JP4887561B2

JP4887561B2 - Fuel cell system

Info

Publication number: JP4887561B2
Application number: JP2000342115A
Authority: JP
Inventors: 晴彦加藤; 朋範今村; 友宏齋藤; 邦夫岡本; 響服部
Original assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2000-11-09
Filing date: 2000-11-09
Publication date: 2012-02-29
Anticipated expiration: 2020-11-09
Also published as: JP2002151115A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素と酸素との化学反応により電気エネルギーを発生させる燃料電池からなる燃料電池システムに関するもので、車両、船舶及びポータブル発電器等の移動体に適用して有効である。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、前述のごとく、水素と酸素とを化学反応させて電力を発生させるものであるので、高分子膜を挟んで形成された水素経路と空気経路に、必要電力量に応じて水素と酸素（空気）とを供給する必要がある。このため、必要以上の水素を燃料電池に供給しても排気（水蒸気や二酸化炭素等）と共に未反応の水素が放出されてしまう。
【０００３】
ところで、理論上、供給する水素と酸素との比は２：１であるが、実際の化学反応では全ての水素が酸素と結びつくことができず、少なからず未反応水素が発生してしまうので、一般的に、実際に燃料電池に供給する水素量は、未反応水素量を考慮して理論値より多めに設定されている。このため、燃料電池から排出される未反応水素量を減少させることが難しい。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、燃料電池から排出される未反応水素量を減少させるために、燃料電池に水素を供給する水素通路にバルブを設け、この水素バルブの開閉により燃料電池内に水素リッチガスを滞留させて水素を充分に反応させ、未反応水素量を減少させることが考えられる。
【０００５】
ところが、水素バルブを閉じた場合には、燃料電池における水素消費に伴って水素濃度が低下し、燃料電池内の水素経路の水素圧が低下する。一方、燃料電池内の空気経路側には空気が供給され続けるため、燃料電池内の高分子膜にかかる水素経路側と空気経路側の差圧が高くなる。そして、水素バルブを開いて、水素経路側に新たに水素を供給したときに高分子膜にかかる差圧が元に戻る。従って、水素バルブの開閉により燃料電池に水素を断続的に供給することで、高分子膜に対して繰り返し応力が発生することとなり、耐久性の面から好ましくない結果となる。
【０００６】
本発明は、上記点に鑑み、燃料電池から排出される未反応水素量を減少させるとともに、高分子膜にかかる応力の発生を抑制することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、水素と酸素との化学反応により電気エネルギーを発生させる燃料電池（２００）と、燃料電池（２００）に水素を供給する水素供給手段（１００）と、燃料電池（２００）の水素消費量に応じて水素供給手段（１００）による水素の供給を断続的に行うように調整する水素供給調整手段（５０５、５０６）と、燃料電池（２００）に酸素を供給する酸素供給手段（４００）と、水素の断続的供給に応じて酸素供給手段（４００）からの酸素の供給を断続的に行うように調整する酸素供給調整手段（５０７、５０８）と、燃料電池（２００）内に存在する水素量を検出する残留水素量検出手段（６０１）とを備え、
水素供給調整手段は、燃料電池（２００）の水素流入通路（５０５ａ）に設けられ、水素流入通路を開閉する第１水素バルブ（５０５）と、燃料電池（２００）の水素排気通路（５０６ａ）に設けられ、水素排気通路を開閉する第２水素バルブ（５０６）であり、
酸素供給調整手段は、燃料電池（２００）の酸素流入通路（５０７ａ）に設けられ、酸素流入通路を開閉する第１酸素バルブ（５０７）と、燃料電池（２００）の酸素排気通路（５０８ａ）に設けられ、酸素排気通路を開閉する第２酸素バルブ（５０８）であり、
第１水素バルブ（５０５）、第２水素バルブ（５０６）、第１酸素バルブ（５０７）、第２酸素バルブ（５０８）の開閉制御を行う制御手段（６００）を備え、
制御手段（６００）は、第１水素バルブ（５０５）および第２水素バルブ（５０６）を水素検出手段（６０１）により検出された水素量に基づいて開閉し、第１酸素バルブ（５０７）を第１水素バルブ（５０５）の開閉に応じて開閉し、第２酸素バルブ（５０８）を第２水素バルブ（５０６）の開閉に応じて開閉し、第２水素バルブ（５０６）を第１水素バルブ（５０５）が開放するより早く開放し、かつ、第１水素バルブ（５０５）が閉鎖するより早く閉鎖することを特徴としている。
【０００８】
これにより、燃料電池（２００）内の水素濃度が高い場合には、水素バルブ（５０５、５０６）を閉じて燃料電池（２００）内に水素リッチガスを滞留させることで水素を充分に反応させることができる。これにより、燃料電池（２００）から排出される未反応水素量を減少させることができる。
【０００９】
また、水素の断続的供給に応じて、空気（酸素）の供給を断続的に行うことで、燃料電池（２００）内の水素濃度の変化と、空気（酸素）濃度の変化を同様にすることができ、燃料電池（２００）内の高分子膜にかかる水素経路と空気経路との差圧を一定に保つことができる。これにより、燃料電池（２００）に水素を断続的に供給しても、高分子膜に対する応力発生を防止することができ、高分子膜の耐久性を向上させることができる。
【００１２】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した実施形態を図１〜図４に基づいて説明する。本実施形態は、本発明に係る燃料電池システムを電気自動車（以下、車両と略す。）に適用したものである。
【００１４】
図１は、本実施形態の燃料電池システムを示す模式図である。図１に示すように本実施形態の燃料電池システムは、一点鎖線で囲まれた水素製造装置（水素供給手段）１００と燃料電池（ＦＣスタック）２００とを備えている。
【００１５】
水素製造装置１００は、水とメタノールとの混合溶液（以下、メタノール混合溶液）から水素が多量に含まれた水素リッチガスを製造（生成）して、後述するＦＣスタック２００に水素リッチガスを供給する水素製造装置である。この水素製造装置１００は、メタノール混合溶液を蒸発させる水素製造用燃料蒸発器（以下、蒸発器）１１０、及び蒸発器１１０にて蒸発（気化）したメタノール蒸気と水蒸気とを化学反応させて、水素と二酸化炭素と少量の一酸化炭素とに改質する水素製造用燃料改質器（以下、改質器）１２０等を有して構成されている。
【００１６】
なお、蒸発器１１０には、車両に搭載されてメタノール混合溶液を貯蔵するメタノール混合溶液タンク１３０から、第１ポンプ１３１によりメタノール混合溶液が送られるように構成されている。
【００１７】
ＦＣスタック２００は、水素製造装置１００にて製造された水素リッチガスと空気（酸素）とを化学反応させて発電する。本実施形態の燃料電池システムでは、ＦＣスタック２００にて発電された電力によって、走行用電動モータＭを駆動させるように構成されている。なお、ＦＣスタック２００中の電極触媒は一酸化炭素により触媒機能が低下し易いので、本実施形態では、改質器１２０にて発生する一酸化炭素を酸化させて二酸化炭素に変化させる一酸化炭素低減器１４０を水素製造装置１００に設けている。
【００１８】
ＦＣスタック２００に送風される空気は、空気加湿器２２１により加湿される。ＦＣスタック２００から排出される排気（水蒸気及び空気等）は、除湿器２２２により冷却され、水分が除去回収される。そして、除湿器２２２にて分離除去された水分は、凝縮水戻り通路２２３を経由して空気加湿器２２１に戻され、ＦＣスタック２００に送風される空気の加湿に再利用される。
【００１９】
図２は、ＦＣスタック２００の概略構成を示している。ＦＣスタック２００は、固体高分子電解質型の燃料電池であり、構成単位であるセルを複数積層したスタック構造となっている。図２に示すように、ＦＣスタック２００の各セルは、高分子膜２０３を挟んで負極側と正極側とが分離されており、負極側には水素経路２０１が形成され、正極側には空気経路２０２が形成されている。これにより、負極側には水素リッチガスが供給され、正極側に空気（酸素）が供給される。このため、正極側からは水蒸気を多く含む排気が排出され、負極側からは未反応水素ガス及び二酸化炭素等が排出される。
【００２０】
図１に示すように、蒸発器１１０を加熱する加熱用燃料（本実施形態では、メタノール）は、車両に搭載されたメタノール燃料タンク３００に貯蔵されている。メタノール燃料タンク３００に貯蔵されたメタノール（燃料）は、第２ポンプ３１０により、蒸発器１１０に送られる。第２ポンプ３１０から吐出されたメタノールの一部は、メタノール戻し通路３１２を介してメタノール燃料タンク３００に戻されるように構成されている。メタノール戻し通路３１２は、燃料戻り弁３１１により開閉される。
【００２１】
エアポンプ（酸素供給手段）４００により外気を吸入し、水素製造装置１００（蒸発器１１０及び改質器１２０）及びＦＣスタック２００に送風され、水素製造装置１００で発生した燃焼排気ガス、及びＦＣスタック２００で発生した排気は、排気通路４１１〜４１４を流通して大気中に放出される。
【００２２】
エアポンプ４００から吐出される送風空気は、第１空気分配バルブ５０１により、水素製造装置１００及びＦＣスタック２００に分配されるとともに、その分配量が調節される。第１空気分配バルブ５０１により水素製造装置１００側に分配された空気は、第２、３空気分配バルブ５０２、５０３によって蒸発器１１０、改質器１２０及び一酸化炭素低減器１４０に分配されるとともに、その分配量が調節される。
【００２３】
メタノール燃料タンク３００から供給されるメタノールは、メタノールバルブ５０４により、蒸発器１１０、改質器１２０に供給されるとともに、その供給量が調節される。
【００２４】
水素製造装置１００から供給される水素リッチガスは、水素流入通路５０５ａを介してＦＣスタック２００（負極側）に供給され、水素流入通路５０５ａは第１水素バルブ５０５により開閉される。ＦＣスタック２００の水素排気通路５０６ａは、第２水素バルブ５０６により開閉される。なお、本実施形態では、負極側の水素排気通路５０６ａからの排気も排気通路４１４と同様に大気中に放出される。
【００２５】
エアポンプ４００から吐出され、第１空気分配バルブ５０１によりＦＣスタック２００側に分配された送風空気は、空気流入通路（酸素流入通路）５０７ａを介してＦＣスタック２００（正極側）に供給される。空気流入通路５０７ａは、第１空気バルブ（第１酸素バルブ）５０７により開閉される。ＦＣスタック２００の正極側の空気排気通路（酸素排気通路）５０８ａは、第２空気バルブ（第２酸素バルブ）５０８により開閉される。
【００２６】
図３は、燃料電池システムの制御ブロック図である。図１および図３に示すように、本実施形態の燃料電池システムには、ＦＣスタック２００（負極側）に存在する水素濃度（水素量）を検出する水素センサ（残留水素量検出手段）６０１が設けられている。図３に示すように、水素センサ６０１の検出信号は、燃料電池システム全体を制御するＦＣシステム制御装置（以下、ＦＣＣＵ）６００に入力される。そして、第１〜３空気分配バルブ５０１〜５０３、メタノールバルブ５０４、第１、第２水素バルブ５０５、５０６、第１、第２空気バルブ５０７、５０８は、水素センサ６０１の検出信号及びＦＣスタック２００の温度や走行用電動モータの負荷等の運転状態検出するセンサ群Ｓの検出信号に基づいてＦＣＣＵ６００により制御される。
【００２７】
次に、本実施形態における燃料電池システムの第１水素バルブ５０５の作動について図４に基づいて説明する。図４は、水素センサ６０１が検出した水素量（ＦＣスタック内の残留水素濃度）と、第１、第２水素バルブ５０５、５０６の開閉タイミングと、ＦＣスタック内の残留空気濃度と、第１、第２空気バルブ５０７、５０８の開閉タイミングの関係を示すグラフである。
【００２８】
図４に示すように、ＦＣスタック２００内の残留水素濃度が第１所定濃度（所定残留水素濃度）ｄ１以下となったときに、水素流入側の第１水素バルブ５０５を開いてＦＣスタック２００の負極側に水素を供給する。これにより、水素供給設備１００から水素流入通路５０５ａを介してＦＣスタック２００に水素リッチガスが供給され、ＦＣスタック２００内の水素濃度が上昇する。このとき、第１水素バルブ５０５と同時に空気流入側の第１空気バルブ５０７も開き、ＦＣスタック２００の正極側に空気（酸素）が供給され、水素濃度と同様にＦＣスタック２００内の空気濃度が上昇する。
【００２９】
次に、ＦＣスタック２００内の水素濃度が第１所定濃度ｄ１より大きい第２所定濃度ｄ２以上となったときに、第１水素バルブ５０５を閉じてＦＣスタック２００への水素供給を停止する。このとき、第１水素バルブ５０５と同時に第１空気バルブ５０７も閉じて、ＦＣスタック２００への空気供給を停止する。ＦＣスタック２００内では、水素と酸素との化学反応により発電するとともに、水素および空気（酸素）が消費され、水素濃度とともに空気濃度が低下する。これに伴い、ＦＣスタック２００の発電量は徐々に低下する。
【００３０】
次に、ＦＣスタック２００内の水素濃度が第１所定濃度ｄ１以下となったときに、第１水素バルブ５０５を開いて、水素供給装置１００から新たな水素リッチガスをＦＣスタック２００に供給する。同時に、第１空気バルブ５０７を開いて、新たな空気をＦＣスタック２００に供給する。
【００３１】
一方、水素排気側の第２水素バルブ５０６は、第１水素バルブ５０５が開く時（タイミング）より早く開き、かつ、第１水素バルブ５０５が閉じる時（タイミング）より早く閉じるように作動する。空気排気側の第２空気バルブも、第２水素バルブ５０８と同じタイミングで作動する。これにより、第１水素バルブ５０５と第２水素バルブ５０６、第１空気バルブ５０７と第２空気バルブ５０８が共に開いている時間が発生し、新たに供給される水素および空気により、ＦＣスタック２００内の負極側および正極側に存在する残留ガスを速やかに排出することができる。
【００３２】
以降、図４に示すように、ＦＣスタック２００内における水素の消費に応じて第１、第２水素バルブ５０５、５０６と、第１、第２空気バルブ５０７、５０８の開閉を繰り返し、ＦＣスタック２００に断続的に水素および空気（酸素）を供給する。
【００３３】
以上、本実施形態の燃料電池システムによれば、ＦＣスタック２００での水素消費量に応じて、水素通路に設けた水素バルブ５０５、５０６を開閉することで、ＦＣスタック２００に水素リッチガスを断続的（間欠的）に供給できる。これにより、ＦＣスタック２００内の水素濃度が高い場合には、水素バルブ５０５、５０６を閉じてＦＣスタック２００内に水素リッチガスを滞留させて水素を充分に反応させ、ＦＣスタック２００内の水素濃度が低くなった場合には、水素バルブ５０５、５０６を開いてＦＣスタック２００内から残留ガスを排出するとともに、新たな水素リッチガスを供給する。これにより、ＦＣスタック２００から排出される未反応水素量を減少させることができる。
【００３４】
また、本実施形態の燃料電池システムでは、空気通路に第１、第２空気バルブ５０７、５０８を設け、水素バルブ５０５、５０６と同じタイミングで開閉させているので、図４に示すように、ＦＣスタック２００内の水素経路２０１における水素濃度の変化と、空気経路２０２における空気濃度の変化を同様にすることができる。これにより、ＦＣスタック２００内の高分子膜２０３にかかる水素経路２０１と空気経路２０２との差圧を一定に保つことができる。従って、ＦＣスタック２００に水素を断続的に供給しても、水素経路２０１と空気経路２０２との差圧による高分子膜２０３に対する応力発生を防止することができ、高分子膜２０３の耐久性を向上させることができる。
【００３５】
（他の実施形態）
なお、上記実施形態では、水素バルブ５０５、５０６と空気バルブ５０７、５０８を、ＦＣスタック２００の流入側と排気側にそれぞれ２個ずつ設けたが、これに限らず、流入側の第１水素バルブ５０５と第１空気バルブ５０７を省略することもできる。この場合には、水素センサ６０１により検出したＦＣスタック２００内の水素濃度に基づいて、水素排気側の第２水素バルブ５０６を開閉して、ＦＣスタック２００への水素の供給・排気を行い、同様に空気排気側の第２空気バルブ５０８を開閉して、ＦＣスタック２００への空気（酸素）の供給・排気を行う。
【００３６】
上記実施形態では、残留水素濃度検出手段として水素センサ６０１を用い、この水素センサ６０１によりＦＣスタック２００内の水素濃度を直接検出したが、これに限らず、ＦＣスタック２００内の水素濃度に関連する物理量に基づいて、ＦＣスタック２００内の水素濃度を間接的に検出してもよい。
【００３７】
例えば、ＦＣスタック２００にて消費される水素量は、ＦＣスタック２００から出力される電流量に比例することから、残留水素濃度検出手段として電流検出器（電流検出手段）を用い、ＦＣスタック２００から出力される電力量（電流量）を検出することにより、ＦＣスタック２００内の残留水素濃度（残留水素量）を間接的に検出するように構成してもよい。また、残留水素濃度検出手段として圧力センサ（圧力検出手段）を用い、ＦＣスタック２００（負極側）内のガス圧力を検出することにより、ＦＣスタック２００内の残留水素濃度（残留水素量）を間接的に検出するように構成してもよい。
【００３８】
また、上記実施形態では、電気自動車に本発明を適用したが、本発明はこれに限定されるものではなく、家庭用等据え置き型の燃料電池システムにも適用することができる。
【００３９】
また、上記実施形態では、水素供給手段として炭化水素系の燃料を改質して水素が多量に含まれた水素リッチガスを製造する水素製造器１００を用いたが、本発明はこれに限定されるものでなく、水素供給手段として純水素ガスを供給することができる高圧水素タンクや水素吸蔵合金を用いた水素タンク等を使用しても良い。
【００４０】
なお、この場合、ＦＣスタック２００に供給される水素中に水素以外の不純物が含まれていないので、二酸化炭素等がＦＣスタック２００に残留しない。したがって、第２水素バルブ５０６を閉じてから第１水素バルブ５０５を閉じても良い。
【００４１】
因みに、電気自動車用の燃料電池システムでは、加圧して水素をＦＣスタック２００に供給するが、家庭用等据え置き型の燃料電池システムでは、加圧せずに水素をＦＣスタック２００に供給する場合がある。この場合は、第１水素バルブ５０５を開いてから第２水素バルブ５０６を開くことが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【図１】上記実施形態に係る燃料電池システムの模式図である。
【図２】ＦＣスタックの模式図である。
【図３】上記実施形態に係る燃料電池システムの制御ブロック図である。
【図４】ＦＣスタック内の水素濃度、水素バルブ５０５、５０６の開閉タイミング、ＦＣスタック内の空気濃度、空気バルブ５０７、５０８の開閉タイミングの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１００…水素製造装置（水素供給手段）、２００…ＦＣスタック（燃料電池）、５０５…第１水素バルブ、５０６…第２水素バルブ。５０７…第１空気バルブ、５０８…第２空気バルブ。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell that generates electric energy by a chemical reaction between hydrogen and oxygen, and is effective when applied to a moving body such as a vehicle, a ship, and a portable generator.
[0002]
[Prior art]
As described above, since a fuel cell generates electric power through a chemical reaction between hydrogen and oxygen, hydrogen and air are formed between a polymer film and hydrogen according to the required electric energy. It is necessary to supply oxygen (air). For this reason, even if more hydrogen than necessary is supplied to the fuel cell, unreacted hydrogen is released together with exhaust (water vapor, carbon dioxide, etc.).
[0003]
Theoretically, the ratio of supplied hydrogen to oxygen is 2: 1. However, in an actual chemical reaction, not all hydrogen can be combined with oxygen, and unreacted hydrogen is generated. Generally, the amount of hydrogen actually supplied to the fuel cell is set larger than the theoretical value in consideration of the amount of unreacted hydrogen. For this reason, it is difficult to reduce the amount of unreacted hydrogen discharged from the fuel cell.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
Therefore, in order to reduce the amount of unreacted hydrogen discharged from the fuel cell, a valve is provided in a hydrogen passage for supplying hydrogen to the fuel cell, and the hydrogen rich gas is retained in the fuel cell by opening and closing the hydrogen valve to generate hydrogen. It is conceivable to sufficiently react to reduce the amount of unreacted hydrogen.
[0005]
However, when the hydrogen valve is closed, the hydrogen concentration decreases with the consumption of hydrogen in the fuel cell, and the hydrogen pressure in the hydrogen path in the fuel cell decreases. On the other hand, since air continues to be supplied to the air path side in the fuel cell, the differential pressure between the hydrogen path side and the air path side applied to the polymer membrane in the fuel cell increases. When the hydrogen valve is opened and hydrogen is newly supplied to the hydrogen path side, the differential pressure applied to the polymer membrane is restored. Therefore, intermittent supply of hydrogen to the fuel cell by opening and closing the hydrogen valve repeatedly generates stress on the polymer membrane, which is not preferable from the viewpoint of durability.
[0006]
In view of the above points, an object of the present invention is to reduce the amount of unreacted hydrogen discharged from a fuel cell and to suppress the generation of stress on a polymer film.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, a fuel cell (200) for generating electrical energy by a chemical reaction between hydrogen and oxygen, and a hydrogen supply means (200) for supplying hydrogen to the fuel cell (200) 100), hydrogen supply adjusting means (505, 506) for adjusting the hydrogen supply by the hydrogen supply means (100) intermittently according to the hydrogen consumption of the fuel cell (200), and the fuel cell (200) ) And oxygen supply adjusting means (507, 508) for adjusting the supply of oxygen from the oxygen supply means (400) intermittently according to the intermittent supply of hydrogen. ) And a residual hydrogen amount detecting means (601) for detecting the amount of hydrogen present in the fuel cell (200) ,
The hydrogen supply adjusting means is provided in the hydrogen inflow passage (505a) of the fuel cell (200), and is provided in the first hydrogen valve (505) for opening and closing the hydrogen inflow passage and the hydrogen exhaust passage (506a) of the fuel cell (200). A second hydrogen valve (506) provided to open and close the hydrogen exhaust passage;
The oxygen supply adjusting means is provided in the oxygen inflow passage (507a) of the fuel cell (200), and is connected to the first oxygen valve (507) for opening and closing the oxygen inflow passage and the oxygen exhaust passage (508a) of the fuel cell (200). A second oxygen valve (508) provided to open and close the oxygen exhaust passage;
Control means (600) for controlling opening and closing of the first hydrogen valve (505), the second hydrogen valve (506), the first oxygen valve (507), and the second oxygen valve (508),
The control means (600) opens and closes the first hydrogen valve (505) and the second hydrogen valve (506) based on the amount of hydrogen detected by the hydrogen detection means (601), and opens the first oxygen valve (507). The first hydrogen valve (505) is opened and closed according to the opening and closing, the second oxygen valve (508) is opened and closed according to the opening and closing of the second hydrogen valve (506), and the second hydrogen valve (506) is opened and closed. 505) opens earlier than it opens, and closes earlier than the first hydrogen valve (505) closes .
[0008]
Thereby, when the hydrogen concentration in the fuel cell (200) is high, hydrogen can be sufficiently reacted by closing the hydrogen valve (505, 506) and retaining the hydrogen rich gas in the fuel cell (200). it can. Thereby, the amount of unreacted hydrogen discharged from the fuel cell (200) can be reduced.
[0009]
Also, the change in the hydrogen concentration in the fuel cell (200) and the change in the air (oxygen) concentration are made the same by intermittently supplying the air (oxygen) according to the intermittent supply of hydrogen. The differential pressure between the hydrogen path and the air path over the polymer membrane in the fuel cell (200) can be kept constant. Thereby, even if hydrogen is intermittently supplied to the fuel cell (200), the generation of stress on the polymer film can be prevented, and the durability of the polymer film can be improved.
[0012]
In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment to which the present invention is applied will be described with reference to FIGS. In this embodiment, the fuel cell system according to the present invention is applied to an electric vehicle (hereinafter abbreviated as a vehicle).
[0014]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a fuel cell system of the present embodiment. As shown in FIG. 1, the fuel cell system of this embodiment includes a hydrogen production apparatus (hydrogen supply means) 100 and a fuel cell (FC stack) 200 surrounded by a one-dot chain line.
[0015]
The hydrogen production apparatus 100 produces (generates) a hydrogen rich gas containing a large amount of hydrogen from a mixed solution of water and methanol (hereinafter referred to as a methanol mixed solution), and supplies the hydrogen rich gas to the FC stack 200 described later. It is a manufacturing device. This hydrogen production apparatus 100 is a hydrogen production fuel evaporator (hereinafter referred to as an “evaporator”) 110 that evaporates a methanol mixed solution, and methanol vapor evaporated by the evaporator 110 and water vapor chemically react with water vapor to produce hydrogen. And a hydrogen fuel reformer (hereinafter referred to as a reformer) 120 that reforms into carbon dioxide and a small amount of carbon monoxide.
[0016]
The evaporator 110 is configured such that the methanol mixed solution is sent from the methanol mixed solution tank 130 that is mounted on the vehicle and stores the methanol mixed solution by the first pump 131.
[0017]
The FC stack 200 generates electricity by chemically reacting the hydrogen-rich gas produced by the hydrogen production apparatus 100 and air (oxygen). The fuel cell system of the present embodiment is configured to drive the traveling electric motor M with the electric power generated by the FC stack 200. Since the catalytic function of the electrode catalyst in the FC stack 200 is likely to be lowered by carbon monoxide, in this embodiment, carbon monoxide that oxidizes the carbon monoxide generated in the reformer 120 and changes it to carbon dioxide. A reducer 140 is provided in the hydrogen production apparatus 100.
[0018]
The air blown to the FC stack 200 is humidified by the air humidifier 221. Exhaust gas (such as water vapor and air) discharged from the FC stack 200 is cooled by a dehumidifier 222, and moisture is removed and collected. The water separated and removed by the dehumidifier 222 is returned to the air humidifier 221 via the condensed water return passage 223 and reused for humidifying the air blown to the FC stack 200.
[0019]
FIG. 2 shows a schematic configuration of the FC stack 200. The FC stack 200 is a solid polymer electrolyte type fuel cell, and has a stack structure in which a plurality of constituent cells are stacked. As shown in FIG. 2, in each cell of the FC stack 200, the negative electrode side and the positive electrode side are separated with the polymer film 203 in between, the hydrogen path 201 is formed on the negative electrode side, and the air is on the positive electrode side. A path 202 is formed. Thereby, hydrogen-rich gas is supplied to the negative electrode side, and air (oxygen) is supplied to the positive electrode side. For this reason, exhaust gas containing much water vapor is discharged from the positive electrode side, and unreacted hydrogen gas, carbon dioxide, and the like are discharged from the negative electrode side.
[0020]
As shown in FIG. 1, heating fuel (in this embodiment, methanol) for heating the evaporator 110 is stored in a methanol fuel tank 300 mounted on the vehicle. The methanol (fuel) stored in the methanol fuel tank 300 is sent to the evaporator 110 by the second pump 310. A part of the methanol discharged from the second pump 310 is configured to be returned to the methanol fuel tank 300 through the methanol return passage 312. The methanol return passage 312 is opened and closed by a fuel return valve 311.
[0021]
Outside air is sucked in by an air pump (oxygen supply means) 400, blown to the hydrogen production apparatus 100 (evaporator 110 and reformer 120) and the FC stack 200, and the combustion exhaust gas generated in the hydrogen production apparatus 100, and the FC stack 200 Exhaust gas generated in the flow passes through the exhaust passages 411 to 414 and is released into the atmosphere.
[0022]
The blown air discharged from the air pump 400 is distributed to the hydrogen production apparatus 100 and the FC stack 200 by the first air distribution valve 501 and the distribution amount is adjusted. The air distributed to the hydrogen production apparatus 100 side by the first air distribution valve 501 is distributed to the evaporator 110, the reformer 120, and the carbon monoxide reducer 140 by the second and third air distribution valves 502 and 503. The amount of distribution is adjusted.
[0023]
The methanol supplied from the methanol fuel tank 300 is supplied to the evaporator 110 and the reformer 120 by the methanol valve 504, and the supply amount thereof is adjusted.
[0024]
The hydrogen rich gas supplied from the hydrogen production apparatus 100 is supplied to the FC stack 200 (negative electrode side) via the hydrogen inflow passage 505a, and the hydrogen inflow passage 505a is opened and closed by the first hydrogen valve 505. The hydrogen exhaust passage 506 a of the FC stack 200 is opened and closed by the second hydrogen valve 506. In the present embodiment, the exhaust from the hydrogen exhaust passage 506a on the negative electrode side is also released into the atmosphere in the same manner as the exhaust passage 414.
[0025]
The blown air discharged from the air pump 400 and distributed to the FC stack 200 side by the first air distribution valve 501 is supplied to the FC stack 200 (positive electrode side) via an air inflow passage (oxygen inflow passage) 507a. The air inflow passage 507a is opened and closed by a first air valve (first oxygen valve) 507. The air exhaust passage (oxygen exhaust passage) 508 a on the positive electrode side of the FC stack 200 is opened and closed by a second air valve (second oxygen valve) 508.
[0026]
FIG. 3 is a control block diagram of the fuel cell system. As shown in FIGS. 1 and 3, the fuel cell system of the present embodiment includes a hydrogen sensor (residual hydrogen amount detection means) 601 that detects the hydrogen concentration (hydrogen amount) present in the FC stack 200 (negative electrode side). Is provided. As shown in FIG. 3, the detection signal of the hydrogen sensor 601 is input to an FC system control device (hereinafter referred to as FCCU) 600 that controls the entire fuel cell system. The first to third air distribution valves 501 to 503, the methanol valve 504, the first and second hydrogen valves 505 and 506, and the first and second air valves 507 and 508 are the detection signal of the hydrogen sensor 601 and the FC stack 200. It is controlled by the FCCU 600 based on the detection signal of the sensor group S that detects the operating state such as the temperature of the vehicle and the load of the electric motor for traveling.
[0027]
Next, the operation of the first hydrogen valve 505 of the fuel cell system in the present embodiment will be described based on FIG. FIG. 4 shows the amount of hydrogen detected by the hydrogen sensor 601 (residual hydrogen concentration in the FC stack), the opening and closing timing of the first and second hydrogen valves 505 and 506, the residual air concentration in the FC stack, It is a graph which shows the relationship of the opening-and-closing timing of the 2nd air valves 507 and 508. FIG.
[0028]
As shown in FIG. 4, when the residual hydrogen concentration in the FC stack 200 becomes equal to or lower than the first predetermined concentration (predetermined residual hydrogen concentration) d1, the first hydrogen valve 505 on the hydrogen inflow side is opened to open the FC stack 200. Hydrogen is supplied to the negative electrode side. As a result, the hydrogen rich gas is supplied from the hydrogen supply facility 100 to the FC stack 200 via the hydrogen inflow passage 505a, and the hydrogen concentration in the FC stack 200 increases. At this time, the first air valve 507 on the air inflow side opens simultaneously with the first hydrogen valve 505, and air (oxygen) is supplied to the positive electrode side of the FC stack 200, and the air concentration in the FC stack 200 is similar to the hydrogen concentration. To rise.
[0029]
Next, when the hydrogen concentration in the FC stack 200 becomes equal to or higher than the second predetermined concentration d2, which is larger than the first predetermined concentration d1, the first hydrogen valve 505 is closed to stop the hydrogen supply to the FC stack 200. At this time, the first air valve 507 is also closed simultaneously with the first hydrogen valve 505, and the air supply to the FC stack 200 is stopped. In the FC stack 200, power is generated by a chemical reaction between hydrogen and oxygen, hydrogen and air (oxygen) are consumed, and the air concentration decreases with the hydrogen concentration. Along with this, the power generation amount of the FC stack 200 gradually decreases.
[0030]
Next, when the hydrogen concentration in the FC stack 200 becomes equal to or lower than the first predetermined concentration d1, the first hydrogen valve 505 is opened, and new hydrogen rich gas is supplied from the hydrogen supply device 100 to the FC stack 200. At the same time, the first air valve 507 is opened to supply new air to the FC stack 200.
[0031]
On the other hand, the second hydrogen valve 506 on the hydrogen exhaust side operates so as to open earlier than when the first hydrogen valve 505 opens (timing) and close earlier than when the first hydrogen valve 505 closes (timing). The second air valve on the air exhaust side also operates at the same timing as the second hydrogen valve 508. As a result, a time during which both the first hydrogen valve 505 and the second hydrogen valve 506, and the first air valve 507 and the second air valve 508 are open is generated, and the newly supplied hydrogen and air cause the inside of the FC stack 200. Residual gas present on the negative electrode side and the positive electrode side can be quickly discharged.
[0032]
Thereafter, as shown in FIG. 4, the first and second hydrogen valves 505 and 506 and the first and second air valves 507 and 508 are repeatedly opened and closed according to the consumption of hydrogen in the FC stack 200, and the FC stack 200. Is supplied with hydrogen and air (oxygen) intermittently.
[0033]
As described above, according to the fuel cell system of this embodiment, the hydrogen rich gas is intermittently supplied to the FC stack 200 by opening and closing the hydrogen valves 505 and 506 provided in the hydrogen passage according to the hydrogen consumption in the FC stack 200. Can be supplied intermittently. As a result, when the hydrogen concentration in the FC stack 200 is high, the hydrogen valves 505 and 506 are closed to cause the hydrogen rich gas to stay in the FC stack 200 to sufficiently react the hydrogen, and the hydrogen concentration in the FC stack 200 is increased. When it becomes low, the hydrogen valves 505 and 506 are opened to discharge the residual gas from the FC stack 200 and supply a new hydrogen rich gas. Thereby, the amount of unreacted hydrogen discharged from the FC stack 200 can be reduced.
[0034]
Further, in the fuel cell system of the present embodiment, the first and second air valves 507 and 508 are provided in the air passage and are opened and closed at the same timing as the hydrogen valves 505 and 506. Therefore, as shown in FIG. The change in the hydrogen concentration in the hydrogen path 201 in the stack 200 and the change in the air concentration in the air path 202 can be made the same. Thus, the differential pressure between the hydrogen path 201 and the air path 202 applied to the polymer film 203 in the FC stack 200 can be kept constant. Therefore, even if hydrogen is intermittently supplied to the FC stack 200, it is possible to prevent the generation of stress on the polymer film 203 due to the differential pressure between the hydrogen path 201 and the air path 202, and to improve the durability of the polymer film 203. Can be improved.
[0035]
(Other embodiments)
In the above embodiment, two hydrogen valves 505 and 506 and two air valves 507 and 508 are provided on the inflow side and the exhaust side of the FC stack 200, respectively, but not limited to this, the first hydrogen valve on the inflow side is provided. 505 and the first air valve 507 may be omitted. In this case, based on the hydrogen concentration in the FC stack 200 detected by the hydrogen sensor 601, the second hydrogen valve 506 on the hydrogen exhaust side is opened and closed to supply and exhaust hydrogen to the FC stack 200. Then, the second air valve 508 on the air exhaust side is opened and closed to supply and exhaust air (oxygen) to the FC stack 200.
[0036]
In the above embodiment, the hydrogen sensor 601 is used as the residual hydrogen concentration detecting means, and the hydrogen sensor 601 directly detects the hydrogen concentration in the FC stack 200. However, the present invention is not limited to this, and is related to the hydrogen concentration in the FC stack 200. Based on the physical quantity, the hydrogen concentration in the FC stack 200 may be detected indirectly.
[0037]
For example, since the amount of hydrogen consumed in the FC stack 200 is proportional to the amount of current output from the FC stack 200, a current detector (current detection means) is used as the residual hydrogen concentration detection means, and The configuration may be such that the residual hydrogen concentration (residual hydrogen amount) in the FC stack 200 is indirectly detected by detecting the output power amount (current amount). Further, by using a pressure sensor (pressure detection means) as the residual hydrogen concentration detection means and detecting the gas pressure in the FC stack 200 (negative electrode side), the residual hydrogen concentration (residual hydrogen amount) in the FC stack 200 is indirectly detected. It may be configured to detect automatically.
[0038]
In the above embodiment, the present invention is applied to an electric vehicle. However, the present invention is not limited to this and can be applied to a stationary fuel cell system for home use.
[0039]
Further, in the above embodiment, the hydrogen production device 100 for producing a hydrogen-rich gas containing a large amount of hydrogen by reforming a hydrocarbon-based fuel is used as the hydrogen supply means, but the present invention is limited to this. Instead of this, a high-pressure hydrogen tank capable of supplying pure hydrogen gas or a hydrogen tank using a hydrogen storage alloy may be used as the hydrogen supply means.
[0040]
In this case, since the hydrogen supplied to the FC stack 200 contains no impurities other than hydrogen, carbon dioxide or the like does not remain in the FC stack 200. Therefore, the first hydrogen valve 505 may be closed after the second hydrogen valve 506 is closed.
[0041]
Incidentally, in a fuel cell system for electric vehicles, hydrogen is pressurized and supplied to the FC stack 200. However, in a stationary fuel cell system for home use or the like, hydrogen may be supplied to the FC stack 200 without being pressurized. is there. In this case, it is desirable to open the second hydrogen valve 506 after opening the first hydrogen valve 505.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram of a fuel cell system according to the embodiment.
FIG. 2 is a schematic diagram of an FC stack.
FIG. 3 is a control block diagram of the fuel cell system according to the embodiment.
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the hydrogen concentration in the FC stack, the opening / closing timings of the hydrogen valves 505 and 506, the air concentration in the FC stack, and the opening / closing timings of the air valves 507 and 508.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Hydrogen production apparatus (hydrogen supply means), 200 ... FC stack (fuel cell), 505 ... 1st hydrogen valve, 506 ... 2nd hydrogen valve. 507 ... First air valve, 508 ... Second air valve.

Claims

A fuel cell (200) for generating electrical energy by a chemical reaction between hydrogen and oxygen;
Hydrogen supply means (100) for supplying hydrogen to the fuel cell (200);
Hydrogen supply adjusting means (505, 506) for adjusting the hydrogen supply from the hydrogen supply means (100) intermittently according to the hydrogen consumption of the fuel cell (200);
Oxygen supply means (400) for supplying oxygen to the fuel cell (200);
Oxygen supply adjusting means (507, 508) for adjusting the supply of oxygen from the oxygen supply means (400) intermittently in response to the intermittent supply of hydrogen ;
A residual hydrogen amount detection means (601) for detecting the amount of hydrogen present in the fuel cell (200) ,
The hydrogen supply adjusting means is provided in a hydrogen inflow passage (505a) of the fuel cell (200), and a first hydrogen valve (505) for opening and closing the hydrogen inflow passage, and a hydrogen exhaust passage of the fuel cell (200) (506a), a second hydrogen valve (506) for opening and closing the hydrogen exhaust passage,
The oxygen supply adjusting means is provided in an oxygen inflow passage (507a) of the fuel cell (200), and a first oxygen valve (507) for opening and closing the oxygen inflow passage, and an oxygen exhaust passage of the fuel cell (200). (508a) is a second oxygen valve (508) for opening and closing the oxygen exhaust passage,
Control means (600) for controlling opening and closing of the first hydrogen valve (505), the second hydrogen valve (506), the first oxygen valve (507), and the second oxygen valve (508);
The control means (600)
Opening and closing the first hydrogen valve (505) and the second hydrogen valve (506) based on the amount of hydrogen detected by the hydrogen detection means (601);
Opening and closing the first oxygen valve (507) in response to opening and closing of the first hydrogen valve (505); opening and closing the second oxygen valve (508) in response to opening and closing of the second hydrogen valve (506);
The fuel cell system is characterized in that the second hydrogen valve (506) is opened earlier than the first hydrogen valve (505) opens, and is closed earlier than the first hydrogen valve (505) is closed. .