通して水素側排水タンク２１１へ排水される。その際、可視化配管２０９において、水素側生成水タンク２０５から水がほぼ無くなったことを示す気泡が確認されてから直ぐに手動弁２０７を閉じる必要があるため、自動化するのが困難であった。従って、起動プロセスを自動化することが困難であった。
【０００９】
図８に、具体的に起動プロセスを示す。ここでも、水素側及び酸素側のどちらのラインも同様のプロセスなので、水素側についてのみ説明する。まず、手動弁２０１を開き、水素側のラインに窒素を通気する（Ｓ２０１）。しかる後、水素側排水タンク２１１及び水素生成水タンク２０５を通して水素加湿器２０３へ水を供給する（Ｓ２０２）。電解質を加湿する為である。供給後、窒素を水素ガスに交換する（Ｓ２０３）。充分に電解質が加湿された後、手動弁２０１を閉じ、水素を水素タンク２１３から供給させる（Ｓ２０４）。次に、水ラインの手動弁２０７を微開とし（Ｓ２０５）、水素生成水タンク２０５の水を水素側排水タンク２１１へ排水する（Ｓ２０６）。その際、可視化配管２０９を操作員が監視し（Ｓ２０７）、水がほとんど無くなった兆候である気泡が確認されれば（Ｓ２０８）、手動弁２０７を閉じ（Ｓ２０９）、排水は終了する（Ｓ２１０）。そして、発電が開始される（Ｓ２１１）。この際、排水処理が自動化されず、操作員が可視化配管２０９を監視しなければならず、時間がかかり、かつ操作員が拘束される為作業効率も上がらない状態であった。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、燃料電池の起動及び停止を、燃料電池本体の側で行う必要の無い燃料電池システムを提供することにある。
【００１１】
本発明の別の目的としては、起動及び停止時に必要な材料や設備を燃料電池が保持する必要の無い燃料電池システムを提供することにある。
【００１２】
本発明の更に別の目的は、燃料電池が小型軽量、省スペースである燃料電池システムを提供することにある。
【００１３】
本発明の更に別の目的は、燃料電池を搭載した移動体の動力が節約できる燃料電池システムを提供することにある。
【００１４】
本発明の更に別の目的は、燃料電池の起動時間を短縮できる燃料電池システムを提供することにある。
【００１５】
本発明の更に別の目的は、燃料電池運転におけるマンパワーを節約し、作業効率を向上できる燃料電池システムを提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本課題を解決するための手段の項における、図番号、符号は、特許請求の範囲と発明の実施の形態との対応を示すために記したものであり、特許請求の範囲の解釈に用いてはならない。
【００１７】
上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、移動体（図１、１０）に搭載され、前記移動体（図１、１０）で用いられる燃料電池を有する燃料電池部（図１、２）と、前記燃料電池の起動時に前記燃料電池部（図１、２）に接続され、前記燃料電池の起動を支援する燃料電池支援部（図１、１）とを具備する。
【００１８】
また、本発明の燃料電池システムは、前記燃料電池支援部（図１、１）が、更に、前記燃料電池の停止時に前記燃料電池部（図１、２）に接続され、前記燃料電池の停止を支援する。
【００１９】
更に、本発明の燃料電池システムは、前記燃料電池部（図１、２）が、前記燃料電池の起動及び停止を制御する電池制御部（図１、５または図３、１１６）と、前記燃料電池に供給する水及び前記燃料電池で生成された水を保持するタンク（図２、１０５及び１０６）と、前記タンク（図２、１０５及び１０６）に接続された電磁弁（図２、１０７及び１０８）と、前記電磁弁（図２、１０７及び１０８）に接続され、前記タンク（図２、１０５及び１０６）内の水を排水する際に、前記タンク（図２、１０５及び１０６）内に前記水が無くなったことを検知するセンサ（図２、１０９及び１１０）とを具備し、前記電池制御部（図１、５または図３、１１６）は、前記タンク（図２、１０５及び１０６）から前記水を排水するように前記電磁弁（図２、１０７及び１０８）を制御し、前記センサ（図２、１０９及び１１０）が、前記電池制御部（図１、５または図３、１１６）の指示に基づいて前記水の検知を開始し、前記水が無くなった時点で終了信号を前記電池制御部（図１、５または図３、１１６）へ出力し、前記電池制御部（図１、５または図３、１１６）は、前記終了信号に基づいて、前記電磁弁（図２、１０７及び１０８）を閉止する。
【００２０】
更に、本発明の燃料電池システムは、前記燃料電池部（図１、２）は、前記移動体から取り外し可能である。
【００２１】
更に、本発明の燃料電池システムは、前記移動体（図１、１０）は、潜水船である。
【００２２】
上記課題を解決するために、本発明の燃料電池運転方法は、移動体（図１、１０）に搭載され、前記移動体（図１、１０）で用いる燃料電池を有する燃料電池部（図１、２）に、前記燃料電池部（図１、２）の起動を支援する第１の燃料電池支援部（図１、１）を接続するステップと、前記第１の燃料電池支援部（図１、１）により前記燃料電池部（図１、２）の起動を行うステップと、前記起動後に前記燃料電池部（図１、２）から前記第１の燃料電池支援部（図１、１）を取り外すステップと、前記燃料電池部（図１、２）に、前記燃料電池部（図１、２）の停止を支援する第２の燃料電池支援部（図１、１）を接続するステップと、前記第２の燃料電池支援部（図１、１）により前記燃料電池部（図１、２）の停止を行うステップと、前記燃料電池部（図１、２）内に生成した水を前記燃料電池部（図１、２）の外部へ排水を行うステップと、前記停止後に前記燃料電池部（図１、２）から前記第２の燃料電池支援部（図１、１）を取り外すステップとを具備する。
【００２３】
更に、本発明の燃料電池運転方法は、前記第１の燃料電池支援部（図１、１）により前記燃料電池部（図１、２）の起動を行うステップは、前記燃料電池部（図１、２）の燃料ガスのライン及び酸化剤ガスのラインに、前記第１の燃料電池支援部（図１、１）から窒素を導入するステップと、前記燃料ガスのライン及び前記酸化剤ガスのラインに流れるガスに対してを加湿するステップと、前記燃料ガスのラインに流れる前記窒素を、前記第１の燃料電池支援部（図１、１）からの水素に切り換えるステップと、前記酸化剤ガスのラインに流れる前記窒素を、前記第１の燃料電池支援部（図１、１）からの酸素に切り換えるステップと、前記燃料電池部（図１、２）内に生成した水を前記燃料電池部（図１、２）の外部へ排水を行うステップと、前記排水の終了後に、前記水素及び前記酸素を前記燃料電池部（図１、２）の内部の水素及び酸素に切り換えるステップとを具備する。
【００２４】
更に、本発明の燃料電池運転方法は、前記第２の燃料電池支援部（図１、１）により前記燃料電池部（図１、２）の停止を行うステップが、前記燃料電池部（図１、２）の内部の前記水素及び前記酸素を、前記第２の燃料電池支援部（図１、１）からの窒素に切り換えるステップと、前記加湿を終了するステップとを具備する。
【００２５】
更に、本発明の燃料電池運転方法は、前記第１の燃料電池支援部（図１、１）と前記第２の燃料電池支援部（図１、１）とが同一である。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明である燃料電池システムの一実施の形態に関して、添付図面を参照して説明する。
【００２７】
（実施例１）
本発明である燃料電池システムの第１の実施の形態を、図１を参照して説明する。
本実施例においては、支援母船に積載され、目的地の海洋上の領域にて水中で探査を行う潜水船に使用される燃料電池システムを例に示して説明するが、他の移動体に使用される燃料電池システムにおいても、適用可能である。
【００２８】
図１は、本実施例を示す構成図である。基地９（支援母船）に設置された燃料電池支援部１、及び移動体１０（潜水船）に搭載された燃料電池部２から成る。そして、燃料電池支援部１は、制御部３及び起動停止支援部４を具備する。また、燃料電池部２は、電池制御部５及び電池稼動部６を具備する。
移動体１０（潜水船）の燃料電池部２は、その起動時に基地９（支援母船）の燃料電池支援部１に接続され、支援を受けて、起動される。起動終了後、燃料電池部２は、燃料電池支援部１から切り離される。そして、移動体１０（潜水船）は、基地９（支援母船）から離れて、目的地へ移動し、各種任務の遂行等を行う。任務終了後、移動体１０（潜水船）は、基地９（支援母船）に帰還後に、その燃料電池部２を燃料電池支援部１に接続する。そして、燃料電池支援部１の支援を受けて、燃料電池部２の停止作業を行う。
燃料電池部２の起動及び停止を燃料電池支援部１に支援させる事により、移動体１０（潜水船）上の燃料電池部２に、起動及び停止に用いる機器やガス等を搭載するが必要が無くなる。従って、燃料電池部２の小型・軽量化を計ることが可能となる。
【００２９】
以下、図１を詳細に説明する。
まず、基地９側について説明する。基地９には、燃料電池支援部１がある。そして、燃料電池支援部１は、制御部３及び起動停止支援部４を具備し、更に、制御部３は、支援制御部７と支援端末８とを有する。
【００３０】
基地９は、港湾施設、小型船舶を積載した支援母船等である。本実施例においては、潜水船を積載し、目的の海洋上の領域まで輸送する支援母船である。
【００３１】
支援制御部７は、支援端末８の指示により、燃料電池部２の起動及び停止において、起動停止支援部４を制御し、起動及び停止の動作を支援する。
【００３２】
支援端末８は、燃料電池部２と支援制御部７との連携を取り、燃料電池部２の起動及び停止が円滑に行われるように制御を行う。又、起動及び停止のプロセスの進行状況、各運転パラメータ等を表示する。そしてそれらのデータを内部に保持し、各機器や部品等のメインテナンスに利用する。また、異常発生に対して迅速に対応できるように、異常の予兆の警告や異常の発生等を知らせる機能、それらの異常等に緊急に対処する（緊急にプロセスを中断あるいは終了する等）機能を有する。
【００３３】
起動停止支援部４は、燃料電池部２の起動及び停止に必要な各種設備である。具体的には、燃料ガス供給システム（水素、メタン、メタノール等の燃料ガスを供給）、酸化剤ガス供給システム（空気、酸素等の酸化剤ガスを供給）、純水供給システム（水を供給）、不活性ガス供給システム（起動及び停止時並びに緊急時に燃料ガスあるいは酸化剤ガスの代替用として不活性ガスを供給）、ガス予熱システム（供給するガスを、燃料電池部２の運転に支障が無い温度に昇温する）、圧力調整システム（供給するガスを、燃料電池部２の運転に支障が無い圧力に昇圧又は降圧する）、排ガス処理システム（燃料電池部２から排出される排ガスを環境に影響が無いガスに変換して排出する）、等である。そして、外部の燃料電池部２と接続可能である。
【００３４】
次に、移動体１０側について説明する。燃料電池部２は、移動体１０内にあり、電池制御部５及び電池稼動部６を具備する。
【００３５】
移動体１０は、本実施例では、基地９である支援母船に積載された潜水船である。潜水船は、動力源がコンパクトで周辺環境への影響の少ない自己完結型のものでなければならない。すなわち、海洋での運行中に外部に排水、排気ができないので、出来るだけ余分な水やガスを搭載しないようにする。従って、起動及び停止は支援母船上で行うので、起動及び停止専用の機器・設備やガス等を搭載していない。また、起動時に発生するガスや水を、運行開始前に排出出来るようになっている。
【００３６】
電池制御部５は、燃料電池支援部１の支援端末８の制御に基づいて、起動停止支援部４と連携を取りながら、電池稼動部６を制御し、燃料電池本体を含む電池稼動部６の起動及び制御を行う。又、起動終了後の電池稼動部６の定常運転時には、運転の各種制御を行うと共に、必要に応じて、移動体１０の制御部（図示せず）へ運転状況に関する情報を出力する。
【００３７】
電池稼動部６は、燃料電池本体を含み、更に燃料電池本体を運転するために必要な各種機器を備える。具体的には、燃料電池本体、温度調整システム（燃料電池本体、供給ガス／水の温度を調整する）、燃料ガス供給システム（水素を供給）、酸化剤ガス供給システム（酸素を供給）、純水供給システム（水を供給）、不活性ガス供給システム（緊急時に水素あるいは酸素の代替用として不活性ガスを供給）、ガス予熱システム（供給するガスを、燃料電池本体の運転に支障が無い温度に昇温する）、圧力調整システム（供給するガスを、燃料電池本体の運転に支障が無い圧力に昇圧又は降圧すると共に、燃料電池本体での圧力を所望の圧力に保持する）、電圧安定化装置（燃料電池負荷の変動に対して電圧及び電流を調整する）等である。そして、これらは、電池制御部５に制御される。また、各種ガス、水関連等のシステムは、外部の燃料電池支援部１の関連システムと接続可能である。
【００３８】
ここでは、省スペース等を考慮し、燃料ガスは水素、酸化剤ガスは酸素とする。従って、燃料電池部２での有機炭化水素の改質は行わない。
【００３９】
次に、本発明である燃料電池システムの第１の実施の形態に関わる動作について、図１を参照して説明する。
基本的な燃料電池部２の起動及び停止の動作においては、支援端末８が動作の各プロセスを制御して行う。すなわち、支援端末８のプログラムに基づき、支援端末８が支援制御部７及び電池制御部５へ指示を出す（ステータスを発行する）。次に、支援制御部７が、起動停止支援部４に対して、指示に基づいた動作（例えば、弁を開の状態にしてガスを供給する、等）を行わせ、また、電池制御部５が、電池稼動部６に対して、指示に基づいた動作（例えば、マスフローメーターを調節して供給ガスの流量を調節する、等）を行わせる。そして、それぞれの動作終了後に支援制御部７あるいは電池制御部５が、支援端末８に対して動作終了を示すステータス完了フラグを発行し一つの動作のプロセスが終了する。
【００４０】
以下に、燃料電池部２の起動の動作について詳細に説明する。
潜水船（移動体１０）は、支援母船（基地９）に搭載されている。そして、潜水船（移動体１０）が具備する燃料電池部２の電池制御部５と支援母船（基地９）が具備する燃料電池支援部１の支援端末８とが電気的に接続され通信可能な状態にある。この部分の接続は、無線通信による接続で行うことも可能である。また、支援端末８と支援制御部７とも電気的接続され通信可能な状態にある。
【００４１】
一方、潜水船（移動体１０）が具備する燃料電池部２の電池稼動部６と支援母船（基地９）が具備する燃料電池支援部１の起動停止支援部４とは、起動に必要な各種ガス／水配管、電気配線等が接続される。
【００４２】
次に、支援端末８からの指令により、支援制御部７と電池制御部５とが連携し、電池稼動部６を起動する。
具体的には、まず、起動停止支援部４の不活性ガス供給システム（図示せず）より窒素が、電池稼動部６の燃料ガス側及び酸化剤ガス側へ導入される。内部に残留するガスを不活性ガスにより置換して不純物の影響を抑え、燃料ガス及び酸化剤ガスの導入を毎回同一の条件で行うためである。起動停止支援部４の窒素を使用するので、燃料電池部２側で、窒素及びその配管、制御システム等を保持する必要が無くなり、スペースが省ける。
【００４３】
次に、起動停止支援部４の純水供給システム（図示せず）より純水が電池稼動部６へ供給される。供給された純水は、燃料ガス及び酸化剤ガスの加湿に使用され、加湿したガスにより、燃料電池本体の電解質が充分な量の水分を含有するようになる。
【００４４】
窒素流量及び燃料電池稼動部６での各部の圧力が所定の圧力になり、加湿が安定した後、燃料電池稼動部６の各部の温度を所定の温度へ昇温する。そして、窒素による電池稼動部６内のパージの終了後、窒素を、燃料側を水素、酸化剤側を酸素にそれぞれ切替える。すなわち、起動停止支援部４の燃料ガス供給システム（図示せず）より水素を、酸化剤ガス供給システム（図示せず）より酸素を、それぞれ電池稼動部６の燃料ガス側及び酸化剤ガス側へ導入する。起動停止支援部４の水素及び酸素を使用するので、燃料電池部２側で、余計な量の水素及び酸素を保持する必要が無くなり、スペースを省略することが可能となる。
【００４５】
電池稼動部６における水素及び酸素でのパージが終了し、電池稼動部６の各部の温度、圧力が所定の値になっていることを確認し、起動時に生成した不必要な生成水を排水した後、水素、酸素、純水関係の各ラインが電池稼動６内のものに切り換えられる。そして、燃料電池部２は、外部（燃料電池支援部１）から切り離された閉じた系となり、発電準備が完了する。
【００４６】
以上の動作により、燃料電池部２の起動は完了する。それと共に、起動の際に接続された各種ガス／水配管、電気配線等が切り離される。そして、燃料電池部２での発電が開始され、潜水船（移動体１０）は、支援母船（基地９）から海洋へ送り出され、燃料電池部２を動力源として独立して運行する。ただし、燃料電池部２と支援端末８とは、無線により通信を行うことが可能である。また、更に、潜水船（移動体１０）の制御装置（図示せず）と電池制御部５とは接続されており、その制御装置と支援端末８とが無線により通信を行うことも可能である。
【００４７】
次に、燃料電池部２の停止の動作について説明する。
まず、独立して運行していた潜水船（移動体１０）は、支援母船（基地９）に収容される。そして、発電を停止する。しかる後、潜水船（移動体１０）が具備する燃料電池部２の電池制御部５と支援母船（基地９）が具備する燃料電池支援部１の支援端末８とが電気的に接続される。
【００４８】
一方、潜水船（移動体１０）が具備する燃料電池部２の電池稼動部６と支援母船（基地９）が具備する燃料電池支援部１の起動停止支援部４とは、停止に必要な各種ガス／水配管、電気配線等が接続される。
【００４９】
次に、支援端末８からの指令により、支援制御部７と電池制御部５とが連携し、電池稼動部６を停止する。
具体的には、まず、起動停止支援部４の不活性ガス供給システム（図示せず）より窒素が、電池稼動部６の燃料ガス側及び酸化剤ガス側へ導入され、水素あるいは酸素ガスを窒素でパージする。安全の為及び燃料電池本体の劣化を防ぐためである。
【００５０】
次に、電池稼動部６の加湿システムを停止すると共に、各部の温度を降温し、常温に戻す。窒素によるパージが終了後、電池稼動部６内の不要な生成水を排出する。そして、電池稼動部６内の各部の圧力を所定の圧力とし、燃料電池部２の系を閉じて、燃料電池部２の停止が終了する。
【００５１】
以上の動作により、燃料電池部２の停止は完了する。必要に応じて、停止の際に接続された各種ガス／水配管、電気配線等が切り離される。
【００５２】
本発明により、潜水船（移動体１０）側は、起動及び停止時に必要な窒素、余分の水素及び燃料並びに純水が不必要である。よって、起動及び停止時にのみに必要な各ガスの容器、それらに関連する配管、電気配線等も不要になる。従って、燃料電池部２の設置スペースが非常に小さくすることが可能となる。また、それと共に、その重量を大幅に軽減でき、燃料電池部２を非常に軽量化する事が出来る。
【００５３】
また、潜水船（移動体１０）内で単独で行う燃料電池運転が、定格運転のみであるので、燃料電池部２に対して、マンパワーを節約でき、作業効率を上げることが出来る。
【００５４】
（実施例２）
本発明である燃料電池システムの第２の実施の形態を、図２、３、４、５を参照して説明する。
本実施例においては、支援母船に積載され、目的地の海洋上の領域にて探査を行う潜水船に使用される燃料電池システム、すなわち、実施例１にて示された燃料電池システムにおいて使用される、燃料電池の排水システムについて説明する。従って、本実施例におけるシステム全体としての構成図は、図１に示されるが、説明は省略する。
なお、本発明は、他の移動体に使用される燃料電池システムにおいても、適用可能である。
【００５５】
図２は、本実施例を示す構成図である。燃料電池起動時における水素側のガスのライン及びその加湿ライン、酸素側のガスライン及びその加湿ラインから成る。水素側のラインは、水素導入用の電磁弁１０１、水素加湿器１０３、水素側生成水タンク１０５、電磁弁１０７、水素側のセンサ１０９、水素側排水タンク１１１、水素タンク１１３を具備する。また、酸素側のラインは、酸素導入用の電磁弁１０２、酸素加湿器１０４、酸素側生成水タンク１０６、電磁弁１０８、酸素側のセンサ１１０、酸素側排水タンク１１２、酸素タンク１１４を具備する。ガスのラインは、燃料電池本体１１５に接続されている。
図１との対応において、水素側のセンサ１０９、水素側排水タンク１１１、酸素側のセンサ１１０、酸素側排水タンク１１２は起動停止支援部４に、残りは電池稼動部６の内部に具備されている。また、起動時及び停止時では、起動に必要な各種ガス／水配管、電気配線等が接続される。
本発明では、排水ライン上にセンサを導入し、排水を自動化すると共に、他のラインも見直し、燃料電池の起動を全自動化している。
【００５６】
まず、水素側について説明する。
電磁弁１０１は、外部から水素を導入する水素供給のガスラインの入り口の電磁弁であり、自動で開閉可能である。水素を外部から導入しない場合には、閉じている。また、起動及び停止時には、水素に変わり、窒素が導入される場合もある。
【００５７】
水素加湿器１０３は、燃料電池本体１１５への水素供給のガスラインの途中にあり、水素側生成水タンク１０５から水分を供給され、水素を加湿する装置である。加湿された水素は、ガスラインを通り燃料電池本体１１５へ送られる。また、燃料電池本体１１５の排燃料ガス（加湿水素）は、水素のリサイクル用のガスラインを通り水素加湿器１０３へ戻り、リサイクルされる。その際、過剰となったガスは、水素加湿器１０３に接続された排気ラインから排気される。
【００５８】
水素側生成水タンク１０５は、水を供給する水用配管で水素加湿器１０３と接続しており、水（純水）を保持し、必要に応じて水素加湿器１０３に水を供給する他、逆に、水素側加湿器１０３で過剰となった水を受け入れ、貯蔵する。さらに、必要に応じて、水素側排水タンク１１１へ、過剰となった水を排出する。又は、水素側排水タンク１１１から、必要となった水を受け入れる。
【００５９】
電磁弁１０７は、水素側生成水タンク１０５と水素側排水タンク１１１との間に水用配管で接続されている電磁弁である。水素側生成水タンク１０５と水素側排水タンク１１１との間の水の受け渡しに際して、自動で開閉する。
【００６０】
センサ１０９は、水素側排水タンク１１１と電磁弁１０７との間に水用配管で接続されているセンサである。水素側生成水タンク１０５から水素側排水タンク１１１へ水を排水する場合、水素側生成水タンク１０５内の水が、無くなったことを検知し、その信号を出力するセンサである。例えば、水がほぼ無くなり、気泡が配管を流れることを検知する気泡センサなどである。
【００６１】
水素側排水タンク１１１は、水素側生成水タンク１０５から見てセンサ１０９の先に水用配管で接続されている。水素側生成タンク１０５から排出される純水を貯蔵する、あるいは、貯蔵している水を水素側生成タンク１０５へ送出するタンクである。
【００６２】
水素タンク１１３は、水素が貯蔵されている。その配管は、電磁弁１０１よりも燃料電池本体１１５に近い側で水素供給のガスラインに接続されている。そして、その水素は、定常運転時に燃料電池本体１１５に燃料として供給される。
【００６３】
次に、酸素側について説明する。
電磁弁１０２は、外部から酸素を導入する酸素供給のガスラインの入り口の電磁弁であり、自動で開閉可能である。酸素を外部から導入しない場合には、閉じている。また、起動及び停止時には、水素に変わり、窒素が導入される場合もある。
【００６４】
酸素加湿器１０４は、燃料電池本体１１５への酸素供給のガスラインの途中にあり、酸素側生成水タンク１０６から水分を供給され、酸素を加湿する装置である。加湿された酸素は、ガスラインを通り燃料電池本体１１５へ送られる。また、燃料電池本体１１５の排酸化剤ガス（加湿酸素）は、酸素のリサイクル用のガスラインを通り酸素加湿器１０４へ戻り、リサイクルされる。その際、過剰となったガスは、酸素加湿器１０４に接続された排気ラインから排気される。
【００６５】
酸素側生成水タンク１０６は、水を供給する水用配管で酸素加湿器１０４と接続しており、水（純水）を保持し、必要に応じて酸素加湿器１０４に水を供給する他、逆に、酸素側加湿器１０４で過剰となった水を受け入れ、貯蔵する。さらに、必要に応じて、酸素側排水タンク１１２へ、過剰となった水を排出する。又は、酸素側排水タンク１１２から、必要となった水を受け入れる。
【００６６】
電磁弁１０８は、酸素側生成水タンク１０６と酸素側排水タンク１１２との間に水用配管で接続されている電磁弁である。酸素側生成水タンク１０６と酸素側排水タンク１１２との間の水の受け渡しに際して、自動で開閉する。
【００６７】
センサ１１０は、酸素側排水タンク１１２と電磁弁１０８との間に水用配管で接続されているセンサである。酸素側生成水タンク１０６から酸素側排水タンク１１２へ水を排水する場合、酸素側生成水タンク１０６内の水が、無くなったことを検知し、その信号を出力するセンサである。例えば、水がほぼ無くなり、気泡が配管を流れることを検知する気泡センサなどである。
【００６８】
酸素側排水タンク１１２は、酸素側生成水タンク１０６から見てセンサ１１０の先に水用配管で接続されている。酸素側生成タンク１０６から排出される純水を貯蔵する、あるいは、貯蔵している水を酸素側生成タンク１０６へ送出するタンクである。
【００６９】
酸素タンク１１３は、酸素が貯蔵されている。その配管は、電磁弁１０２よりも燃料電池本体１１５に近い側で酸素供給のガスラインに接続されている。そして、その酸素は、定常運転時に燃料電池本体１１５に酸化剤として供給される。
【００７０】
なお、本実施例において、流量計、調圧弁等の各ガスや水の流量調節、圧力調節に関する部分については、本発明の説明に直接は関係が無いので、図示せず、かつ、説明は省略する。
【００７１】
次に、本発明である燃料電池システムの第２の実施の形態に関わる動作について、図２及び図３を参照して説明する。
図３は、図２における水素側のラインについて、水素側生成水タンク１０５、電磁弁１０７、センサ１０９、水素側排水タンク１１１を取り出して記したものである。ここで、電池制御部１１６は、燃料電池の稼動を制御する制御部であり、図１においては電池制御部５である。ここでは、電磁弁１０７及びセンサ１０９を制御している。酸素側のラインについては、使用される電磁弁等が、酸素側生成水タンク１０６、電磁弁１０８、センサ１１０、酸素側排水タンク１１２である点が異なるが、基本的な動作は水素側のラインと同様であるので説明を省略する。
【００７２】
潜水船では、周辺環境から独立した、自己完結型の電源システムが必要であり、かつ、省スペースかつ軽量な燃料電池システムが求められる。従って、起動時に発生した余計な水は内部に貯蔵することなく、外部に排出してから航行することが望ましい。加えて、ある程度の高い圧力下で使用される燃料電池なので、潜水船内の機器には、圧力に対する安定性を高める為に、生成水の容器には液面表示部や、液面計を設けないことが望ましい。従って、図３においては、水素側生成水タンク１０５には液面表示部等を取り付けないことから、水素側生成水タンク１０５からの排水は、電磁弁１０７の後側で制御する必要がある。本発明では、その部分にセンサを配置し、制御部４でセンサ１０９，１１０の信号の検知を行い、排水動作の自動化を図っている。
【００７３】
図２及び図４を参照して、その動作である起動プロセスを説明する。
水素側について説明する。
燃料電池の起動時、まず、電磁弁１０１を開き、水素側のガスラインに外部から窒素を通気する（Ｓ１０１）。窒素はガスラインを通り、水素加湿器１０３経由で燃料電池本体１１５へ達する。そして、リサイクルラインを経由して再び水素加湿器１０３へ入り、そこから排気される。
一方、ガス加湿用の一定量の水を、水素側排水タンク１１１及び水素生成水タンク１０５を通して水素加湿器１０３へ供給する（Ｓ１０２）。水素加湿器１０３は、その水を用いて、ガスラインに流れる窒素を加湿する。加湿された窒素は、燃料電池本体１１５の燃料極側へ入り、電解質（図示せず）を加湿し、未使用の水は水素加湿器１０３へリサイクルされる。起動途中において、ガスが完全に窒素に置換された後、窒素は外部から供給される水素に交換される（Ｓ１０３）。
【００７４】
水素加湿器１０３で過剰となった水は、水素側生成水タンク１０５へ送られる。その過剰となった水は、燃料電池の定常運転時には使用されない。水素側生成水タンク１０５の容量は限られている為、定常運転までに排出する必要がある。そこで、電磁弁１０７を開き過剰となった水を水素側排水タンク１１１へ排水する（Ｓ１０４）。その際、気泡センサ１０９が排水の気泡を監視し（Ｓ１０５）、水がほとんど無くなった兆候である気泡の検出により電磁弁１０７が閉じられ（Ｓ１０６）、排水は終了する（Ｓ１０７）。排水終了後、水素タンク１１３の水素が供給されると共に、電磁弁１０１が閉じられ、また、水素加湿器１０３から出ている排気ラインも閉じられ、水素側排水タンク１１１は切り離される。すなわち、燃料電池のガス及び水のラインの系が閉じた形（閉ループ化）となる（Ｓ１０８）。
この際、排水処理が自動化され、弁の開閉操作も完全自動化されているので、操作員が監視し、作業を行う必要が無く、作業効率が向上する。
【００７５】
なお、酸素側のラインについては、使用される電磁弁等が、電磁弁１０２、酸素加湿器１０４、酸素側生成水タンク１０６、電磁弁１０８、センサ１１０、酸素側排水タンク１１２である点が異なるが、基本的な動作は水素側のラインと同様であるので説明を省略する。
【００７６】
以上の水素側及び酸素側の各動作により、ガス及び水に関わる発電準備が終了する。それと並行して、電池本体１１５側等の動作が終了すると、発電が開始される（Ｓ１０９）。
【００７７】
なお、発電に際して、昇温（４０〜１００℃）及び昇圧（０．０５〜０．２ＭＰａＧ）して運転する場合には、プロセスの進行に合わせて然るべき段階で徐々に行う。
【００７８】
次に、図２及び図５を参照して、その動作である停止プロセスを説明する。
水素側について説明する。
燃料電池の停止時、まず、発電を停止する（Ｓ３０１）。しかる後、電磁弁１０１が開かれ、外部から水素が流入し、水素タンク１１３の水素の供給が停止される（Ｓ３０２）。その後、水素の供給が停止され（Ｓ３０３）、窒素が外部から導入される（Ｓ３０４）。窒素によるガス置換が終了後、ガスの加湿を終了する。水素加湿器１０３の水は、水素側生成水タンク１０５へ送られる。そして、電磁弁１０７を開き、水を水素側排水タンク１１１へ排水する（Ｓ３０５）。その際、気泡センサ１０９が排水の気泡を監視し（Ｓ３０６）、水がほとんど無くなった兆候である気泡の検出により電磁弁１０７が閉じられ（Ｓ３０７）、排水は終了する（Ｓ３０８）。その後、窒素を停止し（Ｓ３０９）、全ての弁を閉じ、停止が終了する。
この場合にも、排水処理が自動化され、弁の開閉操作も完全自動化されているので、操作員が監視し、作業を行う必要が無く、作業効率が向上する。
【００７９】
なお、酸素側のラインについては、使用される電磁弁等が、電磁弁１０２、酸素加湿器１０４、酸素側生成水タンク１０６、電磁弁１０８、センサ１１０、酸素側排水タンク１１２である点が異なるが、基本的な動作は水素側のラインと同様であるので説明を省略する。
【００８０】
以上の水素側及び酸素側の各動作により、ガス及び水に関わる停止動作が終了する。それと並行して、電池本体１１５側等の停止動作が終了すると、完全な停止となる（Ｓ３１０）。
【００８１】
本実施例により、自動化が困難な、周辺環境から独立した自己完結型であって省スペースかつ軽量な燃料電池システムにおいて、完全自動化を行うことが出来、燃料ガス入れ替え方式、純水入れ替え方式の改善も可能となり、起動時間が大幅に短縮と作業効率の向上を図ることが可能となった。
【００８２】
また、起動及び停止時に必要な窒素、余分の水素及び燃料並びに水が不必要であり、燃料電池の設置スペースが非常に小さく、かつ重量を軽量化する事が出来る。
【００８３】
（実施例３）
本発明である燃料電池システムの第３の実施の形態を、図１を参照して説明する。
本実施例においては、所定の目的地間を往復する自動車、特に路線バスに使用される燃料電池システムを例に示して説明するが、他の移動体に使用される燃料電池システムにおいても、適用可能である。
【００８４】
図１は、本実施例を示す構成図である。本実施例は、実施例１と比較して、基地９が路線バスのバスターミナルであり、移動体１０が路線バスである点が、異なる。
基地９（バスターミナル）に設置された燃料電池支援部１、及び移動体１０（路線バス）に搭載された燃料電池部２から成る。そして、燃料電池支援部１は、制御部３及び起動停止支援部４を具備する。また、燃料電池部２は、電池制御部５及び電池稼動部６を具備する。
移動体１０（路線バス）の燃料電池部２は、その起動時に基地９（バスターミナル）の燃料電池支援部１に接続され、支援を受けて、起動される。起動終了後、燃料電池部２は、燃料電池支援部１から切り離される。そして、移動体１０（路線バス）は、基地９（バスターミナル）から離れて、所定の路線にて営業運転を行い、目的へ到達する。しかる後、折り返し、再び営業運転を行い基地９（バスターミナル）に帰還する。帰還後に、その燃料電池部２を燃料電池支援部１に接続する。そして、燃料電池支援部１の支援を受けて、燃料電池部２の停止作業を行う。
燃料電池部２の起動及び停止を燃料電池支援部１に支援させる事により、移動体１０（路線バス）上の燃料電池部２に、起動及び停止に用いる機器を搭載するが必要が無くなる。従って、燃料電池部２の小型化を計ることが可能となる。
【００８５】
以下、図１を詳細に説明する。
【００８６】
まず、基地９側について説明する。
基地９は、バスターミナル、あるいは、バスの整備を行う施設、燃料及び酸化剤を供給するスタンド、故障等にも対応可能なサービスステーション等であって燃料電池支援部１を有する施設である。本実施例においては、バスターミナルである。
【００８７】
その他の各部の機能は、実施例１と同様であるので、説明を省略する。
【００８８】
次に、移動体１０について説明する。
移動体１０は、基地９間を行き来する路線バスであり、動力源として燃料電池部２を具備する。燃料電池部２の起動と停止を基地９において行う。
【００８９】
燃料及び酸化剤に付いては、本実施例では、省スペース等を考慮し、燃料ガスは水素、酸化剤ガスは酸素とし、燃料電池部２での改質は行わない。しかし、スペースに余裕がある場合等では、燃料としてメタンやメタノール等の有機炭化水素材料の改質ガス、酸化剤として空気を用いることも可能である。
【００９０】
その他の各部の機能は、実施例１と同様であるので、説明を省略する。
【００９１】
次に、本発明である燃料電池システムの第３の実施の形態に関わる動作について、図１を参照して説明する。
まず、燃料電池部２の起動の動作について説明する。
路線バス（移動体１０）は、バスターミナル（基地９）において、路線バス（移動体１０）が具備する燃料電池部２の電池制御部５とバスターミナル（基地９）が具備する燃料電池支援部１の支援端末８とが電気的に接続され通信可能な状態にある。この部分の接続は、無線通信による接続で行うことも可能である。また、支援端末８と支援制御部７とも電気的接続され通信可能な状態にある。
【００９２】
一方、路線バス（移動体１０）が具備する燃料電池部２の電池稼動部６とバスターミナル（基地９）が具備する燃料電池支援部１の起動停止支援部４とは、起動に必要な各種ガス／水配管、電気配線等が接続される。
【００９３】
次に、支援端末８からの指令により、支援制御部７と電池制御部５とが連携し、電池稼動部６を起動する。起動に関わる詳細は、実施例１と同様であるので省略する。
【００９４】
燃料電池部２の起動は完了後、起動の際に接続された各種ガス／水配管、電気配線等が切り離される。そして、燃料電池部２での発電が開始され、路線バス（移動体１０）は、バスターミナル（基地９）から出発し、燃料電池部２を動力源として独立して運行する。ただし、燃料電池部２の電池制御部５と支援端末８とは、無線により通信を行うことが可能である。そして、燃料電池部２において故障の前兆や異常等が起きた場合には、電池制御部５からの連絡により、支援端末８は然るべき処置をおこなう。例えば、関係各部署に連絡する他、修理班を現場へ向かわせること、最寄のサービスステーションへの緊急連絡等である。あるいは路線バス（移動体１０）の制御装置（図示せず）と電池制御部５とは接続されており、その制御装置と支援端末８とが無線により通信を行うことも可能である。
【００９５】
次に、燃料電池部２の停止の動作について説明する。
まず、独立して運行していた路線バス（移動体１０）は、バスターミナル（基地９）に収容される。そして、発電を停止する。しかる後、路線バス（移動体１０）が具備する燃料電池部２の電池制御部５とバスターミナル（基地９）が具備する燃料電池支援部１の支援端末８とが電気的に接続される。
【００９６】
一方、路線バス（移動体１０）が具備する燃料電池部２の電池稼動部６とバスターミナル（基地９）が具備する燃料電池支援部１の起動停止支援部４とは、停止に必要な各種ガス／水配管、電気配線等が接続される。
【００９７】
次に、支援端末８からの指令により、支援制御部７と電池制御部５とが連携し、電池稼動部６を停止する。停止に関わる詳細は、実施例１と同様であるので省略する。
【００９８】
本発明により、路線バス（移動体１０）側は、起動及び停止時に必要な窒素、余分の水素及び燃料並びに純水が不必要である。よって、起動及び停止時にのみに必要な各ガスの容器、それらに関連する配管、電気配線等も不要になる。従って、燃料電池部２の設置スペースが非常に小さくでき、また重量も軽量化することが可能となる。それにより、燃料電池本体を多く搭載して、パワーを上げることや、燃料及び酸化剤を多く搭載して、長距離輸送が可能となる。
【００９９】
また、路線バス（移動体１０）内で単独で行う燃料電池運転が、定格運転のみであるので、燃料電池部２に対して、マンパワーを節約でき、作業効率を上げることが出来る。
【０１００】
本実施例では、路線バスとバスターミナル等の関連施設を例に説明したが、始点と終点が明確であり、途中は継続的に運行しているような他の移動体に対しても応用できる。
例えば、鉄道の始点及び終点が基地９の役割をするものとし、鉄道が移動体１０である場合が考えられる。また、同様に、モノレールや船舶、飛行船などにも応用できる。
【０１０１】
また、基地９の燃料電池支援部１を、ガソリンスタンド、商業施設、企業、一般家庭等の駐車スペース等に導入する事により、それらの場所は基地９としての役割を果たすことが可能となる。そして、一般の自動車においても本発明である燃料電池システムを利用することが可能となる。その場合も、起動及び停止のシステムを自動車本体に搭載する必要が無いので、省スペースかつ軽量な燃料電池部２とすることが出来る。
【０１０２】
【発明の効果】
本発明により、燃料電池の起動及び停止を、燃料電池本体の側で行う必要が無くなり、起動及び停止時に必要な材料や設備を、燃料電池本体の側が保持しなくてもよくすることが可能となる。
【０１０３】
また、本発明により、燃料電池が小型軽量、省スペースでとなり、燃料電池を搭載した移動体の動力を節約することが可能である。
【０１０４】
更に、本発明により、燃料電池の起動時間を短縮し、燃料電池運転におけるマンパワーを節約し、作業効率を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明である燃料電池システムの実施の形態を示す構成図である。
【図２】本発明である燃料電池システムの他の実施の形態を示す構成図である。
【図３】本発明である燃料電池システムの他の実施の形態を説明する説明図である。
【図４】本発明である燃料電池システムの他の実施の形態のを説明するフローチャートである。
【図５】本発明である燃料電池システムの他の実施の形態のを説明するフローチャートである。
【図６】従来例を示す構成図である。
【図７】従来例を説明する説明図である。
【図８】従来例を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
１燃料電池支援部
２燃料電池
３制御部
４起動停止部
５電池制御部
６電池稼動部
７支援制御部
８支援端末
９基地
１０移動体
１０１電磁弁
１０２電磁弁
１０３水素加湿器
１０４酸素加湿器
１０５水素側生成水タンク
１０６酸素側生成水タンク
１０７電磁弁
１０８電磁弁
１０９センサ
１１０センサ
１１１水素側排水タンク
１１２酸素側排水タンク
１１３水素タンク
１１４酸素タンク
１１５燃料電池本体
２０１手動弁
２０２手動弁
２０３水素加湿器
２０４酸素加湿器
２０５水素側生成水タンク
２０６酸素側生成水タンク
２０７手動弁
２０８手動弁
２０９可視化配管
２１０可視化配管
２１１水素側排水タンク
２１２酸素側排水タンク
２１３水素タンク
２１４酸素タンク
２１５燃料電池本体[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell system.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, when a fuel cell is used as a power source for a moving body, a self-supporting fuel cell system is mounted. At that time, it is necessary to mount not only the fuel cell body but also the entire fuel cell system including peripheral systems such as utilities in the moving body. For this reason, when a fuel cell is incorporated in a moving body having a limited space such as a submarine or an automobile, the ratio occupied by the fuel cell system in the moving body tends to increase, and the space used for other purposes tends to decrease. To avoid it, the system has been downsized. However, there is a limit to miniaturization of the fuel cell system due to the theoretical limit of battery performance and the limit of the absolute amount of gas to be mounted.
[0003]
On the other hand, due to the problem of operability, there is a demand for a fully automatic system that can be controlled by a work or operation program via a terminal device such as a display as a power source. In particular, when the fuel cell is installed in a very narrow space, the arrangement of each device becomes dense. In such a case, if there is an operation such as manual operation or visual confirmation in the operation, it takes time for the operation, and the work efficiency may be reduced.
[0004]
In particular, a mobile body that travels under high pressure in the sea, such as a submarine, requires a self-contained power supply system that is independent of the surrounding environment and has little influence on the surrounding environment. In addition, a space-saving and lightweight fuel cell system is required due to the limited size of the hull. In that situation, control of moisture and gas is an important point. In FIG. 6, the water circulation system in the fuel cell will be examined. This shows a line for humidifying the hydrogen side and the oxygen side when the fuel cell is started. In a polymer electrolyte fuel cell (PEFC), since it is necessary to sufficiently give water to the electrolyte at the time of startup, a large amount of water is used at the time of startup. However, since most of the water is no longer needed after startup, it is desirable to dispose of excess water before starting to sail underwater. Thereby, it is possible to eliminate useless spaces such as tanks and pipes in which extra water must be stored.
[0005]
In FIG. 6, the water is discharged and transferred to the external storage tank 211. The hydrogen-side line includes a hydrogen-introducing manual valve 201, a hydrogen humidifier 203, a hydrogen-side generated water tank 205, a hydrogen-side generated water manual valve 207, a hydrogen-side visualization pipe 209, a hydrogen-side drain tank 211, and a hydrogen tank. 213. The oxygen-side line includes an oxygen-introducing manual valve 202, an oxygen humidifier 204, an oxygen-side generated water tank 206, an oxygen-side generated water manual valve 208, an oxygen-side visualization pipe 210, an oxygen-side drain tank 212, An oxygen tank 214 is provided. The gas line is connected to the fuel cell main body 215.
[0006]
Here, since both the hydrogen side and oxygen side lines are the same process, only the hydrogen side will be described. On the hydrogen side, nitrogen is first supplied to the line via the manual valve 201 at start-up. The nitrogen that has reached the hydrogen humidifier 203 is then humidified and enters the fuel electrode side of the fuel cell body 215. Then, after humidifying the electrolyte (not shown), unused water is recycled to the hydrogen humidifier 203. During the start-up, nitrogen is exchanged for hydrogen. The water of the hydrogen humidifier 203 is supplied from the hydrogen side generated water tank 205 at the time of activation. Then, the excess after the start-up is returned to the hydrogen-side product water tank 205.
[0007]
Here, in order to keep the capacity of the hydrogen-side product water tank 205 small, it is necessary to remove unnecessary water as much as possible. After the manual valve 207, the fuel cell main body 215 is disconnected at the time of steady operation (operation state in which the fuel cell between the start and stop is steadily operated), and a part of the water generated at the start is Drain after startup. Until now, the removal operation has to be performed carefully because the inside of the tank is in a pressurized state, and has to be performed manually.
[0008]
This will be described with reference to FIG. Again, since both the hydrogen and oxygen lines are the same process, only the hydrogen side will be described. Water in the hydrogen side generated water tank 205 is drained to the hydrogen side drain tank 211 through the manual valve 207. At that time, since it is necessary to close the manual valve 207 as soon as bubbles indicating that water has almost disappeared from the hydrogen side generated water tank 205 in the visualization pipe 209, it is difficult to automate. Therefore, it has been difficult to automate the startup process.
[0009]
FIG. 8 shows a specific activation process. Again, since both the hydrogen and oxygen lines are the same process, only the hydrogen side will be described. First, the manual valve 201 is opened and nitrogen is passed through the hydrogen side line (S201). Thereafter, water is supplied to the hydrogen humidifier 203 through the hydrogen side drain tank 211 and the hydrogen product water tank 205 (S202). This is for humidifying the electrolyte. After the supply, nitrogen is exchanged with hydrogen gas (S203). After the electrolyte is sufficiently humidified, the manual valve 201 is closed and hydrogen is supplied from the hydrogen tank 213 (S204). Next, the manual valve 207 of the water line is opened slightly (S205), and the water in the hydrogen generation water tank 205 is drained to the hydrogen side drain tank 211 (S206). At that time, the operator monitors the visualization pipe 209 (S207), and if air bubbles, which are signs that water has almost disappeared, are confirmed (S208), the manual valve 207 is closed (S209), and drainage ends (S210). . Then, power generation is started (S211). At this time, the wastewater treatment was not automated, the operator had to monitor the visualization pipe 209, took time, and the operator was restrained, so the work efficiency was not increased.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a fuel cell system that does not require the fuel cell to be started and stopped on the fuel cell body side.
[0011]
Another object of the present invention is to provide a fuel cell system that does not require the fuel cell to hold materials and equipment necessary for starting and stopping.
[0012]
Still another object of the present invention is to provide a fuel cell system in which the fuel cell is small, light and space-saving.
[0013]
Still another object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of saving the power of a moving body equipped with a fuel cell.
[0014]
Still another object of the present invention is to provide a fuel cell system that can shorten the startup time of the fuel cell.
[0015]
Still another object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of saving manpower in fuel cell operation and improving working efficiency.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
The figure numbers and symbols in the means for solving the problems are described in order to show the correspondence between the claims and the embodiments of the invention, and are used for the interpretation of the claims. Must not.
[0017]
In order to solve the above problems, a fuel cell system according to the present invention is mounted on a mobile body (FIGS. 1 and 10) and has a fuel cell unit (FIG. 1) having a fuel cell used in the mobile body (FIGS. 1 and 10). 2) and a fuel cell support unit (FIGS. 1 and 1) that is connected to the fuel cell unit (FIGS. 1 and 2) and supports the startup of the fuel cell when the fuel cell is started.
[0018]
In the fuel cell system of the present invention, the fuel cell support unit (FIGS. 1 and 1) is further connected to the fuel cell unit (FIGS. 1 and 2) when the fuel cell is stopped. To help.
[0019]
Furthermore, in the fuel cell system of the present invention, the fuel cell unit (FIGS. 1 and 2) controls a battery control unit (FIGS. 1, 5 or 3, 116) for controlling the start and stop of the fuel cell, and the fuel. A tank (FIGS. 2, 105 and 106) for holding water supplied to the battery and water generated by the fuel cell, and a solenoid valve (FIGS. 2, 107 and) connected to the tank (FIGS. 2, 105 and 106) 108) and the solenoid valve (FIGS. 2, 107 and 108), and when draining the water in the tank (FIGS. 2, 105 and 106), the tank (FIGS. 2, 105 and 106) A sensor (FIGS. 2, 109 and 110) for detecting the absence of water, and the battery control unit (FIGS. 1, 5 or 3, 116) is connected to the tank (FIGS. 2, 105 and 106). So that the water is drained from Valves (FIGS. 2, 107 and 108) are controlled, and the sensors (FIGS. 2, 109 and 110) detect the water based on instructions from the battery control unit (FIGS. 1, 5 or 3, 116). When the water is exhausted, an end signal is output to the battery controller (FIG. 1, 5 or 3, 116), and the battery controller (FIG. 1, 5 or 3, 116) Based on the end signal, the solenoid valve (FIGS. 2, 107 and 108) is closed.
[0020]
Furthermore, in the fuel cell system of the present invention, the fuel cell unit (FIGS. 1 and 2) can be detached from the moving body.
[0021]
Furthermore, in the fuel cell system of the present invention, the moving body (FIGS. 1 and 10) is a submarine.
[0022]
In order to solve the above problems, a fuel cell operating method according to the present invention is mounted on a moving body (FIGS. 1 and 10) and has a fuel cell section (FIG. 1) having a fuel cell used in the moving body (FIGS. 1 and 10). 2) connecting to the first fuel cell support unit (FIGS. 1 and 1) supporting the start of the fuel cell unit (FIGS. 1 and 2), and the first fuel cell support unit (FIG. 1). 1) starting the fuel cell unit (FIGS. 1 and 2), and after the startup, the first fuel cell support unit (FIGS. 1 and 1) is moved from the fuel cell unit (FIGS. 1 and 2). Connecting the second fuel cell support unit (FIGS. 1 and 1) supporting the stop of the fuel cell unit (FIGS. 1 and 2) to the fuel cell unit (FIGS. 1 and 2); Stopping the fuel cell unit (FIGS. 1 and 2) by the second fuel cell support unit (FIGS. 1 and 1); Draining water generated in the fuel cell unit (FIGS. 1 and 2) to the outside of the fuel cell unit (FIGS. 1 and 2); Removing the second fuel cell support unit (FIGS. 1 and 1).
[0023]
Furthermore, in the fuel cell operating method of the present invention, the step of starting the fuel cell unit (FIGS. 1 and 2) by the first fuel cell support unit (FIGS. 1 and 1) includes the fuel cell unit (FIG. 1). 2) introducing nitrogen from the first fuel cell support section (FIGS. 1 and 1) into the fuel gas line and the oxidant gas line, and the fuel gas line and the oxidant gas line. Humidifying the gas flowing in the fuel gas, switching the nitrogen flowing in the fuel gas line to hydrogen from the first fuel cell support section (FIGS. 1 and 1), and The step of switching the nitrogen flowing in the line to oxygen from the first fuel cell support unit (FIGS. 1 and 1), and the water generated in the fuel cell unit (FIGS. 1 and 2) to the fuel cell unit ( Step of draining to the outside of Figs. The after completion of draining comprises the step of switching the hydrogen and the oxygen in the interior of the hydrogen and oxygen of the fuel cell unit (Figure 1, 2).
[0024]
Further, in the fuel cell operating method of the present invention, the step of stopping the fuel cell unit (FIGS. 1 and 2) by the second fuel cell support unit (FIGS. 1 and 1) is performed by the fuel cell unit (FIG. 1). 2), the step of switching the hydrogen and oxygen in the interior to the nitrogen from the second fuel cell support unit (FIGS. 1 and 1) and the step of ending the humidification.
[0025]
Furthermore, in the fuel cell operating method of the present invention, the first fuel cell support unit (FIGS. 1 and 1) and the second fuel cell support unit (FIGS. 1 and 1) are the same.
[0026]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of a fuel cell system according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
[0027]
Example 1
A fuel cell system according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
In the present embodiment, a fuel cell system used for a submarine loaded on a support mother ship and used for underwater exploration in a marine area of a destination will be described as an example. The present invention can also be applied to a fuel cell system.
[0028]
FIG. 1 is a block diagram showing the present embodiment. It consists of a fuel cell support unit 1 installed on a base 9 (support mother ship) and a fuel cell unit 2 mounted on a moving body 10 (submersible ship). The fuel cell support unit 1 includes a control unit 3 and a start / stop support unit 4. The fuel cell unit 2 includes a battery control unit 5 and a battery operating unit 6.
The fuel cell unit 2 of the moving body 10 (submarine ship) is connected to the fuel cell support unit 1 of the base 9 (support mother ship) at the time of activation, and is activated upon receiving support. After the start-up, the fuel cell unit 2 is disconnected from the fuel cell support unit 1. Then, the moving body 10 (submarine ship) moves away from the base 9 (supporting mother ship), moves to the destination, and performs various missions. After the mission ends, the mobile body 10 (submarine ship) returns to the base 9 (support mother ship) and then connects the fuel cell unit 2 to the fuel cell support unit 1. Then, with the support of the fuel cell support unit 1, the fuel cell unit 2 is stopped.
By allowing the fuel cell support unit 1 to support the start and stop of the fuel cell unit 2, it is necessary to mount equipment and gas used for start and stop on the fuel cell unit 2 on the moving body 10 (submarine). Disappear. Accordingly, the fuel cell unit 2 can be reduced in size and weight.
[0029]
Hereinafter, FIG. 1 will be described in detail.
First, the base 9 side will be described. The base 9 has a fuel cell support unit 1. The fuel cell support unit 1 includes a control unit 3 and a start / stop support unit 4, and the control unit 3 further includes a support control unit 7 and a support terminal 8.
[0030]
The base 9 is a port facility, a support mother ship loaded with small ships, and the like. In this embodiment, it is a support mother ship that carries a submarine and transports it to a target marine area.
[0031]
The support control unit 7 controls the start / stop support unit 4 when starting and stopping the fuel cell unit 2 according to an instruction from the support terminal 8 to support the start and stop operations.
[0032]
The support terminal 8 controls the fuel cell unit 2 and the support control unit 7 so as to smoothly start and stop the fuel cell unit 2. Also, the progress status of the start and stop processes, each operation parameter, and the like are displayed. These data are stored inside and used for maintenance of each device or part. In addition, in order to be able to quickly respond to the occurrence of an abnormality, a function to notify warnings of abnormal signs, the occurrence of abnormalities, etc., and a function to urgently cope with such abnormalities (such as urgently interrupting or terminating the process) Have.
[0033]
The start / stop support unit 4 is various facilities necessary for starting and stopping the fuel cell unit 2. Specifically, fuel gas supply system (supplying fuel gas such as hydrogen, methane, methanol), oxidant gas supply system (supplying oxidant gas such as air and oxygen), pure water supply system (supplying water) , Inert gas supply system (inert gas is supplied as a substitute for fuel gas or oxidant gas at the time of start and stop and emergency), gas preheating system (gas to be supplied does not interfere with operation of the fuel cell unit 2) The temperature is increased), the pressure adjustment system (the pressure of the supplied gas is increased or decreased to a pressure that does not hinder the operation of the fuel cell unit 2), the exhaust gas treatment system (the exhaust gas discharged from the fuel cell unit 2 is used as an environment) It is converted into a gas having no influence and discharged). And it is connectable with the external fuel cell part 2.
[0034]
Next, the moving body 10 side will be described. The fuel cell unit 2 is in the moving body 10 and includes a battery control unit 5 and a battery operating unit 6.
[0035]
In this embodiment, the moving body 10 is a submarine loaded on a support mother ship which is the base 9. Submersibles must be self-contained with a compact power source and little impact on the surrounding environment. In other words, since water cannot be drained or exhausted outside during operation in the ocean, as much water and gas as possible should be avoided. Accordingly, since starting and stopping are performed on the support mother ship, no equipment / facility or gas dedicated to starting and stopping is installed. In addition, gas and water generated at startup can be discharged before the start of operation.
[0036]
Based on the control of the support terminal 8 of the fuel cell support unit 1, the battery control unit 5 controls the battery operation unit 6 in cooperation with the start / stop support unit 4, and controls the battery operation unit 6 including the fuel cell body. Start and control. Further, during the steady operation of the battery operating unit 6 after the start-up, various control of the operation is performed, and information on the operation status is output to the control unit (not shown) of the moving body 10 as necessary.
[0037]
The battery operating unit 6 includes a fuel cell main body and further includes various devices necessary for operating the fuel cell main body. Specifically, the fuel cell body, temperature adjustment system (fuel cell body, supply gas / water temperature is adjusted), fuel gas supply system (hydrogen supply), oxidant gas supply system (oxygen supply), pure Water supply system (supplying water), inert gas supply system (supplying an inert gas as a substitute for hydrogen or oxygen in an emergency), gas preheating system (the supplied gas is a temperature that does not hinder the operation of the fuel cell body) The pressure of the supplied gas is increased or decreased to a pressure that does not hinder the operation of the fuel cell main body, and the pressure in the fuel cell main body is maintained at a desired pressure), voltage stabilization A device (adjusts voltage and current for fluctuations in fuel cell load) and the like. These are controlled by the battery control unit 5. Further, various gas and water related systems can be connected to related systems of the external fuel cell support unit 1.
[0038]
Here, in consideration of space saving or the like, the fuel gas is hydrogen and the oxidant gas is oxygen. Therefore, reforming of organic hydrocarbons in the fuel cell unit 2 is not performed.
[0039]
Next, an operation related to the first embodiment of the fuel cell system according to the present invention will be described with reference to FIG.
The basic operation of starting and stopping the fuel cell unit 2 is performed by the support terminal 8 by controlling each process of operation. That is, based on the program of the support terminal 8, the support terminal 8 issues an instruction (issues a status) to the support control unit 7 and the battery control unit 5. Next, the support control unit 7 causes the start / stop support unit 4 to perform an operation based on the instruction (for example, supply a gas with the valve opened), and the battery control unit 5 However, the battery operating unit 6 is caused to perform an operation based on the instruction (for example, adjusting the flow rate of the supply gas by adjusting the mass flow meter). Then, after each operation ends, the support control unit 7 or the battery control unit 5 issues a status completion flag indicating the operation end to the support terminal 8, and the process of one operation ends.
[0040]
Below, the starting operation | movement of the fuel cell part 2 is demonstrated in detail.
The submarine (moving body 10) is mounted on the support mother ship (base 9). The battery control unit 5 of the fuel cell unit 2 included in the submarine (moving body 10) and the support terminal 8 of the fuel cell support unit 1 included in the support mother ship (base 9) are electrically connected to communicate with each other. Is in a state. This connection can also be made by wireless communication. Further, the support terminal 8 and the support control unit 7 are also electrically connected and communicable.
[0041]
On the other hand, the battery operation unit 6 of the fuel cell unit 2 included in the submarine (moving body 10) and the start / stop support unit 4 of the fuel cell support unit 1 included in the support mother ship (base 9) are various types required for activation. Gas / water piping, electrical wiring, etc. are connected.
[0042]
Next, in response to a command from the support terminal 8, the support control unit 7 and the battery control unit 5 cooperate to activate the battery operating unit 6.
Specifically, first, nitrogen is introduced from the inert gas supply system (not shown) of the start / stop support unit 4 to the fuel gas side and the oxidant gas side of the battery operating unit 6. This is because the gas remaining inside is replaced with an inert gas to suppress the influence of impurities, and the introduction of the fuel gas and the oxidizing gas is performed under the same conditions every time. Since the nitrogen in the start / stop support unit 4 is used, it is not necessary to hold nitrogen, its piping, a control system, etc. on the fuel cell unit 2 side, saving space.
[0043]
Next, pure water is supplied from the pure water supply system (not shown) of the start / stop support unit 4 to the battery operating unit 6. The supplied pure water is used for humidifying the fuel gas and the oxidant gas, and the humidified gas causes the electrolyte of the fuel cell main body to contain a sufficient amount of moisture.
[0044]
After the nitrogen flow rate and the pressure of each part in the fuel cell operating unit 6 become a predetermined pressure and the humidification is stabilized, the temperature of each part of the fuel cell operating unit 6 is raised to a predetermined temperature. After the purge in the battery operating unit 6 with nitrogen is completed, the nitrogen is switched to hydrogen on the fuel side and oxygen on the oxidant side. That is, hydrogen is supplied from the fuel gas supply system (not shown) of the start / stop support unit 4 and oxygen is supplied from the oxidant gas supply system (not shown) to the fuel gas side and the oxidant gas side of the battery operating unit 6. Introduce. Since hydrogen and oxygen of the start / stop support unit 4 are used, it is not necessary to hold an excessive amount of hydrogen and oxygen on the fuel cell unit 2 side, and a space can be omitted.
[0045]
Purging with hydrogen and oxygen in the battery operating unit 6 is completed, and it is confirmed that the temperature and pressure of each part of the battery operating unit 6 are at predetermined values, and unnecessary generated water generated at startup is drained. Thereafter, the lines related to hydrogen, oxygen, and pure water are switched to those in the battery operation 6. The fuel cell unit 2 becomes a closed system disconnected from the outside (the fuel cell support unit 1), and the power generation preparation is completed.
[0046]
With the above operation, the activation of the fuel cell unit 2 is completed. At the same time, various gas / water pipes, electrical wiring, etc. connected at the time of startup are disconnected. Then, power generation in the fuel cell unit 2 is started, and the submarine (moving body 10) is sent out from the support mother ship (base 9) to the ocean and operates independently using the fuel cell unit 2 as a power source. However, the fuel cell unit 2 and the support terminal 8 can communicate wirelessly. Furthermore, the control device (not shown) of the submarine (moving body 10) and the battery control unit 5 are connected, and the control device and the support terminal 8 can communicate with each other wirelessly. .
[0047]
Next, the operation of stopping the fuel cell unit 2 will be described.
First, the submarine (moving body 10) that operated independently is accommodated in the support mother ship (base 9). Then, power generation is stopped. Thereafter, the battery control unit 5 of the fuel cell unit 2 included in the submarine (moving body 10) and the support terminal 8 of the fuel cell support unit 1 included in the support mother ship (base 9) are electrically connected.
[0048]
On the other hand, the battery operation unit 6 of the fuel cell unit 2 included in the submarine (moving body 10) and the start / stop support unit 4 of the fuel cell support unit 1 included in the support mother ship (base 9) are various types required for stopping. Gas / water piping, electrical wiring, etc. are connected.
[0049]
Next, in response to a command from the support terminal 8, the support control unit 7 and the battery control unit 5 cooperate to stop the battery operating unit 6.
Specifically, first, nitrogen is introduced from the inert gas supply system (not shown) of the start / stop support unit 4 to the fuel gas side and the oxidant gas side of the battery operating unit 6, and hydrogen or oxygen gas is converted into nitrogen. Purge with. This is for safety and to prevent deterioration of the fuel cell body.
[0050]
Next, the humidifying system of the battery operating unit 6 is stopped, and the temperature of each part is lowered to return to room temperature. After purging with nitrogen, unnecessary generated water in the battery operating unit 6 is discharged. And the pressure of each part in the battery operation part 6 is made into predetermined pressure, the system of the fuel cell part 2 is closed, and the stop of the fuel cell part 2 is complete | finished.
[0051]
With the above operation, the stop of the fuel cell unit 2 is completed. If necessary, various gas / water pipes, electrical wiring, etc. connected at the time of stopping are disconnected.
[0052]
According to the present invention, the submarine (moving body 10) side does not need nitrogen, extra hydrogen, fuel, and pure water necessary for starting and stopping. Therefore, each gas container required only at the time of starting and stopping, piping related thereto, electric wiring, and the like are also unnecessary. Therefore, the installation space for the fuel cell unit 2 can be made very small. At the same time, the weight can be greatly reduced, and the fuel cell unit 2 can be made very light.
[0053]
Further, since the fuel cell operation performed independently in the submarine (moving body 10) is only the rated operation, manpower can be saved for the fuel cell unit 2, and the working efficiency can be increased.
[0054]
(Example 2)
A fuel cell system according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
In the present embodiment, the fuel cell system used in a submarine loaded on a support mother ship and used for exploration in the marine area of the destination, that is, used in the fuel cell system shown in the first embodiment. A fuel cell drainage system will be described. Therefore, although the block diagram of the whole system in a present Example is shown by FIG. 1, description is abbreviate | omitted.
The present invention can also be applied to fuel cell systems used for other moving objects.
[0055]
FIG. 2 is a block diagram showing the present embodiment. It consists of a hydrogen side gas line and its humidification line, an oxygen side gas line and its humidification line when the fuel cell is started. The hydrogen side line includes an electromagnetic valve 101 for introducing hydrogen, a hydrogen humidifier 103, a hydrogen side generated water tank 105, an electromagnetic valve 107, a hydrogen side sensor 109, a hydrogen side drain tank 111, and a hydrogen tank 113. Further, the oxygen side line includes an oxygen introducing electromagnetic valve 102, an oxygen humidifier 104, an oxygen side generated water tank 106, an electromagnetic valve 108, an oxygen side sensor 110, an oxygen side drain tank 112, and an oxygen tank 114. . The gas line is connected to the fuel cell main body 115.
In correspondence with FIG. 1, the hydrogen-side sensor 109, the hydrogen-side drain tank 111, the oxygen-side sensor 110, and the oxygen-side drain tank 112 are provided in the start / stop support unit 4, and the rest are provided in the battery operating unit 6. Yes. In starting and stopping, various gas / water pipes, electric wiring and the like necessary for starting are connected.
In the present invention, a sensor is introduced on the drainage line to automate drainage, and other lines are also reviewed to fully automate the startup of the fuel cell.
[0056]
First, the hydrogen side will be described.
The solenoid valve 101 is a solenoid valve at the entrance of a gas line for supplying hydrogen from the outside, and can be opened and closed automatically. When hydrogen is not introduced from the outside, it is closed. In addition, when starting and stopping, nitrogen may be introduced instead of hydrogen.
[0057]
The hydrogen humidifier 103 is in the middle of a gas line for supplying hydrogen to the fuel cell main body 115 and is a device that is supplied with moisture from the hydrogen-side product water tank 105 and humidifies hydrogen. The humidified hydrogen is sent to the fuel cell main body 115 through the gas line. Further, the exhaust fuel gas (humidified hydrogen) of the fuel cell main body 115 returns to the hydrogen humidifier 103 through the gas line for hydrogen recycling and is recycled. At that time, the excess gas is exhausted from an exhaust line connected to the hydrogen humidifier 103.
[0058]
The hydrogen-side generated water tank 105 is connected to the hydrogen humidifier 103 by a water pipe for supplying water, holds water (pure water), and supplies water to the hydrogen humidifier 103 as necessary. On the contrary, the excess water in the hydrogen side humidifier 103 is received and stored. Furthermore, excess water is discharged to the hydrogen-side drain tank 111 as necessary. Alternatively, the necessary water is received from the hydrogen side drain tank 111.
[0059]
The electromagnetic valve 107 is an electromagnetic valve connected by a water pipe between the hydrogen side generated water tank 105 and the hydrogen side drain tank 111. When the water is transferred between the hydrogen-side product water tank 105 and the hydrogen-side drain tank 111, it automatically opens and closes.
[0060]
The sensor 109 is a sensor connected by a water pipe between the hydrogen side drain tank 111 and the electromagnetic valve 107. When water is drained from the hydrogen-side product water tank 105 to the hydrogen-side drain tank 111, it is a sensor that detects that the water in the hydrogen-side product water tank 105 has run out and outputs a signal thereof. For example, there is a bubble sensor that detects that water is almost gone and bubbles flow through a pipe.
[0061]
The hydrogen side drain tank 111 is connected to the tip of the sensor 109 with a water pipe as viewed from the hydrogen side generated water tank 105. The tank stores pure water discharged from the hydrogen-side production tank 105 or sends out stored water to the hydrogen-side production tank 105.
[0062]
The hydrogen tank 113 stores hydrogen. The piping is connected to the hydrogen supply gas line closer to the fuel cell body 115 than the solenoid valve 101. The hydrogen is supplied as fuel to the fuel cell body 115 during steady operation.
[0063]
Next, the oxygen side will be described.
The electromagnetic valve 102 is an electromagnetic valve at the entrance of an oxygen supply gas line for introducing oxygen from the outside, and can be opened and closed automatically. When oxygen is not introduced from the outside, it is closed. In addition, when starting and stopping, nitrogen may be introduced instead of hydrogen.
[0064]
The oxygen humidifier 104 is in the middle of the gas line for supplying oxygen to the fuel cell main body 115, and is a device that is supplied with moisture from the oxygen-side generated water tank 106 and humidifies oxygen. The humidified oxygen is sent to the fuel cell main body 115 through the gas line. The exhaust oxidant gas (humidified oxygen) in the fuel cell main body 115 returns to the oxygen humidifier 104 through the gas line for oxygen recycling and is recycled. At that time, the excess gas is exhausted from an exhaust line connected to the oxygen humidifier 104.
[0065]
The oxygen-side product water tank 106 is connected to the oxygen humidifier 104 with a water pipe for supplying water, holds water (pure water), and supplies water to the oxygen humidifier 104 as necessary. On the contrary, the excess water in the oxygen side humidifier 104 is received and stored. Furthermore, excess water is discharged to the oxygen-side drain tank 112 as necessary. Alternatively, the necessary water is received from the oxygen side drain tank 112.
[0066]
The electromagnetic valve 108 is an electromagnetic valve connected by a water pipe between the oxygen side generated water tank 106 and the oxygen side drain tank 112. When the water is transferred between the oxygen-side product water tank 106 and the oxygen-side drain tank 112, it automatically opens and closes.
[0067]
The sensor 110 is a sensor connected by a water pipe between the oxygen-side drain tank 112 and the electromagnetic valve 108. When draining water from the oxygen-side product water tank 106 to the oxygen-side drain water tank 112, the sensor detects that the water in the oxygen-side product water tank 106 has run out and outputs a signal thereof. For example, there is a bubble sensor that detects that water is almost gone and bubbles flow through a pipe.
[0068]
The oxygen-side drain tank 112 is connected to the tip of the sensor 110 with a water pipe as viewed from the oxygen-side generated water tank 106. It is a tank that stores pure water discharged from the oxygen side generation tank 106 or sends the stored water to the oxygen side generation tank 106.
[0069]
The oxygen tank 113 stores oxygen. The piping is connected to the gas line for supplying oxygen on the side closer to the fuel cell main body 115 than the solenoid valve 102. The oxygen is supplied as an oxidant to the fuel cell body 115 during steady operation.
[0070]
In the present embodiment, the parts relating to the flow rate adjustment and pressure adjustment of each gas and water, such as a flow meter and a pressure regulating valve, are not directly related to the description of the present invention, and are not shown in the drawing and will not be described. To do.
[0071]
Next, an operation related to the second embodiment of the fuel cell system according to the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 3 shows the hydrogen side generated water tank 105, the electromagnetic valve 107, the sensor 109, and the hydrogen side drain tank 111 taken out from the hydrogen side line in FIG. Here, the battery control unit 116 is a control unit that controls the operation of the fuel cell, and is the battery control unit 5 in FIG. 1. Here, the electromagnetic valve 107 and the sensor 109 are controlled. The oxygen side line is different in that the solenoid valve used is the oxygen side generated water tank 106, the solenoid valve 108, the sensor 110, and the oxygen side drain tank 112, but the basic operation is the hydrogen side line. Since it is the same as that of FIG.
[0072]
Submersibles require a self-contained power system that is independent of the surrounding environment, and requires a fuel cell system that is space-saving and lightweight. Therefore, it is desirable that the extra water generated at the time of start-up is not stored in the interior, but is discharged to the outside before navigation. In addition, since the fuel cell is used under a certain level of pressure, equipment in the submersible vessel is not provided with a liquid level indicator or level gauge in the product water container in order to increase stability against pressure. It is desirable. Therefore, in FIG. 3, since the liquid level display unit or the like is not attached to the hydrogen side generated water tank 105, the drainage from the hydrogen side generated water tank 105 needs to be controlled on the rear side of the electromagnetic valve 107. In the present invention, a sensor is disposed in that portion, and the control unit 4 detects signals of the sensors 109 and 110 to automate the drainage operation.
[0073]
With reference to FIG.2 and FIG.4, the starting process which is the operation | movement is demonstrated.
The hydrogen side will be described.
When starting the fuel cell, first, the solenoid valve 101 is opened, and nitrogen is vented from the outside to the gas line on the hydrogen side (S101). Nitrogen passes through the gas line and reaches the fuel cell main body 115 via the hydrogen humidifier 103. Then, it enters the hydrogen humidifier 103 again through the recycle line and is exhausted therefrom.
On the other hand, a certain amount of water for gas humidification is supplied to the hydrogen humidifier 103 through the hydrogen-side drain tank 111 and the hydrogen product water tank 105 (S102). The hydrogen humidifier 103 humidifies nitrogen flowing through the gas line using the water. The humidified nitrogen enters the fuel electrode side of the fuel cell main body 115, humidifies the electrolyte (not shown), and unused water is recycled to the hydrogen humidifier 103. During the start-up, after the gas is completely replaced with nitrogen, the nitrogen is exchanged with hydrogen supplied from the outside (S103).
[0074]
Excess water in the hydrogen humidifier 103 is sent to the hydrogen-side product water tank 105. The excess water is not used during steady operation of the fuel cell. Since the capacity of the hydrogen-side product water tank 105 is limited, it must be discharged before steady operation. Therefore, the solenoid valve 107 is opened and the excess water is drained to the hydrogen side drain tank 111 (S104). At that time, the bubble sensor 109 monitors the bubbles of the drainage (S105), and the electromagnetic valve 107 is closed (S106) by detecting the bubbles, which is a sign that the water has almost disappeared, and the drainage ends (S107). After the drainage is completed, hydrogen in the hydrogen tank 113 is supplied, the electromagnetic valve 101 is closed, the exhaust line coming out from the hydrogen humidifier 103 is also closed, and the hydrogen side drainage tank 111 is disconnected. That is, the gas and water line system of the fuel cell is closed (closed loop) (S108).
At this time, since the waste water treatment is automated and the valve opening / closing operation is also fully automated, there is no need for the operator to monitor and perform the work, and the work efficiency is improved.
[0075]
The oxygen side line is different in that the solenoid valve used is the solenoid valve 102, the oxygen humidifier 104, the oxygen side generated water tank 106, the solenoid valve 108, the sensor 110, and the oxygen side drain tank 112. However, since the basic operation is the same as that of the hydrogen side line, the description is omitted.
[0076]
With the above operations on the hydrogen side and oxygen side, preparation for power generation related to gas and water is completed. In parallel with this, when the operation on the battery body 115 side or the like is completed, power generation is started (S109).
[0077]
In the case of power generation, when the operation is performed at an elevated temperature (40 to 100 ° C.) and increased pressure (0.05 to 0.2 MPaG), it is gradually performed at an appropriate stage according to the progress of the process.
[0078]
Next, the stop process as the operation will be described with reference to FIGS.
The hydrogen side will be described.
When the fuel cell is stopped, power generation is first stopped (S301). Thereafter, the solenoid valve 101 is opened, hydrogen flows in from the outside, and the supply of hydrogen to the hydrogen tank 113 is stopped (S302). Thereafter, the supply of hydrogen is stopped (S303), and nitrogen is introduced from the outside (S304). After the gas replacement with nitrogen is finished, the humidification of the gas is finished. The water in the hydrogen humidifier 103 is sent to the hydrogen side product water tank 105. Then, the electromagnetic valve 107 is opened, and water is drained to the hydrogen side drain tank 111 (S305). At that time, the bubble sensor 109 monitors the bubbles of the drainage (S306), and the solenoid valve 107 is closed by detecting the bubbles, which is a sign that the water is almost lost (S307), and the drainage is finished (S308). Thereafter, nitrogen is stopped (S309), all valves are closed, and the stop is completed.
Also in this case, since the waste water treatment is automated and the valve opening / closing operation is fully automated, it is not necessary for the operator to monitor and perform the work, and the work efficiency is improved.
[0079]
The oxygen side line is different in that the solenoid valve used is the solenoid valve 102, the oxygen humidifier 104, the oxygen side generated water tank 106, the solenoid valve 108, the sensor 110, and the oxygen side drain tank 112. However, since the basic operation is the same as that of the hydrogen side line, the description is omitted.
[0080]
With the above operations on the hydrogen side and oxygen side, the stop operation relating to gas and water is completed. At the same time, when the stop operation on the battery main body 115 side or the like is completed, the battery is completely stopped (S310).
[0081]
This embodiment enables complete automation in a self-contained, space-saving and lightweight fuel cell system that is difficult to automate, independent of the surrounding environment, and improves the fuel gas replacement method and the pure water replacement method. As a result, the start-up time can be greatly shortened and work efficiency can be improved.
[0082]
Further, nitrogen, extra hydrogen, fuel and water necessary for starting and stopping are unnecessary, the installation space of the fuel cell is very small, and the weight can be reduced.
[0083]
(Example 3)
A fuel cell system according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
In this embodiment, a fuel cell system used for an automobile that reciprocates between predetermined destinations, particularly a route bus, will be described as an example. However, the present invention is also applicable to a fuel cell system used for other mobile objects. Is possible.
[0084]
FIG. 1 is a block diagram showing the present embodiment. The present embodiment is different from the first embodiment in that the base 9 is a bus terminal of a route bus and the mobile body 10 is a route bus.
It consists of a fuel cell support unit 1 installed at a base 9 (bus terminal) and a fuel cell unit 2 mounted on a moving body 10 (route bus). The fuel cell support unit 1 includes a control unit 3 and a start / stop support unit 4. The fuel cell unit 2 includes a battery control unit 5 and a battery operating unit 6.
The fuel cell unit 2 of the mobile body 10 (route bus) is connected to the fuel cell support unit 1 of the base 9 (bus terminal) at the time of activation, and is activated upon receiving support. After the start-up, the fuel cell unit 2 is disconnected from the fuel cell support unit 1. And the mobile body 10 (route bus) leaves | separates from the base 9 (bus terminal), performs business operation on a predetermined route, and reaches the purpose. After that, it turns back, operates again, and returns to the base 9 (bus terminal). After returning, the fuel cell unit 2 is connected to the fuel cell support unit 1. Then, with the support of the fuel cell support unit 1, the fuel cell unit 2 is stopped.
By causing the fuel cell support unit 1 to support the start and stop of the fuel cell unit 2, the fuel cell unit 2 on the moving body 10 (route bus) is equipped with devices used for start and stop, but is not necessary. Therefore, the fuel cell unit 2 can be downsized.
[0085]
Hereinafter, FIG. 1 will be described in detail.
[0086]
First, the base 9 side will be described.
The base 9 is a facility having a fuel cell support unit 1 such as a bus terminal or a facility for maintaining a bus, a stand for supplying fuel and an oxidant, a service station that can cope with a failure, and the like. In this embodiment, it is a bus terminal.
[0087]
The functions of the other parts are the same as those in the first embodiment, and a description thereof will be omitted.
[0088]
Next, the moving body 10 will be described.
The moving body 10 is a route bus that travels between the bases 9 and includes the fuel cell unit 2 as a power source. The fuel cell unit 2 is started and stopped at the base 9.
[0089]
Regarding the fuel and the oxidant, in this embodiment, in consideration of space saving and the like, the fuel gas is hydrogen, the oxidant gas is oxygen, and the fuel cell unit 2 is not reformed. However, when there is a sufficient space, it is also possible to use a reformed gas of an organic hydrocarbon material such as methane or methanol as the fuel and air as the oxidant.
[0090]
The functions of the other parts are the same as those in the first embodiment, and a description thereof will be omitted.
[0091]
Next, an operation related to the third embodiment of the fuel cell system according to the present invention will be described with reference to FIG.
First, the starting operation of the fuel cell unit 2 will be described.
In the bus terminal (base 9), the route bus (mobile 10) includes a battery control unit 5 of the fuel cell unit 2 provided in the route bus (mobile 10) and a fuel cell support unit provided in the bus terminal (base 9). 1 support terminal 8 is electrically connected and in a communicable state. This connection can also be made by wireless communication. Further, the support terminal 8 and the support control unit 7 are also electrically connected and communicable.
[0092]
On the other hand, the battery operation unit 6 of the fuel cell unit 2 included in the route bus (moving body 10) and the start / stop support unit 4 of the fuel cell support unit 1 included in the bus terminal (base 9) are various types required for activation. Gas / water piping, electrical wiring, etc. are connected.
[0093]
Next, in response to a command from the support terminal 8, the support control unit 7 and the battery control unit 5 cooperate to activate the battery operating unit 6. Details regarding the start-up are the same as those in the first embodiment, and are therefore omitted.
[0094]
After the startup of the fuel cell unit 2 is completed, various gas / water pipes, electrical wiring, etc. connected at the startup are disconnected. Then, power generation in the fuel cell unit 2 is started, and the route bus (moving body 10) starts from the bus terminal (base 9) and operates independently using the fuel cell unit 2 as a power source. However, the battery control unit 5 of the fuel cell unit 2 and the support terminal 8 can communicate wirelessly. Then, when a failure sign or abnormality occurs in the fuel cell unit 2, the support terminal 8 takes appropriate measures by communication from the battery control unit 5. For example, in addition to contacting each related department, sending a repair team to the site, emergency contact to the nearest service station, etc. Alternatively, the control device (not shown) of the route bus (mobile body 10) and the battery control unit 5 are connected, and the control device and the support terminal 8 can communicate with each other wirelessly.
[0095]
Next, the operation of stopping the fuel cell unit 2 will be described.
First, a route bus (moving body 10) that has been operated independently is accommodated in a bus terminal (base 9). Then, power generation is stopped. Thereafter, the battery control unit 5 of the fuel cell unit 2 included in the route bus (moving body 10) and the support terminal 8 of the fuel cell support unit 1 included in the bus terminal (base 9) are electrically connected.
[0096]
On the other hand, the battery operation unit 6 of the fuel cell unit 2 included in the route bus (moving body 10) and the start / stop support unit 4 of the fuel cell support unit 1 included in the bus terminal (base 9) include various types required for stopping. Gas / water piping, electrical wiring, etc. are connected.
[0097]
Next, in response to a command from the support terminal 8, the support control unit 7 and the battery control unit 5 cooperate to stop the battery operating unit 6. Details regarding the stop are the same as those in the first embodiment, and are therefore omitted.
[0098]
According to the present invention, the route bus (moving body 10) side does not need nitrogen, extra hydrogen, fuel, and pure water necessary for starting and stopping. Therefore, each gas container required only at the time of starting and stopping, piping related thereto, electric wiring, and the like are also unnecessary. Therefore, the installation space of the fuel cell unit 2 can be made very small, and the weight can be reduced. As a result, a large number of fuel cell bodies can be mounted to increase power, and a large amount of fuel and oxidant can be mounted to enable long-distance transportation.
[0099]
Further, since the fuel cell operation performed independently in the route bus (moving body 10) is only the rated operation, manpower can be saved for the fuel cell unit 2 and work efficiency can be increased.
[0100]
In this embodiment, related facilities such as route buses and bus terminals have been described as examples. However, the start point and the end point are clear, and the present invention can be applied to other moving bodies that are operating continuously on the way. .
For example, it is assumed that the starting point and the ending point of the railway serve as the base 9 and the railway is the moving body 10. Similarly, it can be applied to monorails, ships, airships, and the like.
[0101]
In addition, by introducing the fuel cell support unit 1 of the base 9 into a parking space or the like of a gas station, a commercial facility, a company, a general household, or the like, these places can serve as the base 9. And it becomes possible to utilize the fuel cell system which is this invention also in a general motor vehicle. Also in this case, since it is not necessary to mount the start and stop system on the vehicle body, the fuel cell unit 2 can be made space-saving and lightweight.
[0102]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is not necessary to start and stop the fuel cell on the side of the fuel cell main body, and it is possible that the fuel cell main body side does not have to hold materials and equipment necessary for starting and stopping. Become.
[0103]
Further, according to the present invention, the fuel cell is small, light and space-saving, and it is possible to save the power of the moving body equipped with the fuel cell.
[0104]
Furthermore, according to the present invention, the start-up time of the fuel cell can be shortened, manpower in fuel cell operation can be saved, and work efficiency can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram showing an embodiment of a fuel cell system according to the present invention.
FIG. 2 is a configuration diagram showing another embodiment of the fuel cell system according to the present invention.
FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining another embodiment of the fuel cell system according to the present invention.
FIG. 4 is a flowchart illustrating another embodiment of the fuel cell system according to the present invention.
FIG. 5 is a flowchart illustrating another embodiment of the fuel cell system according to the present invention.
FIG. 6 is a block diagram showing a conventional example.
FIG. 7 is an explanatory diagram for explaining a conventional example.
FIG. 8 is a flowchart for explaining a conventional example.
[Explanation of symbols]
1 Fuel Cell Support Department
2 Fuel cell
3 Control unit
4 Start / stop section
5 Battery control unit
6 Battery operation part
7 Support control unit
8 Support terminals
9 bases
10 Mobile
101 Solenoid valve
102 Solenoid valve
103 Hydrogen humidifier
104 oxygen humidifier
105 Hydrogen side generated water tank
106 Oxygen side generated water tank
107 Solenoid valve
108 Solenoid valve
109 sensor
110 Sensor
111 Hydrogen side drainage tank
112 Oxygen side drain tank
113 Hydrogen tank
114 oxygen tank
115 Fuel cell body
201 Manual valve
202 Manual valve
203 Hydrogen humidifier
204 Oxygen humidifier
205 Hydrogen side generated water tank
206 Oxygen side generated water tank
207 Manual valve
208 Manual valve
209 Visualization piping
210 Visualization piping
211 Hydrogen drain tank
212 Oxygen side drain tank
213 Hydrogen tank
214 Oxygen tank
215 Fuel cell body

Claims

A fuel cell device mounted on a mobile body and used in the mobile body,
A fuel cell;
A tank for holding water supplied to the fuel cell and water generated by the fuel cell;
A first solenoid valve having one connected to the tank and the other connected to an external drainage tank when starting and stopping the fuel cell;
A second solenoid valve, one of which is connected to the fuel cell and the other is connected to an external gas supply device when starting and stopping the fuel cell;
A gas tank for supplying fuel gas and oxidant gas to the fuel cell;
When starting the fuel cell,
The first solenoid valve is connected to the external drainage tank, and the second solenoid valve is connected to the external gas supply device to be opened,
The fuel cell is supplied with the inert gas and the subsequent fuel gas and oxidant gas while adjusting the pressure from the external gas supply device, and starts power generation,
The fuel cell starts generating electricity;
The first solenoid valve drains water generated in the fuel cell and accumulated in the tank from the tank,
When the sensor connected to the first solenoid valve detects that the water has run out, the first solenoid valve is closed,
The second electromagnetic valve is closed, and the gas tank supplies fuel gas and oxidant gas to the fuel cell.

When the fuel cell is stopped,
The fuel cell stops generating electricity;
The first solenoid valve is connected to the external drainage tank, and the second solenoid valve is connected to the external gas supply device to be opened,
The fuel cell is supplied with fuel gas, oxidant gas, and subsequent inert gas while the pressure is adjusted from the external gas supply device,
The first solenoid valve drains water generated in the fuel cell and accumulated in the tank from the tank,
When the sensor detects that the water has run out, the first solenoid valve is closed,
The fuel cell device according to claim 1, wherein the second electromagnetic valve is closed and the external gas supply device stops the supply of the inert gas.

The fuel cell device according to claim 1 or 2,
The gas supply device connected to the second solenoid valve of the fuel cell device when the fuel cell device is started or stopped; and
Which is connected to the tank of the fuel cell system during startup or stop of the fuel cell system, a fuel cell system including a drainage tank for receiving waste water from the tank.

The fuel cell device is removable from the moving body,
The fuel cell system according to claim 3.

The moving body is a submarine.
The fuel cell system according to claim 3 or 4.

An operation method of a fuel cell device mounted on a mobile body and used in the mobile body,
Here, the fuel cell device is
A fuel cell;
A tank for holding water supplied to the fuel cell and water generated by the fuel cell;
A first solenoid valve having one connected to the tank and the other connected to an external drainage tank when starting and stopping the fuel cell;
A second solenoid valve, one of which is connected to the fuel cell and the other is connected to an external gas supply device when starting and stopping the fuel cell;
A gas tank for supplying fuel gas and oxidant gas to the fuel cell;
The operation method of the fuel cell device is as follows:
Connecting the first solenoid valve to the external drainage tank and opening the second solenoid valve to the external gas supply device; and
Supplying pre-inert gas, and subsequent fuel gas and oxidant gas to the fuel cell while adjusting the pressure by the external gas supply device;
Starting power generation of the fuel cell;
Draining the water generated in the fuel cell by the first solenoid valve and accumulated in the tank from the tank;
When the sensor connected to the first solenoid valve detects that the water has run out, closing the first solenoid valve;
Closing the second electromagnetic valve, and supplying fuel gas and oxidant gas to the fuel cell by the gas tank,
Operation method of fuel cell device.

When the fuel cell is stopped,
Stopping power generation of the fuel cell;
Connecting the first solenoid valve to the external drainage tank and opening the second solenoid valve to the external gas supply device; and
Supplying fuel gas, oxidant gas, and subsequent inert gas to the fuel cell while adjusting the pressure by the external gas supply device;
Draining the water generated in the fuel cell by the first solenoid valve and accumulated in the tank from the tank;
Closing the first solenoid valve when the sensor detects that the water has run out;
The method of operating a fuel cell device according to claim 6, further comprising: closing the second electromagnetic valve and stopping the supply of the inert gas by the external gas supply device.