JP2008077940A - Fuel cell and optimum control method therefor - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell excelling in self-power-generation efficiency, without being influenced by dust, such contaminants and dirt. <P>SOLUTION: This fuel cell includes a cell 110; air-side passages 210 supplying air to the cell and gas-side passages 220 supplying a gas thereto; venturi tubes 310 and 320 arranged on the air-side passages and the gas-side passages, respectively; and communicating passages 330, making the venturi tubes communicate with each other. The fuel cell is structured, such that the venturi tubes have a restrictor ratio for setting the flow rate of the air supplied to the cell from the air-side passage and the flow rate of the gas supplied to the cell from the gas-side passage, to a desired ratio, when the flow of the gas or the air in the communicating passage is set to zero; a sensor 340 for measuring the flow of gas is arranged on the communicating passage; and the flow rate of the air inside the air-side passage and the flow rate of the gas inside the gas-side passage are controlled so as to eliminate the flow of the gas in the communicating passage, based on the output of the flow sensor. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、例えば家庭用の電気機器の電力を補うのに使用される燃料電池及びその最適制御方法に関する。   The present invention relates to a fuel cell used to supplement the electric power of, for example, household electrical equipment and an optimal control method thereof.

近年、例えば家庭用の電気機器の電力を補うために燃料電池が使用されつつある。かかる家庭用燃料電池の具体的形態として、いわゆるＰＥＦＣ（Polymer Electrolyte Fuel Cell、即ち固体分子型燃料電池）が知られている。ＰＥＦＣには、改質器とセルが備わっており、供給されるメタンなどを含む都市ガスを改質器に通すことにより、ＣＯ２とＨ２に分解し、分解したＨ２に空気を混ぜてセル内でＨ２とＯ２より電気を抽出するようになっている（例えば、特許文献１参照）。 In recent years, for example, fuel cells are being used to supplement the power of household electrical equipment. As a specific form of such a home fuel cell, a so-called PEFC (Polymer Electrolyte Fuel Cell) is known. The PEFC is equipped with a reformer and a cell. By passing the supplied city gas containing methane and the like through the reformer, it is decomposed into CO 2 and H 2 , and air is mixed with the decomposed H 2. Electricity is extracted from H 2 and O 2 in the cell (see, for example, Patent Document 1).

一方、ＰＥＦＣの機能を更に高めた次世代燃料電池として、ＳＯＦＣ（Solid Oxide Fuel Cell、即ち固体酸化物型燃料電池）が知られている（例えば、特許文献２参照）。   On the other hand, SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) is known as a next-generation fuel cell that further enhances the PEFC function (see, for example, Patent Document 2).

ＳＯＦＣの特徴として、発電に先立ってガスを燃やしてセル内の温度を予め高めておくことから、ガスと空気をそのままセル内で混ぜることができる為、ＰＥＦＣにおいて必要とされた改質器が不要となり、発電効率がＰＥＦＣよりも向上する点にある。一方、改質器を不要とする分、セル内に空気とガスを所望の（理想的な）混合比で供給することが必要とされる。
特開２００３−２８２０９８号公報（３−４頁、図３） 特開２００１−２４３９６６号公報（３−４頁、図１） As a feature of SOFC, gas is burned prior to power generation and the temperature in the cell is raised in advance, so gas and air can be mixed in the cell as they are, eliminating the need for a reformer required in PEFC. Thus, the power generation efficiency is higher than that of PEFC. On the other hand, since the reformer is unnecessary, it is necessary to supply air and gas into the cell at a desired (ideal) mixing ratio.
JP 2003-282098 A (page 3-4, FIG. 3) JP 2001-243966 A (page 3-4, FIG. 1)

上述のように、ＳＯＦＣは、高温になったセル内でガスと空気を混ぜてガスを燃焼させ、Ｈ２とＯ２やＣＯ２を発生させるようになっているので、セル内でのガスの燃焼を最適な状態で行うために、セルに供給されるガスと空気の供給比率を最適な値に保つ必要がある。そのため、セルにガスを供給するガス側流路と空気を供給する空気側流路のそれぞれにオリフィスを設け、このオリフィスを利用してガスの流量と空気の流量を計測している。 As described above, SOFC mixes gas and air in a cell that has become hot and burns the gas to generate H 2 , O 2, and CO 2 . In order to perform combustion in an optimal state, it is necessary to maintain the supply ratio of gas and air supplied to the cell at an optimal value. Therefore, an orifice is provided in each of the gas-side flow path for supplying gas to the cell and the air-side flow path for supplying air, and the gas flow rate and the air flow rate are measured using the orifices.

このように流量計測にオリフィスを用いると圧力損失が大きくなるため、例えばファンを介して空気の流量を制御する場合、必要とする空気流量を確保するためにファンの回転数を大きくする必要がある。   Thus, when an orifice is used for flow rate measurement, pressure loss increases. For example, when controlling the flow rate of air via a fan, it is necessary to increase the rotational speed of the fan in order to ensure the required air flow rate. .

しかしながら、ファンの回転駆動には燃料電池自身の電力を利用しているため、ファンの回転数を大きくするとファン駆動のために更なる電力を消費するので、セル内で発生させた自己発電の電力がその分多く使われてしまい、燃料電池の電力発生効率が悪くなるという問題がある。   However, since the power of the fuel cell itself is used to drive the fan, increasing the fan speed consumes more power to drive the fan. Therefore, the self-generated power generated in the cell However, there is a problem that the power generation efficiency of the fuel cell deteriorates.

一方、図２に示す燃料電池２のように、空気側流路２１０（２１１〜２１４）にマスフローメータ５１０と呼ばれる流れセンサを備えると共に、ガス側流路２２０（２２１〜２２４）にマスフローコントローラ５２０（５２１〜５２４）と呼ばれる流れセンサ付きの流量制御手段を取り付け、マスフローメータ５１０によって空気側流路２１０の空気の流量を計測し、この流量を発電力制御部５３０にフィードバックしてマスフローコントローラ５２０を介してガスの流量を制御したり、ブロア３５０のブロア回転数制御部３６０を介して空気の流量を制御したりして、セル１１０（１１１〜１１４）に供給される空気とガスの流量を最適な比率で供給する方式が考えられている。   On the other hand, as in the fuel cell 2 shown in FIG. 2, the air side flow path 210 (211 to 214) includes a flow sensor called a mass flow meter 510, and the gas side flow path 220 (221 to 224) has a mass flow controller 520 ( 521 to 524) is attached to the flow rate control means with a flow sensor, and the mass flow meter 510 measures the flow rate of the air in the air-side flow path 210. The flow rate is fed back to the power generation control unit 530 and passed through the mass flow controller 520. The flow rate of the air and the gas supplied to the cell 110 (111 to 114) is optimized by controlling the flow rate of the gas or controlling the flow rate of the air via the blower rotation speed control unit 360 of the blower 350. A method of supplying at a ratio is considered.

この場合、マスフローメータ５１０は、空気をそのままセル内に吸い込む空気側流路内に直接取り付けられているため、空気中のゴミや埃がマスフローメータ５１０に直接付着してマスフローメータ５１０の動作不良を起こすなどダストに起因する問題が発生する場合がある。また、マスフローコントローラ５２０の流れセンサもガス側流路内に直接取り付けられているので、同様の問題を有している。   In this case, since the mass flow meter 510 is directly attached to the air-side flow channel that sucks air into the cell as it is, dust or dust in the air directly adheres to the mass flow meter 510, causing malfunction of the mass flow meter 510. There may be a problem caused by dust. Further, since the flow sensor of the mass flow controller 520 is also directly mounted in the gas side flow path, it has the same problem.

そして、この問題を防止するために、例えばブロア３５０の送風用ファンにダスト防止用フィルタを装着すると、やはり流路内の空気の圧力損失が大きくなってしまい、前述と同様にファンの回転数を上げて燃料電池の発電効率を低下させる問題が発生する。   In order to prevent this problem, for example, when a dust prevention filter is attached to the blower fan of the blower 350, the pressure loss of the air in the flow path also increases, and the rotational speed of the fan is reduced as described above. This raises the problem of reducing the power generation efficiency of the fuel cell.

本発明の目的は、ゴミや埃などダストの影響を受けず、かつ自己発電効率に優れた燃料電池及びその最適制御方法を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a fuel cell that is not affected by dust such as dust and dust and has excellent self-power generation efficiency and an optimal control method thereof.

上述した課題を解決するために、本発明の請求項１にかかる燃料電池は、
セルと、前記セルに空気を供給する空気側流路及びガスを供給するガス側流路と、前記空気側流路とガス側流路にそれぞれ設けられたベンチュリと、前記ベンチュリ同士を連通する連通路とを有し、前記連通路内のガス又は空気の流れがゼロとなる際に当該空気側流路から前記セルに供給される空気の流量と当該ガス側流路から前記セルに供給されるガスの流量が所望の比率になるような絞り比を前記ベンチュリが有した燃料電池であって、
前記連通路に当該連通路内の気体の流れを計測する流れセンサを備え、当該流れセンサの出力に基づいて当該連通路内の気体の流れがなくなるように前記空気側流路内の空気の流量又はガス側流路内のガスの流量を制御するようにしたことを特徴としている。 In order to solve the above-described problem, a fuel cell according to claim 1 of the present invention includes:
A cell, an air-side flow path for supplying air to the cell, a gas-side flow path for supplying gas, a venturi provided in each of the air-side flow path and the gas-side flow path, and a communication for communicating the venturis with each other. And when the flow of gas or air in the communication passage becomes zero, the flow rate of air supplied from the air-side channel to the cell and the gas-side channel supplied from the gas-side channel to the cell. A fuel cell in which the venturi has a throttling ratio such that a gas flow rate becomes a desired ratio,
A flow sensor for measuring the flow of gas in the communication path is provided in the communication path, and the flow rate of air in the air-side flow path is eliminated based on the output of the flow sensor so that there is no gas flow in the communication path. Alternatively, the flow rate of the gas in the gas side flow path is controlled.

また、本発明の請求項４に記載の燃料電池の最適制御方法は、
セルと、前記セルに空気を供給する空気側流路及びガスを供給するガス側流路と、前記空気側流路とガス側流路にそれぞれ設けられたベンチュリと、前記ベンチュリ同士を連通する連通路とを有し、前記連通路内のガス又は空気の流れがゼロとなる際に当該空気側流路から前記セルに供給される空気の流量と当該ガス側流路から前記セルに供給されるガスの流量が所望の比率になるような絞り比を前記ベンチュリが有した燃料電池の最適制御方法であって、
前記連通路に当該連通路内の気体の流れを計測する流れセンサを備えて、当該連通路内の気体の流れに応じた当該流れセンサの出力を測定し、
前記流れセンサの出力に基づいて前記連通路内の気体の流れがなくなるように前記空気側流路内の空気の流量又はガス側流路内のガスの流量を制御し、
これによって前記空気側流路から前記セルに供給される空気の流量と前記ガス側流路から前記セルに供給されるガスの流量を所望の比率になるようにすることを特徴としている。 The optimum control method for a fuel cell according to claim 4 of the present invention is:
A cell, an air-side flow path for supplying air to the cell, a gas-side flow path for supplying gas, a venturi provided in each of the air-side flow path and the gas-side flow path, and a communication for communicating the venturis with each other. And when the flow of gas or air in the communication passage becomes zero, the flow rate of air supplied from the air-side channel to the cell and the gas-side channel supplied from the gas-side channel to the cell. An optimal control method for a fuel cell in which the venturi has a throttle ratio such that a gas flow rate becomes a desired ratio,
The flow path is provided with a flow sensor that measures the flow of gas in the communication path, and the output of the flow sensor according to the flow of gas in the communication path is measured.
Based on the output of the flow sensor, the flow rate of air in the air-side flow path or the flow rate of gas in the gas-side flow path is controlled so that there is no gas flow in the communication path,
Thus, the flow rate of air supplied from the air-side flow path to the cell and the flow rate of gas supplied from the gas-side flow path to the cell are made to have a desired ratio.

燃料電池に備わった空気側流路とガス側流路のそれぞれにベンチュリを設け、かつ各ベンチュリを連通する連通路を設けて、この連通路に備えた流れセンサの出力がゼロとなるように空気側流路の空気の流量又はガス側流量のガスの流量を制御するようにしたので、オリフィスを設ける従来技術に比べてセルに供給される空気やガスの圧力損失を小さくする。   A venturi is provided in each of the air-side flow path and the gas-side flow path provided in the fuel cell, and a communication path is provided for communicating each venturi, so that the output of the flow sensor provided in the communication path is zero. Since the flow rate of the air in the side flow path or the flow rate of the gas at the gas side flow rate is controlled, the pressure loss of the air or gas supplied to the cell is reduced as compared with the conventional technique in which the orifice is provided.

燃料電池は、自己発電した電力の一部を空気又はガスの流量制御のために消費するようになっているが、ベンチュリを用いてセルに供給される空気やガスの圧力損失を小さくすることで、これらをセルに供給するのに必要な例えばブロア駆動のための消費電力を節約でき、燃料電池の発電効率を高めることができる。   Fuel cells are designed to consume a part of self-generated power for air or gas flow control, but by reducing the pressure loss of air or gas supplied to the cell using a venturi. For example, it is possible to save power consumption for driving the blower necessary for supplying them to the cells, and to improve the power generation efficiency of the fuel cell.

また、空気側流路のベンチュリとガス側流路のベンチュリとを連通する連通路に流れセンサを設け、この連通路内の流れがなくなる際に空気側流路の空気とガス側流路のガスが所望の理想的な流量比でセルに供給されるようにしたので、セルが所望の燃焼状態にあるときは常に流れセンサを通過する空気又はガスの流れがゼロとなる。その結果、流れセンサにゴミや埃などのダストがつきにくく、流れセンサを長期に亘って使用することができ、燃料電池も長寿命化する。   In addition, a flow sensor is provided in a communication path that connects the venturi of the air side flow path and the venturi of the gas side flow path, and when there is no flow in the communication path, the air in the air side flow path and the gas in the gas side flow path Is supplied to the cell at the desired ideal flow ratio so that the air or gas flow through the flow sensor is zero whenever the cell is in the desired combustion state. As a result, dust such as dust and dirt is difficult to adhere to the flow sensor, the flow sensor can be used for a long time, and the life of the fuel cell is also extended.

また、本発明の請求項２に記載の燃料電池は、請求項１に記載の燃料電池において、
前記流れセンサが連通路内の気体の流れ方向を判断可能なことを特徴とする特徴としている。 A fuel cell according to claim 2 of the present invention is the fuel cell according to claim 1,
The flow sensor is capable of determining the flow direction of the gas in the communication path.

また、本発明の請求項５に記載の燃料電池の最適制御方法は、請求項４に記載の燃料電池の最適制御方法において、
前記連通路内の気体の流れ方向を判断可能な流れセンサを用いて前記連通路内の気体の流量測定のみならず流れ方向の検出も併せて行うことを特徴としている。 The optimum control method for a fuel cell according to claim 5 of the present invention is the optimum control method for a fuel cell according to claim 4,
In addition to measuring the flow rate of the gas in the communication path, the flow direction is detected by using a flow sensor capable of determining the flow direction of the gas in the communication path.

燃料電池の流れセンサが連通路内の気体の流れ方向を判断可能とすることで、この流れをいち早くゼロにするように空気又はガスの流量を制御でき、セルに供給されるガスと空気の比率の最適化に関する応答性を高めることができる。   By allowing the fuel cell flow sensor to determine the direction of gas flow in the communication path, the flow rate of air or gas can be controlled so that this flow becomes zero quickly, and the ratio of gas to air supplied to the cell It is possible to improve the responsiveness related to the optimization.

また、本発明の請求項３に記載の燃料電池は、請求項１又は請求項２に記載の燃料電池において、
前記流れセンサが半導体チップの薄膜上に形成されたヒータ抵抗体と、当該
ヒータ抵抗体の流れ方向両側に形成された測温抵抗体からなる熱式流量センサであることを特徴としている。 A fuel cell according to claim 3 of the present invention is the fuel cell according to claim 1 or 2,
The flow sensor is a thermal flow sensor comprising a heater resistor formed on a thin film of a semiconductor chip and temperature measuring resistors formed on both sides of the heater resistor in the flow direction.

また、本発明の請求項６に記載の燃料電池の最適制御方法は、請求項４又は請求項５に記載の燃料電池の最適制御方法において、
前記流れセンサとして半導体チップの薄膜上に形成されたヒータ抵抗体と、当該ヒータ抵抗体の流れ方向両側に形成された測温抵抗体からなる熱式流量センサを用いることを特徴としている。 The optimum control method for a fuel cell according to claim 6 of the present invention is the optimum control method for a fuel cell according to claim 4 or 5,
As the flow sensor, a thermal flow sensor comprising a heater resistor formed on a thin film of a semiconductor chip and temperature measuring resistors formed on both sides in the flow direction of the heater resistor is used.

燃料電池の連通路内の流れがゼロとなるように流れセンサの出力に基づいてセルに供給する空気側流路の空気又はガス側流路のガスの流量を制御するようになっているので、特に空気中やガス中のゴミや埃などいわゆるダストの影響を受け易い微小かつ感度が極めて高い熱式流量センサを用いても、長期に亘って精度良く連通路内の流れの有無を検出でき、セル内にガスと空気を長期に亘って適切な比率で供給できる。   Since the flow in the communication path of the fuel cell is zero, the flow rate of the air in the air side flow path supplied to the cell or the gas flow rate in the gas side flow path is controlled based on the output of the flow sensor. Even with a thermal flow sensor that is extremely sensitive and extremely sensitive to so-called dust such as dust and dirt in the air and gas, the presence or absence of flow in the communication path can be detected accurately over a long period of time. Gas and air can be supplied into the cell at an appropriate ratio over a long period of time.

本発明によると、燃料電池に備わった空気側流路とガス側流路のそれぞれにベンチュリを設け、かつ各ベンチュリを連通する連通路を設けて、この連通路に備えた流れセンサの出力がゼロとなるように空気側流路の空気の流量又はガス側流量のガスの流量を制御するようにしたので、オリフィスを設ける従来技術に比べてセルに供給される空気やガスの圧力損失を小さくする。   According to the present invention, a venturi is provided in each of the air-side flow path and the gas-side flow path provided in the fuel cell, and the communication path that communicates each venturi is provided, and the output of the flow sensor provided in this communication path is zero. Since the flow rate of the air in the air-side flow path or the gas flow rate of the gas-side flow rate is controlled so that the pressure loss of the air and gas supplied to the cell is reduced compared to the conventional technique in which the orifice is provided. .

燃料電池は、自己発電した電力の一部を空気又はガスの流量制御のために消費するようになっているが、ベンチュリを用いてセルに供給される空気やガスの圧力損失を小さくすることで、これらをセルに供給するのに必要な例えばブロア駆動のための消費電力を節約でき、燃料電池の発電効率を高めることができる。   Fuel cells are designed to consume a part of self-generated power for air or gas flow control, but by reducing the pressure loss of air or gas supplied to the cell using a venturi. For example, it is possible to save power consumption for driving the blower necessary for supplying them to the cells, and to improve the power generation efficiency of the fuel cell.

また、空気側流路のベンチュリとガス側流路のベンチュリとを連通する連通路に流れセンサを設け、この連通路内の流れがなくなる際に空気側流路の空気とガス側流路のガスが所望の理想的な流量比でセルに供給されるようにしたので、セルが所望の状態にあるときは常に流れセンサを通過する空気又はガスの流れがゼロとなる。その結果、流れセンサにゴミや埃などのダストがつきにくく、流れセンサを長期に亘って使用することができ、燃料電池も長寿命化することができる。   In addition, a flow sensor is provided in a communication path that connects the venturi of the air side flow path and the venturi of the gas side flow path, and when there is no flow in the communication path, the air in the air side flow path and the gas in the gas side flow path Is supplied to the cell at the desired ideal flow ratio so that the air or gas flow through the flow sensor is zero whenever the cell is in the desired state. As a result, dust such as dust and dirt is difficult to adhere to the flow sensor, the flow sensor can be used for a long time, and the life of the fuel cell can be extended.

以下、本発明の一実施形態にかかる燃料電池について図面に基いて説明する。本発明の一実施形態にかかる燃料電池１は、図１に示すように、セル１１０（１１１〜１１４）と、セル１１０による発電力を制御する発電力制御部１２０と、セル１１０に空気を供給する空気側流路２１０（２１１〜２１４）及びガスを供給するガス側流路２２０（２２１〜２２４）と、空気側流路２１０とガス側流路２２０に設けられたベンチュリ３１０（３１１〜３１４），３２０（３２１〜３２４）を備えている。   Hereinafter, a fuel cell according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. As shown in FIG. 1, a fuel cell 1 according to an embodiment of the present invention supplies a cell 110 (111 to 114), a power generation control unit 120 that controls power generation by the cell 110, and air to the cell 110. Air side flow path 210 (211 to 214) to be supplied, gas side flow path 220 (221 to 224) for supplying gas, and venturi 310 (311 to 314) provided in the air side flow path 210 and the gas side flow path 220. 320 (321 to 324).

更に、この燃料電池１は、ベンチュリ同士を連通する連通路３３０と、連通路内の気体の流れを計測する流れセンサ３４０を備えている。そして、ベンチュリ３１０，３２０の絞り比は、連通路３３０の気体の流れがゼロのときに空気側流路２１０からセル１１０に供給される空気の流量とガス側流路２２０からセル１１０に供給されるガスの流量が所望の理想的な比率になるような絞り比となっている。また、空気側流路２１０の上流側には供給する空気の流量を調整するブロア３５０とブロア回転数制御部３６０が備わっている。   The fuel cell 1 further includes a communication path 330 that communicates the venturis with each other and a flow sensor 340 that measures the flow of gas in the communication path. The throttle ratios of the venturis 310 and 320 are supplied to the cell 110 from the air-side flow path 210 and the gas-side flow path 220 to the cell 110 when the gas flow in the communication path 330 is zero. The squeezing ratio is such that the desired gas flow rate becomes a desired ideal ratio. A blower 350 for adjusting the flow rate of air to be supplied and a blower rotation speed control unit 360 are provided on the upstream side of the air-side flow path 210.

また、発電力制御部１２０は、燃料電池１の発電のための様々な機能を制御するようになっていると共に、流れセンサ３４０の出力に基づいて連通路内の気体の流れがなくなるようにブロア３５０とブロア回転数制御部３６０を介して空気側流路内の空気の流量を制御するようになっている。   The power generation control unit 120 controls various functions for power generation of the fuel cell 1, and the blower blows out the gas flow in the communication path based on the output of the flow sensor 340. The flow rate of air in the air-side flow path is controlled via 350 and the blower rotation speed control unit 360.

かかる燃料電池１は、いわゆるＳＯＦＣと呼ばれる燃料電池で、発電前にガスを燃やしてセル内の温度を予め高めておくことで、ガスと空気をそのままセル内で混ぜることができる為、ＰＥＦＣで必要とされた改質器が不要となり、発電効率がＰＥＦＣよりも向上するようになっている。   Such a fuel cell 1 is a so-called SOFC fuel cell, which is necessary for PEFC because gas and air can be mixed in the cell as they are by increasing the temperature inside the cell by burning the gas before power generation. This eliminates the need for the reformer and improves the power generation efficiency over PEFC.

セル１１０は、単セルと呼ばれるセラミックス製の単電池がいわゆるインターコネクタを介して複数接続された連結構造をとっており、燃料電池の始動時に比較的高温まで過熱されることで特別な改質器を不要にすると共に、電解質が例えばイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）の場合、１０００℃の作動温度まで上昇するようになっている。   The cell 110 has a connection structure in which a plurality of single cells made of ceramics called single cells are connected via a so-called interconnector, and is heated to a relatively high temperature when the fuel cell is started, so that a special reformer is used. When the electrolyte is, for example, yttria stabilized zirconia (YSZ), the temperature rises to an operating temperature of 1000 ° C.

なお、発電力制御部１２０の制御によってセル内には空気側流路２１０から供給された空気とガス側流路２２０から供給されたガスを所望の（最適な）比率で混合すると共に燃焼して、Ｈ２とＣＯ２とＯ２を発生するようになっている。 Note that the air supplied from the air-side channel 210 and the gas supplied from the gas-side channel 220 are mixed and burned in the cell at a desired (optimal) ratio by the control of the power generation control unit 120. , H 2 , CO 2 and O 2 are generated.

そして、セル内に発生したＨ２とＯ２は化学反応を起こしてＨ２Ｏとなる間に電気を発生し、発電力制御部１２０を介して電力をここでは図示ない各電気機器に供給するとともに、電力の一部を、ブロア回転数制御部３６０を介してブロア３５０に供給するようになっている。 Then, H 2 and O 2 generated in the cell electricity generated during the H 2 O undergo a chemical reaction, it is supplied to the not shown each electric device power through a generator power control unit 120 here At the same time, a part of the electric power is supplied to the blower 350 via the blower rotation speed control unit 360.

また、空気側流路２１０とガス側流路２２０にそれぞれ備わったベンチュリ３１０，３２０は、いわゆる流路内の絞り部を構成し、ベルヌーイの定理を利用してこの部分を空気やガスの流速を早めると共に圧力を小さくするようになっている。なお、ベンチュリ３１０，３２０は、従来用いられたオリフィスに比べて空気側流路やガス側流路内の空気やガスの圧力損失を低く抑えるようになっている。   The venturis 310 and 320 provided in the air-side flow path 210 and the gas-side flow path 220 constitute so-called throttling portions in the flow path, and the flow velocity of air or gas is reduced by using Bernoulli's theorem. The pressure is reduced as soon as possible. The venturis 310 and 320 are configured to suppress the pressure loss of air and gas in the air side flow path and the gas side flow path as compared with the conventionally used orifices.

また、ガス側流路２２０の一端には例えば都市ガスが接続され、開閉バルブ２３０（２３１〜２３４）を適宜開閉することで、主にメタンガスからなる都市ガスをセル内に一定量供給するようになっている。   Further, for example, city gas is connected to one end of the gas-side flow path 220, and a certain amount of city gas mainly composed of methane gas is supplied into the cell by appropriately opening and closing the opening / closing valve 230 (231 to 234). It has become.

また、空気側流路２１０の上流側合流部には、送風用ファンを有したブロア３５０が備わり、ブロア回転数制御部３６０の制御によりセル１１０に供給されるガスの流量と空気の流量を所望の（最適な）比率になるようにファンの回転数が制御されるようになっている。   In addition, a blower 350 having a blower fan is provided in the upstream side merge portion of the air-side flow path 210, and the flow rate of gas supplied to the cell 110 and the flow rate of air are controlled by the control of the blower rotation speed control unit 360. The number of rotations of the fan is controlled so that the (optimal) ratio is obtained.

ガス側流路２１０のベンチュリ３１０と空気側流路２２０のベンチュリ３２０とを連通する連通路３３０には、例えば特許第２６０２１１７号公報に記載されたような半導体でできた熱式流量センサである微小かつ高精度の流れセンサ３４０が備わっている。   The communication passage 330 that communicates the venturi 310 of the gas side passage 210 and the venturi 320 of the air side passage 220 has a minute flow rate sensor made of a semiconductor as described in Japanese Patent No. 2602117, for example. A highly accurate flow sensor 340 is provided.

流れセンサ３４０は、ここでは詳細には図示しないが、半導体チップの薄膜上に形成されたヒータ抵抗体Ｒｈと、ヒータ抵抗体の流れ方向両側に形成された測温抵抗体Ｒｕ、Ｒｄからなる熱式流量センサである。流れセンサ３４０は、いわゆるＭＥＭＳ（Micro
Electro Mechanical Systems）によるセンサチップであり、この流れセンサは、例えば約１．７ｍｍ角のシリコン基板のチップ上に異方性エッチングにより約１μｍの膜状のダイアフラムを形成すると共に、このダイアフラムの下にキャビティを形成している。そして、ダイアフラムの中央部に物性安定度の高い例えば白金のパターンからなるヒータ抵抗体Ｒｈを配置し、このヒータ抵抗体Ｒｈを挟むように両側に例えば白金のパターンからなる一側測温抵抗体Ｒｕと他側測温抵抗体Ｒｄを配置している。 Although not shown in detail here, the flow sensor 340 is a heat composed of a heater resistor Rh formed on a thin film of a semiconductor chip and temperature measuring resistors Ru and Rd formed on both sides of the heater resistor in the flow direction. Type flow sensor. The flow sensor 340 is a so-called MEMS (Micro
Electro Mechanical Systems) is a sensor chip. This flow sensor forms a film-like diaphragm of about 1 μm by anisotropic etching on a chip of a silicon substrate of about 1.7 mm square, for example, and below this diaphragm A cavity is formed. Then, a heater resistor Rh made of, for example, a platinum pattern having a high physical property stability is disposed at the center of the diaphragm, and a one-side temperature measuring resistor Ru made of, for example, a platinum pattern is placed on both sides so as to sandwich the heater resistor Rh. The other side resistance temperature detector Rd is arranged.

また、ダイアフラムの周囲近傍のシリコン基台上には例えば白金のパターンからなる周囲温度検出用抵抗体Ｒｒを配置している。   On the silicon base near the periphery of the diaphragm, an ambient temperature detecting resistor Rr made of, for example, a platinum pattern is disposed.

そして、発電力制御部１２０の制御により、周囲温度検出用抵抗体Ｒｒによって測定された周囲温度に対して一定温度だけヒータ抵抗体Ｒｈの温度を上昇させる。そして、気体の流れに応じた一側測温抵抗体Ｒｕと他側測温抵抗体Ｒｄの抵抗値の変化を、ホイーストーンブリッジ回路を介して流量に換算するようになっている。なお、ヒータ抵抗体Ｒｈを挟んで測温抵抗体ＲｕとＲｄを連通路に沿って設けていることで、流れセンサ３４０が連通路内の気体の流れ方向を判断することができるようになっている。   Then, under the control of the power generation control unit 120, the temperature of the heater resistor Rh is increased by a certain temperature with respect to the ambient temperature measured by the ambient temperature detection resistor Rr. And the change of the resistance value of the one side resistance temperature detector Ru and the other side resistance temperature detector Rd according to the gas flow is converted into the flow rate through the Wheatstone bridge circuit. In addition, by providing the resistance temperature detectors Ru and Rd along the communication path with the heater resistor Rh interposed therebetween, the flow sensor 340 can determine the flow direction of the gas in the communication path. Yes.

そして、本実施形態における燃料電池１では、流れセンサ３４０の出力に基づいて連通路内の気体の流れがなくなるように発電力制御部１２０がブロア回転数制御部３６０を介してブロア３５０のファンの回転数をインバータ制御して空気側流路内の空気の流量を調整している。   In the fuel cell 1 according to the present embodiment, the power generation control unit 120 controls the fan of the blower 350 via the blower rotational speed control unit 360 so that the gas flow in the communication path is eliminated based on the output of the flow sensor 340. The flow rate of air in the air-side flow path is adjusted by inverter control of the rotational speed.

続いて、このような構成を有する本実施形態による燃料電池１の最適制御方法についてより具体的に説明する。燃料電池１は、これに備わった空気側流路２１０とガス側流路２２０のそれぞれにベンチュリ３１０，３２０を設け、かつ各ベンチュリ３１０，３２０を連通する連通路３３０を設けている。この連通路３３０に上述した連通路内の気体の流量だけでなく流れ方向も検出できる流れセンサ３４０を備える。   Next, the optimum control method for the fuel cell 1 according to the present embodiment having such a configuration will be described more specifically. The fuel cell 1 is provided with venturis 310 and 320 in each of the air-side flow path 210 and the gas-side flow path 220 provided in the fuel cell 1, and a communication path 330 that communicates the venturis 310 and 320. The communication path 330 includes a flow sensor 340 that can detect not only the flow rate of the gas in the communication path described above but also the flow direction.

まず、燃料電池１の発電中にこの流れセンサ３４０を用いて連通路内の気体の流れ方向と流量を測定する。   First, during the power generation of the fuel cell 1, the flow direction and the flow rate of the gas in the communication path are measured using the flow sensor 340.

そして、この測定結果から流れる気体の流れ方向により、ガス側流路２２０から空気側流路２１０に気体（ガス）が流れていることを検出したときは、空気の供給量が不足していると判断して、流れセンサ３４０の出力がゼロになるまで、即ち連通路内の気体（ガス）の流れが止まるまでブロア３５０のファンの回転数を上げてゆく。   And if it is detected from this measurement result that the gas (gas) is flowing from the gas side flow path 220 to the air side flow path 210 by the flow direction of the flowing gas, the supply amount of air is insufficient. As a result, the rotational speed of the fan of the blower 350 is increased until the output of the flow sensor 340 becomes zero, that is, until the flow of gas in the communication path stops.

一方、この測定結果から流れる気体の流れ方向により、空気側流路２１０からガス側流路２２０に気体（空気）が流れていることを検出したときは、空気の供給量が過剰であると判断して、気体（空気）の流れが止まるまでブロア３５０のファンの回転数を下げていく。   On the other hand, when it is detected from the measurement result that the gas (air) is flowing from the air side channel 210 to the gas side channel 220 based on the flow direction of the flowing gas, it is determined that the supply amount of air is excessive. Then, the rotational speed of the fan of the blower 350 is decreased until the flow of gas (air) stops.

このように、流れセンサ３４０の出力がゼロとなるように空気側流路２１０の空気の流量を制御するようにしたので、オリフィスを設けて空気側流路やガス側流路の流量を計測する従来技術に比べてセル１１０に供給される空気やガスの圧力損失を小さくすることができる。燃料電池は一般に自己発電した電力の一部を使ってブロア３５０のファンの回転数を変えることで空気の流量制御を行うようになっているが、このような従来のオリフィスの代わりに圧力損失の小さいベンチュリ３１０，３２０と連通路３３０及び流れセンサ３４０の組合せで空気の流量を計測することにより、空気の流量制御として消費する電力を節約でき、燃料電池１の発電効率を高めることができる。   As described above, since the flow rate of air in the air side channel 210 is controlled so that the output of the flow sensor 340 becomes zero, an orifice is provided to measure the flow rate of the air side channel and the gas side channel. The pressure loss of the air or gas supplied to the cell 110 can be reduced as compared with the prior art. In general, a fuel cell uses a part of self-generated power to control the air flow rate by changing the rotation speed of the fan of the blower 350. However, instead of the conventional orifice, the pressure loss is reduced. By measuring the air flow rate with a combination of the small venturis 310 and 320, the communication path 330, and the flow sensor 340, it is possible to save the power consumed as the air flow rate control and increase the power generation efficiency of the fuel cell 1.

また、上述した流れセンサ３４０の構成及び燃料電池１の最適制御方法で説明したように、本実施形態にかかる流れセンサ３４０が連通路内の気体の流れ方向を判断するようになっているので、この流れをいち早くゼロにするように空気又はガスの流量を制御でき、セル１１０に供給されるガスと空気の比率を最適化する応答性を高めることができる。   Further, as described in the configuration of the flow sensor 340 and the optimal control method of the fuel cell 1 described above, the flow sensor 340 according to the present embodiment determines the flow direction of the gas in the communication path. The flow rate of air or gas can be controlled so that this flow becomes zero quickly, and the responsiveness of optimizing the ratio of gas to air supplied to the cell 110 can be improved.

また、本実施形態にかかる流れセンサ３４０は、空気中やガス中のゴミや埃などいわゆるダストの影響を受け易い微小かつ感度が極めて高い熱式流量センサであるが、セル１１０に供給する空気側流路の空気の流量を流れセンサ３４０の出力に基づいて燃料電池１の連通路内の流れがなくなるように制御するようになっているので、流れセンサ３４０の備わった連通路内の空気又はガスの流れが通常ゼロとなり、流れセンサ３４０がダストの影響を受けることなく長期に亘って精度良く連通路内の流れの有無を検出でき、セル内にガスと空気を長期に亘って適切な比率で供給できる。   The flow sensor 340 according to the present embodiment is a minute and extremely sensitive thermal flow sensor that is easily affected by so-called dust such as dust and dust in the air or gas. Since the flow rate of the air in the flow path is controlled based on the output of the flow sensor 340 so that there is no flow in the communication path of the fuel cell 1, air or gas in the communication path provided with the flow sensor 340 is provided. The flow sensor 340 is normally zero, and the flow sensor 340 can accurately detect the presence or absence of the flow in the communication path over a long period of time without being affected by dust, and the gas and air in the cell at an appropriate ratio over a long period of time. Can supply.

なお、本発明で使用する流れセンサ３４０としては、流量センサ又は流速センサの何れでも良いが、連通路３３０の流量を測定するためには応答速度が速くて微少流量に対しても感度を有した流れセンサであることが好ましいので、本実施形態で使用されている熱式流量センサが非常に適している。   The flow sensor 340 used in the present invention may be either a flow rate sensor or a flow rate sensor. However, in order to measure the flow rate of the communication path 330, the response speed is fast and it has sensitivity to a minute flow rate. Since it is preferably a flow sensor, the thermal flow sensor used in this embodiment is very suitable.

また、上述の実施形態における燃料電池１の最適制御方法では、流れセンサの出力に応じて空気側流路２１０の空気の流量をブロア３５０のファンの回転数をインバータ制御することで、最適な流量としていたが、必ずしもこれに限定されるものではない。即ち、空気側流路２１０の空気の流量を上述したブロア３５０の回転数で制御する代わりに、ガス側流路２２０のガスの流量を流れセンサ３４０の出力に応じて調整しても良い。   In the optimal control method of the fuel cell 1 in the above-described embodiment, the optimal flow rate is obtained by inverter-controlling the air flow rate of the air-side flow path 210 and the rotational speed of the fan of the blower 350 according to the output of the flow sensor. However, it is not necessarily limited to this. That is, instead of controlling the air flow rate in the air side flow path 210 with the rotation speed of the blower 350 described above, the gas flow rate in the gas side flow path 220 may be adjusted according to the output of the flow sensor 340.

具体的には、流れセンサ３４０の検出する連通路内の気体の流れ方向に応じて、ガス側流路２２０から空気側流路２１０に気体（ガス）が流れていると判断したときは、ガス側流路２２０に設けた比例バルブを若干絞ることで連通路内にこの気体（ガス）が流れなくなるようにする。   Specifically, when it is determined that gas (gas) is flowing from the gas side channel 220 to the air side channel 210 according to the gas flow direction in the communication path detected by the flow sensor 340, the gas This gas (gas) is prevented from flowing into the communication path by slightly restricting the proportional valve provided in the side flow path 220.

一方、空気側流路２１０からガス側流路２２０に気体（空気）が流れていると判断したときは、ガス側流路２２０に設けた比例バルブを若干開くことで連通路内にこの気体（空気）が流れないようにする。   On the other hand, when it is determined that gas (air) is flowing from the air side flow path 210 to the gas side flow path 220, the gas (air) is opened in the communication path by slightly opening the proportional valve provided in the gas side flow path 220. Air) should not flow.

このように上述の実施形態のブロア３５０を用いる代わりに比例バルブを用いてガスの流量を最適値まで絞り、ガスの流量と空気の流量が最適な比率となってセルに供給して燃料電池の最適制御を行なうことも可能である。   In this way, instead of using the blower 350 of the above-described embodiment, the flow rate of the gas is throttled to the optimum value using the proportional valve, and the gas flow rate and the air flow rate are supplied to the cell at the optimum ratio to supply the fuel cell. Optimal control can also be performed.

なお、流れセンサは上述のように連通路内の空気又はガスの流れの方向性を必ずしも判断可能とする必要はなく、連通路内の空気又はガスの流れの有無のみを判断する機能だけを有していても良い。この場合、流れセンサが連通路内の空気又はガスの流れを検出したとき、例えば、本実施形態における空気の流量のように、ガス又は空気のうち流量制御可能な方の流量を増減させると共に、流れセンサの出力の変化の仕方を監視することで流れの方向性を判断することができる。   As described above, the flow sensor does not necessarily need to be able to determine the directionality of the air or gas flow in the communication path, and has only a function for determining the presence or absence of the air or gas flow in the communication path. You may do it. In this case, when the flow sensor detects the flow of air or gas in the communication path, for example, the flow rate of the gas or air that can be controlled is increased or decreased like the flow rate of air in the present embodiment. The directionality of the flow can be determined by monitoring how the output of the flow sensor changes.

また、燃料電池１の起動時に空気側流路２１０から連通路３３０に空気を僅かに流して連通路内で空気側流路２１０からガス側流路２２０への流れがあることを流れセンサ３４０で検出し、これによって流れセンサ３４０の検出出力が正常であり流れセンサ３４０が壊れていないことを確認しても良い。この場合、連通路内のガス又は空気の流れがないときも流れセンサの出力にオフセットを加えて流れセンサから一定の出力電圧（バイアス電圧）が常に得られるようにすることによって流れセンサ３４０に関するより確実な安全対策をとることが可能となる。   In addition, the flow sensor 340 indicates that there is a flow from the air-side flow path 210 to the gas-side flow path 220 in the communication path by slightly flowing air from the air-side flow path 210 to the communication path 330 when the fuel cell 1 is started. It may be detected that the detection output of the flow sensor 340 is normal and the flow sensor 340 is not broken. In this case, even when there is no flow of gas or air in the communication path, an offset is added to the output of the flow sensor so that a constant output voltage (bias voltage) is always obtained from the flow sensor. Certain safety measures can be taken.

以上説明したように、本発明による燃料電池を用いることで、従来の燃料電池の問題点を解決できる。具体的には、従来のオリフィスとキャピラリ方式や毛細管を束ねた方式と流れセンサの組み合わせを備えた燃料電池の場合、空気側流路内やガス側流路内の流量測定に伴うゴミの付着による流れセンサの性能劣化の問題や圧力損失の問題による発電効果の低下に起因して、キャピラリ方式に精度の高い熱式の流れセンサや半導体流れセンサを用いるにもかかわらず燃料電池の機能を十分に発揮できなかったが、本発明の場合はこのような問題を解決してゴミや埃などダストの影響を受けず、かつ自己発電効率に優れた燃料電池とすることが可能となる。   As described above, the problems of the conventional fuel cell can be solved by using the fuel cell according to the present invention. Specifically, in the case of a fuel cell having a combination of a conventional orifice and capillary method, a method of bundling capillaries, and a flow sensor, it is caused by adhesion of dust accompanying flow measurement in the air-side channel or gas-side channel. Due to the deterioration of the power generation effect due to the flow sensor performance degradation problem and pressure loss problem, the function of the fuel cell is sufficiently achieved despite the use of the highly accurate thermal flow sensor and semiconductor flow sensor in the capillary method. However, in the case of the present invention, it is possible to solve such a problem and to obtain a fuel cell that is not affected by dust such as dust and dust and has excellent self-power generation efficiency.

本発明の一実施形態にかかる燃料電池を示した概略ブロック図である。1 is a schematic block diagram showing a fuel cell according to an embodiment of the present invention. 本発明に関連する概略ブロック図である。It is a schematic block diagram relevant to this invention.

符号の説明Explanation of symbols

１，２ 燃料電池
１１０（１１１〜１１４） セル
１２０ 発電力制御部
２１０（２１１〜２１４） 空気側流路
２２０（２２１〜２２４） ガス側流路
２３０（２３１〜２３４） 開閉バルブ
３１０（３１１〜３１４），３２０（３２１〜３２４） ベンチュリ
３３０ 連通路
３４０ 流れセンサ
３５０ ブロア
３６０ ブロア回転数制御部
５１０ マスフローメータ
５２０（５２１〜５２４） マスフローコントローラ
５３０ 発電力制御部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 2 Fuel cell 110 (111-114) Cell 120 Power generation control part 210 (211-214) Air side flow path 220 (221-224) Gas side flow path 230 (231-234) Open / close valve 310 (311-314) ), 320 (321 to 324) Venturi 330 Communication path 340 Flow sensor 350 Blower 360 Blower rotation speed control unit 510 Mass flow meter 520 (521 to 524) Mass flow controller 530 Power generation control unit

Claims (6)

セルと、前記セルに空気を供給する空気側流路及びガスを供給するガス側流路と、前記空気側流路とガス側流路にそれぞれ設けられたベンチュリと、前記ベンチュリ同士を連通する連通路とを有し、前記連通路内のガス又は空気の流れがゼロとなる際に当該空気側流路から前記セルに供給される空気の流量と当該ガス側流路から前記セルに供給されるガスの流量が所望の比率になるような絞り比を前記ベンチュリが有した燃料電池であって、
前記連通路に当該連通路内の気体の流れを計測する流れセンサを備え、当該流れセンサの出力に基づいて当該連通路内の気体の流れがなくなるように前記空気側流路内の空気の流量又はガス側流路内のガスの流量を制御するようにしたことを特徴とする燃料電池。 A cell, an air-side flow path for supplying air to the cell, a gas-side flow path for supplying gas, a venturi provided in each of the air-side flow path and the gas-side flow path, and a communication for communicating the venturis with each other. And when the flow of gas or air in the communication passage becomes zero, the flow rate of air supplied from the air-side channel to the cell and the gas-side channel supplied from the gas-side channel to the cell. A fuel cell in which the venturi has a throttling ratio such that a gas flow rate becomes a desired ratio,
A flow sensor for measuring the flow of gas in the communication path is provided in the communication path, and the flow rate of air in the air-side flow path is eliminated based on the output of the flow sensor so that there is no gas flow in the communication path. Alternatively, the fuel cell is characterized in that the flow rate of the gas in the gas side channel is controlled. 前記流れセンサが前記連通路内の気体の流れ方向を判断可能なことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 1, wherein the flow sensor is capable of determining a flow direction of gas in the communication path. 前記流れセンサが半導体チップの薄膜上に形成されたヒータ抵抗体と、当該ヒータ抵抗体の流れ方向両側に形成された測温抵抗体からなる熱式流量センサであることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の燃料電池。   The flow sensor is a thermal flow sensor comprising a heater resistor formed on a thin film of a semiconductor chip and a temperature measuring resistor formed on both sides of the heater resistor in the flow direction. The fuel cell according to claim 1 or 2. セルと、前記セルに空気を供給する空気側流路及びガスを供給するガス側流路と、前記空気側流路とガス側流路にそれぞれ設けられたベンチュリと、前記ベンチュリ同士を連通する連通路とを有し、前記連通路内のガス又は空気の流れがゼロとなる際に当該空気側流路から前記セルに供給される空気の流量と当該ガス側流路から前記セルに供給されるガスの流量が所望の比率になるような絞り比を前記ベンチュリが有した燃料電池の最適制御方法であって、
前記連通路に当該連通路内の気体の流れを計測する流れセンサを備えて、当該連通路内の気体の流れに応じた当該流れセンサの出力を測定し、
前記流れセンサの出力に基づいて前記連通路内の気体の流れがなくなるように前記空気側流路内の空気の流量又はガス側流路内のガスの流量を制御し、
これによって前記空気側流路から前記セルに供給される空気の流量と前記ガス側流路から前記セルに供給されるガスの流量を所望の比率になるようにすることを特徴とする燃料電池の最適制御方法。 A cell, an air-side flow path for supplying air to the cell, a gas-side flow path for supplying gas, a venturi provided in each of the air-side flow path and the gas-side flow path, and a communication for communicating the venturis with each other. And when the flow of gas or air in the communication passage becomes zero, the flow rate of air supplied from the air-side channel to the cell and the gas-side channel supplied from the gas-side channel to the cell. An optimal control method for a fuel cell in which the venturi has a throttle ratio such that a gas flow rate becomes a desired ratio,
The flow path is provided with a flow sensor that measures the flow of gas in the communication path, and the output of the flow sensor according to the flow of gas in the communication path is measured.
Based on the output of the flow sensor, the flow rate of air in the air-side flow path or the flow rate of gas in the gas-side flow path is controlled so that there is no gas flow in the communication path,
Accordingly, a flow rate of air supplied from the air side flow path to the cell and a flow rate of gas supplied from the gas side flow path to the cell are set to a desired ratio. Optimal control method. 前記連通路内の気体の流れ方向を判断可能な流れセンサを用いて前記連通路内の気体の流量測定のみならず流れ方向の検出も併せて行うことを特徴とする、請求項４に記載の燃料電池の最適制御方法。   5. The flow sensor according to claim 4, wherein not only the flow rate measurement of the gas in the communication path but also the detection of the flow direction is performed using a flow sensor capable of determining the flow direction of the gas in the communication path. Optimal control method for fuel cells. 前記流れセンサとして半導体チップの薄膜上に形成されたヒータ抵抗体と、当該ヒータ抵抗体の流れ方向両側に形成された測温抵抗体からなる熱式流量センサを用いることを特徴とする、請求項４又は請求項５に記載の燃料電池の最適制御方法。   The thermal flow sensor comprising a heater resistor formed on a thin film of a semiconductor chip and a resistance temperature detector formed on both sides of the heater resistor in the flow direction is used as the flow sensor. The optimal control method of the fuel cell according to claim 4 or 5.
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