JP2006049133A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、構造が異なる複数の燃料電池を備え、当該燃料電池の状況に応じて各燃料電池の発電を制御する燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system that includes a plurality of fuel cells having different structures and controls power generation of each fuel cell in accordance with the state of the fuel cell.
燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。すなわち、燃料電池車両は、水素貯蔵装置や燃料改質装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、大気汚染物質の排出がなく究極のクリーン車両である。 In a fuel cell, a fuel gas such as hydrogen gas and an oxidizing gas containing oxygen are electrochemically reacted through an electrolyte, and electric energy is directly taken out between electrodes provided on both surfaces of the electrolyte. In particular, a polymer electrolyte fuel cell using a polymer electrolyte has attracted attention as a power source for electric vehicles because of its low operating temperature and easy handling. That is, a fuel cell vehicle has a hydrogen storage device and a fuel reformer mounted on the vehicle, and hydrogen supplied from the vehicle and oxygen-containing air are sent to the fuel cell to react with each other, and the electric energy extracted from the fuel cell is obtained. It drives the motor connected to the drive wheels, and it is the ultimate clean vehicle without the emission of air pollutants.
ところで、固体高分子型燃料電池に用いられる固体高分子電解質膜は、湿潤状態を維持しないと良好な水素イオン導電性を発揮しない。固体高分子膜を湿潤状態に維持する為には、燃料電池の外部に設けた加湿装置で燃料ガスや酸化剤ガスを加湿する外部加湿方法や、燃料電池内部に加湿用の純水通路を設け、この純水通路と多孔質性の水透過板を介して燃料ガスや酸化剤ガスを加湿する内部加湿方法がある。前者の加湿方法によるものは外部加湿型燃料電池、後者のものは内部加湿型燃料電池とそれぞれ呼ばれている。 By the way, the solid polymer electrolyte membrane used in the polymer electrolyte fuel cell does not exhibit good hydrogen ion conductivity unless it is kept in a wet state. In order to maintain the solid polymer membrane in a wet state, an external humidification method in which fuel gas or oxidant gas is humidified by a humidifier provided outside the fuel cell, or a pure water passage for humidification is provided inside the fuel cell. There is an internal humidification method in which fuel gas or oxidant gas is humidified through this pure water passage and a porous water permeable plate. The former humidification method is called an external humidification fuel cell, and the latter is called an internal humidification fuel cell.
このような内部加湿型燃料電池を備えた燃料電池システムとしては、燃料極、酸化剤極及び電解質膜を備え、電解質膜の湿潤状態を保持すると共に内部のフラッディングを抑制する技術が下記の特許文献1などにて知られている。
しかしながら、従来の外部加湿型燃料電池にあっては、燃料電池本体とは別に加湿装置を備える必要があり、燃料電池システムの容積が増加し、当該燃料電池システムの容積に対する出力密度及び車両搭載性が低下するという問題点があった。また、加湿装置で反応ガスを加湿するためのエネルギを要するので、燃料電池システム全体としての燃費性能の低下を招くという問題点があった。更に、外部加湿型燃料電池では、発電を開始する起動時や冷機時には水詰まりが発生しやすく、氷点下起動時には加湿しなくても問題が無いことから、加湿装置が不要となる状況があった。 However, in the conventional external humidification fuel cell, it is necessary to provide a humidifier separately from the fuel cell main body, the volume of the fuel cell system increases, the output density with respect to the volume of the fuel cell system and the vehicle mountability There has been a problem of lowering. In addition, since energy for humidifying the reaction gas is required by the humidifier, there is a problem in that the fuel efficiency performance of the fuel cell system as a whole is reduced. Furthermore, in the external humidification type fuel cell, water clogging is likely to occur at the time of starting to start power generation or at the time of cooling, and there is no problem even if it is not humidified at the time of starting below the freezing point.
また、従来の内部加湿型燃料電池にあっては、起動時に純水通路に水分が残存した状態であるので、起動時間が長くなってしまうという問題があった。 Further, the conventional internal humidification type fuel cell has a problem that the start-up time becomes long because moisture remains in the pure water passage at the start-up.
そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、外部加湿型燃料電池と内部加湿型燃料電池とのそれぞれを効率よく発電させることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been proposed in view of the above-described circumstances, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system that can efficiently generate power for each of the external humidification fuel cell and the internal humidification fuel cell. And
本発明に係る燃料電池システムは、加湿用流体が供給される加湿用流体流路が設けられ、当該加湿用流体流路から反応ガス流路に拡散する水分によって電解質膜を加湿すると共に、反応ガス供給手段から反応ガスが供給されて発電反応を行う内部加湿型燃料電池と、反応ガス供給手段から反応ガスが供給されて発電反応を行う外部加湿型燃料電池とを有し、反応ガス供給手段から内部加湿型燃料電池と外部加湿型燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスである反応ガスを供給して発電させる。 The fuel cell system according to the present invention is provided with a humidifying fluid flow path to which a humidifying fluid is supplied, humidifies the electrolyte membrane with moisture diffused from the humidifying fluid flow path to the reactive gas flow path, and reacts with the reaction gas. An internal humidified fuel cell that performs a power generation reaction by being supplied with a reaction gas from a supply unit; and an external humidification fuel cell that performs a power generation reaction by being supplied with a reaction gas from a reaction gas supply unit. A reaction gas, which is a fuel gas and an oxidant gas, is supplied to the internal humidification fuel cell and the external humidification fuel cell to generate electric power.
このとき、反応ガス供給手段は、燃料電池システムの運転状態に基づいて、外部加湿型燃料電池に燃料ガス又は酸化剤ガスを供給し、当該外部加湿型燃料電池から排出された燃料ガス又は酸化剤ガスを内部加湿型燃料電池に供給する状態と、内部加湿型燃料電池に燃料ガス又は酸化剤ガスを供給し、当該内部加湿型燃料電池から排出された燃料ガス又は酸化剤ガスを外部加湿型燃料電池に供給する状態とを切り替えることにより、上述の課題を解決する。 At this time, the reactive gas supply means supplies the fuel gas or oxidant gas to the external humidification fuel cell based on the operating state of the fuel cell system, and the fuel gas or oxidant discharged from the external humidification fuel cell. A state in which gas is supplied to the internal humidification type fuel cell, and a fuel gas or oxidant gas is supplied to the internal humidification type fuel cell, and the fuel gas or oxidant gas discharged from the internal humidification type fuel cell is supplied to the external humidification type fuel cell. The above-mentioned problem is solved by switching the state to be supplied to the battery.
本発明に係る燃料電池システムによれば、運転状態に応じて、外部加湿型燃料電池と内部加湿型燃料電池とのガス供給順序を切り替えるように構成したので、外部加湿型燃料電池及び内部加湿型燃料電池の加湿、外部加湿型燃料電池及び内部加湿型燃料電池の水詰まりの解消や暖機を効率的に行うことができると共に、外部加湿型燃料電池に加湿ガスを導入するための別個の加湿器を搭載する必要を無くすことができる。したがって、外部加湿型燃料電池と内部加湿型燃料電池とのそれぞれを効率よく発電させることができると共に、システム規模を小さくすることができ、当該システム規模に対する発電電力の出力密度を高くすることができる。 According to the fuel cell system of the present invention, since the gas supply order between the external humidification fuel cell and the internal humidification fuel cell is switched according to the operating state, the external humidification fuel cell and the internal humidification type are configured. Fuel cell humidification, external humidification type fuel cell and internal humidification type fuel cell can eliminate water clogging and warm up efficiently, and separate humidification for introducing humidification gas into external humidification type fuel cell It is possible to eliminate the need to install a vessel. Accordingly, each of the external humidification fuel cell and the internal humidification fuel cell can be efficiently generated, the system scale can be reduced, and the output density of the generated power with respect to the system scale can be increased. .
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
本発明は、例えば図1に示すように構成された燃料電池システムに適用される。 The present invention is applied to a fuel cell system configured as shown in FIG. 1, for example.
この燃料電池システムは、反応ガスである燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する外部加湿型燃料電池1及び内部加湿型燃料電池2を備えている。この外部加湿型燃料電池1及び内部加湿型燃料電池2は、アノードに燃料ガスとしての水素ガスが供給されると共に、カソードに酸化剤ガスとしての空気が供給される。
This fuel cell system includes an external
本実施形態では、外部加湿型燃料電池1及び内部加湿型燃料電池2は、固体高分子型燃料電池とする。これらの燃料電池のアノード(燃料極)及びカソード(酸化剤極)における電気化学反応及び燃料電池全体としての反応は、以下に示す式(1)〜(3)による。
In the present embodiment, the external
〔アノード〕 H2 → 2H+ +2e- …(1)
〔カソード〕 1/2 O2 +2H+ +2e- → H2O …(2)
〔全体〕 H2 +1/2 O2 → H2O …(3)
[外部加湿型燃料電池1及び内部加湿型燃料電池2の構成]
図2(a)は、内部加湿型燃料電池2の一例を示す模式断面図、図2(b)は外部加湿型燃料電池1の一例を示す模式断面図である。
[Anode] H 2 → 2H + + 2e − (1)
[Cathode] 1/2 O 2 + 2H + + 2e − → H 2 O (2)
[Overall] H 2 +1/2 O 2 → H 2 O (3)
[Configuration of External
FIG. 2A is a schematic cross-sectional view showing an example of the internal
図2(a)に示すように、内部加湿型燃料電池2の単位であるセルは、固体高分子型電解質膜を用いた電解質膜32の両面にアノード電極触媒層33及びカソード電極触媒層34をそれぞれ形成した膜電極接合体(MEA)31と、MEA31の両面に配置されたアノードガス拡散層35,カソードガス拡散層36と、水透過板37,38と、セパレータ39,40を備えている。
As shown in FIG. 2A, the cell which is a unit of the internal humidification
水透過板37,38は、例えば、主として機械的強度を担う板状のフレーム材41に設けた多数の貫通孔に、加湿機能を担う多孔質材42を埋め込んで形成されている。セパレータ39と水透過板37,セパレータ40と水透過板38との間には、それぞれ純水流路53,54が設けられ、加湿用流体である純水が供給される。純水は、水透過板37,38の純水流路53,54に接する一方の面から多孔質材42を介して他方の面に浸透する。水透過板37,38の他方の面にはそれぞれ水素流路51,空気流路52が設けられ、純水流路53,54から浸透した純水がそれぞれ水素、空気を加湿するようになっている。
The water
なお、図2(a)に示した内部加湿型燃料電池2は、水素流路51に水透過板37を介して純水流路53が隣接すると共に、空気流路52に水透過板38を介して純水流路54が隣接する構成を示したが、水素又は空気の何れかのみを加湿して電解質膜32を加湿させるように構成されていても良い。この場合、加湿する側のみに、水透過板及び純水流路が設けられることになる。これによって、内部加湿型燃料電池2は、水透過板及び純水流路が設けられている一方の極が、氷点下時の凍結等が発生しやすい極となる。
In the internal humidification
図2(b)に示すように、外部加湿型燃料電池1の単位であるセルは、固体高分子型電解質膜を用いた電解質膜32の両面にアノード電極触媒層33及びカソード電極触媒層34をそれぞれ形成した膜電極接合体(MEA)31と、MEA31の両面に配置されたアノードガス拡散層35,カソードガス拡散層36と、セパレータ39,40を備えている。
As shown in FIG. 2B, the cell which is a unit of the external humidification
セパレータ39とアノードガス拡散層35との間には、水素流路51が設けられ、水素が供給される。同様に、セパレータ40とカソードガス拡散層36との間には、空気流路52が設けられ、空気が供給される。
A hydrogen channel 51 is provided between the
なお、図2(b)に示した外部加湿型燃料電池1では、水素流路51及び空気流路52に加湿されたガスが供給されて電解質膜32を加湿する場合や、水素流路51又は空気流路52の一方に加湿されたガスが供給されて電解質膜32を加湿する場合がある。
In the external humidification
このような構成の外部加湿型燃料電池1は、基本的に、外部から供給される加湿されたガスの水分、空気流路52側の電気化学反応による生成水が運転状況によって発生する。また、この外部加湿型燃料電池1は、加湿されるガスが供給される水素流路51及び/又は空気流路52の形状や長さ、水素流路51と空気流路52との位置関係等の流路関係によって水詰まりの発生しやすさが決定される。
In the external humidification
したがって、外部加湿型燃料電池1の空気流路52に加湿した空気を導入した場合には、当該外部加湿型燃料電池1の空気流路52では、水詰まりが発生しやすくなり、外部加湿型燃料電池1の水素流路51に加湿した水素を導入した場合には、空気流路52のみならず水素流路51も水詰まりが発生しやすくなる。
Therefore, when humidified air is introduced into the air flow path 52 of the external
また、外部加湿型燃料電池1としては、運転状況によって水詰まりが発生しやすい極が空気流路52か水素流路51かを特定できないものがある。例えば、外部加湿型燃料電池1の冷機時には、水素流路51で水詰りしやすいが、通常運転中は生成水の影響で空気流路52の方が水詰りしやすいものがある。
Further, as the external humidification
[燃料電池システムの構成]
燃料電池システムは、外部加湿型燃料電池1及び内部加湿型燃料電池2に空気を供給する空気供給系、外部加湿型燃料電池1及び内部加湿型燃料電池2に水素ガスを供給する水素供給系(図示せず)、内部加湿型燃料電池2に純水を循環させる純水循環系(図示せず)を備える。これらの空気供給系、水素供給系及び純水循環系は、後述する制御装置21によって動作が制御されることにより、外部加湿型燃料電池1及び内部加湿型燃料電池2へのガス供給状態、内部加湿型燃料電池2への純水供給状態を調整する。
[Configuration of fuel cell system]
The fuel cell system includes an air supply system that supplies air to the external
空気供給系は、図1に示すように、外部加湿型燃料電池1内の空気流路52と内部加湿型燃料電池2内の空気流路52とがガス配管で接続され、外部加湿型燃料電池1を上流とし内部加湿型燃料電池2を下流とする構成と、内部加湿型燃料電池2を上流とし外部加湿型燃料電池1を下流とする構成との間で切り替え可能な構成となっている。すなわち、空気供給系は、外部加湿型燃料電池1の空気流路52から排出された空気を内部加湿型燃料電池2の空気流路52に供給する構成と、内部加湿型燃料電池2の空気流路52から排出された空気を外部加湿型燃料電池1の空気流路52に供給する構成との間で切り替えられる。
As shown in FIG. 1, the air supply system includes an air passage 52 in the external
具体的には、空気供給系は、フィルタ11及びコンプレッサ12と第1流路切替弁13とを配管L1で接続し、第1流路切替弁13と外部加湿型燃料電池1とを配管L2で接続し、第1流路切替弁13と内部加湿型燃料電池2とを配管L3で接続し、外部加湿型燃料電池1と内部加湿型燃料電池2とを配管L4で接続し、外部加湿型燃料電池1と圧力調整弁19とを配管L5,配管L7で接続し、内部加湿型燃料電池2と圧力調整弁19とを配管L6,配管L7で接続し、圧力調整弁19と外気とを配管L8で接続して、構成されている。
Specifically, in the air supply system, the
また、空気供給系は、空気の流路を切り替えるための構成として、配管L1と配管L2と配管L3との合流点に設けられた第1流路切替弁13及びアクチュエータ14と、配管L5に設けられた第2流路切替弁15及びアクチュエータ16と、配管L6に設けられた第3流路切替弁17及びアクチュエータ18とを備える。これらの流路切替弁13,15,17は、制御装置21によってアクチュエータ14,16,18が制御されることによって、空気及び水素の流路を切り替える。
The air supply system is provided in the first flow
このような燃料電池システムは、外部加湿型燃料電池1と内部加湿型燃料電池2とを直列に接続する配管L4が、外部加湿型燃料電池1及び内部加湿型燃料電池2の空気流路52に接続された構成となっている。これにより、燃料電池システムは、コンプレッサ12で圧縮した空気を、図3に示すように、第1流路切替弁13から配管L2を介して外部加湿型燃料電池1、配管L4、内部加湿型燃料電池2の順序、又は、図4に示すように、第1流路切替弁13から配管L3を介して内部加湿型燃料電池2、配管L4、外部加湿型燃料電池1の順序で供給する。
In such a fuel cell system, the pipe L4 that connects the external
このとき、図3に示す順序で空気を供給するためには、制御装置21は、第1流路切替弁13の開口13bを開状態とすると共に開口13cを閉状態とし、第2流路切替弁15を閉状態とし、第3流路切替弁17を開状態とするように、アクチュエータ14,16,18を制御する。これにより、図3中の太線で示すように、コンプレッサ12から第1流路切替弁13、第1流路切替弁13から外部加湿型燃料電池1、外部加湿型燃料電池1から内部加湿型燃料電池2、内部加湿型燃料電池2から圧力調整弁19へと空気が流れる流路を形成する。
At this time, in order to supply air in the order shown in FIG. 3, the
一方、図4に示す順序で空気を供給するためには、制御装置21は、第1流路切替弁13の開口13cを開状態とすると共に開口13bを閉状態とし、第2流路切替弁15を開状態とし、第3流路切替弁17を閉状態とするように、アクチュエータ14,16,18を制御する。これにより、図4中の太線で示すように、コンプレッサ12から第1流路切替弁13、第1流路切替弁13から内部加湿型燃料電池2、内部加湿型燃料電池2から外部加湿型燃料電池1、外部加湿型燃料電池1から圧力調整弁19へと空気が流れる流路を形成する。
On the other hand, in order to supply air in the order shown in FIG. 4, the
水素供給系は、外部加湿型燃料電池1及び内部加湿型燃料電池2に供給する水素を貯蔵した水素貯蔵タンク、当該水素貯蔵タンクから外部加湿型燃料電池1及び内部加湿型燃料電池2に水素供給する配管に設けられた水素圧力調整弁、外部加湿型燃料電池1及び内部加湿型燃料電池2から排出された水素を循環させる循環流路や循環ポンプ等からなる。この水素供給系は、制御装置21の制御に従って、外部加湿型燃料電池1及び内部加湿型燃料電池2に要求される電力に応じた水素流量及び圧力で水素供給を行う。
The hydrogen supply system includes a hydrogen storage tank that stores hydrogen to be supplied to the external
また、水素供給系は、図1に示した空気供給系と同様に、外部加湿型燃料電池1内の水素流路51と内部加湿型燃料電池2内の水素流路51とがガス配管で接続され、外部加湿型燃料電池1を上流とし内部加湿型燃料電池2を下流とする構成と、内部加湿型燃料電池2を上流とし外部加湿型燃料電池1を下流とする構成との間で切り替え可能な構成となっていても良い。すなわち、水素供給系は、外部加湿型燃料電池1のアノードから排出された水素を内部加湿型燃料電池2の水素流路51に供給する構成と、内部加湿型燃料電池2の水素流路51から排出された水素を外部加湿型燃料電池1の水素流路51に供給する構成との間で切り替えられるように構成する。この場合、水素供給系は、図1に示す空気供給系と同様に外部加湿型燃料電池1と内部加湿型燃料電池2とを接続する配管や流路切替弁を備え、当該流路切替弁の開閉が制御装置21によって制御される。
Further, in the hydrogen supply system, similarly to the air supply system shown in FIG. 1, the hydrogen flow path 51 in the external
純水循環系は、内部加湿型燃料電池2内の純水流路53,54に純水を循環させるための配管や純水ポンプ等からなる。この純水循環系は、純水を循環させることにより、内部加湿型燃料電池2に供給された空気又は水素を加湿させることによって、内部加湿型燃料電池2内の電解質膜32を湿潤状態に保持する。また、この純水循環系によって水分を含んだ空気及び水素は、そのまま水分を含んだ状態で内部加湿型燃料電池2外に排出される。
The pure water circulation system includes a pipe for circulating pure water through the pure water flow paths 53 and 54 in the internal
このような燃料電池システムは、外部加湿型燃料電池1及び内部加湿型燃料電池2の空気流路52と水素流路51の少なくとも一方又は双方を配管によって接続する。これにより燃料電池システムは、空気流路52と水素流路51の少なくとも一方又は双方における外部加湿型燃料電池1と内部加湿型燃料電池2との空気、水素の供給順序を切り替え可能に構成される。このように、外部加湿型燃料電池1と内部加湿型燃料電池2とで供給順序を切り替え可能な構成とするか否かは、以下に示す要因(1)〜(3)によって決定される。
In such a fuel cell system, at least one or both of the air flow path 52 and the hydrogen flow path 51 of the external
(1)外部加湿型燃料電池1における水詰まりの発生し易さ
図2を参照して説明したように、生成水や加湿ガス、空気流路52の形状等によって外部加湿型燃料電池1の空気流路52に水詰まりが発生しやすい場合には、外部加湿型燃料電池1の空気流路52と内部加湿型燃料電池2の空気流路52とを接続し、空気供給系を図1に示すように構成する。また、外部加湿型燃料電池1の水素流路51に水詰まりが発生しやすい場合には、外部加湿型燃料電池1の水素流路51と内部加湿型燃料電池2の水素流路51とを接続し、水素供給系において外部加湿型燃料電池1と内部加湿型燃料電池2とで供給順序を切り替え可能とする。
(1) Ease of water clogging in the external
(2)内部加湿型燃料電池2における加湿極側
内部加湿型燃料電池2の純水流路が空気流路52と水素流路51の一方のみに設けられ、空気流路52と水素流路51の一方から電解質膜32を加湿する構成となっている場合には、当該純水流路が設けられた流路側において外部加湿型燃料電池1と内部加湿型燃料電池2とを接続する。
(2) Humidification electrode side in the internal humidification
すなわち、内部加湿型燃料電池2の純水流路が空気流路52側のみに設けられている場合には、外部加湿型燃料電池1の空気流路52と内部加湿型燃料電池2の空気流路52とを接続して、外部加湿型燃料電池1と内部加湿型燃料電池2とで供給順序を切り替え可能とする。また、内部加湿型燃料電池2の純水流路が水素流路51側のみに設けられている場合には、外部加湿型燃料電池1の水素流路51と内部加湿型燃料電池2の水素流路51とを接続して、外部加湿型燃料電池1と内部加湿型燃料電池2とで供給順序を切り替え可能とする。
That is, when the pure water flow path of the internal
(3)水詰まりの発生のし易さが特定できない場合
外部加湿型燃料電池1において水詰まりが発生しやすい極が特定できない場合には、外部加湿型燃料電池1と内部加湿型燃料電池2の空気流路52同士、外部加湿型燃料電池1と内部加湿型燃料電池2の水素流路51同士を接続する。これにより、空気供給系及び水素供給系の双方ともに、水素及び空気の供給順序を外部加湿型燃料電池1と内部加湿型燃料電池2との間で切り替え可能とする。
(3) When the ease of occurrence of water clogging cannot be specified When the pole where water clogging is likely to occur in the external
このように、要因(1)〜(3)に基づいて燃料電池システムの配管構成を設計する場合には、外部加湿型燃料電池1の水素流路51及び空気流路52のそれぞれの水詰まりの発生し易さを実験等によって求め、水詰まりが最も発生しやすい極が特定できた場合には、当該極においてガスの供給順序を切り替えるために、当該極において外部加湿型燃料電池1と内部加湿型燃料電池2とを直列に接続する。また、実験等によって水詰まりが最も発生し易い極が特定できない場合には、空気流路52及び水素流路51の双方において外部加湿型燃料電池1と内部加湿型燃料電池2とを直列に接続するように構成される。
As described above, when the piping configuration of the fuel cell system is designed based on the factors (1) to (3), the water clogging of each of the hydrogen flow path 51 and the air flow path 52 of the external
[燃料電池システムの動作]
つぎに、上述したように構成された燃料電池システムにより、外部加湿型燃料電池1と内部加湿型燃料電池2とでガスの供給順序を切り替える時の動作について説明する。なお、以下の動作説明では、図1〜図3に示すように、空気供給系において外部加湿型燃料電池1と内部加湿型燃料電池2とで空気供給順序を切り替える場合について説明するが、水素供給系についても同様に供給順序を切り替え可能であるものとする。
[Operation of fuel cell system]
Next, an operation when the gas supply order is switched between the external
空気供給順序を切り替えるに際して、制御装置21は、燃料電池システムの運転状態を判断する。このとき、制御装置21は、外部加湿型燃料電池1及び内部加湿型燃料電池2の発電開始命令、外部加湿型燃料電池1及び内部加湿型燃料電池2に循環される冷却水温度に基づく周囲の温度、外部加湿型燃料電池1及び内部加湿型燃料電池2のセル電圧を、燃料電池システムの運転状態として検出する。
When switching the air supply order, the
「起動時」
制御装置21は、外部加湿型燃料電池1及び内部加湿型燃料電池2の発電開始命令を検出した場合であって、燃料電池システムの起動時であると判定した場合には、図3に示すように、外部加湿型燃料電池1を上流とし、内部加湿型燃料電池2を下流とする。これにより、コンプレッサ12で圧縮された空気は、第1流路切替弁13を介して外部加湿型燃料電池1に導入されて外部加湿型燃料電池1から排出され、内部加湿型燃料電池2に導入され、圧力調整弁19で圧力調整される。
"On startup"
When the
この燃料電池システムの起動時では、外部加湿型燃料電池1の温度が室温程度と低く、加湿された空気が導入されると、外部加湿型燃料電池1内で水分が凝縮して水詰まりが発生し易くなるが、加湿しない空気を外部加湿型燃料電池1に導入することにより、外部加湿型燃料電池1内での水詰まりの発生を回避する。なお、起動直後において、外部加湿型燃料電池1内に乾燥した空気を導入した場合であっても、外部加湿型燃料電池1の耐性を劣化させることはない。
At the start of the fuel cell system, when the temperature of the external
したがって、燃料電池システムの起動時において、外部加湿型燃料電池1を上流とすることにより、外部加湿型燃料電池1の水詰まりを回避しつつ、外部加湿型燃料電池1及び内部加湿型燃料電池2によって安定した発電を行わせることができる。
Accordingly, when the fuel cell system is started, the external
また、外部加湿型燃料電池1及び内部加湿型燃料電池2による発電を中止して、外部加湿型燃料電池1及び内部加湿型燃料電池2の冷却水が60℃〜70℃程度である状態で再度起動するホットスタート時であっても、通常運転時と比較して外部加湿型燃料電池1内で、水詰まりが発生し易いと考えられるので、外部加湿型燃料電池1を上流、内部加湿型燃料電池2を下流とすることが望ましい。
Further, the power generation by the external
「冷機時」
制御装置21は、外部加湿型燃料電池1及び内部加湿型燃料電池2の少なくともどちらか一方の温度が例えば50℃以下の冷機時であると判定した場合には、図3に示すように、外部加湿型燃料電池1を上流とし、内部加湿型燃料電池2を下流とする。
"When cold"
When the
この燃料電池システムの冷機時では、外部加湿型燃料電池1の温度が低く、加湿された空気が導入されると、外部加湿型燃料電池1内で水分が凝縮して水詰まりが発生し易くなるが、加湿しない空気を外部加湿型燃料電池1に導入することにより、外部加湿型燃料電池1内での水詰まりの発生を回避する。なお、外部加湿型燃料電池1内に乾燥した空気を導入した場合であっても、外部加湿型燃料電池1の耐性を劣化させることはない。
When the fuel cell system is cold, if the temperature of the external
したがって、燃料電池システムの冷機時において、外部加湿型燃料電池1を上流とすることにより、外部加湿型燃料電池1の水詰まりを回避しつつ、外部加湿型燃料電池1及び内部加湿型燃料電池2によって安定した発電を行わせることができる。
Accordingly, when the fuel cell system is cold, the external
「氷点下起動時」
制御装置21は、外部加湿型燃料電池1及び内部加湿型燃料電池2内を流れる冷却水温度が例えば5℃以下の氷点下相当の条件で起動させると判定した場合には、図3に示すように、外部加湿型燃料電池1を上流とし、内部加湿型燃料電池2を下流とする。
"When starting below freezing"
When the
この燃料電池システムの氷点下起動時では、内部加湿型燃料電池2の純水流路に残存している純水が凍結している可能性があり、当該純水が凍結している場合には電解質膜32を湿潤状態とすることが困難であるので、内部加湿型燃料電池2による発電が困難となる。これに対し、燃料電池システムは、先ず外部加湿型燃料電池1を発電開始させ、当該外部加湿型燃料電池1の発電による熱を内部加湿型燃料電池2に伝達する。
At the time of starting below the freezing point of this fuel cell system, there is a possibility that the pure water remaining in the pure water flow path of the internal humidification
このとき、燃料電池システムは、外部加湿型燃料電池1から排出された空気を内部加湿型燃料電池2に導入することで内部加湿型燃料電池2を暖機する。また、外部加湿型燃料電池1を通過した冷却水を内部加湿型燃料電池2に導入することで、内部加湿型燃料電池2を暖機しても良い。これにより、外部加湿型燃料電池1の発電による熱を内部加湿型燃料電池2に伝達することで内部加湿型燃料電池2を暖機する。
At this time, the fuel cell system warms up the internal humidification
したがって、燃料電池システムの氷点下起動時において、外部加湿型燃料電池1を上流とし、内部加湿型燃料電池2を下流とすると共に、先ず外部加湿型燃料電池1を発電させることによって氷点下起動時であっても速やか発電を行うことができ、外部加湿型燃料電池1の発熱を内部加湿型燃料電池2に伝達することにより、短時間で内部加湿型燃料電池2の発電を開始させることができる。
Therefore, when the fuel cell system is started below freezing, the external
「水詰まりの発生時」
制御装置21は、外部加湿型燃料電池1を構成する燃料電池セルの電圧を検出するセル電圧センサからセル電圧を読み込んで、外部加湿型燃料電池1の複数のセル電圧を取得する。そして、制御装置21は、複数のセル電圧を平均した平均セル電圧を求め、当該平均セル電圧に対して所定割合以上低下したセル電圧を検出した場合には、水詰まりが発生したと判定する。
"When a water clog occurs"
The
これに応じ、制御装置21は、図3に示すように、外部加湿型燃料電池1を上流とし、内部加湿型燃料電池2を下流とする。これにより、水詰まりが発生した外部加湿型燃料電池1に乾燥した空気を優先して導入することにより、水詰まりを解消する。このように、水詰まりが発生した場合であっても、即座に外部加湿型燃料電池1を上流とすることにより、水詰まりによる発電効率の低下を即座に解消することができる。
Accordingly, as shown in FIG. 3, the
「通常運転時」
制御装置21は、外部加湿型燃料電池1及び内部加湿型燃料電池2の双方の温度が例えば50℃以上となって通常の発電を行っている通常発電時には、図4に示すように、内部加湿型燃料電池2を上流とし、外部加湿型燃料電池1を下流とする。すなわち、上述した起動時や氷点下起動時では外部加湿型燃料電池1を上流とすると共に内部加湿型燃料電池2を下流としていた状態において、暖機が完了したと判定した場合には、図4に示すように内部加湿型燃料電池2を上流、外部加湿型燃料電池1を下流に切り替える。
"During normal operation"
As shown in FIG. 4, the
これにより、燃料電池システムでは、内部加湿型燃料電池2により湿潤状態とされた空気を外部加湿型燃料電池1に導入して、外部加湿型燃料電池1の電解質膜32を湿潤状態に保持することができる。これにより、燃料電池システムでは、外部加湿型燃料電池1に導入する空気を加湿する別個の加湿器を使用することなく、電解質膜32を加湿することが可能となる。
Thus, in the fuel cell system, the air humidified by the internal
また、上述した各運転状態に対する燃料電池システムの動作は、外部加湿型燃料電池1及び内部加湿型燃料電池2の空気流路52側についてのみ説明したが、水素流路51側についても空気流路52側と同様に、運転状態に応じて供給順序を切り替えても良い。また、上述した「起動時」、「冷機時」、「氷点下起動時」において、外部加湿型燃料電池1よりも内部加湿型燃料電池2の方が水詰まりの発生し易い構成となっている場合には、外部加湿型燃料電池1を上流とする動作とは逆に、内部加湿型燃料電池2を上流とし、外部加湿型燃料電池1を下流としても良い。更に、「水詰まり発生時」においても、外部加湿型燃料電池1のみならず、内部加湿型燃料電池2についても水詰まりの発生の有無を判断して、外部加湿型燃料電池1と内部加湿型燃料電池2のうち、水詰まりが発生した方の燃料電池を上流としても良い。
Further, the operation of the fuel cell system with respect to each operation state described above has been described only on the air flow path 52 side of the external
[燃料電池システムの他の構成]
つぎに、燃料電池システムの他の構成について説明する。
[Other configurations of fuel cell system]
Next, another configuration of the fuel cell system will be described.
本発明を適用した燃料電池システムは、外部加湿型燃料電池1と内部加湿型燃料電池2とで空気及び水素の供給順序を切り替えるための構成として、図5又は図6のように構成しても良い。
The fuel cell system to which the present invention is applied may be configured as shown in FIG. 5 or FIG. 6 as a configuration for switching the supply order of air and hydrogen between the external
図5に示す燃料電池システムは、配管L1を介してコンプレッサ12と三方弁61とを接続し、当該三方弁61にそれぞれ配管L2を介して外部加湿型燃料電池1を接続し、配管L3を介して内部加湿型燃料電池2を接続し、更に、外部加湿型燃料電池1と内部加湿型燃料電池2とを配管L4で直列に接続する。そして、この燃料電池システムは、図1における第2流路切替弁15及び第3流路切替弁17に代えて、配管L5と配管L6との合流点に三方弁62を設け、当該三方弁62の排出側に圧力調整弁63を設けている。
In the fuel cell system shown in FIG. 5, the
このような燃料電池システムでは、図3に示すように外部加湿型燃料電池1を上流、内部加湿型燃料電池2を下流とする場合には、三方弁62の配管L6側開口を開状態とすると共に、三方弁62の配管L5側開口を閉状態とする。また、図4に示すように内部加湿型燃料電池2を上流、外部加湿型燃料電池1を下流とする場合には、三方弁62の配管L6側開口を閉状態とすると共に、三方弁62の配管L5側開口を開状態とする。
In such a fuel cell system, when the external humidification
図6に示す燃料電池システムは、図1における第1流路切替弁13に代えて、配管L2に開閉弁71を設けると共に配管L3に開閉弁72を設け、第2流路切替弁15及び第3流路切替弁17に対応した開閉弁73及び開閉弁74、圧力調整弁19に対応した圧力調整弁75を設けている。
The fuel cell system shown in FIG. 6 is provided with an opening / closing
このような燃料電池システムでは、図3に示すように外部加湿型燃料電池1を上流、内部加湿型燃料電池2を下流とする場合には、開閉弁71を開状態とすると共に、開閉弁72を閉状態とする。また、図4に示すように内部加湿型燃料電池2を上流、外部加湿型燃料電池1を下流とする場合には、開閉弁72を閉状態とすると共に、開閉弁71を開状態とする。
In such a fuel cell system, as shown in FIG. 3, when the external
[実施形態の効果]
以上詳細に説明したように、本発明を適用した燃料電池システムによれば、運転状態に応じて、外部加湿型燃料電池1と内部加湿型燃料電池2とのガス供給順序を切り替えるように構成したので、外部加湿型燃料電池1及び内部加湿型燃料電池2の電解質膜32の加湿、外部加湿型燃料電池1及び内部加湿型燃料電池2の水詰まりの解消や暖機を効率的に行うことができると共に、外部加湿型燃料電池1に加湿ガスを導入するための別個の加湿器を搭載する必要を無くすことができる。したがって、外部加湿型燃料電池1と内部加湿型燃料電池2とのそれぞれを効率よく発電させることができると共に、システム規模を小さくすることができ、当該システム規模に対する発電電力の出力密度を高くすることができる。
[Effect of the embodiment]
As described above in detail, the fuel cell system to which the present invention is applied is configured to switch the gas supply order between the external
また、この燃料電池システムによれば、内部加湿型燃料電池2の水素流路51と空気流路52のうち、空気流路52に流れる空気を加湿する場合には、当該内部加湿型燃料電池2の空気流路52と外部加湿型燃料電池1の空気流路52とを直列に接続して、外部加湿型燃料電池1を上流とし内部加湿型燃料電池2を下流とする状態と、内部加湿型燃料電池2を上流とし外部加湿型燃料電池1を下流とする状態とで切り替えるので、通常運転時の空気極の外部加湿型燃料電池1の加湿状態を良好に保つことができる。
Further, according to this fuel cell system, when the air flowing in the air flow path 52 out of the hydrogen flow path 51 and the air flow path 52 of the internal
更に、この燃料電池システムによれば、内部加湿型燃料電池2の水素流路51と空気流路52のうち、水素流路51に流れる水素を加湿する場合には、当該内部加湿型燃料電池2の水素流路51と外部加湿型燃料電池1の水素流路51とを直列に接続して、外部加湿型燃料電池1を上流とし内部加湿型燃料電池2を下流とする状態と、内部加湿型燃料電池2を上流とし外部加湿型燃料電池1を下流とする状態とで切り替えるので、通常運転時の水素極の外部加湿型燃料電池1の加湿状態を良好に保つことができる。
Furthermore, according to this fuel cell system, when the hydrogen flowing in the hydrogen flow channel 51 out of the hydrogen flow channel 51 and the air flow channel 52 of the internal
更にまた、この燃料電池システムによれば、内部加湿型燃料電池2の水素流路51及び空気流路52に流れる水素及び空気を加湿する場合には、当該内部加湿型燃料電池2の水素流路51及び空気流路52と外部加湿型燃料電池1の水素流路51及び空気流路52とを直列に接続して、外部加湿型燃料電池1を上流とし内部加湿型燃料電池2を下流とする状態と、内部加湿型燃料電池2を上流とし外部加湿型燃料電池1を下流とする状態とで切り替えるので、外部加湿型燃料電池1の加湿状態を良好に保つことができる。
Furthermore, according to this fuel cell system, when the hydrogen and air flowing in the hydrogen flow path 51 and the air flow path 52 of the internal humidification
更にまた、この燃料電池システムによれば、外部加湿型燃料電池1の水素流路51と空気流路52のうち、水詰まりが発生しやすい側の外部加湿型燃料電池1と内部加湿型燃料電池2とを直列に接続して、外部加湿型燃料電池1を上流とし内部加湿型燃料電池2を下流とする状態と、内部加湿型燃料電池2を上流とし外部加湿型燃料電池1を下流とする状態とで切り替えるので、外部加湿型燃料電池1の水詰まりを確実に抑制することができる。
Furthermore, according to this fuel cell system, the external
なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。 The above-described embodiment is an example of the present invention. For this reason, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made depending on the design and the like as long as the technical idea according to the present invention is not deviated from this embodiment. Of course, it is possible to change.
すなわち、上述の燃料電池システムでは、外部加湿型燃料電池1及び内部加湿型燃料電池2をそれぞれ1個ずつ備えた構成について説明したが、これに限らず、上述したようなガス供給順序を制御することにより、複数の外部加湿型燃料電池1及び内部加湿型燃料電池2を備えた場合であっても同様の効果を得ることができる。
That is, in the fuel cell system described above, the configuration including one external
1 外部加湿型燃料電池
2 内部加湿型燃料電池
11 フィルタ
12 コンプレッサ
13 第1流路切替弁
14,16,18 アクチュエータ
15 第2流路切替弁
17 第3流路切替弁
19,63,75 圧力調整弁
21 制御装置
31 MEA
32 電解質膜
33 アノード電極触媒層
34 カソード電極触媒層
35 アノードガス拡散層
36 カソードガス拡散層
37,38 水透過板
39,40 セパレータ
41 フレーム材
42 多孔質材
51 水素流路
52 空気流路
53,54 純水流路
61,62 三方弁
71,72,73,74 開閉弁
DESCRIPTION OF
32
Claims (10)
加湿用流体が供給される加湿用流体流路が設けられ、当該加湿用流体流路から反応ガス流路に拡散する水分によって電解質膜を加湿すると共に、前記反応ガス供給手段から反応ガスが供給されて発電反応を行う内部加湿型燃料電池と、
前記反応ガス供給手段から反応ガスが供給されて発電反応を行う外部加湿型燃料電池とを有し、
前記反応ガス供給手段は、燃料電池システムの運転状態に基づいて、前記外部加湿型燃料電池に燃料ガス又は酸化剤ガスを供給し、当該外部加湿型燃料電池から排出された燃料ガス又は酸化剤ガスを前記内部加湿型燃料電池に供給する状態と、前記内部加湿型燃料電池に燃料ガス又は酸化剤ガスを供給し、当該内部加湿型燃料電池から排出された燃料ガス又は酸化剤ガスを前記外部加湿型燃料電池に供給する状態とを切り替えることを特徴とする燃料電池システム。 A reaction gas supply means for supplying a reaction gas which is a fuel gas and an oxidant gas;
A humidifying fluid flow path to which a humidifying fluid is supplied is provided, and the electrolyte membrane is humidified by moisture diffused from the humidifying fluid flow path to the reactive gas flow path, and the reactive gas is supplied from the reactive gas supply means. An internal humidified fuel cell that performs a power generation reaction,
An external humidified fuel cell that performs a power generation reaction by supplying a reactive gas from the reactive gas supply means;
The reaction gas supply means supplies a fuel gas or an oxidant gas to the external humidification fuel cell based on an operating state of the fuel cell system, and a fuel gas or an oxidant gas discharged from the external humidification fuel cell. Is supplied to the internal humidification type fuel cell, fuel gas or oxidant gas is supplied to the internal humidification type fuel cell, and the fuel gas or oxidant gas discharged from the internal humidification type fuel cell is supplied to the external humidification type fuel cell. A fuel cell system, wherein the state to be supplied to the fuel cell is switched.
前記反応ガス供給手段は、前記外部加湿型燃料電池に燃料ガスを供給し、当該外部加湿型燃料電池から排出された燃料ガスを前記内部加湿型燃料電池に供給する状態と、前記内部加湿型燃料電池に燃料ガスを供給し、当該内部加湿型燃料電池から排出された燃料ガスを前記外部加湿型燃料電池に供給する状態とを切り替えることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 The internal humidification type fuel cell is configured to humidify the fuel gas supplied from the reaction gas supply means,
The reactive gas supply means supplies fuel gas to the external humidification fuel cell and supplies the fuel gas discharged from the external humidification fuel cell to the internal humidification fuel cell; and the internal humidification fuel 2. The fuel cell system according to claim 1, wherein a fuel gas is supplied to the battery, and a state in which the fuel gas discharged from the internal humidification fuel cell is supplied to the external humidification fuel cell is switched.
前記反応ガス供給手段は、前記外部加湿型燃料電池に酸化剤ガスを供給し、当該外部加湿型燃料電池から排出された酸化剤ガスを前記内部加湿型燃料電池に供給する状態と、前記内部加湿型燃料電池に酸化剤ガスを供給し、当該内部加湿型燃料電池から排出された酸化剤ガスを前記外部加湿型燃料電池に供給する状態とを切り替えることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 The internal humidification type fuel cell is configured to humidify the oxidant gas supplied from the reaction gas supply means,
The reactive gas supply means supplies an oxidant gas to the external humidification fuel cell, supplies the oxidant gas discharged from the external humidification fuel cell to the internal humidification fuel cell, and the internal humidification fuel cell. 2. The fuel according to claim 1, wherein an oxidant gas is supplied to the fuel cell and the state in which the oxidant gas discharged from the internal humidification fuel cell is supplied to the external humidification fuel cell is switched. Battery system.
前記反応ガス供給手段は、前記外部加湿型燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給し、当該外部加湿型燃料電池から排出された燃料ガス及び酸化剤ガスを前記内部加湿型燃料電池に供給する状態と、前記内部加湿型燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給し、当該内部加湿型燃料電池から排出された燃料ガス及び酸化剤ガスを前記外部加湿型燃料電池に供給する状態とを切り替えることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 The internal humidification type fuel cell is configured to humidify the fuel gas and the oxidant gas supplied from the reaction gas supply means,
The reactive gas supply means supplies fuel gas and oxidant gas to the external humidification fuel cell, and supplies fuel gas and oxidant gas discharged from the external humidification fuel cell to the internal humidification fuel cell. Switching between a state and a state in which a fuel gas and an oxidant gas are supplied to the internal humidification fuel cell and a fuel gas and an oxidant gas discharged from the internal humidification fuel cell are supplied to the external humidification fuel cell The fuel cell system according to claim 1.
前記反応ガス供給手段は、前記外部加湿型燃料電池に反応ガスを供給し、当該外部加湿型燃料電池から排出された反応ガスを前記内部加湿型燃料電池に供給する状態と、前記内部加湿型燃料電池に反応ガスを供給し、当該内部加湿型燃料電池から排出された反応ガスを前記外部加湿型燃料電池に供給する状態とを切り替えることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 The external humidification type fuel cell includes a fuel gas channel through which a fuel gas supplied from the reaction gas supply unit flows, and an oxidant gas channel through which an oxidant gas supplied from the reaction gas supply unit flows. Connecting at least one flow path where water clogging is likely to occur and the internal humidified fuel cell;
The reaction gas supply means supplies a reaction gas to the external humidification fuel cell and supplies the reaction gas discharged from the external humidification fuel cell to the internal humidification fuel cell; and the internal humidification fuel 2. The fuel cell system according to claim 1, wherein a state in which a reaction gas is supplied to the battery and a reaction gas discharged from the internal humidification fuel cell is supplied to the external humidification fuel cell is switched.
The reactive gas supply means supplies a reactive gas to the internal humidified fuel cell and supplies the internal humidified fuel cell when at least one of the external humidified fuel cell and the internal humidified fuel cell reaches a predetermined temperature or higher. 6. The fuel cell system according to claim 1, wherein the reaction gas discharged from the fuel cell is supplied to the external humidification fuel cell.
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