JP2017183158A - 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する。 The present invention relates to a fuel cell system.
発電機として、燃料電池が従来より知られている。
一般に燃料電池は複数の種類があり、主に活物質や電解質の違いによって分類されている。
以下、複数の種類の燃料電池のうち、活物質としてメタノールおよび酸化剤(酸素もしくは空気の事である。以下、併せて酸化剤と称する。)を、電解質として固体高分子型電解質を用いたダイレクトメタノール型燃料電池を一例として挙げて説明する。
Conventionally known as a generator is a fuel cell.
In general, there are a plurality of types of fuel cells, and the fuel cells are classified mainly by differences in active materials and electrolytes.
Hereinafter, among a plurality of types of fuel cells, methanol and an oxidant (oxygen or air; hereinafter collectively referred to as an oxidant) as an active material, and a solid polymer electrolyte as an electrolyte are used. A methanol fuel cell will be described as an example.
一般にダイレクトメタノール型燃料電池は、発電装置として膜電極接合体(MEA:Membrane-electrode assembly)を備えている。
この膜電極接合体は、アノード極としてアノード触媒層およびアノード触媒層上に積層されたアノードガス拡散層と、カソード極としてカソード触媒層およびカソード触媒層上に積層されたカソードガス拡散層と、アノード触媒層及びカソード触媒層の間に配置される電解質膜とを備え、形成されている。
Generally, a direct methanol fuel cell includes a membrane-electrode assembly (MEA) as a power generator.
The membrane electrode assembly includes an anode catalyst layer and an anode gas diffusion layer laminated on the anode catalyst layer as an anode electrode, a cathode gas diffusion layer laminated on the cathode catalyst layer and the cathode catalyst layer as a cathode electrode, and an anode And an electrolyte membrane disposed between the catalyst layer and the cathode catalyst layer.
ここで、膜電極接合体の各構成の役割は以下の通りとなっており、また、この役割により発生する以下の反応によって、ダイレクトメタノール型燃料電池は膜電極接合体から電力を得ることができる。
すなわち、アノード触媒層は、下記の式(1)の通り、後述のアノードガス拡散層から供給されたメタノール水溶液に含まれているメタノールと水との間で酸化反応を起こして、プロトンと電子を生成する役割を果たしている。
また、アノード触媒層は、プロトンを電解質膜に供給し、電子を後述のカソード触媒層に供給する役割を果たしている。
CH3OH+H2O→CO2+6H++6e−・・・(1)
また、アノードガス拡散層は、膜電極接合体外部から供給されたメタノール水溶液をアノード触媒層に均一に供給する役割を果たしている。
また、電解質膜は、アノード触媒層において未反応となるメタノール水溶液および電子がカソード触媒層に直接供給されるのを抑制しつつ、アノード触媒層から供給されたプロトンを後述のカソード触媒層に供給する役割を果たしている。
また、カソード触媒層は、下記の式(2)の通り、カソードガス拡散層から供給された酸化剤と、電解質膜から供給されたプロトンと、アノード触媒層から供給された電子との間で還元反応を起こす役割を果たしている。
3/2O2+6H++6e−→3H2O・・・(2)
また、カソードガス拡散層は、後述する酸化剤供給容器から供給された酸化剤を後述のカソード触媒層に均一に供給する役割を果たしている。
以上の酸化反応および還元反応により、膜電極接合体間に電流が流れ、膜電極接合体から電力を得ることができる。
なお、上記還元反応によりカソード触媒層で発生した水は電解質膜を透過してアノード触媒層に直接供給されない。このため、これ以降では、水が滞留しやすいカソード極についてのみ説明し、アノード極については説明を省略する。
Here, the role of each component of the membrane electrode assembly is as follows, and the direct methanol fuel cell can obtain power from the membrane electrode assembly by the following reaction generated by this role. .
That is, the anode catalyst layer causes an oxidation reaction between methanol and water contained in an aqueous methanol solution supplied from an anode gas diffusion layer described later, as shown in the following formula (1), and generates protons and electrons. Plays a role to generate.
The anode catalyst layer plays a role of supplying protons to the electrolyte membrane and supplying electrons to the cathode catalyst layer described later.
CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e − (1)
The anode gas diffusion layer plays a role of uniformly supplying an aqueous methanol solution supplied from the outside of the membrane electrode assembly to the anode catalyst layer.
Further, the electrolyte membrane supplies protons supplied from the anode catalyst layer to the cathode catalyst layer, which will be described later, while suppressing an unreacted methanol aqueous solution and electrons from being supplied directly to the cathode catalyst layer in the anode catalyst layer. Playing a role.
Further, the cathode catalyst layer is reduced between the oxidant supplied from the cathode gas diffusion layer, the proton supplied from the electrolyte membrane, and the electrons supplied from the anode catalyst layer as shown in the following formula (2). It plays a role in causing a reaction.
3 / 2O 2 + 6H + + 6e − → 3H 2 O (2)
Further, the cathode gas diffusion layer plays a role of uniformly supplying an oxidant supplied from an oxidant supply container described later to a cathode catalyst layer described later.
By the above oxidation reaction and reduction reaction, a current flows between the membrane electrode assemblies, and electric power can be obtained from the membrane electrode assemblies.
Note that the water generated in the cathode catalyst layer by the reduction reaction permeates the electrolyte membrane and is not directly supplied to the anode catalyst layer. Therefore, hereinafter, only the cathode electrode in which water is likely to stay will be described, and the description of the anode electrode will be omitted.
ここで、カソード極においては、カソードガス拡散層の上面にカソードセパレータが設けられており、このカソードセパレータの表面に形成された溝とカソードガス拡散層の表面との間の閉鎖空間によってカソード流路が形成されている。このため、膜電極接合体外部から供給される酸化剤は、カソード流路を流れて供給、排出される。
また、酸化剤供給側においては、カソード流路は、外部流路を介して膜電極接合体外部に存在する酸化剤供給容器と接続されている。
また、酸化剤排出側においては、カソード流路は、排気流路と接続され、排気流路の端部は外気に開放されている。
このため、酸化剤は、酸化剤供給容器から外部流路を介してカソード流路およびカソードガス拡散層に供給され、その後、カソード流路から排気流路(以下、カソード流路および外部流路および排気流路を併せて単に流路と称することもある。)を介して燃料電池外部に排出される。
Here, in the cathode electrode, a cathode separator is provided on the upper surface of the cathode gas diffusion layer, and the cathode channel is formed by a closed space between the groove formed on the surface of the cathode separator and the surface of the cathode gas diffusion layer. Is formed. For this reason, the oxidizing agent supplied from the outside of the membrane electrode assembly flows and flows through the cathode channel.
On the oxidant supply side, the cathode channel is connected to an oxidant supply container existing outside the membrane electrode assembly via an external channel.
On the oxidant discharge side, the cathode channel is connected to the exhaust channel, and the end of the exhaust channel is open to the outside air.
For this reason, the oxidizing agent is supplied from the oxidizing agent supply container to the cathode passage and the cathode gas diffusion layer via the external passage, and then from the cathode passage to the exhaust passage (hereinafter referred to as the cathode passage and the external passage and The exhaust flow path is also simply referred to as a flow path) and is discharged to the outside of the fuel cell.
一般に、カソード触媒層においては、上記の式(2)の通り、上記還元反応により水が生成され、やがてこの水はカソードガス拡散層の内部やカソード流路と接するカソードガス拡散層の表面等に移動する。また、この水は、通常、カソード流路に供給される酸化剤と共に燃料電池の外部に排出されるが、この水の一部は、カソードガス拡散層の内部やカソード流路と接するカソードガス拡散層の表面等に水滴として残留する。
このため、カソード触媒層で水が過剰に生成されると、この過剰に生成された水(以下、過剰生成水と称する。)が比較的大きな水滴となってカソードガス拡散層の内部やカソード流路と接するカソードガス拡散層の表面等に残留する。
これにより、本来ならカソード触媒層およびカソードガス拡散層に流通したり拡散したりする酸化剤が過剰生成水によって阻害されやすくなるといった、いわゆるフラッディング現象と呼ばれる問題が起こる。このことから、上記の還元反応の効率が低下するため、結果として、燃料電池の電力値が低下するという問題が発生していた。
なお、ここでは説明の為に、上記のフラッディング現象が発生する箇所として、ダイレクトメタノール型燃料電池のカソード極を一例として挙げたが、アノード極またはカソード極のいずれかにおいて過剰生成水が発生するのであれば、フラッディング現象は、水素型燃料電池やヒドラジン型燃料電池等、他の種類の燃料電池でも起こり得る。
In general, in the cathode catalyst layer, water is generated by the reduction reaction as shown in the above formula (2), and this water is eventually applied to the inside of the cathode gas diffusion layer, the surface of the cathode gas diffusion layer in contact with the cathode channel, or the like. Moving. In addition, this water is usually discharged to the outside of the fuel cell together with the oxidant supplied to the cathode flow path. A part of this water is diffused in the cathode gas diffusion layer in contact with the inside of the cathode gas diffusion layer and the cathode flow path. It remains as water droplets on the surface of the layer.
For this reason, when water is excessively generated in the cathode catalyst layer, the excessively generated water (hereinafter referred to as excessively generated water) becomes relatively large water droplets, and the inside of the cathode gas diffusion layer or the cathode flow. It remains on the surface of the cathode gas diffusion layer in contact with the path.
As a result, there arises a so-called flooding phenomenon in which the oxidant that normally flows or diffuses in the cathode catalyst layer and the cathode gas diffusion layer is likely to be inhibited by the excessively generated water. As a result, the efficiency of the above-described reduction reaction is reduced, resulting in a problem that the power value of the fuel cell is reduced.
Here, for the sake of explanation, the cathode electrode of the direct methanol fuel cell is taken as an example of the location where the above flooding phenomenon occurs. However, since excessive water is generated at either the anode electrode or the cathode electrode, If present, the flooding phenomenon can occur in other types of fuel cells such as hydrogen fuel cells and hydrazine fuel cells.
上記の問題に対して、従来ではフラッディング現象を低減する手段として、フラッディング現象の発生を検出した際に、燃料電池のカソードに供給される酸化剤ガスの流量を増加させて、燃料電池から過剰な水分を排出する燃料電池システムが知られている(特許文献1)。
このため、フラッディング現象が発生する前の通常運転時において、フラッディング現象の発生を検出した際に、カソードに供給される酸化剤ガスの流量を増加させることから、これに伴い、酸化剤ガスの流路内の圧力が増加する。
これにより、この増加した圧力によってカソードの内部やカソード流路と接するカソードの表面等に残留した過剰な水分を除去できる量が増加する。
その結果、フラッディング現象を低減する事が可能となる。
As a means for reducing the flooding phenomenon, in the past, when the occurrence of the flooding phenomenon was detected, the flow rate of the oxidant gas supplied to the cathode of the fuel cell was increased to increase the amount of excess from the fuel cell. A fuel cell system that discharges moisture is known (Patent Document 1).
For this reason, in the normal operation before the occurrence of the flooding phenomenon, when the occurrence of the flooding phenomenon is detected, the flow rate of the oxidant gas supplied to the cathode is increased. The pressure in the road increases.
As a result, the amount of excess water remaining on the inside of the cathode, the surface of the cathode in contact with the cathode channel, and the like by this increased pressure increases.
As a result, the flooding phenomenon can be reduced.
しかし、従来の燃料電池システムでは、フラッディング現象を低減する為に、酸化剤ガスの流量を増加させると、カソード触媒層における還元反応が一層促進されることから、カソード触媒層から生成される水の量が一層増加するため、過剰生成水の生成量が増加する傾向にある。
このため、酸化剤ガスの流路が過剰生成水によって閉塞されやすくなることから、過剰生成水および酸化剤ガスが流路内で滞留しやすくなるため、過剰生成水および酸化剤ガスの排出量が経時的に変化する。
これにより、酸化剤ガスの流路内の圧力が次第に安定しなくなることから、燃料電池における電力値の変動が増大するため、燃料電池における電力の安定供給性が低下するという問題があった。
However, in the conventional fuel cell system, when the flow rate of the oxidant gas is increased in order to reduce the flooding phenomenon, the reduction reaction in the cathode catalyst layer is further promoted. Since the amount further increases, the amount of excess water produced tends to increase.
For this reason, since the flow path of the oxidant gas is likely to be blocked by the excessively generated water, the excessively generated water and the oxidant gas are liable to stay in the flow path, so that the discharge amount of the excessively generated water and the oxidant gas is reduced. Changes over time.
As a result, the pressure in the flow path of the oxidant gas becomes gradually less stable, and the fluctuation of the power value in the fuel cell increases, so that there is a problem that the stable power supply in the fuel cell decreases.
本発明は上記課題に鑑み、フラッディング現象を低減しつつ、燃料電池における電力の安定供給性低下を抑制可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of suppressing a decrease in stable supply of electric power in a fuel cell while reducing a flooding phenomenon.
本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池のカソード極に酸化剤を供給する酸化剤供給部と、前記酸化剤供給部に設けられ、前記酸化剤の供給量を調整する酸化剤供給量調整部と、前記カソード極と接続され、少なくとも前記酸化剤が排出される酸化剤排出流路部と、前記酸化剤排出流路部に設けられ、前記酸化剤排出流路部の流路開放度を調整する流路開放度調整部と、前記カソード極に接続され、前記酸化剤供給量調整部および前記流路開放度調整部を制御する制御部と、を有する燃料電池システムであって、前記制御部は、前記燃料電池の通常運転時において、前記カソード極でフラッディング現象が発生しているか否かを判定し、フラッディング現象が発生したと判断される場合、前記酸化剤の供給量が増加する様に前記酸化剤供給量調整部を制御する酸化剤供給量増加制御を行い、さらに、前記通常運転時における前記酸化剤の供給量と同程度の量を保ちつつ、前記酸化剤排出流路部の流路開放度が減少する様に前記流路開放度調整部を制御する流路開放度減少制御を前記酸化剤供給量増加制御と同時に行い、燃料電池システムの運転状態を前記通常運転からフラッディング現象を低減させるフラッディング現象低減運転へ移行させる事を特徴とする。 A fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell, an oxidant supply unit that supplies an oxidant to a cathode electrode of the fuel cell, and an oxidizer that is provided in the oxidant supply unit and adjusts the supply amount of the oxidant. An oxidant supply amount adjustment unit, connected to the cathode electrode, provided at least in the oxidant discharge flow channel unit for discharging the oxidant, and provided in the oxidant discharge flow channel unit; A fuel cell system comprising: a channel opening degree adjusting unit that adjusts a path opening degree; and a control unit that is connected to the cathode electrode and controls the oxidant supply amount adjusting unit and the channel opening degree adjusting unit. The control unit determines whether or not a flooding phenomenon has occurred at the cathode electrode during normal operation of the fuel cell. If it is determined that the flooding phenomenon has occurred, the supply amount of the oxidant is determined. Increase The oxidant supply amount adjustment unit for controlling the oxidant supply amount adjustment unit is further performed, and further, while maintaining the same amount as the supply amount of the oxidant during the normal operation, The flow rate opening degree decreasing control for controlling the flow rate opening degree adjustment unit is performed simultaneously with the oxidant supply amount increase control so that the flow rate degree of the flow rate decreases, and the operation state of the fuel cell system is changed from the normal operation to the flooding phenomenon It is characterized by shifting to a flooding phenomenon reduction operation that reduces the flooding.
また、本発明に係る燃料電池システムは、前記酸化剤供給量増加制御および前記流路開放度減少制御を行ってから所定時間が経過した後、前記制御部が、前記酸化剤の供給量および前記酸化剤排出流路部の流路開放度が前記通常運転時と同程度になるまで、前記酸化剤の供給量が減少する様に前記酸化剤供給量調整部を制御する酸化剤供給量減少制御および前記酸化剤排出流路部の流路開放度が増加する様に前記流路開放度調整部を制御する流路開放度増加制御を行い、燃料電池システムの運転状態を前記フラッディング現象低減運転から前記通常運転へ移行させてもよい。 Further, in the fuel cell system according to the present invention, after a predetermined time has elapsed since the oxidant supply amount increase control and the flow path opening degree decrease control have been performed, the control unit includes the oxidant supply amount and the Oxidant supply amount reduction control for controlling the oxidant supply amount adjustment unit so that the supply amount of the oxidant is decreased until the degree of openness of the oxidant discharge flow channel unit becomes substantially the same as that during the normal operation. And the flow rate opening degree increasing control for controlling the flow rate opening degree adjustment unit so that the flow rate opening degree of the oxidant discharge flow path portion is increased, and the operation state of the fuel cell system is changed from the flooding phenomenon reducing operation. You may make it transfer to the said normal driving | operation.
また、本発明に係る燃料電池システムは、前記制御部が、前記フラッディング現象低減運転時における前記酸化剤の供給量と同程度の量を保ちつつ、前記酸化剤供給量減少制御および前記流路開放度増加制御を同時に行ってもよい。 Further, in the fuel cell system according to the present invention, the controller controls the oxidant supply amount decrease control and the flow path opening while maintaining the same amount as the oxidant supply amount during the flooding phenomenon reducing operation. The degree increase control may be performed simultaneously.
また、本発明に係る燃料電池システムは、前記酸化剤供給量増加制御および前記流路開放度減少制御を行ってから所定時間が経過した後、前記制御部が、前記酸化剤の供給が停止する様に前記酸化剤供給量調整部を制御する酸化剤供給停止制御および前記酸化剤排出流路部の流路開放度が増加する様に前記流路開放度調整部を制御する流路開放度増加制御を行った後、所定時間が経過した際に、前記酸化剤の供給量および前記酸化剤排出流路部の流路開放度が前記通常運転時と同程度になるまで、前記酸化剤の供給量が増加する様に前記酸化剤供給量調整部を制御する酸化剤供給量増加制御および前記酸化剤排出流路部の流路開放度が減少する様に前記流路開放度調整部を制御する流路開放度減少制御を行い、燃料電池システムの運転状態を前記フラッディング現象低減運転から前記通常運転へ移行させてもよい。 Further, in the fuel cell system according to the present invention, after a predetermined time has elapsed after performing the oxidant supply amount increase control and the flow path opening degree decrease control, the control unit stops the supply of the oxidant. As described above, the oxidant supply stop control for controlling the oxidant supply amount adjusting unit and the channel openness increase for controlling the channel openness adjusting unit so that the channel openness of the oxidant discharge channel unit is increased. The supply of the oxidant until the supply amount of the oxidant and the degree of openness of the oxidant discharge flow path unit become approximately the same as those during the normal operation when a predetermined time has elapsed after performing the control. The oxidant supply amount adjustment control for controlling the oxidant supply amount adjustment unit so that the amount increases, and the flow path opening degree adjustment unit is controlled so that the degree of openness of the oxidant discharge flow passage unit decreases. Control the degree of openness of the flow path to control the operating state of the fuel cell system From serial flooding reducing operation may be shifted to the normal operation.
また、本発明に係る燃料電池システムは、前記制御部が、前記酸化剤供給停止制御および前記流路開放度増加制御を同時に行うか、もしくは酸化剤供給停止制御を流路開放度増加制御よりも後に行ってもよい。 Further, in the fuel cell system according to the present invention, the control unit simultaneously performs the oxidant supply stop control and the flow path opening degree increase control, or performs the oxidant supply stop control more than the flow path opening degree increase control. It may be done later.
また、本発明に係る燃料電池システムは、前記制御部が、前記フラッディング現象低減運転時における前記酸化剤の供給量と同程度の量を保ちつつ、前記酸化剤供給量増加制御および前記流路開放度減少制御を同時に行ってもよい。 Further, in the fuel cell system according to the present invention, the controller controls the oxidant supply amount increase control and the flow path opening while maintaining the same amount as the oxidant supply amount during the flooding phenomenon reducing operation. The degree reduction control may be performed simultaneously.
また、本発明に係る燃料電池システムは、前記制御部が、前記流路開放度増加制御において、前記酸化剤排出流路部の流路開放度が最大になるまで前記流路開放度調整部を制御してもよい。 Further, in the fuel cell system according to the present invention, the controller opens the flow path opening degree adjustment unit until the flow path open degree of the oxidant discharge flow path unit becomes maximum in the flow path open degree increase control. You may control.
また、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池のアノード極に気体燃料を供給する気体燃料供給部と、前記気体燃料供給部に設けられ、前記気体燃料の供給量を調整する燃料供給量調整部と、前記アノード極と接続され、少なくとも前記気体燃料が排出される燃料排出流路部と、前記燃料排出流路部に設けられ、前記燃料排出流路部の流路開放度を調整する流路開放度調整部と、前記アノード極に接続され、前記燃料供給量調整部および前記流路開放度調整部を制御する制御部と、を有する燃料電池システムであって、前記制御部は、前記燃料電池の通常運転時において、前記アノード極でフラッディング現象が発生しているか否かを判定し、フラッディング現象が発生したと判断される場合、前記通常運転時における前記気体燃料の供給量と同程度の量を保ちつつ、前記気体燃料の供給量が増加する様に前記燃料供給量調整部を制御する燃料供給量増加制御および前記燃料排出流路部の流路開放度が減少する様に前記流路開放度調整部を制御する流路開放度減少制御を同時に行い、燃料電池システムの運転状態を前記通常運転からフラッディング現象低減運転へ移行させる事を特徴とする。 The fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell, a gaseous fuel supply unit that supplies gaseous fuel to the anode electrode of the fuel cell, and the gaseous fuel supply unit, and adjusts the supply amount of the gaseous fuel. A fuel supply amount adjustment unit that is connected to the anode electrode, and is provided in the fuel discharge channel unit that discharges at least the gaseous fuel, and is provided in the fuel discharge channel unit, and the channel of the fuel discharge channel unit is opened A fuel cell system comprising: a channel opening degree adjusting unit that adjusts the degree; and a control unit that is connected to the anode electrode and controls the fuel supply amount adjusting unit and the channel opening degree adjusting unit. The control unit determines whether or not a flooding phenomenon has occurred at the anode electrode during normal operation of the fuel cell, and when it is determined that the flooding phenomenon has occurred, The fuel supply amount increase control for controlling the fuel supply amount adjustment unit so that the supply amount of the gaseous fuel increases while maintaining the same amount as the supply amount of the gaseous fuel, and the flow path of the fuel discharge flow path section The flow rate opening degree decreasing control for controlling the flow rate opening degree adjusting unit is simultaneously performed so that the opening degree is reduced, and the operation state of the fuel cell system is shifted from the normal operation to the flooding phenomenon reducing operation. .
また、本発明に係る燃料電池システムは、前記燃料供給量増加制御および前記流路開放度減少制御を行ってから所定時間が経過した後、前記制御部が、前記気体燃料の供給量および前記燃料排出流路部の流路開放度が前記通常運転時と同程度になるまで、前記気体燃料の供給量が減少する様に前記燃料供給量調整部を制御する燃料供給量減少制御および前記燃料排出流路部の流路開放度が増加する様に前記流路開放度調整部を制御する流路開放度増加制御を行い、燃料電池システムの運転状態を前記フラッディング現象低減運転から前記通常運転へ移行させてもよい。 Further, in the fuel cell system according to the present invention, after a predetermined time has elapsed since the fuel supply amount increase control and the flow path opening degree decrease control have been performed, the control unit is configured to supply the gaseous fuel supply amount and the fuel. Fuel supply amount reduction control for controlling the fuel supply amount adjustment unit and the fuel discharge so that the supply amount of the gaseous fuel decreases until the degree of openness of the discharge passage portion becomes approximately the same as that during the normal operation. The flow rate opening degree increase control is performed to control the flow rate opening degree adjustment unit so that the flow rate degree of the flow path portion is increased, and the operation state of the fuel cell system is shifted from the flooding phenomenon reduction operation to the normal operation. You may let them.
また、本発明に係る燃料電池システムは、前記制御部が、前記フラッディング現象低減運転時における前記酸化剤の供給量と同程度の量を保ちつつ、前記燃料供給量減少制御および前記流路開放度増加制御を同時に行ってもよい。 In the fuel cell system according to the present invention, the control unit maintains the fuel supply amount decrease control and the flow path opening degree while maintaining the same amount as the supply amount of the oxidant during the flooding phenomenon reduction operation. Increase control may be performed simultaneously.
本発明によれば、制御部が、燃料電池のカソード極でフラッディング現象が発生しているか否かを判定し、フラッディング現象が発生したと判断される場合、酸化剤の供給量が増加する様に酸化剤供給量調整部を制御する酸化剤供給量増加制御を行うことから、酸化剤排出流路部内の圧力が上昇するため、その結果、フラッディング現象を低減する事が可能となる。
また、酸化剤排出流路部の供給量を増加させると、カソード触媒層における還元反応が一層促進されることから、カソード触媒層から生成される水の量が一層増加するため、過剰生成水の生成量が増加する傾向にある。このため、酸化剤ガスの流路が過剰生成水によって閉塞されやすくなることから、過剰生成水および酸化剤ガスが流路内で滞留しやすくなるため、過剰生成水および酸化剤ガスの排出量が経時的に変化するので、その結果、酸化剤ガスの流路内の圧力が次第に安定しなくなる。しかし、本発明では、制御部が、前述した酸化剤供給量増加制御を行い、さらに、フラッディング現象が発生する前の通常運転時における酸化剤の供給量と同程度の量を保ちつつ、酸化剤排出流路部の流路開放度が減少する様に流路開放度調整部を制御する流路開放度減少制御を酸化剤供給量増加制御と同時に行い、燃料電池システムの運転状態を通常運転からフラッディング現象を低減させるフラッディング現象低減運転へ移行させることから、フラッディング現象低減運転に移行しても、酸化剤の供給量は通常運転時から低下せずに、通常運転時における酸化剤の供給量と同程度の量を保つことができる。
このことから、本発明では、従来の様にフラッディング現象を低減する事を目的として酸化剤の供給量を増加させていないため、酸化剤の供給量増加に伴うカソード触媒層における還元反応が抑制される。
このため、フラッディング現象低減運転時におけるカソード触媒層から生成される水の量が通常運転時と同程度の量を保つ事が出来る様になることから、過剰生成水の生成量を抑制する事が可能となる。
これにより、酸化剤排出流路部が過剰生成水によって閉塞されにくくなることから、過剰生成水および酸化剤が酸化剤排出流路部内で滞留しにくくなるため、過剰生成水および酸化剤の排出量における経時的な変化を抑制する事が可能となる。
したがって、フラッディング現象を低減する際において、酸化剤排出流路部内における圧力の安定性を保つことが可能となることから、燃料電池における電力値の変動が起こりにくくなるため、燃料電池における電力の安定供給性低下を抑制する事が可能となる。
以上により、本発明によれば、フラッディング現象を低減しつつ、燃料電池における電力の安定供給性低下を抑制可能な燃料電池システムを実現する事が可能となる。
According to the present invention, the controller determines whether or not the flooding phenomenon has occurred at the cathode electrode of the fuel cell, and when it is determined that the flooding phenomenon has occurred, the supply amount of the oxidant is increased. Since the oxidant supply amount increase control for controlling the oxidant supply amount adjustment unit is performed, the pressure in the oxidant discharge flow path unit increases, and as a result, the flooding phenomenon can be reduced.
In addition, when the supply amount of the oxidant discharge flow path is increased, the reduction reaction in the cathode catalyst layer is further promoted, and therefore the amount of water generated from the cathode catalyst layer further increases. The generation amount tends to increase. For this reason, since the flow path of the oxidant gas is likely to be blocked by the excessively generated water, the excessively generated water and the oxidant gas are liable to stay in the flow path, so that the discharge amount of the excessively generated water and the oxidant gas is reduced. Since it changes with time, as a result, the pressure in the flow path of the oxidizing gas gradually becomes unstable. However, in the present invention, the control unit performs the above-described oxidant supply amount increase control, and further maintains the same amount as the oxidant supply amount during normal operation before the flooding phenomenon occurs, The flow rate opening degree reduction control for controlling the flow rate opening degree adjustment unit is performed simultaneously with the oxidant supply amount increase control so that the degree of openness of the discharge flow path portion is reduced, and the operation state of the fuel cell system is changed from the normal operation. Since the operation is shifted to the flooding phenomenon reduction operation that reduces the flooding phenomenon, even if the operation is shifted to the flooding phenomenon reduction operation, the supply amount of the oxidant does not decrease from the normal operation time. The same amount can be maintained.
Therefore, in the present invention, since the supply amount of the oxidizing agent is not increased for the purpose of reducing the flooding phenomenon as in the prior art, the reduction reaction in the cathode catalyst layer accompanying the increase in the supply amount of the oxidizing agent is suppressed. The
For this reason, since the amount of water generated from the cathode catalyst layer during the flooding reduction operation can be maintained at the same level as during normal operation, it is possible to suppress the generation amount of excess generated water. It becomes possible.
As a result, the oxidant discharge flow path portion is less likely to be clogged with the excessively generated water, so that the excessively generated water and the oxidant are less likely to stay in the oxidant discharge flow path portion. It is possible to suppress changes over time in the.
Therefore, when reducing the flooding phenomenon, it becomes possible to maintain the stability of the pressure in the oxidant discharge flow path portion, so that the power value in the fuel cell is less likely to fluctuate. It becomes possible to suppress a supply fall.
As described above, according to the present invention, it is possible to realize a fuel cell system capable of suppressing a decrease in stable power supply in a fuel cell while reducing a flooding phenomenon.
(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態における燃料電池システムを示すブロック図である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a block diagram showing a fuel cell system according to the first embodiment of the present invention.
図1に示すように、本実施形態におけるダイレクトメタノール型燃料電池システム1(以下、単に燃料電池システム1と呼ぶ事もある。)は、ダイレクトメタノール型燃料電池2(以下、単に燃料電池2と呼ぶ事もある。)と、燃料タンク31と、フィルタ32と、酸化剤供給部33と、酸化剤供給量調整部34と、流路開放度調整部35と、凝縮部36と、循環タンク37と、制御部38と、配管F1〜F8と、ポンプG1〜G3と、を備えている。
以下、燃料電池システム1の内部の各構造の説明として、まずは燃料電池2の各構造の説明をした後、燃料タンク31と、フィルタ32と、酸化剤供給部33と、酸化剤供給量調整部34と、流路開放度調整部35と、凝縮部36と、循環タンク37と、制御部38と、配管F1〜F8と、ポンプG1〜G3の説明をする。
その次に、燃料電池システム1の外部の各構造の説明として、外部燃料タンク40と、外部負荷41の説明をする。
As shown in FIG. 1, a direct methanol fuel cell system 1 (hereinafter sometimes simply referred to as a fuel cell system 1) in this embodiment is a direct methanol fuel cell 2 (hereinafter simply referred to as a fuel cell 2). A
Hereinafter, as an explanation of each internal structure of the
Next, the
図2は、本発明の第1実施形態における燃料電池の断面図である。 FIG. 2 is a cross-sectional view of the fuel cell according to the first embodiment of the present invention.
図2に示すように、燃料電池2は、電解質膜211と、アノード触媒層212と、カソード触媒層213と、アノードガス拡散層214と、カソードガス拡散層215とを含んだ膜電極接合体21と、アノード集電体22と、カソード集電体23と、アノードセパレータ24と、カソードセパレータ25と、ガスケット28、ガスケット29と、補強層216A、補強層216Bを備える。
以下、燃料電池2の各構造の説明として、まずは膜電極接合体21の各構造の説明をした後、アノード集電体22と、カソード集電体23と、アノードセパレータ24と、カソードセパレータ25と、ガスケット28、ガスケット29と、補強層216A、補強層216Bの説明をする。
As shown in FIG. 2, the
Hereinafter, as the description of each structure of the
図3は、本発明の第1実施形態における膜電極接合体の断面図である。 FIG. 3 is a cross-sectional view of the membrane electrode assembly in the first embodiment of the present invention.
(膜電極接合体の構造)
図3に示すように、膜電極接合体21は、電解質膜211と、アノード触媒層212と、カソード触媒層213と、アノードガス拡散層214と、カソードガス拡散層215とを含んで構成されている。ここで、アノード触媒層212とアノードガス拡散層214がアノード極(燃料極)を構成し、カソード触媒層213とカソードガス拡散層215がカソード極(空気極)を構成する。なお、アノード極およびカソード極は上記構成に限定されず、例えば、アノード触媒層212とアノードガス拡散層214との間にアノード多孔質層を、カソード触媒層213とカソードガス拡散層215との間にカソード多孔質層を設けた構造としてもよい。
(Structure of membrane electrode assembly)
As shown in FIG. 3, the
電解質膜211は、後述するアノード触媒層212において未反応となるメタノール水溶液および電子がカソード触媒層213に直接供給されるのを抑制しつつ、アノード触媒層212から供給されたプロトンを後述のカソード触媒層213に供給する役割を果たしている。このため、電解質膜211としては、上記の役割を果たすことが可能であれば、材料は特に限定されるものではない。例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸からなる電解質膜として、米国DuPont社製のNafion(商品名,登録商標)、旭化成(株)製のAciplex(商品名,登録商標)、または旭硝子(株)社製のFlemion(商品名,登録商標)などの高分子電解質膜を使用することができる。また、電解質膜211の厚さは特に限定されないが、通常25〜250μmである。
The
アノード触媒層212は、以下の2つの役割を果たすために、電解質膜211の一方の主面上に積層されている。
1つ目の役割は、膜電極接合体21の外部から供給されたメタノール水溶液に含まれているメタノールと水との間で酸化反応を起こして、プロトンと電子を生成する事である。
2つ目の役割は、プロトンを電解質膜211に供給し、電子を後述のカソード触媒層213に供給する事である。
ここで、アノード触媒層212は、例えば電極触媒と、当該電極触媒を担持する導電性炭素粒子と、高分子電解質とで構成されている。なお、電極触媒、導電性炭素粒子および高分子電解質の各材料における具体的な材料については後述する。また、アノード触媒層212の厚さは特に限定されないが、通常5〜50μmであり、上記(1)式の酸化反応をより促進させる観点から、後述するカソード触媒層213よりも厚く設けられている事が好ましい。
The
The first role is to generate protons and electrons by causing an oxidation reaction between methanol and water contained in an aqueous methanol solution supplied from the outside of the
The second role is to supply protons to the
Here, the
ここで、アノード触媒層212における電極触媒としては特に限定されないが、白金または白金合金を用いるのが好ましい。白金合金としては、白金以外の白金族の金属(ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム)、鉄、チタン、金、銀、クロム、マンガン、モリブデン、タングステン、アルミニウム、ケイ素、レニウム、亜鉛およびスズからなる群より選択される1種以上の金属と、白金との合金であるのが好ましく、プロトンの生成反応中に発生する一酸化炭素による白金触媒の被毒を防ぐ観点から、耐一酸化炭素被毒性を有するルテニウムなどを含むことが特に好ましい。また、上記白金合金には、白金と上記金属との金属間化合物が含有されていてもよい。さらに、白金からなる電極触媒と白金合金からなる電極触媒を混合して得られる電極触媒混合物を用いてもよい。
Here, the electrode catalyst in the
また、アノード触媒層212における導電性炭素粒子としては、導電性を有する細孔の発達したカーボン材料を用いるのが好ましく、例えばカーボンブラック、活性炭、カーボンファイバーおよびカーボンチューブなどを使用することができる。カーボンブラックとしては、例えばチャネルブラック、ファーネスブラック、サーマルブラックおよびアセチレンブラックなどが挙げられる。また、活性炭は、種々の炭素原子を含む材料を炭化処理および賦活処理することによって得ることができる。
Further, as the conductive carbon particles in the
また、アノード触媒層212における高分子電解質としては、電解質膜211を構成するものと同じ高分子電解質を用いることができる。例えば、上述した米国DuPont社製のNafion(商品名,登録商標)、旭化成(株)製のAciplex(商品名,登録商標)、旭硝子(株)社製のFlemion(商品名,登録商標)などを使用することができる。なお、上記の高分子電解質は、触媒担持粒子を被覆し、3次元に水素イオン伝導経路を確保するために、アノード触媒層212を構成する触媒担持粒子の質量に比例した量で、アノード触媒層212に含まれていることが好ましい。
As the polymer electrolyte in the
カソード触媒層213は、膜電極接合体21の外部から供給された酸化剤と、電解質膜211から供給されたプロトンと、アノード触媒層212から供給された電子との間で還元反応を起こすために、第2凹部4の内面と接して、電解質膜211において、アノード触媒層212が設けられている面とは反対の主面上に形成されている。ここで、カソード触媒層213を構成している材料は、後述する相違点を除き、基本的にはアノード触媒層212と同じ材料で構成されている。また、カソード触媒層213の厚さは特に限定されないが、通常5〜50μmである。
The
ここで、相違点としては、以下の点が挙げられる。すなわち、カソード触媒層213に含まれる高分子電解質の質量として、カソード触媒層213の質量に対し15%〜50%であることが好ましい。ここで、高分子電解質の質量として、カソード触媒層213の質量に対し15%以上であると、十分な水素イオン伝導性が確保でき、50%以下であると、フラッディング現象の回避が可能であり、より高い電池出力を実現することができる。
Here, the following points are mentioned as differences. That is, the mass of the polymer electrolyte contained in the
アノードガス拡散層214は、以下の2つの役割を果たすために、アノード触媒層212の主面上に積層されている。
1つ目の役割は、後述するアノード流路26から流入したメタノール水溶液をアノード触媒層212に効率よく導く事である。
2つ目の役割は、アノード触媒層212で生成された電子を後述するアノード集電体22に供給する事である。
The anode
The first role is to efficiently guide an aqueous methanol solution that has flowed from an
The second role is to supply electrons generated in the
ここで、アノードガス拡散層214に用いられる具体的な材料としては、上記の役割を果たすことが可能であれば、特に限定されず、当該分野において公知のアノードガス拡散層を用いることができる。例えば、ガス透過性を持たせるために、発達したストラクチャー構造を有するカーボン微粉末、造孔材、カーボンペーパーまたはカーボンクロスなどを用いて作製された、導電性多孔質基材を用いることができる。また、排水性を向上させるために、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体(ETFE)などのフッ素樹脂を代表とする撥水性材料(高分子)を上記基材の内部に分散させた後に撥水処理を施した材料を用いてもよい。また、電子伝導性を持たせるために、カーボン繊維、金属繊維またはカーボン微粉末などの電子伝導性材料を用いてもよい。また、アノードガス拡散層214の厚さは特に限定されないが、通常100〜500μmである。
Here, the specific material used for the anode
カソードガス拡散層215は、以下の2つの役割を果たすために、カソード触媒層213の主面上に積層されている。
1つ目の役割は、後述するカソード流路27から流入した酸化剤をカソード触媒層213に効率よく導く事である。
2つ目の役割は、アノード集電体22から外部負荷41を通過した後、後述するカソード集電体23に供給された電子をカソード触媒層213に供給する事である。
The cathode
The first role is to efficiently guide the oxidant flowing from the
The second role is to supply electrons supplied to the cathode
ここで、カソードガス拡散層215に用いられる具体的な材料としては、上記の役割を果たすことが可能であれば、特に限定されず、当該分野において公知のカソードガス拡散層を用いることができ、例えば、アノードガス拡散層214と同じ材料を用いる事ができる。また、カソードガス拡散層215の厚さは特に限定されないが、通常100〜500μmである。
Here, the specific material used for the cathode
また、電解質膜211と、その表面及び裏面にそれぞれ積層されるアノード触媒層212及びカソード触媒層213と、さらにその表面及び裏面にそれぞれ積層されるアノードガス拡散層214及びカソードガス拡散層215は、矩形、円形、楕円形、多角形など燃料電池2の外形形状に応じた適宜の形状とされる。また、アノード触媒層212及びカソード触媒層213の外縁は、特に限定されないが、一般的には電解質膜211の外縁より小さい外縁を有し、アノードガス拡散層214及びカソードガス拡散層215の外縁は、それぞれアノード触媒層212及びカソード触媒層213の各外縁形状とほぼ同じ外縁形状とされる。
The
(燃料電池の構造)
次に、図2に示すように、燃料電池2の各構造の説明として、アノード集電体22と、カソード集電体23と、アノードセパレータ24と、カソードセパレータ25と、ガスケット28、ガスケット29および補強層216A、補強層216Bの説明をする。
(Fuel cell structure)
Next, as shown in FIG. 2, as an explanation of each structure of the
アノード集電体22は、アノード触媒層212および後述するアノードセパレータ24から供給される電子を後述する外部負荷41に供給する役割を果たすために、アノードセパレータ24の外側の表面に設けられている。ここで、アノード集電体22に用いられる材料としては、例えば、厚さ1〜3mmを有する銅板などの金属板に厚さ3〜4μmを有する金等の金属がコーティングされたものを用いることができる。
また、アノード集電体22は、配線(図示せず)を介して、外部負荷41の陰極(マイナス)に接続されている。
The anode
The anode
カソード集電体23は、外部負荷41から供給される電子を後述するカソードセパレータ25およびカソード触媒層213に供給する役割を果たすために、カソードセパレータ25の外側の表面に設けられている。ここで、カソード集電体23に用いられる材料としては、例えば、アノード集電体22と同様のものを用いることができる。
また、カソード集電体23は、配線(図示せず)を介して、外部負荷41の陽極(プラス)に接続されている。
The cathode
The cathode
アノードセパレータ24は、以下の4つの役割を果たすために、アノードガス拡散層214の主面上に積層されている。
1つ目の役割は、膜電極接合体21を機械的に固定する事である。
2つ目の役割は、アノードガス拡散層214と接触する面に形成されたアノード流路26を介して、メタノール水溶液をアノード流路の入口241からアノード触媒層212に供給する事である。
3つ目の役割は、アノード触媒層212から生成され、アノードガス拡散層214から供給された電子を、アノード集電体22に供給する事である。
4つ目の役割は、アノード触媒層212から排出されたアノード排出物(アノードの生成物(二酸化炭素やホルムアルデヒドやギ酸等)やアノード触媒層212で未反応のメタノール等)を、アノード流路26を介して、アノード流路の出口242に運び去る事である。
ここで、アノードセパレータ24に用いられる材料としては、例えば、カーボンや、カーボンと合成樹脂との合成材、あるいは金属などの導電性部材が挙げられる。
また、アノードセパレータ24の外形形状は、膜電極接合体21の外形形状に応じて適宜に選択される。
The
The first role is to mechanically fix the
The second role is to supply an aqueous methanol solution from the
The third role is to supply electrons generated from the
The fourth role is that anode discharge (discharged product of anode (carbon dioxide, formaldehyde, formic acid, etc.) and methanol unreacted in the
Here, as a material used for the
The outer shape of the
カソードセパレータ25は、以下の4つの役割を果たすために、カソードガス拡散層215の主面上に積層されている。
1つ目の役割は、膜電極接合体21を機械的に固定する事である。
2つ目の役割は、カソードガス拡散層215と接触する面に形成されたカソード流路27を介して、酸化剤をアノード流路の入口241からカソード触媒層213に供給する事である。
3つ目の役割は、外部負荷41を通じてカソード集電体23から供給された電子を、カソード流路の入口251からカソード触媒層213に供給する事である。
4つ目の役割は、カソード触媒層213から排出されたカソード排出物(カソードの生成物(水や水蒸気等)やアノード触媒層212で酸化反応が起こらずに膜電極接合体21を透過してカソード触媒層213に輸送されたメタノール水溶液がカソード触媒層213で酸化反応を起こして生成される生成物(上記アノード生成物と同じ生成物)やカソード触媒層213で未反応のメタノール水溶液等)を、カソード流路27を介して、カソード流路の出口252に運び去る事である。
ここで、カソードセパレータ25に用いられる材料としては、例えば、アノードセパレータ24と同じものが挙げられる。
また、カソードセパレータ25の外形形状は、膜電極接合体21の外形形状に応じて適宜に選択される。
The
The first role is to mechanically fix the
The second role is to supply the oxidant from the
The third role is to supply electrons supplied from the cathode
The fourth role is that the cathode exhaust (cathode product (water, water vapor, etc.) discharged from the
Here, as a material used for the
The outer shape of the
ここで、アノード流路26およびカソード流路27は、平面視の図示は省略するが、アノードセパレータ24の表面に溝を設けることによって形成されている。特に制限されるものではないが、アノード流路26およびカソード流路27は、例えば複数の直線状溝部と、隣接する直線状溝部を上流から下流へと連結する複数のターン状溝部とで構成されたサーペンタイン形状や複数の直線状溝部で構成された直線形状を有する。
Here, the
ガスケット28、ガスケット29は、メタノール水溶液および酸化剤が外部へリークする事を防止する役割や両者が混合する事を防止する役割を果たすために、アノードガス拡散層214およびカソードガス拡散層215の周囲にそれぞれ配置される。また、ガスケット28、ガスケット29に用いられる材料としては、ゴムなどの当該分野で公知のものが挙げられる。また、ガスケット28、ガスケット29の外形は、アノードセパレータ24及びカソードセパレータ25の外形形状に応じた形状とされ、枠状(額縁状)又は環状等が挙げられる。
The
補強層216A、補強層216Bは、電解質膜211の機械的強度を高めて膨張・収縮を抑制する役割を果たすために、電解質膜211の上面及び下面の外縁部を挟みこむ様にそれぞれに配置される。また、補強層216A、補強層216Bに用いられる材料としては、所望の剛性を有する材料であれば特に限定されないが、例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などからなるフィルムが挙げられる。また、補強層216A、補強層216Bの外形は、額縁状等が挙げられる。
The reinforcing layer 216 </ b> A and the reinforcing layer 216 </ b> B are disposed so as to sandwich the outer edge portions of the upper surface and the lower surface of the
なお、図1の燃料電池2は単電池の構成を示すが、要求起電力に応じてこの単電池を図1に対して上方向に複数積層した多層型の燃料電池2を構成してもよい。その場合、多層型の燃料電池2は、単電池の燃料電池2を積層した後、最上部および最下部におけるそれぞれの燃料電池2において、図1に対して上下方向から2枚の樹脂板で押し付けた後、ボルトによって燃料電池2および樹脂版を機械的に固定させることによって作製することができる。
Although the
(燃料電池システムの構造)
次に、図1に示すように、燃料電池システム1の各構造の説明として、燃料タンク31と、フィルタ32と、酸化剤供給部33と、酸化剤供給量調整部34と、流路開放度調整部35と、凝縮部36と、循環タンク37と、制御部38と、配管F1〜F8と、ポンプG1〜G3の説明をする。
ここで、図1に示すように、燃料電池2と、燃料タンク31と、フィルタ32と、酸化剤供給部33と、酸化剤供給量調整部34と、流路開放度調整部35と、凝縮部36と、循環タンク37と、制御部38と、配管F1〜F8と、ポンプG1〜G3は、1つの筐体の中に収納されている。
(Structure of fuel cell system)
Next, as shown in FIG. 1, as an explanation of each structure of the
Here, as shown in FIG. 1, the
燃料タンク31は、アノード流路の入口241に供給するメタノール水溶液を貯蔵する役割を果たしている。
ここで、燃料タンク31に貯蔵されているメタノール水溶液は、後述する循環タンク37から供給される水によって、後述する外部燃料タンク40から供給される約59%程度の高濃度のメタノール水溶液が約2〜3%に希釈されたものが貯蔵されている。
また、アノード流路の出口242から排出された上記のアノード排出物は、燃料タンク31内において気相と液相に分離される。具体的には、燃料電池2から輸送された二酸化炭素、メタノール蒸気、ホルムアルデヒド、ギ酸等の気相成分は、燃料タンク31内に移送された後、メタノール水溶液の液面に浮上して水やメタノール溶液等の液相成分と分離されて、燃料タンク31内に存在している。
また、図1には図示しないが、燃料タンク31は、燃料濃度を一定に保つ為に燃料濃度を測定する機構として、以下の通り構成しても良い。
すなわち、一端及び他端が燃料タンク31に対してループ状に接続された配管と、配管に設置されたメタノール濃度計および液体ポンプと、を設けても良い。
また、図1に示すように、燃料タンク31は、後述する配管F1、F3、F5〜F7と接続されている。
The
Here, the aqueous methanol solution stored in the
The anode discharge discharged from the
Although not shown in FIG. 1, the
That is, a pipe having one end and the other end connected in a loop to the
As shown in FIG. 1, the
フィルタ32は、燃料電池システム1の外部から取り込まれる空気に含まれる塵埃等を除去する役割を果たしている。
また、図1に示すように、フィルタ32は、後述する配管F2に設けられている。
The
Moreover, as shown in FIG. 1, the
酸化剤供給部33は、例えば、エアーブロワーやエアーコンプレッサー等のエアーポンプであり、燃料電池システム1の外部から取り込んだ酸化剤に対して、燃料電池2のカソード流路の入口251に供給する供給量を増加させて、カソード流路の入口251に酸化剤を供給する役割を果たしている。
また、図1に示すように、酸化剤供給部33は、後述する配管F2を介して、フィルタ32および燃料電池2のカソード流路の入口251と接続されている。
The
As shown in FIG. 1, the
酸化剤供給量調整部34は、例えば、エアーポンプの操作盤であり、酸化剤供給部33から供給される酸化剤の供給量を調整する役割を果たしている。
ここで、酸化剤の供給量を調整する手段としては、例えば、酸化剤供給部33の出力を上げたり、下げたりする事が挙げられる。
また、図1に示すように、酸化剤供給量調整部34は、酸化剤供給部33に設けられている。
The oxidant supply
Here, as a means for adjusting the supply amount of the oxidant, for example, increasing or decreasing the output of the
Further, as shown in FIG. 1, the oxidant supply
流路開放度調整部35は、例えば、電動式バルブ等であり、後述する配管F4における流路開放度、すなわち、配管F4の延伸方向に対して垂直方向に沿って示す断面積の大きさを調整する役割を果たしている。
以下、流路開放度を増加させるとは上記の断面積の大きさを大きくさせる事と定義し、流路開放度を減少させるとは上記の断面積の大きさを小さくさせる事と定義する。
また、図1に示すように、流路開放度調整部35は、後述する配管F4に設けられている。
The channel opening
Hereinafter, increasing the channel opening degree is defined as increasing the size of the cross-sectional area, and decreasing the channel opening degree is defined as decreasing the size of the cross-sectional area.
Moreover, as shown in FIG. 1, the flow path opening
凝縮部36は、カソード極で生じ、後述する配管F4に送られた水蒸気を凝縮させて、水として液化させる役割を果たしている。これにより、配管F4によって液化した水を後述する循環タンク37に輸送する事により、循環タンク37内に水を追加する事が可能となる。すなわち、カソード極で生じた水蒸気を水として循環タンク37において再利用する事が可能となる。
また、図1には図示しないが、凝縮部36にて上記の水蒸気を一層凝集出来る様にする事を目的として、上記の水蒸気を冷却するために、配管F4には凝縮部36とカソード流路の入口251との間にラジエータを設けても良い。
また、図1に示すように、凝縮部36は、後述する配管F4に設けられている。
The condensing
Although not shown in FIG. 1, in order to cool the water vapor in order to further condense the water vapor in the condensing
Moreover, as shown in FIG. 1, the condensing
循環タンク37は、燃料タンク31に供給する水を貯蔵する役割を果たしている。これにより、後述する外部燃料タンク40から供給される約59%程度の高濃度のメタノール水溶液を約2〜3%に希釈することが可能となる。このため、低濃度のメタノール水溶液をアノード流路の入口241に供給する事が可能となる事から、未反応のメタノール水溶液の量が少なくなるため、メタノールクロスオーバーの発生を抑制する事が可能となる。
また、アノード流路の出口242から排出された上記のアノード排出物およびカソード流路の出口252から排出された上記のカソード排出物は、循環タンク37内において気相と液相に分離される。具体的には、燃料電池2から輸送された二酸化炭素、メタノール蒸気、ホルムアルデヒド、ギ酸、水蒸気等の気相成分は、循環タンク37内に移送された後、水の液面に浮上して水やメタノール溶液等の液相成分と分離されて、循環タンク37内に存在している。
また、図1に示すように、循環タンク37は、後述する配管F4、F6〜F8と接続されている。
The
Further, the anode discharge discharged from the anode
Moreover, as shown in FIG. 1, the
制御部38は、例えば、信号処理用IC、CPU、ROM、RAM、A/D変換器及び入出力インタフェース等を含んで構成されるマイクロコンピュータであり、以下の5つの役割を果たしている。
1つ目に、フラッディング現象が発生する前の燃料電池システム1の運転(以下、通常運転と定義する。)時におけるカソード極において、フラッディング現象が発生したか否かの判断を行う役割を果たしている。
2つ目に、フラッディング現象を低減している際の燃料電池システム1の運転(以下、フラッディング現象低減運転と定義する。)時におけるカソード極において、フラッディング現象が解消したか否かの判断を行う役割を果たしている。
3つ目に、上記の判断結果に基づいて、酸化剤供給量調整部34を制御する役割を果たしている。
4つ目に、上記の判断結果に基づいて、流路開放度調整部35を制御する役割を果たしている。
5つ目に、後述するポンプG1におけるメタノール水溶液の供給量、ポンプG2における高濃度メタノール水溶液の供給量およびポンプG3における水の供給量を制御する役割を果たしている。
また、制御部38は、以下の原理により、通常運転時における酸化剤の供給量を変えずに、同時に配管F4内の圧力を上げる事が可能となる。すなわち、一般に、配管F4の流路開放度を一定に保ったまま、酸化剤の供給量を増加させた場合、配管F4内の圧力は上がるが同時に酸化剤の供給量が増加してしまう。しかし、配管F4の流路開放度を減少させた場合、配管F4内の圧力を上げつつ、同時に酸化剤の供給量が減少する。この為、酸化剤の供給量を増加させる時に同時に配管F4の流路開放度を減少させた場合、通常運転時における酸化剤の供給量と同程度の量を保ちつつ、同時に配管F4内の圧力を上げる事が可能となる。
また、図1に示すように、制御部38は、燃料電池2、酸化剤供給量調整部34、流路開放度調整部35および後述するポンプG1〜G3と電気的に接続されている。
また、燃料電池システム1には、燃料電池2と制御部38との間に、燃料電池2の出力電圧値を検出するための電圧センサ(図示せず)と、燃料電池2の出力電流値を検出するための電流センサ(図示せず)とが取り付けられている。この電流センサおよび電圧センサは、センサの各出力値から算出された電力値を制御部38に送信する役割を果たしている。
また、制御部38は、カソード極でフラッディング現象が発生しているか否か、もしくはフラッディング現象低減運転における最適条件としての酸化剤の供給量および配管F4の流路開放度の値に到達しているか否か、フラッディング現象が解消しているか否か判断する為に必要な各種パラメータ情報を保存する記憶装置として、電力値情報記憶部(図示せず)を有している。これにより、制御部38は、カソード極でフラッディング現象が発生しているか否か判断する事が可能となる。
また、制御部38は、通常運転からフラッディング現象低減運転へ移行した際に、通常運転時における酸化剤の供給量と同程度の量を保つ事が出来る様に、制御データ値として、酸化剤供給量調整部34が調整する酸化剤供給部33における酸化剤の供給量の値と、流路開放度調整部35が調整する配管F4の流路開放度の値とが記載されたテーブル(以下、制御情報テーブルと称する。)が予め記録された制御情報記憶部(図示せず)を有している。ここで、上記の制御データ値は、フラッディング現象の解消に最適な値が予め設定されている。また、制御情報テーブルは、燃料電池2の温度やメタノール水溶液の濃度等、燃料電池2の最適な電力値を得る為に必要な燃料電池2の運転条件に応じて変化する様に、燃料電池2の運転条件毎にそれぞれ複数設けられている。したがって、制御部38は、カソード極において、フラッディング現象が発生したと判断した後、燃料電池2の運転条件を確認し、複数の制御情報テーブルのうち、この燃料電池2の運転条件に最適な制御情報テーブルを制御情報記憶部から選択する。そして、制御部38は、この選択された制御情報テーブルに記載された制御データ値として酸化剤の供給量U1および配管F4の流路開放度V1を参照し、これらの値に到達するまで、酸化剤供給量調整部34および流路開放度調整部35をそれぞれ制御する事が可能となる。
The
First, it plays a role of determining whether or not the flooding phenomenon has occurred in the cathode electrode during the operation of the
Secondly, it is determined whether or not the flooding phenomenon has been eliminated at the cathode electrode during operation of the
Third, it plays a role of controlling the oxidant supply
Fourth, it plays a role of controlling the flow path opening
Fifth, it plays the role of controlling the supply amount of aqueous methanol solution in pump G1, which will be described later, the supply amount of high-concentration methanol aqueous solution in pump G2, and the supply amount of water in pump G3.
Further, the
Moreover, as shown in FIG. 1, the
The
Further, the
In addition, when the
配管F1〜F8は、燃料電池システム1内の各種液体および気体の流路として、左記液体および気体を輸送する役割を果たしており、それぞれ以下の通り、設けられている。
配管F1は、燃料タンク31内のメタノール水溶液をアノード流路の入口241に供給する役割を果たしており、燃料タンク31およびアノード流路の入口241と接続されている。
配管F2は、燃料電池システム1の外部から取り込んだ酸化剤をフィルタ32を介して酸化剤供給部33に供給する役割と、酸化剤供給部33が吐出した酸化剤を燃料電池2のカソード流路の入口251に供給する役割を果たしており、フィルタ32およびカソード流路の入口251と接続されている。
配管F3は、アノード流路の出口242から排出された上記のアノード排出物を燃料タンク31に供給する役割を果たしており、アノード流路の出口242および燃料タンク31と接続されている。
配管F4は、カソード流路の出口252から排出された上記のカソード排出物を凝縮部36に供給した後、凝縮部36において上記のカソードの生成物のうち水蒸気から生成された水および水以外の上記のカソード排出物を循環タンク37に供給する役割を果たしており、カソード流路の出口252および循環タンク37と接続されている。
配管F5は、後述する外部燃料タンク40内の高濃度メタノール水溶液を燃料タンク31に供給する役割を果たしており、外部燃料タンク40および燃料タンク31と接続されている。
配管F6は、燃料タンク31内に存在する上記のアノード排出物を燃料電池システム1の外部に排出する事を目的として、上記のアノード排出物を循環タンク37に供給する役割を果たしており、燃料タンク31および循環タンク37と接続されている。
配管F7は、循環タンク37内の水を燃料タンク31に供給する役割を果たしており、循環タンク37および燃料タンク31と接続されている。
配管F8は、循環タンク37内に存在する、配管F6から供給された上記のアノード排出物および配管F4から供給された上記のカソード排出物を燃料電池システム1の外部に排出する役割を果たしており、一端は循環タンク37と接続され、他端は燃料電池システム1の外部に開放されている。
The pipes F <b> 1 to F <b> 8 play the role of transporting the liquid and gas described above as flow paths for various liquids and gases in the
The pipe F1 plays a role of supplying the methanol aqueous solution in the
The pipe F2 serves to supply the oxidant taken from the outside of the
The pipe F3 serves to supply the anode discharge discharged from the
The pipe F4 supplies the cathode discharge discharged from the
The pipe F5 plays a role of supplying a high-concentration methanol aqueous solution in the
The pipe F6 plays the role of supplying the anode discharge to the
The pipe F <b> 7 plays a role of supplying the water in the
The pipe F8 plays a role of discharging the anode discharge supplied from the pipe F6 and the cathode discharge supplied from the pipe F4 existing in the
ポンプG1〜G3は、例えば、ダイアフラム型ポンプやプランジャーポンプなどの液体ポンプであって、燃料電池システム1内の各種液体の供給量を調整する役割を果たしており、それぞれ以下の通り、設けられている。
ポンプG1は、燃料タンク31からアノード流路の入口241に向かって供給されるメタノール水溶液の供給量を調整する役割を果たしており、配管F1に設けられている。
ポンプG2は、外部燃料タンク40から燃料タンク31に向かって供給されるメタノール水溶液の供給量を調整する役割を果たしており、配管F5に設けられている。
ポンプG3は、循環タンク37から燃料タンク31に向かって供給される水の供給量を調整する役割を果たしており、配管F7に設けられている。
The pumps G1 to G3 are liquid pumps such as a diaphragm pump and a plunger pump, for example, and play a role of adjusting the supply amounts of various liquids in the
The pump G1 plays a role of adjusting the supply amount of the methanol aqueous solution supplied from the
The pump G2 plays a role of adjusting the amount of methanol aqueous solution supplied from the
The pump G3 plays the role of adjusting the amount of water supplied from the
以上の各構造により、燃料電池システム1が構成される。次に、燃料電池システム1の外部における各構造の説明として、外部燃料タンク40と、外部負荷41の説明をする。
The
外部燃料タンク40は、燃料タンク31に供給する高濃度のメタノールを貯蔵する役割を果たしている。
また、図1に示すように、外部燃料タンク40は、配管F5と接続されている。
The
Moreover, as shown in FIG. 1, the
外部負荷41は、燃料電池2から供給された電力を使用する電力機器である。
また、外部負荷41は、配線を介してアノードセパレータ24の上部にあるアノード集電体22およびカソードセパレータ25の上部にあるカソード集電体23と接続されている。
The
The
(燃料電池システムの動作原理)
以上の構成により、燃料電池システム1は、以下の原理により、燃料電池2から生じた電力を外部負荷41に供給する事ができる。
まず、燃料タンク31から供給されたメタノール水溶液は、アノード流路の入口241に供給された後、アノードセパレータ24のアノード流路26を通過し、アノードガス拡散層214に浸透した後、アノード触媒層212に到達する。
次に、メタノール水溶液がアノード触媒層212に到達して初めて下記の式(1)の通り、メタノール水溶液に含まれているメタノールと水との間で酸化反応を起こして、メタノール水溶液からプロトンと電子と二酸化炭素が生成される。
CH3OH+H2O→CO2+6H++6e−・・・(1)
次に、生成されたプロトンは、アノード触媒層212から電解質膜211の表面まで移動した後、電解質膜211の内部を透過し、やがてカソード触媒層213に供給される。
また、生成された電子は、以下「1」〜「9」の順で、カソード触媒層213に供給される。
「1」アノード触媒層212、「2」アノードガス拡散層214、「3」アノードセパレータ24、「4」アノード集電体22、「5」外部負荷41、「6」カソード集電体23、「7」カソードセパレータ25、「8」カソードガス拡散層215、「9」カソード触媒層213。
次に、酸化剤供給部33から供給された酸化剤は、カソード流路の入口251に供給された後、カソードセパレータ25のカソード流路27を通過し、カソードガス拡散層215に浸透した後、カソード触媒層213に到達する。
また、カソード触媒層213に供給されたプロトンおよび電子は、上記の酸化剤との間で還元反応を起こして水が生成される。
3/2O2+6H++6e−→3H2O・・・(2)
以上の酸化反応および還元反応により、燃料電池2に電流が流れ、燃料電池2から外部負荷41に電力を供給することが可能となる。
(Operating principle of fuel cell system)
With the above configuration, the
First, the methanol aqueous solution supplied from the
Next, only after the aqueous methanol solution reaches the
CH3OH + H2O → CO2 + 6H ++ 6e− (1)
Next, the generated protons move from the
Further, the generated electrons are supplied to the
“1”
Next, after the oxidant supplied from the
In addition, protons and electrons supplied to the
3 / 2O2 + 6H ++ 6e− → 3H2O (2)
Through the above oxidation reaction and reduction reaction, a current flows through the
次に、図4を用いて、以下のステップS101〜S110に基づいて、通常運転からフラッディング現象低減運転へ移行する際の本実施形態における制御部38の作用について詳細に説明する。
Next, the operation of the
図4は、本発明の第1実施形態に係る制御部における通常運転とフラッディング現象低減運転の制御手順を示すフロー図である。 FIG. 4 is a flowchart showing a control procedure of normal operation and flooding phenomenon reduction operation in the control unit according to the first embodiment of the present invention.
まず、燃料電池システム1を起動して燃料電池2に電流を通電する(ステップS101)。
次に、燃料電池2への通電開始と同時に燃料電池2における電力値の監視を開始して、監視開始時刻taから所定時刻tbまでの時間区間Δt1を設定した後、この時間区間Δt1において、電圧センサが燃料電池2の平均出力電圧を検出し、電流センサが燃料電池2の平均出力電流を検出した後、両センサの各出力値から、燃料電池2の平均電力値W1(以下、電力値W1と定義する。)を算出して、この電力値W1を制御部38に含まれている電力値情報記憶部(図示せず)に保存し、設定する(ステップS102)。
次に、燃料電池2の電力値を常時監視して、上記の所定時刻tbから監視終了時刻tcまでの時間区間Δt2を設定した後、この時間区間Δt2における燃料電池2の平均電力値W2(ただし、W1>W2。以下、電力値W2と定義する。)を任意の時間に取得する(ステップS103)。
次に、電力値W1と電力値W2との差△Wを算出する(ステップS104)。
次に、電力値W1と電力値W2との差△Wが所定値S1以上の値であるか否か判断する(ステップS105)。
ここで、ステップS105で、制御部38が、電力値W1と電力値W2との差△Wが所定値S1以上の値でないと判断した場合(NOの場合)は、燃料電池2の電力値は比較的大きく低下しておらず、フラッディング現象が発生していないと判断して、ステップS103に戻り、ステップS104まで繰り返し算出する。一方、制御部38が、電力値W1と電力値W2との差△Wが所定値S1以上の値であると判断した場合(YESの場合)は、燃料電池2の電力値は比較的大きく低下しており、フラッディング現象が発生していると判断する。この場合、制御部38は、燃料電池2の温度およびメタノール水溶液の濃度等の燃料電池2の運転条件を確認し、複数の制御情報テーブルのうち、この燃料電池2の運転条件に最適な制御情報テーブルを制御情報記憶部から選択する(ステップS106)。
次に、制御部38は、この選択された制御情報テーブルに記載された酸化剤の供給量および配管F4の流路開放度の各制御データ値(以下、この値を酸化剤の供給量U1、配管F4の流路開放度V1とする。)を参照する(ステップS107)。
次に、制御部38は、上記で参照した酸化剤の供給量U1に到達するまで酸化剤の供給量が増加する様に酸化剤供給量調整部34を制御する酸化剤供給量増加制御信号を生成し、さらに上記で参照した流路開放度V1に到達するまで配管F4の流路開放度が減少する様に流路開放度調整部35を制御する流路開放度減少制御信号を生成する。その後、制御部38は、上記で生成された酸化剤供給量増加制御信号を酸化剤供給量調整部34に送信し、同時に、流路開放度減少制御信号を流路開放度調整部35に送信する(ステップS108)。
次に、上記ステップS108で制御部38から送信された酸化剤供給量増加制御信号に基づき、酸化剤供給量調整部34は、通常運転時に既に設定された酸化剤の供給量U0から上記で参照した酸化剤の供給量U1に到達するまで、酸化剤供給部33における酸化剤の供給量を増加させる調整(酸化剤供給量増加制御)を実行する。さらに、通常運転時における酸化剤の供給量と同程度の量を保ちつつ、上記ステップS108で制御部38から送信された流路開放度減少制御信号に基づき、流路開放度調整部35は、通常運転時に既に設定された配管F4の流路開放度V0から上記で参照した配管F4の流路開放度V1に到達するまで、配管F4の流路開放度を減少させる調整(流路開放度減少制御)を上記の酸化剤供給量増加制御と同時に実行する(ステップS109)。
最後に、上記ステップS109の酸化剤供給量増加制御および流路開放度減少制御を実行してから、燃料電池2の電力値が安定状態に達すると経験則より判断できる予め設定した所定時間T1が経過した後、制御部38は、燃料電池2の電力値が安定状態に達したと判断する(ステップS110)。
以上の手順により、通常運転からフラッディング現象低減運転へ移行することで、制御部38は、燃料電池2における電力の安定供給性低下を抑制しつつ、フラッディング現象を低減させることが可能となる。
また、上記において、フラッディング現象低減運転時における酸化剤の供給量は、通常運転時における酸化剤の供給量と同程度の量を保っている。ここで通常運転時における酸化剤の供給量と同程度の量とは、フラッディング現象低減運転時における酸化剤の供給量の値と通常運転時における酸化剤の供給量の値との関係が以下の通りであってもよい事を意味している。すなわち、フラッディング現象低減運転時における酸化剤の供給量の値が通常運転時における酸化剤の供給量の値と同じ値に限られず、例えば、フラッディング現象低減運転時における酸化剤の供給量の値が通常運転時における酸化剤の供給量の値に対して±3.0%までの誤差を含む値であってもよい。
なお、上記の時間区間Δt1、時間区間Δt2、所定時間T1、および所定値S1については、ユーザーが所望する値を使用する事が可能であるが、所定値S1については、燃料電池システムの通電開始後からフラッディング現象の発生時までにかけて減少した燃料電池2の電力値の減少率を表す値を設定する事が好ましく、この具体的な値として、例えば、下記(3)式より算出した値のうち、3〜6(%)を予め設定して使用する事がより好ましい。但し、下記(3)式において、aは燃料電池システムの通電開始直後の燃料電池の電力値(mW/cm2)であり、bは燃料電池システムの通電開始後から1時間経過後に測定した燃料電池の電力値(mW/cm2)である。
First, the
Then it starts monitoring the power value in the
Then, by monitoring the power value of the
Next, a difference ΔW between the power value W1 and the power value W2 is calculated (step S104).
Next, it is determined whether or not the difference ΔW between the power value W1 and the power value W2 is equal to or greater than a predetermined value S1 (step S105).
Here, when the
Next, the
Next, the
Next, based on the oxidant supply amount increase control signal transmitted from the
Finally, after executing the oxidant supply amount increase control and the flow path opening degree decrease control in step S109, a predetermined time T1 set in advance that can be determined from an empirical rule when the power value of the
By shifting from the normal operation to the flooding phenomenon reducing operation by the above procedure, the
Further, in the above, the supply amount of the oxidant during the flooding phenomenon reducing operation is maintained at the same level as the supply amount of the oxidant during the normal operation. Here, the amount equivalent to the amount of oxidant supplied during normal operation means that the relationship between the value of oxidizer supplied during operation with reduced flooding phenomenon and the value of oxidant supplied during normal operation is as follows: It means that it may be street. That is, the value of the oxidant supply amount during the flooding reduction operation is not limited to the same value as the oxidant supply amount during the normal operation. For example, the value of the oxidant supply amount during the flooding reduction operation is It may be a value including an error of up to ± 3.0% with respect to the value of the supply amount of the oxidant during normal operation.
As for the time interval Δt1, the time interval Δt2, the predetermined time T1, and the predetermined value S1, it is possible to use values desired by the user. For the predetermined value S1, the energization start of the fuel cell system is started. It is preferable to set a value that represents the rate of decrease in the power value of the
また、通常運転時において、高電力値の燃料電池2が得られる最適条件値として、酸化剤の供給量および配管F4の流路開放度を設定した場合、フラッディング現象低減運転時においては、上記の最適条件値から酸化剤の供給量および配管F4の流路開放度を変更させるため、燃料電池2の電力値が通常運転時よりも低下する。したがって、この場合、燃料電池2について出来る限り高電力値が得られる様にするためには、フラッディング現象低減運転開始から所定時間が経過した後、燃料電池システム1の運転状態をフラッディング現象低減運転から通常運転へと戻す必要がある。
このため、次は図5(a)を用いて、以下のステップS111〜S113に基づいて、フラッディング現象低減運転から通常運転へ戻す際の本実施形態における制御部38の作用について詳細に説明する。
Further, when the supply amount of the oxidant and the degree of openness of the pipe F4 are set as the optimum condition values for obtaining the
Therefore, the operation of the
図5は、本発明の第1実施形態に係る制御部におけるフラッディング現象低減運転と通常運転の制御手順を示すフロー図である。 FIG. 5 is a flowchart showing a control procedure of flooding phenomenon reduction operation and normal operation in the control unit according to the first embodiment of the present invention.
まず、上記ステップS110を経て、制御部38は、通常運転への移行後における酸化剤の供給量がフラッディング現象低減運転前の通常運転時における酸化剤の供給量と同程度の量になるまで、酸化剤の供給量が減少する様に酸化剤供給量調整部34を制御する酸化剤供給量減少制御信号を生成する。さらに、通常運転への移行後における配管F4の流路開放度がフラッディング現象低減運転前の通常運転時における配管F4の流路開放度と同程度になるまで、配管F4の流路開放度が増加する様に流路開放度調整部35を制御する流路開放度増加制御信号を生成する。その後、制御部38が、上記で生成された酸化剤供給量減少制御信号を酸化剤供給量調整部34に送信し、同時に、流路開放度増加制御信号を流路開放度調整部35に送信する(ステップS111)。
そして、最後に、上記ステップS111で制御部38から送信された酸化剤供給量減少制御信号に基づき、酸化剤供給量調整部34は、通常運転への移行後における酸化剤の供給量がフラッディング現象低減運転前の通常運転時における酸化剤の供給量U0と同程度の量になるまで、酸化剤供給部33における酸化剤の供給量を減少させる調整(酸化剤供給量減少制御)を実行する。さらに、フラッディング現象低減運転時における酸化剤の供給量と同程度の量を保ちつつ、上記ステップS111で制御部38から送信された流路開放度増加制御信号に基づき、流路開放度調整部35は、通常運転への移行後における配管F4の流路開放度がフラッディング現象低減運転前の通常運転時における配管F4の流路開放度V0と同程度になるまで、配管F4の流路開放度を増加させる調整(流路開放度増加制御)を実行する(ステップS112)。これにより、酸化剤の供給量および配管F4の流路開放度はフラッディング現象低減運転前における通常運転時と同程度になる。
最後に、上記ステップS112の酸化剤供給量減少制御および流路開放度増加制御を実行してから、燃料電池2の電力値が安定状態に達すると経験則より判断できる予め設定した所定時間T2が経過した後、制御部38は、燃料電池2の電力値が安定状態に達したと判断する(ステップS113)。
以上の手順により、燃料電池システム1の運転状態は、フラッディング現象低減運転から通常運転に戻る。
また、上記において、通常運転への移行後における酸化剤の供給量は、フラッディング現象低減運転時における酸化剤の供給量と同程度の量を保っている。ここで、フラッディング現象低減運転時における酸化剤の供給量と同程度の量とは、通常運転への移行後における酸化剤の供給量の値とフラッディング現象低減運転時における酸化剤の供給量の値との関係が以下の通りであってもよい事を意味している。すなわち、通常運転への移行後における酸化剤の供給量の値がフラッディング現象低減運転時における酸化剤の供給量の値と同じ値に限られず、例えば、通常運転への移行後における酸化剤の供給量の値がフラッディング現象低減運転時における酸化剤の供給量の値に対して±3.0%までの誤差を含む値であってもよい。
また、上記ステップS112の酸化剤供給量減少制御は、フラッディング現象低減運転時における酸化剤の供給量と同程度の量を保ちつつ、流路開放度増加制御と同時に行ってもよいし、流路開放度増加制御と順序問わず別々に行ってもよいが、配管F4内における圧力の安定性を保ちつつ、フラッディング現象低減運転から通常運転へ戻すことが可能となることから、フラッディング現象低減運転時における酸化剤の供給量と同程度の量を保ちつつ、流路開放度増加制御と同時に行うことが好ましい。
また、上記ステップS113の後、再度上記ステップS103から上記ステップS113までの一連のステップを1回または複数回行ってもよい。ここで、上記ステップS113の後に行う上記ステップS103〜S113の一連のステップを行う回数としては、特に制限はなく、1回でも複数回でもよいが、フラッディング現象が発生するたびに行う事が好ましい。
また、本実施形態では、燃料電池システム1の運転時間が短時間となる場合等、フラッディング現象低減運転時に得られる燃料電池2の電力値のまま運転しても良いとの事情があれば、上記ステップS111〜S113は必ずしも実施する必要はなく、燃料電池システム1の運転期間中は、ずっとフラッディング現象低減運転状態として燃料電池システム1を運転させてもよい。
First, through the step S110, the
Finally, based on the oxidant supply amount decrease control signal transmitted from the
Finally, after executing the oxidant supply amount decrease control and the flow path opening degree increase control in step S112, a preset predetermined time T2 that can be determined from an empirical rule when the power value of the
With the above procedure, the operation state of the
In the above description, the supply amount of the oxidant after the shift to the normal operation is maintained at the same level as the supply amount of the oxidant during the flooding phenomenon reduction operation. Here, the amount of oxidant supplied at the time of the flooding reduction operation means the value of the oxidant supply after the shift to the normal operation and the value of the oxidant supply during the flooding reduction operation. This means that the relationship may be as follows. That is, the value of the oxidant supply amount after the shift to the normal operation is not limited to the same value as the value of the oxidant supply amount at the time of the flooding reduction operation, for example, the supply of the oxidant after the shift to the normal operation. The value of the amount may be a value including an error of up to ± 3.0% with respect to the value of the supply amount of the oxidant during the flooding phenomenon reduction operation.
Further, the oxidant supply amount decrease control in step S112 may be performed simultaneously with the flow channel opening degree increase control while maintaining the same amount as the oxidant supply amount during the flooding phenomenon reduction operation. Although it may be performed separately regardless of the order of opening degree increase control, it is possible to return to the normal operation from the flooding phenomenon reduction operation while maintaining the stability of the pressure in the pipe F4. It is preferable to carry out at the same time as the flow path opening degree increase control while maintaining the same amount as the supply amount of the oxidant.
Further, after the step S113, a series of steps from the step S103 to the step S113 may be performed once or a plurality of times. Here, the number of times of performing the series of steps S103 to S113 performed after step S113 is not particularly limited, and may be one or more times, but is preferably performed every time a flooding phenomenon occurs.
Further, in the present embodiment, when there is a situation that the
また、フラッディング現象低減運転が長時間となると、酸化剤が長時間にわたってカソード触媒層213に供給される様になるため、次第にカソード触媒層213が乾燥していく。これによって、カソード極の電位が上昇する為、次第にカソード触媒層213における触媒が酸化していく事から、触媒の劣化が起こり、燃料電池2の電力値が低減する場合がある。
このため、燃料電池2における低減した電力値の回復を目的としてカソード触媒層213における酸化した触媒の還元を行うために、上記ステップS111〜S113の代わりに、以下のステップS114〜S119を行ってもよい。
これにより、フラッディング現象低減運転から通常運転に戻す前に、酸化剤供給部33における酸化剤の供給を停止させる運転(以下、酸化剤供給停止運転と定義する。)を行う事が可能となり、燃料電池2に供給する活物質をメタノール水溶液のみに限定する事ができる。このため、アノード極側から供給されたメタノール水溶液をカソード極に十分に浸透させる事によってカソード極の電位を下げる事ができる。その結果、酸化した触媒が還元する為、燃料電池2における低減した電力値を回復する事が可能となる。
次に、図5(b)を用いて、以下のステップS114〜S119に基づいて、酸化剤供給停止運転を用いてフラッディング現象低減運転から通常運転へ戻す際の本実施形態における制御部38の作用について詳細に説明する。
In addition, when the flooding phenomenon reducing operation is performed for a long time, the oxidant is supplied to the
Therefore, in order to reduce the oxidized catalyst in the
As a result, before returning from the flooding phenomenon reducing operation to the normal operation, it is possible to perform an operation for stopping the supply of the oxidant in the oxidant supply unit 33 (hereinafter, referred to as an oxidant supply stop operation). The active material supplied to the
Next, using FIG. 5B, based on the following steps S114 to S119, the operation of the
まず、上記ステップS110を経た後、制御部38は、酸化剤供給部33における酸化剤の供給が停止する様に酸化剤供給量調整部34を制御する酸化剤供給停止制御信号を生成し、さらに、配管F4の流路開放度が増加する様に流路開放度調整部35を制御する流路開放度増加制御信号を生成する。その後、制御部38が、上記で生成された酸化剤供給停止制御信号を酸化剤供給量調整部34に送信し、同時に、流路開放度増加制御信号を流路開放度調整部35に送信する(ステップS114)。
次に、上記ステップS114で制御部38から送信された酸化剤供給停止制御信号に基づき、酸化剤供給量調整部34は、酸化剤供給部33における酸化剤の供給量を停止させる調整(酸化剤供給停止制御)を実行し、さらに、上記ステップS114で制御部38から送信された流路開放度増加制御信号に基づき、配管F4の流路開放度が最大になるまで、流路開放度調整部35は、配管F4の流路開放度を増加させる調整(流路開放度増加制御)を実行する(ステップS115)。
次に、上記ステップS115の酸化剤供給停止制御および流路開放度増加制御を実行してから、酸化した触媒が十分に還元した状態に達すると経験則より判断できる予め設定した所定時間T3が経過した後、制御部38は、酸化した触媒が十分に還元した状態に達したと判断する(ステップS116)。
次に、制御部38は、通常運転への移行後における酸化剤の供給量がフラッディング現象低減運転前の通常運転時における酸化剤の供給量と同程度の量になるまで、酸化剤の供給量が増加する様に酸化剤供給量調整部34を制御する酸化剤供給量増加制御信号を生成する。さらに、通常運転への移行後における配管F4の流路開放度がフラッディング現象低減運転前の通常運転時における配管F4の流路開放度と同程度になるまで、配管F4の流路開放度が減少する様に流路開放度調整部35を制御する流路開放度減少制御信号を生成する。その後、生成した酸化剤供給量増加制御信号を酸化剤供給量調整部34に送信し、同時に、流路開放度減少制御信号を流路開放度調整部35に送信する(ステップS117)。
次に、上記ステップS117で制御部38から送信された酸化剤供給量増加制御信号に基づき、酸化剤供給量調整部34は、通常運転への移行後における酸化剤の供給量がフラッディング現象低減運転前の通常運転時における酸化剤の供給量U0と同程度の量になるまで、酸化剤供給部33における酸化剤の供給量を増加させる調整(酸化剤供給量増加制御)を実行する、さらに、上記ステップS117で制御部38から送信された流路開放度減少制御信号に基づき、流路開放度調整部35は、通常運転への移行後における配管F4の流路開放度がフラッディング現象低減運転前の通常運転時における配管F4の流路開放度V0と同程度になるまで、配管F4の流路開放度を減少させる調整(流路開放度減少制御)を実行する(ステップS118)。これにより、酸化剤の供給量および配管F4の流路開放度はフラッディング現象低減運転前における通常運転時と同程度になる。
最後に、上記ステップS118の酸化剤供給量増加制御および流路開放度減少制御を実行してから、燃料電池2の電力値が安定状態に達すると経験則より判断できる予め設定した所定時間T4が経過した後、制御部38は、燃料電池2の電力値が安定状態に達したと判断する(ステップS119)。
以上の手順により、燃料電池システム1の運転状態は、フラッディング現象低減運転から通常運転に戻る。
また、上記ステップS115における酸化剤供給停止制御は、流路開放度増加制御と同時に行ってもよいし、流路開放度増加制御と順序問わず別々に行ってもよいが、流路開放度増加制御と同時か、もしくは流路開放度増加制御よりも後に行うことが好ましい。これは、配管F4の流路開放度が小さいまま酸化剤供給停止制御を行うと、カソード極に空気や水が残存しやすくなり、カソード極側の背圧が高くなる事から、アノード極側からカソード極側に浸透するメタノール水溶液の量が抑制され、酸化したカソード触媒層213の還元を十分に行う事ができなくなるという問題が起こる場合がある。このため、上記ステップS115における酸化剤供給停止制御は、流路開放度増加制御と同時か、もしくは流路開放度増加制御よりも後に行うことによって、比較的高い流路開放度の状態を保ったまま酸化剤供給停止制御を行う事が可能となるため、カソード極に空気や水が残存することを抑制でき、カソード極側の背圧が高くなる事を抑制できることから、アノード極側から供給されるメタノール水溶液をカソード極側に十分に浸透することができ、酸化したカソード触媒層213の還元を十分に行う事が可能となる。
また、上記ステップS115における流路開放度増加制御において、制御後における配管F4の流路開放度の大きさは特に限定されないが、一層高い流路開放度の状態を保ったまま酸化剤供給停止制御を行う事が可能となり、酸化したカソード触媒層213の還元をより十分に行う事が可能となる事から、配管F4の流路開放度が最大になるまで流路開放度調整部35を制御することが好ましい。
また、上記ステップS118における酸化剤供給量増加制御は、流路開放度減少制御と同時に行ってもよいし、流路開放度減少制御と順序問わず別々に行ってもよいが、配管F4内における圧力の安定性を保ちつつ、フラッディング現象低減運転から通常運転へ戻すことが可能となることから、流路開放度減少制御と同時に行うことが好ましい。
また、上記において、通常運転への移行後における酸化剤の供給量は、フラッディング現象低減運転時における酸化剤の供給量と同程度の量を保っている。ここで、フラッディング現象低減運転時における酸化剤の供給量と同程度の量とは、通常運転への移行後における酸化剤の供給量の値とフラッディング現象低減運転時における酸化剤の供給量の値との関係が以下の通りであってもよい事を意味している。すなわち、通常運転への移行後における酸化剤の供給量の値がフラッディング現象低減運転時における酸化剤の供給量の値と同じ値に限られず、例えば、通常運転への移行後における酸化剤の供給量の値がフラッディング現象低減運転時における酸化剤の供給量の値に対して±3.0%までの誤差を含む値であってもよい。
また、上記ステップS119の後、再度上記ステップS103から上記ステップS110まで行った後に上記ステップS114から上記ステップS119までの一連のステップを1回または複数回行ってもよい。ここで、上記ステップS119の後に行う上記一連のステップを行う回数としては、特に制限はなく、1回でも複数回でもよいが、フラッディング現象が発生するたびに行う事が好ましい。
また、本実施形態では、燃料電池システム1Bの運転時間が短時間となる場合等、フラッディング現象低減運転時に得られる燃料電池2Bの電力値のまま運転しても良いとの事情があれば、S114〜S119は必ずしも実施する必要はなく、燃料電池システム1の運転期間中は、ずっとフラッディング現象低減運転状態として燃料電池システム1を運転させてもよい。
First, after step S110, the
Next, based on the oxidant supply stop control signal transmitted from the
Next, after executing the oxidant supply stop control and the flow path opening degree increase control in step S115, a predetermined time T3 that can be determined from an empirical rule when the oxidized catalyst reaches a sufficiently reduced state has elapsed. After that, the
Next, the
Next, based on the oxidant supply amount increase control signal transmitted from the
Finally, after executing the oxidant supply amount increase control and the flow path opening degree decrease control in step S118, a predetermined time T4 that can be determined from an empirical rule when the power value of the
With the above procedure, the operation state of the
The oxidant supply stop control in step S115 may be performed simultaneously with the flow path opening degree increase control, or may be performed separately from the flow path opening degree increase control regardless of the order, but the flow path opening degree increase. It is preferable to perform the control simultaneously with the control or after the flow path opening degree increase control. This is because if the oxidant supply stop control is performed with the opening degree of the pipe F4 being small, air or water tends to remain in the cathode electrode, and the back pressure on the cathode electrode side becomes high. There may be a problem that the amount of the methanol aqueous solution penetrating the cathode electrode side is suppressed, and the oxidized
Further, in the flow path opening degree increase control in step S115, the magnitude of the flow path opening degree of the pipe F4 after the control is not particularly limited, but the oxidant supply stop control while maintaining a higher flow path opening degree state. Since the oxidized
Further, the oxidant supply amount increase control in step S118 may be performed simultaneously with the flow path opening degree decrease control, or may be performed separately from the flow path opening degree decrease control regardless of the order, but in the pipe F4. Since it is possible to return to the normal operation from the flooding phenomenon reduction operation while maintaining the stability of the pressure, it is preferable to perform the flow rate opening degree reduction control at the same time.
In the above description, the supply amount of the oxidant after the shift to the normal operation is maintained at the same level as the supply amount of the oxidant during the flooding phenomenon reduction operation. Here, the amount of oxidant supplied at the time of the flooding reduction operation means the value of the oxidant supply after the shift to the normal operation and the value of the oxidant supply during the flooding reduction operation. This means that the relationship may be as follows. That is, the value of the oxidant supply amount after the shift to the normal operation is not limited to the same value as the value of the oxidant supply amount at the time of the flooding reduction operation, for example, the supply of the oxidant after the shift to the normal operation. The value of the amount may be a value including an error of up to ± 3.0% with respect to the value of the supply amount of the oxidant during the flooding phenomenon reduction operation.
In addition, after step S119, the steps from step S103 to step S110 may be performed again, and then a series of steps from step S114 to step S119 may be performed once or a plurality of times. Here, the number of times the series of steps performed after step S119 is performed is not particularly limited and may be one or more times, but is preferably performed every time a flooding phenomenon occurs.
In the present embodiment, if there is a circumstance that the
また、制御部38において、上記の判断に用いられるパラメータは、上記の燃料電池2の電力値W1、W2、W3に限られず、他のパラメータを用いてもよく、例えば、燃料電池2の電力値の代わりに、カソード流路の出口252における排水量等を用いてもよい。ここで、上記の判断に用いられるパラメータとして排水量を使用する場合、制御部38の外部に用いられる上記の電流センサおよび電圧センサの代わりに水用流量センサを用いて排水量を測定した後、この排水量を制御部38に送信する事によってパラメータとして排水量を使用する事ができる。
In addition, the parameter used for the above determination in the
(第1実施形態における燃料電池システム1の作用効果)
次に、本実施形態における燃料電池システム1の作用効果について、従来における燃料電池システムと比較して説明する。
(Operational effect of the
Next, the effect of the
従来における燃料電池システムでは、フラッディング現象を低減する手段として、フラッディング現象の発生を検出した際に、燃料電池のカソード極に供給される酸化剤ガスの流量を増加させて、燃料電池から過剰な水分を排出させていた。
しかし、従来の燃料電池システムでは、フラッディング現象を低減する為に、酸化剤ガスの流量を増加させると、カソード触媒層における還元反応が一層促進されることから、カソード触媒層から生成される水の量が一層増加するため、過剰生成水の生成量が増加する傾向にある。
このため、酸化剤ガスの流路が過剰生成水によって閉塞されやすくなることから、過剰生成水および酸化剤ガスが流路内で滞留しやすくなるため、過剰生成水および酸化剤ガスの排出量が経時的に変化する。
これにより、酸化剤ガスの流路内の圧力が次第に安定しなくなることから、燃料電池における電力値の変動が増大するため、燃料電池における電力の安定供給性が低下するという問題があった。
In the conventional fuel cell system, as a means of reducing the flooding phenomenon, when the occurrence of the flooding phenomenon is detected, the flow rate of the oxidant gas supplied to the cathode electrode of the fuel cell is increased, so that excessive moisture is removed from the fuel cell. Was discharged.
However, in the conventional fuel cell system, when the flow rate of the oxidant gas is increased in order to reduce the flooding phenomenon, the reduction reaction in the cathode catalyst layer is further promoted. Since the amount further increases, the amount of excess water produced tends to increase.
For this reason, since the flow path of the oxidant gas is likely to be blocked by the excessively generated water, the excessively generated water and the oxidant gas are liable to stay in the flow path, so that the discharge amount of the excessively generated water and the oxidant gas is reduced. Changes over time.
As a result, the pressure in the flow path of the oxidant gas becomes gradually less stable, and the fluctuation of the power value in the fuel cell increases, so that there is a problem that the stable power supply in the fuel cell decreases.
これに対して、本実施形態における燃料電池システム1によれば、従来の様にカソード極においてフラッディング現象の発生を検出した際に、燃料電池2のカソード極に供給される酸化剤ガスの流量を単に増加させただけの手段と異なり、フラッディング現象が発生したと判断される場合、酸化剤の供給量が増加する様に酸化剤供給量調整部34を制御する酸化剤供給量増加制御を行い、さらに、通常運転時における酸化剤の供給量と同程度の量を保ちつつ、配管F4の流路開放度が減少する様に流路開放度調整部35を制御する流路開放度減少制御を酸化剤供給量増加制御と同時に行い、燃料電池システム1の運転状態を通常運転からフラッディング現象低減運転へ移行させる制御部38を備えている。
これによって、フラッディング現象が発生した際に、制御部38が、上記の酸化剤供給量増加制御を行い、さらに、通常運転時における酸化剤の供給量と同程度の量を保ちつつ、上記の流路開放度減少制御を酸化剤供給量増加制御と同時に行って、燃料電池システムの運転状態を通常運転からフラッディング現象を低減させるフラッディング現象低減運転へ移行させることから、フラッディング現象低減運転時に移行しても、酸化剤の供給量は通常運転時から低下せずに、通常運転時における酸化剤の供給量と同程度の量を保つことができる。 このことから、本発明では、従来の様にフラッディング現象を低減する事を目的として酸化剤の供給量を増加させていないため、酸化剤の供給量増加に伴うカソード触媒層213における還元反応が抑制される。
このため、フラッディング現象低減運転時におけるカソード触媒層213から生成される水の量が通常運転時と同程度の量を保つ事が出来る様になることから、過剰生成水の生成量を抑制する事が可能となる。
これにより、配管F4が過剰生成水によって閉塞されにくくなることから、過剰生成水および酸化剤が配管F4内で滞留しにくくなるため、過剰生成水および酸化剤の排出量における経時的な変化を抑制する事が可能となる。
したがって、フラッディング現象を低減する際において、配管F4内における圧力の安定性を保つことが可能となることから、燃料電池2における電力値の変動が起こりにくくなるため、燃料電池2における電力の安定供給性低下を抑制する事が可能となる。
また、本発明によれば、制御部38が、上記の酸化剤供給量増加制御を行うことから、配管F4内の圧力が上昇するため、その結果、フラッディング現象を低減する事が可能となる。
以上により、本発明によれば、フラッディング現象を低減しつつ、燃料電池2における電力の安定供給性低下を抑制可能な燃料電池システム1を実現する事が可能となる。
また、本実施形態における燃料電池システム1によれば、従来の様にフラッディング現象を解消している際において、燃料電池2のカソード極に供給される酸化剤ガスの流量が通常運転時よりも比較的大きくなっている状態と異なり、フラッディング現象低減運転の際には、カソード極へ供給する酸化剤の供給量が通常運転時と同程度の量である事から、カソード極に発生する水を過剰に排出する事を抑制できる。
これにより、カソード触媒層213の乾燥を抑制し、加湿状態を保持する事が可能となるため、カソード触媒層213における触媒の酸化を抑制できるようになる事から、触媒の劣化を抑制することが可能となる。また、電解質膜211においても同様に膜の乾燥を抑制し、加湿状態を保持する事が可能となるため、電解質膜211におけるプロトン伝導抵抗の上昇を抑制することが可能となる。
さらに、上記により燃料電池2における電力値の変動が起こりにくくなることから、触媒の粒径成長や溶出促進等に起因した触媒の劣化を抑制する事が可能となる。
したがって、燃料電池2における電力値の低下を抑制可能な燃料電池システム1を実現する事が可能となる。
On the other hand, according to the
As a result, when the flooding phenomenon occurs, the
For this reason, since the amount of water generated from the
As a result, the pipe F4 is less likely to be blocked by the excessively generated water, so that the excessively generated water and the oxidant are less likely to stay in the pipe F4. It becomes possible to do.
Therefore, when reducing the flooding phenomenon, it is possible to maintain the stability of the pressure in the pipe F4, so that the power value in the
Further, according to the present invention, since the
As described above, according to the present invention, it is possible to realize the
Further, according to the
As a result, drying of the
Further, since the power value in the
Therefore, it is possible to realize the
また、本実施形態における燃料電池システム1によれば、制御部38が、上記の酸化剤供給量増加制御および流路開放度減少制御を行って燃料電池2の電力値が安定状態に達したと判断した後、制御部38が、酸化剤の供給量および配管F4の流路開放度が通常運転時と同程度になるまで、酸化剤供給量減少制御および流路開放度増加制御を行い、燃料電池システム1の運転状態をフラッディング現象低減運転から通常運転へ移行させてもよい。
これにより、燃料電池2の電力値が安定状態に達した後、制御部38が、燃料電池システム1の運転状態をフラッディング現象低減運転から通常運転へと戻す事が可能となる。
このため、通常運転時において高電力値の燃料電池2が得られる最適条件値として酸化剤の供給量および配管F4の流路開放度を設定した場合に、フラッディング現象低減運転時において、上記の最適条件値から酸化剤の供給量および配管F4の流路開放度を変更させた事に起因して通常運転時よりも低下した燃料電池2の電力値を回復させる事が可能となる。
したがって、フラッディング現象を低減しつつ、燃料電池2の電力値を回復可能な燃料電池システム1を実現する事が可能となる。
Further, according to the
Thereby, after the electric power value of the
For this reason, when the oxidant supply amount and the degree of openness of the pipe F4 are set as the optimum condition values for obtaining the
Therefore, it is possible to realize the
また、本実施形態における燃料電池システム1によれば、制御部38が、フラッディング現象低減運転時における酸化剤の供給量と同程度の量を保ちつつ、酸化剤供給量減少制御および流路開放度増加制御を同時に行ってもよい。
これにより、フラッディング現象低減運転から通常運転へ戻す際において、配管F4内における圧力の安定性を保つことが可能となることから、燃料電池2における電力値の変動が起こりにくくなるため、燃料電池2における電力の安定供給性低下を抑制する事が可能となる。
したがって、燃料電池2の電力値を回復可能かつフラッディング現象低減運転から通常運転へ戻す際において、燃料電池2における電力の安定供給性低下を抑制可能な燃料電池システム1を実現する事が可能となる。
Further, according to the
As a result, when returning from the flooding phenomenon reducing operation to the normal operation, it is possible to maintain the stability of the pressure in the pipe F4, so that the power value in the
Therefore, it is possible to realize the
また、上記において、フラッディング現象低減運転が長時間となると、酸化剤が長時間にわたってカソード触媒層213に供給される様になるため、次第にカソード触媒層213が乾燥していく。これによって、カソード極の電位が上昇する為、次第にカソード触媒層213における触媒が酸化していく事から、触媒の劣化が起こり、燃料電池2の電力値が低下する可能性がある。
これに対し、本実施形態における燃料電池システム1によれば、まず、制御部38が、上記の酸化剤供給量増加制御および流路開放度減少制御を行って燃料電池2の電力値が安定状態に達したと判断し、その後、酸化剤供給停止制御および流路開放度増加制御を行う。その後、所定時間T3が経過したら、制御部38は、酸化した触媒が十分に還元した状態に達したと判断し、その後、酸化剤の供給量および配管F4の流路開放度が通常運転時と同程度になるまで、酸化剤供給量増加制御および流路開放度減少制御を行うことによって、燃料電池システムの運転状態を前記フラッディング現象低減運転から前記通常運転へ移行する事が可能である。
このため、酸化剤供給停止運転時においては酸化剤の供給を停止している事から、燃料電池2に供給する活物質をメタノール水溶液のみに限定する事ができる。これにより、アノード極側から供給されたメタノール水溶液は、カソード極で還元反応が起こらないため、アノード極側から供給されたメタノール水溶液をカソード極に十分に浸透させる事によってカソード極の電位を下げる事ができる。その結果、カソード触媒層213における酸化した触媒が還元する為、燃料電池2における低減した電力値を回復する事が可能となる。
したがって、酸化剤供給停止運転を実行しない場合と比べて、燃料電池2の電力値を一層回復する事が可能となる。
さらに、上記の効果に加えて、通常運転時において高電力値の燃料電池2が得られる最適条件値として酸化剤の供給量および配管F4の流路開放度を設定した場合に、フラッディング現象低減運転時において、上記の最適条件値から酸化剤の供給量および配管F4の流路開放度を変更させた事に起因して通常運転時よりも低下した燃料電池2の電力値を一層回復させる事が可能となる。
したがって、フラッディング現象を低減しつつ、燃料電池2の電力値を一層回復可能な燃料電池システム1を実現する事が可能となる。
In the above, when the flooding phenomenon reducing operation is performed for a long time, the oxidant is supplied to the
In contrast, according to the
For this reason, since the supply of the oxidant is stopped during the oxidant supply stop operation, the active material supplied to the
Therefore, the power value of the
Further, in addition to the above-described effects, the flooding phenomenon reduction operation is performed when the supply amount of the oxidant and the degree of openness of the pipe F4 are set as optimum condition values for obtaining the
Therefore, it is possible to realize the
また、上記において、配管F4の流路開放度が小さいまま酸化剤供給停止制御を行うと、カソード極に空気や水が残存しやすくなり、カソード極側の背圧が高くなる事から、アノード極側からカソード極側に浸透するメタノール水溶液の量が抑制され、酸化したカソード触媒層213の還元を十分に行う事ができなくなる場合があり、燃料電池2の電力値の回復が不十分となる可能性がある。
これに対し、本実施形態における燃料電池システム1によれば、制御部38が、酸化剤供給停止制御および流路開放度増加制御を同時に行うか、もしくは酸化剤供給停止制御を流路開放度増加制御よりも後に行う事が可能である。
これにより、比較的高い流路開放度の状態を保ったまま酸化剤供給停止制御を行う事が可能となるため、カソード極に空気や水が残存することを抑制でき、カソード極側の背圧が高くなる事を抑制できる。このことから、アノード極側から供給されるメタノール水溶液をカソード極側に十分に浸透することができ、酸化したカソード触媒層213の還元を十分に行う事が可能となる。
したがって、燃料電池2の電力値を一層回復可能な燃料電池システム1を実現する事が可能となる。
Further, in the above, if the oxidant supply stop control is performed with the degree of openness of the pipe F4 being small, air or water tends to remain in the cathode electrode, and the back pressure on the cathode electrode side becomes high. The amount of aqueous methanol solution penetrating from the cathode side to the cathode electrode side is suppressed, and the oxidized
On the other hand, according to the
As a result, it is possible to perform the oxidant supply stop control while maintaining a relatively high degree of openness of the flow path, so that it is possible to suppress air and water from remaining on the cathode electrode, and the back pressure on the cathode electrode side can be suppressed. Can be suppressed. Thus, the methanol aqueous solution supplied from the anode electrode side can be sufficiently permeated into the cathode electrode side, and the oxidized
Therefore, it is possible to realize the
また、本実施形態における燃料電池システム1によれば、制御部38が、前記フラッディング現象低減運転時における前記酸化剤の供給量と同程度の量を保ちつつ、酸化剤供給量増加制御および前記流路開放度減少制御を同時に行ってもよい。
これにより、酸化剤供給停止運転から通常運転へ戻す際において、配管F4内における圧力の安定性を保つことが可能となることから、燃料電池2における電力値の変動が起こりにくくなるため、燃料電池2における電力の安定供給性低下を抑制する事が可能となる。
したがって、燃料電池2の電力値を回復可能かつ酸化剤供給停止運転から通常運転へ戻す際において、燃料電池2における電力の安定供給性低下を抑制可能な燃料電池システム1を実現する事が可能となる。
Further, according to the
As a result, when returning from the oxidant supply stop operation to the normal operation, it is possible to maintain the stability of the pressure in the pipe F4, so that the fluctuation of the power value in the
Therefore, it is possible to realize the
また、本実施形態における燃料電池システム1によれば、制御部38が、流路開放度増加制御において、配管F4内の流路開放度が最大になるまで流路開放度調整部35を制御してもよい。
これにより、一層高い流路開放度の状態を保ったまま酸化剤供給停止制御を行う事が可能となるため、カソード極に空気や水が残存する事をより抑制でき、カソード極側の背圧が高くなる事をより抑制できる。このことから、アノード極側から供給されるメタノール水溶液をカソード極側により十分に浸透することができ、酸化したカソード触媒層213の還元をより十分に行う事が可能となる。
したがって、燃料電池2の電力値を一層回復可能な燃料電池システム1を実現する事が可能となる。
Further, according to the
As a result, it becomes possible to perform the oxidant supply stop control while maintaining a higher degree of openness of the flow path, so that it is possible to further suppress air and water remaining on the cathode electrode, and back pressure on the cathode electrode side Can be further suppressed. From this, the methanol aqueous solution supplied from the anode electrode side can be sufficiently permeated into the cathode electrode side, and the oxidized
Therefore, it is possible to realize the
(第2実施形態)
上記の燃料電池システム1については、フラッディング現象が比較的生じやすいカソード極について説明したが、以下の理由により、アノード極においてもフラッディング現象が生じる場合がある。
すなわち、アノード極の活物質に水素やメタン等の気体燃料を用いた気体供給型の燃料電池や、アノード極の活物質に用いる液体メタノール等を改質器によって変換した水素等の気体燃料を直接アノード極に供給する改質型燃料電池等の燃料電池においては、アノード極とカソード極の両極には気体が供給される事になるため、浸透圧の差によってカソード極に発生した水がアノード極に浸透していく事から、アノード極においてもフラッディング現象が生じる場合がある。
このことから、本発明者らは、燃料電池システム1と同様の原理を用いる事で、アノード極に生じるフラッディング現象についても解消する事ができると考え、本実施形態における燃料電池システム1Bを見い出した。
このため、次は図6を用いて、水素を燃料として発電する水素型燃料電池2B(以下、単に燃料電池2Bと呼ぶ事もある。)を備える水素型燃料電池システム1B(以下、単に燃料電池システム1Bと呼ぶ事もある。)を一例として挙げて、本実施形態における燃料電池システム1Bについて詳細に説明する。なお、第1実施形態と同様の構成については説明を省略する。
(Second Embodiment)
In the
That is, a gas supply type fuel cell using a gaseous fuel such as hydrogen or methane as the active material for the anode electrode, or a gaseous fuel such as hydrogen obtained by converting liquid methanol used for the active material for the anode electrode with a reformer directly. In a fuel cell such as a reformed fuel cell supplied to the anode electrode, gas is supplied to both the anode electrode and the cathode electrode. Therefore, water generated at the cathode electrode due to the difference in osmotic pressure is generated in the anode electrode. As a result, the flooding phenomenon may occur in the anode electrode.
From this, the present inventors considered that the flooding phenomenon generated in the anode electrode can be solved by using the same principle as that of the
Therefore, next, referring to FIG. 6, a hydrogen type
図6は、本発明の第2実施形態における燃料電池システムを示すブロック図である。 FIG. 6 is a block diagram showing a fuel cell system according to the second embodiment of the present invention.
図6に示すように、本実施形態における燃料電池システム1Bは、燃料電池2Bと、気体燃料供給部31Bと、燃料供給量調整部34Bと、流路開放度調整部35Bと、制御部36Bと、配管F1B〜F4Bと、を備えている。
ここで、図6に示すように、燃料電池2Bと、気体燃料供給部31Bと、燃料供給量調整部34Bと、流路開放度調整部35Bと、制御部36Bと、配管F1B〜F4Bは、1つの筐体の中に収納されている。
As shown in FIG. 6, the
Here, as shown in FIG. 6, the
燃料電池2Bにおいては、上述した燃料電池2と異なり、酸化反応時に一酸化炭素が発生しない為、燃料電池2Bにおける膜電極接合体21Bの構成において、アノード触媒層212Bの電極触媒には、通常、耐一酸化炭素被毒性を有するルテニウムは用いずに白金のみを使用しているが、これに限定されず、上述した燃料電池2と同じものを使用する事が可能である。
In the
気体燃料供給部31Bは、例えば、高圧水素ガスボンベなどの気体燃料容器であって、水素ガス等の気体燃料をアノード流路の入口241に供給する役割を果たしている。
また、図6に示すように、気体燃料供給部31Bは、後述する配管F1Bを介して、アノード流路の入口241と接続されている。
The gaseous
Moreover, as shown in FIG. 6, the gaseous
燃料供給量調整部34Bは、例えば、電動式バルブ等であり、気体燃料供給部31Bから供給された気体燃料の供給量を調整して、アノード流路の入口241に供給する役割を果たしている。
また、図6に示すように、燃料供給量調整部34Bは、後述する配管F1Bに設けられている。
The fuel supply
Further, as shown in FIG. 6, the fuel supply
流路開放度調整部35Bは、例えば、電動式バルブ等であり、後述する配管F3Bにおける流路開放度、すなわち、配管F3Bの延伸方向に対して垂直方向に沿って示す断面積の大きさを調整する役割を果たしている。
また、図6に示すように、流路開放度調整部35Bは、後述する配管F3Bに設けられている。
The channel opening
In addition, as shown in FIG. 6, the flow path opening
制御部36Bは、例えば、信号処理用IC、CPU、ROM、RAM、A/D変換器及び入出力インタフェース等を含んで構成されるマイクロコンピュータであり、以下の5つの役割を果たしている。
1つ目に、フラッディング現象が発生する前の燃料電池システム1Bの運転(以下、通常運転と定義する。)時におけるアノード極において、フラッディング現象が発生したか否かの判断を行う役割を果たしている。
2つ目に、フラッディング現象を低減している際の燃料電池システム1Bの運転(以下、フラッディング現象低減運転と定義する。)時におけるアノード極において、フラッディング現象が解消したか否かの判断を行う役割を果たしている。
3つ目に、上記の判断結果に基づいて、燃料供給量調整部34Bを制御する役割を果たしている。
4つ目に、上記の判断結果に基づいて、流路開放度調整部35Bを制御する役割を果たしている。
5つ目に、酸化剤供給部33を駆動制御する役割を果たしている。
また、制御部36Bは、以下の原理により、通常運転時における気体燃料の供給量を変えずに、同時に配管F3B内の圧力を上げる事が可能となる。すなわち、一般に、配管F4の流路開放度を一定に保ったまま、気体燃料の供給量を増加させた場合、配管F3B内の圧力は上がるが同時に気体燃料の供給量が増加してしまう。しかし、配管F3Bの流路開放度を減少させた場合、配管F3B内の圧力を上げつつ、同時に気体燃料の供給量が減少する。この為、気体燃料の供給量を増加させる時に同時に配管F3Bの流路開放度を減少させた場合、通常運転時における気体燃料の供給量と同程度の量を保ちつつ、同時に配管F3B内の圧力を上げる事が可能となる。
また、図5に示すように、制御部36Bは、燃料電池2B、酸化剤供給部33、燃料供給量調整部34B、流路開放度調整部35Bと電気的に接続されている。
また、制御部36Bは、燃料電池2Bと制御部36Bとの間に、出力電圧を検出するための電圧センサ(図示せず)と、出力電流を検出するための電流センサ(図示せず)とが取り付けられている。この電流センサおよび電圧センサは、センサの各出力値から算出された電力値を制御部36Bに送信する役割を果たしている。
また、制御部36Bは、アノード極でフラッディング現象が発生しているか否か、もしくはフラッディング現象低減運転における最適条件としての気体燃料の供給量および配管F3Bの流路開放度の値に到達しているか否か、フラッディング現象が解消しているか否か判断する為に必要な各種パラメータ情報を保存する記憶装置として、電力値情報記憶部(図示せず)を有している。これにより、制御部36Bは、アノード極でフラッディング現象が発生しているか否か判断する事が可能となる。
また、制御部36Bは、通常運転からフラッディング現象低減運転へ移行した際に、通常運転時における気体燃料の供給量と同程度の量を保つ事が出来る様に、制御データ値として、燃料供給量調整部34Bが調整する気体燃料供給部31Bにおける気体燃料の供給量の値と、流路開放度調整部35Bが調整する配管F3Bの流路開放度の値とが記載されたテーブル(以下、制御情報テーブルと称する。)が予め記録された制御情報記憶部(図示せず)を有している。ここで、上記の制御データ値は、フラッディング現象の解消に最適な値が予め設定されている。また、制御情報テーブルは、燃料電池2Bの温度や気体燃料の濃度等、燃料電池2Bの最適な電力値を得る為に必要な燃料電池2Bの運転条件に応じて変化する様に、燃料電池2Bの運転条件毎にそれぞれ複数設けられている。したがって、制御部36Bは、アノード極において、フラッディング現象が発生したと判断した後、燃料電池2Bの運転条件を確認し、複数の制御情報テーブルのうち、この燃料電池2Bの運転条件に最適な制御情報テーブルを制御情報記憶部から選択する。そして、制御部36Bは、この選択された制御情報テーブルに記載された制御データ値として気体燃料の供給量U1'および配管F3Bの流路開放度V1'を参照し、これらの値に到達するまで、燃料供給量調整部34Bおよび流路開放度調整部35Bをそれぞれ制御する事が可能となる。
The
First, it plays a role in determining whether or not the flooding phenomenon has occurred in the anode electrode during the operation of the
Secondly, it is determined whether or not the flooding phenomenon has been eliminated at the anode electrode during the operation of the
Thirdly, the fuel supply
Fourth, it plays the role of controlling the flow path opening
Fifth, it plays the role of driving and controlling the
Further, the
Further, as shown in FIG. 5, the
The
Further, the
In addition, when the
配管F1B、F3B、F4Bは、燃料電池システム1B内の各種気体の流路として、左記気体を輸送する役割を果たしており、それぞれ以下の通り、設けられている。
配管F1Bは、気体燃料供給部31B内の気体燃料をアノード流路の入口241に供給する役割を果たしており、気体燃料供給部31Bおよびアノード流路の入口241と接続されている。
配管F3Bは、アノード流路の出口242から排出された排出ガスを、アノード流路の入口241に供給する気体燃料として再利用することを目的として、アノード流路の出口242から排出された排出ガスを配管F1Bに供給する役割を果たしており、アノード流路の出口242および配管F1Bと接続されている。
配管F4Bは、カソード流路の出口252から排出された排出ガスを、カソード流路の入口251に供給する酸化剤として再利用することを目的として、カソード流路の出口252から排出された排出ガスを配管F2に供給する役割を果たしており、カソード流路の出口252および配管F2と接続されている。
The pipes F1B, F3B, and F4B play the role of transporting the gas described above as flow paths for various gases in the
The pipe F1B plays a role of supplying the gaseous fuel in the gaseous
The pipe F3B is an exhaust gas discharged from the
The pipe F4B is an exhaust gas discharged from the
以上の各構造により、燃料電池システム1Bが構成される。また、上記の構成において、酸化剤供給部33には、第1実施形態と同様にエアーブロワーやエアーコンプレッサー等のエアーポンプを用いているが、本実施形態では、上記のエアーポンプに限られず、エアーポンプの代わりに、例えば、高圧酸素ガスボンベなどの気体酸化剤容器を用いてもよい。
The
(燃料電池システムの動作原理)
以上の構成により、燃料電池システム1Bは、以下の原理により、燃料電池2Bから生じた電力を外部負荷41に供給する事ができる。
まず、気体燃料供給部31Bから供給された水素は、アノード流路の入口241に供給された後、アノードセパレータ24のアノード流路26を通過し、アノードガス拡散層214に浸透した後、アノード触媒層212に到達する。
次に、水素がアノード触媒層212に到達して初めて下記の式(1)の通り、水素が酸化反応を起こして、電子を放出し、プロトンが生成される。
H2→2H++2e−・・・(1)
次に、生成されたプロトンは、アノード触媒層212から電解質膜211の表面まで移動した後、電解質膜211の内部を透過し、やがてカソード触媒層213に供給される。
また、生成された電子は、以下「1」〜「9」の順で、カソード触媒層213に供給される。
「1」アノード触媒層212、「2」アノードガス拡散層214、「3」アノードセパレータ24、「4」アノード集電体22、「5」外部負荷41、「6」カソード集電体23、「7」カソードセパレータ25、「8」カソードガス拡散層215、「9」カソード触媒層213。
次に、酸化剤供給部33から供給された酸化剤は、カソード流路の入口251に供給された後、カソードセパレータ25のカソード流路27を通過し、カソードガス拡散層215に浸透した後、カソード触媒層213に到達する。
また、カソード触媒層213に供給されたプロトンは、上記の酸化剤との間で還元反応を起こして水が生成される。
1/2O2+2H++2e−→H2O・・・(2)
以上の酸化反応および還元反応により、燃料電池2Bに電流が流れ、燃料電池2から外部負荷41に電力を供給することが可能となる。
(Operating principle of fuel cell system)
With the above configuration, the
First, the hydrogen supplied from the gaseous
Next, only after hydrogen reaches the
H 2 → 2H + + 2e − (1)
Next, the generated protons move from the
Further, the generated electrons are supplied to the
“1”
Next, after the oxidant supplied from the
In addition, the proton supplied to the
1 / 2O 2 + 2H + + 2e − → H 2 O (2)
By the above oxidation reaction and reduction reaction, a current flows to the
次に、図7を用いて、以下のステップS201〜S210に基づいて、通常運転からフラッディング現象低減運転へ移行する際の本実施形態における制御部36Bの作用について詳細に説明する。
Next, the operation of the
図7は、本発明の第2実施形態に係る制御部における通常運転とフラッディング現象低減運転の制御手順を示すフロー図である。 FIG. 7 is a flowchart showing a control procedure of normal operation and flooding phenomenon reduction operation in the control unit according to the second embodiment of the present invention.
まず、燃料電池システム1Bを起動して燃料電池2Bに電流を通電する(ステップS201)。
次に、燃料電池2Bへの通電開始と同時に燃料電池2Bにおける電力値の監視を開始して、監視開始時刻ta'から所定時刻tb'までの時間区間Δt1'を設定した後、この時間区間Δt1'において、電圧センサが燃料電池2Bの平均出力電圧を検出し、電流センサが燃料電池2Bの平均出力電流を検出した後、両センサの各出力値から、燃料電池2Bの平均電力値W1'(以下、電力値W1'と定義する。)を算出して、この電力値W1'を制御部36Bに含まれている電力値情報記憶部(図示せず)に保存し、設定する(ステップS202)。
次に、燃料電池2Bの電力値を常時監視して、上記の所定時刻tb'から監視終了時刻tc'までの時間区間Δt2'を設定した後、この時間区間Δt2'における燃料電池2Bの平均電力値W2'(ただし、W1'>W2'。以下、電力値W2'と定義する。)を任意の時間に取得する(ステップS203)。
次に、電力値W1'と電力値W2'との差△W'を算出する(ステップS204)。
次に、電力値W1'と電力値W2'との差△W'が所定値S1'以上の値であるか否か判断する(ステップS205)。
ここで、ステップS205で、制御部36Bが、電力値W1'と電力値W2'との差△W'が所定値S1'以上の値でないと判断した場合(NOの場合)は、燃料電池2Bの電力値は比較的大きく低下しておらず、フラッディング現象が発生していないと判断して、ステップS203に戻り、ステップS204まで繰り返し算出する。一方、制御部36Bが、電力値W1'と電力値W2'との差△W'が所定値S1'以上の値であると判断した場合(YESの場合)は、燃料電池2Bの電力値は比較的大きく低下しており、フラッディング現象が発生していると判断する。この場合、制御部36Bは、燃料電池2Bの温度および気体燃料の濃度等の燃料電池2Bの運転条件を確認し、複数の制御情報テーブルのうち、この燃料電池2Bの運転条件に最適な制御情報テーブルを制御情報記憶部から選択する(ステップS206)。
次に、制御部36Bは、この選択された制御情報テーブルに記載された気体燃料の供給量および流路開放度の各制御データ値(以下、この値を気体燃料の供給量U1'、流路開放度V1'とする。)を参照する(ステップS207)。
次に、制御部36Bは、上記で参照した気体燃料の供給量U1'に到達するまで気体燃料の供給量が増加する様に燃料供給量調整部34Bを制御する燃料供給量増加制御信号を生成し、さらに上記で参照した流路開放度V1'に到達するまで配管F3Bの流路開放度が減少する様に流路開放度調整部35Bを制御する流路開放度減少制御信号を生成する。その後、制御部36Bは、上記で生成した燃料供給量増加制御信号を燃料供給量調整部34Bに送信し、同時に、流路開放度減少制御信号を流路開放度調整部35Bに送信する(ステップS208)。
次に、上記ステップS208で制御部36Bから送信された燃料供給量増加制御信号に基づき、燃料供給量調整部34Bは、通常運転時に既に設定された気体燃料の供給量U0'から上記で参照した気体燃料の供給量U1'に到達するまで、気体燃料供給部31Bにおける気体燃料の供給量を増加させる調整(燃料供給量増加制御)を実行する。さらに、通常運転時における気体燃料の供給量と同程度の量を保ちつつ、上記ステップS208で制御部36Bから送信された流路開放度減少制御信号に基づき、流路開放度調整部35Bは、通常運転時に既に設定された配管F3Bの流路開放度V0'から上記で参照した配管F3Bの流路開放度V1'に到達するまで、配管F3Bの流路開放度を減少させる調整(流路開放度減少制御)を上記の燃料供給量増加制御と同時に実行する(ステップS209)。 最後に、上記ステップS209の燃料供給量増加制御および流路開放度減少制御を実行してから、燃料電池2Bの電力値が安定状態に達すると経験則より判断できる予め設定した所定時間T1'が経過した後、制御部36Bは、燃料電池2Bの電力値が安定状態に達したと判断する(ステップS210)。
以上の手順により、通常運転からフラッディング現象低減運転へ移行することで、制御部36Bは、燃料電池2Bにおける電力の安定供給性低下を抑制しつつ、フラッディング現象を低減させることが可能となる。
また、上記において、フラッディング現象低減運転時における気体燃料の供給量は、通常運転時における気体燃料の供給量と同程度の量を保っている。ここで通常運転時における気体燃料の供給量と同程度の量とは、フラッディング現象低減運転時における気体燃料の供給量の値と通常運転時における気体燃料の供給量の値との関係が以下の通りであってもよい事を意味している。すなわち、フラッディング現象低減運転時における気体燃料の供給量の値が通常運転時における気体燃料の供給量の値と同じ値に限られず、例えば、フラッディング現象低減運転時における気体燃料の供給量の値が通常運転時における気体燃料の供給量の値に対して±3.0%までの誤差を含む値であってもよい。
なお、上記の時間区間Δt1'、時間区間Δt2'および所定値S1'については、ユーザーが所望する値を使用する事が可能であるが、所定値S1'については、燃料電池システムの通電開始後からフラッディング現象の発生時までにかけて減少した燃料電池2Bの電力値の減少率を表す値を設定する事が好ましく、この具体的な値として、例えば、下記(4)式より算出した値のうち、3〜6(%)を予め設定して使用する事がより好ましい。但し、下記(4)式において、aは燃料電池システムの通電開始直後の燃料電池の電力値(mW/cm2)であり、bは燃料電池システムの通電開始後から1時間経過後に測定した燃料電池の電力値(mW/cm2)である。
First, the
Next, simultaneously with the start of energization of the
Next, the power value of the
Next, a difference ΔW ′ between the power value W1 ′ and the power value W2 ′ is calculated (step S204).
Next, it is determined whether or not the difference ΔW ′ between the power value W1 ′ and the power value W2 ′ is equal to or greater than a predetermined value S1 ′ (step S205).
If the
Next, the
Next, the
Next, based on the fuel supply amount increase control signal transmitted from the
By shifting from the normal operation to the flooding phenomenon reducing operation by the above procedure, the
Further, in the above description, the supply amount of the gaseous fuel during the flooding phenomenon reducing operation is maintained at the same level as the supply amount of the gaseous fuel during the normal operation. Here, the amount equivalent to the amount of gaseous fuel supplied during normal operation means that the relationship between the value of gaseous fuel supplied during operation with reduced flooding phenomenon and the amount of gaseous fuel supplied during normal operation is as follows: It means that it may be street. That is, the value of the gaseous fuel supply amount during the flooding phenomenon reduction operation is not limited to the same value as the gas fuel supply amount value during the normal operation. For example, the value of the gaseous fuel supply amount during the flooding phenomenon reduction operation is It may be a value including an error of up to ± 3.0% with respect to the value of the supply amount of the gaseous fuel during normal operation.
As for the time interval Δt1 ′, the time interval Δt2 ′, and the predetermined value S1 ′, values desired by the user can be used. However, the predetermined value S1 ′ can be used after the start of energization of the fuel cell system. It is preferable to set a value that represents the rate of decrease in the power value of the
また、通常運転時において、高電力値の燃料電池2Bが得られる最適条件値として、気体燃料の供給量および配管F3Bの流路開放度を設定した場合、フラッディング現象低減運転時においては、上記の最適条件値から気体燃料の供給量および配管F3Bの流路開放度を変更させるため、燃料電池2Bの電力値が通常運転時よりも低下することがある。したがって、この場合、燃料電池2Bについて出来る限り高電力値が得られる様にするためには、フラッディング現象が低減運転開始から所定時間が経過した後、燃料電池システム1Bの運転状態をフラッディング現象低減運転から通常運転へと戻す必要がある。
このため、次は図8を用いて、以下のステップS211〜S213に基づいて、フラッディング現象低減運転から通常運転に戻す際の本実施形態における制御部36Bの作用について詳細に説明する。
Further, when the supply amount of gaseous fuel and the opening degree of the flow path of the pipe F3B are set as the optimum condition values for obtaining the
Therefore, next, the operation of the
図8は、本発明の第2実施形態に係る制御部におけるフラッディング現象低減運転と通常運転の制御手順を示すフロー図である。 FIG. 8 is a flowchart showing the control procedure of the flooding phenomenon reducing operation and the normal operation in the control unit according to the second embodiment of the present invention.
まず、上記ステップS210を経て、制御部36Bは、通常運転への移行後における気体燃料の供給量がフラッディング現象低減運転前の通常運転時における気体燃料の供給量と同程度の量になるまで、気体燃料の供給量が減少する様に燃料供給量調整部34Bを制御する燃料供給量減少制御信号を生成する。さらに、通常運転への移行後における配管F3Bの流路開放度がフラッディング現象低減運転前の通常運転時における配管F3Bの流路開放度と同程度になるまで、配管F3Bの流路開放度が増加する様に流路開放度調整部35Bを制御する流路開放度増加制御信号を生成する。その後、制御部36Bが、生成した燃料供給量減少制御信号を燃料供給量調整部34Bに送信し、同時に、流路開放度増加制御信号を流路開放度調整部35Bに送信する(ステップS211)。
そして、最後に、上記ステップS211で制御部36Bから送信された燃料供給量減少制御信号に基づき、燃料供給量調整部34Bは、通常運転への移行後における気体燃料の供給量がフラッディング現象低減運転前の通常運転時における気体燃料の供給量U0'と同程度の量になるまで、気体燃料供給部31Bにおける気体燃料の供給量を減少させる調整(燃料供給量減少制御)を実行する。さらに、フラッディング現象低減運転時における気体燃料の供給量と同程度の量を保ちつつ、上記ステップS211で制御部36Bから送信された流路開放度増加制御信号に基づき、流路開放度調整部35Bは、通常運転への移行後における配管F3Bの流路開放度がフラッディング現象低減運転前の通常運転時における配管F3Bの流路開放度V0'と同程度になるまで、配管F3Bの流路開放度を増加させる調整(流路開放度増加制御)を実行する(ステップS212)。これにより、気体燃料の供給量および配管F3Bの流路開放度はフラッディング現象低減運転前における通常運転時と同程度の量になる。
最後に、上記ステップS212の燃料供給量減少制御および流路開放度増加制御を実行してから、燃料電池2Bの電力値が安定状態に達すると経験則より判断できる予め設定した所定時間T2'が経過した後、制御部36Bは、燃料電池2Bの電力値が安定状態に達したと判断する(ステップS213)。
以上により、燃料電池システム1Bの運転状態は、フラッディング現象低減運転から通常運転に戻る。
また、上記において、通常運転への移行後における気体燃料の供給量は、フラッディング現象低減運転時における気体燃料の供給量と同程度の量を保っている。ここで、フラッディング現象低減運転時における気体燃料の供給量と同程度の量とは、通常運転への移行後における気体燃料の供給量の値とフラッディング現象低減運転時における気体燃料の供給量の値との関係が以下の通りであってもよい事を意味している。すなわち、通常運転への移行後における気体燃料の供給量の値がフラッディング現象低減運転時における気体燃料の供給量の値と同じ値に限られず、例えば、通常運転への移行後における気体燃料の供給量の値がフラッディング現象低減運転時における気体燃料の供給量の値に対して±3.0%までの誤差を含む値であってもよい。
また、上記ステップS212の燃料供給量減少制御は、フラッディング現象低減運転時における気体燃料の供給量と同程度の量を保ちつつ、流路開放度増加制御と同時に行ってもよいし、流路開放度増加制御と順序問わず別々に行ってもよいが、配管F3B内における圧力の安定性を保ちつつ、フラッディング現象低減運転から通常運転へ戻すことが可能となることから、フラッディング現象低減運転時における気体燃料の供給量と同程度の量を保ちつつ、流路開放度増加制御と同時に行うことが好ましい。
また、上記ステップS213の後、再度上記ステップS203から上記ステップS213までの一連のステップを1回または複数回行ってもよい。ここで、上記ステップS213の後に行う上記ステップS203〜S213の一連のステップを行う回数としては、特に制限はなく、1回でも複数回でもよいが、フラッディング現象が発生するたびに行う事が好ましい。
また、本実施形態では、燃料電池システム1Bの運転時間が短時間となる場合等、フラッディング現象低減運転時に得られる燃料電池2Bの電力値のまま運転しても良いとの事情があれば、上記ステップS211〜S213は必ずしも実施する必要はなく、燃料電池システム1Bの運転期間中は、ずっとフラッディング現象低減運転状態として燃料電池システム1Bを運転させてもよい。
First, through the above step S210, the
Finally, based on the fuel supply amount decrease control signal transmitted from the
Finally, after executing the fuel supply amount decrease control and the flow path opening degree increase control in step S212, a predetermined time T2 ′ set in advance that can be determined from an empirical rule when the power value of the
As described above, the operation state of the
Further, in the above, the supply amount of the gaseous fuel after the shift to the normal operation is maintained at the same level as the supply amount of the gaseous fuel at the time of the flooding phenomenon reducing operation. Here, the amount of gaseous fuel supplied during the flooding reduction operation is the same as the amount of gaseous fuel supplied during the normal operation and the amount of gaseous fuel supplied during the flooding reduction operation. This means that the relationship may be as follows. That is, the value of the gaseous fuel supply amount after the transition to the normal operation is not limited to the same value as the value of the gaseous fuel supply amount during the flooding reduction operation, for example, the supply of the gaseous fuel after the transition to the normal operation The amount value may be a value including an error of up to ± 3.0% with respect to the value of the supply amount of the gaseous fuel during the flooding phenomenon reduction operation.
In addition, the fuel supply amount decrease control in step S212 may be performed simultaneously with the flow rate opening degree increase control while maintaining the same amount as the gaseous fuel supply amount during the flooding phenomenon reducing operation, or the flow channel open rate control. However, it is possible to return to the normal operation from the flooding phenomenon reducing operation while maintaining the stability of the pressure in the pipe F3B. It is preferable to carry out simultaneously with the flow path opening degree increase control while maintaining the same amount as the supply amount of the gaseous fuel.
Further, after step S213, a series of steps from step S203 to step S213 may be performed once or a plurality of times. Here, the number of times of performing the series of steps S203 to S213 performed after step S213 is not particularly limited and may be one or more times, but is preferably performed every time a flooding phenomenon occurs.
Further, in the present embodiment, if there is a circumstance that the
また、制御部36Bにおいて、上記の判断に用いられるパラメータは、上記の燃料電池2Bの電力値W1'、W2'、W3'に限られず、他のパラメータを用いてもよく、例えば、燃料電池2Bの電力値の代わりに、アノード流路の出口242における排水量等を用いてもよい。ここで、上記の判断に用いられるパラメータとして排水量を使用する場合、制御部36Bの外部に用いられる上記の電流センサおよび電圧センサの代わりに水用流量センサを用いて排水量を測定した後、この排水量を制御部36Bに送信する事によってパラメータとして排水量を使用する事ができる。
In the
(第2実施形態における燃料電池システム1Bの作用効果)
次に、本実施形態における燃料電池システム1Bの作用効果について説明する。
(Operation effect of the
Next, the effect of the
従来における気体燃料を用いた燃料電池においては、アノード極とカソード極の両極には気体が供給される事になるため、浸透圧の差によってカソード極に発生した水がアノード極に浸透していく事から、アノード極においてもカソード極と同様にフラッディング現象が生じる場合があるという問題があった。
これに対して、本実施形態における燃料電池システム1Bによれば、アノード極においてフラッディング現象が発生したと判断される場合、気体燃料の供給量が増加する様に燃料供給量調整部34Bを制御する燃料供給量増加制御を行い、さらに、通常運転時における気体燃料の供給量と同程度の量を保ちつつ、配管F3Bの流路開放度が減少する様に流路開放度調整部35Bを制御する流路開放度減少制御を燃料供給量増加制御と同時に行い、燃料電池システム1Bの運転状態を通常運転からフラッディング現象低減運転へ移行させる制御部36Bを備えている。
これによって、アノード極においてフラッディング現象が発生した際に、制御部36Bが、上記の燃料供給量増加制御を行い、さらに、通常運転時における気体燃料の供給量と同程度の量を保ちつつ、上記の流路開放度減少制御を燃料供給量増加制御と同時に行って、燃料電池システムの運転状態を通常運転からフラッディング現象を低減させるフラッディング現象低減運転へ移行させることから、フラッディング現象低減運転時に移行しても、気体燃料の供給量は通常運転時から低下せずに、通常運転時における気体燃料の供給量と同程度の量を保つことができる。
このことから、本発明では、フラッディング現象を低減する事を目的として気体燃料の供給量を増加させていないため、気体燃料の供給量増加に伴うアノード触媒層212における酸化反応が抑制される。
このため、フラッディング現象低減運転時において、カソード極で発生し、浸透圧の差によってアノード触媒層212に浸透された水の量が通常運転時と同程度の量を保つ事が出来る様になることから、アノード極における過剰生成水の生成量を抑制する事が可能となる。
これにより、配管F3Bが過剰生成水によって閉塞されにくくなることから、過剰生成水および気体燃料が配管F3B内で滞留しにくくなるため、過剰生成水および気体燃料の排出量における経時的な変化を抑制する事が可能となる。
したがって、フラッディング現象を低減する際において、配管F3B内における圧力の安定性を保つことが可能となることから、燃料電池2Bにおける電力値の変動が起こりにくくなるため、燃料電池2Bにおける電力の安定供給性低下を抑制する事が可能となる。
また、本発明によれば、制御部36Bが、上記の燃料供給量増加制御を行うことから、配管F3B内の圧力が上昇するため、その結果、フラッディング現象を低減する事が可能となる。
以上により、本発明によれば、フラッディング現象を低減しつつ、燃料電池2Bにおける電力の安定供給性低下を抑制可能な燃料電池システム1Bを実現する事が可能となる。
また、本実施形態における燃料電池システム1Bによれば、フラッディング現象低減運転の際には、アノード極へ供給する気体燃料の供給量が通常運転時と同程度の量である事から、カソード極からアノード極に浸透された水を過剰に排出する事を抑制できる。
これにより、アノード触媒層212の乾燥を抑制し、加湿状態を保持する事が可能となるため、アノード触媒層212における触媒の酸化を抑制できるようになる事から、触媒の劣化を抑制することが可能となる。また、電解質膜211についても同様に膜の乾燥を抑制し、加湿状態を保持する事が可能となるため、電解質膜211におけるプロトン伝導抵抗の上昇を抑制することが可能となる。
さらに、上記により燃料電池2Bにおける電力値の変動が起こりにくくなることから、触媒の粒径成長や溶出促進等に起因した触媒の劣化を抑制する事が可能となる。
したがって、燃料電池2Bにおける電力値の低下を抑制可能な燃料電池システム1Bを実現する事が可能となる。
In conventional fuel cells using gaseous fuel, gas is supplied to both the anode and cathode, so water generated at the cathode penetrates into the anode due to the difference in osmotic pressure. For this reason, there is a problem that the flooding phenomenon may occur in the anode electrode as in the cathode electrode.
On the other hand, according to the
As a result, when the flooding phenomenon occurs in the anode electrode, the
For this reason, in the present invention, since the supply amount of the gaseous fuel is not increased for the purpose of reducing the flooding phenomenon, the oxidation reaction in the
For this reason, the amount of water generated at the cathode electrode and permeating into the
As a result, the pipe F3B is less likely to be blocked by the excessively generated water, so that the excessively generated water and the gaseous fuel are less likely to stay in the pipe F3B. It becomes possible to do.
Accordingly, when reducing the flooding phenomenon, it is possible to maintain the stability of the pressure in the pipe F3B, so that the power value in the
Further, according to the present invention, since the
As described above, according to the present invention, it is possible to realize the
Further, according to the
As a result, drying of the
Further, since the power value in the
Therefore, it is possible to realize a
また、本実施形態における燃料電池システム1Bによれば、制御部36Bが、上記の燃料供給量増加制御および流路開放度減少制御を行って燃料電池2Bの電力値が安定状態に達したと判断した後、制御部36Bが、気体燃料の供給量および配管F3Bの流路開放度が通常運転時と同程度になるまで、燃料供給量減少制御および流路開放度増加制御を行い、燃料電池システム1Bの運転状態をフラッディング現象低減運転から通常運転へ移行させてもよい。
これにより、燃料電池2Bの電力値が安定状態に達した後、制御部36Bが、燃料電池システム1Bの運転状態をフラッディング現象低減運転から通常運転へと戻す事が可能となる。
このため、通常運転時において高電力値の燃料電池2Bが得られる最適条件値として気体燃料の供給量および配管F3Bの流路開放度を設定した場合に、フラッディング現象低減運転時において、上記の最適条件値から気体燃料の供給量および配管F3Bの流路開放度を変更させた事に起因して通常運転時よりも低下した燃料電池2Bの電力値を回復させる事が可能となる。
したがって、フラッディング現象を低減しつつ、燃料電池2Bの電力値を回復可能な燃料電池システム1Bを実現する事が可能となる。
Further, according to the
Thereby, after the power value of the
For this reason, when the supply amount of gaseous fuel and the opening degree of the flow path of the pipe F3B are set as the optimum condition values for obtaining the
Therefore, it is possible to realize the
また、本実施形態における燃料電池システム1Bによれば、制御部36Bが、フラッディング現象低減運転時における酸化剤の供給量と同程度の量を保ちつつ、燃料供給量減少制御および流路開放度増加制御を同時に行ってもよい。
これにより、フラッディング現象低減運転から通常運転へ戻す際において、配管F3B内における圧力の安定性を保つことが可能となることから、燃料電池2Bにおける電力値の変動が起こりにくくなるため、燃料電池2Bにおける電力の安定供給性低下を抑制する事が可能となる。
したがって、燃料電池2Bの電力値を回復可能かつフラッディング現象低減運転から通常運転へ戻す際において、燃料電池2Bにおける電力の安定供給性低下を抑制可能な燃料電池システム1Bを実現する事が可能となる。
Further, according to the
As a result, when returning from the flooding phenomenon reducing operation to the normal operation, it is possible to maintain the stability of the pressure in the pipe F3B, and therefore the power value in the
Accordingly, it is possible to realize the
また、本発明の実施形態における「燃料電池システム1」および「燃料電池システム1B」が本発明における「燃料電池システム」の一例に相当し、本発明の実施形態における「燃料電池2」および「燃料電池2B」が本発明における「燃料電池」の一例に相当し、本発明の実施形態における「カソード触媒層213」および「カソードガス拡散層215」が本発明における「カソード極」の一例に相当し、本発明の実施形態における「酸化剤供給部33」が本発明における「酸化剤供給部」の一例に相当し、本発明の実施形態における「酸化剤供給量調整部34」が本発明における「酸化剤供給量調整部」の一例に相当し、本発明の実施形態における「配管F4」が本発明における「酸化剤排出流路部」の一例に相当し、本発明の実施形態における「流路開放度調整部35」および「流路開放度調整部35B」が本発明における「流路開放度調整部」の一例に相当し、本発明の実施形態における「制御部38」および「制御部36B」が本発明における「制御部」の一例に相当し、本発明の実施形態における「アノード触媒層212」および「アノードガス拡散層214」が本発明における「アノード極」の一例に相当し、本発明の実施形態における「気体燃料供給部31B」が本発明における「気体燃料供給部」の一例に相当し、本発明の実施形態における「燃料供給量調整部34B」が本発明における「燃料供給量調整部」の一例に相当し、本発明の実施形態における「配管F3B」が本発明における「燃料排出流路部」の一例に相当する。
“
また、以上説明した本発明の第1の実施形態における燃料電池システム1および燃料電池2については、それぞれダイレクトメタノール型燃料電池システムおよびダイレクトメタノール型燃料電池のみに限られず、例えば、水素やヒドラジンやエタノール等を燃料としたアニオン型燃料電池等の他のタイプの燃料電池にも適用する事ができる。
また、以上説明した本発明の第2の実施形態における燃料電池システム1Bおよび燃料電池2Bについては、それぞれ水素型燃料電池システムおよび水素型燃料電池に限られず、例えば、アノード極の活物質に水素やメタン等の気体燃料を用いた直接気体供給型の燃料電池や、アノード極の活物質に用いる液体メタノール等を改質器によって変換した水素等の気体燃料を直接アノード極に供給する改質型燃料電池等の燃料電池にも適用する事ができる。
Further, the
Further, the
なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。 The embodiment described above is described for facilitating the understanding of the present invention, and is not described for limiting the present invention. Therefore, each element disclosed in the above embodiment is intended to include all design changes and equivalents belonging to the technical scope of the present invention.
以下に、本発明をより具体化した実施例及び比較例により本発明の効果を確認した。以下の実施例及び比較例は、上述した本発明の第1実施形態における燃料電池システムの性能低下の抑制効果を確認するためのものである。 Below, the effect of the present invention was confirmed by examples and comparative examples that further embody the present invention. The following examples and comparative examples are for confirming the effect of suppressing the performance degradation of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention described above.
<実施例1>
高分子電解質膜として、厚さ125μmのパーフルオロカーボンスルホン酸からなる高分子電解質膜(米国DuPont社製のNafion(商品名、登録商標))を準備した。次いで、高分子電解質膜の一方主面に、アノード触媒層を形成するための触媒インク(パーフルオロ化イオン交換重合体が添加されたイソプロピルアルコール(IPA)溶液に白金−ルテニウム触媒(白金・ルテニウムと導電性炭素粒子の質量比1:1)が分散したもの)を印刷により設けた。また、高分子電解質膜の他方主面には、カソード触媒層を形成するための触媒インク(パーフルオロ化イオン交換重合体が添加されたイソプロピルアルコール(IPA)溶液に白金触媒(白金担持量が70質量%)が分散したもの)を印刷により設けた。
次に、上記の様に触媒インクが印刷された高分子電解質膜を130℃で1時間オーブンを用いて加熱してアノード触媒層およびカソード触媒層を形成した後、アノード触媒層上に、カーボンペーパー、アノードセパレータおよびアノード集電体をこの順で積層させ、また、カソード触媒層上に、カーボンペーパー、カソードセパレータおよびカソード集電体をこの順で積層させ、単電池の燃料電池を作製した。
次に、単電池の燃料電池を図1に対して上方向に75層積層して、最上部および最下部におけるそれぞれの燃料電池において、図1に対して上下方向から2枚の樹脂板で押し付けた後、ボルトによって燃料電池および樹脂版を機械的に固定させることによって多層型の燃料電池を作製した。
<Example 1>
As the polymer electrolyte membrane, a polymer electrolyte membrane made of perfluorocarbon sulfonic acid having a thickness of 125 μm (Nafion (trade name, registered trademark) manufactured by DuPont, USA) was prepared. Next, on one main surface of the polymer electrolyte membrane, a catalyst ink for forming an anode catalyst layer (an isopropyl alcohol (IPA) solution to which a perfluorinated ion exchange polymer is added, a platinum-ruthenium catalyst (platinum / ruthenium and A conductive carbon particle having a mass ratio of 1: 1) dispersed therein was provided by printing. On the other main surface of the polymer electrolyte membrane, a catalyst for forming a cathode catalyst layer (an isopropyl alcohol (IPA) solution with a perfluorinated ion exchange polymer added to a platinum catalyst (platinum supported amount of 70 (Mass%) was dispersed by printing.
Next, the polymer electrolyte membrane printed with the catalyst ink as described above is heated at 130 ° C. for 1 hour using an oven to form an anode catalyst layer and a cathode catalyst layer, and then the carbon paper is formed on the anode catalyst layer. The anode separator and the anode current collector were laminated in this order, and the carbon paper, the cathode separator, and the cathode current collector were laminated in this order on the cathode catalyst layer to produce a single cell fuel cell.
Next, 75 layers of single-cell fuel cells are stacked in the upper direction with respect to FIG. 1, and each of the uppermost and lowermost fuel cells is pressed with two resin plates from the vertical direction with respect to FIG. After that, the fuel cell and the resin plate were mechanically fixed with bolts to produce a multilayer type fuel cell.
次に、上記で作製した多層型の燃料電池を、各配管を介して、燃料タンクおよび酸化剤供給部に接続し、さらに、配線を介して外部負荷に接続した。
次に、燃料タンクを準備し、各配管を介して、燃料タンクを外部燃料タンクおよび循環タンクに接続した。
次に、液体ポンプを準備し、以下の(1)〜(3)の各配管に接続した。
(1)燃料タンクと燃料電池のアノード流路の入口とを接続する配管
(2)燃料タンクと循環タンクとを接続する配管
(3)燃料タンクと外部燃料タンクとを接続する配管
次に、操作盤を備えたエアーポンプを準備し、燃料タンクと燃料電池のカソード流路の入口とを接続する配管に接続した。
次に、電動式バルブを準備し、燃料タンクと燃料電池のカソード流路の出口とを接続する配管に接続した。
次に、制御部として、マイクロコンピュータを準備し、上記の各種液体ポンプ、操作盤および電動式バルブに接続し、さらに、電流センサおよび電圧センサを介して、燃料電池に接続した。
以上の各構成のうち、外部燃料タンクおよび外部負荷以外の構成については、1つの筐体の中に収納して、外部燃料タンクおよび外部負荷については、上記の筐体の外部に設置する事により、燃料電池システムを作製した。以上の試験サンプルを用いて以下の試験を行った。
Next, the multilayer fuel cell produced as described above was connected to a fuel tank and an oxidant supply unit via each pipe, and further connected to an external load via wiring.
Next, a fuel tank was prepared, and the fuel tank was connected to an external fuel tank and a circulation tank via each pipe.
Next, a liquid pump was prepared and connected to each of the following pipes (1) to (3).
(1) A pipe connecting the fuel tank and the inlet of the anode passage of the fuel cell (2) A pipe connecting the fuel tank and the circulation tank (3) A pipe connecting the fuel tank and the external fuel tank An air pump equipped with a panel was prepared and connected to a pipe connecting the fuel tank and the cathode channel inlet of the fuel cell.
Next, an electric valve was prepared and connected to a pipe connecting the fuel tank and the outlet of the cathode passage of the fuel cell.
Next, a microcomputer was prepared as a control unit, connected to the above-described various liquid pumps, operation panel, and electric valve, and further connected to a fuel cell via a current sensor and a voltage sensor.
Of the above components, the components other than the external fuel tank and the external load are housed in one housing, and the external fuel tank and the external load are installed outside the housing. A fuel cell system was prepared. The following tests were conducted using the above test samples.
≪燃料電池システムの性能測定試験≫
作製した燃料電池システムにおいて、アノード極には1mol/Lのメタノール水溶液(メタノール濃度3.0%)を、カソード極には0.4L/minの空気(大気中酸素濃度21%)を供給した際の電力値[mW/cm2]を連続的に測定した。そして、この測定結果から、燃料電池システムの性能として、燃料電池システムの通電開始後からフラッディング現象の発生時までにかけて減少した燃料電池2Bの電力値の減少率を表す電力値減少率Xを下記(5)式より算出した。但し、下記(5)式において、aは燃料電池システムの通電開始後の燃料電池の電力値(mW/cm2)であり、bは燃料電池システムの通電開始後から1時間経過後に測定した燃料電池の電力値(mW/cm2)である。
≪Performance measurement test of fuel cell system≫
In the prepared fuel cell system, when 1 mol / L methanol aqueous solution (methanol concentration 3.0%) was supplied to the anode electrode and 0.4 L / min air (
また、燃料電池システムの性能として、燃料電池システムの起動後12分経過後から1時間経過後までに測定した燃料電池の平均電力値(以下、単に平均電力値と定義する。)からのばらつきの大きさを表す燃料電池の電力値の標準偏差σを下記(6)式より算出した。但し、下記(6)式において、nは電力値の測定数、x_iはある測定点1点における燃料電池の電力値(mW/cm2)であり、μは燃料電池システムの起動後12分経過後から1時間経過後までに測定した燃料電池の平均電力値(mW/cm2)である。 Further, as the performance of the fuel cell system, variation from the average power value of the fuel cell (hereinafter, simply defined as the average power value) measured from 12 minutes after the start of the fuel cell system until 1 hour has elapsed. The standard deviation σ of the power value of the fuel cell representing the size was calculated from the following equation (6). However, in the following formula (6), n is the number of measured power values, x_i is the power value (mW / cm 2 ) of the fuel cell at one measurement point, and μ is 12 minutes after the start of the fuel cell system. It is an average power value (mW / cm 2 ) of the fuel cell measured after 1 hour from the end.
これにより、上記の電力値減少率および電力値の標準偏差の結果から、燃料電池システムの性能低下の抑制効果を評価した。
なお、実施例1では、以下の運転条件で燃料電池システムを運転させた。
すなわち、運転時間は1時間とした。また、制御部は、運転開始から6分後にカソード極でフラッディング現象が発生したと判断し、その後、カソード極の入口に供給される空気の圧力が運転開始時から1時間経過後において1kPa上昇する様に、電動式バルブに制御信号を送信して、燃料タンクと燃料電池のカソード流路の入口とを接続する配管の延伸方向に対して垂直方向に沿って示す断面積が電動式バルブを閉める前の断面積の約50%の面積に到達するまで電動式バルブを徐々に閉める様、制御した。また、それと同時に、制御部は、エアーポンプの操作盤に制御信号を送信して、エアーポンプの出力が上昇する様に制御した。以上の2つの制御によって、空気の供給量がフラッディング現象が発生する前の状態から同一の状態を保てる様、調整した。測定結果を図9、表1および表2に示す。
Thereby, the suppression effect of the performance degradation of the fuel cell system was evaluated from the results of the power value reduction rate and the standard deviation of the power value.
In Example 1, the fuel cell system was operated under the following operating conditions.
That is, the operation time was 1 hour. Further, the control unit determines that a flooding phenomenon has occurred at the cathode electrode 6 minutes after the start of operation, and then the pressure of the air supplied to the inlet of the cathode electrode increases by 1 kPa after 1 hour from the start of operation. Similarly, the control signal is transmitted to the electric valve, and the cross section shown along the direction perpendicular to the extending direction of the pipe connecting the fuel tank and the inlet of the cathode flow path of the fuel cell closes the electric valve. The motorized valve was controlled to close gradually until an area of about 50% of the previous cross-sectional area was reached. At the same time, the control unit transmits a control signal to the operation panel of the air pump to control the output of the air pump to increase. By the above two controls, the air supply amount was adjusted so as to keep the same state from the state before the flooding phenomenon occurred. The measurement results are shown in FIG.
図9は、本発明の実施例における燃料電池の電力値と燃料電池システムの起動後の経過時間との関係を示したグラフである。 FIG. 9 is a graph showing the relationship between the power value of the fuel cell and the elapsed time after startup of the fuel cell system in the example of the present invention.
<比較例1>
実施例1の比較例として、上記の運転条件にて、電動式バルブを制御しなかった事およびエアーポンプの出力を制御しなかった事以外は実施例1と同様にして試験サンプルをそれぞれ作製し、電力値測定試験を行った。測定結果を図9、表1および表2に示す。
<Comparative Example 1>
As a comparative example of Example 1, test samples were prepared in the same manner as in Example 1 except that the electric valve was not controlled and the output of the air pump was not controlled under the above operating conditions. A power value measurement test was conducted. The measurement results are shown in FIG.
<比較例2>
実施例1の比較例として、上記の運転条件にて、エアーポンプの出力を制御しなかった事以外は実施例1と同様にして試験サンプルをそれぞれ作製し、電力値測定試験を行った。測定結果を図9、表1および表2に示す。
<Comparative example 2>
As a comparative example of Example 1, test samples were prepared in the same manner as in Example 1 except that the output of the air pump was not controlled under the above operating conditions, and a power value measurement test was performed. The measurement results are shown in FIG.
<比較例3>
実施例1の比較例として、上記の運転条件にて、電動式バルブを制御しなかった事以外は実施例1と同様にして試験サンプルをそれぞれ作製し、電力値測定試験を行った。測定結果を図9、表1および表2に示す。
<Comparative Example 3>
As a comparative example of Example 1, test samples were respectively produced in the same manner as in Example 1 except that the electric valve was not controlled under the above operating conditions, and a power value measurement test was performed. The measurement results are shown in FIG.
また、図9および表1に示すように、実施例1については、比較例1〜3と比べて、最も電力値減少率が低かった。また、図9および表2に示すように、実施例1については、比較例1〜3と比べて、最も電力値の標準偏差が小さかった。
以上により、実施例1については、燃料電池システムの性能低下の抑制効果が優れることが分かった。
一方、図9および表1に示すように、比較例1、比較例2および比較例3については、実施例1と比べて、電力値減少率が高かった。また、図9および表2に示すように、比較例1、比較例2および比較例3については、実施例1と比べて、電力値の標準偏差が大きかった。
以上により、比較例1、比較例2および比較例3については、実施例1と比べて、燃料電池システムの性能低下の抑制効果が劣ることが分かった。
Moreover, as shown in FIG. 9 and Table 1, about Example 1, the electric power value reduction rate was the lowest compared with Comparative Examples 1-3. Moreover, as shown in FIG. 9 and Table 2, in Example 1, the standard deviation of the power value was the smallest as compared with Comparative Examples 1 to 3.
As mentioned above, about Example 1, it turned out that the suppression effect of the performance fall of a fuel cell system is excellent.
On the other hand, as shown in FIG. 9 and Table 1, Comparative Example 1, Comparative Example 2, and Comparative Example 3 had a higher power value reduction rate than Example 1. Further, as shown in FIG. 9 and Table 2, in Comparative Example 1, Comparative Example 2, and Comparative Example 3, the standard deviation of the power value was larger than that in Example 1.
From the above, it was found that Comparative Example 1, Comparative Example 2, and Comparative Example 3 were inferior in the effect of suppressing the performance degradation of the fuel cell system as compared with Example 1.
ここで、上記の結果が得られたのは以下の理由によるものと考えられる。
すなわち、実施例1に係る燃料電池システムについては、制御部が、フラッディング現象が発生する前の通常運転時における空気の供給量と同一の状態を保ちつつ、以下の制御1、2を同時に行った事により、燃料タンクと燃料電池のカソード流路の出口とを接続する配管内における圧力の安定性を保つことが可能となるので、燃料電池における電力値の変動が起こりにくくなった事に起因するためと考えられる。
ここで、制御1としては、制御部が、フラッディング現象が発生したと判断される場合、エアーポンプにおける空気の供給量が増加する様にエアーポンプの出力を上げる制御を行った事が挙げられる。
また、制御2としては、制御部が、燃料タンクと燃料電池のカソード流路の出口とを接続する配管に設けられた電動式バルブを閉める制御を行った事が挙げられる。
一方、比較例1に係る燃料電池システムについては、電力値減少率が実施例1よりも高くなっているが、これは、上記制御1および制御2を行わなかった事により、フラッディング現象を解消できず、生成された過剰生成水によってカソード触媒層への空気の供給が阻害され、燃料電池の還元反応が十分に行われずに、電力値が顕著に小さくなった事に起因するためと考えられる。また、電力値の標準偏差が実施例1よりも高くなっているが、これは、上記制御1および制御2を行わなかった事により、フラッディング現象を解消できず、燃料タンクと燃料電池のカソード流路の出口とを接続する配管内における圧力の安定性を保つことができなくなり、燃料電池における電力値の変動を抑制できなかった事に起因するためと考えられる。
また、比較例2に係る燃料電池システムについては、電力値減少率が実施例1よりも高くなっているが、これは、上記制御1を行わなかった事により、燃料タンクと燃料電池のカソード流路の出口とを接続する配管内において、時間と共に圧力損失が上昇した。これにより、時間と共に空気の供給量が小さくなる事から、燃料電池の還元反応が十分に行われずに、電力値が顕著に小さくなった事に起因するためと考えられる。また、電力値の標準偏差が実施例1よりも高くなっているが、これは、上記制御1を行わなかった事により、フラッディング現象を十分に解消できず、燃料タンクと燃料電池のカソード流路の出口とを接続する配管内における圧力の安定性を保つことができなくなり、燃料電池における電力値の変動を抑制できなかった事に起因するためと考えられる。
また、比較例3に係る燃料電池システムについては、電力値減少率が実施例1よりも高くなっているが、これは、上記制御2を行わなかった事により、燃料電池システムの運転開始直後から、カソード極に供給される空気の供給量が時間と共に大きくなり、燃料電池の還元反応が一層促進された為、燃料電池の酸化還元反応が一層促進された状態となった事から、燃料電池システムの運転開始直後数分間において電力値が急激に上昇した。しかし、燃料電池の還元反応が一層促進される為、過剰生成水の生成量が増加し、燃料電池の還元反応を抑制する事から、その後は、電力値が急激に下降した事に起因するためと考えられる。また、電力値の標準偏差が実施例1よりも高くなっているが、これは、上記制御2を行わなかった事により、カソード極に供給される空気の供給量が時間と共に大きくなるため、燃料電池の還元反応が一層促進され、過剰生成水の生成量が増加する事で、燃料タンクと燃料電池のカソード流路の出口とを接続する配管内が過剰生成水によって閉塞されやすくなる。このことから、上記配管内における圧力の安定性を保つことができなくなり、燃料電池における電力値の変動を抑制できなかった事に起因するためと考えられる。
Here, it is considered that the above result was obtained for the following reason.
That is, for the fuel cell system according to Example 1, the control unit simultaneously performed the following
Here, as the
Further, as the
On the other hand, in the fuel cell system according to Comparative Example 1, the power value decrease rate is higher than that in Example 1, but this can eliminate the flooding phenomenon because the
Further, in the fuel cell system according to Comparative Example 2, the power value reduction rate is higher than that in Example 1. This is because the
Moreover, although the electric power value decreasing rate is higher than Example 1 about the fuel cell system which concerns on the comparative example 3, this is because the said
以上のように、実施例1に係る燃料電池システムにおいては、燃料電池システムの性能低下の抑制効果が確認された。 As described above, in the fuel cell system according to Example 1, the effect of suppressing the performance degradation of the fuel cell system was confirmed.
1,1B … 燃料電池システム
2,2B … 燃料電池
21 … 膜電極接合体
211 … 電解質膜
212 … アノード触媒層
213 … カソード触媒層
214 … アノードガス拡散層
215 … カソードガス拡散層
216A,216B…補強層
22…アノード集電体
23…カソード集電体
24 … アノードセパレータ
241 … アノード流路の入口
242 … アノード流路の出口
25 … カソードセパレータ
251 … カソード流路の入口
252 … カソード流路の出口
26…アノード流路
27…カソード流路
28,29…ガスケット
31 … 燃料タンク
31B … 気体燃料供給部
32 … フィルタ
33 … 酸化剤供給部
34 … 酸化剤供給量調整部
34B … 燃料供給量調整部
35,35B … 流路開放度調整部
36 … 凝縮部
37 … 循環タンク
38,36B … 制御部
F1〜F8,F1B,F3B,F4B … 配管
G1〜G3 … ポンプ
40 … 外部燃料タンク
41 … 外部負荷
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記燃料電池のカソード極に酸化剤を供給する酸化剤供給部と、
前記酸化剤供給部に設けられ、前記酸化剤の供給量を調整する酸化剤供給量調整部と、
前記カソード極と接続され、少なくとも前記酸化剤が排出される酸化剤排出流路部と、
前記酸化剤排出流路部に設けられ、前記酸化剤排出流路部の流路開放度を調整する流路開放度調整部と、
前記カソード極に接続され、前記酸化剤供給量調整部および前記流路開放度調整部を制御する制御部と、
を有する燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記燃料電池の通常運転時において、前記カソード極でフラッディング現象が発生しているか否かを判定し、フラッディング現象が発生したと判断される場合、前記酸化剤の供給量が増加する様に前記酸化剤供給量調整部を制御する酸化剤供給量増加制御を行い、さらに、前記通常運転時における前記酸化剤の供給量と同程度の量を保ちつつ、前記酸化剤排出流路部の流路開放度が減少する様に前記流路開放度調整部を制御する流路開放度減少制御を前記酸化剤供給量増加制御と同時に行い、燃料電池システムの運転状態を前記通常運転からフラッディング現象を低減させるフラッディング現象低減運転へ移行させる事を特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell;
An oxidant supply unit for supplying an oxidant to the cathode of the fuel cell;
An oxidant supply amount adjusting unit that is provided in the oxidant supply unit and adjusts the supply amount of the oxidant;
An oxidant discharge passage part connected to the cathode electrode and discharging at least the oxidant;
A channel opening degree adjusting unit that is provided in the oxidant discharging channel unit and adjusts the channel opening degree of the oxidant discharging channel unit;
A control unit connected to the cathode electrode and controlling the oxidant supply amount adjustment unit and the flow path opening degree adjustment unit;
A fuel cell system comprising:
The controller determines whether or not a flooding phenomenon has occurred at the cathode electrode during normal operation of the fuel cell. If it is determined that a flooding phenomenon has occurred, the supply amount of the oxidant increases. In this way, the oxidant supply flow rate adjusting unit is controlled to increase the oxidant supply amount, and the oxidant discharge flow path is maintained while maintaining the same amount as the oxidant supply amount during the normal operation. The flow rate opening degree decrease control for controlling the flow rate opening degree adjustment unit is performed simultaneously with the oxidant supply amount increase control so that the flow rate degree of the flow path of the unit decreases, and the operation state of the fuel cell system is changed from the normal operation. A fuel cell system that shifts to a flooding phenomenon reduction operation that reduces the flooding phenomenon.
前記酸化剤供給量増加制御および前記流路開放度減少制御を行ってから所定時間が経過した後、前記制御部が、前記酸化剤の供給量および前記酸化剤排出流路部の流路開放度が前記通常運転時と同程度になるまで、前記酸化剤の供給量が減少する様に前記酸化剤供給量調整部を制御する酸化剤供給量減少制御および前記酸化剤排出流路部の流路開放度が増加する様に前記流路開放度調整部を制御する流路開放度増加制御を行い、燃料電池システムの運転状態を前記フラッディング現象低減運転から前記通常運転へ移行させることを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1,
After a predetermined time has elapsed since the oxidant supply amount increase control and the flow path opening degree decrease control have been performed, the control unit is configured to supply the oxidant supply amount and the flow degree of the oxidant discharge flow path unit. The oxidant supply amount reduction control for controlling the oxidant supply amount adjustment unit so that the supply amount of the oxidant is reduced until the oxidant supply amount decreases to the same level as in the normal operation, and the flow path of the oxidant discharge flow path unit The flow rate opening degree increasing control is performed to control the flow rate opening degree adjusting unit so that the opening degree increases, and the operation state of the fuel cell system is shifted from the flooding phenomenon reducing operation to the normal operation. Fuel cell system.
前記制御部が、前記フラッディング現象低減運転時における前記酸化剤の供給量と同程度の量を保ちつつ、前記酸化剤供給量減少制御および前記流路開放度増加制御を同時に行うことを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 2, wherein
The control unit simultaneously performs the oxidant supply amount decrease control and the flow path opening degree increase control while maintaining the same amount as the oxidant supply amount during the flooding phenomenon reduction operation. Fuel cell system.
前記酸化剤供給量増加制御および前記流路開放度減少制御を行ってから所定時間が経過した後、前記制御部が、前記酸化剤の供給が停止する様に前記酸化剤供給量調整部を制御する酸化剤供給停止制御および前記酸化剤排出流路部の流路開放度が増加する様に前記流路開放度調整部を制御する流路開放度増加制御を行った後、所定時間が経過した際に、前記酸化剤の供給量および前記酸化剤排出流路部の流路開放度が前記通常運転時と同程度になるまで、前記酸化剤の供給量が増加する様に前記酸化剤供給量調整部を制御する酸化剤供給量増加制御および前記酸化剤排出流路部の流路開放度が減少する様に前記流路開放度調整部を制御する流路開放度減少制御を行い、燃料電池システムの運転状態を前記フラッディング現象低減運転から前記通常運転へ移行させることを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1,
After a predetermined time has elapsed since the oxidant supply amount increase control and the flow path opening degree decrease control have been performed, the control unit controls the oxidant supply amount adjustment unit so that the supply of the oxidant is stopped. A predetermined time has elapsed after performing the oxidant supply stop control and the flow rate opening degree increasing control for controlling the flow rate opening degree adjusting unit so that the flow rate opening degree of the oxidant discharge flow path portion increases. In this case, the oxidant supply amount is increased so that the oxidant supply amount is increased until the supply amount of the oxidant and the degree of openness of the oxidant discharge flow path portion are the same as those during the normal operation. An oxidant supply amount increase control for controlling the adjusting unit and a channel open degree decreasing control for controlling the channel open degree adjusting unit so as to reduce the channel open degree of the oxidant discharge channel unit are performed, and a fuel cell The operating state of the system is changed from the flooding phenomenon reducing operation Fuel cell system, characterized in that shifting the normally operating.
前記制御部が、前記酸化剤供給停止制御および前記流路開放度増加制御を同時に行うか、もしくは酸化剤供給停止制御を流路開放度増加制御よりも後に行うことを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 4, wherein
The fuel cell system, wherein the controller performs the oxidant supply stop control and the flow path opening degree increase control at the same time, or performs the oxidant supply stop control after the flow path open degree increase control.
前記制御部が、前記フラッディング現象低減運転時における前記酸化剤の供給量と同程度の量を保ちつつ、前記酸化剤供給量増加制御および前記流路開放度減少制御を同時に行うことを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 4 or 5, wherein
The control unit simultaneously performs the oxidant supply amount increase control and the flow path opening degree decrease control while maintaining the same amount as the oxidant supply amount during the flooding phenomenon reduction operation. Fuel cell system.
前記制御部が、前記流路開放度増加制御において、前記酸化剤排出流路部の流路開放度が最大になるまで前記流路開放度調整部を制御することを特徴とする燃料電池システム。 It is a fuel cell system as described in any one of Claims 4-6,
The fuel cell system, wherein the control unit controls the channel opening degree adjusting unit until the channel opening degree of the oxidant discharge channel unit becomes maximum in the channel opening degree increase control.
前記燃料電池のアノード極に気体燃料を供給する気体燃料供給部と、
前記気体燃料供給部に設けられ、前記気体燃料の供給量を調整する燃料供給量調整部と、
前記アノード極と接続され、少なくとも前記気体燃料が排出される燃料排出流路部と、
前記燃料排出流路部に設けられ、前記燃料排出流路部の流路開放度を調整する流路開放度調整部と、
前記アノード極に接続され、前記燃料供給量調整部および前記流路開放度調整部を制御する制御部と、
を有する燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記燃料電池の通常運転時において、前記アノード極でフラッディング現象が発生しているか否かを判定し、フラッディング現象が発生したと判断される場合、前記通常運転時における前記気体燃料の供給量と同程度の量を保ちつつ、前記気体燃料の供給量が増加する様に前記燃料供給量調整部を制御する燃料供給量増加制御および前記燃料排出流路部の流路開放度が減少する様に前記流路開放度調整部を制御する流路開放度減少制御を同時に行い、燃料電池システムの運転状態を前記通常運転からフラッディング現象低減運転へ移行させる事を特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell;
A gaseous fuel supply unit for supplying gaseous fuel to the anode electrode of the fuel cell;
A fuel supply amount adjustment unit that is provided in the gaseous fuel supply unit and adjusts the supply amount of the gaseous fuel;
A fuel discharge channel connected to the anode electrode and discharging at least the gaseous fuel;
A flow path opening degree adjusting section provided in the fuel discharge flow path section for adjusting a flow opening degree of the fuel discharge flow path section;
A control unit connected to the anode electrode and controlling the fuel supply amount adjustment unit and the flow path opening degree adjustment unit;
A fuel cell system comprising:
The control unit determines whether or not a flooding phenomenon has occurred at the anode electrode during normal operation of the fuel cell, and when it is determined that a flooding phenomenon has occurred, the gaseous fuel during the normal operation is determined. The fuel supply amount increase control for controlling the fuel supply amount adjustment unit so that the supply amount of the gaseous fuel is increased while maintaining the same amount as the supply amount of A fuel cell system characterized by simultaneously performing flow path openness reduction control for controlling the flow path openness adjusting unit so as to decrease, and shifting the operating state of the fuel cell system from the normal operation to the flooding phenomenon reducing operation. .
前記燃料供給量増加制御および前記流路開放度減少制御を行ってから所定時間が経過した後、前記制御部が、前記気体燃料の供給量および前記燃料排出流路部の流路開放度が前記通常運転時と同程度になるまで、前記気体燃料の供給量が減少する様に前記燃料供給量調整部を制御する燃料供給量減少制御および前記燃料排出流路部の流路開放度が増加する様に前記流路開放度調整部を制御する流路開放度増加制御を行い、燃料電池システムの運転状態を前記フラッディング現象低減運転から前記通常運転へ移行させることを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 8, wherein
After a predetermined time has elapsed since the fuel supply amount increase control and the flow path opening degree decrease control have been performed, the control unit determines that the supply amount of the gaseous fuel and the flow path open degree of the fuel discharge flow path portion are The fuel supply amount decrease control for controlling the fuel supply amount adjustment unit and the degree of openness of the fuel discharge passage unit increase so that the supply amount of the gaseous fuel decreases until the same level as during normal operation. In this way, the fuel cell system is characterized in that the flow rate opening degree increasing control for controlling the flow rate opening degree adjusting unit is performed to shift the operation state of the fuel cell system from the flooding phenomenon reducing operation to the normal operation.
前記制御部が、前記フラッディング現象低減運転時における前記酸化剤の供給量と同程度の量を保ちつつ、前記燃料供給量減少制御および前記流路開放度増加制御を同時に行うことを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 9, wherein
The control unit simultaneously performs the fuel supply amount decrease control and the flow path opening degree increase control while maintaining the same amount as the supply amount of the oxidant during the flooding phenomenon reduction operation. Battery system.
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