JP2015153560A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の燃料電池システム1は、水素吸蔵合金11、水素流路部材10又はスタック100の少なくとも1つに関連する物理量を検出する検出部41、42、43、44を備える。制御部40は、所定のパージタイミングに、水素パージ弁14の開閉を制御して第1パージを行い、いずれかの検出部41、42、43又は44が、第1パージ時に検出した第1検出結果に基づいて、第1パージの後に第2パージを行うか否かを決定する。
【選択図】図1
Description
図1において、本実施形態の燃料電池システム1は、スタック100と、水素流路部材(燃料ガス流路部材)10と、空気流路部材(酸化ガス流路部材)20と、置換流路部材30とを含む。水素流路部材10は、スタック100のアノード側の出入口に接続される。空気流路部材20は、スタック100のカソード側の出入口に接続される。置換流路部材30は、スタック100の上流の位置において、水素流路部材10と空気流路部材20とに接続される。なお、燃料電池システム1は、固体高分子型燃料電池システムであってよい。
図2に示されるように、スタック100は、複数の単位電池セル101aと、2つのエンドプレート101Bとを備える。複数の単位電池セル101aは、直列に積層された単位電池セル群101Aを構成する。2つのエンドプレート101Bの一方は、単位電池セル群101Aの一端に配置される。2つのエンドプレート101Bの他方は、単位電池セル群101Aの他端に配置される。複数本のボルト101Cは、複数の単位電池セル101a及び2つのエンドプレート101Bを貫通し、複数の単位電池セル101a及び2つのエンドプレート1Bを互いに固定する。一方のエンドプレート101Bには、空気流入孔101Dと、水素流入孔101Eとが形成される。空気流入孔101Dは、後述するセパレータ110の第1貫通孔112に連通する。空気流入孔101Dには、スタック100より上流の空気流路部材20が接続される。水素流入孔101Eは、後述するセパレータ110の第3貫通孔114に連通する。水素流入孔101Eには、スタック100より上流の水素流路部材10が接続される。他方のエンドプレート101Bには、空気排出孔(非図示)と、水素排出孔(非図示)とが形成される。空気排出孔は、後述するセパレータ110の第2貫通孔113に連通する。空気排出孔には、スタック100より下流の空気流路部材20が接続される。水素排出孔は、後述するセパレータ110の第4貫通孔115貫通孔に連通する。水素排出孔には、スタック100より下流の水素流路部材10が接続される。一方のエンドプレート101Bと単位電池セル群101Aとの間には、集電板101Fが設けられる。他方のエンドプレート101Bと電池セル群101Aとの間には、集電板101Gが設けられる。集電板101Fと集電板101Gとの間に外部負荷を電気的に接続することで、スタック100で生成された電力を外部負荷に供給することができる。
図5に示されるように、膜/電極接合体130は、固体高分子電解質膜131、カソード電極132及びアノード電極133を有する。固体高分子電解質膜131は、プロトンの導電性を有する。固体高分子電解質膜131は、含水状態においてプロトンを選択的に輸送する。固体高分子電解質膜131は、例えばナフィオン(登録商標)などの、スルホン酸基を持ったフッ素系ポリマーで構成される。
セパレータ110は、金属製の長方形の平板状の部材である。セパレータ110は、例えば、ステンレス、アルミニウム、カーボンなどの導電性材料で構成される。セパレータ110には、複数の第1流路壁111と、複数の第2流路壁117と、2つの第1貫通孔112と、2つの第2貫通孔113と、2つの第3貫通孔114と、2つの第4貫通孔115とが形成される。
ガスケット120a、120bは、セパレータ110とほぼ同一寸法の長方形のシート材からなる。ガスケット120a、120bは、貫通孔121〜126を有する。ガスケット120a、120bを形成するシート材としては、例えば、極めて薄く加工したシリコンゴム又はエラストマーなどの弾性体を用いることができる。ガスケット120a、120bの中央には、最も大きな長方形の貫通孔121が設けられる。この貫通孔121の外形及び位置は、セパレータ110の表面に形成された複数の第1流路壁111と、セパレータ110の裏面に形成された複数の第2流路壁117とを含む、略長方形の領域に対応する。また、貫通孔121の外形は、膜/電極接合体130の両面に設けたカソード電極132及びアノード電極133にも対応する。
水素流入孔101Eからスタック100の内部に供給された水素は、積層方向に一直線に整列した第3貫通孔114に流入する。水素は、第3貫通孔114から第2流路117aに流入する。第2流路117aに流入した水素は、アノード電極133の拡散層133bによって膜/電極接合体130の面方向に拡散され、アノード電極133の触媒層133aに接触する。触媒層133aに接触した水素は、触媒層133aに含まれる触媒によって、水素イオンと電子とに乖離する。水素イオンは、固体高分子膜131を伝導し、カソード電極132の触媒層132aに到達する。一方、電子は、集電板101Fから、外部に取り出される。アノード電極133に接触した水素ガスは、第2流路117aに沿って第4貫通孔115に到達し、水素排出孔(非図示)を介してスタック1の外部に排出される。
図1において、水素流路部材10は、燃料ガスである水素の流路を規定する。水素流路部材10の構成は、水素の流路を規定することができるものであれば、特に限定されるものではない。水素流路部材10として、例えば、硬質又は軟質のパイプ、チューブを用いることができる。硬質のパイプ、チューブの材質は、例えば、ステンレスなどの金属であってよい。軟質のパイプ、チューブの材質は、例えば、ポリプロピレンなど、各種エンジニアリングプラスチックや合成樹脂であってよい。
<<複数の検出部>>
空気流路部材20は、酸化ガスである空気の流路を規定する。空気流路部材20の構成は、空気の流路を規定することができるものであれば、特に限定されるものではない。空気流路部材20として、例えば、硬質又は軟質のパイプ、チューブなどを用いることができる。硬質のパイプ、チューブの材質は、例えば、ステンレスなどの金属であってよい。軟質のパイプ、チューブの材質は、例えば、ポリプロピレンなど、各種エンジニアリングプラスチックや合成樹脂であってよい。
空気遮断弁24は、例えば、制御部40からの指令(例えば、信号)に基づいて開状態と閉状態を切替可能なソレノイド弁によって構成される。但し、本発明の実施に用いられる弁は、ソレノイド弁に限定されるものではない。本発明の実施には、ソレノイド弁の代わりに、例えば、モータによって開放状態を調整可能な電動弁が用いられても差し支えない。
置換流路部材30は、空気流路部材20から水素流路部材10へ空気を流通させるためのものである。置換流路部材30の構成は、空気が流れる置換流路を規定することができるものであれば、特に限定されるものではない。置換流路部材30として、例えば、硬質又は軟質のパイプ、チューブなどを用いることができる。硬質のパイプ、チューブの材質は、例えば、ステンレスなどの金属であってよい。軟質のパイプ、チューブの材質は、例えば、ポリプロピレンなど、各種エンジニアリングプラスチックや合成樹脂であってよい。
図1に示す制御部40は、温度センサ41、圧力センサ42、第1水素遮断弁12、流量計43、第2水素遮断弁13、電圧検出部44、水素パージ弁14、エアーポンプ21、空気遮断弁24及び置換弁31に電気的に接続される。制御部40は、指令を送信することにより、第1水素遮断弁12、第2水素遮断弁13、水素パージ弁14、空気遮断弁24及び置換弁31の開閉動作を制御する。制御部40は、指令を送信することによりエアーポンプ21の動作を制御する。制御部40は、温度センサ41、圧力センサ42、流量計43及び電圧検出部44のうちの、少なくとも1つの検出結果に基づいて、水素パージ弁14によるパージ回数を制御することができる。制御部40は、例えば、CPUと、記憶部とを含むマイコンと、各種電気回路とを含む回路基板である。各種電気回路は、例えば、第1水素遮断弁12、第2水素遮断弁13、水素パージ弁14、エアーポンプ21、空気遮断弁24及び置換弁31を駆動するドライバ回路や、温度センサ41、圧力センサ42、流量計43及び電圧検出部44からのアナログ信号を変換してマイコンに入力する変換回路などを含む。記憶部には、後述する図6〜図9の制御処理を実行するための専用のプログラムが記憶されている。記憶部としては、例えば、ROM、RAMなどである。なお、制御部40には、マイコンの代わりに、又は加えて、図6〜図9の制御処理を実行するための専用の電子回路(例えば、ASIC)が含まれても良い。
次に、本発明の第1実施形態に係るパージ回数の制御処理について、図6を参照しつつ説明する。本実施形態の燃料電池システム1は、上述した複数の検出部のうち、圧力センサ42の検出結果に基づいて、水素パージ弁14によるパージ回数を制御する。
本実施形態に係るパージ回数の制御処理の流れについて簡単に説明する。図6に示すステップS1〜S17は、最大3回のパージを行う場合の制御処理を示す。なお、パージとは、水素パージ弁14が開状態にされることで、水素流路部材10からガスが排出されることをいう。ステップS1〜S6は、第1パージの制御処理である。本実施形態の燃料電池システム1では、ステップS1〜S6に従って、必ず1回のパージ(第1パージ)が行われる。パージによって排出されるガスの量は、水素流路部材10内の圧力に依存する。例えば、第1パージを行った後、水素流路部材10内の圧力が、第1閾値である50kPa以下である場合(ステップS5のYES)は、水素流路部材10から水や不純物が十分に排出されていない可能性がある。このような場合は、ステップS7〜S13に従って、第2パージが行われる。さらに、第2パージを行った後、水素流路部材10内の圧力が、第2閾値である30kPa以下である場合(ステップS13のYES)は、ステップS14〜S17に従って、第3パージが行われる。ステップS1〜S17の制御処理により、水素流路部材10内の圧力を過度に低下させることなく、水素流路部材10から水や不純物を十分に排出することが可能となる。つまり、本実施形態の燃料電池システム1は、スタック100への水素の供給を途絶えさせることなく、複数回のパージを行うことができる。この結果、燃料電池システム1の発電効率が、複数回のパージによって低下することがない。なお、第1閾値、第2閾値の値は一例であり、燃料電池システム1の仕様によって適宜設定されてよい。
ステップS1において、制御部40は、第1パージを開始させる。この第1パージを開始させるために、制御部40は、第1水素遮断弁12、第2水素遮断弁13及び水素パージ弁14を開動作させる指令を送信する。また、制御部40は、置換弁31を閉動作させる指令を送信する。次いで、制御部40は、制御処理をステップS2に移行させる。ステップS2において、制御部40は、圧力センサ42によって検出された水素流路部材10内の圧力が、第1閾値である50kPaを超えるか否かを判断する。
ステップS7において、制御部40は、圧力センサ42によって検出された水素流路部材10内の圧力が、第2閾値である30kPaを超えるか否かを判断する。
ステップS14において、制御部40は、圧力センサ42によって検出された水素流路部材10内の圧力が、第2閾値である30kPaを超えるか否かを判断する。
次に、本発明の第2実施形態に係るパージ回数の制御処理について、図7を参照しつつ説明する。本実施形態の燃料電池システム1は、上述した複数の検出部のうち、水素吸蔵合金11に備えられた温度センサ41の検出結果に基づいて、水素パージ弁14によるパージ回数を制御する。以下の第2実施形態では、第1実施形態と異なるこれらの制御処理について説明し、第1実施形態と同様の制御処理については詳細な説明を省略する。
次に、本発明の第3実施形態に係るパージ回数の制御処理について、図8を参照しつつ説明する。本実施形態の燃料電池システム1は、上述した複数の検出部のうち、水素流路部材10の途中に配置された流量計43の検出結果に基づいて、水素パージ弁14によるパージ回数を制御する。以下の第3実施形態では、第1実施形態と異なるこれらの制御処理について説明し、第1実施形態と同様の制御処理については詳細な説明を省略する。
次に、本発明の第4実施形態に係るパージ回数の制御処理について、図9を参照しつつ説明する。本実施形態の燃料電池システム1は、上述した複数の検出部のうち、スタック100に備えられた電圧検出部44の検出結果に基づいて、水素パージ弁14によるパージ回数を制御する。
本発明の燃料電池システムは、上述した第1〜第4実施形態に限定されるものではない。例えば、第1〜第4実施形態では、水素パージの実行中に、各種検出部が、水素圧力、HM温度、水素流量又はFC電圧を検出する制御とした(ステップS2、S9、S22、S29、S42、S48、S62、S68)。しかし、検出部の検出タイミングは、水素パージの実行中に限定されるものではない。検出部の検出タイミングは、水素パージの開始直前、実行中、終了直後を含む「パージ時」であれば、どのタイミングであってもよい。また、検出部の検出結果は、水素圧力、HM温度、水素流量又はFC電圧に限定されるものではない。例えば、燃料ガスの供給源、燃料ガス流路部材又はスタックの少なくとも1つに関連する物理量に基づいて、第2パージ、第3パージを行うか否かが決定されてもよい。
100 スタック
10 水素流路部材(燃料ガス流路部材)
20 空気流路部材(酸化ガス流路部材)
30 置換流路部材(置換流路部材)
11 水素吸蔵合金(燃料ガス供給源)
12 第1水素遮断弁(燃料ガス遮断弁)
13 第2水素遮断弁(燃料ガス遮断弁)
14 水素パージ弁(アノード側パージ弁)
15 レギュレータ
21 エアーポンプ(酸化ガス供給源)
23 逆止弁
24 空気遮断弁(酸化ガス遮断弁)
31 置換弁(遮断弁)
32 逆止弁(遮断弁)
40 制御部
41 温度センサ(検出部)
42 圧力センサ(検出部)
43 流量計(検出部)
44 電圧検出部(検出部)
Claims (8)
- 膜/電極接合体のアノード電極及びカソード電極に、それぞれ燃料ガス及び酸化ガスが供給されて発電を行う燃料電池システムであって、
前記膜/電極接合体を含む複数の単位電池セルが積層されたスタックと、
途中に前記スタックが接続され、水素吸蔵合金を含む燃料ガス供給源が一端に接続される燃料ガス流路部材と、
前記スタックに対して前記燃料ガス供給源と反対側において、前記燃料ガス流路部材に配置されたアノード側パージ弁と、
前記燃料ガス流路部材及び前記スタックの少なくとも一方に設けられ、前記燃料ガス供給源、前記燃料ガス流路部材又は前記スタックの少なくとも1つに関連する物理量を検出する検出部と、
所定のパージタイミングに、前記アノード側パージ弁の開閉を制御して第1パージを行う第1パージ手段と、
前記第1パージ時に前記検出部によって検出された第1検出結果に基づいて、前記第1パージの後に第2パージを行うか否かを決定する第1決定手段と、
前記第1決定手段によって前記第2パージを行うと決定されたことに応じて、前記アノード側パージ弁の開閉を制御して前記第2パージを行う第2パージ手段と、
を含む、燃料電池システム。 - 前記第1検出結果と第1閾値とを比較する第1比較手段をさらに備え、
前記第1決定手段は、
前記第1比較手段の比較結果が、前記第1検出結果が前記第1閾値よりも大きいことを示す場合に、前記第2パージを行わないと決定し、
前記第1比較手段の比較結果が、前記第1検出結果が前記第1閾値よりも小さいことを示す場合に、前記第2パージを行うと決定する、請求項1に記載の燃料電池システム。 - 前記第2パージ手段は、前記第1比較手段の比較結果が、前記第1検出結果が前記第1閾値よりも小さいことを示す場合には、前記第1検出結果よりも後に検出された第2検出結果が第2閾値に達した後で、前記第2パージを行う制御をする、請求項2に記載の燃料電池システム。
- 前記検出部が前記第2パージ時に検出した第2検出結果に基づいて、前記第2パージの後に第3パージを行うか否かを決定する第2決定手段と、
前記第2決定手段によって前記第3パージを行うと決定されたことに応じて、前記アノード側パージ弁の開閉を制御して前記第3パージを行う第3パージ手段と、
を含む、請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 - 前記第2検出結果と前記第2閾値とを比較する第2比較手段をさらに備え、
前記第2決定手段は、
前記第2比較手段の比較結果が、前記第2検出結果が前記第2閾値よりも大きいことを示す場合に、前記第3パージを行わないと決定し、
前記第2比較手段の比較結果が、前記第2検出結果が前記第2閾値よりも小さいことを示す場合に、前記第3パージを行うと決定する、請求項4に記載の燃料電池システム。 - 前記第3パージ手段は、前記第2比較手段の検出結果が、前記第2検出結果が前記第2閾値よりも小さいことを示す場合には、前記第2検出結果よりも後に検出された前記第3検出結果が前記第2閾値に達した後で、前記第3パージを行う制御をする、請求項5に記載の燃料電池システム。
- 前記第2閾値が、前記第1閾値よりも小さい、請求項3〜6のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
- 前記検出部が、前記燃料ガスの供給源の温度、前記燃料ガス流路を流れる前記燃料ガスの圧力、前記燃料ガス流路を流れる前記燃料ガスの流量、又は前記スタックの電圧の少なくとも1つを前記物理量として検出する、請求項1〜7のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
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