JP2012169039A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
【課題】短時間で掃気可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池スタック10と、燃料ガス供給流路と、燃料オフガス排出流路と、酸化剤ガス供給流路と、酸化剤オフガス排出流路と、コンプレッサ31と、コンプレッサ31と同時に作動可能であるエキスパンダ35と、コンプレッサ31からアノード流路11に向かう掃気ガスが通流する第1掃気ガス流路と、カソード流路12からエキスパンダ35に向かう掃気ガスが通流する第2掃気ガス流路と、カソード流路12の上流に設けられ、カソード流路12の掃気時に開くことで、外気を掃気ガスとして導入する逆止弁39と、コンプレッサ31及びエキスパンダ35を制御するECU70と、を備える。燃料電池スタック10の掃気時、ECU70は、コンプレッサ31及びエキスパンダ35を同時に作動させ、コンプレッサ31がアノード流路11を掃気し、エキスパンダ35がカソード流路12を掃気する。
【選択図】図1A fuel cell system capable of scavenging in a short time is provided.
A fuel cell stack, a fuel gas supply flow path, a fuel off-gas discharge flow path, an oxidant gas supply flow path, an oxidant off-gas discharge flow path, a compressor 31 and a compressor 31 can be operated simultaneously. , The first scavenging gas passage through which the scavenging gas from the compressor 31 toward the anode passage 11 flows, and the second scavenging gas through which the scavenging gas from the cathode passage 12 toward the expander 35 flows. A check valve 39 provided upstream of the cathode channel 12 and opened when the cathode channel 12 is scavenged to introduce outside air as a scavenging gas; an ECU 70 that controls the compressor 31 and the expander 35; Is provided. When scavenging the fuel cell stack 10, the ECU 70 simultaneously operates the compressor 31 and the expander 35, the compressor 31 scavenges the anode channel 11, and the expander 35 scavenges the cathode channel 12.
[Selection] Figure 1
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.
近年、水素(燃料ガス)と酸素を含む空気(酸化剤ガス)とが供給されることで発電する燃料電池の開発が進められ、例えば、燃料電池車(移動体)の電力源として期待されている。なお、水素は水素タンク等から燃料電池のアノードに、空気はコンプレッサ(圧縮機)から燃料電池のカソードに、それぞれ供給される(例えば特許文献1参照)。 In recent years, the development of fuel cells that generate electricity by supplying hydrogen (fuel gas) and oxygen-containing air (oxidant gas) has been promoted. For example, it is expected as a power source for fuel cell vehicles (moving bodies). Yes. Note that hydrogen is supplied from a hydrogen tank or the like to the anode of the fuel cell, and air is supplied from a compressor (compressor) to the cathode of the fuel cell (see, for example, Patent Document 1).
ところで、燃料電池は発電に伴って、そのカソードで水(水蒸気)を生成する。また、燃料電池を構成するMEA(Membrane Electrode Assembly:膜電極接合体)の電解質膜(固体高分子膜)を良好な湿潤状態とするため、例えば、カソードに向かう空気は加湿器によって加湿される。したがって、燃料電池の発電停止直後、燃料電池内には、水分(水蒸気、凝縮水)が滞留している。よって、発電停止後、燃料電池が低温(0℃以下等)になると、燃料電池が凍結する虞がある。 By the way, the fuel cell generates water (water vapor) at its cathode as power is generated. Moreover, in order to make the electrolyte membrane (solid polymer membrane) of MEA (Membrane Electrode Assembly) constituting the fuel cell into a good wet state, for example, the air toward the cathode is humidified by a humidifier. Therefore, immediately after the power generation of the fuel cell is stopped, moisture (water vapor, condensed water) stays in the fuel cell. Therefore, there is a possibility that the fuel cell freezes when the fuel cell becomes low temperature (such as 0 ° C. or less) after power generation is stopped.
そこで、発電停止後に燃料電池は凍結する虞があると判断される場合、燃料電池を掃気する技術、つまり、燃料電池に掃気ガス(空気、窒素等)を通流させ、この掃気ガスによって燃料電池の水分を除去する技術が提案されている。ところが、燃料電池のアノード流路(燃料ガス流路)の掃気(アノード掃気)と、燃料電池のカソード流路(酸化剤ガス流路)の掃気(カソード掃気)とを、別々に実行すると、燃料電池の掃気が長時間となってしまう。 Therefore, when it is determined that the fuel cell may freeze after power generation is stopped, a technique for scavenging the fuel cell, that is, a scavenging gas (air, nitrogen, etc.) is passed through the fuel cell, and the scavenging gas is used to drive the fuel cell. A technique for removing water from the water has been proposed. However, when the scavenging (anode scavenging) of the anode flow path (fuel gas flow path) of the fuel cell and the scavenging (cathodic scavenging) of the cathode flow path (oxidant gas flow path) of the fuel cell are executed separately, the fuel Battery scavenging takes a long time.
そこで、本発明は、燃料電池を短時間で掃気可能な燃料電池システムを提供することを課題とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of scavenging the fuel cell in a short time.
前記課題を解決するための手段として、本発明は、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を有し、前記燃料ガス流路に燃料ガスが、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスがそれぞれ供給されることで発電する燃料電池と、前記燃料ガス流路に向かう燃料ガスが通流する燃料ガス供給流路と、前記燃料ガス流路から排出された燃料オフガスが通流する燃料オフガス排出流路と、前記酸化剤ガス流路に向かう酸化剤ガスが通流する酸化剤ガス供給流路と、前記酸化剤ガス流路から排出された酸化剤オフガスが通流する酸化剤オフガス排出流路と、前記酸化剤ガス供給流路に設けられ、前記酸化剤ガス流路に向けて酸化剤ガスを供給する圧縮機と、前記酸化剤オフガス排出流路に設けられ、前記圧縮機と同時に作動可能であって、作動することでその上流のガスを吸引する吸引機と、前記燃料ガス流路及び前記酸化剤ガス流路の一方と前記圧縮機とを接続し、前記一方の掃気時、前記圧縮機から前記一方に向かう掃気ガスが通流する第1掃気ガス流路と、前記燃料ガス流路及び前記酸化剤ガス流路の他方と前記吸引機とを接続し、前記他方の掃気時、前記他方から前記吸引機に向かう掃気ガスが通流する第2掃気ガス流路と、前記燃料ガス流路及び前記酸化剤ガス流路の他方の上流に設けられ、前記他方の掃気時に開くことで、外気を掃気ガスとして導入する外気導入弁と、前記圧縮機及び前記吸引機を制御する制御手段と、を備え、前記燃料電池の掃気時、前記制御手段は、前記圧縮機及び前記吸引機を同時に作動させ、前記圧縮機が、前記燃料ガス流路及び前記酸化剤ガス流路の一方を掃気し、前記吸引機が、前記燃料ガス流路及び前記酸化剤ガス流路の他方を掃気することを特徴とする燃料電池システムである。 As means for solving the above problems, the present invention has a fuel gas flow path and an oxidant gas flow path, wherein the fuel gas flow path is fuel gas, and the oxidant gas flow path is oxidant gas. A fuel cell that generates electricity by being supplied; a fuel gas supply channel through which fuel gas flows toward the fuel gas channel; and a fuel off-gas exhaust stream through which fuel off-gas discharged from the fuel gas channel flows An oxidant gas supply channel through which an oxidant gas directed to the oxidant gas channel flows, and an oxidant offgas discharge channel through which oxidant offgas discharged from the oxidant gas channel flows. A compressor that is provided in the oxidant gas supply flow path and that supplies the oxidant gas toward the oxidant gas flow path; and is provided in the oxidant off-gas discharge flow path and is operable simultaneously with the compressor. And upstream by operating And a compressor connected to one of the fuel gas flow path and the oxidant gas flow path, and the scavenging gas flowing from the compressor to the one side flows during the scavenging of the one side. The first scavenging gas flow path, the other of the fuel gas flow path and the oxidant gas flow path, and the suction device are connected, and during the other scavenging, the scavenging gas from the other to the suction device passes. A second scavenging gas flow channel that flows, and an outdoor air introduction valve that is provided upstream of the other of the fuel gas flow channel and the oxidant gas flow channel, and that opens at the time of the other scavenging, thereby introducing outside air as a scavenging gas. Control means for controlling the compressor and the suction machine, and during the scavenging of the fuel cell, the control means simultaneously operates the compressor and the suction machine, and the compressor moves the fuel gas Scavenging one of the flow path and the oxidant gas flow path The suction device is a fuel cell system, characterized in that scavenging the other of said fuel gas passage and the oxidant gas flow passage.
このような構成によれば、燃料電池の掃気時、制御手段が、圧縮機及び吸引機を同時に作動させ、圧縮機が燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路の一方を掃気し、吸引機が燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路の他方を掃気する。すなわち、アノード掃気(燃料ガス流路の掃気)と、カソード掃気(酸化剤ガス流路の掃気)とが同時に実行される。これにより、燃料電池を短時間で掃気できる。 According to such a configuration, when scavenging the fuel cell, the control means simultaneously operates the compressor and the suction machine, the compressor scavenges one of the fuel gas flow path and the oxidant gas flow path, and the suction machine The other of the fuel gas channel and the oxidant gas channel is scavenged. That is, anode scavenging (scavenging of the fuel gas flow path) and cathode scavenging (scavenging of the oxidant gas flow path) are performed simultaneously. Thereby, the fuel cell can be scavenged in a short time.
また、前記燃料電池システムにおいて、前記吸引機は、前記燃料電池の発電時、酸化剤オフガスを膨張させるエキスパンダであって、前記エキスパンダの下流の前記酸化剤オフガス流路に設けられ、水を回収する水回収手段と、前記水回収手段の回収した水を、前記酸化剤ガス供給流路を通流する酸化剤ガスに噴射する水噴射手段と、を備えることが好ましい。 Further, in the fuel cell system, the suction device is an expander that expands an oxidant off-gas during power generation of the fuel cell, and is provided in the oxidant off-gas flow path downstream of the expander to supply water. It is preferable that the apparatus includes: a water recovery unit that recovers; and a water injection unit that injects the water recovered by the water recovery unit into the oxidant gas flowing through the oxidant gas supply channel.
このような構成によれば、燃料電池の発電時、エキスパンダが酸化剤オフガスを膨張(断熱機械膨張)することにより、酸化剤オフガスは、温度低下し、飽和水蒸気量が小さくなり、飽和水蒸気圧が低下する。これにより、膨張後の酸化剤オフガスにおいて、これに含まれる水蒸気が凝縮し、凝縮水が生成する。次いで、水回収手段が、水(凝縮水)を回収し、水噴射手段が、水回収手段の回収した水を、酸化剤ガス供給流路を通流する酸化剤ガスに噴射する。
したがって、酸化剤ガス流路に向かう酸化剤ガスを加湿する加湿器を小型化、又は、省略できる。よって、燃料電池システムの全体構成も小型化し、レイアウトの自由度も確保され、例えば、燃料電池車にも搭載容易となる。
According to such a configuration, the expander expands the oxidant offgas (adiabatic mechanical expansion) during power generation of the fuel cell, so that the temperature of the oxidant offgas decreases, the amount of saturated water vapor decreases, and the saturated water vapor pressure decreases. Decreases. Thereby, in the oxidant off-gas after expansion, water vapor contained therein is condensed and condensed water is generated. Next, the water recovery means recovers water (condensed water), and the water injection means injects the water recovered by the water recovery means into the oxidant gas flowing through the oxidant gas supply channel.
Therefore, the humidifier which humidifies the oxidant gas toward the oxidant gas flow path can be downsized or omitted. Therefore, the overall configuration of the fuel cell system is also reduced in size, and the degree of freedom in layout is ensured.
また、前記燃料電池システムにおいて、前記外気導入弁は逆止弁であることが好ましい。 In the fuel cell system, the outside air introduction valve is preferably a check valve.
このような構成によれば、外気導入弁を低コストかつ軽量である逆止弁で容易に構成できる。 According to such a configuration, the outside air introduction valve can be easily configured with a low-cost and lightweight check valve.
また、前記燃料電池システムにおいて、前記第1掃気ガス流路は、前記燃料ガス流路と前記圧縮機とを接続し、前記第2掃気ガス流路は、前記酸化剤ガス流路と前記吸引機とを接続し、前記燃料電池の掃気時、前記圧縮機が前記燃料ガス流路を掃気し、前記吸引機が前記酸化剤ガス流路を掃気することが好ましい。 In the fuel cell system, the first scavenging gas flow path connects the fuel gas flow path and the compressor, and the second scavenging gas flow path includes the oxidant gas flow path and the suction machine. It is preferable that when the fuel cell is scavenged, the compressor scavenges the fuel gas passage, and the suction device scavenges the oxidant gas passage.
このような構成によれば、圧縮機によって燃料ガス流路を掃気し、吸引機によって酸化剤ガス流路を掃気できる。 According to such a configuration, the fuel gas channel can be scavenged by the compressor, and the oxidant gas channel can be scavenged by the suction device.
また、前記燃料電池システムにおいて、前記酸化剤ガス流路と前記圧縮機との間における前記酸化剤ガス供給流路に設けられ、前記燃料電池の掃気時、前記圧縮機から前記酸化剤ガス流路への掃気ガスを遮断する遮断弁を備えることが好ましい。 Further, in the fuel cell system, the oxidant gas flow path is provided in the oxidant gas supply flow path between the oxidant gas flow path and the compressor, and from the compressor to the oxidant gas flow path when scavenging the fuel cell. It is preferable to provide a shutoff valve for shutting off the scavenging gas.
このような構成によれば、燃料電池の掃気時、遮断弁によって、圧縮機から酸化剤ガス流路への掃気ガスを遮断できる。すなわち、圧縮機から燃料ガス流路へ向かうべき掃気ガスが、酸化剤ガス流路に供給されることはない。
また、前記外気導入弁が逆止弁である場合、吸引機の作動により前記逆止弁が速やかに開くように、遮断弁は、前記酸化剤ガス供給流路において前記逆止弁の接続位置よりも上流に設けられることが好ましい(図1参照)。
According to such a configuration, during the scavenging of the fuel cell, the scavenging gas from the compressor to the oxidant gas flow path can be shut off by the shutoff valve. That is, scavenging gas that should go from the compressor to the fuel gas flow path is not supplied to the oxidant gas flow path.
In addition, when the outside air introduction valve is a check valve, the shut-off valve is connected to the check valve at a position where the check valve is connected in the oxidant gas supply flow path so that the check valve is quickly opened by the operation of a suction machine. Is also preferably provided upstream (see FIG. 1).
また、前記燃料電池システムにおいて、前記第1掃気ガス流路は、前記酸化剤ガス流路と前記圧縮機とを接続し、前記第2掃気ガス流路は、前記燃料ガス流路と前記吸引機とを接続し、前記燃料電池の掃気時、前記圧縮機が前記酸化剤ガス流路を掃気し、前記吸引機が前記燃料ガス流路を掃気することが好ましい。 In the fuel cell system, the first scavenging gas flow path connects the oxidant gas flow path and the compressor, and the second scavenging gas flow path includes the fuel gas flow path and the suction device. It is preferable that when the fuel cell is scavenged, the compressor scavenges the oxidant gas flow path, and the suction device scavenges the fuel gas flow path.
このような構成によれば、圧縮機によって酸化剤ガス流路を掃気し、吸引機によって燃料ガス流路を掃気できる。 According to such a configuration, the oxidant gas flow path can be scavenged by the compressor, and the fuel gas flow path can be scavenged by the suction machine.
本発明によれば、燃料電池を短時間で掃気可能な燃料電池システムを提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fuel cell system which can scavenge a fuel cell in a short time can be provided.
≪第1実施形態≫
以下、本発明の第1実施形態について、図1〜図3を参照して説明する。
<< First Embodiment >>
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
≪燃料電池システムの構成≫
図1に示す第1実施形態に係る燃料電池システム1は、図示しない燃料電池車(移動体)に搭載されている。燃料電池システム1は、燃料電池スタック10(燃料電池)と、燃料電池スタック10のアノードに対して水素(燃料ガス)を給排するアノード系と、燃料電池スタック10のカソードに対して酸素を含む空気(酸化剤ガス)を給排するカソード系と、燃料電池スタック10を経由するように冷媒を循環(通流)させる冷媒系と、燃料電池スタック10の出力端子(図示しない)に接続され、燃料電池スタック10の発電電力を消費する電力消費系と、これらを電子制御する制御手段であるECU70(Electronic Control Unit、電子制御装置)と、を備えている。
なお、燃料ガス、酸化剤ガスの具体的種類はこれに限定されない。
≪Configuration of fuel cell system≫
A fuel cell system 1 according to the first embodiment shown in FIG. 1 is mounted on a fuel cell vehicle (moving body) (not shown). The fuel cell system 1 includes a fuel cell stack 10 (fuel cell), an anode system that supplies and discharges hydrogen (fuel gas) to and from the anode of the
In addition, the specific kind of fuel gas and oxidant gas is not limited to this.
<燃料電池スタック>
燃料電池スタック10は、複数(例えば200〜400枚)の固体高分子型の単セルが積層して構成されたスタックであり、複数の単セルは直列で接続されている。単セルは、MEA(Membrane Electrode Assembly:膜電極接合体)と、これを挟む2枚の導電性を有するセパレータと、を備えている。MEAは、1価の陽イオン交換膜等からなる電解質膜(固体高分子膜)と、これを挟むアノード及びカソード(電極)とを備えている。
<Fuel cell stack>
The
アノード及びカソードは、カーボンペーパ等の導電性を有する多孔質体と、これに担持され、アノード及びカソードにおける電極反応を生じさせるための触媒(Pt、Ru等)と、を含んでいる。 The anode and the cathode include a porous body having conductivity such as carbon paper, and a catalyst (Pt, Ru, etc.) supported on the anode and causing an electrode reaction in the anode and the cathode.
各セパレータには、各MEAの全面に水素又は空気を供給するための溝や、全単セルに水素又は空気を給排するための貫通孔が形成されており、これら溝及び貫通孔がアノード流路11(燃料ガス流路)、カソード流路12(酸化剤ガス流路)として機能している。 Each separator is formed with a groove for supplying hydrogen or air to the entire surface of each MEA, and through holes for supplying and discharging hydrogen or air to all single cells. It functions as a channel 11 (fuel gas channel) and a cathode channel 12 (oxidant gas channel).
そして、アノード流路11を介して各アノードに水素が供給されると、式(1)の電極反応が起こり、カソード流路12を介して各カソードに空気が供給されると、式(2)の電極反応が起こり、各単セルで電位差(OCV(Open Circuit Voltage)、開回路電圧)が発生するようになっている。次いで、燃料電池スタック10と後記するモータ51等の外部負荷とが電気的に接続され、電流が取り出されると、燃料電池スタック10が発電するようになっている。
When hydrogen is supplied to each anode via the
2H2→4H++4e− …(1)
O2+4H++4e−→2H2O …(2)
2H 2 → 4H + + 4e − (1)
O 2 + 4H + + 4e − → 2H 2 O (2)
このように燃料電池スタック10が発電すると、水分(水蒸気)がカソードで生成され、カソード流路12から排出されるカソードオフガスは多湿となる。
When the
また、各セパレータには、各単セルを冷却するための冷媒が通流させるための溝や貫通孔が形成されており、これら溝及び貫通孔が冷媒流路13として機能している。
Each separator is formed with grooves and through holes for allowing a refrigerant for cooling each single cell to flow therethrough, and these grooves and the through holes function as the
<アノード系>
アノード系は、水素タンク21(燃料ガス供給手段)と、常閉型の遮断弁22と、エゼクタ23、常閉型のパージ弁24と、常閉型の掃気ガス排出弁25と、を備えている。
<Anode system>
The anode system includes a hydrogen tank 21 (fuel gas supply means), a normally closed shut-off
水素タンク21は、配管21a、遮断弁22、配管22a、エゼクタ23、配管23aを介して、アノード流路11の入口に接続されている。そして、遮断弁22がECU70によって開かれると、水素タンク21の水素が、配管21a等を通って、アノード流路11に供給されるようになっている。
なお、エゼクタ23は、水素タンク21からの水素をノズルで噴射することで負圧を発生させ、この負圧によって配管23bのアノードオフガスを吸引するものである。また、配管22aには、水素タンク21からの水素を所定圧力に減圧する減圧弁(レギュレータ、図示しない)が設けられている。
The
The
したがって、アノード流路11に向かう水素が通流する燃料ガス供給流路は、配管21a、配管22a、配管23aを備えて構成されている。
Therefore, the fuel gas supply channel through which hydrogen flows toward the
アノード流路11の出口は、配管23b(燃料オフガス排出流路)を介して、エゼクタ23の吸気口に接続されている。そして、アノード流路11から排出されたアノードオフガス(燃料オフガス)は、配管23bを通って、エゼクタ23に向かい、アノードオフガス(水素)が循環するようになっている。
なお、アノードオフガスは、アノードにおける電極反応で消費されなかった水素、及び、水蒸気を含んでいる。また、配管23bには、アノードオフガスに含まれる水分(凝縮水(液体)、水蒸気(気体))を分離・回収する気液分離器(図示しない)が設けられている。
The outlet of the
The anode off gas contains hydrogen that has not been consumed by the electrode reaction at the anode and water vapor. The
配管23bの途中は、配管24a、パージ弁24、配管24bを介して、後記する希釈器36に接続されている。そして、ECU70によってパージ弁24が開かれると、水分(水蒸気)を含むアノードオフガスが、配管24a、配管24bを通って、希釈器36に排出され、燃料電池スタック10の発電性能が回復するようになっている。
なお、ECU70は、例えば、燃料電池スタック10を構成する単セルの電圧のうちの最低の電圧(最低セル電圧)が、所定単セル電圧以下である場合、パージ弁24を開く必要があると判断するように設定されている。
The middle of the
The
また、配管23bの途中は、配管25a、掃気ガス排出弁25と、配管25bを介して、後記する配管35bに接続されている。掃気ガス排出弁25は、アノード流路11(燃料電池スタック10)の掃気時に、後記する掃気ガス導入弁38と共に、ECU70によって開かれるようになっている。
The middle of the
<カソード系>
カソード系は、コンプレッサ31(圧縮機)と、加湿器32と、常閉型の第1封止弁33(遮断弁)と、常閉型の第2封止弁34と、エキスパンダ35(吸引機、膨張手段)と、希釈器36と、水回収器37(水回収手段)と、常閉型の掃気ガス導入弁38と、逆止弁39と、を備えている。
<Cathode system>
The cathode system includes a compressor 31 (compressor), a
コンプレッサ31の吸気口は、配管31aを介して、車外(外部)と連通している。コンプレッサ31の吐出口は、配管31b、加湿器32、配管33a、第1封止弁33、配管33bを介して、カソード流路12の入口に接続されている。
そして、コンプレッサ31の羽根車が回転すると、コンプレッサ31は、配管31aを介して車外の空気を吸気して圧縮し、この圧縮された空気が配管31b等を通ってカソード流路12に圧送されるようになっている。
したがって、カソード流路12を供給される空気が通流する酸化剤ガス供給流路は、配管31a、配管31b、配管33a、配管33bを備えて構成されている。
The intake port of the
When the impeller of the
Therefore, the oxidant gas supply channel through which the air supplied through the
また、コンプレッサは、燃料電池スタック10の掃気時、掃気ガス供給手段として機能し、吸気した空気を掃気ガスとして吐出するようになっている。なお、第1実施形態では、この掃気ガスは、アノード流路11に向かうように構成されており(図3参照)、後記する第2実施形態では、カソード流路12に向かうように構成されている(図6参照)。
Further, the compressor functions as a scavenging gas supply means when scavenging the
さらに、コンプレッサ31の前記羽根車は、エキスパンダ35の羽根車(回転体)と、伝達軸31cを介して相互に動力が伝達可能に連結されている。これにより、コンプレッサ31とエキスパンダ35とは同時に作動するようになっている。
この他、伝達軸31cに、ECU70によって、ON(連結)/OFF(非連結)制御されるクラッチが設けられた構成でもよい。また、伝達軸31cに減速機構が設けられた構成でもよい。
Furthermore, the impeller of the
Alternatively, the
さらにまた、コンプレッサ31には、コンプレッサ31及びエキスパンダ35の動力源となり、ECU70によって回転速度が制御されるモータ31d(駆動装置)が取り付けられている。すなわち、モータ31dが作動すると、コンプレッサ31及びエキスパンダ35が同時に(並行して)作動するようになっている。そして、モータ31dの回転速度が高くなると、コンプレッサ31の前記羽根車の回転速度が高くなり、コンプレッサ31の空気の吐出圧が高くなるように構成されている。
なお、モータ31dは、燃料電池スタック10及び/又は高圧バッテリ(図示しない)を電源としている。
Furthermore, a
The
また、オリフィス31eが配管31aに設けられている。これにより、コンプレッサ31に吸引される空気の流速がオリフィス31eで高められ、オリフィス31eの下流の配管31aで負圧が発生するようになっている。
An
そして、配管31aは、配管31fを介して、水回収器37と接続されている。これにより、前記負圧によって、水回収器37の水が吸引され、配管31aをコンプレッサ31に向かう空気に噴射され、空気が加湿されるようになっている。そして、このように水(ミスト)を含む空気がコンプレッサ31に吸引されるので、コンプレッサ31を構成する羽根車とそのハウジングとのクリアランスが前記水(ミスト)によってシールされ、コンプレッサ31における空気漏れが低減されている。
The
したがって、水回収器37の回収した水を、配管31a(酸化剤ガス供給流路)を通流する空気に噴射する水噴射手段は、オリフィス31eと、配管31fとを備えて構成されている。
ただし、水噴射手段の具体的構成はこれに限定されず、例えば、配管31fに電動ポンプを設け、この電動ポンプを適宜に作動させることにより、水回収器37の水を配管31aに噴射する構成としてもよい。また、配管31aにインジェクタを取り付け、水の噴射量を高精度で制御する構成としてもよい。
Therefore, the water injection means for injecting the water recovered by the
However, the specific configuration of the water injection unit is not limited to this, and for example, a configuration in which an electric pump is provided in the
加湿器32は、水分透過性を有する複数の中空糸膜32aを備えている。そして、加湿器32は、中空糸膜32aを介して、カソード流路12に向かう空気とカソード流路12から排出された多湿のカソードオフガスとを水分交換させ、カソード流路12に向かう空気を加湿するようになっている。
The
カソード流路12の出口には、配管34a、第2封止弁34、配管34b、加湿器32、配管35a、エキスパンダ35、配管35b、希釈器36、配管36a、水回収器37、配管37aが接続されている。そして、カソード流路12から排出されたカソードオフガス(酸化剤オフガス)は、配管34a等を通って、車外に排出されるようになっている。
したがって、カソード流路12から排出されたカソードオフガスが通流する酸化剤オフガス排出流路は、配管34a、配管34b、配管35a、配管35b、配管36a、配管37aを備えて構成されている。
At the outlet of the
Therefore, the oxidant off-gas discharge flow path through which the cathode off-gas discharged from the
第1封止弁33及び第2封止弁34は、燃料電池システム1の停止中に閉じることにより、カソード流路12と車外(外部)とを遮断し、カソード流路12を封止する弁である。これにより、燃料電池システム1の停止中、車外の空気がカソード流路12に新たに侵入せず、燃料電池スタック10の劣化が防止されている。なお、空気が新たに侵入すると、カソードの電極反応が進み、カソードの劣化が進んでしまう虞がある。
The
また、第1封止弁33は、逆止弁39の接続する配管33bよりも上流に配置され、かつ、燃料電池スタック10の掃気時に閉じる構成となっている。これにより、燃料電池スタック10の掃気時、コンプレッサ31からの掃気ガスを第1封止弁33で遮断しつつ、エキスパンダ35の作動に伴って第1封止弁33の下流の配管33bの圧力が下がり、逆止弁39が速やかに開く構成となっている。
Further, the
エキスパンダ35は、その内部に羽根車(回転体、タービンブレード)を備え、この羽根車は配管35aからカソードオフガスで回転するようになっている。これにより、通流するカソードオフガスの流体エネルギが、エキスパンダ35において回転エネルギに変換・回収されつつ、カソードオフガスが体積膨張(断熱機械膨張)し、その圧力が低下するようになっている。なお、エキスパンダ35で回収された回転エネルギは、伝達軸31cを介して、コンプレッサ31に伝達するようになっている。
The
また、カソードオフガスは、エキスパンダ35における体積膨張に伴って、放熱して温度低下し、その飽和水蒸気量及び露点が下がり、カソードオフガスに含まれる水蒸気が凝縮し、凝縮水が生成するようになっている。
In addition, the cathode off-gas releases heat as the volume of the
ここで、カソード流路12を通流する空気の圧力(目標空気圧力)が大きくなると、エキスパンダ35の回転速度(回生エネルギ)が増加すると共に、エキスパンダ35の前後差圧が大きくなるので、エキスパンダ35の下流における凝縮水(g/min)は増加する傾向となる。そして、このように生成した凝縮水は、希釈器36を通って、水回収器37で、回収・貯溜されるようになっている。なお、エキスパンダ35の下流の圧力は略大気圧である。
Here, when the pressure of the air flowing through the cathode channel 12 (target air pressure) increases, the rotational speed (regenerative energy) of the
さらに、エキスパンダ35は、燃料電池スタック10の掃気時、コンプレッサ31と同時に作動することで、後記するように、逆止弁39を通って導入(吸引)される掃気ガスと共に、カソード流路12に滞留する水分を吸引する吸引機として機能するようになっている。
Further, the
したがって、カソード流路12とエキスパンダ35とを接続し、カソード流路12の掃気時、カソード流路12からエキスパンダ35に向かう掃気ガスが通流する第2掃気ガス流路は、配管34a、配管34b、配管35aを備えて構成されている。
Therefore, the second scavenging gas flow path, which connects the
希釈器36は、配管24bからのアノードオフガスと、配管35bからのカソードオフガス(希釈用ガス)とを混合し、アノードオフガス中の水素を、カソードオフガスで希釈する容器であり、その内部に希釈空間を備えている。また、カソードオフガスが希釈器36に流入すると、カソードオフガスの膨張及び放熱による温度低下がさらに進み、凝縮水の生成が進むようになっている。
The
水回収器37は、カソードオフガスに同伴する水(凝縮水)を回収し、一時的に貯溜するものである。なお、回収された水は、水回収器37の底部を構成するタンク部に一時的に貯溜されるようになっている。
The
配管31bの途中は、配管38a、掃気ガス導入弁38、配管38bを介して、配管23aに接続されている。掃気ガス導入弁38は、アノード流路11(燃料電池スタック10)の掃気時に、前記した掃気ガス排出弁25と共に、ECU70によって開かれるようになっている。
The middle of the
したがって、アノード流路11とコンプレッサ31とを接続し、アノード流路11の掃気時、コンプレッサ31からアノード流路11に向かう掃気ガスが通流する第1掃気ガス流路は、配管31b、配管38a、配管38b、配管23aを備えて構成されている。
Therefore, the first scavenging gas flow path that connects the
配管33bの途中には、配管39b、逆止弁39、上流端が車外に開放した配管39aが接続されている。逆止弁39は、配管39aから配管39bへのみの空気の流れを許容する一方向弁である。そして、カソード流路12の掃気時、第1封止弁33の閉状態、第2封止弁34の開状態で、エキスパンダ35が作動(回転)すると、配管39bで負圧が発生し、つまり、配管39bの圧力が下がり、これにより逆止弁39が開き、車外の空気が掃気ガスとして取り込まれるようになっている(図3参照)。
なお、燃料電池スタック10の発電時は、配管33bを外気よりも高圧の空気が通流するので、逆止弁39が開くことはない。
In the middle of the
Note that when the
すなわち、逆止弁39は、カソード流路12の上流に設けられ、カソード流路12の掃気時に開くことで、外気を掃気ガスとして導入する外気導入弁として機能している。
そして、このような逆止弁39は、簡便な構造で軽量かつ低コストであるので、システム構成に要するコストが低減され、そして、システムの軽量化が図られる。
ただし、外気導入弁の具体的構成は逆止弁39に限定されず、カソード流路12の掃気時に開かれる常閉型の電磁弁でもよい。
That is, the
Since such a
However, the specific configuration of the outside air introduction valve is not limited to the
<冷媒系>
冷媒系は、ポンプ41と、ラジエータ42(放熱器)と、温度センサ43(温度検出手段)と、を備えている。
<Refrigerant system>
The refrigerant system includes a
ポンプ41の吐出口は、配管41a、冷媒流路13、配管42a、ラジエータ42、配管42bを順に介して、ポンプ41の吸込口に接続されている。そして、ECU70の指令に従ってポンプ41が作動すると、冷媒が冷媒流路13とラジエータ42との間で循環し、燃料電池スタック10が適宜に冷却され、過昇温せず、好適な発電温度(80〜100℃)となるように構成されている。
The discharge port of the
温度センサ43は、配管42aに取り付けられており、冷媒流路13から排出された直後の冷媒の温度を、燃料電池スタック10の温度として検出し、ECU70に出力するようになっている。
ただし、燃料電池スタック10の温度を検出する温度センサ43の位置はこれに限定されず、例えば、燃料電池スタック10自体や、配管23a、配管23b、配管33b、配管34aに取り付けられた構成でもよい。また、複数の温度センサを備える構成でもよい。
The
However, the position of the
<電力消費系>
電力消費系は、モータ51(負荷)と、電力制御器52と、を備えている。モータ51は、電力制御器52を介して、燃料電池スタック10の出力端子に接続されている。
<Power consumption system>
The power consumption system includes a motor 51 (load) and a
モータ51は、燃料電池車の動力源となる走行用の電動モータである。
電力制御器52は、ECU70の指令に従って、燃料電池スタック10の発電電力(出力電流、出力電圧)を制御するものであり、DC/DCチョッパ、DC/DCコンバータ等の電子回路を内蔵している。
The
The
<アクセル>
IG61は、燃料電池システム1(燃料電池車)の起動スイッチであり、運転席周りに配置されている。そして、IG61は、そのON/OFF信号をECU70に出力するようになっている。
<Accelerator>
The
<ECU>
ECU70は、燃料電池システム1を電子制御する制御装置であり、CPU、ROM、RAM、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されており、その内部に記憶されたプログラムに従って、各種機能を発揮し、コンプレッサ31等の各種機器を制御するようになっている。具体的な制御処理内容は後で説明する。
<ECU>
The
≪燃料電池システムの動作≫
次に、燃料電池システム1の動作について、図2、図3を参照して説明する。
なお、アノード流路11に水素が、カソード流路12に空気がそれぞれ供給されており、ECU70は、アクセル開度(発電要求量)に基づいて、電力制御器52を制御し、燃料電池スタック10は発電している。そして、IG61がOFFされると、そのOFF信号を検知したECU70は、図2の処理をスタートさせる。
≪Operation of fuel cell system≫
Next, the operation of the fuel cell system 1 will be described with reference to FIGS.
Note that hydrogen is supplied to the
ステップS101において、ECU70は、電力制御器52を制御して、燃料電池スタック10の発電を停止する。また、ECU70は、遮断弁22を閉じて水素の供給を停止し、コンプレッサ31を停止して空気の供給を停止する。さらに、ECU70は、第1封止弁33、第2封止弁34を閉じ、カソード流路12を封止(封鎖)し、車外からカソード流路12に空気が新たに流入しないようにする。
In step S101, the
ステップS102において、ECU70は、燃料電池スタック10を掃気する必要があるか否か判定する。なお、燃料電池スタック10の掃気とは、掃気ガスによって、燃料電池スタック10内の水(水蒸気、凝縮水)を押し出すことである。
In step S102, the
具体的に例えば、温度センサ43を介して検出される燃料電池スタック10の温度が、掃気すべきとされる所定温度(例えば、0〜5℃)以下である場合、その後に燃料電池スタック10内の水が凍結する虞があるので、燃料電池スタック10を掃気する必要がある、と判断される。ただし、具体的な判定方法はこれに限定されない。
Specifically, for example, when the temperature of the
燃料電池スタック10を掃気する必要があると判定した場合(S102・Yes)、ECU70の処理はステップS106に進む。一方、燃料電池スタック10を掃気する必要がないと判定した場合(S102・No)、ECU70の処理はステップS103に進む。
When it is determined that the
ステップS103において、ECU70は、ステップS102でNoと判定してから所定時間(例えば、30分〜1時間)経過したか否か判定する。
所定時間経過したと判定した場合(S103・Yes)、ECU70の処理はステップS102に進む。一方、所定時間経過していないと判定した場合(S103・No)、ECU70の処理はステップS104に進む。
In step S103, the
When it is determined that the predetermined time has elapsed (S103 / Yes), the process of the
ステップS104において、ECU70は、IG61がONされたか否か判定する。
IG61はONされたと判定した場合(S104・Yes)、ECU70の処理はステップS105に進む。一方、IG61はONされていないと判定した場合(S104・No)、ECU70の処理はステップS103に進む。
これにより、IG61のOFF中(S104・No)、所定時間の経過毎に(S103・Yes)、ステップS102の判定処理が繰り返されるので、燃料電池スタック10の凍結は防止される。
In step S104, the
When it is determined that the
Thus, since the determination process in step S102 is repeated every time the predetermined time elapses (S103 / No) while the
ステップS105において、ECU70は、燃料電池システム1を起動する。具体的には、燃料電池スタック10に水素、空気を供給し、燃料電池スタック10の発電を開始する。
In step S105, the
ステップS106において、ECU70は、燃料電池スタック10を掃気するために、第2封止弁34、掃気ガス導入弁38、掃気ガス排出弁25を開く。
In step S106, the
そして、ステップS107において、ECU70は、モータ31dを駆動させ、コンプレッサ31とエキスパンダ35とを同時に作動させ、アノード掃気(アノード流路11の掃気)と、カソード掃気(カソード流路12の掃気)とを同時に実行する。
In step S107, the
具体的には、図3に示すように、コンプレッサ31は、車外の空気を吸引して掃気ガスとして吐出する。そうすると、この掃気ガスが、配管31b、配管38a、配管38b、配管23aを通って、アノード流路11に押し込められ、アノード流路11に滞留する水分(水蒸気、凝縮水)を押し出す。そして、押し出された水分は、掃気ガスと共に、配管23b、配管25a、配管25b、配管35b、配管36a、配管37aを通って、車外に排出される。
Specifically, as shown in FIG. 3, the
また、エキスパンダ35が作動(回転)すると、その上流の圧力が徐々に下がり、配管39bのガスの圧力も徐々に下がる。そして、例えば、「車外の空気(配管39aのガス)が逆止弁39の弁体を開方向に付勢する力>配管39bのガスが前記弁体を閉方向に付勢する力+前記弁体を閉方向に付勢するリターンスプリングの力」となると、逆止弁39が開く。
Further, when the
そうすると、車外の空気が掃気ガスとして配管39bに流入し、この掃気ガスが、配管33bを通って、カソード流路12に流入し、カソード流路12に滞留する水分(水蒸気、凝縮水)を押し出す。そして、押し出された水分は、掃気ガスと共に、配管34a、配管34b、配管35a、配管35b、配管36a、配管37aを通って、車外に排出される。
Then, air outside the vehicle flows into the
ステップS108において、ECU70は、燃料電池スタック10の掃気が完了したか否か判定する。
具体的に例えば、ステップS107での掃気の開始後、掃気が完了したと判断される所定時間経過した場合、燃料電池スタック10の掃気が完了したと判定される。掃気完了の基準となる前記所定時間は、事前試験やシミュレーションによって求められ、ECU70に予め記憶されている。ただし、具体的な判定方法はこれに限定されない。
In step S108, the
Specifically, for example, after the start of scavenging in step S107, when a predetermined time has elapsed in which it is determined that scavenging has been completed, it is determined that scavenging of the
燃料電池スタック10の掃気は完了したと判定した場合(S108・Yes)、ECU70の処理はステップS109に進む。一方、燃料電池スタック10の掃気は完了していないと判定した場合(S108・No)、ECU70はステップS108の判定を繰り返す。
When it is determined that scavenging of the
ステップS109において、ECU70は、モータ31dを停止し、コンプレッサ31とエキスパンダ35とを停止する。
In step S109, the
ステップS110において、ECU70は、第2封止弁34、掃気ガス導入弁38、掃気ガス排出弁25を閉じる。
In step S110, the
その後、ECU70の処理はエンドに進み、燃料電池システム1は停止状態となる。
Thereafter, the process of the
≪燃料電池システムの効果≫
このような燃料電池システム1によれば、次の効果を得る。
アノード掃気(アノード流路11の掃気)と、カソード掃気(カソード流路12の掃気)とを同時に実行するので、燃料電池システム1全体として掃気に要する時間を短くできる。これにより、モータ31dの作動時間も短くなり、モータ31dによる消費電力も小さくなる。
≪Effect of fuel cell system≫
According to such a fuel cell system 1, the following effects are obtained.
Since the anode scavenging (scavenging of the anode channel 11) and the cathode scavenging (scavenging of the cathode channel 12) are performed simultaneously, the time required for scavenging can be shortened as a whole of the fuel cell system 1. As a result, the operating time of the
カソード掃気において、逆止弁39が開く低圧の掃気ガスがカソード流路12を通流するので、カソード流路12に滞留する水分を良好に除去できる。なぜなら、掃気ガスの圧力が低くなるにつれて、飽和水蒸気量が大きくなり、掃気ガスが含有可能な水蒸気量が増加するからである。
In the cathode scavenging, since the low-pressure scavenging gas that opens the
≪変形例≫
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されず、例えば、次のように変更できる。
≪Modification≫
As mentioned above, although one Embodiment of this invention was described, this invention is not limited to this, For example, it can change as follows.
前記した実施形態では、コンプレッサ31とエキスパンダ35とが、動力源としてのモータ31dを共有している構成を例示したが、コンプレッサ31とエキスパンダ35とにそれぞれ独立してモータ(駆動装置)が設けられ、独立に作動可能な構成でもよい。そして、このような構成の場合、アノード掃気、カソード掃気が同時に実行されるように、この独立したモータをECU70が制御すればよい。また、コンプレッサ31とエキスパンダ35とが伝達軸31cを介して相互に連結されておらず、独立作動可能な構成でもよい。
In the above-described embodiment, the configuration in which the
前記した実施形態では、燃料電池システム1が燃料電池車に搭載された場合を例示したが、その他の移動体、例えば、自動二輪車、列車、船舶に搭載された構成でもよい。また、家庭用の据え置き型の燃料電池システムや、給湯システムに組み込まれた燃料電池システムに、本発明を適用してもよい。 In the above-described embodiment, the case where the fuel cell system 1 is mounted on a fuel cell vehicle has been illustrated, but a configuration in which the fuel cell system 1 is mounted on another mobile body such as a motorcycle, a train, or a ship may be used. Further, the present invention may be applied to a stationary fuel cell system for home use or a fuel cell system incorporated in a hot water supply system.
≪第2実施形態≫
次に、本発明の第2実施形態について、図4〜図6を参照して説明する。なお、第1実施形態と異なる部分を説明する。
<< Second Embodiment >>
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In addition, a different part from 1st Embodiment is demonstrated.
≪燃料電池システムの構成≫
図4に示すように、第2実施形態に係る燃料電池システム2は、逆止弁71(外気導入弁)と、三方弁72と、を備えている。なお、第1実施形態に係る掃気ガス導入弁38及び逆止弁39(図1参照)を備えていない。
≪Configuration of fuel cell system≫
As shown in FIG. 4, the
逆止弁71の上流側は配管71aを介して車外に開放されており、逆止弁71の下流側は配管71bを介して配管23aに接続されている。逆止弁71は、配管71aから配管71bへのみの空気の流れを許容する一方向弁である。そして、アノード流路11の掃気時、エキスパンダ35が作動(回転)すると、配管71bでの圧力が下がり、これにより逆止弁71が開き、車外の空気が掃気ガスとして取り込まれるようになっている(図6参照)。
なお、燃料電池スタック10の発電時は、配管23aを外気よりも高圧の水素が通流するので、逆止弁71が開くことはない。
The upstream side of the
Note that when the
配管25bの下流端は後記する配管35cに接続されている。
The downstream end of the
加湿器32のカソードオフガスの出口は、配管35a、三方弁72、配管35cを介して、エキスパンダ35に接続されている。三方弁72の1ポートは、配管72aを介して希釈器36に開放されている。
The cathode off-gas outlet of the
三方弁72は、ECU70によって、燃料電池スタック10の発電時、カソードオフガスがエキスパンダ35に向かうように、配管35aと配管35cとが連通するように制御される。一方、カソード流路12(燃料電池スタック10)の掃気時、掃気ガスが希釈器36に向かうように、配管35aと配管72aとが連通するように制御される。
この他、三方弁72に代えて、配管35cと配管72aとに開閉弁をそれぞれ設け、これらを適宜に制御する構成としてもよい。
The three-
In addition, it is good also as a structure which replaces with the three-
≪燃料電池システムの動作≫
次に、燃料電池システム2による動作について、図5、図6を参照して説明する。
≪Operation of fuel cell system≫
Next, the operation of the
第2実施形態では、ステップS102の判定結果がYesの場合、ステップS206に進む。
ステップS206において、ECU70は、第1封止弁33、第2封止弁34、掃気ガス排出弁25を開く。また、ECU70は、三方弁72を制御して、配管35aと配管72aとを連通させる。
In the second embodiment, when the determination result of step S102 is Yes, the process proceeds to step S206.
In step S206, the
ステップS107において、ECU70は、モータ31dを駆動させ、コンプレッサ31とエキスパンダ35とを同時に作動させ、アノード掃気(アノード流路11の掃気)と、カソード掃気(カソード流路12の掃気)とを同時に実行する。
In step S107, the
そうすると、第2実施形態では、図6に示すように、コンプレッサ31からの掃気ガスが、配管31b、配管33a、配管33b、カソード流路12、配管34a、配管34b、配管35a、配管72aを通って希釈器36に送られ、その後、配管36a、配管37aを通って車外に排出される。このようにして、コンプレッサ31からの掃気ガスによって、カソード流路12が掃気される。
したがって、カソード流路12とコンプレッサ31とを接続し、カソード流路12の掃気時、コンプレッサ31からカソード流路12に向かう掃気ガスが通流する第1掃気ガス流路は、配管31b、配管33a、配管33bを備えて構成されている。
Then, in the second embodiment, as shown in FIG. 6, the scavenging gas from the
Therefore, the first scavenging gas passage through which the
また、エキスパンダ35が作動(回転)すると、その上流の圧力が徐々に下がり、配管71bのガスの圧力も徐々に下がる。そして、例えば、「車外の空気(配管71aのガス)が逆止弁71の弁体を開方向に付勢する力>配管71bのガスが前記弁体を閉方向に付勢する力+前記弁体を閉方向に付勢するリターンスプリングの力」となると、逆止弁71が開く。
When the
そうすると、車外の空気が掃気ガスとして配管71bに流入し、この掃気ガスが、配管23a、アノード流路11、配管23b、配管25a、配管25b、配管35c、配管35bを通り、希釈器36でカソード流路12からの掃気ガス(コンプレッサ31からの掃気ガス)で良好に希釈された後、配管36a、配管37aを通って車外に排出される。このようにして、逆止弁71からの掃気ガス(車外の空気)によって、アノード流路11が掃気される。
したがって、アノード流路11とエキスパンダ35とを接続し、アノード流路11の掃気時、アノード流路11からエキスパンダ35に向かう掃気ガスが通流する第2掃気ガス流路は、配管23b、配管25a、配管25b、配管35cを備えて構成されている。
Then, the air outside the vehicle flows into the
Therefore, the second scavenging gas flow path that connects the
第2実施形態では、ECU70の処理は、ステップS109後、ステップS210に進む。
ステップS210において、ECU70は、第1封止弁33、第2封止弁34、掃気ガス排出弁25を閉じる。また、ECU70は、三方弁72を制御して、配管35aと配管35cとを連通させる。
In the second embodiment, the process of the
In step S210, the
≪燃料電池システムの効果≫
このような燃料電池システム2によれば、アノード掃気とカソード掃気とを同時に実行するので、燃料電池システム2全体として掃気に要する時間を短くし、モータ31dによる消費電力も小さくできる。
≪Effect of fuel cell system≫
According to such a
1、2 燃料電池システム
10 燃料電池スタック(燃料電池)
11 アノード流路(燃料ガス流路)
12 カソード流路(酸化剤ガス流路)
21a、22a、23a 配管(燃料ガス供給流路)
23b 配管(燃料オフガス排出流路)
31 コンプレッサ(圧縮機)
31a、31b、33a、33b 配管(酸化剤ガス供給流路)
33 第1封止弁(遮断弁)
34a、34b、35a、35b、36a、37a 配管(酸化剤オフガス排出流路)
34a、34b、35a 配管(第2掃気ガス流路)
35 エキスパンダ(吸引機)
38a、38b 配管(第1掃気ガス流路)
39 逆止弁(外気導入弁)
70 ECU(制御手段)
1, 2
11 Anode channel (fuel gas channel)
12 Cathode channel (oxidant gas channel)
21a, 22a, 23a Piping (fuel gas supply flow path)
23b Piping (Fuel off-gas discharge flow path)
31 Compressor
31a, 31b, 33a, 33b Piping (oxidant gas supply flow path)
33 First sealing valve (shutoff valve)
34a, 34b, 35a, 35b, 36a, 37a Piping (oxidant off-gas discharge flow path)
34a, 34b, 35a Piping (second scavenging gas flow path)
35 Expander (suction machine)
38a, 38b piping (first scavenging gas flow path)
39 Check valve (outside air introduction valve)
70 ECU (control means)
Claims (6)
前記燃料ガス流路に向かう燃料ガスが通流する燃料ガス供給流路と、
前記燃料ガス流路から排出された燃料オフガスが通流する燃料オフガス排出流路と、
前記酸化剤ガス流路に向かう酸化剤ガスが通流する酸化剤ガス供給流路と、
前記酸化剤ガス流路から排出された酸化剤オフガスが通流する酸化剤オフガス排出流路と、
前記酸化剤ガス供給流路に設けられ、前記酸化剤ガス流路に向けて酸化剤ガスを供給する圧縮機と、
前記酸化剤オフガス排出流路に設けられ、前記圧縮機と同時に作動可能であって、作動することでその上流のガスを吸引する吸引機と、
前記燃料ガス流路及び前記酸化剤ガス流路の一方と前記圧縮機とを接続し、前記一方の掃気時、前記圧縮機から前記一方に向かう掃気ガスが通流する第1掃気ガス流路と、
前記燃料ガス流路及び前記酸化剤ガス流路の他方と前記吸引機とを接続し、前記他方の掃気時、前記他方から前記吸引機に向かう掃気ガスが通流する第2掃気ガス流路と、
前記燃料ガス流路及び前記酸化剤ガス流路の他方の上流に設けられ、前記他方の掃気時に開くことで、外気を掃気ガスとして導入する外気導入弁と、
前記圧縮機及び前記吸引機を制御する制御手段と、
を備え、
前記燃料電池の掃気時、
前記制御手段は、前記圧縮機及び前記吸引機を同時に作動させ、
前記圧縮機が、前記燃料ガス流路及び前記酸化剤ガス流路の一方を掃気し、
前記吸引機が、前記燃料ガス流路及び前記酸化剤ガス流路の他方を掃気する
ことを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell having a fuel gas channel and an oxidant gas channel, wherein fuel gas is generated by supplying fuel gas to the fuel gas channel and oxidant gas to the oxidant gas channel;
A fuel gas supply channel through which fuel gas flows toward the fuel gas channel;
A fuel off-gas discharge channel through which the fuel off-gas discharged from the fuel gas channel flows;
An oxidant gas supply channel through which an oxidant gas directed to the oxidant gas channel flows;
An oxidant off-gas discharge channel through which the oxidant off-gas discharged from the oxidant gas channel flows;
A compressor that is provided in the oxidant gas supply flow path and that supplies the oxidant gas toward the oxidant gas flow path;
A suction device provided in the oxidant off-gas discharge flow path, operable simultaneously with the compressor, and suctioning a gas upstream thereof by operating;
A first scavenging gas flow path for connecting one of the fuel gas flow path and the oxidant gas flow path to the compressor, and passing a scavenging gas from the compressor toward the one during the one scavenging; ,
A second scavenging gas flow path for connecting the other of the fuel gas flow path and the oxidant gas flow path to the suction device, and for passing a scavenging gas from the other to the suction device during the other scavenging; ,
An outside air introduction valve that is provided upstream of the other of the fuel gas flow path and the oxidant gas flow path and that opens when the other scavenging gas is introduced, thereby introducing outside air as a scavenging gas;
Control means for controlling the compressor and the suction machine;
With
When scavenging the fuel cell,
The control means simultaneously operates the compressor and the suction machine,
The compressor scavenges one of the fuel gas flow path and the oxidant gas flow path;
The fuel cell system, wherein the suction device scavenges the other of the fuel gas channel and the oxidant gas channel.
前記エキスパンダの下流の前記酸化剤オフガス流路に設けられ、水を回収する水回収手段と、
前記水回収手段の回収した水を、前記酸化剤ガス供給流路を通流する酸化剤ガスに噴射する水噴射手段と、
を備える
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 The suction machine is an expander that expands an oxidant off-gas during power generation of the fuel cell,
A water recovery means provided in the oxidant off-gas flow path downstream of the expander for recovering water;
Water injection means for injecting the water recovered by the water recovery means into an oxidant gas flowing through the oxidant gas supply channel;
The fuel cell system according to claim 1, comprising:
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein the outside air introduction valve is a check valve.
前記第2掃気ガス流路は、前記酸化剤ガス流路と前記吸引機とを接続し、
前記燃料電池の掃気時、
前記圧縮機が前記燃料ガス流路を掃気し、前記吸引機が前記酸化剤ガス流路を掃気する
ことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 The first scavenging gas flow path connects the fuel gas flow path and the compressor;
The second scavenging gas flow path connects the oxidant gas flow path and the suction machine,
When scavenging the fuel cell,
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein the compressor scavenges the fuel gas flow path, and the suction device scavenges the oxidant gas flow path.
ことを特徴とする請求項4に記載の燃料電池システム。 Provided in the oxidant gas supply flow path between the oxidant gas flow path and the compressor, and shuts off the scavenging gas from the compressor to the oxidant gas flow path when scavenging the fuel cell The fuel cell system according to claim 4, further comprising a valve.
前記第2掃気ガス流路は、前記燃料ガス流路と前記吸引機とを接続し、
前記燃料電池の掃気時、
前記圧縮機が前記酸化剤ガス流路を掃気し、前記吸引機が前記燃料ガス流路を掃気する
ことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 The first scavenging gas flow path connects the oxidant gas flow path and the compressor,
The second scavenging gas flow path connects the fuel gas flow path and the suction machine,
When scavenging the fuel cell,
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein the compressor scavenges the oxidant gas flow path, and the suction device scavenges the fuel gas flow path.
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2011
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