JP2008192393A - Fuel cell, fuel cell power generating system, and its operation method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池、燃料電池発電システムおよびその運転方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell, a fuel cell power generation system, and an operation method thereof.
燃料電池は、燃料と酸化剤とを電気化学的に反応させることにより発電するエネルギ変換装置である。燃料はたとえば水素を含む混合ガスであり、酸化剤はたとえば空気である。この燃料電池は、高効率で環境負荷の少ない発電装置であり、性能向上、コスト低減、そして高耐久化のための研究・開発が進められている。 A fuel cell is an energy conversion device that generates electricity by electrochemically reacting fuel and an oxidant. The fuel is, for example, a mixed gas containing hydrogen, and the oxidant is, for example, air. This fuel cell is a high-efficiency and low environmental load power generation device, and research and development for performance improvement, cost reduction, and high durability are underway.
燃料電池の適用が検討されている分野は多岐にわたるが、特に活発に開発されている分野のひとつに家庭用コジェネレーションシステムがある。家庭用コジェネレーションシステムは、発電ユニットと熱利用ユニットからなり、その間は排熱回収のために温水循環ラインで結ばれている。 There are many fields in which the application of fuel cells is being considered, but one of the fields that is being actively developed is home cogeneration systems. A household cogeneration system is composed of a power generation unit and a heat utilization unit, which are connected by a hot water circulation line to recover exhaust heat.
発電ユニットは、直流発電デバイスである燃料電池スタックと、燃料処理系、空気供給系、熱管理システム、電力変換器などをパッケージ内に収納したものである。燃料処理系は、都市ガスやプロパンガスなどの原燃料ガスを改質し水素リッチガスを製造して燃料電池本体の燃料極に供給する。空気供給系は、空気を燃料電池本体の酸化剤極に供給する。熱管理システムは、電池や燃料処理系の排熱を回収し熱利用ユニットに熱入力する。電力変換器は、燃料電池スタックの直流出力を電力系統に連係可能な交流に変換する。 The power generation unit is a unit in which a fuel cell stack which is a DC power generation device, a fuel processing system, an air supply system, a heat management system, a power converter, and the like are housed in a package. The fuel processing system reforms raw fuel gas such as city gas and propane gas to produce hydrogen rich gas and supplies it to the fuel electrode of the fuel cell main body. The air supply system supplies air to the oxidant electrode of the fuel cell main body. The thermal management system collects exhaust heat from the battery and the fuel processing system and inputs heat to the heat utilization unit. The power converter converts the direct current output of the fuel cell stack into alternating current that can be linked to the power system.
燃料電池スタックは、たとえば電解質を含んだ固体高分子膜を酸化剤極(カソード)と燃料極(アノード)で挟持した単位セルを、複数積層して形成されている。燃料電池におけるエネルギ変換は、固体高分子形を例にとれば、下式に示す単位セルにおける電気化学反応である。 The fuel cell stack is formed, for example, by stacking a plurality of unit cells in which a solid polymer film containing an electrolyte is sandwiched between an oxidant electrode (cathode) and a fuel electrode (anode). Energy conversion in a fuel cell is an electrochemical reaction in a unit cell represented by the following formula, taking a solid polymer form as an example.
燃料極での反応 :2H2 → 4H+ + 4e− (1)
酸化剤極での反応 :O2 + 4H+ + 4e− → 2H2O (2)
全反応 :2H2 + O2 → 2H2O (3)
単位セルの発生電圧は、動作条件での電極における酸化還元反応のギブスエネルギに規制され、理論上の上限は1.2V程度である。さらに反応に伴う活性化分極、濃度分極、抵抗などの損失により、通常1V以下のセル電圧しか得られない。そこで、通常は、所要の電圧を得るために多数の単位セルを電気的に直列になるように積層し、両端から締め付けた積層電池として用いられる。積層電池に反応ガスや冷却水の取合いや電力の取出しタップ、計装線などを取り付けたものを燃料電池スタック(Cell Stack Assembly)と称する。
Reaction at the fuel electrode: 2H 2 → 4H + + 4e − (1)
Reaction at the oxidant electrode: O 2 + 4H + + 4e − → 2H 2 O (2)
Total reaction: 2H 2 + O 2 → 2H 2 O (3)
The generated voltage of the unit cell is regulated by the Gibbs energy of the oxidation-reduction reaction at the electrode under operating conditions, and the theoretical upper limit is about 1.2V. Furthermore, due to the loss of activation polarization, concentration polarization, resistance, etc. accompanying the reaction, usually only a cell voltage of 1 V or less can be obtained. Therefore, normally, in order to obtain a required voltage, a large number of unit cells are stacked so as to be electrically connected in series and used as a stacked battery that is clamped from both ends. A stack battery with a reaction gas and cooling water, a power tap, an instrumentation line, etc., is called a fuel cell stack.
単位セルは、化学反応に伴うエネルギ落差(生成熱)を電気エネルギに変換する変換デバイスである。電気エネルギに変換されなかったエネルギ落差(束縛エネルギ分、分極による損失エネルギ分)は、熱となる。セルの過熱を防止すると共に、発生熱を回収してシステム内で有効に活用するため、積層電池には冷却板が挿入され、燃料電池発電システム内を循環する冷却水にセルの発生熱を移動させる。
燃料電池発電システムには、コストの削減、耐久性の向上、信頼性の向上が求められている。また、家庭に設置される場合には、設置スペースが小さいこと、エネルギ利用効率が高く光熱費のメリットが出ることも求められる。 Fuel cell power generation systems are required to reduce costs, improve durability, and improve reliability. In addition, when installed in a home, it is also required that the installation space is small, the energy use efficiency is high, and the merit of utility cost is obtained.
燃料電池発電システムの中で高コストの機器は、セル積層体である。セル積層体は単位セル、隔離板、冷却板を多数積層したものである。セル積層体の積層数を削減して低電圧・高電流で運用することは、高価な積層部品の使用量を減らすことになる。したがって、コスト削減に有力な方法である。さらに、積層数の削減は燃料電池スタックのコンパクト化の手段としても有効である。 A high cost device in the fuel cell power generation system is a cell stack. The cell laminate is a laminate of a large number of unit cells, separators, and cooling plates. Reducing the number of cell stacks to operate at a low voltage and high current reduces the amount of expensive stacked components used. Therefore, it is an effective method for cost reduction. Further, the reduction in the number of stacked layers is effective as a means for making the fuel cell stack compact.
しかし、積層電池のセル数を削減し大電流で運転すると、単位セルの反応面内の温度勾配が大きくなり、電池特性が悪化し、セル損傷リスクが増加する。このような悪影響は、特に放熱の大きな端部の単位セルで顕著である。また、インバータなどを用いた電力変換器の変換効率は、主回路電流が大きくなるのに伴って低下する。このため、電池の直流電力(電圧×電流)が同じでも、低電圧かつ高電流になるにしたがって、発熱が増加する。 However, if the number of cells of the stacked battery is reduced and the battery is operated with a large current, the temperature gradient in the reaction surface of the unit cell increases, battery characteristics deteriorate, and the risk of cell damage increases. Such an adverse effect is particularly remarkable in the unit cell at the end where heat dissipation is large. In addition, the conversion efficiency of a power converter using an inverter or the like decreases as the main circuit current increases. For this reason, even if the direct current power (voltage × current) of the battery is the same, heat generation increases as the voltage becomes lower and the current becomes higher.
このため燃料電池発電システムの積層電池を大電流低電圧化するためには、電力変換器の除熱強化が必要である。 For this reason, in order to reduce the large current and voltage of the stacked battery of the fuel cell power generation system, it is necessary to enhance the heat removal of the power converter.
たとえば特許文献1には、スイッチング素子と熱交換器を一体化し、スイッチング素子からの発熱をエアコンの熱源に用いる方法が開示されている。また、特許文献2では、暖められた水をラジエタと熱交換することで、水冷式の大型のインバータからの発熱をプロセス空気の予熱に利用する方法が開示されている。しかし、水冷システムを小規模のシステムに適用するには、パッケージサイズの制限や、補機動力の増加の点で困難を伴う。
For example,
そこで、本発明は、燃料電池の電気出力を所定の形態に変換する電力変換回路の除熱効率を高めることを目的とする。 Then, an object of this invention is to improve the heat removal efficiency of the power converter circuit which converts the electric output of a fuel cell into a predetermined form.
上述の目的を達成するため、本発明は、燃料電池において、電解質とその電解質を挟んで配置された一対の酸化剤極および燃料極とを備えた単位セルとその単位セルを挟んで配置されて前記酸化剤極に酸化剤のガスを供給する酸化剤流路が形成された第1の隔離板および前記燃料極に燃料のガスを供給する燃料流路が形成された第2の隔離板と前記第1および第2の隔離板に接触して冷却媒体が流れる冷却媒体流路が形成された冷却板とを一対の集電板の間に積層し、その集電板の外側から締付板で圧縮締め付けされたセル積層部と、前記集電板に接触する伝熱板と、前記伝熱板に接触して設けられた動作時に発熱する発熱部品を備えて前記セル積層部の電気出力を所定の形態に変換する電力変換回路と、を有することを特徴とする。 In order to achieve the above-described object, the present invention provides a fuel cell in which a unit cell including an electrolyte and a pair of an oxidant electrode and a fuel electrode sandwiched between the electrolyte and the unit cell is disposed. A first separator having an oxidant flow path for supplying an oxidant gas to the oxidant electrode; a second separator having a fuel flow path for supplying a fuel gas to the fuel electrode; and A cooling plate formed with a cooling medium flow path through which the cooling medium flows in contact with the first and second separators is laminated between a pair of current collecting plates, and compressed and tightened from the outside of the current collecting plates with a clamping plate A cell stack unit, a heat transfer plate in contact with the current collector plate, and a heat-generating component that generates heat during operation provided in contact with the heat transfer plate, and the electrical output of the cell stack unit is in a predetermined form And a power conversion circuit for converting the power into the power.
また、本発明は、燃料電池発電システムにおいて、電解質とその電解質を挟んで配置された一対の酸化剤極および燃料極とを備えた単位セルとその単位セルを挟んで配置されて前記酸化剤極に酸化剤のガスを供給する酸化剤流路が形成された第1の隔離板および前記燃料極に燃料のガスを供給する燃料流路が形成された第2の隔離板と前記第1および第2の隔離板に接触して冷却媒体が流れる冷却媒体流路が形成された冷却板とを一対の集電板の間に積層し、その集電板の外側から締付板で圧縮締め付けされたセル積層部と、前記集電板に接触する伝熱板と、前記伝熱板に接触して設けられた動作時に発熱する発熱部品を備えて前記セル積層部の電気出力を所定の形態に変換する電力変換回路と、前記締付板とともに前記電力変換回路を囲み、開口部が形成されたケーシングと、前記酸化剤流路に酸化剤を供給する酸化剤供給系と、前記燃料流路に燃料を供給する燃料供給系と、前記冷却媒体流路に冷却媒体を循環させる冷却系と、前記酸化剤供給系、前記燃料供給系および前記冷却系を制御するシステム制御器と、を有することを特徴とする。 In the fuel cell power generation system, the present invention provides a unit cell including an electrolyte and a pair of oxidant electrode and fuel electrode disposed with the electrolyte interposed therebetween, and the oxidant electrode disposed with the unit cell interposed therebetween. A first separator having an oxidant channel for supplying an oxidant gas to the first separator, a second separator having a fuel channel for supplying a fuel gas to the fuel electrode, and the first and first separators. A cell stack formed by laminating a cooling plate formed with a cooling medium flow path through which a cooling medium flows in contact with two separators between a pair of current collecting plates, and compressed and clamped by a clamping plate from the outside of the current collecting plate Unit, a heat transfer plate in contact with the current collector plate, and a heat generating component that generates heat during operation provided in contact with the heat transfer plate, and converts the electric output of the cell stack portion into a predetermined form Surrounding the power conversion circuit together with the conversion circuit and the clamping plate A casing having an opening, an oxidant supply system for supplying an oxidant to the oxidant flow path, a fuel supply system for supplying fuel to the fuel flow path, and a cooling medium circulating in the cooling medium flow path And a system controller that controls the oxidant supply system, the fuel supply system, and the cooling system.
また、本発明は、電解質とその電解質を挟んで配置された一対の酸化剤極および燃料極とを備えた単位セルとその単位セルを挟んで配置されて前記酸化剤極に酸化剤のガスを供給する酸化剤流路が形成された第1の隔離板および前記燃料極に燃料のガスを供給する燃料流路が形成された第2の隔離板と前記第1および第2の隔離板に接触して冷却媒体が流れる冷却媒体流路が形成された冷却板とを一対の集電板の間に積層し、その集電板の外側から締付板で圧縮締め付けされたセル積層部と、前記集電板に接触する伝熱板と、前記伝熱板に接触して設けられた動作時に発熱する発熱部品を備えて前記セル積層部の電気出力を所定の形態に変換する電力変換回路と、前記締付板とともに前記電力変換回路を囲み、開口部が形成されたケーシングと、前記酸化剤流路に酸化剤を供給する酸化剤供給系と、前記燃料流路に燃料を供給する燃料供給系と、前記伝熱板の表面温度を測定する伝熱板温度センサと前記冷却媒体を駆動するポンプと前記冷却媒体を除熱する除熱用熱交換器と前記冷却媒体流路の出口での前記冷却媒体の温度を検出する冷却媒体温度センサとを備えて前記冷却媒体流路に前記冷却媒体を循環させる冷却系と、を備えた燃料電池発電システムの運転方法において、前記伝熱板温度センサが検出した前記伝熱板の表面温度および前記冷却媒体温度センサが検出した前記冷却媒体の温度に基づいて前記ポンプの回転数を制御することを特徴とする。 The present invention also provides a unit cell having an electrolyte and a pair of an oxidant electrode and a fuel electrode arranged with the electrolyte in between, and an oxidant gas disposed between the unit cell and the oxidant electrode. A first separator having an oxidant channel to be supplied, a second separator having a fuel channel for supplying fuel gas to the fuel electrode, and the first and second separators in contact with each other A stack of cooling plates formed with a cooling medium flow path through which the cooling medium flows are stacked between a pair of current collecting plates, and the current collecting plate is compressed and clamped by a clamping plate from the outside of the current collecting plates; A heat transfer plate that contacts the plate, a power conversion circuit that includes a heat-generating component that generates heat during operation provided in contact with the heat transfer plate, and converts the electrical output of the cell stack portion into a predetermined form; A casing that surrounds the power conversion circuit together with a plate and has an opening An oxidant supply system for supplying an oxidant to the oxidant flow path, a fuel supply system for supplying fuel to the fuel flow path, a heat transfer plate temperature sensor for measuring a surface temperature of the heat transfer plate, and the cooling A cooling medium flow path comprising: a pump for driving the medium; a heat exchanger for removing heat from the cooling medium; and a cooling medium temperature sensor for detecting a temperature of the cooling medium at an outlet of the cooling medium flow path. And a cooling system that circulates the cooling medium, and a surface temperature of the heat transfer plate detected by the heat transfer plate temperature sensor and the cooling detected by the cooling medium temperature sensor. The number of revolutions of the pump is controlled based on the temperature of the medium.
また、本発明は、電解質とその電解質を挟んで配置された一対の酸化剤極および燃料極とを備えた単位セルとその単位セルを挟んで配置されて前記酸化剤極に酸化剤のガスを供給する酸化剤流路が形成された第1の隔離板および前記燃料極に燃料のガスを供給する燃料流路が形成された第2の隔離板と前記第1および第2の隔離板に接触して冷却媒体が流れる冷却媒体流路が形成された冷却板とを一対の集電板の間に積層し、その集電板の外側から締付板で圧縮締め付けされたセル積層部と、前記集電板に接触する伝熱板と、前記伝熱板に接触して設けられた動作時に発熱する発熱部品を備えて前記セル積層部の電気出力を所定の形態に変換する電力変換回路と、前記締付板とともに前記電力変換回路を囲み、開口部が形成されたケーシングと、前記酸化剤流路に酸化剤を供給する酸化剤供給系と、前記燃料流路に燃料を供給する燃料供給系と、前記伝熱板の表面温度を測定する伝熱板温度センサと前記冷却媒体を駆動するポンプと一次側を流れる前記冷却媒体を二次側を流れる二次冷却媒体を用いて除熱する熱交換器と前記冷却媒体流路の出口での前記冷却媒体の温度を検出する冷却媒体温度センサとラジエタファンによって前記二次冷却媒体を冷却するラジエタと前記二次側冷却媒体を駆動して前記熱交換器の二次側および前記ラジエタを通って循環させる二次冷却媒体循環ポンプとを備えて前記冷却媒体流路に前記冷却媒体を循環させる冷却系と、を備えた燃料電池発電システムの運転方法において、前記伝熱板温度センサが検出した前記伝熱板の表面温度および前記冷却媒体温度センサが検出した前記冷却媒体の温度に基づいて前記二次冷却媒体循環ポンプの回転数および前記ラジエタファンの回転数の少なくとも一方を制御することを特徴とする。 The present invention also provides a unit cell having an electrolyte and a pair of an oxidant electrode and a fuel electrode arranged with the electrolyte in between, and an oxidant gas disposed between the unit cell and the oxidant electrode. A first separator having an oxidant channel to be supplied, a second separator having a fuel channel for supplying fuel gas to the fuel electrode, and the first and second separators in contact with each other A stack of cooling plates formed with a cooling medium flow path through which the cooling medium flows are stacked between a pair of current collecting plates, and the current collecting plate is compressed and clamped by a clamping plate from the outside of the current collecting plates; A heat transfer plate that contacts the plate, a power conversion circuit that includes a heat-generating component that generates heat during operation provided in contact with the heat transfer plate, and converts the electrical output of the cell stack portion into a predetermined form; A casing that surrounds the power conversion circuit together with a plate and has an opening An oxidant supply system for supplying an oxidant to the oxidant flow path, a fuel supply system for supplying fuel to the fuel flow path, a heat transfer plate temperature sensor for measuring a surface temperature of the heat transfer plate, and the cooling A pump that drives the medium and a heat exchanger that removes heat from the cooling medium that flows on the primary side using the secondary cooling medium that flows on the secondary side, and a temperature of the cooling medium at the outlet of the cooling medium flow path are detected. A secondary cooling medium circulation in which the secondary cooling medium is cooled by a cooling medium temperature sensor and a radiator fan, and the secondary cooling medium is driven to circulate through the secondary side of the heat exchanger and the radiator. And a cooling system that circulates the cooling medium in the cooling medium flow path with a pump, and a surface temperature of the heat transfer plate detected by the heat transfer plate temperature sensor. The cooling medium Characterized in that the temperature sensor for controlling at least one rotational speed of the rotational speed and the radiator fan of the secondary cooling medium circulation pump based on the temperature of the cooling medium detected.
本発明によれば、燃料電池の電気出力を所定の形態に変換する電力変換回路の除熱効率を高めることができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the heat removal efficiency of the power converter circuit which converts the electric output of a fuel cell into a predetermined form can be improved.
本発明に係る燃料電池発電システムの実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。 An embodiment of a fuel cell power generation system according to the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same or similar structure, and the overlapping description is abbreviate | omitted.
[第1の実施の形態]
図1は、本発明に係る燃料電池発電システムの第1の実施の形態における電池スタックの縦断面図である。図2は、本実施の形態における単位セルの断面図である。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a cell stack in a first embodiment of a fuel cell power generation system according to the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view of the unit cell in the present embodiment.
電池スタック50は、単位セル70を複数積層したセル積層部1を有している。
The
単位セル70は、電解質71と、この電解質71を挟む一対の酸化剤極(カソード)73および燃料極(アノード)74を有している。電解質71は、たとえば固体高分子膜中に保持されている。酸化剤極73および燃料極74は、いずれもガスを透過する導電性の多孔質材が用いられる。
The
固体高分子形の燃料電池では、たとえば100℃以下で動作する。このため、反応を促進させるために、酸化剤極73と電解質71との間、および、燃料極74と電解質71との間に触媒72の薄層が形成されている。触媒としては、白金触媒あるいは白金を主体とする合金触媒を用いることができる。さらに必要に応じてバインダー樹脂や親水材あるいは撥水材を触媒と混合して用いる。
A solid polymer fuel cell operates at, for example, 100 ° C. or lower. For this reason, in order to promote the reaction, a thin layer of the
また、単位セル70は、酸化剤極73および燃料極74を挟む一対の隔離板(セパレータ)75,76を有している。隔離板75,76は、燃料ガス、酸化剤ガスなどのガスを透過しない材料で形成される、もしくは多孔質板に例えば水を含浸させてその耐泡圧(バブルプレッシャー)によってガスを隔離する方法を用いることもある。酸化剤極73に接する隔離板75には、空気などの酸化剤ガスが流れる酸化剤流路77が形成されている。燃料極74に接する隔離板76には、水素などの燃料ガスが流れる燃料流路78が形成されている。
The
単位セル70は、さらに隔離板75,76に接する冷却板6を有している。冷却板6には、冷却材流路79が形成されている。セル積層部1で発生した熱は、冷却材流路79を流れる冷却媒体によって燃料電池の外部に排出されるようになっている。冷却媒体は、たとえば水である。
The
セル積層部1は、積層方向の両端で負極集電板2および正極集電板4に挟まれている。負極集電板2は、接地されている。負極集電板2と正極集電板4に挟まれたセル積層部1は、負極締付板3および正極締付板5によって挟まれている。負極締付板3および正極締付板5には、ロッド51が貫通している。ロッド51に取り付けられたナット52で移動が制限された負極締付板3および正極締付板5によって、セル積層部1は締め付けられている。セル積層部1の冷却板6のうち、正極集電板4に接するものを端部冷却板66と呼ぶこととする。
The
セル積層部1の周囲には、燃料および酸化剤のガスや冷却水を所定の流路に分配する取合部32が設けられている。
Around the
また、正極締付板5の一部は貫通部を有し、その貫通部分には、正極集電板4に取り付けられた伝熱板7が配置されている。伝熱板7は、セル積層部1の反応面内における温度分布を考慮し、反応面内の低温部に近接して配置されている。
Further, a part of the positive
正極締付板5を挟んで、セル積層部1の反対側には、ケーシング13が設けられている。ケーシング13の内面には、吸音材15が配設されている。吸音材15は、断熱機能も有している。またケーシング13には、排気ポート61および給気ポート62が設けられている。
A
ケーシング13の内部には、チョッパ回路43、インバータ回路42が収められている。チョッパ回路43およびインバータ回路42は、伝熱板7に固定されている。
A
チョッパ回路43は、スイッチング素子81、リップル吸収用コンデンサ11、その他の部品82で構成されている。リップル吸収用コンデンサ11は、負極集電板2から延びるブスバー10、および、正極集電板4から延びる導電体9と接続されている。スイッチング素子81は、伝熱板7の表面に熱的に接触するように固定されている。スイッチング素子81以外の、リップル吸収用コンデンサ11やチョッパ回路43のその他の部品82は、スイッチング素子81とは隔離して設置されている。
The
インバータ回路42は、スイッチング素子91、およびその他の部品92で構成されている。スイッチング素子91は、伝熱板7の表面に熱的に接触するように固定されている。スイッチング素子91以外の、インバータ回路42の部品92は、スイッチング素子91とは隔離して設置されている。
The
チョッパ回路43およびインバータ回路42は、ケーシング13の外部に設けられたスイッチング制御回路14によって制御される。
The
ケーシング13の外部には、交流出力端子12が設けられている。また、伝熱板7の表面には、温度センサ17が配設されている。
An
図3は、本実施の形態における電力変換回路の回路図である。 FIG. 3 is a circuit diagram of the power conversion circuit in the present embodiment.
セル積層部1は、直流出力機器である。しかし、本実施の形態の燃料電池発電システムは、たとえば家庭内で一般的に使用されている交流機器を動作させるとともに、電力系統とも連係して使用される。そこで、セル積層部1で発生した直流電力をシステム内で交流へ変換し、電圧、周波数および位相を調整して電力系統への接続を可能とする必要がある。こうした一切の調整機能を担うのが電力変換回路である。
The
電力変換回路は、電力変換を行う昇圧回路と直交変換回路、そしてこれらの回路の動作を制御して電圧・周波数および位相の調整を行うとともに、異常検出やシステムの制御装置との通信を司る制御回路などから構成されている。 The power conversion circuit controls the operation of these booster circuits and orthogonal conversion circuits that perform power conversion, adjusts voltage, frequency, and phase, and controls the detection of abnormalities and communication with system control devices. It consists of a circuit.
昇圧と直交変換には幾つかの方式があるが、本実施の形態では、チョッパ回路43とインバータ回路42を組み合わせている。
Although there are several methods for boosting and orthogonal transformation, in this embodiment, the
チョッパ回路43は、セル積層部1の発生電圧をスイッチング素子により高周波でON/OFFし、リアクトルL1,L2に生じるインダクタンス分をコンデンサC1,C2に蓄積することにより印加電圧より高い電圧を得る。電圧の上昇比はON/OFFの時間比により制御される。昇圧された電圧は、インバータ回路42に印加される。
The
インバータ回路42では、スイッチング素子S3,S4,S5,S6により交流周波数での極性の周期的反転と、高周波のON/OFF時間制御であるPWM(Pulse Width Modulation:パルス幅変調)方式による制御波形を重畳することにより高調波を抑制した交流波形が得られる。
In the
スイッチング素子にはトランジスタ(Bipolar Transistor)の他、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor)やIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)といった半導体素子を用いてもよい。また、電力変換回路には、整流回路と高周波トランスを含む高周波インバータ回路を用いてもよい。 In addition to a transistor (bipolar transistor), a semiconductor element such as a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor) or an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) may be used as the switching element. Further, a high-frequency inverter circuit including a rectifier circuit and a high-frequency transformer may be used for the power conversion circuit.
図4は、本実施の形態における電気室区画の内部を電池スタックとともに示す断面図である。図4には、空気の流れを破線の矢印であわせて示した。 FIG. 4 is a cross-sectional view showing the inside of the electric chamber compartment in the present embodiment together with the battery stack. In FIG. 4, the air flow is also shown by the dashed arrows.
電気室区画18には、スイッチング制御回路14、システム制御器19、配電盤20が収められ、電気室換気ファン21が取り付けられている。電気室区画18は、ケーシング13と連通している。電気室換気ファン21により吸引された外気は、給気ポート62を経てケーシング13内に導入され、排気ポート61から排出される。
The
図5は、本実施の形態における冷却系のブロック図である。 FIG. 5 is a block diagram of the cooling system in the present embodiment.
セル積層部1を冷却するための冷却系は、一次側配管44と二次側配管45を有している。一次側配管44を流れる冷却材28と二次側配管45を流れる冷却材は、熱交換器23を介して熱交換する。
The cooling system for cooling the
一次側配管44を流れる冷却材28は、一次側配管44の途中に挿入された一次冷却材ポンプ22で駆動されて、取合部32を経てセル積層部1の冷却材流路79に供給され、取合部32を経てセル積層部1の外部に排出される。セル積層部1の外部に排出された冷却材28は、熱交換器23を通過した後、冷却材タンク24に貯えられる。一次側配管44の途中には電池出口温度センサ25が取り付けられていて、セル積層部1の外部に排出された冷却材28の温度が測定される。
The
二次側配管45の途中に挿入された二次冷却材ポンプ26によって駆動される冷却材は、二次側配管45の途中に挿入されたラジエタ27によって冷却される。
The coolant driven by the
本実施の形態の燃料電池発電システムは、上述の電力変換回路を含む電池スタックおよび冷却系に加えて、都市ガスやプロパンガスなどの原燃料ガスを改質し水素リッチガスを製造して燃料極74に供給する燃料供給系や、酸化剤極73に酸化剤として空気を供給する酸化剤供給系などを備えている。
In the fuel cell power generation system of the present embodiment, in addition to the battery stack including the above-described power conversion circuit and the cooling system, the
次に、この燃料電池発電システムの動作について説明する。 Next, the operation of this fuel cell power generation system will be described.
この燃料電池発電システムにおいて、システム制御器19は、伝熱板7の表面温度を温度センサ17で監視しながら、ラジエタ27の冷却量、二次冷却材ポンプ26および一次冷却材ポンプ22の回転数などを制御する。
In this fuel cell power generation system, the
また、システム制御器19は、温度センサ17が測定した伝熱板7の表面温度と所定の閾値とを比較することにより異常を判定する。さらに、システム制御器19は、電池出口温度センサ25によって測定したセル積層部1から排出された一次側の冷却材の温度と所定の閾値とを比較することにより異常を判定する。このほか、一次冷却材ポンプ22の回転数を測定したり、一次側配管44を流れる冷却材の流量を直接測定することなどにより一次側の冷却材が適切に流れているかどうかを調べて、異常を判定してもよい。システム制御器19は、これらの異常があるか否かに基づいて燃料電池発電システムの運転の可否を決定する。これにより、セル積層部1や電力変換回路のスイッチング素子81,91などの素子の温度が過度に上昇することを抑制する。
Further, the
高速でスイッチングされるトランジスタは、On(飽和状態)およびOn/Offの中間状態位置でのコレクタ損失により発熱する。発熱により半導体素子の接合部温度が上昇すると動作が不安定になり、さらには熱暴走を生じて破損にいたる場合がある。一般的には、接合部温度の上限はシリコン素子などで150℃ないし175℃程度といわれており、実用上は長期の使用に際しての信頼性を確保するため120℃程度まで動作温度を下げることが好ましい。 A transistor that is switched at high speed generates heat due to a collector loss at an intermediate state between On (saturated state) and On / Off. When the junction temperature of the semiconductor element rises due to heat generation, the operation becomes unstable, and thermal runaway may occur, leading to damage. Generally, the upper limit of the junction temperature is said to be about 150 ° C. to 175 ° C. for silicon elements and the like. In practice, the operating temperature can be lowered to about 120 ° C. in order to ensure reliability during long-term use. preferable.
本実施の形態の燃料電池発電システムでは、運転中のチョッパ回路43のスイッチング素子81およびインバータ回路42のスイッチング素子91における発熱は、温度勾配に沿って伝熱板7から正極集電板4を通過して端部冷却板66に伝わり、これらのスイッチング素子81,91は除熱される。また、正極集電板4に接する単位セル70では、スイッチング素子81,91からの発熱により放熱が補償される。
In the fuel cell power generation system of the present embodiment, the heat generated in the switching
スイッチング制御回路14は、スイッチング素子81,91から離れた電気室区画18内に設置されるため、スイッチング素子81,91から熱的に遮断されている。さらにスイッチング制御回路14が受けるスイッチング素子81,91からの電磁ノイズの影響を格段に小さくできる。また、ケーシング13および電気室区画18の内部は、電気室換気ファン21から導入される外気により周囲より高めに保圧されたまま、換気される。また、ケーシング13内に気流を導入することにより伝熱板7に接していないリアクトルやコンデンサなどの他の電力変換回路を構成する部品からの放熱が促進される。
Since the switching
このようにして、本実施の形態の燃料電池発電システムでは、電力変換回路の除熱効率を高めることができる。 Thus, in the fuel cell power generation system of the present embodiment, the heat removal efficiency of the power conversion circuit can be increased.
さらに、スイッチング素子81,91、および、リアクトルなどの他の電力変換回路を構成する部品からのスイッチングノイズなどの発振音は、ケーシング13に遮蔽され、外部への伝達が抑制される。また、運転を通じてケーシング13の内部が保圧、換気されており、可燃性ガスの進入を防げるようになっている。さらに、ブスバー10は接地されており、正極の端子はケーシングの内部に収納されるため、充電部が露出せず、安全性が高い。
Furthermore, oscillation noise such as switching noise from the switching
また、電池スタック50では、伝熱板7上に設けられた温度センサ17によりスイッチング素子81,92と端部冷却板66の温度をモニタし、電力変換回路およびセル積層部1の両方の過熱を監視できる。
In the
図6は、本実施の形態における燃料電池発電システムの運転中の温度分布の例を示すグラフである。 FIG. 6 is a graph showing an example of temperature distribution during operation of the fuel cell power generation system according to the present embodiment.
この温度分布は、次のような燃料電池発電システムにおける例である。 This temperature distribution is an example in the following fuel cell power generation system.
端部冷却板66は、冷却材流路79の流路面積を中央部の冷却板より大きくし、約2倍の冷却水を流せるようにしたものである。スイッチング素子としてはシリコンパワートランジスタをチョッパおよびインバータにそれぞれ4個ずつ合計8個使用し、すべてのスイッチング素子を面積50cm2の伝熱板7に固定した。伝熱板7としては金メッキを施したオーステナイト系ステンレス板(熱伝導率:16W/mK)を用いている。伝熱板としては工業グレードのアルミ合金(熱伝導率:190W/mK)を用いている。素子内部熱抵抗は3.5K/W、コレクタ損失は1個あたり7.5W、触熱抵抗/絶縁板熱抵抗は0.8K/W程度である。
The
このとき、セル積層部1の端部、すなわち端部冷却板66の温度は65℃、スイッチング素子接合部の温度は103℃程度と予想され、スイッチング素子、電池セルとも適切な温度にすることができる。
At this time, the temperature of the end of the
図7は、本実施の形態における正極集電板に接する単位セル(端部セル)の電流密度とセル電圧の関係を示すグラフである。なお、図7には、比較のために、一般的な燃料電池における電流密度と端部セル電圧の関係を破線で示した。 FIG. 7 is a graph showing the relationship between the current density of the unit cell (end cell) in contact with the positive electrode current collector plate and the cell voltage in the present embodiment. In FIG. 7, for comparison, the relationship between the current density and the end cell voltage in a general fuel cell is shown by a broken line.
このように、本実施の形態の燃料電池発電システムでは、空気出口部の放熱が抑制された結果、端部セルのフラッディングが解消され高電流密度での特性が改善されている。 As described above, in the fuel cell power generation system of the present embodiment, as a result of suppressing the heat radiation at the air outlet portion, the flooding of the end cells is eliminated and the characteristics at a high current density are improved.
[第2の実施の形態]
図8は、本発明に係る燃料電池発電システムの第2の実施の形態における電池スタックの縦断面図である。
[Second Embodiment]
FIG. 8 is a longitudinal sectional view of a cell stack in the second embodiment of the fuel cell power generation system according to the present invention.
本実施の形態の電池スタック50では、スイッチング素子81,91に放熱フィン68が取り付けられている。
In the
図9は、本実施の形態における酸化剤供給系のブロック図である。 FIG. 9 is a block diagram of the oxidant supply system in the present embodiment.
酸化剤供給系は、取合部32を介して酸化剤流路77(図2参照)に酸化剤ガスを供給する。セル積層部1から排出される酸化剤ガスは、取合部32を介して排気管35に排出される。排気管35には、排気温度センサ34が取り付けられている。
The oxidant supply system supplies oxidant gas to the oxidant flow path 77 (see FIG. 2) via the
酸化剤ガスである空気は、プロセス空気ブロワ29によって吸い込まれ、第1の空気供給用管路36を介して給気ポート62からケーシング13に導入される。ケーシング13に導入された空気は、排気ポート61から排出され、第2の空気供給用管路37を介して取合部32に供給される。プロセス空気ブロワ29と給気ポート62の間には、流量調節弁30が挿入されている。排気ポート61と取合部32の間には、遮断弁31が挿入されている。また、プロセス空気ブロワ29からケーシング13を経ずに取合部32に至るバイパス管33も設けられている。なお、遮断弁31の下流に、加湿器を導入してもよい。
Air as the oxidant gas is sucked by the
このような燃料電池発電システムにおいては、運転中には遮断弁31を開け、流量調節弁30を操作してケーシング13の内部へのプロセス空気の導入比を調整し、スイッチング素子81,91を空冷する。スイッチング素子81,91は、ケーシング13の内部を流れる空気と、セル積層部1の端部冷却板66の両方から冷却される。また、ケーシング13の内部に導入された空気は、スイッチング素子81,91と熱交換することによって予熱される。
In such a fuel cell power generation system, the shut-off valve 31 is opened during operation, the flow
また、停止中は遮断弁31を閉じることにより、セル積層部1から湿分が逆流するのを防止する。ケーシング13への分流比は、伝熱板上の温度センサ17の測定値と排気温度センサ34の出力を監視しながら調整することができる。あるいは、電池電流に応じて分流比を調整してもよい。
Further, by closing the shut-off valve 31 during the stop, moisture is prevented from flowing back from the
図10は、本実施の形態における電池電流とプロセス空気のケーシングへの分流比のスケジュールの例を示すグラフである。 FIG. 10 is a graph showing an example of the schedule of the diversion ratio of the battery current and the process air to the casing in the present embodiment.
また、第1の実施の形態と同様に、システム制御器19は、伝熱板7の表面温度や、セル積層部1から排出された一次側の冷却材の温度などから異常を判定する他、排気温度センサ34が測定するセル積層部1から排気される空気の温度と所定の閾値とを比較することにより異常を判定する。システム制御器19は、これらの異常があるか否かに基づいて燃料電池発電システムの運転の可否を決定する。これにより、セル積層部1や電力変換回路のスイッチング素子81,91などの素子の温度が過度に上昇することを抑制する。
Further, similarly to the first embodiment, the
このように、本実施の形態の燃料電池発電システムでは、運転中のスイッチング素子の発熱を、セル積層部1に供給される空気などの酸化剤の予熱に用いることができる。また、スイッチング素子の発熱のうち、酸化剤の予熱に用いる分と、セル積層部1の正極集電板4に接する単位セル70の保温に用いる分との比率を変えることが可能である。このため、単位セル70の内部の温度分布をより細かく制御することが可能になる。
Thus, in the fuel cell power generation system of the present embodiment, the heat generated by the switching element during operation can be used for preheating oxidant such as air supplied to the
図11は、本実施の形態における正極集電板に接する単位セルの場所と温度の関係を示すグラフである。なお、図11には、比較のために、一般的な燃料電池における温度の例を破線で示した。 FIG. 11 is a graph showing the relationship between the location of the unit cell in contact with the positive electrode current collector plate in this embodiment and the temperature. In FIG. 11, for comparison, an example of a temperature in a general fuel cell is shown by a broken line.
図11に示すように、単位セル70の内部の温度分布を、より均一化することができ、特性を安定化することができる。
As shown in FIG. 11, the temperature distribution inside the
以上述べたように、本発明に係る第1および第2の実施の形態の燃料電池発電システムでは、単位セルの数を削減して発熱が増加した場合であっても、特別の冷却ループを構成せずに電力変換回路の温度が過度に上昇することを抑制することができる。また端部に位置する燃料電池の単位セルの特性低下を抑制することができる。さらに、スイッチングノイズも削減できる。このように、燃料電池発電システムを低コスト化、コンパクト化、高効率化および静粛化することができるため、商品価値の向上に大いに寄与する。 As described above, in the fuel cell power generation systems according to the first and second embodiments of the present invention, a special cooling loop is configured even when the number of unit cells is reduced and heat generation is increased. Without excessively rising the temperature of the power conversion circuit. Moreover, the characteristic fall of the unit cell of the fuel cell located in an edge part can be suppressed. Furthermore, switching noise can be reduced. As described above, the fuel cell power generation system can be reduced in cost, made compact, highly efficient and quiet, which greatly contributes to the improvement of commercial value.
なお、以上の説明は単なる例示であり、本発明は上述の各実施の形態に限定されず、様々な形態で実施することができる。また、各実施の形態の特徴を組み合わせて実施することもできる。 The above description is merely an example, and the present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be implemented in various forms. Moreover, it can also implement combining the characteristic of each embodiment.
1…セル積層部、2…負極集電板、3…負極締付板、4…正極集電板、5…正極締付板、6…冷却板、7…伝熱板、9…導電体、10…ブスバー、11…リップル吸収用コンデンサ、12…交流出力端子、13…ケーシング、14…スイッチング制御回路、15…吸音材、17…温度センサ、18…電気室区画、19…システム制御器、20…配電盤、21…電気室換気ファン、22…一次冷却材ポンプ、23…熱交換器、24…冷却材タンク、25…電池出口温度センサ、26…二次冷却材ポンプ、27…ラジエタ、28…冷却材、29…プロセス空気ブロワ、30…流量調節弁、31…遮断弁、32…取合部、33…バイパス管、34…排気温度センサ、35…排気管、36,37…空気供給用管路、42…インバータ回路、43…チョッパ回路、44…一次側配管、45…二次側配管、50…電池スタック、51…ロッド、52…ナット、61…排気ポート、62…給気ポート、66…端部冷却板、68…放熱フィン、70…単位セル、71…電解質、72…触媒、73…酸化剤極(カソード)、74…燃料極(アノード)、75,76…隔離板、77…酸化剤流路、78…燃料流路、79…冷却材流路、81,91…スイッチング素子
DESCRIPTION OF
Claims (17)
前記集電板に接触する伝熱板と、
前記伝熱板に接触して設けられた動作時に発熱する発熱部品を備えて前記セル積層部の電気出力を所定の形態に変換する電力変換回路と、
を有することを特徴とする燃料電池。 A unit cell having an electrolyte and a pair of oxidant electrode and fuel electrode disposed with the electrolyte interposed therebetween, and an oxidant flow path disposed with the unit cell interposed therebetween to supply an oxidant gas to the oxidant electrode The cooling medium flows in contact with the first separator plate formed with the second separator plate formed with the fuel flow path for supplying fuel gas to the fuel electrode and the first and second separator plates. A stack of cooling plates formed with a cooling medium flow path between a pair of current collector plates, and a cell laminate portion compressed and clamped with a clamping plate from the outside of the current collector plates;
A heat transfer plate in contact with the current collector plate;
A power conversion circuit that includes a heat generating component that generates heat during operation provided in contact with the heat transfer plate, and converts the electrical output of the cell stack to a predetermined form;
A fuel cell comprising:
前記集電板に接触する伝熱板と、
前記伝熱板に接触して設けられた動作時に発熱する発熱部品を備えて前記セル積層部の電気出力を所定の形態に変換する電力変換回路と、
前記締付板とともに前記電力変換回路を囲み、開口部が形成されたケーシングと、
前記酸化剤流路に酸化剤を供給する酸化剤供給系と、
前記燃料流路に燃料を供給する燃料供給系と、
前記冷却媒体流路に冷却媒体を循環させる冷却系と、
前記酸化剤供給系、前記燃料供給系および前記冷却系を制御するシステム制御器と、
を有することを特徴とする燃料電池発電システム。 A unit cell having an electrolyte and a pair of oxidant electrode and fuel electrode disposed with the electrolyte interposed therebetween, and an oxidant flow path disposed with the unit cell interposed therebetween to supply an oxidant gas to the oxidant electrode The cooling medium flows in contact with the first separator plate formed with the second separator plate formed with the fuel flow path for supplying fuel gas to the fuel electrode and the first and second separator plates. A stack of cooling plates formed with a cooling medium flow path between a pair of current collector plates, and a cell laminate portion compressed and clamped with a clamping plate from the outside of the current collector plates;
A heat transfer plate in contact with the current collector plate;
A power conversion circuit that includes a heat generating component that generates heat during operation provided in contact with the heat transfer plate, and converts the electrical output of the cell stack to a predetermined form;
A casing that surrounds the power conversion circuit together with the fastening plate and has an opening formed therein;
An oxidant supply system for supplying an oxidant to the oxidant flow path;
A fuel supply system for supplying fuel to the fuel flow path;
A cooling system for circulating a cooling medium in the cooling medium flow path;
A system controller for controlling the oxidant supply system, the fuel supply system and the cooling system;
A fuel cell power generation system comprising:
前記配電盤を収容する電気室区画と、
前記電気室区画を換気し、その排気の一部を前記開口部を通じて前記ケーシングに送るファンと、
を有することを特徴とする請求項10に記載の燃料電池発電システム。 A switchboard for branching the electrical output of the power conversion circuit into a supplementary power supply in the system and a system output to the outside;
An electrical compartment that houses the switchboard;
A fan that ventilates the electrical compartment and sends a portion of the exhaust through the opening to the casing;
The fuel cell power generation system according to claim 10, comprising:
前記伝熱板温度センサが検出した前記伝熱板の表面温度および前記冷却媒体温度センサが検出した前記冷却媒体の温度に基づいて前記ポンプの回転数を制御することを特徴とする燃料電池発電システムの運転方法。 A unit cell having an electrolyte and a pair of oxidant electrode and fuel electrode disposed with the electrolyte interposed therebetween, and an oxidant flow path disposed with the unit cell interposed therebetween to supply an oxidant gas to the oxidant electrode The cooling medium flows in contact with the first separator plate formed with the second separator plate formed with the fuel flow path for supplying fuel gas to the fuel electrode and the first and second separator plates. A cooling plate in which a cooling medium flow path is formed is laminated between a pair of current collector plates, and a cell stack portion compressed and clamped by a clamping plate from the outside of the current collector plate, and heat transfer in contact with the current collector plate A power conversion circuit that includes a plate, a heat-generating component that generates heat during operation provided in contact with the heat transfer plate, and converts the electrical output of the cell stack portion into a predetermined form; and the power conversion together with the clamping plate A casing surrounding the circuit and having an opening formed therein; An oxidant supply system that supplies oxidant to the fuel flow path, a fuel supply system that supplies fuel to the fuel flow path, a heat transfer plate temperature sensor that measures the surface temperature of the heat transfer plate, and a pump that drives the cooling medium; A heat exchanger for heat removal that removes heat from the cooling medium and a cooling medium temperature sensor that detects the temperature of the cooling medium at the outlet of the cooling medium flow path, and circulates the cooling medium in the cooling medium flow path A cooling system, and a method for operating a fuel cell power generation system comprising:
A fuel cell power generation system that controls the rotational speed of the pump based on the surface temperature of the heat transfer plate detected by the heat transfer plate temperature sensor and the temperature of the cooling medium detected by the cooling medium temperature sensor. Driving method.
前記伝熱板温度センサが検出した前記伝熱板の表面温度および前記冷却媒体温度センサが検出した前記冷却媒体の温度に基づいて前記二次冷却媒体循環ポンプの回転数および前記ラジエタファンの回転数の少なくとも一方を制御することを特徴とする燃料電池発電システムの運転方法。 A unit cell having an electrolyte and a pair of oxidant electrode and fuel electrode disposed with the electrolyte interposed therebetween, and an oxidant flow path disposed with the unit cell interposed therebetween to supply an oxidant gas to the oxidant electrode The cooling medium flows in contact with the first separator plate formed with the second separator plate formed with the fuel flow path for supplying fuel gas to the fuel electrode and the first and second separator plates. A cooling plate in which a cooling medium flow path is formed is laminated between a pair of current collector plates, and a cell stack portion compressed and clamped by a clamping plate from the outside of the current collector plate, and heat transfer in contact with the current collector plate A power conversion circuit that includes a plate, a heat-generating component that generates heat during operation provided in contact with the heat transfer plate, and converts the electrical output of the cell stack portion into a predetermined form; and the power conversion together with the clamping plate A casing surrounding the circuit and having an opening formed therein; An oxidant supply system that supplies oxidant to the fuel flow path, a fuel supply system that supplies fuel to the fuel flow path, a heat transfer plate temperature sensor that measures the surface temperature of the heat transfer plate, and a pump that drives the cooling medium; A heat exchanger for removing heat from the cooling medium flowing on the primary side using the secondary cooling medium flowing on the secondary side, a cooling medium temperature sensor for detecting the temperature of the cooling medium at the outlet of the cooling medium flow path, and a radiator A radiator for cooling the secondary cooling medium by a fan, and a secondary cooling medium circulation pump for driving the secondary cooling medium to circulate through the secondary side of the heat exchanger and the radiator; A cooling system for circulating the cooling medium in the cooling medium flow path, and an operating method of the fuel cell power generation system comprising:
Based on the surface temperature of the heat transfer plate detected by the heat transfer plate temperature sensor and the temperature of the cooling medium detected by the cooling medium temperature sensor, the rotational speed of the secondary cooling medium circulation pump and the rotational speed of the radiator fan A method for operating a fuel cell power generation system, wherein at least one of the above is controlled.
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