JP4815900B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
この発明は、燃料電池システムに係り、詳しくは、固体高分子型燃料電池の負荷を制御する燃料電池システムに関するものである。 The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system for controlling a load of a polymer electrolyte fuel cell.
一般に、高分子電解質膜を使用した燃料電池では、電解質膜を挟んだ両側で燃料ガス或いは酸化ガスがイオン化し、そのイオンが電解質膜を透過して電気化学的な反応を生じるものである。 In general, in a fuel cell using a polymer electrolyte membrane, fuel gas or oxidizing gas is ionized on both sides of the electrolyte membrane, and the ions permeate the electrolyte membrane to cause an electrochemical reaction.
そして、燃料電池スタックは、燃料ガスと酸化ガスとを高分子電解質膜を介して反応させ電力を得るものである。この燃料電池スタックは、高分子電解質膜を燃料極と酸化極で挟んで構成された単位セルと、導電性材料で構成されたセパレータとを交互に積層して構成され、セパレータと燃料極との間に燃料ガスを、セパレータと酸化極の間に酸化ガスを流通させることにより、電気化学反応を生じさせるものである。 The fuel cell stack is for obtaining electric power by reacting a fuel gas and an oxidizing gas through a polymer electrolyte membrane. This fuel cell stack is configured by alternately laminating unit cells each having a polymer electrolyte membrane sandwiched between a fuel electrode and an oxidation electrode, and a separator made of a conductive material. An electrochemical reaction is caused by passing a fuel gas between them and an oxidizing gas between the separator and the oxidizing electrode.
このような燃料電池システムにおいては、燃料電池(燃料電池スタック)が発電する際、燃料(主に水素)がアノード側において水素イオンに変わり、電解質膜中を移動し、カソード側に到達し、酸素と結合して水を生成する。この際、電解質中の水分量が不足すると(ドライアップ)水素イオンの移動が阻害されるので、燃料電池の性能を発揮することが困難となる(図18、19)。 In such a fuel cell system, when the fuel cell (fuel cell stack) generates electric power, the fuel (mainly hydrogen) changes to hydrogen ions on the anode side, moves through the electrolyte membrane, reaches the cathode side, and oxygen To produce water. At this time, if the amount of water in the electrolyte is insufficient (dry up), the movement of hydrogen ions is inhibited, making it difficult to exhibit the performance of the fuel cell (FIGS. 18 and 19).
一般に、燃料電池は発電の負荷が高いほど発熱量が大きく、温度が高く飽和水蒸気圧が大きくなる傾向にある(図18)ので、ドライアップは高負荷において連続発電する際に起こりやすい(図19)。特に移動体(車両等)に搭載される燃料電池システムにおいては、ドライアップの回避は重要課題の一つとなっている。このようなドライアップを回避するための技術として、固体高分子膜型燃料電池が乾燥状態にあった場合でも、最適な起動制御を行うことができる燃料電池システムが提案されている。
しかしながら、従来技術では、ドライアップ回避のためのシステムが大型化しかつ複雑化するという問題がある。この発明は、システムが大型化しかつ複雑化することなく、ドライアップを回避することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。 However, the conventional technique has a problem that a system for avoiding dry-up is increased in size and complexity. An object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of avoiding dry-up without increasing the size and complexity of the system.
以上のような目的は、以下の本発明によって達成される。
(1) 固体高分子型燃料電池と、
前記固体高分子型燃料電池に接続され、該固体高分子型燃料電池に低負荷と高負荷を周期的に繰り返すパターンの負荷を与える負荷制御手段と、
前記固体高分子型燃料電池に接続され、該固体高分子型燃料電池が発電する電力を蓄える蓄電手段と、
前記固体高分子型燃料電池と前記蓄電手段とに接続され、該固体高分子型燃料電池又は前記蓄電手段からの電力の供給を受けて作動する負荷装置と、
前記負荷制御手段の動作タイミングを決定する決定手段とを備え、
前記決定手段は、前記固体高分子型燃料電池の電解質膜のドライアップを検出する検出手段を含み、
前記負荷制御手段は、前記検出手段によってドライアップが検出された場合に、前記決定手段によって決定された動作タイミングで前記固体高分子型燃料電池に負荷を与えることを特徴とする燃料電池システム。
The above object is achieved by the present invention described below.
(1) a polymer electrolyte fuel cell;
Load control means connected to the polymer electrolyte fuel cell, and applying a load of a pattern that periodically repeats a low load and a high load to the polymer electrolyte fuel cell;
A power storage means connected to the polymer electrolyte fuel cell and storing electric power generated by the polymer electrolyte fuel cell;
A load device connected to the polymer electrolyte fuel cell and the power storage means, and operated by receiving power from the polymer electrolyte fuel cell or the power storage means;
Determining means for determining an operation timing of the load control means ;
The determination means includes detection means for detecting dry-up of the electrolyte membrane of the polymer electrolyte fuel cell,
The load control unit applies a load to the polymer electrolyte fuel cell at the operation timing determined by the determination unit when dry-up is detected by the detection unit .
(2) 前記低負荷と高負荷を周期的に繰り返すパターンの負荷は、三角波により表される負荷であることを特徴とする上記(1)に記載の燃料電池システム。 (2) The fuel cell system according to (1), wherein the load having a pattern in which the low load and the high load are periodically repeated is a load represented by a triangular wave.
(3)前記蓄電手段の蓄電残量と予め定められた規定残量とを比較し、その比較結果に基づいて、車両出力制御又は車両出力制御の解除を行う手段を備えることを特徴とする上記(1)又は2に記載の燃料電池システム。 ( 3 ) The above-mentioned apparatus comprising means for comparing the remaining amount of electricity stored in the electricity storage means with a predetermined remaining amount, and releasing vehicle output control or vehicle output control based on the comparison result. The fuel cell system according to (1) or 2 .
(4)前記固体高分子型燃料電池は、
単位セルの燃料極に接触し燃料ガス流路を形成する集電板を有するセパレータを、単位セルと交互に複数積層すると共に、各燃料ガス流路の入口同士を入口マニホールドで接続しかつ出口同士を出口マニホールドで接続して構成されたモジュールを複数形成し、燃料ガスの流れ方向が、隣接するモジュール間で逆方向になるように、一方のモジュールの出口マニホールドと他方のモジュールの入口マニホールドとを接続し、前記単位セルの積層方向における両端に通電可能に重ね合わせられた一対の電極板を有する燃料電池スタックを含むことを特徴とする上記(1)から(3)のいずれか1に記載の燃料電池システム。
( 4 ) The polymer electrolyte fuel cell is
A plurality of separators having current collector plates that are in contact with the fuel electrode of the unit cell and form a fuel gas flow path are stacked alternately with the unit cell, and the inlets of the fuel gas flow paths are connected by an inlet manifold and the outlets are connected to each other. Are connected by outlet manifolds to form a plurality of modules, and the outlet manifold of one module and the inlet manifold of the other module are connected so that the flow direction of fuel gas is reversed between adjacent modules. connect the to include a fuel cell stack having a pair of electrode plates which are superposed so as to be energized at both ends in the stacking direction of the unit cells from (1) above, wherein according to any one of (3) Fuel cell system.
請求項1に記載の発明によれば、固体高分子型燃料電池(以下燃料電池という)に(負荷装置の要求負荷にかかわらず)低負荷と高負荷を周期的に繰り返す負荷が与えられる。このパターンの負荷を採用するようにすれば、高負荷領域での運転によって、燃料電池の温度は上昇するが、低負荷(低負荷領域)での運転によって、温度上昇は抑制され、トータルとしての温度は一定値に落ち着くことになる。つまり、高負荷で連続発電することがなくなるから、高負荷で連続発電することによって燃料電池温度が上昇し電解質中の水分が失われることを低減できる。また、高負荷(高負荷領域)の運転(発電)によって生成される水で電解質膜を加湿できる。従って、ドライアップを防止できる。ドライアップ防止のために、外部からの加湿量を増加させる必要はない。このため、システムが大型化しかつ複雑化することはない。また、ドライアップ防止により、燃料電池電極の損傷防止、耐久性向上も実現できし、さらに、ドライアップすると不可能になる(瞬間的な)高負荷運転も可能になる。 According to the first aspect of the present invention, the polymer electrolyte fuel cell (hereinafter referred to as fuel cell) is provided with a load that periodically repeats a low load and a high load (regardless of the required load of the load device) . If the load of this pattern is adopted, the temperature of the fuel cell rises by the operation in the high load region, but the temperature rise is suppressed by the operation in the low load (low load region), and the total The temperature will settle to a constant value. That is, since continuous power generation with a high load is eliminated, it is possible to reduce the loss of moisture in the electrolyte due to an increase in fuel cell temperature due to continuous power generation with a high load. Further, the electrolyte membrane can be humidified with water generated by operation (power generation) in a high load (high load region). Therefore, dry-up can be prevented. In order to prevent dry-up, it is not necessary to increase the amount of humidification from the outside. For this reason, the system is not enlarged and complicated. Further, by preventing dry-up, it is possible to prevent damage to the fuel cell electrode and improve durability, and furthermore, it becomes possible to perform a (high-speed) high-load operation that becomes impossible when dry-up is performed.
負荷装置(例えばモータ)は、蓄電手段(例えばバッテリ)にも接続され、少なくとも前記固体高分子型燃料電池又は蓄電手段から電力の供給を受けて作動する。従って、負荷装置の実要求負荷と燃料電池が発電する電力とが一致しないとしても、低負荷と高負荷を周期的に繰り返す負荷を採用したので、負荷装置の実要求負荷と燃料電池が発電する電力とは一致しない場合、蓄電手段から不足の電力を供給することができるので、負荷装置を適切に作動させることが可能となる。 The load device (for example, a motor) is also connected to a power storage means (for example, a battery), and operates by receiving power from at least the solid polymer fuel cell or the power storage means. Therefore, even if the actual required load of the load device and the power generated by the fuel cell do not match, the load that periodically repeats the low load and the high load is adopted, so the actual required load of the load device and the fuel cell generate power. If the power does not match, insufficient power can be supplied from the power storage means , so that the load device can be operated appropriately.
低負荷と高負荷を周期的に繰り返すパターンの負荷であるから、高負荷で連続発電することがなくなり、高負荷で連続発電することによって燃料電池温度が上昇し電解質中の水分が失われることを低減できる。また、高負荷(高負荷領域)の運転(発電)によって生成される水で電解質膜を加湿できる。従って、ドライアップを防止できる。ドライアップ防止のために、外部からの加湿量を増加させる必要はない。このため、システムが大型化しかつ複雑化することはない。
さらに、負荷制御手段は、決定された動作タイミングで(例えば、タイマによって一定時間計時されるごとに、つまり定期的に)、燃料電池に特定パターンの負荷を与えるので、ドライアップを未然に防止することができる。
また、負荷制御手段は、ドライアップが検出された場合に、低負荷と高負荷を周期的に繰り返すパターンの負荷を燃料電池にを与えるので、ドライアップによる弊害を最小限に抑えることができる。
Since it is a load with a pattern that periodically repeats low and high loads, continuous power generation at high loads is eliminated, and continuous power generation at high loads increases the fuel cell temperature and loses moisture in the electrolyte. Can be reduced. Further, the electrolyte membrane can be humidified with water generated by operation (power generation) in a high load (high load region). Therefore, dry-up can be prevented. In order to prevent dry-up, it is not necessary to increase the amount of humidification from the outside. For this reason, the system is not enlarged and complicated.
Further, the load control means applies a specific pattern load to the fuel cell at the determined operation timing (for example, every time a timer is counted for a certain time, that is, periodically), thus preventing dry-up in advance. be able to.
Further, when the dry-up is detected, the load control means gives the fuel cell a load having a pattern in which the low load and the high load are periodically repeated, so that the adverse effects due to the dry-up can be minimized.
請求項2に記載の発明によれば、低負荷と高負荷を周期的に繰り返すパターンの負荷は、三角波により表される負荷であるから、高負荷で連続発電することがなくなり、高負荷で連続発電することによって燃料電池温度が上昇し電解質中の水分が失われることを低減できる。また、高負荷(高負荷領域)の運転(発電)によって生成される水で電解質膜を加湿できる。従って、ドライアップを防止できる。ドライアップ防止のために、外部からの加湿量を増加させる必要はない。このため、システムが大型化しかつ複雑化することはない。
According to the invention described in
請求項3に記載の発明によれば、前記蓄電手段の蓄電残量と予め定められた規定残量とを比較し、その比較結果に基づいて、車両出力制御又は車両出力制御の解除を行う手段を備えるので、仮に蓄電手段の蓄電残量が予め定められた規定残量を下回ったとしても車両出力を制御することで必要最低限の車両出力を確保することができる。さらに、その車両出力制御をしている間、低負荷と高負荷を周期的に繰り返すパターンの負荷が与えられることで、蓄電手段を充電することができる。 According to the third aspect of the present invention, the means for comparing the remaining amount of electricity stored in the electricity storage means with a predetermined remaining amount, and performing vehicle output control or canceling vehicle output control based on the comparison result. Therefore, even if the remaining amount of electricity stored in the electricity storage means falls below a predetermined remaining amount, it is possible to ensure the minimum required vehicle output by controlling the vehicle output. Furthermore, during the vehicle output control, the power storage means can be charged by applying a load having a pattern in which a low load and a high load are periodically repeated .
請求項4に記載の発明によれば、固体高分子型燃料電池として特定構造の燃料電池を採用することが可能となる。 According to the fourth aspect of the present invention, a fuel cell having a specific structure can be adopted as the solid polymer fuel cell.
次にこの発明の好適実施形態について説明する。この実施形態は、電気自動車に搭載される燃料電池システムである。図1は、燃料電池スタック100を用いたシステム1の燃料供給系10を示すブロック図である。
Next, a preferred embodiment of the present invention will be described. This embodiment is a fuel cell system mounted on an electric vehicle. FIG. 1 is a block diagram showing a
この燃料電池システム1の有するスタック100の構成について説明する。燃料電池スタック100は、燃料電池単位セル15と燃料電池セパレータ13とを交互に積層して構成されている。図2は、燃料電池用セパレータ13を示す全体正面図、図3は、燃料電池セパレータ13で構成された燃料電池スタック100の部分断面平面図(図2におけるA‐A断面図)、図4は、同じく部分断面側面図(図2及び図3におけるB−B断面図)、図5は、燃料電池セパレータ13の部分断面側面図(図2及び図3におけるC−C断面図)、図6は、燃料電池用セパレータ13の全体背面図である。
The configuration of the
セパレータ13は、単位セル15の電極に接触して電流を外部に取り出すための集電部材3、4と、各集電部材3、4の周端部に外装される枠体8、9とを備えている。集電板である集電部材3、4は金属で構成されている。構成金属は、導電性と耐食性を備えた金属で、例えば、ステンレス、ニッケル合金、チタン合金等に耐蝕導電処理を施したもの等が挙げられる。
The
集電部材3は、単位セル15の燃料極に接触し、集電部材4は酸素極に接触する。燃料極に接触する集電部材3は、図7に示されているように、矩形の金網材から成り、その表面には多数の孔320が形成されている。また、集電部材3には、プレス加工によって、突出形成された複数の凸状部32が形成されている。尚、図7以外の図においては、図面の内容をわかり易くするために、集電部材3を板材として示しており、断面図等において、網材の孔320の表示は省略されている。
The
凸状部32は、板材の長辺とに沿って短辺方向へ向けて、等間隔で配列されている。長辺に沿って(図2における横方向)配置された凸状部32の間に形成された溝によって、凸状部32の間には水素流路301が形成され、凸状部32の裏側に形成された溝33によって、水素流路302が形成されている。この凸状部32の頂点部分の面は、燃料極が接触する当接部321となっている。集電部材3が網体であるため、当接部321が接触する部分においても、孔320を介して、燃料極は燃料ガスを供給することができる。また、水素流路301と水素流路302の間も、孔320を介して、水素ガスが相互に流通可能となる。
The
集電部材3の両端部には、流通孔35が形成され、セパレータ13を積層した場合に、この流通孔35によって水素供給路が構成される。
集電部材4は、矩形の板材から成り、プレス加工によって、複数の凸状部42が形成されている。凸状部42は、板材の短辺に平行に直線状に連続して形成されており、等間隔で配置されている。凸状部42の間には、溝が形成されて、空気が流通する空気流路40が形成されている。この凸状部42の頂点部分の面は、酸素極が接触する当接部421となっている。また、凸状部42の裏側は溝状の中空部41となっており、中空部41の両端は、閉鎖されている。集電部材4の両端部には、孔48が形成され、セパレータ13を積層した場合に、この孔48によって水素供給路が構成される。
Through
The
以上のような集電部材3、4は、各凸状部32と凸状部42が外側となるように重ね合わされて固定される。このとき、集電部材3の裏側面34と空気流路40の裏側面403が当接した状態となり、相互に通電可能な状態となる。また、空気流路40は、図3及び図5に示されているように、単位セル15に重ね合わされ、溝の開口部400を閉鎖することにより、管状の流路が構成され、空気流路40の内壁の一部が酸素極で構成される。この空気流路40から、単位セル15の酸素極に酸素と水が供給される。
The
空気流路40の一端側開口部は、空気と水が流入する導入口43となり、他端の開口部は、空気と水が流出する導出口44となっている。この導入口43から導出口44までの空気流路40及びその集合体が、固体電解質膜に酸素を供給する酸素室(空気室)として機能する。
また、中空部41の一端側開口部は、空気と水が流入する流入開放口45となり、他端の開口部は、空気と水が流出する流出開放口46となっている。以上のような構成において、空気流路40と中空部41は、交互に平行に配置され、相互に側壁47を挟んで隣接した構成となっている。
The opening on one end side of the
Moreover, the opening part of the one end side of the
集電部材3、4には、枠体8、9がそれぞれ重ねられる。図2に示されているように、集電部材3に重ねられる枠体8は、集電部材3と同じ大きさに構成され、中央には、凸状部32を収納する窓81が形成されている。また、両端部近傍には、集電部材3の流通孔35に合致する位置に孔83が形成されており、この孔83と窓81との間には、集電部材3に接触する側の平面に凹部が形成され、水素流通経路84が設けられている。また、集電部材3に接触する面に対して、反対側の平面には、輪郭が窓81に沿って形成された凹部が形成され、単位セル15が収納される収納部82が設けられている。この収納部82に収納された単位セル15の燃料極表面と、水素流路301、302と、窓81とによって、燃料室30が画成される。このように、燃料室は、燃料極に隣接して設けられ、酸素室は酸素極に隣接して設けられている。
集電部材4に重ねられる枠体9は、枠体8と同じ大きさに構成され、中央には、凸状部42を収納する窓91が形成されている。また、両端部近傍には、枠体8の孔83に合致する位置に孔93が形成されている。枠体8の集電部材4が重ねられる側の面には、枠体8の対向する一対の長辺に沿って溝が形成され、集電部材3、4に重ねることによって、空気流通路94、95が構成される構造となっている。空気流通路94の一端は、枠体8の長辺側の端面に形成された開口941に接続され、他端は空気流路40の導入口43に接続されている。
The
上流側の空気流通路94は、開口941側から空気流路40側へ向けて横断面積が漸減するように、端部内壁がテーパー面942となっており、空気マニホールドから噴射される霧状水の取り入れを容易としている。一方、下流側の空気流通路95の一端は、空気流路40の導出口44に接続され、他端は、枠体8の長辺側端面に形成された開口951に接続されている。空気流通路95は、開口951側から空気流路40側へ向けて横断面積が漸減するように、端部内壁がテーパー面952となっている。燃料電池スタック100が傾いた際にも、このテーパー面952によって、水の排出が維持される。
また、枠体9の、集電部材4に接触する面に対して、反対側の平面には、輪郭が窓91に沿って形成された凹部が形成され、単位セル15が収納される収納部92が設けられている。
The upstream
In addition, a concave portion having a contour formed along the
図8は単位セル15の拡大断面図である。単位セル15は、固体高分子電解質膜15aと、該固体高分子電解質膜15aの両側面にそれぞれ重ねられた酸化剤極である酸素極15bと燃料極15cとを備えていて、固体高分子電解質膜15aは、酸素極15bと燃料極15cとで挟持されている。固体高分子電解質膜15aは、収納部82、92に合致した大きさに形成され、酸素極15bと燃料極15cは、窓91、81に合致した大きさに形成されている。単位セル15の厚さは、枠体8、9や集電部材3、4の厚さに比べると極めて薄いので、図面では、一体の部材として表示している。
FIG. 8 is an enlarged cross-sectional view of the
空気流路40の内壁には、親水性処理が施されている。内壁表面と水の接触角が40°以下、好ましくは30°以下となるように表面処理が施されているとよい。処理方法としては、親水処理剤を、表面に塗布する方法が取られる。塗布される処理剤としては、ポリアクリルアミド、ポリウレタン系樹脂、酸化チタン(Ti O2)等が挙げられる。
The inner wall of the
以上のように構成された枠体8、9によって集電部材3、4を保持してセパレータ13が構成され、セパレータ13と単位セル15を交互に積層して、燃料電池スタック100が構成される。図9は燃料電池スタック100の部分平面図である。燃料電池スタック100の上面には、多数の導入口43が開口し、この導入口43に、空気マニホールドから空気が流入するとともに、空気マニホールド内でノズルから噴射された水が同時に流入する。導入口43から流入した空気と水は、潜熱冷却により集電部材3、4を冷却する。
The
図10は、燃料電池スタック100の全体平面図である。以上のように構成された燃料電池セパレータ13は、所定の枚数重ねられたモジュール130−1〜n(単位体)を複数個構成し、この複数のモジュール130を複数重ねることによって燃料電池スタック100が構成される。隣接するモジュール130−mとモジュール130−m+1の間には、集電部材3と集電部材4の間に遮蔽板16を挟んだ、セパレータ14が介在する。遮蔽板16は、水素通路17a又は水素通路17bのいずれかに対応した位置に、水素通路17a、17bの断面形状と同じ形状の、孔161a又は161bを備えている。この遮蔽板16は、導電性を有し、燃料電池スタック100内での電気の流通は妨げない。
FIG. 10 is an overall plan view of the
一方、遮蔽板16が孔161aを有する場合には、水素通路17bでの水素ガスの流通は、遮蔽板16によって遮断される。遮蔽板16が孔161bを有する場合には、水素通路17aでの水素ガスの流通は、遮蔽板16によって遮断される。遮蔽板16は、水素ガスが流入する側から流出する側へ配置されている順に、孔161bが設けられている遮蔽板16、孔161aが設けられている遮蔽板16・・・となるよう、交互に配置される。このようにモジュール130−1〜n毎に、水素通路17aと水素通路17bの一方を交互に遮蔽することで、供給された水素ガスは、モジュール130単位で、各燃料室30内を流通する。具体的には、最初のモジュール130では、水素通路17aから水素通路17bへ向けて、各燃料室30内を水素ガスが流れ、次のモジュール130では、水素通路17bから水素通路17aへ向けて、各燃料室30内を水素ガスが流れ、さらに次のモジュール130では、水素通路17aから水素通路17bへ向けて、各燃料室30内を水素ガスが流れる・・・以降は、交互に水素ガスの流通方向が変化する。
On the other hand, when the shielding
即ち、燃料電池スタック100は、単位セル15とセパレータ13を積層して構成されたモジュール130と、モジュール130内において、セパレータ13の積層方向に形成され、燃料室30を挟んだ両側に位置し、各燃料室30にそれぞれ連通する一対の水素通路17a、17bとを有し、モジュール130を積層して構成されたものであって、隣接するモジュール130の間には、各モジュール130の一方の水素通路17a、17a(又は17b、17b)間を連通する連通部(孔161a(又は161b))と、他方の水素通路17b、17b(又は17a、17a)間の水素流通を遮断する遮断部(遮蔽板16)とを有し、連通部と遮断部は、積層されているモジュール130の積層方向に向けて順に、一方の水素通路17a、17a(又は17b、17b)と他方の水素通路17b、17b(又は17a、17a)において交互に設けられ、一対の水素流路(17a、17b)間の各燃料室30内を流れる水素ガスの流通方向が、モジュール130毎に交互に逆向きに変化する構成となっている。
That is, the
図11は、水素流通路17aと、水素流通路17aの縦断面図である。各モジュール130−1〜nは、水素流通路17aと、水素流通路17aに連通する水素流通経路84aによって、さらに、水素流通路17bと、水素流通路17bに連通する水素流通経路84bによって、それぞれマニホールドが構成されている。そして、水素通路17aが燃料流入通路である場合には、水素通路17aと水素流通経路84aで構成されるマニホールドが、入口マニホールドとなり、水素通路17bと水素流通経路84bで構成されるマニホールドが、出口マニホールドとなる。逆に、水素通路17aが燃料流出通路である場合には、水素通路17aと水素流通経路84aで構成されるマニホールドが、出口マニホールドとなり、水素通路17bと水素流通経路84bで構成されるマニホールドが、入口マニホールドとなる。
FIG. 11 is a longitudinal sectional view of the
また、単位のモジュール130−1〜n内においても、積層されたセパレータ13と単位セル15とで構成された各燃料室30間で水素ガス流量の差が生ずること抑制できる。さらに、燃料電池スタック100に供給された水素ガスは、繰り返し、モジュール130−1〜n内を流れるので、燃料室30の燃料極に接触する機会が増え、反応効率が向上する。
そして、モジュール130−1〜nの積層方向における両端には、電極板が重ねられ、燃料電池スタック100の電極に接続されている。
Further, even in the unit modules 130-1 to 130-n, it is possible to suppress a difference in hydrogen gas flow rate between the
Electrode plates are stacked at both ends in the stacking direction of the modules 130-1 to 130-n and connected to the electrodes of the
図12は、燃料ガスが最後に通過するモジュール130−nの構成を示す模式図である。モジュール130−nの一方の端面には、一方の電極板Dが重ねられている。隣接するモジュール130−(n−1)から送られる燃料ガスは、水素流通路17aから各セパレータによって構成される燃料室30へ供給される。水素流路17aから多数の燃料室30で構成された流路へ燃料ガスが流入する際、ガスの流れる方向が急激に変更され、屈曲した流路が構成される。通常、流路が湾曲している場合には、湾曲の外側と内側で流速に違いが生じ、流速は、外側が早く、内側が遅くなる。同様に、屈曲した流路の内側と外側では、ガスの流速に違いが生じ、外側が速く、内側は遅くなる。
FIG. 12 is a schematic diagram showing a configuration of the module 130-n through which the fuel gas finally passes. One electrode plate D is overlaid on one end face of the module 130-n. The fuel gas sent from the adjacent module 130- (n-1) is supplied from the
これに限らず、他のモジュール130−1〜(n−1)の単位セルから基準電圧を検出してもよい。この場合には、電極板Dによる放熱の影響が一層受けにくく、かつガス流が一層十分に得られる燃料室30の単位セル15を選択することができる。また、この場合には、モジュール単位で異常が発生した場合、出力電圧を比較することによって、異常検出が可能となる。
However, the reference voltage may be detected from the unit cells of other modules 130-1 to (n-1). In this case, it is possible to select the
図13は、燃料電池スタック100の正面図である。水素通路17aの水素ガス流入部分には、整流手段としての導入案内路18aが設けられている。この導入案内路18aは、ガス導入口181aが、燃料ガス供給流路201と同じ断面形状を有し、ガス導出口182aが、水素通路17aと同じ断面形状を有している。そして、ガス導入口181aからガス導出口182aまでの流路183aは、横断面の幅が漸増し、水素通路17aの横断面におけるガス流速の分布が均一となるように、ガス流を案内する。さらに、流路183aには、整流板184aが設けられ、ガス流の圧力損失を抑制しつつ、水素ガスを導く構成となっている。そして、ガス導出口182aが燃料供給口171aに接続されている。
FIG. 13 is a front view of the
図14は、燃料電池スタック100の背面図である。燃料電池スタック100の水素ガス流出部分には、導出案内路18bが設けられている。この導出案内路18bは、ガス導入口181bが、水素通路17aと同じ断面形状を有し、ガス導出口182bが、水素導出路203と同じ断面形状を有している。そして、ガス導入口181bからガス導出口182bまでの流路183bは、横断面の幅が漸減し、さらに、流路183aには、整流板184aが設けられ、ガス流の圧力損失を抑制しつつ、水素ガスを導く構成となっている。そして、ガス導入口181bが燃料排出口171bに接続されている。
以上のような燃料電池スタック100の構成によって、燃料電池スタック100に流入した水素ガスは、圧力損失が抑制され、各燃料電池セパレータ13の燃料室30へ均一に水素ガスが供給される。
FIG. 14 is a rear view of the
With the configuration of the
次に、図1に基づき、燃料電池システム1の構成について説明する。
燃料供給系10は、燃料ボンベである高圧水素タンク11と、燃料ガス供給流路201と、燃料ガス供給流路201に設けられたガス供給弁V1とを備えている。燃料ガス供給流路201の一端は、高圧水素タンク11に接続され、他端は、燃料電池スタック100の導入案内路18aを介して、燃料電池スタック100の燃料供給口171aに接続されている。
Next, the configuration of the
The
燃料ガス供給流路201は、燃料ボンベである高圧水素タンク11から放出された水素を燃料電池スタック100の燃料供給口171aへ送る。燃料ガス供給流路201には、水素一次圧調圧弁LVが高圧水素タンク11の下流に設けられている。そして、水素圧調圧弁LVの下流には、ガス供給弁V1が設けられる。水素圧調圧弁LVによって、燃料電池スタック100へ供給するために適した圧力(燃料ガス流路内圧)に調整される。
The fuel
燃料ガス供給流路201には、ガス供給弁V1の下流側には、空気導入路202が接続されおり、空気導入路202には、空気供給弁V4が設けられ、その上流側には、フィルタ27が設けられている。
燃料電池スタック100では、図3に示されているように、水素通路17aから水素ガスが水素流通経路84aへ流入し、さらに、水素流通経路84aから水素流路301、302へ流入する。水素流路301、302において、燃料極へ水素が供給され、残った水素ガスは、水素流通経路84bから水素通路17bへ流入する。
An
In the
燃料電池スタック100の燃料排出側には、燃料ガス循環流路203が接続されている。燃料ガス循環流路203の一端は、導出案内路18bを介して、燃料電池スタック100の燃料排出口171bに接続され、他端は、燃料ガス供給流路201に接続され、燃料ガス循環流路203と燃料ガス供給流路201の一部とによって、燃料ガスの循環回路が形成される。この循環回路内においては、燃料ガスが、燃料電池スタック100、燃料ガス循環流路203、ガス供給路201、燃料電池スタック100の順に循環して流れる。
燃料ガス供給流路201には、空気導入路202の接続部と、燃料ガス循環流路203の接続部との間に、減圧用遮断電磁弁V5が設けられている。
A fuel
The fuel
また、燃料ガス循環流路203には、ガス導出路204の一端が接続され、ガス導出路204の他端は外部に開放された排出口26となっており、またガス導出路204には、排気電磁弁V6が設けられている。
燃料ガス循環流路203には、水回収タンク21が接続され、その下流側には、循環ポンプ25が接続され、その下流側(吐出口側)に減圧排出路205の一端が接続されている。減圧排出路205の他端は、燃料ガス排出流路204に接続され、排気電磁弁V6の下流側にガスを合流させる構成となっている。また、減圧排出路205には、減圧電磁弁V3が設けられている。
In addition, one end of a gas lead-out
A
燃料ガス循環流路203において、減圧排出路205の接続部の下流側には、循環電磁弁V2が設けられている。循環回路内に燃料ガスを循環させる場合には、循環電磁弁V2を開放し、循環ポンプ25を駆動させる。
また、排気電磁弁V6を開放することによって、水回収タンク21内の水が、ガス導出路204を介して、燃料ガスとともに排出される。
In the fuel
Further, by opening the exhaust solenoid valve V6, the water in the
循環ポンプ25は、燃料ガスを燃料電池スタック100から排出する際にも駆動する。この場合には、循環電磁弁V2を閉じ、減圧電磁弁V3を開いた状態となる。
また、燃料ガス供給流路201には、圧力センサS1が接続され、燃料電池スタック100の燃料極に供給されるガス圧がモニタされている。燃料電池スタック100には、既述の通り、単位セル毎の出力電圧を検出するセンサS1〜3が設けられている。
各弁V1〜V6は、電気的に開閉制御可能に構成されている。なお、水回収タンク21は、燃料電池スタック100から、燃料ガスとともに排出された生成水を溜める貯留タンクとして機能する。
The
Further, a pressure sensor S1 is connected to the fuel
Each valve V1-V6 is comprised so that opening / closing control is electrically possible. The
さらに、燃料電池システム1には、図示しないが、燃料電池システムをイグニッションによる起動・停止を行うスタートスイッチが備えられている。イグニッションキーでなくても、ON/OFFスイッチでも構わない。また、燃料電池システムが、図示しない外部負荷に接続されている期間を通常運転時とする。
Further, the
以上のような構成において、燃料電池システム1により電力出力される通常運転状態では、空気ファン等によって、燃料電池スタック100の空気流路40に空気が供給され、同時に、燃料供給系10からは水素ガスが燃料電池スタック100に供給される。そして、燃料電池スタック100内では、発電反応が継続され、電力と、反応により生成された生成水が発生する。このような発電反応は、酸素極に空気を、燃料極に水素ガスを供給することにより維持される。本発明では、通常運転状態(通常発電状態)とは、燃料電池システム1が、外部負荷と接続され、負荷に応じて発電している状態を言う。
燃料電池始動時とは、燃料電池システムのスタートスイッチが押され(イグニッションキーがオンされ)、燃料電池システム1が外部負荷に接続されるまでの期間が当てはまる。
In the above configuration, in a normal operation state where power is output from the
When the fuel cell is started, a period from when the start switch of the fuel cell system is pressed (ignition key is turned on) until the
次に、燃料電池システム1の回路構成について説明する。図15は燃料電池システム1の回路構成について説明するための概略回路図である。スタック100は負荷装置としてのインバータ50に接続され、発生した電流をそのインバータ50に供給する。インバータ50は、燃料電池スタック100または蓄電手段60からの直流電流を交流電流に変換して、負荷装置としてのモータ(例えば車両の車輪を回転させる駆動モータ)Mに供給する。ここで、駆動モータMは発電機としても機能するものであり、車両の減速運転時には、いわゆる回生電流を発生する。この場合、駆動モータMは車輪によって回転させられて発電するので、車輪にブレーキをかける、すなわち、車両の制動装置(ブレーキ)として機能する。そして、回生電流やスタック100における発電電流が蓄電手段60に供給されて蓄電手段60が充電される。
Next, the circuit configuration of the
蓄電手段60としての二次電池は、いわゆるバッテリ(蓄電池)であり、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池等が考えられる。なお、蓄電手段60は、必ずしもバッテリでなくてもよく、キャパシタ(コンデンサ)、フライホイール、超伝導コイル、蓄圧器等のように、エネルギを電気的に蓄積し放出する機能を有するものであれば、いかなる形態のものであってもよい。さらに、これらの中のいずれかを単独で使用してもよいし、複数のものを組み合わせて使用してもよい。 The secondary battery as the power storage means 60 is a so-called battery (storage battery), and a lead storage battery, a nickel cadmium battery, a nickel hydrogen battery, a lithium ion battery, a sodium sulfur battery, and the like are conceivable. The power storage means 60 does not necessarily have to be a battery, as long as it has a function of electrically storing and discharging energy, such as a capacitor (capacitor), a flywheel, a superconducting coil, and a pressure accumulator. Any form may be used. Furthermore, any of these may be used alone, or a plurality of them may be used in combination.
スタック100には負荷制御手段としてのコイル70及び制御部によってオンオフ制御される半導体スイッチ80が接続され、半導体スイッチ80のオンオフにより、スタック100からの電流がコイル70を流れるようになっている。半導体スイッチ80をオンすると図17に示すようにコイル70に流れる電流は経時的に増加する。また、半導体スイッチ80をオフするとコイル70に流れる電流は経時的に減少する。従って、記憶手段に半導体スイッチ80のオンオフ制御のデータを格納しておき、このデータに基づいて制御部が半導体スイッチ80のオンオフを制御することで図17に示すように低負荷と高負荷を周期的に繰り返す負荷(三角波により表される負荷)を作り出すことができる。
The
なお、インバータ50にはスタック100及び蓄電手段60が並列的に接続されているので、負荷制御手段の制御による低負荷での運転によってスタック100からの出力が小さくなった場合には、蓄電手段60からの電流がスタック100へ逆流することになる。この逆流防止のためにダイオード90が設けられている。このため、蓄電手段60からの電流はすべてインバータ50へ供給されるようになっている。
Since the
次に、ドライアップの検出方法について説明する。スタック100におけるドライアップの発生確率の高い場所に位置する単位セル15(すなわち、ドライアップを起こしやすい単位セル15)、ドライアップの発生確率の低い場所に位置する単位セル15(すなわち、通常の単位セル15)には、該当する単位セル15の起電力を測定するための図示されない電圧計が取り付けられている。そして、ドライアップを起こしやすい単位セル15と通常の単位セル15との起電力の差が所定値を超えた場合には、ドライアップが生じる予兆と判断して、ドライアップフラグがセットされ、ドライアップ対策処理(図16参照)が実行される。
Next, a dry-up detection method will be described.
ドライアップを起こしやすい単位セル15は例えば次のようにして特定する。内部に導入される水素ガスの流れが図10に示すようにセルモジュール130毎に折り返す(蛇行する)構造のスタック100においては、水素ガス導入路18a側のモジュール130ほど水素ガスの流速及び圧力が高く、導出案内路18bに近づくほど水素ガスの流速が低くなる。そして、水素ガスの流速及び圧力が高いほど燃料極15cから水分を奪いやすいと考えられるので、水素ガス導入路18a側に近いモジュール130ほどドライアップを起こしやすいと考えられる。また、水素ガスの流れは、既述のように、セルモジュール130毎に折り返す(蛇行する)ため、蛇行の外側に位置する単位セルがドライアップし易すく、10セル単位でモジュールが構成された本実施形態では、水素ガス導入路18aから、数えて、第1番目、第20番目、第21番目、第40番目、第41番目、第60番目、第61番目・・・の各単位セル15が、ドライアップを起こしやすいと考えられる。
The
従って、ドライアップを起こしやすい単位セルは、ドライアップを起こしやすいセルモジュール130−1における水素ガス導入路18aに最も近い単位セル15であると考えられる。ただし、スタック100内部及びセルモジュール130内部における水素ガスの流れは必ずしも一様ではなく、その構造等によって流速及び圧力が局所的に変化する。そのため、必ずしもセルモジュール130−1における水素ガス導入路側18a側に最も単位セルがドライアップを起こしやすいということができない。そこで、各単位セルごとの電圧の変化を測定することで、ドライアップを起こしやすい単位セルをより正確に特定することが考えられる。なお、通常の単位セルとは、ドライアップを起こしにくい単位セル15のことであり、適宜の単位セル15(例えば、ドライアップを起こしやすい単位セル以外のセルの中から)を選択する。
Therefore, the unit cell that easily causes dry-up is considered to be the
上記説明した燃料電池システム1は、制御部として、図示されないECU(Electronic Control Unit)を有する。この制御部は、CPU、MPU等の演算手段、磁気ディスク、半導体メモリ等の記憶手段、入出力インターフェイス等を備え、各部を制御する。また、各センサS1〜4やドライアップを起こしやすい単位セル15や通常の単位セル15に接続された電圧計の検出値は、制御部に供給される。制御部は、各電磁弁V1〜6の開閉、及び、ポンプ25の駆動停止、駆動開始を制御する。また、制御部は、ドライアップを起こしやすい単位セル15や通常の単位セル15に接続された電圧計の出力に基づき、スタック100においてドライアップが発生したものと判断した場合にはドライアップ対策処理を実行する。さらに、制御部は、半導体スイッチのオンオフを制御することで図17に示すように低負荷と高負荷を周期的に繰り返す負荷(三角波により表される負荷)を作り出す。
The
以上のような構成を有する燃料電池システム1は、以下のような動作を行う。図16は、燃料電池システム1の制御動作を示すフローチャートである。以下の制御動作は、制御部における制御動作として実行される。
The
イグニッションONなど、起動を始める動作が確認されると、起動処理が実行される。起動処理は、例えば、ポンプ25の起動、水素循環切替弁V2の閉鎖、減圧電磁弁V3、減圧用遮断電磁弁V5及び排気電磁弁V6の開放を行う。これにより、置換ガスの排出経路が確保される。次に、ガス供給弁V1を開放する。ガス供給弁V1の開放によって、燃料ガスが燃料電池スタック100内に流入し、燃料電池スタック100内の置換ガスは、供給される燃料ガスによって押し出され、排出口26から排出される。
When an operation to start activation, such as ignition ON, is confirmed, activation processing is executed. In the activation process, for example, the
置換ガスから燃料ガスに十分に交換されるように、所定時間が経過するまで、上記状態を維持し、所定時間経過後、減圧電磁弁V3及び排気電磁弁V6を閉じる。これにより、起動処理が終了する。電圧センサS1〜3を介して、単位セルの電圧検出値の取得を開始する。循環電磁弁V2を開放し循環回路の燃料ガスの循環を開始し、定常運転時の制御に移行する。定常運転状態では、循環回路内を燃料ガスが循環し、該ガス供給弁V1の開放が行われて、燃料ガスが補給される。 The above state is maintained until a predetermined time elapses so that the replacement gas is sufficiently replaced with the fuel gas, and after the predetermined time elapses, the pressure reducing electromagnetic valve V3 and the exhaust electromagnetic valve V6 are closed. As a result, the activation process ends. Acquisition of the voltage detection value of a unit cell is started via voltage sensor S1-3. The circulation solenoid valve V2 is opened to start the circulation of the fuel gas in the circulation circuit, and the control shifts to the steady operation. In the steady operation state, the fuel gas circulates in the circulation circuit, the gas supply valve V1 is opened, and the fuel gas is replenished.
定常運転が行われている間、ドライアップフラグがセットされているか否かが判定される(ステップS101)。なお、ドライアップを起こしやすい単位セル15と通常の単位セル15との起電力の差が所定値を超えたと判定された場合に、ドライアップフラグがセットされるようになっている。
While the steady operation is being performed, it is determined whether or not the dry-up flag is set (step S101). The dry-up flag is set when it is determined that the difference in electromotive force between the
ドライアップフラグがセットされていると判定されないと(ステップS101:NO)、定常運転を継続する(ステップS111)。この場合、ステップS103以下の処理は行わない。一方、ドライアップフラグがセットされていると判定されると(ステップS101:YES)、さらにバッテリ残量(蓄電残量)が規定残量を超えたか否かが判定される(ステップS103)。バッテリ残量が規定残量(予め定められた規定残量)を下回っている(バッテリ残量<規定残量)ということは、低負荷領域で運転中のスタック100からの電流をバッテリ(蓄電手段)60からの電流で補えないこと、つまりスタック100及びバッテリ60からの電流がモータM等の負荷装置の実要求負荷と一致しないこと(電力不足であること)を意味する。
If it is not determined that the dry-up flag is set (step S101: NO), the steady operation is continued (step S111). In this case, the processing after step S103 is not performed. On the other hand, if it is determined that the dry-up flag is set (step S101: YES), it is further determined whether or not the remaining battery level (remaining power storage amount) exceeds the specified remaining level (step S103). That the remaining battery level is lower than the specified remaining amount (predetermined remaining amount) (battery remaining amount <specified remaining amount) means that the current from the
そこで、バッテリ残量が予め定められた規定残量を下回っている場合には(ステップS103:NO)、スタック100及びバッテリ60からの電流がモータM等の負荷装置の実要求負荷と一致するように、車両出力制御を行う(ステップS105)。車両出力制御としては、例えば、アクセルを踏み込んでも(車両出力制御をしない場合と比較して)加速しないようにモータMを制御することが考えられる。
Therefore, when the remaining battery level is below a predetermined remaining level (step S103: NO), the current from the
また、エアコンが負荷装置であるならば、エアコンの設定温度を予め定められた温度分だけ低下させることも考えられる。なお、バッテリ残量が予め定められた規定残量を上回っている又は一致する(バッテリ残量>=規定残量)ということは、低負荷におけるスタック100からの電流をバッテリ60からの電流で補えること、つまりスタック100及びバッテリ60からの電流がモータ等の負荷装置の実要求負荷と一致する又は上回ること(電力不足でないこと)を意味する。そこで、バッテリ残量が予め定められた規定残量を上回っている又は一致する場合には(ステップS103:YES)、ステップS105の車両出力制御が行われていればその解除を行う(ステップS107)。
Further, if the air conditioner is a load device, it is conceivable to lower the set temperature of the air conditioner by a predetermined temperature. Note that the remaining battery level exceeds or matches a predetermined remaining amount (battery remaining amount> = specified remaining amount), which means that the current from the
次に、三角波形パターン制御(ステップS109)が行われる。すなわち、記憶手段に格納された半導体スイッチ80のオンオフ制御のデータに基づいて、半導体スイッチ80のオンオフが制御され、これによって図17に示すように低負荷と高負荷を周期的に繰り返す負荷(三角波により表される負荷)が作り出される。高負荷領域(図17中、山及び山付近)での運転によって、スタック(燃料電池)100の温度は上昇するが、低負荷領域(図中谷及び谷付近)での運転によって、温度上昇は抑制され、トータルとしての温度は一定値に落ち着くことになる。
Next, triangular waveform pattern control (step S109) is performed. That is, the on / off control of the
つまり、高負荷で連続発電することがなくなるから、高負荷で連続発電することによってスタック(燃料電池)100の温度が上昇し電解質中の水分が失われることを低減できる。また、高負荷領域での運転(発電)によって生成される水で電解質膜を加湿できる。従って、ドライアップを防止できる。ドライアップ防止のために、外部からの加湿量を増加させる必要はない。このため、システムが大型化しかつ複雑化することはない。また、この三角波形パターン制御の間にスタック100において発電された電流(電力)は、モータM等の負荷装置に供給されるとともに、バッテリ60にも供給されバッテリ60が充電されることになる。なお、このステップS109の三角波形パターン制御と並行して、ステップS105の車両出力制御も行われているものとする。
That is, since continuous power generation with a high load is eliminated, it is possible to reduce the loss of moisture in the electrolyte due to an increase in the temperature of the stack (fuel cell) 100 by continuous power generation with a high load. Further, the electrolyte membrane can be humidified with water generated by operation (power generation) in a high load region. Therefore, dry-up can be prevented. In order to prevent dry-up, it is not necessary to increase the amount of humidification from the outside. For this reason, the system is not enlarged and complicated. In addition, the current (electric power) generated in the
この三角波形パターン制御を実行しつつリターンされる。そして、再度、ドライアップフラグ がセットされているか否かが判定される(ステップS101)。そして、ドライアップフラグがセットされていないと判定されると(ステップS101:NO)、ステップS105の車両出力制御が解除されるとともに三角波形パターン制御も解除され、定常運転に戻る(ステップS111)。以後、上記と同様に、ステップS101以下の処理が行われる。 It returns while executing this triangular waveform pattern control. Then, it is determined again whether or not the dry-up flag is set (step S101). If it is determined that the dry-up flag is not set (step S101: NO), the vehicle output control in step S105 is canceled and the triangular waveform pattern control is also released, and the operation returns to the steady operation (step S111). Thereafter, similarly to the above, the processing after step S101 is performed.
次に、上記実施形態の参考例及び変形例について説明する。 Next, reference examples and modifications of the above embodiment will be described.
上記実施形態では、ドライアップフラグがセットされた場合に、ドライアップ対策処理(図16参照)が実行されるように説明したが、参考例として、定常的に、あるいは、決定された動作タイミングで(例えば、タイマによって一定時間計時されるごとに、つまり定期的に)ドライアップ対策処理を実行するようにしてもよい。このようにすれば、ドライアップを未然に防止することが可能となる。 In the above-described embodiment, the dry-up countermeasure process (see FIG. 16) is executed when the dry-up flag is set. However , as a reference example , it is regularly or at the determined operation timing. The dry-up countermeasure process may be executed (for example, every time a certain time is counted by the timer, that is, periodically). In this way, it is possible to prevent dry-up.
また、上記実施形態では、負荷制御手段としてコイル70及び制御部によってオンオフ制御される半導体スイッチ80を例示し、半導体スイッチ80のオンオフ制御のデータに基づいて制御部が半導体スイッチ80のオンオフを制御することで図17に示すように低負荷と高負荷を周期的に繰り返す負荷(三角波により表される負荷)を作り出すように説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、コイル70及び半導体スイッチ80に代えて、制御部によって抵抗値を制御可能な可変抵抗を用いることによって、低負荷と高負荷を周期的に繰り返す負荷を作り出すことも考えられる。
Moreover, in the said embodiment, the
また、上記実施形態では、低負荷と高負荷を周期的に繰り返す負荷が、三角波により表される負荷であるように説明したが、本発明はこれに限定されない。要は、低負荷と高負荷を周期的に繰り返す負荷であればよいのであり、例えば、正弦波により表される負荷であってもよい。 Moreover, although the said embodiment demonstrated that the load which repeats a low load and a high load periodically is a load represented by a triangular wave, this invention is not limited to this. In short, any load that periodically repeats a low load and a high load may be used. For example, a load represented by a sine wave may be used.
本発明は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他の様々な形で実施することができる。このため、上記の実施形態はあらゆる点で単なる例示にすぎない。これらの記載によって本発明が限定的に解釈されるものではない。
本明細書は以下の事項を開示する。
(1) 固体高分子型燃料電池と、
前記固体高分子型燃料電池に接続され、該固体高分子型燃料電池に特定パターンの負荷を与える負荷制御手段と、
前記固体高分子型燃料電池に接続され、該固体高分子型燃料電池が発電する電力を蓄える蓄電手段と、
前記固体高分子型燃料電池と前記蓄電手段とに接続され、該固体高分子型燃料電池又は前記蓄電手段からの電力の供給を受けて作動する負荷装置とを備え、
前記特定パターンの負荷は、低負荷と高負荷を周期的に繰り返す負荷であることを特徴とする燃料電池システム。
上記(1)に記載の構成によれば、固体高分子型燃料電池(以下燃料電池という)に特定パターンの負荷が与えられる。この特定パターンの負荷として、例えば、(負荷装置の要求負荷にかかわらず)低負荷と高負荷を周期的に繰り返す負荷を採用するようにすれば、高負荷領域での運転によって、燃料電池の温度は上昇するが、低負荷(低負荷領域)での運転によって、温度上昇は抑制され、トータルとしての温度は一定値に落ち着くことになる。つまり、高負荷で連続発電することがなくなるから、高負荷で連続発電することによって燃料電池温度が上昇し電解質中の水分が失われることを低減できる。また、高負荷(高負荷領域)の運転(発電)によって生成される水で電解質膜を加湿できる。従って、ドライアップを防止できる。ドライアップ防止のために、外部からの加湿量を増加させる必要はない。このため、システムが大型化しかつ複雑化することはない。また、ドライアップ防止により、燃料電池電極の損傷防止、耐久性向上も実現できし、さらに、ドライアップすると不可能になる(瞬間的な)高負荷運転も可能になる。
負荷装置(例えばモータ)は、蓄電手段(例えばバッテリ)にも接続され、少なくとも前記固体高分子型燃料電池又は蓄電手段から電力の供給を受けて作動する。従って、負荷装置の実要求負荷と燃料電池が発電する電力とが一致しないとしても(特定パターンの負荷として、例えば、低負荷と高負荷を周期的に繰り返す負荷を採用した場合、負荷装置の実要求負荷と燃料電池が発電する電力とは一致しないことがある)、蓄電手段から不足の電力を供給することができるので、負荷装置を適切に作動させることが可能となる。
特定パターンの負荷は、低負荷と高負荷を周期的に繰り返す負荷であるから、高負荷で連続発電することがなくなり、高負荷で連続発電することによって燃料電池温度が上昇し電解質中の水分が失われることを低減できる。また、高負荷(高負荷領域)の運転(発電)によって生成される水で電解質膜を加湿できる。従って、ドライアップを防止できる。ドライアップ防止のために、外部からの加湿量を増加させる必要はない。このため、システムが大型化しかつ複雑化することはない。
(2) 前記低負荷と高負荷を周期的に繰り返す負荷は、三角波により表される負荷であることを特徴とする上記(1)に記載の燃料電池システム。
上記(2)に記載の構成によれば、低負荷と高負荷を周期的に繰り返す負荷は、三角波により表される負荷であるから、高負荷で連続発電することがなくなり、高負荷で連続発電することによって燃料電池温度が上昇し電解質中の水分が失われることを低減できる。また、高負荷(高負荷領域)の運転(発電)によって生成される水で電解質膜を加湿できる。従って、ドライアップを防止できる。ドライアップ防止のために、外部からの加湿量を増加させる必要はない。このため、システムが大型化しかつ複雑化することはない。
(3) 前記負荷制御手段は、定常的に、前記固体高分子型燃料電池に特定パターンの負荷を与えることを特徴とする上記(1)又は(2)に記載の燃料電池システム。
上記(3)に記載の構成によれば、負荷制御手段は、定常的に、燃料電池に特定パターンの負荷を与えるので、ドライアップを未然に防止することができる。
(4) 前記負荷制御手段の動作タイミングを決定する決定手段をさらに備え、
前記負荷制御手段は、前記決定手段によって決定された動作タイミングで、前記固体高分子型燃料電池に特定パターンの負荷を与えることを特徴とする上記(1)から(3)のいずれか1に記載の燃料電池システム。
上記(4)に記載の構成によれば、負荷制御手段は、決定された動作タイミングで(例えば、タイマによって一定時間計時されるごとに、つまり定期的に)、燃料電池に特定パターンの負荷を与えるので、ドライアップを未然に防止することができる。
(5) 前記決定手段は、前記固体高分子型燃料電池の電解質膜のドライアップを検出する検出手段を含み、
前記負荷制御手段は、前記検出手段によってドライアップが検出された場合に、前記固体高分子型燃料電池に特定パターンの負荷を与えることを特徴とする上記(4)に記載の燃料電池システム。
上記(5)に記載の構成によれば、負荷制御手段は、ドライアップが検出された場合に、燃料電池に特定パターンの負荷を与えるので、ドライアップによる弊害を最小限に抑えることができる。
(6) 前記蓄電手段の蓄電残量と予め定められた規定残量とを比較し、その比較結果に基づいて、車両出力制御又は車両出力制御の解除を行う手段を備えることを特徴とする上記(1)から(6)のいずれか1に記載の燃料電池システム。
上記(6)に記載の構成によれば、前記蓄電手段の蓄電残量と予め定められた規定残量とを比較し、その比較結果に基づいて、車両出力制御又は車両出力制御の解除を行う手段を備えるので、仮に蓄電手段の蓄電残量が予め定められた規定残量を下回ったとしても車両出力を制御することで必要最低限の車両出力を確保することができる。さらに、その車両出力制御をしている間、特定パターンの負荷が与えられることで、蓄電手段を充電することができる。
(7) 前記固体高分子型燃料電池は、
単位セルの燃料極に接触し燃料ガス流路を形成する集電板を有するセパレータを、単位セルと交互に複数積層すると共に、各燃料ガス流路の入口同士を入口マニホールドで接続しかつ出口同士を出口マニホールドで接続して構成されたモジュールを複数形成し、燃料ガスの流れ方向が、隣接するモジュール間で逆方向になるように、一方のモジュールの出口マニホールドと他方のモジュールの入口マニホールドとを接続し、前記単位セルの積層方向における両端に通電可能に重ね合わせられた一対の電極板を有する燃料電池スタックを含むことを特徴とする上記(1)から(6)のいずれかに記載の燃料電池システム。
上記(7)に記載の構成によれば、固体高分子型燃料電池として特定構造の燃料電池を採用することが可能となる。
The present invention can be implemented in various other forms without departing from the spirit or main features thereof. For this reason, said embodiment is only a mere illustration in all points. The present invention is not construed as being limited by these descriptions.
This specification discloses the following matters.
(1) a polymer electrolyte fuel cell;
A load control means connected to the polymer electrolyte fuel cell and applying a specific pattern load to the polymer electrolyte fuel cell;
A power storage means connected to the polymer electrolyte fuel cell and storing electric power generated by the polymer electrolyte fuel cell;
A load device connected to the polymer electrolyte fuel cell and the electricity storage means, and operated by receiving power from the polymer electrolyte fuel cell or the electricity storage means;
The load of the specific pattern is a load that periodically repeats a low load and a high load.
According to the configuration described in (1) above, a specific pattern load is applied to the polymer electrolyte fuel cell (hereinafter referred to as a fuel cell). As the load of this specific pattern, for example, by adopting a load that periodically repeats a low load and a high load (regardless of the load demanded by the load device), the temperature of the fuel cell is increased by the operation in the high load region. However, the temperature rise is suppressed by the operation at a low load (low load region), and the total temperature is settled to a constant value. That is, since continuous power generation with a high load is eliminated, it is possible to reduce the loss of moisture in the electrolyte due to an increase in fuel cell temperature due to continuous power generation with a high load. Further, the electrolyte membrane can be humidified with water generated by operation (power generation) in a high load (high load region). Therefore, dry-up can be prevented. In order to prevent dry-up, it is not necessary to increase the amount of humidification from the outside. For this reason, the system is not enlarged and complicated. Further, by preventing dry-up, it is possible to prevent damage to the fuel cell electrode and improve durability, and furthermore, it becomes possible to perform a (high-speed) high-load operation that becomes impossible when dry-up is performed.
The load device (for example, a motor) is also connected to a power storage means (for example, a battery), and operates by receiving power from at least the solid polymer fuel cell or the power storage means. Therefore, even if the actual required load of the load device does not match the power generated by the fuel cell (for example, when a load that periodically repeats a low load and a high load is adopted as the load of the specific pattern, The required load may not match the power generated by the fuel cell), and insufficient power can be supplied from the power storage means, so that the load device can be operated appropriately.
Since the load of a specific pattern is a load that periodically repeats a low load and a high load, continuous power generation at a high load is eliminated, and continuous power generation at a high load increases the temperature of the fuel cell and the moisture in the electrolyte Loss can be reduced. Further, the electrolyte membrane can be humidified with water generated by operation (power generation) in a high load (high load region). Therefore, dry-up can be prevented. In order to prevent dry-up, it is not necessary to increase the amount of humidification from the outside. For this reason, the system is not enlarged and complicated.
(2) The fuel cell system according to (1), wherein the load that periodically repeats the low load and the high load is a load represented by a triangular wave.
According to the configuration described in (2) above, a load that periodically repeats a low load and a high load is a load represented by a triangular wave. By doing so, it is possible to reduce the loss of water in the electrolyte due to an increase in the temperature of the fuel cell. Further, the electrolyte membrane can be humidified with water generated by operation (power generation) in a high load (high load region). Therefore, dry-up can be prevented. In order to prevent dry-up, it is not necessary to increase the amount of humidification from the outside. For this reason, the system is not enlarged and complicated.
(3) The fuel cell system according to (1) or (2), wherein the load control unit constantly applies a specific pattern load to the polymer electrolyte fuel cell.
According to the configuration described in (3) above, the load control means constantly applies a specific pattern load to the fuel cell, so that dry-up can be prevented in advance.
(4) Further comprising a determining means for determining an operation timing of the load control means,
The load control unit applies a specific pattern load to the polymer electrolyte fuel cell at the operation timing determined by the determination unit, according to any one of the above (1) to (3), Fuel cell system.
According to the configuration described in (4) above, the load control means applies a load of a specific pattern to the fuel cell at the determined operation timing (for example, every time measured by a timer, that is, periodically). Therefore, dry-up can be prevented.
(5) The determination means includes a detection means for detecting dry-up of the electrolyte membrane of the polymer electrolyte fuel cell,
The fuel cell system according to (4), wherein the load control unit applies a specific pattern load to the polymer electrolyte fuel cell when dry-up is detected by the detection unit.
According to the configuration described in (5) above, the load control means applies a specific pattern load to the fuel cell when dry-up is detected, so that the adverse effects of dry-up can be minimized.
(6) The above-mentioned apparatus comprising means for comparing the remaining amount of electricity stored in the electricity storage means with a predetermined specified amount, and performing vehicle output control or canceling vehicle output control based on the comparison result. The fuel cell system according to any one of (1) to (6).
According to the configuration described in (6) above, the remaining amount of electricity stored in the electricity storage means is compared with a predetermined remaining amount, and vehicle output control or vehicle output control is canceled based on the comparison result. Since the means is provided, even if the remaining amount of electricity stored in the electricity storage means falls below a predetermined remaining amount, the minimum required vehicle output can be ensured by controlling the vehicle output. Furthermore, the power storage means can be charged by applying a specific pattern load during the vehicle output control.
(7) The polymer electrolyte fuel cell is
A plurality of separators having current collector plates that are in contact with the fuel electrode of the unit cell and form a fuel gas flow path are stacked alternately with the unit cell, and the inlets of the fuel gas flow paths are connected by an inlet manifold and the outlets are connected to each other. Are connected by outlet manifolds to form a plurality of modules, and the outlet manifold of one module and the inlet manifold of the other module are connected so that the flow direction of fuel gas is reversed between adjacent modules. The fuel according to any one of (1) to (6) above, further comprising a fuel cell stack having a pair of electrode plates connected to each other so as to be energized at both ends in the stacking direction of the unit cells. Battery system.
According to the configuration described in (7) above, a fuel cell having a specific structure can be adopted as the solid polymer fuel cell.
1 燃料電池システム
100 燃料電池スタック
13 燃料電池セパレータ
130−1〜n モジュール
15 単位セル
17a、17b 水素通路
3 集電部材
30 燃料室
32 凸状部
301 水素流路
302 水素流路
4 集電部材
40 空気流路
42 凸状部
43 導入口
44 導出口
50 インバーター
60 蓄電手段
70 コイル
80 半導体スイッチ
90 ダイオード
8 枠体
9 枠体
171a 燃料供給口
171b 燃料排出口
201 燃料ガス供給流路
203 燃料ガス排出流路
S4 圧力センサ
S1〜3 電圧センサ
V1 ガス供給弁
V2 循環電磁弁
V3 減圧電磁弁
V4 空気供給弁
V5 減圧用遮断電磁弁
V6 排気電磁弁
M モータ
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記固体高分子型燃料電池に接続され、該固体高分子型燃料電池に低負荷と高負荷を周期的に繰り返すパターンの負荷を与える負荷制御手段と、
前記固体高分子型燃料電池に接続され、該固体高分子型燃料電池が発電する電力を蓄える蓄電手段と、
前記固体高分子型燃料電池と前記蓄電手段とに接続され、該固体高分子型燃料電池又は前記蓄電手段からの電力の供給を受けて作動する負荷装置と、
前記負荷制御手段の動作タイミングを決定する決定手段とを備え、
前記決定手段は、前記固体高分子型燃料電池の電解質膜のドライアップを検出する検出手段を含み、
前記負荷制御手段は、前記検出手段によってドライアップが検出された場合に、前記決定手段によって決定された動作タイミングで前記固体高分子型燃料電池に負荷を与えることを特徴とする燃料電池システム。 A polymer electrolyte fuel cell;
Load control means connected to the polymer electrolyte fuel cell, and applying a load of a pattern that periodically repeats a low load and a high load to the polymer electrolyte fuel cell;
A power storage means connected to the polymer electrolyte fuel cell and storing electric power generated by the polymer electrolyte fuel cell;
A load device connected to the polymer electrolyte fuel cell and the power storage means, and operated by receiving power from the polymer electrolyte fuel cell or the power storage means;
Determining means for determining an operation timing of the load control means ;
The determination means includes detection means for detecting dry-up of the electrolyte membrane of the polymer electrolyte fuel cell,
The load control unit applies a load to the polymer electrolyte fuel cell at the operation timing determined by the determination unit when dry-up is detected by the detection unit .
単位セルの燃料極に接触し燃料ガス流路を形成する集電板を有するセパレータを、単位セルと交互に複数積層すると共に、各燃料ガス流路の入口同士を入口マニホールドで接続しかつ出口同士を出口マニホールドで接続して構成されたモジュールを複数形成し、燃料ガスの流れ方向が、隣接するモジュール間で逆方向になるように、一方のモジュールの出口マニホールドと他方のモジュールの入口マニホールドとを接続し、前記単位セルの積層方向における両端に通電可能に重ね合わせられた一対の電極板を有する燃料電池スタックを含むことを特徴とする請求項1から3のいずれか1に記載の燃料電池システム。 The polymer electrolyte fuel cell is
A plurality of separators having current collector plates that are in contact with the fuel electrode of the unit cell and form a fuel gas flow path are stacked alternately with the unit cell, and the inlets of the fuel gas flow paths are connected by an inlet manifold and the outlets are connected to each other. Are connected by outlet manifolds to form a plurality of modules, and the outlet manifold of one module and the inlet manifold of the other module are connected so that the flow direction of fuel gas is reversed between adjacent modules. connect the fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, characterized in that it comprises a fuel cell stack having a pair of electrode plates which are superposed so as to be energized at both ends in the stacking direction of the unit cell .
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