JP4397686B2 - 燃料電池の反応ガス供給装置 - Google Patents
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Description
一方、燃料電池は発電の際に水を生成するため、発電を継続すると燃料電池内の湿度は上昇していく。燃料電池内の湿度が過度に上昇すると、フラッディング等により安定した発電を行うことが困難になる。これを防止するため、従来においては、加湿器をバイパスするバイパス流路を設けて、加湿器を通さずに反応ガスを燃料電池に供給できるようにしている。
また、特許文献2には、電圧計で検出された出力電圧とインピーダンス計で検出されたインピーダンスとからカソード表面の濡れすぎを検知したときに、バイパス配管における電動弁の開度を大きくして、バイパス配管の流量を増加する技術が提案されている。
また、特許文献3には、アノード側に加湿器を通流する回路とこれに並列に配したバイパス流路と、燃料ガスの流れをこの二つの回路の間で切り換える切換弁を備え、制御弁を周期的にまたは適宜に切換動作を行う技術が提案されている。
また、反応ガスの流路を定期的または適宜に切り換える技術では、要求された出力が変動して、燃料電池内の湿度が変動する場合には、フラッディングが発生してしまい、固体高分子電解質膜を十分に保護することができないという問題がある。
従って、本発明は、フラッディングを未然に防止して、燃料電池の電解質膜の耐久性を高めることで、信頼性を向上することができる燃料電池の反応ガス供給装置を提供することを目的とする。
また、前記マップは前記燃料電池に供給される反応ガス流量が少ないほど前記バイパス流路の反応ガス流量を増大させる領域を含むものであることを特徴とする。
この発明によれば、前記燃料電池に供給される反応ガス流量が少ないときには、この反応ガスの圧力で前記燃料電池内に生じている水を排出することは困難であるが、このときに前記バイパス流路の反応ガス流量を増大させることで前記燃料電池に供給される反応ガスの湿度を抑えることができるため、この反応ガスにより前記燃料電池内の除湿を行うことができる。
この発明によれば、前記燃料電池に供給される酸化剤ガス流量が少ないとき前記燃料電池のカソードに供給される酸化剤ガスの湿度(水蒸気分圧)を抑えることで、前記燃料電池のカソード側の除湿を行うことができるとともに、前記燃料電池のアノード側に生じている水分も電解質膜を介してカソード側に移動させて除去することができる。特に、前記反応ガスである燃料ガスの流路が循環流路を備えている場合であっても、前記燃料電池内の湿度を適正に維持することができる。
また、燃料電池内に生じている水を排出することが困難となる前記反応ガス流量の少ないときでも、燃料電池内の湿度を適正に維持して発電を行うことが可能となる。
また、燃料電池のカソード側の除湿を行うことができるとともに、前記燃料電池のアノード側に生じている水分も電解質膜を介してカソード側に移動させて除去することができる。
図1は、本実施の形態における燃料電池の反応ガス供給装置を適用した燃料電池システムを示すブロック図である。
燃料電池30は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜1(以下、電解質膜1、と記す)をアノード2とカソード3とで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されたスタックからなる。アノード2に燃料として水素を供給し、カソード3に酸化剤として酸素を含む空気を供給すると、アノード2で触媒反応により発生した水素イオンが、電解質膜1を通過してカソード3まで移動して、カソード3で酸素と電気化学反応を起こして発電し、その際に水が生成される。カソード3側で生じた生成水の一部は電解質膜1を介してアノード2側に逆拡散するため、アノード2側にも生成水が存在する。
すなわち、開閉弁12を閉動作させることにより、エア供給システム7から供給されるエアのバイパス流路11への流通を遮断して、加湿器10を介して燃料電池30のカソード3に供給させる。一方、開閉弁12を開動作させることにより、前記エアをバイパス流路11に流通させて、燃料電池30のカソード3に供給させる。このとき、エア供給システム7から供給されるエアは圧力損失の関係でバイパス流路11を主に流れるようになり、燃料電池30のカソード3には乾燥したエアを供給することができる。
また、燃料電池30には、冷却水循環流路18及びその循環流路18に冷却水を循環させる循環ポンプ19などを備え、電気化学反応に適した温度(例えば80°C)に制御されている。
まず、ON時間について説明する。図3に示すように、発電電流IFCの値が0から基準値I0の範囲のとき、ON時間は一定時間T0に維持される。そして、発電電流IFCの値が基準値I0よりも大きくなるにつれてON時間も減少していき、所定の発電電流I1以上のときにON時間は略0となって閉状態が継続する。
11 バイパス流路
12 開閉弁
30、40 燃料電池
Claims (2)
- 電解質膜をアノードおよびカソードで挟み込んだ燃料電池の前記アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路と、前記カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給流路と、
前記アノードから残留水とともに排出された燃料ガスを前記アノードに循環させる燃料ガス循環流路と、
前記カソードから残留水とともにオフガスを排出する酸化剤ガス排出流路と、前記オフガスの水分を酸化剤ガス供給流路の酸化剤ガスに供給して酸化剤ガスを加湿できるように酸化剤ガス供給流路と酸化剤ガス排出流路とにまたがって設けられた加湿器と、該加湿器をバイパスさせるバイパス流路と、該バイパス流路の酸化剤ガス流量を調整する流量調整手段を備えた燃料電池の反応ガス供給装置であって、
前記燃料電池の発電電流と前記バイパス流路の酸化剤ガス流量との関係をマップとして備え、
前記マップは、前記カソードに供給される酸化剤ガス流量が少ないほど前記バイパス流路の酸化剤ガス流量を増大させる領域を含むものであり、
前記マップに基づいて前記流量調整手段により前記バイパス流路の酸化剤ガス流量を調整することを特徴とする燃料電池の反応ガス供給装置。 - 前記マップは、前記燃料電池の冷却水温が低下するほど前記バイパス流路の酸化剤ガス流量が増大するように持ち替えられるようになっていることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池の反応ガス供給装置。
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