JP2007227278A - Fuel cell device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池装置に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell device.
従来、燃料電池は発電効率が高く、有害物質を排出しないので、産業用、家庭用の発電装置として、又は、人工衛星や宇宙船などの動力源として実用化されてきたが、近年は、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両用の動力源として開発が進んでいる。そして、前記燃料電池は、アルカリ水溶液型(AFC)、リン酸型(PAFC)、溶融炭酸塩型(MCFC)、固体酸化物型(SOFC)、直接型メタノール(DMFC)等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池(PEMFC)が一般的である。 Conventionally, since fuel cells have high power generation efficiency and do not emit harmful substances, they have been put into practical use as power generators for industrial and household use, or as power sources for artificial satellites and spacecrafts. Development is progressing as a power source for vehicles such as buses, trucks, passenger carts, and luggage carts. The fuel cell may be of an alkaline aqueous solution type (AFC), phosphoric acid type (PAFC), molten carbonate type (MCFC), solid oxide type (SOFC), direct methanol (DMFC), or the like. Although good, a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) is common.
この場合、固体高分子電解質膜を二枚のガス拡散電極で挟み、一体化させて接合する。そして、該ガス拡散電極の一方を燃料極(アノード極)とし、その表面に燃料としての水素ガスを供給すると、水素が水素イオン(プロトン)と電子とに分解され、水素イオンが固体高分子電解質膜を透過する。また、前記ガス拡散電極の他方を酸素極(カソード極)とし、その表面に酸化剤としての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子とが結合して、水が生成される。このような電気化学反応によって起電力が生じるようになっている。 In this case, the solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between two gas diffusion electrodes and integrated to join. When one of the gas diffusion electrodes is used as a fuel electrode (anode electrode) and hydrogen gas as fuel is supplied to the surface thereof, hydrogen is decomposed into hydrogen ions (protons) and electrons, and the hydrogen ions are converted into a solid polymer electrolyte. Permeates the membrane. Further, when the other of the gas diffusion electrodes is an oxygen electrode (cathode electrode) and air as an oxidant is supplied to the surface, oxygen in the air is combined with the hydrogen ions and electrons to generate water. The An electromotive force is generated by such an electrochemical reaction.
そして、固体高分子型燃料電池においては、固体高分子電解質膜を湿潤な状態に維持する必要があるので、酸素極側に水を供給するようになっている。酸素極側に供給された水分は、酸素極側から燃料極側に向けて逆拡散水として移動し、燃料極側から酸素極側に向けてプロトン同伴水として移動する。 In the polymer electrolyte fuel cell, since it is necessary to maintain the polymer electrolyte membrane in a wet state, water is supplied to the oxygen electrode side. Moisture supplied to the oxygen electrode side moves as back diffusion water from the oxygen electrode side toward the fuel electrode side, and moves as proton-entrained water from the fuel electrode side toward the oxygen electrode side.
ところで、逆拡散水の量が多くなると、燃料極側において水素ガス流路が水分によって塞(ふさ)がれてしまう現象であるフラッディングが発生し、燃料電池の性能が低下してしまうことが知られている。そこで、フラッディングが発生すると、燃料電池スタック全体を振動させたり傾斜させたりして、前記流路から水分を排出する技術が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。 By the way, it is known that when the amount of reverse diffusion water increases, flooding, which is a phenomenon in which the hydrogen gas flow path is blocked by moisture on the fuel electrode side, occurs and the performance of the fuel cell deteriorates. It has been. Therefore, a technique has been proposed in which when flooding occurs, the entire fuel cell stack is vibrated or inclined to discharge moisture from the flow path (see, for example, Patent Document 1).
この場合、燃料電池スタックの両側に配設されたエンドプレートの下縁と燃料電池スタックを支持する支持台との間に介在するマウント部材をスプリングにするとともに、燃料電池スタックに振動付与手段、傾斜付与手段等の駆動手段を取り付け、フラッディングの発生が検出されると、前記駆動手段を作動させて燃料電池スタック全体を振動させたり傾斜させたりするようになっている。なお、マウント部材自体を駆動手段で構成することも提案されている。
しかしながら、前記従来の燃料電池装置においては、燃料電池スタック全体を振動させたり傾斜させたりするようになっているので、振動、傾動等の動作を行わせるための駆動手段が強い力を発生する必要があり、駆動手段が大型化してしまう。また、燃料電池スタック内における水素ガスの供給方式が、いわゆるシリーズ方式であって、燃料電池スタックを構成する複数のセルモジュール内を順次流通する方式である場合、水素ガス流路が蛇行状となるので、該流路の出口に向けて水分を移動させるためには、振動方向や傾斜方向を前記流路内における水分の移動状態に対応させて変化させる必要があり、駆動手段の動作制御が複雑で難しいものとなってしまう。 However, in the conventional fuel cell device, since the entire fuel cell stack is vibrated or tilted, the driving means for performing operations such as vibration and tilting needs to generate a strong force. And the driving means becomes large. In addition, when the hydrogen gas supply system in the fuel cell stack is a so-called series system, and the system sequentially circulates in a plurality of cell modules constituting the fuel cell stack, the hydrogen gas flow path has a meandering shape. Therefore, in order to move the moisture toward the outlet of the flow path, it is necessary to change the vibration direction and the inclination direction according to the movement state of the moisture in the flow path, and the operation control of the driving means is complicated. It will be difficult.
本発明は、前記従来の燃料電池装置の問題点を解決して、燃料電池スタックにおける水素ガス流路の最下流側のセルモジュールを分離し、該セルモジュールのみを駆動して振動、傾動等の動作を行わせるようにして、前記セルモジュールを駆動する駆動手段を小型化及び少数化し、かつ、駆動手段の動作制御を簡略化しても、フラッディングを迅速かつ確実に解消することができる燃料電池装置を提供することを目的とする。 The present invention solves the problems of the conventional fuel cell device, separates the cell module on the most downstream side of the hydrogen gas flow path in the fuel cell stack, and drives only the cell module to vibrate, tilt, etc. A fuel cell device capable of quickly and surely eliminating flooding even when the operation is performed so that the drive means for driving the cell module is reduced in size and number, and the operation control of the drive means is simplified. The purpose is to provide.
そのために、本発明の燃料電池装置においては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成されたセパレータを挟んで積層されているセルモジュールを複数有し、該セルモジュールが導電可能に、かつ、燃料ガス流路が連続するように相互に接続されている燃料電池装置であって、前記燃料ガス流路の最下流側の一つ以上のセルモジュールを含む分離部と、該分離部と分離して他のセルモジュールを含む本体部とを有し、前記分離部は、フラッディングが発生した場合に前記分離部を駆動する駆動手段を備える。 Therefore, in the fuel cell device of the present invention, a fuel cell in which an electrolyte layer is sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode is stacked with a separator having a fuel gas flow path formed along the fuel electrode. A fuel cell device having a plurality of cell modules, the cell modules being connected to each other such that the cell modules can conduct electricity and the fuel gas flow paths are continuous. A separation unit including one or more cell modules; and a main body unit including another cell module separated from the separation unit, the separation unit driving the separation unit when flooding occurs Is provided.
本発明の他の燃料電池装置においては、さらに、前記本体部のセルモジュールは、燃料ガス流路がセルモジュール毎に折り返すように相互に接続されている。 In another fuel cell device of the present invention, the cell modules of the main body are connected to each other so that the fuel gas flow path is folded back for each cell module.
本発明の更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記分離部は、フラッディングが発生した場合に前記駆動手段によって振動又は傾動する。 In still another fuel cell device of the present invention, the separator is vibrated or tilted by the driving means when flooding occurs.
本発明の更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記分離部はセルモジュールを両側から挟み込む二つのエンドプレートを備え、前記駆動手段はいずれか一方のエンドプレートを駆動する。 In still another fuel cell device of the present invention, the separation unit further includes two end plates that sandwich the cell module from both sides, and the driving means drives one of the end plates.
本発明の更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記本体部の燃料ガス流路と分離部の燃料ガス流路とを連結する燃料ガス流路連結管と、水分排出用電磁弁を備え、前記燃料ガス流路連結管に接続された水分排出管とを有し、前記水分排出用電磁弁は、前記駆動手段が前記分離部を駆動する場合に開いて、前記本体部の燃料ガス流路に溜(た)まった水分を前記水分排出管から排出させる。 In still another fuel cell device of the present invention, the fuel cell device further includes a fuel gas flow channel connecting pipe that connects the fuel gas flow channel of the main body and the fuel gas flow channel of the separation unit, and a water discharge electromagnetic valve, A water discharge pipe connected to the fuel gas flow path connecting pipe, and the water discharge electromagnetic valve is opened when the driving means drives the separation section, and the fuel gas flow path of the main body section The water accumulated in the water is discharged from the water discharge pipe.
本発明によれば、燃料電池装置においては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成されたセパレータを挟んで積層されているセルモジュールを複数有し、該セルモジュールが導電可能に、かつ、燃料ガス流路が連続するように相互に接続されている燃料電池装置であって、前記燃料ガス流路の最下流側の一つ以上のセルモジュールを含む分離部と、該分離部と分離して他のセルモジュールを含む本体部とを有し、前記分離部は、フラッディングが発生した場合に前記分離部を駆動する駆動手段を備える。 According to the present invention, in a fuel cell device, a fuel cell in which an electrolyte layer is sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode is laminated with a separator having a fuel gas flow path formed along the fuel electrode. A fuel cell device having a plurality of cell modules, the cell modules being connected to each other such that the cell modules can conduct electricity and the fuel gas flow paths are continuous. A separation unit including one or more cell modules; and a main body unit including another cell module separated from the separation unit, the separation unit driving the separation unit when flooding occurs Is provided.
この場合、燃料電池スタック全体を駆動する必要がなく、分離部のみを駆動すればよいので、駆動手段を小型化することができ、かつ、駆動手段の作動に必要なエネルギー消費量を抑制することができる。また、前記分離部における燃料ガス流路に溜まった水分を迅速に排出することができ、フラッディングが短時間で解消されるので、駆動手段の作動時間を短くすることができる。 In this case, it is not necessary to drive the entire fuel cell stack, and only the separation unit needs to be driven, so that the drive means can be reduced in size and the energy consumption required for the operation of the drive means can be suppressed. Can do. Further, the water accumulated in the fuel gas flow path in the separation part can be quickly discharged, and the flooding can be eliminated in a short time, so that the operation time of the driving means can be shortened.
他の燃料電池装置においては、さらに、前記本体部のセルモジュールは、燃料ガス流路がセルモジュール毎に折り返すように相互に接続されている。 In another fuel cell device, the cell modules of the main body are connected to each other so that the fuel gas flow path is folded back for each cell module.
この場合、本体部を駆動する必要がないので、駆動手段の動作のモードをシンプルにすることができ、前記駆動手段の構成を簡素化することができるとともに、前記駆動手段の動作制御も簡略化することができる。 In this case, since it is not necessary to drive the main body, the mode of operation of the driving means can be simplified, the configuration of the driving means can be simplified, and the operation control of the driving means is also simplified. can do.
更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記分離部は、フラッディングが発生した場合に前記駆動手段によって振動又は傾動する。 In still another fuel cell device, the separation unit vibrates or tilts by the driving means when flooding occurs.
この場合、前記分離部のセルモジュール内における燃料ガス流路に溜まった水分を迅速かつ確実に排出することができる。 In this case, moisture accumulated in the fuel gas flow path in the cell module of the separation unit can be quickly and reliably discharged.
更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記分離部はセルモジュールを両側から挟み込む二つのエンドプレートを備え、前記駆動手段はいずれか一方のエンドプレートを駆動する。 In still another fuel cell device, the separation unit further includes two end plates that sandwich the cell module from both sides, and the driving means drives one of the end plates.
この場合、駆動手段の数を少なくすることができ、駆動手段の作動に必要なエネルギー消費量を抑制することができる。 In this case, the number of drive means can be reduced, and the energy consumption required for the operation of the drive means can be suppressed.
更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記本体部の燃料ガス流路と分離部の燃料ガス流路とを連結する燃料ガス流路連結管と、水分排出用電磁弁を備え、前記燃料ガス流路連結管に接続された水分排出管とを有し、前記水分排出用電磁弁は、前記駆動手段が前記分離部を駆動する場合に開いて、前記本体部の燃料ガス流路に溜まった水分を前記水分排出管から排出させる。 In yet another fuel cell device, the fuel gas further includes a fuel gas channel connecting pipe that connects the fuel gas channel of the main body and the fuel gas channel of the separation unit, and a water discharge electromagnetic valve. A water discharge pipe connected to the flow path connecting pipe, and the water discharge solenoid valve is opened when the drive means drives the separation part and collected in the fuel gas flow path of the main body part. Water is discharged from the water discharge pipe.
この場合、分離部のセルモジュールにおけるフラッディングの発生頻度を抑制することができるので、駆動手段の作動時間の総計を短くすることができ、駆動手段の作動に必要なエネルギー消費量を抑制することができる。 In this case, since the occurrence frequency of flooding in the cell module of the separation unit can be suppressed, the total operation time of the driving means can be shortened, and the energy consumption required for the operation of the driving means can be suppressed. it can.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図2は本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す図である。 FIG. 2 is a diagram showing the configuration of the fuel cell system according to the embodiment of the present invention.
図において、11は燃料電池(FC)装置としての燃料電池スタックであり、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両用の動力源として使用される。ここで、前記車両は、照明装置、ラジオ、パワーウィンドウ等の車両の停車中にも使用される電気を消費する補機類を多数備えており、また、走行パターンが多様であり動力源に要求される出力範囲が極めて広いので、動力源としての燃料電池スタック11と後述される蓄電手段としてのキャパシタユニット63とを併用して使用することが望ましい。
In the figure,
そして、燃料電池スタック11は、アルカリ水溶液型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、直接型メタノール等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池であることが望ましい。
The
なお、更に望ましくは、水素ガスを燃料ガス、すなわち、アノードガスとし、酸素又は空気を酸化剤、すなわち、カソードガスとするPEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)型燃料電池、又は、PEM(Proton Exchange Membrane)型燃料電池と呼ばれるものである。ここで、該PEM型燃料電池は、一般的に、プロトン等のイオンを透過する電解質層としての固体高分子電解質膜の両側に触媒、電極及びセパレータを結合した燃料電池としてのセル(Cell)を複数及び直列に結合したスタック(Stack)から成る。 More preferably, PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) type fuel cell or PEM (Proton Exchange Membrane) using hydrogen gas as fuel gas, that is, anode gas, and oxygen or air as oxidant, that is, cathode gas. ) Type fuel cell. Here, the PEM type fuel cell generally includes a cell as a fuel cell in which a catalyst, an electrode, and a separator are combined on both sides of a solid polymer electrolyte membrane as an electrolyte layer that transmits ions such as protons. It consists of a plurality of stacks connected in series.
本実施の形態において、燃料電池スタック11は、後述される複数のセルモジュール72を有する。該セルモジュール72は、燃料電池としての単位セル(MEA:Membrane Electrode Assembly)と、該単位セル同士を電気的に接続するとともに、単位セルに導入される、アノードガスとしての水素ガスの流路とカソードガスとしての空気の流路とを分離するセパレータとを1セットとして、板厚方向に複数のセットを重ねて構成されている。なお、セルモジュール72は、単位セル同士が所定の間隙(げき)を隔てて配置されるように、単位セルとセパレータとが、多段に重ねられて積層されている。
In the present embodiment, the
この場合、セルモジュール72は、導電可能に、かつ、燃料ガス流路、すなわち、水素ガス流路が連続するように相互に接続されている。そして、前記燃料電池スタック11は、水素ガス流路の最下流側のセルモジュール72を分離した部分である分離部11bと、該分離部11bと分離して他のセルモジュール72を含む本体部11aとから成る。なお、前記分離部11bに含まれるセルモジュール72は、燃料電池スタック11における水素ガス流路の最下流側の一つ以上のセルモジュール72であり、その数は任意に設定することができる。ここでは、説明の都合上、前記分離部11bに含まれるセルモジュール72が燃料電池スタック11における水素ガス流路の最下流側の単一のセルモジュール72である場合についてのみ説明する。
In this case, the cell modules 72 are connected to each other so as to be conductive and so that the fuel gas flow path, that is, the hydrogen gas flow path is continuous. The
そして、単位セルは、電解質層としての固体高分子電解質膜の一側に設けられた酸素極としての空気極及び他側に設けられた燃料極とで構成されている。前記空気極及び燃料極は、反応ガスを拡散しながら透過する導電性材料から成る電極拡散層と、該電極拡散層上に形成され、固体高分子電解質膜と接触させて支持される触媒層とから成る。また、単位セルの空気極側の電極拡散層に接触して集電するとともに、空気と水との混合流が透過する多数の開口が形成された網状の集電体としての空気極側コレクタと、単位セルの燃料極側の電極拡散層に接触して集電するとともに、水素ガスが透過する多数の開口が形成された網状の集電体としての燃料極側コレクタとを有する。 The unit cell includes an air electrode as an oxygen electrode provided on one side of the solid polymer electrolyte membrane as an electrolyte layer and a fuel electrode provided on the other side. The air electrode and the fuel electrode include an electrode diffusion layer made of a conductive material that permeates while diffusing the reaction gas, and a catalyst layer formed on the electrode diffusion layer and supported in contact with the solid polymer electrolyte membrane. Consists of. In addition, the current collector in contact with the electrode diffusion layer on the air electrode side of the unit cell and the air electrode side collector as a net-like current collector formed with a large number of openings through which a mixed flow of air and water is transmitted; And a current collector in contact with the electrode diffusion layer on the fuel electrode side of the unit cell, and a fuel electrode side collector as a net-like current collector having a large number of openings through which hydrogen gas permeates.
前記単位セルにおいては、水が移動する。この場合、セパレータの燃料極側に形成された水素ガス流路としての燃料室内に燃料ガス、すなわち、アノードガスとしての水素ガスを供給すると、水素が水素イオンと電子とに分解され、水素イオンがプロトン同伴水を伴って、固体高分子電解質膜を透過する。また、前記空気極をカソード極とし、空気流路としての酸素室内に酸化剤、すなわち、カソードガスとしての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子とが結合して、水が生成される。なお、水分が逆拡散水として固体高分子電解質膜を透過し、燃料室内に移動する。ここで、逆拡散水とは、空気流路としての酸素室において生成される水が固体高分子電解質膜内に拡散し、該固体高分子電解質膜内を前記水素イオンと逆方向に透過して燃料室にまで浸透したものである。 In the unit cell, water moves. In this case, when fuel gas, that is, hydrogen gas as anode gas, is supplied into a fuel chamber as a hydrogen gas flow path formed on the fuel electrode side of the separator, hydrogen is decomposed into hydrogen ions and electrons, Permeates the solid polymer electrolyte membrane with proton-entrained water. Further, when the air electrode is used as a cathode electrode and an oxidant, that is, air as a cathode gas, is supplied into an oxygen chamber as an air flow path, oxygen in the air is combined with the hydrogen ions and electrons to form water. Is generated. Moisture permeates through the solid polymer electrolyte membrane as reverse diffusion water and moves into the fuel chamber. Here, the reverse diffusion water means that water generated in an oxygen chamber as an air channel diffuses into the solid polymer electrolyte membrane and permeates through the solid polymer electrolyte membrane in the direction opposite to the hydrogen ions. It has penetrated into the fuel chamber.
図には、燃料電池スタック11に燃料ガスとしての水素ガスを供給する装置、及び、酸化剤としての空気を供給する装置が示されている。なお、図示されない改質装置によってメタノール、ガソリン等を改質して取り出した燃料である水素ガスを燃料電池スタック11に直接供給することもできるが、車両の高負荷運転時にも安定して十分な量の水素ガスを供給することができるようにするためには、燃料貯蔵手段21に貯蔵した水素ガスを供給することが望ましい。これにより、該水素ガスがほぼ一定の圧力で、常に、十分に供給されるので、前記燃料電池スタック11は車両の負荷の変動に遅れることなく追随して、必要な電流を供給することができる。この場合、前記燃料電池スタック11の出力インピーダンスは極めて低く、0に近似することが可能である。
In the figure, an apparatus for supplying hydrogen gas as a fuel gas to the
水素ガスは、水素吸蔵合金を収納した容器、デカリンのような水素吸蔵液体を収納した容器、水素ガスボンベ等の燃料貯蔵手段21から、燃料供給管路としての第1燃料供給管路22、及び、該第1燃料供給管路22に接続された燃料供給管路としての第2燃料供給管路33を通って、燃料電池スタック11の燃料ガス流路の入口に供給される。そして、前記第1燃料供給管路22には、燃料貯蔵手段元開閉弁23、第1圧力センサ27a、第1燃料圧力調整弁25a、第2圧力センサ27b、第2燃料圧力調整弁25b、燃料供給電磁弁26及び第3圧力センサ27cが配設される。この場合、前記燃料貯蔵手段21は、十分に大きな容量を有し、常に、十分に高い圧力の水素ガスを供給することができる能力を有するものである。
Hydrogen gas is stored in a container containing a hydrogen storage alloy, a container containing a hydrogen storage liquid such as decalin, a fuel storage means 21 such as a hydrogen gas cylinder, a first
そして、燃料電池スタック11の燃料ガス流路の出口から未反応成分として排出される水素ガスは、燃料排出管路31を通って燃料電池スタック11外に排出される。前記燃料排出管路31には、回収容器としての水回収ドレインタンク35が配設されている。なお、該水回収ドレインタンク35には、レベルゲージ(水位計)35aが取り付けられている。そして、前記水回収ドレインタンク35には水と分離された水素ガスを排出する燃料排出管路30が接続され、該燃料排出管路30にはポンプとしての吸引循環ポンプ36が配設されている。また、前記燃料排出管路30には水素循環電磁弁34が配設されている。さらに、前記燃料排出管路30における水回収ドレインタンク35と反対側の端部は、第2燃料供給管路33に接続されている。これにより、燃料電池スタック11外に排出された水素ガスを回収し、燃料電池スタック11の燃料ガス流路に供給して再利用することができる。
Then, the hydrogen gas discharged as an unreacted component from the outlet of the fuel gas flow path of the
また、前記水回収ドレインタンク35には、起動用燃料排出管路38が接続され、該起動用燃料排出管路38には水素起動排気電磁弁37が配設され、燃料電池スタック11の起動時に燃料ガス流路から排出される水素ガスを大気中に排出することができるようになっている。なお、起動用燃料排出管路38の出口端は排気マニホールド13に接続されている。また、起動用燃料排出管路38に、必要に応じて水素燃焼器を配設することもできる。該水素燃焼器によって排出される水素ガスを燃焼させ、水にしてから大気中に排出することができる。
Further, a startup
ここで、前記第1燃料圧力調整弁25a及び第2燃料圧力調整弁25bは、バタフライバルブ、レギュレータバルブ、ダイヤフラム式バルブ、マスフローコントローラ、シーケンスバルブ等のものであるが、前記第1燃料圧力調整弁25a及び第2燃料圧力調整弁25bの出口から流出する水素ガスの圧力をあらかじめ設定した圧力に調整することができるものであれば、いかなる種類のものであってもよい。なお、前記圧力の調整は、手動によってなされてもよいが、電気モータ、パルスモータ、電磁石等から成るアクチュエータによってなされることが望ましい。
Here, the first fuel
また、前記燃料供給電磁弁26、水素循環電磁弁34及び水素起動排気電磁弁37は、いわゆる、オン−オフ式のものであり、電気モータ、パルスモータ、電磁石等から成るアクチュエータによって作動させられる。なお、前記燃料貯蔵手段元開閉弁23は手動又は電磁弁を用いて自動的に作動させられる。さらに、前記吸引循環ポンプ36は、水素ガスとともに逆拡散水を強制的に排出し、燃料ガス流路内を負圧の状態にすることができるポンプであれば、いかなる種類のものであってもよい。
The fuel supply solenoid valve 26, the hydrogen circulation solenoid valve 34, and the hydrogen activation
一方、酸化剤としての空気は、エアフィルタ53を通って、酸化剤供給源としての空気供給ファン51に吸引され、該空気供給ファン51から、空気供給管路52及び吸気マニホールド12を通って、燃料電池スタック11の酸素室、すなわち、空気流路に供給される。この場合、供給される空気の圧力は大気圧程度の常圧である。なお、前記空気供給ファン51は、空気を吸引して吐出することができるものであれば、いかなる種類のものであってもよい。また、前記エアフィルタ53は、空気に含まれる塵埃(じんあい)、不純物等を除去することができるものであれば、いかなる種類のものであってもよい。なお、酸化剤として、空気に代えて酸素を使用することもできる。そして、空気流路から排出される空気は、マニホールドとしての排気マニホールド13、凝縮器14、出口側排気マニホールド54及び排気口55を通って大気中へ排出される。なお、排気マニホールド13には燃料電池スタック11から排出された直後の空気の温度を検出するスタック排気温度検出器56が配設され、出口側排気マニホールド54には凝縮器14から排出された直後の空気の温度を検出する凝縮器排気温度検出器57が配設されている。
On the other hand, the air as the oxidant passes through the air filter 53 and is sucked into the
また、前記空気供給管路52には、空気流路に供給される空気中に水をスプレーして供給し、燃料電池スタック11の酸素極としての空気極を湿潤な状態に維持するための水供給ノズル47が配設される。なお、スプレーされた水によって前記空気極及び燃料極を冷却することもできる。さらに、前記排気マニホールド13の端部に配設された凝縮器14は、前記燃料電池スタック11から排出される空気中の水分を凝縮して除去するためのものであり、前記凝縮器14によって凝縮された水は凝縮水排出管路41を通って水タンク43に回収される。なお、前記凝縮水排出管路41には排水ポンプ42が配設され、前記水タンク43にはレベルゲージ43aが取り付けられている。
The
そして、前記水タンク43内の水は、給水管路46を通って水供給ノズル47に供給される。なお、前記給水管路46には、給水ポンプ44及び水フィルタ45が配設されている。ここで、前記排水ポンプ42及び給水ポンプ44は、水を吸引して吐出することができるポンプであれば、いかなる種類のものであってもよい。また、前記水フィルタ45は、水に含まれる塵埃、不純物等を除去することができるものであれば、いかなる種類のものであってもよい。前記凝縮水排出管路41、排水ポンプ42、水タンク43、給水ポンプ44、水フィルタ45及び給水管路46は、水循環システムとして機能する。
The water in the
さらに、燃料電池スタック11の図示されない電気端子には、負荷としての駆動制御装置であるインバータ装置61、及び、蓄電手段としてのキャパシタユニット63が並列に接続されている。該キャパシタユニット63は、電気二重層キャパシタのようなキャパシタ(コンデンサ)を備えるものである。なお、前記蓄電手段は、必ずしもキャパシタでなくてもよく、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池等の二次電池は、いわゆる、バッテリ(蓄電池)であってもよいし、フライホイール、超伝導コイル、蓄圧器等のように、エネルギを電気的に蓄積し放出する機能を有するものであれば、いかなる形態のものであってもよい。さらに、これらの中のいずれかを単独で使用してもよいし、複数のものを組み合わせて使用してもよい。
Furthermore, an
また、インバータ装置61は、前記燃料電池スタック11又はキャパシタユニット63からの直流電流を交流電流に変換して、車両の車輪を回転させる駆動源である図示されない交流モータに供給する。ここで、燃料電池システムにおいては、前記燃料電池スタック11又はキャパシタユニット63が並列に接続されて、前記インバータ装置61に電流を供給するようになっているので、例えば、車両の停止時に前記燃料電池スタック11が停止した場合や、坂道等の高負荷運転時に燃料電池スタック11からの電流だけでは要求電流に満たない場合等には、前記キャパシタユニット63からインバータ装置61に電流が自動的に供給される。
Further, the
なお、62は、充電用スイッチング素子としての高速スイッチング素子であるIGBT(絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ)を備えるIGBTユニットであり、キャパシタユニット63の充電を制御する制御回路である。
そして、前記交流モータが、車両の減速運転時には発電器として機能して、いわゆる回生電流を発生する場合には、前記車両の減速運転時に回生電流がキャパシタユニット63に供給され、該キャパシタユニット63が再充電される。さらに、前記回生電流がキャパシタユニット63に供給されない場合であっても、該キャパシタユニット63が放電して端子電圧が低下すると、前記燃料電池スタック11が発生する電流が自動的に前記キャパシタユニット63に供給される。
When the AC motor functions as a power generator during vehicle deceleration operation and generates a so-called regenerative current, the regenerative current is supplied to the
このように、燃料電池システムにおいては、前記キャパシタユニット63が常時充電され、前記燃料電池スタック11からの電流だけでは要求電流に満たない場合等には、前記キャパシタユニット63からインバータ装置61に電流が自動的に供給されるようになっているので、車両は各種の走行モードにおいて、安定して走行することができる。
As described above, in the fuel cell system, when the
本実施の形態において、燃料電池スタック11の本体部11aにおける水素ガス流路と分離部11bにおける水素ガス流路とは、燃料ガス流路連結管75によって連結されている。また、該燃料ガス流路連結管75には、本体部11aの各単位セルにおいて逆拡散水として燃料室にまで浸透した水分を排出するための水分排出管76の一端が接続されている。なお、該水分排出管76の他端は燃料排出管路31に接続されている。そして、前記水分排出管76には、水分排出用電磁弁77が配設され、必要に応じて水分排出管76を開閉し、本体部11aにおける水素ガス流路に溜まった水分を燃料ガス流路連結管75及び水分排出管76を通して排出し、分離部11bをバイパスして、燃料排出管路31に直接流入させることができるようになっている。
In the present embodiment, the hydrogen gas flow path in the
なお、本実施の形態において、燃料電池システムは制御装置として、図示されないFCコントロールECU(Electronic Control Unit)を有する。前記制御装置は、CPU、MPU等の演算手段、磁気ディスク、半導体メモリ等の記憶手段、入出力インターフェイス等を備え、各種のセンサから、燃料電池スタック11の燃料ガス流路及び空気流路に供給される水素、酸素、空気等の流量、温度、出力電圧等を検出して、前記空気供給ファン51、第1燃料圧力調整弁25a、第2燃料圧力調整弁25b、燃料供給電磁弁26、水素循環電磁弁34、吸引循環ポンプ36、排水ポンプ42、給水ポンプ44、水分排出用電磁弁77等の動作を制御する。さらに、前記FCコントロールECUは、車両に配設された他のセンサ、及び、車両の制御手段としての図示されないEV(Electric Vehicle)コントロールECUと連携して、燃料電池スタック11に燃料及び酸化剤を供給するすべての装置の動作を統括的に制御する。
In the present embodiment, the fuel cell system has an FC control ECU (Electronic Control Unit) (not shown) as a control device. The control device includes arithmetic means such as a CPU and MPU, storage means such as a magnetic disk and a semiconductor memory, an input / output interface, and the like, and is supplied from various sensors to the fuel gas flow path and the air flow path of the fuel cell stack The
次に、前記燃料電池スタック11の構成を詳細に説明する。
Next, the configuration of the
図1は本発明の実施の形態における燃料電池スタックの構成を示す図である。なお、図1(a)は燃料電池スタックの上面図、図1(b)は燃料電池スタックの側面図である。 FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention. 1A is a top view of the fuel cell stack, and FIG. 1B is a side view of the fuel cell stack.
図1に示される例において、燃料電池スタック11は合計十のセルモジュール72を有し、本体部11aは九つのセルモジュール72を含み、分離部11bは燃料電池スタック11における水素ガス流路の最下流側の一つのセルモジュール72を含んでいる。なお、前述のように分離部11bが含むセルモジュール72の数は任意に設定することができ、例えば、本体部11aが八つ以下のセルモジュール72を含み、分離部11bが燃料電池スタック11における水素ガス流路の最下流側の連続する二つ以上のセルモジュール72を含むようにすることもできる。さらに、燃料電池スタック11が全体として有するセルモジュール72の数も、十に限定されるものではなく、任意に変更することができる。なお、ここでは説明の都合上、図1に示されるように、本体部11aが九つのセルモジュール72を含み、分離部11bが燃料電池スタック11における水素ガス流路の最下流側の一つのセルモジュール72を含む場合についてのみ説明する。
In the example shown in FIG. 1, the
ここで、本体部11aは、水素ガスの入口側(図における左側)及び出口側(図における右側)に配設されたエンドプレート71a及び集電板78aを有する。そして、本体部11aにおけるセルモジュール72は、水素ガスの入口側と出口側から、集電板78aを介して、エンドプレート71aによって挟み込まれた状態になっている。なお、水素ガスの入口側及び出口側のエンドプレート71aは、図示されない締め付け用シャフトによって、セルモジュール72を締め付ける力が付与された状態で、相互に接続されている。そして、水素ガスの入口側に最も近いセルモジュール72は水素ガスの入口側の集電板78aに電気的に接続され、水素ガスの出口側に最も近いセルモジュール72は水素ガスの出口側の集電板78aに電気的に接続されている。また、各セルモジュール72同士は電気伝導性が良好である。なお、エンドプレート71aと集電板78aとを電気的に絶縁する必要がある場合には、エンドプレート71aと集電板78aとの間に絶縁板を介在させることもできる。
Here, the
同様に、分離部11bは、水素ガスの入口側(図における左側)及び出口側(図における右側)に配設されたエンドプレート71b及び集電板78bを有する。そして、分離部11bにおけるセルモジュール72は、水素ガスの入口側と出口側から、集電板78bを介して、エンドプレート71bによって挟み込まれた状態になっている。なお、水素ガスの入口側及び出口側のエンドプレート71bは、図示されない締め付け用シャフトによって、セルモジュール72を締め付ける力が付与された状態で、相互に接続されている。そして、セルモジュール72は水素ガスの入口側及び出口側の集電板78bに電気的に接続され、さらに、水素ガスの入口側の集電板78bは、図示されない導電線等によって、本体部11aにおける水素ガスの出口側の集電板78aに電気的に接続されている。なお、エンドプレート71bと集電板78bとを電気的に絶縁する必要がある場合には、エンドプレート71bと集電板78bとの間に絶縁板を介在させることもできる。
Similarly, the
そして、本体部11aにおける水素ガスの入口側のエンドプレート71aには、燃料入口管73が接続されている。該燃料入口管73におけるエンドプレート71aと反対側の端部が第2燃料供給管路33の端部に接続されているので、該第2燃料供給管路33を通って供給される水素ガスは、燃料入口管73を介して、本体部11aに導入される。
A
また、分離部11bにおける水素ガスの出口側のエンドプレート71bには、燃料出口管74が接続されている。該燃料出口管74におけるエンドプレート71bと反対側の端部が燃料排出管路31の端部に接続されているので、分離部11bから排出される水素ガスは、燃料出口管74を介して燃料排出管路31に流入し、燃料電池スタック11外に排出される。
A
さらに、本体部11aにおける水素ガスの出口側のエンドプレート71a及び分離部11bにおける水素ガスの入口側のエンドプレート71bには、燃料ガス流路連結管75が接続されている。本体部11aから排出される水素ガスは、燃料ガス流路連結管75を介して、分離部11bに導入される。また、燃料ガス流路連結管75には、水分排出管76が接続されているが、通常の状態では、該水分排出管76に配設された水分排出用電磁弁77が閉じているので、本体部11aから排出される水素ガスが水分排出管76を通って燃料電池スタック11外に排出されることはない。
Further, a fuel gas flow
そして、図1に示される例において、燃料電池スタック11内における水素ガスの供給方式は、いわゆるシリーズ方式であり、各セルモジュール72内を順次流通する方式となっている。すなわち、本体部11aのセルモジュール72は、水素ガス流路がセルモジュール72毎に折り返すように相互に接続されている。そのため、水素ガス流路は、図1(a)において矢印で示されるように、蛇行(サーペンタイン)状となっている。なお、本体部11a内における水素ガスの供給方式は、いわゆるパラレル方式とすることもできる。該パラレル方式の場合、水素ガスは、本体部11a内における各セルモジュール72内を同一の方向へ(図1(a)における上から下へ)平行に流通する。なお、ここでは、説明の都合上、図1(a)に示されるように、水素ガスの供給方式がシリーズ方式である場合についてのみ説明する。
In the example shown in FIG. 1, the hydrogen gas supply system in the
本実施の形態において、本体部11aは、水素ガスの入口側及び出口側に配設されたエンドプレート71aの下端に取り付けられた固定手段としてのマウント部材81を介して、車両のフレーム等の図示されない支持部材に固定的に取り付けられている。前記マウント部材81は、例えば、金属、樹脂等から成るスペーサ部材であるが、いかなる種類の部材であってもよい。
In the present embodiment, the
また、分離部11bは、水素ガスの入口側及び出口側に配設されたエンドプレート71bの下端に取り付けられた駆動手段82を介して、前記支持部材に取り付けられている。前記駆動手段82は、分離部11bを駆動して振動、傾動等の動作を行わせるための装置であり、例えば、油圧シリンダ、空圧シリンダ、電動モータ、リニアモータ、圧電素子、形状記憶合金等の駆動源によって、例えば、往復動、偏心回転運動等の動作を行うアクチュエータであるが、いかなる種類の装置であってもよい。なお、前記駆動手段82の動作は前記FCコントロールECUによって制御される。
The
そして、分離部11bを振動させる場合、水素ガスの入口側及び出口側に配設されたエンドプレート71bの下端に取り付けられた駆動手段82は、例えば、周期的にエンドプレート71bを上下又は左右に往復動させる。この場合、駆動手段82の往復動の周期及びストロークを制御することによって、分離部11bの振動の周期及び振幅を制御することができる。なお、水素ガスの入口側に配設されたエンドプレート71bの下端に取り付けられた駆動手段82の動作と、水素ガスの出口側に配設されたエンドプレート71bの下端に取り付けられた駆動手段82の動作とは、同期していてもよいし、同期していなくてもよい。例えば、水素ガスの入口側に配設されたエンドプレート71bの下端に取り付けられた駆動手段82の動作の位相と、水素ガスの出口側に配設されたエンドプレート71bの下端に取り付けられた駆動手段82の動作の位相とを180度ずらすこともできる。このようにして分離部11bを振動させることによって、分離部11bのセルモジュール72内における水素ガス流路に溜まった水分を燃料出口管74から排出することができる。
When the
また、分離部11bを傾動させる場合、水素ガスの入口側及び出口側に配設されたエンドプレート71bの下端に取り付けられた駆動手段82は、例えば、エンドプレート71bを上方又は下方に移動させる。この場合、駆動手段82の移動方向及びストロークを制御することによって、分離部11bの傾斜の向き及び傾斜角を制御することができる。なお、水素ガスの入口側に配設されたエンドプレート71bの下端に取り付けられた駆動手段82の駆動方向と、水素ガスの出口側に配設されたエンドプレート71bの下端に取り付けられた駆動手段82の駆動方向とは、互いに反対方向であることが望ましい。例えば、水素ガスの入口側に配設されたエンドプレート71bを上方に移動させ、水素ガスの出口側に配設されたエンドプレート71bを下方に移動させることによって、水素ガスの出口側が低くなるように分離部11bを傾動させることができる。このようにして分離部11bを傾動させることによって、分離部11bのセルモジュール72内における水素ガス流路に溜まった水分を燃料出口管74から排出することができる。
When tilting the
なお、駆動手段82を、水素ガスの入口側に配設されたエンドプレート71b又は水素ガスの出口側に配設されたエンドプレート71bのいずれか一方にのみ取り付けるようにすることもできる。この場合、他方のエンドプレート71bの下端がマウント部材81と同様の固定手段を介して支持部材に固定されることになるが、前記固定手段は、他方のエンドプレート71bの支持部材に対する回動をある程度許容するものである。これにより、一方のエンドプレート71bの下端に取り付けられた駆動手段82が分離部11bを駆動すると、該分離部11bは他方のエンドプレート71bの下端を中心とした振動、傾動等の動作を行うこととなる。
The drive means 82 may be attached only to either the end plate 71b disposed on the hydrogen gas inlet side or the end plate 71b disposed on the hydrogen gas outlet side. In this case, the lower end of the other end plate 71b is fixed to the support member via the same fixing means as the
また、燃料電池スタック11には、単位セルの起電力、すなわち、セル電圧を測定するために図示されない電圧計が取り付けられている。前述のように、単位セルにおいては、水分が逆拡散水として燃料極側コレクタの燃料室内に移動する。微細に観ると、燃料室内における水分の分布は必ずしも一様ではなく、水分の量、流速等は局所的に変化している。そのため、局所的に多量の水分が集中して、燃料室内における水素ガスの流れを阻害するフラッディングが発生することがある。そして、燃料室内においてフラッディングが発生すると、燃料極が水分に覆われて水素ガスと接触することができず、当該単位セルのセル電圧が低下する。そのため、セル電圧を測定することによって、当該単位セルにおいてフラッディングが発生したことを検出することができる。
In addition, a voltmeter (not shown) is attached to the
なお、すべての単位セルのセル電圧を測定しようとすると、電圧計の数が多くなり、コストが高くなってしまう。そこで、フラッディングが発生し易い場所に位置する単位セルを適宜選択し、選択した単位セルのセル電圧に基づいて、燃料電池スタック11におけるフラッディングの発生を検出することが望ましい。ところで、燃料室内の水分は水素ガスの流れとともに下流側に移動するが、燃料電池スタック11内における水素ガスの流速は、上流では速く、下流に行くにつれて遅くなっていくので、下流ほど水素ガス流路内に水分が溜まり易く、フラッディングが発生する確率が高くなる。そのため、本実施の形態においては、燃料電池スタック11における水素ガス流路の最下流側のセルモジュール72、すなわち、分離部11bのセルモジュール72に含まれる単位セルのセル電圧を検出するようになっている。なお、必要に応じて、本体部11aのセルモジュール72に含まれる単位セルのセル電圧を検出することもできる。
In addition, if it is going to measure the cell voltage of all the unit cells, the number of voltmeters will increase and cost will become high. Therefore, it is desirable to appropriately select a unit cell located at a place where flooding is likely to occur, and detect the occurrence of flooding in the
次に、前記構成の燃料電池システムの動作について説明する。まず、定常運転における動作について説明する。 Next, the operation of the fuel cell system having the above configuration will be described. First, the operation in steady operation will be described.
本実施の形態の燃料電池システムにおける定常運転時には、第1燃料圧力調整弁25a及び第2燃料圧力調整弁25bの出口から流出する水素ガスの圧力をあらかじめ設定した一定の圧力に調整した後、前記第1燃料圧力調整弁25a及び第2燃料圧力調整弁25bは燃料電池システムの運転中には調整されることがなく、そのままの状態が保持される。また、空気供給ファン51は、燃料電池の出力電流に応じてあらかじめ設定された空気が供給されるように作動する。この場合、供給される空気の量は、燃料電池スタック11の出力が最大となるために必要な空気の量よりも十分に多い量である。また、本実施の形態において、燃料電池スタック11の単位セルに供給される空気の圧力は大気圧程度の常圧であり、特段加圧される必要がない。そのため、前記空気供給ファン51、空気供給管路52、吸気マニホールド12、排気マニホールド13、凝縮器14、出口側排気マニホールド54等は、耐圧性を有する必要がないので構成を簡素化することができる。
During steady operation in the fuel cell system of the present embodiment, after adjusting the pressure of hydrogen gas flowing out from the outlets of the first fuel
そして、燃料電池スタック11が運転を開始すると、該燃料電池スタック11を構成する各単位セルにおいて逆拡散水が発生し、該逆拡散水が固体高分子電解質膜を透過して燃料ガス流路にまで達し、前記固体高分子電解質膜の燃料極側を加湿する。これにより、該固体高分子電解質膜の燃料極側は湿潤な状態となり、電気化学反応によって水素から生成された水素イオンが固体高分子電解質膜内をスムーズに移動することができる。
When the
また、前記燃料ガス流路に供給されて余剰となった未反応成分としての水素ガスは、前記燃料ガス流路にまで浸透して余剰となった逆拡散水と混合して、気液混合物となる。該気液混合物となった水素ガスは、吸引循環ポンプ36によって吸引され、燃料電池スタック11に接続された燃料排出管路31を通って前記燃料電池スタック11外に排出される。そして、前記気液混合物は、燃料排出管路31を通過して水回収ドレインタンク35内に導入される。そして、比較的広い空間を備える前記水回収ドレインタンク35内に滞留することによって、重量物である水分が重力によって下方に落下し、水素ガスから逆拡散水が分離する。該逆拡散水が分離して乾燥した状態の水素ガスは、燃料排出管路30から水回収ドレインタンク35外に排出される。
Further, the hydrogen gas as an unreacted component that is supplied to the fuel gas flow path and surplus is mixed with the back-diffused water that has permeated into the fuel gas flow path and becomes surplus, and a gas-liquid mixture Become. The hydrogen gas that has become the gas-liquid mixture is sucked by the
そして、定常運転においては、前記燃料排出管路30から排出された水素ガスは、開いた状態になっている水素循環電磁弁34を通過して、第2燃料供給管路33に導入され、再び、燃料電池スタック11の燃料ガス流路に供給されて再利用される。
In steady operation, the hydrogen gas discharged from the
また、吸気マニホールド12から送り込まれた酸化剤としての空気は、燃料電池スタック11内の空気流路としての酸素室内を通過して、排気マニホールド13に向けて排出される。ところで、前記空気供給管路52には水供給ノズル47が配設され、水がスプレーされる。前記水供給ノズル47からスプレーされた水は、重力及び空気の流れによって、多数の酸素室内に進入する。そして、空気極を湿潤な状態に保つので、空気極と燃料極とに挟まれた固体高分子電解質膜が良好に機能する。また、燃料である水素と酸化剤である酸素が結合して水を生成する電気化学反応において、反応熱が発生するが、該反応熱は前記スプレーされた水によって吸収される。すなわち、該スプレーされた水は冷却作用も果たすものである。
Further, air as an oxidant sent from the
ここで、スプレーされた水は液体の状態、すなわち、液相であり、反応熱を吸収して気化する。そのため、気化潜熱によって酸素室内の酸素極等を冷却するので、冷却効率が極めて高い。また、常圧の空気中に液相の水をスプレーするだけなので、前記水供給ノズル47は通常のものであってよく、特別の構成を有する必要がない。なお、前記スプレーされた水は酸素室から、空気とともに排出されるので、燃料電池スタック11から排気マニホールド13内に排出された空気は水分を含んでいる。
Here, the sprayed water is in a liquid state, that is, in a liquid phase, and absorbs heat of reaction to vaporize. Therefore, the cooling efficiency is extremely high because the oxygen electrode and the like in the oxygen chamber are cooled by the latent heat of vaporization. Further, since the liquid phase water is merely sprayed into the atmospheric pressure air, the
そして、排気マニホールド13内に排出された空気は、凝縮器14内に導入される。ここで、前記空気は、水分を含むものであるが、凝縮器14内を通過する間に冷却されて凝縮した水分を分離して、凝縮器14から出口側排気マニホールド54及び排気口55を通って大気中に排出される。なお、凝縮器14で分離された水は、凝縮水排出管路41を通って水タンク43に回収される。
Then, the air discharged into the
次に、フラッディングが発生した場合の動作について説明する。 Next, the operation when flooding occurs will be described.
まず、FCコントロールECUは、分離部11bのセルモジュール72に含まれる単位セルのセル電圧を検出する電圧計が検出したセル電圧の値が、あらかじめ設定された閾(しきい)値以下となったら、分離部11bのセルモジュール72にフラッディングが発生したと判断する。なお、あらかじめ設定されたセル電圧の標準値との差が所定値以上となったときに、分離部11bのセルモジュール72にフラッディングが発生したと判断するようにしてもよい。
First, the FC control ECU, when the value of the cell voltage detected by the voltmeter that detects the cell voltage of the unit cell included in the cell module 72 of the
そして、前記FCコントロールECUは、分離部11bのセルモジュール72にフラッディングが発生したと判断すると、駆動手段82に分離部11bを駆動させ、該分離部11bに振動、傾動等の動作を行わせる。これにより、分離部11bのセルモジュール72内における水素ガス流路に溜まった水分は、燃料出口管74から燃料排出管路31を通って前記燃料電池スタック11外に排出され、水回収ドレインタンク35内に導入される。
When the FC control ECU determines that flooding has occurred in the cell module 72 of the
この場合、前記FCコントロールECUは、分離部11bのセルモジュール72に含まれる単位セルのセル電圧を監視し、該セル電圧の値が前記閾値以上に復帰するまで、駆動手段82による分離部11bの駆動を続けさせる。そして、前記セル電圧の値が前記閾値以上となると、前記FCコントロールECUは、分離部11bのセルモジュール72におけるフラッディングが解消されたと判断して、駆動手段82による分離部11bの駆動を停止させ、分離部11bの振動、傾動等の動作を停止させる。
In this case, the FC control ECU monitors the cell voltage of the unit cell included in the cell module 72 of the
ところで、分離部11bのセルモジュール72にフラッディングが発生した場合には、本体部11aのセルモジュール72内における水素ガス流路に溜まった水分の量も増加していると考えることができる。そのため、駆動手段82を作動させるのと同じタイミングで本体部11aのセルモジュール72内における水素ガス流路に溜まった水分を排出することによって、分離部11bのセルモジュール72における以降のフラッディングの発生を抑制することができる。
By the way, when flooding occurs in the cell module 72 of the
そこで、前記FCコントロールECUは、前記駆動手段82を作動させるのと同時に、水分排出管76に配設された水分排出用電磁弁77を開かせるようになっている。これにより、本体部11aのセルモジュール72内における水素ガス流路に溜まった水分は、燃料ガス流路連結管75から排出され、水分排出管76から燃料排出管路31を通って前記燃料電池スタック11外に排出され、水回収ドレインタンク35内に導入される。なお、前記FCコントロールECUは、前記駆動手段82を停止させるのと同時に、水分排出用電磁弁77を閉じさせる。これにより、定常運転においては、水素ガスが分離部11bのセルモジュール72をバイパスして水分排出管76を通って前記燃料電池スタック11外に排出されてしまうことがない。
Therefore, the FC control ECU is configured to open the moisture discharge electromagnetic valve 77 disposed in the
このように、本実施の形態においては、燃料電池スタック11における水素ガス流路の最下流側のセルモジュール72を分離するために、燃料電池スタック11を本体部11aと分離部11bとに分離し、該分離部11bのみに振動、傾動等の動作を行わせて、フラッディングを解消するようになっている。そのため、燃料電池スタック11全体に前記動作を行わせる必要がなく、分離部11bのみに前記動作を行わせればよいので、駆動手段82を小型化することができ、かつ、該駆動手段82の作動に必要なエネルギー消費量を抑制することができる。
Thus, in the present embodiment, in order to separate the cell module 72 on the most downstream side of the hydrogen gas flow path in the
また、前記分離部11bにおける水素ガス流路に溜まった水分を迅速に排出することができ、フラッディングが短時間で解消されるので、駆動手段82の作動時間を短くすることができる。そのため、駆動手段82の作動に必要なエネルギー消費量を更に抑制することができる。
Further, the water accumulated in the hydrogen gas flow path in the
さらに、分離部11bのセルモジュール72内における水素ガス流路が蛇行することなく、シンプルなので、該水素ガス流路に溜まった水分を燃料出口管74に向けて移動させるための動作のモードがシンプルとなる。そのため、駆動手段82の数を少なくして、エンドプレート71bのいずれか一方にのみ駆動手段82を取り付けるようにしても、水素ガス流路に溜まった水分を燃料出口管74に向けて移動させ、迅速かつ確実に排出することができる。また、前記駆動手段82の動作のモードがシンプルとなるので、前記駆動手段82の構成を簡素化することができるとともに、FCコントロールECUによる前記駆動手段82の動作制御も簡略化することができる。
Furthermore, since the hydrogen gas flow path in the cell module 72 of the
なお、燃料電池スタック11を本体部11aと分離部11bとに分離しても、燃料電池スタック11の重量が増加することはない。これは、燃料電池スタック11の重量において大きな割合を占めるエンドプレートとして、より薄手の板部材から成るエンドプレート71a及びエンドプレート71bを使用することができるので、エンドプレートの総重量は、燃料電池スタック11を本体部11aと分離部11bとに分離してもしなくても、ほとんど変わらないからである。
Even if the
さらに、本体部11a及び分離部11bにおける水素ガス流路を連結する燃料ガス流路連結管75に、水分排出用電磁弁77が配設された水分排出管76を接続して、本体部11aのセルモジュール72内における水素ガス流路に溜まった水分を燃料ガス流路連結管75から排出することができるようになっている。そのため、分離部11bのセルモジュール72におけるフラッディングの発生頻度を抑制することができる。これにより、駆動手段82の作動時間の総計を短くすることができ、駆動手段82の作動に必要なエネルギー消費量を更に抑制することができる。なお、必要に応じて水分排出用電磁弁77が配設された水分排出管76は省略することもできる。
Furthermore, a
また、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made based on the spirit of the present invention, and they are not excluded from the scope of the present invention.
11 燃料電池スタック
11a 本体部
11b 分離部
71b エンドプレート
72 セルモジュール
75 燃料ガス流路連結管
76 水分排出管
77 水分排出用電磁弁
82 駆動手段
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記燃料ガス流路の最下流側の一つ以上のセルモジュールを含む分離部と、該分離部と分離して他のセルモジュールを含む本体部とを有し、
前記分離部は、フラッディングが発生した場合に前記分離部を駆動する駆動手段を備えることを特徴とする燃料電池装置。 A fuel cell in which an electrolyte layer is sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode has a plurality of cell modules stacked with a separator having a fuel gas flow path formed along the fuel electrode, and the cell module is electrically conductive. A fuel cell device that is connected to each other so that the fuel gas flow paths are continuous,
A separation part including one or more cell modules on the most downstream side of the fuel gas flow path, and a main body part including another cell module separated from the separation part,
The fuel cell device according to claim 1, wherein the separation unit includes a driving unit that drives the separation unit when flooding occurs.
前記駆動手段はいずれか一方のエンドプレートを駆動する請求項3に記載の燃料電池装置。 The separation part includes two end plates that sandwich the cell module from both sides,
The fuel cell device according to claim 3, wherein the driving unit drives one of the end plates.
水分排出用電磁弁を備え、前記燃料ガス流路連結管に接続された水分排出管とを有し、
前記水分排出用電磁弁は、前記駆動手段が前記分離部を駆動する場合に開いて、前記本体部の燃料ガス流路に溜まった水分を前記水分排出管から排出させる請求項1に記載の燃料電池装置。 A fuel gas channel connecting pipe that connects the fuel gas channel of the main body and the fuel gas channel of the separation unit;
A water discharge pipe provided with a water discharge solenoid valve and connected to the fuel gas flow path connecting pipe;
2. The fuel according to claim 1, wherein the water discharge solenoid valve is opened when the driving unit drives the separation unit, and discharges water accumulated in the fuel gas flow path of the main body from the water discharge pipe. Battery device.
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2006
- 2006-02-27 JP JP2006049559A patent/JP2007227278A/en not_active Withdrawn
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