JP2008091266A - Operation method of fuel cell system - Google Patents
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Abstract
【課題】長時間運転を停止した後に始動したときでも、短時間のうちに安定した発電を行うことができる燃料電池システムの運転方法を提供する。
【解決手段】燃料電池20と、燃料電池20に供給される水素ガスの供給源30と、供給源30と燃料電池20とを接続する供給路74と、燃料電池20から排出された水素オフガスを供給路74に戻す循環路75と、を備えてなる燃料電池システム1の運転方法であって、供給路74、燃料電池20、および循環路75を含む水素ガス流路を閉回路としたうえで、この閉回路内の燃料電池20に対して複数方向から水素ガスを供給する。
【選択図】図1Provided is a fuel cell system operating method capable of performing stable power generation in a short time even when starting after stopping a long-time operation.
SOLUTION: A fuel cell 20, a supply source 30 of hydrogen gas supplied to the fuel cell 20, a supply path 74 connecting the supply source 30 and the fuel cell 20, and hydrogen off-gas discharged from the fuel cell 20 are removed. An operation method of the fuel cell system 1 including a circulation path 75 returning to the supply path 74, wherein the hydrogen gas flow path including the supply path 74, the fuel cell 20, and the circulation path 75 is a closed circuit. Hydrogen gas is supplied from a plurality of directions to the fuel cell 20 in the closed circuit.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、酸化ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を備えた燃料電池システムの運転方法に関する。 The present invention relates to a method for operating a fuel cell system including a fuel cell that generates electric power by an electrochemical reaction between an oxidizing gas and a fuel gas.
従来より、燃料電池システムの運転を長時間(例えば、1時間30分以上)停止した後に同システムを始動する際、燃料電池に燃料ガス(例えば、水素ガス)を供給しながら、燃料ガスの循環ポンプを所定の時間だけ逆回転させ、これにより、燃料ガスの流路に残留している不要なガス(前回の運転を終了した後に流れ込んだ空気)を流路の外に排出する技術が知られている(例えば、下記の特許文献1参照)。
しかしながら、特許文献1の燃料電池システムにおいては、システムを始動する際に、燃料ガスの流路を構成する回路が開いている(大気開放している)ので、上記回路の燃料電池の入口付近と出口付近とでは、システムを始動してから各部に燃料ガスが到達するまでに要する時間に差が生じることになる。 However, in the fuel cell system of Patent Document 1, when starting the system, the circuit constituting the flow path of the fuel gas is open (open to the atmosphere). In the vicinity of the outlet, there is a difference in the time required for the fuel gas to reach each part after the system is started.
すなわち、大気開放している流路(開回路)を通じて燃料電池に流入する燃料ガスが燃料電池出口へ到達する時間は、大気開放していない流路(閉回路)を通じて燃料電池に流入する燃料ガスが燃料電池入口へ到達する時間よりも長くなる。そのため、燃料電池内のガス流路に均一に燃料ガスが行き渡るまでの時間は、大気開放している側の流路を通じて燃料電池に流入する燃料ガスの到達時間に依存することになり、結果的に安定した発電が行えるようになるまでに時間がかかる。 That is, the time for the fuel gas flowing into the fuel cell through the channel (open circuit) open to the atmosphere to reach the fuel cell outlet is the fuel gas flowing into the fuel cell through the channel (closed circuit) not open to the atmosphere Is longer than the time to reach the fuel cell inlet. For this reason, the time until the fuel gas reaches the gas flow path in the fuel cell uniformly depends on the arrival time of the fuel gas flowing into the fuel cell through the flow path on the open side of the atmosphere. It takes time before stable power generation can be performed.
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、長時間運転を停止した後に始動したときでも、短時間のうちに安定した発電を行うことができる燃料電池システムの運転方法を提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a method of operating a fuel cell system capable of performing stable power generation in a short time even when the operation is started after being stopped for a long time. It is aimed.
上記目的を達成するために、本発明は、ガス供給を受けて電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に供給される燃料ガスの供給源と、前記供給源と前記燃料電池とを接続する供給路と、前記燃料電池から排出された燃料オフガスを前記供給路に戻す循環路と、を備えてなる燃料電池システムの運転方法であって、前記供給路、前記燃料電池、および前記循環路を含む燃料ガス流路を閉回路としたうえで、前記閉回路内の前記燃料電池に対して複数方向から燃料ガスを供給する工程を備えるものである。 To achieve the above object, the present invention provides a fuel cell that receives a gas supply and generates power by an electrochemical reaction, a fuel gas supply source that is supplied to the fuel cell, the supply source, and the fuel cell. An operation method of a fuel cell system, comprising: a supply path to be connected; and a circulation path for returning fuel off-gas discharged from the fuel cell to the supply path, wherein the supply path, the fuel cell, and the circulation The fuel gas flow path including the path is a closed circuit, and the fuel gas is supplied from a plurality of directions to the fuel cell in the closed circuit.
この構成によれば、燃料電池を含む燃料ガス流路が閉回路を構成し、かつ、この閉回路内の燃料電池に対して複数方向(例えば、入口側からと出口側からの2方向)から燃料ガスが供給されるので、短時間のうちに燃料電池内のガス流路に燃料ガスが行き渡る。これにより、短時間で安定した発電を行うことが可能になる。 According to this configuration, the fuel gas flow path including the fuel cell forms a closed circuit, and the fuel cell in the closed circuit is from a plurality of directions (for example, two directions from the inlet side and the outlet side). Since the fuel gas is supplied, the fuel gas reaches the gas flow path in the fuel cell within a short time. As a result, stable power generation can be performed in a short time.
本発明に係る燃料電池システムの運転方法において、前記複数方向は、少なくとも、前記燃料電池の燃料ガス入口側からと燃料オフガス出口側からとの2方向を含むものでもよい。 In the operation method of the fuel cell system according to the present invention, the plurality of directions may include at least two directions from the fuel gas inlet side and from the fuel off gas outlet side of the fuel cell.
この構成によれば、燃料ガスの行き渡り難い燃料オフガス出口側に燃料ガスを早期に供給することができる。なお、燃料ガスを燃料電池の燃料ガス入口側と燃料オフガス出口側との間からも供給できるようにしてもよい。 According to this configuration, the fuel gas can be quickly supplied to the fuel off-gas outlet side where the fuel gas is difficult to spread. The fuel gas may be supplied from between the fuel gas inlet side and the fuel off gas outlet side of the fuel cell.
本発明に係る燃料電池システムの運転方法においては、前記複数方向からの前記燃料電池への燃料ガス供給を所定の時間だけ行ってもよい。 In the operation method of the fuel cell system according to the present invention, the fuel gas may be supplied from the plurality of directions to the fuel cell for a predetermined time.
この構成によれば、当該所定の時間の経過後、安定した通常発電を速やかに開始することができる。 According to this configuration, stable normal power generation can be started promptly after the predetermined time has elapsed.
本発明によれば、長時間運転を停止した後に始動したときでも、短時間のうちに安定した発電を行うことができる。 According to the present invention, stable power generation can be performed within a short time even when the operation is started after being stopped for a long time.
次に、本発明に係る燃料電池システムの運転方法の一実施形態を説明する。以下、この燃料電池システムを燃料電池車両の車載発電システムに適用した場合について説明するが、本発明はこのような適用例に限らず、船舶、航空機、電車、歩行ロボット等のあらゆる移動体への適用や、例えば燃料電池が建物(住宅、ビル等)用の発電設備として用いられる定置用発電システムへの適用も可能である。 Next, an embodiment of the operation method of the fuel cell system according to the present invention will be described. Hereinafter, the case where this fuel cell system is applied to an in-vehicle power generation system of a fuel cell vehicle will be described. However, the present invention is not limited to such an application example, and is applicable to any moving body such as a ship, an aircraft, a train, and a walking robot. For example, the present invention can be applied to a stationary power generation system in which a fuel cell is used as a power generation facility for a building (house, building, etc.).
図1に示される燃料電池システム1において、酸化ガスとしての空気は、空気供給路71を介して燃料電池20の空気供給口に供給される。空気供給路71には、空気から微粒子を除去するエアフィルタA1、空気を加圧するコンプレッサA3、及び空気に所要の水分を加える加湿器A21が設けられている。エアフィルタA1には、空気流量を検出する図示省略のエアフローメータ(流量計)が設けられている。コンプレッサA3は、モータMによって駆動される。
In the fuel cell system 1 shown in FIG. 1, air as an oxidizing gas is supplied to an air supply port of the
燃料電池20から排出される空気オフガスは、排気路72を経て外部に放出される。排気路72には、圧力調整弁A4、及び加湿器A21が設けられている。圧力調整弁A4は、燃料電池20への供給空気圧を設定する調圧(減圧)器として機能する。
The air off gas discharged from the
燃料ガスとしての水素ガスは、水素供給源30から水素供給路74を介して燃料電池20の水素供給口に供給される。水素供給源30は、例えば高圧水素タンクが該当するが、いわゆる燃料改質器や水素吸蔵合金等であっても良い。
Hydrogen gas as the fuel gas is supplied from the
水素供給路74には、水素供給源30から水素を供給しあるいは供給を停止する遮断弁H100、燃料電池20への水素ガスの供給圧力を減圧して調整する水素調圧弁H9、及び燃料電池20の水素供給口と水素供給路74間を開閉する遮断弁H21が設けられている。水素調圧弁H9としては、例えば機械式の減圧を行う調圧弁を使用できるが、パルスモータで弁の開度がリニアあるいは連続的に調整される弁であっても良い。
In the
燃料電池20で消費されなかった水素ガスは、水素オフガス(燃料オフガス)として水素循環路75に排出され、水素供給路74の水素調圧弁H9の下流側に戻される。水素循環路75には、水素オフガスから水分を回収する気液分離装置H42、回収した生成水を水素循環路75外の図示しないタンク等に回収する排水弁H41、及び水素オフガスを加圧する水素ポンプH50が設けられている。
The hydrogen gas that has not been consumed in the
遮断弁H21は、燃料電池20のアノード側を閉鎖する。水素ポンプH50は、制御部50によって動作が制御され、水素供給路74を通じて燃料電池20に水素ガスを供給したり、水素供給路74および水素循環路75を通じて燃料電池20に水素ガスを供給したりすることが可能である。水素オフガスは、水素供給路74で水素ガスと合流し、燃料電池20に供給されて再利用される。遮断弁H21は、制御部50からの信号で駆動される。
The shut-off valve H21 closes the anode side of the
水素循環路75は、排出制御弁H51を介して、パージ流路76によって加湿器A21の下流側の排気路72に接続されている。排出制御弁H51は、電磁式の遮断弁であり、制御部50からの指令によって作動することにより、水素オフガスは燃料電池20から排出された空気オフガスとともに外部へ排出(パージ)される。このパージ動作を間欠的に行うことによって、水素ガス中の不純物濃度が増加することによるセル電圧の低下を防止することができる。
The
燃料電池20の冷却水出入口には、冷却水を循環させる冷却路73が設けられている。冷却路73には、冷却水の熱を外部に放熱するラジエータ(熱交換器)C2、及び冷却水を加圧して循環させるポンプC1が設けられている。また、ラジエータC2には、モータによって回転駆動される冷却ファンC13が設けられている。
A
燃料電池20は、水素ガスと空気の供給を受けて電気化学反応により発電する単セルを所要数積層してなる燃料電池スタックとして構成されている。燃料電池20が発生した電力は、図示しないパワーコントロールユニットに供給される。パワーコントロールユニットは、車両の駆動モータに電力を供給するインバータと、コンプレッサモータや水素ポンプ用モータなどの各種の補機類に電力を供給するインバータと、二次電池等の蓄電手段への充電や該蓄電手段からのモータ類への電力供給を行うDC−DCコンバータなどが備えられている。
The
制御部50は、CPU、ROM、RAM、HDD、入出力インタフェース及びディスプレイなどの公知構成から成る制御コンピュータシステムによって構成されており、図示しない車両のアクセル信号などの要求負荷や燃料電池システム1の各部のセンサ(圧力センサ、温度センサ、流量センサ、出力電流計、出力電圧計等)から制御情報を受け取り、システム各部の弁類やモータ類の運転を制御する。
The
上記のように構成された燃料電池システム1を始動する際には、排出制御弁H51を作動させてパージ流路76を閉じる。そのうえで、水素ポンプH50を通常運転とは逆に作動させ、水素供給路74および水素循環路75を通じて燃料電池20に向けて燃料ガスを搬送する。パージ流路76を閉じると、図2に示すように、水素供給路74、燃料電池20および水素循環路75は閉回路を構築する。
When starting the fuel cell system 1 configured as described above, the discharge control valve H51 is operated to close the
この閉回路には、水素供給源30から供給される燃料ガスが、実線矢印で示すように、水素供給路74を通じて燃料電池20の入口20aに流入する一方で、水素供給源30から供給される燃料ガスが、破線矢印で示すように、水素供給路74の一部および水素循環路75を通じて、閉回路の外に漏れることなく燃料電池20の出口20bに流入する。
In this closed circuit, the fuel gas supplied from the
このとき、燃料電池20を含む燃料ガス流路が閉回路を構成しているので、当該燃料ガス流路が開回路である場合と比較すると、燃料ガスが閉回路の外に漏れない分、水素供給路74の一部および水素循環路75を通じて燃料電池ガスが燃料電池20の出口20bへ到達するまでの時間が短縮される。
At this time, since the fuel gas flow path including the
図3には、燃料電池システム1を始動してからの、燃料電池20の入口20aにおける燃料ガスの濃度、および燃料電池20の出口20bにおける燃料ガスの濃度の変化を示している。図3からわかるように、本実施形態に係る燃料電池システム1の運転方法によれば、燃料電池20の出口20bにおけるガス濃度は、燃料電池20の入口20aにおけるガス濃度と時をほぼ同じくして所定の値に落ち着く。
FIG. 3 shows changes in the concentration of the fuel gas at the
これに対し、従来の燃料電池システムの運転方法の場合には、燃料電池20の入口20aにおけるガス濃度が所定値に落ち着いてから、やや遅れて燃料電池20の出口20bにおけるガス濃度が所定値に落ち着く。
On the other hand, in the case of the conventional operation method of the fuel cell system, the gas concentration at the outlet 20b of the
以上のとおり、本実施形態に係る燃料電池システム1の運転方法によれば、燃料ガスが水素供給路74の一部および水素循環路75を通じて燃料電池20の出口20bに到達するまでの時間と、燃料ガスが水素供給路74を通じて燃料電池20の入口20aに到達するまでの時間とがほぼ同じになるため、燃料電池20に均一に燃料ガスが行き渡るまでの時間が、従来に比べて短くなる。
As described above, according to the operation method of the fuel cell system 1 according to the present embodiment, the time until the fuel gas reaches the outlet 20b of the
その結果、燃料電池システム1の運転を長時間停止した後に始動したときでも、短時間のうちに安定した発電を行うことができる。 As a result, even when the operation of the fuel cell system 1 is stopped for a long time and started, stable power generation can be performed within a short time.
1…燃料電池システム、20…燃料電池、30…水素供給源、74…水素供給路、75…水素循環路、76…パージ流路、H50…水素ポンプ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell system, 20 ... Fuel cell, 30 ... Hydrogen supply source, 74 ... Hydrogen supply path, 75 ... Hydrogen circulation path, 76 ... Purge flow path, H50 ... Hydrogen pump
Claims (3)
前記供給路、前記燃料電池、および前記循環路を含む燃料ガス流路を閉回路としたうえで、前記閉回路内の前記燃料電池に対して複数方向から燃料ガスを供給する工程を備える燃料電池システムの運転方法。 A fuel cell that receives a gas supply and generates electric power through an electrochemical reaction, a supply source of fuel gas supplied to the fuel cell, a supply path that connects the supply source and the fuel cell, and an exhaust from the fuel cell A circulation path for returning the fuel off-gas to the supply path,
A fuel cell comprising a step of supplying a fuel gas from a plurality of directions to the fuel cell in the closed circuit after the fuel gas flow path including the supply path, the fuel cell, and the circulation path is a closed circuit. How to operate the system.
Priority Applications (1)
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