JP2007149630A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、水素と酸素の電気化学反応を利用して発電する燃料電池システムに関し、詳しくは、その反応により生じた生成水の排出に関する。 The present invention relates to a fuel cell system that generates electric power using an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, and more particularly, to discharge of generated water generated by the reaction.
従来、車両に搭載される燃料電池システムは、例えば高分子電解質膜型の燃料電池のように水素と酸素のガスの電気化学反応を利用して発電するが、その反応過程において、カソード側(酸素極側)に発生した生成水が高分子電解質膜を通してアノード側(水素極側)に逆拡散して混入する。 Conventionally, a fuel cell system mounted on a vehicle generates power using an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen gas, as in a polymer electrolyte membrane type fuel cell, for example. In the reaction process, The water generated on the electrode side) is diffused back to the anode side (hydrogen electrode side) through the polymer electrolyte membrane and mixed.
そして、燃料電池のアノード側は、混入した生成水を放置しておくと、生成水が蓄積して水素濃度が次第に低下し、その結果、燃料電池の発電効率が低下し、さらには燃料電池の損傷を招来する。 If the mixed product water is left on the anode side of the fuel cell, the product water accumulates and the hydrogen concentration gradually decreases. As a result, the power generation efficiency of the fuel cell decreases. Causes damage.
そのため、この種の燃料電池においては、アノード側の前記生成水をどのようにして排出するのかが重要な課題の1つになっている。 Therefore, in this type of fuel cell, how to discharge the generated water on the anode side is one of the important issues.
そして、最も簡易には燃料電池システムの燃料電池アノード側を図9(a)に示すように構成し、燃料電池(FC)1のアノード側下流の排気路2に、余剰の燃料(水素ガス)を排出する常閉の排気弁3を設け、該排気弁3を開いて前記余剰の燃料とともにアノード側の前記生成水を電池外部に排出することが考えられる。 And most simply, the fuel cell anode side of the fuel cell system is configured as shown in FIG. 9A, and surplus fuel (hydrogen gas) is provided in the exhaust passage 2 downstream of the anode side of the fuel cell (FC) 1. It is conceivable to provide a normally-closed exhaust valve 3 that discharges water and to open the exhaust valve 3 to discharge the generated water on the anode side together with the surplus fuel to the outside of the battery.
なお、図9(a)において、4は燃料タンク、5はその主止弁、6、7、8は燃料タンク4から燃料電池1に至るアノード側上流経路9に設けられたレギュレータ、燃料である水素の供給弁、圧力センサであり、弁3、5、7及びレギュレータ6の白抜きは開いた状態、黒塗りは閉じた状態を示す。
In FIG. 9A, 4 is a fuel tank, 5 is its main stop valve, 6, 7 and 8 are regulators and fuel provided in the anode
そして、燃料タンク4の主止弁5を通った高圧の水素ガスは、レギュレータ6で減圧調整された後、供給弁7、圧力センサ8を通って燃料電池1のアノード側上流から下流に向かって通流し、その間に、水素と燃料電池1のカソード側に供給された酸素(空気)との高分子電解質膜を介した電気化学反応が生じて発電が行なわれる。
Then, the high-pressure hydrogen gas that has passed through the main stop valve 5 of the fuel tank 4 is depressurized and adjusted by the
しかしながら、前記図9(a)の構成の場合、アノードの生成水を排気弁3から電池外部に排出するときに燃料の水素も多量に排気弁3から排出され、いわゆる燃料のロスが大きいだけでなく、電池外部に排出された水素の濃度が高く、発火等するおそれもあり、実用的でない。 However, in the case of the configuration shown in FIG. 9 (a), when the produced water of the anode is discharged from the exhaust valve 3 to the outside of the battery, a large amount of fuel hydrogen is also discharged from the exhaust valve 3, and so-called fuel loss is large. In addition, the concentration of hydrogen discharged outside the battery is high, and there is a risk of ignition, which is not practical.
また、この種の燃料電池システムの燃料電池アノード側を図9(b)に示すように構成し、燃料電池1のアノード側下流からアノード側上流に戻る燃料循環経路10を設け、この循環経路10の前記アノード側下流に気液分離用の脱水器11、還流用のポンプ12を順に設け、脱水器11の排水管13に常閉の排水弁14を設け、燃料電池1のアノードの生成水を脱水器11により分離して排水弁14から電池外部に排出することも考えられる。なお、排水弁14も白抜きが開いた状態、黒塗りが閉じた状態である。
Further, the fuel cell anode side of this type of fuel cell system is configured as shown in FIG. 9B, and a
この場合、燃料電池1のアノード下流の未反応水素は脱水器11、ポンプ12を通ってアノード側上流に戻され、また、前記生成水は脱水器11の下部に貯留し、適当なタイミングで排水弁14を開放することにより脱水器11から排出される。そのため、燃料の水素の電池外部への排出は図9(a)の構成よりは少なくなる。 In this case, unreacted hydrogen downstream of the anode of the fuel cell 1 is returned to the anode upstream through the dehydrator 11 and the pump 12, and the generated water is stored in the lower part of the dehydrator 11 and drained at an appropriate timing. The dehydrator 11 is discharged by opening the valve 14. Therefore, the discharge of fuel hydrogen to the outside of the battery is less than in the configuration of FIG.
しかしながら、前記図9(b)の構成の場合、脱水器11だけでなく動力を要する電動ポンプや制御が困難なエゼクタポンプ等からなるポンプ12も備える必要があり、複雑かつ高価である。また、循環経路10の損失低減のため、燃料電池1の流路断面積を大きくとる必要が生じる。
However, in the case of the configuration shown in FIG. 9B, it is necessary to provide not only the dehydrator 11 but also a pump 12 including an electric pump that requires power and an ejector pump that is difficult to control, which is complicated and expensive. Further, in order to reduce the loss of the
そこで、燃料電池のアノード側下流に脱水器11のような気水分離器を設けるとともに、アノード側下流から燃料電池のカソード側上流に至る反応阻害物質経路を設け、該経路をカソード側の空気(酸化剤)吸入側のポンプより上流側(大気側)の部位に接続することで、アノード側下流とカソード側の前記部位との差圧を利用して燃料電池のアノード側の反応阻害物質である生成水を気水分離器で分離し排出するとともに、分離し切れなかった生成水をカソード側下流から排出することが提案され、その際、前記反応阻害物質経路に高分子膜や多孔体等の調整手段を設けて未反応水素の排出を抑えることも提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
前記特許文献1の従来システムの場合、燃料電池のアノード側の生成水の排出が気水分離器及びカソード側から行なわれるため、図9(a)の構成の場合より燃料の水素の排出が少なく安全である。また、アノード側とカソード側との差圧を利用する構成であることから、ポンプ等が不要で図9(b)の構成の場合より簡易かつ安価である。 In the case of the conventional system of Patent Document 1, the generated water on the anode side of the fuel cell is discharged from the steam / water separator and the cathode side. Therefore, the discharge of fuel hydrogen is less than in the case of the configuration of FIG. It is safe. In addition, since the differential pressure between the anode side and the cathode side is used, a pump or the like is unnecessary, and it is simpler and less expensive than the configuration of FIG. 9B.
しかしながら、燃料電池のアノード側下流が前記反応阻害物質経路を介してカソード側に常時連通し、前記の圧力差によってアノード側の未反応水素がカソード側から電池外部に流出し易く、その分、燃料ロスが生じて発電効率が低下する問題がある。 However, the anode side downstream of the fuel cell always communicates with the cathode side via the reaction inhibitor path, and the unreacted hydrogen on the anode side easily flows out of the cell from the cathode side due to the pressure difference. There is a problem that power generation efficiency decreases due to loss.
また、反応阻害物質経路に前記の調整手段を設けて燃料ロスの軽減を図るようにする場合は、気水分離器、反応阻害物質経路だけでなく調整手段も設ける必要があり、構成が複雑化する問題が生じる。 In addition, in order to reduce the fuel loss by providing the adjustment means in the reaction inhibitor path, it is necessary to provide not only a steam / water separator and reaction inhibitor path but also an adjustment means, resulting in a complicated configuration. Problems arise.
本発明は、ポンプ等を用いない簡易かつ安価な構成により、燃料である水素の電池外部への排出が極めて少なく発電効率及び安全性の飛躍的な向上が図られるようにして燃料電池のアノード側の生成水を良好に排出することを目的とする。 The present invention has a simple and inexpensive configuration that does not use a pump or the like, so that the discharge of hydrogen as a fuel to the outside of the battery is extremely small, and the power generation efficiency and safety can be dramatically improved. The purpose is to discharge the generated water well.
上記した目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、燃料電池のアノード側に水素を供給し、前記燃料電池のカソード側に空気を供給することで発電する燃料電池システムにおいて、前記アノード側の上流に前記水素の供給弁を備え、前記アノード側の下流に前記燃料電池のアノード側の生成水を排出する排水弁を備え、前記燃料電池と前記排水弁との間に前記燃料電池の前記生成水を溜める水溜り部を備え、前記供給弁と前記排水弁を閉じた状態にして前記燃料電池の発電を行なった後、前記供給弁を開放して前記生成水を排出するようにしたこと特徴としている(請求項1)。 In order to achieve the above-described object, the fuel cell system of the present invention is a fuel cell system that generates power by supplying hydrogen to the anode side of the fuel cell and supplying air to the cathode side of the fuel cell. The hydrogen supply valve upstream of the anode side, a drain valve for discharging the generated water on the anode side of the fuel cell downstream of the anode side, and the fuel cell between the fuel cell and the drain valve A water reservoir for storing the generated water is provided, and after the power generation of the fuel cell is performed with the supply valve and the drain valve closed, the supply valve is opened to discharge the generated water. (Claim 1).
また、本発明の燃料電池システムは、前記燃料電池のアノード側の設定した濡れ状態を検出したときに、前記供給弁と前記排水弁を閉じた状態にして前記燃料電池の発電を行なうようにしたことを特徴としている(請求項2)。 In the fuel cell system of the present invention, when the wet state set on the anode side of the fuel cell is detected, the supply valve and the drain valve are closed to generate power in the fuel cell. (Claim 2).
さらに、本発明の燃料電池システムは、前記水溜り部の体積を、前記供給弁と前記排水弁を閉じた状態での発電中に前記燃料電池の圧力変化を抑制するように減少可変することを特徴としている(請求項3)。 Furthermore, the fuel cell system of the present invention is configured to reduce and vary the volume of the water reservoir so as to suppress a change in the pressure of the fuel cell during power generation with the supply valve and the drain valve closed. It is characterized (claim 3).
請求項1の発明によれば、燃料電池のアノード側の生成水の排出時、水素の供給弁と生成水の排水弁が閉じられて燃料電池が燃料である水素の供給を止めた状態で発電し、この発電によって燃料電池内及び燃料電池に連通した水溜り部が減圧状態になる。 According to the first aspect of the present invention, when the produced water on the anode side of the fuel cell is discharged, the hydrogen supply valve and the produced water drain valve are closed so that the fuel cell stops supplying hydrogen as fuel. Then, this power generation causes the water reservoir portion communicating with the inside of the fuel cell and the fuel cell to be decompressed.
そして、燃料電池内が減圧状態になった後に前記供給弁を開くことにより、減圧状態の燃料電池内に水素が噴入して燃料電池のアノード側の生成水が水溜り部に押し出され電池外部に確実に排出される。 Then, by opening the supply valve after the inside of the fuel cell is in a decompressed state, hydrogen is injected into the fuel cell in the decompressed state, and the generated water on the anode side of the fuel cell is pushed out to the water reservoir, and the outside of the cell Surely discharged.
この場合、ポンプや脱水器(気水分離器)等は不要であり、アノード側の下流からアノード側の上流或いはカソード側への還流系路等も設けなくてよく、簡易かつ安価な構成で形成される。 In this case, a pump, a dehydrator (steam separator), etc. are not required, and there is no need to provide a reflux system from the downstream on the anode side to the upstream on the anode side or to the cathode side. Is done.
また、燃料電池のアノード側の下流はカソード側に連通しておらず、アノード側の未反応水素がカソード側から電池外部に漏出することがなく、電池外部に排出される水素濃度が極めて低く、安全であり、しかも、燃料ロスが極めて少なく、発電効率が著しく向上する。 In addition, the downstream of the anode side of the fuel cell does not communicate with the cathode side, unreacted hydrogen on the anode side does not leak from the cathode side to the outside of the cell, and the hydrogen concentration discharged outside the cell is extremely low, It is safe and there is very little fuel loss, and the power generation efficiency is remarkably improved.
したがって、ポンプ等を用いない簡易かつ安価な構成により、燃料である水素の電池外部への排出が極めて少なく発電効率及び安全性の向上を図るようにして燃料電池のアノード側の生成水を良好に排出することができる。 Therefore, with a simple and inexpensive configuration that does not use a pump or the like, discharge of hydrogen as a fuel to the outside of the battery is extremely small, and the generation water on the anode side of the fuel cell is improved so as to improve power generation efficiency and safety. Can be discharged.
請求項2の発明によれば、燃料電池のアノード側の濡れ状態から前記アノード側の生成水の滞留状態を把握して、適当な滞留状態になったときに燃料電池のアノード側の生成水を排出することができ、発電効率及び安全性が一層向上する。 According to the invention of claim 2, the retention state of the generated water on the anode side is grasped from the wet state on the anode side of the fuel cell, and the generated water on the anode side of the fuel cell is obtained when the retention state is appropriate. It can be discharged, and the power generation efficiency and safety are further improved.
請求項3の発明によれば、供給弁と排水弁を閉じた状態での発電中に、水溜り部の体積が減少して燃料である水素の消費による燃料電池の圧力低下が抑制されるため、燃料電池の圧力低下に起因する出力電圧の低下が防止される。そのため、発電効率のさらに一層の向上を図るようにして燃料電池のアノード側の生成水を良好に排出することができる。 According to the invention of claim 3, during the power generation with the supply valve and the drain valve closed, the volume of the water reservoir is reduced and the pressure drop of the fuel cell due to the consumption of hydrogen as fuel is suppressed. The output voltage is prevented from lowering due to the pressure drop of the fuel cell. Therefore, the generated water on the anode side of the fuel cell can be discharged well so as to further improve the power generation efficiency.
つぎに、本発明をより詳細に説明するため、実施形態について、図1〜図8にしたがって詳述する。 Next, in order to describe the present invention in more detail, the embodiment will be described in detail with reference to FIGS.
(一実施形態)
まず、一実施形態について、図1及び図2を参照して説明する。
(One embodiment)
First, an embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
図1は燃料電池システムのアノード側のブロック図、図2は図1の生成水排出処理の説明図であり、それらの図面において、図9(a)、(b)と同一符号は同一若しくは相当するものを示し、15は燃料電池1から常閉の排水弁16に至るアノード側下流経路、17はアノード側下流経路16に設けられた適当な大きさの矩形箱体或いは円筒体の容器であり、本発明の水溜り部を形成する。なお、図1、図2においても、弁5、7、16及びレギュレータ6は白抜きが開いた状態を示し、黒塗りが閉じた状態を示す。
FIG. 1 is a block diagram of the anode side of the fuel cell system, and FIG. 2 is an explanatory diagram of the generated water discharge process of FIG. 1. In these drawings, the same reference numerals as those in FIGS. 9A and 9B are the same or equivalent. 15 is an anode-side downstream path from the fuel cell 1 to the normally closed
そして、この実施形態の燃料電池システムが特徴とするところは、燃料電池1のアノード側の上流に供給弁7を設け、アノード側の下流に容器17、排水弁16を設け、アノード側の生成水の排出時、供給弁7と排水弁16を閉じた状態にして燃料電池1の発電を行なった後、供給弁7を開放して生成水を排出する点であり、また、生成水の排出タイミングを燃料電池1のアノード側の濡れ状態、換言すれば、燃料電池1のアノード側の生成水の滞留状態から決定し、燃料電池1のアノード側の設定した濡れ状態を検出したときに供給弁7と排水弁16を閉じた状態にして前記の燃料電池1の発電を行なうようにした点である。
The fuel cell system of this embodiment is characterized in that a supply valve 7 is provided upstream of the anode side of the fuel cell 1, a container 17 and a
つぎに、図1のシステムの生成水排出処理を、図2を参照して説明する。 Next, the generated water discharge process of the system of FIG. 1 will be described with reference to FIG.
まず、図2の工程S1は通常の発電状態を示し、この通常の発電状態においては、供給弁7は開かれ、燃料タンク4からレギュレータ6、供給弁7、圧力センサ8を介して燃料電池1のアノード側に燃料の水素ガスが供給される。
Step S1 in FIG. 2 shows a normal power generation state. In this normal power generation state, the supply valve 7 is opened, and the fuel cell 1 is connected from the fuel tank 4 via the
そして、発電に伴って生じた生成水が燃料電池1のアノード側に滞留し、アノード側の濡れ状態が進行して発電能力が次第に低下していく。なお、図2の燃料電池1、容器17等の黒塗り部分が模式的に示した生成水である。 Then, the generated water that accompanies the power generation stays on the anode side of the fuel cell 1, the wet state on the anode side progresses, and the power generation capacity gradually decreases. The black portions of the fuel cell 1, the container 17 and the like in FIG. 2 are generated water schematically shown.
そこで、燃料電池1のアノード側の濡れ状態を、燃料電池1の電流の積算値、電圧、或いは発電時間等の状態値から推定或いは検出し、前記状態値が実験等で設定された所定値に達して生成水の排出が必要なタイミングになると、図2の工程S2に移行し、供給弁7を閉止し、供給弁7及び排水弁16が閉じた状態で燃料電池1の発電を継続する。
Therefore, the wet state on the anode side of the fuel cell 1 is estimated or detected from a state value such as an integrated value, voltage, or power generation time of the current of the fuel cell 1, and the state value is set to a predetermined value set by an experiment or the like. When it reaches the timing at which the generated water needs to be discharged, the process proceeds to step S2 in FIG. 2, the supply valve 7 is closed, and the power generation of the fuel cell 1 is continued with the supply valve 7 and the
このとき、燃料電池1は燃料である水素ガスの供給を止めた状態で発電し、この発電によって燃料電池1内及び該燃料電池1に連通した容器(水溜り部)17が減圧状態になる。 At this time, the fuel cell 1 generates power with the supply of hydrogen gas as fuel stopped, and the power generation causes the inside of the fuel cell 1 and the container (water reservoir) 17 communicating with the fuel cell 1 to be in a decompressed state.
そして、燃料電池1内が所定圧力に低下するか、燃料電池1の減圧開始からの電流量(積算値)が設定値に達するかすると、図2の工程S3に移行して供給弁7を開き、減圧状態の燃料電池1内に水素ガスを噴入し、燃料電池1からアノード側下流経路15を介して容器17に至る水素ガス流により燃料電池1のアノード側の生成水を容器17に押し出して電池外部に確実に排出する。
Then, when the inside of the fuel cell 1 falls to a predetermined pressure or the current amount (integrated value) from the start of depressurization of the fuel cell 1 reaches a set value, the process proceeds to step S3 in FIG. Then, hydrogen gas is injected into the fuel cell 1 in a decompressed state, and the generated water on the anode side of the fuel cell 1 is pushed out into the container 17 by the hydrogen gas flow from the fuel cell 1 to the container 17 through the anode
このとき、容器17の生成水が燃料電池1に逆流しないようにするため、この実施形態においては、燃料電池1と容器17との配管を容器17の上部に接続し、容器17から排水弁16に伸びた配管を容器の下部に接続し、生成水を容器17に落とし込んで貯留する。なお、容器7の燃料電池1側の配管と排水弁16側の配管とに段差を設ける代わりに、例えば、燃料電池1と容器17との間の配管に逆支弁を設けるようにしてもよい。
At this time, in order to prevent the generated water in the container 17 from flowing back to the fuel cell 1, in this embodiment, the piping of the fuel cell 1 and the container 17 is connected to the upper part of the container 17, and the
また、燃料電池1のアノード側に滞留した生成水を確実に排出するため、容器17を燃料電池1のアノード側の空間容積以上の大きさにして前記アノード側全体の燃料等を全て容器17に導入するように減圧すればよく、この減圧の調整は燃料電池1の発電電力を調整して制御することができる。なお、圧力変化ΔPと発電電流iとは、R、T、Vを気体乗数、温度、容積として、ΔP=(R・T/V)×((i/96485)×(セル数/2))の関係がある。 Further, in order to surely discharge the generated water staying on the anode side of the fuel cell 1, the container 17 is made larger than the space volume on the anode side of the fuel cell 1, and all the fuel etc. on the anode side are all put into the container 17. The pressure may be reduced so as to be introduced, and the adjustment of the pressure reduction can be controlled by adjusting the generated power of the fuel cell 1. The pressure change ΔP and the generated current i are expressed as follows: ΔP = (R · T / V) × ((i / 96485) × (number of cells / 2)) where R, T, and V are gas multipliers, temperature, and volume. There is a relationship.
そして、一定量の生成水が容器17に溜まるまでは、工程S3から工程S1に戻って通常の発電を行ない、生成水の排出が必要になると工程S2、S3に移行し、上記の処理をくり返す。 Then, until a certain amount of generated water is accumulated in the container 17, the process returns from step S 3 to step S 1 to perform normal power generation. When the generated water needs to be discharged, the process proceeds to steps S 2 and S 3 and the above processing is repeated. return.
さらに、容器17に一定量の生成水が溜まると、図2の工程S3からS4に移行し、排水弁16を開け容器17の貯留水を排出し、この排水の終了後、排水弁16を閉止して工程S1に戻る。なお、排水弁16は供給弁7等と同様の電磁弁或いはフロート式の弁等で形成される。
Further, when a certain amount of generated water accumulates in the container 17, the process proceeds from step S3 to S4 in FIG. 2, the
以上のように、この実施形態の燃料電池システムの場合、図9(b)のポンプ12、脱水器11、燃料循環経路10等は不要であり、また、前記のアノード側の下流からカソード側の上流に至る反応阻害物質経路等も設けなくてよく、簡易かつ安価に形成して燃料電池1のアノード側の生成水を排出することができる。また、燃料電池1のアノード側の下流はカソード側に連通しておらず、アノード側の未反応水素がカソード側から電池外部に漏出することがなく、しかも、容器17にある程度水が溜まってから下流の排水弁16を開く構成であるため、電池外部に排出される水素ガス濃度が極めて低く、著しく安全であるとともに、燃料ロスが極めて少なく、発電効率が著しく向上し、簡易かつ安価な構成により、発電効率及び安全性の向上を図るようにして燃料電池1のアノード側の生成水を良好に排出することができる。
As described above, in the fuel cell system of this embodiment, the pump 12, the dehydrator 11, the
さらに、燃料電池1のアノード側の濡れ状態からアノード側の生成水の滞留状態を把握して、適当な滞留状態になったときに燃料電池1のアノード側の生成水を排出するようにしたため、必要なときにのみ燃料電池1のアノード側の生成水が排出され、発電効率及び安全性が一層向上する。 Furthermore, since the retention state of the generated water on the anode side is grasped from the wet state on the anode side of the fuel cell 1 and the generated water on the anode side of the fuel cell 1 is discharged when the appropriate retention state is reached, The generated water on the anode side of the fuel cell 1 is discharged only when necessary, and the power generation efficiency and safety are further improved.
(他の実施形態)
つぎに、他の実施形態について、図3〜図8を参照して説明する。
(Other embodiments)
Next, another embodiment will be described with reference to FIGS.
図3は燃料電池システムのアノード側のブロック図であり、図1と同一符号は同一若しくは相当するものを示す。図4は図3のアキュムレータ19の作用の説明図、図5、図6はアキュムレータ19の一例、他の例の説明図、図7、図8はアキュムレータ19の駆動源に利用可能な燃料電池アクチュエータの一例、他の例のブロック図である。
FIG. 3 is a block diagram on the anode side of the fuel cell system, and the same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same or corresponding components. 4 is an explanatory view of the operation of the
そして、前記図1の一実施形態の構成の場合、燃料電池1のアノード側の濡れ状態の検出等に基づき、供給弁7及び排水弁16が閉じた状態で発電を継続すると、燃料電池1内の残存水素の消費にしたがって燃料電池1は内部の圧力が低下し、この圧力低下にしたがって出力電圧が低下し、発電効率の低下を招来する。
In the case of the configuration of the embodiment of FIG. 1, if power generation is continued with the supply valve 7 and the
そこで、この実施形態においては、図3に示すように、図1の容器17に代えてアキュムレータ19付きの水タンク18を備える。
Therefore, in this embodiment, as shown in FIG. 3, a
この水タンク18は水溜り部を形成する。また、そのアキュムレータ19は水タンク18に内装又は外装され、ベローズ(じゃばら)とバネを組合わせたベローズ型や、ゴム状の風船(袋)を設けるブラダ型、或いは、ピストン型、ダイアフラム型等の周知の構造である。
This
そして、燃料電池1のアノード側の濡れ状態の検出等に基づき、供給弁7及び排水弁16が閉じた状態で発電を継続すると、その発電中に残存水素の消費にしたがって燃料電池1内部の圧力が低下し始め、燃料電池1のアノード側に連通した水タンク18内部の圧力も低下し始めるが、このとき、水タンク18の減圧変化にアキュムレータ19が応動し、アキュムレータ19の隔壁としてのダイアフラムが減圧側に膨出したり、風船が膨張したり、ピストンが動作したりして水タンク18の体積(容積)が減少し、水タンク18及び燃料電池1内の圧力低下が防止或いは緩和(抑制)される。
When power generation is continued with the supply valve 7 and the
そのため、その間の燃料電池1の出力電圧の低下に起因する発電効率の低下が防止され、一実施形態の場合より発電効率が向上する。 Therefore, a decrease in power generation efficiency due to a decrease in the output voltage of the fuel cell 1 during that period is prevented, and the power generation efficiency is improved as compared with the case of one embodiment.
そして、供給弁7及び排水弁16が閉じた状態での発電に基づく燃料電池1の減圧開始から所定時間が経過するか、又は、前記減圧開始からの電流量(積算値)が設定値に達すると、生成水を排出するために供給弁7を開く。
Then, a predetermined time elapses from the start of depressurization of the fuel cell 1 based on power generation in a state where the supply valve 7 and the
このとき、燃料電池1及びそのアノード側に連通する水タンク18は後述するように減圧状態であり、一実施形態の場合と同様に燃料電池1内に水素ガスが噴入し、燃料電池1からアノード側下流経路15を介して水タンク18に至る水素ガス流により燃料電池1のアノード側の生成水を水タンク18に押し出して電池外部に確実に排出することができる。
At this time, the fuel cell 1 and the
そして、水タンク18の底部に溜まった水は、その後、排水弁16が開かれて水タンク18から外部に排出される。
The water accumulated at the bottom of the
したがって、この実施形態の場合は、発電効率のさらに一層の向上を図るようにして燃料電池1のアノード側の生成水を良好に排出することができる。 Therefore, in the case of this embodiment, the generated water on the anode side of the fuel cell 1 can be discharged well so as to further improve the power generation efficiency.
つぎに、アキュムレータ19の作用について、図4を参照して説明する。
Next, the operation of the
(i)アキュムレータ19を設けない場合(図4(a)の場合)
この場合、供給弁7及び排水弁16が閉じた状態での発電により、図4(a)に示すように、モル数で(1/2)・n0の水素が消費され、水タンク18の圧力が発電開始前(消費前)の圧力P0から発電終了時(消費終了時)の圧力P1に減少したとすると、水タンク18の体積はV0で不変であるため、P0・V0=n0・R・T…(1式)、P1・V0=(1/2)・n0・R・T…(2式)の関係から、P1=(1/2)・P0…(3式)となり、(1式)、(3式)から、P1=(1/2)・P0…(4式)が得られ、圧力P1は元の圧力P0の1/2になる。
(I) When the
In this case, the power generation with the supply valve 7 and the
したがって、アキュムレータ19を設けない場合は、供給弁7及び排水弁16が閉じた状態で発電し、燃料電池1及び連通する水タンク18の例えば半分のモル数の水素を消費することにより、燃料電池1の圧力(=水タンク18の圧力)は元の1/2に減少する。
Therefore, when the
(ii)アキュムレータ19を設けた場合(図4(b)の場合)
説明を簡単にするため、図4(b)に示すように、アキュムレータ19が水タンク18を面積Sの可動仕切り19aによって上、下の2室A、Bに仕切るピストン型であるとする。
(Ii) When the
For simplicity of explanation, as shown in FIG. 4B, it is assumed that the
このとき、室Aがアキュムレータ19に相当し、室Bが水タンク18に相当し、発電開始前(消費前)、室A、Bが共に圧力P0、体積V0でモル数n0の水素で満たされ、室A、Bから面積Sの可動仕切り19aに図4(b)の左側に示すように上下の矢印線に示す相互に逆向きの力F=P0・Sが作用した状態でつりあっている。
At this time, the chamber A corresponds to the
そして、供給弁7及び排水弁16が閉じた状態での発電により、アキュムレータ19を設けない場合と同様に室Bのモル数で(1/2)・n0の水素が消費され、室Bが圧力P1に減圧変化すると、図4(b)の右側に示すように可動仕切り19aが下動し、室Bの体積がΔV減少して室Aの体積がΔV増加し、図中の上下の矢印線に示す相互に逆向きの力F=P1・Sが作用した状態でつりあう。
Then, due to the power generation with the supply valve 7 and the
このとき、室Aについては、P1・(V0+ΔV)=n0・R・T…(5式)であり、室Bについては、P1・(V0−ΔV)=(1/2)・n0・R・T…(6式)であり、これらの式の関係から、ΔV=(1/3)・V0…(7式)が得られる。また、5式と前記1式とから、P0・V0=P1・(V0+ΔV)…(8式)になる。そして、7式、8式から、P0・V0=P1・(V0+ΔV)…(9式)が得られ、7式と9式とから、P1=(3/4)・P0…(10式))となり、圧力P1は元の圧力P0の3/4になる。
At this time, for the chamber A, P1 · (V0 + ΔV) = n0 · R · T (Expression 5), and for the chamber B, P1 · (V0−ΔV) = (1/2) · n0 · R · T (Expression 6), and ΔV = (1/3) · V0 (Expression 7) is obtained from the relationship between these expressions. Further, from Formula 5 and Formula 1, P0 · V0 = P1 · (V0 + ΔV) (Formula 8). Then, P0 · V0 = P1 · (V0 + ΔV) (Equation 9) is obtained from Equations 7 and 8, and P1 = (3/4) · P0 (Equation 10)) from
したがって、アキュムレータ19を設けた場合は、供給弁7及び排水弁16が閉じた状態で発電し、燃料電池1及び連通する水タンク18の例えば半分のモル数の水素を消費することにより、燃料電池1の圧力(=水タンク18の圧力)は元の3/4になる。
Therefore, when the
そして、上記(i)の4式と(ii)の10式との比較等から明らかなように、供給弁7及び排水弁16が閉じた状態で発電により例えば半分のモル数の水素を消費すると、アキュムレータ19を設けない場合には燃料電池1の圧力(=水タンク18の圧力)が元の1/2になるところ、アキュムレータ19を設けることによって、水タンク18の体積変化を通して燃料電池1の体積が減少変化して燃料電池1の圧力(=水タンク18の圧力)が元の3/4になり、燃料電池1の圧力低下が抑制(緩和)される。
As is clear from a comparison between the above formula (i) 4 and formula (ii) 10 and the like, when, for example, half the number of moles of hydrogen is consumed by power generation with the supply valve 7 and the
その結果、供給弁7及び排水弁16が閉じた状態での発電効率の圧力減少に基づく低下が防止され、燃料電池1の発電効率が向上する。
As a result, a decrease in the power generation efficiency due to the pressure decrease in the state where the supply valve 7 and the
そして、アキュムレータ19を設けて燃料電池1の圧力低下を抑制(緩和)しても、供給弁7及び排水弁16が閉じた状態での発電終了時には燃料電池1及び連通する水タンク18は発電前より圧力が低下して減圧状態になる。
Even if the
そのため、供給弁7及び排水弁16が閉じた状態での発電を終了して供給弁7を開くと、燃料電池1内に水素ガスが噴入し、燃料電池1からアノード側下流経路15を介して水タンク18に至る水素ガス流により燃料電池1のアノード側の生成水を水タンク18に押し出して電池外部に排出することができる。
Therefore, when the power generation in the state where the supply valve 7 and the
そして、アキュムレータ19がダイアフラムや風船等の場合にも同様である。
The same applies when the
ところで、供給弁7を開くことにより、アキュムレータ19の有無に関わらず、燃料電池1及び連通する水タンク18は、発電により消費した量の水素が流入して元の圧力状態に戻る。具体的には、例えば供給弁7及び排水弁16が閉じた状態での発電により前記の(1/2)・n0モルの水素を消費したときには、供給弁7を開くことにより、アキュムレータ19の有無に関わらず、(1/2)・n0モルの水素が流入することで燃料電池1及び連通する水タンク18が元の圧力状態に戻る。
By the way, by opening the supply valve 7, regardless of the presence of the
そして、燃料電池1のアノード側の生成水の排出には噴入する水素ガスの圧力及び流量が影響し、アキュムレータ19を設けた場合、設けない場合と同量の水素ガスが燃料電池1及び連通する水タンク18に流入するので、供給弁7及び排水弁16が閉じた状態での発電を終了して供給弁7を開いたときには、噴入する水素ガスの圧力は前記一実施形態の場合より弱くはなるが、水素ガスの流量は変わらず、燃料電池1のアノード側の生成水を水タンク18に押し出して電池外部に確実に排出することができる。
The pressure and flow rate of the injected hydrogen gas affect the discharge of the produced water on the anode side of the fuel cell 1, and when the
なお、供給弁7を開いたときに後述する外力の作用等でダイアフラムや風船、ピストン等を瞬時に元の状態に戻し、燃料電池1及び連通する水タンク18の体積を急増して燃料電池1及び水タンク18を十分な減圧状態にすれば、燃料電池1の発電効率を向上するとともに一層確実に燃料電池1のアノード側の生成水を電池外部に排出することができる。
When the supply valve 7 is opened, the diaphragm, balloon, piston, etc. are instantaneously returned to their original state by the action of an external force, which will be described later, and the volume of the fuel cell 1 and the
つぎに、アキュムレータ19の具体例について説明する。
Next, a specific example of the
<アキュムレータの一例>
まず、アキュムレータ19が水タンク18に内装されたブラダ型であって、図5(a)、(b)のゴム状の風船20を有する場合、前記の圧力P0、体積V0、モル数n0の水素に相当する一定圧力の気体を封入した風船20は、図5(a)に示すように水タンク18の容器内に設けられ、外圧、すなわち、水タンク18の圧力変化にしたがって膨縮変化し、水タンク18の体積(容積)を可変してその圧力変化を防止又は緩和する。
<Example of accumulator>
First, in the case where the
ところで、燃料タンク4からレギュレータ6、供給弁7、圧力センサ8を介して燃料電池1のアノード側に燃料の水素ガスが供給される通常の発電状態においては、燃料電池1のアノード側に連通した水タンク18は加圧傾向にあり、図5(a)に示したように風船20は比較的小さい状態に保たれる。
By the way, in a normal power generation state in which fuel hydrogen gas is supplied from the fuel tank 4 to the anode side of the fuel cell 1 through the
つぎに、燃料電池1のアノード側の濡れ状態の検出等に基づき、供給弁7及び排水弁16が閉じた状態で燃料電池1が発電すると、燃料電池1の内部圧力の低下に伴って水タンク18は圧力が低下し始めて減圧状態になるが、このとき、図5(b)に示すように風船20が膨張して大きくなり、水タンク18の体積は減少して小さくりなり、燃料電池1の内部圧力の低下が抑制(緩和)され、その発電効率が向上する。
Next, when the fuel cell 1 generates power with the supply valve 7 and the
そして、発電を終了し、生成水を排出するために供給弁7を開くと、燃料電池1及び水タンク18は減圧状態であり、燃料電池1に水素ガスが噴入して燃料電池1及び水タンク18に水素ガスが流入し、水タンク18の圧力が上昇して風船20が急速にしぼんで水タンク18の体積が増加し、燃料電池1及び水タンク18が一層減圧状態になる。そのため、外力を作用することなく、水素ガスが燃料電池1に噴入して料電池1のアノード側の生成水を良好に排出することができる。
When the power generation is finished and the supply valve 7 is opened to discharge the generated water, the fuel cell 1 and the
なお、水タンク18の減圧により、図5(b)のように風船20が水タンク18の上部と燃料電池1のアノード側に連通した下部とを気密に仕切った状態で膨張する場合は、生成水を排出するために供給弁7を開いたときに、水素ガスによって前記下部の圧力が上昇して風船20が変形して前記上部と前記下部との仕切りに隙間が生じることにより、前記上部と前記下部が連通して燃料電池1のアノード側に連通した水タンク18の体積が急増し、燃料電池1及び水タンク18が一層減圧状態になる。そのため、この場合は、外力を作用することなく、水素ガスが燃料電池1に噴入して燃料電池1のアノード側の生成水を一層確実に排出することができる。
When the
つぎに、水タンク18の体積減少により燃料電池1を極力通常時と同様の圧力に維持して発電効率を一層向上するような場合は、例えば水タンク18の外部に開閉弁機構を介して風船20に連通する負圧容器(図示せず)を設け、生成水を排出するために供給弁7を開いたときにのみ前記開閉弁機構を開く。
Next, when the fuel cell 1 is maintained at the same pressure as usual by reducing the volume of the
この場合、供給弁7を開いたときに、開閉弁機構が開いて風船20の気体が前記負圧容器に流入し、風船20は急激にしぼみ、水タンク18の体積が急増して燃料電池1及び水タンク18は圧力が急減する。そのため、燃料電池1及び水タンク18が一層減圧状態になり、燃料電池1のアノード側の生成水を水素ガスの十分な圧力と流量とによって一層確実に排出することができる。
In this case, when the supply valve 7 is opened, the opening / closing valve mechanism is opened, and the gas in the
<アキュムレータの他の例>
つぎに、水タンク18が例えば円筒形のステンレス製(非磁性体)であって、アキュムレータ19が水タンク18に内装されたピストン型の場合、例えば図6に示すように、水タンク18の内壁に摺接して上下動する磁性体のピストン板21(図4の稼動仕切り19aに相当)により、水タンク18の内部は、ピストン板21下部の燃料電池1に連通したタンク部22と、ピストン板21の上部のピストン部23とに気密に仕切られ、タンク部22の体積が本発明の水タンクの体積である。なお、ピストン板21の周部には気密性を高めるためにオーリング24が取り付けられている。
<Other examples of accumulator>
Next, when the
また、ピストン板21の上面にコイル状のバネ25の下端が取り付けられ、バネ25の上端は例えば水タンク18の天板中央部に支持されている。
Moreover, the lower end of the coil-shaped
そして、燃料電池1のアノード側の濡れ状態の検出等に基づき、供給弁7及び排水弁16が閉じた状態で燃料電池1が発電し、燃料電池1の内部圧力の低下に伴って水タンク18のタンク部22の圧力が低下し始めると、ピストン板21が下動してタンク部22の体積が小さくなり、燃料電池1及び連通する水タンク18の圧力低下が防止又は緩和される。
Then, based on detection of the wet state of the anode side of the fuel cell 1 and the like, the fuel cell 1 generates power with the supply valve 7 and the
さらに、生成水を排出するために供給弁7を開くと、燃料電池1及び水タンク18は減圧状態であり、燃料電池1に水素ガスが噴入して燃料電池1及び水タンク18に水素ガスが流入し、外力を作用することなく、水素ガスが燃料電池1に噴入して料電池1のアノード側の生成水を良好に排出することができる。
Further, when the supply valve 7 is opened to discharge the generated water, the fuel cell 1 and the
ところで、電池1のアノード側の生成水を一層確実に排出する場合は、例えば水タンク18の天板に電磁石(図示せず)を載置し、生成水を排出するために供給弁7を開いたときに、電磁石を通電駆動し、その磁力によってピストン板21を瞬時に引き上げ、タンク部22の体積を急増して燃料電池1及び水タンク18を一層減圧状態にし、燃料電池1のアノード側の生成水を水素ガスの十分な圧力と流量とによって一層確実に排出する。
By the way, when discharging the generated water on the anode side of the battery 1 more reliably, for example, an electromagnet (not shown) is placed on the top plate of the
なお、前記のピストン板21の上下動を、バネ25や電磁石を用いて行なう代わりに、ピストン部23に気体や液体等を充填し、その充填圧を加減して行なうようにしてもよく、モータを用いる等して行なってもよい。
The
そして、前記一例の減圧容器の減力や前記他の例の充填圧の増減は例えばコンプレッサ等を用いて行なうことも可能であり、燃料水素や酸化剤(空気)の圧力を加圧に利用することも可能である。 The reduction in the pressure reducing container in the example and the increase / decrease in the filling pressure in the other example can be performed using, for example, a compressor, and the pressure of fuel hydrogen or oxidant (air) is used for pressurization. It is also possible.
さらに、水タンク18の体積の可変には、別途設けた他の燃料電池のつぎに説明するアクチュエータ(燃料電池アクチュエータ)を用いることも可能である。
Furthermore, an actuator (fuel cell actuator) described next to another separately provided fuel cell can be used to change the volume of the
<燃料電池アクチュエータ>
つぎに、燃料電池アクチュエータについて、図7、図8を参照して説明する。
<Fuel cell actuator>
Next, the fuel cell actuator will be described with reference to FIGS.
この燃料電池アクチュエータは、気体を燃料として発電する燃料電池システムの圧力変化を動力として利用するものであり、例えば図7の一例に示す構成に形成される。 This fuel cell actuator uses a change in pressure of a fuel cell system that generates electricity using gas as fuel, and is formed, for example, in the configuration shown in the example of FIG.
図7において、100は燃料電池アクチュエータ、101はその燃料電池、102は燃料電池101のアノード側の水素ガスの燃料供給装置(燃料タンク)であり、図1の燃料タンク4に相当し、燃料供給量調整装置103が設けられたアノード側上流路104により燃料電池101に接続されている。なお、燃料供給量調整装置103はここでは例えば加圧力調整用のインジェクタ又は電磁バルブ又は調圧弁からなる。
In FIG. 7, 100 is a fuel cell actuator, 101 is its fuel cell, 102 is a hydrogen gas fuel supply device (fuel tank) on the anode side of the
105は燃料電池101を介してアノード側上流路104に接続されたアノード側下流路、106は動力取り出し用のピストン機構であり、外装体107とその内部を出入方向に移動自在のピストン108とを有し、外装体107内面とピストン108との間の気蜜なシリンダ部(空間)109がアノード側下流路105の開放端部に接続されている。
そして、燃料電池101の発電中に燃料供給量調整装置103によって燃料の水素ガスの燃料電池101への供給を断続または増減することで、この水素ガスの供給の断続または増減による燃料電池101の圧力の増減変化を利用し、この増減変化をシリンダ部109に波及してピストン108を図7の矢印方向に移動し、図3の水タンク18の体積の可変動力等の他の機器の種々の用途の動力(運動エネルギ)として取り出すことができる。なお、燃料の水素ガス供給量の調整は、例えば、燃料電池101の圧力測定値又は圧力推定値又はアクチュエータの動作量であるピストン108の動作量にしたがって制御する。
During the power generation of the
そのため、燃料電池101の発電により生じる圧力変化を動力として取り出し、その圧力変化を有効に活用して図3の水タンク18の体積の可変制御等を実現することができる。
Therefore, it is possible to take out a change in pressure generated by the power generation of the
つぎに、図8は燃料電池アクチュエータの他の例を示し、同図において、図7と同一符号は同一若しくは相当するものを示す。 Next, FIG. 8 shows another example of the fuel cell actuator, in which the same reference numerals as those in FIG. 7 denote the same or corresponding elements.
そして、図8の燃料電池アクチュエータ100bは、燃料電池101がピストン機構106の外装体107の底板107aに外装され、燃料電池101のアノード側101Aは外装体107の底板107aを気密に貫通して外装体107内部のシリンダ部109に位置し、図7のアノード側下流路105は省かれている。
In the
また、燃料供給装置102に接続されたアノード側上流路104の燃料供給量調整装置103は外装体107の周部107bを気密に貫通してその出力側がシリンダ部109に挿入され、アノード側上流路104の開放端部はシリンダ部109を介して燃料電池101のアノード側101Aに接続されている。なお、101Nは燃料電池101のカソード側であり、110はピストン108の基部のオーリングである。
Further, the fuel supply
そして、この燃料電池アクチュエータ100bの場合も、燃料電池101の発電中に燃料供給量調整装置103によって燃料の水素ガスの燃料電池101への供給を断続または増減し、燃料電池101の発電による減圧変化を利用してシリンダ部109の圧力を可変し、ピストン108を図7の矢印方向に上下移動して図3の水タンク18の体積の可変動力等の他の機器の種々の用途の動力(運動エネルギ)を取り出すことができる。
Also in the case of this
具体的には、例えば、燃料供給量調整装置103により燃料供給装置102からシリンダ部109を介して燃料電池101に供給する水素ガスの供給圧を加圧することでピストン108を押し下げ、つぎに水素ガスの供給を停止または減少した状態での燃料電池101の発電によりシリンダ部109を減圧してピストン108を引き上げ、ピストン108を図7の矢印方向に上下動することで、図3の水タンク18の体積の可変動力等の他の機器の種々の用途の動力(運動エネルギ)を取り出すことができる。
Specifically, for example, the
なお、燃料ガスの吸入気流によりインペラを回して発電するシステムにおいては、ガスの流れを有効に利用しようとすると、インペラでの圧力損失が大きくなるが、上述の燃料電池アクチュエータは、気体を燃料として発電する燃料電池システムの圧力変化を動力として利用するものであり、前記のインペラでの圧力損失の問題が生じない利点がある。 In a system that generates power by rotating an impeller using a fuel gas intake airflow, if the gas flow is used effectively, pressure loss in the impeller increases. However, the fuel cell actuator described above uses gas as fuel. The pressure change of the fuel cell system that generates electricity is used as power, and there is an advantage that the problem of pressure loss in the impeller does not occur.
そして、本発明は上記した各実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能であり、例えば、水溜り部として容器17、水タンク18を備える代わりに、例えばアノード側下流経路15の容器17、水タンク18の部分の配管を太くしてもよい。また、燃料電池1、101のセル数等はどのようであってもよい。
And this invention is not limited to each above-mentioned embodiment, It is possible to perform various changes other than what was mentioned above, unless it deviates from the meaning, For example, the container 17, Instead of providing the
1、101 燃料電池
4 燃料タンク
7 供給弁
16 排水弁
17 容器(水溜り部)
18 水タンク(水溜り部)
19 アキュムレータ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,101 Fuel cell 4 Fuel tank 7
18 Water tank (water reservoir)
19 Accumulator
Claims (3)
前記アノード側の上流に前記水素の供給弁を備え、
前記アノード側の下流に前記燃料電池のアノード側の生成水を排出する排水弁を備え、
前記燃料電池と前記排水弁との間に前記燃料電池の前記生成水を溜める水溜り部を備え、
前記供給弁と前記排水弁を閉じた状態にして前記燃料電池の発電を行なった後、前記供給弁を開放して前記生成水を排出するようにしたこと特徴とする燃料電池システム。 In the fuel cell system for generating power by supplying hydrogen to the anode side of the fuel cell and supplying air to the cathode side of the fuel cell,
The hydrogen supply valve is provided upstream of the anode side,
A drain valve for discharging the generated water on the anode side of the fuel cell downstream of the anode side;
A water reservoir for storing the generated water of the fuel cell between the fuel cell and the drain valve;
The fuel cell system, wherein the fuel cell is generated with the supply valve and the drain valve closed, and then the supply valve is opened to discharge the generated water.
前記燃料電池のアノード側の設定した濡れ状態を検出したときに、前記供給弁と前記排水弁を閉じた状態にして前記燃料電池の発電を行なうようにしたことを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1, wherein
A fuel cell system, wherein when the set wet state on the anode side of the fuel cell is detected, the fuel cell is configured to generate electricity with the supply valve and the drain valve closed.
前記水溜り部の体積を、前記供給弁と前記排水弁を閉じた状態での発電中に前記燃料電池の圧力変化を抑制するように減少可変することを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1 or 2,
A fuel cell system, wherein the volume of the water reservoir is reduced and varied so as to suppress a change in pressure of the fuel cell during power generation with the supply valve and the drain valve closed.
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