JP2004171880A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【課題】スタック内で燃料ガスとの反応でできた生成水が酸化剤ガスの流れに沿って送られていくので、酸化剤ガスが最初に供給されるスタックでは水不足が発生し、下流のスタックになるほどフラッディング現象が発生するが、このことを防止する燃料電池システムを提供する。
【解決手段】反応ガスの配管のうち燃料または酸化剤ガスの配管の少なくとも一方の接続を、第N番目(但しNは自然数)のスタックから排出された反応ガスを第N+1番目のスタックへ供給する直列接続とし、直列接続とした反応ガスの配管の最も上流側のスタックの締付圧力を最も高くし、ガスの流れに沿ってスタック締付圧力を順次低くしていく構成とした。
【選択図】 図1
【解決手段】反応ガスの配管のうち燃料または酸化剤ガスの配管の少なくとも一方の接続を、第N番目(但しNは自然数)のスタックから排出された反応ガスを第N+1番目のスタックへ供給する直列接続とし、直列接続とした反応ガスの配管の最も上流側のスタックの締付圧力を最も高くし、ガスの流れに沿ってスタック締付圧力を順次低くしていく構成とした。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数のスタックを有する燃料電池システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の複数のスタックを有する燃料電池システムにおいての反応ガス供給方法及び電気的接続方法については、夫々のスタックの酸化剤ガス配管及び燃料ガス配管の接続を、並列と直列の組み合わせて連結して酸化剤ガス及び燃料ガスを夫々のスタックに供給している。しかも、夫々のスタックの電気的接続を酸化剤ガス配管及び燃料ガス配管の接続方法に対応させて直列と並列の組み合わせにより構成している。さらに、燃料ガス配管の燃料供給側に流量調整手段を設置し、流量調整手段により、上流スタック又は夫々の上流スタックと下流スタック又は夫々の下流スタックの電流密度に応じた適正流量の燃料ガス供給量を分配制御するようにしている(例えば、特許文献1参照。)。
【0003】
【特許文献1】
特開平11−7970号公報(第3―4頁、第1図)
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術では、スタック内で燃料ガスとの反応でできた生成水は酸化剤ガスの流れに沿って送られていくので、酸化剤ガスが最初に供給されるスタックでは水不足が発生し、下流のスタックになるほどフラッディング現象が発生する可能性があった。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため本発明の燃料電池システムは、反応ガスの配管のうち燃料または酸化剤ガスの配管の少なくとも一方の接続を、第N番目(但しNは自然数)のスタックから排出された反応ガスを第N+1番目のスタックへ供給する直列接続とし、直列接続とした反応ガスの配管の最も上流側のスタックの締付圧力を最も高くし、ガスの流れに沿ってスタック締付圧力を順次低くしていく構成とした。
【0006】
【発明の効果】
本発明は、スタック内の水分量を均一にして、スタック内の水不足やフラッディング現象を防止することができる。
【0007】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を以下の図1〜13の図面を用いながら説明する。
【0008】
(第一実施形態)
本発明の第一実施形態を、図1を用いて説明する。図1に、第一実施形態の燃料電池の構成を示す。反応ガスとして酸化剤および燃料ガスを用いる単セル7を複数積層し、積層方向に締付圧力を付与するねじ8を備えたスタック1,2,3を持った燃料電池において、酸化剤ガス配管4は夫々のスタックを直列に接続し、同様に燃料ガス配管5も直列に接続する。酸化剤ガス配管4の最も上流側のスタック1の積層方向の締圧力(締付圧力)を最も高くし、反応ガスの流れに沿ってスタック締付圧力を順次低くしている。また、夫々のスタックに取付けられた+極9の電極同士を配線11で接続し、同様に−極10の電極同士も配線11で接続し、電気的に並列接続にする。また、配線11には負荷6が取付けられている。
【0009】
次に、第一実施形態の作用について説明する。第一番目のスタック1から排出された酸化剤ガスを第二番目のスタック2へ供給する。また同様に、第一番目のスタック1から排出された燃料ガスを第二番目のスタック2へ順次供給する。
【0010】
通常、複数のスタックを備え夫々のスタックを直列に接続した燃料電池システムにおいて、第一番目に酸化剤ガスが供給されるスタックの酸素供給側でできた生成水が、酸化剤ガスによって下流側のスタックまで送られるので、酸化剤ガス中の水分量が酸化剤ガス入口側では最も少なくなり出口側では最も多くなる。
【0011】
第一実施形態では、このことを解決するため、酸化剤ガス中の水分量が少ないスタック1で締付圧力を高くすることで水を抜けにくくし,入口側スタック1での水不足による性能低下を防ぎ、酸化剤ガス中の水分量が多いスタック3では締付圧力を低くすることで酸化剤ガス中の水を抜け易くし、出口側スタック3でのフラッディング現象による性能低下を防ぐことができる。
【0012】
また、夫々のスタックが配線11によって電気的に並列で接続されていることから、夫々のスタックの電流分布はスタックの状況に応じて特別に制御することなく、一時的に入口側スタック1での水不足が発生してスタック1の電圧が低下しても、スタック1の電流が小さくなり、その分スタック2および3の電流が大きくなることにより、出力の低下を起こすことなく運転継続可能である。
【0013】
同様に、出口側スタック3において一時的に、フラッディング現象による性能低下が発生しても、スタック1および2の電流が大きくなり、スタック3の電流が小さくなることにより、出力の低下を起こすことなく運転継続可能である。
【0014】
また、起動開始時に酸化剤ガスが最初に供給されるスタックにのみ加湿を必要とし、それ以降のスタックはスタックで発生する生成水で酸化剤ガスが加湿されて次のスタックに供給されるので、加湿器の小型化が可能となる。
【0015】
(第二実施形態)
本発明の第二実施形態を、図2を用いて説明する。第二実施形態の基本的な構成は、図1の第一実施形態と同じである。
【0016】
次に、第二実施形態の作用を説明する。基本的な作用は、図1の第一実施形態と同じである。異なる点は、酸化剤ガスはスタック1から順次、スタック2、スタック3へと供給され、燃料ガスは、スタック3から順次、スタック2、スタック1へと供給される点である。
【0017】
通常、複数のスタックを備え夫々のスタックを直列に接続した燃料電池システムにおいて、スタックの酸化剤ガス側でできる生成水が燃料ガス側に浸透することがあるので、第一番目に燃料ガスが供給されるスタックで酸化剤側から燃料ガス側に浸透した生成水は、燃料ガスによって下流側に送られ、燃料ガス中の水分量が燃料ガス入口側では最も少なくなり出口側では最も多くなる。
【0018】
第二実施形態では、このことを解決するため、酸化剤ガスと燃料ガスを本実施形態のように供給することで、締付圧力が高いスタック1では、酸化剤ガス側の水分量の少なく、燃料ガス側の水分量が多くなり、締付圧力が低いスタック3では、酸化剤ガス側の水分量の多く、燃料ガス側の水分量が少なくなるので、夫々のスタック中で水分交換がなされ、水分量が均一化するので、上記問題を解決することができる。
【0019】
(第三実施形態)
本発明の第三実施形態を、図3を用いて説明する。基本的な構成は、図1の第一実施形態と同じである。
【0020】
第三実施形態では、夫々のスタックをつないでいる配線11にスタック毎に直流電流検出手段16を持つ点と、最初に反応ガスが送られるスタック1以外のスタック2,3にも、反応ガスを直接供給できる直接供給配管として酸化剤ガス供給配管12、燃料ガス供給配管14と、反応ガスの流量を調節できる酸化剤ガス用バルブ13、燃料ガス用バルブ15を備える点が異なる。
【0021】
次に、第三実施形態の作用を説明する。基本的な作用は、図1の第一実施形態と同じである。図4,5,6,7に、第三実施形態の燃料電池システムのシステムフローチャートを示す。図4,5,6,7に示すシステムフローチャートで、スタックに異常があると判断された場合、酸化剤ガス供給配管12或いは燃料ガス配管14から酸化剤ガス用バルブ13或いは燃料ガス用バルブ15を開き、該当スタックへ酸化剤ガス或いは燃料ガスを供給する。このシステムフローチャートは、起動中に設定時間毎(例えば10ms毎)に繰り返し実行される。
【0022】
ステップ101では、タイマAが作動しているかを判断し、タイマAが作動している場合はステップ110に進み、タイマAが作動していない場合はステップ102に進む。
ステップ102では、タイマBが作動しているかを判断し、タイマBが作動している場合はステップ116に進み、タイマBが作動していない場合はステップ103に進む。
【0023】
ステップ103では、タイマCが作動しているかを判断し、タイマCが作動している場合はステップ122に進み、タイマCが作動していない場合はステップ104に進む。
ステップ104では、フラグが1であるかを判断し、フラグが1の場合はステップ127に進み、フラグが1でない場合はステップ105に進む。
【0024】
ステップ105では、何れかのスタックの直流電流が低下しているかを判断し、何れかのスタックの直流電流が低下している場合はステップ106に進み、何れのスタックも直流電流が低下していない場合はステップ127に進む。
ステップ106では、一つのスタックで直流電流が低下しているかを判断し、一つのスタックで直流電流が低下している場合はステップ108に進み、二つ以上のスタックで直流電流が低下している場合はステップ125に進む。
【0025】
ステップ108では、タイマAを作動する。
ステップ109では、該当スタックに燃料ガスを直接供給する。
ステップ110では、タイマAの設定時間が経過したかを判断し、タイマAの設定時間が経過した場合はステップ111に進み、タイマAの設定時間が経過していない場合はステップ127に進む。
【0026】
ステップ111では、タイマAをリセットする。
ステップ112では、該当スタックへの燃料ガスの直接供給を停止する。
ステップ113では、該当スタックの直流電流の低下が解消されたかを判断し、該当スタックの直流電流の低下が解消された場合はステップ127に進み、該当スタックの直流電流の低下が解消されていない場合はステップ114に進む。
【0027】
ステップ114では、タイマBを作動する。
ステップ115では、該当スタックに酸化剤ガスを直接供給する。
ステップ116では、タイマBの設定時間が経過したかを判断し、タイマBの設定時間が経過した場合はステップ117に進み、タイマBの設定時間が経過していない場合はステップ127に進む。
【0028】
ステップ117では、タイマBをリセットする。
ステップ118では、該当スタックへの酸化剤ガスの直接供給を停止する。
ステップ119では、該当スタックの直流電流の低下が解消したかを判断し、該当スタックの直流電流の低下が解消された場合はステップ127に進み、該当スタックの直流電流の低下が解消されていない場合はステップ120に進む。
【0029】
ステップ120では、タイマCを作動する。
ステップ121では、燃料ガス及び酸化剤ガスの利用率(SR)を増加する。
ステップ122では、タイマCの設定時間が経過したかを判断し、タイマCの設定時間が経過した場合はステップ123に進み、タイマBの設定時間が経過していない場合はステップ127に進む。
【0030】
ステップ123では、タイマCをリセットする。
ステップ124では、該当スタックの直流電流の低下が解消したかを判断し、該当スタックの直流電流の低下が解消された場合はステップ127に進み、該当スタックの直流電流の低下が解消されていない場合はステップ125に進む。
ステップ125では、最大負荷制約運転或いは最低SR制約運転を行う。
ステップ126では、フラグを1にする。
ステップ127では、この制御フローを終了する。
【0031】
このように第三実施形態では、
フラッディングが起きると、該スタックの電気的化学反応が起こりにくくなるため、該スタックで直流電流が低下し続けるという特性を用いて、複数個スタックを有する燃料電池システムにおいて、夫々のスタックの直流電流の変化を直流電流検出手段16でモニターすることで、複数個の内一つのスタックで直流電流が低下し続けている場合、フラッディングが起きているかを判断することができる。
【0032】
また、フラッディングを起こしているスタックに、酸化剤ガス配管9或いは燃料ガス配管11から酸化剤ガス用バルブ13或いは燃料ガス用バルブ15を開き、該当スタックへ酸化剤ガス或いは燃料ガスを供給することで、余分な水を吹き飛ばし、正常な運転に戻すことができる。
【0033】
(第四実施形態)
本発明の第四実施形態を、図8を用いて説明する。基本的な構成は、図1の第一実施形態と同じである。異なる点は、第一実施形態に加え、夫々のスタックをつなぐ燃料ガス、及び酸化ガス配管4,5の夫々に湿度検出装置18と、夫々のセル電圧を測定することができるセル電圧測定装置17を取付けた点である。
【0034】
また、最初に反応ガスが送られるスタック1以外のスタック2,3にも、反応ガスを直接供給できる直接供給配管として酸化剤ガス供給配管12、燃料ガス供給配管14と、反応ガスの流量を調節できる酸化剤ガス用バルブ13、燃料ガス用バルブ15を備える点が異なる。
【0035】
次に、第四実施形態の作用について説明する。基本的な作用は、図1の第一実施形態と同じである。図9,10,11に、第四実施形態の燃料電池システムのシステムフローチャートを示す。図9,10,11に示すシステムフローチャートで、スタックに異常があると判断された場合、酸化剤ガス配管9或いは燃料ガス配管11から酸化剤ガス用バルブ13或いは燃料ガス用バルブ15を開き、該当スタックへ酸化剤ガス或いは燃料ガスを供給する。このシステムフローチャートは起動中に設定時間毎(例えば10ms毎)に繰り返し実行される。
【0036】
ステップ201では、タイマDが作動しているかを判断し、タイマDが作動している場合はステップ208に進み、タイマDが作動していない場合はステップ202に進む。
ステップ202では、タイマEが作動しているかを判断し、タイマEが作動している場合はステップ214に進み、タイマEが作動していない場合はステップ203に進む。
ステップ203では、フラグが1であるかを判断し、フラグが1である場合はステップ221に進み、フラグが1でない場合はステップ204に進む。
【0037】
ステップ204では、何れかのスタック出口のガス相対湿度が低下しているかを判断し、何れかのスタック出口の相対湿度が低下している場合はステップ205に進み、何れのスタック出口の相対湿度も低下していない場合はステップ221に進む。
ステップ205では、該当スタックが基準相対湿度以上であるかを判断し、該当スタックが基準相対湿度以上である場合はステップ221に進み、該当スタックが基準相対湿度以上ではない場合はステップ206に進む。
【0038】
ステップ206では、タイマDを作動する。
ステップ207では、該当スタックへ酸化剤ガスの直接供給を行う。
ステップ208では、タイマDの設定時間が経過したかを判断し、タイマDの設定時間を経過した場合はスタップ209に進み、タイマDの設定時間が経過していない場合はステップ221に進む。
【0039】
ステップ209では、タイマDをリセットする。
ステップ210では、該当スタックへの酸化剤ガスの直接供給を停止する。
ステップ211では、該当スタックが基準相対湿度以上であるかを判断し、該当スタックが基準相対湿度以上である場合はステップ221に進み、該当スタックが基準相対湿度以上でない場合はステップ212に進む。
【0040】
ステップ212では、タイマEを作動する。
ステップ213では、該当スタックへ酸化剤ガスの直接供給を行う。
ステップ214では、タイマEの設定時間が経過したかを判断し、タイマEの設定時間を経過した場合はスタップ215に進み、タイマEの設定時間が経過していない場合はステップ221に進む。
【0041】
ステップ215では、タイマEをリセットする。
ステップ216では、該当スタックへの酸化剤ガスの直接供給を停止する。
ステップ217では、該当スタックが基準相対湿度以上であるかを判断し、該当スタックが基準相対湿度以上である場合はステップ221に進み、該当スタックが基準相対湿度以上でない場合はステップ218に進む。
【0042】
ステップ218では、該当スタックが基準セル電圧以上であるかを判断し、該当スタックが基準セル電圧以上である場合はステップ221に進み、該当スタックが基準セル電圧以上でない場合はステップ219に進む。
ステップ219では、最大負荷制約運転或いは最低SR制約運転を行う。
ステップ220では、フラグを1にする。
ステップ221では、この制御フローを終了する。
【0043】
このように第四実施形態では、
夫々のスタックをつなぐ酸化剤ガス、及び燃料ガス配管の夫々に湿度検出装置18を取付けることで、夫々のスタック出口ガス中の相対湿度を検出し、相対湿度の低下、若しくは上昇をモニターでき、スタック内にある電解質が乾燥しているかを判断できる。
【0044】
そして、異常が判断されたスタックに、酸化剤ガス配管9或いは燃料ガス配管11から酸化剤ガス用バルブ13或いは燃料ガス用バルブ15を開き、該当スタックへ酸化剤ガス或いは燃料ガスを供給することで、電解質の乾燥を防ぎ、電気化学反応の安定化や、電解質の破損を防止でき、安定した発電を行うことが可能となる。
【0045】
また、夫々のスタックにセル電圧測定装置17を取付け、夫々のスタックの電圧をモニターすることで、上記問題が解決しない場合、最大負荷制約運転或いは最低SR制約運転を行うことができる。
【0046】
また、本実施形態では、酸化剤ガスを直接供給したが、燃料ガスでも同様の効果を得ることができる。
【0047】
(第五実施形態)
本発明の第五実施形態を、図12を用いて説明する。基本的な構成は、図1の第一実施形態と同じである。異なる点は、第一実施形態に加え,夫々のスタック間の直流電気回路に電流遮断器(ブレーカ)21,22、電気抵抗が変更可能な可変抵抗20を、また湿度検出装置18、温度計19を並列回路6に取付けた点である。
【0048】
次に、第五実施形態の作用を説明する。基本的な作用は、図1の第一実施形態と同じである。図13に、第五実施形態の燃料電池システムのシステムフローチャートを示す。このシステムフローチャートは起動中に設定時間毎(例えば10ms毎)に繰り返し実行される。
【0049】
ステップ301では、スタック1が発電状態であるか判断し、スタック1が発電状態である場合はステップ303に進み、スタック1が発電状態でない場合はステップ302に進む。
ステップ302では、スタック1の発電を行い、ステップ303に進む。
ステップ303では、スタック1の出口ガス温度が設定温度T1以上であるか判断し、スタック1の出口ガス温度が設定温度T1以上である場合はステップ304に進み、スタック1の出口ガス温度が設定温度T1以上でない場合はステップ315に進む。
【0050】
ステップ304では、スタック1の出口ガス湿度が設定湿度H1以上であるか判断し、スタック1の出口ガス湿度が設定湿度H1以上である場合はステップ305に進み、スタック1の出口ガス湿度が設定湿度H1以上でない場合はスタップ315に進む。
ステップ305では、ブレーカ21が接続状態か判断し、ブレーカ21が接続状態である場合はステップ307に進み、ブレーカ21が接続状態でない場合はステップ306に進む。
【0051】
ステップ306では、ブレーカ21を接続し、ステップ307に進む。
ステップ307では、スタック2が発電状態か判断し、スタック2が発電状態である場合はステップ309に進み、スタック2が発電状態でない場合はステップ308に進む。
ステップ308では、スタック2を発電し、ステップ309に進む。
【0052】
ステップ309では、スタック2の出口ガス温度が設定温度T2以上か判断し、スタック2の出口ガス温度が設定温度T2以上である場合はステップ310に進み、スタック2の出口ガス温度が設定温度T2以上でない場合はステップ315に進む。
ステップ310では、スタック2の出口ガス湿度が設定湿度H2以上であるか判断し、スタック2の出口ガス湿度が設定湿度H2以上である場合はステップ311に進み、スタック2の出口ガス湿度が設定湿度H2以上でない場合はステップ315に進む。
【0053】
ステップ311では、ブレーカ22が接続状態か判断し、ブレーカ22が接続状態である場合はステップ313に進み、ブレーカ22が接続状態でない場合はステップ312に進む。
ステップ312では、ブレーカ22を接続し、ステップ313に進む。
ステップ313では、スタック3が発電状態か判断し、スタック3が発電状態である場合はステップ315に進み、スタック3が発電状態でない場合はステップ314に進む。
ステップ314では、スタック3を発電し、ステップ315に進む。
ステップ315では、この制御フローを終了する。
【0054】
このように第五実施形態では、
特に起動時に、一つのスタックのみで発電し、水分を含んだ排酸化剤で下流のスタックを昇温することにより、スタックの安定性を向上させることが可能であると同時に、スタックを順次発電状態にする際に、電圧の異なるスタックを接続することによる瞬間的な大電流を防止し、起動時に不連続状態をつくらずに起動することが可能である。
【0055】
また、ブレーカ21,22接続時に、可変抵抗20の抵抗を最大にして接続することで、接続時にスタック1にかかる逆方向の電流、及びスタック2にかかる急激な電流印加を避け、スタックにかかる負担を軽減する。
【0056】
そして、本実施形態では可変抵抗を用いたがコンデンサなどの蓄電手段を用いても同様の効果を得ることができる。
【0057】
以上、第一実施形態から第五実施形態は、本実施形態はスタック3基が接続された例として示してあるが、あらゆる複数個のスタックの接続に対して適用可能である。また、第三実施形態から第五実施形態は、燃料ガス,及び酸化剤ガスの両方を直列接続したが、燃料ガス、または酸化剤ガスのどちらか一方でも稼動でき、反応ガスを第二実施形態のように供給しても同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係わる第一実施形態の燃料電池の構成図である。
【図2】本発明に係わる第二実施形態の燃料電池の構成図である。
【図3】本発明に係わる第三実施形態の燃料電池の構成図である。
【図4】本発明に係わる第三実施形態のシステムフローチャートである。
【図5】本発明に係わる第三実施形態のシステムフローチャートである。
【図6】本発明に係わる第三実施形態のシステムフローチャートである。
【図7】本発明に係わる第三実施形態のシステムフローチャートである。
【図8】本発明に係わる第四実施形態の燃料電池の構成図である。
【図9】本発明に係わる第四実施形態のシステムフローチャートである。
【図10】本発明に係わる第四実施形態のシステムフローチャートである。
【図11】本発明に係わる第四実施形態のシステムフローチャートである。
【図12】本発明に係わる第五実施形態の燃料電池の構成図である。
【図13】本発明に係わる第五実施形態の燃料電池のシステムフローチャートである。
【符号の説明】
1 スタック1
2 スタック2
3 スタック3
4 酸化剤ガス配管
5 燃料ガス配管
6 負荷
7 単セル
8 ねじ
9 +極
10 −極
11 配線
12 酸化剤ガス供給配管
13 酸化剤ガス用バルブ
14 燃料ガス供給配管
15 燃料ガス用バルブ
16 直流電流検出手段
17 セル電圧測定装置
18 湿度検出装置
19 温度計
20 可変抵抗
21 電流遮断器(ブレーカ)
22 電流遮断器(ブレーカ)
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数のスタックを有する燃料電池システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の複数のスタックを有する燃料電池システムにおいての反応ガス供給方法及び電気的接続方法については、夫々のスタックの酸化剤ガス配管及び燃料ガス配管の接続を、並列と直列の組み合わせて連結して酸化剤ガス及び燃料ガスを夫々のスタックに供給している。しかも、夫々のスタックの電気的接続を酸化剤ガス配管及び燃料ガス配管の接続方法に対応させて直列と並列の組み合わせにより構成している。さらに、燃料ガス配管の燃料供給側に流量調整手段を設置し、流量調整手段により、上流スタック又は夫々の上流スタックと下流スタック又は夫々の下流スタックの電流密度に応じた適正流量の燃料ガス供給量を分配制御するようにしている(例えば、特許文献1参照。)。
【0003】
【特許文献1】
特開平11−7970号公報(第3―4頁、第1図)
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術では、スタック内で燃料ガスとの反応でできた生成水は酸化剤ガスの流れに沿って送られていくので、酸化剤ガスが最初に供給されるスタックでは水不足が発生し、下流のスタックになるほどフラッディング現象が発生する可能性があった。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため本発明の燃料電池システムは、反応ガスの配管のうち燃料または酸化剤ガスの配管の少なくとも一方の接続を、第N番目(但しNは自然数)のスタックから排出された反応ガスを第N+1番目のスタックへ供給する直列接続とし、直列接続とした反応ガスの配管の最も上流側のスタックの締付圧力を最も高くし、ガスの流れに沿ってスタック締付圧力を順次低くしていく構成とした。
【0006】
【発明の効果】
本発明は、スタック内の水分量を均一にして、スタック内の水不足やフラッディング現象を防止することができる。
【0007】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を以下の図1〜13の図面を用いながら説明する。
【0008】
(第一実施形態)
本発明の第一実施形態を、図1を用いて説明する。図1に、第一実施形態の燃料電池の構成を示す。反応ガスとして酸化剤および燃料ガスを用いる単セル7を複数積層し、積層方向に締付圧力を付与するねじ8を備えたスタック1,2,3を持った燃料電池において、酸化剤ガス配管4は夫々のスタックを直列に接続し、同様に燃料ガス配管5も直列に接続する。酸化剤ガス配管4の最も上流側のスタック1の積層方向の締圧力(締付圧力)を最も高くし、反応ガスの流れに沿ってスタック締付圧力を順次低くしている。また、夫々のスタックに取付けられた+極9の電極同士を配線11で接続し、同様に−極10の電極同士も配線11で接続し、電気的に並列接続にする。また、配線11には負荷6が取付けられている。
【0009】
次に、第一実施形態の作用について説明する。第一番目のスタック1から排出された酸化剤ガスを第二番目のスタック2へ供給する。また同様に、第一番目のスタック1から排出された燃料ガスを第二番目のスタック2へ順次供給する。
【0010】
通常、複数のスタックを備え夫々のスタックを直列に接続した燃料電池システムにおいて、第一番目に酸化剤ガスが供給されるスタックの酸素供給側でできた生成水が、酸化剤ガスによって下流側のスタックまで送られるので、酸化剤ガス中の水分量が酸化剤ガス入口側では最も少なくなり出口側では最も多くなる。
【0011】
第一実施形態では、このことを解決するため、酸化剤ガス中の水分量が少ないスタック1で締付圧力を高くすることで水を抜けにくくし,入口側スタック1での水不足による性能低下を防ぎ、酸化剤ガス中の水分量が多いスタック3では締付圧力を低くすることで酸化剤ガス中の水を抜け易くし、出口側スタック3でのフラッディング現象による性能低下を防ぐことができる。
【0012】
また、夫々のスタックが配線11によって電気的に並列で接続されていることから、夫々のスタックの電流分布はスタックの状況に応じて特別に制御することなく、一時的に入口側スタック1での水不足が発生してスタック1の電圧が低下しても、スタック1の電流が小さくなり、その分スタック2および3の電流が大きくなることにより、出力の低下を起こすことなく運転継続可能である。
【0013】
同様に、出口側スタック3において一時的に、フラッディング現象による性能低下が発生しても、スタック1および2の電流が大きくなり、スタック3の電流が小さくなることにより、出力の低下を起こすことなく運転継続可能である。
【0014】
また、起動開始時に酸化剤ガスが最初に供給されるスタックにのみ加湿を必要とし、それ以降のスタックはスタックで発生する生成水で酸化剤ガスが加湿されて次のスタックに供給されるので、加湿器の小型化が可能となる。
【0015】
(第二実施形態)
本発明の第二実施形態を、図2を用いて説明する。第二実施形態の基本的な構成は、図1の第一実施形態と同じである。
【0016】
次に、第二実施形態の作用を説明する。基本的な作用は、図1の第一実施形態と同じである。異なる点は、酸化剤ガスはスタック1から順次、スタック2、スタック3へと供給され、燃料ガスは、スタック3から順次、スタック2、スタック1へと供給される点である。
【0017】
通常、複数のスタックを備え夫々のスタックを直列に接続した燃料電池システムにおいて、スタックの酸化剤ガス側でできる生成水が燃料ガス側に浸透することがあるので、第一番目に燃料ガスが供給されるスタックで酸化剤側から燃料ガス側に浸透した生成水は、燃料ガスによって下流側に送られ、燃料ガス中の水分量が燃料ガス入口側では最も少なくなり出口側では最も多くなる。
【0018】
第二実施形態では、このことを解決するため、酸化剤ガスと燃料ガスを本実施形態のように供給することで、締付圧力が高いスタック1では、酸化剤ガス側の水分量の少なく、燃料ガス側の水分量が多くなり、締付圧力が低いスタック3では、酸化剤ガス側の水分量の多く、燃料ガス側の水分量が少なくなるので、夫々のスタック中で水分交換がなされ、水分量が均一化するので、上記問題を解決することができる。
【0019】
(第三実施形態)
本発明の第三実施形態を、図3を用いて説明する。基本的な構成は、図1の第一実施形態と同じである。
【0020】
第三実施形態では、夫々のスタックをつないでいる配線11にスタック毎に直流電流検出手段16を持つ点と、最初に反応ガスが送られるスタック1以外のスタック2,3にも、反応ガスを直接供給できる直接供給配管として酸化剤ガス供給配管12、燃料ガス供給配管14と、反応ガスの流量を調節できる酸化剤ガス用バルブ13、燃料ガス用バルブ15を備える点が異なる。
【0021】
次に、第三実施形態の作用を説明する。基本的な作用は、図1の第一実施形態と同じである。図4,5,6,7に、第三実施形態の燃料電池システムのシステムフローチャートを示す。図4,5,6,7に示すシステムフローチャートで、スタックに異常があると判断された場合、酸化剤ガス供給配管12或いは燃料ガス配管14から酸化剤ガス用バルブ13或いは燃料ガス用バルブ15を開き、該当スタックへ酸化剤ガス或いは燃料ガスを供給する。このシステムフローチャートは、起動中に設定時間毎(例えば10ms毎)に繰り返し実行される。
【0022】
ステップ101では、タイマAが作動しているかを判断し、タイマAが作動している場合はステップ110に進み、タイマAが作動していない場合はステップ102に進む。
ステップ102では、タイマBが作動しているかを判断し、タイマBが作動している場合はステップ116に進み、タイマBが作動していない場合はステップ103に進む。
【0023】
ステップ103では、タイマCが作動しているかを判断し、タイマCが作動している場合はステップ122に進み、タイマCが作動していない場合はステップ104に進む。
ステップ104では、フラグが1であるかを判断し、フラグが1の場合はステップ127に進み、フラグが1でない場合はステップ105に進む。
【0024】
ステップ105では、何れかのスタックの直流電流が低下しているかを判断し、何れかのスタックの直流電流が低下している場合はステップ106に進み、何れのスタックも直流電流が低下していない場合はステップ127に進む。
ステップ106では、一つのスタックで直流電流が低下しているかを判断し、一つのスタックで直流電流が低下している場合はステップ108に進み、二つ以上のスタックで直流電流が低下している場合はステップ125に進む。
【0025】
ステップ108では、タイマAを作動する。
ステップ109では、該当スタックに燃料ガスを直接供給する。
ステップ110では、タイマAの設定時間が経過したかを判断し、タイマAの設定時間が経過した場合はステップ111に進み、タイマAの設定時間が経過していない場合はステップ127に進む。
【0026】
ステップ111では、タイマAをリセットする。
ステップ112では、該当スタックへの燃料ガスの直接供給を停止する。
ステップ113では、該当スタックの直流電流の低下が解消されたかを判断し、該当スタックの直流電流の低下が解消された場合はステップ127に進み、該当スタックの直流電流の低下が解消されていない場合はステップ114に進む。
【0027】
ステップ114では、タイマBを作動する。
ステップ115では、該当スタックに酸化剤ガスを直接供給する。
ステップ116では、タイマBの設定時間が経過したかを判断し、タイマBの設定時間が経過した場合はステップ117に進み、タイマBの設定時間が経過していない場合はステップ127に進む。
【0028】
ステップ117では、タイマBをリセットする。
ステップ118では、該当スタックへの酸化剤ガスの直接供給を停止する。
ステップ119では、該当スタックの直流電流の低下が解消したかを判断し、該当スタックの直流電流の低下が解消された場合はステップ127に進み、該当スタックの直流電流の低下が解消されていない場合はステップ120に進む。
【0029】
ステップ120では、タイマCを作動する。
ステップ121では、燃料ガス及び酸化剤ガスの利用率(SR)を増加する。
ステップ122では、タイマCの設定時間が経過したかを判断し、タイマCの設定時間が経過した場合はステップ123に進み、タイマBの設定時間が経過していない場合はステップ127に進む。
【0030】
ステップ123では、タイマCをリセットする。
ステップ124では、該当スタックの直流電流の低下が解消したかを判断し、該当スタックの直流電流の低下が解消された場合はステップ127に進み、該当スタックの直流電流の低下が解消されていない場合はステップ125に進む。
ステップ125では、最大負荷制約運転或いは最低SR制約運転を行う。
ステップ126では、フラグを1にする。
ステップ127では、この制御フローを終了する。
【0031】
このように第三実施形態では、
フラッディングが起きると、該スタックの電気的化学反応が起こりにくくなるため、該スタックで直流電流が低下し続けるという特性を用いて、複数個スタックを有する燃料電池システムにおいて、夫々のスタックの直流電流の変化を直流電流検出手段16でモニターすることで、複数個の内一つのスタックで直流電流が低下し続けている場合、フラッディングが起きているかを判断することができる。
【0032】
また、フラッディングを起こしているスタックに、酸化剤ガス配管9或いは燃料ガス配管11から酸化剤ガス用バルブ13或いは燃料ガス用バルブ15を開き、該当スタックへ酸化剤ガス或いは燃料ガスを供給することで、余分な水を吹き飛ばし、正常な運転に戻すことができる。
【0033】
(第四実施形態)
本発明の第四実施形態を、図8を用いて説明する。基本的な構成は、図1の第一実施形態と同じである。異なる点は、第一実施形態に加え、夫々のスタックをつなぐ燃料ガス、及び酸化ガス配管4,5の夫々に湿度検出装置18と、夫々のセル電圧を測定することができるセル電圧測定装置17を取付けた点である。
【0034】
また、最初に反応ガスが送られるスタック1以外のスタック2,3にも、反応ガスを直接供給できる直接供給配管として酸化剤ガス供給配管12、燃料ガス供給配管14と、反応ガスの流量を調節できる酸化剤ガス用バルブ13、燃料ガス用バルブ15を備える点が異なる。
【0035】
次に、第四実施形態の作用について説明する。基本的な作用は、図1の第一実施形態と同じである。図9,10,11に、第四実施形態の燃料電池システムのシステムフローチャートを示す。図9,10,11に示すシステムフローチャートで、スタックに異常があると判断された場合、酸化剤ガス配管9或いは燃料ガス配管11から酸化剤ガス用バルブ13或いは燃料ガス用バルブ15を開き、該当スタックへ酸化剤ガス或いは燃料ガスを供給する。このシステムフローチャートは起動中に設定時間毎(例えば10ms毎)に繰り返し実行される。
【0036】
ステップ201では、タイマDが作動しているかを判断し、タイマDが作動している場合はステップ208に進み、タイマDが作動していない場合はステップ202に進む。
ステップ202では、タイマEが作動しているかを判断し、タイマEが作動している場合はステップ214に進み、タイマEが作動していない場合はステップ203に進む。
ステップ203では、フラグが1であるかを判断し、フラグが1である場合はステップ221に進み、フラグが1でない場合はステップ204に進む。
【0037】
ステップ204では、何れかのスタック出口のガス相対湿度が低下しているかを判断し、何れかのスタック出口の相対湿度が低下している場合はステップ205に進み、何れのスタック出口の相対湿度も低下していない場合はステップ221に進む。
ステップ205では、該当スタックが基準相対湿度以上であるかを判断し、該当スタックが基準相対湿度以上である場合はステップ221に進み、該当スタックが基準相対湿度以上ではない場合はステップ206に進む。
【0038】
ステップ206では、タイマDを作動する。
ステップ207では、該当スタックへ酸化剤ガスの直接供給を行う。
ステップ208では、タイマDの設定時間が経過したかを判断し、タイマDの設定時間を経過した場合はスタップ209に進み、タイマDの設定時間が経過していない場合はステップ221に進む。
【0039】
ステップ209では、タイマDをリセットする。
ステップ210では、該当スタックへの酸化剤ガスの直接供給を停止する。
ステップ211では、該当スタックが基準相対湿度以上であるかを判断し、該当スタックが基準相対湿度以上である場合はステップ221に進み、該当スタックが基準相対湿度以上でない場合はステップ212に進む。
【0040】
ステップ212では、タイマEを作動する。
ステップ213では、該当スタックへ酸化剤ガスの直接供給を行う。
ステップ214では、タイマEの設定時間が経過したかを判断し、タイマEの設定時間を経過した場合はスタップ215に進み、タイマEの設定時間が経過していない場合はステップ221に進む。
【0041】
ステップ215では、タイマEをリセットする。
ステップ216では、該当スタックへの酸化剤ガスの直接供給を停止する。
ステップ217では、該当スタックが基準相対湿度以上であるかを判断し、該当スタックが基準相対湿度以上である場合はステップ221に進み、該当スタックが基準相対湿度以上でない場合はステップ218に進む。
【0042】
ステップ218では、該当スタックが基準セル電圧以上であるかを判断し、該当スタックが基準セル電圧以上である場合はステップ221に進み、該当スタックが基準セル電圧以上でない場合はステップ219に進む。
ステップ219では、最大負荷制約運転或いは最低SR制約運転を行う。
ステップ220では、フラグを1にする。
ステップ221では、この制御フローを終了する。
【0043】
このように第四実施形態では、
夫々のスタックをつなぐ酸化剤ガス、及び燃料ガス配管の夫々に湿度検出装置18を取付けることで、夫々のスタック出口ガス中の相対湿度を検出し、相対湿度の低下、若しくは上昇をモニターでき、スタック内にある電解質が乾燥しているかを判断できる。
【0044】
そして、異常が判断されたスタックに、酸化剤ガス配管9或いは燃料ガス配管11から酸化剤ガス用バルブ13或いは燃料ガス用バルブ15を開き、該当スタックへ酸化剤ガス或いは燃料ガスを供給することで、電解質の乾燥を防ぎ、電気化学反応の安定化や、電解質の破損を防止でき、安定した発電を行うことが可能となる。
【0045】
また、夫々のスタックにセル電圧測定装置17を取付け、夫々のスタックの電圧をモニターすることで、上記問題が解決しない場合、最大負荷制約運転或いは最低SR制約運転を行うことができる。
【0046】
また、本実施形態では、酸化剤ガスを直接供給したが、燃料ガスでも同様の効果を得ることができる。
【0047】
(第五実施形態)
本発明の第五実施形態を、図12を用いて説明する。基本的な構成は、図1の第一実施形態と同じである。異なる点は、第一実施形態に加え,夫々のスタック間の直流電気回路に電流遮断器(ブレーカ)21,22、電気抵抗が変更可能な可変抵抗20を、また湿度検出装置18、温度計19を並列回路6に取付けた点である。
【0048】
次に、第五実施形態の作用を説明する。基本的な作用は、図1の第一実施形態と同じである。図13に、第五実施形態の燃料電池システムのシステムフローチャートを示す。このシステムフローチャートは起動中に設定時間毎(例えば10ms毎)に繰り返し実行される。
【0049】
ステップ301では、スタック1が発電状態であるか判断し、スタック1が発電状態である場合はステップ303に進み、スタック1が発電状態でない場合はステップ302に進む。
ステップ302では、スタック1の発電を行い、ステップ303に進む。
ステップ303では、スタック1の出口ガス温度が設定温度T1以上であるか判断し、スタック1の出口ガス温度が設定温度T1以上である場合はステップ304に進み、スタック1の出口ガス温度が設定温度T1以上でない場合はステップ315に進む。
【0050】
ステップ304では、スタック1の出口ガス湿度が設定湿度H1以上であるか判断し、スタック1の出口ガス湿度が設定湿度H1以上である場合はステップ305に進み、スタック1の出口ガス湿度が設定湿度H1以上でない場合はスタップ315に進む。
ステップ305では、ブレーカ21が接続状態か判断し、ブレーカ21が接続状態である場合はステップ307に進み、ブレーカ21が接続状態でない場合はステップ306に進む。
【0051】
ステップ306では、ブレーカ21を接続し、ステップ307に進む。
ステップ307では、スタック2が発電状態か判断し、スタック2が発電状態である場合はステップ309に進み、スタック2が発電状態でない場合はステップ308に進む。
ステップ308では、スタック2を発電し、ステップ309に進む。
【0052】
ステップ309では、スタック2の出口ガス温度が設定温度T2以上か判断し、スタック2の出口ガス温度が設定温度T2以上である場合はステップ310に進み、スタック2の出口ガス温度が設定温度T2以上でない場合はステップ315に進む。
ステップ310では、スタック2の出口ガス湿度が設定湿度H2以上であるか判断し、スタック2の出口ガス湿度が設定湿度H2以上である場合はステップ311に進み、スタック2の出口ガス湿度が設定湿度H2以上でない場合はステップ315に進む。
【0053】
ステップ311では、ブレーカ22が接続状態か判断し、ブレーカ22が接続状態である場合はステップ313に進み、ブレーカ22が接続状態でない場合はステップ312に進む。
ステップ312では、ブレーカ22を接続し、ステップ313に進む。
ステップ313では、スタック3が発電状態か判断し、スタック3が発電状態である場合はステップ315に進み、スタック3が発電状態でない場合はステップ314に進む。
ステップ314では、スタック3を発電し、ステップ315に進む。
ステップ315では、この制御フローを終了する。
【0054】
このように第五実施形態では、
特に起動時に、一つのスタックのみで発電し、水分を含んだ排酸化剤で下流のスタックを昇温することにより、スタックの安定性を向上させることが可能であると同時に、スタックを順次発電状態にする際に、電圧の異なるスタックを接続することによる瞬間的な大電流を防止し、起動時に不連続状態をつくらずに起動することが可能である。
【0055】
また、ブレーカ21,22接続時に、可変抵抗20の抵抗を最大にして接続することで、接続時にスタック1にかかる逆方向の電流、及びスタック2にかかる急激な電流印加を避け、スタックにかかる負担を軽減する。
【0056】
そして、本実施形態では可変抵抗を用いたがコンデンサなどの蓄電手段を用いても同様の効果を得ることができる。
【0057】
以上、第一実施形態から第五実施形態は、本実施形態はスタック3基が接続された例として示してあるが、あらゆる複数個のスタックの接続に対して適用可能である。また、第三実施形態から第五実施形態は、燃料ガス,及び酸化剤ガスの両方を直列接続したが、燃料ガス、または酸化剤ガスのどちらか一方でも稼動でき、反応ガスを第二実施形態のように供給しても同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係わる第一実施形態の燃料電池の構成図である。
【図2】本発明に係わる第二実施形態の燃料電池の構成図である。
【図3】本発明に係わる第三実施形態の燃料電池の構成図である。
【図4】本発明に係わる第三実施形態のシステムフローチャートである。
【図5】本発明に係わる第三実施形態のシステムフローチャートである。
【図6】本発明に係わる第三実施形態のシステムフローチャートである。
【図7】本発明に係わる第三実施形態のシステムフローチャートである。
【図8】本発明に係わる第四実施形態の燃料電池の構成図である。
【図9】本発明に係わる第四実施形態のシステムフローチャートである。
【図10】本発明に係わる第四実施形態のシステムフローチャートである。
【図11】本発明に係わる第四実施形態のシステムフローチャートである。
【図12】本発明に係わる第五実施形態の燃料電池の構成図である。
【図13】本発明に係わる第五実施形態の燃料電池のシステムフローチャートである。
【符号の説明】
1 スタック1
2 スタック2
3 スタック3
4 酸化剤ガス配管
5 燃料ガス配管
6 負荷
7 単セル
8 ねじ
9 +極
10 −極
11 配線
12 酸化剤ガス供給配管
13 酸化剤ガス用バルブ
14 燃料ガス供給配管
15 燃料ガス用バルブ
16 直流電流検出手段
17 セル電圧測定装置
18 湿度検出装置
19 温度計
20 可変抵抗
21 電流遮断器(ブレーカ)
22 電流遮断器(ブレーカ)
Claims (13)
- 反応ガスとして燃料および酸化剤ガスを用いる単セルを複数積層し、積層方向に締付圧力を付与する手段を備えたスタックを複数持った燃料電池において、反応ガスの配管のうち燃料または酸化剤ガスの配管の少なくとも一方の接続を、第N番目(但しNは自然数)のスタックから排出された反応ガスを第N+1番目のスタックへ供給する直列接続とし、直列接続とした前記反応ガスの配管の最も上流側のスタックの締付圧力を最も高くし、ガスの流れに沿ってスタックの締付圧力を順次低くしていく構成を有することを特徴とする燃料電池システム。
- 請求項1の燃料電池システムにおいて、前記反応ガスの配管のうち燃料または酸化剤ガスの配管の一方の接続を前記直列接続とし、他方を第N+1番目のスタックから排出された反応ガスを第N番目のスタックへ供給する直列接続とすることを特徴とする燃料電池システム。
- 請求項1の燃料電池システムにおいて、前記反応ガスの配管のうち酸化剤ガスの配管の接続を直列接続とすることを特徴とする燃料電池システム。
- 請求項1ないし3の燃料電池システムにおいて、前記スタックが電気的に並列につながれたことを特徴とする燃料電池システム。
- 請求項1ないし4の燃料電池システムにおいて、前記反応ガスを最初に供給するスタックにつなげられている配管から分岐して、夫々の前記スタックに直接供給する直接供給配管を備えることを特徴とする燃料電池システム。
- 請求項5の燃料電池システムにおいて、前記直接供給配管に前記反応ガスの流量を調節できる手段を備えることを特徴とする燃料電池システム。
- 請求項4の燃料電池システムにおいて、夫々の前記スタックに取付けられた電流回路に直流電流検出装置を取付けたことを特徴とする燃料電池システム。
- 請求項4の燃料電池システムにおいて、前記スタック毎に前記単セルの電圧を測定する手段を備えることを特徴とする燃料電池システム。
- 請求項4の燃料電池システムにおいて、前記スタック毎に温度を測定する手段を反応ガス供給配管に取付けることを特徴とする燃料電池システム。
- 請求項4の燃料電池システムにおいて、前記スタック毎に湿度検出装置を反応ガス供給配管に取付けることを特徴とする燃料電池システム。
- 請求項4の燃料電池システムにおいて、夫々の前記スタックに取付けられた前記電流回路に電流遮断器を取付けたことを特徴とする燃料電池システム。
- 請求項11の燃料電池システムにおいて、夫々の前記スタック間に取付けられた前記電気回路に、電気抵抗が変更可能な電気抵抗、若しくは蓄電手段を設けることを特徴とする燃料電池システム。
- 請求項11の燃料電池システムにおいて、起動時に前記スタックを第1段スタックから順次発電する際に、第N段スタックを発電後、第N段スタックと第N+1段スタックをつなぐ前記電流回路に取付けられた前記電流遮断器を接続することを特徴とする燃料電池システム。
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