JP2006073340A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【課題】 ポーラスプレートを活用した内部加湿型の燃料電池システムにおいて、低温対策と燃料電池内の水分管理(水バランスの成立)とを両立する。
【解決手段】 燃料電池、純水循環装置および冷却水循環装置を有する燃料電池システムにおいて、燃料電池の単セルにおけるカソード側セパレータをポーラスタイプのセパレータとして、このセパレータの膜・電極接合体側の面に空気流路を形成し、これと反対側の面に純水流路を形成する一方、燃料電池システムの凍結状態に応じて(S12,S14)、純水流路に純水を循環する純水循環運転モード(S15)と純水を循環しない純水なし運転モード(S16)とを切り替える。
【選択図】 図6
【解決手段】 燃料電池、純水循環装置および冷却水循環装置を有する燃料電池システムにおいて、燃料電池の単セルにおけるカソード側セパレータをポーラスタイプのセパレータとして、このセパレータの膜・電極接合体側の面に空気流路を形成し、これと反対側の面に純水流路を形成する一方、燃料電池システムの凍結状態に応じて(S12,S14)、純水流路に純水を循環する純水循環運転モード(S15)と純水を循環しない純水なし運転モード(S16)とを切り替える。
【選択図】 図6
Description
本発明は、固体高分子型燃料電池を使用した燃料電池システムに関し、特に低温対策を施した燃料電池システムにおける水マネージメントを実行し、燃料電池の信頼性及び耐久性を向上した燃料電池システムに関する。
特許文献1には、燃料が有する化学エネルギを直接電気エネルギに変換する燃料電池システムにおいて、電解質膜を挟んで設けられた一対の電極のうちアノード(陽極)に水素を含有する燃料ガスを供給するとともに、他方のカソード(陰極)に酸素を含有する酸素剤ガスを供給し、これら一対の電極の電解質膜側の表面で生じる下記の電気化学反応(特許文献2参照)を利用して電極から電気エネルギを取り出すことが記載されている。
アノード反応:H2 → 2H+ + 2e- ・・・(1)
カソード反応:2H+ + 2e- + (1/2)O2 → H2O ・・・(2)
ここで、アノードに供給する燃料ガスを水素貯蔵装置から直接供給する方法または水素を含有する燃料を改質して改質した水素含有ガスを供給する方法が知られている。水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク、水素吸蔵合金タンク等がある。水素を含有する燃料としては、天然ガス、メタノール、ガソリン等が考えられる。カソード極に供給する酸素剤ガスとしては、一般的に空気が利用されている。
カソード反応:2H+ + 2e- + (1/2)O2 → H2O ・・・(2)
ここで、アノードに供給する燃料ガスを水素貯蔵装置から直接供給する方法または水素を含有する燃料を改質して改質した水素含有ガスを供給する方法が知られている。水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク、水素吸蔵合金タンク等がある。水素を含有する燃料としては、天然ガス、メタノール、ガソリン等が考えられる。カソード極に供給する酸素剤ガスとしては、一般的に空気が利用されている。
こうした燃料電池システムにおいて、電解質膜の性能を引き出し、発電効率を向上されるためには、電解質膜の水分状態を最適に保つ必要がある。このため通常、燃料電池に導入する燃料ガス、空気を加湿することが行われる。そして、電解質膜の水分状態を最適に保つための水には純水を用いる必要がある。これは不純物が混入した水を燃料電池に供給した場合には膜に不純物が蓄積し、燃料電池の性能が低下するためである。
燃料電池に導入するガスを加湿するためには、燃料電池に流れるガスの上流側に加湿器を設け、更に燃料電池の下流側に水回収装置を設けることが必要となり、システムが複雑化するという問題があった。
また前述のシステムでは、水回収装置で回収した水を加湿器に供給するために、純水配管、ポンプ等が必要となる。燃料電池システムが0℃未満の環境に曝された場合には、純水が凍結するため、加湿装置及び水回収装置の凍結対策、解凍装置が必要となり、更にシステムが複雑化するという問題があった。
また前述のシステムでは、水回収装置で回収した水を加湿器に供給するために、純水配管、ポンプ等が必要となる。燃料電池システムが0℃未満の環境に曝された場合には、純水が凍結するため、加湿装置及び水回収装置の凍結対策、解凍装置が必要となり、更にシステムが複雑化するという問題があった。
そして、燃料電池の性能を向上させるためには、セル内の水分状態を均一に保つ必要があるが、燃料電池稼動状態においては、カソード反応によって水が生成され、ガスが燃料電池の中を上流から下流に向かって流れるにつれ、水分量が増加するため、燃料電池出口付近ではフラッディング(水詰まり)が起き易い。この結果、ガスの供給が妨げられ、セルの性能が低下する。
そこで、特許文献2では、燃料電池内の温度分布を制御し、フラッディングを防止することが開示されている。これでは、ガスの入口から出口に向かって温度を上昇させて、発生した水を水蒸気としてガスに取り込むことで、フラッディングを防止している。
また特許文献3では、燃料電池を構成するバイポーラプレートをポーラスプレートで構成し、ポーラスプレート内に純水流路を形成し、燃料電池内に純水を循環させて燃料電池を内部加湿することが開示されている。これでは、燃料電池内で加湿が行われるため、加湿器、水回収装置が不要となり、システムが簡素な構成となっている。
特開平8−106914号公報
特表平9−511356号公報
米国特許第6,248,462号明細書
また特許文献3では、燃料電池を構成するバイポーラプレートをポーラスプレートで構成し、ポーラスプレート内に純水流路を形成し、燃料電池内に純水を循環させて燃料電池を内部加湿することが開示されている。これでは、燃料電池内で加湿が行われるため、加湿器、水回収装置が不要となり、システムが簡素な構成となっている。
しかしながら、特許文献2においては、ガスの温度を昇温させているため、燃料電池から排出されるガス温度が高温化する。このため、燃料電池から外部に排出される水量が増加し、燃料電池内の水バランスが成立し難くなる。従って、燃料電池の下流側の水回収装置が必要となり、システムが複雑化するという問題があった。
また、特許文献3では、燃料電池の使用環境が0℃未満になった場合の低温対策については、言及されておらず、低温時に純水が凍結し、燃料電池の運転が困難になるという問題があった。
また、特許文献3では、燃料電池の使用環境が0℃未満になった場合の低温対策については、言及されておらず、低温時に純水が凍結し、燃料電池の運転が困難になるという問題があった。
本発明は、上記問題に鑑みなされたものであり、ポーラスプレートのセパレータを活用した内部加湿型の燃料電池システムにおいて、燃料電池の低温対策と燃料電池内の水分管理(水バランスの成立)とを両立できる簡素な構成の燃料電池を提供することを目的とする。
そのため本発明では、膜・電極接合体およびその両面に配置されたセパレータを有する単セルを積層し、各セパレータの膜・電極接合体側の面に形成したガス流路に反応ガスを通流させて発電を行う燃料電池(本体)と、純水循環装置と、冷却水循環装置と、を有する燃料電池システムにおいて、単セルの少なくとも一方のセパレータをポーラスタイプのセパレータとして、このセパレータにおける膜・電極接合体側の面と反対側の面に純水を通流可能な純水流路を形成し、燃料電池システムの凍結状態に応じて、純水流路に純水を循環する純水循環運転モードと純水を循環しない純水なし運転モードとを切り替える。
本発明によれば、セパレータにポーラスタイプのプレートを用いた内部加湿型の燃料電池で、温度管理を冷却水循環装置、水管理を純水循環装置で行う一方、燃料電池システムの凍結状態に応じて、純水を循環する純水循環運転モードと純水を循環しない純水なし運転モードとを切り替えることとしたため、低温対策および水分管理が両立できるという効果がある。
以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。
図1は、本発明に係る燃料電池システム1を示す図である。
本発明においては、燃料電池システム1の起動時における凍結状態に応じて、純水を循環する運転と純水を循環しない運転とを最適に切り替えることを主とした狙いとしている。
図1は、本発明に係る燃料電池システム1を示す図である。
本発明においては、燃料電池システム1の起動時における凍結状態に応じて、純水を循環する運転と純水を循環しない運転とを最適に切り替えることを主とした狙いとしている。
燃料電池システム1は、燃料電池(燃料電池本体)2と、これを運転するための補機類(純水循環装置、冷却水循環装置)とを含んで構成される。
燃料電池2には、この状態を検出するための温度センサ3及びセル電圧センサ4が設けられている。温度センサ3は、燃料電池2内の温度TFCおよび純水の温度を検出する。セル電圧センサ4は、燃料電池2の発電効率を算出するためのセル電圧を検出する。
燃料電池2には、この状態を検出するための温度センサ3及びセル電圧センサ4が設けられている。温度センサ3は、燃料電池2内の温度TFCおよび純水の温度を検出する。セル電圧センサ4は、燃料電池2の発電効率を算出するためのセル電圧を検出する。
燃料電池2には、燃料としての水素(燃料ガス)を供給する燃料供給手段5から供給された燃料が通過する燃料供給流路6と、空気供給手段7から供給された空気(酸素剤ガス)が通過する空気供給流路8とを接続している。燃料供給流路6には、燃料電池2に供給される燃料の圧力を検出する燃圧センサ9が設けられている。空気供給流路8には、空気の圧力を検出する圧力センサ11とが設けられている。
燃料電池2に供給された燃料及び空気(反応ガス)は、燃料電池2内で発電に使用された後の反応生成物が燃料側排出流路12及び空気側排出流路13を介してそれぞれ排出される。
そして、燃料電池2を最適な温度に保つため、燃料電池2内には不凍液であるロングライフクーラント(以下「LLC」と称する)を、LLC循環流路15を介して供給する。LLCとしては、例えば、エチレングライコールと水との混合液がある。
そして、燃料電池2を最適な温度に保つため、燃料電池2内には不凍液であるロングライフクーラント(以下「LLC」と称する)を、LLC循環流路15を介して供給する。LLCとしては、例えば、エチレングライコールと水との混合液がある。
LLC循環流路15(LLCの循環系)には、冷却水循環装置を構成するラジエータ16、バイパスバルブ17、LLCタンク18、LLC循環ポンプ19及びLLC温度センサ20がそれぞれ配設している。バイパスバルブ17は、LLCの温度に応じて、ラジエータ18をバイパスする流量を調整し、燃料電池2を最適な温度に保つ。LLC循環ポンプ19は、その駆動(ONまたはOFFの制御)により、LLCタンク18内のLLCを燃料電池2内に循環可能とする。ラジエータ16は、燃料電池2を冷やすためのLLCを風により熱を奪い冷却する。
更に、燃料電池2内の水分状態を最適に保つため、燃料電池2内の膜を加湿するための純水を、純水循環流路22を介して供給する。
純水循環流路22(純水の循環系)には、純水循環装置を構成する純水タンク23、純水循環ポンプ24、流量センサ25がそれぞれ配設している。純水タンク23には、純水の温度を検出する温度センサ26と、タンク23内の純水量を算出するための水位センサ27と、余剰の水をタンク23から排出する排水バルブ28とをそれぞれ配設している。純水循環ポンプ24は、その駆動(ONまたはOFFの制御)により、純水タンク23内の水を燃料電池2内に循環可能とする。排水バルブ28は、純水タンク23内の水位に応じた開閉をする。
純水循環流路22(純水の循環系)には、純水循環装置を構成する純水タンク23、純水循環ポンプ24、流量センサ25がそれぞれ配設している。純水タンク23には、純水の温度を検出する温度センサ26と、タンク23内の純水量を算出するための水位センサ27と、余剰の水をタンク23から排出する排水バルブ28とをそれぞれ配設している。純水循環ポンプ24は、その駆動(ONまたはOFFの制御)により、純水タンク23内の水を燃料電池2内に循環可能とする。排水バルブ28は、純水タンク23内の水位に応じた開閉をする。
なお凍結対策として、燃料電池システム1が0℃未満の状態で曝される場合には、純水を純水タンク23内に回収する。純水タンク23は、純水凍結時の体積膨張を許容できる構成(例えば体積膨張分の弾性変形をする構成)となっている。更に、純水タンク23(タンク23の外壁)内をLLCが循環しており、タンク23内の純水が凍結した場合には、LLCの熱によって氷を解凍可能になっている。
上述した燃料電池システム1の各状態を検出して制御するため、図2に示す通り、各種センサからの出力信号が制御ユニット30に入力する。ここでは、温度センサ3、LLC温度センサ20および温度センサ26等からの信号に基づいて燃料電池システム1の各種状態を検出する。制御ユニット30は、これらの状態に基づいて燃料供給手段5および空気供給手段7の供給量制御、LLC循環ポンプ19および純水循環ポンプ24の駆動制御や、バイパスバルブ17および排水バルブ28の開閉制御等の制御を行う。
制御ユニット30は、凍結状態検出手段31、純水循環判断手段32及び純水循環ポンプ制御手段33を含んで構成されている。
凍結状態検出手段31は、燃料電池2内または/及び純水タンク23内の純水の凍結状態を検出する。燃料電池2内の凍結状態は、温度センサ3の出力信号に基づいて検出する。純水タンク23内の純水の凍結状態は、温度センサ26の出力信号に基づいて検出する。
凍結状態検出手段31は、燃料電池2内または/及び純水タンク23内の純水の凍結状態を検出する。燃料電池2内の凍結状態は、温度センサ3の出力信号に基づいて検出する。純水タンク23内の純水の凍結状態は、温度センサ26の出力信号に基づいて検出する。
純水循環判断手段32は、凍結状態検出手段31の検出結果に基づいて、燃料電池2内に純水を循環させるかどうかを判断する。例えば、純水タンク23内の純水の温度が0℃未満であれば凍結状態と判断して純水循環ポンプ24をOFFにする。
純水循環ポンプ制御手段33は、純水循環判断手段32が純水の循環が必要と判断したときに、純水循環ポンプ24を駆動して純水を循環する。
純水循環ポンプ制御手段33は、純水循環判断手段32が純水の循環が必要と判断したときに、純水循環ポンプ24を駆動して純水を循環する。
ここで図3を用いて燃料電池2内のセル構成について説明する。なお図には、3つのセル40が積層された状態を示している。
1つのセル40(単セル)は、膜・電極接合体(MEA)41、ガス拡散層(GDL)42(42a,42b)、アノード側プレート(セパレータ)43、カソード側プレート(セパレータ)44及びLLCプレート45を含んで構成される。
1つのセル40(単セル)は、膜・電極接合体(MEA)41、ガス拡散層(GDL)42(42a,42b)、アノード側プレート(セパレータ)43、カソード側プレート(セパレータ)44及びLLCプレート45を含んで構成される。
MEA41は、固体高分子膜の電解質層の両面に電極層を接合してなり、一方の面がアノードで、他方の面がカソードとなるように形成している。GDL42は、MEA41の両面に形成され、アノード側に形成されるアノード側GDL42aと、カソード側に形成されるカソード側GDL42bとからなる。GDL42は、燃料電池2の電極を構成する基幹部分であり、燃料ガスの透過性と電気伝導性が要求されるため、可撓性のカーボンペーパで構成している。
アノード側GDL42aにはセパレータとしてのアノード側プレート43が配置され、カソード側GDL42bにはセパレータとしてのカソード側プレート44が配置されている。
アノード側プレート43におけるMEA41の反対側の面(図の左側)には、LLCプレート45が配置されている一方、カソード側プレート44におけるMEA41の反対側の面(図の右側)には、隣接するセル40のLLCプレート45が配置されている。
アノード側プレート43におけるMEA41の反対側の面(図の左側)には、LLCプレート45が配置されている一方、カソード側プレート44におけるMEA41の反対側の面(図の右側)には、隣接するセル40のLLCプレート45が配置されている。
ここでは、カソード側プレート44のみポーラスタイプ(浸透型)となっている。そして、アノード側プレート43およびLLCプレート45は、ソリッドタイプのプレートとしている。すなわち、ポーラスタイプとなっているカソード側プレート44からは液体(純水)を浸透させることが可能である一方、ソリッドタイプとなっているアノード側プレート43およびLLCプレート45からは液体の浸透を防止している。
カソード側プレート44の両面には流路が形成されており、MEA41側(図の左側)には空気が流れる空気流路(酸素剤ガス流路)46が形成される一方、LLCプレート45側(図の右側)には純水が流れる純水流路47がそれぞれ形成されている。カソード側プレート44の純水流路47には純水が流れているため、カソード側プレート44の空間部(ポーラス部)は純水で満たされている。これにより、MEA41の適度な加湿状態を保つと共に、MEA41を加湿するための加湿器およびフラッディングを防止するための水回収装置が不要となり簡素な構成となる。
一方、MEA41を挟んで反対側に配置されたアノード側プレート43におけるMEA41側(図の右側)には、反応ガスとしての燃料が通流する燃料流路(燃料ガス流路)48が形成されている。
LLCプレート45には、これに隣接するアノード側プレート43側(図の右側)にLLCが通流するLLC流路49が形成されている。
LLCプレート45には、これに隣接するアノード側プレート43側(図の右側)にLLCが通流するLLC流路49が形成されている。
尚、これまではカソード側プレート44のみポーラスタイプとしていたが、これに限定されるものではない。すなわち、アノード側プレート43のみポーラスタイプとしてもよく、あるいはアノード側プレート43およびカソード側プレート44の両方をポーラスタイプとしてもよい。これによりMEA41の加湿状態を適切に保つことを可能とする。
図4は、ポーラスタイプであるカソード側プレート44の流路形状を示す図であり、(イ)はMEA41面側、(ロ)はLLCプレート45面側を示している。燃料電池2には図1で説明したように、燃料ガス、空気、純水及びLLCの4つの流体が流れる。よって、これらの流体を流すため、プレート内には出入口(入口46a〜49a及び出口46b〜49b)を全部で8つ形成した内部マニホルドとしている。
図4は、ポーラスタイプであるカソード側プレート44の流路形状を示す図であり、(イ)はMEA41面側、(ロ)はLLCプレート45面側を示している。燃料電池2には図1で説明したように、燃料ガス、空気、純水及びLLCの4つの流体が流れる。よって、これらの流体を流すため、プレート内には出入口(入口46a〜49a及び出口46b〜49b)を全部で8つ形成した内部マニホルドとしている。
図4(イ)に示す通り、エアマニホルドは、複数の列として形成される往路(図の右側)及び復路(図の左側)から空気流路46が構成されており、空気の流れは、入口側と出口側とが同じ面となるリターンタイプのフローパターンとなっている。空気は空気流路46の往路を、エアマニホルド入口46a側からLLCマニホルド出口49b側(図の上側)に向かって流れ、復路にて折返した後に入口側(図の下側)に戻り、エアマニホルド出口46bから排出される。
図3および図4(ロ)に示す通り、カソード側プレート44のLLCプレート45側には純水流路47が形成されており、純水マニホルド入口47aから供給された純水を純水マニホルド出口47bに排出する。純水流路47は、前述の空気流路46に対して直交する方向に形成されており、空気流路46の往路と復路とを結ぶように形成されている。
燃料電池2に導入されたドライな空気は、空気流路46の往路の前半部分に主に加湿される。一方、空気流路46の復路では、反応による生成水で水分過剰になった空気の凝縮が起こる。よって、凝縮水を加湿部に運ぶ形で、純水は空気流路46の復路側から往路側に向かって流れる。
燃料電池2に導入されたドライな空気は、空気流路46の往路の前半部分に主に加湿される。一方、空気流路46の復路では、反応による生成水で水分過剰になった空気の凝縮が起こる。よって、凝縮水を加湿部に運ぶ形で、純水は空気流路46の復路側から往路側に向かって流れる。
図5は、ポーラスタイプのカソード側プレート44内の水移動を示す図であり、(イ)は空気流路46の復路断面、(ロ)は往路断面を示す図である。
カソード側プレート44は、ポーラスタイプであり空間が存在するため、プレート44内を水が移動できる。水が移動するドライビングフォースは毛細管力であるため、水は余剰部分から不足部分へと自然に移動していく。空気流路46の復路側では、凝縮によってプレート44の表面に形成された液相の水が純水流路47側に向かって移動する((イ)参照)。一方、往路側では空気が加湿され、空気流路46表面で水が気化するため、プレートが乾き、純水流路47から表面に向かって水が移動する((ロ)参照)。
カソード側プレート44は、ポーラスタイプであり空間が存在するため、プレート44内を水が移動できる。水が移動するドライビングフォースは毛細管力であるため、水は余剰部分から不足部分へと自然に移動していく。空気流路46の復路側では、凝縮によってプレート44の表面に形成された液相の水が純水流路47側に向かって移動する((イ)参照)。一方、往路側では空気が加湿され、空気流路46表面で水が気化するため、プレートが乾き、純水流路47から表面に向かって水が移動する((ロ)参照)。
なお、ここでは毛細管力によるドライビングフォースにより水を移動させているが、移動速度を大きくするため、空気と純水との間に圧力差を設けてもよい。このようにしてポーラスプレート44内には常に充分な水が存在する結果、膜の水分が最適に保たれる。
ここで、図1に示した燃料電池システム1が氷点下の環境条件に曝され、純水が凍結した場合には、純水系に純水を循環することはできない。また、燃料電池2が発電による熱で0℃以上になった場合においても、純水タンク23内の水が凍結している場合には純水を循環することはできない。
ここで、図1に示した燃料電池システム1が氷点下の環境条件に曝され、純水が凍結した場合には、純水系に純水を循環することはできない。また、燃料電池2が発電による熱で0℃以上になった場合においても、純水タンク23内の水が凍結している場合には純水を循環することはできない。
このような場合においては、燃料電池凍結検出手段31により燃料電池2内(セル40)の凍結状態を検出し、これに応じて、純水を循環しない運転を行う。燃料電池2内の凍結状態は、温度センサ3の出力信号に基づいて算出した温度TFCにより判断する。燃料電池2の温度TFCが0℃以下となっている場合には、燃料電池2内のガスが保持できる水分量は極めて少ないため、ガスを燃料電池2内部で加湿する必要がなく、純水を循環しない運転が可能である。よって燃料電池2が凍結している場合には、純水を循環しない運転を実施する。
燃料電池2の温度が0℃を越える場合には、燃料電池2内に純水を流すことは可能になっている。しかしながら、この場合において純水タンク23内の水が凍っている場合には、純水を循環することができない。よって、この場合にも純水を循環しない運転を行う。なお、純水タンク23内の水が凍っているか否かは、凍結状態検出手段31が温度センサ26の出力信号に基づいて判定する。
図6には、本実施形態の制御の流れを示している。
ステップ11(図には「S11」と示す。以下同様)では、純水タンク23内の純水の温度TW呼び込む。この温度TWは、温度センサ26の出力信号に基づいて算出した値とする。
ステップ12では、純水タンク23内の純水温度TWが所定の凍結判断温度T0(例えば1℃)未満であるか否かを判断する。純水温度TWが1℃以上(TW≧T0)の時には、ステップ13へ進む。一方、純水温度TWが1℃未満(TW<T0)の時には、純水タンク23内の純水が凍結している若しくは凍結するおそれのある状態であると判断してステップ16に進み、純水ポンプ23をOFFとして純水を循環しない運転を行う(純水なし運転モード)。
ステップ11(図には「S11」と示す。以下同様)では、純水タンク23内の純水の温度TW呼び込む。この温度TWは、温度センサ26の出力信号に基づいて算出した値とする。
ステップ12では、純水タンク23内の純水温度TWが所定の凍結判断温度T0(例えば1℃)未満であるか否かを判断する。純水温度TWが1℃以上(TW≧T0)の時には、ステップ13へ進む。一方、純水温度TWが1℃未満(TW<T0)の時には、純水タンク23内の純水が凍結している若しくは凍結するおそれのある状態であると判断してステップ16に進み、純水ポンプ23をOFFとして純水を循環しない運転を行う(純水なし運転モード)。
ステップ13では、燃料電池2の温度TFCを呼び込む。この温度TFCは、温度センサ3の出力信号に基づいて算出した値とする。
ステップ14では、燃料電池温度TFCが所定の凍結判断温度T0(例えば1℃)未満であるか否かを判断する。燃料電池温度TFCが1℃以上(TFC≧T0)の時には、ステップ15へ進む。一方、温度TFCが1℃未満(TFC<T0)の時には、燃料電池2が凍結状態にある若しくは凍結するおそれのある状態であると判断してステップ16へ進み、純水ポンプ23をOFFとして純水を循環しない運転を行う。
ステップ14では、燃料電池温度TFCが所定の凍結判断温度T0(例えば1℃)未満であるか否かを判断する。燃料電池温度TFCが1℃以上(TFC≧T0)の時には、ステップ15へ進む。一方、温度TFCが1℃未満(TFC<T0)の時には、燃料電池2が凍結状態にある若しくは凍結するおそれのある状態であると判断してステップ16へ進み、純水ポンプ23をOFFとして純水を循環しない運転を行う。
ステップ15では、純水ポンプ23をONとして純水を循環する運転を実施する(純水循環運転モード)。
なお、前述のステップ12およびステップ14では凍結判断温度T0を同じ温度にしているが、これに限定されるものではなく異なった所定の温度としてもよい。
本実施形態によれば、固体高分子膜の電解質層の両面に電極層を接合してなる膜・電極接合体(MEA)41およびその両面に配置されたセパレータ(アノード側プレート43およびカソード側プレート44)を有する単セル40を積層して形成され、この単セル40の各セパレータ43,44の膜・電極接合体41側の面に形成したガス流路(燃料流路48および空気流路46)に反応ガス(燃料ガス、酸素剤ガス)を通流させて発電を行う燃料電池(燃料電池本体)2と、この燃料電池2を加湿するための循環ポンプ24及び純水タンク23を含んで構成される純水循環装置と、燃料電池2の温度を管理するために不凍液を冷媒とした循環ポンプ19、不凍液タンク18及びラジエータ16を含んで構成される冷却水循環装置と、を有する燃料電池システムにおいて、単セル40の少なくとも一方のセパレータ(例えばカソード側プレート44)をポーラスタイプのセパレータとして、このセパレータ44における膜・電極接合体41側の面と反対側の面に純水を通流可能な純水流路47を形成し、燃料電池システム1の凍結状態に応じて(ステップ12,14)、純水流路46に純水を循環する純水循環運転モード(ステップ15)と純水を循環しない純水なし運転モード(ステップ16)とを切り替える。このため、セパレータにポーラスタイプのプレートを用いた内部加湿型の燃料電池2で、温度管理を冷却水循環装置、水管理を純水循環装置で行う一方、燃料電池システム1の凍結状態に応じて、純水を循環する純水循環運転モードと純水を循環しない純水なし運転モードとを切り替えることができ、低温対策および水分管理が両立できる。そして、加湿装置、水回収装置及び解凍装置等が不要となり、燃料電池システム1を簡素な構成とすることができる。
なお、前述のステップ12およびステップ14では凍結判断温度T0を同じ温度にしているが、これに限定されるものではなく異なった所定の温度としてもよい。
本実施形態によれば、固体高分子膜の電解質層の両面に電極層を接合してなる膜・電極接合体(MEA)41およびその両面に配置されたセパレータ(アノード側プレート43およびカソード側プレート44)を有する単セル40を積層して形成され、この単セル40の各セパレータ43,44の膜・電極接合体41側の面に形成したガス流路(燃料流路48および空気流路46)に反応ガス(燃料ガス、酸素剤ガス)を通流させて発電を行う燃料電池(燃料電池本体)2と、この燃料電池2を加湿するための循環ポンプ24及び純水タンク23を含んで構成される純水循環装置と、燃料電池2の温度を管理するために不凍液を冷媒とした循環ポンプ19、不凍液タンク18及びラジエータ16を含んで構成される冷却水循環装置と、を有する燃料電池システムにおいて、単セル40の少なくとも一方のセパレータ(例えばカソード側プレート44)をポーラスタイプのセパレータとして、このセパレータ44における膜・電極接合体41側の面と反対側の面に純水を通流可能な純水流路47を形成し、燃料電池システム1の凍結状態に応じて(ステップ12,14)、純水流路46に純水を循環する純水循環運転モード(ステップ15)と純水を循環しない純水なし運転モード(ステップ16)とを切り替える。このため、セパレータにポーラスタイプのプレートを用いた内部加湿型の燃料電池2で、温度管理を冷却水循環装置、水管理を純水循環装置で行う一方、燃料電池システム1の凍結状態に応じて、純水を循環する純水循環運転モードと純水を循環しない純水なし運転モードとを切り替えることができ、低温対策および水分管理が両立できる。そして、加湿装置、水回収装置及び解凍装置等が不要となり、燃料電池システム1を簡素な構成とすることができる。
また本実施形態によれば、燃料電池システム1の凍結状態として燃料電池2内の凍結状態を検出する燃料電池凍結検出手段(温度センサ3)を有し、燃料電池2内の凍結状態に基づいて(ステップ14)、純水循環運転モード(ステップ15)と純水なし運転モード(ステップ16)とを切り替える。このため、燃料電池2内の温度TFCを考慮して、純水ポンプ24のON若しくはOFFを適切に切り替えることができる。すなわち、燃料電池2の温度TFCが凍結判断温度未満となっている場合には、燃料電池2内のガスが保持できる水分量は極めて少ないため、ガスを燃料電池2内部で加湿する必要がなく、純水を循環しない運転が可能である。そして、燃料電池2が凍結している場合には、純水を循環しない運転を実施することができる。
また本実施形態によれば、燃料電池システム1の凍結状態として純水タンク23内の純水の凍結状態を検出する水タンク凍結状態検出手段(温度センサ26)を有し、純水の凍結状態に基づいて(ステップ12)、純水循環運転モード(ステップ15)と純水なし運転モード(ステップ16)とを切り替える。このため、純水タンク23内の純水の温度TWを考慮して、純水ポンプ24のON若しくはOFFを適切に切り替えることができる。すなわち、燃料電池2の温度TFCが凍結判断温度T0以上である場合には、燃料電池2内に純水を流すことは可能になっているが、純水タンク23内の水が凍っている場合には、純水を循環することができないため、純水を循環しない運転を行うことができる。
1…燃料電池システム、2…燃料電池(本体)、3…温度センサ、5…燃料供給手段、7…空気供給手段、15…LLC循環流路、16…ラジエータ、17…バイパスバルブ、18…LLCタンク、19…純水循環流路、22…純水循環流路、24…純水循環ポンプ、26…温度センサ、30…制御ユニット、31…凍結状態検出手段、32…純水循環判断手段、33…純水循環ポンプ制御手段、40…セル、41…MEA、42…GDL、43…アノード側プレート、44…カソード側プレート、45…LLCプレート、46…空気流路、47…純水流路、48…燃料流路、49…LLC流路
Claims (3)
- 固体高分子膜の電解質層の両面に電極層を接合してなる膜・電極接合体およびその両面に配置されたセパレータを有する単セルを積層して形成され、前記単セルの各セパレータの前記膜・電極接合体側の面に形成したガス流路に反応ガスを通流させて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池を加湿するための循環ポンプ及び純水タンクを含んで構成される純水循環装置と、前記燃料電池の温度を管理するために不凍液を冷媒とした循環ポンプ、不凍液タンク及びラジエータを含んで構成される冷却水循環装置と、を有する燃料電池システムにおいて、
前記単セルの少なくとも一方のセパレータをポーラスタイプのセパレータとして、このセパレータにおける前記膜・電極接合体側の面と反対側の面に純水を通流可能な純水流路を形成し、
前記燃料電池システムの凍結状態に応じて、前記純水流路に純水を循環する純水循環運転モードと純水を循環しない純水なし運転モードとを切り替えることを特徴とした燃料電池システム。 - 前記燃料電池システムの凍結状態として燃料電池内の凍結状態を検出する燃料電池凍結検出手段を有し、前記燃料電池内の凍結状態に基づいて、純水循環運転モードと純水なし運転モードとを切り替えることを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。
- 前記燃料電池システムの凍結状態として純水タンク内の純水の凍結状態を検出する水タンク凍結状態検出手段を有し、前記純水の凍結状態に基づいて、純水循環運転モードと純水なし運転モードとを切り替えることを特徴とする請求項1または請求項2記載の燃料電池システム。
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- 2004-09-02 JP JP2004255023A patent/JP2006073340A/ja active Pending
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