JP2006012553A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムに関し、特に燃料ガスの利用効率向上に関する。 The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to improvement in utilization efficiency of fuel gas.
燃料電池自動車などに搭載される燃料電池システムが知られている。燃料電池システムは、アノード極(即ち、水素極又は燃料極)とカソード極(即ち、酸素極)から構成される燃料電池スタック(以下、単に「燃料電池」と呼ぶ)を本体として、アノード極に供給する水素等の燃料ガスを貯蔵したタンクや、未使用の燃料ガスを含む排ガスを元のアノード極に戻すためのポンプ等が付設されたシステムである。燃料電池では、水素と空気に含まれる酸素が反応して電力が生成される。 A fuel cell system mounted on a fuel cell vehicle or the like is known. The fuel cell system has a fuel cell stack (hereinafter simply referred to as “fuel cell”) composed of an anode electrode (that is, a hydrogen electrode or a fuel electrode) and a cathode electrode (that is, an oxygen electrode) as a main body. The system is equipped with a tank for storing fuel gas such as hydrogen to be supplied, a pump for returning exhaust gas containing unused fuel gas to the original anode electrode, and the like. In a fuel cell, hydrogen and oxygen contained in air react to generate electric power.
ここで、燃料電池システムでは、電池反応が進むにつれてカソード極から酸化ガス中の窒素や加湿用の水分が電解質膜を通りアノード極側へと滲み出してくる。このため、窒素や水蒸気(以下、これらを合わせて「不純物」とも呼ぶ)の分圧が上昇して、燃料電池の発電能力が低下してしまう。 Here, in the fuel cell system, as the cell reaction proceeds, nitrogen in the oxidizing gas and moisture for humidification ooze out from the cathode electrode to the anode electrode side through the electrolyte membrane. For this reason, the partial pressure of nitrogen or water vapor (hereinafter, collectively referred to as “impurities”) increases, and the power generation capacity of the fuel cell decreases.
そのため、一般的には、アノード極の排出路中に設けられたバルブを開にして、不純物を含むガスを排出している。例えば、特許文献1には、燃料電池の発電能力が低下したと判断された時に、アノード極側の排出路に配設された開閉バルブを開き(即ち、「水素パージ」)、未使用のガスと不純物を含んだガスを下流側に設けた副燃料電池に供給するという技術が記載されている。また、特許文献2には、燃料電池の出力電圧が低下すると判断される場合に、排出口に設けた遮断弁を開とすることにより、燃料ガスの供給路に存在する不純物を外部に放出するという技術が記載されている。また、特許文献3には、供給口と排出口を複数有する燃料電池システムにおいて、面内での燃料ガスの拡散のために複数の供給口から燃料を供給するという技術が記載されている。その他に、特許文献4には、燃料電池の大容量化に伴う集電効率の低下やばらつきを改善するために、分割集電板を微小間隔を空けて配置するといった技術が記載されている。
Therefore, in general, a valve provided in the discharge path of the anode electrode is opened to discharge the gas containing impurities. For example, in
しかしながら、上記の燃料電池システムでは、燃料電池内において不純物が一箇所に蓄積してしまい、燃料電池全体での発電効率が低下する場合があった。また、このような発電効率の低下を防ぐために、水素パージ量が増加してしまう場合もあった。 However, in the fuel cell system described above, impurities accumulate in one place in the fuel cell, and the power generation efficiency of the entire fuel cell may be reduced. Further, in order to prevent such a decrease in power generation efficiency, the hydrogen purge amount may increase.
本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、燃料電池内において不純物が一箇所に蓄積するのを防止して、燃料の利用効率の向上が可能な燃料電池システムを提供することにある。 The present invention has been made in order to solve such problems. The object of the present invention is to prevent the accumulation of impurities in one place in the fuel cell and improve the efficiency of fuel use. It is to provide a possible fuel cell system.
本発明の1つの観点では、燃料電池システムは、アノード極とカソード極が配設された燃料電池と、前記アノード極のガス供給口を通じて、前記アノード極に燃料ガスを供給するガス供給路と、前記アノード極のガス排出口を通じて、前記アノード極内のガスを排出するガス排出路と、前記ガス排出路を開閉する開閉手段と、前記アノード極のセパレータの複数のブロックから電流を取得する複数の電流取得手段と、前記開閉手段が閉であるときに、前記複数の電流取得手段から取得する電流比が変化するように前記電流取得手段を制御する電流比制御手段と、を備える。 In one aspect of the present invention, a fuel cell system includes a fuel cell in which an anode electrode and a cathode electrode are disposed, a gas supply path that supplies fuel gas to the anode electrode through a gas supply port of the anode electrode, Through the gas discharge port of the anode electrode, a gas discharge path for discharging the gas in the anode electrode, opening / closing means for opening and closing the gas discharge path, and a plurality of currents from a plurality of blocks of the anode electrode separator Current acquisition means; and current ratio control means for controlling the current acquisition means so that current ratios acquired from the plurality of current acquisition means change when the opening / closing means is closed.
上記の燃料電池システムは、燃料電池自動車などに搭載される。燃料電池(燃料電池スタック)はアノード極とカソード極から構成され、アノード極に供給する燃料ガス(水素など)とカソード極に供給する空気(即ち、酸素)にて電力を生成する。燃料電池は、アノード極の排出口を通じて、未使用の水素や、窒素や水蒸気などの不純物を含むガスを排出する排出路を備えている。この排出路中には、例えばバルブなどの開閉手段が設けてある。電流取得手段は、各々がアノード極のセパレータの複数のブロックから電流を取得できるようになっている。そして、電流比制御手段は、上記の開閉手段が閉であるときに、複数の電流取得手段から取得する電流比が変化するように制御する。 The fuel cell system is mounted on a fuel cell vehicle or the like. A fuel cell (fuel cell stack) includes an anode electrode and a cathode electrode, and generates electric power using fuel gas (such as hydrogen) supplied to the anode electrode and air (that is, oxygen) supplied to the cathode electrode. The fuel cell is provided with a discharge path for discharging unused hydrogen or gas containing impurities such as nitrogen and water vapor through the discharge port of the anode electrode. In this discharge path, for example, an opening / closing means such as a valve is provided. The current acquisition means can acquire current from a plurality of blocks of anode separators. The current ratio control means controls the current ratio acquired from the plurality of current acquisition means to change when the opening / closing means is closed.
燃料電池内において、燃料ガスである水素の最下流位置(水素の流速、又は水素の流量が実質「0」になる場所)は、電流が最も多く取得されているブロックに位置する。また、不純物は燃料ガスの最下流位置に溜まりやすい。よって、複数のブロックから取得する電流比を変化させことにより、燃料ガスの最下流位置を移動させ、アノード極内において不純物が一箇所に溜まらないようにすることができる。したがって、開閉手段を開にして不純物を排出する回数を少なくすることができ、燃料電池の利用効率が向上する。 In the fuel cell, the most downstream position of hydrogen as the fuel gas (where the hydrogen flow rate or hydrogen flow rate is substantially “0”) is located in the block where the most current is acquired. Impurities are likely to accumulate at the most downstream position of the fuel gas. Therefore, by changing the current ratio acquired from a plurality of blocks, the most downstream position of the fuel gas can be moved so that impurities are not accumulated in one place in the anode electrode. Therefore, it is possible to reduce the number of times the impurities are discharged by opening the opening / closing means, and the utilization efficiency of the fuel cell is improved.
また、燃料ガスの最下流位置を変化させることにより、不純物の拡散だけでなく、結露水の拡散も行われる。これにより、アノード極内のフラッディングを防止することができる。更に、この結露水を燃料電池スタック内の加湿水として効果的に利用することができる。これにより、燃料電池スタックのドライアウトを防止することもできる。 Further, by changing the most downstream position of the fuel gas, not only the diffusion of impurities but also the diffusion of condensed water is performed. Thereby, the flooding in an anode pole can be prevented. Furthermore, the condensed water can be effectively used as humidified water in the fuel cell stack. Thereby, dry-out of the fuel cell stack can also be prevented.
上記の燃料電池システムの一態様では、前記電流比制御手段は、前記複数の電流取得手段から取得する電流の大小関係が変化するように前記電流取得手段を制御する。 In one aspect of the fuel cell system, the current ratio control unit controls the current acquisition unit so that a magnitude relationship of currents acquired from the plurality of current acquisition units changes.
この態様では、燃料電池システムの電流比制御手段は、複数のブロックから取得する電流の大小関係も変化するように制御する。例えば、第1のブロックと第2のブロックから取得する電流比を、例えば7:3から3:7へと変化させ、第1のブロックよりも第2のブロックから取得する電流の方が多くなるように電流比を制御する。これにより、燃料ガスの最下流位置を異なるブロックへと確実に移動させることができ、不純物を確実に移動、拡散させることが可能となる。 In this aspect, the current ratio control means of the fuel cell system performs control so that the magnitude relationship between the currents acquired from the plurality of blocks also changes. For example, the current ratio acquired from the first block and the second block is changed from, for example, 7: 3 to 3: 7, and the current acquired from the second block is larger than that of the first block. So that the current ratio is controlled. As a result, the most downstream position of the fuel gas can be reliably moved to a different block, and impurities can be reliably moved and diffused.
上記の燃料電池システムの他の一態様では、前記アノード極のセパレータは、前記複数のブロック毎に分割されている。この態様では、アノード極のセパレータがブロック毎に分割されているので、複数のブロック間において電流が流れることがない。よって、電流比制御手段は、制御量通りに各ブロックから電流を取得することが可能となり、電流比をより正確に制御することが可能となる。 In another aspect of the fuel cell system, the anode electrode separator is divided into the plurality of blocks. In this aspect, since the anode separator is divided into blocks, no current flows between the plurality of blocks. Therefore, the current ratio control means can acquire current from each block according to the control amount, and can control the current ratio more accurately.
上記の燃料電池システムの他の一態様では、前記ガス供給路は、前記アノード極に燃料ガスを供給する第1の供給路と、前記ガス排出路上の前記開閉手段より上流側の位置に配置され、前記第1の供給路とは逆方向に前記アノード極に燃料ガスを供給する第2の供給路と、を備える。 In another aspect of the fuel cell system, the gas supply path is disposed at a position upstream of the first supply path for supplying fuel gas to the anode electrode and the opening / closing means on the gas discharge path. And a second supply path for supplying fuel gas to the anode electrode in a direction opposite to that of the first supply path.
この態様では、第1及び第2の供給路から燃料ガスをアノード極に供給することができる。前述のように、各ブロックから取得する電流比を制御することにより、燃料ガスの最下流位置を移動させることができるのであるが、燃料ガスをアノード極内の一方向にしか供給できない場合、その方向の最も下流側のブロックに不純物が貯まってしまうとそれを移動させることができなくなり、そのブロックを使用した発電ができなくなる。これに対し、アノード極内に双方向に燃料ガスを供給可能とすれば、上記のような場合でも燃料ガスの供給方向を逆にすることにより、不純物を移動させることが可能となる。即ち、アノード極内に双方向に燃料ガスを供給可能とすることにより、常にアノード極内の複数のブロック全体の範囲にわたって不純物を移動させることができ、これにより発電効率の低下や燃料ガスの無駄な排出を抑制することができる。また、アノード極の面内の発電分布をより均一化することができるので、燃料電池スタックの耐久性も向上させることができる。 In this aspect, fuel gas can be supplied to the anode electrode from the first and second supply paths. As described above, by controlling the current ratio obtained from each block, the most downstream position of the fuel gas can be moved. However, when the fuel gas can be supplied only in one direction in the anode electrode, If impurities accumulate in the most downstream block in the direction, it cannot be moved, and power generation using that block cannot be performed. On the other hand, if the fuel gas can be supplied bidirectionally into the anode electrode, the impurities can be moved by reversing the fuel gas supply direction even in the above case. That is, by making it possible to supply fuel gas bidirectionally into the anode electrode, impurities can always be moved over the entire range of the plurality of blocks in the anode electrode, thereby reducing power generation efficiency and wasting fuel gas. Can be suppressed. In addition, since the power generation distribution in the plane of the anode can be made more uniform, the durability of the fuel cell stack can also be improved.
以下、図面を参照して本発明の好適な実施の形態について説明する。 Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[燃料電池システムの構成]
図1は、本発明の1つの実施形態に係る燃料電池システム50の概略構成図を示している。燃料電池システム50は、主に、燃料電池(燃料電池スタック)1と、燃料タンク2と、ECU(Electronic Control Unit)10と、供給路3a、3b、3cと、排出路4a、4bと、供給口5a、5b、5cと、排出口6aと、バルブ8と、を備えている。燃料電池システム50は、燃料電池自動車(以下、単に「車両」と呼ぶ)などに搭載される。
[Configuration of fuel cell system]
FIG. 1 shows a schematic configuration diagram of a
燃料電池1は、電解質膜1cの両面にガスが拡散可能な多孔質層等の構造を有する電極を成膜した電池セルを、層間に導電性のセパレータを挟んで積層したもので、積層数に応じた出力電圧を取り出すことができる。図中には、説明の便宜のため電解質膜1c面にカソード極(空気極)1aと、アノード極(燃料極)1bが形成された単セルの構造のみを示している。
The
また、燃料電池1は車両駆動用のモータの給電源であり、300V程度の直流の高電圧を発生するようになっている。燃料電池1の発電電圧は、モータに指令トルク等に応じた電流を供給する図示しないインバータなどの電気負荷に出力されるようになっている。また、燃料電池1の発電電圧は、電源ケーブル15を通り、モータに指令トルク等に応じた電流を供給するインバータや、車両に搭載される種々の補機や、この補機への給電用の二次電池であるバッテリーに出力される。
The
本実施形態においては、燃料電池1のセパレータは、複数のブロックに分割されている。そして、燃料電池システム50は、この複数のブロック中の少なくとも1つのブロックから選択的に電流を取得、又はそれぞれのブロックにて異なる電流を取得するように構成されている。具体的には、電源ケーブル15の途中にスイッチ部7が設けられており、燃料電池システム50はこのスイッチ部7を制御することにより、それぞれのブロックから取得する電流比を変化させる。このスイッチ部7は、燃料電池システム50内のECU10から供給される制御信号S11により制御される。スイッチ部7の制御については、詳細は後述する。
In the present embodiment, the separator of the
燃料電池1には、供給口5b、5cの2箇所から燃料ガス(以下、単に「水素」と呼ぶ)が供給されるようになっている。矢印A2に示すように燃料タンク2より供給される水素は、供給路3bを通過する水素と供給路3cを通過する水素とに分割される。そして、水素は、供給口5b、5cからアノード極1bへ供給される。供給路3bは第1の供給路として機能し、供給路3cは第2の供給路として機能する。
Fuel gas (hereinafter simply referred to as “hydrogen”) is supplied to the
供給路3cの途中には、排出路4bが接続されている。更に、排出路4b上にはバルブ8が設けられている。バルブ8は、ECU10から供給される制御信号S12によって制御される。これにより、バルブ8の開閉、又は開度量の調節が行われる。バルブ8の開閉、又は開度量の調節が行われることにより、排出路4bを通過するガス(即ち、未使用の水素や、前述した不純物などを含むガスであり、以下単に「排気」とも呼ぶ)の流量が制御される。バルブ8が閉であるときは、排出路4bには排気は通過しない。一方、バルブ8が開であるときは、矢印A4で示すようにアノード極1bから排出される排気が排出路4bを通過する。以上のように、バルブ8は排出路4bを開閉する開閉手段として機能する。
A
空気は、矢印A1で示すように供給路3aを通過して、供給口5aよりカソード極1aに供給される。そして、カソード極1aから排出される空気は、排出口6aから矢印A3で示すように排出路4aを通過する。
The air passes through the
ECU10は、図示しないCPU、ROM、RAM、A/D変換器及び入出力インタフェイスなどを含んで構成される。本実施形態においては、ECU10は、スイッチ部7に制御信号S11を供給し、バルブ8に制御信号S12を供給する。ECU10は、燃料電池1の状態や車両の状態などに応じて、スイッチ部7とバルブ8を制御する。
The
本実施形態に係るECU10が行う制御について、その概要を説明する。ECU10は、複数のブロックに分割されたセパレータにおいて、それぞれのブロックから取得する電流の電流比が変化するようにスイッチ部7を制御する。通常、水素の最下流位置(水素の流速、又は水素の流量が実質「0」になる場所)には不純物が貯まりやすいが、本実施形態では水素の最下流位置は電流が最も多く取得されるブロック内に位置する。よって、電流比を変化させることにより最下流位置を移動させることができる。よって、ECU10は、セパレータの複数のブロックから取得する電流比を変化させることにより、水素の最下流位置を燃料電池1内で移動させ、アノード極1b内において不純物が一箇所に溜まらないようにすることができる。これにより、バルブ8を開にして不純物を排出する回数を少なくすることができるため、燃料電池1の利用効率が向上する。なお、ECU10は、バルブ8が閉である場合にスイッチ部7の制御を行うものとする。これは、バルブ8を開にするのはアノード極1b内のガスを排出する場合であり、この場合にはスイッチ7を制御して不純物を移動させる必要がないためである。以上のように、ECU10は電流比制御手段として機能する。
The outline | summary is demonstrated about the control which ECU10 which concerns on this embodiment performs. ECU10 controls switch
次に、本実施形態に係る燃料電池1の具体的な構造について説明する。
Next, a specific structure of the
図2は、燃料電池1の構造を示す概略図である。図2(a)は、燃料電池1の全体の構造を示す側面図である。燃料電池1は、単セル1dを複数積層して構成される。積層された単セル1dは、エンドプレート1f上に配置されている。本実施形態では、燃料電池1のセパレータは、複数のブロックに分割されている。具体的には、燃料電池1は複数の集電板11a〜11dを備えている。なお、図2(a)では、紙面の左右両方向から水素が供給されるものとする。即ち、燃料電池1内において紙面の左右方向にガスが流れる。
FIG. 2 is a schematic view showing the structure of the
図2(b)は、図2(a)中の矢印B方向から見た平面図を示している。燃料電池1は、集電板11a〜11dを備えている。集電板11a〜11dは、ガスの流れ方向に複数配置されている。また、スイッチ部7は、スイッチ7a、7b、7c、7dを備えている。複数のスイッチ7a〜7dを有するスイッチ部7は、例えば半導体スイッチなどで構成される。スイッチ7a、7b、7c、7dは、それぞれ集電板11a、11b、11c、11dに接続されている。また、スイッチ部7は、前述したようにECU10からの制御信号S11によって制御される。なお、図2においては、燃料電池1が4つの集電板11a〜11dを備えるものを示しているが、本発明の適用はこの数に限定はされない。また、集電板の形状、配置も図示したものに限定されない。更に、本例ではそれぞれの集電板に別個のスイッチが接続されたものを示しているが、本発明の適用はこれに限定されない。例えば、4つの集電板に対して1つのスイッチを接続してもよいし、2つの集電板に対して1つのスイッチを接続してもよい。
FIG. 2B shows a plan view seen from the direction of arrow B in FIG. The
図3は、スイッチ7a〜7dの開閉を制御したときの水素の流れの具体例を示す。図3(a)は、スイッチ7aのみを閉じ、その他のスイッチは開いた場合のガスの流れを示す。スイッチ7aのみを閉じているので、集電板11aのみに電流が流れる。したがって、集電板11aのみから電流が取得される。この場合、集電板11aが存在する位置にて最も水素が消費されることになるので、符号C1で示す水素最下流位置は集電板11aの位置となる。
FIG. 3 shows a specific example of the flow of hydrogen when opening and closing of the
図3(b)は、スイッチ7dのみを閉じ、その他のスイッチは開いた場合の水素の流れを示す。スイッチ7dのみを閉じているので、集電板11dのみに電流が流れる。したがって、集電板11dのみから電流が取得される。即ち、集電板11dが存在する位置にて最も水素が消費されることになるので、符号C2で示す水素の最下流位置は集電板11dの位置となる。
FIG. 3B shows the flow of hydrogen when only the
図4は、スイッチ7a〜7dの開閉を制御したときの不純物の変動を示している。図4に示す燃料電池1は、図2に示す切断線X−X’に沿った断面図として示している。
FIG. 4 shows the fluctuation of impurities when the opening / closing of the
図4(a)は、スイッチ7aのみを閉じ、その他のスイッチは開いた場合の図である(即ち、図3(a)に示した例に当たる)。スイッチ7aのみを閉じているので、集電板11aのみに電流が流れる。よって、集電板11aが存在する位置に水素の最下流位置がくる。水素の最下流位置では水素の流速が実質「0」になるため、この位置に不純物が溜まる。よって、集電板11aが存在する位置に不純物D1が溜まる。
FIG. 4A shows a case where only the
図4(b)は、スイッチ7dのみを閉じ、その他のスイッチは開いた場合の図である(即ち、図3(d)に示した例に当たる)。スイッチ7dのみを閉じているので、集電板11dのみに電流が流れる。よって、集電板11dが存在する位置に水素の最下流位置がくる。したがって、集電板11dが存在する位置に不純物D2が溜まる。
FIG. 4B shows a case where only the
以上のように、スイッチ7a〜7dを切り替えることにより、燃料電池1内で不純物を移動させることができる。図4(c)は、このようなスイッチの切り替えを繰り返し行ったときの不純物の位置について示す。スイッチを切り替えるごとに不純物が移動するため、不純物は一箇所に固定されなくなる。したがって、スイッチの切り替えを繰り返し行った場合、不純物D3は燃料電池1の略全体に拡散される。
As described above, the impurities can be moved in the
このように不純物を拡散すると、単位体積あたりの不純物濃度は低くなる。そのため、燃料電池1全体の出力性能が著しく低下してしまうような状態には達しにくい。これにより、アノード極1b内の不純物を排出するために、アノード極1b内のガスの排出を行う回数を減らすことができる。即ち、水素のパージ量、又はパージ時間を減らすことができる。更に、アノード極1bの面内の発電分布をより均一化することができるので、燃料電池1の耐久性も向上させることができる。
When impurities are diffused in this way, the impurity concentration per unit volume is lowered. Therefore, it is difficult to reach a state where the output performance of the
また、上記のようにスイッチ7a〜7dを制御することにより、不純物の拡散だけでなく、燃料電池1内の結露水の拡散も行うことができる。これにより、アノード極1b内におけるフラッディングを防止することができる。更に、この結露水を燃料電池1内の加湿水として効果的に利用することもできる。これにより、燃料電池1のドライアウトを防止することもできる。
Further, by controlling the
ここで、ECU10によるスイッチの制御方法について具体的に説明をする。
Here, the switch control method by the
図5は、スイッチ7a〜7dに対してECU10が供給する制御信号の一例について示す。ECU10は、スイッチ7aに制御信号S11aを供給し、スイッチ7bに制御信号S11bを供給し、スイッチ7cに制御信号S11cを供給し、スイッチ7dに制御信号S11dを供給するものとする。この例では、ECU10が、スイッチ7a→スイッチ7b→スイッチ7c→スイッチ7dへと順に閉じるように制御したものを示している(なお、この場合は、1つのスイッチのみが閉じられており、その他のスイッチは開いているものとする)。よって、電流が取得される集電板は、集電板11a→集電板11b→集電板11c→集電板11dと変化していく。これにより、不純物が溜まる集電板位置も、集電板11a→集電板11b→集電板11c→集電板11dと移動していく。ECU10は、スイッチ1dを開いた後は、スイッチ1aを再度閉じて同様の制御を繰り返し行っていく。以上により、不純物が燃料電池1内で一箇所に蓄積せずに、全体に拡散していく。
FIG. 5 shows an example of a control signal supplied from the
なお、図5に示した例のように、必ずしも4つのスイッチの開閉の周波数を共通にする必要はない。また、スイッチの開閉を周期的に行う必要もない。同様に、スイッチを閉じている時間又は開いている時間幅も、複数のスイッチの間で共通とする必要はない。即ち、スイッチ7a〜7dの制御方法は、1つのスイッチのみを閉じることに限定されず、同時に複数のスイッチを閉じることにより、複数の集電板から異なる電流比で電流を取り出してもよい。
Note that, as in the example shown in FIG. 5, it is not always necessary to make the switching frequency of the four switches common. Further, it is not necessary to periodically open and close the switch. Similarly, the time during which a switch is closed or the time span during which it is open need not be common among the switches. That is, the control method of the
この場合、ECU10による各集電板からの取得電流の制御は、各集電板から取得する電流比が変化すればよく、各集電板から取得する電流の大小関係は変化しなくてもよい。例えば、説明の単純化のためセパレータが2つのブロックに分割されていると仮定し、第1の集電板と第2の集電板から取得する電流比を10:0から0:10に変化させれば、不純物は第1の集電板の位置から第2の集電板の位置に移動する。これに対し、第1の集電板と第2の集電板から取得する電流比を9:1から6:4に変化させた場合、電流の大小関係は変わらないので不純物は依然として第1の集電板の方に多く存在するが、その割合は変化するので、第1の集電板に位置していた不純物はある程度第2の集電板の方へ移動することになり、1つの集電板内などにおける狭い範囲内でも不純物を拡散させる効果は得られる。即ち、本発明においては、複数の集電板から取得する電流比を変化させれば不純物の拡散効果を得ることができ、複数の集電板から取得する電流の大小関係を変化させることは必須ではない。但し、取得する電流の大小関係が変化するように電流比を変化させれば、不純物の拡散効果が大きくなることはもちろんである。
In this case, the control of the acquired current from each current collector plate by the
また、4つのスイッチにおける7a〜7dが開いている時間又は閉じている時間、若しくは閉じているスイッチの個数、或いはスイッチを開閉するタイミングなどを詳細に制御することにより、更に細かく不純物を移動させることができる。言い換えると、アノード極1b内において水素の流れに脈動を生じさせることができる。
Further, the impurities are moved more finely by controlling in detail the time when the 7a-7d in the four switches are open or closed, the number of the switches that are closed, or the timing for opening and closing the switches. Can do. In other words, pulsation can be generated in the hydrogen flow in the
[変形例]
次に、本発明の変形例に係る燃料電池システムについて説明する。
[Modification]
Next, a fuel cell system according to a modification of the present invention will be described.
図6は、変形例に係る燃料電池システム51の概略構成図を示している。図1に示した燃料電池システム50ではアノード極1bに2つの供給口から水素を供給していたが、変形例に係る燃料電池システム51では1つの供給口から水素を供給する。その他の構成要素は、前述した燃料電池システム50と同様であるので説明を省略する。
FIG. 6 shows a schematic configuration diagram of a fuel cell system 51 according to a modification. In the
燃料電池システム51においては、供給口5bのみからアノード極1bに水素を供給する。よって、アノード極1b内には一方向のみのガスの流れが生ずる。また、アノード極1bには排出口6bが配設されており、排出口6bには排出路4bが接続されている。更に、排出路4bの途中にはバルブ8が設けられている。このバルブ8が開にされると、アノード極1bからガスが排出される。
In the fuel cell system 51, hydrogen is supplied to the
以上のように燃料電池1を構成しても、ECU10がスイッチ部7を制御することにより、アノード極1bにおける水素の最下流位置を移動させることができる。これにより、不純物を一箇所に固定しないようにすることができる。
Even when the
具体的に、図7を用いて燃料電池1内の不純物の移動について説明する。図7は、図2(b)に示したものと同様の集電板を示しており、スイッチの開閉を制御したときのガスの流れを示している。図7(a)はスイッチ7aのみを閉じたものを示し、図7(b)はスイッチ7bのみを閉じたものを示し、図7(c)はスイッチ7cのみを閉じたものを示し、図7(d)はスイッチ7dのみを閉じたものを示している。この場合、ECU10は、スイッチ7a→スイッチ7b→スイッチ7c→スイッチ7dへと順に切り替える。即ち、電流が取得される集電板は、集電板11a→集電板11b→集電板11c→集電板11dへと変化していく。よって、水素の最下流位置は符号E1→E2→E3→E4へと移動していく。したがって、最終的には集電板11dがある位置に不純物が溜まることになる。燃料電池1内ではガスの流れは一方向であるので(集電板11a側から集電板11d側に流れる)、集電板1dがある位置に溜まった不純物は、その後スイッチをいずれに切り替えても移動することはない。したがって、その後はスイッチ7a→スイッチ7b→スイッチ7c→スイッチ7a→スイッチ7b→スイッチ7aへと切り替え、これらのスイッチの切り替えが終了したときにバルブ8を開にすることが好ましい。これにより、溜まった不純物により燃料電池1の発電は害されない。そして、無駄に水素を排出することをできる限り抑制し、効果的に不純物を排出することができる。
Specifically, the movement of impurities in the
次に、ECU10がスイッチ部7を用いて行う電流比制御に関する変形例について説明する。上記では、スイッチの開閉により少なくとも1つの集電板から電流を取得して電流比が変化するように制御したが、その代わりに可変抵抗を用いて電流比が変化するように制御してもよい。
Next, a modified example relating to current ratio control performed by the
図8は、可変抵抗が接続された燃料電池1の具体例を示す。燃料電池1は、集電板11a、11b、11c、11dを備えている。可変抵抗は、可変抵抗9a、可変抵抗9b、可変抵抗9c、可変抵抗9dから構成される(以下、添え字省略して「可変抵抗9」として示した場合は、可変抵抗9a〜9dの全てを含めたものを意味するものとする)。可変抵抗9a、9b、9c、9dは、それぞれ集電板11a、11b、11c、11dに接続されている。これらの可変抵抗9a、9b、9c、9dは、それぞれECU10からの制御信号S13a、13b、13c、13dによって制御される。この制御信号S13a〜S13dにより、ECU10は可変抵抗の抵抗値を変化させることができる。
FIG. 8 shows a specific example of the
以上のように、可変抵抗の抵抗値を変更することにより、複数の集電板から取得する電流比を制御することができる。可変抵抗を用いて詳細に抵抗値を変更することにより、それぞれの集電板から取得する電流を細かく制御することができる。これにより、水素の最下流位置を細かく移動させることができる。また、電流比の制御中においても燃料電池1の面内の広範囲から電流を取得することができる。例えば、集電板11a、11b、11c、11dの全てから電流を取得していても、それぞれから取得される電流値を異にすることができる。これにより、少数(例えば、1つ)の集電板のみから電流を取得しなくてもよいため、燃料電池1の耐久性を向上させることができる。また、可変抵抗を用いているので、複数の集電板から取得する電流比の大小関係も容易に変化させることができる。
As described above, the current ratio acquired from the plurality of current collector plates can be controlled by changing the resistance value of the variable resistor. By changing the resistance value in detail using a variable resistor, the current acquired from each current collector plate can be finely controlled. Thereby, the most downstream position of hydrogen can be moved finely. Further, the current can be acquired from a wide range within the surface of the
なお、可変抵抗の構成は上記したものに限定されない。上記の例では、それぞれの集電板に別個の可変抵抗が接続されたものを示したが、例えば4つの集電板に対して1つの可変抵抗を接続してもよいし、2つの集電板に対して1つの可変抵抗を接続してもよい。 Note that the configuration of the variable resistor is not limited to that described above. In the above example, each variable current collector is connected to a separate variable resistor. However, for example, one variable resistor may be connected to four current collectors, or two current collectors may be connected. One variable resistor may be connected to the plate.
図9は、燃料電池1内の集電板の構成に関する変形例を示す。図9に示す集電板は、ガスの流れと垂直方向(図9の上下方向)にも集電板が分割されて構成されている。即ち、ガスの流れ方向に4つの集電板が配置され、この4つのセットがガスの流れと垂直方向に2段設けられている。また、図2などに示す上記の例では複数の集電板を完全に分離させて構成したものを示したが、本例のように複数の集電板が接続しているような構成をとってもよい。即ち、図9の領域Fで示す部分(以下、この部分を「接続部分」と呼ぶ)によって、隣接する集電板を接続する。この場合、接続部分Fの抵抗値が大きくなるよう構成されることが好ましい。例えば、接続部分Fの幅を細く構成するか、或いは接続部分Fを電気抵抗率の高い材料で構成する。これにより、隣接する集電板において電流が流れにくくなり、ECU10からの制御信号に適切に対応した電流比を取得することが可能となる。
FIG. 9 shows a modification regarding the configuration of the current collector plate in the
1 燃料電池
1a カソード極
1b アノード極
2 燃料タンク
3a、3b、3c 供給路
4a、4b 排出路
5a、5b、5c 供給口
6a、6b 排出口
7 スイッチ部
8 バルブ
10 ECU(Electronic Control Unit)
11a、11b、11c、11d 集電板
50、51 燃料電池システム
DESCRIPTION OF
11a, 11b, 11c, 11d
Claims (4)
前記アノード極のガス供給口を通じて、前記アノード極に燃料ガスを供給するガス供給路と、
前記アノード極のガス排出口を通じて、前記アノード極内のガスを排出するガス排出路と、
前記ガス排出路を開閉する開閉手段と、
前記アノード極のセパレータの複数のブロックから電流を取得する複数の電流取得手段と、
前記開閉手段が閉であるときに、前記複数の電流取得手段から取得する電流比が変化するように前記電流取得手段を制御する電流比制御手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell in which an anode and a cathode are disposed;
A gas supply path for supplying fuel gas to the anode electrode through a gas supply port of the anode electrode;
A gas discharge path for discharging the gas in the anode electrode through the gas discharge port of the anode electrode;
Opening and closing means for opening and closing the gas discharge path;
A plurality of current acquisition means for acquiring current from a plurality of blocks of the anode separator;
A fuel cell system comprising: current ratio control means for controlling the current acquisition means so that current ratios acquired from the plurality of current acquisition means change when the opening / closing means is closed.
前記アノード極に燃料ガスを供給する第1の供給路と、
前記ガス排出路上の前記開閉手段より上流側の位置に配置され、前記第1の供給路とは逆方向に前記アノード極に燃料ガスを供給する第2の供給路と、を備えることを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池システム。
The gas supply path is
A first supply path for supplying fuel gas to the anode electrode;
A second supply path that is disposed at a position upstream of the opening / closing means on the gas discharge path and that supplies fuel gas to the anode electrode in a direction opposite to the first supply path. The fuel cell system according to claim 1 or 2.
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