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JP7635728B2 - Fuel Cell Systems - Google Patents
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Description

本明細書が開示する技術は、複数の燃料電池スタックを備えている燃料電池システムに関する。 The technology disclosed in this specification relates to a fuel cell system that includes multiple fuel cell stacks.

特許文献1、2に、複数の燃料電池スタックで発電する燃料電池システムが開示されている。燃料電池スタックでは、燃料ガス(水素ガス)と酸素(空気)が反応して電気が作られる。燃料電池スタック内で残った燃料ガス(未反応の燃料ガス)は、希釈器へ送られる。未反応の燃料ガスは、希釈器にて、所定の許容濃度まで空気で希釈されてから放出される。 Patent Documents 1 and 2 disclose fuel cell systems that generate electricity using multiple fuel cell stacks. In the fuel cell stack, fuel gas (hydrogen gas) reacts with oxygen (air) to generate electricity. The fuel gas remaining in the fuel cell stack (unreacted fuel gas) is sent to a diluter. In the diluter, the unreacted fuel gas is diluted with air to a predetermined allowable concentration before being released.

特許文献1の燃料電池システムは、複数の燃料電池スタックに対して共通のエアコンプレッサと共通の希釈器を備えている。特許文献2の燃料電池システムは、それぞれの燃料電池スタックにエアコンプレッサが備えられている。 The fuel cell system in Patent Document 1 is equipped with a common air compressor and a common diluter for multiple fuel cell stacks. The fuel cell system in Patent Document 2 is equipped with an air compressor for each fuel cell stack.

特開2006-155997号公報JP 2006-155997 A 特開2020-57460号公報JP 2020-57460 A

本明細書は、複数の燃料電池スタックを備えた燃料電池システムに関し、未反応の燃料ガスを効率よく希釈する技術を提供する。 This specification relates to a fuel cell system equipped with multiple fuel cell stacks, and provides a technology for efficiently diluting unreacted fuel gas.

本明細書が開示する燃料電池システムは、複数の燃料電池スタックと、複数のエアコンプレッサと、希釈器と、バイパス路と、調整バルブと、制御器を備える。夫々のエアコンプレッサは夫々の燃料電池スタックに接続されており、対応する燃料電池スタックに空気を送る。希釈器は、夫々の燃料電池スタックから排出される未反応の燃料ガスと空気を混合して排出する。バイパス路は、エアコンプレッサと希釈器を接続しており、燃料電池スタックをバイパスしてそれぞれのエアコンプレッサから希釈器へ空気を送る。調整バルブは、夫々のエアコンプレッサとバイパス路を接続しており、夫々のエアコンプレッサからバイパス路へ送られる空気流量を調整する。制御器は、希釈器から排出されるガスに含まれる燃料ガスの濃度が所定の許容濃度以下となるように、エアコンプレッサと調整バルブを制御する。制御器は、複数のエアコンプレッサの中から出力または損失が最も小さいエアコンプレッサを選択し、選択されたエアコンプレッサからバイパス路を通して希釈器へ空気を送るように、調整バルブを制御する。 The fuel cell system disclosed in this specification includes a plurality of fuel cell stacks, a plurality of air compressors, a diluter, a bypass passage, an adjustment valve, and a controller. Each air compressor is connected to each fuel cell stack and sends air to the corresponding fuel cell stack. The diluter mixes unreacted fuel gas discharged from each fuel cell stack with air and discharges the mixture. The bypass passage connects the air compressors to the diluter and sends air from each air compressor to the diluter, bypassing the fuel cell stack. The adjustment valve connects each air compressor to the bypass passage and adjusts the flow rate of air sent from each air compressor to the bypass passage. The controller controls the air compressor and the adjustment valve so that the concentration of fuel gas contained in the gas discharged from the diluter is equal to or lower than a predetermined allowable concentration. The controller selects an air compressor with the smallest output or loss from among the plurality of air compressors, and controls the adjustment valve so that air is sent from the selected air compressor to the diluter through the bypass passage .

本明細書が開示する燃料電池システムでは、未反応の燃料ガスを希釈するのに、出力または損失が最も小さいエアコンプレッサを用いる。それゆえ、燃料ガスを効率よく希釈することができる。 In the fuel cell system disclosed in this specification, an air compressor with minimal output or loss is used to dilute the unreacted fuel gas. Therefore, the fuel gas can be efficiently diluted.

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。 Details and further improvements of the technology disclosed in this specification are explained in the "Description of Embodiments" below.

実施例の燃料電池システムのブロック図である。FIG. 1 is a block diagram of a fuel cell system according to an embodiment.

図面を参照して実施例の燃料電池システム2を説明する。以下では、説明を簡単にするため、「燃料電池」をFCと表記する場合がある。図1に、FCシステム2(燃料電池システム2)のブロック図を示す。制御器6と各種のデバイス(バルブ31、32、33、34、エアコンプレッサ12、ガスセンサ16、昇圧コンバータ11、インバータ4など)は、通信線で接続されているが、通信線の図示は省略してある。 The fuel cell system 2 of the embodiment will be described with reference to the drawings. In the following, for ease of explanation, "fuel cell" may be abbreviated as FC. FIG. 1 shows a block diagram of the FC system 2. The controller 6 and various devices (valves 31, 32, 33, 34, air compressor 12, gas sensor 16, boost converter 11, inverter 4, etc.) are connected by communication lines, but the communication lines are not shown in the figure.

FCシステム2は、2個のFCスタック(第1FCスタック10aと第2FCスタック10b)を有しており、各FCスタックが発電する。以下では、第1FCスタック10aと第2FCスタック10bを区別なく表すときはFCスタック10と表記する場合がある。 The FC system 2 has two FC stacks (a first FC stack 10a and a second FC stack 10b), and each FC stack generates electricity. In the following, the first FC stack 10a and the second FC stack 10b may be referred to as FC stack 10 without distinction.

また、バルブ31a、31b、空気管22a、22b、エアコンプレッサ12a、12bなどについても、区別なく表すときにはバルブ31、空気管22、エアコンプレッサ12と表記する場合がある。 In addition, when there is no distinction between valves 31a and 31b, air pipes 22a and 22b, and air compressors 12a and 12b, they may be referred to as valve 31, air pipe 22, and air compressor 12.

それぞれのFCスタック10には昇圧コンバータ11が付随している。FCスタック10の電力出力端に昇圧コンバータ11が接続されており、昇圧コンバータ11の出力端はインバータ4の直流端に接続されている。昇圧コンバータ11は、FCスタック10が生成した直流電力を昇圧してインバータ4に供給する。インバータ4は、昇圧された直流電力を交流電力に変換する。インバータ4の交流端にシステム出力端5が接続されており、FCスタック10が生成した電力は、システム出力端5から他のデバイスへ供給される。 Each FC stack 10 is associated with a boost converter 11. The boost converter 11 is connected to the power output terminal of the FC stack 10, and the output terminal of the boost converter 11 is connected to the DC terminal of the inverter 4. The boost converter 11 boosts the DC power generated by the FC stack 10 and supplies it to the inverter 4. The inverter 4 converts the boosted DC power into AC power. The system output terminal 5 is connected to the AC terminal of the inverter 4, and the power generated by the FC stack 10 is supplied to other devices from the system output terminal 5.

FCスタック10には、燃料供給管21を通じて燃料タンク3から燃料ガス(水素ガス)が供給される。燃料供給管21には燃料バルブ31が接続されており、燃料バルブ31の開度を調整することで、FCスタック10へ供給される燃料ガスの流量を調整することができる。燃料バルブ31は、インジェクタと呼ばれる場合もある。 The FC stack 10 is supplied with fuel gas (hydrogen gas) from the fuel tank 3 through a fuel supply pipe 21. A fuel valve 31 is connected to the fuel supply pipe 21, and the flow rate of the fuel gas supplied to the FC stack 10 can be adjusted by adjusting the opening of the fuel valve 31. The fuel valve 31 is sometimes called an injector.

燃料バルブ31の下流側には不図示の圧力センサが接続されている、圧力センサが計測する圧力は、FCスタック10の中の圧力に等しい。制御器6は、FCスタック10が発電している間、圧力センサの計測値が適正な範囲に保持されるように(すなわち、FCスタック10の内圧が適正な範囲に保持されるように)、燃料バルブ31の開度を制御する。第1燃料バルブ31aは第1FCスタック10aに供給される燃料ガス流量を調整し、第2燃料バルブ31bは第2FCスタック10bに供給される燃料ガス流量を調整する。 A pressure sensor (not shown) is connected downstream of the fuel valve 31, and the pressure measured by the pressure sensor is equal to the pressure inside the FC stack 10. The controller 6 controls the opening of the fuel valve 31 so that the measurement value of the pressure sensor is kept within an appropriate range (i.e., so that the internal pressure of the FC stack 10 is kept within an appropriate range) while the FC stack 10 is generating electricity. The first fuel valve 31a adjusts the flow rate of fuel gas supplied to the first FC stack 10a, and the second fuel valve 31b adjusts the flow rate of fuel gas supplied to the second FC stack 10b.

FCスタック10には、空気管22を通じて空気(酸素)が供給される。空気管22にはエアコンプレッサ12と空気バルブ32が備えられており、エアコンプレッサ12によりFCスタック10に空気が送り込まれる。FCスタック10に供給される空気量(酸素量)は、エアコンプレッサ12の出力と空気バルブ32の開度により調整される。制御器6は、FCスタック10へ供給する燃料ガスの流量に応じてFCスタック10へ供給する空気量を調整する。 Air (oxygen) is supplied to the FC stack 10 through an air pipe 22. The air pipe 22 is equipped with an air compressor 12 and an air valve 32, and air is sent to the FC stack 10 by the air compressor 12. The amount of air (oxygen) supplied to the FC stack 10 is adjusted by the output of the air compressor 12 and the opening of the air valve 32. The controller 6 adjusts the amount of air supplied to the FC stack 10 according to the flow rate of fuel gas supplied to the FC stack 10.

第1FCスタック10aは第1空気管22aで第1エアコンプレッサ12aに接続されており、第2FCスタック10bは、第2空気管22bで第2エアコンプレッサ12bに接続されている。第1空気管22aには第1空気バルブ32aが取り付けられており、第2空気管22bには第2空気バルブ32bが取り付けられている。 The first FC stack 10a is connected to the first air compressor 12a by the first air pipe 22a, and the second FC stack 10b is connected to the second air compressor 12b by the second air pipe 22b. A first air valve 32a is attached to the first air pipe 22a, and a second air valve 32b is attached to the second air pipe 22b.

FCスタック10で燃料ガス(水素)と空気(酸素)が反応して電力が生成される。反応後のガス(排気ガス)は排ガス管23で気液分離器14に送られる。排気ガスには、FCスタック10で反応に使われなかった若干の燃料ガス(未反応燃料ガス)も含まれる。気液分離器14では、未反応燃料ガスが排ガスから分離される。分離された燃料ガスはリターン管24で再び燃料供給管21に戻される。 In the FC stack 10, fuel gas (hydrogen) reacts with air (oxygen) to generate electricity. The gas after the reaction (exhaust gas) is sent to the gas-liquid separator 14 via the exhaust gas pipe 23. The exhaust gas also contains a small amount of fuel gas (unreacted fuel gas) that was not used in the reaction in the FC stack 10. In the gas-liquid separator 14, the unreacted fuel gas is separated from the exhaust gas. The separated fuel gas is returned to the fuel supply pipe 21 via the return pipe 24.

気液分離器14で残った排ガスと水は、バルブ34を通して希釈器15に送られる。一方、反応で残った空気は排空気管25でFCスタック10から希釈器15へ送られる。希釈器15へ送られる排ガスの中にも僅かながら燃料ガスが残っている。残った燃料ガスは、希釈器15にて、反応で残った空気と混合され、希釈される。希釈器15にはガスセンサ16が備えられている。制御器6は、ガスセンサ16により希釈器15の中の燃料ガス濃度をモニタしている。気液分離器14と希釈器15の間にはバルブ34が設けられており、希釈器15から排出されるガスに含まれる燃料ガスの濃度が所定の許容濃度以下となるように、制御器6はバルブ34を制御し、希釈器15に送られる排ガスの流量を調整する。許容濃度以下まで希釈された燃料ガスが希釈器15から大気へ放出される。 The exhaust gas and water remaining in the gas-liquid separator 14 are sent to the diluter 15 through the valve 34. Meanwhile, the air remaining in the reaction is sent from the FC stack 10 to the diluter 15 through the exhaust air pipe 25. A small amount of fuel gas remains in the exhaust gas sent to the diluter 15. The remaining fuel gas is mixed with the air remaining in the reaction in the diluter 15 and diluted. The diluter 15 is equipped with a gas sensor 16. The controller 6 monitors the fuel gas concentration in the diluter 15 using the gas sensor 16. A valve 34 is provided between the gas-liquid separator 14 and the diluter 15, and the controller 6 controls the valve 34 to adjust the flow rate of the exhaust gas sent to the diluter 15 so that the concentration of fuel gas contained in the gas discharged from the diluter 15 is equal to or lower than a predetermined allowable concentration. The fuel gas diluted to a level equal to or lower than the allowable concentration is released from the diluter 15 to the atmosphere.

比較的大量の燃料ガスを大気へ放出しなければならない場合、バイパス路26を通じてエアコンプレッサ12から空気が希釈器15へ送られる。バイパス路26は、エアコンプレッサ12と希釈器15を直接に接続している。すなわち、バイパス路26は、FCスタック10を通さずに、エアコンプレッサ12から空気を希釈器15へ送ることができる。バイパス路26を備えることで、FCスタック10に供給する空気量を変えることなく、希釈器15へ追加の空気を送ることができる。 When a relatively large amount of fuel gas must be released into the atmosphere, air is sent from the air compressor 12 to the diluter 15 through the bypass path 26. The bypass path 26 directly connects the air compressor 12 and the diluter 15. In other words, the bypass path 26 can send air from the air compressor 12 to the diluter 15 without passing through the FC stack 10. By providing the bypass path 26, additional air can be sent to the diluter 15 without changing the amount of air supplied to the FC stack 10.

第1エアコンプレッサ12aとバイパス路26は第1調整バルブ33aで接続されており、第2エアコンプレッサ12bとバイパス路26は第2調整バルブ33bで接続されている。FCスタック10から排出される空気だけでは排ガス中の燃料ガス濃度を許容濃度以下に希釈するのに不足である場合、制御器6は、不足する空気を補えるように、調整バルブ33aまたは33bを開き、エアコンプレッサ12aまたは12bから希釈器15へ直接に空気を送る。 The first air compressor 12a and the bypass passage 26 are connected by a first adjustment valve 33a, and the second air compressor 12b and the bypass passage 26 are connected by a second adjustment valve 33b. If the air discharged from the FC stack 10 is insufficient to dilute the fuel gas concentration in the exhaust gas to an allowable concentration or less, the controller 6 opens the adjustment valve 33a or 33b to make up for the lack of air, and sends air directly from the air compressor 12a or 12b to the diluter 15.

バイパス路26を通じて希釈器15へ空気を送る場合、制御器6は、複数のエアコンプレッサ12の中から、出力または損失が最も小さいエアコンプレッサ12を選択する。制御器6は、選択したエアコンプレッサ12の出力を高め、選択したエアコンプレッサ12に接続された調整バルブ33を開き、選択したエアコンプレッサ12から希釈器15へ空気を送る。 When sending air to the diluter 15 through the bypass path 26, the controller 6 selects, from among the multiple air compressors 12, the air compressor 12 with the smallest output or loss. The controller 6 increases the output of the selected air compressor 12, opens the regulating valve 33 connected to the selected air compressor 12, and sends air from the selected air compressor 12 to the diluter 15.

FCシステム2は、複数のFCスタック10を備えており、複数のFCスタック10は運転状況が異なる場合がある。運転状況が異なれば、FCスタック10へ送る空気量も異なる。また、それぞれのFCスタック10は、定期的に水抜きを行う必要がある。FCスタック10から水を抜く場合、大量の空気をFCスタック10へ供給する。また、FCスタック10を停止する場合には、FCスタック10内に残った燃料ガスをFCスタック10から排出させる必要がある。このときにも、大量の空気がFCスタック10へ送られる。このように、複数のFCスタックで必要とされる空気量が異なることがある。必要とされる空気量が異なるので、複数のエアコンプレッサ12の目標出力も異なる。 The FC system 2 includes multiple FC stacks 10, and the multiple FC stacks 10 may have different operating conditions. If the operating conditions are different, the amount of air sent to the FC stack 10 will also be different. In addition, each FC stack 10 needs to be periodically drained. When draining water from the FC stack 10, a large amount of air is supplied to the FC stack 10. In addition, when the FC stack 10 is stopped, the fuel gas remaining in the FC stack 10 needs to be discharged from the FC stack 10. At this time, a large amount of air is also sent to the FC stack 10. In this way, the amount of air required by the multiple FC stacks may differ. Since the amount of air required is different, the target output of the multiple air compressors 12 also differs.

制御器6は、希釈用の空気が不足する場合、出力または損失の最も小さいエアコンプレッサ12を選択し、選択したエアコンプレッサ12から希釈器15へ空気を送る。希釈器15へ直接に空気を送るのに出力または損失が最も小さいエアコンプレッサを使うので、未反応の燃料ガスを効率よく希釈することができる。例えば、第1エアコンプレッサ12aが200[W]で動作しており、第2エアコンプレッサ12bが100[W]で動作しているときに希釈器15で空気が不足している場合、制御器6は、出力の小さい第2エアコンプレッサ12bを選択する。制御器6は、選択した第2エアコンプレッサ12bの出力を高め、第2エアコンプレッサ12bに対応する第2調整バルブ33bを開く。 When there is a shortage of air for dilution, the controller 6 selects the air compressor 12 with the smallest output or loss, and sends air from the selected air compressor 12 to the diluter 15. Since the air compressor with the smallest output or loss is used to send air directly to the diluter 15, the unreacted fuel gas can be efficiently diluted. For example, when the first air compressor 12a is operating at 200 [W] and the second air compressor 12b is operating at 100 [W], if there is a shortage of air in the diluter 15, the controller 6 selects the second air compressor 12b with the smallest output. The controller 6 increases the output of the selected second air compressor 12b and opens the second adjustment valve 33b corresponding to the second air compressor 12b.

エアコンプレッサ12の損失は、回転数(あるいは出力)に依存する。制御器6は、回転数(あるいは出力)と損失の対応テーブルを記憶しており、そのテーブルを参照して損失の最も小さいエアコンプレッサ12を選択する。制御器6は、複数のエアコンプレッサ12のうち、出力が最も小さいエアコンプレッサ12を選択してもよいし、あるいは、損失が最も小さいエアコンプレッサ12を選択してもよい。 The loss of the air compressor 12 depends on the rotation speed (or output). The controller 6 stores a correspondence table between the rotation speed (or output) and the loss, and refers to the table to select the air compressor 12 with the smallest loss. The controller 6 may select the air compressor 12 with the smallest output from among the multiple air compressors 12, or may select the air compressor 12 with the smallest loss.

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。本明細書が開示するFCシステムは、並列に接続された3個以上のFCスタックを有していてもよい。夫々のFCスタックにはエアコンプレッサ12が備えられている。3個のFCスタックの排ガスは、共通の排ガス管23で気液分離器14へ送られる。気液分離器14で残った排ガスは希釈器15に送られる。排ガス中の燃料ガス濃度が高い場合、制御器6は、3個以上のエアコンプレッサ12の中から出力または損失が最も小さいエアコンプレッサ12を選択する。制御器6は、選択したエアコンプレッサ12の出力を高め、選択したエアコンプレッサ12に対応した調整バルブ33を開き、希釈器15へ直接に空気を送る。 Notes on the technology described in the embodiment are as follows. The FC system disclosed in this specification may have three or more FC stacks connected in parallel. Each FC stack is equipped with an air compressor 12. The exhaust gases from the three FC stacks are sent to the gas-liquid separator 14 through a common exhaust gas pipe 23. The exhaust gas remaining in the gas-liquid separator 14 is sent to the diluter 15. When the fuel gas concentration in the exhaust gas is high, the controller 6 selects the air compressor 12 with the smallest output or loss from among the three or more air compressors 12. The controller 6 increases the output of the selected air compressor 12, opens the adjustment valve 33 corresponding to the selected air compressor 12, and sends air directly to the diluter 15.

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、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様々に変形、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、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合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し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。 Although specific examples of the present invention have been described above in detail, 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 exemplified above. The technical elements described in this specification or drawings exert technical utility 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 can achieve multiple objectives simultaneously, and achieving one of those objectives is itself technically useful.

2:燃料電池システム 3:燃料タンク 4:インバータ 5:システム出力端 6:制御器 10、10a、10b:FCスタック 11:昇圧コンバータ 12、12a、12b:エアコンプレッサ 14:気液分離器 15:希釈器 16:ガスセンサ 21:燃料供給管 22、22a、22b:空気管 23:排ガス管 24:リターン管 25:排空気管 26:バイパス路 31、32、33、34:バルブ 2: Fuel cell system 3: Fuel tank 4: Inverter 5: System output 6: Controller 10, 10a, 10b: FC stack 11: Boost converter 12, 12a, 12b: Air compressor 14: Gas-liquid separator 15: Diluter 16: Gas sensor 21: Fuel supply pipe 22, 22a, 22b: Air pipe 23: Exhaust gas pipe 24: Return pipe 25: Exhaust air pipe 26: Bypass 31, 32, 33, 34: Valve

Claims (1)

複数の燃料電池スタックと、
複数のエアコンプレッサであって、夫々の前記エアコンプレッサが夫々の前記燃料電池スタックに空気を送るエアコンプレッサと、
夫々の前記燃料電池スタックから排出される未反応の燃料ガスと空気を混合して排出する希釈器と、
それぞれの前記エアコンプレッサから前記燃料電池スタックをバイパスして前記希釈器へ空気を送るバイパス路と、
夫々の前記エアコンプレッサから前記バイパス路へ送られる空気流量を調整する調整バルブと、
前記希釈器中の排出ガスに含まれる前記燃料ガスの濃度が所定の許容濃度以下となるように、前記エアコンプレッサと前記調整バルブを制御する制御器と、
を備えており、
前記制御器は、複数の前記エアコンプレッサの中から出力または損失が最も小さい前記エアコンプレッサを選択し、選択された前記エアコンプレッサから前記バイパス路を通して前記希釈器へ空気を送るように、前記調整バルブを制御する、
燃料電池システム。
A plurality of fuel cell stacks;
a plurality of air compressors, each of which delivers air to a respective one of the fuel cell stacks;
a diluter that mixes unreacted fuel gas and air discharged from each of the fuel cell stacks and discharges the mixture;
a bypass passage for transmitting air from each of the air compressors to the diluter, bypassing the fuel cell stack;
an adjusting valve for adjusting the flow rate of air sent from each of the air compressors to the bypass;
a controller that controls the air compressor and the regulating valve so that the concentration of the fuel gas contained in the exhaust gas in the diluter is equal to or lower than a predetermined allowable concentration;
Equipped with
The controller selects the air compressor having the smallest output or loss from among the plurality of air compressors, and controls the regulating valve so as to send air from the selected air compressor through the bypass path to the diluter.
Fuel cell system.
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