JP7600699B2

JP7600699B2 - Fuel Cell Systems

Info

Publication number: JP7600699B2
Application number: JP2021005830A
Authority: JP
Inventors: 作馬江森; 一志赤松; 聡渡邉; 智隆石川
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2021-01-18
Filing date: 2021-01-18
Publication date: 2024-12-17
Anticipated expiration: 2041-01-18
Also published as: JP2022110424A

Description

本明細書に開示の技術は、燃料電池システムに関する。 The technology disclosed in this specification relates to a fuel cell system.

特許文献１には、燃料電池システムが開示されている。一般に、燃料電池システムは、冷却液循環流路を有している。冷却液循環流路内に冷却液が流れることで、燃料電池スタックが冷却される。 Patent Document 1 discloses a fuel cell system. In general, a fuel cell system has a coolant circulation flow path. The fuel cell stack is cooled by the coolant flowing through the coolant circulation flow path.

特開２００９－２７７４０７号公報JP 2009-277407 A

燃料電池システムの冷却液中にイオンが溶出して冷却液の絶縁性が低下する場合がある。冷却液の絶縁性が過度に低下すると、燃料電池スタック内で冷却液を介して電流が漏れる。このため、燃料電池システムでは、冷却液中に溶出したイオンをイオン交換器によって除去するイオン交換処理が定期的に実施される。イオン交換処理を実施することで、冷却液の絶縁性を回復することができる。本明細書では、燃料電池システムにおいて、冷却液のイオン交換処理を効率的に実施する技術を提案する。 Ions may dissolve in the coolant in a fuel cell system, causing the insulation of the coolant to deteriorate. If the insulation of the coolant deteriorates excessively, current leaks through the coolant in the fuel cell stack. For this reason, in fuel cell systems, an ion exchange process is periodically performed to remove ions dissolved in the coolant using an ion exchanger. By performing the ion exchange process, the insulation of the coolant can be restored. This specification proposes a technology for efficiently performing ion exchange process of the coolant in a fuel cell system.

本明細書が開示する燃料電池システムは、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに接続されているとともに内部に冷却液が循環する冷却液循環路と、前記冷却液に対してイオン交換処理を実施するイオン交換器と、制御回路、を有する。前記制御回路が、前記燃料電池スタックにより発電を行うことで前記冷却液の温度を上昇させる第１動作と、前記第１動作の後に前記イオン交換器によって前記冷却液に対して前記イオン交換処理を実施する第２動作と、を実施するように構成されている。 The fuel cell system disclosed in this specification includes a fuel cell stack, a coolant circulation path connected to the fuel cell stack and through which coolant circulates, an ion exchanger that performs ion exchange processing on the coolant, and a control circuit. The control circuit is configured to perform a first operation of increasing the temperature of the coolant by generating electricity using the fuel cell stack, and a second operation of performing the ion exchange processing on the coolant using the ion exchanger after the first operation.

この燃料電池システムでは、第１動作によって冷却液の温度を上昇させた後に、第２動作で冷却液に対するイオン交換処理が実施される。冷却液の温度が高い状態でイオン交換処理を実施できるので、冷却液中に溶出したイオンを効率的に冷却液から除去できる。したがって、短時間で冷却液の絶縁性を回復することができる。 In this fuel cell system, after the temperature of the coolant is increased by the first operation, an ion exchange process is performed on the coolant by the second operation. Because the ion exchange process can be performed when the temperature of the coolant is high, the ions dissolved in the coolant can be efficiently removed from the coolant. Therefore, the insulating properties of the coolant can be restored in a short time.

燃料電池システム１０の回路図。FIG. 1 is a circuit diagram of a fuel cell system 10. 燃料電池システム１０を収容するコンテナを示す図。FIG. 2 is a diagram showing a container that houses the fuel cell system 10. メンテナンス運転の説明図。FIG.

図１に示す燃料電池システム１０は、定置式の燃料電池システムである。例えば、燃料電池システム１０は、図２に示すコンテナ１０ａ内に収容されている。図１に示すように、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック２０、水素ガス供給系３０、酸素ガス供給系４０、冷却系５０、及び、制御回路７０を有している。燃料電池スタック２０は、積層された複数の燃料電池セルによって構成されている。水素ガス供給系３０は、燃料電池スタック２０に水素ガスを供給する。酸素ガス供給系４０は、燃料電池スタック２０に酸素ガスを供給する。燃料電池スタック２０に供給された水素ガスと酸素ガスは、燃料電池スタック２０内の各燃料電池セルで互いに反応する。これによって、燃料電池スタック２０が有する出力端子２０ａ、２０ｂの間に電圧が出力される。冷却系５０は、燃料電池スタック２０内に冷却液を流すことで、燃料電池スタック２０を冷却する。制御回路７０は、燃料電池システム１０の各部を制御する。 The fuel cell system 10 shown in FIG. 1 is a stationary fuel cell system. For example, the fuel cell system 10 is housed in a container 10a shown in FIG. 2. As shown in FIG. 1, the fuel cell system 10 has a fuel cell stack 20, a hydrogen gas supply system 30, an oxygen gas supply system 40, a cooling system 50, and a control circuit 70. The fuel cell stack 20 is composed of a plurality of stacked fuel cell cells. The hydrogen gas supply system 30 supplies hydrogen gas to the fuel cell stack 20. The oxygen gas supply system 40 supplies oxygen gas to the fuel cell stack 20. The hydrogen gas and oxygen gas supplied to the fuel cell stack 20 react with each other in each fuel cell in the fuel cell stack 20. As a result, a voltage is output between the output terminals 20a and 20b of the fuel cell stack 20. The cooling system 50 cools the fuel cell stack 20 by flowing a coolant through the fuel cell stack 20. The control circuit 70 controls each part of the fuel cell system 10.

冷却系５０は、燃料電池スタック２０に接続された冷却液循環路５２を有している。冷却液循環路５２内に冷却液が流れる。冷却液循環路５２は、冷却流路５２ａ、イオン交換流路５２ｂ、及び、放熱流路５２ｃを有している。冷却流路５２ａは、燃料電池スタック２０内を通過するように構成されている。図示していないが、冷却流路５２ａは燃料電池スタック２０内で複数に分岐しており、分岐した各流路が各燃料電池セルに沿って配設されている。冷却流路５２ａ内を流れる冷却液によって、燃料電池スタック２０が冷却される。冷却流路５２ａには、ポンプ６０が設置されている。ポンプ６０は、冷却流路５２ａ内の冷却液を上流側から下流側へ送出する。冷却流路５２ａの上流端は、イオン交換流路５２ｂの下流端と放熱流路５２ｃの下流端に接続されている。冷却流路５２ａの下流端は、三方弁５４を介してイオン交換流路５２ｂの上流端と放熱流路５２ｃの上流端に接続されている。三方弁５４は、冷却流路５２ａからイオン交換流路５２ｂに冷却液が流れる状態と、冷却流路５２ａから放熱流路５２ｃに冷却液が流れる状態との間で接続状態を切り換える。三方弁５４は、制御回路７０によって制御される。放熱流路５２ｃには、ラジエータ５８が設置されている。ラジエータ５８は、放熱流路５２ｃ内を流れる冷却液から外気へ放熱することで、冷却液を冷却する。イオン交換流路５２ｂの一部は、第１流路５２ｂ１と第２流路５２ｂ２に分岐している。第２流路５２ｂ２に、イオン交換器５６が設置されている。イオン交換器５６は、イオン交換樹脂等を用いたイオン交換器である。イオン交換器５６は、第２流路５２ｂ２中を流れる冷却液に対してイオン交換処理を実施する。 The cooling system 50 has a cooling liquid circulation path 52 connected to the fuel cell stack 20. The cooling liquid flows in the cooling liquid circulation path 52. The cooling liquid circulation path 52 has a cooling flow path 52a, an ion exchange flow path 52b, and a heat dissipation flow path 52c. The cooling flow path 52a is configured to pass through the fuel cell stack 20. Although not shown, the cooling flow path 52a branches into multiple paths in the fuel cell stack 20, and each branched path is arranged along each fuel cell. The fuel cell stack 20 is cooled by the cooling liquid flowing in the cooling flow path 52a. A pump 60 is installed in the cooling flow path 52a. The pump 60 sends the cooling liquid in the cooling flow path 52a from the upstream side to the downstream side. The upstream end of the cooling flow path 52a is connected to the downstream end of the ion exchange flow path 52b and the downstream end of the heat dissipation flow path 52c. The downstream end of the cooling flow path 52a is connected to the upstream end of the ion exchange flow path 52b and the upstream end of the heat dissipation flow path 52c via a three-way valve 54. The three-way valve 54 switches the connection state between a state in which the cooling liquid flows from the cooling flow path 52a to the ion exchange flow path 52b and a state in which the cooling liquid flows from the cooling flow path 52a to the heat dissipation flow path 52c. The three-way valve 54 is controlled by a control circuit 70. A radiator 58 is installed in the heat dissipation flow path 52c. The radiator 58 cools the cooling liquid by dissipating heat from the cooling liquid flowing in the heat dissipation flow path 52c to the outside air. A part of the ion exchange flow path 52b branches into a first flow path 52b1 and a second flow path 52b2. An ion exchanger 56 is installed in the second flow path 52b2. The ion exchanger 56 is an ion exchanger that uses an ion exchange resin or the like. The ion exchanger 56 performs an ion exchange process on the cooling liquid flowing in the second flow path 52b2.

燃料電池システム１０で発電運転を行う場合には、制御回路７０は、水素ガス供給系３０から燃料電池スタック２０に水素ガスを供給するとともに酸素ガス供給系４０から燃料電池スタック２０に酸素ガスを供給する。これによって、燃料電池スタック２０で発電を実施する。さらに、制御回路７０は、発電運転中に、三方弁５４を冷却流路５２ａから放熱流路５２ｃに冷却液が流れる状態した状態で、ポンプ６０を作動させる。これによって、冷却流路５２ａと放熱流路５２ｃによって構成される環状流路に冷却液が循環する。また、制御回路７０は、ラジエータ５８を動作させる。したがって、ラジエータ５８で冷却された冷却液が、冷却流路５２ａによって燃料電池スタック２０に供給される。これによって、燃料電池スタック２０が冷却される。 When the fuel cell system 10 is operated to generate electricity, the control circuit 70 supplies hydrogen gas from the hydrogen gas supply system 30 to the fuel cell stack 20 and oxygen gas from the oxygen gas supply system 40 to the fuel cell stack 20. This allows the fuel cell stack 20 to generate electricity. Furthermore, during the power generation operation, the control circuit 70 operates the pump 60 while the three-way valve 54 is in a state in which the coolant flows from the cooling flow path 52a to the heat dissipation flow path 52c. This causes the coolant to circulate through the annular flow path formed by the cooling flow path 52a and the heat dissipation flow path 52c. The control circuit 70 also operates the radiator 58. Therefore, the coolant cooled by the radiator 58 is supplied to the fuel cell stack 20 by the cooling flow path 52a. This cools the fuel cell stack 20.

また、制御回路７０は、定期的にメンテナンス運転を実行する。図３に示すように、メンテナンス運転では、制御回路７０は、出力確認動作とイオン交換動作を実施する。出力確認動作は、燃料電池スタック２０で適切な出力電圧が得られるか否かを確認する動作である。イオン交換動作は、冷却液循環路５２内の冷却液の絶縁性を回復させる動作である。冷却液には、燃料電池システム１０の各部（例えば、冷却液循環路５２の配管等）から不純物イオン（例えば、金属イオン、塩化物イオン等）が溶け出す。このため、時間の経過とともに冷却液中の不純物イオンの濃度が上昇する。冷却液中の不純物イオンの濃度が上昇すると、冷却液の絶縁性が低下する。冷却液の絶縁性が過度に低くなると、冷却液を介して電流が漏れる場合がある。したがって、制御回路７０は、定期的にイオン交換動作を実施して、冷却液の絶縁性を回復させる。 In addition, the control circuit 70 periodically performs a maintenance operation. As shown in FIG. 3, in the maintenance operation, the control circuit 70 performs an output check operation and an ion exchange operation. The output check operation is an operation for checking whether an appropriate output voltage is obtained in the fuel cell stack 20. The ion exchange operation is an operation for recovering the insulation of the coolant in the coolant circulation path 52. Impurity ions (e.g., metal ions, chloride ions, etc.) are dissolved into the coolant from each part of the fuel cell system 10 (e.g., the piping of the coolant circulation path 52, etc.). For this reason, the concentration of impurity ions in the coolant increases over time. If the concentration of impurity ions in the coolant increases, the insulation of the coolant decreases. If the insulation of the coolant becomes excessively low, current may leak through the coolant. Therefore, the control circuit 70 periodically performs an ion exchange operation to recover the insulation of the coolant.

出力確認動作では、制御回路７０は、上述した発電運転と同様にして、燃料電池スタック２０で発電を実施する。すなわち、制御回路７０は、水素ガス供給系３０から燃料電池スタック２０に水素ガスを供給するとともに酸素ガス供給系４０から燃料電池スタック２０に酸素ガスを供給することによって、燃料電池スタック２０で発電を実施する。図３に示すように、出力確認動作では、出力端子２０ａ、２０ｂの間に比較的高い出力電圧を出力する。制御回路７０は、出力確認動作において出力電圧を測定する。これによって、出力電圧が正常値であるか否かが確認される。また、制御回路７０は、出力確認動作中に、冷却流路５２ａと放熱流路５２ｃによって構成される循環流路に冷却液を循環させて、燃料電池スタック２０を冷却する。発電によって燃料電池スタック２０の温度が上昇しているので、冷却液が燃料電池スタック２０によって加熱される。したがって、出力確認動作中に、冷却液の温度が上昇する。制御回路７０は、冷却液の温度が６０℃以上となるまで出力確認動作を継続する。なお、出力確認動作中に、ラジエータ５８を動作させてもよいし、させなくてもよい。 In the output confirmation operation, the control circuit 70 performs power generation in the fuel cell stack 20 in the same manner as in the power generation operation described above. That is, the control circuit 70 performs power generation in the fuel cell stack 20 by supplying hydrogen gas from the hydrogen gas supply system 30 to the fuel cell stack 20 and supplying oxygen gas from the oxygen gas supply system 40 to the fuel cell stack 20. As shown in FIG. 3, in the output confirmation operation, a relatively high output voltage is output between the output terminals 20a and 20b. The control circuit 70 measures the output voltage in the output confirmation operation. This confirms whether the output voltage is a normal value. In addition, during the output confirmation operation, the control circuit 70 circulates the coolant through the circulation flow path formed by the cooling flow path 52a and the heat dissipation flow path 52c to cool the fuel cell stack 20. Since the temperature of the fuel cell stack 20 has risen due to power generation, the coolant is heated by the fuel cell stack 20. Therefore, the temperature of the coolant rises during the output confirmation operation. The control circuit 70 continues the output confirmation operation until the temperature of the coolant reaches 60°C or higher. During the output check operation, the radiator 58 may or may not be operated.

制御回路７０は、出力確認動作の後にイオン交換動作を実施する。イオン交換動作では、図３に示すように、制御回路７０は燃料電池スタック２０の出力電圧を低下させる。すなわち、イオン交換動作中は、低い出力電圧が出力されるように燃料電池スタック２０で発電を実施する。また、制御回路７０は、冷却流路５２ａからイオン交換流路５２ｂに冷却液が流れるように三方弁５４を切り換える。したがって、イオン交換動作では、冷却流路５２ａとイオン交換流路５２ｂによって構成される循環流路に冷却液が循環する。したがって、イオン交換流路５２ｂの第２流路５２ｂ２に冷却液が流れる。イオン交換器５６は、第２流路５２ｂ２内を流れる冷却液中の不純物イオンを、プロトン（Ｈ^＋）または水酸化物イオン（ＯＨ^－）と交換する。これによって、冷却液中の不純物イオンを除去する。したがって、イオン交換動作中に、冷却液中の不純物イオン濃度が低下し、冷却液の絶縁性が回復する。 The control circuit 70 performs an ion exchange operation after the output confirmation operation. In the ion exchange operation, as shown in FIG. 3, the control circuit 70 reduces the output voltage of the fuel cell stack 20. That is, during the ion exchange operation, power is generated in the fuel cell stack 20 so that a low output voltage is output. The control circuit 70 also switches the three-way valve 54 so that the coolant flows from the cooling flow path 52a to the ion exchange flow path 52b. Therefore, during the ion exchange operation, the coolant circulates through the circulation flow path formed by the cooling flow path 52a and the ion exchange flow path 52b. Therefore, the coolant flows through the second flow path 52b2 of the ion exchange flow path 52b. The ion exchanger 56 exchanges the impurity ions in the coolant flowing through the second flow path 52b2 with protons (H ⁺ ) or hydroxide ions (OH ⁻ ). This removes the impurity ions in the coolant. Therefore, during the ion exchange operation, the impurity ion concentration in the coolant decreases, and the insulation of the coolant is restored.

イオン交換器５６におけるイオン交換の効率は、冷却液の温度が高いほど向上する。上記のメンテナンス運転では、出力確認動作で冷却液の温度を上昇させた後に、イオン交換動作を実施する。したがって、冷却液の温度が高い状態でイオン交換動作を開始することができる。このため、イオン交換動作において効率的にイオン交換を行うことができる。したがって、短時間で冷却液の絶縁性を回復することができ、短時間でイオン交換動作を終了させることができる。したがって、実施形態の燃料電池システムでは、メンテナンス動作の時間（すなわち、燃料電池システム１０を使用できない時間）を短縮することができる。 The efficiency of ion exchange in the ion exchanger 56 improves as the temperature of the coolant increases. In the above-mentioned maintenance operation, the ion exchange operation is performed after the temperature of the coolant is raised in the output confirmation operation. Therefore, the ion exchange operation can be started when the temperature of the coolant is high. This allows ion exchange to be performed efficiently in the ion exchange operation. Therefore, the insulation properties of the coolant can be restored in a short time, and the ion exchange operation can be completed in a short time. Therefore, in the fuel cell system of the embodiment, the time for maintenance operation (i.e., the time during which the fuel cell system 10 cannot be used) can be shortened.

また、上記の実施形態では、イオン交換動作中に燃料電池スタック２０で低い出力電圧を出力する発電を実施した。したがって、イオン交換動作中に冷却液の温度が低下し難い。このため、より効率的にイオン交換を行うことができる。但し、冷却液の温度の低下がそれほど問題とならない場合には、イオン交換動作中に燃料電池スタック２０の発電を停止させてもよい。 In addition, in the above embodiment, power generation was performed in which a low output voltage was output from the fuel cell stack 20 during the ion exchange operation. Therefore, the temperature of the coolant is less likely to drop during the ion exchange operation. This allows ion exchange to be performed more efficiently. However, if the drop in the temperature of the coolant is not a significant problem, power generation in the fuel cell stack 20 may be stopped during the ion exchange operation.

以上、実施形態について詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独あるいは各種の組み合わせによって技術有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの１つの目的を達成すること自体で技術有用性を持つものである。 Although the embodiments have been described in detail above, these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and variations of the specific examples given above. The technical elements described in this specification or drawings demonstrate technical utility either alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. Furthermore, the technology exemplified in this specification or drawings achieves multiple objectives simultaneously, and achieving one of these objectives is itself technically useful.

１０：燃料電池システム
２０：燃料電池スタック
３０：水素ガス供給系
４０：酸素ガス供給系
５０：冷却系
５２：冷却液循環路
５２ａ：メイン流路
５２ｂ：イオン交換流路
５２ｃ：放熱流路
５６：イオン交換器
５８：ラジエータ
６０：ポンプ
７０：制御回路
10: fuel cell system 20: fuel cell stack 30: hydrogen gas supply system 40: oxygen gas supply system 50: cooling system 52: coolant circulation path 52a: main flow path 52b: ion exchange flow path 52c: heat dissipation flow path 56: ion exchanger 58: radiator 60: pump 70: control circuit

Claims

1. A fuel cell system comprising:
A fuel cell stack;
a coolant circulation path connected to the fuel cell stack, through which a coolant circulates;
an ion exchanger for performing an ion exchange process on the cooling liquid;
A control circuit,
having
The cooling liquid circulation path is
a cooling passage provided with the fuel cell stack;
A heat dissipation flow path;
an ion exchanger flow path provided with the ion exchanger;
Equipped with
The control circuit
a first operation of increasing a temperature of the cooling liquid by generating electricity using the fuel cell stack while circulating the cooling liquid through the cooling flow path and the heat dissipation flow path in a state where the ion exchanger flow path is closed;
a second operation of performing the ion exchange process on the cooling liquid by the ion exchanger while circulating the cooling liquid through the cooling flow path and the ion exchanger flow path in a state where the heat dissipation flow path is closed after the first operation;
4. The method according to claim 1,
Fuel cell system.

The fuel cell system of claim 1, wherein in the second operation, the fuel cell stack generates electricity at a lower amount than in the first operation.