JP4295847B2 - Polymer electrolyte fuel cell system - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子型燃料電池システムに係り、特に、温湿度交換手段における加湿量を適切に制御すべく改良を施した固体高分子型燃料電池システムに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池は、水素等の燃料と空気等の酸化剤を電気化学的に反応させることにより、燃料の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置である。この燃料電池は、用いられる電解質の種類により、アルカリ型、固体高分子型、リン酸型等の低温作動燃料電池と、溶融炭酸塩型、固体酸化物型等の高温作動燃料電池とに大別される。
なかでも、電解質としてプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池(以下、PEFCと記す)は、コンパクトな構造で高出力密度が得られ、かつ簡易なシステムで運転が可能なことから、宇宙用や車両用などの電源として注目されている。
【0003】
一般的な燃料電池システムは、メタン等の炭化水素またはメタノール等のアルコールを燃料とし、燃料を改質して水素リッチガスを生成する改質器、水素リッチガス中のCOを低減するシフト反応器および選択酸化器、酸化剤として空気を供給するコンプレッサー、電池反応による発熱を取り除く冷却系、そして燃料電池本体から構成されている。そして、燃料電池本体では、燃料ガスに含まれる水素から水素イオンが生成され、この水素イオンが電解質膜内を伝導して酸化剤ガスに含まれる酸素と反応して水を生じる。その際に、水素の化学エネルギーの一部が直接電気エネルギーとして取り出される。
【0004】
また、電解質膜は含水状態で良好な水素イオン伝導性を示すため、運転中は、電解質膜に水分を与えて含水状態に保つ加湿が不可欠である。この加湿方法としては、反応ガスに予め水蒸気を添加する外部加湿方式、電池冷却水と未反応ガスを加湿膜を介して接触させ、電池冷却水の一部を未反応ガスに添加する間接内部加湿方式、電池冷却水を電池反応部の反応ガスに直接供給する直接内部加湿方式などが知られている。
【0005】
一方、近年、電池部を通過した既反応ガスと電池部を通過する前の未反応ガスを水蒸気透過膜を介して接触させ、水蒸気の分圧差により、既反応ガスに含まれる水分を未反応ガスに添加する加湿方式が提案されている(J. F. McElroy and L. J. Nuttall, "Status of Solid Polymer Electrolyte Technology and Potential for Transportation Applications", 17th IECEC, 1982, pp.667-671.)。
この場合、電極反応に伴い水蒸気が生成されるため、既反応ガスには飽和もしくはそれに近い水蒸気が含まれることになる。一方、未反応ガスには含まれる水蒸気が少ないため、それぞれのガスには水蒸気分圧差が生じ、これを駆動力として、水蒸気を濃度拡散させることができる。この方法は、上記の文献でも述べられているように、相変化を生じさせないというところに特徴がある。なお、特開平6−132038号にも同様の加湿方法が開示されている。
【0006】
図24は、従来から用いられている一般的な固体高分子型燃料電池システムの構成を示した図である。すなわち、固体高分子型燃料電池本体は、燃料極1、酸化剤極2からなる一対のガス拡散電極に、イオン伝導性とガス分離機能を有する固体高分子電解質膜3を挟持させて構成されている。そして、燃料極1に水素等の燃料ガス、酸化剤極2に空気等の酸化剤ガスを供給すると、電気化学反応により起電力が生じる。この電気化学反応は発熱反応であるため、燃料電池本体には、余剰な熱を除去するために、内部に冷却水を流通させた冷却水板4が配設されている。
【0007】
また、燃料を改質して水素リッチガスを生成する燃料改質器5、水素リッチガス中のCOを低減するCO低減器6が設けられ、改質された燃料ガスが燃料極1に供給されるように構成されている。この燃料ガスは、電池反応によって所定量消費された後、燃料排ガスとして改質器5のバーナーに供給され、改質器の熱源となる。
【0008】
一方、燃料電池の冷却水板4には、冷却水ポンプ7により不凍液が供給されるように構成されている。冷却水板4に供給された不凍液は、電池反応によって生じた熱を取り除いた後、ファン8により冷却され、循環される。また、ファン8の入口には、不凍液リザーバタンク9が接続され、不凍液の量を調整するように構成されている。
【0009】
また、コンプレッサー10によって供給された空気は、温湿度交換手段11の未反応ガス流路12を経て燃料電池の酸化剤極2に供給されるように構成されている。この酸化剤ガスは、電池反応により所定量消費された後、電池反応によって生じた生成水を回収して電池外に排出される。排出された空気は、温湿度交換手段11の既反応ガス流路13に供給され、保水性多孔質体14を介して、水分を未反応空気に与え、未反応空気を加湿した後、酸化剤排ガスとして系外に排出されるように構成されている。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したような従来の加湿方法には、以下に述べるような様々な問題点がある。
すなわち、水蒸気透過膜を介して既反応ガスの水蒸気を未反応ガスに添加して加湿する方法では、お互いのガスの水蒸気分圧差だけで加湿を行うため、既反応ガス側での水蒸気濃度勾配による拡散抵抗、水蒸気透過膜内の拡散抵抗、さらに未反応ガス側での拡散抵抗など、水蒸気の拡散抵抗が非常に大きくなるため、十分な加湿をする場合には大きな加湿器が必要となるといった問題がある。
【0011】
また、この方法では、加湿量は、既反応ガスに含まれる水蒸気の量と媒体となる多孔質体の交換面積により決まるが、通常、多孔質体の交換面積は一定なので、加湿量は既反応ガスに含まれる水蒸気の量、すなわち水蒸気分圧により決まることになる。
水蒸気分圧は温度や出力などの作動条件により異なるが、どのような作動条件であっても、必要な加湿量が得られるように制御する必要がある。必要な加湿量が得られない場合には、電解質膜中の水分が減少し、水素イオン伝導率が低下して性能が低下してしまうからである。さらに、反応部を通過した既反応ガス中の水分も減少し、水蒸気分圧が下がるので、ますます加湿量が低下するという悪循環に陥る可能性がある。
【0012】
このように、水蒸気透過膜を介して既反応ガスの水蒸気を未反応ガスに添加して加湿する方法では、加湿量が既反応ガス中の水蒸気分圧により決まるため、加湿量が少ないなどバランスした状態を外れると、加湿量の制御が難しいという問題点がある。
【0013】
本発明は、上述したような従来技術の問題点を解消するために提案されたものであり、その目的は、温湿度交換手段における加湿量を適切に制御することができる、高性能の固体高分子型燃料電池システムを提供することにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、請求項1に記載の発明は、固体高分子膜を電解質とする固体高分子型燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの反応部を通過した既反応ガスと前記反応部を通過する前の未反応ガスとの熱と水分の交換を行う温湿度交換手段とを有する固体高分子型燃料電池システムにおいて、前記温湿度交換手段の既反応ガス流路の入口側と出口側を結ぶバイパス通路を形成し、前記バイパス通路への切替弁を設け、前記反応部を通過した既反応ガスの温度または湿度を検出する第1の検出手段と、前記反応部を通過する前の未反応ガスの温度または湿度を検出する第2の検出手段とを備え、前記各検出手段によって検出される前記未反応ガス温度と前記既反応ガス温度との比例関係を示す温湿度交換手段のバランス曲線と、生成水が効率良く排出されるために既反応ガス中の水蒸気量が未反応ガス中の水蒸気量と生成水と燃料ガス入口及び出口の水蒸気量の差分との和と等しくなるための前記既反応ガス温度及び前記未反応ガス温度の関係を示す電池水バランス曲線とに基づいて、前記既反応ガス温度が前記電池水バランス曲線上の既反応ガス温度を下回った場合に前記切替弁を制御して前記バイパス通路へ前記既反応ガスを流し、その後、前記既反応ガス温度が前記電池水バランス曲線上の既反応ガス温度以上となった場合に前記切替弁を制御して前記バイパス通路を閉じ前記既反応ガス通路へ前記既反応ガスを流すことを特徴とする。上記のような構成を有する請求項1に記載の発明によれば、既反応ガス流路の入口側と出口側を結ぶバイパス通路への切替弁を制御することにより、温湿度交換手段に供給される既反応ガスの流量を調整することができるので、未反応ガスの加湿量を容易に制御することが可能となる。
【0015】
請求項2に記載の発明は、固体高分子膜を電解質とする固体高分子型燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの反応部を通過した既反応ガスと前記反応部を通過する前の未反応ガスとの熱と水分の交換を行う温湿度交換手段を有する固体高分子型燃料電池システムにおいて、前記温湿度交換手段の未反応ガス流路の入口側と出口側を結ぶバイパス通路を形成し、前記バイパス通路への切替弁を設け、前記反応部を通過した既反応ガスの温度または湿度を検出する第1の検出手段と、前記反応部を通過する前の未反応ガスの温度または湿度を検出する第2の検出手段とを備え、前記各検出手段によって検出される前記未反応ガス温度と前記既反応ガス温度との比例関係を示す温湿度交換手段のバランス曲線と、生成水が効率良く排出されるために既反応ガス中の水蒸気量が未反応ガス中の水蒸気量と生成水と燃料ガス入口及び出口の水蒸気量の差分との和と等しくなるための前記既反応ガス温度及び前記未反応ガス温度の関係を示す電池水バランス曲線とに基づいて、前記既反応ガス温度が前記電池水バランス曲線上の既反応ガス温度を下回った場合に前記切替弁を制御して前記バイパス通路へ前記未反応ガスを流し、その後、前記既反応ガス温度が前記電池水バランス曲線上の既反応ガス温度以上となった場合に前記切替弁を制御して前記バイパス通路を閉じ前記未反応ガス通路へ前記未反応反応ガスを流すことを特徴とする。上記のような構成を有する請求項2に記載の発明によれば、未反応ガス流路の入口側と出口側を結ぶバイパス通路への切替弁を制御することにより、温湿度交換手段に供給される未反応ガスの流量を調整することができるので、未反応ガスの加湿量を容易に制御することが可能となる。
【0016】
以上のような請求項1又は請求項2に記載の発明によれば、既反応ガス流路に対するバイパス通路への切替弁、あるいは、未反応ガス流路に対するバイパス通路への切替弁を制御することができるので、温湿度交換手段における加湿量をより精度良く制御することが可能となる。
【0017】
請求項3に記載の発明は、請求項1に記載の固体高分子型燃料電池システムにおいて、前記温湿度交換手段が、複数の交換セルから構成され、前記複数の交換セルのうち、一部の交換セルに流通する第1の既反応ガス流路と、残りの交換セルに流通する第2の既反応ガス流路とが設けられ、前記第2の既反応ガス流路を開閉する開閉弁が設けられ、前記温湿度交換手段のバランス曲線と、前記電池水バランス曲線とに基づいて、前記既反応ガス温度が前記電池水バランス曲線上の既反応ガス温度を上回った場合に前記開閉弁を開いて前記第2の既反応ガス流路へ前記既反応ガスを流し、その後、前記既反応ガス温度が前記電池水バランス曲線上の既反応ガス温度以下となった場合に前記開閉弁を閉じて前記第1の既反応ガス流路のみへ前記既反応ガスを流すことを特徴とする。上記のような構成を有する請求項3に記載の発明によれば、温湿度交換手段が複数の交換セルから構成されている場合に、第1の既反応ガス流路と第2の既反応ガス流路を設け、第2の既反応ガス流路を開閉する開閉弁を制御することにより、温湿度交換手段に供給される既反応ガスの流量を調整することができるので、未反応ガスの加湿量を容易に制御することが可能となる。
【0018】
請求項4に記載の発明は、請求項2に記載の固体高分子型燃料電池システムにおいて、前記温湿度交換手段が、複数の交換セルから構成され、前記複数の交換セルのうち、一部の交換セルに流通する第1の未反応ガス流路と、残りの交換セルに流通する第2の未反応ガス流路とが設けられ、前記第2の未反応ガス流路を開閉する開閉弁が設けられ、前記温湿度交換手段のバランス曲線と、前記電池水バランス曲線とに基づいて、前記既反応ガス温度が前記電池水バランス曲線上の既反応ガス温度を上回った場合に前記開閉弁を開いて前記第2の未反応ガス流路へ前記未反応ガスを流し、その後、前記既反応ガス温度が前記電池水バランス曲線上の既反応ガス温度以下となった場合に前記開閉弁を閉じて前記第1の未反応ガス流路のみへ前記未反応ガスを流すことを特徴とする。上記のような構成を有する請求項4に記載の発明によれば、温湿度交換手段が複数の交換セルから構成されている場合に、第1の未反応ガス流路と第2の未反応ガス流路を設け、第2の未反応ガス流路を開閉する開閉弁を制御することにより、温湿度交換手段に供給される未反応ガスの流量を調整することができるので、未反応ガスの加湿量を容易に制御することが可能となる。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態(以下、実施形態という)について、図面を参照して具体的に説明する。なお、図24に示した従来型と同一の部材には同一の符号を付して、説明は省略する。
【0022】
[1.第1実施形態]
[1−1.構成]
図1は、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムの第1実施形態の構成を示す図である。すなわち、本実施形態においては、温湿度交換手段11の既反応ガス流路13の入口と出口を結ぶバイパス通路20が設けられ、燃料電池の酸化剤極2から温湿度交換手段11の既反応ガス流路13へ至るライン上に、前記バイパス通路20へ切り替える切替弁21と、既反応ガス温度センサ22が設けられている。また、温湿度交換手段11の未反応ガス流路12から燃料電池の酸化剤極2へ至るライン上に、未反応ガス温度センサ23が設けられている。また、前記既反応ガス温度センサ22と未反応ガス温度センサ23の検出結果に基づいて、前記切替弁21の切り替え動作を制御するコントロールユニット24が設けられている。
【0023】
図2は、前記切替弁21の切り替え動作を制御するための未反応ガス温度と既反応ガス温度の関係を示す図である。すなわち、温湿度交換手段11では、未反応ガス温度Td、すなわち未反応ガス出口露点と、既反応ガス温度Tw、すなわち既反応ガス入口露点は、比例関係にある(Tw=B(Td))。
一方、燃料電池本体では、反応による生成水が反応ガス中に蒸発し、燃料ガスの入口/出口の水蒸気の差分とともに排出空気に含まれる。生成水が効率良く排出されるためには、既反応ガス温度Twと未反応ガス温度Tdは、既反応ガス中の水蒸気量が、未反応ガス中の水蒸気量と、生成水と、燃料ガス入口/出口の水蒸気量の差分との和と等しくなる関係、すなわち1対1の関係である必要がある(Tw=A(Td))。
【0024】
図2に示したように、この2つの曲線が重なる点Aでは、温湿度交換手段11で加湿された未反応ガスの温度Tdにおいて含まれる水蒸気量と、生成水と、燃料ガス入口/出口の水蒸気量の差分との和が、温湿度交換手段11に供給される既反応ガスの温度Twにおいて含まれる水蒸気量と等しくなり、生成水を効率良く排出できて、定常な運転が可能となる。
【0025】
[1−2.作用]
上記のような構成を有する本実施形態の作用を、図3に示したフローチャートにしたがって説明する。
図3に示したように、制御開始時には、切替弁21は既反応ガス流路側へ開かれており、温湿度交換手段11によって既反応ガスから未反応ガスへ加湿が行われる。
【0026】
そして、ステップ301において、前記コントロールユニット24によって、既反応ガス温度センサ22及び未反応ガス温度センサ23の検出結果が監視され、Tw<A(Td)−ΔTwの条件を満足しない場合、すなわち、既反応ガス温度が所定の値以上である場合には、そのまま運転が行われる。
一方、既反応ガス温度がTw<A(Td)−ΔTwの条件を満足した場合、すなわち、図2のB点のように、既反応ガス温度が、燃料電池本体のバランス曲線Tw=A(Td)より下の領域に推移すると、ステップ302に進み、バイパス通路20へ切り替わる。なお、この場合、図2に示すように、バランス曲線に対して所定の幅ΔTwを設定し、この幅より下回るときにバイパス通路へ切り替わるようにすると、切り替えの回数を少なくできる。
【0027】
このようにして、バイパス通路20へ切り替わると、既反応ガスが温湿度交換手段11に供給されなくなるため、未反応ガスへの加湿が行われなくなり、図2のB点→C点のように、未反応ガス温度が低下していく。
そして、ステップ303において、前記コントロールユニット24によって、既反応ガス温度センサ22及び未反応ガス温度センサ23の検出結果が監視され、Tw≧A(Td)+ΔTwの条件を満足しない場合、すなわち、既反応ガス温度が所定の値以下である場合には、そのまま運転が行われる。
【0028】
そして、未反応ガス温度がさらに低下し、図2のD点のように、既反応ガス温度が、燃料電池本体のバランス曲線Tw=A(Td)よりも上の領域に推移すると、ステップ304に進み、再び既反応ガス通路へ切り替えられる。その結果、既反応ガスが温湿度供給手段11に供給されて、未反応ガスを加湿し、図2のD点→C点のように、未反応ガス温度が上昇する。なお、ここでも、バランス曲線に対して所定の制御幅ΔTwを設置している。
以上の制御フローを繰り返すことにより、温湿度交換手段のバランス曲線を外れても、燃料電池本体のバランス曲線上のC点に保つ制御を行うことができる。
【0029】
また、本実施形態の燃料電池システムと、従来のバイパス通路をもたない燃料電池システムを用意し、冷却水により燃料電池本体の温度を変化させて発電試験を行ったところ、以下のような結果が得られた。
まず、未反応ガス温度が65℃、既反応ガス温度が70℃となるように発電試験を行ったところ、燃料電池本体の水バランスと、温湿度交換手段のバランスが一致し、2つのシステムとも安定した運転が可能であった(図2のA点に相当する)。
【0030】
次に、既反応ガス温度が65℃となるように燃料電池本体の温度を下げて試験を行ったところ、従来の燃料電池システムでは、未反応ガス温度が60℃となるように温湿度交換手段がバランスした。ところが、この条件では、未反応ガス温度に対して既反応ガス温度が低く、燃料電池本体で生成水を十分に排出できず、電極内に水が蓄積してガスの拡散を阻害し、運転を行うことができなかった(図2のB点に相当する)。
一方、本実施形態の燃料電池システムでは、切替弁を制御することにより、燃料電池本体で水がバランスする点、すなわち既反応ガス温度が65℃、未反応ガス温度が50℃で運転を行うことができ、継続して運転が可能となった(図2のC点に相当する)。
【0031】
[1−3.効果]
このように、本実施形態によれば、温湿度交換手段の既反応ガス流路の入口と出口を結ぶバイパス通路と、このバイパス通路へ切り替える切替弁と、未反応ガス温度センサ及び既反応ガス温度センサを設け、既反応ガス温度センサと未反応ガス温度センサの検出結果に基づいて、切替弁の切り替え動作を制御することによって、燃料電池本体での水がバランスする条件での運転が可能となる。
【0032】
なお、本実施形態では、検出手段として温度センサを用いたが、湿度センサや露点計で代用しても同様の効果が得られる。また、バイパス流路への切り替えを切替弁を用いて行ったが、バイパス流路と既反応ガス流路の一方もしくは両方に開閉弁を設けても同様の効果が得られる。
【0033】
[2.第2実施形態]
[2−1.構成]
図4は、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムの第2実施形態の構成を示す図である。すなわち、本実施形態においては、温湿度交換手段11の未反応ガス流路12の入口と出口を結ぶバイパス通路30が設けられ、コンプレッサ10から温湿度交換手段11の未反応ガス流路12へ至るライン上に、前記バイパス通路30へ切り替える切替弁31が設けられている。また、第1実施形態と同様に、燃料電池の酸化剤極2から温湿度交換手段11の既反応ガス流路13へ至るライン上に、既反応ガス温度センサ32が設けられ、また、温湿度交換手段11の未反応ガス流路12から燃料電池の酸化剤極2へ至るライン上に、未反応ガス温度センサ33が設けられている。さらに、前記既反応ガス温度センサ32と未反応ガス温度センサ33の検出結果に基づいて、前記切替弁31の切り替え動作を制御するコントロールユニット34が設けられている。
【0034】
[2−2.作用]
上記のような構成を有する本実施形態の作用を、図5に示したフローチャートにしたがって説明する。
図5に示したように、制御開始時には、切替弁31は未反応ガス流路側へ開かれており、温湿度交換手段11によって既反応ガスから未反応ガスへ加湿が行われる。
【0035】
そして、ステップ501において、前記コントロールユニット34によって、既反応ガス温度センサ32及び未反応ガス温度センサ33の検出結果が監視され、Tw<A(Td)−ΔTwの条件を満足しない場合、すなわち、既反応ガス温度が所定の値以上である場合には、そのまま運転が行われる。
一方、既反応ガス温度がTw<A(Td)−ΔTwの条件を満足した場合、すなわち、図2のB点のように、既反応ガス温度が、燃料電池本体のバランス曲線Tw=A(Td)より下の領域に推移すると、ステップ502に進み、バイパス通路30へ切り替わる。なお、この場合も、図2に示すように、バランス曲線に対して所定の幅ΔTwを設定し、この幅より下回るときにバイパス通路へ切り替わるようにすると、切り替えの回数を少なくできる。
【0036】
このようにして、バイパス通路30へ切り替わると、未反応ガスが温湿度交換手段11に供給されなくなるため、未反応ガスへの加湿が行われなくなり、図2のB点→C点のように、未反応ガス温度が低下していく。
そして、ステップ503において、前記コントロールユニット34によって、既反応ガス温度センサ32及び未反応ガス温度センサ33の検出結果が監視され、Tw≧A(Td)+ΔTwの条件を満足しない場合、すなわち、既反応ガス温度が所定の値以下である場合には、そのまま運転が行われる。
【0037】
そして、未反応ガス温度がさらに低下し、図2のD点のように、既反応ガス温度が、燃料電池本体のバランス曲線Tw=A(Td)よりも上の領域に推移すると、ステップ504に進み、再び未反応ガス通路へ切り替えられる。その結果、未反応ガスが温湿度供給手段11に供給されて、加湿され、図2のD点→C点のように、未反応ガス温度が上昇する。なお、ここでも、バランス曲線に対して所定の制御幅ΔTwを設置している。
以上の制御フローを繰り返すことにより、温湿度交換手段のバランス曲線を外れても、燃料電池本体のバランス曲線上のC点に保つ制御を行うことができる。
【0038】
また、第1実施形態と同様に、本実施形態の燃料電池システムと、従来のバイパス通路をもたない燃料電池システムを用意し、冷却水により燃料電池本体の温度を変化させて発電試験を行ったところ、以下のような結果が得られた。
まず、未反応ガス温度が65℃、既反応ガス温度が70℃となるように発電試験を行ったところ、燃料電池本体の水バランスと、温湿度交換手段のバランスが一致し、2つのシステムとも安定した運転が可能であった。
【0039】
次に、既反応ガス温度が65℃となるように燃料電池本体の温度を下げて試験を行ったところ、本実施形態の燃料電池システムでは、切替弁を制御することにより、燃料電池本体で水がバランスする点、すなわち既反応ガス温度が65℃、未反応ガス温度が50℃で運転を行うことができ、継続して運転が可能となった。
【0040】
[2−3.効果]
このように、本実施形態によれば、温湿度交換手段の未反応ガス流路の入口と出口を結ぶバイパス通路と、このバイパス通路へ切り替える切替弁と、未反応ガス温度センサ及び既反応ガス温度センサを設け、既反応ガス温度センサと未反応ガス温度センサの検出結果に基づいて、切替弁の切り替え動作を制御することによって、燃料電池本体での水がバランスする条件での運転が可能となる。
【0041】
なお、本実施形態では、検出手段として温度センサを用いたが、湿度センサや露点計で代用しても同様の効果が得られる。また、バイパス流路への切替を切替弁を用いて行ったが、バイパス流路と既反応ガス流路の一方もしくは両方に開閉弁を設けても同様の効果が得られる。
【0042】
[3.第3実施形態]
[3−1.構成]
図6は、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムの第3実施形態の構成を示す図である。すなわち、本実施形態においては、温湿度交換手段11が複数の交換セルから構成され、これら複数の交換セルのうち、一部の交換セルに流通する第1の既反応ガス流路13aと、残りの交換セルに流通する第2の既反応ガス流路13bが設けられ、さらに、前記第2の既反応ガス流路13bを開閉する開閉弁45が設けられている。
また、温湿度交換手段11の既反応ガス流路の入口と出口を結ぶバイパス通路40が設けられ、燃料電池の酸化剤極2から温湿度交換手段11の既反応ガス流路13へ至るライン上に、前記バイパス通路40へ切り替える切替弁41と、既反応ガス温度センサ42が設けられている。また、温湿度交換手段11の未反応ガス流路12から燃料電池の酸化剤極2へ至るライン上に、未反応ガス温度センサ43が設けられている。また、前記既反応ガス温度センサ42と未反応ガス温度センサ43の検出結果に基づいて、前記切替弁41及び開閉弁45の動作を制御するコントロールユニット44が設けられている。
【0043】
図7は、本実施形態の温湿度交換手段のセル積層方向の断面図を示したものである。すなわち、温湿度交換手段11は複数の交換セルで構成され、各交換セルは、未反応ガス流路12、保水性多孔質体14及び第1の既反応ガス流路13a、あるいは、未反応ガス流路12、保水性多孔質体14及び第2の既反応ガス流路13bから構成されている。
【0044】
また、図8は第1の既反応ガス流路13a、図9は第2の既反応ガス流路13b、図10は未反応ガス流路12を示したものである。図に示したように、それぞれの流路には、上部に未反応ガス供給マニホールド46及び既反応ガス排出マニホールド47が設けられ、下部に未反応ガス排出マニホールド48と、第1及び第2の既反応ガス供給マニホールド49,50が共通して設けられている。また、それぞれの流路には、金属メッシュからなる矩形のガス流路が形成されている。
【0045】
上述したように、複数の交換セルのうち、一部のセルは、未反応ガス流路12と第1の既反応ガス流路13aが組合わされて使用され、残りのセルは、未反応ガス流路12と第2の既反応ガス流路13bが組合わされて使用されている。 また、図7に示すように、積層された交換セルの両端部にはエンドプレート51が設けられており、左のエンドプレート51aには、未反応ガス入口52及び既反応ガス出口53が設けられ、右のエンドプレート51bには、未反応ガス出口54と、第1及び第2の既反応ガス入口55,56が設けられている。また、図8及び図9に示すように、第1及び第2の既反応ガス流路の既反応ガス排出マニホールド47は共通になっており、第1及び第2の既反応ガス流路を流れてきた既反応ガスは、同じマニホールドを介して排出される。
【0046】
図11は、前記切替弁41及び開閉弁45を制御するための未反応ガス温度と既反応ガス温度の関係を示す図である。
すなわち、温湿度交換手段11では、未反応ガス温度Td、すなわち未反応ガス出口露点と、既反応ガス温度Tw、すなわち既反応ガス入口露点は、比例関係にある(Tw=B(Td))。そして、第2の既反応ガス流路13bへの通路の開閉弁45を閉じた場合には、未反応ガス温度と既反応ガス温度の関係は、図11中の曲線Tw=B(Td)となる。一方、第2の既反応ガス流路13bへの通路の開閉弁45を開いた場合には、未反応ガス温度と既反応ガス温度の関係は、図11中の曲線Tw=C(Td)となる。すなわち、開閉弁45を開くと、すべての交換セルで加湿が行われるため、同じ既反応ガス温度でも高い未反応ガス温度が得られる。
【0047】
一方、燃料電池本体では、反応による生成水が反応ガス中に蒸発し、燃料ガスの入口/出口の水蒸気の差分とともに排出空気に含まれる。生成水が効率良く排出されるためには、既反応ガス温度Twと未反応ガス温度Tdは、既反応ガス中の水蒸気量が、未反応ガス中の水蒸気量と、生成水と、燃料ガス入口/出口の水蒸気量の差分との和と等しくなる関係、すなわち1対1の関係である必要がある(Tw=A(Td))。
【0048】
図11に示したように、曲線が重なる点Aでは、温湿度交換手段11で加湿された未反応ガスの温度Tdにおいて含まれる水蒸気量と、生成水と、燃料ガス入口/出口の水蒸気量の差分との和が、温湿度交換手段11に供給される既反応ガスの温度Twにおいて含まれる水蒸気量と等しくなり、生成水を効率良く排出できて、定常な運転が可能となる。
【0049】
[3−2.作用]
上記のような構成を有する本実施形態の作用を、図12に示したフローチャートにしたがって説明する。
図12に示したように、制御開始時には、切替弁41は既反応ガス流路側へ開かれ、また、開閉弁45は閉じられており、温湿度交換手段11の複数のセルのうち、第1の既反応ガス流路13aを備える交換セルにおいて、既反応ガスから未反応ガスへ加湿が行われる。残りの交換セルには既反応ガスは供給されず、このセルを流れる未反応ガスは加湿されずにそのまま通過する。
【0050】
そして、ステップ1201において、前記コントロールユニット44によって、既反応ガス温度センサ42及び未反応ガス温度センサ43の検出結果が監視され、Tw<A(Td)−ΔTw1の条件を満足しない場合、すなわち、既反応ガス温度が所定の値以上である場合には、ステップ1205に進む。
一方、既反応ガス温度がTw<A(Td)−ΔTw1の条件を満足した場合、すなわち、図11のB点のように、既反応ガス温度が、燃料電池本体のバランス曲線Tw=A(Td)より下の領域に推移すると、ステップ1202に進み、バイパス通路40へ切り替わる。なお、この場合、図11に示すように、バランス曲線に対して所定の幅ΔTw1を設定し、この幅より下回るときにバイパス通路へ切り替わるようにすると、切り替えの回数を少なくできる。
【0051】
このようにして、バイパス通路40へ切り替わると、既反応ガスが温湿度交換手段11に供給されなくなるため、未反応ガスへの加湿が行われなくなり、図11のB点→C点のように、未反応ガス温度が低下していく。
そして、ステップ1203において、前記コントロールユニット44によって、既反応ガス温度センサ42及び未反応ガス温度センサ43の検出結果が監視され、Tw≧A(Td)+ΔTw1の条件を満足しない場合、すなわち、既反応ガス温度が所定の値以下である場合には、そのまま運転が行われる。
【0052】
そして、未反応ガス温度がさらに低下し、図11のD点のように、既反応ガス温度が、燃料電池本体のバランス曲線Tw=A(Td)よりも上の領域に推移すると、ステップ1204に進み、再び既反応ガス通路へ切り替えられる。その結果、既反応ガスが温湿度供給手段11に供給されて、未反応ガスを加湿し、図11のD点→C点のように、未反応ガス温度が上昇する。なお、ここでも、バランス曲線に対して所定の制御幅ΔTw1を設置している。
【0053】
また、ステップ1205においては、前記コントロールユニット44によって、既反応ガス温度センサ42及び未反応ガス温度センサ43の検出結果が監視され、Tw>A(Td)+ΔTw2の条件を満足しない場合、すなわち、既反応ガス温度が所定の値以下である場合には、ステップ1201に戻り、運転が続けられる。
一方、既反応ガス温度がTw>A(Td)+ΔTw2の条件を満足した場合、すなわち、図11のE点のように、既反応ガス温度が、燃料電池本体のバランス曲線Tw=A(Td)より上の領域に推移すると、ステップ1206に進み、開閉弁45が開かれる。この時、図11に示すように、バランス曲線に対して所定の幅ΔTw2を設定し、この幅より下回るときに開閉弁が開くようにすると、開閉の回数を少なくできる。
【0054】
このようにして、開閉弁45が開かれると、第1の既反応ガス流路13aとともに、第2の既反応ガス流路13bへも既反応ガスが供給され、すべての交換セルで未反応ガスが加湿されるため、加湿量が増加し、図11中のE点→F点のように、未反応ガス温度が上昇していく。
【0055】
そして、ステップ1207において、前記コントロールユニット44によって、既反応ガス温度センサ42及び未反応ガス温度センサ43の検出結果が監視され、Tw≦A(Td)−ΔTw2の条件を満足しない場合、すなわち、既反応ガス温度が所定の値以上である場合には、そのまま運転が行われる。
【0056】
一方、未反応ガス温度がさらに上昇し、図11のG点のように、既反応ガス温度が、燃料電池本体のバランス曲線Tw=A(Td)よりも下の領域に推移すると、ステップ1208に進み、再び開閉弁45が閉じられ、第1の既反応ガス流路13aのみに既反応ガスが供給されるため、加湿量が減少し、図11のG点→F点のように、未反応ガス温度が低下する。ここでも、バランス曲線に対して所定の制御幅ΔTw2を設置している。
【0057】
以上の制御フローを繰り返すことにより、温湿度交換手段のバランス曲線を外れて加湿量が増加しても、燃料電池本体のバランス曲線上のC点に保つ制御を行うことができる。また、温湿度交換手段の交換セルを2通りに使用することにより、加湿量が減少しても、燃料電池本体のバランス曲線上のF点に保つ制御を行うことができる。
【0058】
また、本実施形態の燃料電池システムと、従来のバイパス通路及び開閉弁をもたない燃料電池システムを用意し、冷却水により燃料電池本体の温度を変化させて発電試験を行ったところ、以下のような結果が得られた。
まず、未反応ガス温度が65℃、既反応ガス温度が70℃となるように発電試験を行ったところ、燃料電池本体の水バランスと、温湿度交換手段のバランスが一致し、2つのシステムとも安定した運転が可能であった(図11のA点に相当する)。
【0059】
次に、既反応ガス温度が65℃となるように燃料電池本体の温度を下げて試験を行ったところ、従来の燃料電池システムでは、未反応ガス温度が60℃となるように温湿度交換手段がバランスした。ところが、この条件では、未反応ガス温度に対して既反応ガス温度が低く、燃料電池本体で生成水を十分に排出できず、電極内に水が蓄積してガスの拡散を阻害し、運転を行うことができなかった(図11のB点に相当する)。
一方、本実施形態の燃料電池システムでは、切替弁を制御することにより、燃料電池本体で水がバランスする点、すなわち既反応ガス温度が65℃、未反応ガス温度が50℃で運転を行うことができ、継続して運転が可能となった(図11のC点に相当する)。
【0060】
次に、既反応ガス温度が75℃となるように燃料電池本体の温度を上げて試験を行ったところ、従来の燃料電池システムでは、未反応ガス温度が70℃となるように温湿度交換手段がバランスした。ところが、この条件では、未反応ガス温度に対して既反応ガス温度が高く、燃料電池本体で生成水の量以上の水蒸気が排出され、電解質膜中の水分が減少して抵抗が増加し、運転を行うことができなかった(図11のE点に相当する)。
一方、本実施形態の燃料電池システムでは、開閉弁を制御することにより、燃料電池本体で水がバランスする点、すなわち既反応ガス温度が75℃、未反応ガス温度が72℃で運転を行うことができ、継続して運転が可能となった(図11のF点に相当する)。
【0061】
[3−3.効果]
このように、本実施形態によれば、温湿度交換手段の既反応ガス流路の入口と出口を結ぶバイパス通路と、このバイパス通路へ切り替える切替弁と、未反応ガス温度センサ及び既反応ガス温度センサを設け、既反応ガス温度センサと未反応ガス温度センサの検出結果に基づいて、切替弁の切り替え動作を制御することによって、燃料電池本体での水がバランスする条件での運転が可能となる。
【0062】
また、温湿度交換手段を複数の交換セルで構成し、複数の交換セルのうち、一部の交換セルに流通する第1の既反応ガス通路と、残りの交換セルに流通する第2の既反応ガス通路と、第2の既反応ガス通路を開閉する弁を設け、開閉弁を制御することで、加湿量を増加させることが可能となり、加湿量が不足した時にも加湿量を増加させて、燃料電池本体での水がバランスする条件での運転が可能となる。
【0063】
なお、本実施形態では、検出手段として温度センサを用いたが、湿度センサや露点計で代用しても同様の効果が得られる。また、バイパス流路への切替を切替弁を用いて行ったが、バイパス流路と既反応ガス流路の一方もしくは両方に開閉弁を設けても同様の効果が得られる。
【0064】
[4.第4実施形態]
[4−1.構成]
図13は、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムの第4実施形態の構成を示す図である。すなわち、本実施形態においても、第3実施形態と同様に、温湿度交換手段11が複数の交換セルから構成され、これら複数の交換セルのうち、一部の交換セルに流通する第1の未反応ガス流路12aと、残りの交換セルに流通する第2の未反応ガス流路12bが設けられ、さらに、前記第2の未反応ガス流路12bを開閉する開閉弁65が設けられている。
また、温湿度交換手段11の未反応ガス流路の入口と出口を結ぶバイパス通路60が設けられ、コンプレッサ10から温湿度交換手段11の未反応ガス流路12へ至るライン上に、前記バイパス通路60へ切り替える切替弁61が設けられている。また、燃料電池の酸化剤極2から温湿度交換手段11の既反応ガス流路13へ至るライン上に、既反応ガス温度センサ62が設けられ、また、温湿度交換手段11の未反応ガス流路12から燃料電池の酸化剤極2へ至るライン上に、未反応ガス温度センサ63が設けられている。また、前記既反応ガス温度センサ62と未反応ガス温度センサ63の検出結果に基づいて、前記切替弁61及び開閉弁65の動作を制御するコントロールユニット64が設けられている。
【0065】
図14は、本実施形態の温湿度交換手段のセル積層方向の断面図を示したものである。すなわち、温湿度交換手段11は複数の交換セルで構成され、各交換セルは、第1の未反応ガス流路12a、保水性多孔質体14及び既反応ガス流路13、あるいは、第2の未反応ガス流路12b、保水性多孔質体14及び既反応ガス流路13から構成されている。
【0066】
また、図15は第1の未反応ガス流路12a、図16は第2の未反応ガス流路12b、図17は既反応ガス流路13を示したものである。図に示したように、それぞれの流路には、上部に第1及び第2の未反応ガス供給マニホールド66、67及び既反応ガス排出マニホールド68が設けられ、下部に未反応ガス排出マニホールド69と、既反応ガス供給マニホールド70が共通して設けられている。また、それぞれの流路には、金属メッシュからなる矩形のガス流路が形成されている。
【0067】
上述したように、複数の交換セルのうち、一部のセルは、既反応ガス流路13と第1の未反応ガス流路12aが組合わされて使用され、残りのセルは、既反応ガス流路13と第2の未反応ガス流路12bが組合わされて使用されている。
また、図14に示すように、積層された交換セルの両端部にはエンドプレート71が設けられており、左のエンドプレート71aには、第1及び第2の未反応ガス入口72、73及び既反応ガス出口74が設けられ、右のエンドプレート71bには、未反応ガス出口75と、既反応ガス入口76が設けられている。また、図15及び図16に示すように、第1及び第2の未反応ガス流路の未反応ガス排出マニホールド69は共通になっており、第1及び第2の未反応ガス流路を流れてきた未反応ガスは、同じマニホールドを介して排出される。
【0068】
図11は、前記切替弁61及び開閉弁65を制御するための未反応ガス温度と既反応ガス温度の関係を示す図である。
すなわち、温湿度交換手段11では、未反応ガス温度Td、すなわち未反応ガス出口露点と、既反応ガス温度Tw、すなわち既反応ガス入口露点は、比例関係にある(Tw=B(Td))。そして、第2の未反応ガス流路12bへの通路の開閉弁65を閉じた場合には、未反応ガス温度と既反応ガス温度の関係は、図11中の曲線Tw=B(Td)となる。一方、第2の未反応ガス流路12bへの通路の開閉弁65を開いた場合には、未反応ガス温度と既反応ガス温度の関係は、図11中の曲線Tw=C(Td)となる。すなわち、開閉弁65を開くと、すべての交換セルで加湿が行われるため、同じ既反応ガス温度でも高い未反応ガス温度が得られる。
【0069】
[4−2.作用]
上記のような構成を有する本実施形態の作用を、図18に示したフローチャートにしたがって説明する。
図18に示したように、制御開始時には、切替弁61は未反応ガス流路側へ開かれ、また、開閉弁65は閉じられており、温湿度交換手段11の複数のセルのうち、第1の未反応ガス流路12aを備える交換セルにおいて、既反応ガスから未反応ガスへ加湿が行われる。一方、残りの交換セルには未反応ガスは供給されないので、加湿は行われない。
【0070】
そして、ステップ1801において、前記コントロールユニット64によって、既反応ガス温度センサ62及び未反応ガス温度センサ63の検出結果が監視され、Tw<A(Td)−ΔTw1の条件を満足しない場合、すなわち、既反応ガス温度が所定の値以上である場合には、ステップ1805に進む。
一方、既反応ガス温度がTw<A(Td)−ΔTw1の条件を満足した場合、すなわち、図11のB点のように、既反応ガス温度が、燃料電池本体のバランス曲線Tw=A(Td)より下の領域に推移すると、ステップ1802に進み、バイパス通路60へ切り替わる。なお、この場合、図11に示すように、バランス曲線に対して所定の幅ΔTw1を設定し、この幅より下回るときにバイパス通路へ切り替わるようにすると、切り替えの回数を少なくできる。
【0071】
このようにして、バイパス通路60へ切り替わると、未反応ガスが温湿度交換手段11に供給されなくなるため、未反応ガスへの加湿が行われなくなり、図11のB点→C点のように、未反応ガス温度が低下していく。
そして、ステップ1803において、前記コントロールユニット64によって、既反応ガス温度センサ62及び未反応ガス温度センサ63の検出結果が監視され、Tw≧A(Td)+ΔTw1の条件を満足しない場合、すなわち、既反応ガス温度が所定の値以下である場合には、そのまま運転が行われる。
【0072】
そして、未反応ガス温度がさらに低下し、図11のD点のように、既反応ガス温度が、燃料電池本体のバランス曲線Tw=A(Td)よりも上の領域に推移すると、ステップ1804に進み、再び未反応ガス通路へ切り替えられる。その結果、未反応ガスが温湿度供給手段11に供給され、未反応ガスが加湿されるので、図11のD点→C点のように、未反応ガス温度が上昇する。なお、ここでも、バランス曲線に対して所定の制御幅ΔTw1を設置している。
【0073】
また、ステップ1805においては、前記コントロールユニット64によって、既反応ガス温度センサ62及び未反応ガス温度センサ63の検出結果が監視され、Tw>A(Td)+ΔTw2の条件を満足しない場合、すなわち、既反応ガス温度が所定の値以下である場合には、ステップ1801に戻る。
一方、既反応ガス温度がTw>A(Td)+ΔTw2の条件を満足した場合、すなわち、図11のE点のように、既反応ガス温度が、燃料電池本体のバランス曲線Tw=A(Td)より上の領域に推移すると、ステップ1806に進み、開閉弁65が開かれる。この時、図11に示すように、バランス曲線に対して所定の幅ΔTw2を設定し、この幅より下回るときに開閉弁が開くようにすると、開閉の回数を少なくできる。
【0074】
このようにして、開閉弁65が開かれると、第1の未反応ガス流路12aとともに、第2の未反応ガス流路12bへも未反応ガスが供給され、すべての交換セルで未反応ガスが加湿されるため、加湿量が増加し、図11中のE点→F点のように、未反応ガス温度が上昇していく。
【0075】
そして、ステップ1807において、前記コントロールユニット64によって、既反応ガス温度センサ62及び未反応ガス温度センサ63の検出結果が監視され、Tw≦A(Td)−ΔTw2の条件を満足しない場合、すなわち、既反応ガス温度が所定の値以上である場合には、そのまま運転が行われる。
【0076】
一方、未反応ガス温度がさらに上昇し、図11のG点のように、既反応ガス温度が、燃料電池本体のバランス曲線Tw=A(Td)よりも下の領域に推移すると、ステップ1808に進み、再び開閉弁65が閉じられ、第1の未反応ガス流路12aのみに未反応ガスが供給されるため、加湿量が減少し、図11のG点→F点のように、未反応ガス温度が低下する。ここでも、バランス曲線に対して所定の制御幅ΔTw2を設置している。
【0077】
以上の制御フローを繰り返すことにより、温湿度交換手段のバランス曲線を外れて加湿量が増加しても、燃料電池本体のバランス曲線上のC点に保つ制御を行うことができる。また、温湿度交換手段の交換セルを2通りに使用することにより、加湿量が減少しても、燃料電池本体のバランス曲線上のF点に保つ制御を行うことができる。
【0078】
また、第3実施形態と同様に、本実施形態の燃料電池システムと、従来のバイパス通路及び開閉弁をもたない燃料電池システムを用意し、冷却水により燃料電池本体の温度を変化させて発電試験を行ったところ、以下のような結果が得られた。
まず、未反応ガス温度が65℃、既反応ガス温度が70℃となるように発電試験を行ったところ、燃料電池本体の水バランスと、温湿度交換手段のバランスが一致し、2つのシステムとも安定した運転が可能であった。
【0079】
次に、既反応ガス温度が65℃となるように燃料電池本体の温度を下げて試験を行ったところ、本実施形態の燃料電池システムでは、切替弁の制御により、燃料電池本体で水がバランスする点、すなわち既反応ガス温度が65℃、未反応ガス温度が50℃で運転を行うことができ、継続して運転が可能となった。
【0080】
次に、既反応ガス温度が75℃となるように燃料電池本体の温度を上げて試験を行ったところ、本実施形態の燃料電池システムでは、開閉弁を制御することにより、燃料電池本体で水がバランスする点、すなわち既反応ガス温度が75℃、未反応ガス温度が72℃で運転を行うことができ、継続して運転が可能となった。
【0081】
[4−3.効果]
このように、本実施形態によれば、温湿度交換手段の未反応ガス流路の入口と出口を結ぶバイパス通路と、このバイパス通路へ切り替える切替弁と、未反応ガス温度センサ及び既反応ガス温度センサを設け、既反応ガス温度センサと未反応ガス温度センサの検出結果に基づいて、切替弁の切り替え動作を制御することによって、燃料電池本体での水がバランスする条件での運転が可能となる。
【0082】
また、温湿度交換手段を複数の交換セルで構成し、複数の交換セルのうち、一部の交換セルに流通する第1の未反応ガス通路と、残りの交換セルに流通する第2の未反応ガス通路と、第2の未反応ガス通路を開閉する弁を設け、この開閉弁を制御することで、加湿量を増加させることが可能となり、加湿量が不足した時にも加湿量を増加させて、燃料電池本体での水がバランスする条件での運転が可能となる。
【0083】
なお、本実施形態では、検出手段として温度センサを用いたが、湿度センサや露点計で代用しても同様の効果が得られる。また、バイパス流路への切替を切替弁を用いて行ったが、バイパス流路と既反応ガス流路の一方もしくは両方に開閉弁を設けても同様の効果が得られる。
【0084】
[5.第5実施形態]
本実施形態は、上記第3実施形態の変形例であり、既反応ガス流路を第1の既反応ガス流路と第2の既反応ガス流路とから構成し、未反応ガス流路と既反応ガス流路の間に保水性の多孔質体を配置したものである。
【0085】
[5−1.構成]
図19は、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムの第5実施形態の構成を示す図である。すなわち、本実施形態においては、既反応ガス流路13が第1の既反応ガス流路13aと第2の既反応ガス流路13bとから構成され、互いに隣接して配置されたすべての未反応ガス流路12と第1又は第2の既反応ガス流路13a、13bの間に、保水性の多孔質体14が配設されている。その他の構成は、第3実施形態の図7と同様であるので説明は省略する。
【0086】
[5−2.作用・効果]
図20は、第2の既反応ガス流路13bの開閉弁を閉じた時の作動状態を示したものである。この場合、既反応ガスは1つおきに流れ、その両側にある保水性の多孔質体14を介して未反応ガスを加湿する。したがって、未反応ガス流路1個に対して保水性の多孔質体1個が有効となり、加湿を行う。
【0087】
また、図19は、第2の既反応ガス流路13bの開閉弁を開いた時の作動状態を示したものである。この場合、既反応ガスはすべての既反応ガス流路を流れ、その両側にある保水性の多孔質体14を介して未反応ガスを加湿する。したがって、未反応ガス流路1個に対して保水性の多孔質体2個が有効となり、加湿を行うため、交換面積が2倍となり、加湿量を増やすことが可能となる。
【0088】
このように、本実施形態の温湿度交換手段を用いることにより、加湿量の増加が可能となり、第3実施形態と同様の効果が得られる。また、各流路の両側に保水性の多孔質体を配するため、温湿度交換手段のコンパクト化が可能となり、開閉弁を閉じて第1の既反応ガス流路だけを用いる時にも、全ての未反応ガスが加湿され、安定した動作が可能となる。
【0089】
[6.第6実施形態]
本実施形態は、上記第4実施形態の変形例であり、未反応ガス流路を第1の未反応ガス流路と第2の未反応ガス流路とから構成し、未反応ガス流路と既反応ガス流路の間に保水性の多孔質体を配置したものである。
【0090】
[6−1.構成]
図21は、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムの第6実施形態の構成を示す図である。すなわち、本実施形態においては、未反応ガス流路12が第1の未反応ガス流路12aと第2の未反応ガス流路12bとから構成され、互いに隣接して配置されたすべての第1又は第2の未反応ガス流路12a、12bと既反応ガス流路13の間に、保水性の多孔質体14が配設されている。その他の構成は、第4実施形態の図14と同様であるので説明は省略する。
【0091】
[6−2.作用・効果]
図22は、第2の未反応ガス流路12bの開閉弁を閉じた時の作動状態を示したものである。この場合、未反応ガスは1つおきに流れ、その両側にある保水性の多孔質体14を介して、既反応ガスによって加湿される。したがって、未反応ガス流路1個に対して保水性の多孔質体2個が有効となり、加湿が行われる。
【0092】
また、図21は、第2の未反応ガス流路12bの開閉弁を開いた時の作動状態を示したものである。この場合、未反応ガスはすべての未反応ガス流路を流れ、その両側にある保水性の多孔質体14を介して、既反応ガスによって加湿される。したがって、未反応ガス流路1個に対して保水性の多孔質体2個が有効となる。この場合、図22に示した開閉弁を閉じた時と比べて、未反応ガス流路1個に対する保水性多孔質体の個数は2個と同じだが、1個の未反応ガス流路を流れるガス量が半分となるため、加湿量を増やすことが可能となる。
【0093】
このように、本実施形態の温湿度交換手段を用いることにより、加湿量の増加が可能となり、第4実施形態と同様の効果が得られる。また、各流路の両側に保水性の多孔質体を配するため、温湿度交換手段のコンパクト化が可能となり、開閉弁を閉じて第1の未反応ガス流路だけを用いる時にも、全ての未反応ガスが加湿され、安定した動作が可能となる。
【0094】
[7.参考例]
[7−1.構成]
図23に示したように、本参考例においては、温湿度交換手段11に、不凍液を用いた温度調整手段80が設けられている。この温度調整手段80は、冷却水ポンプ7の出口で分岐されたラインに、開閉弁81を介して接続されている。また、燃料電池の酸化剤極2から温湿度交換手段11の既反応ガス流路13へ至るライン上に、既反応ガス温度センサ82が設けられ、また、温湿度交換手段11の未反応ガス流路12から燃料電池の酸化剤極2へ至るライン上に、未反応ガス温度センサ83が設けられている。また、前記既反応ガス温度センサ82と未反応ガス温度センサ83の検出結果に基づいて、前記開閉弁81の開閉動作を制御するコントロールユニット84が設けられている。
【0095】
[7−2.作用・効果]
上記のような構成を有する本参考例においては、既反応ガス温度センサ82と未反応ガス温度センサ83の検出結果に基づいて、温湿度交換手段11を冷却する必要がある場合には、開閉弁81が開かれ、温湿度交換手段11の温度調整手段80に不凍液が供給される。不凍液が供給されると、温湿度交換手段11が冷却されて、未反応ガス温度が低下する。したがって、図2に示した関係に基づいて、開閉弁81の開閉が制御されることにより、燃料電池本体での水がバランスする条件での運転が可能となる。
【0096】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、温湿度交換手段における加湿量を適切に制御することができる、高性能の固体高分子型燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の固体高分子型燃料電池システムの第1実施形態の構成を示す図
【図2】 第1実施形態及び第2実施形態の燃料電池システムの制御曲線を示す図
【図3】 第1実施形態の動作を示すフローチャート
【図4】 本発明の固体高分子型燃料電池システムの第2実施形態の構成を示す図
【図5】 第2実施形態の動作を示すフローチャート
【図6】 本発明の固体高分子型燃料電池システムの第3実施形態の構成を示す図
【図7】 第3実施形態の温湿度交換手段の構成を示す縦断面図
【図8】 第3実施形態の温湿度交換手段の第1の既反応ガス流路の構成を示す平面図
【図9】 第3実施形態の温湿度交換手段の第2の既反応ガス流路の構成を示す平面図
【図10】 第3実施形態の温湿度交換手段の未反応ガス流路の構成を示す平面図
【図11】 第3実施形態及び第4実施形態の燃料電池システムの制御曲線を示す図
【図12】 第3実施形態の動作を示すフローチャート
【図13】 本発明の固体高分子型燃料電池システムの第4実施形態の構成を示す図
【図14】 第4実施形態の温湿度交換手段の構成を示す縦断面図
【図15】 第4実施形態の温湿度交換手段の第1の未反応ガス流路の構成を示す平面図
【図16】 第4実施形態の温湿度交換手段の第2の未反応ガス流路の構成を示す平面図
【図17】 第4実施形態の温湿度交換手段の既反応ガス流路の構成を示す平面図
【図18】 第4実施形態の動作を示すフローチャート
【図19】 第5実施形態の温湿度交換手段の構成を示す縦断面図であって、第2の既反応ガス流路の開閉弁を開いた状態を示す図
【図20】 第5実施形態の温湿度交換手段の構成を示す縦断面図であって、第2の既反応ガス流路の開閉弁を閉じた状態を示す図
【図21】 第6実施形態の温湿度交換手段の構成を示す縦断面図であって、第2の未反応ガス流路の開閉弁を開いた状態を示す図
【図22】 第6実施形態の温湿度交換手段の構成を示す縦断面図であって、第2の未反応ガス流路の開閉弁を閉じた状態を示す図
【図23】 固体高分子型燃料電池システムの参考例の構成を示す図
【図24】 従来の固体高分子型燃料電池システムの構成を示す図[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell system, and more particularly to a polymer electrolyte fuel cell system that has been improved to appropriately control the amount of humidification in a temperature and humidity exchange means.
[0002]
[Prior art]
A fuel cell is a device that directly converts chemical energy of a fuel into electrical energy by electrochemically reacting a fuel such as hydrogen with an oxidant such as air. Depending on the type of electrolyte used, this fuel cell is roughly classified into low-temperature operating fuel cells such as alkaline, solid polymer, and phosphoric acid, and high-temperature operating fuel cells such as molten carbonate and solid oxide. Is done.
Among them, a polymer electrolyte fuel cell (hereinafter referred to as PEFC) using a proton-conducting polymer electrolyte membrane as an electrolyte can be operated with a simple system and high power density with a compact structure. Therefore, it is attracting attention as a power source for space and vehicles.
[0003]
A general fuel cell system uses a hydrocarbon such as methane or an alcohol such as methanol as a fuel, a reformer that reforms the fuel to generate a hydrogen-rich gas, a shift reactor that reduces CO in the hydrogen-rich gas, and a selection It consists of an oxidizer, a compressor that supplies air as an oxidant, a cooling system that removes heat generated by the cell reaction, and a fuel cell body. In the fuel cell body, hydrogen ions are generated from hydrogen contained in the fuel gas, and the hydrogen ions are conducted through the electrolyte membrane and react with oxygen contained in the oxidant gas to produce water. At that time, a part of the chemical energy of hydrogen is directly taken out as electric energy.
[0004]
Further, since the electrolyte membrane exhibits good hydrogen ion conductivity in a water-containing state, it is indispensable to humidify the electrolyte membrane to keep it in a water-containing state during operation. This humidification method includes an external humidification method in which water vapor is previously added to the reaction gas, indirect internal humidification in which battery cooling water and unreacted gas are brought into contact with each other through a humidifying film, and a part of the battery cooling water is added to the unreacted gas. There are known a method, a direct internal humidification method in which battery cooling water is directly supplied to a reaction gas in a battery reaction part, and the like.
[0005]
On the other hand, in recent years, the pre-reacted gas that has passed through the battery unit and the unreacted gas before passing through the battery unit are brought into contact with each other through a water vapor permeable membrane, and moisture contained in the pre-reacted gas is removed by the partial pressure difference of the water vapor. (JF McElroy and LJ Nuttall, "Status of Solid Polymer Electrolyte Technology and Potential for Transportation Applications", 17th IECEC, 1982, pp.667-671.).
In this case, since water vapor is generated with the electrode reaction, the already-reacted gas contains saturated or near water vapor. On the other hand, since there is little water vapor contained in the unreacted gas, a water vapor partial pressure difference is generated in each gas, and the concentration of water vapor can be diffused using this as a driving force. As described in the above-mentioned document, this method is characterized in that it does not cause a phase change. JP-A-6-132038 also discloses a similar humidification method.
[0006]
FIG. 24 is a diagram showing a configuration of a general solid polymer fuel cell system used conventionally. That is, the polymer electrolyte fuel cell main body is configured by sandwiching a solid
[0007]
A
[0008]
On the other hand, the
[0009]
Further, the air supplied by the
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional humidification method as described above has various problems as described below.
That is, in the method of adding moisture to the unreacted gas by adding the water vapor of the already reacted gas through the water vapor permeable membrane, humidification is performed only by the difference in water vapor partial pressure between the two gases. Diffusion resistance, diffusion resistance in the water vapor permeable membrane, and diffusion resistance on the unreacted gas side become extremely large, so the problem is that a large humidifier is required for sufficient humidification. There is.
[0011]
Further, in this method, the humidification amount is determined by the amount of water vapor contained in the already-reacted gas and the exchange area of the porous body serving as a medium. Usually, since the exchange area of the porous body is constant, the humidification amount is It depends on the amount of water vapor contained in the gas, that is, the water vapor partial pressure.
Although the water vapor partial pressure varies depending on operating conditions such as temperature and output, it is necessary to control so as to obtain a necessary amount of humidification under any operating conditions. This is because when the required amount of humidification cannot be obtained, the moisture in the electrolyte membrane decreases, the hydrogen ion conductivity decreases, and the performance decreases. Furthermore, since the moisture in the already reacted gas that has passed through the reaction section is reduced and the water vapor partial pressure is lowered, there is a possibility that a vicious cycle occurs in which the humidification amount is further reduced.
[0012]
As described above, in the method of adding moisture to the unreacted gas by adding the water vapor of the already reacted gas through the water vapor permeable membrane, the humidification amount is determined by the partial pressure of water vapor in the already reacted gas, so that the amount of humidification is balanced. If it goes out of the state, there is a problem that it is difficult to control the humidification amount.
[0013]
The present invention has been proposed in order to solve the above-described problems of the prior art, and its purpose is to provide a high-performance solid-state high-capacity, capable of appropriately controlling the amount of humidification in the temperature / humidity exchange means. The object is to provide a molecular fuel cell system.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the invention described in
[0015]
The invention according to
[0016]
According to the invention described in
[0017]
According to a third aspect of the present invention, in the polymer electrolyte fuel cell system according to the first aspect, the temperature / humidity exchange means includes a plurality of replacement cells, and a part of the plurality of replacement cells. An open / close valve that opens and closes the second pre-reacted gas flow path is provided with a first pre-reacted gas flow path that flows through the exchange cell and a second pre-reacted gas flow path that flows through the remaining exchange cells. The open / close valve is opened when the existing reaction gas temperature exceeds the existing reaction gas temperature on the battery water balance curve, based on the balance curve of the temperature / humidity exchange means and the battery water balance curve. Flowing the already-reacted gas into the second already-reacted gas channel, afterwards, The already-reacted gas temperature is not more than the already-reacted gas temperature on the battery water balance curve Became In this case, the on-off valve is closed, and the already-reacted gas is allowed to flow only to the first already-reacted gas channel. According to the invention of
[0018]
According to a fourth aspect of the present invention, in the polymer electrolyte fuel cell system according to the second aspect, the temperature / humidity exchanging means includes a plurality of replacement cells, and a part of the plurality of replacement cells. A first unreacted gas flow path that circulates in the exchange cell and a second unreacted gas flow path that circulates in the remaining exchange cells, and an open / close valve that opens and closes the second unreacted gas flow path The open / close valve is opened when the existing reaction gas temperature exceeds the existing reaction gas temperature on the battery water balance curve, based on the balance curve of the temperature / humidity exchange means and the battery water balance curve. Flowing the unreacted gas into the second unreacted gas flow path, afterwards, The already-reacted gas temperature is not more than the already-reacted gas temperature on the battery water balance curve Became In this case, the open / close valve is closed, and the unreacted gas flows only to the first unreacted gas flow path. According to invention of
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention (hereinafter referred to as embodiments) will be specifically described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the member same as the conventional type shown in FIG. 24, and description is abbreviate | omitted.
[0022]
[1. First Embodiment]
[1-1. Constitution]
FIG. 1 is a diagram showing the configuration of a first embodiment of a polymer electrolyte fuel cell system according to the present invention. That is, in the present embodiment, a bypass passage 20 that connects the inlet and the outlet of the already-reacted
[0023]
FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the unreacted gas temperature and the already-reacted gas temperature for controlling the switching operation of the switching valve 21. That is, in the temperature /
On the other hand, in the fuel cell main body, the water produced by the reaction evaporates into the reaction gas and is included in the exhaust air together with the difference in the water vapor at the inlet / outlet of the fuel gas. In order to efficiently discharge the generated water, the already-reacted gas temperature Tw and the unreacted gas temperature Td are determined based on the amount of water vapor in the already-reacted gas, the amount of water-vapor in the unreacted gas, the generated water, and the fuel gas inlet. / A relationship that is equal to the sum of the difference in water vapor amount at the outlet, that is, a one-to-one relationship (Tw = A (Td)).
[0024]
As shown in FIG. 2, at the point A where these two curves overlap, the amount of water vapor contained at the temperature Td of the unreacted gas humidified by the temperature /
[0025]
[1-2. Action]
The operation of the present embodiment having the above configuration will be described according to the flowchart shown in FIG.
As shown in FIG. 3, at the start of control, the switching valve 21 is opened to the already-reacted gas flow path side, and humidification is performed from the already-reacted gas to the unreacted gas by the temperature /
[0026]
In
On the other hand, when the already-reacted gas temperature satisfies the condition of Tw <A (Td) −ΔTw, that is, as shown by the point B in FIG. 2, the already-reacted gas temperature is the balance curve Tw = A (Td ), The process proceeds to step 302 to switch to the bypass passage 20. In this case, as shown in FIG. 2, if a predetermined width ΔTw is set for the balance curve and switching to the bypass passage is made when the width is less than this width, the number of times of switching can be reduced.
[0027]
In this way, when switching to the bypass passage 20, the already-reacted gas is not supplied to the temperature /
In
[0028]
Then, when the temperature of the unreacted gas further decreases and the temperature of the already reacted gas shifts to a region above the balance curve Tw = A (Td) of the fuel cell main body as indicated by point D in FIG. Proceed and switch to the already reacted gas passage again. As a result, the already-reacted gas is supplied to the temperature / humidity supply means 11 to humidify the unreacted gas, and the unreacted gas temperature rises as point D → C in FIG. In this case as well, a predetermined control width ΔTw is set for the balance curve.
By repeating the above control flow, even if the balance curve of the temperature / humidity exchanging means deviates, it is possible to perform control to keep the point C on the balance curve of the fuel cell body.
[0029]
Moreover, when the fuel cell system of the present embodiment and the conventional fuel cell system without a bypass passage were prepared and the power generation test was performed by changing the temperature of the fuel cell main body with cooling water, the following results were obtained. was gotten.
First, when a power generation test was performed so that the unreacted gas temperature was 65 ° C. and the already-reacted gas temperature was 70 ° C., the water balance of the fuel cell body and the balance of the temperature / humidity exchange means matched, and both systems Stable operation was possible (corresponding to point A in FIG. 2).
[0030]
Next, a test was conducted by lowering the temperature of the fuel cell main body so that the temperature of the already reacted gas was 65 ° C. In the conventional fuel cell system, the temperature / humidity exchange means was set so that the temperature of the unreacted gas became 60 ° C. Balanced. However, under these conditions, the temperature of the reacted gas is lower than the temperature of the unreacted gas, and the generated water cannot be sufficiently discharged from the fuel cell main body. This could not be done (corresponding to point B in FIG. 2).
On the other hand, in the fuel cell system of the present embodiment, by controlling the switching valve, the water is balanced in the fuel cell body, that is, the operation is performed at the existing reaction gas temperature of 65 ° C. and the unreacted gas temperature of 50 ° C. And continued operation was possible (corresponding to point C in FIG. 2).
[0031]
[1-3. effect]
Thus, according to the present embodiment, the bypass passage connecting the inlet and the outlet of the already-reacted gas flow path of the temperature / humidity exchange means, the switching valve for switching to this bypass passage, the unreacted gas temperature sensor, and the already-reacted gas temperature By providing a sensor and controlling the switching operation of the switching valve based on the detection results of the already-reacted gas temperature sensor and the unreacted gas temperature sensor, the fuel cell main body can be operated under a condition where water is balanced. .
[0032]
In the present embodiment, the temperature sensor is used as the detection means, but the same effect can be obtained even if a humidity sensor or a dew point meter is used instead. In addition, the switching to the bypass channel is performed using the switching valve, but the same effect can be obtained by providing an open / close valve in one or both of the bypass channel and the already-reacted gas channel.
[0033]
[2. Second Embodiment]
[2-1. Constitution]
FIG. 4 is a diagram showing the configuration of the second embodiment of the polymer electrolyte fuel cell system according to the present invention. That is, in the present embodiment, a
[0034]
[2-2. Action]
The operation of the present embodiment having the above configuration will be described with reference to the flowchart shown in FIG.
As shown in FIG. 5, at the start of the control, the switching
[0035]
In
On the other hand, when the already-reacted gas temperature satisfies the condition of Tw <A (Td) −ΔTw, that is, as shown by the point B in FIG. 2, the already-reacted gas temperature is the balance curve Tw = A (Td ), The process proceeds to step 502 to switch to the
[0036]
Thus, when switching to the
In
[0037]
Then, when the temperature of the unreacted gas further decreases and the temperature of the already-reacted gas transitions to a region above the balance curve Tw = A (Td) of the fuel cell main body as indicated by point D in FIG. Proceed and switch to the unreacted gas passage again. As a result, the unreacted gas is supplied to the temperature / humidity supply means 11 and humidified, and the temperature of the unreacted gas rises as indicated by point D → point C in FIG. In this case as well, a predetermined control width ΔTw is set for the balance curve.
By repeating the above control flow, even if the balance curve of the temperature / humidity exchanging means deviates, it is possible to perform control to keep the point C on the balance curve of the fuel cell body.
[0038]
Similarly to the first embodiment, the fuel cell system of this embodiment and a conventional fuel cell system without a bypass passage are prepared, and a power generation test is performed by changing the temperature of the fuel cell main body with cooling water. As a result, the following results were obtained.
First, when a power generation test was performed so that the unreacted gas temperature was 65 ° C. and the already-reacted gas temperature was 70 ° C., the water balance of the fuel cell body and the balance of the temperature / humidity exchange means matched, and both systems Stable operation was possible.
[0039]
Next, a test was conducted by lowering the temperature of the fuel cell main body so that the temperature of the already reacted gas was 65 ° C. In the fuel cell system of the present embodiment, water was detected in the fuel cell main body by controlling the switching valve. Are balanced, that is, the operation can be performed at an already reacted gas temperature of 65 ° C. and an unreacted gas temperature of 50 ° C., and the operation can be continued.
[0040]
[2-3. effect]
Thus, according to the present embodiment, the bypass passage connecting the inlet and the outlet of the unreacted gas flow path of the temperature / humidity exchange means, the switching valve for switching to the bypass passage, the unreacted gas temperature sensor, and the already reacted gas temperature. By providing a sensor and controlling the switching operation of the switching valve based on the detection results of the already-reacted gas temperature sensor and the unreacted gas temperature sensor, the fuel cell main body can be operated under a condition where water is balanced. .
[0041]
In the present embodiment, the temperature sensor is used as the detection means, but the same effect can be obtained even if a humidity sensor or a dew point meter is used instead. In addition, the switching to the bypass channel is performed using the switching valve, but the same effect can be obtained by providing an opening / closing valve in one or both of the bypass channel and the already-reacted gas channel.
[0042]
[3. Third Embodiment]
[3-1. Constitution]
FIG. 6 is a diagram showing the configuration of the third embodiment of the polymer electrolyte fuel cell system according to the present invention. That is, in the present embodiment, the temperature /
Further, a
[0043]
FIG. 7 shows a cross-sectional view in the cell stacking direction of the temperature and humidity exchanging means of this embodiment. That is, the temperature /
[0044]
8 shows the first already-reacted
[0045]
As described above, some of the plurality of exchange cells are used in combination with the unreacted
[0046]
FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the unreacted gas temperature and the previously reacted gas temperature for controlling the switching valve 41 and the on-off valve 45.
That is, in the temperature /
[0047]
On the other hand, in the fuel cell main body, the water produced by the reaction evaporates into the reaction gas and is included in the exhaust air together with the difference in the water vapor at the inlet / outlet of the fuel gas. In order to efficiently discharge the generated water, the already-reacted gas temperature Tw and the unreacted gas temperature Td are determined based on the amount of water vapor in the already-reacted gas, the amount of water-vapor in the unreacted gas, the generated water, and the fuel gas inlet. / A relationship that is equal to the sum of the difference in water vapor amount at the outlet, that is, a one-to-one relationship (Tw = A (Td)).
[0048]
As shown in FIG. 11, at the point A where the curves overlap, the amount of water vapor contained in the temperature Td of the unreacted gas humidified by the temperature /
[0049]
[3-2. Action]
The operation of the present embodiment having the above configuration will be described with reference to the flowchart shown in FIG.
As shown in FIG. 12, at the start of the control, the switching valve 41 is opened to the already-reacted gas flow path side, and the on-off valve 45 is closed, and the first of the plurality of cells of the temperature / humidity exchange means 11 is closed. In the exchange cell including the already-reacted
[0050]
In
On the other hand, when the already-reacted gas temperature satisfies the condition of Tw <A (Td) −ΔTw1, that is, as shown by the point B in FIG. 11, the already-reacted gas temperature is the balance curve Tw = A (Td ), The process proceeds to step 1202 and switches to the
[0051]
In this way, when switching to the
In
[0052]
Then, when the temperature of the unreacted gas further decreases and the temperature of the already-reacted gas transitions to a region above the balance curve Tw = A (Td) of the fuel cell main body as indicated by point D in FIG. Proceed and switch to the already reacted gas passage again. As a result, the already-reacted gas is supplied to the temperature / humidity supply means 11 to humidify the unreacted gas, and the unreacted gas temperature rises as point D → C in FIG. In this case as well, a predetermined control width ΔTw1 is set for the balance curve.
[0053]
In step 1205, the control unit 44 monitors the detection results of the already-reacted gas temperature sensor 42 and the unreacted gas temperature sensor 43. If the condition of Tw> A (Td) + ΔTw2 is not satisfied, If the reaction gas temperature is equal to or lower than the predetermined value, the process returns to step 1201 and the operation is continued.
On the other hand, when the already-reacted gas temperature satisfies the condition of Tw> A (Td) + ΔTw2, that is, as shown by point E in FIG. 11, the already-reacted gas temperature is the balance curve Tw = A (Td) of the fuel cell body. If it changes to the area | region higher, it will progress to step 1206 and the on-off valve 45 will be opened. At this time, as shown in FIG. 11, if the predetermined width ΔTw2 is set for the balance curve and the on-off valve is opened when the width is less than this width, the number of times of opening and closing can be reduced.
[0054]
Thus, when the on-off valve 45 is opened, the already-reacted gas is supplied to the second already-reacted
[0055]
In
[0056]
On the other hand, when the unreacted gas temperature further rises and the already-reacted gas temperature shifts to a region below the balance curve Tw = A (Td) of the fuel cell main body as indicated by point G in FIG. Then, the on-off valve 45 is closed again, and the already-reacted gas is supplied only to the first already-reacted
[0057]
By repeating the above control flow, even if the humidification amount increases outside the balance curve of the temperature / humidity exchange means, it is possible to perform control to keep the point C on the balance curve of the fuel cell body. Further, by using two exchange cells of the temperature and humidity exchange means, it is possible to perform control to keep the point F on the balance curve of the fuel cell main body even when the humidification amount is reduced.
[0058]
In addition, when the fuel cell system of this embodiment and a conventional fuel cell system without a bypass passage and an on-off valve were prepared and a power generation test was performed by changing the temperature of the fuel cell body with cooling water, the following was performed. The result was obtained.
First, when a power generation test was performed so that the unreacted gas temperature was 65 ° C. and the already-reacted gas temperature was 70 ° C., the water balance of the fuel cell body and the balance of the temperature / humidity exchange means matched, and both systems Stable operation was possible (corresponding to point A in FIG. 11).
[0059]
Next, a test was conducted by lowering the temperature of the fuel cell main body so that the temperature of the already reacted gas was 65 ° C. In the conventional fuel cell system, the temperature / humidity exchange means was set so that the temperature of the unreacted gas became 60 ° C. Balanced. However, under these conditions, the temperature of the reacted gas is lower than the temperature of the unreacted gas, and the generated water cannot be sufficiently discharged from the fuel cell main body. This could not be done (corresponding to point B in FIG. 11).
On the other hand, in the fuel cell system of the present embodiment, by controlling the switching valve, the water is balanced in the fuel cell body, that is, the operation is performed at the existing reaction gas temperature of 65 ° C. and the unreacted gas temperature of 50 ° C. And continued operation was possible (corresponding to point C in FIG. 11).
[0060]
Next, a test was performed by raising the temperature of the fuel cell main body so that the temperature of the already reacted gas was 75 ° C. In the conventional fuel cell system, the temperature / humidity exchange means was set so that the temperature of the unreacted gas became 70 ° C. Balanced. However, under this condition, the reacted gas temperature is higher than the unreacted gas temperature, water vapor exceeding the amount of generated water is discharged from the fuel cell body, the moisture in the electrolyte membrane decreases, the resistance increases, and the operation Could not be performed (corresponding to point E in FIG. 11).
On the other hand, in the fuel cell system of the present embodiment, by controlling the on-off valve, water is balanced in the fuel cell main body, that is, the operation is performed at an existing reaction gas temperature of 75 ° C. and an unreacted gas temperature of 72 ° C. And continued operation was possible (corresponding to point F in FIG. 11).
[0061]
[3-3. effect]
Thus, according to the present embodiment, the bypass passage connecting the inlet and the outlet of the already-reacted gas flow path of the temperature / humidity exchange means, the switching valve for switching to this bypass passage, the unreacted gas temperature sensor, and the already-reacted gas temperature By providing a sensor and controlling the switching operation of the switching valve based on the detection results of the already-reacted gas temperature sensor and the unreacted gas temperature sensor, the fuel cell main body can be operated under a condition where water is balanced. .
[0062]
In addition, the temperature / humidity exchanging means is constituted by a plurality of exchange cells, and among the plurality of exchange cells, the first already-reacted gas passage that circulates to some of the exchange cells and the second existing gas that circulates to the remaining exchange cells. By providing a valve that opens and closes the reaction gas passage and the second already-reacted gas passage, the amount of humidification can be increased by controlling the on-off valve. When the humidification amount is insufficient, the humidification amount is increased. In addition, the fuel cell main body can be operated under a condition where water is balanced.
[0063]
In the present embodiment, the temperature sensor is used as the detection means, but the same effect can be obtained even if a humidity sensor or a dew point meter is used instead. In addition, the switching to the bypass channel is performed using the switching valve, but the same effect can be obtained by providing an opening / closing valve in one or both of the bypass channel and the already-reacted gas channel.
[0064]
[4. Fourth Embodiment]
[4-1. Constitution]
FIG. 13 is a diagram showing the configuration of the fourth embodiment of the polymer electrolyte fuel cell system according to the present invention. That is, also in the present embodiment, as in the third embodiment, the temperature /
Further, a bypass passage 60 connecting the inlet and the outlet of the unreacted gas flow path of the temperature / humidity exchange means 11 is provided, and the bypass passage is provided on a line from the
[0065]
FIG. 14 shows a cross-sectional view in the cell stacking direction of the temperature and humidity exchanging means of the present embodiment. That is, the temperature /
[0066]
FIG. 15 shows the first unreacted
[0067]
As described above, some of the plurality of exchange cells are used in combination with the already-reacted
Further, as shown in FIG. 14, end plates 71 are provided at both ends of the stacked exchange cells. The
[0068]
FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the unreacted gas temperature and the previously reacted gas temperature for controlling the switching
That is, in the temperature /
[0069]
[4-2. Action]
The operation of the present embodiment having the above configuration will be described with reference to the flowchart shown in FIG.
As shown in FIG. 18, at the start of control, the switching
[0070]
In
On the other hand, when the already-reacted gas temperature satisfies the condition of Tw <A (Td) −ΔTw1, that is, as shown by the point B in FIG. 11, the already-reacted gas temperature is the balance curve Tw = A (Td ), The process proceeds to step 1802 and switches to the bypass passage 60. In this case, as shown in FIG. 11, if the predetermined width ΔTw1 is set for the balance curve, and the switching is made to the bypass passage when the width is smaller than this width, the number of times of switching can be reduced.
[0071]
In this way, when switching to the bypass passage 60, the unreacted gas is not supplied to the temperature /
In
[0072]
Then, when the temperature of the unreacted gas further decreases and the temperature of the already reacted gas shifts to a region above the balance curve Tw = A (Td) of the fuel cell main body as indicated by point D in FIG. Proceed and switch to the unreacted gas passage again. As a result, the unreacted gas is supplied to the temperature / humidity supply means 11 and the unreacted gas is humidified, so that the temperature of the unreacted gas rises as point D → point C in FIG. In this case as well, a predetermined control width ΔTw1 is set for the balance curve.
[0073]
In
On the other hand, when the already-reacted gas temperature satisfies the condition of Tw> A (Td) + ΔTw2, that is, as shown by point E in FIG. 11, the already-reacted gas temperature is the balance curve Tw = A (Td) of the fuel cell body. When the region moves to a higher region, the process proceeds to step 1806, where the on-off
[0074]
Thus, when the on-off
[0075]
In
[0076]
On the other hand, when the unreacted gas temperature further rises and the already-reacted gas temperature shifts to a region below the balance curve Tw = A (Td) of the fuel cell main body as indicated by point G in FIG. Then, the on-off
[0077]
By repeating the above control flow, even if the humidification amount increases outside the balance curve of the temperature / humidity exchange means, it is possible to perform control to keep the point C on the balance curve of the fuel cell body. Further, by using two exchange cells of the temperature and humidity exchange means, it is possible to perform control to keep the point F on the balance curve of the fuel cell main body even when the humidification amount is reduced.
[0078]
Similarly to the third embodiment, the fuel cell system of the present embodiment and a conventional fuel cell system having no bypass passage and on / off valve are prepared, and the temperature of the fuel cell body is changed by cooling water to generate power. When the test was conducted, the following results were obtained.
First, when a power generation test was performed so that the unreacted gas temperature was 65 ° C. and the already-reacted gas temperature was 70 ° C., the water balance of the fuel cell body and the balance of the temperature / humidity exchange means matched, and both systems Stable operation was possible.
[0079]
Next, a test was performed with the temperature of the fuel cell body lowered so that the temperature of the existing reaction gas was 65 ° C. In the fuel cell system of this embodiment, water was balanced in the fuel cell body by controlling the switching valve. That is, the operation can be performed at a temperature of already reacted gas of 65 ° C. and a temperature of unreacted gas of 50 ° C., and the operation can be continued.
[0080]
Next, a test was conducted by raising the temperature of the fuel cell main body so that the temperature of the already reacted gas was 75 ° C. In the fuel cell system of the present embodiment, the water on the fuel cell main body was controlled by controlling the on-off valve. Are balanced, that is, the operation can be performed at an already reacted gas temperature of 75 ° C. and an unreacted gas temperature of 72 ° C., and the operation can be continued.
[0081]
[4-3. effect]
Thus, according to the present embodiment, the bypass passage connecting the inlet and the outlet of the unreacted gas flow path of the temperature / humidity exchange means, the switching valve for switching to the bypass passage, the unreacted gas temperature sensor, and the already reacted gas temperature. By providing a sensor and controlling the switching operation of the switching valve based on the detection results of the already-reacted gas temperature sensor and the unreacted gas temperature sensor, the fuel cell main body can be operated under a condition where water is balanced. .
[0082]
Further, the temperature / humidity exchange means is constituted by a plurality of exchange cells, and among the plurality of exchange cells, a first unreacted gas passage that circulates to some of the exchange cells and a second unreacted gas that circulates to the remaining exchange cells. A valve that opens and closes the reaction gas passage and the second unreacted gas passage is provided, and by controlling this on-off valve, the humidification amount can be increased, and the humidification amount can be increased even when the humidification amount is insufficient. Thus, it is possible to operate the fuel cell main body in a condition where water is balanced.
[0083]
In the present embodiment, the temperature sensor is used as the detection means, but the same effect can be obtained even if a humidity sensor or a dew point meter is used instead. In addition, the switching to the bypass channel is performed using the switching valve, but the same effect can be obtained by providing an opening / closing valve in one or both of the bypass channel and the already-reacted gas channel.
[0084]
[5. Fifth Embodiment]
This embodiment is a modification of the third embodiment, in which the already-reacted gas flow path is composed of a first already-reacted gas path and a second already-reacted gas path, A water-retaining porous body is disposed between the already-reacted gas flow paths.
[0085]
[5-1. Constitution]
FIG. 19 is a diagram showing the configuration of the fifth embodiment of the polymer electrolyte fuel cell system according to the present invention. That is, in the present embodiment, the already-reacted
[0086]
[5-2. Action / Effect]
FIG. 20 shows an operating state when the on-off valve of the second already-reacted
[0087]
FIG. 19 shows an operating state when the on-off valve of the second already-reacted
[0088]
Thus, by using the temperature / humidity exchanging means of this embodiment, the amount of humidification can be increased, and the same effect as in the third embodiment can be obtained. In addition, since a water-retaining porous body is arranged on both sides of each flow path, the temperature / humidity exchange means can be made compact, and even when the on-off valve is closed and only the first reaction gas flow path is used, The unreacted gas is humidified to enable stable operation.
[0089]
[6. Sixth Embodiment]
The present embodiment is a modification of the fourth embodiment, and the unreacted gas flow path is composed of a first unreacted gas flow path and a second unreacted gas flow path, A water-retaining porous body is disposed between the already-reacted gas flow paths.
[0090]
[6-1. Constitution]
FIG. 21 is a diagram showing the configuration of the sixth embodiment of the polymer electrolyte fuel cell system according to the present invention. That is, in the present embodiment, the unreacted
[0091]
[6-2. Action / Effect]
FIG. 22 shows an operating state when the on-off valve of the second unreacted
[0092]
FIG. 21 shows an operating state when the on-off valve of the second unreacted
[0093]
Thus, by using the temperature / humidity exchanging means of this embodiment, the amount of humidification can be increased, and the same effect as in the fourth embodiment can be obtained. In addition, since the water-retaining porous body is disposed on both sides of each flow path, the temperature / humidity exchange means can be made compact, and even when the on-off valve is closed and only the first unreacted gas flow path is used. The unreacted gas is humidified to enable stable operation.
[0094]
[7. Reference example ]
[7-1. Constitution]
As shown in FIG. Reference example The temperature /
[0095]
[7-2. Action / Effect]
A book having the above configuration Reference example When the temperature / humidity exchanging means 11 needs to be cooled based on the detection results of the already-reacted gas temperature sensor 82 and the unreacted
[0096]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a high-performance polymer electrolyte fuel cell system capable of appropriately controlling the amount of humidification in the temperature / humidity exchange means.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a first embodiment of a polymer electrolyte fuel cell system of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a control curve of the fuel cell system according to the first embodiment and the second embodiment.
FIG. 3 is a flowchart showing the operation of the first embodiment.
FIG. 4 is a view showing the configuration of a second embodiment of the polymer electrolyte fuel cell system of the present invention.
FIG. 5 is a flowchart showing the operation of the second embodiment.
FIG. 6 is a diagram showing the configuration of a third embodiment of the polymer electrolyte fuel cell system of the present invention.
FIG. 7 is a longitudinal sectional view showing the configuration of the temperature / humidity exchange means of the third embodiment.
FIG. 8 is a plan view showing the configuration of the first already-reacted gas flow path of the temperature / humidity exchanging means of the third embodiment.
FIG. 9 is a plan view showing the configuration of a second already-reacted gas channel of the temperature / humidity exchanging means of the third embodiment.
FIG. 10 is a plan view showing the configuration of an unreacted gas flow path of the temperature / humidity exchanging means of the third embodiment.
FIG. 11 is a diagram showing a control curve of the fuel cell system according to the third embodiment and the fourth embodiment.
FIG. 12 is a flowchart showing the operation of the third embodiment.
FIG. 13 is a diagram showing the configuration of a fourth embodiment of a polymer electrolyte fuel cell system of the present invention.
FIG. 14 is a longitudinal sectional view showing a configuration of a temperature / humidity exchanging means according to a fourth embodiment.
FIG. 15 is a plan view showing the configuration of the first unreacted gas flow path of the temperature / humidity exchanging means of the fourth embodiment.
FIG. 16 is a plan view showing the configuration of a second unreacted gas channel of the temperature / humidity exchanging means of the fourth embodiment.
FIG. 17 is a plan view showing the configuration of the already-reacted gas flow path of the temperature / humidity exchanging means of the fourth embodiment.
FIG. 18 is a flowchart showing the operation of the fourth embodiment.
FIG. 19 is a longitudinal sectional view showing the structure of the temperature / humidity exchanging means of the fifth embodiment, and shows a state in which the on-off valve of the second already-reacted gas channel is opened.
FIG. 20 is a longitudinal sectional view showing the configuration of the temperature / humidity exchanging means of the fifth embodiment, and shows a state in which the on-off valve of the second already-reacted gas channel is closed;
FIG. 21 is a longitudinal sectional view showing the configuration of the temperature / humidity exchanging means of the sixth embodiment, and shows a state in which the opening / closing valve of the second unreacted gas channel is opened;
FIG. 22 is a longitudinal sectional view showing the configuration of the temperature / humidity exchanging means of the sixth embodiment, and shows a state in which the open / close valve of the second unreacted gas channel is closed;
FIG. 23 shows a polymer electrolyte fuel cell system. Reference example Diagram showing the configuration of
FIG. 24 is a diagram showing a configuration of a conventional polymer electrolyte fuel cell system.
Claims (4)
前記温湿度交換手段の既反応ガス流路の入口側と出口側を結ぶバイパス通路を形成し、前記バイパス通路への切替弁を設け、
前記反応部を通過した既反応ガスの温度または湿度を検出する第1の検出手段と、前記反応部を通過する前の未反応ガスの温度または湿度を検出する第2の検出手段とを備え、
前記各検出手段によって検出される前記未反応ガス温度と前記既反応ガス温度との比例関係を示す温湿度交換手段のバランス曲線と、生成水が効率良く排出されるために既反応ガス中の水蒸気量が未反応ガス中の水蒸気量と生成水と燃料ガス入口及び出口の水蒸気量の差分との和と等しくなるための前記既反応ガス温度及び前記未反応ガス温度の関係を示す電池水バランス曲線とに基づいて、
前記既反応ガス温度が前記電池水バランス曲線上の既反応ガス温度を下回った場合に前記切替弁を制御して前記バイパス通路へ前記既反応ガスを流し、
その後、前記既反応ガス温度が前記電池水バランス曲線上の既反応ガス温度以上となった場合に前記切替弁を制御して前記バイパス通路を閉じ前記既反応ガス通路へ前記既反応ガスを流すことを特徴とする固体高分子型燃料電池システム。Exchange of heat and moisture between a solid polymer fuel cell stack using a solid polymer membrane as an electrolyte, an already reacted gas that has passed through the reaction part of the fuel cell stack, and an unreacted gas that has not passed through the reaction part In a polymer electrolyte fuel cell system having temperature and humidity exchange means to perform,
Forming a bypass passage connecting the inlet side and the outlet side of the already-reacted gas flow path of the temperature and humidity exchanging means, and providing a switching valve to the bypass passage;
First detection means for detecting the temperature or humidity of the already reacted gas that has passed through the reaction section, and second detection means for detecting the temperature or humidity of the unreacted gas before passing through the reaction section,
The balance curve of the temperature / humidity exchange means showing the proportional relationship between the unreacted gas temperature detected by the detection means and the already-reacted gas temperature, and the water vapor in the already-reacted gas in order to efficiently discharge the generated water The battery water balance curve showing the relationship between the existing reaction gas temperature and the unreacted gas temperature so that the amount is equal to the sum of the amount of water vapor in the unreacted gas and the difference between the generated water and the difference in water vapor amount at the fuel gas inlet and outlet And based on
When the already-reacted gas temperature falls below the already-reacted gas temperature on the battery water balance curve, the switch valve is controlled to flow the already-reacted gas to the bypass passage,
Thereafter, when the already-reacted gas temperature becomes equal to or higher than the already-reacted gas temperature on the battery water balance curve, the switch valve is controlled to close the bypass passage and to flow the already-reacted gas to the already-reacted gas passage. A polymer electrolyte fuel cell system.
前記温湿度交換手段の未反応ガス流路の入口側と出口側を結ぶバイパス通路を形成し、前記バイパス通路への切替弁を設け、
前記反応部を通過した既反応ガスの温度または湿度を検出する第1の検出手段と、前記反応部を通過する前の未反応ガスの温度または湿度を検出する第2の検出手段とを備え、
前記各検出手段によって検出される前記未反応ガス温度と前記既反応ガス温度との比例関係を示す温湿度交換手段のバランス曲線と、生成水が効率良く排出されるために既反応ガス中の水蒸気量が未反応ガス中の水蒸気量と生成水と燃料ガス入口及び出口の水蒸気量の差分との和と等しくなるための前記既反応ガス温度及び前記未反応ガス温度の関係を示す電池水バランス曲線とに基づいて、
前記既反応ガス温度が前記電池水バランス曲線上の既反応ガス温度を下回った場合に前記切替弁を制御して前記バイパス通路へ前記未反応ガスを流し、
その後、前記既反応ガス温度が前記電池水バランス曲線上の既反応ガス温度以上となった場合に前記切替弁を制御して前記バイパス通路を閉じ前記未反応ガス通路へ前記未反応反応ガスを流すことを特徴とする固体高分子型燃料電池システム。Exchange of heat and moisture between a solid polymer fuel cell stack using a solid polymer membrane as an electrolyte, an already reacted gas that has passed through the reaction part of the fuel cell stack, and an unreacted gas that has not passed through the reaction part In a polymer electrolyte fuel cell system having temperature / humidity exchange means to perform,
Forming a bypass passage connecting the inlet side and the outlet side of the unreacted gas flow path of the temperature and humidity exchange means, and providing a switching valve to the bypass passage;
First detection means for detecting the temperature or humidity of the already reacted gas that has passed through the reaction section, and second detection means for detecting the temperature or humidity of the unreacted gas before passing through the reaction section,
The balance curve of the temperature / humidity exchange means showing the proportional relationship between the unreacted gas temperature detected by the detection means and the already-reacted gas temperature, and the water vapor in the already-reacted gas in order to efficiently discharge the generated water The battery water balance curve showing the relationship between the existing reaction gas temperature and the unreacted gas temperature so that the amount is equal to the sum of the amount of water vapor in the unreacted gas and the difference between the generated water and the difference in water vapor amount at the fuel gas inlet and outlet And based on
When the already-reacted gas temperature is lower than the already-reacted gas temperature on the battery water balance curve, the unreacted gas is caused to flow to the bypass passage by controlling the switching valve,
Thereafter, when the already-reacted gas temperature becomes equal to or higher than the already-reacted gas temperature on the battery water balance curve, the switching valve is controlled to close the bypass passage and allow the unreacted reaction gas to flow into the unreacted gas passage. A polymer electrolyte fuel cell system.
前記温湿度交換手段のバランス曲線と、前記電池水バランス曲線とに基づいて、
前記既反応ガス温度が前記電池水バランス曲線上の既反応ガス温度を上回った場合に前記開閉弁を開いて前記第2の既反応ガス流路へ前記既反応ガスを流し、
その後、前記既反応ガス温度が前記電池水バランス曲線上の既反応ガス温度以下となった場合に前記開閉弁を閉じて前記第1の既反応ガス流路のみへ前記既反応ガスを流すことを特徴とする請求項1に記載の固体高分子型燃料電池システム。The temperature / humidity exchange means is composed of a plurality of exchange cells, and among the plurality of exchange cells, a first already-reacted gas flow path that circulates to a part of the exchange cells and a second that circulates to the remaining exchange cells. And an open / close valve that opens and closes the second pre-reacted gas flow path,
Based on the balance curve of the temperature and humidity exchange means and the battery water balance curve,
When the already-reacted gas temperature exceeds the already-reacted gas temperature on the battery water balance curve, the on-off valve is opened to flow the already-reacted gas to the second already-reacted gas channel,
Thereafter, when the already-reacted gas temperature becomes equal to or lower than the already-reacted gas temperature on the battery water balance curve, the on-off valve is closed and the already-reacted gas is allowed to flow only to the first already-reacted gas channel. 2. The polymer electrolyte fuel cell system according to claim 1, wherein
前記温湿度交換手段のバランス曲線と、前記電池水バランス曲線とに基づいて、
前記既反応ガス温度が前記電池水バランス曲線上の既反応ガス温度を上回った場合に前記開閉弁を開いて前記第2の未反応ガス流路へ前記未反応ガスを流し、
その後、前記既反応ガス温度が前記電池水バランス曲線上の既反応ガス温度以下となった場合に前記開閉弁を閉じて前記第1の未反応ガス流路のみへ前記未反応ガスを流すことを特徴とする請求項2に記載の固体高分子型燃料電池システム。The temperature / humidity exchange means is composed of a plurality of exchange cells, and among the plurality of exchange cells, a first unreacted gas flow path that circulates to some of the exchange cells and a second that circulates to the remaining exchange cells. An unreacted gas flow path, and an open / close valve for opening and closing the second unreacted gas flow path,
Based on the balance curve of the temperature and humidity exchange means and the battery water balance curve,
When the already-reacted gas temperature exceeds the already-reacted gas temperature on the battery water balance curve, the on-off valve is opened to flow the unreacted gas to the second unreacted gas flow path,
After that, when the already-reacted gas temperature becomes equal to or lower than the already-reacted gas temperature on the battery water balance curve, the on-off valve is closed to flow the unreacted gas only to the first unreacted gas channel. 3. The polymer electrolyte fuel cell system according to claim 2, wherein
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