JP2007026678A - 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するものである。 The present invention relates to a fuel cell system.
従来、水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池には、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面にそれぞれアノード(水素極)とカソード(酸素極)とを備えた単セルを複数積層させた燃料電池スタックがある。そして、単セルのカソードでは、カソード反応によって、水(生成水)が生成される。 Conventionally, a fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen has attracted attention as an energy source. This fuel cell includes a fuel cell stack in which a plurality of single cells each having an anode (hydrogen electrode) and a cathode (oxygen electrode) are stacked on both surfaces of an electrolyte membrane having proton conductivity. And in the cathode of a single cell, water (product water) is produced | generated by a cathode reaction.
このような燃料電池スタックを備える燃料電池システムを、氷点下の低温時に始動すると、燃料電池スタック内の一部の単セルにおいて、生成水が凍結して、酸素の拡散が妨げられるか、凍結部が反応しなくなるため、発電性能が低下する場合がある。そして、発電性能が低下した単セルと、発電性能が低下していない単セルとが混在した状態で、要求電力を出力するように発電を継続すると、発電性能が低下した単セルに負電圧がかかり、その単セルの電解質膜の劣化を招く場合がある。 When a fuel cell system including such a fuel cell stack is started at a low temperature below freezing point, in some single cells in the fuel cell stack, the generated water is frozen to prevent oxygen diffusion or Since it does not react, the power generation performance may be reduced. Then, when power generation is continued to output the required power in a state where a single cell whose power generation performance has been reduced and a single cell whose power generation performance has not been reduced, a negative voltage is applied to the single cell whose power generation performance has been reduced. This may cause deterioration of the electrolyte membrane of the single cell.
そこで、従来、燃料電池システムの低温始動時の上記不具合を解決するために、種々の技術が提案されている。例えば、下記特許文献1には、燃料電池システムの氷点下からの低温始動時に、単セルの電圧が所定電圧を下回らない範囲で、取り出し電流を最大に設定する技術が記載されている。これによって、要求電力に関わらず、発電反応が促進され、燃料電池の自己発熱を促進させることができ、暖気時間を短縮できるので、起動時の生成水が凍結するのを抑制することができる。 In view of this, various techniques have been proposed in order to solve the above problems at the time of starting the fuel cell system at a low temperature. For example, Patent Document 1 described below describes a technique for setting the extraction current to the maximum in a range where the voltage of a single cell does not fall below a predetermined voltage when the fuel cell system is started at a low temperature from below the freezing point. Accordingly, the power generation reaction is promoted regardless of the required power, the self-heating of the fuel cell can be promoted, and the warm-up time can be shortened, so that the generated water at the start-up can be suppressed from freezing.
しかし、上記特許文献1に記載された技術では、複数の単セルのうちの最も発電性能が低い単セルに合わせて燃料電池スタック全体から取り出す電流を下げるので、発電性能が低下していない単セルにおける発熱量をも低下させてしまい、燃料電池スタック全体が昇温するまでの時間を十分に短縮することができない場合があった。 However, in the technique described in Patent Document 1, the current taken out from the entire fuel cell stack is lowered in accordance with the single cell having the lowest power generation performance among the plurality of single cells. In some cases, the amount of heat generated in the fuel cell stack also decreases, and the time required for the entire fuel cell stack to rise in temperature cannot be shortened sufficiently.
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池スタックを備える燃料電池システムの低温始動性を向上させることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to improve low-temperature startability of a fuel cell system including a fuel cell stack.
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明では、以下の構成を採用した。
本発明の燃料電池システムは、
水素と酸素との電気化学反応によって発電を行う単セルを複数積層した燃料電池スタックと、
該燃料電池スタックが前記単セルの積層方向に沿って複数の部分に区分けされた該各部分の電圧を検出する電圧検出部と、
前記各部分に流れる電流を制御する電流制御部と、
前記燃料電池システムの氷点下での低温始動時に、前記電圧検出部によって、前記複数の部分のうちのいずれかの電圧が所定値未満となったことが検出されたときに、該検出された電圧が前記所定値未満となった前記部分に流れる電流が、他の前記部分に流れる電流よりも低い値になるように、前記電流制御部を制御する低温始動制御部と、
を備えることを要旨とする。
In order to solve at least a part of the above-described problems, the present invention employs the following configuration.
The fuel cell system of the present invention comprises:
A fuel cell stack in which a plurality of single cells that generate electricity by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen are stacked;
A voltage detector for detecting a voltage of each part of the fuel cell stack divided into a plurality of parts along the stacking direction of the single cells;
A current control unit for controlling a current flowing through each of the parts;
When the voltage detection unit detects that the voltage of any of the plurality of parts has become less than a predetermined value at a low temperature start under freezing point of the fuel cell system, the detected voltage is A low temperature start control unit that controls the current control unit so that a current flowing in the portion that is less than the predetermined value is lower than a current flowing in the other portion;
It is a summary to provide.
本発明では、燃料電池システムの低温始動時に、燃料電池スタックが単セルの積層方向に沿って複数の部分に区分けされた各部分の電圧をモニタすることによって、その部分に含まれる単セルの生成水の凍結による発電性能の低下を検出する。そして、発電性能が低下していない部分の単セルからは、ほぼ要求された電流を取り出すとともに、発電性能が低下した部分の単セルには、発電性能が低下していない他の部分の単セルよりも低い値の電流を流す。なお、低い値の電流を流すとは、電流値を0にすること、つまり、電流を流さないことも含んでいる。 In the present invention, when the fuel cell system is started at a low temperature, the fuel cell stack monitors the voltage of each part divided into a plurality of parts along the stacking direction of the single cells, thereby generating single cells included in the parts. Detects a decrease in power generation performance due to water freezing. And, from the single cell of the part where the power generation performance is not lowered, the almost required current is taken out, and the single cell of the part where the power generation performance is lowered is replaced with the single cell of the other part where the power generation performance is not lowered. Less current than that. In addition, flowing a low value current includes setting the current value to 0, that is, not flowing a current.
こうすることによって、低温始動時に、発電性能が低下していない単セルでは、ほぼ要求通りの発電を行うようにし、その発熱、および、熱伝導によって、速やかに燃料電池スタック全体を昇温することができる。また、生成水の凍結によって発電性能が低下した単セルに流す電流を制限するので、発電性能が低下した単セルに負電圧がかかることを抑制し、単セルに備えられた電解質膜の劣化を抑制することができる。この結果、燃料電池システムの低温始動性を向上させることができる。 By doing this, at the time of low temperature start, the single cell whose power generation performance has not deteriorated is made to generate power almost as required, and the entire fuel cell stack is quickly heated by its heat generation and heat conduction. Can do. In addition, since the current flowing to the single cell whose power generation performance is reduced due to the freezing of the generated water is limited, it is possible to suppress the negative voltage from being applied to the single cell whose power generation performance has been reduced, and to prevent deterioration of the electrolyte membrane provided in the single cell. Can be suppressed. As a result, the low temperature startability of the fuel cell system can be improved.
上記燃料電池システムにおいて、
前記低温始動制御部は、前記低温始動時の前記電流制御部の制御において、前記電圧検出部によって、前記複数の部分のうちのいずれかの電圧が所定値未満となったことが検出されたときに、さらに、該検出された電圧が前記所定値未満になった前記部分に流れる電流を0にするようにしてもよい。
In the fuel cell system,
In the control of the current control unit at the time of the low temperature start, the low temperature start control unit is detected by the voltage detection unit that any one of the plurality of portions has become less than a predetermined value. Further, the current flowing through the portion where the detected voltage is less than the predetermined value may be set to zero.
本発明では、発電性能が低下していない部分の単セルからのみ電流を取り出し、発電性能が低下した部分の単セルには電流は流さない。こうすることによって、発電性能が低下していない単セル発電性能が低下した単セルに負電圧がかかることを回避し、電解質膜の劣化を抑制することができる。 In the present invention, the current is taken out only from the single cell where the power generation performance is not deteriorated, and no current is passed through the single cell where the power generation performance is deteriorated. By carrying out like this, it can avoid that a negative voltage is applied to the single cell in which the single cell power generation performance in which the power generation performance has not decreased is reduced, and the deterioration of the electrolyte membrane can be suppressed.
また、本発明の燃料電池システムにおいて、
前記低温始動制御部は、前記低温始動時の前記電流制御部の制御において、前記電圧検出部によって、前記複数の部分のうちのいずれかの電圧が所定値未満となったことが検出されたときに、さらに、該検出された電圧が前記所定値未満になった前記部分について、前記検出された電圧値に基づいて、前記単セルに負電圧がかからないように、該部分に流れる電流の値を変更するようにしてもよい。
In the fuel cell system of the present invention,
In the control of the current control unit at the time of the low temperature start, the low temperature start control unit is detected by the voltage detection unit that any one of the plurality of portions has become less than a predetermined value. Further, for the portion where the detected voltage is less than the predetermined value, the value of the current flowing through the portion is set based on the detected voltage value so that a negative voltage is not applied to the single cell. It may be changed.
こうすることによって、発電性能が低下した単セルに負電圧がかかることを回避しつつ、発電性能が低下した単セルにおいても発電によって自己発熱するので、電解質膜の劣化を抑制しつつ、燃料電池スタックの昇温時間を短縮することができる。 By doing this, while avoiding a negative voltage being applied to the single cell with reduced power generation performance, the single cell with reduced power generation performance also self-heats due to power generation, so the fuel cell while suppressing deterioration of the electrolyte membrane The stack heating time can be shortened.
上記いずれかの燃料電池システムにおいて、
前記電流制御部は、前記燃料電池スタックの前記積層方向の端部に配置されている前記部分のみを、前記流れる電流値を小さくする制御の制御対象とするようにしてもよい。
In any of the above fuel cell systems,
The current control unit may be configured to control only the portion arranged at the end of the fuel cell stack in the stacking direction to reduce the flowing current value.
一般に、燃料電池スタックの積層方向の端部には、エンドプレート等が配設されているため、端部に配置された単セルは、外部への放熱により、中央部に配置された単セルよりも昇温しにくく、生成水の凍結によって発電性能が低下しやすい。一方、中央部に配置された単セルは、発電により発熱する単セル同士が接しているため昇温しやすく、生成水の凍結は生じにくい。 In general, since an end plate or the like is disposed at the end in the stacking direction of the fuel cell stack, the single cell disposed at the end is more than the single cell disposed at the center due to heat radiation to the outside. However, it is difficult to raise the temperature, and the power generation performance tends to be reduced due to freezing of the generated water. On the other hand, the single cell arranged in the center part is easily heated because the single cells that generate heat by power generation are in contact with each other, and the generated water is not easily frozen.
本発明では、燃料電池スタックの端部に配置され、生成水の凍結によって発電性能が低下しやすい単セルのみを、流れる電流を制限する制御の対象とするので、燃料電池システムの構成や、低温始動時の制御を簡略化することができる。 In the present invention, only the single cell, which is disposed at the end of the fuel cell stack and whose power generation performance is likely to deteriorate due to freezing of the generated water, is the target of control for limiting the flowing current. Control at start-up can be simplified.
上記いずれかの燃料電池システムにおいて、さらに、
前記各部分の温度を検出する温度検出部を備え、
前記低温始動制御部は、前記低温始動時の前記電流制御部の制御を行っているときに、前記電圧検出部によって検出された電圧が前記所定値未満となった前記部分について、前記温度検出部によって検出された温度が所定温度以上になったときに、該低温始動時の前記電流制御部の制御を停止するようにしてもよい。
In any one of the above fuel cell systems,
A temperature detection unit for detecting the temperature of each part;
The low temperature start control unit performs the control of the current control unit at the time of the low temperature start, the temperature detection unit for the portion where the voltage detected by the voltage detection unit is less than the predetermined value When the temperature detected by the above becomes equal to or higher than a predetermined temperature, the control of the current control unit at the low temperature start may be stopped.
所定温度は、生成水が凍結しない範囲内の温度を任意に設定可能である。本発明によって、上記各部分の温度に基づいて、先に説明した低温始動時の制御から通常温度での制御に切り換えるようにすることができる。 The predetermined temperature can be arbitrarily set within a range where the generated water does not freeze. According to the present invention, the control at the low temperature start described above can be switched to the control at the normal temperature based on the temperature of each part.
なお、温度検出部の代わりに、上記低温始動時の制御の継続時間を計測するタイマを備えるようにし、上記切り換えを、低温始動時の制御の継続時間が所定時間以上になったか否かに基づいて、行うようにしてもよい。この場合、所定時間は、燃料電池スタックの全ての単セルの温度が、生成水が凍結しない程度に十分に昇温する時間を設定すればよい。 Instead of the temperature detector, a timer for measuring the duration of the control at the low temperature start is provided, and the switching is based on whether the duration of the control at the low temperature start has reached a predetermined time or more. And may be performed. In this case, the predetermined time may be set so that the temperature of all the single cells of the fuel cell stack is sufficiently raised so that the generated water does not freeze.
本発明の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池スタックの前記各部分のうちの一部の部分は、前記単セルとして前記低温始動時にのみ使用するための低温始動用セルによって構成されており、
前記燃料電池システムは、さらに、
前記低温始動用セルの温度を検出する温度検出部と、
前記低温始動時に、前記温度検出部によって、前記低温始動用セルの温度が所定温度以上になったことが検出されたときに、前記低温始動用セルによる発電を停止するように、前記電流制御部を制御する発電制御部と、
を備えるようにしてもよい。
In the fuel cell system of the present invention,
A part of each of the parts of the fuel cell stack is constituted by a cold start cell for use only during the cold start as the single cell,
The fuel cell system further includes:
A temperature detector for detecting the temperature of the cold start cell;
The current control unit is configured to stop power generation by the cold start cell when the temperature detection unit detects that the temperature of the cold start cell is equal to or higher than a predetermined temperature during the cold start. A power generation control unit for controlling
You may make it provide.
ここで、低温始動用セルは、生成水が凍結しにくく低温始動時の発電には適しているが、通常温度での発電には不適な単セルである。このような低温始動用セルとしては、例えば、以下に示すものが挙げられる。 Here, the cold start cell is a single cell which is suitable for power generation at a low temperature start because the generated water is hard to freeze, but is not suitable for power generation at a normal temperature. Examples of such a cold start cell include those shown below.
上記燃料電池システムにおいて、
前記単セルは、所定の電解質膜の両面に、それぞれアノードとカソードとを備えており、
前記低温始動用セルは、前記アノード、および、前記カソードのうちの少なくとも前記カソードに、前記発電によって生成された生成水の透過性が、該低温始動用セル以外の前記単セルよりも高い高透過層を備えるようにしてもよい。
In the fuel cell system,
The single cell includes an anode and a cathode on both sides of a predetermined electrolyte membrane,
The cold start cell has high permeability to the anode and at least the cathode among the cathodes, the generated water generated by the power generation is higher than the single cells other than the cold start cell. A layer may be provided.
発電による生成水は、カソード反応によって生成されるので、生成水の凍結は、アノードよりもカソードで生じやすい。本発明では、低温始動用セルの少なくともカソードに、生成水の透過性が比較的高い高透過層を備えているので、生成水を比較的速やかに排出することができる。したがって、低温始動用セルにおいて、生成水が凍結するまでの時間を延長し、生成水が凍結する前に燃料電池スタック全体の昇温を完了するようにすることができる。 Since water generated by power generation is generated by a cathode reaction, freezing of the generated water is more likely to occur at the cathode than at the anode. In the present invention, since at least the cathode of the cold start cell is provided with the high permeability layer having a relatively high permeability of the produced water, the produced water can be discharged relatively quickly. Therefore, in the cold start cell, it is possible to extend the time until the produced water freezes and complete the temperature increase of the entire fuel cell stack before the produced water freezes.
上記燃料電池システムにおいて、
前記単セルは、前記電解質膜の両面に、それぞれ前記電気化学反応を起こすための触媒層と、前記生成水を撥水するための撥水層と、前記触媒層に反応ガスを拡散させて供給するための拡散層とを、この順序で備えており、
前記低温始動用セルは、前記高透過層として、前記低温始動用セル以外の前記単セルの前記撥水層よりも厚さが薄い前記撥水層、および、前記低温始動用セル以外の前記単セルの前記拡散層よりも厚さが薄い前記拡散層のうちの少なくとも一方を備えるようにしてもよい。
In the fuel cell system,
The single cell is supplied on both surfaces of the electrolyte membrane with a catalyst layer for causing the electrochemical reaction, a water repellent layer for repelling the generated water, and a reaction gas diffused in the catalyst layer. And in this order, a diffusion layer for
The low temperature start cell includes the water repellent layer having a thickness smaller than the water repellent layer of the single cell other than the low temperature start cell, and the single unit other than the low temperature start cell as the high transmission layer. You may make it provide at least one of the said diffusion layers whose thickness is thinner than the said diffusion layer of a cell.
低温始動時に触媒層で生成された生成水は、触媒層の外へ排出される時には過冷却水になっている。この過冷却水は、撥水層を薄くすることによって、透過しやすくすることができる。また、拡散層を薄くすることによっても、過冷却水を透過しやすくすることができる。したがって、本発明によって、生成水を速やかに排出することができる。 The generated water generated in the catalyst layer at the time of low temperature starting is supercooled water when discharged out of the catalyst layer. This supercooled water can be easily transmitted by making the water repellent layer thin. In addition, the supercooled water can be easily transmitted by making the diffusion layer thin. Therefore, according to the present invention, the generated water can be quickly discharged.
なお、過冷却水の透過性の観点から、高透過層において、撥水層は、省略することが好ましい。こうすることによって、過冷却水の透過性をより高くすることができる。 In addition, it is preferable to omit a water repellent layer in a highly permeable layer from the viewpoint of the permeability of supercooled water. By carrying out like this, the permeability of supercooling water can be made higher.
上記低温始動用セルを備えるいずれかの燃料電池システムにおいて、
前記低温始動用セルは、前記燃料電池スタックの前記積層方向の端部に配置された前記部分にのみ備えられているようにしてもよい。
In any fuel cell system comprising the cold start cell,
The cold start cell may be provided only in the portion arranged at the end of the fuel cell stack in the stacking direction.
先に説明したように、燃料電池スタックの積層方向の端部に配置された単セルは、中央部に配置された単セルよりも昇温しにくく、生成水の凍結によって発電性能が低下しやすい。一方、中央部に配置された単セルは、昇温しやすく、生成水の凍結は生じにくい。 As described above, the single cell arranged at the end of the fuel cell stack in the stacking direction is less likely to raise the temperature than the single cell arranged in the center, and the power generation performance is likely to deteriorate due to freezing of the produced water. . On the other hand, the single cell arranged in the center part is easy to raise the temperature and the generated water is not easily frozen.
本発明では、燃料電池スタックの端部にのみ低温始動用セルを配置するので、燃料電池システムの構成や、低温始動時の制御を簡略化することができる。 In the present invention, since the cold start cell is disposed only at the end of the fuel cell stack, the configuration of the fuel cell system and the control during the cold start can be simplified.
なお、本発明の燃料電池システムは、
水素と酸素との電気化学反応によって発電を行う単セルと、前記燃料電池システムの氷点下での低温始動時にのみ使用するための前記単セルである低温始動用セルとを複数積層した燃料電池スタックと、
前記各部分に流れる電流を制御する電流制御部と、
前記低温始動用セルの温度を検出する温度検出部と、
前記低温始動時に、前記温度検出部によって、前記低温始動用セルの温度が所定温度以上になったことが検出されたときに、前記低温始動用セルによる発電を停止するように、前記電流制御部を制御する発電制御部と、
を備えるようにしてもよい。
The fuel cell system of the present invention is
A fuel cell stack in which a plurality of single cells that generate electricity by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, and a plurality of low-temperature start cells that are the single cells for use only during low-temperature start under the freezing point of the fuel cell system; ,
A current control unit for controlling a current flowing through each of the parts;
A temperature detector for detecting the temperature of the cold start cell;
The current control unit is configured to stop power generation by the cold start cell when the temperature detection unit detects that the temperature of the cold start cell is equal to or higher than a predetermined temperature during the cold start. A power generation control unit for controlling
You may make it provide.
こうすることによっても、上述した燃料電池システムと同様に、燃料電池システムの低温始動性を向上させることができる。 By doing this as well, the low temperature startability of the fuel cell system can be improved in the same manner as the fuel cell system described above.
本発明は、上述した種々の特徴を必ずしも全て備えている必要はなく、その一部を省略したり、適宜、組み合わせたりして構成することができる。本発明は、上述の燃料電池システムとしての構成の他、燃料電池システムの制御方法の発明として構成することもできる。また、これらを実現するコンピュータプログラム、およびそのプログラムを記録した記録媒体、そのプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号など種々の態様で実現することが可能である。なお、それぞれの態様において、先に示した種々の付加的要素を適用することが可能である。 The present invention does not necessarily have all the various features described above, and may be configured by omitting some of them or combining them appropriately. The present invention can be configured as an invention of a control method of a fuel cell system in addition to the above-described configuration as a fuel cell system. Further, the present invention can be realized in various modes such as a computer program that realizes these, a recording medium that records the program, and a data signal that includes the program and is embodied in a carrier wave. In addition, in each aspect, it is possible to apply the various additional elements shown above.
本発明をコンピュータプログラムまたはそのプログラムを記録した記録媒体等として構成する場合には、燃料電池システムの動作を制御するプログラム全体として構成するものとしてもよいし、本発明の機能を果たす部分のみを構成するものとしてもよい。また、記録媒体としては、フレキシブルディスクやCD−ROM、DVD−ROM、光磁気ディスク、ICカード、ROMカートリッジ、パンチカード、バーコードなどの符号が印刷された印刷物、コンピュータの内部記憶装置(RAMやROMなどのメモリ)および外部記憶装置などコンピュータが読み取り可能な種々の媒体を利用できる。 When the present invention is configured as a computer program or a recording medium storing the program, the entire program for controlling the operation of the fuel cell system may be configured, or only the portion that performs the function of the present invention is configured. It is good also as what to do. The recording medium includes a flexible disk, a CD-ROM, a DVD-ROM, a magneto-optical disk, an IC card, a ROM cartridge, a punch card, a printed matter on which a code such as a barcode is printed, a computer internal storage device (RAM or Various types of computer-readable media such as a memory such as a ROM and an external storage device can be used.
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき以下の順序で説明する。
A.第1実施例:
A1.システム構成:
A2.低温始動制御:
B.第2実施例:
B1.システム構成:
B2.低温始動制御:
C.第3実施例:
C1.システム構成:
C2.低温始動制御:
D.変形例:
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in the following order based on examples.
A. First embodiment:
A1. System configuration:
A2. Cold start control:
B. Second embodiment:
B1. System configuration:
B2. Cold start control:
C. Third embodiment:
C1. System configuration:
C2. Cold start control:
D. Variation:
A.第1実施例:
A1.システム構成:
図1は、本発明の第1実施例としての燃料電池システム100の概略構成を示す説明図である。図示するように、燃料電池システム100は、燃料電池スタック10と、切換スイッチ20,22と、電圧センサ30と、温度センサ40と、負荷50と、制御ユニット60とを備えている。
A. First embodiment:
A1. System configuration:
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a
燃料電池スタック10は、水素と酸素との電気化学反応によって発電を行う単セル12を所定数積層した積層体である。単セル12は、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、それぞれアノード(水素極)とカソード(酸素極)とを形成したものである。単セル12の積層数は、要求される出力に応じて任意に設定可能である。なお、本実施例では、燃料電池スタック10は、電解質膜として固体高分子膜を用いた固体高分子型燃料電池であるものとした。他の燃料電池を用いるものとしてもよい。
The
燃料電池スタック10の単セル12の積層方向の一方の端部には、単セル12a,12b,12cが、外側からこの順に配置されている。また、燃料電池スタック10の単セル12の積層方向の他方の端部には、単セル12d,12e,12fが、外側からこの順に配置されている。そして、これらの各単セル12a〜12fには、それぞれ発電時に電流を取り出すための端子が設けられている。
At one end of the
燃料電池スタック10は、切換スイッチ20、および、切換スイッチ22を介して、負荷50と接続されている。切換スイッチ20には、3つの端子a,b,cが設けられている。また、切換スイッチ22には、3つの端子d,e,fが設けられている。そして、切換スイッチ20の端子a,b,cは、それぞれ単セル12a,12b,12cに接続されている。また、切換スイッチ22の端子d,e,fは、それぞれ単セル12d,12e,12fに接続されている。切換スイッチ20、および、切換スイッチ22の接続状態を切り換えることによって、発電時に電流を取り出す部分を切り換えることができる。なお、本実施例では、切換スイッチ20、および、切換スイッチ22には、それぞれ3つの端子が設けられており、3つの単セル12と接続されているものとしたが、これに限られず、より多くの端子を設けるようにしてもよい。
The
電圧センサ30は、単セル12ごとに設けられており、各単セル12の電圧(以下、セル電圧と呼ぶ)Vcを検出する。また、温度センサ40も、単セル12ごとに設けられており、各単セル12の温度Tcを検出する。各単セル12のセル電圧Vcや、温度Tcをモニタすることによって、各単セル12の異常を検出することができる。
The
燃料電池システム100の運転は、制御ユニット60によって制御される。制御ユニット60は、内部にCPU、RAM、ROMなどを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ROMに記憶されたプログラムに従って、システムの運転を制御する。
The operation of the
本実施例では、制御ユニット60は、燃料電池システム100の氷点下での低温始動時に、後述する低温始動制御を実行する。低温始動時には、カソード反応によって生成された生成水が単セル12内で凍結して反応ガスの供給を妨げ、単セル12の発電性能が低下する場合がある。本実施例では、低温始動制御によって、低温始動時に、生成水の凍結によって単セル12の発電性能が低下しても、燃料電池スタック10を速やかに昇温して発電性能を回復する。この低温始動制御では、以下に説明するように、電圧センサ30や、温度センサ40の出力に基づいて、切換スイッチ20、および、切換スイッチ22を制御する。制御ユニット60は、本発明における低温始動制御部に相当する。また、切換スイッチ20,22は、本発明における電流制御部に相当する。
In the present embodiment, the
A2.低温始動制御:
図2は、第1実施例における低温始動制御の流れを示すフローチャートである。この処理は、燃料電池システム100の氷点下での低温始動時に、制御ユニット60のCPUが実行する処理である。本実施例では、燃料電池システム100の始動時に、いずれかの温度センサ40の出力が氷点下である場合に、この制御を実行する。
A2. Cold start control:
FIG. 2 is a flowchart showing a flow of low temperature start control in the first embodiment. This process is a process executed by the CPU of the
低温始動制御開始時の初期状態では、切換スイッチ20、および、切換スイッチ22は、それぞれ端子a、および、端子dに接続されており、単セル12aと単セル12d、すなわち燃料電池スタック10全体から要求された電流を取り出す(図1参照)。
In the initial state at the start of the cold start control, the
その後、CPUは、電圧センサ30によって、燃料電池スタック10の端部に配置された最も発電性能が低下しやすい単セル12のセル電圧Vcを測定する(ステップS100)。低温始動制御直後は、燃料電池スタック10の両端部に配置されている単セル12a,12dのセル電圧Vcを測定する。また、後述するように、単セル12a,12dによって発電を行っていないときには、発電を行っている単セル12のうちの最も外側に配置されている単セル12b,12eのセル電圧Vcを測定する。
After that, the CPU measures the cell voltage Vc of the
そして、CPUは、セル電圧Vcが所定電圧Vth未満であるか否かを判断する(ステップS110)。単セル12の発電性能が低下し、セル電圧Vcが所定電圧Vth未満になった場合には(ステップS110:YES)、切換スイッチ20,22を切り換え(ステップS100)、ステップS100に戻る。例えば、燃料電池スタック10において最も発電性能が低下しやすい両端の単セル12a,12dのセル電圧Vcが所定電圧Vth未満になった場合には、切換スイッチ20、および、切換スイッチ22を、それぞれ端子b、および、端子eに切り換え、単セル12bと単セル12eから要求された電流を取り出す。このとき、単セル12a,12dでは、発電は行われず、単セル12a,12dには、電流は流れない。この状態で発電を継続し、その後、単セル12b,12eの発電性能が低下して、そのセル電圧Vcが所定電圧Vth未満になった場合には、切換スイッチ20、および、切換スイッチ22の接続を、それぞれ端子c、および、端子fに切り換え、単セル12cと単セル12fから要求された電流を取り出す。このとき、さらに、単セル12b,12eでは、発電は行われず、単セル12a,12dには、電流は流れない。
Then, the CPU determines whether or not the cell voltage Vc is less than the predetermined voltage Vth (step S110). When the power generation performance of the
ステップS110において、セル電圧Vcが所定電圧Vth以上である場合には(ステップS110:NO)、CPUは、切換スイッチ20、および、切換スイッチ22の接続状態によって、発電を行っていない単セル12があるか否かを判断する(ステップS130)。切換スイッチ20、および、切換スイッチ22が、それぞれ端子a、および、端子dに接続されており、発電を行っていない単セル12がない場合には(ステップS130:NO)、CPUは、温度センサ40によって、発電を行っている単セル12のうちの最も外側の単セル12の温度Tcを測定し(ステップS180)、その単セル12の温度Tcが所定温度Tth以上であるか否かを判断する(ステップS190)。所定温度Tthとしては、生成水が凍結しない温度が設定されている。その単セル12の温度Tcが所定温度Tth以上である場合には(ステップS190:YES)、低温始動制御を終了する。一方、その単セル12の温度Tcが所定温度Tth未満である場合には(ステップS190:NO)、ステップS100に戻る。
In step S110, when the cell voltage Vc is equal to or higher than the predetermined voltage Vth (step S110: NO), the CPU determines that the
ステップS130において、切換スイッチ20、および、切換スイッチ22が、それぞれ端子a、および、端子d以外の端子に接続されており、発電を行っていない単セル12がある場合には(ステップS130:YES)、CPUは、その発電を行っていない単セル12の温度Tcを測定し(ステップS140)、その単セル12の温度Tcが所定温度Tth以上であるか否かを判断する(ステップS150)。その単セル12の温度Tcが所定温度Tth未満である場合には(ステップS150:NO)、ステップS100に戻る。一方、その単セル12の温度Tcが所定温度Tth以上である場合には(ステップS150:YES)、切換スイッチ20,22を切り換える(ステップS160)。例えば、切換スイッチ20、および、切換スイッチ22が、それぞれ端子c、および、端子fに接続されていて、単セル12b,(12a,12d,)12eで発電が行われていない場合に、単セル12b,12eの温度Tcが所定温度Tth以上になっていれば、単セル12b,12eを用いて発電を行っても、生成水は凍結せず、単セル12b,12eに負電圧はかからないので、切換スイッチ20、および、切換スイッチ22を、それぞれ端子b、および、端子eに切り換え、単セル12b,12eによる発電を再開する。また、切換スイッチ20、および、切換スイッチ22が、それぞれ端子b、および、端子eに接続されていて、単セル12a,12dで発電が行われていない場合に、単セル12a,12dの温度Tcが所定温度Tth以上になっていれば、単セル12a,12dを用いて発電を行っても、生成水は凍結せず、単セル12a,12dに負電圧はかからないので、切換スイッチ20、および、切換スイッチ22を、それぞれ端子a、および、端子dに切り換え、単セル12a,12dによる発電を再開する。
In step S130, when the
次に、CPUは、再度、切換スイッチ20、および、切換スイッチ22の接続状態によって、発電を行っていない単セル12があるか否かを判断する(ステップS170)。切換スイッチ20、および、切換スイッチ22が、それぞれ端子a、および、端子d以外の端子に接続されており、発電を行っていない単セル12がある場合には(ステップS170YES)、ステップS180に進む。一方、切換スイッチ20、および、切換スイッチ22が、それぞれ端子a、および、端子dに接続されており、発電を行っていない単セル12がない場合(ステップS170:NO)、すなわち、全ての単セル12の温度が所定温度Tth以上となり、全ての単セル12を用いて発電を再開した場合には、低温始動制御を終了する。
Next, the CPU again determines whether or not there is a
低温始動制御の終了後は、通常温度での燃料電池スタック10全体から電流を取り出す制御を行う。
After the cold start control is finished, control is performed to extract current from the entire
以上説明した第1実施例の燃料電池システム100によれば、低温始動時に、発電性能が低下していない単セル12では、要求通りの発電を行うようにし、その発熱、および、熱伝導によって、速やかに燃料電池スタック10全体を昇温することができる。また、生成水の凍結によって発電性能が低下した単セル12には電流を流さないので、発電性能が低下した単セル12に負電圧がかかることを抑制し、電解質膜の劣化を抑制することができる。この結果、燃料電池システム100の低温始動性を向上させることができる。
According to the
B.第2実施例:
B1.システム構成:
図3は、本発明の第2実施例としての燃料電池システム100Aの概略構成を示す説明図である。図示するように、燃料電池システム100Aは、燃料電池スタック10と、可変抵抗24a〜24fと、電圧センサ30と、温度センサ40と、負荷50と、制御ユニット60Aとを備えている。第2実施例の燃料電池システム100Aは、第1実施例の燃料電池システム100における切換スイッチ20,22の代わりに、可変抵抗24a〜24fを備えること以外は、第1実施例の燃料電池システム100とほぼ同じである。
B. Second embodiment:
B1. System configuration:
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a
燃料電池スタック10は、可変抵抗24a〜24fを介して、負荷50と接続されている。図示するように、可変抵抗24a〜24fは、それぞれ単セル12a〜12fに接続されている。可変抵抗24a〜24fの各抵抗値を変更することによって、燃料電池スタック10の各部分に流れる電流、つまり、各部分から取り出す電流値を変更することができる。なお、本実施例では、6つの可変抵抗24a〜24fを用いるものとしたが、これに限られず、より多くの可変抵抗を設けるようにしてもよい。
The
本実施例では、制御ユニット60Aが、燃料電池システム100Aの氷点下での低温始動時に、後述する低温始動制御を実行する。この低温始動制御では、以下に説明するように、電圧センサ30や、温度センサ40の出力に基づいて、可変抵抗24a〜24fの各抵抗値を制御する。制御ユニット60Aは、本発明における低温始動制御部に相当する。また、可変抵抗24a〜24fは、本発明における電流制御部に相当する。
In the present embodiment, the
B2.低温始動制御:
図4は、第2実施例における低温始動制御の流れを示すフローチャートである。この処理は、燃料電池システム100Aの氷点下での低温始動時に、制御ユニット60AのCPUが実行する処理である。本実施例においても、燃料電池システム100Aの始動時に、いずれかの温度センサ40の出力が氷点下である場合に、この制御を実行する。
B2. Cold start control:
FIG. 4 is a flowchart showing a flow of low temperature start control in the second embodiment. This process is a process executed by the CPU of the
低温始動制御開始時の初期状態では、可変抵抗24a,24dの各抵抗値は0であり、可変抵抗24b,24c,24e,24fの各抵抗値は無限大である。そして、燃料電池スタック10全体から要求された電流を取り出す(図3参照)。
In the initial state at the start of the low temperature start control, the resistance values of the
その後、CPUは、電圧センサ30によって、各単セル12のセル電圧Vcを測定する(ステップS200)。そして、各セル電圧Vcに基づいて、可変抵抗24a〜24fの各抵抗値を設定する(ステップS210)。このとき、可変抵抗24a〜24fの各抵抗値は、各単セル12に負電圧がかからないように設定される。例えば、燃料電池スタック10の両端の単セル12a,12dにおいて、生成水が凍結して発電性能が低下した場合には、可変抵抗24a,24dの抵抗値を上げるとともに、可変抵抗24b,24c,24e,24fの抵抗値を下げて、単セル12a,12dに負電圧がかからないようにしつつ、単セル12a,12dにおける発電を継続する。そして、各単セル12から、セル電圧Vc、可変抵抗の抵抗値に応じた値の電流を取り出す。
Thereafter, the CPU measures the cell voltage Vc of each
次に、CPUは、温度センサ40によって、燃料電池スタック10の両端部に配置されている各単セル12a,12dの温度Tcを測定する(ステップS220)。そして、CPUは、両端部に配置された単セル12a,12dの温度Tcが所定温度Tth以上であるか否かを判断する(ステップS230)。単セル12a,12dの温度Tcが所定温度Tth以上でない場合には(ステップS230:NO)、ステップS200に戻る。一方、単セル12a,12dの温度が所定温度Tth以上である場合には(ステップS230:YES)、低温制御処理を終了する。
Next, the CPU measures the temperature Tc of each
低温始動制御の終了後は、通常温度での燃料電池スタック10全体から電流を取り出す制御を行う。
After the cold start control is finished, control is performed to extract current from the entire
以上説明した第2実施例の燃料電池システム100Aによれば、低温始動時に、発電性能が低下していない単セル12では、ほぼ要求通りの発電を行うようにし、その発熱、および、熱伝導によって、速やかに燃料電池スタック10全体を昇温することができる。また、生成水の凍結によって発電性能が低下した単セル12からの電流の取り出し、すなわち、発電性能が低下した単セル12に流れる電流を制限するので、発電性能が低下した単セルに負電圧がかかることを抑制し、電解質膜の劣化を抑制することができる。この結果、燃料電池システムの低温始動性を向上させることができる。さらに、第2実施例の燃料電池システム100Aでは、発電性能が低下した単セル12においても負電圧がかからない状態で発電を継続し、自己発熱するので、燃料電池スタック10全体の昇温時間を第1実施例の燃料電池システム100よりも短縮することができる。
According to the
C.第3実施例:
C1.システム構成:
図5は、本発明の第3実施例としての燃料電池システム100Bの概略構成を示す説明図である。図示するように、燃料電池システム100はB、燃料電池スタック10Bと、切換スイッチ20B,22Bと、温度センサ40と、負荷50と、制御ユニット60Bとを備えている。第3実施例の燃料電池システム100Bは、第1実施例の燃料電池システム100における切換スイッチ20,22の代わりに、切換スイッチ20B,22Bを備えることと、燃料電池スタック10の代わりに、燃料電池スタック10Bを備えること以外は、第1実施例の燃料電池システム100とほぼ同じである。
C. Third embodiment:
C1. System configuration:
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a
燃料電池スタック10Bの単セル12の積層方向の両端部には、両端部以外の部分に配置された単セル12とは内部の膜構成が異なる単セルが配置されている。以下、この燃料電池スタック10Bの両端部に配置された単セルを端セル12edgと呼ぶ。この端セル12edg、および、端セル12edgに隣接する単セル12には、それぞれ発電時に電流を取り出すための端子が設けられている。単セル12、および、端セル12edgの膜構成等については、後述する。なお、後述するように、端セル12edgは、低温始動時にのみ用いる単セルであり、本発明における低温始動時用に相当する。
At both ends in the stacking direction of the
切換スイッチ20Bには、2つの端子a,bが設けられている。また、切換スイッチ22Bには、2つの端子c,dが設けられている。そして、各端セル12edgは、それぞれ切換スイッチ20Bの端子a、および、切換スイッチ22Bの端子cに接続されている。また、各端セル12edgにそれぞれ隣接する単セル12は、それぞれ切換スイッチ20Bの端子b、および、切換スイッチ22Bの端子dに接続されている。切換スイッチ20B、および、切換スイッチ22Bの接続状態を切り換えることによって、発電時に電流を取り出す部分を切り換えることができる。
The
本実施例では、制御ユニット60Bが、燃料電池システム100Bの氷点下での低温始動時に、後述する低温始動制御を実行する。この低温始動制御では、以下に説明するように、温度センサ40の出力に基づいて、切換スイッチ20B、および、切換スイッチ22Bを制御する。制御ユニット60Bは、本発明における発電制御部に相当する。また、切換スイッチ20B,22Bは、本発明における電流制御部に相当する。
In the present embodiment, the
ここで、端セル12edg、および、端セル12edg以外の単セル12の膜構成について説明する。図6は、端セル12edg、および、端セル12edg以外の単セル12の膜構成を示す説明図である。図6(a)に、端セル12edg以外の単セル12の断面の一部を示し、図6(b)に、端セル12edgの断面の一部を示した。
Here, the film configuration of the
図6(a)に示すように、単セル12では、電解質膜120の一方の面に、触媒層122aと、撥水層124aと、拡散層126aとを、この順に積層することによって、アノードが形成されている。また、電解質膜120のもう一方の面に、触媒層122cと、撥水層124cと、拡散層126cとを、この順に積層することによって、カソードが形成されている。
As shown in FIG. 6A, in the
一方、端セル12edgでは、単セル12と同様に、電解質膜120の一方の面に、触媒層122aと、撥水層124aと、拡散層126aとを、この順に積層することによって、アノードが形成されている。また、電解質膜120のもう一方の面に、触媒層122cと、拡散層126cとを、この順に積層することによって、カソードが形成されている。端セル12edgは、カソードの拡散層126cの厚さが、単セル12における拡散層126cの厚さよりも薄い点、カソードに撥水層を備えていない点で、単セル12と異なっている。
On the other hand, in the end cell 12edg, similarly to the
上述した膜構成の違いから、端セル12edgは、以下に示す特徴を有している。 Due to the difference in the film configuration described above, the end cell 12edg has the following characteristics.
第1の特徴は、氷点下で発電を開始したときに、発電によって生成された生成水が、単セル12よりも膜内で凍結しにくいことである。先に説明したように、端セル12edgは、カソードに撥水層を備えておらず、さらに、拡散層126cの厚さも単セル12の拡散層126cよりも薄い。このため、端セル12edgは、発電によって生成された生成水が過冷却状態になった過冷却水の透過性が単セル12よりも高い。したがって、過冷却水を膜内から速やかに排出することができる。
The first feature is that when the power generation is started below freezing point, the generated water generated by the power generation is less likely to freeze in the membrane than the
第2の特徴は、通常温度での性能が単セル12よりも悪いことである。具体的には、端セル12edgは、カソードに撥水層を備えていないので、フラッディングが発生しやすい。フラッディングは、反応ガスの供給を妨げ、発電性能を低下させる。このため、通常温度での発電には不適である。
The second feature is that the performance at normal temperature is worse than that of the
上述した端セル12edgの2つの特徴を考慮して、本実施例では、以下に説明する低温始動制御が行われる。
In consideration of the two characteristics of the
C2.低温始動制御:
図7は、第3実施例における低温始動制御の流れを示すフローチャートである。この処理は、燃料電池システム100Bの氷点下での低温始動時に、制御ユニット60BのCPUが実行する処理である。本実施例においても、燃料電池システム100Bの始動時に、いずれかの温度センサ40の出力が氷点下である場合に、この制御を実行する。
C2. Cold start control:
FIG. 7 is a flowchart showing a flow of low temperature start control in the third embodiment. This process is a process executed by the CPU of the
低温始動制御開始時の初期状態では、切換スイッチ20B、および、切換スイッチ22Bは、それぞれ端子a、および、端子cに接続されており、燃料電池スタック10B全体から電流を取り出す(図5参照)。
In the initial state at the start of the low temperature start control, the
その後、CPUは、端セル12edgの温度Tcを測定し(ステップS300)、端セル12edgの温度Tcが所定温度Tth以上になったか否かを判断する(ステップS310)。端セル12edgの温度Tcが所定温度Tth以上になっていない場合には(ステップS310:NO)、ステップ300に戻る。一方、端セル12edgの温度Tcが所定温度Tth以上である場合には(ステップS310:YES)、切換スイッチ20B、および、切換スイッチ22Bの接続を、それぞれ端子b、および、端子dに切り換え(ステップS320)、端セル12edgを用いた発電を終了し、低温始動制御を終了する。
Thereafter, the CPU measures the temperature Tc of the end cell 12edg (step S300), and determines whether or not the temperature Tc of the end cell 12edg is equal to or higher than a predetermined temperature Tth (step S310). If the temperature Tc of the end cell 12edg is not equal to or higher than the predetermined temperature Tth (step S310: NO), the process returns to step 300. On the other hand, when the temperature Tc of the end cell 12edg is equal to or higher than the predetermined temperature Tth (step S310: YES), the connection of the
低温始動制御の終了後は、端セル12edg以外の燃料電池スタック10Bから電流を取り出す通常温度での制御を行う。
After the end of the low temperature start control, the control is performed at the normal temperature for taking out the current from the
以上説明した第3実施例の燃料電池システム100Bによれば、低温始動時に、生成水が凍結しにくい端セル12edgを用いて発電を行うので、端セル12edgの発熱、端セル12edg以外の単セル12の発熱、および、それらの熱伝導によって、速やかに燃料電池スタック10B全体を昇温することができる。この結果、燃料電池システム100Bの低温始動性を向上させることができる。
According to the
D.変形例:
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形例が可能である。
D. Variation:
As mentioned above, although several embodiment of this invention was described, this invention is not limited to such embodiment at all, and implementation in various aspects is possible within the range which does not deviate from the summary. It is. For example, the following modifications are possible.
D1.変形例1:
上記第1、および、第2実施例では、単セル12ごとにセル電圧Vcを測定し、発電性能の低下を検出するものとしたが、これに限られない。複数の単セル12によって構成されるブロックごとに電圧を測定し、そのブロックに含まれる単セル12の発電性能の低下を検出するようにしてもよい。この場合、電流を取り出すための端子は、単セル12のブロックごとに用意するようにすればよい。
D1. Modification 1:
In the first and second embodiments, the cell voltage Vc is measured for each
D2.変形例2:
上記第1、および、第2実施例では、氷点下での低温始動時に、燃料電池スタック10の端部の単セル12が、昇温しにくく生成水が凍結しやすいため、両端部の単セル12、および、両端部に隣接する単セル12について、取り出す電流を制限する制御を行うものとしたが、これに限られない。他の部分の単セル12についても、適宜、同様の制御を行うようにしてもよい。
D2. Modification 2:
In the first and second embodiments, the
また、上記第3実施例では、燃料電池スタック10Bの両端部に、低温始動用セルを配置するものとしたが、これに限られず、適宜、他の部分にも低温始動用セルを配置するようにしてもよい。
In the third embodiment, the cold start cells are disposed at both ends of the
D3.変形例3:
上記第3実施例では、低温始動用セルである端セル12edgは、カソードに撥水層を備えないものとしたが、単セル12の撥水層124cよりも薄い撥水層を備えるようにしてもよい。また、端セル12edgは、カソードの拡散層126cが単セル12の拡散層126cよりも薄いものとしたが、同程度の厚さであってもよい。端セル12edg、すなわち、低温始動用セルは、過冷却水の透過性が単セル12よりも高ければよい。
D3. Modification 3:
In the third embodiment, the end cell 12edg, which is a cold start cell, does not include a water repellent layer on the cathode, but includes a water repellent layer thinner than the
D4.変形例4:
上記第3実施例では、低温始動用セルである端セル12edgは、カソードに、過冷却水の透過性が単セル12よりも高い層を備えるものとしたが、さらに、アノードにも過冷却水の透過性が単セル12よりも高い層を備えるものとしてもよい。
D4. Modification 4:
In the third embodiment, the end cell 12edg, which is a cold start cell, is provided with a layer having higher permeability of supercooling water than the
D5.変形例5:
上記実施例では、温度センサ40によって、端部の単セル12の温度Tcが所定値Tth以上になったときに、低温始動制御を終了するものとしたが、これに限られない。例えば、低温始動制御の継続時間を計測するタイマを備えるようにし、低温始動制御を終了するか否かを、低温始動制御の継続時間に基づいて行うようにしてもよい。この場合、所定時間は、燃料電池スタックの全ての単セル12の温度が、生成水が凍結しない程度に十分に昇温する時間を設定すればよい。
D5. Modification 5:
In the above embodiment, when the temperature Tc of the
D6.変形例6:
上記第1ないし第3実施例を適宜組み合わせるようにしてもよい。
D6. Modification 6:
You may make it combine the said 1st thru | or 3rd Example suitably.
10...燃料電池スタック
10B...燃料電池スタック
12edg...端セル
12,12a〜12f...単セル
20,20B,22,22B...切換スイッチ
24a〜24f...可変抵抗
30...電圧センサ
40...温度センサ
50...負荷
60,60A,60B...制御ユニット
100,100A,100B...燃料電池システム
120...電解質膜
122a...触媒層
122c...触媒層
124a...撥水層
124c...撥水層
126a...拡散層
126c...拡散層
DESCRIPTION OF
Claims (9)
水素と酸素との電気化学反応によって発電を行う単セルを複数積層した燃料電池スタックと、
該燃料電池スタックが前記単セルの積層方向に沿って複数の部分に区分けされた該各部分の電圧を検出する電圧検出部と、
前記各部分に流れる電流を制御する電流制御部と、
前記燃料電池システムの氷点下での低温始動時に、前記電圧検出部によって、前記複数の部分のうちのいずれかの電圧が所定値未満となったことが検出されたときに、該検出された電圧が前記所定値未満となった前記部分に流れる電流が、他の前記部分に流れる電流よりも低い値になるように、前記電流制御部を制御する低温始動制御部と、
を備える燃料電池システム。 A fuel cell system,
A fuel cell stack in which a plurality of single cells that generate electricity by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen are stacked;
A voltage detector for detecting a voltage of each part of the fuel cell stack divided into a plurality of parts along the stacking direction of the single cells;
A current control unit for controlling a current flowing through each of the parts;
When the voltage detection unit detects that the voltage of any of the plurality of parts has become less than a predetermined value at a low temperature start under freezing point of the fuel cell system, the detected voltage is A low temperature start control unit that controls the current control unit so that a current flowing in the portion that is less than the predetermined value is lower than a current flowing in the other portion;
A fuel cell system comprising:
前記低温始動制御部は、前記低温始動時の前記電流制御部の制御において、前記電圧検出部によって、前記複数の部分のうちのいずれかの電圧が所定値未満となったことが検出されたときに、さらに、該検出された電圧が前記所定値未満になった前記部分に流れる電流を0にする、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1, wherein
In the control of the current control unit at the time of the low temperature start, the low temperature start control unit is detected by the voltage detection unit that any one of the plurality of portions has become less than a predetermined value. Furthermore, the current flowing through the portion where the detected voltage is less than the predetermined value is set to zero.
Fuel cell system.
前記低温始動制御部は、前記低温始動時の前記電流制御部の制御において、前記電圧検出部によって、前記複数の部分のうちのいずれかの電圧が所定値未満となったことが検出されたときに、さらに、該検出された電圧が前記所定値未満になった前記部分について、前記検出された電圧値に基づいて、前記単セルに負電圧がかからないように、該部分に流れる電流の値を変更する、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1, wherein
In the control of the current control unit at the time of the low temperature start, the low temperature start control unit is detected by the voltage detection unit that any one of the plurality of portions has become less than a predetermined value. Further, for the portion where the detected voltage is less than the predetermined value, the value of the current flowing through the portion is set based on the detected voltage value so that a negative voltage is not applied to the single cell. change,
Fuel cell system.
前記電流制御部は、前記燃料電池スタックの前記積層方向の端部に配置されている前記部分のみを、前記流れる電流値を小さくする制御の制御対象とする、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3,
The current control unit is a control target for control to reduce the flowing current value only in the portion arranged at the end portion in the stacking direction of the fuel cell stack.
Fuel cell system.
前記各部分の温度を検出する温度検出部を備え、
前記低温始動制御部は、前記低温始動時の前記電流制御部の制御を行っているときに、前記電圧検出部によって検出された電圧が前記所定値未満となった前記部分について、前記温度検出部によって検出された温度が所定温度以上になったときに、該低温始動時の前記電流制御部の制御を停止する、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, further comprising:
A temperature detection unit for detecting the temperature of each part;
The low temperature start control unit performs the control of the current control unit at the time of the low temperature start, the temperature detection unit for the portion where the voltage detected by the voltage detection unit is less than the predetermined value When the temperature detected by the above becomes a predetermined temperature or more, the control of the current control unit at the low temperature start is stopped,
Fuel cell system.
前記燃料電池スタックの前記各部分のうちの一部の部分は、前記単セルとして前記低温始動時にのみ使用するための低温始動用セルによって構成されており、
前記燃料電池システムは、さらに、
前記低温始動用セルの温度を検出する温度検出部と、
前記低温始動時に、前記温度検出部によって、前記低温始動用セルの温度が所定温度以上になったことが検出されたときに、前記低温始動用セルによる発電を停止するように、前記電流制御部を制御する発電制御部と、
を備える燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1, wherein
A part of each of the parts of the fuel cell stack is constituted by a cold start cell for use only during the cold start as the single cell,
The fuel cell system further includes:
A temperature detector for detecting the temperature of the cold start cell;
The current control unit is configured to stop power generation by the cold start cell when the temperature detection unit detects that the temperature of the cold start cell is equal to or higher than a predetermined temperature during the cold start. A power generation control unit for controlling
A fuel cell system comprising:
前記単セルは、所定の電解質膜の両面に、それぞれアノードとカソードとを備えており、
前記低温始動用セルは、前記アノード、および、前記カソードのうちの少なくとも前記カソードに、前記発電によって生成された生成水の透過性が、該低温始動用セル以外の前記単セルよりも高い高透過層を備える、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 6, wherein
The single cell includes an anode and a cathode on both sides of a predetermined electrolyte membrane,
The cold start cell has high permeability to the anode and at least the cathode among the cathodes, the generated water generated by the power generation is higher than the single cells other than the cold start cell. With layers,
Fuel cell system.
前記単セルは、前記電解質膜の両面に、それぞれ前記電気化学反応を起こすための触媒層と、前記生成水を撥水するための撥水層と、前記触媒層に反応ガスを拡散させて供給するための拡散層とを、この順序で備えており、
前記低温始動用セルは、前記高透過層として、前記低温始動用セル以外の前記単セルの前記撥水層よりも厚さが薄い前記撥水層、および、前記低温始動用セル以外の前記単セルの前記拡散層よりも厚さが薄い前記拡散層のうちの少なくとも一方を備える、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 7, wherein
The single cell is supplied on both surfaces of the electrolyte membrane with a catalyst layer for causing the electrochemical reaction, a water repellent layer for repelling the generated water, and a reaction gas diffused in the catalyst layer. And in this order, a diffusion layer for
The low temperature start cell includes the water repellent layer having a thickness smaller than the water repellent layer of the single cell other than the low temperature start cell, and the single unit other than the low temperature start cell as the high transmission layer. Comprising at least one of the diffusion layers having a thickness smaller than the diffusion layer of the cell,
Fuel cell system.
前記低温始動用セルは、前記燃料電池スタックの前記積層方向の端部に配置された前記部分にのみ備えられている、
燃料電池システム。 A fuel cell system according to any one of claims 6 to 8,
The cold start cell is provided only in the portion disposed at the end of the fuel cell stack in the stacking direction.
Fuel cell system.
Priority Applications (1)
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2005
- 2005-07-12 JP JP2005202435A patent/JP2007026678A/en not_active Withdrawn
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