JP2005216781A - 車載用燃料電池スタックの運転方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 走行中の計測電力が標準電力を超えているか否かを判断する。超えているときには、燃料電池の発電量(出力)が大きい状態であるとする。このときには、ファンを作動させるとともに、空気量配分機構を開く方向に作動させる。若しくは、走行速度の情報を加えて、走行速度が増加しないとき、つまり、出力は増大するが、走行速度は出力の増大とともに上がらない走行状態で燃料電池スタックを運転するときには、ファンを作動させるとともに、空気量配分機構を開く。冷却用空気の流量は増加する。
【選択図】 図14
Description
従来の燃料電池の運転方法として、燃料電池アセンブリを用いた方法が知られている(例えば、特許文献1参照。)。
また、車両に用いた燃料電池を運転する方法が知られている(例えば、特許文献2参照。)。
図18は、従来の技術を説明する図であり、従来の燃料電池の運転方法に用いた燃料電池アセンブリは、燃料電池積層部201と、この燃料電池積層部201と交互に積層した二極板202(燃料ガス通路203と酸素含有ガス通路204を有する。)とを備えたもので、その運転方法は、発電に空気の酸素を用いるとともに、その空気によって、積層した燃料電池積層部201を自然冷却する。
従来の燃料電池の運転方法に採用した「電動車両に用いられる燃料電池ユニット」は、冷却システム(例えば、走行風を通す。)を有し、その運転方法は、電動車両を走行させ、続けて、走行させたときに生じる走行風を用いて燃料電池を冷却する。
さらに、燃料電池ユニットは、冷却システムに風を強制的に通すための圧力源(例えば、送風機)を備え、まず、走行速度を検出し、その次に、低速走行であるか判断し、低速走行であれば送風機で燃料電池を冷却する。又は、外部温度を測定し、引き続き、外部温度が高いか判断し、外部温度が高いときに送風機で燃料電池を冷却することができる。
図1は、本発明の車載用燃料電池スタックの運転方法を採用した車両の斜視図であり、車両11は、水素を燃料とする燃料電池車で、車体12の中央に配置した蓄電装置13と、後部に配置した水素貯蔵源14と、後部に取り付けた走行モータ15,15と、走行モータ15,15に取り付けた後輪16,16と、前部に配置した車載用燃料電池スタック17と、車載用燃料電池スタック17を制御する燃料電池制御装置18と、を備える。21はエンジンルーム、22はアクセルペダル、23は補機、24は外気温度センサ、25は車速センサを示す。
補機23は、走行モータ15以外の電気機器であり、例えば、ワイパー用モータ26やエアコン用モータ27や前照灯28である。
車載用燃料電池スタック17は、電池スタック部31,31と、電池スタック部31,31の前に配置した空気量配分機構32と、電池スタック部31,31の後に配置したファン33と、電池スタック部31,31を覆う電池ケース34と、を備える。35は空気導入側、36,36(図3参照)は電池スタック部31,31の後に配置して燃料電池の温度を検出する温度センサ、37,37は水素を供給するための水素供給管、38,38は水素を排出するための水素排出管、41は空気量配分機構32の前に配置した空気濾過手段を示す。
開閉駆動源42は、任意であり、リンク機構43を矢印a1,a1のごとく作動させるものであればよく、例えば、ソレノイドや電気モータである。
車載用燃料電池スタック17は、既に説明したように、左右に並べて2基配置した電池スタック部31,31と、電池スタック部31,31の前に位置する空気導入側35に配置した空気量配分機構32と、電池スタック部31,31の後面46の後方(矢印a2の方向)でかつ、電池ケース34の後端に取り付けたファン33と、を備え、左右の電池スタック部31,31を直列に第1ケーブル48で接続し、左の電池スタック部31の下のマイナス端子51に第2ケーブル52を接続し、右の電池スタック部31の上のプラス端子53に第3ケーブル54を接続した。55は車載用燃料電池スタック17のスタック部31,31の正面を示す。
電池スタック部31は、発電セル61の間に冷却セルであるところの冷却空気流通板62を配置したものである。具体的には、下に2基の電池スタック部31,31を載せることが可能な面積の下部エンドプレート64を設け、下部エンドプレート64の上面の左側に第1絶縁シート65を載せ、この絶縁シート65の上面に第1集電用導電板66を載せ、第1集電用導電板66の上面に冷却空気流通板62を載せ、冷却空気流通板62の上面に発電セル61を載せ、発電セル61の上面に冷却空気流通板62を載せ、以降同様に発電セル61の上面に冷却空気流通板62を載せることで、発電セル61を所定数だけ積層し、所定数枚目の発電セル61の上面に第2集電用導電板67を載せ、第2集電用導電板67の上面に第2絶縁シート68を載せ、第2絶縁シート68の上面に上部エンドプレート71を載せ、上部エンドプレート71の上面にバックアッププレート72を載せ、バックアッププレート72と下部エンドプレート64とをタイロッド73・・・(・・・は複数を示す。以下同様。)及びナット74・・・を用いて締結し、下の第1集電用導電板66がマイナス極となり、上の第2集電用導電板67がプラス極となる発電装置である。一方、下部エンドプレート64の上面の右側にも左側と同様に発電セル61を所定数だけ積層してバックアッププレート72を載せ、このバックアッププレート72と下部エンドプレート64とをタイロッド73・・・及びナット74・・・を用いて締結した。
固体高分子電解質78としては、例えば、デュポン社製のナフィオン膜を挙げることができる。
電極触媒層79は、白金系触媒をカーボンの担体に保持させたものを塗布することで形成した膜である。
ガス拡散層81は、多孔質のカーボンペーパやカーボンクロスやカーボン不織布である。
固体高分子電解質78の水素側に積層した電極触媒層79とガス拡散層81とでアノード側電極75bを構成する。
冷却セル(冷却空気流通板)62の材質は、導電性の金属であり、薄板を用いた。
上部エンドプレート71には、水素入口71a及び水素出口71bを設けた。
発電セル61はまた、反応用空気Arの導入口113に取り付けたフィルタとしての細い目フィルタ106を備える。
細い目フィルタ106の詳細な仕様は任意である。
冷却セル(冷却空気流通板)62は、正面55側から後面46側に貫通する直線状の冷却用空気貫通流路94を複数備える。
カソード側セパレータ76は、正面55側から後面46側に貫通する直線状の反応用空気流路84を備える。
アノード側セパレータ77は、直線状の水素流路91と、パッキン121を備える。
冷却セル(冷却空気流通板)62はまた、カソード側セパレータ76(図6参照)に載って接触する仕切りベース板部127に溝板部128を取り付け、仕切りベース板部127の端に連ねてシート面112を成形したものである。
溝板部128には、冷却用空気貫通流路94・・・を所定の数Nだけ、所定のピッチPnで形成した。
冷却セル(冷却空気流通板)62を仕切りベース板部127と溝板部128とで形成することで、図7に示すようにカソード側セパレータ76の反応用空気流路84・・・間の構造は簡単になる。
カソード側セパレータ76は、より具体的には、薄板129の前端に連ねてシート面を支持するバックアップ部131を成形し、このバックアップ部131に連ねてフィルタ取り付け部132を成形し、フィルタ取り付け部132に連ねるとともに、薄板129の周囲にパッキン押圧部133を成形し、パッキン押圧部133に連ねて反応用空気流路84・・・を成形すると同時に電解質膜保持部134・・・を設定し、フィルタ取り付け部132に第1開口135・・・を開け、反応用空気流路84の前後に第2・第3開口136,137を開け、パッキン押圧部133の後端に第4開口141・・・を開け、パッキン押圧部133の左右側に水素排出孔83、水素供給孔82を開け、反応用空気Arが反応用空気流路84・・・を矢印a4・・・のごとく通る際に固体高分子電解質膜75(図7参照)に矢印a5のごとく供給される。
アノード側セパレータ77は、より具体的には、薄板144の前端に連ねてシート面114を成形し、薄板144の左右側に水素排出孔88,88、水素供給孔87,87を開け、薄板144の中央に電解質膜受け部145・・・を成形し、これらの電解質膜受け部145・・・の間を水素流路91・・・とし、水素が水素供給孔87を矢印h3・・・のごとく流れつつ、第1整流部材95(図4参照)を通過して、水素供給孔87から矢印h4・・・のごとく流入し、電解質膜受け部145・・・の間(水素流路91・・・)を流れながら、固体高分子電解質膜(膜・電極接合体)75(図7参照)に供給され、残りの水素が水素排出孔88を矢印h5・・・のように通り、第2整流部材96(図7参照)を通過して、水素排出孔88を矢印h6のように流れる。
リンク機構43は、開閉駆動源42(図2参照)に連結した連結バー147と、連結バー147に形成した駆動ボス148と、駆動ボス148に嵌める嵌合孔151と中央に形成した支点孔152と端に形成した偏心長孔153とを有する回動片154と、支点孔152に嵌めて支点となるように電池ケース34に形成した支点ボス155と、電池ケース34に形成したスライド孔156と、このスライド孔156に通して回動片154の偏心長孔153に掛止するように枠部101に形成したスライドピン157と、からなり、連結バー147が矢印b1のごとく上がると、回動片154が所定角度θだけ矢印b2のごとく回動するから、偏心長孔153でスライドピン157が押され(矢印b3の方向)、枠部101とともに、弁手段44並びに空気濾過手段41が一体に前進し、弁手段44は前進限に達し、閉じる。158は回動片154の原点位置であり、原点位置115(図5参照)に対応する。161は前進限位置で前進限位置116(図5参照)に対応し、162は後退限位置で後退限位置117(図5参照)に対応する。
(a)は空気量配分機構32が原点位置115にあり、通常の位置で、空気量配分機構32をほぼ50%開けた状態を示す。リンク機構43(図11参照)が作動して、空気量配分機構32が原点位置115の位置にあると、空気量配分機構32は冷却セル62・・・の導入口111・・・(前進限位置116)からストロークShだけ離れるので、シート面114・・・並びにシート面112・・・とシート部材108との間が50%開き、車両が走行した場合、前から後へ流れる空気Aは、発電セル61・・・の導入口113・・・から反応用空気Arとして流入し、一方、冷却セル62・・・の導入口111・・・から冷却用空気Acとして流入し、冷却セル62・・・で発電セル61・・・を冷却する。
車載用燃料電池スタックの運転方法に用いる燃料電池制御装置18を説明する。
(a)は時間と電池スタック部の発電量との関係を示したグラフであり、横軸を時間とし、縦軸を発電量とした。W1は平坦地走行時の発電量である。
発電セルの運転温度下限tnは、固体高分子電解質膜(膜・電極接合体)75(図4参照)を使用した燃料電池では、適正な発電反応温度範囲は60℃〜90℃であり、例えば、60℃に設定する。
発電セルの運転温度上限tmは、例えば、90℃に設定する。
(f)は空気量配分機構の開閉駆動源が開動作を行う時点を示すタイムチャートであり、横軸を時間とし、縦軸を開閉駆動源の開動作の「作動」並びに「停止」としたものである。
(g)は時間と冷却用空気流量との関係を示したグラフであり、横軸を時間とし、縦軸を冷却用空気流量とした。Qc1(走行風)は平坦地走行時の冷却用空気流量、Qcmは流量の最大である。
ここでは、まず、(b)の車速が下がり始めるので、車速が下がり過ぎないようにアクセルペダル22を踏み込む。その情報はアクセルペダル22に接続した出力センサ177→出力情報処理器178→水素流量制御システム176→水素流量制御器175に達し、水素流量制御器175は(c)に示すように水素流量を増加し始めるから、発電セル61(図5参照)は(a)に示すように発電量をW1以上発電する。この発電量W1以上が「計測電力が標準電力を超えているとき」に相当する。
また、車速が下がるために、(h)の反応用空気流量も減少し始める。
一方、車速が下がりつつある情報は、車速センサ25→車速情報処理器182→空気吸込みファン制御システム174に達する。
同時に、空気量配分機構32を冷却用空気流量が増大する方向に移動させるので、冷却用空気流量をQc3まで増加させることができ、冷却することができる。
(f)は空気量配分機構の開閉駆動源が閉動作を行う時点を示すタイムチャートであり、横軸を時間とし、縦軸を開閉駆動源の閉動作の「作動」並びに「停止」としたものである。
反応用空気流量は増加するが、水素流量は減少して発電量を減少させ、発電セルの温度が低下ぎみとなるが、ファン33を停止し、空気量配分機構32を冷却用空気流量が減少する方向に移動させるので、冷却用空気流量を減少させることができる。
(c)は時間と外気温度との関係を示したグラフであり、横軸を時間とし、縦軸を外気温度とした。
外気温度が「予め定めた標準温度を超えているとき」は、ここでは35℃を超えてという意味である。
一方、ファン33の作動によって、反応用空気流量はQr2まで増加する。
車載用燃料電池スタックの第4の運転方法は、外気温度が3℃以下のような低温環境下での燃料電池スタックの作動方法である。
(c)の外気温度に対して設定する予め定めた標準温度は、例えば、3℃である。
外気温度が「予め定めた標準温度を下回っている」は、ここでは3℃以下という意味である。
Claims (4)
- 固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟み、前記アノード側に燃料ガスを供給し、前記カソード側に反応用空気を供給して、固体高分子電解質膜を介して燃料ガスと空気を反応させて発電させる平板状の発電セルを複数枚準備し、隣接する発電セル間に、2枚の平板間に冷却用空気を流す構造の冷却セルを介在させるごとくに発電セルと冷却セルとを交互に積層して燃料電池スタックを構成し、この燃料電池スタックは、4つの側面のうち、車両に搭載したときに前方へ臨む正面に前記反応用空気の導入口を発電セルの各々に備えると共に前記冷却用空気の導入口を冷却セルの各々に備え、前記冷却セルに走行風又はファンで発生した空気流れを通過させるようにし、走行風又は空気流れを、反応用空気と冷却用空気とに配分すると共に配分割合を変更する空気量配分機構を正面の前方に備えた車載用燃料電池スタックの運転方法において、
車両を走行させる走行モータの消費電力を計測し、車両の走行速度を計測し、この走行速度に対する平坦地走行時に走行モータが消費する標準電力を算出し、前記計測電力が前記標準電力を超えているときには、前記ファンを回転状態にすると共に、前記空気量配分機構により、冷却用空気の配分を増加する制御を行うことを特徴とする車載用燃料電池スタックの運転方法。 - 固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟み、前記アノード側に燃料ガスを供給し、前記カソード側に反応用空気を供給して、固体高分子電解質膜を介して燃料ガスと空気を反応させて発電させる平板状の発電セルを複数枚準備し、隣接する発電セル間に、2枚の平板間に冷却用空気を流す構造の冷却セルを介在させるごとくに発電セルと冷却セルとを交互に積層して燃料電池スタックを構成し、この燃料電池スタックは、4つの側面のうち、車両に搭載したときに前方へ臨む正面に前記反応用空気の導入口を発電セルの各々に備えると共に前記冷却用空気の導入口を冷却セルの各々に備え、前記冷却セルに走行風又はファンで発生した空気流れを通過させるようにし、走行風又は空気流れを、反応用空気と冷却用空気とに配分すると共に配分割合を変更する空気量配分機構を正面の前方に備えた車載用燃料電池スタックの運転方法において、
車両を走行させる走行モータの消費電力を計測し、車両の走行速度を計測し、この走行速度に対する平坦地走行時に走行モータが消費する標準電力を算出し、前記計測電力が前記標準電力を下回っているときには、前記ファンを停止状態にすると共に、前記空気量配分機構により、冷却用空気の配分を減少する制御を行うことを特徴とする車載用燃料電池スタックの運転方法。 - 固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟み、前記アノード側に燃料ガスを供給し、前記カソード側に反応用空気を供給して、固体高分子電解質膜を介して燃料ガスと空気を反応させて発電させる平板状の発電セルを複数枚準備し、隣接する発電セル間に、2枚の平板間に冷却用空気を流す構造の冷却セルを介在させるごとくに発電セルと冷却セルとを交互に積層して燃料電池スタックを構成し、この燃料電池スタックは、4つの側面のうち、車両に搭載したときに前方へ臨む正面に前記反応用空気の導入口を発電セルの各々に備えると共に前記冷却用空気の導入口を冷却セルの各々に備え、前記冷却セルに走行風又はファンで発生した空気流れを通過させるようにし、走行風又は空気流れを、反応用空気と冷却用空気とに配分すると共に配分割合を変更する空気量配分機構を正面の前方に備えた車載用燃料電池スタックの運転方法において、
外気温度を計測し、この計測温度が、予め定めた標準温度を超えているときには、前記ファンを回転状態にすると共に、前記空気量配分機構により、冷却用空気の配分を増加する制御を行うことを特徴とする車載用燃料電池スタックの運転方法。 - 固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟み、前記アノード側に燃料ガスを供給し、前記カソード側に反応用空気を供給して、固体高分子電解質膜を介して燃料ガスと空気を反応させて発電させる平板状の発電セルを複数枚準備し、隣接する発電セル間に、2枚の平板間に冷却用空気を流す構造の冷却セルを介在させるごとくに発電セルと冷却セルとを交互に積層して燃料電池スタックを構成し、この燃料電池スタックは、4つの側面のうち、車両に搭載したときに前方へ臨む正面に前記反応用空気の導入口を発電セルの各々に備えると共に前記冷却用空気の導入口を冷却セルの各々に備え、前記冷却セルに走行風又はファンで発生した空気流れを通過させるようにし、走行風又は空気流れを、反応用空気と冷却用空気とに配分すると共に配分割合を変更する空気量配分機構を正面の前方に備えた車載用燃料電池スタックの運転方法において、
外気温度を計測し、この計測温度が、予め定めた標準温度を下回っているときには、前記ファンを停止状態にすると共に、前記空気量配分機構により、冷却用空気の配分を減少する制御を行うことを特徴とする車載用燃料電池スタックの運転方法。
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