JP2021128924A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
Description
[1]電解質膜を燃料極及び酸化剤極で挟み込み、前記燃料極の水素供給部に水素を供給し、前記酸化剤極の気体供給部に酸素を含む気体を供給して発電を行う燃料電池セルと、
前記燃料電池セルを覆って配置され、内部に水素を充てん可能に構成された水素被覆部と、
前記水素被覆部に水素を導入する水素導入部と
を備える燃料電池システム。
前記水素被覆部の内部空間が、前記水素供給部と連通しており、
前記水素導入部から前記水素被覆部に水素を導入することにより、前記水素供給部に水素が供給される、上記[1]に記載の燃料電池システム。
前記ポートの上流側端部が、前記吸湿部材に当接するか又はその近傍に配置される、上記[5]に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池セルに接続された負荷への通電時間と電流値の積に基づいて前記水回収タンクが切り替えられる、上記[1]に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池セルの温調を行う温度調節部と、を更に備える、上記[1]に記載の燃料電池システム。
図1は、本発明の第1実施形態に係る燃料電池の制御方法が適用される燃料電池システムの構成の一例を概略的に示す図であり、図2(a)は、図1のセパレータの水素供給部、及び酸素供給部(気体供給部)の一例を示す側面図である。尚、以下の説明で用いる図面は、特徴を分かりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の形状、寸法比率等は図示するものに限らないものとする。
燃料電池装置2には、燃料電池スタック21が設けられている。燃料電池スタック21は、電解質膜22、燃料極23、酸化剤極24、水素供給部25、酸素供給部26で構成された燃料電池セル21Aをセパレータ27(図2(a)参照)で複数積層させることで構成されている。本実施形態では、説明の便宜上、燃料電池スタック21が1つの燃料電池セル21Aで構成される場合を示している。
図11は、本発明の第2実施形態に係る、水素被覆部を有する燃料電池システムの構成を概略的に示す図である。図11の燃料電池システム1は、主に水素被覆部を有する点で、図1の燃料電池システム1と異なる。図11の燃料電池システム1の構成は、図1の燃料電池システム1の構成と基本的に同じであり、以下に異なる部分を説明する。
図12に示すように、本変形例の燃料電池装置2は、水素被覆部71と、水素導入部72と、水素被覆部71から水素を排出する水素排出部75とを備える。水素被覆部71の内部空間Aは、水素供給部25と連通しており(図11)、水素導入部72から水素被覆部71に水素を導入することにより、水素供給部25に水素が供給される。すなわち、図12の燃料電池装置2では、水素導入部72、水素被覆部71の内部空間A及び水素排出部75によって一の水素ガス系統が設けられており、この水素ガス系統によって水素被覆部71に水素が供給されると共に、水素供給部25に水素が供給される。
また、吸湿部材78の配置位置を含む部分を冷却して、水素被覆部71の他の部分よりも相対的に低温となるように構成されてもよい。これにより、吸湿部材78で水が生成され易くなり、水がキャピラリポート73から排出される際の水素の排出量を更に少なくすることができる。
燃料電池スタック21の温調は、特に制限されないが、例えば水冷式である。水冷式の温調では、燃料電池装置2の発電によって生成された水を使用することができる。
制御部3或いは温度調節部82は、電圧測定部6から送信された燃料電池スタック21の電圧Vの測定値に基づいて、燃料電池スタック21の温調を行ってもよい。また、制御部3或いは温度調節部82は、燃料電池スタック21の電圧Vの測定値を、データロガー等の記録媒体に読出し可能に記録してもよい。
図4は、図1の燃料電池システム1で実行される燃料電池装置2の起動制御の一例を示すフローチャートである。図5は、図4の燃料電池装置2の起動制御を実行した際の各部の状態変化を示すタイミングチャートである。本起動制御の各工程は、制御部3によって実行することができる。
先ず、燃料電池装置2の発電開始時に、燃料極23の水素供給部25及び酸化剤極24の酸素供給部26を減圧する(ステップS11、図5の時刻t1)。例えば、宇宙空間では、水素排出路43及び酸素排出路53をパージすることで、水素供給部25及び酸素供給部26を減圧することができる。また、大気圧下では、水素排出路43及び酸素排出路53に不図示のポンプ等を設けることにより、水素供給部25及び酸素供給部26を減圧することができる。これにより、水素供給部25内の残留水素が排出され、また、酸素供給部26内の残留酸素が排出される。また、後述するように、燃料電池装置2を保管する際に、水素供給部25及び酸素供給部26のそれぞれに不活性ガスなどの気体が充てんされていた場合、それらの気体が排出される。
燃料極23と酸化剤極24との間の電圧が基準電圧Vs1未満である場合(ステップ13:NO)、ステップS12に戻り、水素供給部25への水素供給を継続する。なお、水素供給部25への水素供給を予め定めた所定時間以上継続しても、電圧が基準電圧Vs1未満である場合は、燃料電池システム1に障害が発生したと判断し、起動制御を中断する。
燃料極23と酸化剤極24との間のインピーダンスZが所定の閾値Zsを越える場合(ステップS16:NO)、ドライアウトが発生していると判断して、酸素循環量を下げる。また、インピーダンスZが閾値Zs以下である場合であっても、電圧が上記基準電圧Vs1よりも低い所定値を下回る場合は、フラッディングが発生したと判断して、酸素循環量を上げることができる。
図6は、図1の燃料電池システム1で実行される燃料電池装置2の定常運転制御の一例を示すフローチャートである。図7は、図6の燃料電池装置2の定常運転制御を実行した際の各部の状態変化を示すタイミングチャートである。本定常運転制御の各工程は、上記起動制御と同様、制御部3によって実行することができる。
先ず、燃料電池装置2の定常運転時に、燃料極23と酸化剤極24との間のインピーダンスZが所定の閾値よりも大きいか否かを判定する(ステップS21)。インピーダンスZの所定の閾値は、例えば、上記と同様に1kHz(固定値)として計測してもよいし、10mHz〜1kHzの間での適切な3点程度のインピーダンスに基づいて設定してもよい。上記所定の閾値を3点程度のインピーダンスに基づいて設定する場合、例えば、燃料電池装置2の健全な状態にて、インピーダンスデータ(ナイキスト線図)を取得し、典型的なインピーダンスを示す周波数3点を決定し、その際のインピーダンスを用いて上記所定の閾値を決定することができる。
図8は、定常運転時における燃料電池装置2の緊急停止制御の一例を示すフローチャートである。本緊急停止制御は、上記定常運転制御と並行して、又は単独で実行される。本緊急停止方法の各工程は、上記定常運転制御と同様、制御部3によって実行することができる。
本緊急停止制御では、燃料電池装置2の異常発生として、燃料電池装置2の燃料電池スタック21の温度Tfが所定の閾値よりも大きい場合(ステップS31;YES)、水素供給部25で酸素を検出した場合(ステップS32;YES)、又は、燃料極23と酸化剤極24との間の電圧Vが所定の第2閾値よりも小さい場合(ステップS33;YES)に実行される。
図9は、図1の燃料電池システム1で実行される燃料電池装置2の終了制御の一例を示すフローチャートである。図10は、図8の燃料電池装置2の終了制御を実行した際の各部の状態変化を示すタイミングチャートである。本終了制御の各工程は、上記起動運転と同様、制御部3によって実行することができる。
水素供給部25及び酸素供給部26に充てんされた水素等は、次回の起動時に、上記起動制御のステップS11(図4)で行われる減圧により、外部に排出することができる。
また、本燃料電池装置で行われる水素の酸化反応と、水の分解反応とを組み合わせることにより、可逆的に発電を繰り返して行うことが可能となり、非常に有用な再生型燃料電池システムを構築することができる。特に、地上用では、再生可能エネルギーの貯蔵、運搬用水素製造に上記システムを適用することができる。
2 燃料電池装置
3 制御部
4 負荷
5 インピーダンス測定部
6 電圧測定部
7 電流測定部
8 バッテリ
21 燃料電池スタック
21A 燃料電池セル
22 電解質膜
23 燃料極
24 酸化剤極
25 水素供給部
26 酸素供給部
27 セパレータ
28 水素供給口
29 酸素排出口
30 水素排出口
31 酸素供給口
32 燃料極側部分
33 酸化剤極側部分
34 水素入口
35 水素出口
36 酸素入口
37 酸素出口
38A 流路パターン
38B 流路パターン
39A 流路パターン
38B 流路パターン
41 水素供給源
41A 水素タンク
42 水素導入路
43 水素排出路
44 三方弁
45 連結流路
46 水素圧測定部
47 弁
51 酸素供給源
51B 酸素タンク
52 酸素導入路
53 酸素排出路
54 弁
55 気体圧測定部
56 三方弁
57 循環路
58 循環ポンプ
59 圧力調整部
60 流量測定部
61 凝縮器
62 除湿器
63 水回収タンク
71 水素被覆部
72 水素導入部
73 キャピラリポート
73a 下流側先端部
73b 上流側端部
74 パージポート
75 水素排出部
76 水素供給側部分
76a 溝
77 中性子遮蔽部材
78 吸湿部材
81 温度測定部
82 温度調節部
Claims (13)
- 電解質膜を燃料極及び酸化剤極で挟み込み、前記燃料極の水素供給部に水素を供給し、前記酸化剤極の気体供給部に酸素を含む気体を供給して発電を行う燃料電池セルと、
前記燃料電池セルを覆って配置され、内部に水素を充てん可能に構成された水素被覆部と、
前記水素被覆部に水素を導入する水素導入部と、
を備える燃料電池システム。 - 前記水素被覆部から水素を排出する水素排出部を更に備え、
前記水素被覆部の内部空間が、前記水素供給部と連通しており、
前記水素導入部から前記水素被覆部に水素を導入することにより、前記水素供給部に水素が供給される、請求項1に記載の燃料電池システム。 - 前記水素被覆部と前記燃料電池セルとの間に設けられた中性子遮蔽部材を更に備える、請求項1に記載の燃料電池システム。
- 前記中性子遮蔽部材は、重金属を含有する材料で構成される、請求項3に記載の燃料電池システム。
- 前記燃料電池セルと連通し、前記燃料電池セル内で生成した水を前記水素被覆部の外部に排出するポートを更に備える、請求項1に記載の燃料電池システム。
- 前記ポートの下流側端部が、キャピラリ形状を有する、請求項5に記載の燃料電池システム。
- 前記燃料電池セルに取り付けられた吸湿部材を更に備え、
前記ポートの上流側端部が、前記吸湿部材に当接するか又はその近傍に配置される、請求項5に記載の燃料電池システム。 - 前記水素被覆部内が水素によって加圧された状態で保持される、請求項1に記載の燃料電池システム。
- 前記気体供給部の気体排出路に接続され、一の水回収タンクから他の水回収タンクに切り替え可能に構成された除湿器を更に備え、
前記燃料電池セルに接続された負荷への通電時間と電流値の積に基づいて前記水回収タンクが切り替えられる、請求項1に記載の燃料電池システム。 - 前記燃料電池セルの温度を測定する温度測定部と、
前記燃料電池セルの温調を行う温度調節部と、を更に備える、請求項1に記載の燃料電池システム。 - 前記燃料電池セルに電気的に並列接続されたバッテリを更に備える、請求項1に記載の燃料電池システム。
- 前記燃料極、前記電解質膜及び前記酸化剤極が、鉛直方向に沿ってこの順に積層される、請求項1に記載の燃料電池システム。
- 前記燃料極が、前記電解質膜の下方に配置される、請求項12に記載の燃料電池システム。
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