JP2011096461A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、燃料の供給にポンプを使用した燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell using a pump for supplying fuel.
携帯電話機や携帯情報端末などの電子機器の小型化は目覚しいものがあり、これら電子機器の小型化とともに、電源として燃料電池を使用することが試みられている。燃料電池は、燃料と空気を供給するのみで、発電することができ、燃料のみを補充あるいは交換すれば連続して発電できるという利点を有するため、小型化が実現できれば、小型の電子機器の電源として極めて有効である。 There have been remarkable miniaturizations of electronic devices such as mobile phones and portable information terminals, and along with the miniaturization of these electronic devices, attempts have been made to use fuel cells as a power source. A fuel cell has the advantage that it can generate electricity only by supplying fuel and air, and can continuously generate electricity if it is replenished or replaced only with fuel. Is extremely effective.
そこで、最近、燃料電池として、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ：Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）が注目されている。かかる燃料電池は、液体燃料の供給方式によって分類され、気体供給型や液体供給型等のアクティブ方式のものと、燃料収容部内の液体燃料を電池内部で気化させて燃料極に供給する内部気化型等のパッシブ方式のものがあり、これらのうち、パッシブ方式のものは燃料電池の小型化に対して特に有利である。 Therefore, a direct methanol fuel cell (DMFC) has recently attracted attention as a fuel cell. Such fuel cells are classified according to the liquid fuel supply system, such as an active system such as a gas supply type and a liquid supply type, and an internal vaporization type that vaporizes the liquid fuel in the fuel storage portion inside the cell and supplies it to the fuel electrode Among these, the passive type is particularly advantageous for downsizing of the fuel cell.
従来、このようなパッシブ方式の燃料電池として、特許文献１に開示されるように、例えば燃料極、電解質膜および空気極を有する膜電極接合体（燃料電池セル）を、燃料収容部上に配置した構造のものが考えられている。 Conventionally, as such a passive fuel cell, as disclosed in Patent Document 1, for example, a membrane electrode assembly (fuel cell) having a fuel electrode, an electrolyte membrane, and an air electrode is disposed on a fuel accommodating portion. The thing of the structure which was made is considered.
また、燃料電池の燃料電池セルと燃料収容部とを流路を介して接続する構成のものもある。これらは、燃料収容部から供給された液体燃料を燃料電池セルに流路を介して供給することによって、流路の形状や径等に基づいて液体燃料の供給量を調整可能としたものである。 In addition, there is a configuration in which a fuel cell of a fuel cell and a fuel storage portion are connected via a flow path. These supply liquid fuel supplied from the fuel storage unit to the fuel cells via the flow path, thereby enabling the liquid fuel supply amount to be adjusted based on the shape and diameter of the flow path. .
従来のパッシブ方式の燃料電池として、例えば燃料極、電解質膜および空気極を有する膜電極接合体（発電セル）と発電セルとを流路を介して接続する構成が検討されている。このような燃料電池には、発電セルにおける発電反応を効率化して電力の出力を向上させるために、複数の孔を有し、燃料極に対向して配置された燃料分配機構を備えたものがある。従来の燃料電池では、燃料分配機構を介して燃料タンクから燃料極へ燃料を供給することで燃料極の複数個所に対して燃料を供給できるため、燃料電池セルに対する燃料の供給状態を均一化できる（特許文献１）。 As a conventional passive fuel cell, for example, a configuration in which a membrane electrode assembly (power generation cell) having a fuel electrode, an electrolyte membrane, and an air electrode and a power generation cell are connected via a flow path has been studied. Such fuel cells include a fuel distribution mechanism that has a plurality of holes and is opposed to the fuel electrode in order to improve the power generation reaction in the power generation cell and improve the power output. is there. In the conventional fuel cell, fuel can be supplied to a plurality of locations of the fuel electrode by supplying fuel from the fuel tank to the fuel electrode via the fuel distribution mechanism, so that the fuel supply state to the fuel cells can be made uniform. (Patent Document 1).
しかしながら、上記従来の燃料電池は、燃料を補充する際に燃料タンクの内部圧力が変動することを考慮していない。燃料タンクの内部圧力が変動すると、燃料極へ安定して燃料を供給できないため多量の燃料を燃料極へ供給する可能がある。この場合、燃料極での発電反応が進み温度が上昇しすぎてしまうという問題が発生する。
この発明は、かかる従来の問題を解消するためになされたもので、燃料タンクの内部圧力が変動した場合に、燃料流量センサー等を使用しなくても温度の変動を抑制できる燃料電池を提供することを目的とする。
However, the conventional fuel cell does not take into consideration that the internal pressure of the fuel tank fluctuates when fuel is replenished. If the internal pressure of the fuel tank fluctuates, fuel cannot be stably supplied to the fuel electrode, so that a large amount of fuel may be supplied to the fuel electrode. In this case, the power generation reaction at the fuel electrode proceeds and the temperature rises too much.
The present invention has been made to solve such a conventional problem, and provides a fuel cell capable of suppressing temperature fluctuations without using a fuel flow sensor or the like when the internal pressure of the fuel tank fluctuates. For the purpose.
本発明の一態様に係る燃料電池は、燃料を収容する燃料タンク、燃料を供給するポンプおよび燃料の供給により発電する発電セルを備え、ポンプのＤｕｔy比をフィードバック制御する燃料電池であって、発電セルの温度を計測する温度計測部と、温度に対応する閾値が記憶されている記憶部と、温度計測部で計測される温度と、記憶部に記憶されている閾値とを比較し、該比較の結果に応じて、ポンプのＤｕｔy比を制御する制御部と、を具備する。 A fuel cell according to an aspect of the present invention is a fuel cell that includes a fuel tank that stores fuel, a pump that supplies fuel, and a power generation cell that generates electric power by supplying fuel, and feedback-controls the duty ratio of the pump. The temperature measurement unit that measures the temperature of the cell, the storage unit that stores the threshold corresponding to the temperature, the temperature measured by the temperature measurement unit, and the threshold stored in the storage unit are compared, and the comparison And a controller for controlling the duty ratio of the pump.
本発明によれば、燃料タンクの内部圧力が変動した場合に、燃料流量センサー等を使用しなくても温度の変動を抑制できる燃料電池を提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, when the internal pressure of a fuel tank fluctuates, the fuel cell which can suppress the fluctuation | variation of temperature can be provided, without using a fuel flow sensor etc.
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る燃料電池１の構成を示した図である。第１の実施形態に係る燃料電池１は、制御部１１、燃料タンク１２、出力端子１３、ＬＩＢ（Lithium-ion Battery）１４、燃料電池本体１５，１６を具備する。燃料電池本体１５は、バルブ１０１Ａ、ポンプ１０２Ａ、発電セル１０３Ａ、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０４Ａを具備する。燃料電池本体１６は、バルブ１０１Ｂ、ポンプ１０２Ｂ、発電セル１０３Ｂ、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０４Ｂを具備する。なお、燃料電池本体１６は、燃料電池本体１５と同一の構成および動作であるため、以下では燃料電池本体１５についてのみ説明し、重複した説明を省略する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a fuel cell 1 according to the first embodiment. The fuel cell 1 according to the first embodiment includes a
この第１の実施形態では、燃料電池１として、ＤＭＦＣを例に説明する。また、発電セル１０３Ｂの構成は、発電セル１０３Ａの構成と同一であるため以下での説明を省略する。
In the first embodiment, a DMFC will be described as an example of the fuel cell 1. Further, the configuration of the
燃料タンク１２は、発電に使用する液体燃料を収容する。液体燃料としては、各種濃度のメタノール水溶液や純メタノール等のメタノール燃料が挙げられる。液体燃料は必ずしもメタノール燃料に限られるものではない。液体燃料は、例えばエタノール水溶液や純エタノール等のエタノール燃料、プロパノール水溶液や純プロパノール等のプロパノール燃料、グリコール水溶液や純グリコール等のグリコール燃料、ジメチルエーテル、ギ酸、その他の液体燃料であってもよい。
The
制御部１１は、この第１の実施形態に係る燃料電池１全体を制御する。制御部１１は、燃料タンク１２から発電セル１０３Ａへ燃料を供給するバルブ１０１Ａおよびポンプ１０２Ａの動作を制御する。なお、制御部１１は、所定の時間（例えば、１秒）毎に燃料電池本体１５，１６の制御を切り替える。
The
ここで、制御部１１によるポンプ１０２Ａの制御部ついて説明する。制御部１１は、発電セル１０３Ａの温度と目標値(ターゲット温度)との偏差に応じてポンプ１０２をフィードバック制御する。このフィードバック制御は、各種制御方法が適用可能である。以下の説明においては、フィードバック制御の一例として、ＰＩＤ制御を採用した例で説明する。
Here, the control unit of the
下記（１）式にＰＩＤ制御に使用される一般式を示す。
ｙi＝Kp（ｅi＋θ/2TiΣ（ei＋ei-1）＋Td/θ（ei−ei-1））…（１）
ｙiは、サンプリング時点ｉ回目の制御出力、Kpは比例定数、1/Tiは積分時間、Tdは微分時間、eは目標値との偏差である。なお、ポンプ１０１Ａの制御は、Ｄｕｔｙ比により制御（所定の周期ｆの間に何％ＯＮにするかという制御）されるため、ｙiがとりうる範囲は０〜１００％となる。
The following formula (1) shows a general formula used for PID control.
y i = Kp (e i + θ / 2T i Σ (e i + e i−1 ) + Td / θ (e i −e i−1 )) (1)
y i is a control output at the sampling time i-th time, Kp is a proportional constant, 1 / Ti is an integration time, Td is a differentiation time, and e is a deviation from a target value. In addition, since control of
（１）式より、e＝０のときは出力ｙ＝０となることがわかる。また、ｅの値が、負の場合（ターゲット温度よりも発電セル１０３Ａの温度が高い場合）出力ｙは０となり、ｅの値が、正の場合（ターゲット温度よりも発電セル１０３Ａの温度が低い場合）出力ｙは、ｅの値に応じた値となる（（１）式により算出された値）。なお、スイッチング周期ｆおよび制御出力値は、ポンプ１０２Ａの性能により決定される。このため、ＰＩＤ制御に必要な各パラメータは、実験等の結果により最適化される。
From equation (1), it can be seen that when e = 0, the output y = 0. When the value of e is negative (when the temperature of the
記憶部１１ａには、２つの閾値Ｔ１，Ｔ２が記憶されている。制御部１１は、発電セル１０３Ａの温度とこの２つの閾値Ｔ１，Ｔ２とを比較し、比較結果に応じてポンプ１０２ＡのＯＮ時間（Ｄｕｔｙ）やバルブ１０１Ａの動作を制御する。閾値Ｔ１，Ｔ２は、それぞれ注意用、警告用の閾値であり、Ｔ１＜Ｔ２を満たす関係にある。具体的な制御方法については、図２を参照して後述する。
Two threshold values T1 and T2 are stored in the storage unit 11a. The
バルブ１０１Ａは、燃料タンク１２から発電セル１０３Ａへの燃料の供給経路を開閉する。ポンプ１０２Ａは、燃料タンク１２に貯蔵されている燃料を発電セル１０３Ａへ供給する。発電セル１０３Ａへ燃料が供給されると、燃料と空気中の酸素により発電反応を生じる。
The
発電セル１０３Ａは、アノード（燃料極）、カソード（空気極／酸化剤極）および電解質膜から構成される膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を具備する。アノード（燃料極）は、アノード触媒層とアノードガス拡散層とを有する。カソード（空気極／酸化剤極）は、カソード触媒層とカソードガス拡散層とを有する。電解質膜は、アノード触媒層とカソード触媒層とで扶持され、プロトン（水素イオン）伝導性を有する。
The
アノードガス拡散層は、アノード触媒層に燃料を均一に供給する役目と共に、集電体としての機能も有している。カソードガス拡散層は、カソード触媒層に酸化剤を均一に供給する役目と共の、集電体としての機能も有している。アノードガス拡散層およびカソードガス拡散層は多孔質基材で構成されている。 The anode gas diffusion layer has the function of uniformly supplying fuel to the anode catalyst layer and also functions as a current collector. The cathode gas diffusion layer has a function as a current collector as well as a function of uniformly supplying the oxidant to the cathode catalyst layer. The anode gas diffusion layer and the cathode gas diffusion layer are made of a porous substrate.
発電セル１０３Ａのアノード（燃料極）側には、燃料タンク１２から燃料が供給される。発電セル１０３Ａ内において、燃料はアノードガス拡散層で拡散されアノード触媒層に供給される。燃料としてメタノール燃料を用いた場合、アノード触媒層で下記（２）式に示すメタノールの内部改質反応が生じる。
Fuel is supplied from the
なお、メタノール燃料として純メタノールを使用した場合には、カソード触媒層で生成した水や電解質膜中の水をメタノールと反応させて下記（２）式の内部改質反応を生起させる。あるいは、水を必要としない他の反応機構により内部改質反応を生じさせる。 When pure methanol is used as the methanol fuel, water generated in the cathode catalyst layer or water in the electrolyte membrane is reacted with methanol to cause the internal reforming reaction of the following formula (2). Alternatively, the internal reforming reaction is caused by another reaction mechanism that does not require water.
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ → ＣＯ２十６Ｈ＋＋６ｅ− …（２）
この反応で生成した電子（ｅ−）は集電体を経由して外部に導かれ、いわゆる出力として負荷側に供給された後、カソード（空気極）に導かれる。また、（２）式の内部改質反応で生成したプロトン（Ｈ＋）は電解質膜を経てカソードに導かれる。カソードには酸化剤として空気が供給される。カソードに到達した電子（ｅ−）とプロトン（Ｈ＋）は、カソード触媒層で空気中の酸素と下記（３）式にしたがって反応し、この反応に伴って水が生成される。
６ｅ−＋６Ｈ＋＋（３／２）Ｏ２ → ３Ｈ２Ｏ …（３）
CH 3 OH + H 2 O →
Electrons (e − ) generated by this reaction are led to the outside via a current collector, supplied as so-called output to the load side, and then led to the cathode (air electrode). In addition, protons (H + ) generated by the internal reforming reaction of the formula (2) are guided to the cathode through the electrolyte membrane. Air is supplied to the cathode as an oxidant. Electrons (e − ) and protons (H + ) that have reached the cathode react with oxygen in the air in the cathode catalyst layer according to the following formula (3), and water is generated with this reaction.
6e − + 6H + + (3/2) O 2 → 3H 2 O (3)
発電セル１０３Ａで発電された電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０４Ａで昇圧される。ＤＣ／ＤＣコンバータ１０４Ａで昇圧された電力は、抵抗Ｒ１を介して燃料電池本体１５から出力される。燃料電池本体１５から出力された電力は、燃料電池本体１６から出力された電力と加算される。加算された電力は、出力端子１３に接続された外部機器やＬＩＢ１４などの負荷へ供給される。なお、発電セル１０３Ａのカソードには、サーミスタが接続されており、このサーミスタにより発電セル１０３Ａのカソード温度が計測される。
The electric power generated by the
ＬＩＢ１４は、燃料電池１を起動する際に必要な電力を供給するリチウムイオン電池（二次電池）である。ＬＩＢ１４に蓄積された電力は、ポンプ１０２Ａ，Ｂなどの動力源として使用される。なお、このＬＩＢ１４には、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０４Ａを介して発電セル１０３Ａから供給される電力を充電するための充電制御部（図示せず）と、ＬＩＢ１４から出力端子１３を介して外部機器へ電力を出力する際に出力電圧を昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータ（図示せず）とを有する。
The
図２は、第１の実施形態に係る燃料電池１の動作をしめすフローチャートである。ここでは、図２を参照して、燃料電池１の動作について説明する。
制御部１１は、発電セル１０３Ａの温度を取得する（ステップＳ１０１）。制御部１１は、取得した発電セル１０３Ａの温度が記憶部１１ａに記憶されている閾値Ｔ１以上であるか判定する（ステップＳ１０２）。
FIG. 2 is a flowchart showing the operation of the fuel cell 1 according to the first embodiment. Here, the operation of the fuel cell 1 will be described with reference to FIG.
The
発電セル１０３Ａの温度が閾値Ｔ１以上でない場合（ステップＳ１０２のＮｏ）、制御部１１は、ポンプ１０２ＡのＤｕｔy比が１０％以下であるか判定する（ステップＳ１０３）。ポンプ１０２ＡのＤｕｔy比が１０％未満の場合（ステップＳ１０３のＮｏ）、制御部１１は、ステップＳ１０１の動作に戻る。
When the temperature of the
ポンプ１０２ＡのＤｕｔy比が１０％以下の場合（ステップＳ１０３のＹｅｓ）、制御部１１は、Ｄｕｔｙ比を上げる方向に限り、ポンプ１０２Ａの制御をＰＩＤ制御からＰＩ制御に切り替える（ステップＳ１０４）。つまり、制御部１１は、ポンプ１０２ＡのＤｕｔｙ比を上げる方向（温度を上げる方向）に対しては、上記（１）式の第３項（微分）を考慮しないで、ポンプ１０２ＡのＤｕｔｙ比を制御する。
When the duty ratio of the
次に、制御部１１は、ポンプ１０２ＡのＤｕｔy比が５％以下であるか判定する（ステップＳ１０５）。ポンプ１０２ＡのＤｕｔy比が５％以下でない場合（ステップＳ１０５のＮｏ）、制御部１１は、ステップＳ１０１の動作に戻る。ポンプ１０２ＡのＤｕｔy比が５％以下の場合（ステップＳ１０５のＹｅｓ）、制御部１１は、所定の時間（例えば、１秒）毎に燃料電池本体１５，１６の制御を切り替える動作を停止する（ステップＳ１０６）。
Next, the
次に、制御部１１は、ポンプ１０２ＡのＤｕｔy比が２．５％以下であるか判定する（ステップＳ１０７）。ポンプ１０２ＡのＤｕｔy比が２．５％以下でない場合（ステップＳ１０７のＮｏ）、制御部１１は、ステップＳ１０１の動作に戻る。ポンプ１０２ＡのＤｕｔy比が２．５％以下の場合（ステップＳ１０７のＹｅｓ）、制御部１１は、バルブ１０１Ａの動作を遅延させる（ステップＳ１０８）。具体的には、制御部１１は、バルブ１０１ＡをＯｐｅｎするタイミングを、ポンプ１０２ＡのＯＮのタイミングに対して少し（例えば、制御周期が１秒の制御部であれば５００ｍｓ）遅らせる。
Next, the
発電セル１０３Ａの温度が閾値Ｔ１以上の場合（ステップＳ１０２のＹｅｓ）、制御部１１は、発電セル１０３Ａの温度が閾値Ｔ２以上であるか判定する（ステップＳ１０９）。発電セル１０３Ａの温度が閾値Ｔ２以上の場合（ステップＳ１０９のＹｅｓ）、制御部１１は、ポンプ１０２ＡのＤｕｔy比を１．２５％に変更する（ステップＳ１１０）。次に、制御部１１は、バルブ１０１Ａおよびポンプ１０２Ａの動作を遅延させる（ステップＳ１０８）。
When the temperature of the
発電セル１０３Ａの温度が閾値Ｔ２以上でない場合（ステップＳ１０９のＮｏ）、制御部１１は、バルブ１０１Ａおよびポンプ１０２Ａの動作を停止させて燃料の供給を積分時間（Ｔｉ）だけ停止する（Ｄｕｔｙ比をゼロとする）と共に、ポンプ１０２ＡのＤｕｔｙ比を現状から２０％低下させる（ステップＳ１１１）。
When the temperature of the
図３は、第１の実施形態に係る燃料電池の制御内容の一覧表である。この第１の実施形態１では、発電セル１０３Ａへ供給される燃料の流量が大きく変動するのを防止するため、図３に示す項目１から項目３の制御をポンプ１０２ＡのＤｕｔｙ比に応じて段階的に変化させている。
FIG. 3 is a list of control contents of the fuel cell according to the first embodiment. In the first embodiment 1, in order to prevent the flow rate of the fuel supplied to the
項目１の「ポンプ・バルブ遅延」は、図２のステップＳ１０８に対応する。項目２の「ブロック制御」は、図２のステップＳ１０６に対応する。項目３の「＋Ｄ制御」は、図２のステップＳ１０４に対応する。また、図３の「○」は動作を実施する区間を表わしている。つまり、Ｄｕｔy比が「〜２．５％」の区間では、項目１、項目２の制御が実施される。Ｄｕｔy比が「〜５％」の区間では、項目２の制御が実施される。Ｄｕｔy比が「１０％以上」の区間では、項目３の制御が実施される。
Item 1 "Pump / Valve Delay" corresponds to Step S108 in FIG.
「バルブ開時間」の項目は、Ｄｕｔy比と、バルブ１０１Ａの開時間（Ｏｐｅｎ時間）との関係を表している。例えば、Ｄｕｔy比が「〜２．５％」の区間では、ベース時間が０．５ｓ（上段）で、＋Ｄ制御は、行われないのでベース時間に加算される時間は＋０（下段左）、‐Ｄ制御は、行われるのでベース時間に加算される時間は−０．５（下段右）である。つまり、Ｄｕｔy比が「〜２．５％」の区間のバルブ開時間は、０〜０．５ｓである。同様にして、Ｄｕｔy比が「〜５％」の区間のバルブ開時間は０〜１ｓ、Ｄｕｔy比が「〜１０％」の区間のバルブ開時間は、０〜２ｓ、Ｄｕｔy比が「１０％以上」の区間のバルブ開時間は、０〜４ｓとなる。
The item “valve opening time” represents the relationship between the duty ratio and the opening time (open time) of the
（実験結果）
図４は、第１の実施形態に係る燃料電池の実験結果を示す図である。図４に示す実験では、経過時間が約７７分となる時点で燃料タンク１２へ燃料を追注入している。この追注入により、燃料タンク１２の内部圧力を変動させた。図４には、燃料電池本体１５での実験結果のみを示している。なお、流量制限を加えるために燃料タンク１７に抵抗となる絞り（オリフィス）は設けていない。
(Experimental result)
FIG. 4 is a diagram showing experimental results of the fuel cell according to the first embodiment. In the experiment shown in FIG. 4, fuel is additionally injected into the
図４の左縦軸は、ポンプ１０２ＡのＤｕｔy比を、右縦軸は発電セル１０３Ａのカソード温度を、横軸は経過時間をそれぞれ示している。図６中の鎖線は、発電セル１０３Ａのカソードのターゲット温度、実線は、発電セル１０３Ａのカソードの実温度（測定温度）、太い実線は、ポンプ１０２ＡのＤｕｔy比をそれぞれ示している。図４に示す実験結果からは、燃料電池１の立ち上げ時（発電セル１０３Ａへの燃料供給時）の温度の変動および燃料タンク１２への燃料の追注入による発電セル１０２Ａのカソード温度の変動を効果的に抑制できていることがわかる。
The left vertical axis in FIG. 4 indicates the duty ratio of the
（比較例１）
図５、図６は、比較例１に係る燃料電池の実験結果を示す図である。この比較例１では、燃料タンクから発電セルへの燃料の供給路内にオリフィスを設けた燃料電池を使用した。また、制御部によるポンプの制御もＰＩＤ制御のみである。なお、図５、図６には、燃料タンクに設けたオリフィスの内径が８００μｍ、５０μｍのものをそれぞれ示した。
(Comparative Example 1)
5 and 6 are diagrams showing experimental results of the fuel cell according to Comparative Example 1. FIG. In this comparative example 1, a fuel cell provided with an orifice in the fuel supply path from the fuel tank to the power generation cell was used. Also, the control of the pump by the control unit is only PID control. In FIGS. 5 and 6, the orifices provided in the fuel tank have inner diameters of 800 μm and 50 μm, respectively.
図５、図６の左縦軸は、ポンプのＤｕｔy比を、右縦軸は温度を、横軸は経過時間をそれぞれ示している。図５、図６中の鎖線は、発電セルのカソードのターゲット温度、実線は、発電セルのカソードの実温度（測定温度）、太い実線は、ポンプのＤｕｔy比をそれぞれ示している。 5 and 6, the left vertical axis indicates the duty ratio of the pump, the right vertical axis indicates the temperature, and the horizontal axis indicates the elapsed time. 5 and 6, the chain line indicates the target temperature of the cathode of the power generation cell, the solid line indicates the actual temperature (measured temperature) of the cathode of the power generation cell, and the thick solid line indicates the duty ratio of the pump.
図５、図６に示す実験結果からは、燃料タンクにオリフィスを設けていても、立ち上げ時において、発電セルのカソードのターゲット温度と実温度（測定温度）の間に大きな温度差が生じていることがわかる。オリフィスの内径が５０μｍ（図５）の場合、燃料タンクから燃料の供給が絞られるため、オリフィスの内径が８００μｍ（図６）の場合に比べて、上記ターゲット温度と実温度との温度差は小さくなっているが、図４に示した場合に比べると大きなものとなっている。 From the experimental results shown in FIG. 5 and FIG. 6, even when the fuel tank is provided with an orifice, a large temperature difference occurs between the target temperature of the cathode of the power generation cell and the actual temperature (measured temperature) even when starting up. I understand that. When the inner diameter of the orifice is 50 μm (FIG. 5), the supply of fuel from the fuel tank is restricted, so the temperature difference between the target temperature and the actual temperature is smaller than when the inner diameter of the orifice is 800 μm (FIG. 6). However, it is larger than the case shown in FIG.
（比較例２）
図７、図８は、比較例２に係る燃料電池の実験結果を示す図である。この比較例２では、外部温度が４５℃（４５℃雰囲気中）の環境下で実験を行った。この比較例２では、第１の実施形態のように、図３の項目１から項目３の制御を、ポンプ１０２ＡのＤｕｔy比に応じて段階的に行う実施形態ではなく、ポンプ１０２ＡのＤｕｔy比５％を境にして、図３の項目２の制御を切り替えるようにして実験を行った。なお、比較例１のようなオリフィスは設けていない。
(Comparative Example 2)
7 and 8 are diagrams showing experimental results of the fuel cell according to Comparative Example 2. FIG. In Comparative Example 2, the experiment was performed in an environment where the external temperature was 45 ° C (in an atmosphere of 45 ° C). In the comparative example 2, as in the first embodiment, the control of the items 1 to 3 in FIG. 3 is not an embodiment in which the control is performed stepwise according to the duty ratio of the
図７、図８の左縦軸は、ポンプ１０２ＡのＤｕｔy比を、右縦軸は温度を、横軸は経過時間をそれぞれ示している。図７、図８中の鎖線は、発電セル１０３Ａのカソードのターゲット温度、実線は、発電セル１０３Ａのカソードの実温度（測定温度）、太い実線は、ポンプ１０２ＡのＤｕｔy比をそれぞれ示している。また、図７、図８には、燃料電池本体１５での実験結果のみを示している。
7 and 8, the left vertical axis indicates the duty ratio of the
図７、図８に示すように、４５℃雰囲気中においても、立ち上がり時における発電セル１０３Ａのカソードのターゲット温度（鎖線）と発電セル１０３Ａのカソードの実温度（実線）との差（過昇温）は、図５、図６の従来例に比べて小さいものとなっている。過昇温は、図７に示す場合で、２、２℃、図８に示す場合で１、８℃程度に抑制されている。
As shown in FIGS. 7 and 8, even in a 45 ° C. atmosphere, the difference between the target temperature (dashed line) of the cathode of the
図７、図８に示す実験結果では、立ち上げ時の過昇温は効果的に打ち消されており、その後、ターゲット温度（鎖線）と実温度（実線）との差は小さいものとなっている。しかしながら、２４０分過ぎにターゲット温度（鎖線）と実温度（実線）との差に変動がみられる。これは、図４に実験結果を示した第１の実施形態に係る燃料電池１と異なり、図３で示した項目１から項目３の制御を、ポンプ１０２ＡのＤｕｔｙ比に応じて段階的に変化させていないためであると考えられる。
In the experimental results shown in FIG. 7 and FIG. 8, the excessive temperature rise at the start-up is effectively canceled out, and thereafter the difference between the target temperature (dashed line) and the actual temperature (solid line) is small. . However, after 240 minutes, there is a change in the difference between the target temperature (dashed line) and the actual temperature (solid line). This is different from the fuel cell 1 according to the first embodiment whose experimental results are shown in FIG. 4, in which the control of items 1 to 3 shown in FIG. 3 is changed stepwise according to the duty ratio of the
以上のように、第１の実施形態に係る燃料電池１は、図３に示した項目１から項目３の制御を、ポンプ１０２ＡのＤｕｔｙ比に応じて段階的に変化させている。このため、燃料タンク１２の内部圧力が変動しても安定して燃料を供給でき、燃料電池１の立ち上げ時や、燃料タンク１２へ燃料を追注入により燃料タンク１２の内部圧力が変動しても発電セル１０３Ａ，１０３Ｂの温度の変動を抑制できる。
As described above, the fuel cell 1 according to the first embodiment changes the control of items 1 to 3 shown in FIG. 3 in a stepwise manner in accordance with the duty ratio of the
（その他の実施形態）
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。例えば、第１の実施形態では、２つの燃料電池本体１５，１６を備えた実施形態について説明したが、燃料電池本体を１つとしても、複数個としてもよい。
(Other embodiments)
Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. For example, in the first embodiment, the embodiment including the two fuel cell
１…燃料電池、１１…制御部、１２…燃料タンク、１３…出力端子、１４…ＬＩＢ、１５，１６…燃料電池本体、１０１…バルブ、１０２…ポンプ、１０３…発電セル、１０４…ＤＣ／ＤＣコンバータ。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell, 11 ... Control part, 12 ... Fuel tank, 13 ... Output terminal, 14 ... LIB, 15, 16 ... Fuel cell main body, 101 ... Valve, 102 ... Pump, 103 ... Power generation cell, 104 ... DC / DC converter.
Claims (5)
前記発電セルの温度を計測する温度計測部と、
前記温度に対応する閾値が記憶されている記憶部と、
前記温度計測部で計測される温度と、前記記憶部に記憶されている閾値とを比較し、該比較の結果に応じて、前記ポンプのＤｕｔy比を制御する制御部と、
を具備することを特徴とする燃料電池。 A fuel cell that includes a fuel tank that contains fuel, a pump that supplies the fuel, and a power generation cell that generates electric power by supplying the fuel, and that feedback-controls the duty ratio of the pump,
A temperature measurement unit for measuring the temperature of the power generation cell;
A storage unit storing a threshold value corresponding to the temperature;
A control unit that compares the temperature measured by the temperature measurement unit with a threshold value stored in the storage unit, and controls the duty ratio of the pump according to a result of the comparison;
A fuel cell comprising:
前記制御部は、前記温度計測部で計測される温度が、前記第２の閾値以上の場合、前記ポンプのＤｕｔy比を２０％減とし、前記温度計測部で計測される温度が、前記第１の閾値以上で前記第２の閾値より低い場合、前記ポンプのＤｕｔy比を１．２５％とすることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。 The storage unit stores a first threshold value and a second threshold value that is larger than the first threshold value,
When the temperature measured by the temperature measurement unit is equal to or higher than the second threshold, the control unit reduces the duty ratio of the pump by 20%, and the temperature measured by the temperature measurement unit is 3. The fuel cell according to claim 2, wherein the duty ratio of the pump is set to 1.25% when the value is equal to or higher than the threshold value and lower than the second threshold value.
Priority Applications (1)
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| JP2009248102A JP2011096461A (en) | 2009-10-28 | 2009-10-28 | Fuel cell |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2016162644A (en) * | 2015-03-03 | 2016-09-05 | 株式会社フジクラ | Fuel battery system |
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2009
- 2009-10-28 JP JP2009248102A patent/JP2011096461A/en not_active Withdrawn
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