JP4992187B2 - Fuel cell stack and fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池スタック及び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 stack and a fuel cell system.
従来、燃料電池は、発電効率が高く、有害物質を排出しないので、産業用、家庭用の発電装置として、又は、人工衛星や宇宙船などの動力源として実用化されてきたが、近年は、乗用車、バス、トラック等の車両用の動力源として開発が進んでいる。そして、前記燃料電池は、アルカリ水溶液型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、直接型メタノール等のものであってもよいが、反応温度が低く、小型化に有利な固体高分子型燃料電池が一般的である。 Conventionally, since fuel cells have high power generation efficiency and do not emit harmful substances, they have been put to practical use as power generators for industrial and household use, or as power sources for artificial satellites and spacecrafts. Development is progressing as a power source for vehicles such as passenger cars, buses and trucks. The fuel cell may be of an alkaline aqueous solution type, a phosphoric acid type, a molten carbonate type, a solid oxide type, a direct type methanol or the like, but has a low reaction temperature and is advantageous for miniaturization. Molecular fuel cells are common.
この場合、固体高分子電解質膜を2枚のガス拡散電極で挟み、一体化させて接合したMEA(Membrane Electrode Assembly:膜電極接合体)が使用される。そして、前記ガス拡散電極の一方を燃料極(アノード極)とし、その表面に燃料としての水素ガスを供給すると、水素が水素イオン(プロトン)と電子とに分解され、水素イオンが固体高分子電解質膜を透過する。また、前記ガス拡散電極の他方を酸素極(カソード極)とし、その表面に酸化剤としての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子とが結合して、水が生成される。このような電気化学反応によって起電力が生じるようになっている。 In this case, a MEA (Membrane Electrode Assembly) in which a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between two gas diffusion electrodes and joined together is used. When one of the gas diffusion electrodes is used as a fuel electrode (anode electrode) and hydrogen gas as a fuel is supplied to the surface of the gas diffusion electrode, hydrogen is decomposed into hydrogen ions (protons) and electrons, and the hydrogen ions are converted into a solid polymer electrolyte. Permeates the membrane. Further, when the other of the gas diffusion electrodes is an oxygen electrode (cathode electrode) and air as an oxidant is supplied to the surface, oxygen in the air is combined with the hydrogen ions and electrons to generate water. The An electromotive force is generated by such an electrochemical reaction.
そして、固体高分子型燃料電池は、MEAの外側に燃料ガスとしての水素ガスや酸素等の酸化剤ガスのような反応ガスの供給通路を形成するセパレータを配した積層構造を有する。前記セパレータは、積層方向に隣り合うMEAへの反応ガスの透過を防止するとともに、発生した電流を外部へ取り出すための集電を行う。このように、MEAとセパレータとから成る単位セルを多数積層して燃料電池スタックが構成される。 The polymer electrolyte fuel cell has a laminated structure in which a separator that forms a supply passage for a reactive gas such as hydrogen gas as a fuel gas or an oxidant gas such as oxygen is disposed outside the MEA. The separator prevents current gas from passing through the MEAs adjacent to each other in the stacking direction, and collects current to extract the generated current to the outside. In this way, a fuel cell stack is configured by laminating a large number of unit cells composed of MEAs and separators.
ところで、燃料電池システムでは、電気化学反応によって、各セルにおいて発生電力にほぼ相当する熱量の熱が発生するため、特に、低温で作動する高分子型燃料電池においては、各セルが過度にヒートアップすることを防止する冷却手段を備える。この場合、一般に、セルスタック中に反応ガスの供給路とは別の冷媒通路を設け、該冷媒通路に冷却水等の冷媒を流すようになっている(例えば、特許文献1及び2参照。)。
しかしながら、前記従来の燃料電池システムにおいては、冷媒通路の形状や配置が適切でなく、燃料電池スタックを十分に冷却することが困難であった。また、冷却能力を適切に調整することができなかったので、燃料電池システムの置かれた環境の温度変化が大きい場合に、燃料電池スタックの温度を適切な温度に維持することができなかった。 However, in the conventional fuel cell system, the shape and arrangement of the refrigerant passage are not appropriate, and it is difficult to sufficiently cool the fuel cell stack. Further, since the cooling capacity could not be adjusted appropriately, the temperature of the fuel cell stack could not be maintained at an appropriate temperature when the temperature change in the environment where the fuel cell system was placed was large.
本発明は、前記従来の問題点を解決して、複数の冷却系によって燃料電池スタックを冷却するようにして、冷却能力が高く、冷却能力を容易に、かつ、適切に調整することができ、広汎(はん)な温度範囲においても、温度変化の大きい環境においても、燃料電池スタックの温度を適切な温度に維持することができ、燃料電池の出力を高めることができる燃料電池スタック及び燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention solves the above-mentioned conventional problems and cools the fuel cell stack with a plurality of cooling systems, so that the cooling capacity is high, and the cooling capacity can be easily and appropriately adjusted. Fuel cell stack and fuel cell capable of maintaining the temperature of the fuel cell stack at an appropriate temperature in a wide temperature range and in an environment with a large temperature change, and increasing the output of the fuel cell The purpose is to provide a system.
そのために、本発明の燃料電池スタックにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、セパレータユニットを挟んで積層されている燃料電池スタックであって、前記セパレータユニットは、前記燃料極に供給される燃料ガスと前記酸素極に供給される空気とを遮断する板状のセパレータ本体と、該セパレータ本体と別の部材であって、前記セパレータ本体の酸素極側に設けられ、前記燃料電池で発生した熱を放熱するとともに集電する網目状の集電体とを備え、前記セパレータ本体は前記燃料電池を冷却するための冷媒流路が内部に形成されており、前記集電体は、網目状の開口を備えるメタル板材から成るとともに、該メタル板材にプレス加工によって形成された複数の並行する凸条を備える波板であり、前記凸条間の谷部の平面は前記酸素極の電極拡散層に当接する電極当接部であり、前記凸条の頂部は前記セパレータ本体の平坦な側面に当接するセパレータ当接部であり、前記凸条の頂部の幅は前記凸条間の谷部の平面の幅より狭い。 Therefore, in the fuel cell stack of the present invention, a fuel cell electrolyte layer was sandwiched between the fuel electrode and the oxygen electrode, a fuel cell stack are stacked to sandwich the separator unit, the separator unit, before A plate-shaped separator body that blocks fuel gas supplied to the fuel electrode and air supplied to the oxygen electrode, and a separate member from the separator body, provided on the oxygen electrode side of the separator body And a net-like current collector that radiates and collects heat generated in the fuel cell, and the separator body has a coolant channel formed therein for cooling the fuel cell. The electric body is a corrugated sheet including a plurality of parallel ridges formed by pressing a metal plate material having a mesh-shaped opening, and the metal plate material is formed between the ridges. Plane parts are in contact with the electrode contact portion to the electrode diffusion layer of the oxygen electrode, the top of the ridges Ri abuts separator abutment der the flat side of the separator main body, the top portion of the convex Is narrower than the width of the plane of the valley between the ridges .
本発明の燃料電池システムにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、該燃料電池を冷却するための冷媒流路及び前記燃料電池で発生した熱を放熱するとともに集電する網目状の集電体を備えるセパレータユニットを挟んで積層されている燃料電池スタックと、前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料供給系と、前記集電体を通して前記酸素極に空気を供給する酸化剤供給系と、前記冷媒流路に冷媒を供給する冷却系とを有し、前記セパレータユニットは、前記燃料極に供給される燃料ガスと前記酸素極に供給される空気とを遮断する板状のセパレータ本体と、該セパレータ本体と別の部材であって、前記セパレータ本体の酸素極側に設けられ、前記燃料電池で発生した熱を放熱するとともに集電する網目状の集電体とを備え、前記セパレータ本体は前記燃料電池を冷却するための冷媒流路が内部に形成されており、前記集電体は、網目状の開口を備えるメタル板材から成るとともに、該メタル板材にプレス加工によって形成された複数の並行する凸条を備える波板であり、前記凸条間の谷部の平面は前記酸素極の電極拡散層に当接する電極当接部であり、前記凸条の頂部は前記セパレータ本体の平坦な側面に当接するセパレータ当接部であり、前記凸条の頂部の幅は前記凸条間の谷部の平面の幅より狭い。 In the fuel cell system of the present invention, the fuel cell in which the electrolyte layer is sandwiched between the fuel electrode and the oxygen electrode dissipates the heat generated in the refrigerant flow path and the fuel cell for cooling the fuel cell and collects the current. A fuel cell stack stacked with a separator unit having a mesh current collector, a fuel supply system supplying fuel gas to the fuel electrode, and supplying air to the oxygen electrode through the current collector an oxidant supply system, and a cooling system that supplies refrigerant to the refrigerant passage, the separator unit will shut off the air supplied to the fuel gas supplied to the pre-Symbol fuel electrode to the oxygen electrode A plate-like separator main body, and a member separate from the separator main body, provided on the oxygen electrode side of the separator main body, and radiating heat generated in the fuel cell and collecting current; The For example, the separator body has coolant channel for cooling the fuel cell is formed therein, said current collector, with consists of the metal plate material comprising a network of openings, by press working to the metal plate It is a corrugated plate having a plurality of parallel ridges formed, the plane of the valley between the ridges is an electrode contact portion that contacts the electrode diffusion layer of the oxygen electrode, the top of the ridge is the above separator abutting portion der abuts the flat side of the separator main body is, the width of the top of the ridges narrower than the width of the plane of the valley between the convex.
本発明の他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記酸素極から排出される排出空気の温度を検出する温度計と、該温度計が検出した排出空気の温度が所定値以上の場合、前記酸素極に供給される空気の量又は前記冷媒流路に供給される冷媒の量の少なくとも一方を増加させる制御装置とを更に有する。 In another fuel cell system of the present invention, a thermometer for detecting a temperature of exhaust air exhausted from the oxygen electrode, and when the temperature of the exhaust air detected by the thermometer is a predetermined value or more, the oxygen And a controller that increases at least one of the amount of air supplied to the pole and the amount of refrigerant supplied to the refrigerant flow path.
本発明によれば、燃料電池スタックにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、セパレータユニットを挟んで積層されている燃料電池スタックであって、前記セパレータユニットは、前記燃料電池を冷却するための冷媒流路が内部に形成され、前記燃料極に供給されるガスと前記酸素極に供給されるガスとを遮断する板状のセパレータ本体と、該セパレータ本体の一側又は両側に設けられ、前記燃料電池で発生した熱を放熱するとともに集電する網目状の集電体とを備える。 According to the present invention, in the fuel cell stack, the fuel cell in which the electrolyte layer is sandwiched between the fuel electrode and the oxygen electrode is stacked with the separator unit interposed therebetween, and the separator unit includes the separator A refrigerant flow path for cooling the fuel cell is formed inside, a plate-shaped separator body that blocks a gas supplied to the fuel electrode and a gas supplied to the oxygen electrode, and one side of the separator body Alternatively, it is provided on both sides, and has a mesh-like current collector that dissipates heat generated by the fuel cell and collects current.
この場合、冷却能力が高く、冷却能力を容易に、かつ、適切に調整することができ、広汎な温度範囲においても、温度変化の大きい環境においても、燃料電池スタックの温度を適切な温度に維持することができ、出力を高めることができる。また、集電体が網目状なので、ガスの流通が集電体によって阻害されることがなく、ガスの圧力損失を低減することができる。 In this case, the cooling capacity is high, the cooling capacity can be adjusted easily and appropriately, and the temperature of the fuel cell stack is maintained at an appropriate temperature in a wide temperature range and in an environment with a large temperature change. Can increase the output. Further, since the current collector is mesh-shaped, the gas flow is not hindered by the current collector, and the pressure loss of the gas can be reduced.
また、他の燃料電スタックにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、セパレータユニットを挟んで積層されている燃料電池スタックであって、前記セパレータユニットは、前記燃料極に供給されるガスと前記酸素極に供給されるガスとを遮断する板状のセパレータ本体と、該セパレータ本体の一側に設けられ、前記セパレータ本体と対向する面に前記燃料電池を冷却するための冷媒流路を形成する凹溝を備え、前記燃料極と対向する面にガス流路を形成する凸条を備える板状の集電体と、前記セパレータ本体の他側に設けられ、前記燃料電池で発生した熱を放熱するとともに集電する網目状の集電体とを備える。 In another fuel cell stack, a fuel cell stack in which an electrolyte layer is sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode is stacked with a separator unit interposed therebetween, and the separator unit includes the fuel electrode. A plate-like separator body that cuts off the gas supplied to the gas and the gas supplied to the oxygen electrode; and provided on one side of the separator body for cooling the fuel cell on the surface facing the separator body A plate-like current collector provided with a concave groove that forms a refrigerant flow path, a convex strip that forms a gas flow path on a surface facing the fuel electrode, and the other side of the separator body, And a net-like current collector that radiates and collects heat generated in the battery.
この場合、冷媒と燃料電池との熱交換効率が向上し、冷媒による冷却能力を向上させることができる。そのため、冷却能力が高く、冷却能力を容易に、かつ、適切に調整することができ、広汎な温度範囲においても、温度変化の大きい環境においても、燃料電池スタックの温度を適切な温度に維持することができ、出力を高めることができる。 In this case, the heat exchange efficiency between the refrigerant and the fuel cell can be improved, and the cooling capacity by the refrigerant can be improved. Therefore, the cooling capacity is high, the cooling capacity can be adjusted easily and appropriately, and the temperature of the fuel cell stack is maintained at an appropriate temperature in a wide temperature range and in an environment with a large temperature change. Can increase the output.
さらに、燃料電池システムにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、該燃料電池を冷却するための冷媒流路及び前記燃料電池で発生した熱を放熱するとともに集電する網目状の集電体を備えるセパレータユニットを挟んで積層されている燃料電池スタックと、前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料供給系と、前記集電体を通して前記酸素極に空気を供給する酸化剤供給系と、前記冷媒流路に冷媒を供給する冷却系とを有する。 Further, in the fuel cell system, the fuel cell in which the electrolyte layer is sandwiched between the fuel electrode and the oxygen electrode dissipates heat while collecting heat from the refrigerant flow path for cooling the fuel cell and the fuel cell. A fuel cell stack stacked with a separator unit having a mesh current collector interposed therebetween, a fuel supply system that supplies fuel gas to the fuel electrode, and an oxidation that supplies air to the oxygen electrode through the current collector An agent supply system and a cooling system for supplying the refrigerant to the refrigerant flow path.
この場合、冷却能力が高く、冷却能力を容易に、かつ、適切に調整することができ、広汎な温度範囲においても、温度変化の大きい環境においても、燃料電池スタックの温度を適切な温度に維持することができ、出力を高めることができる。 In this case, the cooling capacity is high, the cooling capacity can be adjusted easily and appropriately, and the temperature of the fuel cell stack is maintained at an appropriate temperature in a wide temperature range and in an environment with a large temperature change. Can increase the output.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図2は本発明の第1の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す図、図3は本発明の第1の実施の形態における燃料電池システムの制御システムの構成を示す図、図4は本発明の第1の実施の形態における燃料電池スタックの構成を示す図である。 FIG. 2 is a diagram showing the configuration of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention, FIG. 3 is a diagram showing the configuration of the control system for the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention, and FIG. It is a figure which shows the structure of the fuel cell stack in the 1st Embodiment of this invention.
図2及び4において、20は燃料電池(FC)としての燃料電池スタックであり、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両用の動力源として使用される。ここで、前記車両は、照明装置、ラジオ、パワーウィンドウ等の車両の停車中にも使用される電気を消費する補機類を多数備えており、また、走行パターンが多様であり、動力源に要求される出力範囲が極めて広いので、動力源としての燃料電池スタック20と図示されない蓄電手段としての二次電池とを併用して使用することが望ましい。
2 and 4,
そして、燃料電池スタック20は、アルカリ水溶液型(AFC)、リン酸型(PAFC)、溶融炭酸塩型(MCFC)、固体酸化物型(SOFC)、直接型メタノール(DMFC)等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池(PEMFC)であることが望ましい。
The
なお、更に望ましくは、水素ガスを燃料とし、酸素又は空気を酸化剤とするPEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)型燃料電池、又は、PEM(Proton Exchange Membrane)型燃料電池と呼ばれるものである。ここで、該PEM型燃料電池は、一般的に、プロトン等のイオンを透過する固体高分子電解質膜の両側に触媒、電極及びセパレータを結合したセル(Fuel Cell)を複数及び直列に結合したスタック(Stack)から成る。 More preferably, it is called a PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) type fuel cell or PEM (Proton Exchange Membrane) type fuel cell using hydrogen gas as fuel and oxygen or air as oxidant. Here, the PEM type fuel cell is generally a stack in which a plurality of cells (Fuel Cell) in which a catalyst, an electrode and a separator are combined on both sides of a solid polymer electrolyte membrane that transmits ions such as protons are connected in series. (Stack).
本実施の形態において、燃料電池スタック20は、図4に示されるように、複数のセルモジュール10を有する。なお、図4における矢印は、燃料電池スタック20を冷却するための複数の冷却系の一つである閉じた冷却系における冷媒の流れを示している。そして、セルモジュール10は、燃料電池としての後述される単位セル(MEA)11と、該単位セル11同士を電気的に接続するとともに、単位セル11に導入される水素ガスの流路と空気の流路とを分離する後述されるセパレータユニット12と、単位セル11及びセパレータユニット12を支持する図示されないフレームとを1セットとして、板厚方向(図4において左下角と右上角を結ぶ対角線方向)に複数セットを重ねて構成されている。
In the present embodiment, the
図2には、燃料電池スタック20に燃料ガスとしての水素ガス及び酸化剤としての空気を供給する装置が示される。なお、図示されない改質装置によってメタノール、ガソリン等を改質して取り出した燃料である水素ガスを燃料電池スタック20に直接供給することもできるが、車両の高負荷運転時にも安定して十分な量の水素ガスを供給することができるようにするためには、燃料貯蔵手段73に貯蔵した水素ガスを供給することが望ましい。これにより、該水素ガスがほぼ一定の圧力で、常に、十分に供給されるので、前記燃料電池スタック20は車両の負荷の変動に遅れることなく追随して、必要な電流を供給することができる。この場合、前記燃料電池スタック20の出力インピーダンスは極めて低く、0に近似することが可能である。
FIG. 2 shows an apparatus for supplying hydrogen gas as fuel gas and air as oxidant to the
水素ガスは、水素吸蔵合金を収納した容器、デカリンのような水素吸蔵液体を収納した容器、水素ガスボンベ等の燃料貯蔵手段73から、燃料供給管路としての第1燃料供給管路21、及び、該第1燃料供給管路21に接続された燃料供給管路としての第2燃料供給管路33を通って、燃料電池スタック20の燃料室に供給される。そして、前記第1燃料供給管路21には、燃料貯蔵手段元開閉弁24、水素ガスの圧力を検出する圧力センサとしての水素圧センサ27及び28、供給される水素ガスの圧力を調整する第1の水素供給調圧弁25a及び第2の水素供給調圧弁25b、並びに、燃料供給電磁弁26が配設される。
Hydrogen gas is stored in a container containing a hydrogen storage alloy, a container containing a hydrogen storage liquid such as decalin, a fuel storage means 73 such as a hydrogen gas cylinder, a first
ここで、前記燃料貯蔵手段73は、十分に大きな容量を有し、常に、十分に高い圧力の水素ガスを供給することができる能力を有するものである。なお、図2に示される例においては、燃料貯蔵手段73が複数、例えば、3つ配設され、また、第1燃料供給管路21は、各燃料貯蔵手段73に接続される部分で複数本に分岐され、途中で合流して1本になっている。しかし、燃料貯蔵手段73は、単数であってもよいし、また、複数であってもよいし、複数の場合にはいくつであってもよい。
Here, the fuel storage means 73 has a sufficiently large capacity and is capable of always supplying a sufficiently high pressure of hydrogen gas. In the example shown in FIG. 2, a plurality of, for example, three fuel storage means 73 are provided, and a plurality of first
そして、燃料電池スタック20の燃料室から排出される水素ガスは、燃料排出管路31を通って燃料電池スタック20の外部に排出される。前記燃料排出管路31には、回収容器としての水回収ドレインタンク60が配設されている。そして、該水回収ドレインタンク60には水と分離された水素ガスとを排出する燃料排出管路30が接続され、該燃料排出管路30には燃料強制排出装置としての吸引循環ポンプ36が配設されている。また、前記燃料排出管路30における水回収ドレインタンク60と反対側の端部は、第2燃料供給管路33に接続されている。これにより、燃料電池スタック20の外部に導出された水素ガスを回収し、燃料電池スタック20の燃料室に供給して再利用することができる。
The hydrogen gas discharged from the fuel chamber of the
また、前記水回収ドレインタンク60には、燃料排出管路56が接続され、該燃料排出管路56には水素排気弁62が配設され、燃料電池スタック20の起動時等に燃料室から排出される水素ガスを大気中に排出することができるようになっている。なお、燃料排出管路56に、必要に応じて水素燃焼器を配設することもできる。該水素燃焼器によって排出される水素ガスを燃焼させ、水にしてから大気中に排出することができる。
Further, a
ここで、前記第1の水素供給調圧弁25a及び第2の水素供給調圧弁25bは、バタフライバルブ、レギュレータバルブ、ダイヤフラム式バルブ、マスフローコントローラ、シーケンスバルブ等のものであるが、前記第1の水素供給調圧弁25a及び第2の水素供給調圧弁25bの出口から流出する水素ガスの圧力をあらかじめ設定した圧力に調整することができるものであれば、いかなる種類のものであってもよい。なお、前記圧力の調整は、手動によってなされてもよいが、電気モータ、パルスモータ、電磁石等から成るアクチュエータによってなされることが望ましい。また、前記燃料供給電磁弁26及び水素排気弁62は、いわゆる、オン−オフ式のものであり、電気モータ、パルスモータ、電磁石等から成るアクチュエータによって作動させられる。なお、前記燃料貯蔵手段元開閉弁24は手動又は電磁弁を用いて自動的に作動させられる。さらに、前記吸引循環ポンプ36は、水素ガスを強制的に排出し、燃料室内を負圧の状態にすることができるポンプであれば、いかなる種類のものであってもよい。
Here, the first hydrogen supply
一方、酸化剤としての空気は、酸化剤供給源としての空気供給ポンプ75から、酸化剤供給管路76を通って、燃料電池スタック20の酸素室に供給される。なお、酸化剤供給源としては、空気供給ポンプ75に代えて空気ボンベ、空気タンク等を使用することもできる。また、酸化剤として、空気に代えて酸素を使用することもできる。そして、酸素室から排出される空気は、排気マニホールド77を通って大気中へ排出される。
On the other hand, air as an oxidant is supplied from an
なお、燃料電池スタック20の酸素極としての空気極側から単位セル11を湿潤な状態に維持するために、酸素室に供給される空気中に水をスプレーして供給することもできる。この場合、例えば、水を貯留するタンクから供給された水を、酸化剤供給管路76の途中や燃料電池スタック20の酸素室の入口に配設された水供給ノズルを通して、空気中にスプレーすることが望ましい。また、排気マニホールド77の途中等に凝縮器を配設して、酸素室から排出される空気に含まれる水を回収して再利用することが望ましい。
In addition, in order to maintain the unit cell 11 in a wet state from the air electrode side as the oxygen electrode of the
ところで、燃料電池スタック20の酸素室に供給される空気は、圧力が大気圧程度の常圧の状態であってもよいし、圧力が大気圧よりも高くなるように加圧された状態であってもよいが、本実施の形態においては、加圧された状態であるものとして説明する。すなわち、本実施の形態における燃料電池システムは、いわゆる常圧システムでなく、加圧システムであるものとする。
Incidentally, the air supplied to the oxygen chamber of the
また、図2には、燃料電池スタック20を冷却するための複数の冷却系の一つである閉じた冷却系の装置が示されている。前記燃料電池スタック20には、該燃料電池スタック20に供給される冷媒が通過する冷媒供給管路53、及び、燃料電池スタック20から排出された冷媒が通過する冷媒排出管路71が接続されている。そして、前記冷媒供給管路53及び冷媒排出管路71の燃料電池スタック20と反対側の端には冷媒貯留容器52が接続されている。また、前記冷媒供給管路53には、冷媒ポンプとしての冷媒供給ポンプ54及びフィルタ55が配設されている。さらに、前記冷媒排出管路71には、冷媒を冷却する冷却装置としてのラジエータ72及び冷媒ポンプとしての冷媒排出ポンプ51が配設されている。ここで、前記冷媒は、例えば、水であるが、不凍液であってもよいし、いかなる種類の流体であってもよい。そして、前記冷媒排出ポンプ51及び冷媒供給ポンプ54は、水等の冷媒を吸引して吐出することができるポンプであれば、いかなる種類のものであってもよい。また、前記フィルタ55は、水等の冷媒に含まれる塵埃(じんあい)、不純物等を除去するものであれば、いかなる種類のものであってもよい。
FIG. 2 shows a closed cooling system device that is one of a plurality of cooling systems for cooling the
そして、燃料電池スタック20に供給された冷媒は、各セルモジュール10において、セパレータユニット12の後述されるセパレータ本体41内に形成された冷媒流路45内を流通して各セルモジュール10を冷却する。この場合、冷媒は、冷媒貯留容器52、冷媒供給管路53、燃料電池スタック20及び冷媒排出管路71を接続することによって形成された実質的に閉じた冷却系内を循環し、単位セル11に接触することがない。そのため、単位セル11を構成する固体高分子電解質膜、触媒、電極等の部材に冷媒が接触することがないので、不凍液等のように、単位セル11を構成する部材に影響を及ぼす可能性のある成分を含有する冷媒であっても使用することができる。
And the refrigerant | coolant supplied to the
また、燃料電池スタック20の燃料室に供給される水素ガス及び酸素室に供給される空気も、燃料電池スタック20を冷却する機能を有する。そのため、燃料電池スタック20に燃料ガスとしての水素ガス及び酸化剤としての空気を供給する装置は、燃料電池スタック20を冷却するための冷却系の一つとして機能する。そして、水素ガス及び空気は、消費されたり外部に排出されたりするものであるから、水素ガス及び空気を供給する装置は開いた冷却系と言える。この場合、水素ガス及び空気は、単位セル11を構成する固体高分子電解質膜、触媒、電極等の部材に接触しながらセルモジュール10内を流通して、該セルモジュール10を冷却する。なお、前述のように、酸素室に供給される空気中に水を供給するようにした場合には、冷却能力が向上する。
The hydrogen gas supplied to the fuel chamber of the
なお、燃料電池スタック20には、図示されない電気端子の端子電圧を計測する電圧計78、燃料電池スタック20内を流通する空気又は燃料電池スタック20から排出される空気の温度を検出する排出空気温度計74が取り付けられている。また、冷媒貯留容器52及び水回収ドレインタンク60には水位を検出する水位センサ52a及び60aが取り付けられている。
The
また、前記蓄電手段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一般的である。なお、前記蓄電手段は、必ずしもバッテリでなくてもよく、電気二重層キャパシタのようなキャパシタ(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 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 common. The power storage means does not necessarily have to be a battery, and electrically stores and discharges energy, such as a capacitor (capacitor) such as an electric double layer capacitor, a flywheel, a superconducting coil, and a pressure accumulator. Any form may be used as long as it has a function. Furthermore, any of these may be used alone, or a plurality of them may be used in combination.
そして、前記燃料電池スタック20は図示されない負荷に接続され、発生した電流を前記負荷に供給する。ここで、該負荷は、一般的には、駆動制御装置であるインバータ装置であり、前記燃料電池スタック20又は蓄電手段からの直流電流を交流電流に変換して、車両の車輪を回転させる駆動モータに供給する。ここで、該駆動モータ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、前記駆動モータは車輪によって回転させられて発電するので、前記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、前記回生電流が蓄電手段に供給されて該蓄電手段が充電される。
The
また、本実施の形態において、燃料電池システムは、図3に示されるような制御システムを有する。図3において、81は、CPU、MPU等の演算手段、入出力インターフェイス等を備える一種のコンピュータであり、燃料電池システムの動作を制御する制御装置である。該制御装置81には、磁気ディスク、半導体メモリ等の記憶手段としてのメモリ82が接続されている。また、前記制御装置81には、前記電圧計78、水位センサ52a及び60a、水素圧センサ27及び28、排出空気温度計74、並びに、燃料電池スタック20の燃料室から排出される水素ガス濃度を検出する水素濃度センサ83が接続され、これら各種のセンサの出力が前記制御装置81に入力される。さらに、該制御装置81には、前記第1の水素供給調圧弁25a及び第2の水素供給調圧弁25b、水素排気弁62、空気供給ポンプ75、冷媒ポンプとしての冷媒供給ポンプ54及び冷媒排出ポンプ51、並びに、燃料電池システムに故障、事故等が発生した場合に警報を出力する装置としてのアラーム86が接続され、これらの装置は前記制御装置81によって動作が制御される。
In the present embodiment, the fuel cell system has a control system as shown in FIG. In FIG. 3,
次に、前記セパレータユニット12の構成について詳細に説明する。 Next, the configuration of the separator unit 12 will be described in detail.
図1は本発明の第1の実施の形態における燃料電池システムのセパレータユニットの構成を示す図、図5は本発明の第1の実施の形態における燃料電池システムのセパレータ本体内に形成された冷媒流路を示す図である。 FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a separator unit of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a refrigerant formed in the separator body of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention. It is a figure which shows a flow path.
図1に示されるように、セルモジュール10は、単位セル11と、該単位セル11同士を電気的に接続するとともに、単位セル11に導入される水素ガスの流路としての燃料室と、空気の流路としての酸素室とを分離するセパレータユニット12とを有し、複数個が積層されている。なお、図1は、説明の都合上、積層されたセルモジュール10の一部のみを拡大して示す斜視図であり、単位セル11及びセパレータユニット12を支持するフレームは省略されている。
As shown in FIG. 1, the
そして、単位セル11は、電解質層としての固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜の一側に設けられた酸素極としての空気極(カソード極)及び他側に設けられた燃料極(アノード極)とで構成されている。前記空気極及び燃料極は、反応ガスを拡散しながら透過する導電性材料から成る拡散層と、該拡散層上に形成され、固体高分子電解質膜と接触させて支持される触媒物質を含む触媒層とから成る。なお、図1において、固体高分子電解質膜、空気極及び燃料極の図示は省略されている。 The unit cell 11 includes a solid polymer electrolyte membrane as an electrolyte layer, an air electrode (cathode electrode) as an oxygen electrode provided on one side of the solid polymer electrolyte membrane, and a fuel electrode provided on the other side. (Anode electrode). The air electrode and the fuel electrode include a diffusion layer made of a conductive material that permeates while diffusing the reaction gas, and a catalyst that is formed on the diffusion layer and is supported in contact with the solid polymer electrolyte membrane. Consisting of layers. In FIG. 1, the solid polymer electrolyte membrane, the air electrode, and the fuel electrode are not shown.
また、セパレータユニット12は、単位セル11間のガス遮断部材としてのセパレータ本体41と、該セパレータ本体41の一側に設けられ、単位セル11の空気極側の電極拡散層に接触して集電するとともに空気と水との混合流を透過する多数の開口が形成された網目状の集電体としての空気極側コレクタ14と、セパレータ本体41の他側に設けられ、単位セル11の燃料極側の電極拡散層に接触して同じく電流を外部に導出するための網目状の集電体としての燃料極側コレクタ15とで構成されている。図1においては、説明の都合上、セパレータ本体41の一側に設けられた空気極側コレクタ14の図示が省略され、隣接するセパレータユニット12における空気極側コレクタ14であって、単位セル11の空気極側の電極拡散層に接触する空気極側コレクタ14が図示されている。
In addition, the separator unit 12 is provided on one side of the
そして、該空気極側コレクタ14及び燃料極側コレクタ15は、導電性の板材、例えば、板厚が0.2〔mm〕程度の金属薄板で形成されている。また、セパレータ本体41は、板厚が更に薄い金属薄板で構成された板状の部材であるが、二重構造を有し、内部に図5に示されるような冷媒流路45が形成されている。前記空気極側コレクタ14、燃料極側コレクタ15及びセパレータ本体41の構成金属としては、導電性と耐蝕(しょく)性を備えた金属、例えば、ステンレス鋼、ニッケル合金、チタン合金等に金メッキ等の耐蝕導電処理を施したものが挙げられる。
The air electrode side collector 14 and the fuel
また、空気極側コレクタ14は、全体形状が概略横長の矩(く)形であり、開口率59〔%〕以上の網目状の開口を有するエキスパンドメタル等のメタル板材から成り、プレス加工によって形成された細かい凸条14bを有する波板とされている。前記凸条14bは、板材の縦辺方向、すなわち、図1における上下方向に延在し、平行に等間隔で、板面を完全に縦断する配置とされている。前記凸条14bの断面形状は、大まかには矩形波状断面とされ、プレス加工の型抜きの関係から、根元側が若干裾(すそ)広がりの形状とされている。前記凸条14bの高さは、図示されないフレームの厚さに実質上等しい高さとされ、それにより、積層状態において、単位セル11の空気極側の電極拡散層とセパレータ本体41の側面との間を縦方向に貫通する所定の開口面積の空気流路を確保している。なお、図1において、矢印Aは、単位セル11に導入されて酸素室内を流通する空気の流れを示している。また、各凸条14bの頂部は、セパレータ本体41の側面に当接する当接部となっており、各凸条14b間の谷部14aの平面は、単位セル11の空気極側の電極拡散層に当接する当接部となっている。
Further, the air electrode side collector 14 is formed of a metal plate material such as an expanded metal having a net-like opening having an opening ratio of 59% or more, and is formed by pressing. The corrugated sheet has fine ridges 14b. The ridges 14b extend in the longitudinal direction of the plate material, that is, in the vertical direction in FIG. 1, and are arranged so as to completely cut the plate surface in parallel at equal intervals. The cross-sectional shape of the ridges 14b is roughly a rectangular wave-shaped cross-section, and the base side has a slightly flared shape due to the punching of the press work. The height of the ridges 14b is substantially equal to the thickness of a frame (not shown), so that, in the stacked state, between the electrode diffusion layer on the air electrode side of the unit cell 11 and the side surface of the
なお、空気極側コレクタ14の表面には、親水性処理が施されていることが望ましい。処理方法としては、親水処理剤を、表面に塗布する方法が採られる。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(TiO2 )等が挙げられる。その他の親水性処理としては、金属表面の粗さを粗化する処理が挙げられる。例えば、プラズマ処理などがその一例である。親水性処理は、最も温度が高くなる部位に施すことが好ましく、例えば、単位セル11に接触している谷部14aの、特に、空気流路側に施されることが望ましい。このように、親水性処理を施すことによって、空気極側コレクタ14と単位セル11の空気極側の電極拡散層との当接面の濡(ぬ)れが促進され、水の潜熱冷却による効果が向上する。また、これにより、網目、すなわち、開口に水が詰まり難くなるため、水が空気の供給を阻害する可能性も一層低くなる。なお、金属の表面は、本質的に、ある程度の親水性を備えているので、親水性処理を省略することもできる。 The surface of the air electrode side collector 14 is desirably subjected to hydrophilic treatment. As a treatment method, a method of applying a hydrophilic treatment agent to the surface is employed. Examples of the treating agent to be applied include polyacrylamide, polyurethane resin, titanium oxide (TiO 2 ), and the like. Examples of other hydrophilic treatment include treatment for roughening the roughness of the metal surface. For example, plasma processing is an example. The hydrophilic treatment is preferably performed on a portion where the temperature is highest. For example, it is desirable that the hydrophilic treatment be performed on the valley portion 14a in contact with the unit cell 11, particularly on the air flow path side. In this way, by performing the hydrophilic treatment, wetting (wetting) of the contact surface between the air electrode side collector 14 and the electrode diffusion layer on the air electrode side of the unit cell 11 is promoted, and the effect of cooling the latent heat of water. Will improve. This also makes it difficult for water to clog the mesh, that is, the opening, thereby further reducing the possibility of water blocking air supply. In addition, since the metal surface essentially has a certain degree of hydrophilicity, the hydrophilic treatment can be omitted.
また、燃料極側コレクタ15は、前記空気極側コレクタ14と同様の寸法で網目状の開口を有するエキスパンドメタル等のメタル板材から成り、プレス加工によって形成された細かい凸条15bを有する波板とされている。そして、前記凸条15bは、空気極側コレクタ14の場合と同様に、図1における上下方向に延在し、平行に等間隔で、板面を完全に縦断する配置とされている。前記凸条15bの断面形状は、大まかには矩形波状断面とされ、プレス加工の型抜きの関係から、根元側が若干裾広がりの形状とされている。前記凸条15bの高さは、図示されないフレームの厚さに実質上等しい高さとされ、それにより、積層状態において、単位セル11の燃料極側の電極拡散層とセパレータ本体41の側面との間を縦方向に貫通する所定の開口面積の燃料ガス流路を確保している。なお、図1において、矢印Bは、単位セル11に導入されて燃料室内を流通する水素ガスの流れを示している。また、各凸条15bの頂部は、セパレータ本体41の側面に当接する当接部となっており、各凸条15b間の谷部15aの平面は、単位セル11の燃料極側の電極拡散層に当接する当接部となっている。なお、燃料極側コレクタ15にも必要に応じて親水性処理を施すことができる。
The fuel
そして、前記空気極側コレクタ14及び燃料極側コレクタ15は、それぞれの谷部14a及び15aがともに外側となるように、セパレータ本体41を間に挟んで配置される。このとき、空気極側コレクタ14及び燃料極側コレクタ15のそれぞれの凸条14b及び15bは、セパレータ本体41と当接した状態となり、相互に通電可能な状態となる。また、空気極側コレクタ14及び燃料極側コレクタ15をセパレータ本体41と重ね合わせることによって、該セパレータ本体41の一方側に空気流路、すなわち、酸素室が構成され、他方側に燃料ガス流路、すなわち、燃料室が構成されることになる。そして、酸素室から単位セル11の空気極に空気が供給され、同様に、燃料室から単位セル11の燃料極に水素ガスが供給される。
The air electrode side collector 14 and the fuel
なお、単位セル11においては水が移動する。すなわち、燃料極側コレクタ15が配設されている燃料室内に燃料ガスとして水素ガスを供給すると、水素が水素イオン(プロトン)と電子とに分解され、水素イオンがプロトン同伴水を伴って、固体高分子電解質膜を透過する。また、前記空気極をカソード極とし、酸素室内に酸化剤としての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子が結合して、水が生成される。さらに、水分が逆拡散水として固体高分子電解質膜を透過し、燃料室内に移動する。ここで、逆拡散水とは、酸素室において生成される水が固体高分子電解質膜内に拡散し、該固体高分子電解質膜内を前記水素イオンと逆方向に透過して燃料室にまで浸透したものである。
In the unit cell 11, water moves. That is, when hydrogen gas is supplied as a fuel gas into the fuel chamber in which the fuel
また、セパレータ本体41は、冷媒流入管42及び冷媒流出管43が接続され、冷媒流入管42から流入した冷媒がセパレータ本体41の内部に形成された冷媒流路45を通って冷却を行い、冷媒流出管43から流出する。なお、前記冷媒は閉じた冷却系の装置における冷媒であり、冷媒供給管路53を通って燃料電池スタック20に供給され、該燃料電池スタック20内に形成された図示されない流路を通って冷媒流入管42に流入する。また、冷媒流出管43から流出された冷媒は、燃料電池スタック20内に形成された図示されない流路を通って冷媒排出管路71に流入し、燃料電池スタック20から排出される。ここで、前記冷媒流路45は、冷却効率を向上させるため、図5に示されるように、蛇行状に形成されている。これにより、冷媒がセパレータ本体41内を、図1における矢印Cで示されるように流通するので、セパレータ本体41内における冷媒の流路長が長くなり、一定量の冷媒による冷却能力が向上する。さらに、セパレータ本体41の左右両側で冷却にムラが生じないので、単位セル11を左右均一に冷却することが可能になる。なお、本実施の形態においては、セパレータ本体41の上部に冷媒流入管42を接続し、下部に冷媒流出管43を接続したが、下部に冷媒流入管42を接続し、上部に冷媒流出管43を接続してもよい。これにより、コレクタ14、15の上方から下方へ供給される空気による冷却と、セパレータ本体41の下部から上部へ供給される冷媒による冷却により、単位セル11の上下をより均一に冷却することが可能になる。また、冷媒流路45の形状は、冷媒の流路長が長くなるような形状であれば、蛇行状以外の形状であってもよく、例えば、渦巻き状等の他の形状であってもよい。
The
図1に示される例において、前記セパレータ本体41は2枚の平板状の金属製板材を貼(は)り合わせて形成されている。この場合、一方の板材の内側となる面に、例えば、ケミカルエッチング等のフォトリソグラフィ技術を使用して、図5に示されるような形状の凹溝を形成する。そして、該凹溝が形成された面に他方の板材を重ね合わせることによって、冷媒流路45を備えるセパレータ本体41を得ることができる。この場合、該セパレータ本体41の両側の面が各所で結合されているので、前記両側の面の間の電気伝導性を良好なものとすることができる。また、前記セパレータ本体41の両外側の面は、凹凸のない平面であることが望ましい。これにより、セパレータ本体41の外側の面と、空気極側コレクタ14及び燃料極側コレクタ15のそれぞれの凸条14b及び15bの頂部との接触が確実になり、セパレータ本体41と空気極側コレクタ14及び燃料極側コレクタ15との間の熱伝導性及び電気伝導性を良好なものとすることができる。
In the example shown in FIG. 1, the separator
前記単位セル11は、閉じた冷却系の装置の冷却器として機能するセパレータ本体41によって冷却される。すなわち、単位セル11において発生した熱は、空気極側コレクタ14及び燃料極側コレクタ15を通して、セパレータ本体41に伝達され、該セパレータ本体41内を流通する冷媒に伝達される。この場合、空気極側コレクタ14及び燃料極側コレクタ15は、谷部14a及び15aが単位セル11の広い範囲に接触しているので、単位セル11において発生した熱が良好に伝達される。なお、単位セル11において発生した電気も同様に、空気極側コレクタ14及び燃料極側コレクタ15に良好に伝達される。
The unit cell 11 is cooled by a
また、空気極側コレクタ14及び燃料極側コレクタ15が網目状の開口を有するので、燃料室内の水素ガス及び酸素室内の空気の流通が空気極側コレクタ14及び燃料極側コレクタ15によって阻害されることがない。すなわち、燃料室内の水素ガス及び酸素室内の空気は、単位セル11に接触している谷部14a及び15aの開口を通して、単位セル11の燃料極側及び空気極側の電極拡散層に十分に接触することができる。また、燃料室内の水素ガス及び酸素室内の空気は、凸条14b及び15bの開口を通しても移動することができるので、燃料室内の水素ガスの流れ及び酸素室内の空気の流れがスムーズになる。特に、生成水や空気中に供給された水によって、酸素室内において水滴が発生し、該水滴が隣接する谷部14a間の流路を塞(ふさ)いでしまった場合、空気は凸条14bの開口を通して隣接する流路に流れ込むことができるので、空気の流れが阻害されることがない。なお、逆拡散水によって燃料室内に水滴が発生した場合も同様である。
Further, since the air electrode side collector 14 and the fuel
さらに、空気極側コレクタ14及び燃料極側コレクタ15は、開いた冷却系の装置の冷却器として機能する。すなわち、空気及び水素ガスは酸素室内及び燃料室内を流通する際に単位セル11を冷却するが、この場合、空気極側コレクタ14及び燃料極側コレクタ15が冷却器の一種である冷却フィンとして機能する。そのため、開いた冷却系による冷却能力が向上する。特に、空気中に水を供給するようにした場合には冷却能力が向上するが、この場合、前述のように酸素室内において水滴が発生しても、空気の流れが阻害されないので、冷却能力が低下してしまうことがない。
Further, the air electrode side collector 14 and the fuel
次に、前記構成の燃料電池システムの動作について説明する。 Next, the operation of the fuel cell system having the above configuration will be described.
図6は本発明の第1の実施の形態における燃料電池システムの起動動作を示すフローチャート、図7は本発明の第1の実施の形態における燃料電池システムの空気供給量制御の動作を示すフローチャートである。 FIG. 6 is a flowchart showing the start-up operation of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 7 is a flowchart showing the air supply amount control operation of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention. is there.
まず、起動時における動作について説明する。燃料電池システムを起動するためには、オペレータは、図示されない起動用のスイッチをオンする(ステップS1)。すると、冷媒供給ポンプ54及び冷媒排出ポンプ51、すなわち、冷媒ポンプがオンになり(ステップS2)、冷媒の循環が開始され、セパレータ本体41内の冷媒流路45を通って冷媒が流通する。続いて、燃料電池スタック20に酸化剤としての空気を供給する装置、すなわち、空気供給系がオンになる(ステップS3)。この場合、燃料電池スタック20の単位セル11に異常反応が発生しないようにするため、空気供給ポンプ75が供給する空気の量が最大となるように制御される。続いて、燃料電池スタック20に燃料ガスとしての水素ガスを供給する装置、すなわち、水素供給系がオンになり(ステップS4)、起動動作が終了する。これにより、定常運転に移行し、燃料電池スタック20が発生した電流が負荷や二次電池に供給される。
First, the operation at startup will be described. In order to start the fuel cell system, the operator turns on a start switch (not shown) (step S1). Then, the
なお、燃料電池システムが、酸素室に供給される空気中に水をスプレーして供給する装置を有するものである場合には、水素供給系がオンになる前に、酸素室に供給される空気中への水の供給を開始させることが望ましい。これは、起動時においては、空気供給系がオンであるか否かに関わらず、単位セル11に空気が存在しているので、固体高分子電解質膜が乾燥した状態で水素ガスを供給すると、異常燃焼が発生する可能性があるからである。そのため、異常燃焼によって異常熱が発生した場合であっても、単位セル11がダメージを被らないように、水素ガスを供給する前に水を供給し、あらかじめ単位セル11の空気極を濡らしておく必要がある。これにより、異常熱を水の蒸発熱に変換し、更には、固体高分子電解質膜の湿潤を促進して、単位セル11のダメージを未然に防止することができる。 In the case where the fuel cell system has an apparatus for spraying and supplying water into the air supplied to the oxygen chamber, the air supplied to the oxygen chamber before the hydrogen supply system is turned on. It is desirable to start supplying water into it. This is because, at the time of startup, air is present in the unit cell 11 regardless of whether the air supply system is on or not, so when hydrogen gas is supplied in a state where the solid polymer electrolyte membrane is dry, This is because abnormal combustion may occur. Therefore, even if abnormal heat is generated due to abnormal combustion, water is supplied before supplying the hydrogen gas so that the unit cell 11 is not damaged, and the air electrode of the unit cell 11 is wetted in advance. It is necessary to keep. Thereby, abnormal heat can be converted into water evaporation heat, and further, wetting of the solid polymer electrolyte membrane can be promoted to prevent damage to the unit cell 11 in advance.
なお、起動動作が終了した後は、水素ガス供給量制御、空気供給量制御及び水供給量制御とが並列に実行される。水素ガス供給量制御においては、第1の水素供給調圧弁25a及び第2の水素供給調圧弁25bが、爆発限界以下の所定の濃度で水素ガスが燃料極に供給されるように調節される。そして、起動時に閉状態の水素排気弁62をあらかじめ定められた規則に基づいて開放し、水素分圧の低下した燃料ガスを排気し、燃料極の雰囲気ガスをリフレッシュする処理が行われる。この際のあらかじめ定められた規則は、メモリ82に保存されており、第1の水素供給調圧弁25a及び第2の水素供給調圧弁25bの調節、並びに、水素排気弁62の開閉は、制御装置81が前記規則をメモリ82から読み出すことによって実行される。なお、水素排気弁62を運転時に適宜開放するのは、水素排気弁62を閉じた状態で燃料電池システムの運転を続けると、空気極より透過するN2 、02 又は生成水の影響によって、燃料極で消費される水素の分圧が徐々に低下し、これに従って燃料電池スタック20の出力電圧も低下し、安定した電圧が得られなくなるためである。
In addition, after starting operation is complete | finished, hydrogen gas supply amount control, air supply amount control, and water supply amount control are performed in parallel. In the hydrogen gas supply amount control, the first hydrogen supply
また、空気供給量制御においては、まず、燃料電池スタック20から排出された直後の排出空気の温度検出が排出空気温度計74によって行われる(ステップS11)。そして、制御装置81は、検出された排出空気の温度が80〔℃〕以下であるか否かを判断する(ステップS12)。ここで、排出空気の温度が80〔℃〕以下でない、すなわち、80〔℃〕を超えている場合、単位セル11が焼き付く可能性があるので、制御装置81は風量アップを行う(ステップS13)。具体的には、空気供給ポンプ75の回転数を上げて空気の供給量を増加させ、熱発生源である空気極の温度を低下させる。
In the air supply amount control, first, the temperature of the discharged air immediately after being discharged from the
一方、排出空気の温度が80〔℃〕以下である場合、制御装置81は燃料電池スタック20、すなわち、FC本体の負荷を検出する(ステップS14)。そして、制御装置81は空気の供給量、すなわち、風量が最適であるか否かを判断する(ステップS15)。この場合、燃料電池スタック20の負荷とその状態で必要とする風量との関係を、メモリ82内にテーブル形式で保存されている関係に照らし合わせることによって、風量が最適であるか否かを判断する。そして、風量が最適でない場合、制御装置81は風量調節を行う(ステップS16)。具体的には、空気供給ポンプ75の回転数を調節して風量を調節する。また、風量が最適である場合には処理を終了する。
On the other hand, when the temperature of the exhaust air is 80 [° C.] or less, the
なお、水素ガス供給量制御においては、水素圧センサ27及び28によって燃料貯蔵手段73側の水素ガスの圧力が検出され、制御装置81は、第1の水素供給調圧弁25a及び第2の水素供給調圧弁25bを調節することによって、燃料電池スタック20に供給される水素ガスの圧力が所定の値となるように調節する。また、制御装置81は、燃料供給電磁弁26の開閉を制御することによって、水素ガスの燃料電池スタック20への供給を制御する。なお、水素ガスの燃料電池スタック20への供給を遮断する場合は、燃料供給電磁弁26を閉鎖する。
In the hydrogen gas supply amount control, the
このように、本実施の形態においては、複数の冷却系によって燃料電池スタック20を冷却するようになっている。すなわち、冷媒供給管路53、冷媒排出管路71、冷媒貯留容器52等を含む閉じた冷却系の装置によって循環させられる冷媒が、セパレータユニット12のセパレータ本体41内に形成された冷媒流路45内を流通して各セルモジュール10を冷却する。また、燃料電池スタック20に水素ガス及び空気を供給する装置を含む開いた冷却系の装置によって供給される水素ガス及び空気が、セルモジュール10内の燃料室及び酸素室を流通してセルモジュール10を冷却する。そのため、複数の冷却系のうちのいずれかをオンオフさせることによって、冷却能力を広汎な範囲で制御することができる。これにより、冷却能力が高く、冷却能力を容易に、かつ、適切に調整することができ、広汎な温度範囲においても、温度変化の大きい環境においても、燃料電池スタック20の温度を適切な温度に維持することができ、出力を高めることができる燃料電池システムを得ることができる。
Thus, in the present embodiment, the
また、閉じた冷却系によって供給される冷媒は、セパレータユニット12内において、単位セル11に近接して平行に配設され、燃料室及び酸素室を仕切るためのセパレータ本体41内を流通するので、単位セル11を高い効率で冷却することができる。さらに、セパレータユニット12と単位セル11とは、金属製の空気極側コレクタ14及び燃料極側コレクタ15によって接続されているので、熱伝達率が高く、前記冷媒によって単位セル11を高い効率で冷却することができる。さらに、セパレータ本体41内に形成された冷媒流路45が蛇行状であって、冷媒の流路長が長いので、冷媒による冷却能力を向上させることができる。
Further, the refrigerant supplied by the closed cooling system is disposed in parallel in the separator unit 12 in the vicinity of the unit cell 11, and flows through the
また、空気極側コレクタ14及び燃料極側コレクタ15は、冷却フィンとして機能し、開いた冷却系の水素ガス及び空気に単位セル11の熱を伝達するので、水素ガス及び空気によって単位セル11を高い効率で冷却することができる。この場合、空気極側コレクタ14及び燃料極側コレクタ15が網目状の開口を有するので、燃料室内の水素ガス及び酸素室内の空気の流通が空気極側コレクタ14及び燃料極側コレクタ15によって阻害されることがない。そのため、燃料室内の水素ガス及び酸素室内の空気の圧力損失を低減することができる。
Further, the air electrode side collector 14 and the fuel
さらに、燃料電池スタック20の単位セル11を湿潤な状態に維持するために、酸素室に供給される空気中に水をスプレーして供給するようになっている場合には、水の気化潜熱等によって、一層の冷却効果を期待することができる。もっとも、この場合には、余剰の水分によって酸素室内に水滴が発生する可能性があるが、該水滴が空気極側コレクタ14の隣接する谷部14a間の流路を塞いでしまったときでも、空気は凸条14bの開口を通して隣接する流路に流れ込むことができるので、空気の流れが阻害されることがない。そのため、酸素室内の空気の圧力損失を低減することができ、スプレーされた水による冷却効果をフルに期待することができる。また、空気中に供給される水の量が過剰になっても、酸素室内の空気の流れが阻害されることがないので、空気中に供給される水の量の制御を容易に行うことができる。そのため、単位セル11の湿潤状態の管理を容易に行うことができる。
Further, in order to maintain the unit cell 11 of the
また、空気極側コレクタ14及び燃料極側コレクタ15は、凸条14b及び15bを有する波板状となっていて、凸条14b及び15bの頂部がセパレータ本体41の平坦(たん)な側面に当接し、凸条14b及び15b間の谷部14a及び15aの平面が単位セル11の空気極側及び燃料極側の電極拡散層に当接するようになっている。そのため、セパレータ本体41と空気極側コレクタ14及び燃料極側コレクタ15との間の熱伝導性及び電気伝導性を良好なものとすることができる。これにより、冷媒による単位セル11の冷却効果を向上させるとともに、燃料電池スタック20の集電抵抗を低減することができる。さらに、セパレータ本体41は、内部に冷媒流路45が形成されているが、両側の面が各所で結合されているので、前記両側の面の間の電気伝導性を良好なものとすることができるので、燃料電池スタック20の集電抵抗を低減することができる。
Further, the air electrode side collector 14 and the fuel
さらに、セパレータ本体41は、2枚の平板状の金属製板材を貼り合わせて形成され、両側の面が各所で結合されているので、剛性が高く変形し難くなっている。そのため、燃料電池スタック20の酸素室に供給される空気の圧力が大気圧よりも高くなるように加圧された状態となる加圧システムに適用することができる。セパレータ本体41は、2枚の平板状の金属製板材を貼り合わせて形成された簡素な構造を備えているので、セパレータユニット12のコストを低減することができる。
Furthermore, the separator
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。なお、第1の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第1の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。 Next, a second embodiment of the present invention will be described. In addition, about the thing which has the same structure as 1st Embodiment, the description is abbreviate | omitted by providing the same code | symbol. The description of the same operation and the same effect as those of the first embodiment is also omitted.
図8は本発明の第2の実施の形態における燃料電池システムのセパレータ本体の構成を示す図である。なお、図8(a)は平面図、図8(b)は側面図である。 FIG. 8 is a diagram showing the configuration of the separator body of the fuel cell system according to the second embodiment of the present invention. 8A is a plan view and FIG. 8B is a side view.
本実施の形態におけるセパレータ本体41は、前記第1の実施の形態と同様に、2枚の平板状の金属製板材を貼り合わせて形成され、内部に冷媒流路を備えるものであるが、一方の板材47の内側となる面には、図8に示されるように、複数の突起48が形成されている。そして、該突起48が形成された面に他方の板材を重ね合わせ、突起48の頂部に他方の板材の内側の面を当接させることによって、冷媒流路を備えるセパレータ本体41を得ることができる。この場合、セパレータ本体41の両側の面が複数の突起48によって結合されているので、前記両側の面の間の電気伝導性を良好なものとすることができる。また、前記セパレータ本体41内の冷媒流路中に複数の突起48が存在するので、冷媒とセパレータ本体41との熱交換効率が向上し、冷媒による冷却能力を向上させることができる。
As in the first embodiment, the
次に、本発明の第3の実施の形態について説明する。なお、第1及び第2の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第1及び第2の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。 Next, a third embodiment of the present invention will be described. In addition, about the thing which has the same structure as 1st and 2nd embodiment, the description is abbreviate | omitted by providing the same code | symbol. Also, the description of the same operations and effects as those of the first and second embodiments is omitted.
図9は本発明の第3の実施の形態における燃料電池システムの燃料極側コレクタの構成を示す図である。なお、図9(a)は平面図、図9(b)は図9(a)のD−D矢視断面図、図9(c)は図9(a)のE−E矢視断面図である。 FIG. 9 is a diagram showing the configuration of the fuel electrode side collector of the fuel cell system according to the third embodiment of the present invention. 9A is a plan view, FIG. 9B is a cross-sectional view taken along the line DD in FIG. 9A, and FIG. 9C is a cross-sectional view taken along the line EE in FIG. 9A. It is.
本実施の形態において、集電体としての燃料極側コレクタ17は、開口を有していない金属板から成り、プレス加工によって形成された細かい凸条17d及び谷部が交互に形成され、凹溝17a及び凹溝17bを有する波板とされている。なお、凹溝17a及び凹溝17bの一方を谷部とすると他方のは凸条17dの裏側に該当する。前記凹溝17a及び凹溝17bは、板材の縦辺方向、すなわち、図9(a)における横方向に延在し、平行に等間隔で、板面を完全に縦断する配置とされている。そして、燃料極側コレクタ17の凹溝17aが形成されている側(図9(b)における右側)の面が単位セル11の燃料極側の電極拡散層に当接して単位セル11との間に燃料室を形成し、前記凹溝17a内を水素ガスが流通する。また、燃料極側コレクタ17の凹溝17bが形成されている側(図9(b)における左側)の面がセパレータ本体41の側面に当接し、前記凹溝17b内を冷媒が流通する。なお、本実施の形態において、セパレータ本体41は、内部に冷媒流路45を有しておらず、一枚の板材から成るものである。そして、隣接する凹溝17a同士を連結する逃げ溝17cが形成されているので、燃料室内に発生した水滴によって一部の凹溝17aが塞がれても、水素ガスは逃げ溝17cを通って隣接する凹溝17aに流れ込むことができるので、水素ガスの流れが阻害されることがない。
In the present embodiment, the fuel
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。 In addition, this invention is not limited to the said embodiment, It can change variously based on the meaning of this invention, and does not exclude them from the scope of the present invention.
11 単位セル
12 セパレータユニット
14 空気極側コレクタ
14a、15a 谷部
14b、15b、17d 凸条
15、17 燃料極側コレクタ
17a、17b 凹溝
20 燃料電池スタック
41 セパレータ本体
45 冷却流路
48 突起
11 Unit cell 12 Separator unit 14 Air electrode side collectors 14a,
Claims (3)
前記セパレータユニットは、前記燃料極に供給される燃料ガスと前記酸素極に供給される空気とを遮断する板状のセパレータ本体と、
該セパレータ本体と別の部材であって、前記セパレータ本体の酸素極側に設けられ、前記燃料電池で発生した熱を放熱するとともに集電する網目状の集電体とを備え、
前記セパレータ本体は前記燃料電池を冷却するための冷媒流路が内部に形成されており、
前記集電体は、網目状の開口を備えるメタル板材から成るとともに、該メタル板材にプレス加工によって形成された複数の並行する凸条を備える波板であり、
前記凸条間の谷部の平面は前記酸素極の電極拡散層に当接する電極当接部であり、前記凸条の頂部は前記セパレータ本体の平坦な側面に当接するセパレータ当接部であり、前記凸条の頂部の幅は前記凸条間の谷部の平面の幅より狭いことを特徴とする燃料電池スタック。 The fuel cell in which the electrolyte layer is sandwiched between the fuel electrode and the oxygen electrode is a fuel cell stack in which the separator unit is sandwiched,
The separator unit includes a plate-shaped separator body for blocking the air and fuel gas supplied to the oxygen electrode supplied before Symbol fuel electrode,
The separator body is a separate member, and is provided on the oxygen electrode side of the separator body, and includes a mesh-like current collector that radiates heat and collects heat generated in the fuel cell,
The separator body has a coolant channel formed therein for cooling the fuel cell,
The current collector is a corrugated plate comprising a metal plate having a mesh-shaped opening, and having a plurality of parallel protrusions formed by pressing the metal plate.
The plane of the valleys between the ridges is in contact with the electrode contact portion to the electrode diffusion layer of the oxygen electrode, the top of the ridges Ri abuts separator abutment der the flat side of the separator body The fuel cell stack is characterized in that the width of the top of the ridge is narrower than the width of the plane of the valley between the ridges .
前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料供給系と、
前記集電体を通して前記酸素極に空気を供給する酸化剤供給系と、
前記冷媒流路に冷媒を供給する冷却系とを有し、
前記セパレータユニットは、前記燃料極に供給される燃料ガスと前記酸素極に供給される空気とを遮断する板状のセパレータ本体と、
該セパレータ本体と別の部材であって、前記セパレータ本体の酸素極側に設けられ、前記燃料電池で発生した熱を放熱するとともに集電する網目状の集電体とを備え、
前記セパレータ本体は前記燃料電池を冷却するための冷媒流路が内部に形成されており、
前記集電体は、網目状の開口を備えるメタル板材から成るとともに、該メタル板材にプレス加工によって形成された複数の並行する凸条を備える波板であり、
前記凸条間の谷部の平面は前記酸素極の電極拡散層に当接する電極当接部であり、前記凸条の頂部は前記セパレータ本体の平坦な側面に当接するセパレータ当接部であり、前記凸条の頂部の幅は前記凸条間の谷部の平面の幅より狭いことを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell in which an electrolyte layer is sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode includes a refrigerant flow path for cooling the fuel cell, and a net-like current collector that radiates heat and collects heat generated in the fuel cell. A fuel cell stack stacked with a separator unit in between;
A fuel supply system for supplying fuel gas to the fuel electrode;
An oxidant supply system for supplying air to the oxygen electrode through the current collector;
A cooling system for supplying a refrigerant to the refrigerant flow path,
The separator unit includes a plate-shaped separator body for blocking the air and fuel gas supplied to the oxygen electrode supplied before Symbol fuel electrode,
The separator body is a separate member, and is provided on the oxygen electrode side of the separator body, and includes a mesh-like current collector that radiates heat and collects heat generated in the fuel cell,
The separator body has a coolant channel formed therein for cooling the fuel cell,
The current collector is a corrugated plate comprising a metal plate having a mesh-shaped opening, and having a plurality of parallel protrusions formed by pressing the metal plate.
The plane of the valleys between the ridges is in contact with the electrode contact portion to the electrode diffusion layer of the oxygen electrode, the top of the ridges Ri abuts separator abutment der the flat side of the separator body The fuel cell system is characterized in that the width of the top of the ridge is narrower than the width of the plane of the valley between the ridges .
該温度計が検出した排出空気の温度が所定値以上の場合、前記酸素極に供給される空気の量又は前記冷媒流路に供給される冷媒の量の少なくとも一方を増加させる制御装置とを更に有する請求項2に記載の燃料電池システム。 A thermometer for detecting the temperature of the exhaust air discharged from the oxygen electrode;
A controller that increases at least one of the amount of air supplied to the oxygen electrode and the amount of refrigerant supplied to the refrigerant flow path when the temperature of the exhaust air detected by the thermometer is equal to or higher than a predetermined value; The fuel cell system according to claim 2 .
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