JP4844015B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
最も下流側に接続されたモジュールの最も内側に位置する単位セルの出力を検出する第1出力センサと、
前記最も下流側に接続されたモジュール内の前記電極板に隣接する単位セル以外の単位セルの出力を検出する第2出力センサと、
所定時間経過ごとに第1出力センサの検出値と第2出力センサの検出値とに基づいて、燃料ガス流路に溜まった水量を判定する判定手段とを有する燃料電池システム。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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15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、図示しない制御部における制御動作として実行される。この制御部は、CPUなどの集積回路により構成される。
許容できる量以上の量の水が燃料室に溜まっているとの判断は、センサS1とセンサS3の各検出値のうち、一方の値が、所定値を超えた場合に、水の排出処理開始と判断する。これにより、燃料室内での水の貯留量の検出を感度良く行うことができる。なお、Δvが所定値より小さい場合には、処理は行わず、ステップS109を繰り返し実行する。或は、さらに所定時間経過したか判断し、所定時間経過後に、ステップS109を実行してもよい。
このような、流量制御手段は、循環ポンプ25の吐出量を上げるように制御し、循環するガスの流速を上げ、燃料室内の水をガス流によって、排出させる構成としてもよい。
高負荷運転時には、発電反応が定常運転時よりも激しくなるので、生成水の発生量も増加するからである。高負荷の検出は、該電圧センサによって検出される出力が、所定値以下となった場合には、高負荷と判断することができる。
また、ステップS109で比較される電圧値は、センサS1〜S3の計測時の検出値が用いられるので、演算処理に対する負担が抑制され、比較演算が容易にでき、排出処理(ステップS111)を実行するか否かの判断を迅速に実行することができる。
本明細書は以下の事項を開示する。
(1) 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と、
電極板に隣接した単位セルの出力を検出する第1出力センサと、
他の単位セルの出力を検出する第2出力センサと、
第1出力センサの検出値と第2出力センサの検出値とに基づいて、燃料ガス流路に溜まった水量を判定する判定手段とを有する燃料電池システム。上記(1)に記載の構成によれば、電極板の放熱作用によって結露し易い位置にある燃料室は、他の位置の燃料室よりも水が溜まり易いため、この燃料室の単位セルについて出力を検出することで、他の燃料室の水溜まり状態を推し量ることができ、水の溜まりにより燃料電池スタック全体の出力低下を未然に予測することができる。
(2) 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た燃料電池スタックと、
最も下流側に接続されたモジュールの最も内側に位置する単位セルの出力を検出する第3出力センサと、
他の単位セルの出力を検出する第2出力センサと、
第3出力センサの検出値と第2出力センサの検出値とに基づいて、燃料ガス流路に溜まった水量を判定する判定手段とを有する燃料電池システム。
上記(2)に記載の構成によれば、最も下流に位置するモジュールにおいて、流速が最も遅くなる燃料室は、他の位置の燃料室よりも水が溜まり易いため、この燃料室の単位セルについて出力を検出することで、他の燃料室の水溜まり状態を推し量ることができ、水の溜まりにより燃料電池スタック全体の出力低下を未然に予測することができる。
(3) 出力センサは、出力電圧を検出する上記(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、単位セルの出力を電圧として検出することで、出力検出を容易かつ精密に行うことができる。
(4) さらに、燃料ガス流路に溜まった水量が所定以上であると前記判定手段が判定した場合、燃料ガス流量を増加させる流量制御手段を有する上記(1)〜(3)のいずれか1つ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、燃料室に溜まった水量が所定以上である場合には、燃料ガスの流量を増加させることにより、溜まった水を燃料室の外に排出することができ、安定した出力を確保することができる。
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
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
Claims (3)
- 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と、
最も下流側に接続されたモジュールの最も内側に位置する単位セルの出力を検出する第1出力センサと、
前記最も下流側に接続されたモジュール内の前記電極板に隣接する単位セル以外の単位セルの出力を検出する第2出力センサと、
所定時間経過ごとに第1出力センサの検出値と第2出力センサの検出値とに基づいて、燃料ガス流路に溜まった水量を判定する判定手段とを有する燃料電池システム。 - 前記第1及び第2出力センサは、出力電圧を検出する電圧センサである請求項1に記載の燃料電池システム。
- さらに、燃料ガス流路に溜まった水量が所定以上であると前記判定手段が判定した場合、燃料ガス流量を増加させる流量制御手段を有する請求項1又は2に際の燃料電池システム。
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