JP2007048598A - 燃料電池システム - Google Patents
燃料電池システム Download PDFInfo
- Publication number
- JP2007048598A JP2007048598A JP2005231896A JP2005231896A JP2007048598A JP 2007048598 A JP2007048598 A JP 2007048598A JP 2005231896 A JP2005231896 A JP 2005231896A JP 2005231896 A JP2005231896 A JP 2005231896A JP 2007048598 A JP2007048598 A JP 2007048598A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- fuel cell
- gas
- cell system
- humidified water
- dry
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
【課題】ガスセパレータのドライアウト状態を高精度に検知する。
【解決手段】ガス流路3側から加湿水流路5側への反応ガスのガス漏れを検知するために、加湿水流路5から排出された加湿水中の気泡を検知する複数の気泡検知センサ11a〜11cを備える。これにより、ポーラスプレート4のドライアウト状態を高精度に検知し、ドライアウト状態を速やかに改善することができる。
【選択図】図1
【解決手段】ガス流路3側から加湿水流路5側への反応ガスのガス漏れを検知するために、加湿水流路5から排出された加湿水中の気泡を検知する複数の気泡検知センサ11a〜11cを備える。これにより、ポーラスプレート4のドライアウト状態を高精度に検知し、ドライアウト状態を速やかに改善することができる。
【選択図】図1
Description
本発明は、ポーラス型のガスセパレータを有する燃料電池を備える燃料電池システムに関する。
近年の環境問題、特に自動車の排出ガスによる大気汚染や二酸化炭素に伴う地球温暖化に対する対策の一つとして、クリーンな排気及び高エネルギー効率運転を可能にする燃料電池が注目されている(特許文献1を参照)。中でも、電解質膜として固体高分子膜を用いた固体高分子電解質型燃料電池は、低コストでコンパクト化が容易である上に高い出力密度を有することから、自動車等の移動体用の駆動動力源としての用途が期待されている。
ところで、一般に、燃料電池に乾燥した反応ガスを供給した場合、燃料電池のガス入口付近では、相対湿度が低くなり、電解質膜が乾燥傾向になるのに対して、ガス出口付近では、電気化学反応に伴い生成された水によって相対湿度が高くなり、電解質膜は湿潤状態になる。そして、燃料電池内部の相対湿度が100[%]に達した場合には、生成水が過剰になるために、生成水が反応ガス流路やガス拡散層を閉塞するフラッディング現象が生じる。
このような背景から、近年、ポーラス型のガスセパレータを設け、ガス入口付近の乾燥した反応ガスをガスセパレータ内部に蓄えられた加湿水によって加湿すると共に、ガス出口付近の生成水をガスセパレータ内部に吸収することによってフラッディング現象の発生を防止する燃料電池が提案されている。
特開平8−106914号公報
しかしながら、燃料電池にポーラス型のガスセパレータを設けた場合には、ガスセパレータが乾燥した際、反応ガスがガスセパレータを透過して加湿水流路側に漏れるドライアウト状態が発生することがある。そしてこのドライアウト状態が発生した場合には、反応ガスの利用効率が低下するばかりでなく、反応ガスが加湿されずに供給されることによって電解質膜が乾燥し、電解質膜が劣化する可能性がある。このような背景から、ドライアウト状態を速やかに改善するためにドライアウト状態を高精度に検知可能な燃料電池システムの提供が急務になっている。
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、その目的は、ポーラス型のガスセパレータのドライアウト状態を高精度で検知することが可能な燃料電池システムを提供することにある。
上述の課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、加湿水流路から排出された加湿水が流れる加湿水排出流路にガス流路側から加湿水流路側への反応ガスのガス漏れを検知する検知手段を複数備える。
本発明に係る燃料電池システムによれば、ポーラス型のガスセパレータのドライアウト状態を高精度で検知することができる。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態となる燃料電池の構成及びその動作について説明する。
〔燃料電池システムの構成〕
本発明の実施形態となる燃料電池システムは、車両の駆動動力源として使用され、図1に示すように、燃料極及び酸化剤極にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスとしての水素及び空気の供給を受けて発電する燃料電池が複数積層された燃料電池スタック1備える。なお、燃料電池は、燃料極と酸化剤極により挟持された電解質膜を備え、この実施形態では、電解質膜は、高エネルギー密度化,低コスト化,及び軽量化を考慮して、固体高分子電解質膜により形成されている。固体高分子電解質膜は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等のイオン(プロトン)伝導性を有する高分子膜から成るものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。また、燃料極及び酸化剤極における電気化学反応及び燃料電池スタック1全体としての電気化学反応は以下に示す式(1)〜(3)による。
本発明の実施形態となる燃料電池システムは、車両の駆動動力源として使用され、図1に示すように、燃料極及び酸化剤極にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスとしての水素及び空気の供給を受けて発電する燃料電池が複数積層された燃料電池スタック1備える。なお、燃料電池は、燃料極と酸化剤極により挟持された電解質膜を備え、この実施形態では、電解質膜は、高エネルギー密度化,低コスト化,及び軽量化を考慮して、固体高分子電解質膜により形成されている。固体高分子電解質膜は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等のイオン(プロトン)伝導性を有する高分子膜から成るものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。また、燃料極及び酸化剤極における電気化学反応及び燃料電池スタック1全体としての電気化学反応は以下に示す式(1)〜(3)による。
〔燃料極〕 H2 → 2H+ +2e- …(1)
〔酸化剤極〕 1/2 O2 +2H+ +2e- → H2O …(2)
〔全体〕 H2 +1/2 O2 → H2O …(3)
また、この燃料電池システムでは、燃料電池スタック1は、ガスマニホールド2から供給された反応ガスを各燃料電池に供給するガス流路3と、ポーラス型のガスセパレータ(以下、ポーラスプレートと表記)4に加湿水を供給することによりガス流路3中の反応ガスを加湿する加湿水流路5とを備える。また、この燃料電池システムは、加湿水を貯留する加湿水タンク7と、加湿水供給流路6を介して加湿水タンク7内の加湿水を加湿水流路5に供給する加湿水循環ポンプ8と、加湿水流路5から排出された加湿水を加湿水タンク7に戻す加湿水排出流路9と、加湿水流路5に供給される加湿水の流量を制御する加湿水流量調整バルブ10を備える。
〔酸化剤極〕 1/2 O2 +2H+ +2e- → H2O …(2)
〔全体〕 H2 +1/2 O2 → H2O …(3)
また、この燃料電池システムでは、燃料電池スタック1は、ガスマニホールド2から供給された反応ガスを各燃料電池に供給するガス流路3と、ポーラス型のガスセパレータ(以下、ポーラスプレートと表記)4に加湿水を供給することによりガス流路3中の反応ガスを加湿する加湿水流路5とを備える。また、この燃料電池システムは、加湿水を貯留する加湿水タンク7と、加湿水供給流路6を介して加湿水タンク7内の加湿水を加湿水流路5に供給する加湿水循環ポンプ8と、加湿水流路5から排出された加湿水を加湿水タンク7に戻す加湿水排出流路9と、加湿水流路5に供給される加湿水の流量を制御する加湿水流量調整バルブ10を備える。
また、加湿水排出流路9には、加湿水流路5から排出された加湿水中の気泡を検知する気泡検知センサ11a〜11cと、加湿水流路5中の加湿水の圧力を調整するための圧力調整弁12が設けられている。また、ガスマニホールド2には、加湿水供給流路6中の加湿水を噴霧することにより反応ガスを加湿する加湿水噴霧バルブ13が設けられている。そして、このような構成を有する燃料電池システムでは、コントローラ14が以下に示すドライアウト制御処理を実行することにより、ポーラスプレート4のドライアウト状態が発生した際、ドライアウト状態を速やかに改善する。以下、図2,図6に示すフローチャートを参照して、本発明の第1の実施形態となるドライアウト制御処理を実行する際のコントローラ14の動作について説明する。
[ドライアウト制御処理]
始めに、図2に示すフローチャートを参照して、本発明の第1の実施形態となるドライアウト制御処理を実行する際のコントローラ14の動作について説明する。
図2に示すフローチャートは、燃料電池システムが起動されるのに応じて開始となり、ドライアウト制御処理はステップS1の処理に進む。なお、このドライアウト制御処理は、燃料電池システムが起動された後、所定制御周期毎に繰り返し実行されるものとする。
ステップS1の処理では、コントローラ14が、気泡検知センサ11a〜11cが同時に気泡を検知したか否かを判別することにより、ポーラスプレート4がドライアウト状態になることによりガス流路3側から加湿水流路5側への反応ガスのガス漏れが発生しているか否かを判別する。
より具体的には、一般に、ガス漏れが発生していない場合、気泡検知センサ11a〜11cは加湿水循環ポンプ8が噛み込んだエアを検知する程度で気泡を検知する回数は少ないために、図3(a)に示すように気泡検知センサ11a〜11cが同時に気泡を検知することはない。
これに対して、ガス漏れが発生している場合には、気泡検知センサ11a〜11cが気泡を検知する回数が増加するために、図3(b)の時刻T=T0に示すように気泡検知センサ11a〜11cが同時に気泡を検知するようになる。従って、気泡検知センサ11a〜11cが同時に気泡を検知したか否かを判別することによりガス漏れが発生しているか否かを判別することができる。
そして、判別の結果、気泡検知センサ11a〜11cが同時に気泡を検知していない場合、コントローラ14は、ガス漏れが発生していないと判断し、ステップS2の処理として燃料電池スタック1の運転状態を現在の状態のまま継続する設定を行った後、一連のドライアウト制御処理を終了する。
一方、気泡検知センサ11a〜11cが同時に気泡を検知した場合には、コントローラ14は、ポーラスプレート4がドライアウト状態になることによりガス流路3側から加湿水流路5側へのガス漏れが発生していると判断し、ドライアウト制御処理をステップS3の処理に進める。
ステップS3の処理では、コントローラ14が、電解質膜の劣化を抑制するために燃料電池スタック1の出力を制限する。これにより、ステップS3の処理は完了し、ドライアウト制御処理はステップS4の処理に進む。
ステップS4の処理では、コントローラ14が、加湿水流量調整バルブ10及び加湿水噴霧バルブ13をそれぞれ閉状態及び開状態に制御することにより、ガスマニホールド2中の反応ガスに加湿水を噴霧する。また、反応ガスの圧力は通常加湿水の圧力よりも高い状態にあるので、コントローラ14は加湿水循環ポンプ8の出力を増加させることにより加湿水の圧力を増加させる。
なお、この時、加湿水流量調整バルブ10は閉状態となっており、加湿水流路5には加湿水は供給されないので、ガスマニホールド2中の反応ガスに噴霧された加湿水は、図4に示すように、ポーラスプレート4のドライアウト領域Aを介してガス流路3側から加湿水流路5側に回収される。これにより、ステップS4の処理は完了し、ドライアウト制御処理はステップS5の処理に進む。
ステップS5の処理では、コントローラ14が、ステップS4のシステム状態を保持したまま一定時間待機する。なお、一定時間待機している間、燃料電池スタック1の負荷状態は出力制限を行う最大負荷状態以下であればどのような負荷状態であっても構わない。これにより、ステップS5の処理は完了し、ドライアウト制御処理はステップS6の処理に進む。
ステップS6の処理では、コントローラ14が、加湿水流量調整バルブ10及び加湿水噴霧バルブ13をそれぞれ開状態及び閉状態に制御することにより、ガスマニホールド2中の反応ガスへの加湿水の噴霧を停止する。また、コントローラ14は加湿水循環ポンプ8の出力を元通りにする。これにより、ステップS6の処理は完了し、ドライアウト制御処理はステップS7の処理に進む。
ステップS7の処理では、コントローラ14が、気泡検知センサ11a〜11cが同時に気泡を検知したか否かを判別することによりガス漏れがいぜんとして発生しているか否かを判別する。そして、判別の結果、気泡検知センサ11a〜11cが同時に気泡を検知した場合、コントローラ14は、ポーラスプレート4がいぜんとしてガス漏れが発生していると判断し、ドライアウト制御処理をステップS4の処理に戻す。一方、気泡検知センサ11a〜11cが同時に気泡を検知していない場合には、コントローラ14は、ガス漏れがおさまったと判断し、ドライアウト制御処理をステップS8の処理に進める。
ステップS8の処理では、コントローラ14が、気泡検知センサ11a〜11cを利用して加湿水流路5から排出された加湿水中の気泡を所定時間検知する。これにより、ステップS8の処理は完了し、ドライアウト制御処理はステップS9の処理に進む。
ステップS9の処理では、コントローラ14が、ステップS8の処理結果に基づいて加湿水流路5から排出された加湿水中に所定時間の間気泡が検知されなかったか否かを判別する。そして、判別の結果、所定時間の間に気泡が検知された場合、コントローラ14は、ドライアウト状態は改善されていないと判断し、ドライアウト制御処理をステップS4の処理に戻す。一方、所定時間の間気泡が検知されなかった場合には、コントローラ14は、ドライアウト状態は改善されたと判断し、ステップS10の処理として燃料電池スタック1の出力制限を解除した後、一連のドライアウト制御処理を終了する。
一般に、燃料電池に乾燥した反応ガスを供給した場合、図5に示すように、燃料電池のガス入口付近では、相対湿度が低くなり、電解質膜が乾燥傾向になるのに対して、ガス出口付近では、電気化学反応に伴い生成された水によって相対湿度が高くなり、電解質膜は湿潤状態になる。そして、燃料電池内部の相対湿度が100[%]に達した場合には、生成水が過剰になるために、生成水が反応ガス流路やガス拡散層を閉塞するフラッディング現象が生じる。
このような背景から、近年、ポーラスプレートを設け、ガス入口付近の乾燥した反応ガスをポーラスプレート内部に蓄えられた加湿水によって加湿すると共に、ガス出口付近の生成水をポーラスプレート内部に吸収することによってフラッディング現象の発生を防止する燃料電池が提案されている。
しかしながら、燃料電池にポーラスプレートを設けた場合には、ポーラスプレートが乾燥した際、反応ガスがポーラスプレートを透過して加湿水流路側に漏れるドライアウト状態が発生することがある。そしてこのドライアウト状態が発生した場合には、反応ガスの利用効率が低下するばかりでなく、反応ガスが加湿されずに供給されることによって電解質膜が乾燥し、電解質膜が劣化する可能性がある。
これに対して、本発明の第1の実施形態となる燃料電池システムによれば、上述の通り、ガス流路3側から加湿水流路5側への反応ガスのガス漏れを検知するために、加湿水流路5から排出された加湿水中の気泡を検知する複数の気泡検知センサ11a〜11cを備えるので、ポーラスプレート4のドライアウト状態を高精度に検知し、ドライアウト状態を速やかに改善することができる。
また、本発明の第1の実施形態となる燃料電池システムによれば、気泡検知センサ11a〜11cは加湿水排出流路9に沿って直列に配設されているので、1つの気泡検知センサの信頼性に頼ることなく確実にドライアウト状態を検知することができる。また、本発明の第1の実施形態となる燃料電池システムによれば、コントローラ14は気泡検知センサ11a〜11cが気泡を同時に検知した場合にガス漏れが発生したと判定するので、ポーラスプレート4からのガス漏れのみを確実に検知することができる。
次に、図6に示すフローチャートを参照して、本発明の第2の実施形態となるドライアウト制御処理を実行する際のコントローラ14の動作について説明する。
図6に示すフローチャートは、気泡検知センサ11aが気泡を検知するのに応じて開始となり、ドライアウト制御処理はステップS11の処理に進む。
ステップS11の処理では、コントローラ14が、気泡検知センサ11aが気泡を検知してからの経過時間Tの計測を開始する。これにより、ステップS11の処理は完了し、ドライアウト制御処理はステップS12の処理に進む。
ステップS12の処理では、コントローラ14が、気泡検知センサ11a〜11cの全てが同時に気泡を検知している時間Ta1の計測を開始する。これにより、ステップS12の処理は完了し、ドライアウト制御処理はステップS13の処理に進む。
ステップS13の処理では、コントローラ14が、ステップS11の処理により計測された経過時間Tが時間T1以上になる前にステップS2の処理により計測された時間Ta1が所定時間Tn以上になったか否かを判別する。そして、判別の結果、経過時間Tが時間T1以上になる前に時間Ta1が所定時間Tn以上になっていない場合、コントローラ14は、ガス漏れは発生していないと判断し、ステップS14の処理として、時間T,Ta1の計測を終了し、燃料電池スタック1の運転状態を現在の状態のまま継続する設定を行った後、一連のドライアウト制御処理を終了する。一方、経過時間Tが時間T1以上になる前に時間Ta1が所定時間Tn以上になった場合には、コントローラ14は、ガス漏れが発生していると判断し、ステップS16,17の処理として燃料電池スタック1の出力を制限し、図2に示す処理のようなガス漏れ回避運転に移行した後、一連のドライアウト制御処理を終了する。
以上の説明から明らかなように、本発明の第2の実施形態となる燃料電池システムによれば、コントローラ14は、気泡検知センサ11aが気泡を検知してから時間T1以内に気泡検知センサ11a〜11cが時間Ta1以上気泡を同時に検知した場合にガス漏れが発生したと判定するので、ポーラスプレート4からのガス漏れのみを確実に検知することができる。
以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。このように、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論であることを付け加えておく。
1:燃料電池スタック
2:ガスマニホールド
3:ガス流路
4:ポーラスプレート
5:加湿水流路
6:加湿水供給流路
7:加湿水タンク
8:加湿水循環ポンプ
9:加湿水排出流路
10:加湿水流量調整バルブ
11a〜11c:気泡検知センサ
12:圧力調整弁
13:加湿水噴霧バルブ
14:コントローラ
2:ガスマニホールド
3:ガス流路
4:ポーラスプレート
5:加湿水流路
6:加湿水供給流路
7:加湿水タンク
8:加湿水循環ポンプ
9:加湿水排出流路
10:加湿水流量調整バルブ
11a〜11c:気泡検知センサ
12:圧力調整弁
13:加湿水噴霧バルブ
14:コントローラ
Claims (5)
- 加湿水流路を流れる加湿水によって燃料電池に反応ガスを供給するガス流路中の反応ガスを加湿するポーラス型のガスセパレータを有する燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記加湿水流路から排出された加湿水が流れる加湿水排出流路にガス流路側から前記加湿水流路側への反応ガスのガス漏れを検知する検知手段を複数備えることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1に記載の燃料電池システムであって、
前記複数の検知手段は加湿水排出流路に沿って直列に配設されていることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1又は請求項2に記載の燃料電池システムであって、
前記複数の検知手段は加湿水中の気泡を検知することによりガス漏れを検知することを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項3に記載の燃料電池システムであって、
前記複数の検知手段が気泡を同時に検知した場合にガス漏れが発生したと判定する制御手段を備えることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項3に記載の燃料電池システムであって、
前記複数の検知手段のうちの少なくとも一つの検知手段が気泡を検知してから所定時間内に複数の検知手段が所定時間以上気泡を同時に検知した場合にガス漏れが発生したと判定する制御手段を備えることを特徴とする燃料電池システム。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005231896A JP2007048598A (ja) | 2005-08-10 | 2005-08-10 | 燃料電池システム |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005231896A JP2007048598A (ja) | 2005-08-10 | 2005-08-10 | 燃料電池システム |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2007048598A true JP2007048598A (ja) | 2007-02-22 |
Family
ID=37851257
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2005231896A Pending JP2007048598A (ja) | 2005-08-10 | 2005-08-10 | 燃料電池システム |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2007048598A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20140093797A1 (en) * | 2011-05-25 | 2014-04-03 | Daimler Ag | Recirculation Unit For a Fuel Cell System |
-
2005
- 2005-08-10 JP JP2005231896A patent/JP2007048598A/ja active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20140093797A1 (en) * | 2011-05-25 | 2014-04-03 | Daimler Ag | Recirculation Unit For a Fuel Cell System |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4300346B2 (ja) | 燃料電池システム | |
KR20120064204A (ko) | 연료전지용 상대습도 및 응축수 추정기 및 이를 이용한 응축수 드레인 제어 방법 | |
US20160380284A1 (en) | Fuel cell system | |
US8580447B2 (en) | Fuel cell system and control method for the same | |
JP6325013B2 (ja) | 燃料電池システムの低温起動方法 | |
JP5596758B2 (ja) | 燃料電池システム及びその制御方法 | |
JP2006210004A (ja) | 燃料電池システム | |
JP2006351506A (ja) | 燃料電池システム | |
CN102893436A (zh) | 可计算液态水体积的燃料电池系统 | |
JP5168859B2 (ja) | 燃料電池システム | |
JP4967381B2 (ja) | 燃料電池システム、燃料電池の湿潤度合計測方法、燃料電池のパージ制御方法 | |
JP2008198402A (ja) | 燃料電池システム | |
JP2007242449A (ja) | 燃料電池システム | |
JP2010033975A (ja) | 燃料電池システム、燃料電池自動車、燃料電池の制御方法および燃料電池自動車の制御方法 | |
JP2008305700A (ja) | 燃料電池システム | |
JP2010086692A (ja) | 燃料電池システム | |
JP2007324071A (ja) | 燃料電池システム | |
JP2007048597A (ja) | 燃料電池システム | |
JP2007048598A (ja) | 燃料電池システム | |
JP2012209154A (ja) | 燃料電池システムを制御する制御装置 | |
JP2022134847A (ja) | 燃料電池システム | |
JP2005085537A (ja) | 燃料電池システム | |
JP2007035493A (ja) | 燃料電池の電圧調整装置 | |
JP2008257974A (ja) | 燃料電池システム | |
JP2004349067A (ja) | 燃料電池システム |