JP2005093282A - 高分子電解質型燃料電池システム及びその運転方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】スタック8と、セパレータを並列に接続し電圧を印加する加熱用回路15と、隣接するセパレータ同士を短絡させる短絡用回路16と、一対の集電板12,12間を起動停止用可変抵抗R2を介して短絡させる起動停止用回路17と、セパレータの一端と加熱用回路15あるいは短絡用回路16との接続と遮断を行う第1開閉手段SW1と、セパレータの他端と加熱用回路15との接続と遮断を行う第2開閉手段SW2と、集電板間と起動停止用回路17あるいは出力回路18との接続と遮断を行う第3開閉手段SW3と、集電板間の電圧検出手段T1と、集電板間の電流検出手段T2と、スタック8の温度検出手段T3と、それらに基づいて、起動停止用可変抵抗R2等を制御する制御装置30とを備える。
【選択図】図3
Description
(実施の形態1)
図1は、本実施の形態に係る高分子電解質型燃料電池システムのスタック8の機械的構成を示す斜視図である。図2は、図1のII−II線断面の断面図とその要部拡大図である。図3は、本実施の形態に係る高分子電解質型燃料電池システムの構成を示す模式図である。図2においては、説明の便宜上、高分子電解質型燃料電池システムの積層構造の一部を分解して示している。また、図1及び図2においては、説明の都合上、電気的構成を省略して示している。
[実施例1]
本実施の形態の実施例として以下のような高分子電解質型燃料電池システムを作製した。
したがって、仮に、セパレータ4が単純な平板であれば、理論上の抵抗値は、0.002152×(250/(140×2.5))=0.154Ωとなる。しかし、図6のようにセパレータ4の両端に導体接触子19,19を接続し、リード線20,20間の抵抗値を測定すると、0.46Ωであった。セパレータ4の両端の形状、各種のマニフォールド9A、9B、10A、10B、11A、11Bなどの形状効果により、抵抗値が高まったものと推察される。
=6×6/0.46=78W・・・(2)
スタック8の全てのセパレータ数は120枚であることから、スタック8の発熱体容量は、下記(3)式のとおり、約9.3KWとなる。
室温(20℃)から高分子電解質型燃料電池システム動作温度(70℃)までの昇温にかかる時間は、下記(4)式乃至(8)式のとおり、約1分半となる。
=0.078KW×860(Kcal/KW)/60
=1.118Kcal/min・・・(4)
セパレータ4の熱容量=
0.22Kcal/℃・kg×0.130kg=0.0286Kcal/℃・・・(5)
セパレータ4に付着しうる水の熱容量
=150cm2/2(溝面積)×0.08cm(溝深さ)
=6cm3=0.006Kcal/℃・・・(6)
セパレータ4の温度上昇速度
=1.118(Kcal/min)/(0.0286+0.006)(Kcal/℃)=32.3℃/min・・・(7)
昇温の所要時間=(70℃−20℃)/32℃/min=1.55min・・・(8)
以上のような高分子電解質型燃料電池システムを用いて、本実施の形態に係る高分子電解質型燃料電池システムの暖機から定格運転、そして停止に至るまでの運転試験を行った。
[比較例1]
他方、比較例1として、従来の構造の高分子電解質型燃料電池システムを作製し、
従来の方法による暖機、起動及び停止の運転を行った。
(実施の形態2)
本発明の実施の形態2に係る高分子電解質型燃料電池システムは、実施の形態1における起動停止用スイッチSW3及び起動停止用可変抵抗R2の構成と、制御装置30の制御対象を除いて、実施の形態1と同様である。したがって、本実施の形態では、起動停止用スイッチSW3及び起動停止用可変抵抗R2の構成と、制御装置30の制御対象について、実施の形態1との相違部分を説明する。
(実施の形態3)
本実施の形態に係る高分子電解質型燃料電池システムは、短絡加熱用スイッチ機構SW1及び加熱用スイッチ機構SW2の構造を除いて、実施の形態1と同様である。したがって、本実施の形態では、実施の形態1との相違部分である短絡加熱用スイッチ機構SW1及び加熱用スイッチ機構SW2について説明する。
スライドバー22,26及び導体接触子23,27はそれぞれ厚み3mm及び0.2mmの銅板(JIS−C2804)で構成した。スライドバー22,26には導体接触子23,27がロウ付けされた。
2 ガス拡散電極
3 MEA
4 セパレータ
4a 接触端子
5 セル
6 ガスケット
7 Oリング
8 スタック
9A 電池反応用ガス供給マニフォールド
9 電池反応用ガス流路
9B 電池反応用ガス排出マニフォールド
10A 冷却剤供給マニフォールド
10 冷却剤流路
10B 冷却剤排出マニフォールド
11A 電池反応用ガス供給マニフォールド
11B 電池反応用ガス排出マニフォールド
12 集電板
12a 出力端子
13 絶縁板
14 端板
14a 締結ボルト
15 加熱用回路
15a 配線
15b 配線
16 短絡用回路
17 起動停止用回路
18 出力回路
19 導体接触子
20 リード線
21 樹脂枠体
22 スライドバー
23 導体接触子
24 案内枠
25 半導体接触子
26 スライドバー
27 導体接触子
28 案内枠
29 加熱用電源
30 制御装置
31 外部負荷
SW1 短絡加熱用スイッチ機構
SW1’ 短絡加熱用スイッチ
SW2 加熱用スイッチ機構
SW2’ 加熱用スイッチ
SW3 起動停止用スイッチ
SW3’ 起動停止用スイッチ機構
R1 短絡用抵抗
R2 起動停止用可変抵抗
T1 電圧検出手段
T2 電流検出手段
T3 温度検出手段
Claims (22)
- 高分子電解質膜が一対の電極間に挟まれてなるMEAと、前記MEAが一対の導電性のセパレータ間に挟まれてなるセルと、複数の前記セルが積層されてなるスタックとを備え、
前記複数のセパレータを主面に平行な方向にそれぞれ通電可能なように構成された、高分子電解質型燃料電池システム。 - 前記通電のための電源として二次電池を備えた、請求項1記載の高分子電解質型燃料電池システム。
- 前記セパレータが矩形の板状であって、互いに対向する端面それぞれのほぼ全長にわたって、凸部がそれぞれ形成され、前記凸部に嵌合するコネクタを介して前記通電が行われる、請求項1記載の高分子電解質型燃料電池システム。
- 前記積層された複数のセパレータの縁部に該セパレータより厚みが薄い凸部がそれぞれ形成され、
前記積層の方向に前記凸部に沿って往復動可能に移動棒が配設され、
前記移動棒に、導体接触子が前記積層されたセパレータの隣接する凸部の間にそれぞれ位置するように配設され、
前記移動棒の往復動により、全ての前記凸部と前記導体接触子との接触状態が、接触又は非接触に、切り換わる、請求項1記載の高分子電解質型燃料電池システム。 - 請求項1記載の高分子電解質型燃料電池システムであって、
さらに、全ての隣接する前記セパレータ同士を抵抗を介して短絡可能なように構成された、高分子電解質型燃料電池システム。 - 前記積層された複数のセパレータの縁部に該セパレータより厚みが薄い凸部がそれぞれ形成され、
前記積層の方向に前記凸部に沿って往復動可能に移動棒が配設され、
前記移動棒に、導体接触子と抵抗体接触子との対が前記積層されたセパレータの隣接する凸部の間にそれぞれ位置するように配設され、
前記移動棒の往復動により、全ての前記凸部の前記導体接触子及び前記抵抗体接触子との接触状態が、前記導体接触子と接触、前記抵抗体接触子と接触、又は前記導体接触子及び前記抵抗体接触子のいずれとも非接触、に切り換わる、請求項5記載の高分子電解質型燃料電池システム。 - 高分子電解質膜が一対の電極間に挟まれてなるMEAと、
前記MEAが一対の導電性のセパレータ間に挟まれてなるセルと、
前記セルの積層体が一対の集電板の間に挟まれてなるスタックと、
全ての前記セパレータを並列に接続し、かつ前記セパレータの主面に平行な方向に電圧を印加する加熱用回路と、
前記セパレータと前記加熱用回路との間の接続あるいは遮断を、全ての前記セパレータについて行う開閉手段と、
前記スタックの温度を検出するための温度検出手段とを備え、
前記高分子電解質型燃料電池システムの暖機時に、前記温度検出手段によって検出される温度が所定の温度以上に達するまで、前記開閉手段によって全ての前記セパレータが前記加熱用回路に接続される、高分子電解質型燃料電池システム。 - 高分子電解質膜が一対の電極間に挟まれてなるMEAと、
前記MEAが一対の導電性のセパレータ間に挟まれてなるセルと、
前記セルの積層体が一対の集電板の間に挟まれてなるスタックと、
前記一対の集電板間を起動停止用可変抵抗を介して短絡させる起動停止用回路と、
前記一対の集電板間と前記起動停止用回路あるいは外部負荷につながる出力回路との接続あるいは遮断を行う開閉手段と、
前記一対の集電板間の電圧を検出する電圧検出手段とを備え、
前記高分子電解質型燃料電池システムの起動時あるいは停止時に、前記開閉手段によって前記一対の集電板間が起動停止用回路に接続され、前記電圧検出手段によって検出される電圧が所定の電圧以下になるように前記起動停止用可変抵抗が調整される、高分子電解質型燃料電池システム。 - 高分子電解質膜が一対の電極間に挟まれてなるMEAと、
前記MEAが一対の導電性のセパレータ間に挟まれてなるセルと、
前記セルの積層体が一対の集電板の間に挟まれてなるスタックと、
全ての隣接する前記セパレータ同士を抵抗を介して短絡させる短絡用回路と、
前記セパレータと前記短絡用回路との間の接続あるいは遮断を、全ての前記セパレータについて行う短絡用開閉手段と、
前記一対の集電板間を起動停止用可変抵抗を介して短絡させる起動停止用回路と、
前記一対の集電板間と前記起動停止用回路あるいは外部負荷につながる出力回路との接続あるいは遮断を行う起動停止用開閉手段と、
前記一対の集電板間の電圧を検出する電圧検出手段と、
前記一対の集電板間の電流を検出する電流検出手段とを備え、
前記高分子電解質型燃料電池システムの停止時に、前記起動停止用開閉手段によって前記一対の集電板間が前記起動停止用回路に接続され、前記電圧検出手段によって検出される電圧が所定の電圧以下になるように前記起動停止用可変抵抗が調整され、その後、前記電流検出手段によって検出される電流が所定の電流以下になった後に、前記短絡用開閉手段によって全ての前記セパレータが前記短絡用回路に接続される、高分子電解質型燃料電池システム。 - 高分子電解質膜が一対の電極間に挟まれてなるMEAと、
前記MEAが一対の導電性のセパレータ間に挟まれてなるセルと、
前記セルの積層体が一対の集電板の間に挟まれてなるスタックと、
全ての前記セパレータを並列に接続し、かつ前記セパレータの主面に平行な方向に電圧を印加する加熱用回路と、
前記セパレータと前記加熱用回路との間の接続あるいは遮断を、全ての前記セパレータについて行う開閉手段と、
前記スタックの温度を検出するための温度検出手段とを備え、
前記高分子電解質型燃料電池システムの待機時に、前記温度検出手段によって検出される温度が所定の温度以下において、前記開閉手段によって全ての前記セパレータが前記加熱用回路に接続される、高分子電解質型燃料電池システム。 - 高分子電解質膜が一対の電極間に挟まれてなるMEAと、
前記MEAが一対の導電性のセパレータ間に挟まれてなるセルと、
前記セルの積層体が一対の集電板の間に挟まれてなるスタックと、
全ての前記セパレータを並列に接続し、かつ前記セパレータの主面に平行な方向に電圧を印加する加熱用回路と、
前記セパレータと前記加熱用回路との間の接続あるいは遮断を、全ての前記セパレータについて行う開閉手段と、
前記スタックの温度を検出するための温度検出手段とを備える高分子電解質型燃料電池システムの運転方法であって、
前記高分子電解質型燃料電池システムの暖機時に、前記温度検出手段によって検出される温度が所定の温度以上に達するまで、前記開閉手段によって全ての前記セパレータが前記加熱用回路に接続される、高分子電解質型燃料電池システムの運転方法。 - 高分子電解質膜が一対の電極間に挟まれてなるMEAと、
前記MEAが一対の導電性のセパレータ間に挟まれてなるセルと、
前記セルの積層体が一対の集電板の間に挟まれてなるスタックと、
前記一対の集電板間を起動停止用可変抵抗を介して短絡させる起動停止用回路と、
前記一対の集電板間と前記起動停止用回路あるいは外部負荷につながる出力回路との接続あるいは遮断を行う開閉手段と、
前記一対の集電板間の電圧を検出するための電圧検出手段とを備える高分子電解質型燃料電池システムの運転方法であって、
前記高分子電解質型燃料電池システムの起動時あるいは停止時に、前記開閉手段によって前記一対の集電板間が起動停止用回路に接続され、前記電圧検出手段によって検出される電圧が所定の電圧以下になるように前記起動停止用可変抵抗が調整される、高分子電解質型燃料電池システムの運転方法。 - 高分子電解質膜が一対の電極間に挟まれてなるMEAと、
前記MEAが一対の導電性のセパレータ間に挟まれてなるセルと、
前記セルの積層体が一対の集電板の間に挟まれてなるスタックと、
隣接する前記セパレータ同士を短絡用抵抗を介して短絡させる短絡用回路と、
前記セパレータと前記短絡用回路との間の接続あるいは遮断を、全ての前記セパレータについて行う短絡用開閉手段と、
前記一対の集電板間を起動停止用可変抵抗を介して短絡させる起動停止用回路と、
前記一対の集電板間と前記起動停止用回路あるいは外部負荷につながる出力回路との接続あるいは遮断を行う起動停止用開閉手段と、
前記一対の集電板間の電圧を検出するための電圧検出手段と、
前記一対の集電板間の電流を検出するための電流検出手段とを備える高分子電解質型燃料電池システムの運転方法であって、
前記高分子電解質型燃料電池システムの停止時に、前記起動停止用開閉手段によって前記一対の集電板間が前記起動停止用回路に接続され、前記電圧検出手段によって検出される電圧が所定の電圧以下になるように前記起動停止用可変抵抗が調整され、その後、前記電流検出手段によって検出される電流が所定の電流以下になった後に、前記短絡用開閉手段によって全ての前記セパレータが前記短絡用回路に接続される、高分子電解質型燃料電池システムの運転方法。 - 高分子電解質膜が一対の電極間に挟まれてなるMEAと、
前記MEAが一対の導電性のセパレータ間に挟まれてなるセルと、
前記セルの積層体が一対の集電板の間に挟まれてなるスタックと、
全ての前記セパレータを並列に接続し、かつ前記セパレータの主面に平行な方向に電圧を印加する加熱用回路と、
前記セパレータと前記加熱用回路との接続あるいは遮断を、全ての前記セパレータについて行う開閉手段と、
前記スタックの温度を検出するための温度検出手段とを備える高分子電解質型燃料電池システムの運転方法であって、
前記高分子電解質型燃料電池システムの待機時に、前記温度検出手段によって検出される温度が所定の温度以下において、前記開閉手段によって全ての前記セパレータが前記加熱用回路に接続される、高分子電解質型燃料電池システムの運転方法。 - 高分子電解質膜が一対の電極間に挟まれてなるMEAと、
前記MEAが一対の導電性のセパレータ間に挟まれてなるセルと、
前記セルの積層体が一対の集電板の間に挟まれてなるスタックと、
全ての前記セパレータを並列に接続し、かつ前記セパレータの主面に平行な方向に電圧を印加する加熱用回路と、
全ての隣接する前記セパレータ同士を抵抗を介して短絡させる短絡用回路と、
前記一対の集電板間を起動停止用可変抵抗を介して短絡させる起動停止用回路と、
前記セパレータの一端と前記加熱用回路あるいは前記短絡用回路との接続あるいは遮断を、全ての前記セパレータについて行う第1開閉手段と、
前記セパレータの一端とは前記セパレータ主面を挟んで互いに対向する位置の前記セパレータの他端と前記加熱用回路との接続あるいは遮断を、全ての前記セパレータについて行う第2開閉手段と、
前記一対の集電板間と前記起動停止用回路あるいは外部負荷につながる出力回路との接続あるいは遮断を行う第3開閉手段と、
前記一対の集電板間の電圧を検出するための電圧検出手段と、
前記一対の集電板間の電流を検出するための電流検出手段と、
前記スタックの温度を検出するための温度検出手段と、
前記電圧検出手段によって検出された電圧、前記電流検出手段によって検出された電流、あるいは前記温度検出手段によって検出された温度が所定の値に達したか否かを判定し、その結果、前記起動停止用可変抵抗、前記第1開閉手段、前記第2開閉手段あるいは前記第3開閉手段を適宜制御する制御装置とを備える、高分子電解質型燃料電池システム。 - 前記加熱用回路の電源として二次電池を備えた、請求項15記載の高分子電解質型燃料電池システム。
- 前記第1開閉手段が、前記積層された複数のセパレータの縁部に該セパレータより厚みが薄い凸部がそれぞれ形成され、
前記積層の方向に前記凸部に沿って往復動可能に移動棒が配設され、
前記移動棒に、導体接触子と抵抗体接触子との対が前記積層されたセパレータの隣接する凸部の間にそれぞれ位置するように配設され、
前記移動棒の往復動により、全ての前記凸部の前記導体接触子及び前記抵抗体接触子との接触状態が、前記導体接触子と接触、前記抵抗体接触子と接触、又は前記導体接触子及び前記抵抗体接触子のいずれとも非接触、に切り換わる、機械式スイッチ機構を備える請求項15記載の高分子電解質型燃料電池システム。 - 前記第2開閉手段が、前記積層された複数のセパレータの縁部に該セパレータより厚みが薄い凸部がそれぞれ形成され、
前記積層の方向に前記凸部に沿って往復動可能に移動棒が配設され、
前記移動棒に、導体接触子が前記積層されたセパレータの隣接する凸部の間にそれぞれ位置するように配設され、
前記移動棒の往復動により、全ての前記凸部と前記導体接触子との接触状態が、接触又は非接触に、切り換わる、機械式スイッチ機構を備える請求項15記載の高分子電解質型燃料電池システム。 - 前記制御装置が、前記高分子電解質型燃料電池システムの暖機時において、
前記温度検出手段によって検出される温度が所定の温度以上に達するまで、前記第1開閉手段及び前記第2開閉手段によって全ての前記セパレータを前記加熱用回路に接続するように制御する請求項15記載の高分子電解質型燃料電池システム - 前記制御装置が、前記高分子電解質型燃料電池システムの起動時あるいは停止時において、前記第1開閉手段及び第2開閉手段によって、前記加熱用回路及び前記短絡用回路を遮断し、かつ前記第3開閉手段によって、前記一対の集電板間を起動停止用回路に接続し、
その後、前記電圧検出手段によって検出される電圧が所定の電圧以下になるように前記可変抵抗を制御する請求項15記載の高分子電解質型燃料電池システム。 - 前記制御装置が、前記高分子電解質型燃料電池システムの停止時において、
前記第1開閉手段及び第2開閉手段によって、前記加熱用回路及び前記短絡用回路を遮断し、かつ前記第3開閉手段によって、前記一対の集電板間を起動停止用回路に接続し、
その後、前記電圧検出手段によって検出される電圧が所定の電圧以下になるように前記可変抵抗を制御し、
その後、前記電流検出手段によって検出される電流が所定の電流以下になった後に、前記第1開閉手段によって全ての前記セパレータを前記短絡用回路に接続するように制御する請求項15記載の高分子電解質型燃料電池システム。 - 前記制御装置が、前記高分子電解質型燃料電池システムの待機時において、前記温度検出手段によって検出される温度が所定の温度以下において、前記第1開閉手段及び前記第2開閉手段によって全ての前記セパレータを前記加熱用回路に接続するように制御する請求項15記載の高分子電解質型燃料電池システム。
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