JP2009170337A - Fuel cell system and control method of fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池の制御方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell system and a fuel cell control method.
燃料電池は、一般的には水素及び酸素を燃料として電気エネルギーを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れかつ高いエネルギー効率を実現できることから、今後のエネルギー供給システムとして広く開発が進められてきている。特に、固体高分子型燃料電池は、各種の燃料電池の中でも比較的低温で作動することから、良好な起動性を有する。そのため、多方面における実用化のために盛んに研究がなされている。 A fuel cell is a device that generally obtains electric energy using hydrogen and oxygen as fuel. Since this fuel cell is excellent in terms of environment and can realize high energy efficiency, it has been widely developed as a future energy supply system. In particular, since the polymer electrolyte fuel cell operates at a relatively low temperature among various types of fuel cells, it has a good startability. For this reason, research has been actively conducted for practical application in various fields.
固体高分子型燃料電池は、プロトン伝導性を有する固体高分子型電解質からなる電解質膜の両側に、それぞれアノードおよびカソードが設けられた膜−電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)が、セパレータによって挟持された構造を有している。 A polymer electrolyte fuel cell has a membrane-electrode assembly (MEA) in which an anode and a cathode are provided on both sides of an electrolyte membrane made of a solid polymer electrolyte having proton conductivity, respectively, by means of a separator. It has a sandwiched structure.
この燃料電池を氷点下において始動させると、カソードで生成された水が凍結して、有効発電面積が減少することがある。そこで、ヒータを備える第2冷却水通路を設け、低温起動時にヒータによって加熱された冷却液を燃料電池に供給する技術が開示されている(例えば、特許文献1参照)。 When this fuel cell is started below freezing point, the water generated at the cathode may freeze, reducing the effective power generation area. Therefore, a technique has been disclosed in which a second cooling water passage provided with a heater is provided to supply the fuel cell with a coolant heated by the heater at the time of low temperature startup (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、特許文献1の技術では、酸化剤ガス流路の出口側で生成水が再氷結するおそれがある。この場合、発電性能が低下するおそれがある。 However, in the technique of Patent Document 1, the generated water may be re-iced on the outlet side of the oxidant gas flow path. In this case, the power generation performance may be reduced.
本発明は、氷点下起動時に生成水の再氷結を抑制することができる燃料電池システムおよびその制御方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of suppressing re-freezing of generated water at the time of starting below freezing point and a control method thereof.
本発明に係る燃料電池システムは、カソードとカソードに酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路とが設けられた燃料電池と、燃料電池の氷点下起動時に酸化剤ガス流路の下流側の温度を上流側の温度に比較して高く調整する温度調整手段と、を備えることを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池システムにおいては、氷点下起動時において、酸化剤ガス下流側における発電生成水の再氷結が抑制される。それにより、発電性能低下が抑制される。 The fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell provided with a cathode and an oxidant gas channel for supplying an oxidant gas to the cathode, and a downstream side of the oxidant gas channel when the fuel cell is started below freezing point. Temperature adjusting means for adjusting the temperature to be higher than the temperature on the upstream side. In the fuel cell system according to the present invention, re-freezing of power generation product water on the downstream side of the oxidant gas is suppressed at the time of starting below freezing point. Thereby, a power generation performance fall is suppressed.
温度調整手段は、酸化剤ガス流路の上流側に形成された第1冷却媒体流路と、酸化剤ガス流路の下流側に形成された第2冷却媒体流路と、第1冷却媒体流路を流動する冷却媒体流量および第2冷却媒体流路を流動する冷却媒体流量を制御する流量制御手段と、を備え、流量制御手段は、燃料電池の氷点下起動時に、第2冷却媒体流路を流動する冷却媒体流量が第1冷却媒体流路を流動する冷却媒体流量よりも少なくなるように冷却媒体流量を制御してもよい。この場合、酸化剤ガス上流側に比較して酸化剤ガス下流側の温度上昇が促進される。それにより、酸化剤ガス下流側における発電生成水の再氷結が抑制される。 The temperature adjusting means includes a first cooling medium flow path formed on the upstream side of the oxidant gas flow path, a second cooling medium flow path formed on the downstream side of the oxidant gas flow path, and the first cooling medium flow. And a flow rate control means for controlling the flow rate of the cooling medium flowing through the passage and the flow rate of the cooling medium flowing through the second cooling medium flow path. The flow rate control means opens the second cooling medium flow path when the fuel cell is started below freezing point. The cooling medium flow rate may be controlled such that the flowing cooling medium flow rate is less than the cooling medium flow rate flowing through the first cooling medium flow path. In this case, the temperature increase on the downstream side of the oxidant gas is promoted compared to the upstream side of the oxidant gas. Thereby, re-freezing of the power generation product water on the downstream side of the oxidant gas is suppressed.
流量制御手段は、燃料電池の氷点下起動時に、第2冷却媒体流路への冷却媒体供給を停止してもよい。この場合、酸化剤ガス下流側の温度上昇を促進することができる。それにより、酸化剤ガス下流側における発電生成水の再氷結がより抑制される。 The flow rate control means may stop supplying the coolant to the second coolant flow path when the fuel cell is started below freezing point. In this case, the temperature rise on the downstream side of the oxidant gas can be promoted. Thereby, re-freezing of the power generation product water on the downstream side of the oxidant gas is further suppressed.
温度調整手段は、酸化剤ガス流路の上流側に形成された第1冷却媒体流路と酸化剤ガス流路の下流側に形成された第2冷却媒体流路と、を備え、第2冷却媒体流路の断面積は、第1冷却媒体流路の断面積に比較して小さくてもよい。この場合、第2冷却媒体を流動する冷却媒体流量は、第1冷却媒体流路を流動する冷却媒体流量に比較して少なくなる。それにより、酸化剤ガス下流側における発電生成水の再氷結が抑制される。 The temperature adjusting means includes a first cooling medium flow path formed on the upstream side of the oxidant gas flow path and a second cooling medium flow path formed on the downstream side of the oxidant gas flow path. The cross-sectional area of the medium flow path may be smaller than the cross-sectional area of the first cooling medium flow path. In this case, the flow rate of the cooling medium flowing through the second cooling medium is smaller than the flow rate of the cooling medium flowing through the first cooling medium flow path. Thereby, re-freezing of the power generation product water on the downstream side of the oxidant gas is suppressed.
本発明に係る燃料電池の制御方法は、カソードとカソードに酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路とが設けられた燃料電池の制御方法であって、燃料電池の氷点下起動時に、酸化剤ガス流路の下流側の温度を上流側の温度に比較して高く調整する温度調整ステップを含むことを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池の制御方法においては、氷点下起動時において、酸化剤ガス下流側における発電生成水の再氷結が抑制される。それにより、発電性能低下が抑制される。 A control method for a fuel cell according to the present invention is a control method for a fuel cell provided with a cathode and an oxidant gas flow path for supplying an oxidant gas to the cathode. It includes a temperature adjustment step for adjusting the temperature on the downstream side of the agent gas flow path higher than the temperature on the upstream side. In the fuel cell control method according to the present invention, re-freezing of the power generation product water on the downstream side of the oxidant gas is suppressed at the time of starting below freezing point. Thereby, a power generation performance fall is suppressed.
燃料電池は、酸化剤ガス流路の上流側に形成された第1冷却媒体流路と酸化剤ガス流路の下流側に形成された第2冷却媒体流路と、を備え、温度調整ステップは、燃料電池の氷点下起動時に、第2冷却媒体流路を流動する冷却媒体流量が第1冷却媒体流路を流動する冷却媒体流量よりも少なくなるように冷却媒体流量を制御するステップであってもよい。この場合、酸化剤ガス上流側に比較して酸化剤ガス下流側の温度上昇が促進される。それにより、酸化剤ガス下流側における発電生成水の再氷結が抑制される。 The fuel cell includes a first cooling medium flow path formed on the upstream side of the oxidant gas flow path and a second cooling medium flow path formed on the downstream side of the oxidant gas flow path. The step of controlling the coolant flow rate so that the coolant flow rate flowing through the second coolant flow path is smaller than the coolant flow rate flowing through the first coolant flow path when the fuel cell starts below freezing point. Good. In this case, the temperature increase on the downstream side of the oxidant gas is promoted compared to the upstream side of the oxidant gas. Thereby, re-freezing of the power generation product water on the downstream side of the oxidant gas is suppressed.
温度調整ステップは、燃料電池の氷点下起動時に、第2冷却媒体流路への冷却媒体供給を停止するステップであってもよい。この場合、酸化剤ガス下流側の温度上昇を促進することができる。それにより、酸化剤ガス下流側における発電生成水の再氷結がより抑制される。 The temperature adjustment step may be a step of stopping the supply of the cooling medium to the second cooling medium flow path when the fuel cell is started below the freezing point. In this case, the temperature rise on the downstream side of the oxidant gas can be promoted. Thereby, re-freezing of the power generation product water on the downstream side of the oxidant gas is further suppressed.
本発明によれば、氷点下起動時に生成水の再氷結を抑制することができる。 According to the present invention, re-freezing of generated water can be suppressed at the time of starting below freezing.
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described.
図1は、本発明の第1実施例に係る燃料電池システム300の概略を示す模式図である。図1に示すように、燃料電池システム300は、燃料電池スタック100、燃料ガス供給手段210、酸化剤ガス供給手段220、冷却媒体供給手段230および制御部240を備える。
FIG. 1 is a schematic diagram showing an outline of a
燃料電池スタック100は、積層体110がエンドプレート120aとエンドプレート120bとによって挟持された構造を有する。積層体110は、複数の単セル130が積層された構造を有する。燃料ガス供給手段210は、制御部240の指示に従って、水素を含む燃料ガスを燃料電池スタック100に供給する手段である。酸化剤ガス供給手段220は、制御部240の指示に従って、酸素を含む酸化剤ガスを燃料電池スタック100に供給する手段である。
The
冷却媒体供給手段230は、制御部240の指示に従って、エチレングリコール等の冷却媒体を燃料電池スタック100に供給する手段である。冷却媒体供給手段230の詳細は、後述する。制御部240は、CPU(中央演算処理装置)、ROM(リードオンリメモリ)、RAM(ランダムアクセスメモリ)等から構成され、燃料ガス供給手段210、酸化剤ガス供給手段220および冷却媒体供給手段230を制御する手段である。
The cooling
続いて、単セル130の詳細について説明する。図2は、単セル130の模式的断面図である。図2においては、複数の単セル130が積層されている場合が示されている。図2に示すように、単セル130は、シールガスケット一体型MEA(膜電極接合体)20が2枚のセパレータ10によって挟持された構造を有する。セパレータ10は、カソード対向プレート11とアノード対向プレート13とによって、中間プレート12が挟持された構造を有する。セパレータ10を構成するこれら3枚のプレートは、ホットプレス等によって接合されている。
Next, details of the
シールガスケット一体型MEA20は、MEA21およびシールガスケット22を備える。MEA21は、プロトン導電性を備える電解質膜の両面に触媒層およびガス拡散層が順に形成された構造を有する。触媒層は、触媒を担持する導電性材料からなり、例えば白金担持カーボン等からなる。ガス拡散層は、ガス透過性を有する導電性材料からなり、例えばカーボンクロス、カーボンペーパ等からなる。本実施例においては、MEA21の上面側(図中左側)がアノードとして機能し、MEA21の下面側(図中右側)がカソードとして機能する。
The seal gasket-integrated
MEA21の上面側(図中左側)には、多孔体流路23が配置されている。MEA21の下面側(図中右側)には、多孔体流路24が配置されている。多孔体流路23,24は、ガス拡散層よりも硬い導電性材料からなり、チタン等からなる発泡金属、金属メッシュ等の金属多孔体または金属三次元構造体からなる。多孔体流路23,24は、セパレータ10のディンプルの有無にかかわらず、厚みが略一定になるような強度を有していることが好ましい。この場合、ディンプルの有無にかかわらず、気孔率がほとんど変化しない。また、ディンプルの有無にかかわらず、拡散層に対する面圧を面内略一定にすることができる。したがって、拡散層における局所的圧縮を低減することができるため、排水性が向上する。
On the upper surface side (left side in the figure) of the
図3は、セパレータ10およびシールガスケット一体型MEA20の詳細について説明するための図である。図3(a)はカソード対向プレート11の模式的平面図であり、図3(b)はアノード対向プレート13の模式的平面図であり、図3(c)は中間プレート12の模式的平面図であり、図3(d)はシールガスケット一体型MEA20の模式的平面図である。
FIG. 3 is a diagram for explaining the details of the
カソード対向プレート11は矩形の金属製のプレートである。この金属製プレートとしては、チタン、チタン合金、ステンレス等の表面に腐食防止のためのメッキ処理が施されたものを用いることができる。
The
図3(a)に示すように、カソード対向プレート11においてMEA21と対向する部分(以下、発電領域Xと称する)は平面である。カソード対向プレート11の外周縁部には、燃料ガス供給マニホールド41a、燃料ガス排出マニホールド41b、酸化剤ガス供給マニホールド42a〜42c、酸化剤ガス排出マニホールド42d〜42f、冷却媒体供給マニホールド43a,43bおよび冷却媒体排出マニホールド43c,43dが形成されている。
As shown in FIG. 3A, a portion of the
酸化剤ガス供給マニホールド42a〜42cは、カソード対向プレート11の一辺近傍に辺方向に沿って形成されている。酸化剤ガス排出マニホールド42d〜42fは、その対辺近傍に辺方向に沿って形成されている。冷却媒体供給マニホールド43a,43bは、残りの2辺のうち一方の近傍に辺方向に沿って形成されている。冷却媒体排出マニホールド43c,43dは、その対辺近傍に辺方向に沿って形成されている。
The oxidant
本実施例においては、冷却媒体供給マニホールド43aは冷却媒体供給マニホールド43bよりも酸化剤ガス供給マニホールド42a〜42c側に形成されている。また、冷却媒体排出マニホールド43cは、冷却媒体排出マニホールド43dよりも酸化剤ガス供給マニホールド42a〜42c側に形成されている。また、カソード対向プレート11には、複数の酸化剤ガス供給孔44aおよび複数の酸化剤ガス排出孔44bが形成されている。上記各マニホールドおよび上記各孔は、カソード対向プレート11を厚さ方向に貫通している。
In the present embodiment, the cooling
図3(b)に示すように、アノード対向プレート13は、カソード対向プレート11と略同形状の矩形の金属製のプレートであり、カソード対向プレート11と同様の材料から構成される。アノード対向プレート13における発電領域Xは平面である。
As shown in FIG. 3B, the
カソード対向プレート11と同様に、アノード対向プレート13の外周縁部には、燃料ガス供給マニホールド41a、燃料ガス排出マニホールド41b、酸化剤ガス供給マニホールド42a〜42c、酸化剤ガス排出マニホールド42d〜42f、冷却媒体供給マニホールド43a,43bおよび冷却媒体排出マニホールド43c,43dが形成されている。また、アノード対向プレート13には、燃料ガス供給用のコモンレール45aおよび燃料ガス排出用のコモンレール45bが形成されている。上記各マニホールドおよび上記各コモンレールは、アノード対向プレート13を厚さ方向に貫通している。
Similar to the
図3(c)に示すように、中間プレート12は、カソード対向プレート11と同形状の矩形の金属製プレートであり、カソード対向プレート11と同様の材料から構成される。カソード対向プレート11と同様に、中間プレート12の外周縁部には、燃料ガス供給マニホールド41a、燃料ガス排出マニホールド41b、酸化剤ガス供給マニホールド42a〜42cおよび酸化剤ガス排出マニホールド42d〜42fが形成されている。
As shown in FIG. 3C, the
また、中間プレート12には、一端が燃料ガス供給マニホールド41aに連通し、他端がコモンレール45aに連通する複数の燃料ガス供給流路46aが形成されている。同様に、中間プレート12には、一端が燃料ガス排出マニホールド41bに連通し、他端がコモンレール45bに連通する複数の燃料ガス排出流路46bが形成されている。
The
さらに、中間プレート12には、一端が酸化剤ガス供給マニホールド42a〜42cのいずれかに連通し、他端が酸化剤ガス供給孔44aに連通する複数の酸化剤ガス供給流路47aが形成されている。同様に、中間プレート12には、一端が酸化剤ガス排出マニホールド42d〜42fに連通し、他端が酸化剤ガス排出孔44bに連通する複数の酸化剤ガス排出流路47bが形成されている。また、中間プレート12には、一端が冷却媒体供給マニホールド43aに連通し、他端が冷却媒体排出マニホールド43cに連通する複数の第1冷却媒体流路48が形成されている。さらに、中間プレート12には、一端が冷却媒体供給マニホールド43bに連通し、他端が冷却媒体排出マニホールド43dに連通する複数の第2冷却媒体流路49が形成されている。上記各流路は、中間プレート12を厚さ方向に貫通している。
Further, the
図3(d)に示すように、シールガスケット一体型MEA20は、MEA21の外周縁部にシールガスケット22が接合された構造を有する。シールガスケット22は、例えば、シリコンゴム、ブチルゴム、フッ素ゴム等の樹脂材料から構成される。シールガスケット22は、金型のキャビティにMEA21の外周端部を臨ませて、上記樹脂材料を射出成形することによって作製される。この方法によれば、MEA21とシールガスケット22とが隙間なく接合される。それにより、冷却媒体、酸化剤ガスおよび燃料ガスの接合部からの漏出を防止することができる。
As shown in FIG. 3 (d), the seal gasket-integrated
カソード対向プレート11と同様に、シールガスケット22には、燃料ガス供給マニホールド41a、燃料ガス排出マニホールド41b、酸化剤ガス供給マニホールド42a〜42c、酸化剤ガス排出マニホールド42d〜42f、冷却媒体供給マニホールド43a,43bおよび冷却媒体排出マニホールド43c,43dが形成されている。シールガスケット22は、上面および下面に当接する2枚のセパレータ10をシールしている。また、シールガスケット22は、MEA21の外周と各マニホールドの外周との間をシールしている。
Similar to the
続いて、燃料電池スタック100の発電時の燃料電池システム300の動作の概要について説明する。まず、制御部240は、水素を含有する燃料ガスが燃料ガス供給マニホールド41aに供給されるように燃料ガス供給手段210を制御する。この燃料ガスは、燃料ガス供給流路46aおよびコモンレール45aを介して、多孔体流路23に供給される。その後、燃料ガスは、多孔体流路23を流動しつつ、MEA21のアノード側ガス拡散層に供給される。燃料ガス中の水素は、MEA21の触媒層においてプロトンに変換される。変換されたプロトンはMEA21の電解質膜を伝導し、カソード側の触媒層に到達する。
Next, an outline of the operation of the
一方、制御部240は、酸素を含有する酸化剤ガスが酸化剤ガス供給マニホールド42a〜42cに供給されるように酸化剤ガス供給手段220を制御する。この酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給流路47aを介して、多孔体流路24に供給される。その後、酸化剤ガスは、多孔体流路24を流動しつつ、MEA21のカソード側ガス拡散層に供給される。MEA21のカソード側触媒層においては、酸化剤ガス中の酸素とプロトンとから水が発生するとともに電力が発生する。この化学反応により、熱が発生する。発生した電力は、セパレータ10を介して回収される。
On the other hand, the
また、制御部240は、冷却媒体供給マニホールド43a,43bに冷却媒体が供給されるように冷却媒体供給手段230を制御する。冷却媒体供給マニホールド43aに供給された冷却媒体は、第1冷却媒体流路48を流動し冷却媒体排出マニホールド43cを介して外部に排出される。冷却媒体供給マニホールド43bに供給された冷却媒体は、第2冷却媒体流路49を流動し冷却媒体排出マニホールド43dを介して外部に排出される。それにより、燃料電池スタック100が冷却される。その結果、燃料電池スタック100の温度を適切な温度に調整することができる。
In addition, the
なお、発電に用いられなかった燃料ガスは、コモンレール45b、燃料ガス排出流路46bおよび燃料ガス排出マニホールド41bを介して外部に排出される。さらに、発電に用いられなかった酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出流路47bおよび酸化剤ガス排出マニホールド42d〜42fを介して外部に排出される。
The fuel gas that has not been used for power generation is discharged to the outside through the
ここで、燃料電池スタック100の氷点下起動について考える。氷点下で燃料電池スタック100が発電を開始すると、発電に伴う発熱によって燃料電池スタック100の温度が徐々に上昇する。しかしながら、発電に伴って生成された水分が排出されるまでに再氷結することがある。この場合、有効発電面積が減少する。それにより、発電性能が低下するおそれがある。
Here, the sub-freezing start-up of the
図4は、低温起動時における発電分布の実験結果を示す図である。図4(a)に示すように、酸化剤ガス供給マニホールド42cから酸化剤ガス排出マニホールド42fまでの間の発電領域Xをテストピースとして用いた。このテストピースを3×5に分割し、−10℃で一定に保持した状態で、各領域の電流密度を測定した。
FIG. 4 is a diagram showing experimental results of power generation distribution at the time of low temperature startup. As shown in FIG. 4A, the power generation region X between the oxidant
図4(b)は、時間の経過に伴う電流密度変化を示す図である。図4(b)に示すように、発電開始時には、面内全体でほぼ均一に発電が行われていた。しかしながら、時間の経過とともに、酸化剤ガスの下流側において電流密度が低下した。これは、発電に伴って生成された水分が再氷結しているからであると考えられる。さらに時間が経過すると、面内の一部の領域だけで発電が行われるようになった。 FIG. 4B is a diagram showing changes in current density over time. As shown in FIG. 4B, at the start of power generation, power generation was performed almost uniformly over the entire surface. However, with the passage of time, the current density decreased on the downstream side of the oxidant gas. This is presumably because the moisture generated with power generation is re-freezing. As time passes, power generation occurs in only a part of the area.
このように、低温起動時においては、酸化剤ガス下流側において発電性能が低下し、徐々に全体の発電性能が低下することがわかった。そこで、本実施例においては、氷点下起動時に、冷却媒体流量を調整する。以下、燃料電池スタック100の氷点下起動時における燃料電池システム300の動作を説明する。
As described above, it was found that at the time of low temperature startup, the power generation performance decreases on the downstream side of the oxidant gas, and the overall power generation performance gradually decreases. Therefore, in this embodiment, the cooling medium flow rate is adjusted at the time of starting below freezing. Hereinafter, the operation of the
図5は、氷点下起動時(例えば−35℃〜0℃)における燃料電池システム300の動作を説明するための模式図である。図5に示すように、冷却媒体供給手段230は、冷却媒体の流量を調整するための流量調整弁231と、冷却媒体の温度を検出するための温度センサ232と、を備える。本実施例においては、温度センサ232は、冷却媒体排出マニホールド43c,43dよりも下流側の冷却媒体の温度を検出する。燃料電池スタック100の温度を精度良く検出することができるからである。
FIG. 5 is a schematic diagram for explaining the operation of the
まず、制御部240は、燃料ガス供給手段210および酸化剤ガス供給手段220を制御して燃料電池スタック100に発電をさせる。次に、制御部240は、温度センサ232の検出結果に基づいて冷却媒体の温度が氷点下であるか否かを判定する。冷却媒体の温度が氷点下である場合、制御部240は、第2冷却媒体流路49への冷却媒体供給量が第1冷却媒体流路48への冷却媒体供給量に比較して少なくなるように流量調整弁231を制御する。
First, the
この場合、酸化剤ガス上流側に比較して酸化剤ガス下流側の冷却媒体の流量が少なくなる。それにより、酸化剤ガス下流側を流動する氷点下の冷却媒体の流量が少なくなることから、発電に伴う発熱による酸化剤ガス下流側の温度上昇が促進される。その結果、酸化剤ガスに含まれる発電生成水の酸化剤ガス下流側における再氷結が抑制される。以上のことから、有効発電面積の減少を抑制することができる。 In this case, the flow rate of the cooling medium on the downstream side of the oxidant gas is smaller than that on the upstream side of the oxidant gas. As a result, the flow rate of the cooling medium below the freezing point flowing on the downstream side of the oxidant gas is reduced, and the temperature increase on the downstream side of the oxidant gas due to heat generated by power generation is promoted. As a result, re-freezing on the downstream side of the oxidant gas of the power generation generated water contained in the oxidant gas is suppressed. From the above, it is possible to suppress a decrease in the effective power generation area.
なお、本実施例においては、第2冷却媒体流路49を流動する冷却媒体流量を低減させたが、第2冷却媒体流路49への冷却媒体の供給を停止してもよい。この場合、酸化剤ガス下流側においては氷点下の冷却媒体が流動しないことから、酸化剤ガス下流側の温度上昇が促進される。
In the present embodiment, the flow rate of the cooling medium flowing through the second cooling
ここで、氷点下起動時に第1冷却媒体流路48および第2冷却媒体流路49への冷却媒体の供給を停止することも考えられる。発電に伴う発熱によって燃料電池スタック100の温度上昇が促進されるからである。しかしながら、この場合、燃料電池スタック100の平均温度の検出が困難になるため、燃料電池スタック100の制御が困難になるおそれがある。また、冷却媒体の循環を停止すると、カソード触媒層において局所的に温度が上昇することになる。この場合、燃料電池スタック100の各部が損傷するおそれがある。したがって、冷却媒体はできるだけ循環していることが好ましい。本実施例においては、冷却媒体の循環が部分的に停止または抑制されるにすぎないので、燃料電池スタック100の各部の損傷等を抑制しつつ、効率よく燃料電池スタック100を起動することができる。
Here, it is also conceivable to stop the supply of the cooling medium to the first cooling
図6に、氷点下起動時のフローチャートの一例を示す。このフローチャートが実行される際には、燃料電池スタック100において発電が開始されている。図6に示すように、制御部240は、温度センサ232の検出結果を受け取って冷却媒体の温度Tを取得する(ステップS1)。次に、制御部240は、冷却媒体の温度Tが0℃未満であるか否かを判定する(ステップS2)。
FIG. 6 shows an example of a flowchart when starting below freezing. When this flowchart is executed, power generation is started in the
ステップS2において冷却媒体の温度Tが0℃未満であると判定されなかった場合には、制御部240は、フローチャートの実行を終了する。ステップS2において冷却媒体の温度Tが0℃未満であると判定された場合、制御部240は、第1冷却媒体流路48を流動する冷却媒体の流量よりも第2冷却媒体流路49を流動する冷却媒体の流量が少なくなるように、流量調整弁231を制御する(ステップS3)。
If it is not determined in step S2 that the temperature T of the cooling medium is less than 0 ° C., the
次に、制御部240は、温度センサ232の検出結果を受け取って冷却媒体の温度Tを再度取得する(ステップS4)。次いで、制御部240は、冷却媒体の温度Tが0℃以上であるか否かを判定する(ステップS5)。ステップS5において冷却媒体の温度Tが0℃以上であると判定されなかった場合、制御部240は、再度ステップS4を実行する。ステップS5において冷却媒体の温度Tが0℃以上であると判定された場合、制御部240は、第1冷却媒体流路48および第2冷却媒体流路49を流動する冷却媒体流量が同じになるように流量調整弁231を制御する(ステップS6)。その後、制御部240は、フローチャートの実行を終了する。
Next, the
このフローチャートの実行により、冷却媒体の温度が氷点下から0℃になるまでの間、酸化剤ガス上流側に比較して酸化剤ガス下流側の冷却媒体の流量が少なくなる。それにより、酸化剤ガスに含まれる発電生成水の酸化剤ガス下流側における再氷結が抑制される。その結果、有効発電面積の減少を抑制することができる。 By executing this flowchart, the flow rate of the coolant on the downstream side of the oxidant gas becomes smaller than that on the upstream side of the oxidant gas until the temperature of the coolant reaches 0 ° C. from below freezing point. Thereby, re-freezing on the downstream side of the oxidant gas of the power generation generated water contained in the oxidant gas is suppressed. As a result, a reduction in effective power generation area can be suppressed.
図7(a)は、氷点下起動時における、第1冷却媒体流路48および第2冷却媒体流路49を流動する冷却媒体流量の一例を示す図である。図7(a)に示すように、氷点下起動時点においては、第2冷却媒体流路49への冷却媒体供給を停止し、第1冷却媒体流路48だけに冷却媒体を供給する。その後、徐々にまたは段階的に第2冷却媒体流路49への冷却媒体流量を増加させて、冷却媒体の温度が0℃以上になった場合に第1冷却媒体流路48および第2冷却媒体流路49への冷却媒体の供給量を等しくする。このように冷却媒体流量を制御することによって、酸化剤ガス出口側における水分の再氷結を効率よく抑制することができる。
FIG. 7A is a diagram illustrating an example of the flow rate of the cooling medium flowing through the first cooling
なお、図7(b)は、第2冷却媒体流路49への冷却媒体供給を停止した場合の温度分布を示す。図7(b)に示すように、第2冷却媒体流路49への冷却媒体供給を停止することによって、酸化剤ガス出口側の温度は酸化剤ガス入口側に比較して温度が高くなる。
FIG. 7B shows a temperature distribution when the supply of the cooling medium to the second cooling
また、高温時(例えば冷却媒体温度が80℃以上)には、電解質膜が乾燥して発電性能が低下するおそれがある。そこで、図8(a)に示すように、高温時には第1冷却媒体流路48を流動する冷却媒体の流量よりも第2冷却媒体流路49を流動する冷却媒体の流量が多くなるように、流量調整弁231を制御してもよい。この場合、酸化剤ガスの出口側の温度が低下することによって、酸化剤ガス出口側からの水分の排出が抑制される。それにより、電解質膜の乾燥が抑制される。なお、流量調整弁の代わりに冷却水ポンプを配置し、第1冷却媒体流路48の流量を変えずに第2冷却媒体流路49の流量を増加させると、さらに大きな効果が得られる。
Further, when the temperature is high (for example, the cooling medium temperature is 80 ° C. or higher), the electrolyte membrane may be dried and power generation performance may be reduced. Therefore, as shown in FIG. 8A, at a high temperature, the flow rate of the cooling medium flowing in the second cooling
なお、図8(b)は、第2冷却媒体流路49への冷却媒体流量を増加させた場合の温度分布を示す。ここで、本来であれば、酸化剤ガスの出口側かつ冷却媒体の出口側の領域が高温になる。しかしながら、図8(b)に示すように、第2冷却媒体流路49への冷却媒体流量を増加させることによって、酸化剤ガス出口側かつ冷却媒体の出口側の領域の温度上昇が抑制される。それにより、面内温度の均一化を測ることができる。
FIG. 8B shows the temperature distribution when the coolant flow rate to the second
なお、本実施例においては、冷却媒体供給手段230および制御部240が温度調整手段に相当し、流量調整弁231が流量制御手段に相当する。
In this embodiment, the cooling
図9は、本発明の第2実施例に係る燃料電池システム300aを説明するための模式図である。本実施例においては、図9に示すように、第2冷却媒体流路49の断面積が第1冷却媒体流路48の断面積よりも小さく設定されている。この場合、第2冷却媒体流路49を流動する冷却媒体流量は第1冷却媒体流路48を流動する冷却媒体流量に比較して少なくなる。したがって、低温起動時における発電生成水の再氷結を抑制することができる。それにより、発電性能低下を抑制することができる。
FIG. 9 is a schematic diagram for explaining a fuel cell system 300a according to a second embodiment of the present invention. In the present embodiment, as shown in FIG. 9, the cross-sectional area of the second cooling
なお、上記各実施例においては、冷却媒体を2種類の流路に分けて各流路の流量が調整されているが、それに限られない。3種類以上の流路に分けた場合においても、氷点下起動時に酸化剤ガス上流側に比較して酸化剤ガス下流側を流動する冷却媒体流量を少なくすることによって、本発明の効果が得られる。また、上記各実施例においては、冷却媒体を用いて温度を調整しているが、それに限られない。例えば、酸化剤ガス上流側に比較して酸化剤ガス下流側の温度を上昇させるヒータ等を備えていてもよい。 In each of the above embodiments, the cooling medium is divided into two types of flow paths and the flow rate of each flow path is adjusted, but the present invention is not limited to this. Even in the case of dividing into three or more types of flow paths, the effect of the present invention can be obtained by reducing the flow rate of the cooling medium flowing downstream of the oxidant gas compared to the upstream side of the oxidant gas when starting below freezing. Moreover, in each said Example, although temperature is adjusted using a cooling medium, it is not restricted to it. For example, you may provide the heater etc. which raise the temperature of oxidant gas downstream compared with oxidant gas upstream.
100 燃料電池スタック
130 単セル
230 冷却媒体供給手段
240 制御部
42a〜42c 酸化剤ガス供給マニホールド
42d〜42f 酸化剤ガス排出マニホールド
43a,43b 冷却媒体供給マニホールド
43c,43d 冷却媒体排出マニホールド
48 第1冷却媒体流路
49 第2冷却媒体流路
231 流量調整弁
232 温度センサ
300 燃料電池システム
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記燃料電池の氷点下起動時に、前記酸化剤ガス流路の下流側の温度を上流側の温度に比較して高く調整する温度調整手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell provided with a cathode and an oxidant gas flow path for supplying an oxidant gas to the cathode;
A fuel cell system comprising: temperature adjusting means for adjusting the temperature on the downstream side of the oxidant gas flow path to be higher than the temperature on the upstream side when the fuel cell is started below freezing point.
前記流量制御手段は、前記燃料電池の氷点下起動時に、前記第2冷却媒体流路を流動する冷却媒体流量が前記第1冷却媒体流路を流動する冷却媒体流量よりも少なくなるように冷却媒体流量を制御することを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。 The temperature adjusting means includes a first coolant flow path formed on the upstream side of the oxidant gas flow path, a second coolant flow path formed on the downstream side of the oxidant gas flow path, and the first A flow rate control means for controlling a cooling medium flow rate flowing through the first cooling medium flow path and a cooling medium flow rate flowing through the second cooling medium flow path,
The flow rate control means is configured to reduce the coolant flow rate so that the coolant flow rate flowing through the second coolant flow path is smaller than the coolant flow rate flowing through the first coolant flow path when the fuel cell is started below freezing point. The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel cell system is controlled.
前記第2冷却媒体流路の断面積は、前記第1冷却媒体流路の断面積に比較して小さいことを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。 The temperature adjusting means includes a first coolant flow path formed on the upstream side of the oxidant gas flow path and a second coolant flow path formed on the downstream side of the oxidant gas flow path,
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein a cross-sectional area of the second coolant flow path is smaller than a cross-sectional area of the first coolant flow path.
前記燃料電池の氷点下起動時に、前記酸化剤ガス流路の下流側の温度を上流側の温度に比較して高く調整する温度調整ステップを含むことを特徴とする燃料電池の制御方法。 A control method of a fuel cell provided with a cathode and an oxidant gas flow path for supplying an oxidant gas to the cathode,
A fuel cell control method comprising a temperature adjustment step of adjusting a temperature on the downstream side of the oxidant gas flow path higher than a temperature on the upstream side when the fuel cell is started below freezing point.
前記温度調整ステップは、前記燃料電池の氷点下起動時に、前記第2冷却媒体流路を流動する冷却媒体流量が前記第1冷却媒体流路を流動する冷却媒体流量よりも少なくなるように冷却媒体流量を制御するステップであることを特徴とする請求項5記載の燃料電池の制御方法。 The fuel cell includes a first coolant flow path formed on the upstream side of the oxidant gas flow path and a second coolant flow path formed on the downstream side of the oxidant gas flow path,
In the temperature adjustment step, the coolant flow rate is such that the coolant flow rate flowing through the second coolant flow path is less than the coolant flow rate flowing through the first coolant flow path when the fuel cell is started below freezing point. 6. The method of controlling a fuel cell according to claim 5, wherein the method is a step of controlling the fuel cell.
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JP2017076536A (en) * | 2015-10-15 | 2017-04-20 | 本田技研工業株式会社 | Fuel battery stack |
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