JP6135590B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.
水素ガスと空気との反応により発電する燃料電池スタックと、燃料電池スタックに水素ガスを供給する燃料供給系と、燃料電池スタックから排出されたアノードオフガスを燃料電池スタックに戻す燃料循環系と、燃料循環系からアノードオフガスの一部を排出する燃料排出系と、燃料電池スタックから排出されたカソードオフガスを排出する酸化剤排出系と、燃料排出系及び酸化剤排出系に連結された希釈器と、を備える燃料電池システムが知られている(特許文献1参照)。 A fuel cell stack for generating electricity by reaction of hydrogen gas and air, a fuel supply system for supplying hydrogen gas to the fuel cell stack, a fuel circulation system for returning anode off-gas discharged from the fuel cell stack to the fuel cell stack, and fuel A fuel discharge system for discharging a part of the anode off-gas from the circulation system, an oxidant discharge system for discharging the cathode off-gas discharged from the fuel cell stack, a diluter connected to the fuel discharge system and the oxidant discharge system, Is known (see Patent Document 1).
固体高分子型の燃料電池では、カソード極からアノード極に水分や窒素ガスなどが透過する。これら水分及び窒素ガスなどはアノードオフガスと共に燃料循環系により燃料電池スタックに戻される。ところが、これらの水分及び窒素ガスは、燃料電池スタックの発電効率を低下させる。したがって、このように燃料電池スタックの発電効率を低下させる物質を発電阻害物質と称すると、発電阻害物質を水素ガス流路から除去する必要がある。そこで特許文献1の燃料電池システムでは、発電阻害物質を含むアノードオフガスの一部をパージガスとして、燃料排出系により排出させるようにしている。 In the polymer electrolyte fuel cell, moisture, nitrogen gas or the like permeates from the cathode electrode to the anode electrode. These moisture, nitrogen gas and the like are returned to the fuel cell stack by the fuel circulation system together with the anode off gas. However, these moisture and nitrogen gas reduce the power generation efficiency of the fuel cell stack. Therefore, when a substance that reduces the power generation efficiency of the fuel cell stack is referred to as a power generation inhibitor, it is necessary to remove the power generation inhibitor from the hydrogen gas flow path. Therefore, in the fuel cell system of Patent Document 1, a part of the anode off gas containing the power generation inhibiting substance is discharged as a purge gas by a fuel discharge system.
ただし、パージガスを大気中に放出するには、安全のために、パージガス中の水素濃度を爆発限界濃度よりも低くする必要がある。したがって、パージガスを大気中に放出する前に、パージガスを希釈する必要がある。そこで特許文献1の燃料電池システムでは、燃料排出系により排出されたアノードオフガスをバッファタンクに一時的に溜めておき、その溜めておいたアノードオフガスを、インジェクタおよびポンプの少なくとも一つを用いて希釈器に供給し、カソードオフガス(空気を含む)で希釈している。 However, in order to release the purge gas to the atmosphere, it is necessary to make the hydrogen concentration in the purge gas lower than the explosion limit concentration for safety. Therefore, it is necessary to dilute the purge gas before releasing the purge gas into the atmosphere. Therefore, in the fuel cell system of Patent Document 1, the anode offgas discharged by the fuel discharge system is temporarily stored in a buffer tank, and the stored anode offgas is diluted using at least one of an injector and a pump. Is supplied to the vessel and diluted with cathode off-gas (including air).
しかし、特許文献1に記載の燃料電池システムでは、バッファタンクに貯めたアノードオフガスを希釈器に供給するためにインジェクタやポンプが必要であるので、システムが複雑になるばかりか、インジェクタやポンプを駆動するための電気エネルギが必要となる。 However, in the fuel cell system described in Patent Document 1, an injector and a pump are required to supply the anode off gas stored in the buffer tank to the diluter, so that the system becomes complicated and the injector and the pump are driven. Electric energy is necessary to do this.
本発明によれば、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタック内に形成された燃料ガス通路の出口に連結されたアノードオフガス管と、前記燃料電池スタック内に形成された酸化剤ガス通路の出口に連結されたカソードオフガス管と、前記アノードオフガス管からのパージガスを一時的に蓄えるバッファタンクと、前記アノードオフガス管の出口又は途中を前記バッファタンクの入口に連結するパージガス導入管と、前記パージガス導入管内に配置されたパージガス導入弁と、前記カソードオフガス管内に配置され、カソードオフガスとパージガスとを互いに混合することにより排出ガス中の燃料ガス濃度を低下させる希釈器と、前記バッファタンクの出口と前記希釈器の入口又は前記希釈器上流の前記カソードオフガス管に連結するパージガス排出管と、前記パージガス排出管内に配置されたパージガス排出弁と、を備え、前記バッファタンクは弾性的に伸縮可能であり、前記パージガス排出弁が閉弁されつつ前記パージガス導入弁が開弁されると、前記アノードオフガス管から前記パージガス導入管を介しパージガスが前記バッファタンク内に流入し、このとき前記バッファタンクが弾性的に伸長し、次いで前記パージガス導入弁が閉弁されると共に前記パージガス排出弁が開弁されると、前記バッファタンクが弾性的に収縮することにより前記バッファタンク内のパージガスが前記パージガス排出管を介し前記希釈器内又は前記希釈器上流の前記カソードオフガス管内に排出される、燃料電池システムが提供される。 According to the present invention, a fuel cell stack that generates electric power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas, an anode offgas pipe connected to an outlet of a fuel gas passage formed in the fuel cell stack, A cathode offgas pipe connected to an outlet of an oxidant gas passage formed in the fuel cell stack, a buffer tank for temporarily storing purge gas from the anode offgas pipe, and an outlet or a halfway of the anode offgas pipe A purge gas introduction pipe connected to the inlet of the buffer tank, a purge gas introduction valve arranged in the purge gas introduction pipe, and a fuel gas in the exhaust gas arranged in the cathode off gas pipe by mixing the cathode off gas and the purge gas with each other A diluter for reducing the concentration, the outlet of the buffer tank and the inlet or the diluter. A purge gas discharge pipe connected to the cathode offgas pipe upstream of the diluter, and a purge gas discharge valve disposed in the purge gas discharge pipe, wherein the buffer tank is elastically expandable and contractible, and the purge gas discharge valve When the purge gas introduction valve is opened while being closed, purge gas flows into the buffer tank from the anode off-gas pipe through the purge gas introduction pipe, and at this time, the buffer tank elastically expands, When the purge gas introduction valve is closed and the purge gas discharge valve is opened, the buffer tank is elastically contracted so that the purge gas in the buffer tank passes through the purge gas discharge pipe into the diluter or the A fuel cell system is provided that is discharged into the cathode offgas pipe upstream of the diluter. .
より簡易的な構成を用いて、燃料電池スタック及びアノードオフガス管から発電阻害物質を取り除くことができる。 A power generation inhibiting substance can be removed from the fuel cell stack and the anode offgas pipe using a simpler configuration.
図1を参照すると、燃料電池システム1は燃料電池スタック10を備える。燃料電池スタック10は積層方向に互いに積層された複数の燃料電池単セル(図示されず)を備える。各燃料電池単セルは膜電極接合体20を含む。膜電極接合体20は膜状の電解質と、電解質の一側に形成されたアノード極と、電解質の他側に形成されたカソード極とを備える。
Referring to FIG. 1, the fuel cell system 1 includes a
燃料電池単セルのアノード極及びカソード極はそれぞれ直列に電気的に接続され、燃料電池スタック10の電極を構成する。燃料電池スタック10の電極は、例えば、DC/DCコンバータを介してインバータに電気的に接続され、インバータはモータジェネレータに電気的に接続される。また、別の実施例では、燃料電池システム1は、バッテリのような蓄電器を備える。これらの電気的な構成については、図示を省略している。
The anode electrode and the cathode electrode of the single fuel cell are electrically connected in series, and constitute an electrode of the
また、燃料電池単セル内には、アノード極に燃料ガスである水素ガスを供給するための水素ガス流通路と、カソード極に酸化剤ガスである空気を供給する空気流通路と、燃料電池単セルに冷却水を供給するための冷却水流通路とがそれぞれ形成される。複数の燃料電池単セルの水素ガス流通路、空気流通路、及び冷却水流通路をそれぞれ直列に接続することにより、燃料電池スタック10には水素ガス通路30、空気通路40、及び冷却水通路50がそれぞれ形成される。
Further, in the single fuel cell, a hydrogen gas flow passage for supplying hydrogen gas as fuel gas to the anode electrode, an air flow passage for supplying air as oxidant gas to the cathode electrode, and a single fuel cell. A cooling water flow passage for supplying cooling water to the cell is formed. By connecting the hydrogen gas flow passage, the air flow passage, and the cooling water flow passage of the plurality of fuel cell single cells in series, the
水素ガス通路30の入口には水素ガス供給管31が連結され、水素ガス供給管31は燃料ガス源である水素タンク32に連結される。水素ガス供給管31内には上流側から順に、遮断弁33と、水素ガス供給管31内の水素ガスの圧力を調整するレギュレータ34と、水素ガス供給管31内の圧力を測定する圧力センサPAとが配置される。一方、水素ガス通路30の出口にはアノードオフガス管36の一端が連結される。アノードオフガス管36の他端には、パージガス導入管64の一端が連結され、パージガス導入管64の他端には、弾性的に伸縮可能なバッファタンク60が連結される。パージガス導入管64内には例えば電磁式のパージガス導入弁61が配置される。遮断弁33が開弁されると、水素タンク32内の水素ガスが、レギュレータ34で調圧され、水素ガス供給管31を介して燃料電池スタック10内の水素ガス通路30内に供給される。図1に示される実施例では、水素ガス供給管31の圧力が例えば燃料電池システム1の負荷に応じて定まる目標圧力に維持されるように水素ガス供給管31に水素ガスが供給される。言い換えると、パージガス導入弁61が閉弁されているときには、燃料電池スタック10で消費された分の水素ガスが補充されるように水素ガス供給管31に水素ガスが供給される。この場合、アノードオフガス管36内にアノードオフガスの流れは存在してない。これに対し、パージガス排出弁62(後述)が閉弁されつつパージガス導入弁61が開弁されると、燃料電池スタック10の水素ガス通路30及びアノードオフガス管36からなる水素ガス流路が水素ガスによって掃気される。このときアノードオフガス管36から流出するアノードオフガス、すなわちパージガスはパージガス導入管64を介してバッファタンク60に供給される。
A hydrogen
バッファタンク60の出口にはパージガス排出管65の入口が連結され、パージガス排出管65の出口は後述する希釈器49の入口に連結される。パージガス排出管65には例えば電磁式のパージガス排出弁62が配置される。パージガス排出管65が開弁されると、バッファタンク60内のパージガスが希釈器49に供給される。
An outlet of the purge
図2はバッファタンク60の一例の断面図である。図2に示される例では、バッファタンク60は、弾性的に伸縮可能な筒状部材71と、剛性を有する板状部材72とを備える。筒状部材71及び板状部材72は例えば樹脂又は金属により形成される。また、バッファタンク60は、封密の収容容器70内に収容され、したがって収容容器70により封密に包囲される。バッファタンク60の開口は収容容器70の内面に封密に固定される。上述のパージガス導入管64及びパージガス排出管65は収容容器70を貫通してバッファタンク60内に連通している。この場合、筒状部材71がバッファタンク60の長手方向に伸縮すると、バッファタンク60の容量が変更される。また、バッファタンク60の容量を検出する容量センサ74が設けられる。バッファタンク60内に蓄えられたガス量、すなわちバッファタンク60の容量は板状部材72の位置により表される。そこで図2に示される実施例では、容量センサ74は、板状部材72の位置を検出する位置センサから構成される。具体的には、容量センサ74は、センサヘッド74aを有する接触型位置センサから構成される。別の実施例では、容量センサ74は光学式位置センサ又は渦電流式位置センサから構成される。
FIG. 2 is a cross-sectional view of an example of the
図1及び図2を参照すると、収容容器70には、バッファタンク60と収容容器70との間に形成される包囲空間Aに連通する呼吸孔73が設けられる。呼吸孔73は配管66を介して希釈器49に連結される。バッファタンク60の容量が大きくなるときには、包囲空間Aから呼吸孔73を介しガスが流出し、バッファタンク60の容量が小さくなるときには、呼吸孔73を介し包囲空間A内にガスが流入する。別の実施例では、呼吸孔73は大気に連結される。
Referring to FIGS. 1 and 2, the
また、空気通路40の入口には空気供給管41が連結され、空気供給管41は空気源である大気42に連結される。空気供給管41内には上流側から順に、エアクリーナ43と、空気を圧送する空気供給器ないしコンプレッサ44と、コンプレッサ44から燃料電池スタック10に送られる空気を冷却するためのインタークーラ45と、が配置される。一方、空気通路40の出口にはカソードオフガス管46が連結される。カソードオフガス管46内にはカソードオフガス制御弁47が配置される。カソードオフガス管46の出口は希釈器49の入口に連結され、希釈器49の出口には排出ガス管46aが連結される。更に、インタークーラ45下流の空気供給管41に空気バイパス管41aの入口が連結され、空気バイパス管41aの出口が希釈器49の入口に連結される。空気バイパス管41a内には、空気バイパス制御弁48が配置されている。コンプレッサ44が駆動されると、空気が空気供給管41を介して燃料電池スタック10内の空気通路40内に供給される。このとき空気通路40から流出するガス、すなわちカソードオフガスはカソードオフガス管46内に流入する。カソードオフガス管46内のカソードオフガスは次いで、希釈器49に供給される。また、空気バイパス制御弁48が開弁されると、コンプレッサ44から吐出された空気の一部又は全部が空気バイパス管41aを介して希釈器49に供給される。別の実施例では、空気バイパス管41の出口は、希釈器49ではなく、希釈器49上流のカソードオフガス管46に連結される。
An
希釈器49では、カソードオフガス管46からのカソードオフガス及び空気バイパス管41aからの空気を希釈ガスとして、パージガス中に含まれる水素ガスが希釈される。別の実施例では、パージガス排出管65の出口はカソードオフガス管46又は空気バイパス管41aに連結される。
In the
更に図1を参照すると、冷却水通路50の入口には冷却水供給管51の一端が連結され、冷却水通路50の出口には冷却水供給管51の他端が連結される。冷却水供給管51内には冷却水を圧送する冷却水ポンプ52と冷却水を冷却するラジエータ53とが配置される。ラジエータ53と冷却水ポンプ52との間の冷却水供給管51と、ラジエータ53上流の冷却水供給管51とはラジエータバイパス通路54により互いに連結される。また、ラジエータバイパス通路54内を流れる冷却水量を制御するラジエータバイパス制御弁55が設けられる。図1に示される燃料電池システム1ではラジエータバイパス制御弁55は三方弁から形成され、ラジエータバイパス通路54の出口に配置される。冷却水ポンプ52が駆動されると、冷却水ポンプ52から吐出された冷却水は冷却水供給管51を介して燃料電池スタック10内の冷却水通路50内に流入し、次いで冷却水通路50を通って冷却水供給管51内に流入し、ラジエータ53又はラジエータバイパス通路54を介して冷却水ポンプ52に戻る。
Further, referring to FIG. 1, one end of the cooling
電子制御ユニット90はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス91によって互いに接続されたROM(リードオンリメモリ)92、RAM(ランダムアクセスメモリ)93、CPU(マイクロプロセッサ)94、入力ポート95及び出力ポート96を具備する。燃料電池スタック10には、燃料電池スタック10の出力電圧又は出力電流を計測する出力センサ99が設けられる。出力センサ99の出力信号、圧力センサPAの出力信号、及び、容量センサ74の出力信号は、対応するAD変換器97を介して入力ポート95に入力される。一方、出力ポート96は対応する駆動回路98を介して遮断弁33、レギュレータ34、パージガス導入弁61、パージガス排出弁62、コンプレッサ44、カソードオフガス制御弁47、空気バイパス制御弁48、冷却水ポンプ52、及びラジエータバイパス制御弁55に電気的に接続される。
The
燃料電池スタック10に水素ガス及び空気が供給されると、燃料電池スタック10では水素及び酸素の電気化学反応により電気エネルギが発生される。この電気エネルギは例えば車両駆動用の電気モータに供給される。
When hydrogen gas and air are supplied to the
さて、冒頭で説明したように、燃料電池スタック10のアノード極にはカソード極から発電阻害物質が到達する。燃料電池スタック10の水素ガス通路30及びカソードオフガス管36内の発電阻害物質量は燃料電池システム1の運転時間が長くなるにつれて多くなる。そこで図1に示される燃料電池システム1では、燃料電池スタック10の水素ガス通路30及びカソードオフガス管36から発電阻害物質を除去するためのパージ作用が繰り返し行われる。このことを、図3から図6を参照して説明する。
As described at the beginning, the power generation inhibitor reaches the anode electrode of the
図3は、パージ作用が行われる前の状態を示している。この場合、バッファタンク60は収縮状態にあり、バッファタンク60内にはほとんどガスが貯蔵されていない。
FIG. 3 shows a state before the purge action is performed. In this case, the
パージ作用を行うべきときには、パージガス排出弁62が閉弁されつつパージガス導入弁61が開弁される。その結果、パージガスの圧力とバッファタンク60内部の圧力との差により、アノードオフガス管36からパージガス導入管64を介しバッファタンク60へパージガス、すなわち発電阻害物質を含むアノードオフガスが流入する。その結果、図4に示すように筒状部材71が弾性的に伸長し、バッファタンク60内にパージガスが貯蔵される。このとき、筒状部材71には、収縮状態に戻ろうとする復元力が蓄積されている。
When the purge action is to be performed, the purge
その後、パージガス導入弁61が閉弁されると共にパージガス排出弁62が開弁される。その結果、図5に示すように、筒状部材71の復元力により筒状部材71が収縮する。したがって、バッファタンク60からパージガス排出管65を介しパージガスが排出される。
Thereafter, the purge
その後、図3に示される状態までバッファタンク60が収縮する。このときバッファタンク60は、パージガスをほとんど貯蔵していない。
Thereafter, the
その後、パージガス排出弁62が閉弁されつつパージガス導入弁61が開弁され、したがってパージガスがバッファタンク60内に再び導入される。その後、パージガス導入弁61が閉弁されると共にパージガス排出弁62が開弁され、したがってパージガスバッファタンク60から排出される。このように図1に示される燃料電池システム1のパージ作用では、バッファタンク60へのパージガスの導入と、バッファタンク60からのパージガスの排出とが交互に繰り返される。
Thereafter, the purge
このように、バッファタンク60内にパージガスが一時的に蓄えられ、蓄えられたパージガスがバッファタンク60の弾性によりバッファタンク60から排出される。すなわち、簡単な構成でもってパージ作用を行うことができる。また、パージ作用のために必要な電力量を低減することもできる。
Thus, the purge gas is temporarily stored in the
バッファタンク60の可能最大容量は、1回のパージガス導入作用で導入されるパージガス量と概ね同じであることが好ましい。このようにすると、バッファタンク60の寸法を小さくでき、バッファタンク60を設置するのに必要なスペースを小さくできる。
The maximum possible capacity of the
なお、図1に示される燃料電池システム1では、燃料電池スタック1の作動時にパージ作用が行われる。別の実施例では、例えば出力センサ99により検出される燃料電池スタック10の出力電圧又は出力電流が許容下限よりも大きいときにはパージ作用は行なわれず、燃料電池スタック10の出力電圧又は出力電流が許容下限を下回ったときにパージ作用が行われる。
In the fuel cell system 1 shown in FIG. 1, a purge action is performed when the fuel cell stack 1 is operated. In another embodiment, for example, when the output voltage or output current of the
図1に示される燃料電池システム1のパージ作用を、図6を参照しながら更に説明する。図6を参照すると、時間t11はパージ作用を開始すべきときを示している。このとき、バッファタンク60は図3に示されるような収縮状態にある。この収縮状態では、バッファタンク60内に貯蔵されているパージガス量はほぼゼロである。
The purge action of the fuel cell system 1 shown in FIG. 1 will be further described with reference to FIG. Referring to FIG. 6, time t11 indicates when the purge action should be started. At this time, the
時間t11において、パージガス排出弁62が閉弁されつつパージガス導入弁61が開弁される。その結果、パージガス貯蔵量がほぼゼロから増大する。
At time t11, the purge
次いで、導入時間Δt1が経過し時間t12になると、パージガス導入弁61が閉弁されると共にパージガス排出弁62が開弁される。その結果、バッファタンク60からパージガスが排出され、パージガス貯蔵量がQPから徐々に減少する。
Next, when the introduction time Δt1 elapses and time t12 is reached, the purge
次いで、排出時間Δt2が経過し時間t21になると、パージガス貯蔵量がほぼゼロまで戻る。このとき、パージガス導入弁61が開弁されると共にパージガス排出弁62が閉弁される。その結果、パージガス再びバッファタンク60内に導入される。次いで、時間t22になるとパージガスの導入作用が終了されてパージガスの排出作用が開始され、次いで時間t31になるとパージガスの排出作用が終了されてパージガスの導入作用が開始される。
Next, when the discharge time Δt2 elapses and time t21 is reached, the purge gas storage amount returns to almost zero. At this time, the purge
したがって、導入時間Δt1と排出時間Δt2との和をインターバルTと称すると、パージ作用がインターバルTでもって繰り返されるということになる。あるいは、バッファタンク60へのパージガスの導入作用がインターバルTでもって繰り返され、導入作用が行われていない期間にパージガスの排出作用が行なわれるという見方もできる。
Therefore, if the sum of the introduction time Δt1 and the discharge time Δt2 is referred to as an interval T, the purge action is repeated at the interval T. Alternatively, it can be considered that the operation of introducing the purge gas into the
インターバルTは例えば次のようにして設定される。すなわち、燃料電池スタック10の水素ガス通路30及びアノードオフガス管36内の発電阻害物質量は例えば燃料電池システム1の負荷ないし要求発電量が多くなるにつれて発電阻害物質量は多くなる。そこで図1に示される燃料電池システム1では、インターバルTは図7に示されるように、負荷が高くなるにつれて短くされる。なお、インターバルTは図7に示されるマップの形であらかじめROM92内に記憶されている。なお、燃料電池システム1の負荷は例えばアクセルペダルの踏み込み量によって表される。
The interval T is set as follows, for example. That is, the amount of power generation inhibiting substances in the
一方、導入時間Δt1は例えば比較的短い一定時間に設定される。パージガスの形で燃料電池システム10から排出される未使用の水素ガス量をできるだけ少なくするためである。これに対し、排出時間Δt2はインターバルTから導入時間Δt1を差し引くことによって算出される(Δt2=T−Δt1)。
On the other hand, the introduction time Δt1 is set to a relatively short fixed time, for example. This is to reduce the amount of unused hydrogen gas discharged from the
なお、別の実施例では、インターバルTは一定値に設定される。更に別の実施例では、導入時間Δt1が例えば燃料電池システム1の負荷に応じて変更される。 In another embodiment, the interval T is set to a constant value. In yet another embodiment, the introduction time Δt1 is changed according to the load of the fuel cell system 1, for example.
図6に示される実施例では、パージガス排出弁62が開弁されてから排出時間Δt2が経過したときにパージガス貯蔵量がほぼゼロに戻るように、パージガス排出作用時におけるパージガスの排出速度、すなわちパージガス排出弁62の開度が設定される。すなわち、パージガス排出弁62を開弁すべきときのパージガス貯蔵量がQPの場合には、パージガスの排出速度vpは(QP/Δt2)で表される。このようにすると、バッファタンク60から排出される水素ガス濃度を低く維持することができる。
In the embodiment shown in FIG. 6, the purge gas discharge speed during the purge gas discharge operation, that is, the purge gas, so that the purge gas storage amount returns to almost zero when the discharge time Δt2 has elapsed since the purge
バッファタンク60から排出されたパージガスは次いで希釈器49に流入する。その結果、カソードオフガス管46からのカソードオフガス及び空気バイパス管41aからの空気、すなわち希釈ガスにより、パージガスに含まれる水素ガスが希釈される。この場合、図1に示される燃料電池システム1では、排出ガス管46aから排出される排出ガス中の水素ガス濃度を例えば爆発限界濃度よりも低く維持するのに必要な希釈ガス量が要求希釈ガス量として算出され、実際の希釈ガス量が要求希釈ガス量になるようにコンプレッサ44からの空気量及び空気バイパス制御弁48が制御される。すなわち、カソードオフガス管46からのカソードオフガス量が要求希釈ガス量よりも少ないときには、コンプレッサ44からの空気供給量が増大されると共に、空気バイパス制御弁48が開弁される。一方、カソードオフガス管46からのカソードオフガス量が要求希釈ガス量よりも多いときには、空気バイパス制御弁48は閉弁され、コンプレッサ44の空気増大作用は行われない。すなわち、コンプレッサ44からの空気供給量は燃料電池スタック10の要求発電量に応じて定まる空気量に設定される。その結果、パージガスが安全に大気中に放出される。
The purge gas discharged from the
上述したように、図1及び図2に示される実施例では、バッファタンク60が収容容器70内に収容され、呼吸孔73が希釈器49に連結される。したがって、何らかの理由によりバッファタンク60から水素ガスを含むパージガスが漏れたとしても、このパージガスはまず包囲空間A内に留まり、次いで希釈器49に供給され、希釈される。したがって、バッファタンク60から漏れたパージガスが安全に大気中に放出される。
As described above, in the embodiment shown in FIGS. 1 and 2, the
図8は上述したパージ作用を実行するルーチンを示している。このルーチンはあらかじめ定められた設定時間ごとの割り込みによって実行される。
図8を参照すると、ステップ100では燃料電池システム1の負荷が読み込まれる。続くステップ101ではインターバルT及び排出時間Δt2が算出される。続くステップ102では導入時間Δt1にわたり、パージガス導入弁61が開弁され、パージガス排出弁62が閉弁される。続くステップ103ではパージガス貯蔵量が容量センサ74により算出され、パージガス排出弁62の開度が算出され、要求希釈ガス量が算出される。続くステップ105では排出時間Δt2にわたり、パージガス導入弁61が閉弁され、パージガス排出弁62が開弁される。また、希釈ガス量が要求希釈ガス量になるようにコンプレッサ44及び空気バイパス制御弁48が制御される。
FIG. 8 shows a routine for executing the purge action described above. This routine is executed by interruption every predetermined time.
Referring to FIG. 8, in
図9は、バッファタンク60の別の実施例を示している。この実施例では、バッファタンク60と収容容器70との間にバネのような弾性体75が挿入され、それによってバッファタンク60が弾性的に伸縮可能となっている。この場合、筒状部材71自体が弾性を備えていなくてもよい。
FIG. 9 shows another embodiment of the
図10は、バッファタンク60の更に別の実施例を示している。この実施例では、バッファタンク60は伸縮可能な袋71aから形成される。また、この実施例では、位置センサ74は、光学式位置センサから構成され、センサヘッド74bでレーザ光を発射し、袋71bからの反射光を受光する。
FIG. 10 shows still another embodiment of the
図11は本発明による別の実施例を示している。図11を参照すると、収容容器70と希釈器49とが一体的に形成される。あるいは、収容容器70と希釈器49とが互いに接するよう配置される。カソードオフガスの温度はかなり高いので、このようにすると、カソードオフガスによりバッファタンク60が容易に加熱される。
FIG. 11 shows another embodiment according to the present invention. Referring to FIG. 11, the
また、図11に示される実施例では、収容容器70の一側にカソードオフガス流入孔h1が形成され、収容容器70の他側にカソードオフガス流出孔h2が設けられる。これらカソードオフガス流入孔h1及びカソードオフガス流出孔h2は包囲空間A内に連通する。カソードオフガス流入孔h1は供給管81を介してカソードオフガス管46に連結される。カソードオフガス流出孔h2は希釈器49の内部空間内に連通される。その結果、カソードオフガス管46内のカソードオフガスが供給管81及びカソードオフガス流入孔h1を介し包囲空間A内に流入する。このカソードオフガスはバッファタンク60の周りの包囲空間A内を流通し、次いでカソードオフガス流出孔h2を介して希釈器49内に流出する。その結果、カソードオフガスによりバッファタンク60が容易に加熱される。
In the embodiment shown in FIG. 11, the cathode offgas inflow hole h <b> 1 is formed on one side of the
冷間時には、バッファタンク60内に残存した水分が凍結するおそれがある。残存水分が凍結すると、バッファタンク60が良好に伸縮できないおそれがある。そこで図11に示される実施例では、カソードオフガスによりバッファタンク60を速やかに加熱し、凍結している水分を速やかに解凍するようにしている。その結果、バッファタンク60の良好な伸縮が確保される。しかも、バッファタンク60内の残存水分の気化が促進され、したがってバッファタンク60内の残存水分量が低減される。
When cold, the water remaining in the
別の実施例では、収容容器70はカソードオフガス管46又は排出ガス管46aと一体的に形成される。更に別の実施例では、カソードオフガス流出孔h2は排出ガス管46aに連結される。
In another embodiment, the
これまで述べてきた実施例では、カソードオフガス管36の出口にパージガス導入管64が連結される。別の実施例では、カソードオフガス管36の出口が水素ガス供給管31に連結され、したがってカソードオフガスが水素ガス供給管31に戻される。その上で、カソードオフガス管36の途中にパージガス導入管64が連結される。
In the embodiment described so far, the purge
1 燃料電池システム
10 燃料電池スタック
36 アノードオフガス管
46 カソードオフガス管
49 希釈器
60 バッファタンク
61 パージガス導入弁
62 パージガス排出弁
64 パージガス導入管
65 パージガス排出管
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (4)
前記燃料電池スタック内に形成された燃料ガス通路の出口に連結されたアノードオフガス管と、
前記燃料電池スタック内に形成された酸化剤ガス通路の出口に連結されたカソードオフガス管と、
前記アノードオフガス管からのパージガスを一時的に蓄えるバッファタンクと、
前記アノードオフガス管の出口又は途中を前記バッファタンクの入口に連結するパージガス導入管と、
前記パージガス導入管内に配置されたパージガス導入弁と、
前記カソードオフガス管内に配置され、カソードオフガスとパージガスとを互いに混合することにより排出ガス中の燃料ガス濃度を低下させる希釈器と、
前記バッファタンクの出口と前記希釈器の入口又は前記希釈器上流の前記カソードオフガス管に連結するパージガス排出管と、
前記パージガス排出管内に配置されたパージガス排出弁と、
を備え、
前記バッファタンクは弾性的に伸縮可能であり、
前記パージガス排出弁が閉弁されつつ前記パージガス導入弁が開弁されると、前記アノードオフガス管から前記パージガス導入管を介しパージガスが前記バッファタンク内に流入し、このとき前記バッファタンクが弾性的に伸長し、次いで前記パージガス導入弁が閉弁されると共に前記パージガス排出弁が開弁されると、前記バッファタンクが弾性的に収縮することにより前記バッファタンク内のパージガスが前記パージガス排出管を介し前記希釈器内又は前記希釈器上流の前記カソードオフガス管内に排出される、
燃料電池システム。 A fuel cell stack that generates electric power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas;
An anode off-gas pipe connected to an outlet of a fuel gas passage formed in the fuel cell stack;
A cathode off-gas pipe connected to an outlet of an oxidant gas passage formed in the fuel cell stack;
A buffer tank for temporarily storing purge gas from the anode off-gas pipe;
A purge gas introduction pipe connecting the outlet or the middle of the anode off gas pipe to the inlet of the buffer tank;
A purge gas introduction valve disposed in the purge gas introduction pipe;
A diluter disposed in the cathode offgas pipe and reducing the fuel gas concentration in the exhaust gas by mixing the cathode offgas and the purge gas with each other;
A purge gas exhaust pipe connected to an outlet of the buffer tank and an inlet of the diluter or the cathode offgas pipe upstream of the diluter;
A purge gas discharge valve disposed in the purge gas discharge pipe;
With
The buffer tank is elastically extendable and contractible,
When the purge gas introduction valve is opened while the purge gas discharge valve is closed, purge gas flows into the buffer tank from the anode off-gas pipe through the purge gas introduction pipe. At this time, the buffer tank is elastically moved. When the purge gas introduction valve is closed and the purge gas discharge valve is opened, the buffer tank is elastically contracted to cause the purge gas in the buffer tank to pass through the purge gas discharge pipe. Discharged into the cathode offgas pipe in the diluter or upstream of the diluter,
Fuel cell system.
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