CN100541892C - 空气冷却式燃料电池系统 - Google Patents

空气冷却式燃料电池系统 Download PDF

Info

Publication number
CN100541892C
CN100541892C CNB2006800077064A CN200680007706A CN100541892C CN 100541892 C CN100541892 C CN 100541892C CN B2006800077064 A CNB2006800077064 A CN B2006800077064A CN 200680007706 A CN200680007706 A CN 200680007706A CN 100541892 C CN100541892 C CN 100541892C
Authority
CN
China
Prior art keywords
temperature
air
oxidizing gas
fuel cell
generating
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CNB2006800077064A
Other languages
English (en)
Other versions
CN101138115A (zh
Inventor
村田成亮
中西治通
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Publication of CN101138115A publication Critical patent/CN101138115A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN100541892C publication Critical patent/CN100541892C/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04014—Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0267—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors having heating or cooling means, e.g. heaters or coolant flow channels
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04067—Heat exchange or temperature measuring elements, thermal insulation, e.g. heat pipes, heat pumps, fins
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04753—Pressure; Flow of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04776—Pressure; Flow at auxiliary devices, e.g. reformer, compressor, burner
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

在空气冷却式燃料电池系统(10)中，控制设备(100)基于由温度传感器(500)检测到的燃料电池的温度来进行温度控制处理。此时，如果单元电池温度高于目标温度Ta并且如果单元电池温度低于阈值温度Tth，则控制设备(100)控制空气供应设备(210)以增大向空气进气歧管(320)供应的空气量。所述阈值温度Tth用于界定(i)温度组TG1(其中单元电池电压相对于发电用空气的化学计量比的变化较小)与(ii)温度组TG2(其中单元电池电压相对于发电用空气的化学计量比的变化较大)之间的界限。如果单元电池温度等于或高于阈值温度Tth，则控制设备(100)控制可变阀(400)以增大流入冷却空气通道部(315)的空气量而不增大流入发电空气通道部(314)的空气量。

Description

空气冷却式燃料电池系统
技术领域
本发明涉及空气冷却式(即，风冷式或气冷式)燃料电池系统，其设置有利用氧化气体进行发电及冷却的空气冷却式燃料电池。
背景技术
对于这种空气冷却式燃料电池系统，提出了一种系统，其中在共用空气供应通路中供应用于电池反应的空气以及冷却用空气(例如，参考专利文献1)。
根据专利文献1揭示的空气冷却式燃料电池(以下称为“现有技术”)，认为可以通过控制鼓风机吹送的空气体积来使燃料电池的温度迅速地恢复到设定值或者使温度返回到设定值。
此外，还提出了另一种技术，其中将在燃料电池中冷却用空气的一部分用作发电用空气(参考专利文献2)。
此外，在燃料电池中，还提出了另一种技术，其中以化学计量比来吹送用于反应的空气以及冷却用空气(参考专利文献3)。
[专利文献1]日本审查专利申请公开号Hei-6-101347
[专利文献2]日本专利申请早期公开号Sho-63-276878
[专利文献3]PCT国际申请号2003-529195的公开日文翻译
发明内容
在一些燃料电池中，如果其达到太高温度，则发电量会随氧化气体的供应增大而减小。在现有技术中，如果冷却用空气量增大，则发电用空气量也会增大。因此，最终，如果通过控制鼓风机吹送的空气体积来冷却燃料电池，则对燃料电池的上述冷却会减小燃料电池的输出。换言之，现有技术存在不减小输出就难以冷却空气冷却式燃料电池的技术问题。
因此，本发明的目的在于提供一种空气冷却式燃料电池系统，其在不会减小或较小地减小输出的情况下能够冷却空气冷却式燃料电池。
通过如下设置的空气冷却式燃料电池系统可实现本发明的上述目的：空气冷却式燃料电池，其具有单元电池，在单元电池中形成用于让冷却用氧化气体流动的第一通道部以及用于让发电用氧化气体流动的第二通道部，使得所述冷却用氧化气体以及所述发电用氧化气体从相同侧流动；供应装置，其用于供应氧化气体；以及分配装置，其用于以可变分配比率将所供应的氧化气体作为所述冷却用氧化气体以及所述发电用氧化气体分别分配给所述第一通道部以及所述第二通道部。
本发明的“空气冷却式燃料电池”是包括在其中通过电化学反应(其发生在其间夹有电解质膜的阳极电极及阴极电极中)获得电动势或电能的方面的燃料电池或燃料电池组的概念。具体而言，其表示其中氧化气体被用于冷却的方面。例如，其表示聚合物电解质燃料电池或质子交换膜燃料电池(即，PEM或PEFC)。
根据本发明的空气冷却式燃料电池系统，通过供应装置来供应氧化气体。本发明的“氧化气体”是能够与包含在供应至阳极电极的燃料气体中的燃料(例如，氢气)发生电化学反应而产生电动势的气体(例如，包括氧气)。通常，氧化气体是空气。如果氧化气体是空气，则因为不需要提供专用供应源故有效率，但氧化气体并不限于空气。此外，“供应装置”是包括可从氧化气体的供应源一侧向空气冷却式燃料电池一侧吹送氧化气体的设备或机构(例如，鼓风机、风扇、泵以及压缩机)的概念。
本发明的空气冷却式燃料电池具有其中形成第一通道部及第二通道部的单元电池(即，单一单元电池)。由供应装置供应的氧化气体被用作分别流入第一通道部以及第二通道部的冷却用氧化气体以及发电用氧化气体。此外，“通道部”包括作为各个氧化气体的通路的通道(或路径)，并是包含界定通道的材料元件(例如，壁表面等)的概念。这些通道部例如形成在单元电池的隔离器等元件中。此外，“具有单元电池”是表示本发明的空气冷却式燃料电池包括至少一个这种单元电池的概念。换言之，本发明的空气冷却式燃料电池可以设置成为这种单元电池(即，单一单元电池)，或者可具有其中层叠多个单元电池的堆叠结构。此外，如果本发明的空气冷却式燃料电池具有堆叠结构，则不必由这种单元电池来构造整体结构。
形成第一通道部及第二通道部使得冷却用氧化气体与发电用氧化气体两者均从相同侧(即，彼此相同的一侧)流动。这里，“从相同侧流动”是表示从大的范围或者总体来看，氧化气体从各个单元电池的一侧向相对侧流动的概念。只要实现了上述概念，则各个氧化气体引入各个通道部的位置并不限于位于单元电池的相同侧或边缘部分。此外，只要实现了上述概念，第一及第二通道部的通道的形状并不受限制。例如，其可以是平行布置的多个线性通道，或者是一个弯曲通道。此外，其可以是被称为“蛇形”的螺旋通道。
另一方面，在具有第一通道部及第二通道部(其形成为冷却用氧化气体及发电用氧化气体从相同侧流动)的单元电池中，在某种程度的单元电池温度之前，单元电池的发电量相对于发电用氧化气体的化学计量比的变化较小。这里，“化学计量比”是气体的实际供应与发电所需的供应的比率，且是供应气体的过剩比率。化学计量比为“1”的状态即是最有效地使用气体的理想状态。但是，事实上，在燃料电池中会引起相当的损耗，因此优选地将实际工作中的化学计量比设定为至少大于1。此外，化学计量比随着气体供应的增加而增大，因此广义而言可视为等同于在第二通道部中流动的发电用氧化气体的量。
这里，具体而言，如果单元电池温度在低于(等于或小于)上述温度的温度区域内升高，则可以通过增大由供应装置供应的氧化气体的供应来比较容易地降低单元电池温度。但是，如果单元电池温度处于超过上述温度的温度区域中，则单元电池的发电量相对于发电用氧化气体的化学计量比的变化将变大。具体而言，随着化学计量比增大，单元电池的发电量将减小。因此，如果随着冷却用氧化气体的增加而增加了发电用氧化气体，则随着对单元电池的冷却，单元电池的发电用量将减小。
因此，在本发明的空气冷却式燃料电池系统中，通过设置分配装置来解决了上述问题。即，从供应装置供应的氧化气体被分配装置作为冷却用氧化气体及发电用氧化气体分别分配给第一通道部及第二通道部。此时，分配装置可对这些通道部以可变分配比率来分配所供应的氧化气体。
这里，“以可变分配比率”是表示例如可以物理的、机械的、机构的或电气的方法来控制分配至各个第一通道部及第二通道部的氧化气体的比率的概念。本发明的“分配装置”可具有任意方面，只要其可进行上述分配即可。例如，其可以是布置在用于将所供应的氧化气体引导至燃料电池的各个单元电池的进气侧歧管中的阀。
此外，可变分配比率的范围并不受限，只要与完全不能进行这种分配的情况相比较，其能够略改变冷却用氧化气体和发电用氧化气体的分配比率即可。
根据本发明的空气冷却式燃料电池系统，可以通过分配装置的工作相对于单元电池来改变冷却用氧化气体和发电用氧化气体的分配比率。因此，可以降低单元电池的温度而不减小或较小地减小单元电池的发电量。
此外，“发电量”是表示发电量可以由另一种定义发电量的物理量代替的概念，只要如上所述其性能相对于化学计量比不会改变。例如，物理量可以是电压。
根据本发明的空气冷却式燃料电池系统的一个方面，还设置了：温度检测装置，其用于检测所述单元电池的温度；以及控制装置，(i)如果所检测的温度低于阈值温度并且如果所检测的温度高于目标温度，则所述控制装置用于控制所述分配装置以及所述供应装置其中至少一者，以增加所述冷却用氧化气体以及所述发电用氧化气体其中至少一者，并且(ii)如果所检测的温度等于或高于所述阈值温度，则所述控制装置用于控制所述分配装置以不增加所述发电用氧化气体但增加所述冷却用氧化气体，所述阈值温度界定相应于所述发电用氧化气体的化学计量比的变化而发生的所述单元电池的发电量变化较小的温度区域，所述目标温度预先设定为低于所述阈值温度的温度。
根据上述方面，通过温度检测装置来检测单元电池的温度。本发明的温度检测装置可具有任意方面，只要其可检测单元电池温度即可。此外，不必针对本发明的全部单元电池都设置温度检测装置。例如，可由根据任意或特定基准确定的一个单元电池的温度来表示多个单元电池的温度。此外，作为对单元电池温度的替代，还可以利用冷却用氧化气体的排放温度、发电用氧化气体的排放温度等。
如果检测到单元电池温度，则控制装置根据检测到的单元电池温度来控制分配装置。如上所述，在形成使得冷却用氧化气体与发电用氧化气体两者从相同侧流动的单元电池中，存在其中单元电池的发电量的变化相对于发电用氧化气体的化学计量比的变化较小的温度范围。这里，可基于严格精确的数值的不等式来界定“较小”，或者基于在该温度范围内单元电池的发电量的变化比另一温度范围的发电量的变化比较小的相对不等式来界定“较小”。随着单元电池温度的升高，上述单元电池的发电量相对于化学计量比的变化将大致变大。换言之，在超过如上界定的温度范围的温度范围内，上述变化变大。在本发明的空气冷却式燃料电池系统中，预先设定界定上述温度范围的阈值温度。此外，可以根据试验、经验、或通过模拟等来预先设定阈值温度，或者依需要可根据单元电池状态来设定阈值温度。
另一方面，在对燃料电池的实际使用中，明显地，着眼于维持发电的有效率状态，优选地在低于阈值温度的温度范围内驱动燃料电池。因此，预先将本发明的空气冷却式燃料电池发电时的目标温度设定成低于阈值温度。此外，可以预先根据试验，经验或通过模拟等来设定目标值，或者依需要根据单元电池的状态来设定目标值。此外，取决于如何设定阈值，“低于阈值温度”表示其可被视为与“等于或低于阈值温度”等同的概念。
如果检测的单元电池温度低于阈值温度并高于目标温度，则控制装置控制分配装置及供应装置中至少一者以增大冷却用氧化气体及发电用氧化气体中至少一者。此外，在设定目标温度的某些方面，“大于目标温度”表示其可由“等于或大于目标温度”替代。
如果单元电池温度处于大于目标温度但小于阈值温度的温度范围内，可比较自由地选择冷却单元电池的方法。可以仅增大冷却用氧化气体的量，或者增加冷却用氧化气体及发电用氧化气体两者。此外，在该温度范围内，如果单元电池的发电量相对于化学计量比略有增大，则随着单元电池的发电量的增大发电损耗将减小，最终单元电池温度降低。因此，还可以仅增加发电用氧化气体。此外，可通过控制分配装置的分配比率来实现上述设置，或者简单地通过控制由供应装置供应的氧化气体的供应来实现上述设置。或者，可以通过整体增加氧化气体的供应并进一步控制分配装置的分配比率来实现上述设置。可以预先根据试验，经验或基于模拟等来设定在冷却时对各个装置的控制的方面。此外，在此情况下，可根据单元电池温度及化学计量比来确定控制方法。
另一方面，如果检测温度等于或大于阈值温度，则控制装置控制分配装置以不增加发电用氧化气体但增加冷却用氧化气体。此外，“等于或大于阈值温度”是表示在设定阈值温度的某些方面其可由“大于阈值温度”替代的概念。
如果单元电池温度等于或大于阈值温度，则发电用氧化气体的增加会引起化学计量比增大，由此减小单元电池的发电量。因此，通过控制分配装置的分配比率以仅增加冷却用氧化气体而不增加发电用氧化气体，可以有效地冷却单元电池。此外，此时，可以维持或控制减小发电用氧化气体的量。此外，除了控制分配装置之外，还可根据需要控制供应装置。可以预先根据试验，经验或基于模拟等来设定在该温度范围内的对各个装置的控制方面。
根据该方面，通过控制装置控制分配装置，可以高效并有效地冷却空气冷却式燃料电池。
此外，在该方面，本发明的空气冷却式燃料电池系统还可设置有目标温度设定装置，其用于根据所述空气冷却式燃料电池的状态来设定所述目标温度。
如上所述，因为燃料电池本身或因为燃料电池所处的环境的改变，单元电池的发电量相对于化学计量比的变化的特性可能会随着时间而改变。在此情况下，如果目标温度是固定值，则在某些情况下未必在目标值下有效率地发电。因此，如果如上所述可以由目标温度设定装置根据空气冷却式燃料电池的状态设定目标值，则可以有效率地使用空气冷却式燃料电池，这是优选的。
此外，在设置有上述的温度检测装置及控制装置的方面，本发明的空气冷却式燃料电池系统还可设置有阈值温度设定装置，其用于根据所述空气冷却式燃料电池的状态来设定所述阈值温度。
如目标值那样，阈值也可能会变化，由此优选地如上所述设置阈值温度设定装置。
通过以下实施例及示例将更好地理解本发明的这些效果及其他优点。
附图说明
图1是示出根据本发明的实施例的空气冷却式燃料电池系统的示意性立体图。
图2是图1中A-A’剖视图。
图3是图1中B-B’剖视图。
图4是在燃料电池中各个温度下单元电池电压的特征曲线，该燃料电池设置用于图1中的空气冷却式燃料电池系统。
图5是流程图，示出了在图1中的空气冷却式燃料电池系统中进行的温度控制处理。
参考标号说明
空气冷却式燃料电池系统 10
控制设备 100
空气供应系统 200
空气供应设备 210
燃料电池堆 300
燃料电池 310
发电空气通道部 314
冷却空气通道部 315
空气进气歧管 320
可变阀 400
温度传感器 500
具体实施方式
以下将参考附图描述本发明的优选实施例。
首先，参考图1至图3，因为需要，故将描述根据本发明的实施例的空气冷却式燃料电池系统的结构。图1是示出空气冷却式燃料电池系统10的示意性立体图。图2是图1中的A-A’剖视图。图3是图1中的B-B’剖视图。
在图1中，空气冷却式燃料电池系统10设置有：控制设备100；空气供应系统200；燃料电池堆300；可变阀400；以及温度传感器500。
控制设备100是用于控制空气冷却式燃料电池系统10的工作的控制单元，并被设置成用作本发明的“控制装置”的一个示例。
空气供应系统200设置有：空气供应设备210以及空气供应管220。
空气供应设备210是用于向燃料电池堆300供应空气(其是本发明的“氧化气体”的一个示例)的设备，并且是本发明的“供应装置”的一个示例。空气供应设备210设置有未示出的风扇，并可通过控制设备100控制风扇的旋转量来改变空气的供应量。供应管220是连接空气供应设备210及下述空气进气歧管320的管道或管路。此外，在空气供应设备210中于供应管220的相对侧设置有用于从外部获取空气并将其供应至空气供应设备210的供应源，但该供应源并未示出。
燃料电池堆300是本发明的“空气冷却式燃料电池”的一个示例，其设置有：多个燃料电池310(在图1中未示出)；空气进气歧管320；空气排气歧管330；氢气进气歧管340；以及氢气排气歧管350。
空气进气歧管320设置成与供应管220连通，且可汇集从空气供应设备210供应的空气并将其供应至各个燃料电池310。空气排气歧管330设置成汇集在各个燃料电池310上使用后的空气并将其供应至未示出的空气排放系统。氢气进气歧管340设置成汇集从未示出的氢气供应系统供应的氢气，并将其供应至各个燃料电池310。氢气排气歧管350设置成汇集在各个燃料电池310上使用后的氢气，并将其供应至未示出的氢气排气系统。
在图2中，将燃料电池(以下依需要称为“单元电池”)310沿示出的层叠方向顺次设置，且每个燃料电池均构成本发明的“单元电池”的一个示例。
单元电池310设置有：MEA(膜电极组件)311；隔离器312；氢气通道部(即，氢气流经的通路)313；发电空气通道部(即，发电用空气流经的通路)314；以及冷却空气通道部(即，冷却用空气流经的通路)315。
MEA 311设置有：阳极电极；阴极电极；以及夹在成对电极之间的电解质膜。MEA 311设置成使供应至阴极电极的空气与供应至阳极电极的氢气经由电解质膜进行电化学反应来产生电动势。
隔离器312是局部具有导电性的构件。氢气通道部313、发电空气通道部314以及冷却空气通道部315独立地形成在隔离器312内部。
氢气通道部313设置成用作用于使发电用氢气在隔离器312在层叠方向上的一个边缘部分中流动的通道。此外，氢气通道部313的通道形成为沿着图2的箭头C的方向延伸的多个线性通道。从氢气进气歧管340流动的氢气通过氢气通道部313排出至氢气排气歧管350。
发电空气通道部314是本发明的“第二通道部”的一个示例，并且设置成用作用于使发电用空气在隔离器312在层叠方向上的另一个边缘部分中流动的通道。冷却空气通道部315形成在氢气通道部313与发电空气通道部314之间。冷却空气通道部315是本发明的“第一通道”的一个示例，并且设置成用作用于使冷却用空气流动以冷却单元电池310的通道。冷却空气通道部315由彼此相邻的两个单元电池310共用。发电空气通道部314与冷却空气通道部315的通道均形成为沿着与图2的纸面垂直的方向延伸的多个线性通道。
参考图3，图3(a)示出了示出发电空气通道部314的剖面，而图3(b)示出了示出冷却空气通道部315的剖面。此外，在图3中，为了方便起见，这两个剖面示出为图1中的B-B’剖面视图。
在图3(a)中，发电空气通道部314具有与隔离器312的区域部312a中的空气进气歧管320连通的连通开口314a，并具有与隔离器312的区域部312b中的空气排气歧管330连通的连通开口314b。发电空气通道部314具有以下结构，从连通开口314a流动的发电用空气通过线性通道沿着图示的箭头a所示的流路通过线性通道流到连通开口314b。
在图3(b)中，冷却空气通道部315具有与在隔离器312的区域部312a中的空气进气歧管320连通的连通开口315a，并具有与在隔离器312的区域部312b中的空气排气歧管330连通的连通开口315b。冷却空气通道部315具有以下结构，从连通开口315a流动的冷却用空气沿着图示的箭头b所示的流路通过线性通道流到连通开口315b。
如图3所示，从大的范围来看，各个通道部设置成发电用空气以及冷却用空气两者均从隔离器312的空气部312a向空气部312b流动。换言之，设置成在各个单元电池310上发电用空气及冷却用空气从相同侧流动。
可变阀400布置在空气进气歧管320中，并且是可在控制设备100的控制下移动的可动阀。通过示出的位置d及e来界定可变阀400的可移动范围。随着可变阀400接近位置d，冷却用空气量相对增大，并且随着可变阀400接近位置e，发电用空气量相对增大。换言之，可变阀400设置成取决于其停止位置来改变流入发电空气通道部314的空气与流入冷却空气通道部315的空气的分配比率。
返回图1，温度传感器500是本发明的“温度检测装置”的一个示例，并且设置成检测任意一个单元电池310的温度。在本实施例中，采用由温度传感器500检测得到的单元电池温度作为构成燃料电池堆300的全部单元电池310的温度。
<实施例的工作>
以下将描述具有上述结构的空气冷却式燃料电池系统10的工作。
<空气冷却式燃料电池系统10的基本工作>
首先将描述空气冷却式燃料电池系统10的基本工作。
在空气冷却式燃料电池系统10工作时，控制设备100控制用于供应氢气的氢气供应系统以向氢气进气歧管340供应氢气。将供应的氢气从氢气进气歧管340向隔离器312中的氢气通道部313供应。供应至氢气通道部313的氢气在构成MEA 311的阳极电极中的扩散层(即，用于气体扩散的层)中扩散，并到达阳极侧催化剂。
另一方面，控制设备100控制空气供应设备210以向空气进气歧管320供应空气。将供应的空气从空气进气歧管320向隔离器312中的发电空气通道部314以及冷却空气通道部315供应。此时，通过可变阀400的位置来控制发电空气通道部314与冷却空气通道部315的空气分配比率。通常，控制设备100将可变阀400的位置设定为接近图3中位置e的位置。换言之，将可变阀400控制成定位在流入发电空气通道部314的空气量更大的位置。流入发电空气通道部314的空气在构成MEA 311的阴极电极中的扩散层(即，用于空气扩散的层)中扩散，并到达阴极侧催化剂。
已经到达阳极侧催化剂的氢气通过以下化学方程式(1)所示的反应被分离为电子及质子。电子通过外部电路从阳极电极到达阴极电极。同时，质子通过电解质膜移动至阴极电极。
H2→2H++2e-化学方程式(1)
另一方面，在阴极电极发生以下化学方程式(2)所示的反应。即，供应至扩散层的空气中的氧分子接受已经通过外部电路的电子，由此形成氧离子。同时，氧离子与氢离子结合，由此形成水，然后将水排出。
2H++2e-+(1/2)O2→H2O    化学方程式(2)
在各个单元电池310中，此类型的电化学反应均产生电动势(即，产生电流或电能)。最终，通过预定负载取出电动势作为燃料电池堆300的输出。
<空气冷却式燃料电池系统10中的温度控制>
单元电池310在上述发电过程中发热。在这里，参考图4，将讨论单元电池温度与单元电池电压之间的关系。图4是在单元电池310的各个温度下的单元电池电压的特性曲线。
在图4中，纵轴示出单元电池电压，而横轴示出发电用空气的化学计量比。此外，假设由纵轴所示的单元电池电压替代地表示本发明中的“单元电池发电量”。如图4所示，随着单元电池温度升高，总体上单元电池电压趋于减小。因此，需要适当地对空气冷却式燃料电池系统10中的单元电池温度进行控制。在空气冷却式燃料电池系统10中，控制设备100进行温度控制处理，且单元电池310的温度在温度控制处理中受控。此外，单元电池310通常在化学计量比大于1的区域内工作。
这里，参考图5，将详细描述温度控制处理。图5是示出温度控制处理的流程图。
在图5中，首先控制设备100获得单元电池温度(步骤A10)。控制设备100以恒定时机监视温度传感器500的输出，并获得作为单元电池温度的输出。如果获得了单元电池温度，则控制设备100判定单元电池温度是否大于目标温度Ta(步骤A11)。
现在再参考图4，将描述“目标温度”。在空气冷却式燃料电池中，如果设置成如本实施例所示发电用空气与冷却用空气从相同侧流动，则存在包括温度T1，T2及T3(T3＞T2＞T1)的温度区域(如示出的“温度组TG1”)，其中单元电池电压相对于发电用空气的化学计量比的变化比较小，并存在包括温度T4及T5(T5＞T4＞T3)的温度区域(如示出的“温度组TG2”)，其中单元电池电压的变化比较大。
如果单元电池310在属于温度组TG2的温度下(例如，温度T4或T5)工作，则单元电池电压易于变得不稳定。在本实施例中，设定阈值温度Tth(T3＜Tth＜T4)作为用于界定温度组TG1与温度组TG2之间界限的温度。阈值Tth以可由控制设备100预先参照的形式存储。在本实施例中，设定单元电池310的目标温度Ta作为低于阈值温度Tth的温度。目标温度Ta与阈值温度Tth一样，也以可由控制设备100预先参照的形式存储。此外，在低于阈值温度Tth的温度范围内，根据试验、经验、或基于模拟等将目标温度Ta预先设定为最佳值。
返回图5，如果单元电池温度等于或低于目标温度Ta(步骤A11：否)，则控制设备100使处理返回至步骤A10，并重复获得单元电池温度。同时，如果单元电池温度变得大于目标温度Ta(步骤A11：是)，则控制设备100判定单元电池温度是否低于阈值温度Tth(步骤A12)。
如果单元电池温度低于阈值温度Tth(步骤A12：是)，则控制设备100控制空气供应设备210以增大空气供应(步骤A13)。在供应空气量增大的情况下，供应至空气进气歧管320的空气量增大。随后，流入冷却空气通道部315的空气量增大。因此，冷却了单元电池310，从而单元电池温度降低。
另一方面，在空气供应增大的情况下，发电用空气量也增大。这里，大于目标温度Ta且小于阈值温度Tth的单元电池温度是属于图4中温度组TG1的温度。在属于温度组TG1的温度下，单元电池电压相对于单元电池310中发电用空气的化学计量比的变化比较小。因此，即使发电用空气随着冷却用空气的增加而增加，单元电池310的发电状态也不会显著改变到产生问题的程度。此外，例如，在温度T1下，单元电池电压相对于化学计量比趋于增大。在此情况下，因发电用空气的增加而引起单元电池电压的增大，且单元电池的发电损耗减小，由此降低了单元电池温度。换言之，可以有效地冷却单元电池。
返回图5，如果单元电池温度等于或大于阈值温度Tth(步骤A12：否)，则控制设备100控制可变阀400以改变供应空气的分配比率(步骤A14)。
这里，等于或大于阈值温度Tth的单元电池温度是属于图4中温度组TG2的温度。在属于温度组TG2的温度下，单元电池电压相对于化学计量比的变化比较大，且随着化学计量比的增大单元电池电压比较大地减小。因此，在此情况下，如果如根据步骤A13的处理那样简单地整体增大供应空气，则难以防止单元电池电压降低。因此，控制设备100控制可变阀400以改变供应至空气进气歧管320的空气的分配比率，由此增加流入冷却空气通道部315的空气。此时，将可变阀400的位置控制成接近图3中的位置d。随之增加了流入冷却空气通道部315的空气量。由此，加速了对单元电池310的冷却，单元电池温度从而迅速降低。此外，此时，减小了流入发电空气通道部314的空气量。但是，如图4清楚可见，即使发电用空气减少，单元电池电压也几乎不会劣化，因此不会存在问题。
如果通过根据步骤A13或步骤A14的处理加速了对单元电池310的冷却，则处理返回至步骤A10，并继续对单元电池温度进行监视。
如上所述，根据本实施例的空气冷却式燃料电池系统10，即使在其中单元电池电压相对于化学计量比变化较大的温度区域中，通过可变阀400的工作，也可以不减小单元电池电压而降低单元电池温度。
此外，可以预先根据试验、经验或基于模拟等来将单元电池温度与目标温度Ta之间的差与由空气供应设备210供应的空气供应彼此相互关联或对应，并可将两者以可由控制设备100参照的方式进行存储。在此情况下，在根据步骤A13的处理中，根据需要，控制设备100可基于该对应关系来控制空气供应设备210。或者，控制设备100可控制空气供应设备210以从当前的状况简单地增大空气量。即使在此情况下，也可以通过从步骤A10开始的一系列回路处理容易地将单元电池温度会聚至目标温度Ta。
此外，可以预先根据试验、经验或基于模拟等来将单元电池温度与目标温度Ta之间的差与可变阀400的分配比率(或者实现分配比率的控制量)彼此相互关联或对应，并可将两者以可由控制设备100参照的方式进行存储。在此情况下，在根据步骤A14的处理中，根据需要，控制设备100可基于该对应关系来控制可变阀400。或者，控制设备100可控制可变阀400以从当前的状况简单地增大流入冷却空气通道部315的空气量。即使在此情况下，也可以通过从步骤A10开始的一系列回路处理容易地将单元电池温度会聚至目标温度Ta。
此外，在上述步骤A14中，控制设备100可在控制可变阀400之外还控制空气供应设备210，以增大空气本身的供应。此时，通过控制空气供应设备210，使得通过空气供应设备210使流入发电空气通道部314的空气量的增大与通过可变阀400使流入发电空气通道部314的空气量的减小相抵消，也可以有效地增加冷却用空气而不增加发电用空气。此外，在上述步骤A13中，除了控制空气供应设备210之外还可控制可变阀400，由此改变空气进气歧管320中的空气分配比率。
此外，在本实施例中，将目标温度Ta及阈值温度Tth预设为固定值。但是，因为单元电池310的性能容易随着时间发生变化，故如果该温度为固定值，则在某些情况下会难以有效地冷却单元电池。着眼于此，本系统可以设置成根据需要可以由控制设备100来设定目标温度Ta及阈值温度Tth。换言之，控制设备100可以设置成用作本发明的“目标温度设定装置”的一个示例及“阈值温度设定装置”的一个示例。在此情况下，例如通过管理单元电池温度及单元电池电压等的历史，可以针对单元电池310当前时间点的状态重新设定最佳目标温度及最佳阈值温度。
本发明并不限于上述实施例，如果需要，在不脱离本发明的本质或精神(其可通过阅读权利要求及说明书理解)的情况下，可以进行各种改变。本发明的技术范围还意在涵盖涉及上述改变的空气冷却式燃料电池系统。
工业实用性
根据本发明的空气冷却式燃料电池系统可应用于空气冷却式燃料电池系统，其安装在车辆上并设置有空气冷却式燃料电池(其中使用氧化气体用于发电及冷却)。

Claims (4)

1.一种空气冷却式燃料电池系统，包括：
空气冷却式燃料电池，其具有单元电池，在所述单元电池中形成用于使冷却用氧化气体流动的第一通道部以及用于使发电用氧化气体流动的第二通道部，使得所述冷却用氧化气体以及所述发电用氧化气体从相同侧流动；
供应装置，其用于供应氧化气体；以及
分配装置，其用于以可变分配比率将所供应的氧化气体作为所述冷却用氧化气体以及所述发电用氧化气体分别分配给所述第一通道部以及所述第二通道部。
2.根据权利要求1所述的空气冷却式燃料电池系统，还包括：
温度检测装置，其用于检测所述单元电池的温度；以及
控制装置，(i)如果所检测的温度低于阈值温度并且如果所检测的温度高于目标温度，则所述控制装置用于控制所述分配装置以及所述供应装置中至少一者，以增加所述冷却用氧化气体以及所述发电用氧化气体中至少一者，并且(ii)如果所检测的温度等于或高于所述阈值温度，则所述控制装置用于控制所述分配装置以不增加所述发电用氧化气体但增加所述冷却用氧化气体，其中，所述阈值温度界定相应于所述发电用氧化气体的化学计量比的变化而发生的所述单元电池的发电量变化较小的温度区域，所述目标温度预先设定为低于所述阈值温度的温度。
3.根据权利要求2所述的空气冷却式燃料电池系统，还包括：
目标温度设定装置，其用于根据所述空气冷却式燃料电池的状态来设定所述目标温度。
4.根据权利要求2或3所述的空气冷却式燃料电池系统，还包括：
阈值温度设定装置，其用于根据所述空气冷却式燃料电池的状态来设定所述阈值温度。
CNB2006800077064A 2005-03-10 2006-03-10 空气冷却式燃料电池系统 Expired - Fee Related CN100541892C (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP067492/2005 2005-03-10
JP2005067492A JP4770208B2 (ja) 2005-03-10 2005-03-10 空冷式燃料電池システム

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN101138115A CN101138115A (zh) 2008-03-05
CN100541892C true CN100541892C (zh) 2009-09-16

Family

ID=36953760

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CNB2006800077064A Expired - Fee Related CN100541892C (zh) 2005-03-10 2006-03-10 空气冷却式燃料电池系统

Country Status (7)

Country Link
US (1) US20080193812A1 (zh)
EP (1) EP1856754B1 (zh)
JP (1) JP4770208B2 (zh)
KR (1) KR101133698B1 (zh)
CN (1) CN100541892C (zh)
CA (1) CA2600817C (zh)
WO (1) WO2006095926A2 (zh)

Families Citing this family (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5403971B2 (ja) * 2008-08-06 2014-01-29 京セラ株式会社 燃料電池システム
KR101090715B1 (ko) 2009-05-27 2011-12-08 현대자동차주식회사 연료전지의 공기 공급량 제어 방법
JP5645375B2 (ja) * 2009-07-17 2014-12-24 三菱重工業株式会社 コンバインド発電システム
JP5508625B2 (ja) * 2009-12-14 2014-06-04 トヨタ自動車株式会社 車両の制御装置及び車両の制御方法
JP5516229B2 (ja) * 2010-08-24 2014-06-11 スズキ株式会社 空冷式燃料電池の吸気装置
CN102751526B (zh) * 2011-04-21 2014-06-11 李铁流 氢燃料电池及其系统及动态变湿度控制方法
JP5652719B2 (ja) * 2011-05-02 2015-01-14 スズキ株式会社 燃料電池車両
JP5810753B2 (ja) * 2011-08-31 2015-11-11 スズキ株式会社 燃料電池車両
WO2013128727A1 (ja) * 2012-02-28 2013-09-06 日本電気株式会社 調整機器制御システム、調整機器制御方法および記録媒体
EP2675007A1 (en) 2012-06-11 2013-12-18 HTceramix S.A. A gas flow dividing element
EP2675005A1 (en) 2012-06-11 2013-12-18 HTceramix S.A. Gas distribution element for a fuel cell
EP2675006A1 (en) 2012-06-11 2013-12-18 HTceramix S.A. Gas distribution element with a supporting layer
DE102013017541A1 (de) 2013-10-22 2015-04-23 Daimler Ag Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben
US20170162884A1 (en) * 2014-07-17 2017-06-08 FCO Power, Inc. Stack structure for planar solid oxide fuel cell and system for solid oxide fuel cell
WO2017149561A1 (ja) * 2016-03-01 2017-09-08 株式会社 東芝 電気化学装置および水素電力貯蔵システム
JP6402740B2 (ja) 2016-04-28 2018-10-10 トヨタ自動車株式会社 燃料電池
JP7096067B2 (ja) * 2018-05-24 2022-07-05 国立大学法人東海国立大学機構 燃料電池観察装置
WO2020175218A1 (ja) * 2019-02-28 2020-09-03 京セラ株式会社 燃料電池装置

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS63276878A (ja) * 1987-04-09 1988-11-15 Mitsubishi Electric Corp 空冷式燃料電池の制御装置
JPH02119060A (ja) * 1988-10-28 1990-05-07 Yamaha Motor Co Ltd 燃料電池発電装置
US5019463A (en) * 1989-10-26 1991-05-28 Yamaha Hatsudoki Kabushiki Kaisha Fuel cell system
US6218038B1 (en) * 1999-08-24 2001-04-17 Plug Power, Inc. Regulating a flow through a fuel cell
US6562496B2 (en) * 2000-05-01 2003-05-13 Delphi Technologies, Inc. Integrated solid oxide fuel cell mechanization and method of using for transportation industry applications
DE10250759A1 (de) * 2002-10-31 2004-05-19 Buderus Heiztechnik Gmbh Brennstoffzellenanordnung
JP4081428B2 (ja) * 2002-11-26 2008-04-23 本田技研工業株式会社 燃料電池
JP4839565B2 (ja) * 2002-12-12 2011-12-21 ソニー株式会社 燃料電池システム
KR20040069147A (ko) * 2003-01-28 2004-08-04 가부시키가이샤 후라렌 고체고분자형 연료전지 시스템
JP4008848B2 (ja) * 2003-05-29 2007-11-14 本田技研工業株式会社 燃料電池のパージ装置

Also Published As

Publication number Publication date
WO2006095926A3 (en) 2007-02-22
CA2600817C (en) 2010-08-24
JP4770208B2 (ja) 2011-09-14
EP1856754B1 (en) 2013-05-08
CN101138115A (zh) 2008-03-05
CA2600817A1 (en) 2006-09-14
EP1856754A2 (en) 2007-11-21
US20080193812A1 (en) 2008-08-14
KR20070110542A (ko) 2007-11-19
WO2006095926A2 (en) 2006-09-14
JP2006252934A (ja) 2006-09-21
KR101133698B1 (ko) 2012-04-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN100541892C (zh) 空气冷却式燃料电池系统
JP4984534B2 (ja) 燃料電池システム
US8399142B2 (en) Relative humidity profile control strategy for high current density stack operation
US7976991B2 (en) Relative humidity control for a fuel cell
JP4871219B2 (ja) スタック入口のｒｈを増大させるためのシステムレベル調整
US7517600B2 (en) Multiple pressure regime control to minimize RH excursions during transients
US7749632B2 (en) Flow shifting coolant during freeze start-up to promote stack durability and fast start-up
US9385380B2 (en) Fuel cell humidification management method and system
KR101882375B1 (ko) 써모사이폰을 이용하는 연료전지 냉각시스템
US20080075988A1 (en) Fuel cell system and method of controlling a fuel cell system
CN102859770A (zh) 燃料电池系统及抑制燃料电池的发电效率下降的方法
WO2004004034A2 (en) Fuel cell cooling system
JP2007220538A (ja) 燃料電池システム
US20040115491A1 (en) System and method for process gas stream delivery and regulation using open loop and closed loop control
US11489183B2 (en) Fuel cell system and control method thereof
KR102579359B1 (ko) 연료전지를 활용한 독립공간의 공조시스템
US8771884B1 (en) Reactant conditioning scheme for fuel cell systems
KR20240051734A (ko) 드레인밸브 및 연료전지 시스템
US20140377674A1 (en) Fuel cell air flow method and system
CN100361332C (zh) 一种利用常压空气作为氧化剂及冷却剂的燃料电池
JP2006185617A (ja) 燃料電池システム

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20090916

Termination date: 20180310

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee