JP2006079890A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、低温起動時に加熱した媒体を燃料電池本体に供給することで、低温環境下での起動性を改善した燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system in which startability in a low temperature environment is improved by supplying a medium heated at low temperature startup to a fuel cell main body.
従来、この種の技術としては、例えば以下に示す文献に記載されたものが知られている(特許文献1参照)。この文献には、加熱ヒータで加熱された冷却水が、燃料電池の各セルを通過するように配置された熱媒体循環路を介して循環して燃料電池を昇温する一方、燃料電池の両端部あるいは燃料電池の両端部の近傍に設けられた熱媒体バイパス経路に、加熱ヒータで加熱された冷却水を集中的に循環させ、燃料電池の両端部を優先的に加熱する技術が記載されている。燃料電池の両端部を加熱することで、締結具等による熱損失で燃料電池の両端部の熱が奪われることを防止でき、燃料電池全体を平均的に昇温させることができる。 Conventionally, as this type of technology, for example, those described in the following documents are known (see Patent Document 1). In this document, cooling water heated by a heater circulates through a heat medium circuit arranged so as to pass through each cell of the fuel cell to raise the temperature of the fuel cell, while both ends of the fuel cell are heated. Technology that heats both ends of the fuel cell preferentially by circulating the cooling water heated by the heater intensively in the heat medium bypass path provided near the both ends of the fuel cell or the fuel cell. Yes. By heating both ends of the fuel cell, it is possible to prevent heat from being lost at both ends of the fuel cell due to heat loss due to a fastener or the like, and to raise the temperature of the entire fuel cell on average.
このように、加熱された冷却水を燃料電池に循環させることにより、凍結していた燃料電池内部の水が融解し、燃料電池が発電可能な状態になると、燃料電池に水素および空気の供給を開始し、燃料電池で発電を開始する。この時に、燃料電池の両端部のセルを優先的に加熱しているので、燃料電池の両端部の発電出力が低下することを防止し、各セルの出力を安定化させるようにしている。
以上説明したように、上記従来の燃料電池システムにおいては、低温起動時には、燃料電池の両端部のセルを優先的に加熱することで、燃料電池の両端部のセルの温度が他の部位のセルに比べて低くなることを回避し、燃料電池全体が平均的に昇温するようにしていた。 As described above, in the conventional fuel cell system, at the time of low temperature startup, the cells at both ends of the fuel cell are preferentially heated, so that the temperature of the cells at both ends of the fuel cell is changed to the cell at the other part. As a result, the temperature of the entire fuel cell is increased on average.
しかし、凍結していた燃料電池内部の水が完全に解凍し、燃料電池が発電可能状態になった後に、燃料電池の発電を開始していた。このため、燃料電池の両端部を優先的に加熱したからといって、燃料電池内部の凍結していた水をすべて解凍するには、長い時間がかかかるので、氷点下におけるシステムの起動時間が長くなるといった問題を招いていた。 However, after the frozen water in the fuel cell was completely thawed and the fuel cell was ready for power generation, power generation by the fuel cell was started. For this reason, it takes a long time to thaw all the water that has frozen inside the fuel cell even if both ends of the fuel cell are preferentially heated. The problem of becoming.
そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、低温環境下における起動時間を短縮した燃料電池システムを提供することにある。 Accordingly, the present invention has been made in view of the above, and an object thereof is to provide a fuel cell system in which the startup time in a low temperature environment is shortened.
上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応ガスを化学反応させて発電を行い、発電により発生した熱を除去する冷却媒体が流通する流路を備えた複数のセルが積層されてなる燃料電池スタックを備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックを構成する全セルの内、前記燃料電池スタックの両端部の所定の数のエンドセルは、多孔質プレートを介して加湿用水分が反応ガスに与えられるセルで構成され、前記燃料電池スタックの他のセルは、ソリッドプレートが使用されたセルで構成されていることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a means for solving the problems of the present invention is to generate a power by chemically reacting a reaction gas of a fuel gas and an oxidant gas, and a cooling medium for removing the heat generated by the power generation circulates. In a fuel cell system including a fuel cell stack in which a plurality of cells having flow paths are stacked, a predetermined number of end cells at both ends of the fuel cell stack among all cells constituting the fuel cell stack are In addition, the fuel cell stack is configured by a cell in which moisture for humidification is given to the reaction gas through a porous plate, and the other cells of the fuel cell stack are configured by a cell using a solid plate.
本発明によれば、エンドセルに多孔質プレートを使用し、他のセルでは水分の保有量が少ないソリッドプレートを使用することで、エンドセルが解凍された時点で全セルの発電を開始することが可能となる。これにより、低温環境下でのシステムの起動時間を短縮することができる。 According to the present invention, by using a porous plate for the end cell and using a solid plate with a small amount of water in other cells, power generation of all cells can be started when the end cell is thawed. It becomes. Thereby, the starting time of the system in a low temperature environment can be shortened.
以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の実施例を説明する。 DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The best embodiment for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は本発明の実施例1に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図1に示す実施例1のシステムは、燃料電池スタック101、エンドプレートヒータ102、冷却水ポンプ103、純水ポンプ104、純水タンク105、燃焼器熱交換器106、ラジエータ107、シャットバルブ108,109、三方バルブ110、温度計111,112,113、ならびに図示しないがコントロールユニットを備えている。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention. 1 includes a
燃料電池スタック101は、加湿された燃料ガスの水素と酸化剤ガスの空気との化学反応により発電を行い、図2に示すように構成されている。
The
図2において、燃料電池スタック101は、複数枚のセルが積層されて構成されている。積層された複数枚のセルの内、燃料電池スタック101の両端部側の各エンドセル201は、水分透過性の多孔質プレートに形成された流路(溝)を介して加湿用の純水が反応ガスの水素ならびに空気に与えられる。これに対して、燃料電池スタック101のエンドセル201を除く他のセル(以下、センターセル202と呼ぶ)は、反応ガスを透過しないソリッドタイプのソリッドプレートのセパレータに形成された流路(溝)を介して反応ガスの水素ならびに空気が発電部に与えられる。
In FIG. 2, the
エンドセル201の総枚数は、少なくとも2枚(片端部1枚ずつ)、もしくは燃料電池スタック101を構成するセルの総枚数の例えば1%程度〜10%程度の範囲内で、システムの要求定格出力(セルの総枚数、セル面積によるスタックのサイズで規定される)、ならびにシステムの氷点下からの起動の頻度等に基づいて、適宜選択される。
The total number of
燃料電池スタック101は、その両端部にエンドプレートヒータ102が設けられている。このエンドプレートヒータ102は、電気ヒータで構成され、低温起動時に2次電池(図示せず)から給電されてエンドセル201を加熱し、エンドセル201の昇温を補助促進させる。
The
エンドセル201は、図3に示すように構成されている。図3において、エンドセル201は、発電部として機能する膜電極接合体(MEA: Membrane Electrode Assembly)301、このMEA301を挟み込んで配置された一対の多孔質プレート302、この一対の多孔質プレート302を挟み込んで配置された一対のクーラープレート303、ならびに一対のクーラープレート303を挟み込んで配置され、隣接するエンドセルを分離する一対のセパレータ304を備えて構成されている。
The
MEA301は、電解質膜(図示せず)の両側を触媒層(図示せず)で挟み、さらにその外側にカーボン層(図示せず)、ならびにガス拡散層(GDL、図示せず)が配置されて構成される。MEA301は、加湿された反応ガスの水素と空気を化学反応させて発電し、発電により得られた電力が取り出されて外部の回路に供給される。
一対の多孔質プレート302は、一方がアノード側となり、他方がカソード側となる。アノード側の多孔質プレート302、例えば図3においてMEA301の左側に配置された多孔質プレート302とすると、MEA301に隣接する側には、水素の流路305となる溝が形成され、この流路305を水素が流通し、流通する水素が隣接するMEA301に与えられる。また、アノード側の多孔質プレート302には、水素の流路305となる溝に対向して加湿用の純水の流路306となる溝が形成され、この流路306に加湿用の純水が流通し、流通する純水が多孔質プレート302を介して流路305を流通する水素に与えられて水素が加湿される。したがって、アノード側の多孔質プレート302は、加湿用の純水を透過させることで水分を保有することになる。
One of the pair of
一方、カソード側の多孔質プレート302、例えば図3においてMEA301の右側に配置された多孔質プレート302とすると、MEA301に隣接する側には、空気の流路307となる溝が形成され、この流路307を空気が流通し、流通する空気が隣接するMEA301に与えられる。また、アノード側の多孔質プレート302には、空気の流路307となる溝に対向して加湿用の純水の流路308となる溝が形成され、この流路308に加湿用の純水が流通し、流通する純水が多孔質プレート302を介して流路308を流通する空気に与えられて空気が加湿される。したがって、カソード側の多孔質プレート302にあっても、加湿用の純水を透過させることで水分を保有することになる。
On the other hand, when the
クーラープレート303は、セパレータ304に隣接する側に、冷却水の流路309となる溝が形成され、この流路309を冷却水が流通し、流通する冷却水でセルが冷却又は加熱される。すなわち、流路309を流通する冷却水を冷却することで、化学反応により発熱したエンドセル201は冷却される一方、流路を流通する冷却水を加熱することで、エンドセル201は加熱される。
In the
図1に戻って、冷却水ポンプ103は、燃料電池スタック101の全セルに、一般的な不凍液(LLC)の冷却水を供給するポンプであり、純水ポンプ104は、多孔質プレート302に加湿用の純水を供給するポンプである。
Returning to FIG. 1, the
純水タンク105は、純水ポンプ104により多孔質プレート302に供給される加湿用の純水を貯蔵する。なお、多孔質プレート302を使用したエンドセルの枚数が少ない場合には、加湿用の純水を予め純水タンク105に貯蔵せず、発電開始後に生成される水分で賄うようにしてもよい。この場合には、純水タンク105、純水ポンプ104ならびに加湿用純水をエンドセル201に導く配管等の純水供給用の構成が不要となる。
The
燃焼器熱交換器106は、燃料電池スタック101、冷却水ポンプ103を循環流通する冷却水の循環経路に配置され、各セルに供給される冷却水を加熱する。なお、冷却水の加熱は、この燃焼器熱交換器106に代えて電気ヒータで行ってもよい。
The
燃焼器熱交換器106、燃料電池スタック101、冷却水ポンプ103を含む冷却水の循環経路において、燃焼器熱交換器106ならびに冷却水ポンプ103の上流側の配管の一部は、純水タンク105を貫通して配置されている。これにより、純水タンク105内の純水が凍結した場合に、加熱された冷却水が純水タンク105を通過することで、凍結した純水の解凍を促進するようにしている。
In the cooling water circulation path including the
ラジエータ107は、燃料電池スタック101から排出されて温めされた冷却水が流入し、流入した冷却水と外気との間で熱交換して、冷却水を冷却する。ラジエータ107で冷却された冷却水は、冷却水ポンプ103に流入する。
The
シャットバルブ108は、冷却水ポンプ103と燃料電池スタック101へ供給される冷却水の入口側との間に設けられ、シャットバルブ109は、燃料電池スタック101から排出される冷却水の出口側と三方バルブ110との間に設けられ、両バルブは冷却水を燃料電池スタック101のセンターセル202に選択的に供給制御する。すなわち、双方のシャットバルブ108、109を開放することで、冷却水が燃料電池スタック101の全セルに供給され、双方のシャットバルブ108,109を閉じることで、冷却水の燃料電池スタック101のセンターセル202への供給が遮断され、エンドセル201にのみ冷却水が供給される。
The
三方バルブ110は、燃料電池スタック101から排出された冷却水を、燃焼器熱交換器106側のバイパス流路又はラジエータ107側へ選択的に切り替える。すなわち、三方バルブ110は、冷却水を冷却する場合にはラジエータ107側に切り替えられ、燃料電池スタック101から排出された冷却水をラジエータ107に流通させる一方、冷却水を加熱する場合には燃焼器熱交換器106側に切り替えられ、冷却水を燃焼器熱交換器106に流通させる。
The three-
温度計111,112は、燃料電池スタック101の対応したエンドセル201から排出された冷却水の温度を計測し、計測した温度はコントロールユニットに与えられて、計測された温度に基づいて低温環境下でのエンドセル201内の水分の解凍状況が把握される。
The
温度計113は、純水タンク105に貯蔵された純水の温度を計測し、計測された温度はコントロールユニットに与えられて、計測された温度に基づいて低温環境下での純水タンク105に貯蔵された純水の解凍状況が把握される。
The
コントロールユニットは、本システムの運転を制御する制御中枢として機能し、プログラムに基づいて各種動作処理を制御するコンピュータに必要な、CPU、記憶装置、入出力装置等の資源を備えた例えばマイクロコンピュータ等により実現される。コントロールユニットは、本システムにおける温度計111,112,113を含む各センサ(図示せず)からの信号を読み込み、予め内部に保有する制御ロジック(プログラム)に基づいて、
冷却水ポンプ103,純水ポンプ104、燃焼器熱交換器106、シャットバルブ108,109、三方バルブ110を含む本システムの各構成要素に指令を送り、以下に説明する、低温環境下でのシステムの起動動作を含む本システムの運転/停止に必要なすべての動作を統括管理して制御する。
The control unit functions as a control center for controlling the operation of the system, and is provided with resources such as a CPU, a storage device, and an input / output device necessary for a computer that controls various operation processes based on a program, such as a microcomputer It is realized by. The control unit reads a signal from each sensor (not shown) including the
A command is sent to each component of the system including the cooling
なお、燃料電池スタック101のセンターセル202における反応ガスの加湿において、カソ−ド側の空気は、図示されていないが公知のWRD(Water・Recovery・Device)を用いて、燃料電池スタック101から排出されたオフガスの空気に含まれる発電で生成された水分を回収し、回収した水分を入口側に戻すことで加湿される。一方、アノード側の水素は、燃料電池スタック101から排出されたオフガスの水素を入口側に戻して水素を循環させることで、オフガスの水素に含まれる水分により加湿される。したがって、センターセル202のアノード側には、加湿用の純水を供給する構成は設けられていない。
In the humidification of the reaction gas in the
このような構成においては、図4のフローチャートに示す手順にしたがって、低温環境下で本システムが起動されて発電が開始される。 In such a configuration, according to the procedure shown in the flowchart of FIG. 4, the present system is activated and power generation is started under a low temperature environment.
図4において、外気温が氷点下で、システムの起動を開始すると(ステップS40)、先ず燃料電池スタック101のエンドプレートヒータ102に通電し、エンドプレートヒータ102で発生した熱で燃料電池スタック101のエンドセル201を加熱する(ステップS41)。続いて、コントロールユニットから与えられる指令に基づいてシャットバルブ108,109を閉弁し、かつ冷却水の循環経路がラジエータ107をバイパスする燃焼器熱交換器106側となるように三方バルブ110を切り替える。
In FIG. 4, when the system is started when the outside air temperature is below freezing (step S40), first, the
その後、コントロールユニットから与えられる指令に基づいて、冷却水ポンプ103ならびに燃焼器熱交換器106を作動する(ステップS43)。これにより、燃焼器熱交換器106で加熱されて冷却水ポンプ103により送り出された冷却水は、燃料電池スタック101のエンドセル201にのみ供給される。したがって、燃料電池スタック101のエンドセル201は、エンドプレートヒータ102ならびに加熱された冷却水で集中的に加熱されて昇温される。この結果、エンドセル201では、凍結した水分が迅速に解凍される。
Thereafter, the cooling
その後、エンドセル201から排出された冷却水の温度を、エンドセル201の冷却水の出口側に設けられた温度計111,112で計測し、計測された冷却水の温度が、予め設定された規定温度以上、例えば5℃以上になったか否かを判別する(ステップS44)。判別の結果、冷却水の温度が規定温度以上になった場合には、シャットバルブ108,109を開弁し、それまでエンドセル201にのみ供給されていた加熱された冷却水をエンドセル201に加えてセンターセル202にも供給し始める。これと同時に、コントロールユニットからの指令に基づいて燃料電池スタック101の全セルに反応ガスを供給して発電を開始する(ステップS45)。
Thereafter, the temperature of the cooling water discharged from the
ここで、燃料電池スタック101のセンターセル202では、ソリッドプレートのセパレータを使用しているため、システム停止時のパージ処理により水滴程度の水分しか残留しておらず、エンドセル201に比べて水分の保有量が極めて少ない。また、発電を開始すると、エンドセル201で自己発熱し、両端のエンドセル201からセンターセル202に向けて放熱される。これにより、エンドセル201の解凍が終了して、加熱された冷却水をセンターセル202に供給すると同時に発電を開始するようにしても、センターセル202では急速に解凍が進み、直ちに発電が可能な状態となる。
Here, since the
また、エンドセル201の枚数がセンターセル202の枚数に比べて少なく、したがってエンドセル201の多孔質プレート302の数も少ないので、発電の際にエンドセル201の多孔質プレート302で必要とされる加湿用純水の純水タンク105内に保有される量は、少なくて済む。このため、加熱された冷却水を燃料電池スタック101に供給する際に、加熱冷却水を純水タンク105内を通過させて、純水タンク105の凍結した純水を解凍するには、それ程多くの時間はかからない。したがって、発電開始前に純水タンク105内の純水の一部又は全部の解凍が終了している可能性が高く、発電開始当初から、加湿用純水を燃料電池スタック101に供給することが可能となる。
Further, since the number of
しかし、エンドセル201の多孔質プレート302には、発電前であっても前回の発電時に供給された水分が含まれているため、必ずしも発電開始時に純水タンク105内の純水の解凍が終了している必要はない。すなわち、発電当初は多孔質プレート302に含まれていた水分が加湿用の水分と使用される。
However, since the
発電が開始された後、温度計113で計測された純水タンク105内の純水の温度が、予め設定された規定温度以上、例えば5℃以上になったか否かを判別する(ステップS46)。判別の結果、純水の温度が規定温度以上になった場合には、純水ポンプ104を作動し(ステップS47)、エンドセル201の多孔質プレート302に加湿用の純水を供給し、発電が継続して行われる。
After the power generation is started, it is determined whether or not the temperature of pure water in the
以上説明したように、この実施例1では、燃料電池スタック101におけるエンドセル201の数セルに多孔質プレートを使用し、センターセル202ではソリッドプレートを使用することにより、氷点下での起動時にエンドセル201が解凍された時点で発電を開始することが可能となり、氷点下からのシステムの起動時間を短縮することができる。
As described above, in the first embodiment, a porous plate is used for several cells of the
また、エンドセル201に多孔質プレートを使用することにより、通常運転時にエンドセル201のフラッディングを防止することができる。
Further, by using a porous plate for the
さらに、外気温度が氷点下の場合には、一旦解凍後のセルであっても、発電開始時にセルの触媒層で水のフラッディングが生じて再凍結し、これにより性能が低下して恒久劣化のおそれがあった。しかし、上記実施例1では、エンドセル201に多孔質プレートを採用することにより、上記不具合を防止することができる。
Furthermore, when the outside air temperature is below freezing point, even if the cell is once thawed, water flooding occurs in the cell's catalyst layer at the start of power generation and refreezes, which may degrade performance and cause permanent deterioration. was there. However, in the said Example 1, the said malfunction can be prevented by employ | adopting a porous plate for the
また、氷点下からの起動時に、加熱された冷却水をエンドセル201にのみ供給することで、エンドセル201を迅速に解凍することができる。したがって、エンドセル201の解凍後、全てのセルの発電を開始することで、低温環境下におけるシステムの起動時間を、全セルの解凍を待って発電を開始する従来に比べて大幅に短縮することができる。
Moreover, the
また、エンドセル201にのみ、冷却水をエンドセル201に流すクーラープレート303を2枚挿入することにより、氷点下からの起動時に、クーラープレート303を1枚
にする場合に比べてエンドセル201の解凍時間を短縮することができる。
In addition, by inserting two
なお、例えばセンターセル202に多孔質プレートを使用する場合には、クーラープレートは1枚のみでよい。
For example, when a porous plate is used for the
101…燃料電池スタック
102…エンドプレートヒータ
103…冷却水ポンプ
104…純水ポンプ
105…純水タンク
106…燃焼器熱交換器
107…ラジエータ
108,109…シャットバルブ
110…三方バルブ
111,112,113…温度計
201…エンドセル
202…センターセル
301…MEA
302…多孔質プレート
303…クーラープレート
304…セパレータ
305,306,307,308,309…流路
DESCRIPTION OF
302 ...
Claims (3)
前記燃料電池スタックを構成する全セルの内、前記燃料電池スタックの両端部の所定の数のエンドセルは、多孔質プレートを介して加湿用水分が反応ガスに与えられるセルで構成され、前記燃料電池スタックの他のセルは、ソリッドプレートが使用されたセルで構成されている
ことを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell stack comprising a plurality of cells stacked with a flow path through which a cooling medium for removing heat generated by power generation is generated by chemically reacting a reaction gas of a fuel gas and an oxidant gas. In the fuel cell system,
Among all the cells constituting the fuel cell stack, a predetermined number of end cells at both ends of the fuel cell stack are constituted by cells in which moisture for humidification is given to the reaction gas through a porous plate, and the fuel cell The other cell of the stack is configured by a cell using a solid plate.
前記加熱手段で加熱された冷却媒体を前記エンドセルに選択的に供給制御する冷却媒体供給手段を備え、
低温環境下での前記燃料電池システムの起動時に、前記加熱手段で加熱された冷却媒体を、前記冷却媒体供給手段により前記エンドセルにのみ選択的に供給し、加熱された冷却媒体で前記エンドセル内の凍結水を解凍し、解凍後直ちに前記燃料電池スタックの全セルの発電を開始する
ことを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。 Heating means for heating the cooling medium;
A cooling medium supply means for selectively supplying and controlling the cooling medium heated by the heating means to the end cell;
When starting up the fuel cell system in a low temperature environment, the cooling medium heated by the heating means is selectively supplied only to the end cells by the cooling medium supply means, and the heated cooling medium in the end cells is selectively supplied. 2. The fuel cell system according to claim 1, wherein frozen water is thawed and power generation of all cells of the fuel cell stack is started immediately after thawing.
ことを特徴とする請求項1又は2記載の燃料電池システム。 3. The fuel cell system according to claim 1, wherein the end cell has a cooler plate in which a flow path through which a cooling medium flows is formed, inserted into the anode side and the cathode side, respectively.
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