JP4601406B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
冷却水の分配比率(=燃料加湿器への冷却水の分配量/総冷却水量)に応じて、燃料露点(T5)および空気露点(T6)がどのように変化するかを熱収支計算により調べた。
H1=H2+H3+H4
ここで、H1は燃料電池との交換熱量であり、H2は、熱媒体用熱交換器70での交換熱量であり、H3は、は燃料加湿器40での交換熱量、すなわち、燃料ガスを露点温度T5に加湿するのに必要な熱量(T5の関数)であり、H4は、空気加湿器での交換熱量、すなわち空気を露点温度T6に加湿するのに必要な熱量(T6の関数)である。
H1=投入熱量−(排出熱量+発電電力)
ここで、投入熱量は、燃焼エンタルピー含む燃料ガスのエンタルピー(温度T5、湿度100%RH)と空気のエンタルピー(温度T6、湿度100%RH)で定まる。排出熱量は、排出燃料のエンタルピー(温度T2、湿度100%RH)と、排出空気のエンタルピー(温度T2、湿度100%RH)で定まる。なお、今回の実験条件では、排出燃料と排出空気の露点がT2以下なので、一部は凝縮水(液)として排出される。発電電力は、電流×電圧で定められる。
(1)冷却水入口温度(T1)と燃料露点(T5)と空気露点(T6)との差を小さくするために、冷却水出入口温度差ΔT(=T2-T1)を小さくすること、すなわち、冷却水流量を多くすることが好ましい。これにより、燃料電池スタック20の出力の安定性および耐久性が向上する。たとえば、制御部100は、冷却水出入口温度差ΔTが3℃以下になるように、循環ポンプ90を制御して冷却水の流量を調節することが好適である。
(2)燃料加湿器40および空気加湿器60での吸熱量を小さくするために、燃料加湿器40に供給される燃料の露点および空気加湿器60に供給される空気の露点が高いことが望ましい。この場合、特開2004-185938号に開示された全熱交換器を組み合わせると、より効果がある。これにより、冷却水の分配比率の変化に対する燃料露点(T5)の変化が小さくなるため、分配比率を固定した場合の許容範囲が広くなり、分配比率を変えるための制御バルブの調節などの制御を必要としなくて済む。
(3)蒸気圧は温度の上昇に対して指数関数的に増加するため、システム全体の温度が低いほど、蒸発潜熱が少なくなる分だけ望ましい。つまり、燃料電池の運転温度(一般に、冷却水出口温度T2で代表する)は低いほうが望ましい。冷却水出口温度T2の典型的な値は、70℃である。
Claims (5)
- 電解質膜の一方の面にアノードが接合され、前記電解質膜の他方の面にカソードが接合された膜電極接合体と、前記アノードに燃料を供給する燃料流路が設けられた燃料流路プレート、前記カソードに酸化剤を供給する酸化剤流路が設けられた酸化剤流路プレート、熱媒体が流通する熱媒体流路が設けられた熱媒体流路プレートとが組み合わされた積層体を含み、前記燃料、前記酸化剤および前記熱媒体の流れが並行流である燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックから排出された熱媒体を冷却後に前記燃料電池スタックに投入して熱媒体を循環させる手段と、
前記燃料を加湿する燃料加湿手段と、
前記酸化剤を加湿する酸化剤加湿手段と、
前記燃料電池スタックから排出された前記熱媒体の一部を、前記燃料加湿手段または前記酸化剤加湿手段のいずれか一方で熱交換させる手段と、
前記燃料電池スタックから排出された前記熱媒体の残りおよび前記燃料と前記燃料加湿手段または前記酸化剤加湿手段のいずれか一方で熱交換した熱媒体とを合流し、前記燃料加湿手段または前記酸化剤加湿手段の他方でさらに熱交換させる手段と、
を備え、
前記燃料加湿手段で加湿された燃料の温度、前記酸化剤加湿手段で加湿された酸化剤の温度、および前記熱媒体流路に供給される熱媒体の温度が同等となるように、前記熱媒体の一部と前記熱媒体の残りの分配比が定められたことを特徴とする燃料電池システム。 - 電解質膜の一方の面にアノードが接合され、前記電解質膜の他方の面にカソードが接合された膜電極接合体と、前記アノードに燃料を供給する燃料流路が設けられた燃料流路プレート、前記カソードに酸化剤を供給する酸化剤流路が設けられた酸化剤流路プレート、熱媒体が流通する熱媒体流路が設けられた熱媒体流路プレートとが組み合わされた積層体を含み、前記燃料、前記酸化剤および前記熱媒体の流れが並行流である燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックから排出された熱媒体を冷却後に前記燃料電池スタックに投入して熱媒体を循環させる手段と、
前記燃料を加湿する燃料加湿手段と、
前記酸化剤を加湿する酸化剤加湿手段と、
前記燃料電池スタックから排出された前記熱媒体の一部を、前記燃料加湿手段または前記酸化剤加湿手段のいずれか一方で熱交換させる手段と、
前記燃料電池スタックから排出された前記熱媒体の残りおよび前記燃料と前記燃料加湿手段または前記酸化剤加湿手段のいずれか一方で熱交換した熱媒体とを合流し、前記燃料加湿手段または前記酸化剤加湿手段の他方でさらに熱交換させる手段と、
を備え、
前記燃料流路に供給される燃料の露点、前記酸化剤流路に供給される酸化剤の露点、および前記熱媒体流路に供給される熱媒体の温度が同等となるように、前記熱媒体の一部と前記熱媒体の残りの分配比が定められたことを特徴とする燃料電池システム。 - 前記燃料電池スタックから排出された前記熱媒体の温度を、前記燃料加湿手段または前記酸化剤加湿手段のいずれか一方の上流において調整可能な熱媒体用熱交換器をさらに備えることを特徴とする請求項1または2に記載の燃料電池システム。
- 前記燃料電池スタックに供給される前記熱媒体の温度と、前記燃料電池スタックから排出される前記熱媒体の温度との温度差が3℃以内であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
- 負荷電流が小さいほど、前記燃料電池スタックに供給される前記熱媒体の温度と、前記燃料電池スタックから排出される前記熱媒体の温度との温度差が小さくなるように、前記熱媒体の流量を調節する制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
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