JP2022056862A - 燃料電池システム - Google Patents
燃料電池システム Download PDFInfo
- Publication number
- JP2022056862A JP2022056862A JP2020164836A JP2020164836A JP2022056862A JP 2022056862 A JP2022056862 A JP 2022056862A JP 2020164836 A JP2020164836 A JP 2020164836A JP 2020164836 A JP2020164836 A JP 2020164836A JP 2022056862 A JP2022056862 A JP 2022056862A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- gas
- relative humidity
- fuel
- fuel cell
- cathode
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims abstract description 245
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 326
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 claims abstract description 255
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 claims abstract description 243
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 claims abstract description 224
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract description 9
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 66
- 239000003507 refrigerant Substances 0.000 description 39
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 28
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 25
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 19
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 18
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 15
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 13
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 12
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 11
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 11
- 238000000034 method Methods 0.000 description 11
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 10
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 10
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 10
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 9
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 9
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 8
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 8
- 230000002000 scavenging effect Effects 0.000 description 8
- LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N Ethylene glycol Chemical compound OCCO LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000012495 reaction gas Substances 0.000 description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 5
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 4
- 230000006870 function Effects 0.000 description 4
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 4
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 4
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 3
- 239000000498 cooling water Substances 0.000 description 3
- 239000005518 polymer electrolyte Substances 0.000 description 3
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 3
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229920000557 Nafion® Polymers 0.000 description 2
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- -1 for example Substances 0.000 description 2
- 238000007710 freezing Methods 0.000 description 2
- 230000008014 freezing Effects 0.000 description 2
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 2
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 2
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 description 2
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 1
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N Dioxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N Fluorine atom Chemical compound [F] YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N Lithium ion Chemical compound [Li+] HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001260 Pt alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 1
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 1
- 239000003518 caustics Substances 0.000 description 1
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 1
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 238000009795 derivation Methods 0.000 description 1
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 239000000284 extract Substances 0.000 description 1
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 1
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 description 1
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 description 1
- UQSQSQZYBQSBJZ-UHFFFAOYSA-N fluorosulfonic acid Chemical compound OS(F)(=O)=O UQSQSQZYBQSBJZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002828 fuel tank Substances 0.000 description 1
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 1
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 1
- 239000012466 permeate Substances 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 239000005871 repellent Substances 0.000 description 1
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000008400 supply water Substances 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
- H01M8/04828—Humidity; Water content
- H01M8/04835—Humidity; Water content of fuel cell reactants
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
- H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
- H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
- H01M8/04492—Humidity; Ambient humidity; Water content
- H01M8/045—Humidity; Ambient humidity; Water content of anode reactants at the inlet or inside the fuel cell
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
- H01M8/04492—Humidity; Ambient humidity; Water content
- H01M8/04507—Humidity; Ambient humidity; Water content of cathode reactants at the inlet or inside the fuel cell
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
Description
本発明は、トヨタ自動車株式会社と国立大学法人東京工業大学と米国エネルギー省のために運営されているローレンスバークレー国立研究所との間の共同研究開発契約(Cooperative Research and Development Agreement: CRADA)第FP00004340号に基づいて行われた。政府は本発明についての一定の権利を有する。
この燃料電池の単セルは、通常、膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)と、必要に応じて当該膜電極接合体の両面を挟持する2枚のセパレータにより構成される。
膜電極接合体は、プロトン(H+)伝導性を有する固体高分子型電解質膜(以下、単に「電解質膜」とも呼ぶ)の両面に、それぞれ、触媒層及びガス拡散層が順に形成された構造を有している。そのため、膜電極接合体は、膜電極ガス拡散層接合体(MEGA)と称される場合がある。
セパレータは、通常、ガス拡散層に接する面に反応ガスの流路としての溝が形成された構造を有している。なお、このセパレータは発電した電気の集電体としても機能する。
燃料電池の燃料極(アノード)では、ガス流路及びガス拡散層から供給される水素が触媒層の触媒作用によりプロトン化し、電解質膜を通過して酸化剤極(カソード)へと移動する。同時に生成した電子は、外部回路を通って仕事をし、カソードへと移動する。カソードに供給される酸素は、カソード上でプロトンおよび電子と反応し、水を生成する。
生成した水は、電解質膜に適度な湿度を与え、余剰な水はガス拡散層を透過して、系外へと排出される。
例えば特許文献1では、燃料電池のアノード入口における燃料ガスの相対湿度(RH)が燃料電池のカソード入口における酸化剤ガスの相対湿度よりも高くなるように湿度調整手段を制御する制御手段が開示されている。
本開示によれば、アノード入口における燃料ガスの相対湿度が、カソード出口における酸化剤ガスの相対湿度よりも高くなるように制御を行うことが可能となり、燃料電池から高い出力特性を得ることができる。
また、本開示によれば、アノード入口における燃料ガスの相対湿度が、カソード出口における酸化剤ガスの相対湿度よりも高くなるように制御を行うことで、アノードの面内全域における燃料ガスの相対湿度が、カソードの面内全域における酸化剤ガスの相対湿度よりも高くなるようにすることが可能となり、燃料電池から高い出力特性を得ることができる。
また、本開示の燃料電池システムは、二次電池の電力でも走行可能な車両に搭載されて用いられてもよい。
電動機は、特に限定されず、従来公知の駆動モータであってもよい。
単セルの積層数は特に限定されず、例えば、2~数百個であってもよく、2~200個であってもよい。
燃料電池スタックは、単セルの積層方向の両端にエンドプレートを備えていてもよい。
膜電極接合体は、アノード側ガス拡散層及び、アノード触媒層及び、電解質膜及び、カソード触媒層及び、カソード側ガス拡散層をこの順に有する。
アノード(燃料極)は、アノード触媒層及びアノード側ガス拡散層を含む。
カソード触媒層及びアノード触媒層をまとめて触媒層と称する。
触媒層は、例えば、電気化学反応を促進する触媒金属、プロトン伝導性を有する電解質、及び、電子伝導性を有するカーボン粒子等を備えていてもよい。
触媒金属としては、例えば、白金(Pt)、及び、Ptと他の金属とから成る合金(例えばコバルト、及び、ニッケル等を混合したPt合金)等を用いることができる。
電解質としては、フッ素系樹脂等であってもよい。フッ素系樹脂としては、例えば、ナフィオン溶液等を用いてもよい。
上記触媒金属はカーボン粒子上に担持されており、各触媒層では、触媒金属を担持したカーボン粒子(触媒粒子)と電解質とが混在していてもよい。
触媒金属を担持するためのカーボン粒子(担持用カーボン粒子)は、例えば、一般に市販されているカーボン粒子(カーボン粉末)を加熱処理することにより自身の撥水性が高められた撥水化カーボン粒子等を用いてもよい。
ガス拡散層は、ガス透過性を有する導電性部材等であってもよい。
導電性部材としては、例えば、カーボンクロス、及びカーボンペーパー等のカーボン多孔質体、並びに、金属メッシュ、及び、発泡金属などの金属多孔質体等が挙げられる。
セパレータは、反応ガス及び冷媒を単セルの積層方向に流通させるための供給孔及び排出孔を有していてもよい。冷媒としては、低温時の凍結を防止するために例えばエチレングリコールと水との混合溶液を用いることができる。反応ガスは、燃料ガス、又は、酸化剤ガスである。燃料ガスは水素等であってもよい。酸化剤ガスは酸素、空気、乾燥空気等であってもよい。
供給孔は、燃料ガス供給孔、酸化剤ガス供給孔、及び、冷媒供給孔等が挙げられる。
排出孔は、燃料ガス排出孔、酸化剤ガス排出孔、及び、冷媒排出孔等が挙げられる。
セパレータは、1つ以上の燃料ガス供給孔を有していてもよく、1つ以上の酸化剤ガス供給孔を有していてもよく、1つ以上の冷媒供給孔を有していてもよく、1つ以上の燃料ガス排出孔を有していてもよく、1つ以上の酸化剤ガス排出孔を有していてもよく、1つ以上の冷媒排出孔を有していてもよい。
セパレータは、ガス拡散層に接する面に反応ガス流路を有していてもよい。また、セパレータは、ガス拡散層に接する面とは反対側の面に燃料電池の温度を一定に保つための冷媒流路を有していてもよい。
セパレータがアノード側セパレータである場合は、1つ以上の燃料ガス供給孔を有していてもよく、1つ以上の酸化剤ガス供給孔を有していてもよく、1つ以上の冷媒供給孔を有していてもよく、1つ以上の燃料ガス排出孔を有していてもよく、1つ以上の酸化剤ガス排出孔を有していてもよく、1つ以上の冷媒排出孔を有していてもよく、アノード側セパレータは、アノード側ガス拡散層に接する面に燃料ガス供給孔から燃料ガス排出孔に燃料ガスを流す燃料ガス流路を有していてもよく、アノード側ガス拡散層に接する面とは反対側の面に冷媒供給孔から冷媒排出孔に冷媒を流す冷媒流路を有していてもよい。
セパレータがカソード側セパレータである場合は、1つ以上の燃料ガス供給孔を有していてもよく、1つ以上の酸化剤ガス供給孔を有していてもよく、1つ以上の冷媒供給孔を有していてもよく、1つ以上の燃料ガス排出孔を有していてもよく、1つ以上の酸化剤ガス排出孔を有していてもよく、1つ以上の冷媒排出孔を有していてもよく、カソード側セパレータは、カソード側ガス拡散層に接する面に酸化剤ガス供給孔から酸化剤ガス排出孔に酸化剤ガスを流す酸化剤ガス流路を有していてもよく、カソード側ガス拡散層に接する面とは反対側の面に冷媒供給孔から冷媒排出孔に冷媒を流す冷媒流路を有していてもよい。
セパレータは、ガス不透過の導電性部材等であってもよい。導電性部材としては、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン、及び、プレス成形した金属(例えば、鉄、アルミニウム、及び、ステンレス等)板等であってもよい。また、セパレータが集電機能を備えるものであってもよい。
入口マニホールドは、アノード入口マニホールド、カソード入口マニホールド、及び、冷媒入口マニホールド等が挙げられる。
出口マニホールドは、アノード出口マニホールド、カソード出口マニホールド、及び、冷媒出口マニホールド等が挙げられる。
燃料ガスは、主に水素を含有するガスであり、例えば、水素ガスであってもよい。
燃料ガス供給部としては、例えば、燃料タンク等が挙げられ、具体的には、液体水素タンク、圧縮水素タンク等が挙げられる。
燃料ガス供給部は、制御部又は湿度調整部と電気的に接続される。燃料ガス供給部は、制御部又は湿度調整部からの制御信号に従って駆動される。燃料ガス供給部は、制御部又は湿度調整部によって燃料ガス供給部からアノードに供給される燃料ガスの流量及び圧力からなる群より選ばれる少なくとも1つを制御されてもよい。
燃料ガス供給流路は、燃料ガス供給部と燃料電池のアノード入口とを接続する。燃料ガス供給流路は、燃料ガスの燃料ガス供給部からの燃料電池のアノードへの供給を可能にする。燃料ガス供給流路は、燃料ガスの燃料ガス供給部からの燃料電池スタックの各アノードへの供給を可能にする。
燃料オフガス排出流路は、燃料電池のアノード出口と接続する。燃料オフガス排出流路は、燃料電池のアノードから排出された燃料ガスである燃料オフガスを回収する。燃料オフガス排出流路は、燃料電池スタックの各アノードから排出された燃料オフガスを回収してもよい。
燃料オフガスは、アノードにおいて未反応のまま通過した燃料ガス及び、カソードで生成した生成水がアノードに到達した水分及び、触媒層及び電解質膜等で生成した腐食物質及び、掃気時にアノードに供給されてもよい酸化剤ガス等を含む。
燃料オフガス排出弁は、燃料オフガスを外部(系外)に排出することを可能にする。なお、外部とは、燃料電池システムの外部であってもよく、車両の外部であってもよい。
燃料オフガス排出弁は、制御部又は湿度調整部と電気的に接続され、制御部又は湿度調整部によって燃料オフガス排出弁の開閉を制御されることにより、燃料オフガスの外部への排出流量を調整してもよい。また、燃料オフガス排出弁の開度を調整することにより、アノードに供給される燃料ガス圧力(アノード圧力)を調整してもよい。
循環流路は、燃料オフガス排出流路から分岐して燃料ガス供給流路と接続する。循環流路は、回収された燃料オフガスを循環ガスとしてアノードに戻すことを可能にする。循環流路は、回収された燃料オフガス中に含まれる水分をアノードに供給することを可能にする。
循環流路は燃料ガス供給流路との合流部で燃料ガス供給流路と合流してもよい。
燃料電池システムは、必要に応じて、循環流路上に循環ガスの流量を調整する水素ポンプ等の循環用ポンプ及び、エジェクタ等を備えていてもよい。
循環用ポンプは、制御部又は湿度調整部と電気的に接続され、制御部又は湿度調整部によって循環用ポンプの駆動のオン・オフ及び回転数等を制御されることにより、循環ガスの流量を調整してもよい。
エジェクタは、例えば、燃料ガス供給流路と循環流路との合流部に配置されていてもよい。エジェクタは、燃料ガスと循環ガスとを含む混合ガスを燃料電池のアノードに供給する。エジェクタは、燃料ガスと循環ガスとを含む混合ガスを燃料電池スタックの各アノードに供給してもよい。エジェクタとしては、従来公知のエジェクタを採用することができる。
酸化剤ガス供給部は、燃料電池のカソードに酸化剤ガスを供給する。酸化剤ガス供給部は、燃料電池スタックの各カソードに酸化剤ガスを供給してもよい。
酸化剤ガスは、酸素含有ガスであり、空気、乾燥空気、及び、純酸素等であってもよい。
酸化剤ガス供給部としては、例えば、エアコンプレッサー等を用いることができる。
酸化剤ガス供給部は、制御部又は湿度調整部と電気的に接続される。酸化剤ガス供給部は、制御部又は湿度調整部からの制御信号に従って駆動される。酸化剤ガス供給部は、制御部又は湿度調整部によって酸化剤ガス供給部からカソードに供給される酸化剤ガスの流量及び圧力からなる群より選ばれる少なくとも1つを制御されてもよい。
酸化剤ガス供給流路は、酸化剤ガス供給部と燃料電池のカソード入口とを接続する。酸化剤ガス供給流路は、酸化剤ガス供給部から燃料電池のカソードへの酸化剤ガスの供給を可能にする。酸化剤ガス供給流路は、酸化剤ガス供給部から燃料電池スタックの各カソードへの酸化剤ガスの供給を可能にしてもよい。
酸化剤オフガス排出流路は、燃料電池のカソード出口と接続する。酸化剤オフガス排出流路は、燃料電池のカソードから排出される酸化剤ガスである酸化剤オフガスの外部への排出を可能にする。酸化剤オフガス排出流路は、燃料電池スタックの各カソードから排出される酸化剤オフガスの外部への排出を可能にしてもよい。
酸化剤オフガス排出流路には、酸化剤ガス圧力調整弁が設けられていてもよい。
酸化剤ガス圧力調整弁は、制御部又は湿度調整部と電気的に接続され、制御部又は湿度調整部によって酸化剤ガス圧力調整弁が開弁されることにより、反応済みの酸化剤ガスである酸化剤オフガスを酸化剤オフガス排出流路から外部へ排出する。また、酸化剤ガス圧力調整弁の開度を調整することにより、カソードに供給される酸化剤ガス圧力(カソード圧力)を調整してもよい。
掃気弁は、制御部又は湿度調整部と電気的に接続され、制御部又は湿度調整部によって掃気弁が開弁されることにより、酸化剤ガス供給部の酸化剤ガスを掃気ガスとして燃料ガス供給流路内に流入させるようになっていてもよい。
掃気に用いられる掃気ガスは、燃料ガスであってもよく、酸化剤ガスであってもよく、これらの両方のガスを含む混合反応ガスであってもよい。
冷媒循環流路は、燃料電池に設けられる冷媒供給孔及び冷媒排出孔に連通し、冷媒供給部から供給される冷媒を燃料電池内外で循環させることを可能にする。
冷媒供給部は、制御部又は湿度調整部と電気的に接続される。冷媒供給部は、制御部又は湿度調整部からの制御信号に従って駆動される。冷媒供給部は、制御部又は湿度調整部によって冷媒供給部から燃料電池に供給される冷媒の流量を制御される。これにより燃料電池の温度が制御されてもよい。
冷媒供給部は、例えば、冷却水ポンプ等が挙げられる。
冷媒循環流路には、冷却水の熱を放熱するラジエータが設けられていてもよい。
冷却水(冷媒)としては、低温時の凍結を防止するために例えばエチレングリコールと水との混合溶液を用いることができる。
二次電池(バッテリ)は、充放電可能なものであればよく、例えば、ニッケル水素二次電池、及び、リチウムイオン二次電池等の従来公知の二次電池が挙げられる。また、二次電池は、電気二重層コンデンサ等の蓄電素子を含むものであってもよい。二次電池は、複数個を直列に接続した構成であってもよい。二次電池は、電動機及び酸化剤ガス供給部等に電力を供給する。二次電池は、車両の外部の電源、例えば、家庭用電源から充電可能になっていてもよい。二次電池は、燃料電池の出力により充電されてもよい。二次電池の充放電は、制御部によって制御されてもよい。
制御部は、物理的には、例えば、CPU(中央演算処理装置)等の演算処理装置と、CPUで処理される制御プログラム及び制御データ等を記憶するROM(リードオンリーメモリー)、並びに、主として制御処理のための各種作業領域として使用されるRAM(ランダムアクセスメモリー)等の記憶装置と、入出力インターフェースとを有するものである。また、制御部は、例えば、ECU(エレクトロニックコントロールユニット)等の制御装置であってもよい。
制御部は、車両に搭載されていてもよいイグニッションスイッチと電気的に接続されていてもよい。制御部はイグニッションスイッチが切られていても外部電源により動作可能であってもよい。
温度センサは、燃料電池の温度を測定する。制御部は、温度センサと電気的に接続されていてもよい。温度センサは、測定結果を制御部に与え、制御部は、温度センサが測定した燃料電池の温度を検知してもよい。
電流センサは、燃料電池に流れる電流を測定する。制御部は、電流センサと電気的に接続されていてもよい。電流センサは、測定結果を制御部に与え、制御部は、電流センサが測定した燃料電池の電流を検知してもよい。
制御部は、燃料電池に流れる電流と、燃料電池の温度と、燃料ガス供給部からアノードに供給される燃料ガスの流量及び圧力からなる群より選ばれる少なくとも1つと、酸化剤ガス供給部からカソードに供給される酸化剤ガスの流量及び圧力からなる群より選ばれる少なくとも1つを検知する。制御部は、検知結果から、アノードの面内全域の発電分布及び湿度分布を導出し、且つ、カソードの面内全域の発電分布及び湿度分布を導出する。制御部は、導出結果から、燃料電池のアノードの面内全域における燃料ガスの相対湿度を検知し、且つ、燃料電池のカソードの面内全域における酸化剤ガスの相対湿度を検知してもよい。そして、検知した燃料電池のアノードの面内全域における燃料ガスの相対湿度を燃料電池のアノード入口における燃料ガスの相対湿度とみなしてもよい。また、検知した燃料電池のカソードの面内全域における酸化剤ガスの相対湿度を燃料電池のカソード出口における酸化剤ガスの相対湿度とみなしてもよい。
アノード入口の燃料ガスの相対湿度は30%以上であってもよい。この場合カソード出口の酸化剤ガスの相対湿度は0%以上であってもよい。カソード出口の酸化剤ガスの相対湿度は燃料電池の抵抗を低減する観点から、10%以上であってもよく、20%以上であってもよい。カソード出口の酸化剤ガスの相対湿度は燃料電池の電圧を高くする観点から、30%未満であってもよい。
アノード入口の燃料ガスの相対湿度は100%以上であってもよい。これにより、燃料電池中において酸化剤ガスの水分が燃料ガスに奪われることを抑制できるため、カソード出口の酸化剤ガスの相対湿度の制御が容易になる。カソード出口の酸化剤ガスの相対湿度はアノード入口の燃料ガスの相対湿度よりも低ければよい。カソード出口の酸化剤ガスの相対湿度は0%以上であってもよい。カソード出口の酸化剤ガスの相対湿度は燃料電池の抵抗を低減する観点から、10%以上であってもよく、20%以上であってもよく、30%以上であってもよく、40%以上であってもよい。カソード出口の酸化剤ガスの相対湿度は燃料電池の電圧を高くする観点から、60%以下であってもよい。
湿度調整部は、燃料ガスの相対湿度及び酸化剤ガスの相対湿度を調整する。
湿度調整部はアノード入口における燃料ガスの相対湿度が、カソード出口における酸化剤ガスの相対湿度よりも高くなるように制御部によってフィードバック制御されてもよい。
湿度調整部は制御部の機能を兼ね備えるものであってもよい。
湿度調整部が制御部の機能を兼ね備えるものである場合、湿度調整部は、冷媒供給部、燃料オフガス排出弁、酸化剤ガス圧力調整弁、掃気弁、燃料ガス供給部、酸化剤ガス供給部、冷媒供給部、カソード気液分離器、アノード気液分離器、湿度交換部、水タンク等と入出力インターフェースを介して電気的に接続されていてもよい。
湿度調整部は、燃料ガス供給部等を制御して、燃料電池のアノードに供給される燃料ガスの流量及び圧力からなる群より選ばれる少なくとも1つを制御してもよい。
湿度調整部は、酸化剤ガス供給部等を制御して、燃料電池のカソードに供給される酸化剤ガスの流量及び圧力からなる群より選ばれる少なくとも1つを制御してもよい。
湿度調整部は、冷媒供給部を制御して燃料電池の温度を制御してもよい。
湿度調整部は、水タンク及び、カソード気液分離器及び、アノード気液分離器及び、湿度交換部等を備えていてもよい。
水タンクは、アノードに水を供給する。水タンクは、制御部又は湿度調整部と電気的に接続される。水タンクは、制御部又は湿度調整部からの制御信号に従って駆動される。水タンクは、制御部又は湿度調整部の制御によりアノードに供給される水量が制御されてもよい。
カソード気液分離器は、酸化剤オフガス排出流路と接続し、カソード出口から排出される酸化剤ガスである酸化剤オフガス中に含まれる生成水と酸化剤ガスを分離して生成水を回収し、回収した生成水をアノードに供給する。カソード気液分離器は、制御部又は湿度調整部と電気的に接続されていてもよい。カソード気液分離器は、制御部又は湿度調整部の制御によりその出口弁の開閉及び開度が制御されてもよい。これによりアノードに供給される水量が制御されてもよい。
アノード気液分離器は、燃料オフガス排出流路の循環流路との分岐点に配置され、アノード出口から排出される燃料ガスである燃料オフガス中に含まれる水分と燃料ガスを分離して水分を回収し、回収した水分をアノードに供給する。アノード気液分離器は、制御部又は湿度調整部と電気的に接続されていてもよい。アノード気液分離器は、制御部又は湿度調整部の制御によりその出口弁の開閉及び開度が制御されてもよい。これによりアノードに供給される水量が制御されてもよい。
湿度交換部は、燃料ガス供給流路と接続し、且つ、酸化剤ガス供給流路又は酸化剤オフガス排出流路のいずれか一方と接続する。湿度交換部は、燃料ガス供給流路及び酸化剤ガス供給流路と接続する場合、カソード入口に供給される酸化剤ガス中に含まれる水分を回収し、回収した水分を燃料ガス供給流路に供給する。湿度交換部は、燃料ガス供給流路及び酸化剤オフガス排出流路と接続する場合、カソード出口から排出される酸化剤ガスである酸化剤オフガス中に含まれる生成水を回収し、回収した生成水を燃料ガス供給流路に供給する。湿度交換部は、制御部又は湿度調整部と電気的に接続されていてもよい。湿度交換部は、制御部又は湿度調整部によって制御されることによりアノードに供給される水量が制御されてもよい。湿度交換部は、例えば加湿器等であってもよい。
湿度調整部は、アノード入口における燃料ガスの相対湿度を調整してもよい。
アノード入口における燃料ガスの相対湿度は、アノードに供給される燃料ガスに水をインジェクションする等して調整してもよい。
燃料ガスの相対湿度の調整は、以下の方法であってもよい。制御部がアノード湿度センサでアノード入口における燃料ガスの相対湿度をモニターする。制御部は、計測結果に基づいて湿度調整部を制御してアノード入口における燃料ガスの相対湿度がカソード出口における酸化剤ガスの相対湿度よりも高くなる量の水を水タンクからアノードに供給することでアノード入口における燃料ガスの相対湿度を調整してもよい。
燃料ガスの相対湿度の調整は、以下の方法であってもよい。制御部がアノード湿度センサでアノード入口における燃料ガスの相対湿度をモニターする。制御部は、計測結果に基づいて湿度調整部を制御してアノード入口における燃料ガスの相対湿度がカソード出口における酸化剤ガスの相対湿度よりも高くなる量の生成水をカソード気液分離器からアノードに供給することでアノード入口における燃料ガスの相対湿度を調整してもよい。この場合、カソードに供給される酸化剤ガスの流量等の条件に合わせて水のインジェクション量を制御してもよい。
燃料ガスの相対湿度の調整は、以下の方法であってもよい。制御部がアノード湿度センサでアノード入口における燃料ガスの相対湿度をモニターする。制御部は、計測結果に基づいて湿度調整部を制御してアノード入口における燃料ガスの相対湿度がカソード出口における酸化剤ガスの相対湿度よりも高くなる量の水をアノード気液分離器からアノードに供給することでアノード入口における燃料ガスの相対湿度を調整してもよい。この場合、アノードに供給される燃料ガスの流量等の条件に合わせて水のインジェクション量を制御してもよい。
燃料ガスの相対湿度の調整は、以下の方法であってもよい。制御部がアノード湿度センサでアノード入口における燃料ガスの相対湿度をモニターする。制御部は、計測結果に基づいて湿度調整部を制御して、アノード入口における燃料ガスの相対湿度がカソード出口における酸化剤ガスの相対湿度よりも高くなる量の水を湿度交換部からアノードに供給することでアノード入口における燃料ガスの相対湿度を調整してもよい。
燃料ガスの相対湿度の調整は、以下の方法であってもよい。制御部が温度センサで燃料電池の温度をモニターしながら、制御部がアノードに供給される燃料ガスの流量及び圧力からなる群より選ばれる少なくとも1つと燃料電池の温度を検知する。制御部は、検知結果に基づいてアノード入口における燃料ガスの相対湿度がカソード出口における酸化剤ガスの相対湿度よりも高くするのに必要な液水量を計算する。制御部は、計算結果に基づいて湿度調整部を制御して水タンク又はカソード気液分離器の出口弁又はアノード気液分離器の出口弁又は湿度交換部を制御する。これにより計算した量の水をアノードに供給することでアノード入口における燃料ガスの相対湿度を調整してもよい。
燃料ガスの相対湿度の調整は、以下の方法であってもよい。制御部が温度センサで燃料電池の温度をモニターしながら、制御部がアノードに供給される燃料ガスの流量及び圧力からなる群より選ばれる少なくとも1つと燃料電池の温度を検知する。制御部は、検知結果に基づいてアノード入口における燃料ガスの相対湿度がカソード出口における酸化剤ガスの相対湿度よりも高くするのに必要な液水量を計算する。制御部は、計算結果に基づいて湿度調整部を制御して燃料ガス供給部からアノードに供給される燃料ガスの流量及び圧力からなる群より選ばれる少なくとも1つを制御する。これにより計算した量の水をアノードに供給することで燃料ガスの相対湿度の調整をしてもよい。この場合、湿度調整部は燃料ガス供給部と電気的に接続され、燃料ガス供給部からアノードに供給される燃料ガスの流量及び圧力からなる群より選ばれる少なくとも1つを制御する。
燃料ガスである水素は燃料電池の運転中は、常に消費されていくため、上記のいずれかの調整によりアノードは面内全域で燃料ガスの相対湿度をカソード出口における酸化剤ガスの相対湿度よりも高くすることができる。そのため、アノード入口における燃料ガスの相対湿度をアノードの面内全域の燃料ガスの相対湿度とみなしてもよい。
湿度調整部は、カソード出口における酸化剤ガスの相対湿度を調整してもよい。
湿度調整部は、酸化剤ガス供給部からカソードに供給される酸化剤ガスの流量及び圧力からなる群より選ばれる少なくとも1つを制御することによりカソード出口における酸化剤ガスの相対湿度を調整してもよい。この場合、湿度調整部は酸化剤ガス供給部と電気的に接続され、酸化剤ガス供給部からカソードに供給される酸化剤ガスの流量及び圧力からなる群より選ばれる少なくとも1つを制御する。
湿度調整部は、燃料電池の温度を制御することによりカソード出口における酸化剤ガスの相対湿度を調整してもよい。燃料電池の温度は、燃料電池の内外を循環する冷媒の流量を制御することにより制御してもよい。この場合、湿度調整部は冷媒供給部と電気的に接続され、冷媒供給部から燃料電池に供給される冷媒の流量を制御する。
酸化剤ガスの相対湿度の調整は、以下の方法であってもよい。制御部がカソード出口の酸化剤ガスの相対湿度をカソード湿度センサでモニターする。そして制御部は計測された相対湿度に応じて湿度調整部を制御して酸化剤ガス供給部からカソードに供給される酸化剤ガスの流量及び圧力からなる群より選ばれる少なくとも1つを制御することによりカソード出口における酸化剤ガスの相対湿度を調整してもよい。
酸化剤ガスの相対湿度の調整は、以下の方法であってもよい。制御部がカソード出口の酸化剤ガスの相対湿度をカソード湿度センサでモニターする。そして制御部は計測された相対湿度に応じて湿度調整部を制御して燃料電池の温度を制御することによりカソード出口における酸化剤ガスの相対湿度を調整してもよい。
図1に示す燃料電池システム100は、燃料電池10及び、燃料ガス供給部20及び、燃料ガス供給流路21及び、燃料オフガス排出流路22及び、アノード気液分離器23及び、循環流路24及び、酸化剤ガス供給部30及び、酸化剤ガス供給流路31及び、酸化剤オフガス排出流路32及び、湿度調整部40及び、制御部50及び、アノード湿度センサ60及び、カソード湿度センサ70を備える。
アノード湿度センサ60は、燃料ガス供給流路21上に配置され、アノード入口における燃料ガスの相対湿度を測定する。アノード湿度センサ60は、鎖線で示すように制御部50と電気的に接続され、測定した燃料ガスの相対湿度を制御部50に与える。
カソード湿度センサ70は、酸化剤オフガス排出流路32上に配置され、カソード出口における酸化剤ガスの相対湿度を測定する。カソード湿度センサ70は、制御部50と電気的に接続され、測定した酸化剤ガスの相対湿度を制御部50に与える。
制御部50は、湿度調整部40と電気的に接続され、検知した燃料ガスの相対湿度及び酸化剤ガスの相対湿度の結果に基づいて湿度調整部40を制御する。
湿度調整部40は、燃料ガス供給部20及びアノード気液分離器23及び酸化剤ガス供給部30と電気的に接続される。
アノード気液分離器23は、燃料オフガス排出流路22の循環流路24との分岐点に配置され、アノード出口から排出される燃料ガスである燃料オフガスから、燃料ガスと水分とを分離し、水分を回収し、循環流路24を介して燃料ガス供給流路21に水分を供給する。
湿度調整部40は、燃料ガス供給部20を制御し、燃料電池10のアノードに供給される燃料ガスの流量及び圧力からなる群より選ばれる少なくとも1つを制御する。アノード気液分離器23の出口弁は、湿度調整部40によりその開閉及び開度が制御され、循環流路24を介して燃料ガス供給流路21に戻す水量が制御される。これらの制御により、燃料電池10のアノード入口における燃料ガスの相対湿度を調整する。
湿度調整部40は、酸化剤ガス供給部30を制御し、燃料電池10のカソードに供給される酸化剤ガスの流量及び圧力からなる群より選ばれる少なくとも1つを制御することにより、燃料電池10のカソード出口における酸化剤ガスの相対湿度を調整する。
これらにより、制御部50は、アノード入口における燃料ガスの相対湿度が、カソード出口における酸化剤ガスの相対湿度よりも高くなるように制御する。
図2に示す燃料電池システム200は、燃料電池10及び、燃料ガス供給部20及び、燃料ガス供給流路21及び、燃料オフガス排出流路22及び、酸化剤ガス供給部30及び、酸化剤ガス供給流路31及び、酸化剤オフガス排出流路32及び、湿度調整部40及び、カソード気液分離器41及び、バイパス流路42及び、制御部50及び、アノード湿度センサ60及び、カソード湿度センサ70を備える。図2において図1と同じものの説明は省略する。
カソード気液分離器41は、酸化剤オフガス排出流路32上に配置され、カソード出口から排出される酸化剤ガスである酸化剤オフガスから、酸化剤ガスと生成水とを分離し、生成水を回収し、バイパス流路42を介して燃料ガス供給流路21に生成水を供給する。カソード気液分離器41は、湿度調整部40と電気的に接続される。カソード気液分離器41の出口弁は、湿度調整部40によりその開閉及び開度が制御され、バイパス流路42を介して燃料ガス供給流路21に供給される生成水の量が制御される。これにより、制御部50は、燃料電池10のアノード入口における燃料ガスの相対湿度を調整する。酸化剤ガスの相対湿度の調整方法は、図1の場合と同じである。
図3に示す燃料電池システム300は、燃料電池10及び、燃料ガス供給部20及び、燃料ガス供給流路21及び、燃料オフガス排出流路22及び、酸化剤ガス供給部30及び、酸化剤ガス供給流路31及び、酸化剤オフガス排出流路32及び、湿度調整部40及び、水タンク43及び、制御部50及び、アノード湿度センサ60及び、カソード湿度センサ70を備える。図3において図1と同じものの説明は省略する。
水タンク43は、燃料ガス供給流路21に水を供給する。水タンク43は、湿度調整部40と電気的に接続される。水タンク43は、湿度調整部40の制御により、燃料ガス供給流路21に供給される水量を制御される。これにより、制御部50は、燃料電池10のアノード入口における燃料ガスの相対湿度を調整する。酸化剤ガスの相対湿度の調整方法は、図1の場合と同じである。
図4に示す燃料電池システム400は、燃料電池10及び、燃料ガス供給部20及び、燃料ガス供給流路21及び、燃料オフガス排出流路22及び、酸化剤ガス供給部30及び、酸化剤ガス供給流路31及び、酸化剤オフガス排出流路32及び、湿度調整部40及び、湿度交換部44及び、制御部50及び、温度センサ80及び、電流センサ90を備える。図4において図1と同じものの説明は省略する。
温度センサ80は、燃料電池の温度を測定する。温度センサ80は、制御部50と電気的に接続され、測定した燃料電池の温度を制御部50に与える。
電流センサ90は、燃料電池に流れる電流を測定する。電流センサ90は、制御部50と電気的に接続され、測定した燃料電池に流れる電流を制御部50に与える。
湿度調整部40は、制御部50と電気的に接続され、アノードに供給される燃料ガスの流量及び圧力、カソードに供給される酸化剤ガスの流量及び圧力を制御部50に与える。
制御部50は、燃料電池に流れる電流、燃料電池の温度、アノードに供給される燃料ガスの流量及び圧力、カソードに供給される酸化剤ガスの流量及び圧力を検知する。
制御部50は、燃料電池に流れる電流、燃料電池の温度、アノードに供給される燃料ガスの流量及び圧力、カソードに供給される酸化剤ガスの流量及び圧力から、アノードの面内全域の発電分布及び湿度分布とカソードの面内全域の発電分布及び湿度分布を計算する。
制御部50は、発電分布及び湿度分布の計算結果からカソードの面内全域における酸化剤ガスの相対湿度とアノードの面内全域における燃料ガスの相対湿度を推算する。カソードの面内全域の酸化剤ガスの相対湿度は、カソード出口の酸化剤ガスの相対湿度とみなしてもよい。アノードの面内全域における燃料ガスの相対湿度は、アノード入口の燃料ガスの相対湿度とみなしてもよい。
そして、制御部50は推算結果に基づいて、湿度調整部40を用いて、アノードに供給される燃料ガスの流量及び圧力からなる群より選ばれる少なくとも1つを制御し、且つ、湿度調整部40を用いて、カソードに供給される酸化剤ガスの流量及び圧力からなる群より選ばれる少なくとも1つを制御する。
湿度交換部44は、酸化剤オフガス排出流路32上及び燃料ガス供給流路21上に配置され酸化剤オフガス排出流路32を流れる酸化剤オフガスに含まれる生成水を回収し、燃料ガス供給流路21に当該生成水を供給する。湿度交換部44は、湿度調整部40と電気的に接続される。湿度交換部44は、湿度調整部40の制御により、燃料ガス供給流路21に供給される生成水の量が制御される。これにより、制御部50は、燃料電池10のアノード入口における燃料ガスの相対湿度を調整する。
これらの制御により、制御部50はアノードの面内全域における燃料ガスの相対湿度がカソードの面内全域における酸化剤ガスの相対湿度よりも高くなるように制御し、制御部50は、アノード入口における燃料ガスの相対湿度が、カソード出口における酸化剤ガスの相対湿度よりも高くなるように制御することができる。
所定の燃料電池を用意し、アノードに供給する燃料ガスの相対湿度を30%に固定して、カソードに供給する酸化ガスの相対湿度は0%、5%、10%、20%、30%の条件で燃料電池の発電を行い、アノード(電極A)に対するカソード(電極C)の開回路電位(OCP)を測定した。開回路電位は、負荷が接続されていないときのカソード又はアノードの電位である。参考例1で用いた燃料ガスは水素であり、酸化剤ガスは空気である。
図5は、カソード(電極C)に供給される酸化剤ガスの相対湿度と、アノード(電極A)に供給される燃料ガスの相対湿度を30%に固定してカソード(電極C)に供給される酸化剤ガスの相対湿度を0~30%に変化させて燃料電池を発電したときのカソードの開回路電位(OCP)との関係を示す図である。図5に示す点線で示す曲線は、Gibbs-Duhemの関係から導出した理論曲線であり、四角のプロットは実測値である。理論曲線で示すように、アノードとカソードに相対湿度差をつけるとアノードに対するカソードの開回路電位が向上することが分かる。
実験の結果、OCPはアノードの燃料ガスの相対湿度が30%及びカソードの酸化剤ガスの相対湿度が30%の場合を基準として、最大60mVの電位の向上が確認された。このように実験結果を理論的に解析できることが分かった。
所定の燃料電池を用意し、アノードに供給する燃料ガスの相対湿度を100%に固定して、カソードに供給する酸化剤ガスの相対湿度は40%、50%、60%の条件で燃料電池の発電を行い、燃料電池の開回路電圧(OCV)を測定した。開回路電圧は、負荷が接続されていないときの燃料電池の電圧である。参考例2で用いた燃料ガスは水素であり、酸化剤ガスは空気である。
図6は、アノードに供給する燃料ガスの相対湿度を100%に固定して、カソード(電極C)に供給する酸化剤ガスの相対湿度を変化させたときのカソードに供給する酸化剤ガスの相対湿度と燃料電池の開回路電圧(OCV)との関係を示す図である。図6に示す実線で示す曲線は、ネルンストの式を用いた理論曲線である。図6に示す点線で示す曲線は、プロトン活量を考慮した理論曲線である。丸で示すプロットは実測値である。実線で示す理論曲線によれば、OCVはアノードの燃料ガスの相対湿度が100%及びカソードの酸化剤ガスの相対湿度が100%の場合を基準として、アノードの燃料ガスの相対湿度を100%に固定してカソードの酸化剤ガスの相対湿度を低下させることにより上昇する。アノードの燃料ガスの相対湿度を100%に固定してカソードの酸化剤ガスの相対湿度を変化させるとカソードの酸化剤ガスの相対湿度が60%以下の領域では50mV以上のOCVの向上が期待できることが分かった。この効果は主にプロトン活量の効果であることも点線で示す理論曲線から理論的に分かる。
実験の結果、OCVはアノードの燃料ガスの相対湿度が100%及びカソードの酸化剤ガスの相対湿度が100%の場合を基準として、カソードの酸化剤ガスの相対湿度が60%以下の領域ではOCVの向上が確認された。このように実験結果を理論的に解析できることが分かった。
図8はアノードの燃料ガスの相対湿度を100%に固定してカソードの酸化剤ガスの相対湿度を40%、50%、60%、100%の条件で燃料電池を発電したときの燃料電池の電流密度-IR-Free曲線を示す。IR-Freeの測定とは、所与の電流Iを出力させているときの燃料電池の電圧Vに対して、燃料電池系の内部抵抗Rによるオーミックな電圧降下IRを補償した、燃料電池の正味の電圧Voを求めるものである。
図7~8に示すCaはカソードを意味し、Anはアノードを意味する。
図7~8に示すように低電流領域(0.5A/cm2以下)においてIR-Freeならば、アノードの燃料ガスの相対湿度が100%及びカソードの酸化剤ガスの相対湿度が100%の場合と比較してIV性能が向上していることが分かる。この低電流領域では、相対湿度40%、50%、60%の場合に100%の場合よりも電圧が高い。
20 燃料ガス供給部
21 燃料ガス供給流路
22 燃料オフガス排出流路
23 アノード気液分離器
24 循環流路
30 酸化剤ガス供給部
31 酸化剤ガス供給流路
32 酸化剤オフガス排出流路
40 湿度調整部
41 カソード気液分離器
42 バイパス流路
43 水タンク
44 湿度交換部
50 制御部
60 アノード湿度センサ
70 カソード湿度センサ
80 温度センサ
90 電流センサ
100 燃料電池システム
200 燃料電池システム
300 燃料電池システム
400 燃料電池システム
Claims (3)
- 燃料電池システムであって、
前記燃料電池システムは、燃料電池及び、
前記燃料電池のアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給部及び、
前記燃料電池のカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部及び、
前記燃料ガスの相対湿度及び前記酸化剤ガスの相対湿度を調整する湿度調整部及び、
制御部を有し、
前記制御部は、前記燃料電池のアノード入口における前記燃料ガスの相対湿度を検知し、且つ、前記燃料電池のカソード出口における前記酸化剤ガスの相対湿度を検知し、
前記制御部は、前記検知結果に基づいて、前記アノード入口における前記燃料ガスの相対湿度が、前記カソード出口における前記酸化剤ガスの相対湿度よりも高くなるように前記湿度調整部を制御する、燃料電池システム。 - 前記アノード入口の前記燃料ガスの相対湿度が100%以上であり、
前記カソード出口の前記酸化剤ガスの相対湿度が60%以下である、請求項1に記載の燃料電池システム。 - 前記アノード入口の前記燃料ガスの相対湿度が30%以上であり、
前記カソード出口の前記酸化剤ガスの相対湿度が0%以上30%未満である、請求項1に記載の燃料電池システム。
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2020164836A JP7374061B2 (ja) | 2020-09-30 | 2020-09-30 | 燃料電池システム |
CN202111150285.3A CN114335620A (zh) | 2020-09-30 | 2021-09-29 | 燃料电池系统 |
US17/488,408 US11881604B2 (en) | 2020-09-30 | 2021-09-29 | Fuel cell system |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2020164836A JP7374061B2 (ja) | 2020-09-30 | 2020-09-30 | 燃料電池システム |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2022056862A true JP2022056862A (ja) | 2022-04-11 |
JP7374061B2 JP7374061B2 (ja) | 2023-11-06 |
Family
ID=80823113
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2020164836A Active JP7374061B2 (ja) | 2020-09-30 | 2020-09-30 | 燃料電池システム |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US11881604B2 (ja) |
JP (1) | JP7374061B2 (ja) |
CN (1) | CN114335620A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE112022003393T5 (de) | 2021-07-05 | 2024-04-25 | Denso Corporation | Präsentationssteuervorrichtung, präsentationssteuerprogramm, steuervorrichtung für automatisiertes fahren und steuerprogramm für automatisiertes fahren |
Family Cites Families (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2002184428A (ja) * | 2000-12-11 | 2002-06-28 | Toyota Motor Corp | 燃料電池 |
US20050221134A1 (en) | 2004-04-06 | 2005-10-06 | Liu Wen K | Method and apparatus for operating a fuel cell |
JP2007095450A (ja) * | 2005-09-28 | 2007-04-12 | Nissan Motor Co Ltd | 燃料電池システム |
JP2008027606A (ja) | 2006-07-18 | 2008-02-07 | Toyota Motor Corp | 燃料電池システム |
JP5408969B2 (ja) * | 2008-11-18 | 2014-02-05 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料電池システム |
US9472821B2 (en) * | 2010-11-12 | 2016-10-18 | Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. | Operation method of polymer electrolyte fuel cell system and polymer electrolyte fuel cell system |
JP5730708B2 (ja) | 2011-08-08 | 2015-06-10 | 株式会社日本自動車部品総合研究所 | 燃料電池 |
JP2013089443A (ja) | 2011-10-18 | 2013-05-13 | Panasonic Corp | 燃料電池システム及びその運転方法 |
JP2015185525A (ja) | 2014-03-26 | 2015-10-22 | ダイハツ工業株式会社 | 燃料電池システム |
CN107658480B (zh) * | 2017-08-25 | 2019-05-07 | 上海交通大学 | 一种温湿度均匀性增强的燃料电池单电池及电堆 |
CN110429306A (zh) * | 2019-07-29 | 2019-11-08 | 武汉中极氢能产业创新中心有限公司 | 一种燃料电池水平衡测试设备和方法 |
-
2020
- 2020-09-30 JP JP2020164836A patent/JP7374061B2/ja active Active
-
2021
- 2021-09-29 US US17/488,408 patent/US11881604B2/en active Active
- 2021-09-29 CN CN202111150285.3A patent/CN114335620A/zh active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE112022003393T5 (de) | 2021-07-05 | 2024-04-25 | Denso Corporation | Präsentationssteuervorrichtung, präsentationssteuerprogramm, steuervorrichtung für automatisiertes fahren und steuerprogramm für automatisiertes fahren |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN114335620A (zh) | 2022-04-12 |
JP7374061B2 (ja) | 2023-11-06 |
US20220102744A1 (en) | 2022-03-31 |
US11881604B2 (en) | 2024-01-23 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JPH1131520A (ja) | 固体高分子型燃料電池 | |
JP7374061B2 (ja) | 燃料電池システム | |
JP2021190188A (ja) | 燃料電池システム | |
CN109428099B (zh) | 用于运行燃料电池的方法和燃料电池系统 | |
EP2341571B1 (en) | Fuel cell, fuel cell system, and operating method for a fuel cell | |
JP2021174670A (ja) | 燃料電池システム | |
JP2005038845A (ja) | 高分子電解質型燃料電池 | |
JP2021166151A (ja) | 燃料電池システム | |
JP2022022560A (ja) | 燃料電池システム | |
JP2021170484A (ja) | 燃料電池システム | |
JP2021174671A (ja) | 燃料電池システム | |
CN114628746B (zh) | 燃料电池系统 | |
JP7439794B2 (ja) | 燃料電池システム | |
JP7367612B2 (ja) | 燃料電池システム | |
JP7367613B2 (ja) | 燃料電池システム | |
US11515548B2 (en) | Fuel cell system | |
US11705559B2 (en) | Fuel cell system | |
US20230299321A1 (en) | Method for a frost start of a fuel cell device, fuel cell device and motor vehicle having a fuel cell device | |
JP2021182513A (ja) | 燃料電池システム | |
JP2022022552A (ja) | 燃料電池システム | |
JP2022069754A (ja) | 燃料電池システム | |
JP2021182512A (ja) | 燃料電池システム | |
JP2021180153A (ja) | 燃料電池システム | |
JP2021184362A (ja) | 燃料電池システム | |
JP2016523435A (ja) | 燃料電池の空気流動の方法およびシステム |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20230213 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20230919 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20230926 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20231024 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7374061 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |