JP2005141972A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、水素と酸素との電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池を備える燃料電池システムに関するもので、車両、船舶及びポータブル発電機等の移動体用発電機、或いは家庭用発電機に適用して有効である。 The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell that generates electric energy by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. The present invention relates to a generator for a mobile body such as a vehicle, a ship, and a portable generator, or a household generator. It is effective to apply.
多数のセルを積層して構成された燃料電池を備える燃料電池システムでは、水素や酸素が流れるセル内ガス流路中における液滴滞留や、電解質膜の乾燥による導電率低下によって、燃料電池の出力が低下してしまう。したがって、セル内部の水分状態を検出し、その検出結果に基づいてセル内部の水分状態を適切に制御する必要がある。セル内部の水分状態の検出方法としては、セル電圧から間接的に推定するものや、静電容量式センサで直接的に検出するもの等が提案されている。 In a fuel cell system including a fuel cell configured by stacking a large number of cells, the output of the fuel cell is reduced due to the retention of liquid droplets in the gas flow path in the cell through which hydrogen and oxygen flow and the decrease in conductivity due to drying of the electrolyte membrane. Will fall. Therefore, it is necessary to detect the moisture state inside the cell and appropriately control the moisture state inside the cell based on the detection result. As a method for detecting the moisture state inside the cell, a method of indirectly estimating from the cell voltage, a method of directly detecting by a capacitance sensor, and the like have been proposed.
しかしながら、従来の装置では、セル内水分過多状態が検出された場合には、加湿器による加湿量を低減して水分状態を適正化するようにしているが、それだけでは水分状態が適正になるまでに時間がかかるという問題があった。 However, in the conventional apparatus, when an excessive moisture state in the cell is detected, the amount of humidification by the humidifier is reduced so as to optimize the moisture state. There was a problem that it took a long time.
本発明は上記点に鑑みて、セル内水分過多状態が検出された場合に、短時間で水分状態を適正化できるようにすることを目的とする。 In view of the above points, an object of the present invention is to make it possible to optimize a moisture state in a short time when an excessive moisture state in a cell is detected.
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、化学反応により電気エネルギを発生させるセル(100)を有する燃料電池(10)と、セル内に対向して配置された2本の導線(50)と、2本の導線間の短絡・開放を切り替え制御する切替制御手段(40、60)と、2本の導線間が開放状態のときに導線間の静電容量を検出する検出手段(70)と、2本の導線間が短絡状態のときに導線に電力を供給して発熱させる加熱制御手段(80)とを備えることを特徴とする。 In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, a fuel cell (10) having a cell (100) for generating electric energy by a chemical reaction, and two conductors arranged opposite to each other in the cell. (50), switching control means (40, 60) for switching and controlling the short circuit / opening between the two conductors, and a detecting means for detecting the capacitance between the conductors when the two conductors are open. (70) and a heating control means (80) for supplying heat to the conductor to generate heat when the two conductors are in a short-circuit state.
これによると、水分量の増加に伴って静電容量も増加するため、2本の導線により静電容量に基づいてセル内水分状態を検出することができる。そして、セル内水分過多状態が検出された場合には、セル内に配置された2本の導線を発熱させることにより、セル内を速やかに乾燥させることができる。 According to this, since the electrostatic capacity increases with an increase in the amount of water, the moisture state in the cell can be detected based on the electrostatic capacity using two conductive wires. When an excessive moisture state in the cell is detected, the inside of the cell can be quickly dried by generating heat from the two conductive wires arranged in the cell.
また、例えば燃料電池を低温で起動する場合に、2本の導線を発熱させて燃料電池を昇温させることにより、燃料電池の低温起動を容易にすることができる。 For example, when starting the fuel cell at a low temperature, it is possible to easily start the fuel cell at a low temperature by heating the two fuel wires to raise the temperature of the fuel cell.
また、2本の導線は、静電容量センサとして機能するとともにヒータとしても機能するため、少ない搭載スペースで且つ低コストにて実施することができる。 In addition, since the two conductive wires function as a capacitance sensor and also as a heater, they can be implemented with a small mounting space and at a low cost.
請求項2に記載の発明のように、切替制御手段(40、60)は、2本の導線(50)間を開閉するスイッチ(60)と、スイッチの作動を制御する制御部(40)とを備えることができる。 As in the invention described in claim 2, the switching control means (40, 60) includes a switch (60) that opens and closes between the two conductors (50), and a control unit (40) that controls the operation of the switch. Can be provided.
請求項3に記載の発明では、セル(100)は、ガスの流路(131)が形成されたセパレータ(130)を備え、セパレータ内のガスの流路に導線(50)が配置されていることを特徴とする。 In the invention according to claim 3, the cell (100) includes a separator (130) in which a gas flow path (131) is formed, and a conductive wire (50) is disposed in the gas flow path in the separator. It is characterized by that.
これによると、セパレータ内のガスの流路に導線を配置しているため、導線がヒータとして機能する際にはガスを直接加熱することができ、したがって、セル内を一層速やかに乾燥させることができる。 According to this, since the conducting wire is arranged in the gas flow path in the separator, the gas can be directly heated when the conducting wire functions as a heater, and therefore, the inside of the cell can be dried more quickly. it can.
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。 In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.
図1は本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示す図で、この燃料電池システムは、例えば燃料電池を電源として走行する電気自動車に適用される。 FIG. 1 is a diagram showing an overall configuration of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention, and this fuel cell system is applied to, for example, an electric vehicle that runs using a fuel cell as a power source.
図1に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池10を備えている。この燃料電池10は、電気負荷11や2次電池(図示せず)等の電気機器に電力を供給するものである。因みに、電気自動車の場合、車両走行用の電動モータが電気負荷11に相当する。
As shown in FIG. 1, the fuel cell system of this embodiment includes a
本実施形態では燃料電池10として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となるセル(詳細後述)が複数個積層され、且つ電気的に直列接続されている。燃料電池10では、水素および空気(酸素)が供給されることにより、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギが発生する。
In the present embodiment, a solid polymer electrolyte fuel cell is used as the
(燃料極側)H2→2H++2e−
(空気極側)2H++1/2O2+2e−→H2O
燃料電池システムには、燃料電池10の空気極(正極)側に空気(酸素)を供給するための空気流路20と、燃料電池10の燃料極(負極)側に水素を供給するための燃料流路30が設けられている。なお、空気は本発明の酸化ガスに相当し、水素は本発明の燃料ガスに相当する。
(Fuel electrode side) H 2 → 2H + + 2e −
(Air electrode side) 2H + + 1 / 2O 2 + 2e − → H 2 O
The fuel cell system includes an
空気流路20の最上流部には、大気中から吸入した空気を燃料電池10に圧送するための空気ポンプ21が設けられ、空気流路20における空気ポンプ21と燃料電池10との間には、空気への加湿を行う加湿器22が設けられている。空気流路20における燃料電池10の下流側には、燃料電池10に供給される空気の圧力を調整するための空気調圧弁23が設けられている。
An
燃料流路30の最上流部には、水素ガスが充填された水素ボンベ31が設けられ、燃料流路30における水素ボンベ31と燃料電池10との間には、燃料電池10に供給される水素の圧力を調整して燃料電池10への水素供給量を調整する水素調圧弁32が設けられ、水素調圧弁32と燃料電池10との間には、水素への加湿を行う加湿器33が設けられている。燃料流路30における燃料電池10の下流側には、水素ボンベ31から燃料電池10に供給される水素の流量を調整する水素出口流量調整弁34が設けられている。
A
図2は燃料電池10を構成するセル100の要部の構成を示す図、図3はセル100におけるセパレータ130および電気回路部の構成を示す図、図4は図3のA−A線に沿う断面図、図5は図3の導線50の断面図である。
2 is a diagram showing the configuration of the main part of the
図2に示すように、セル100は、電解質膜110、拡散層120、セパレータ130等を備えている。セパレータ130は、ガスが透過しない導電性部材(例えばカーボン材)にて形成されており、隣接するセル間で水素と空気の流路を分離すると共に、セル間の電気的接続を確保する役割を有している。
As shown in FIG. 2, the
図3および図4に示すように、セパレータ130における拡散層120と対向する面には、空気が通過するセル内空気流路131、空気入口132、空気出口133が形成されている。セル内空気流路131は、本発明のガスの流路に相当する。
As shown in FIGS. 3 and 4, an in-cell
セル内空気流路131内には、2本の導線50が対向して配置されている。導線50は、図5に示すように、導体51が電気絶縁性の皮膜52にて覆われている。この導体51の断面形状は、丸でも四角でもよい。導線50は、並行平板コンデンサとして導線50間の静電容量に応じた電気信号を出力する静電容量センサの機能を有するとともに、電流を流すことにより発熱するヒータとしても機能するようになっている。因みに、図6に示すように、水分量の増加に伴って静電容量も増加するため、静電容量を検出することにより水分量を検出することができる。
In the in-cell
図3および図4に戻り、2本の導線50の両端はセパレータ130の外に導かれている。2本の導線50の一端側には、2本の導線50間を開閉するスイッチ60が接続されており、スイッチ60の作動は後述する制御部40によって制御されるようになっている。スイッチ60と制御部40により、本発明の切替制御手段を構成している。
Returning to FIG. 3 and FIG. 4, both ends of the two
2本の導線50の他端側には、検出回路70および加熱制御回路80が接続されている。検出回路70は、2本の導線50間がスイッチ60にて開放状態とされているときに、導線50間の静電容量に応じた電気信号に基づいてセル100内の水分状態を検出するものであり、本発明の検出手段に相当する。
A
加熱制御回路80は、図示しない電源から導線50に電力を供給する電力供給回路を開閉するもので、2本の導線50間がスイッチ60にて短絡状態とされているときに、電力供給回路を閉じて導線50に電力を供給することにより、導線50を発熱させるようになっている。加熱制御回路80は、本発明の加熱制御手段に相当する。
The
制御部(ECU)40は、CPU、ROM、RAM等からなる周知のマイクロコンピュータとその周辺回路にて構成されている。そして、制御部40には、検出回路70からの水分量信号、および燃料電池10の温度を検出する温度センサ(図示せず)からの燃料電池温度信号が入力される。また、制御部40は、演算結果に基づいて、空気ポンプ21、加湿器22、空気調圧弁23、水素調圧弁32、加湿器33、水素出口流量調整弁34、スイッチ60および加熱制御回路80に制御信号を出力する。
The control unit (ECU) 40 is composed of a well-known microcomputer comprising a CPU, ROM, RAM, etc. and its peripheral circuits. The
次に、上記構成の燃料電池システムの作動を図7に基づいて説明する。図7は制御部40にて実行される制御処理のうち、水分量信号および燃料電池温度信号に基づいて、燃料電池10の内部の水分量や燃料電池10の温度を制御する処理の部分の流れ図である。
Next, the operation of the fuel cell system configured as described above will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a flowchart of a part of the control process executed by the
図7において、まず、検出回路70からの水分量信号および温度センサからの燃料電池温度信号を入力する(S101)。そして、燃料電池10を低温で起動する時のように、燃料電池10の温度が閾値(例えば10℃)未満の場合には(S102がNO)、導線50をヒータして機能させる(S103)。具体的には、スイッチ60にて2本の導線50間を短絡状態にするとともに加熱制御回路80にて電力供給回路を閉じて導線50に電力を供給し、これにより、導線50を発熱させて燃料電池10を昇温させ、燃料電池10の低温起動を容易にする。
In FIG. 7, first, the moisture amount signal from the
一方、燃料電池10の温度が閾値以上の場合には(S102がYES)、スイッチ60にて2本の導線50間を開放状態にするとともに加熱制御回路80にて電力供給回路を開いて導線50への電力供給を停止し(S104)、これにより、導線50のヒータしての機能を停止させる。
On the other hand, when the temperature of the
次に、セル内の水分量が閾値以上、すなわちセル内水分過多状態の場合には(S105がYES)、セル内を乾燥させる運転を行う(S106)。具体的には、導線50をヒータとして機能させてセル内の水分を蒸発させ、水分を燃料電池10の外部に排出させる。また、加湿器22による空気への加湿量を減少させるとともに、加湿器33による水素への加湿量を減少させる。一方、セル内の水分量が閾値未満、すなわちセル内水分過多状態でない場合には(S105がNO)、セル内を乾燥させる運転を停止する(S107)。
Next, when the amount of moisture in the cell is equal to or greater than the threshold value, that is, when the amount of moisture in the cell is excessive (YES in S105), an operation for drying the inside of the cell is performed (S106). Specifically, the
本実施形態では、セル内水分量の検出結果に基づいてセル内水分量を制御しているため、セル内水分過多による燃料電池10の出力低下を防止できる。
In the present embodiment, since the moisture content in the cell is controlled based on the detection result of the moisture content in the cell, it is possible to prevent a decrease in the output of the
また、燃料電池10を低温で起動する場合に、導線50を発熱させて燃料電池10を昇温させているため、燃料電池10の低温起動が容易である。
Further, when the
また、導線50は、静電容量センサとして機能するとともにヒータとしても機能するため、少ない搭載スペースやコストにて実施することができる。
Moreover, since the
また、セル内空気流路131に導線50を配置しているため、導線50がヒータとして機能する際には空気を直接加熱することができ、セル内を速やかに乾燥させることができる。
Moreover, since the
また、セル電圧からセル内水分量を推定する場合は、セル内水分量が過多あるいは過小と推定可能な時点ではすでに状況が悪化(燃料電池10の出力低下発生等)しており、状況悪化後に対処することになるのに対し、静電容量式センサの場合は、状況悪化前にセル内水分量の過多あるいは過小を検出できるため、全てのセルの水分量をシーケンシャルに観測しても、状況悪化前にセル内水分量を適正値に制御することができる。
In addition, when estimating the amount of water in the cell from the cell voltage, the situation has already deteriorated (the occurrence of a decrease in the output of the
また、静電容量式センサの場合は、センサである導線50と検出回路70とを交流結合することにより、検出回路70の耐圧を下げることができる。
Further, in the case of a capacitive sensor, the withstand voltage of the
なお、導線50は、一部のセルのみに配置してもよいし、あるいは全てのセルに配置して全てのセルの水分状態を検出するようにしてもよい。導線50は、セル内空気流路131の空間からはみ出なければ、どのように配置してもよい。導線50は、セパレータ130内に埋め込んでもよい。2本の導線50を途中で分割して、例えばセル上側と下側を分けて水分状態を検出してもよい。
In addition, the
10…燃料電池、40…制御部(切替制御手段)、50…導線、60…スイッチ(切替制御手段)、70…検出回路(検出手段)、80…加熱制御回路(加熱制御手段)、100…セル。
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記セル内に対向して配置された2本の導線(50)と、
前記2本の導線間の短絡・開放を切り替え制御する切替制御手段(40、60)と、
前記2本の導線間が開放状態のときに前記導線間の静電容量を検出する検出手段(70)と、
前記2本の導線間が短絡状態のときに前記導線に電力を供給して発熱させる加熱制御手段(80)とを備えることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell (10) having a cell (100) for generating electric energy by an electrochemical reaction between a fuel gas mainly containing hydrogen and an oxidizing gas mainly containing oxygen;
Two conductors (50) arranged opposite to each other in the cell;
Switching control means (40, 60) for switching and controlling a short circuit / opening between the two conductors;
Detection means (70) for detecting a capacitance between the two conductors when the two conductors are in an open state;
A fuel cell system comprising heating control means (80) for supplying electric power to the conducting wire to generate heat when the two conducting wires are short-circuited.
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JP2008027809A (en) * | 2006-07-24 | 2008-02-07 | Yokogawa Electric Corp | Moisture content measuring device of fuel cell |
JP2008027805A (en) * | 2006-07-24 | 2008-02-07 | Yokogawa Electric Corp | Fuel cell stack and water content measuring device of fuel cell stack |
KR101350184B1 (en) | 2011-11-18 | 2014-01-10 | 기아자동차주식회사 | Method for controlling operation temperature of fuel cell stack |
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2003
- 2003-11-05 JP JP2003375595A patent/JP2005141972A/en not_active Withdrawn
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