JP2004234965A - Fuel cell system - Google Patents

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JP2004234965A
JP2004234965A JP2003020777A JP2003020777A JP2004234965A JP 2004234965 A JP2004234965 A JP 2004234965A JP 2003020777 A JP2003020777 A JP 2003020777A JP 2003020777 A JP2003020777 A JP 2003020777A JP 2004234965 A JP2004234965 A JP 2004234965A
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JP
Japan
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pure water
fuel cell
water tank
cell system
air
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Application number
JP2003020777A
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Japanese (ja)
Inventor
Yozo Okuyama
陽三 奥山
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Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
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Publication date
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To shorten a start-up time of a fuel cell system by speeding up supply of pure water when the pure water to be used for the system is frozen. <P>SOLUTION: A pure water pump 4 taking out the pure water from a pure water tank 3 and circulating it in the fuel cell system is installed at a lower part of the pure water tank 3 storing the pure water necessary for operation of the fuel cell system, and the pure water tank 3 is constructed so that the pure water stored therein is taken out from the bottom part of the pure water tank. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムで使用される純水の凍結時に、凍結水を解凍した後、システムを起動させる燃料電池システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、この種の技術としては、例えば以下に示す文献に記載されものが知られている(特許文献1参照)。この文献に記載された技術では、燃料電池システムで使用される水が凍結した際に、電気ヒータにより水タンクを加熱して凍結水を解凍する処理を行っていた。この解凍処理では、まず解凍処理に使用できる使用可能電力、ならびに解凍必要電力を計算し、使用可能電力>解凍必要電力であるならば、解凍モードを起動する。解凍モードでは、電気ヒータに供給する電力を計算し、解凍必要電力と電気ヒータに供給する単位電力量とに基づいて解凍時間を計算する。その後、解凍タイマーをスタートさせ、解凍タイマーが解凍時間に達したら解凍モードを終了する。解凍モードが終了して、凍結水が解凍されると、システムが起動される。
【0003】
【特許文献1】
特開2002−110187号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したように、従来の燃料電池システムにおいては、システムで使用される水が凍結した際に、凍結水がすべて解凍された後でないと、システムを起動することができなかった。このため、凍結水の解凍処理を開始した後、システムが起動されるまでに多くの時間がかかり、起動時間が長くなるといった不具合を招いていた。
【0005】
そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、システムで使用される純水の凍結時に、純水の供給を迅速化し、システムの起動時間を短縮した燃料電池システムを提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、水素と空気の供給により発電を行う燃料電池スタックと、燃料電池システムの運転に必要な純水を貯蔵する純水タンクと、前記燃料電池スタックに供給される水素ならびに空気を加湿する加湿器と、前記純水タンクに貯蔵された純水を、前記純水タンクから取り出して前記燃料電池システム内を循環させる純水ポンプと、前記純水タンク内に貯蔵された純水が凍結した時に、前記純水タンクを加熱し、前記純水タンク内の凍結水を解凍する電気ヒータとを有する燃料電池システムにおいて、前記純水ポンプを前記純水タンクの下部に設置し、前記純水タンクに貯蔵された純水を、前記純水タンクの底部から取り出すことを特徴とする。
【0007】
【発明の効果】
本発明によれば、純水ポンプを純水タンクの下部に設置し、純水タンクに貯蔵された純水を、純水タンクの底部から取り出すようにしたので、純水をタンクから吸い上げる方式の場合に必要となる呼び水が不要となり、凍結水の解凍が開始されて少量の純水が得られた時点から、順次得られた純水を供給することが可能となる。これにより、すべての凍結水が解凍されるのを待つことなく、システムを起動することが可能となり、システムの起動時間を短縮することができる。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。
【0009】
図1は本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図1に示す実施形態の燃料電池システムは、燃料電池スタック1、加湿器2、純水タンク3、純水ポンプ4、水素循環ポンプ5、冷却水ポンプ6、空気コンプレッサ7、電気ヒータ8、コンバータ9、二次電池10、水素供給装置16、純水ポンプ吸入配管シャット弁19、ならびにマイクロコンピュータ等により構成されプログラムに基づいて燃料電池システムの動作処理を制御するコントローラ(図示せず)を備えて構成されている。
【0010】
燃料電池スタック1は、燃料極に供給される水素と、空気極に供給される空気中の酸素とにより発電する。発電された電力は、発電制御ならびに電力変換を行うコンバータ9を介して二次電池10に供給されて貯蔵される。
【0011】
加湿器2は、燃料電池スタック1に供給される空気ならびに燃料となる水素を、純水タンク3に貯蔵されて供給される純水によって加湿する。加湿器2には、空気コンプレッサ7を介して空気が供給され、水素調圧弁11を介して水素供給装置16から水素が供給される。
【0012】
純水タンク3は、加湿器2に供給される純水を貯蔵する。純水タンク3の下部には、純水ポンプ吸入配管シャット弁19を介して純水ポンプ4が設けられいる。純水タンク3に貯蔵された純水は、純水タンク3の底部から純水ポンプ吸入配管シャット弁19と純水ポンプ4を介して加湿器2に供給され、加湿器2からバルブ14を介して純水タンク3に戻る。このような構成により、純水タンク3に貯蔵された純水が凍結し、凍結水の解凍処理を開始した後、少量の純水が得られた時点で、得られた純水は純水タンク3の底部から純水ポンプ4を介して加湿器2に供給される。
【0013】
水素循環ポンプ5は、燃料電池スタック1と加湿器2との間で、水素供給装置16から加湿器2を介して燃料電池スタック1に供給される水素を循環させる。冷却水ポンプ6は、燃料電池スタック1、純水タンク3ならびにラジエータ24との間で、燃料電池スタック1を冷却する冷却水を循環させる。燃料電池スタック1を冷却する冷却水は、燃料電池スタック1を通過することで発熱し、発熱した冷却水が純水タンク3を通過することにより、凍結水の解凍を促進させることができる。
【0014】
電気ヒータ8は、純水タンク3、ならびに純水タンク3から純水ポンプ4に至る純水ポンプ吸入配管を加熱するように設けられている。電気ヒータ8は、純水タンク3の凍結水を解凍する解凍処理において、二次電池10からコンバータ9を介して供給される電力に基づいて、純水タンク3ならびに純水ポンプ吸入配管シャット弁19を含めたポンプ吸入配管を加熱する。
【0015】
次に、このように構成されたシステムの停止シーケンスを、図2のフローチャートを参照して説明する。
【0016】
まず、純水ポンプ吸入配管シャット弁19を閉止するとともに(ステップS30)、シャット弁13を閉止する一方、シャット弁12を開放し、パージ弁17を開放する(ステップS31)。このような状態で、ドライ空気を燃料電池スタック1に供給し、燃料電池スタック1内の凝縮水をパ−ジする(ステップS32)。
【0017】
パージが終了すると、シャット弁12を閉め、かつシャット弁13を開け(ステップS33)、純水系の純水を純水タンク3へ回収又は外部へ排出する。この時に、バルブ14、20の開閉を交互に切替えて、純水系の水を満遍なくパ−ジする(ステップS34)。
【0018】
パージが終了した後、二次電池10の残量を確認し(ステップS35)、二次電池10の残量が、システムの起動時に、純水タンク3の凍結水を解凍するのに十分である場合には(ステップS36)、システムを停止する(ステップS37)。一方、二次電池10の残量が、システムの起動時に解凍を行うなうのに十分な量でない場合には(ステップS38)、しばらくの間燃料電池スタック1の発電を継続してして行い、発電した電力で二次電池10を充電した後(ステップS39)、システムを停止する(ステップS37)。
【0019】
次に、図3のフローチャート、ならびに純水タンク3内の水量と純水ポンプ4を駆動するモータの負荷との関係を示す図4を参照して、システムの起動シーケンスを説明する。
【0020】
まず、純水ポンプ吸入配管シャット弁19を開放する(ステップS40)。この時に、純水ポンプ出口配管レベルセンサ23により純水レベルを確認し(ステップS41)、純水レベルが一定値以上であるか否かを判断する(ステップS42)。判断結果において、純水レベルが一定値以上あれば、純水ポンプ4を起動する(ステップS44)。この時に、純水ポンプのモータの負荷を検出し、モータの負荷が下がらない場合は、そのまま純水ポンプ4を継続して運転する。一方、すぐにモータの負荷が下がる場合には、純水ポンプ4を停止して、電気ヒータ8を通電する。これにより、純水タンク3ならびに純水ポンプ吸入配管を加熱し、純水タンク3の凍結水を解凍する解凍処理を行う。
【0021】
通電した後、一定時間(大気温度計22により計測された大気温度により設定される)経過後、純水ポンプ4を起動し、純水ポンプ4のモータの負荷が低下したか否かを判断する(ステップS45)。判断結果において、モータの負荷が低下した場合は、純水タンク3に貯蔵された純水がなくなったと判断し、純水ポンプ4を停止する(ステップS46)。
【0022】
一方、ステップS42の判断結果において、純水レベルが一定値以上ない場合には、直ちに電気ヒータ8を通電する(ステップS43)。これにより、純水タンク3ならびに純水ポンプ吸入配管を加熱し、純水タンク3の凍結水を解凍する解凍処理を行う。通電した後、一定時間(大気温度計22により計測された大気温度により設定される)経過後、純水ポンプ4を起動し(ステップS44)、純水ポンプ4のモータの負荷が低下したか否かを判断する(ステップS45)。判断結果において、モータの負荷が低下した場合は、純水タンク3に貯蔵された純水がなくなったと判断し、純水ポンプ4を停止する(ステップS46)。
【0023】
このような処理を何度か繰り返し行い、図4に示すように、純水ポンプ4のモータの負荷が一定である時間の合計が、所定の値以上になった場合に(ステップS47)、燃料電池スタック1の通常運転を開始する(ステップS48)。但し、純水タンク3内の凍結水がすべて解凍したものと判断されるまでは、燃料電池スタック1の発電量を制限する。
【0024】
発電量が制限された状態で発電が開始された後、図4に示すように、純水ポンプ4のモータの負荷が一定である時間の合計に基づいて、純水タンク3内の凍結水がすべて解凍されたことを推定する。推定の結果、純水タンク3内の凍結水がすべて解凍されて、解凍処理が終了すると、発電量の制限が解除され、継続して発電が行われる。
【0025】
なお、純水タンク3内に貯蔵された純水の凍結は、大気温度計22で計測された大気の温度、及び純水ポンプ4を駆動するモータの負荷に基づいて判断する。
【0026】
以上説明したように、上記実施形態においては、純水ポンプ4を純水タンク3の下部に設置し、純水タンクに貯蔵された純水を純水タンク3の底部から取り出すようにしているので、純水をタンクから吸い上げる方式の場合に必要となる呼び水が不要となる。また、純水タンク3内で解凍して得られた純水を順次加湿器2へ供給することができる。これにより、加湿器2に供給される純水の供給量がある程度の量に達すれば、すなわち、加湿器2内にある程度純水が存在していれば、システムの低負荷運転は可能となる。この結果、システムを起動することができ、起動時間を短縮することができる。
【0027】
また、システムが起動されて燃料電池スタック1が発電することで、燃料電池スタック1の発熱で冷却水が暖められ、暖めされた冷却水が純水タンク3を通過することで、解凍を促進することができる。
【0028】
さらに、純水ポンプ吸入配管にも電気ヒータ8を設置することにより、重点的に純水ポンプ吸入配管を加熱することが可能となり、加湿器2への純水の供給を迅速に行うことができる。
【0029】
なお、ポンプをタンクの上部に設け、タンクに貯蔵された純水をポンプによりタンクから吸い上げる方式とした場合には、純水を吸い込む吸込み配管がタンク内の液面に沈む構成となるため、吸い込み配管もタンク内部の純水と共に凍結することになる。このため、解凍が非常に困難となり、順次解凍された純水を供給するということは極めて困難となる。
【0030】
一方、上記実施形態においては、凍結水の解凍処理を純水タンク3に設置された電気ヒータ8により加熱して行うことで、燃焼器を用いて加熱する場合に比べて、水素、空気の流量制御が不要になると共に、燃焼器からの未燃焼水素の排出も回避することができる。
【0031】
また、システムの停止時に、二次電池10の残量が、システムの起動時に、純水タンク3の凍結水を解凍するのに十分な量でない場合には、電気ヒータ8の作動に必要な電力を二次電池10に蓄えるようにしているので、純水が凍結している場合であっても、解凍処理を開始することができ、システムを確実に氷点下の状態から起動することが可能となる。
【0032】
さらに、システムの停止時に、純水の流通経路となる純水系の純水配管、水素の流通経路となる水素系の水素配管、ならびに空気の流通経路となる空気系の空気配管を空気コンプレッサ7から排出された空気でパージすることにより、純水配管、水素配管、ならびに空気配管に残った水分を純水タンク3に回収することが可能となり、各配管内部に残ってしまった水分が凍ってできる部分凍結を防止することができる。
【0033】
一方、純水ポンプを駆動するモータの負荷が一定状態にある時間の合計に基づいて、加湿器2へ送った純水の総量を推定し、この推定結果にしたがってシステムの起動を開始するようにしているので、純水タンク内に設けられた温度センサで凍結水の解凍を判断する場合に比べて、システムの運転を迅速に開始することができる。
【0034】
また、純水ポンプを駆動するモータの負荷が一定状態にある時間の合計が所定時間以上となった場合に、純水タンク3の凍結水がすべて解凍されたと判断しているので、凍結を防止することが困難な温度センサやレベルセンサに頼らなくても正確に判断することができる。
【0035】
なお、通常運転時の純水タンク3のレベル低下も、純水ポンプを駆動するモータの負荷の低下により判断し、レベル低下が生じた場合には、警告を発し、水回収モ−ドへ運転を移行させる等の処理を行うようにしてもよい。これにより、純水タンク3の純水のレベル低下の判断を、凍結防止が困難なレベルセンサ等に頼らなくても、確実に行うことができる。また、本発明は、単体の加湿器2を設けずに、燃料電池スタック1内に水チャンネルを設けて水を循環させて加湿するような形式のシステムにも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図2】純水タンク3内の水量と純水ポンプ4のモータ負荷との関係を示す図である。
【図3】図1に示すシステムの停止シーケンスの処理手順を示すフローチャートである。
【図4】図1に示すシステムの起動シーケンスの処理手順を示す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…加湿器
3…純水タンク
4…純水ポンプ
5…水素循環ポンプ
6…冷却水ポンプ
7…空気コンプレッサ
8…電気ヒータ
9…コンバータ
10…二次電池
11…水素調圧弁
12,13…シャット弁
14,20…バルブ
15…スタック下流空気調圧弁
16…水素供給装置
17…パージ弁
18…冷却水ラジエータバイパス三方弁
19…純水ポンプ吸入配管シャット弁
21…冷却水スタック出口温度計
22…大気温度計
23…純水ポンプ出口配管レベルセンサ
24…ラジエータ
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell system that activates the system after defrosting frozen water when pure water used in the fuel cell system is frozen.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as this kind of technology, for example, a technology described in the following document is known (see Patent Document 1). According to the technique described in this document, when water used in a fuel cell system is frozen, a process of heating a water tank with an electric heater to defrost frozen water is performed. In the decompression process, first, the available power that can be used for the decompression process and the decompression required power are calculated, and if available power> decompression required power, the decompression mode is activated. In the thawing mode, the electric power supplied to the electric heater is calculated, and the thawing time is calculated based on the required electric power for thawing and the unit electric power supplied to the electric heater. Thereafter, the defrost timer is started, and when the defrost timer reaches the defrost time, the defrost mode is ended. When the thawing mode ends and the frozen water is thawed, the system is activated.
[0003]
[Patent Document 1]
JP-A-2002-110187
[Problems to be solved by the invention]
As described above, in the conventional fuel cell system, when the water used in the system freezes, the system cannot be started until all the frozen water has been thawed. For this reason, after starting the thawing process of the frozen water, it takes a lot of time until the system is started, which causes a problem that the start-up time becomes long.
[0005]
In view of the above, the present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a fuel in which, when freezing pure water used in a system, the supply of pure water is speeded up and the system startup time is reduced. It is to provide a battery system.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, means for solving the problems of the present invention include a fuel cell stack that generates power by supplying hydrogen and air, a pure water tank that stores pure water required for operation of the fuel cell system, A humidifier that humidifies the hydrogen and air supplied to the fuel cell stack, and a pure water pump that removes pure water stored in the pure water tank from the pure water tank and circulates through the fuel cell system; When the pure water stored in the pure water tank is frozen, the pure water pump is heated, and an electric heater for thawing the frozen water in the pure water tank is provided. It is installed at the lower part of the pure water tank, and the pure water stored in the pure water tank is taken out from the bottom of the pure water tank.
[0007]
【The invention's effect】
According to the present invention, the pure water pump is installed at the lower part of the pure water tank, and the pure water stored in the pure water tank is taken out from the bottom of the pure water tank. The priming required in such a case becomes unnecessary, and it becomes possible to supply the obtained pure water sequentially from the time when the thawing of the frozen water is started and a small amount of pure water is obtained. As a result, the system can be started without waiting for all the frozen water to be thawed, and the start-up time of the system can be reduced.
[0008]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0009]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a fuel cell system according to one embodiment of the present invention. The fuel cell system according to the embodiment shown in FIG. 1 includes a fuel cell stack 1, a humidifier 2, a pure water tank 3, a pure water pump 4, a hydrogen circulation pump 5, a cooling water pump 6, an air compressor 7, an electric heater 8, a converter 9, a secondary battery 10, a hydrogen supply device 16, a pure water pump suction pipe shut-off valve 19, and a controller (not shown) configured by a microcomputer and the like to control operation processing of the fuel cell system based on a program. It is configured.
[0010]
The fuel cell stack 1 generates power using hydrogen supplied to the fuel electrode and oxygen in the air supplied to the air electrode. The generated power is supplied to and stored in the secondary battery 10 via the converter 9 that performs power generation control and power conversion.
[0011]
The humidifier 2 humidifies air supplied to the fuel cell stack 1 and hydrogen serving as fuel with pure water stored and supplied in a pure water tank 3. Air is supplied to the humidifier 2 via the air compressor 7, and hydrogen is supplied from the hydrogen supply device 16 via the hydrogen pressure regulating valve 11.
[0012]
The pure water tank 3 stores pure water supplied to the humidifier 2. A pure water pump 4 is provided below the pure water tank 3 via a pure water pump suction pipe shut valve 19. The pure water stored in the pure water tank 3 is supplied from the bottom of the pure water tank 3 to the humidifier 2 via the pure water pump suction pipe shut valve 19 and the pure water pump 4, and from the humidifier 2 via the valve 14. And return to the pure water tank 3. With such a configuration, after the pure water stored in the pure water tank 3 is frozen and the thawing process of the frozen water is started, when a small amount of pure water is obtained, the pure water obtained is replaced with the pure water tank. 3 is supplied to the humidifier 2 via a pure water pump 4.
[0013]
The hydrogen circulation pump 5 circulates hydrogen supplied from the hydrogen supply device 16 to the fuel cell stack 1 via the humidifier 2 between the fuel cell stack 1 and the humidifier 2. The cooling water pump 6 circulates cooling water for cooling the fuel cell stack 1 between the fuel cell stack 1, the pure water tank 3, and the radiator 24. The cooling water that cools the fuel cell stack 1 generates heat by passing through the fuel cell stack 1, and the generated cooling water passes through the pure water tank 3, thereby facilitating the thawing of the frozen water.
[0014]
The electric heater 8 is provided to heat the pure water tank 3 and a pure water pump suction pipe from the pure water tank 3 to the pure water pump 4. In the thawing process for thawing the frozen water in the pure water tank 3, the electric heater 8 controls the pure water tank 3 and the pure water pump suction pipe shut valve 19 based on the electric power supplied from the secondary battery 10 via the converter 9. Heat the pump suction piping including.
[0015]
Next, a stop sequence of the system configured as described above will be described with reference to a flowchart of FIG.
[0016]
First, the pure water pump suction pipe shut valve 19 is closed (step S30), the shut valve 13 is closed, the shut valve 12 is opened, and the purge valve 17 is opened (step S31). In such a state, dry air is supplied to the fuel cell stack 1 to purge condensed water in the fuel cell stack 1 (step S32).
[0017]
When the purging is completed, the shut valve 12 is closed and the shut valve 13 is opened (step S33), and the pure water of the pure water system is collected into the pure water tank 3 or discharged to the outside. At this time, the valves 14 and 20 are alternately opened and closed to purge the pure water uniformly (step S34).
[0018]
After the purge is completed, the remaining amount of the secondary battery 10 is checked (step S35), and the remaining amount of the secondary battery 10 is sufficient to defrost the frozen water in the pure water tank 3 when the system is started. In this case (step S36), the system is stopped (step S37). On the other hand, when the remaining amount of the secondary battery 10 is not enough to perform the thawing at the time of starting the system (step S38), the power generation of the fuel cell stack 1 is continued for a while. After charging the secondary battery 10 with the generated power (step S39), the system is stopped (step S37).
[0019]
Next, a system startup sequence will be described with reference to the flowchart of FIG. 3 and FIG. 4 showing the relationship between the amount of water in the pure water tank 3 and the load of a motor driving the pure water pump 4.
[0020]
First, the pure water pump suction pipe shut valve 19 is opened (step S40). At this time, the pure water level is confirmed by the pure water pump outlet pipe level sensor 23 (step S41), and it is determined whether the pure water level is equal to or more than a predetermined value (step S42). As a result of the determination, if the pure water level is equal to or more than the predetermined value, the pure water pump 4 is started (step S44). At this time, the load of the motor of the pure water pump is detected, and if the load of the motor does not decrease, the pure water pump 4 is continuously operated. On the other hand, if the load on the motor immediately decreases, the pure water pump 4 is stopped and the electric heater 8 is energized. As a result, the pure water tank 3 and the pure water pump suction pipe are heated, and a thawing process for thawing the frozen water in the pure water tank 3 is performed.
[0021]
After a certain period of time (set by the atmospheric temperature measured by the atmospheric thermometer 22) after energization, the pure water pump 4 is started, and it is determined whether or not the load on the motor of the pure water pump 4 has decreased. (Step S45). If the result of the determination indicates that the load on the motor has decreased, it is determined that the pure water stored in the pure water tank 3 has run out, and the pure water pump 4 is stopped (step S46).
[0022]
On the other hand, if the result of the determination in step S42 indicates that the pure water level is not equal to or higher than the predetermined value, the electric heater 8 is immediately energized (step S43). As a result, the pure water tank 3 and the pure water pump suction pipe are heated, and a thawing process for thawing the frozen water in the pure water tank 3 is performed. After a certain period of time (set by the atmospheric temperature measured by the atmospheric thermometer 22) after the power is supplied, the pure water pump 4 is started (step S44), and the load of the motor of the pure water pump 4 is reduced. Is determined (step S45). If the result of the determination indicates that the load on the motor has decreased, it is determined that the pure water stored in the pure water tank 3 has run out, and the pure water pump 4 is stopped (step S46).
[0023]
Such processing is repeated several times. As shown in FIG. 4, when the total time during which the motor load of the pure water pump 4 is constant exceeds a predetermined value (step S47), the fuel The normal operation of the battery stack 1 is started (Step S48). However, the power generation amount of the fuel cell stack 1 is limited until it is determined that all the frozen water in the pure water tank 3 has been thawed.
[0024]
After the power generation is started in a state where the power generation amount is limited, as shown in FIG. 4, the frozen water in the pure water tank 3 is discharged based on the total time during which the motor load of the pure water pump 4 is constant. Estimate that everything has been thawed. As a result of the estimation, when all the frozen water in the pure water tank 3 is thawed and the thawing process is completed, the restriction on the power generation amount is released, and the power generation is continuously performed.
[0025]
The freezing of the pure water stored in the pure water tank 3 is determined based on the temperature of the atmosphere measured by the atmospheric thermometer 22 and the load of the motor driving the pure water pump 4.
[0026]
As described above, in the above embodiment, the pure water pump 4 is installed at the lower part of the pure water tank 3, and the pure water stored in the pure water tank 3 is taken out from the bottom of the pure water tank 3. In addition, priming, which is required in the case of a system in which pure water is drawn from a tank, is not required. In addition, pure water obtained by thawing in the pure water tank 3 can be sequentially supplied to the humidifier 2. Thereby, if the supply amount of the pure water supplied to the humidifier 2 reaches a certain amount, that is, if there is a certain amount of pure water in the humidifier 2, the system can be operated under a low load. As a result, the system can be activated, and the activation time can be reduced.
[0027]
Further, when the system is activated and the fuel cell stack 1 generates power, the cooling water is heated by the heat generated by the fuel cell stack 1, and the heated cooling water passes through the pure water tank 3 to promote thawing. be able to.
[0028]
Further, by installing the electric heater 8 also in the pure water pump suction pipe, the pure water pump suction pipe can be heated mainly, and the supply of the pure water to the humidifier 2 can be performed quickly. .
[0029]
If the pump is provided at the top of the tank and the pure water stored in the tank is sucked up from the tank by the pump, the suction pipe for sucking the pure water will sink below the liquid level in the tank. The piping will also freeze with the pure water inside the tank. For this reason, thawing becomes very difficult, and it becomes extremely difficult to supply pure water sequentially thawed.
[0030]
On the other hand, in the above-described embodiment, the thawing process of the frozen water is performed by heating with the electric heater 8 provided in the pure water tank 3, so that the flow rates of the hydrogen and the air are reduced as compared with the case of using the combustor. Control becomes unnecessary, and discharge of unburned hydrogen from the combustor can be avoided.
[0031]
When the remaining amount of the secondary battery 10 is not sufficient to defrost the frozen water in the pure water tank 3 at the time of starting the system when the system is stopped, the electric power necessary for operating the electric heater 8 is provided. Is stored in the secondary battery 10, so that even if pure water is frozen, the thawing process can be started, and the system can be reliably started from a sub-zero temperature state. .
[0032]
Further, when the system is stopped, pure water piping of a pure water system serving as a distribution channel of pure water, hydrogen piping of a hydrogen system serving as a distribution channel of hydrogen, and air piping of an air system serving as a distribution channel of air are supplied from the air compressor 7. By purging with the discharged air, it becomes possible to collect the water remaining in the pure water pipe, the hydrogen pipe, and the air pipe in the pure water tank 3, and the water remaining in each pipe is frozen. Partial freezing can be prevented.
[0033]
On the other hand, the total amount of pure water sent to the humidifier 2 is estimated based on the total time during which the load of the motor driving the pure water pump is in a constant state, and the system is started according to the estimation result. Therefore, the operation of the system can be started more quickly than in a case where the thawing of frozen water is determined by a temperature sensor provided in the pure water tank.
[0034]
Further, when the total time during which the load of the motor driving the pure water pump is in a constant state is equal to or longer than a predetermined time, it is determined that all the frozen water in the pure water tank 3 has been thawed, so that freezing is prevented. The determination can be made accurately without relying on a temperature sensor or a level sensor that is difficult to perform.
[0035]
The decrease in the level of the pure water tank 3 during normal operation is also determined by the decrease in the load on the motor driving the pure water pump. If the level decreases, a warning is issued, and the operation to the water recovery mode is performed. May be performed. This makes it possible to determine whether the level of pure water in the pure water tank 3 has fallen without relying on a level sensor or the like that is difficult to prevent freezing. The present invention is also applicable to a system of a type in which a water channel is provided in the fuel cell stack 1 to circulate water and humidify without providing the single humidifier 2.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a fuel cell system according to one embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a relationship between the amount of water in a pure water tank 3 and a motor load of a pure water pump 4.
FIG. 3 is a flowchart showing a processing procedure of a stop sequence of the system shown in FIG. 1;
FIG. 4 is a flowchart showing a processing procedure of a startup sequence of the system shown in FIG. 1;
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell stack 2 ... Humidifier 3 ... Pure water tank 4 ... Pure water pump 5 ... Hydrogen circulation pump 6 ... Cooling water pump 7 ... Air compressor 8 ... Electric heater 9 ... Converter 10 ... Secondary battery 11 ... Hydrogen pressure regulating valve 12, 13 shut valves 14, 20 valves 15 stack downstream air pressure regulating valve 16 hydrogen supply device 17 purge valve 18 cooling water radiator bypass three-way valve 19 pure water pump suction piping shut valve 21 cooling water stack outlet Thermometer 22 ... Atmospheric thermometer 23 ... Pure water pump outlet piping level sensor 24 ... Radiator

Claims (7)

水素と空気の供給を受けて発電を行う燃料電池スタックと、
燃料電池システムの運転に必要な純水を貯蔵する純水タンクと、
前記燃料電池スタックに供給される水素ならびに空気を加湿する加湿器と、
前記純水タンクに貯蔵された純水を、前記純水タンクから取り出して前記燃料電池システム内を循環させる純水ポンプと、
前記純水タンク内に貯蔵された純水が凍結した時に、前記純水タンクを加熱し、前記純水タンク内の凍結水を解凍する電気ヒータと
を有する燃料電池システムにおいて、
前記純水ポンプを前記純水タンクの下部に設置し、前記純水タンクに貯蔵された純水を、前記純水タンクの底部から取り出す
ことを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell stack that receives power from hydrogen and air to generate electricity,
A pure water tank for storing pure water necessary for operating the fuel cell system,
A humidifier that humidifies the hydrogen and air supplied to the fuel cell stack,
A pure water pump that takes out the pure water stored in the pure water tank from the pure water tank and circulates through the fuel cell system;
When the pure water stored in the pure water tank is frozen, the fuel cell system has an electric heater that heats the pure water tank and defrosts the frozen water in the pure water tank.
A fuel cell system, wherein the pure water pump is installed at a lower part of the pure water tank, and pure water stored in the pure water tank is taken out from a bottom of the pure water tank.
前記燃料電池スタックで発電された電力を蓄える二次電池を備え、
前記燃料電池システムの停止時に、次回のシステム起動時に前記電気ヒータを加熱して、前記純水タンク内の凍結水を解凍する処理を行うために前記電気ヒータに供給する電力を、前記二次電池に蓄える
ことを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。
Comprising a secondary battery that stores power generated by the fuel cell stack,
When the fuel cell system is stopped, the electric power supplied to the electric heater for performing the process of heating the electric heater at the next system start-up and defrosting the frozen water in the pure water tank is controlled by the secondary battery. The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel cell system stores the fuel cell.
前記燃料電池システムの起動時に、前記純水タンク内の凍結水がすべて解凍されるのを待たずに、解凍された分の純水を順次前記加湿器に供給し、前記純水ポンプを駆動するモータの負荷の減少により、前記純水タンクに純水がなくなったことを検出する
ことを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。
When the fuel cell system is started, without waiting for all the frozen water in the pure water tank to be thawed, the thawed pure water is sequentially supplied to the humidifier to drive the pure water pump. 2. The fuel cell system according to claim 1, wherein it is detected that the pure water tank runs out of pure water due to a decrease in motor load.
前記燃料電池システムの起動後に、前記純水ポンプを駆動するモータの負荷が所定の一定状態にあるモータ運転時間の合計に基づいて、前記純水タンクから取り出されて供給された純水の供給量を推定し、前記モータ運転時間が所定時間以上に達した時に、前記燃料電池システムの起動を開始する
ことを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。
After the start of the fuel cell system, the supply amount of the pure water taken out from the pure water tank and supplied based on the total of the motor operation times when the load of the motor driving the pure water pump is in a predetermined constant state. 2. The fuel cell system according to claim 1, wherein when the motor operation time reaches a predetermined time or more, the start of the fuel cell system is started.
前記燃料電池スタックに空気を供給する空気コンプレッサ−を備え、
前記燃料電池システムの停止時には、前記空気コンプレッサから排出される空気により、純水の流通経路となる純水系の純水配管、空気の流通経路となる空気系の空気配管、ならびに水素の流通経路となる水素系の水素配管に残留する水をパ−ジする
ことを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。
An air compressor that supplies air to the fuel cell stack,
When the fuel cell system is stopped, by the air discharged from the air compressor, a pure water pipe of a pure water system serving as a flow path of pure water, an air system air pipe serving as a flow path of air, and a flow path of hydrogen are provided. 2. The fuel cell system according to claim 1, wherein water remaining in the hydrogen-based hydrogen piping is purged.
前記燃料電池システムの起動後に、前記純水ポンプを駆動するモータの負荷が所定の一定状態にあるモータ運転時間の合計が、所定時間以上に達した時に、前記純水タンク内の凍結水がすべて解凍されたと判断し、前記燃料電池スタックの発電出力の制限を解除する
ことを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。
After the start of the fuel cell system, when the total of the motor operation time in which the load of the motor driving the pure water pump is in a predetermined constant state reaches a predetermined time or more, all the frozen water in the pure water tank is discharged. 2. The fuel cell system according to claim 1, wherein it is determined that the fuel cell stack has been thawed, and the restriction on the power generation output of the fuel cell stack is released.
前記純水タンク内に貯蔵された純水の凍結は、大気の温度、及び前記純水ポンプを駆動するモータの負荷に基づいて判断する
ことを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein freezing of the pure water stored in the pure water tank is determined based on an atmospheric temperature and a load of a motor driving the pure water pump.
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