JP2010135174A - Fuel cell system and operation 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運転方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell system and a fuel cell operating method.
燃料電池は、一般的には水素および酸素を燃料として電気エネルギを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。 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 the environment and can realize high energy efficiency, it has been widely developed as a future energy supply system.
燃料電池は、例えば、プロトン伝導性を有する電解質膜と、電解質膜に沿って配置されたカソード触媒層およびアノード触媒層と、それぞれの触媒層の電解質膜と反対側に配置されたセパレータと、を備える。このような燃料電池においては、カソード触媒層に酸化剤ガスが供給され、アノード触媒層に燃料ガスが供給される。それにより、発電が行われる。特許文献1には、集電体から外部出力端子を介して電力が回収される燃料電池が開示されている。 The fuel cell includes, for example, an electrolyte membrane having proton conductivity, a cathode catalyst layer and an anode catalyst layer disposed along the electrolyte membrane, and a separator disposed on the opposite side of each catalyst layer from the electrolyte membrane. Prepare. In such a fuel cell, an oxidant gas is supplied to the cathode catalyst layer, and a fuel gas is supplied to the anode catalyst layer. Thereby, power generation is performed. Patent Document 1 discloses a fuel cell in which electric power is recovered from a current collector through an external output terminal.
特許文献1に開示される燃料電池は、集電体の一辺方向から電流を取り出す構造を有している。この場合、電流が取り出される側に発電が集中する傾向にある。それにより、電流分布にバラツキが生じ、燃料電池の耐久性が低下するおそれがある。 The fuel cell disclosed in Patent Document 1 has a structure in which current is taken out from one side of the current collector. In this case, power generation tends to concentrate on the side from which current is extracted. As a result, the current distribution varies, which may reduce the durability of the fuel cell.
本発明は、燃料電池の耐久性低下を抑制することができる燃料電池システムおよび燃料電池の運転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 and a fuel cell operation method capable of suppressing a decrease in durability of the fuel cell.
本発明に係る燃料電池システムは、膜−電極接合体と膜−電極接合体の両面に配置され膜−電極接合体の発電電流を取り出すための複数のターミナルを外周部に備え導電性およびガス透過性を有する集電体とを備える燃料電池と、複数のターミナルのいずれかを選択することによって膜−電極接合体からの集電位置を切り替える切替手段と、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、膜−電極接合体の面内における電流集中を抑制することができる。その結果、燃料電池の耐久性低下を抑制することができる。 The fuel cell system according to the present invention has a plurality of terminals arranged on both sides of the membrane-electrode assembly and the membrane-electrode assembly on the outer peripheral portion for taking out the generated current of the membrane-electrode assembly. A fuel cell comprising a current collector and a switching means for switching a current collecting position from the membrane-electrode assembly by selecting one of a plurality of terminals. . In the fuel cell system according to the present invention, current concentration in the surface of the membrane-electrode assembly can be suppressed. As a result, a decrease in the durability of the fuel cell can be suppressed.
切替手段は、定期的または不定期に集電体からの集電位置を切り替えてもよい。この場合、定期的または不定期に、電流集中領域が移動する。それにより、膜−電極接合体の面内における電流集中を抑制することができる。 The switching means may switch the current collection position from the current collector regularly or irregularly. In this case, the current concentration region moves regularly or irregularly. Thereby, current concentration in the plane of the membrane-electrode assembly can be suppressed.
膜−電極接合体における電流分布を検出する電流分布検出手段を備え、切替手段は、電流分布検出手段の検出結果に応じて集電体からの集電位置を切り替えてもよい。この場合、電流集中を抑制することができる。 Current distribution detection means for detecting current distribution in the membrane-electrode assembly may be provided, and the switching means may switch the current collection position from the current collector according to the detection result of the current distribution detection means. In this case, current concentration can be suppressed.
電流分布検出手段は、燃料電池内を流動する冷却媒体の温度を検出する温度検出手段であってもよい。温度検出手段による検出温度がしきい値以上である場合、切替手段は、集電体において酸化剤ガス出口よりも酸化剤ガス入口に近いターミナルを選択してもよい。この場合、酸化剤ガス出口付近の電流集中が抑制される。それにより、燃料電池の耐久性低下を抑制することができる。 The current distribution detection means may be a temperature detection means for detecting the temperature of the cooling medium flowing in the fuel cell. When the temperature detected by the temperature detection means is equal to or higher than the threshold value, the switching means may select a terminal closer to the oxidant gas inlet than the oxidant gas outlet in the current collector. In this case, current concentration near the oxidant gas outlet is suppressed. Thereby, a decrease in durability of the fuel cell can be suppressed.
温度検出手段による検出温度がしきい値以下である場合、切替手段は、集電体において酸化剤ガス入口よりも酸化剤ガス出口に近い前記ターミナルを選択してもよい。この場合、酸化剤ガス入口付近の電流集中が抑制される。それにより、燃料電池の耐久性低下を抑制することができる。 When the temperature detected by the temperature detection means is not more than the threshold value, the switching means may select the terminal closer to the oxidant gas outlet than the oxidant gas inlet in the current collector. In this case, current concentration near the oxidant gas inlet is suppressed. Thereby, a decrease in durability of the fuel cell can be suppressed.
電流分布検出手段は、膜−電極接合体の面内の2点間の電位差を検出する電位差検出手段であってもよい。切替手段は、電位差検出手段によって検出された電位差がしきい値以上であれば、集電体からの集電位置を切り替えてもよい。この場合、膜−電極接合体の面内における電流集中を抑制することができる。燃料電池は、複数積層されていてもよい。 The current distribution detecting means may be a potential difference detecting means for detecting a potential difference between two points in the plane of the membrane-electrode assembly. The switching means may switch the current collection position from the current collector as long as the potential difference detected by the potential difference detection means is equal to or greater than a threshold value. In this case, current concentration in the surface of the membrane-electrode assembly can be suppressed. A plurality of fuel cells may be stacked.
本発明に係る燃料電池の運転方法は、膜−電極接合体と膜−電極接合体の両面に配置され膜−電極接合体の発電電流を取り出すための複数のターミナルを外周部に備え導電性およびガス透過性を有する集電体とを備える燃料電池に対し、複数のターミナルのいずれかを選択することによって膜−電極接合体からの集電位置を切り替える切替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運転方法においては、膜−電極接合体の面内における電流集中を抑制することができる。その結果、燃料電池の耐久性低下を抑制することができる。 A fuel cell operating method according to the present invention comprises a plurality of terminals arranged on both sides of a membrane-electrode assembly and a membrane-electrode assembly on the outer peripheral portion for taking out a power generation current of the membrane-electrode assembly, A fuel cell having a gas permeable current collector includes a switching step of switching a current collecting position from the membrane-electrode assembly by selecting one of a plurality of terminals. is there. In the fuel cell operating method according to the present invention, current concentration in the surface of the membrane-electrode assembly can be suppressed. As a result, a decrease in the durability of the fuel cell can be suppressed.
切替ステップにおいて、定期的または不定期に集電体からの集電位置を切り替えてもよい。この場合、定期的または不定期に、電流集中領域が移動する。それにより、膜−電極接合体の面内における電流集中を抑制することができる。 In the switching step, the current collecting position from the current collector may be switched regularly or irregularly. In this case, the current concentration region moves regularly or irregularly. Thereby, current concentration in the plane of the membrane-electrode assembly can be suppressed.
膜−電極接合体における電流分布を検出する電流分布検出ステップを含み、切替ステップにおいて、電流分布検出ステップの検出結果に応じて集電体からの集電位置を切り替えてもよい。この場合、電流集中を抑制することができる。 A current distribution detection step for detecting a current distribution in the membrane-electrode assembly may be included, and in the switching step, the current collection position from the current collector may be switched according to the detection result of the current distribution detection step. In this case, current concentration can be suppressed.
電流分布検出ステップは、燃料電池内を流動する冷却媒体の温度を検出する温度検出ステップであってもよい。温度検出ステップにおける検出温度がしきい値以上である場合、切替ステップにおいて、集電体において酸化剤ガス出口よりも酸化剤ガス入口に近いターミナルを選択してもよい。この場合、酸化剤ガス出口付近の電流集中が抑制される。それにより、燃料電池の耐久性低下を抑制することができる。 The current distribution detection step may be a temperature detection step of detecting the temperature of the cooling medium flowing in the fuel cell. When the detected temperature in the temperature detection step is equal to or higher than the threshold value, a terminal closer to the oxidant gas inlet than the oxidant gas outlet may be selected in the current collector in the switching step. In this case, current concentration near the oxidant gas outlet is suppressed. Thereby, a decrease in durability of the fuel cell can be suppressed.
温度検出ステップにおける検出温度がしきい値以下である場合、切替ステップにおいて、燃料電池カソードガス入口よりもカソードガス出口に近いターミナルを選択してもよい。この場合、酸化剤ガス入口付近の電流集中が抑制される。それにより、燃料電池の耐久性低下を抑制することができる。 When the detected temperature in the temperature detecting step is equal to or lower than the threshold value, a terminal closer to the cathode gas outlet than the fuel cell cathode gas inlet may be selected in the switching step. In this case, current concentration near the oxidant gas inlet is suppressed. Thereby, a decrease in durability of the fuel cell can be suppressed.
電流分布検出ステップは、膜−電極接合体の面内の2点間の電位差を検出する電位差検出ステップであってもよい。切替ステップにおいて、電位差検出ステップによって検出された電位差がしきい値以上であれば、集電体からの集電位置を切り替えてもよい。この場合、膜−電極接合体の面内における電流集中を抑制することができる。燃料電池は、複数積層されていてもよい。 The current distribution detection step may be a potential difference detection step for detecting a potential difference between two points in the plane of the membrane-electrode assembly. In the switching step, the current collecting position from the current collector may be switched if the potential difference detected in the potential difference detecting step is equal to or greater than a threshold value. In this case, current concentration in the surface of the membrane-electrode assembly can be suppressed. A plurality of fuel cells may be stacked.
本発明によれば、膜−電極接合体の面内における電流集中が抑制される。それにより、燃料電池の耐久性低下を抑制することができる。 According to the present invention, current concentration in the plane of the membrane-electrode assembly is suppressed. Thereby, a decrease in durability of the fuel cell can be suppressed.
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、実施例1に係る燃料電池システム100を説明するための図である。図1(a)は、燃料電池システム100の全体構成を示す模式図である。図1(b)は、後述する集電体20,40の平面図である。
FIG. 1 is a diagram for explaining a
図1(a)に示すように、燃料電池システム100は、燃料電池110、切替スイッチ121,122、燃料ガス供給手段130、酸化剤ガス供給手段140および制御手段150を備える。燃料電池110は、図1(a)においては模式的断面図で描かれている。燃料電池110は、膜−電極接合体10の一面に集電体20およびセパレータ30が積層され、他面に集電体40およびセパレータ50が積層された構造を有する。
As shown in FIG. 1A, the
膜−電極接合体10は、電解質膜11の集電体20側にアノード触媒層12が接合され、電解質膜11の集電体40側にカソード触媒層13が接合された構造を有する。電解質膜11として、例えば、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質を用いることができる。アノード触媒層12およびカソード触媒層13は、触媒を含む導電性材料からなる。アノード触媒層12の触媒は、水素のプロトン化を促進させる。カソード触媒層13の触媒は、プロトンと酸素との反応を促進させる。アノード触媒層12およびカソード触媒層13として、例えば、白金担持カーボンを用いることができる。
The membrane-
集電体20は、アノード触媒層12に沿って配置されている。集電体20の少なくとも一部は、アノード触媒層12に埋設されていてもよい。図1(b)に示すように、集電体20の外周部には、セパレータ30を介さずに膜−電極接合体10から発電電流を取り出すためのターミナル21,22が設けられている。例えば、ターミナル21,22は、酸化剤ガスの流動方向に沿って互いに対向する位置に配置されている。ターミナル21,22は、セパレータ30よりも外側に設けられている。
The
集電体40は、カソード触媒層13に沿って配置されている。集電体40の少なくとも一部は、カソード触媒層13に埋設されていてもよい。図1(b)に示すように、集電体40の外周部には、セパレータ50を介さずに膜−電極接合体10から発電電流を取り出すためのターミナル41,42が設けられている。例えば、ターミナル41,42は、酸化剤ガスの流動方向に沿って互いに対向する位置に配置されている。ターミナル41,42は、セパレータ50よりも外側に設けられている。本実施例においては、ターミナル21,41は酸化剤ガス入口側に配置され、ターミナル22,42は酸化剤ガス出口側に配置されている。
The
集電体20,40は、厚み方向にガス透過性を有する導電性材料からなる。例えば、集電体20,40は、多孔質形状の導電性材料からなる。集電体20,40として、例えば、金属メッシュ、金属発泡焼結体、エキスパンドメタル、カーボンファイバー、カーボン焼結体等が用いられる。
The
セパレータ30,50は、外周部において膜−電極接合体10に対して突出して接触する接触部を有する。それにより、セパレータ30と膜−電極接合体10との間に燃料ガス流動用の空間部31が画定される。また、セパレータ50と膜−電極接合体10との間に酸化剤ガス流動用の空間部51が画定される。なお、セパレータ30,50は、反応ガスの流動を阻害しない範囲で、外周部以外に膜−電極接合体10と接触する接触部を有していてもよい。ただし、反応ガスの膜−電極接合体10への拡散性を考慮すると、膜−電極接合体10の全面またはほぼ全面にわたって反応ガス流動用の空間部が形成されていることが好ましい。
燃料ガス供給手段130は、燃料ガス流動用の空間部31に水素を含む燃料ガスを供給する手段である。燃料ガス供給手段130は、例えば、水素タンク等である。酸化剤ガス供給手段140は、酸化剤ガス流動用の空間部51に酸素を含む酸化剤ガスを供給する手段である。酸化剤ガス供給手段140は、例えば、エアポンプ等である。制御手段150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)等から構成される。
The fuel gas supply means 130 is means for supplying a fuel gas containing hydrogen to the
続いて、燃料電池システム100の動作の概略について説明する。燃料ガス供給手段130は、制御手段150の指示に従って、燃料ガスを空間部31に供給する。空間部31に供給された燃料ガスは、集電体20を透過して、アノード触媒層12に拡散する。アノード触媒層12において、燃料ガス中の水素はプロトンと電子とに分離する。プロトンは、電解質膜11を伝導して、カソード触媒層13に到達する。電子は、集電体20によって集電されてターミナル21またはターミナル22を介して負荷に供給された後に、ターミナル41またはターミナル42を介して集電体40に到達する。
Next, an outline of the operation of the
酸化剤ガス供給手段140は、制御手段150の指示に従って、空間部51に酸化剤ガスを供給する。空間部51に供給された酸化剤ガスは、集電体40を透過して、カソード触媒層13に拡散する。カソード触媒層13においては、酸化剤ガス中の酸素と電解質膜11を伝導したプロトンと負荷からターミナル41またはターミナル42に供給された電子とから水が生成される。以上の過程を経て、燃料電池110は発電を行う。
The oxidant
切替スイッチ121,122は、制御手段150の指示に従って、負荷を介してターミナル21とターミナル41とを接続する回路と、負荷を介してターミナル22とターミナル42とを接続する回路と、を切り替える。
The change-over
本実施例に係る燃料電池110においては、ターミナル21,22,41,42を介して集電がなされることから、セパレータ30,50に導電性が要求されない。それにより、セパレータ30,50として、金属等の導電性部材に比較して軽量および低コストな材料を用いてもよい。例えば樹脂を用いることによって、セパレータ30,50を軽量化および低コスト化することが可能であるとともに、セパレータ30,50に耐食性を持たせることができる。
In the
また、集電のためのセパレータ30,50と膜−電極接合体10との接触が不要になるため、溝流路等のようなセパレータ30,50と膜−電極接合体10との電気的な接触部が不要になる。それにより、反応ガスが反応ガス流路を流動する際の圧損が低下する。その結果、燃料電池110の発電性能が向上する。
Further, since the contact between the
この燃料電池110においては、集電位置に近い領域では良好な発電が行われ、集電位置から離れた領域では集電体の抵抗に起因して発電が抑制される。例えば、ターミナル21,41で集電される場合には、他の領域に比較してターミナル21,41に近い領域において発電が良好になる。この場合、膜−電極接合体10の面内において電流集中が生じる。
In the
そこで、本実施例においては、集電位置を定期的または不定期に切り替えることによって、電流集中の発生を抑制する。例えば、制御手段150は、切替スイッチ121,122を制御して、ターミナル21,41を介した回路とターミナル22,42を介した回路とを定期的または不定期に切り替える。この場合、膜−電極接合体10からの集電位置が切り替わる。それにより、膜−電極接合体10の面内における電流集中を抑制することができる。その結果、燃料電池110の耐久性が向上する。
Therefore, in the present embodiment, the occurrence of current concentration is suppressed by switching the current collecting position regularly or irregularly. For example, the
なお、定期的に集電位置が切り替わる場合、膜−電極接合体10における乾燥が抑制される。この場合、膜−電極接合体10の面内における発電電流は、カソード側の酸素分圧にほぼ比例する。また、集電体40の電気抵抗に起因して発電電流に偏りが生じうる。したがって、これら2つの影響を考慮し、集電切替時間を決定してもよい。例えば、酸化剤ガス入口近くの領域の発電電流が酸化剤ガス出口近くの領域の発電電流に対して2倍であれば、2:1の時間割合でターミナル22,42からの集電時間をターミナル21,41からの集電時間に比較して長くしてもよい。
In addition, when a current collection position switches regularly, the drying in the membrane-
図2は、定期的に集電位置を切り替える場合のフローチャートの一例を示す図である。図2に示すように、制御手段150は、反応ガスが燃料電池110に供給されるように、燃料ガス供給手段130および酸化剤ガス供給手段140を制御する(ステップS1)。次に、制御手段150は、ターミナル21,41またはターミナル22,42を介して集電されるように、切替スイッチ121,122を制御する(ステップS2)。それにより、発電が開始される。
FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a flowchart for periodically switching the current collection position. As shown in FIG. 2, the control means 150 controls the fuel gas supply means 130 and the oxidant gas supply means 140 so that the reaction gas is supplied to the fuel cell 110 (step S1). Next, the control means 150 controls the changeover switches 121 and 122 so that current is collected via the
次に、制御手段150は、所定時間が経過したか否かを判定する(ステップS3)。ステップS3において所定時間が経過したと判定されなかった場合、制御手段150は、ステップS3を再度実行する。ステップS3において所定時間が経過したと判定された場合、制御手段150は、集電位置が切り替わるように、切替スイッチ121,122を制御する(ステップS4)。その後、制御手段150は、ステップS3を再度実行する。
Next, the control means 150 determines whether or not a predetermined time has elapsed (step S3). If it is not determined in step S3 that the predetermined time has elapsed, the
図2のフローチャートによれば、膜−電極接合体10からの集電位置が定期的に切り替わる。それにより、膜−電極接合体10における電流集中が抑制される。その結果、燃料電池110の耐久性が向上する。なお、不定期に集電位置を切り替える場合には、ステップS3における所定時間をランダムに設定してもよい。なお、本実施例においては、切替スイッチ121,122および制御手段150が切替手段として機能する。
According to the flowchart of FIG. 2, the current collection position from the membrane-
図3(a)は、実施例2に係る燃料電池システム100aの全体構成を説明するための模式図である。燃料電池システム100aが図1の燃料電池システム100と異なる点は、冷却水ポンプ160および温度センサ161をさらに備える点である。冷却水ポンプ160は、制御手段150の指示に従って、燃料電池110内の冷却水流路に冷却水を供給するポンプである。温度センサ161は、燃料電池110内を流動した後の冷却水の温度を検出するセンサであり、検出結果を制御手段150に与える。本実施例においては、温度センサ161の検出結果に応じて燃料電池110の温度を間接的に取得することができる。
FIG. 3A is a schematic diagram for explaining the overall configuration of the
図3(b)は、燃料電池110における水収支を示す図である。図3(b)において、横軸は燃料電池110の温度を示し、縦軸は水収支を示す。ここで、水収支は、燃料電池110において発電に伴って生成される生成水量から、酸化剤ガス出口から排出される水量を差し引いた量である。
FIG. 3B is a diagram showing a water balance in the
燃料電池110の温度が低い場合(図3(b)の温度範囲A)、発電によって生成される生成水がほとんど液体の状態で存在する。この場合、酸化剤ガス流動用の空間部51における酸化剤ガス出口に生成水が滞留する。それにより、酸化剤ガス出口以外の領域に発電電流が集中する。また、水収支はプラスになる。燃料電池110の温度が高くなると(図3(b)の温度範囲B)、生成水が液体および気体の状態で混在する。この場合、水収支は徐々に低下する。
When the temperature of the
さらに燃料電池110の温度が高くなると(図3(b)の温度範囲C)、生成水がほとんど気体の状態で存在する。この場合、燃料電池110からの排出水量が多くなる。それにより、酸化剤ガス入口付近の領域が乾燥する。その結果、酸化剤ガス入口以外の領域に発電が集中する。また、水収支がマイナスになる。以上のように、燃料電池110の温度から電流分布を検出することができる。なお、上記温度範囲A〜Cは、あらかじめ燃料電池110に発電させることによって取得することができる。
Further, when the temperature of the
本実施例においては、制御手段150は、温度センサ161が検出する温度Tが温度範囲Aにある場合、ターミナル22,42から集電されるように、切替スイッチ121,122を制御する。この場合、酸化剤ガス入口側の電流集中を抑制することができる。また、制御手段150は、温度Tが温度範囲Bにある場合、定期的または不定期に集電位置が切り替わるように、切替スイッチ121,122を制御する。
In the present embodiment, when the temperature T detected by the
さらに、制御手段150は、温度Tが温度範囲Cにある場合、ターミナル21,41から集電されるように、切替スイッチ121,122を制御する。この場合、酸化剤ガス出口側の電流集中が抑制される。それにより、酸化剤ガス入口に近い領域の発電悪化を抑制することができる。以上の制御により、膜−電極接合体10の面内における電流分布に応じて集電位置を切り替えることができる。その結果、燃料電池110の耐久性が向上する。
Furthermore, when the temperature T is in the temperature range C, the
図4は、燃料電池110の温度に応じて集電位置を切り替える場合のフローチャートの一例を示す図である。図4のフローチャートは、燃料電池110において発電が行われている際に実行される。図4に示すように、制御手段150は、温度センサ161が検出する温度Tが温度T1より小さいか否かを判定する(ステップS11)。この場合、温度Tが温度範囲Aにあるか否かが判定される。
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a flowchart in the case where the current collecting position is switched according to the temperature of the
ステップS11において温度Tが温度T1よりも小さいと判定された場合、制御手段150は、ターミナル22,42から集電されるように、切替スイッチ121,122を制御する(ステップS12)。それにより、集電位置が酸化剤ガス出口側に切り替わる。その後、制御手段150は、フローチャートの実行を終了する。
If the temperature T in step S11 is determined to be smaller than the temperature T 1, the
ステップS11において温度Tが温度T1よりも小さいと判定されなかった場合、制御手段150は、温度Tが温度T1以上かつ温度T2以下であるか否かを判定する(ステップS13)。この場合、温度Tが温度範囲Bにあるか否かが判定される。ステップS13において温度Tが温度T1以上かつ温度T2以下であると判定された場合、制御手段150は、集電位置が定期的に切り替わるように切替スイッチ121,122を制御する(ステップS14)。その後、制御手段150は、フローチャートの実行を終了する。
If the temperature T in step S11 is not determined to be smaller than the temperature T 1 of,
ステップS13において温度Tが温度T1以上かつ温度T2以下であると判定されなかった場合、制御手段150は、ターミナル21,41から集電されるように、切替スイッチ121,122を制御する(ステップS15)。それにより、集電位置が酸化剤ガス入口側に切り替わる。その後、制御手段150は、フローチャートの実行を終了する。
If the temperature T is not determined to be the temperature T1 or higher and temperature T 2 less in step S13, the
図4のフローチャートによれば、膜−電極接合体10の面内における電流分布に応じて集電位置を切り替えることができる。それにより、膜−電極接合体10における電流集中が抑制される。その結果、燃料電池110の耐久性が向上する。なお、本実施例においては、温度範囲Bを設けたが、それに限られない。高い温度範囲と低い温度範囲との間で、集電位置を切り替えてもよい。なお、本実施例においては、切替スイッチ121,122および制御手段150が切替手段として機能する。
According to the flowchart of FIG. 4, the current collection position can be switched according to the current distribution in the plane of the membrane-
図5は、実施例3に係る燃料電池システム100bの全体構成を説明するための模式図である。燃料電池システム100bが図1の燃料電池システム100と異なる点は、電圧センサ162をさらに備える点である。電圧センサ162は、膜−電極接合体10の面内の電位差を検出するセンサである。本実施例においては、電圧センサ162は、集電体20においてターミナル21側の領域とターミナル22側の領域との電位差を検出し、その検出結果を制御手段150に与える。
FIG. 5 is a schematic diagram for explaining the overall configuration of the
ここで、膜−電極接合体10の面内において電流分布が生じていなければ、電圧センサ162によって検出される電位差Vは小さくなる。しかしながら、ターミナル21,22間方向において電流分布が生じると、電位差Vは大きくなる。本実施例においては、この電位差Vがしきい値を超えた場合に、集電位置を切り替える。この場合、膜−電極接合体10の面内における電流分布に応じて集電位置を切り替えることができる。それにより、膜−電極接合体10の面内における電流集中が抑制される。その結果、燃料電池110の耐久性が向上する。
Here, if no current distribution is generated in the plane of the membrane-
なお、集電体20および集電体40のいずれにおいて上記電位差を検出してもよい。
Note that the potential difference may be detected in either the
図6は、電位差Vの大きさに応じて集電位置を切り替える場合のフローチャートの一例を示す図である。図6のフローチャートは、燃料電池110において発電が行われている際に実行される。図6に示すように、制御手段150は、電圧センサ162が検出する電位差Vの絶対値|V|がしきい値を超えたか否かを判定する(ステップS21)。
FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a flowchart in the case where the current collecting position is switched according to the magnitude of the potential difference V. The flowchart of FIG. 6 is executed when power generation is performed in the
ステップS21において絶対値|V|がしきい値を超えたと判定された場合、制御手段150は、集電位置が切り替わるように、切替スイッチ121,122を制御する(ステップS22)。その後、制御手段150は、フローチャートの実行を終了する。なお、ステップS21において絶対値|V|がしきい値を超えたと判定されなかった場合においても、制御手段150は、フローチャートの実行を終了する。
When it is determined in step S21 that the absolute value | V | has exceeded the threshold value, the
図6のフローチャートによれば、膜−電極接合体10の面内における電流分布に応じて集電位置を切り替えることができる。それにより、膜−電極接合体10における電流集中が抑制される。その結果、燃料電池110の耐久性が向上する。なお、本実施例においては、切替スイッチ121,122および制御手段150が切替手段として機能する。
According to the flowchart of FIG. 6, the current collection position can be switched according to the current distribution in the plane of the membrane-
なお、上記フローチャートにおいては電位差の絶対値に基づいて集電位置を切り替えたが、それに限られない。例えば、電位差の絶対値が大きくなったとしても、集電位置を切り替えることによってさらに電流集中が大きくなる場合も起こりうる。したがって、電圧センサ162によって検出される電位差が緩和されるように切替スイッチ121,122を制御してもよい。この場合、膜−電極接合体10における電流集中をより効果的に抑制することができる。
In the above flowchart, the current collection position is switched based on the absolute value of the potential difference, but the present invention is not limited to this. For example, even if the absolute value of the potential difference increases, the current concentration may further increase by switching the current collecting position. Therefore, the selector switches 121 and 122 may be controlled so that the potential difference detected by the
図7は、実施例4に係る燃料電池システム100cを説明するための図である。図7(a)は、燃料電池システム100cの全体構成を示す模式図である。図7(a)に示すように、燃料電池システム100cにおいては、燃料電池110の代わりに燃料電池スタックが設けられている。燃料電池スタックにおいては、図1の燃料電池110が複数積層されている。
FIG. 7 is a diagram for explaining the
燃料電池スタックにおいては、各燃料電池110のターミナル21,41を接続するバスバー201および各燃料電池110のターミナル22,42を接続するバスバー202が設けられている。バスバー201は、隣接する燃料電池110の間で、ターミナル21とターミナル41とを接続し、ターミナル21とターミナル41との間に切替スイッチ203を備える。バスバー202は、隣接する燃料電池110の間で、ターミナル22とターミナル42とを接続し、ターミナル22とターミナル42との間に切替スイッチ204を備える。
In the fuel cell stack, a
図7(b)にバスバー201の模式図を示す。バスバー201において、ターミナル21とターミナル41とを接続する接続部位は導電性を有し、各接続部位間は絶縁性を有する。それにより、燃料電池スタックにおける短絡が防止される。同様に、バスバー202において、ターミナル22とターミナル42とを接続する接続部位は導電性を有し、各接続部位間は絶縁性を有する。
FIG. 7B shows a schematic diagram of the
制御手段150は、例えば、定期的または不定期に、ターミナル21とターミナル41とを接続する回路とターミナル22とターミナル42とを接続する回路とが切り替わるように、切替スイッチ121,122,203,204を制御する。この場合、各膜−電極接合体10における電流集中が抑制される。その結果、各燃料電池110の耐久性が向上する。なお、制御手段150は、実施例2のように、冷却水温度に応じて集電位置を切り替えてもよい。さらに、制御手段150は、実施例3のように、膜−電極接合体10の面内における電位差に応じて、集電位置を切り替えてもよい。
For example, the
また、各燃料電池110において、切替スイッチ203,204のオンオフが個別に制御されてもよい。したがって、バスバー201において、オンに制御されている切替スイッチ203とオフに制御されている切替スイッチ203が混在していてもよい。なお、本実施例においては、切替スイッチ121,122,203,204および制御手段150が切替手段として機能する。
Moreover, in each
上記各実施例において、複数の集電位置を設け、集電位置を切り替えつつ発電する制御について説明した。ここで、複数の集電位置が設けられている場合に、集電位置を切り替えずに常に複数の集電位置から集電を行うことも考えられる。しかしながら、燃料電池の発電においては、温度等の運転条件で発電分布が変化して電流集中の態様が変化する。したがって、電流集中の状況に応じた制御が必要となる。上記各実施例のように集電位置を切り替える手段を備えることによって、実際の発電分布を考慮した制御が可能となる。 In each of the above-described embodiments, a description has been given of the control for providing a plurality of current collecting positions and generating power while switching the current collecting positions. Here, when a plurality of current collecting positions are provided, it is conceivable to always collect current from a plurality of current collecting positions without switching the current collecting positions. However, in power generation by a fuel cell, the power generation distribution changes depending on operating conditions such as temperature, and the current concentration changes. Therefore, control according to the current concentration situation is required. By providing the means for switching the current collecting position as in the above embodiments, it is possible to control in consideration of the actual power generation distribution.
10 膜−電極接合体
11 電解質膜
12 アノード触媒層
13 カソード触媒層
20 集電体
21,22 ターミナル
30 セパレータ
31 空間部
40 集電体
41,42 ターミナル
50 セパレータ
51 空間部
100 燃料電池システム
110 燃料電池
121,122 切替スイッチ
130 燃料ガス供給手段
140 酸化剤ガス供給手段
150 制御手段
160 冷却水ポンプ
161 温度センサ
162 電圧センサ
201,202 バスバー
DESCRIPTION OF
Claims (18)
前記複数のターミナルのいずれかを選択することによって前記集電体からの集電位置を切り替える切替手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。 Membrane-electrode assembly, and a current collector having a plurality of terminals arranged on both sides of the membrane-electrode assembly for taking out the generated current of the membrane-electrode assembly on the outer periphery and having conductivity and gas permeability A fuel cell comprising:
A fuel cell system comprising: switching means for switching a current collecting position from the current collector by selecting one of the plurality of terminals.
前記切替手段は、前記電流分布検出手段の検出結果に応じて前記集電体からの集電位置を切り替えることを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。 A current distribution detecting means for detecting a current distribution in the membrane-electrode assembly;
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the switching unit switches a current collection position from the current collector according to a detection result of the current distribution detection unit.
前記切替ステップにおいて、前記電流分布検出ステップの検出結果に応じて前記集電体からの集電位置を切り替えることを特徴とする請求項10記載の燃料電池の運転方法。 A current distribution detecting step of detecting a current distribution in the membrane-electrode assembly,
The fuel cell operating method according to claim 10, wherein, in the switching step, a current collecting position from the current collector is switched in accordance with a detection result of the current distribution detecting step.
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