JP2010015933A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は燃料電池システムに関し、より詳細には、イオン液体の漏洩およびクロスリークを防止する燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system for preventing leakage and cross leak of an ionic liquid.
近年、環境問題を背景とした社会的要求や動向と呼応して、燃料電池が注目されている。特に、自動車用の燃料電池として、0℃以下の低温から100℃以上の高温まで発電が可能なイオン液体を電解質として用いる燃料電池が注目されている。 In recent years, fuel cells have attracted attention in response to social demands and trends against the background of environmental problems. In particular, as a fuel cell for an automobile, a fuel cell using an ionic liquid capable of generating power from a low temperature of 0 ° C. or lower to a high temperature of 100 ° C. or higher as an electrolyte has attracted attention.
しかし、SR(Stoich Ratio:要求電流に必要な酸素量から決定される空気流量に対する過剰率)が低い状態においては、空気極での電気化学反応により発生する水が凝縮する。また、SRを高くしても、低温の状態においては飽和水蒸気圧が下がるため、相対水蒸気圧(飽和水蒸気圧に対する水蒸気分圧の比)が高くなる。このような状態においては、凝縮した水がイオン液体に混入し、イオン液体が水とともにリザーバから漏洩することがある。特に、低温からの起動が常に行われる自動車にイオン液体を用いた燃料電池を使用した場合、このような問題が頻繁に発生しうる。また、漏洩によりイオン液体が不足すると燃料極の水素と空気極の酸素が直接混じり合うクロスリークという現象が起り燃料電池の特性を劣化させる。 However, in a state where SR (Stoich Ratio: excess rate with respect to the air flow rate determined from the amount of oxygen necessary for the required current) is low, water generated by an electrochemical reaction at the air electrode is condensed. Even if SR is increased, the saturated water vapor pressure decreases in a low temperature state, and therefore the relative water vapor pressure (ratio of water vapor partial pressure to saturated water vapor pressure) increases. In such a state, condensed water may be mixed into the ionic liquid, and the ionic liquid may leak from the reservoir together with the water. In particular, when a fuel cell using an ionic liquid is used in an automobile that always starts from a low temperature, such a problem can frequently occur. In addition, when the ionic liquid is insufficient due to leakage, a phenomenon called cross leak occurs in which hydrogen in the fuel electrode and oxygen in the air electrode are directly mixed, thereby degrading the characteristics of the fuel cell.
リザーバ内の電解質含有量を監視する方法としては下記特許文献1に示されたものがあるが、リザーバから電解質が漏洩するのを防止する方法については開示されていない。
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであって、リザーバ内のイオン液体量またはイオン液体と水の混合液量を検知し、該混合液量をあらかじめ定めた範囲内に制御することによりイオン液体の漏洩を防止するとともに、燃料電池のクロスリークを防止するものである。 The present invention has been made to solve such a problem, and detects the amount of ionic liquid in a reservoir or a mixed liquid amount of ionic liquid and water, and keeps the mixed liquid amount within a predetermined range. By controlling, leakage of the ionic liquid is prevented and cross leakage of the fuel cell is prevented.
上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、イオン液体を含浸したマトリクスと、マトリクスを介し燃料極と対向して付設された空気極と、空気極を通じてマトリクスにイオン液体を補給するリザーバと、を含む燃料電池セルと、リザーバ内のイオン液体の量またはイオン液体と燃料電池セル内で生じた凝縮水とが混合した混合液の量を検出する検出手段と、検出手段が検出した結果をもとに、リザーバ内のイオン液体の量または混合液の量をあらかじめ定めた設定範囲内に制御する制御手段と、を有することを特徴とする。 In order to solve the above problems, a fuel cell system according to the present invention includes a matrix impregnated with an ionic liquid, an air electrode provided opposite to the fuel electrode through the matrix, and replenishing the matrix with the ionic liquid through the air electrode. A fuel cell including the reservoir, a detection unit that detects the amount of the ionic liquid in the reservoir or the amount of the mixed liquid in which the ionic liquid and the condensed water generated in the fuel cell are mixed, and the detection unit detects And control means for controlling the amount of the ionic liquid in the reservoir or the amount of the mixed solution within a predetermined setting range based on the result.
本発明に係る燃料電池システムによれば、イオン液体の漏洩を防止するとともに、燃料電池のクロスリークを防止することができる。 According to the fuel cell system of the present invention, it is possible to prevent the leakage of the ionic liquid and the cross leak of the fuel cell.
以下に、本発明に係る燃料電池の制御方法について、第1実施形態〜第4実施形態に分けて、図面を参照し詳細に説明する。 Hereinafter, a control method for a fuel cell according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings, divided into first to fourth embodiments.
これらの実施形態の説明をする前に、本発明の理解を容易なものとするために、燃料電池スタックの全体構成について簡単に説明する。図1は燃料電池スタックの全体構成を示す斜視図であり、図2は、燃料電池スタックを構成する燃料電池セルの断面構造を説明するための説明図である。 Before describing these embodiments, the overall configuration of the fuel cell stack will be briefly described in order to facilitate understanding of the present invention. FIG. 1 is a perspective view showing the overall configuration of the fuel cell stack, and FIG. 2 is an explanatory diagram for explaining the cross-sectional structure of the fuel cell constituting the fuel cell stack.
図1に示すように、燃料電池スタック1は、アノード反応ガス(本明細書では水素)とカソード反応ガス(本明細書では酸素)の反応により起電力を生じる単位電池セル(以下、「燃料電池セル」と称する)2を所定数だけ積層して積層体3とされ、その積層体3の両端に集電板4、絶縁板5およびエンドプレート6を配置し、該積層体3の内部に貫通した貫通孔(図示は省略する)にタイロッド7を貫通させ、そのタイロッド7の端部にナット(図示は省略する)を螺合させることで構成されている。
As shown in FIG. 1, the
この燃料電池スタック1においては、アノード反応ガス、カソード反応ガスおよび液状媒体(具体的には冷却水又は温水)をそれぞれ各燃料電池セル2内に形成された流路溝に流通させるためのアノード反応ガス供給口8、アノード反応ガス排出口9、カソード反応ガス供給口10、カソード反応ガス排出口11、媒体供給口12および媒体排出口13を、一方のエンドプレート6に形成している。
In this
アノード反応ガスは、アノード反応ガス供給口8より供給されて各燃料電池セル2内に形成されたアノード反応ガス供給用の流路溝を流れ、アノード反応ガス排出口9より排出される。カソード反応ガスは、カソード反応ガス供給口10より供給されて各燃料電池セル2内に形成されたカソード反応ガス供給用の流路溝を流れ、カソード反応ガス排出口11より排出される。液状媒体は、媒体供給口12より供給されて各燃料電池セル2内に形成された媒体供給用の流路溝を流れ、媒体排出口13より排出される。
The anode reaction gas is supplied from the anode reaction gas supply port 8, flows through the anode reaction gas supply channel groove formed in each
燃料電池セル2は、図2に示すように、マトリクス(電解質)230と、マトリクスの両面に配置される空気極200および燃料極240と、空気極200を通じてマトリクスにイオン液体を補給するリザーバ210とを含んで構成される。
As shown in FIG. 2, the
マトリクス230は、例えば、SiCの絶縁多孔体に液体であるイオン液体を含浸させることにより構成される。イオン液体は、耐熱性が高く、プロトン伝導媒体としての水が不要であり、蒸気圧が非常に低いという高温燃料電池用電解質として優れた特徴を有する。また、イオン液体の中には0℃以下において液体のものがあり、このようなイオン液体を用いれば0℃以下から発電することが可能である。
The
空気極200は、電極触媒である触媒金属としてのカソード触媒層とガス拡散層からなる。
The
燃料極240は、アノード触媒層とガス拡散層からなる。
The
リザーバ210は、空気極200を通じてマトリクス230にイオン液体を補給することによりマトリクス230中のイオン液体の量を適切な量に調整する。リザーバ210は、例えば、多孔質のカーボン材からなり、反応ガスである空気を通すための複数の平行した空気流路220を設ける。リザーバ210には、イオン液体またはイオン液体と水の混合液が保持されており、毛細管現象によりマトリクス230にイオン液体を供給する。
The
イオン液体を用いた燃料電池は、電解質が液体となる。従って、安定的な運転のために、イオン液体への生成水の混合を予め加味して、マトリクス230中のイオン液体またはイオン液体と水の混合液の量を適切に保つ必要がある。例えば、マトリクス230中のイオン液体またはイオン液体と水の混合液が不足すると、燃料極240の水素と空気極200の酸素が直接混じり合うクロスリークという現象が生じる。一方、マトリクス230中のイオン液体またはイオン液体と水の混合液が許容量を超えると、イオン液体またはイオン液体と水の混合液が空気流路220に流れ出し、イオン液体が外部に漏洩する。また、マトリクス230から漏れ出したイオン液体またはイオン液体と水の混合液は反応ガスである空気の三相界面への移動を妨げるため、フラッディングという現象が起り燃料電池の性能を低下させる。
In a fuel cell using an ionic liquid, the electrolyte is liquid. Therefore, for stable operation, it is necessary to preliminarily mix the produced water with the ionic liquid and keep the amount of the ionic liquid or the mixed liquid of the ionic liquid and water in the
燃料流路250に水素を、空気流路220に酸素を、それぞれ流通させると、水素はアノード触媒層の触媒作用で水素イオンに変わり電子を放出する。電子を放出した水素イオンはマトリクス230を通過する。カソード触媒層ではマトリクス230を通過してきた水素と外部流路(図示せず)を経由してきた電子が酸素と反応して水を生成する。この作用によって燃料極240がマイナスに、空気極200がプラスになり、燃料極240と空気極200との間で直流電圧が発生する。
When hydrogen is passed through the
以下に、第1実施形態から第4実施形態に分けて本発明に係る燃料電池の制御方法およびその制御装置を具体的に説明する。
[第1実施形態]
図3は、本発明の第1実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
Hereinafter, the fuel cell control method and the control apparatus according to the present invention will be described in detail by dividing the first embodiment to the fourth embodiment.
[First Embodiment]
FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention.
第1実施形態に係る燃料電池システムは、図3に示すように、燃料電池セルが積層されてなる燃料電池スタック300、各燃料電池セルの空気極側に設けられセル温度を計測する温度センサ301、同様に空気極側に設けられ空気極側のリザーバのイオン伝導度を計測するイオン伝導度センサ302、各燃料電池セルの空気流路の下流部に設けられ空気極側空気出口の水蒸気圧を計測する水蒸気圧センサ303、を有する。また、燃料電池の空気極に第1熱交換器304を介して外部空気を供給するコンプレッサ305、コンプレッサ305の吐出空気の温度を調節する第1熱交換器304(および第1ラジエータファン304a)、を有する。また、燃料極に供給する水素を蓄える水素タンク306、水素タンクから供給される高圧水素を燃料電池スタック300に供給できる圧力まで低下させるプレッシャレギュレータ307、水素を昇温する第2熱交換器308、を有する。また、燃料電池セル内を通過させる冷却水の温度を調節して燃料電池セルの温度を調節する第3熱交換器310(および第2ラジエータファン310a)、冷却水の流量を調節して燃料電池セルの温度を調節する冷却水ポンプ309、を有する。また、燃料電池システムへの要求出力と燃料電池スタックの出力に差があるときに充放電する2次電池311、燃料電池スタック300または2次電池311から得た電力を用途に応じた電圧に変換するインバータ312、を有する。また、燃料電池システムの各構成要素を制御する、演算/制御装置、記憶装置、入出力装置を含んでなるコントロールユニット313を有する。
As shown in FIG. 3, the fuel cell system according to the first embodiment includes a
さらに、第1実施形態に係る燃料電池システムは、燃料電池セルの空気流路の途中に接続され空気流路に空気を流入させる空気バイパス流路314、空気バイパス流路314に流す空気を制御する空気バイパス流路制御バルブ315、燃料電池セルの冷却水流路の途中に接続され冷却水流路から冷却水を流出させた後冷却水路に流入させる(すなわち還流させる)冷却水バイパス流路316、冷却水バイパス流路316に流す冷却水を制御する冷却水バイパス流路制御バルブ317、を有する。空気バイパス流路制御バルブ315を開くことにより、空気バイパス流路314を流れる空気が空気流路に合流するため空気流路の下流の空気流量を増加させることができる。冷却水バイパス流路制御バルブ317を開くことにより、冷却水流路を流れる冷却水が冷却水バイパス流路316から流出するため、冷却水流路の下流の冷却水流量を減少させ該下流周辺の燃料電池セルの温度を上昇させることができる。冷却水流路の途中に接続する冷却水バイパス流路は1つに限定されず、冷却水流路の任意の箇所に冷却水バイパス流路を複数接続することにより、それぞれの箇所で冷却水を還流させうる。
Furthermore, the fuel cell system according to the first embodiment controls the air that flows through the
図4は、燃料電池セルの内部構造の断面を示す説明図である。図4に示すように、燃料電池セルはイオン液体を含浸したマトリクス400と、マトリクス400の両面に互いに対向して付設した燃料極410および空気極420と、燃料極410および空気極420をそれぞれ外側から狭持するリザーバ430とを有してなる。リザーバ430には空気流路430aと燃料流路430bが設けられ、それぞれ、空気と水素の流路をなす。
FIG. 4 is an explanatory view showing a cross section of the internal structure of the fuel battery cell. As shown in FIG. 4, the fuel cell includes a
図5は、リザーバの空気流路500が形成された部分の構造を示す説明図である。空気流路500には空気入口501、空気バイパス入口502、空気出口503を設ける。空気入口501から流入した空気は、空気流路500を流れ空気出口503から流出する。空気バイパス入口502には空気バイパス流路が接続され、空気バイパス流路を流れる空気が流入する。なお、リザーバには、後述する、冷却水を流す冷却板に冷却水を供給するための冷却水入口504と冷却板を流れた冷却水を流出させるための冷却水出口505、そして、冷却水バイパス流路が接続される冷却水バイパス出口506が設けられる。また、燃料である水素を流入させる燃料入口507と、水素を流出させる燃料出口508が設けられる。
FIG. 5 is an explanatory view showing the structure of the portion where the
図6は、冷却板の構造を示す説明図である。冷却板には冷却水流路600を設ける。冷却水流路600には、冷却水入口604、冷却水バイパス出口606、冷却水出口605を設ける。冷却水入口604から流入した冷却水は、冷却水流路600を流れ冷却水出口605から流出する。冷却水バイパス出口606には冷却水バイパス流路が接続され、冷却水バイパス流路に流れる冷却水が流出する。冷却水バイパス出口606から流出した冷却水は、バイパス流路制御バルブを通して冷却水バイパス流路を流れた後、冷却水入口604から再流入することにより冷却水バイパス流路および冷却水流路600を還流する。なお、冷却板は、燃料電池スタックを構成する燃料電池セル単位で、積層構造の一部として挿入するため、空気入口601、空気出口603、空気バイパス入口602、燃料入口607、燃料出口608が設けられる。冷却板は、燃料電池スタックを構成する燃料電池セル単位で挿入するが、これに限定されず、燃料電池スタック内の燃料電池セル積層構造の任意の箇所に挿入してもよい。
FIG. 6 is an explanatory view showing the structure of the cooling plate. A cooling
図7は、本第1実施形態に係る燃料電池システムを実施するためのフローチャートである。以下、図7に示すフローチャートをステップごとに説明する。 FIG. 7 is a flowchart for implementing the fuel cell system according to the first embodiment. Hereinafter, the flowchart shown in FIG. 7 will be described step by step.
〔S700〕
コンプレッサを起動し、燃料電池スタックの昇温を開始する。
[S700]
Start the compressor and start raising the temperature of the fuel cell stack.
コンプレッサからは圧縮された約180℃の高温空気が排出される。燃料電池スタックは、100℃〜180℃が定常時の運転温度(以下、「定常運転温度T0」と称する)であるため、第1熱交換器(および第1ラジエータファン)によりこの範囲まで空気の温度を低下させて、燃料電池スタックに空気を供給する。燃料電池スタックは、第1熱交換器から供給される空気の熱で暖機される。 The compressed hot air of about 180 ° C. is discharged from the compressor. Since the fuel cell stack has a normal operation temperature of 100 ° C. to 180 ° C. (hereinafter referred to as “steady operation temperature T 0 ”), air is brought to this range by the first heat exchanger (and the first radiator fan). The air is supplied to the fuel cell stack at a reduced temperature. The fuel cell stack is warmed up by the heat of air supplied from the first heat exchanger.
〔S710〕
燃料電池スタックの発電を開始する。
[S710]
Start power generation of the fuel cell stack.
燃料電池スタックの発電が開始した直後の燃料電池スタック全体の温度は周辺温度に等しい。したがって、燃料電池スタックの温度が定常運転温度T0に達するまでは、燃料電池スタックの最大出力は定常運転温度T0における最大出力よりも小さい状態にある。 The temperature of the entire fuel cell stack immediately after the start of power generation by the fuel cell stack is equal to the ambient temperature. Therefore, until the temperature of the fuel cell stack reaches a steady operating temperature T 0, the maximum output of the fuel cell stack is in a state of being smaller than the maximum output in the steady operation temperature T 0.
〔S720〕
空気極側リザーバの、イオン液体と水の混合液の充填率を計測する。
[S720]
Measure the filling rate of the mixture of ionic liquid and water in the air electrode side reservoir.
上述したように、SRが低い状態や、SRは高くても低温の状態においては、凝縮による液体の水(以下、「凝縮水」と称する)が発生する。発生した凝縮水の一部はイオン液体と混合し、凝縮水とイオン液体が混合した液体(以下、「混合液」と称する)は毛管引力で空気極側のリザーバへ移動する。その結果、もともとリザーバの空孔の60%を占めていたイオン液体とともに混合液がリザーバに蓄えられる。ここで、リザーバの空孔のうちイオン液体または混合液が占める割合を充填率Fとする。 As described above, liquid water (hereinafter referred to as “condensed water”) is generated by condensation in a state where SR is low or in a state where SR is high but low. A part of the generated condensed water is mixed with the ionic liquid, and the liquid in which the condensed water and the ionic liquid are mixed (hereinafter referred to as “mixed liquid”) moves to the reservoir on the air electrode side by capillary attraction. As a result, the liquid mixture is stored in the reservoir together with the ionic liquid that originally occupied 60% of the holes in the reservoir. Here, the ratio of the vacancies in the reservoir occupied by the ionic liquid or the mixed liquid is defined as a filling rate F.
本ステップは、図8に示す空気極側リザーバの充填率導出サブルーチンにより充填率Fを計測する。 In this step, the filling rate F is measured by a filling rate deriving subroutine for the air electrode side reservoir shown in FIG.
〔S800〕
空気流路下流の水蒸気分圧Pvを計測する。
[S800]
The water vapor partial pressure Pv downstream of the air flow path is measured.
図9は、燃料電池セルの空気極900側に設置された水蒸気圧センサ910、イオン伝導度センサ920、セル温度センサ930の位置を示すための説明図である。図9に示すように、水蒸気圧センサ910は空気極900の空気流路940下流付近に設置する。
FIG. 9 is an explanatory diagram showing the positions of the water
水蒸気圧センサ910としては、例えば、静電容量式の水蒸気圧計を用いることができる。通常、この方式の蒸気圧計は2成分以上の蒸気を含むガス中の水蒸気圧を計測するのは困難であるが、イオン液体は難揮発性という特徴があるため水蒸気圧を計測することができる。
As the water
〔S810〕
燃料電池セルの温度TFCを計測する。
[S810]
Measuring the temperature T FC of the fuel cell.
図9に示すように、燃料電池セル950の空気極900にセル温度センサ930を設置することにより燃料電池セル950の温度TFCを計測する。セル温度センサ930には熱電対を用いることができる。
As shown in FIG. 9, for measuring the temperature T FC of the
〔S820〕
リザーバ内の水濃度Cwを導出する。ここで、水濃度Cwとはイオン液体のモル数に対する水のモル数の割合をいう。すなわち、イオン液体と水のモル数が等しい混合液の水濃度は100mol%となる。
[S820]
To derive the water concentration C w in the reservoir. Here, the water concentration Cw refers to the ratio of the number of moles of water to the number of moles of ionic liquid. That is, the water concentration of the mixed liquid having the same number of moles of ionic liquid and water is 100 mol%.
図10は、混合液の蒸気圧曲線を示す図である。図10に示すように、相対水蒸気圧Pv/P0と水濃度Cwとは一定の関係を有する。ここで、相対水蒸気圧とは、水蒸気圧Pvを飽和水蒸気圧P0で除した値(Pv/P0)をいう。相対水蒸気圧Pv/P0と水濃度Cwとの関係を示す曲線を蒸気圧曲線という。ステップS800で計測した水蒸気圧Pvと、ステップS810で計測した燃料電池セルの温度TFCから算出した飽和水蒸気圧P0と、から相対水蒸気圧Pv/P0を算出することができる。ここで、飽和水蒸気圧P0は、あらかじめ燃料電池セルの温度TFCと飽和水蒸気圧P0との関係をコントロールユニットの記憶装置に記憶させておき、計測した燃料電池セルの温度TFCと比較することで算出できる。 FIG. 10 is a diagram showing a vapor pressure curve of the mixed liquid. As shown in FIG. 10, the relative water vapor pressure P v / P 0 and the water concentration C w have a certain relationship. Here, the relative water vapor pressure refers to a value (P v / P 0 ) obtained by dividing the water vapor pressure P v by the saturated water vapor pressure P 0 . A curve indicating the relationship between the relative water vapor pressure P v / P 0 and the water concentration C w is referred to as a vapor pressure curve. The relative water vapor pressure P v / P 0 can be calculated from the water vapor pressure P v measured in step S800 and the saturated water vapor pressure P 0 calculated from the temperature T FC of the fuel cell measured in step S810. Here, the saturated water vapor pressure P 0 is stored in advance in the storage device of the control unit in which the relationship between the temperature T FC of the fuel cell and the saturated water vapor pressure P 0 is compared with the measured temperature T FC of the fuel cell. Can be calculated.
当該蒸気圧曲線は、イオン液体によって異なる。本ステップでは、あらかじめ、使用するイオン液体の蒸気圧曲線を計測してコントロールユニットの記憶装置に記憶させておく。イオン液体の蒸気圧曲線の計測は、用途に応じて実際に想定される燃料電池セルの温度TFCの範囲内の数点について行う。上記算出した相対水蒸気圧Pv/P0と、記憶させておいた蒸気圧曲線と比較することにより空気極側のリザーバ中の水濃度Cwを算出することができる。 The vapor pressure curve varies depending on the ionic liquid. In this step, the vapor pressure curve of the ionic liquid to be used is measured in advance and stored in the storage device of the control unit. The vapor pressure curve of the ionic liquid is measured at several points within the range of the temperature T FC of the fuel cell that is actually assumed according to the application. Relative water vapor pressure P v / P 0 calculated above, it is possible to calculate the water concentration C w in the air electrode side reservoir by comparing the vapor pressure curve which had been stored.
ここで、以下のステップS830〜S840によってリザーバの充填率Fを導出せずに、本ステップで導出したリザーバ中の水濃度Cwからリザーバの充填率Fを導出してもよい。すなわち、リザーバ中のイオン液体量の初期値(モル数)と、水濃度Cwから混合液中の水の量(モル数)が算出できる。そうすると、混合液中の水の体積が算出できるため、既知のイオン液体の体積と混合液中の水の体積の和と、設計値である既知のリザーバの空孔容積とからリザーバの充填率Fが導出できる。 Here, without deriving a filling factor F of the reservoir by the following steps S830~S840, may water concentration C w in the reservoir derived in this step to derive the filling factor F of the reservoir. That is, the amount of water (number of moles) in the mixed liquid can be calculated from the initial value (number of moles) of the ionic liquid in the reservoir and the water concentration Cw . Then, since the volume of water in the liquid mixture can be calculated, the filling rate F of the reservoir can be calculated from the sum of the volume of the known ionic liquid and the volume of water in the liquid mixture and the known pore volume of the reservoir as the design value. Can be derived.
〔S830〕
混合液の伝導度σを導出する。
[S830]
The conductivity σ of the mixed solution is derived.
本ステップと下記ステップS840によれば、さらに正確にリザーバの充填率Fが導出できる。 According to this step and the following step S840, the reservoir filling rate F can be derived more accurately.
混合液のイオン伝導度は一般に水の混入量が多いほど増大する。これは、液体の粘度とイオン伝導度の間に相関があり、水の粘度は一般的にイオン液体よりも低いからである。本ステップでは、あらかじめ複数の水濃度でイオン伝導度の温度依存性を計測し記憶装置に記憶させておき、前ステップS820で導出した水濃度Cwと該記憶させたイオン伝導度の温度依存性を比較することにより混合液のイオン伝導度σを算出する。 In general, the ionic conductivity of the mixture increases as the amount of water mixed increases. This is because there is a correlation between the viscosity of the liquid and the ionic conductivity, and the viscosity of water is generally lower than that of the ionic liquid. In this step, pre plurality of water concentrations by measuring the temperature dependence of the ionic conductivity may be stored in the storage device, before the derived water concentration C w and the ion conductivity temperature dependence obtained by the storage in step S820 Is calculated to calculate the ionic conductivity σ of the mixed solution.
図11は、水濃度C1、C2、C3(C1>C2>C3)の混合液について計測し記憶させたイオン伝導度の温度依存性を示すグラフである。ステップS810で計測した燃料電池セル温度TFCおよびステップS820で導出した水濃度Cwと該温度依存性を比較することにより混合液のイオン伝導度σを算出することができる。 FIG. 11 is a graph showing the temperature dependence of ion conductivity measured and stored for a mixed solution of water concentrations C 1 , C 2 , C 3 (C 1 > C 2 > C 3 ). The ionic conductivity σ of the mixture can be calculated by comparing the derived water concentration C w and temperature dependencies fuel cell temperature T FC and step S820 measured in step S810.
一方、混合液の伝導度σは以下の方法で導出することもできる。すなわち、混合液の伝導度σをイオン伝導度センサにより直接に求めることができる。 On the other hand, the conductivity σ of the mixed solution can be derived by the following method. That is, the conductivity σ of the mixed solution can be directly obtained by the ion conductivity sensor.
図12は、本実施形態で用いるイオン伝導度センサの構成を示す説明図である。図12は、リザーバの断面図であり、イオン伝導度センサはリザーバ内部に設ける。イオン伝導度センサは、リザーバと同様の空孔率を有しかつ絶縁性の物質からなるイオン伝導度計測部1200、イオン伝導度計測部内を貫通する2対の白金線からなる電極端子1210、2対の白金線に接続される交流抵抗計1220、を有してなる。イオン伝導度センサを、空気バイパス流路入口、空気流路入口、空気流路出口、空気流路中間といった複数個所に設けることで混合液のイオン伝導度の計測の精度を向上でき、充填率制御の精度を向上させることが可能になる。例えば、温度センサとイオン伝導度センサを空気バイパス流路入口の上流側と下流側にそれぞれ1つ以上設けることで充填率制御の精度を向上させることができる。
FIG. 12 is an explanatory diagram showing a configuration of an ion conductivity sensor used in the present embodiment. FIG. 12 is a cross-sectional view of the reservoir, and the ion conductivity sensor is provided inside the reservoir. The ion conductivity sensor includes an ion
イオン伝導度センサを用いて、交流インピーダンス法により電極端子間の抵抗Rを計測することができる。そうすると、混合液の伝導度σは、下記の式(1)で求めることができる。電極端子間の抵抗Rの計測においては、イオン伝導度計測部1200全体を混合液で満たす必要があるため、イオン伝導度計測部1200の設計においてこのことを考慮する必要がある。
The resistance R between electrode terminals can be measured by an alternating current impedance method using an ion conductivity sensor. Then, the conductivity σ of the mixed liquid can be obtained by the following formula (1). In measuring the resistance R between the electrode terminals, it is necessary to fill the entire ion
ここで、lは白金電極の電極間距離、Aはイオン伝導度計測部の電極間面積であり、これらの値は設計値であるため既知である。 Here, l is the distance between the electrodes of the platinum electrode, A is the area between the electrodes of the ion conductivity measuring unit, and these values are known because they are design values.
式(1)に電極端子間の抵抗Rを代入することにより、混合液の伝導度σを算出できる。 By substituting the resistance R between the electrode terminals into the equation (1), the conductivity σ of the mixed liquid can be calculated.
〔S840〕
空気極側のリザーバの充填率Fを導出する。
[S840]
The filling rate F of the reservoir on the air electrode side is derived.
図13は、イオン液体の伝導率であるσ0に対する混合液の伝導率σの割合(以下、「イオン伝導度比σ/σ0」と称する)と、リザーバの充填率Fとの関係のグラフを示す図である。イオン液の伝導率σ0は各イオン液体固有のものであり、既知である。あらかじめ、イオン伝導度比σ/σ0と充填率Fの関係をコントロールユニットの記憶装置に記憶させておき、前ステップS830で導出した混合液の伝導率σからイオン伝導度比σ/σ0を求め、あらかじめ記憶させたイオン伝導度比σ/σ0と充填率Fの関係と比較することによりリザーバの充填率Fを導出することができる。 FIG. 13 is a graph of the relationship between the ratio of the conductivity σ of the liquid mixture to σ 0 which is the conductivity of the ionic liquid (hereinafter referred to as “ion conductivity ratio σ / σ 0 ”) and the filling rate F of the reservoir. FIG. The conductivity σ 0 of the ionic liquid is unique to each ionic liquid and is known. The relationship between the ionic conductivity ratio σ / σ 0 and the filling rate F is stored in advance in the storage device of the control unit, and the ionic conductivity ratio σ / σ 0 is calculated from the conductivity σ of the liquid mixture derived in the previous step S830. The filling rate F of the reservoir can be derived by obtaining and comparing with the relationship between the ion conductivity ratio σ / σ 0 and the filling rate F stored in advance.
以下、図7に戻りステップS730以降のステップを実施する。 Hereinafter, returning to FIG. 7, the steps after step S730 are performed.
〔S730〕
リザーバの充填率Fがあらかじめ定めた充填率上限閾値Fmaxより小さいかどうか判断する。
[S730]
It is determined whether or not the filling rate F of the reservoir is smaller than a predetermined filling rate upper limit threshold Fmax .
リザーバの充填率Fが充填率上限閾値Fmaxより小さくないと判断したときは、イオン液体が外部に漏洩するおそれがあると判断して、ステップS740に移行する。 When it is determined that the filling rate F of the reservoir is not smaller than the filling rate upper limit threshold Fmax , it is determined that the ionic liquid may leak to the outside, and the process proceeds to step S740.
リザーバの充填率Fが充填率上限閾値Fmaxより小さいと判断したときは、イオン液体が外部に漏洩するおそれがないと判断して、ステップS750に移行する。 When it is determined that the filling rate F of the reservoir is smaller than the filling rate upper limit threshold Fmax , it is determined that there is no possibility that the ionic liquid leaks to the outside, and the process proceeds to step S750.
ここで、充填率上限閾値Fmaxの値は、後述する充填率下限閾値Fminの値と同様に、空気流路のサイズ、空気極側のリザーバの容積、該リザーバの空孔率、該リザーバの材質、触媒の材料、運転出力といった条件や、電解質漏洩やガスリークに対して設定された安全率により変化させうる。本実施形態においては、Fmax=80%、Fmin=40%とする。 Here, the value of the filling rate upper limit threshold F max is the same as the value of the filling rate lower limit threshold F min described later, the size of the air flow path, the volume of the reservoir on the air electrode side, the porosity of the reservoir, the reservoir It can be changed according to conditions such as the material of the catalyst, the material of the catalyst, the operation output, and the safety factor set for the electrolyte leakage and gas leakage. In the present embodiment, F max = 80% and F min = 40%.
まず、充填率Fが充填率上限閾値Fmaxより小さくないと判断した場合について説明する。もし、充填率Fが一箇所でも充填率上限閾値Fmaxより小さくないと判断した場合は、ステップS740に移行し、以下のステップS1400〜S1420からなる第1充填率低下サブルーチンを実施する。図14は、第1充填率低下サブルーチンを示す図である。 First, a case where it is determined that the filling rate F is not smaller than the filling rate upper limit threshold F max will be described. If it is determined that the filling rate F is not smaller than the filling rate upper limit threshold Fmax even at one place, the process proceeds to step S740, and the first filling rate lowering subroutine including the following steps S1400 to S1420 is performed. FIG. 14 is a diagram illustrating a first filling rate lowering subroutine.
〔S1400〕
2次電池の充電状態Sが閾値S0より大きいかどうか判断する。
[S1400]
Charge state S of the secondary battery is judged whether or larger than the threshold S 0.
2次電池の充電状態Sは、一般的には2次電池の開放端電圧で検知するが、これに限定されない。 The charging state S of the secondary battery is generally detected by the open-circuit voltage of the secondary battery, but is not limited to this.
2次電池の充電状態Sが閾値S0より大きいと判断した場合は、2次電池が一時的な放電に耐えられるだけの充電状態になっていると判断して、ステップS1410に移行する。 If the state of charge S of the secondary battery is determined to be greater than the threshold value S 0, it is determined that the secondary battery is in the charge state of only withstand temporary discharge, the process proceeds to step S1410.
2次電池の充電状態Sが閾値S0より大きくないと判断した場合は、2次電池が燃料電池システムへの要求電力と燃料電池スタックの発電量との差を補うだけの充電状態になっていないと判断し、ステップS1420の第2充填率低下サブルーチンに移行する。 If the state of charge S of the secondary battery is determined not to be larger than the threshold S 0, it has become a state of charge of only secondary batteries make up for the difference between the power generation amount of required power and fuel cell stack of the fuel cell system Otherwise, the process proceeds to the second filling rate lowering subroutine of step S1420.
〔S1410〕
空気極に供給する空気流量を一定としたまま、燃料電池スタックの発電量を低下させる。
[S1410]
The power generation amount of the fuel cell stack is reduced while keeping the air flow rate supplied to the air electrode constant.
空気流量を一定として燃料電池スタックの発電量を低下させると、電気化学反応によって生成する水の量が減少するため水蒸気圧Pvが低下し、相対水蒸気圧Pv/P0が低下する。図10に示す蒸気圧曲線によると、相対水蒸気圧Pv/P0が低下すると水濃度Cwが低下する。すなわち、空気極側のリザーバの充填率Fを低下させることができる。 Reducing the amount of power generation of the fuel cell stack air flow as a constant water vapor pressure P v decreases the amount of water produced by the electrochemical reaction is decreased, the relative vapor pressure P v / P 0 is decreased. According to the vapor pressure curve shown in FIG. 10, when the relative water vapor pressure P v / P 0 decreases, the water concentration C w decreases. That is, the filling rate F of the reservoir on the air electrode side can be reduced.
充填率Fが充填率上限閾値Fmaxより小さくなるまで第1充填率低下サブルーチンを実施する。 The first filling rate lowering subroutine is executed until the filling rate F becomes smaller than the filling rate upper limit threshold Fmax .
〔S1420〕
2次電池の充電状態Sが閾値S0より大きくないと判断した場合は、以下ステップS1500からなる第2充填率低下サブルーチンに移行する。図15は、第2充填率低下サブルーチンを示す図である。
[S1420]
If the state of charge S of the secondary battery is determined not to be larger than the threshold S 0, the process proceeds to the second filling ratio decreases subroutine consisting of steps S1500. FIG. 15 is a diagram showing a second filling rate lowering subroutine.
〔S1500〕
燃料電池冷却水量を低下させる。
[S1500]
Reduce the amount of fuel cell cooling water.
燃料電池セルの温度は、図3に示す本実施形態に係る燃料電池システムにおいて、冷却水ポンプ309による燃料電池セルを通過する冷却水量の制御や、第1ラジエータファン304aまたは第2ラジエータファン310aの回転数の調整によりそれぞれ空気の温度または冷却水の温度を調整することにより制御できる。本ステップでは、燃料電池セル内を通過させる冷却水量を低下させて燃料電池セルの温度を上昇させる。燃料電池セルの温度を上昇させることにより空気極側のリザーバから液水が蒸発する速度を上昇させ、空気極側のリザーバの充填率Fを低下させることができる。
In the fuel cell system according to this embodiment shown in FIG. 3, the temperature of the fuel cell is controlled by the cooling
また、同時に冷却水バイパス流路制御バルブを開放する。そうすると、冷却水流路の途中に接続された冷却水バイパス流路へ冷却水が流出するため、冷却水流路の下流を流れる冷却水量が低下し、冷却水流路の下流と近接した空気流路下流付近のリザーバの温度を上昇させることができる。そうすると、空気流路下流付近のリザーバの飽和水蒸気圧P0が上昇し、相対水蒸気圧Pv/P0が低下するため、空気流路下流付近のリザーバの充填率を低下させることができ、空気極側のリザーバ全体における充填率を均一化しうる。また、リザーバの充填率を均一化することは局所的なイオン液体の漏洩の防止に繋がる。 At the same time, the cooling water bypass passage control valve is opened. Then, since the cooling water flows out to the cooling water bypass channel connected in the middle of the cooling water channel, the amount of cooling water flowing downstream of the cooling water channel decreases, and the vicinity of the downstream of the air channel close to the downstream of the cooling water channel The reservoir temperature can be increased. Then, the saturated water vapor pressure P 0 in the reservoir near the air flow path increases and the relative water vapor pressure P v / P 0 decreases, so that the filling rate of the reservoir near the air flow path can be reduced, and the air The filling rate in the entire reservoir on the pole side can be made uniform. Further, making the filling rate of the reservoir uniform leads to prevention of local leakage of the ionic liquid.
一方、空気バイパス流路制御バルブを開くと、空気流路の途中に接続された空気バイパス流路から空気が流入するため、空気流路の下流の空気流量が増加する。そうすると、空気流路下流付近のリザーバの水蒸気圧Pvが低下し、相対水蒸気圧Pv/P0が低下するため、空気流路下流付近のリザーバの充填率を低下させることができ、リザーバの空気流路方向でより均一な充填率を達成することができる。また、リザーバの充填率を均一化することは局所的なイオン液体の漏洩の防止に繋がる。 On the other hand, when the air bypass channel control valve is opened, air flows in from the air bypass channel connected in the middle of the air channel, so that the air flow rate downstream of the air channel increases. Then, the water vapor pressure Pv of the reservoir near the air flow path decreases and the relative water vapor pressure P v / P 0 decreases, so that the filling rate of the reservoir near the air flow path can be reduced, A more uniform filling rate can be achieved in the direction of the air flow path. Further, making the filling rate of the reservoir uniform leads to prevention of local leakage of the ionic liquid.
充填率Fが充填率上限閾値Fmaxより小さくなるまで第2充填率低下サブルーチンを実施する。 The second filling rate lowering subroutine is executed until the filling rate F becomes smaller than the filling rate upper limit threshold Fmax .
次に、図7に戻り、充填率Fが充填率上限閾値Fmaxより小さいと判断した場合について説明する。この場合は、ステップS750に移行する。 Next, returning to FIG. 7, a case where it is determined that the filling rate F is smaller than the filling rate upper limit threshold F max will be described. In this case, the process proceeds to step S750.
〔S750〕
充填率Fがあらかじめ定めた充填率下限閾値Fminより小さいかどうか判断する。
[S750]
It is determined whether the filling rate F is smaller than a predetermined filling rate lower limit threshold Fmin .
充填率Fが充填率下限閾値Fminより小さいと判断したときは、空気極側からマトリクスへの電界質たるイオン液体の供給が不十分であり、クロスリークが起きる可能性があると判断して、ステップS760に移行する。 When it is determined that the filling rate F is smaller than the filling rate lower limit threshold F min, it is determined that the supply of the ionic liquid as the electrolyte from the air electrode side to the matrix is insufficient and a cross leak may occur. The process proceeds to step S760.
充填率Fが充填率下限閾値Fminより小さくないと判断したときは、空気極側からマトリクスへの電界質たるイオン液体の供給が十分であると判断して、ステップS770に移行する。 When it is determined that the filling rate F is not smaller than the filling rate lower limit threshold Fmin , it is determined that the supply of the ionic liquid as the electrolyte from the air electrode side to the matrix is sufficient, and the process proceeds to step S770.
まず、充填率Fが充填率下限閾値Fminより小さいと判断した場合について説明する。この場合は、ステップS760に移行し、以下のステップS1600〜S1620からなる第1充填率上昇サブルーチンを実施する。図16は、第1充填率上昇サブルーチンを示す図である。 First, the case where it is determined that the filling rate F is smaller than the filling rate lower limit threshold F min will be described. In this case, the process proceeds to step S760, and the first filling rate increasing subroutine including the following steps S1600 to S1620 is performed. FIG. 16 is a diagram showing a first filling rate increase subroutine.
〔S1600〕
2次電池の充電状態Sが閾値Seより小さいかどうか判断する。
[S1600]
Charge state S of the secondary battery is judged whether the threshold value S e smaller.
2次電池の充電状態Sは、一般的には2次電池の開放端電圧により検知するが、これに限定されない。 The charging state S of the secondary battery is generally detected by the open-circuit voltage of the secondary battery, but is not limited to this.
2次電池の充電状態Sが閾値Seより小さいと判断した場合は、2次電池が一時的に充電可能な充電状態になっていると判断し、ステップS1610に移行する。 If the state of charge S of the secondary battery is determined to the threshold value S e is smaller than, the secondary battery is judged that the temporarily in chargeable charge state, the process proceeds to step S1610.
該充電状態Sが上限閾値Seより小さくないと判断した場合は、2次電池が燃料電池システムへの要求電力と燃料電池スタックの発電量との差を吸収するだけの空容量を有していないと判断して、ステップS1620の第2充填率上昇サブルーチンに移行する。 If the charging state S is determined to not smaller than the upper threshold value S e, we have an empty capacity to the secondary battery absorbs a difference between the generated amount of required power and fuel cell stack of the fuel cell system If not, the process proceeds to the second filling rate increase subroutine of step S1620.
〔S1610〕
空気極に供給する空気流量を一定のまま、燃料電池スタックの発電量を増加させる。
[S1610]
The power generation amount of the fuel cell stack is increased while the air flow rate supplied to the air electrode is kept constant.
空気流量を一定として燃料電池スタックの発電量を増加させると、電気化学反応によって生成する水の量が増加するため水蒸気圧Pvが上昇し、相対水蒸気圧Pv/P0が上昇する。図7に示す蒸気圧曲線によると、相対水蒸気圧Pv/P0が上昇すると水濃度Cwが上昇する。すなわち、空気極側のリザーバの充填率Fを上昇させることができる。 Increasing the amount of power generated by the fuel cell stack air flow as a constant water vapor pressure P v increases the amount of water produced by the electrochemical reaction increases, the relative vapor pressure P v / P 0 is increased. According to the vapor pressure curve shown in FIG. 7, when the relative water vapor pressure P v / P 0 increases, the water concentration C w increases. That is, the filling rate F of the reservoir on the air electrode side can be increased.
充填率Fが充填率下限閾値Fminより大きくなるまで第1充填率上昇サブルーチンを実施する。 The first filling rate increasing subroutine is executed until the filling rate F becomes larger than the filling rate lower limit threshold Fmin .
〔S1620〕
2次電池の充電状態Sが閾値Seより小さくないと判断した場合は、以下ステップS1700からなる第2充填率上昇サブルーチンに移行する。図17は、第2充填率上昇サブルーチンを示す図である。
[S1620]
If the state of charge S of the secondary battery is judged to be not smaller than the threshold value S e, the process proceeds to the second filling rate increase subroutine consisting of steps S1700. FIG. 17 is a diagram showing a second filling rate increase subroutine.
〔S1700〕
燃料電池冷却水流量を増加させる。
[S1700]
Increase fuel cell coolant flow.
燃料電池セルの温度は、上述したように、図3に示す本実施形態に係る燃料電池システムにおいて、冷却水ポンプ309による燃料電池セルを通過する冷却水量の調整や、第1ラジエータファン304aまたは第2ラジエータファン310aの回転数の調整により制御できる。本ステップでは、燃料電池セル内を通過させる冷却水量を増加させて燃料電池セルの温度を低下させる。図10に示す蒸気圧曲線によると、燃料電池セルの温度を低下させることにより、飽和水蒸気圧P0が低下し、相対水蒸気圧Pv/P0が上昇するため、水濃度Cwが上昇する。すなわち、空気極側のリザーバの充填率Fを上昇させることができる。
As described above, in the fuel cell system according to this embodiment shown in FIG. 3, the temperature of the fuel cell is adjusted by adjusting the amount of cooling water passing through the fuel cell by the cooling
また、同時に冷却水バイパス流路制御バルブを開放する。そうすると、冷却水流路から冷却水流路の途中に接続された冷却水バイパス流路へ冷却水が流出するため、冷却水流路の下流を流れる冷却水量が低下し、冷却水流路の下流と近接した空気流路下流付近のリザーバの温度を上昇させることができる。そうすると、空気流路下流付近のリザーバの飽和水蒸気圧P0が上昇し、相対水蒸気圧Pv/P0が低下するため、空気流路下流付近のリザーバの充填率を低下させる方向に調整することができ、空気極側のリザーバ全体における充填率を均一化しうる。また、リザーバの充填率を均一化することは局所的なイオン液体の漏洩の防止に繋がる。 At the same time, the cooling water bypass passage control valve is opened. Then, the cooling water flows out from the cooling water channel to the cooling water bypass channel connected in the middle of the cooling water channel, so the amount of cooling water flowing downstream of the cooling water channel decreases, and the air close to the downstream of the cooling water channel The temperature of the reservoir near the downstream of the flow path can be raised. Then, the saturated water vapor pressure P 0 in the reservoir near the downstream of the air flow path increases and the relative water vapor pressure P v / P 0 decreases, so that the filling rate of the reservoir near the downstream of the air flow path is adjusted to decrease. And the filling rate in the entire reservoir on the air electrode side can be made uniform. Further, making the filling rate of the reservoir uniform leads to prevention of local leakage of the ionic liquid.
一方、空気バイパス流路制御バルブを開放すると、空気流路の途中に接続された空気バイパス流路から空気流路へ空気が流入するため、空気流路の下流の空気流量が増加する。そうすると、空気流路下流付近のリザーバの水蒸気圧Pvが低下し、相対水蒸気圧Pv/P0が低下するため、空気流路下流付近のリザーバの充填率を低下させることができ、リザーバの空気流路方向でより均一な充填率を達成することができる。また、リザーバの充填率を均一化することは局所的なイオン液体の漏洩の防止に繋がる。 On the other hand, when the air bypass flow path control valve is opened, air flows from the air bypass flow path connected in the middle of the air flow path to the air flow path, so that the air flow rate downstream of the air flow path increases. Then, the water vapor pressure Pv of the reservoir near the air flow path decreases and the relative water vapor pressure P v / P 0 decreases, so that the filling rate of the reservoir near the air flow path can be reduced, A more uniform filling rate can be achieved in the direction of the air flow path. Further, making the filling rate of the reservoir uniform leads to prevention of local leakage of the ionic liquid.
充填率Fが充填率下限閾値Fminより小さくなるまで第2充填率上昇サブルーチンを実施する。 The second filling rate raising subroutine is executed until the filling rate F becomes smaller than the filling rate lower limit threshold Fmin .
次に、図7に戻り、充填率Fが充填率上限閾値Fminより小さくないと判断した場合について説明する。このときは、前述したように、空気極側からマトリクスへの電界質たるイオン液体の供給が十分であると判断して、ステップS770に移行する。 Next, returning to FIG. 7, the case where it is determined that the filling rate F is not smaller than the filling rate upper limit threshold F min will be described. At this time, as described above, it is determined that the supply of the ionic liquid as the electric field from the air electrode side to the matrix is sufficient, and the process proceeds to step S770.
〔S770〕
全ての燃料電池セルの平均温度TFCaveが、定常運転温度TFC0になったかどうか判断する。
[S770]
It is determined whether or not the average temperature T FCave of all the fuel cells has reached the steady operation temperature T FC0 .
上述したステップS720〜S750を実施することで、空気極側のリザーバの充填率Fを充填率下限閾値Fminと充填率上限閾値Fmaxの間である適正範囲に保ちながら燃料電池を昇温させる。そして、全ての燃料電池セルの平均温度TFCaveが、仕様である定常運転温度TFC0になったかどうか判断する。 By performing steps S720 to S750 described above, the temperature of the fuel cell is raised while maintaining the filling rate F of the reservoir on the air electrode side within an appropriate range between the filling rate lower limit threshold value Fmin and the filling rate upper limit threshold value Fmax . . Then, it is determined whether or not the average temperature T FCave of all the fuel cells has reached the steady operation temperature T FC0 as the specification.
全ての燃料電池セルの平均温度TFCaveが、仕様である定常運転温度TFC0となったところで、燃料電池スタックの起動操作を終了する。 When the average temperature T FCave of all the fuel cells reaches the specified steady operation temperature T FC0 , the start operation of the fuel cell stack is finished.
なお、図7に示す、本第1実施形態に係る燃料電池システムを実施するためのフローチャートのうちステップS720以降のフローは、燃料電池スタックの運転中においても連続的かつ継続的に実施しうる。 In addition, the flow after step S720 in the flowchart for implementing the fuel cell system according to the first embodiment shown in FIG. 7 can be carried out continuously and continuously even during operation of the fuel cell stack.
ここで、コンプレッサ、第1熱交換器、空気バイパス流路、空気バイパス流路制御バルブは本発明の空気供給手段に、第3熱交換器、冷却水バイパス流路、冷却水バイパス流路制御バルブは冷却手段に相当する。温度センサ、水蒸気圧センサ、イオン伝導度センサ、コントロールユニットは検出手段に、コントロールユニットは制御手段に相当する。 Here, the compressor, the first heat exchanger, the air bypass passage, and the air bypass passage control valve are added to the air supply means of the present invention, the third heat exchanger, the cooling water bypass passage, and the cooling water bypass passage control valve. Corresponds to a cooling means. The temperature sensor, water vapor pressure sensor, ion conductivity sensor, and control unit correspond to detection means, and the control unit corresponds to control means.
以下に、本発明の第1実施形態に係る燃料電池システムの効果を示す。
・ 燃料電池セルからのイオン液体の漏洩を防止するとともに、燃料電池のクロスリークを防止することができる。
・リザーバのイオン液体と水の混合液の充填率を均一化することができる。
・リザーバの充填率調整を新たな設備を必要とせず容易に行うことができる。
・空気および水素の供給量を変化させることなく燃料電池セルの温度の調整をすることができる。
[第2実施形態]
図18は、本発明の第2実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。第2実施形態に係る燃料電池システムの構成は、以下説明する構成以外は第1実施形態と同様であるため、重複となる説明は省略する。
The effects of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention will be described below.
-It is possible to prevent leakage of the ionic liquid from the fuel cell and to prevent cross leakage of the fuel cell.
-The filling rate of the mixed liquid of ionic liquid and water in the reservoir can be made uniform.
・ Reservoir filling rate can be adjusted easily without the need for new equipment.
The temperature of the fuel cell can be adjusted without changing the supply amount of air and hydrogen.
[Second Embodiment]
FIG. 18 is a block diagram showing a configuration of a fuel cell system according to the second embodiment of the present invention. Since the configuration of the fuel cell system according to the second embodiment is the same as that of the first embodiment except for the configuration described below, redundant description is omitted.
第1実施形態と異なり、第2実施形態は、空気バイパス流路1814を流れる空気の温度を独立した第5熱交換器1840(および第4ラジエータファン1840a)により単独に調整する。また、冷却水路は、互いに独立した2つの冷却水路である第1独立冷却水路1820と第2独立冷却水路1830とからなる。
Unlike the first embodiment, in the second embodiment, the temperature of the air flowing through the air
空気バイパス流路1814は、空気流路の中間点に接続され、空気バイパス流路制御バルブ1815を開くことにより空気流路の該中間点から空気を流入させることができる。空気バイパス流路の温度は、第5熱交換器1840のラジエータファン1840aの回転数を変えることにより単独に調整しうる。すなわち、第1実施形態よりも自由度の高い空気流路下流の温度調整を可能としている。これにより、リザーバの空気流路方向でより均一な充填率を達成することができる。また、リザーバの充填率を均一化することは局所的なイオン液体の漏洩の防止に繋がる。
The air
冷却水流路を構成する互いに独立した第1独立冷却水流路1820および第2独立冷却水流路1830は、燃料電池セルの異なる領域の温度を調整できる位置に配置しうる。すなわち、第1独立冷却水流路1820は空気流路の上流の温度を調整可能な位置に、第2独立冷却水流路1830は空気流路の下流の温度を調整可能な位置に配置しうる。
The first independent
第1独立冷却水流路1820を流れる冷却水の温度は第3熱交換器1821のラジエータファン1821aの回転数を変えることにより単独に調整可能であり、冷却水量は第1冷却水ポンプ1822により独自に調整可能である。また、第2独立冷却水流路1830を流れる冷却水の温度は第4熱交換器1831のラジエータファン1831aの回転数を変えることにより単独に調整可能であり、冷却水量は第2冷却水ポンプ1832により独自に調整可能である。したがって、2つの独立冷却水流路で独立した温度調整が可能であるため、燃料電池セル内部で2つの温度領域が設定できることとなり、燃料電池セル内部の温度バラツキをより軽減し空気極側のリザーバ全体における充填率をより均一化しうる。また、リザーバの充填率を均一化することは局所的なイオン液体の漏洩の防止に繋がる。
The temperature of the cooling water flowing through the first independent cooling
図19は、リザーバの空気流路が形成された部分の構造を示す説明図である。リザーバには、冷却板の第1独立冷却水流路に冷却水を供給するための第1冷却水入口1904と第1独立冷却水流路を流れた冷却水を流出させるための第1冷却水出口1906aが設けられる。さらに、第2独立冷却水流路に冷却水を供給するための第2冷却水入口1906bと第2独立冷却水流路を流れた冷却水を流出させるための第2冷却水出口1905が設けられる。
FIG. 19 is an explanatory diagram showing the structure of the portion of the reservoir where the air flow path is formed. The reservoir includes a first
図20は、冷却板の構造を示す説明図である。冷却板には第1独立冷却水流路2010および第2独立冷却水流路2020からなる冷却水流路を設ける。第1独立冷却水流路2010には、第1冷却水入口2004、第1冷却水出口2006aを設ける。第2独立冷却水流路2020には、第2冷却水入口2006b、第2冷却水出口2005を設ける。第1冷却水入口2004から流入した冷却水は、第1独立冷却水流路2010を流れ第1冷却水出口2006aから流出する。第2冷却水入口2006bから流入した冷却水は、第2独立冷却水流路2020を流れ第2冷却水出口2005から流出する。それぞれの独立冷却水流路の冷却水出口から流出した冷却水は、それぞれ個別に設けられた熱交換器および冷却水ポンプを通ることにより冷却水流量および冷却水温度が調整され、それぞれの冷却水入口から再流入することにより冷却水流路を還流する。
FIG. 20 is an explanatory view showing the structure of the cooling plate. The cooling plate is provided with a cooling water flow path including a first independent cooling
ここで、冷却板に温水を流すことにより、2つの独立冷却水流路で独立した温度調整をしてもよい。燃料電池セル内部で2つの温度領域が設定できることとなり、燃料電池セル内部の温度バラツキをより軽減し空気極側のリザーバ全体における充填率をより均一化しうる。また、リザーバの充填率を均一化することは局所的なイオン液体の漏洩の防止に繋がる。 Here, the temperature may be adjusted independently by two independent cooling water flow paths by flowing warm water through the cooling plate. Two temperature regions can be set inside the fuel cell, so that the temperature variation inside the fuel cell can be further reduced and the filling rate in the entire reservoir on the air electrode side can be made more uniform. Further, making the filling rate of the reservoir uniform leads to prevention of local leakage of the ionic liquid.
また、冷却板は燃料電池セルごとに設置するが、これに限定されない。すなわち、燃料電池スタック内の燃料電池セル積層構造の任意の箇所に挿入してもよい。これにより、燃料電池スタック内に複数の温度領域を設けることができ、燃料電池スタックを構成する燃料電池セルのリザーバの充填率を均一化し、イオン液体の漏洩を防止することができる。 Moreover, although a cooling plate is installed for every fuel cell, it is not limited to this. That is, you may insert in the arbitrary locations of the fuel cell laminated structure in a fuel cell stack. Thereby, a plurality of temperature regions can be provided in the fuel cell stack, the filling rate of the reservoir of the fuel cell constituting the fuel cell stack can be made uniform, and leakage of the ionic liquid can be prevented.
ここで、コンプレッサ、第1熱交換器、空気バイパス流路、空気バイパス流路制御バルブ、第5熱交換器は本発明の空気供給手段に、第3熱交換器、第4熱交換器、第1冷却水ポンプ、第2冷却水ポンプは冷却手段に相当する。温度センサ、水蒸気圧センサ、イオン伝導度センサ、コントロールユニットは検出手段に、コントロールユニットは制御手段に相当する。 Here, the compressor, the first heat exchanger, the air bypass passage, the air bypass passage control valve, and the fifth heat exchanger are the air supply means of the present invention, the third heat exchanger, the fourth heat exchanger, The first cooling water pump and the second cooling water pump correspond to cooling means. The temperature sensor, water vapor pressure sensor, ion conductivity sensor, and control unit correspond to detection means, and the control unit corresponds to control means.
本発明の第2実施形態に係る燃料電池の運転方法は、第1実施形態が有する効果に加えて、以下の効果を有する。
・リザーバの充填率調整の自由度をさらに拡大することができる。
・リザーバの空気流路方向でより均一な充填率を達成することができる。
[第3実施形態]
図21は、本発明の第3実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。第2実施形態と異なる点は、第3実施形態は、空気バイパス流路を流れる空気の湿度を調整する加湿システムをさらに備えている点である。第1および第2実施形態と重複する説明は省略する。
The fuel cell operating method according to the second embodiment of the present invention has the following effects in addition to the effects of the first embodiment.
-The degree of freedom in adjusting the filling rate of the reservoir can be further expanded.
A more uniform filling rate can be achieved in the air flow direction of the reservoir.
[Third Embodiment]
FIG. 21 is a block diagram showing a configuration of a fuel cell system according to the third embodiment of the present invention. The difference from the second embodiment is that the third embodiment further includes a humidification system that adjusts the humidity of the air flowing through the air bypass flow path. A duplicate description with the first and second embodiments is omitted.
加湿システム2150は、水噴霧により空気を加湿する加湿器、加湿器に水を供給するポンプ、ポンプに供給する水を貯留する水タンクを有してなるが、これに限定されない。加湿システム2150は、空気バイパス流路2114に設置され、空気バイパス流路を流れる空気を加湿して湿度を上昇させる。空気バイパス流路1814は、空気流路の中間点に接続され、空気バイパス流路制御バルブ2115を開くことにより空気流路の該中間点から加湿システム2150により加湿された空気を流入させることができる。空気バイパス流路の温度は、第5熱交換器2140のラジエータファン2140aの回転数を変えることにより単独に調整しうる。
The
図22は、第3充填率上昇サブルーチンを示す図である。第3充填率上昇サブルーチンは、第1実施形態で説明した、ステップS1320の第2充填率上昇サブルーチンに相当する。すなわち、第3充填率上昇サブルーチンは、第2充填率上昇サブルーチンに代替して実施しうる。 FIG. 22 is a diagram showing a third filling rate increase subroutine. The third filling rate increase subroutine corresponds to the second filling rate increase subroutine of step S1320 described in the first embodiment. That is, the third filling rate increase subroutine can be executed in place of the second filling rate increase subroutine.
以下、第3充填率上昇サブルーチンについて説明する。 Hereinafter, the third filling rate increase subroutine will be described.
〔S2200〕
空気バイパス流路の空気を加湿する。
[S2200]
Humidify the air in the air bypass channel.
空気バイパス流路の空気を加湿することにより、空気流路下流付近のリザーバの水蒸気圧Pvが上昇し、相対水蒸気圧Pv/P0が上昇するため、空気流路下流付近のリザーバの充填率を上昇させる方向に調整することができ、空気極側のリザーバ全体における充填率を均一化しうる。すなわち、空気流路下流付近で凝縮する水の量が空気流路上流付近で凝縮する水の量と比較して少なくなるというバラツキの要因をなくすことにより、空気流路方向でより均一な充填率を達成することができる。また、リザーバの充填率を均一化することは局所的なイオン液体の漏洩の防止に繋がる。 By humidifying the air in the air bypass passage, the water vapor pressure P v of the reservoir in the vicinity of the downstream air passage is increased, since the relative vapor pressure P v / P 0 is increased, the filling of the reservoir in the vicinity of the downstream air channel The rate can be adjusted to increase, and the filling rate in the entire reservoir on the air electrode side can be made uniform. In other words, a more uniform filling rate in the direction of the air flow path is eliminated by eliminating the variation factor that the amount of water condensing in the vicinity of the air flow path downstream is less than the amount of water condensing near the air flow path upstream. Can be achieved. Further, making the filling rate of the reservoir uniform leads to prevention of local leakage of the ionic liquid.
ここで、コンプレッサ、第1熱交換器、空気バイパス流路、空気バイパス流路制御バルブ、第5熱交換器は本発明の空気供給手段に、第3熱交換器、第4熱交換器、第1冷却水ポンプ、第2冷却水ポンプは冷却手段に相当する。温度センサ、水蒸気圧センサ、イオン伝導度センサ、コントロールユニットは検出手段に、コントロールユニット、加湿システムは制御手段に相当する。 Here, the compressor, the first heat exchanger, the air bypass passage, the air bypass passage control valve, and the fifth heat exchanger are the air supply means of the present invention, the third heat exchanger, the fourth heat exchanger, The first cooling water pump and the second cooling water pump correspond to cooling means. The temperature sensor, water vapor pressure sensor, ion conductivity sensor, and control unit correspond to detection means, and the control unit and humidification system correspond to control means.
本発明の第3実施形態に係る燃料電池の運転方法は、第1および第2実施形態が有する効果に加えて、以下の効果を有する。
・空気の加湿によりリザーバの充填率を上昇させるため、応答性よく充填率を上昇させることができる。
[第4実施形態]
図23は、本発明の第4実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。第1実施形態と異なる点は、第4実施形態は、空気流路における空気の流れる方向を逆転させるための4つのバルブ2360〜2363をさらに有している点である。
The fuel cell operating method according to the third embodiment of the present invention has the following effects in addition to the effects of the first and second embodiments.
-Since the filling rate of the reservoir is increased by humidifying the air, the filling rate can be increased with high responsiveness.
[Fourth Embodiment]
FIG. 23 is a block diagram showing a configuration of a fuel cell system according to the fourth embodiment of the present invention. The difference from the first embodiment is that the fourth embodiment further includes four valves 2360 to 2363 for reversing the air flow direction in the air flow path.
図23の4つのバルブ2360〜2363のうち黒色で示した第1方向変換バルブおよび第4方向変換バルブは閉じた状態のバルブであり、白色で示した第2方向変換バルブおよび第4方向変換バルブは開いた状態のバルブである。すなわち、図23は、空気流路における空気の流れ方向を逆転させた状態を示している。 Of the four valves 2360 to 2363 in FIG. 23, the first direction conversion valve and the fourth direction conversion valve shown in black are closed valves, and the second direction conversion valve and the fourth direction conversion valve shown in white are shown in white. Is an open valve. That is, FIG. 23 shows a state where the air flow direction in the air flow path is reversed.
例えば、一定時間おきに空気流路における空気の流れる方向を逆転させることにより、空気流路の下流および下流付近で凝縮する水の量を平均化できるため、空気流路方向でさらに均一な充填率を達成することができる。また、リザーバの充填率を均一化することは局所的なイオン液体の漏洩の防止に繋がる。 For example, by reversing the direction of air flow in the air flow path at regular intervals, the amount of water that condenses downstream and in the vicinity of the air flow path can be averaged, so a more uniform filling rate in the air flow path direction Can be achieved. Further, making the filling rate of the reservoir uniform leads to prevention of local leakage of the ionic liquid.
ここで、コンプレッサ、第1熱交換器、空気バイパス流路、空気バイパス流路制御バルブは本発明の空気供給手段に、第3熱交換器、冷却水バイパス流路、冷却水バイパス流路制御バルブは冷却手段に相当する。温度センサ、水蒸気圧センサ、イオン伝導度センサ、コントロールユニットは検出手段に、コントロールユニット、第1〜第4方向変換バルブは制御手段に相当する。 Here, the compressor, the first heat exchanger, the air bypass passage, and the air bypass passage control valve are added to the air supply means of the present invention, the third heat exchanger, the cooling water bypass passage, and the cooling water bypass passage control valve. Corresponds to a cooling means. The temperature sensor, water vapor pressure sensor, ion conductivity sensor, and control unit correspond to detection means, and the control unit and the first to fourth direction change valves correspond to control means.
本発明の第4実施形態に係る燃料電池の運転方法は、第1実施形態が有する効果に加えて、以下の効果を有する。
・リザーバの空気流路方向でさらに均一な充填率を達成することができる。
The fuel cell operating method according to the fourth embodiment of the present invention has the following effects in addition to the effects of the first embodiment.
A more uniform filling rate can be achieved in the air flow path direction of the reservoir.
1 燃料電池スタック、
2 燃料電池セル、
200 空気極、
210 リザーバ、
220 空気流路、
230 マトリクス、
240 燃料極、
250 燃料流路、
300 燃料電池スタック、
301 温度センサ(検出手段)、
302 イオン伝導度センサ(検出手段)、
303 水蒸気圧センサ(検出手段)、
304 第1熱交換器(空気供給手段)、
304a 第1ラジエータファン、
305 コンプレッサ(空気供給手段)、
306 水素タンク、
307 プレッシャレギュレータ、
308 第2熱交換器、
309 冷却水ポンプ、
310 第3熱交換器(冷却手段)、
310a 第2レジエータファン、
311 2次電池、
312 インバータ、
313 コントロールユニット(検出手段、制御手段)、
314 空気バイパス流路(空気供給手段)、
315 空気バイパス流路制御バルブ(空気供給手段)、
316 冷却水バイパス流路(冷却手段)、
317 冷却水バイパス流路制御バルブ(冷却手段)。
1 Fuel cell stack,
2 fuel cells,
200 air electrode,
210 reservoir,
220 air flow path,
230 matrix,
240 fuel electrode,
250 fuel flow path,
300 fuel cell stack,
301 temperature sensor (detection means),
302 ion conductivity sensor (detection means),
303 water vapor pressure sensor (detection means),
304 first heat exchanger (air supply means),
304a First radiator fan,
305 compressor (air supply means),
306 hydrogen tank,
307 pressure regulator,
308 second heat exchanger,
309 cooling water pump,
310 third heat exchanger (cooling means),
310a second registrar fan,
311 secondary battery,
312 inverter,
313 control unit (detection means, control means),
314 air bypass flow path (air supply means),
315 Air bypass flow path control valve (air supply means),
316 Cooling water bypass channel (cooling means),
317 Cooling water bypass flow control valve (cooling means).
Claims (9)
前記リザーバ内のイオン液体の量または前記イオン液体と前記燃料電池セル内で生じた凝縮水とが混合した混合液の量を検出する検出手段と、
前記検出手段が検出した結果をもとに、前記リザーバ内のイオン液体の量または前記混合液の量をあらかじめ定めた設定範囲内に制御する制御手段と、
を有することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel battery cell comprising: a matrix impregnated with an ionic liquid; an air electrode provided facing the fuel electrode through the matrix; and a reservoir for replenishing the matrix with the ionic liquid through the air electrode;
Detecting means for detecting the amount of the ionic liquid in the reservoir or the amount of the mixed liquid in which the ionic liquid and the condensed water generated in the fuel cell are mixed;
Control means for controlling the amount of the ionic liquid in the reservoir or the amount of the mixed liquid within a predetermined setting range based on the result detected by the detection means;
A fuel cell system comprising:
前記空気供給手段は、前記燃料電池セル内の空気流路に接続され前記空気を流入可能な少なくとも1つの空気バイパス流路を有し、
前記制御手段は、前記空気バイパス流路に流れる前記空気の流量を調整し前記リザーバ内のイオン液体の量または前記混合液の量を制御するバイパス空気流量調整手段を有することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 The fuel battery cell is further provided with air supply means for supplying air through an air flow path provided in the fuel battery cell,
The air supply means has at least one air bypass flow path that is connected to an air flow path in the fuel cell and capable of flowing the air,
The said control means has a bypass air flow rate adjustment means which adjusts the flow volume of the said air which flows into the said air bypass flow path, and controls the quantity of the ionic liquid in the said reservoir | reserver, or the quantity of the said liquid mixture. 2. The fuel cell system according to 1.
前記空気供給手段は、前記燃料電池セル内の空気流路に接続され前記空気を流入可能な少なくとも1つの空気バイパス流路を有し、
前記制御手段は、前記空気バイパス流路の空気の温度を単独に調整し前記リザーバ内のイオン液体の量または前記混合液の量を制御するバイパス空気温度調整手段を有することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 The fuel battery cell is further provided with air supply means for supplying air through an air flow path provided in the fuel battery cell,
The air supply means has at least one air bypass flow path that is connected to an air flow path in the fuel cell and capable of flowing the air,
The said control means has a bypass air temperature adjustment means which adjusts the temperature of the air of the said air bypass flow path independently, and controls the quantity of the ionic liquid in the said reservoir | reserver, or the quantity of the said liquid mixture. 2. The fuel cell system according to 1.
前記冷却手段は、前記冷却水流路に接続され前記冷却水を還流可能な少なくとも1つの冷却水バイパス流路を有し、
前記制御手段は、前記冷却水バイパス流路に流れる冷却水の流量を調整し前記リザーバ内のイオン液体の量または前記混合液の量を制御するバイパス冷却水流量調整手段を有することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 The fuel cell further includes cooling means for cooling the fuel cell by flowing cooling water through a cooling water flow path in the fuel cell,
The cooling means has at least one cooling water bypass flow path connected to the cooling water flow path and capable of returning the cooling water,
The control means includes a bypass cooling water flow rate adjusting means for adjusting a flow rate of the cooling water flowing through the cooling water bypass flow path and controlling an amount of the ionic liquid or the mixed liquid in the reservoir. The fuel cell system according to claim 1.
前記冷却手段は、前記冷却水流路に接続され前記冷却水を還流可能な少なくとも1つの冷却水バイパス流路を有し、
前記制御手段は、前記冷却水バイパス流路に流れる冷却水の温度を単独に調整し前記リザーバ内のイオン液体の量または前記混合液の量を制御するバイパス冷却水温度調整手段を有することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 The fuel cell further includes cooling means for cooling the fuel cell by flowing cooling water through a cooling water flow path in the fuel cell,
The cooling means has at least one cooling water bypass flow path connected to the cooling water flow path and capable of returning the cooling water,
The control means includes bypass cooling water temperature adjusting means for independently adjusting the temperature of the cooling water flowing in the cooling water bypass flow path and controlling the amount of the ionic liquid in the reservoir or the amount of the mixed liquid. The fuel cell system according to claim 1.
前記冷却水流路は互いに独立した複数の独立冷却水流路からなり、
前記制御手段は、前記独立冷却水流路に流れる冷却水の温度をそれぞれ単独に調整し前記リザーバ内のイオン液体の量または前記混合液の量を制御する独立冷却水温度調整手段を有することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 The fuel cell further includes cooling means for cooling the fuel cell by flowing cooling water through a cooling water flow path in the fuel cell.
The cooling water flow path comprises a plurality of independent cooling water flow paths independent of each other,
The control means includes independent cooling water temperature adjusting means for independently adjusting the temperature of the cooling water flowing through the independent cooling water flow path and controlling the amount of ionic liquid or the amount of the mixed liquid in the reservoir. The fuel cell system according to claim 1.
前記空気供給手段は、前記燃料電池セル内の空気流路に接続され前記空気を流入可能な少なくとも1つの空気バイパス流路を有し、
前記制御手段は、前記空気バイパス流路に流れる前記空気の湿度を単独に調整し前記リザーバ内のイオン液体の量または前記混合液の量を制御する空気湿度調整手段を有することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 The fuel battery cell is further provided with air supply means for supplying air through an air flow path provided in the fuel battery cell,
The air supply means has at least one air bypass flow path that is connected to an air flow path in the fuel cell and capable of flowing the air,
The said control means has an air humidity adjustment means which adjusts the humidity of the said air which flows into the said air bypass flow path independently, and controls the quantity of the ionic liquid in the said reservoir | reserver, or the quantity of the said liquid mixture. Item 4. The fuel cell system according to Item 1.
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