JP4106961B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池システムに係り、特に、起動時間を短縮することができる燃料電池システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
例えば、燃料電池システムの起動方法として、特許第2735396号に記載されたものがある。
この従来例では、起動時は、燃料と空気を供給し、燃料電池の出力電圧を監視し、この出力電圧値が電圧許容下限値を超えた時点で、電力負荷を取り出すようにしている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、燃料電池の出力電圧が上昇した状態であっても、電力負荷を取り出すと問題が起こる場合がある。
例えば、燃料電池システムを長時間運転せずに放置した場合を考える。放置状態では、燃料電池の燃料極及び燃料配管内の燃料ガスは、システム外に徐々に拡散したり、徐々に燃料電池内で空気中の酸素と反応して失われるため、燃料極及び燃料配管内は空気、または窒素が充満した状態となる。
【0004】
ここで、燃料電池システムを起動するために、燃料極、空気極にそれぞれ燃料ガス、空気を供給すると、燃料極または燃料通路内の空気が燃料ガスに十分置き換わっていなくても、すぐに燃料電池の出力電圧は立ち上がる。しかし、ここですぐに負荷を取り出すと、燃料通路または燃料極内の燃料ガス濃度が不充分なため、急激な電圧降下が発生し、負荷を安定して取り出せないという問題点があった。
【0005】
本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、長時間放置後であっても確実にかつ短時間で起動できる燃料電池システムを提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するため、電解質膜を挟んで燃料極と酸化剤極が対設された燃料電池本体と、燃料電池本体に燃料ガス供給通路を介して燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、燃料電池本体から排出された排燃料ガスを前記燃料ガス供給通路へ循環させる燃料循環配管と、前記燃料循環配管と外気との間を開閉することにより燃料電池運転中に燃料電池本体から排出された排燃料ガスを一時的に外気に排出するパージ弁と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記パージ弁の排出動作時の開口面積より大きい排出動作時の開口面積を有し、前記燃料循環配管と外気との間を開閉することにより燃料電池の起動時に燃料電池本体から排出された排燃料ガスを外気へ排出する燃料ガス排出弁を備え、燃料電池システムの起動時に、前記燃料ガス供給手段から一定の流量で燃料極に燃料ガスを供給しつつ、排燃料ガスを前記燃料ガス排出弁から排出することにより、前記燃料ガス供給通路および燃料極内部を燃料ガスで置換する燃料ガス置換を行うことを要旨とする。
【0007】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料電池システムの起動時に、燃料ガス通路および燃料電池の燃料極が確実に燃料ガスで置換され、長時間放置の後であっても確実に短時間で起動できるという効果がある。
【0008】
【発明の実施の形態】
次に図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
〔第1実施形態〕
図1は、本発明に係る燃料電池システムの第1実施形態の構成を説明する構成図である。同図において、燃料電池本体である燃料電池スタック1は、固体高分子電解質膜を挟んで酸化剤極と燃料極を対設した燃料電池構造体をセパレータで挟持し、複数これを積層したものである。燃料極に供給する燃料ガスとしては水素、酸化剤極に供給する酸化剤としては空気を用いる。
【0009】
水素タンク2(燃料ガス供給手段)の水素ガスは、可変絞り弁3を介して燃料電池スタック1に供給される。可変絞り弁3は、通常運転時は、燃料電池スタック1への水素供給圧が適正になるように、コントローラ15で制御される。
【0010】
なお、本実施形態では、水素タンク2と可変絞り弁3との間に、圧力レギュレータ12を設け、水素タンク2の残圧に関わらず、可変絞り弁3に一定圧力の水素ガスを供給するように制御している。
【0011】
可変絞り弁3と燃料電池スタック1の間の水素配管4(燃料ガス供給通路)には、イジェクタ5が設けられる。燃料電池スタック1から排出される排燃料ガスである余剰水素は、燃料循環配管である水素戻り配管6を介してイジェクタ5の吸入口に戻され、通常運転時は、イジェクタ5で水素を循環させることにより、燃料電池スタック1の反応効率を上げている。
【0012】
開閉弁を用いたパージ弁7は、通常運転時に、例えば燃料電池スタック内の水素通路が水で閉塞された場合等に、一時的に水素ラインをパージするためのパージ手段である。
【0013】
開閉弁を用いた水素置換バルブ8は、起動時に水素ラインを水素で置換するための燃料ガス排出手段であり、パージ弁7より大きな開口面積に設定している。コンプレッサ9は、空気を圧縮して燃料電池スタック1の酸化剤極の入口に供給し、酸化剤極の出口に設けられた空気圧調整弁11により酸化剤極の空気圧が調整される。燃料電池スタック1への空気の供給及び空気圧の制御は、コントローラ15がコンプレッサ9及び空気圧調整弁11を制御することにより行われる。
【0014】
次に、上記構成による燃料電池システムの起動手順の概要を、図2のフローチャートに基づいて説明する。
まず、ステップ(以下、ステップをSと略す)11で起動操作を開始すると、燃料極及び燃料配管内ガスの置換開始の指示が出る。次いで、S12で水素置換バルブ8を開き、続いてS13で略一定流量(例えば100L/分 程度)でシステムに水素を供給して、水素配管4,燃料極内部及び水素戻り配管6からなる水素ライン内を新規に供給した水素で置き換える水素置換(燃料ガス置換)を行う。
【0015】
本実施形態では、一定流量で水素を供給するために、水素置換時の可変絞り弁3の開度を一定にするようにした。可変絞り弁3の上流/下流の圧力比が1.9以上であれば、可変絞り弁3はチョーク状態となる。従って、圧力レギュレータ12の設定圧を十分高くすれば、可変絞り弁3の下流圧に影響されず、開度が一定なら流量が一定となるのである。
【0016】
S14で、所定時間(例えば10秒程度)が経過したことをもって水素ラインが十分置換されたことを判定し、水素置換を終了、すなわち可変絞り弁3を閉じて、水素の供給を止める。前記所定時間は、予め上記の置換流量で十分な置換ができる必要最小限の時間を実験的に求め、この必要最小限の時間にある程度の余裕度を加えて、その時間だけ置換するようにするのである。
【0017】
S15で水素置換バルブ8を閉じ、S16では、通常運転操作に基づき空気、水素を供給し、電力負荷取り出しを開始する。
【0018】
なお、本実施形態では、パージ弁7とは別に、パージ弁7より開口面積の大きい水素置換バルブ8を設けた。従来のパージ弁7とは別個に水素置換バルブ8を設けた理由は、パージ弁7は燃料消費率を悪化させないために、必要最小限の開口面積としたいが、そうすると、起動時の水素置換で、大きな流量を流そうとした時に圧損が大きくなってしまうためである。
【0019】
もちろん、一つの開閉弁をパージ弁7兼水素置換バルブとして用いても構わない。この場合、バルブ開口面積を大きくすると、通常運転中にパージする時のパージ流量が不必要に多くなり、燃料消費が増える。
【0020】
これとは逆に、バルブ開口面積を小さくすると、起動時に水素置換流量を大きくしようとすると、バルブの圧損により燃料電池スタックにかかる圧力が高くなってしまい、燃料電池スタックにダメージを与えてしまうおそれがあり、水素置換流量を小さくせざるをえなくなり、必要な置換時間が長くなり、起動時間が延びてしまう。
【0021】
ただし、バルブ一つとすることにより、低コスト化が可能であり、燃料消費率、起動時間、コストのバランスで、バルブを一つにするか二つにするか選択すべきである。
【0022】
なお、以上イジェクタで水素を循環させるシステムについて説明してきたが、外部動力による水素循環ポンプを用いて水素を循環させるシステム、水素を循環させないシステムにおいても本発明を適用可能であることは言うまでもない。
【0023】
以上説明したように本実施形態によれば、起動時に燃料ガス供給通路及び燃料極内部を確実に必要十分な水素置換を行うため、長期間放置後であっても、確実な起動が短時間で可能となるという効果がある。
【0024】
特に、燃料ガスの供給流量を略一定とすることで、所定時間が経過したことをもって十分置換されたと判定できるので、簡単な制御により上記効果を得ることが出来る。
【0025】
また、可変絞り弁の開度を一定とすることで燃料ガスの供給流量が略一定となるので制御構成がより簡単なものになる。
【0026】
〔第2実施形態〕
図3は、本発明に係る燃料電池システムの第2実施形態の構成を説明する構成図である。本実施形態と第1実施形態との相違は、可変絞り弁3とイジェクタ5との間に、イジェクタ入口圧を検知する圧力センサ13を設けたことと、燃料電池スタック1に供給する水素圧を検知するための圧力センサ14を設けたことである。その他の構成は、図1と同様であるので、同一の構成要素には同一符号を付与して重複する説明を省略する。
【0027】
本実施形態では、起動時の水素置換において、圧力センサ13が検出するイジェクタ入口圧が一定(例えば0.5バール程度)となるように、可変絞り弁3の開度をコントローラ15が調整するようにした。
【0028】
イジェクタ5は、その入口側のノズルにより流路が絞られるため、水素を流すと圧損が発生する。従って、水素置換時のイジェクタ入口圧を高く、置換時にイジェクタ5がチョークする値に設定すれば、イジェクタ5の上流圧を一定にすることにより、水素置換時の供給水素流量を一定に出来るのである。
【0029】
次に、本実施形態における水素置換手順を図4のフローチャートで説明する。まず、S21で置換開始の指示が出ると、S22で水素置換バルブ8を開け、S23で圧力センサ13が検出するイジェクタ5の入口圧が所定の値となるように可変絞り弁3の開度を調整しながら水素を供給する。水素供給、すなわち実際の置換時間が所定時間となったら、S24で可変絞り弁3を閉じて水素供給を終了し、S25で水素置換バルブ8を閉じて、一連の置換作用を終了する。
【0030】
なお、イジェクタ5のノズルの大きさ、水素置換流量等によっては、水素置換時にイジェクタ5をチョーク状態とできない場合がある。
【0031】
イジェクタの大きさは、燃料電池スタックの特性により決まる、通常運転時にイジェクタで循環させたい水素量によって決められるべきである。
【0032】
また、水素置換流量は、多すぎると排出される水素量が多くなり、排出水素を燃焼させる図示しない燃焼器が大型化したり、燃費が悪化するため、極端に多くすることはできない。
【0033】
例えば、ノズル面積の大きなイジェクタを用い、水素置換流量を少ない設定にした場合は、置換時にイジェクタをチョーク状態で維持できなくなるのである。
【0034】
このような場合は、図5に示すように、燃料電池スタック1の入口圧に応じて、水素要求流量が所定の一定値となるイジェクタ入口圧を予めコントローラ15に記憶させておき、その圧力となるように可変絞り弁3を調整すれば、全く同様の効果を得ることができるのである。
【0035】
以上説明してきたように、本実施形態によれば、第1実施形態と同様に、起動時に確実に必要十分な水素置換を行うため、長期間放置後であっても、確実な起動が可能となったのである。
【0036】
特に、既存のイジェクタを用い、イジェクタがチョークする特性を利用して、イジェクタ上流の燃料ガス圧力が所定値となるように、可変絞り弁開度を調整することにより、簡単かつ確実に燃料ガスの供給流量を略一定とすることができる。
【0037】
また、イジェクタ上流の燃料ガス圧力をイジェクタ下流の燃料ガス圧力に応じて決めるので、イジェクタ下流の燃料ガス圧力が変動しても簡単かつ確実に燃料ガスの供給流量を略一定とすることができる。
【0038】
〔第3実施形態〕
本実施形態の構成は、図3に示した第2実施形態と同様である。
図6には、水素置換時の燃料電池スタック入口圧の推移を示す。図6の実線は、起動前に燃料電池システムの水素ラインが、完全に空気で満たされており、置換に最も時間を要する場合である。
【0039】
水素供給を始めると、いったん燃料電池スタック入口圧が上昇し、置換が進むにつれて圧力は低下し、水素ラインが完全に水素で満たされると、圧力は一定(P0)(例えば3kPa)となる。
【0040】
これは、空気は水素に対して分子量が大きく、一定流量で置換した場合、水素置換バルブを通過する時の圧力が水素に対して大きいためである。すなわち、置換流量一定の場合、イジェクタ下流圧で、水素ラインにどの程度空気が残存しているかが判定できるのである。
【0041】
本実施形態では、イジェクタ下流圧として燃料電池スタック入口圧を用いたのである。
【0042】
また、同図の破線は、起動前に燃料電池システムの水素ラインに、水素が残存していた場合の一例である。水素ラインが空気で満たされている実線の場合は、置換をt1時間行う必要があるのに対し、水素が残存している破線の場合は、t2(t2<t1)でよいことがわかる。
【0043】
本実施形態では、この特性を利用し、水素置換時に燃料電池スタックの入口圧が所定値(P0)を下回った時点で置換を終了するようにした。
すなわち、イジェクタ入口圧を検知する圧力センサ13が燃料ガス濃度を検出する手段の役割もかねて燃料電池スタックの入口圧が所定値(P0)を下回ったことを燃料極内、燃料ガス通路の水素濃度が所定値以上(発電に必要な最低限の濃度以上)となったとみなしている。
【0044】
次に、本実施形態における起動時の水素置換を図7のフローチャートに基づいて説明する。
【0045】
まずS31で置換開始の指示が出ると、S32で水素置換バルブ8を開け、S33で圧力センサ13が検出するイジェクタ入口圧が所定値となるように可変絞り弁3の開度を調整しながら水素を供給する。S34で圧力センサ14が検出する燃料電池スタック1の入口圧が所定値以下か判定し、所定値以上の場合はそのまま水素供給を続けるように、所定値以下の場合はS35で可変絞り弁3を閉じて水素供給を終了し、S36で水素置換バルブ8を閉じて、一連の置換作業を終了する。
【0046】
こうすることにより、燃料電池システムの水素ライン内の水素残存量(濃度)に応じて、必要最小限の置換時間とすることが可能となり、置換により失われる水素量を最小に抑え、起動時間を短縮しつつ、確実な起動が可能となったのである。
【0047】
また、燃料ガス排出手段である水素置換バルブ8上流のガス圧力値で水素ライン内の水素残存量(濃度)を判別することができるようになり、水素濃度専用のセンサを用いる必要も無い。
【0048】
また、燃料ガスの供給流量を略一定としておくことで、燃料極内、または燃料ガス通路内の燃料ガスの増加に伴い燃料ガス排出手段上流の圧力が所定値以下となったことが判定しやすくなる。本発明を適用しない場合、燃料ガスの供給流量が略一定でなくなり、燃料ガス排出手段上流の圧力が所定値以下となっても燃料極内、または燃料ガス通路内の燃料ガスの増加に伴うものか、燃料ガス供給流量の変動に伴うものか判別が困難となり、制御が不確実となる。
【0049】
なお、本実施形態では、燃料電池スタック入口圧を検出する圧力センサ14を用いたが、圧力センサの位置は、イジェクタより下流であれば、例えば燃料電池スタック下流でもよいことは言うまでもない。
【0050】
本来は、水素置換バルブ入口圧を使うのが理想的であるが、燃料電池スタックの圧損が十分小さければ、上記のように燃料電池スタック入口圧で代用できるのである。
【0051】
なお、イジェクタ入口圧を一定にすることにより置換流量を一定とするようにしたが、可変絞り弁開度を一定にして、置換流量を一定となるようにしてもよい。
【0052】
〔第4実施形態〕
本実施形態の構成は、図3に示した第2実施形態と同様である。
上記の第3実施形態では、水素ライン内が空気で満たされている場合に、置換時の燃料電池スタック入口圧力が例えば最大40kPaまで上がる水素置換流量、水素置換バルブの設定にした場合に、十分置換された後の状態では、圧力が約3kPaとなる。このような最大圧力40kPaに耐えて、かつ低圧力を精度よく検知するためには高価な圧力センサが必要となる。
【0053】
圧力センサの精度が低い場合は、十分に置換されていないのに置換終了判定してしまったり、センサ指示値上は圧力がP0まで落ちずに、置換が終了しなくなる不具合が予測される。
【0054】
そこで、本実施形態では、判定圧力を図6のP0よりもやや高いP1(例えば6kPa)とし、そのかわりに、燃料電池スタック入口圧がP1以下となった後も、所定時間(例えば3秒程度)水素供給を続けるようにした。
【0055】
図8は、本実施形態の水素置換動作を説明するフローチャートである。図7の第3実施形態との相違は、S45で、スタック入口圧力が所定値(P1)以下となった後に、さらに所定時間水素を供給し続け、置換を続けることである。
【0056】
こうすることにより、安価で精度の低い圧力センサを用いつつ、確実に必要十分な置換を行ない、安定して起動することが可能となったのである。
【0057】
なお、イジェクタ入口圧を一定にすることにより置換流量を一定とするようにしたが、可変絞り弁開度を一定にして、置換流量を一定となるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る燃料電池システムの第1実施形態の構成を説明する構成図である。
【図2】第1実施形態の動作を説明するフローチャートである。
【図3】本発明に係る燃料電池システムの第2実施形態の構成を説明する構成図である。
【図4】第2実施形態の動作を説明するフローチャートである。
【図5】燃料電池スタック入口圧力に対する水素流量が所定値となるイジェクタ入口圧力を示す図である。
【図6】第3実施形態における水素置換時の燃料電池スタック入口圧力の時間変化を示す図である。
【図7】第3実施形態の動作を説明するフローチャートである。
【図8】第4実施形態の動作を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
1…燃料電池スタック
2…水素タンク
3…可変絞り弁
4…水素配管
5…イジェクタ
6…水素戻り配管
7…パージ弁
8…水素置換バルブ
9…コンプレッサ
10…空気配管
11…空気圧調整弁
12…圧力レギュレータ
13…圧力センサ
14…圧力センサ
15…コントローラ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system capable of shortening a startup time.
[0002]
[Prior art]
For example, there is a method described in Japanese Patent No. 2735396 as a method for starting a fuel cell system.
In this conventional example, at the time of start-up, fuel and air are supplied, the output voltage of the fuel cell is monitored, and the power load is taken out when the output voltage value exceeds the allowable voltage lower limit value.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, even when the output voltage of the fuel cell is increased, there may be a problem if the power load is taken out.
For example, consider a case where the fuel cell system is left without operating for a long time. When left unattended, the fuel gas in the fuel electrode and fuel pipe of the fuel cell gradually diffuses out of the system or gradually reacts with oxygen in the air inside the fuel cell and is lost. The inside is filled with air or nitrogen.
[0004]
Here, when fuel gas and air are supplied to the fuel electrode and the air electrode, respectively, to start the fuel cell system, the fuel cell is immediately replaced even if the air in the fuel electrode or fuel passage is not sufficiently replaced by the fuel gas. The output voltage rises. However, if the load is taken out immediately here, the concentration of the fuel gas in the fuel passage or the fuel electrode is insufficient, so that a sudden voltage drop occurs and the load cannot be taken out stably.
[0005]
The present invention has been made to solve the above-described problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system that can be reliably and quickly started even after being left for a long time. That is.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides a fuel cell main body in which a fuel electrode and an oxidant electrode are provided with an electrolyte membrane interposed therebetween, and a fuel gas for supplying fuel gas to the fuel cell main body via a fuel gas supply passage A fuel cell body during operation of the fuel cell by opening and closing a supply means, a fuel circulation pipe for circulating the exhaust fuel gas discharged from the fuel cell body to the fuel gas supply passage, and the fuel circulation pipe and outside air in the fuel cell system and a purge valve for discharging temporarily outside air the exhaust fuel gas discharged from, has an opening area at the opening area larger than the discharge operation when the discharge operation of the purge valve , provided with a fuel gas exhaust valve for discharging exhaust fuel gas discharged from the fuel cell main body at startup of the fuel cell to the outside air by opening and closing between the fuel circulation pipe and the outside air, when starting the fuel cell system, While supplying fuel gas to the fuel electrode in serial fuel gas supply means or al a constant flow rate, by discharging the exhaust fuel gas from the fuel gas exhaust valve, with the fuel gas supply passage and the fuel electrode inside the fuel gas The gist is to perform replacement of the replacement fuel gas.
[0007]
【The invention's effect】
According to the present invention, when the fuel cell system is started, the fuel gas passage and the fuel electrode of the fuel cell are surely replaced with the fuel gas, so that the fuel cell system can be started in a short time even after being left for a long time. is there.
[0008]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[First Embodiment]
FIG. 1 is a configuration diagram illustrating the configuration of a first embodiment of a fuel cell system according to the present invention. In the figure, a
[0009]
Hydrogen gas in the hydrogen tank 2 (fuel gas supply means) is supplied to the
[0010]
In this embodiment, a
[0011]
An
[0012]
The purge valve 7 using an on-off valve is a purge means for temporarily purging the hydrogen line during normal operation, for example, when the hydrogen passage in the fuel cell stack is blocked with water.
[0013]
The
[0014]
Next, an outline of the startup procedure of the fuel cell system having the above configuration will be described based on the flowchart of FIG.
First, when starting operation is started in step (hereinafter abbreviated as S) 11, an instruction to start replacement of the fuel electrode and the gas in the fuel pipe is given. Next, in S12, the
[0015]
In the present embodiment, in order to supply hydrogen at a constant flow rate, the opening of the
[0016]
In S14, it is determined that the hydrogen line has been sufficiently replaced when a predetermined time (for example, about 10 seconds) has elapsed, and the hydrogen replacement is completed, that is, the
[0017]
In S15, the
[0018]
In the present embodiment, a
[0019]
Of course, one on-off valve may be used as the purge valve 7 and hydrogen replacement valve. In this case, if the valve opening area is increased, the purge flow rate when purging during normal operation is unnecessarily increased, and fuel consumption increases.
[0020]
On the other hand, if the valve opening area is reduced and the hydrogen replacement flow rate is increased during startup, the pressure applied to the fuel cell stack may increase due to valve pressure loss, which may damage the fuel cell stack. Therefore, the hydrogen replacement flow rate has to be reduced, the required replacement time is lengthened, and the startup time is extended.
[0021]
However, the cost can be reduced by using one valve, and one or two valves should be selected according to the balance of fuel consumption rate, start-up time, and cost.
[0022]
Although the system for circulating hydrogen with the ejector has been described above, it goes without saying that the present invention can be applied to a system for circulating hydrogen using a hydrogen circulation pump by external power and a system for not circulating hydrogen.
[0023]
As described above, according to the present embodiment, necessary and sufficient hydrogen replacement is reliably performed in the fuel gas supply passage and the fuel electrode at the time of startup. There is an effect that it becomes possible.
[0024]
In particular, by making the supply flow rate of the fuel gas substantially constant, it can be determined that the fuel gas has been sufficiently replaced when a predetermined time has elapsed, and thus the above-described effect can be obtained by simple control.
[0025]
Further, by making the opening of the variable throttle valve constant, the fuel gas supply flow rate becomes substantially constant, so that the control configuration becomes simpler.
[0026]
[Second Embodiment]
FIG. 3 is a configuration diagram illustrating the configuration of the second embodiment of the fuel cell system according to the present invention. The difference between the present embodiment and the first embodiment is that a
[0027]
In the present embodiment, the
[0028]
Since the flow path of the
[0029]
Next, the hydrogen replacement procedure in this embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG. First, when an instruction to start replacement is issued in S21, the
[0030]
Depending on the size of the nozzle of the
[0031]
The size of the ejector should be determined by the amount of hydrogen that is desired to be circulated by the ejector during normal operation, which is determined by the characteristics of the fuel cell stack.
[0032]
Further, if the hydrogen replacement flow rate is too large, the amount of hydrogen discharged increases, and a combustor (not shown) for burning the discharged hydrogen becomes larger or the fuel consumption deteriorates, so it cannot be increased extremely.
[0033]
For example, when an ejector having a large nozzle area is used and the hydrogen replacement flow rate is set to a small value, the ejector cannot be maintained in a choked state during replacement.
[0034]
In such a case, as shown in FIG. 5, in accordance with the inlet pressure of the
[0035]
As described above, according to the present embodiment, as in the first embodiment, necessary and sufficient hydrogen replacement is surely performed at the time of start-up, and therefore, reliable start-up is possible even after standing for a long time. It became.
[0036]
In particular, by using an existing ejector and adjusting the variable throttle valve opening so that the fuel gas pressure upstream of the ejector becomes a predetermined value by utilizing the choke characteristic of the ejector, the fuel gas can be easily and reliably supplied. The supply flow rate can be made substantially constant.
[0037]
Further, since the fuel gas pressure upstream of the ejector is determined according to the fuel gas pressure downstream of the ejector, the fuel gas supply flow rate can be made substantially constant easily and reliably even if the fuel gas pressure downstream of the ejector fluctuates.
[0038]
[Third Embodiment]
The configuration of this embodiment is the same as that of the second embodiment shown in FIG.
FIG. 6 shows the transition of the fuel cell stack inlet pressure during hydrogen replacement. The solid line in FIG. 6 is the case where the hydrogen line of the fuel cell system is completely filled with air before startup, and the replacement takes the longest time.
[0039]
When the hydrogen supply is started, the fuel cell stack inlet pressure once increases, and the pressure decreases as the replacement proceeds. When the hydrogen line is completely filled with hydrogen, the pressure becomes constant (P0) (for example, 3 kPa).
[0040]
This is because air has a higher molecular weight than hydrogen, and when it is replaced at a constant flow rate, the pressure when passing through the hydrogen replacement valve is higher than that of hydrogen. That is, when the replacement flow rate is constant, it is possible to determine how much air remains in the hydrogen line at the ejector downstream pressure.
[0041]
In this embodiment, the fuel cell stack inlet pressure is used as the ejector downstream pressure.
[0042]
Moreover, the broken line in the figure is an example when hydrogen remains in the hydrogen line of the fuel cell system before startup. In the case of the solid line where the hydrogen line is filled with air, it is necessary to perform the replacement for t1 time, whereas in the case of the broken line where hydrogen remains, t2 (t2 <t1) is sufficient.
[0043]
In this embodiment, this characteristic is utilized, and the replacement is terminated when the inlet pressure of the fuel cell stack falls below a predetermined value (P0) during the hydrogen replacement.
That is, the
[0044]
Next, hydrogen replacement at start-up in the present embodiment will be described based on the flowchart of FIG.
[0045]
First, when an instruction to start replacement is issued in S31, the
[0046]
By doing so, it becomes possible to make the necessary minimum replacement time according to the remaining amount (concentration) of hydrogen in the hydrogen line of the fuel cell system, minimizing the amount of hydrogen lost by replacement, and reducing the startup time. It was possible to start reliably while shortening.
[0047]
In addition, the hydrogen remaining amount (concentration) in the hydrogen line can be determined from the gas pressure value upstream of the
[0048]
Further, by making the fuel gas supply flow rate substantially constant, it is easy to determine that the pressure upstream of the fuel gas discharge means has become a predetermined value or less as the fuel gas in the fuel electrode or the fuel gas passage increases. Become. When the present invention is not applied, even if the supply flow rate of the fuel gas becomes substantially constant and the pressure upstream of the fuel gas discharge means becomes a predetermined value or less, the increase in the fuel gas in the fuel electrode or in the fuel gas passage may occur. Therefore, it is difficult to determine whether the fuel gas supply flow rate fluctuates, and control becomes uncertain.
[0049]
In this embodiment, the
[0050]
Originally, the hydrogen replacement valve inlet pressure is ideally used, but if the pressure loss of the fuel cell stack is sufficiently small, the fuel cell stack inlet pressure can be substituted as described above.
[0051]
Although the replacement flow rate is made constant by making the ejector inlet pressure constant, the replacement flow rate may be made constant by making the variable throttle valve opening constant.
[0052]
[Fourth Embodiment]
The configuration of this embodiment is the same as that of the second embodiment shown in FIG.
In the third embodiment, when the hydrogen line is filled with air, the fuel cell stack inlet pressure at the time of replacement is, for example, sufficient when the hydrogen replacement flow rate and the hydrogen replacement valve are set to a maximum of 40 kPa. In the state after the replacement, the pressure is about 3 kPa. In order to withstand such a maximum pressure of 40 kPa and accurately detect a low pressure, an expensive pressure sensor is required.
[0053]
If the accuracy of the pressure sensor is low, it is predicted that the replacement will be completed even though the pressure sensor is not sufficiently replaced, or that the pressure will not drop to P0 on the sensor indication value and the replacement will not be completed.
[0054]
Therefore, in the present embodiment, the determination pressure is set to P1 (for example, 6 kPa) that is slightly higher than P0 in FIG. 6, and instead, after the fuel cell stack inlet pressure becomes P1 or less, a predetermined time (for example, about 3 seconds). ) The hydrogen supply was continued.
[0055]
FIG. 8 is a flowchart for explaining the hydrogen replacement operation of the present embodiment. The difference from the third embodiment of FIG. 7 is that, in S45, after the stack inlet pressure becomes equal to or lower than the predetermined value (P1), hydrogen is continuously supplied for a predetermined time and the replacement is continued.
[0056]
By doing so, it was possible to reliably perform necessary and sufficient replacement while using a low-cost and low-accuracy pressure sensor, and to start up stably.
[0057]
Although the replacement flow rate is made constant by making the ejector inlet pressure constant, the replacement flow rate may be made constant by making the variable throttle valve opening constant.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram illustrating a configuration of a first embodiment of a fuel cell system according to the present invention.
FIG. 2 is a flowchart for explaining the operation of the first embodiment.
FIG. 3 is a configuration diagram illustrating a configuration of a second embodiment of a fuel cell system according to the present invention.
FIG. 4 is a flowchart for explaining the operation of the second embodiment.
FIG. 5 is a diagram showing an ejector inlet pressure at which a hydrogen flow rate becomes a predetermined value with respect to a fuel cell stack inlet pressure.
FIG. 6 is a graph showing a change with time in the fuel cell stack inlet pressure during hydrogen replacement in the third embodiment.
FIG. 7 is a flowchart for explaining the operation of the third embodiment.
FIG. 8 is a flowchart for explaining the operation of the fourth embodiment.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記パージ弁の排出動作時の開口面積より大きい排出動作時の開口面積を有し、前記燃料循環配管と外気との間を開閉することにより燃料電池の起動時に燃料電池本体から排出された排燃料ガスを外気へ排出する燃料ガス排出弁を備え、
燃料電池システムの起動時に、前記燃料ガス供給手段から一定の流量で燃料極に燃料ガスを供給しつつ、排燃料ガスを前記燃料ガス排出弁から排出することにより、前記燃料ガス供給通路および燃料極内部を燃料ガスで置換する燃料ガス置換を行うことを特徴とする燃料電池システム。A fuel cell main body in which a fuel electrode and an oxidant electrode are provided with an electrolyte membrane interposed therebetween, fuel gas supply means for supplying fuel gas to the fuel cell main body via a fuel gas supply passage, and exhausted from the fuel cell main body A fuel circulation pipe that circulates the exhaust fuel gas to the fuel gas supply passage, and a gap between the fuel circulation pipe and the outside air are opened and closed to temporarily remove the exhaust fuel gas discharged from the fuel cell body during fuel cell operation. In a fuel cell system comprising a purge valve that discharges to outside air,
Exhaust fuel discharged from the fuel cell main body when the fuel cell is started up by opening and closing between the fuel circulation pipe and outside air having an opening area larger than the opening area during the purge valve discharge operation. It has a fuel gas discharge valve that discharges gas to the outside air.
When the fuel cell system is started up, the fuel gas is supplied from the fuel gas supply means to the fuel electrode at a constant flow rate, and the exhaust gas is discharged from the fuel gas discharge valve, whereby the fuel gas supply passage and the fuel electrode are discharged. A fuel cell system for performing fuel gas replacement for replacing the inside with fuel gas.
前記燃料ガス置換時に、前記可変絞り弁の開度を一定とす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。A variable throttle valve is provided in the fuel gas supply passage,
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the opening of the variable throttle valve is made constant at the time of the fuel gas replacement.
前記可変絞り弁と燃料電池本体との間に配設されたイジェクタと、
燃料電池本体から排出された排燃料ガスを前記イジェクタの吸入口に戻す燃料循環配管と、
前記イジェクタ上流の燃料ガス圧力を検出する圧力検出手段と、を備え、
前記燃料ガス置換時に、前記イジェクタ上流の燃料ガス圧力が所定値となるように、前記可変絞り弁開度を調整す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。A variable throttle valve for controlling the flow rate of the fuel gas supply passage;
An ejector disposed between the variable throttle valve and the fuel cell body;
A fuel circulation pipe for returning exhaust fuel gas discharged from the fuel cell main body to the intake port of the ejector;
Pressure detecting means for detecting fuel gas pressure upstream of the ejector,
The fuel cell system according to claim 1, wherein the variable throttle valve opening is adjusted so that the fuel gas pressure upstream of the ejector becomes a predetermined value when the fuel gas is replaced.
前記燃料ガス置換時に、前記イジェクタ上流の燃料ガス圧力の所定値をイジェクタ下流の燃料ガス圧力に応じて決めることを特徴とする請求項3に記載の燃料電池システム。Pressure detecting means for detecting fuel gas pressure downstream of the ejector;
4. The fuel cell system according to claim 3, wherein a predetermined value of the fuel gas pressure upstream of the ejector is determined according to the fuel gas pressure downstream of the ejector during the replacement of the fuel gas.
該燃料ガス濃度検出手段が検出した燃料ガス濃度に基づいて、前記燃料ガス置換を終了させることを特徴とする請求項1乃至請求項4の何れか1項に記載の燃料電池システム。A fuel gas concentration detecting means for detecting the fuel gas concentration in the fuel electrode of the fuel cell body or in the fuel gas passage;
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, wherein the fuel gas replacement is terminated based on the fuel gas concentration detected by the fuel gas concentration detecting means.
該圧力検出手段が検出した圧力に基づいて、前記燃料ガス置換を終了させることを特徴とする請求項1乃至請求項4の何れか1項に記載の燃料電池システム。Pressure detecting means for detecting a fuel gas pressure upstream of the fuel gas discharge valve;
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, wherein the fuel gas replacement is terminated based on a pressure detected by the pressure detecting means.
該圧力検出手段が所定の圧力低下を検出した時から所定時間経過後に、前記燃料ガス置換を終了させることを特徴とする請求項1乃至請求項4の何れか1項に記載の燃料電池システム。 Pressure detecting means for detecting a fuel gas pressure upstream of the fuel gas discharge valve;
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, characterized in that said pressure detecting means after a predetermined time has elapsed from when detecting a predetermined pressure drop, to terminate the fuel gas replacement.
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