JP5070966B2 - 燃料電池システム、および、燃料電池の制御方法 - Google Patents
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Description
供給されたほぼすべての燃料ガスをアノード反応部で消費する態様を含む燃料電池システムであって、
発電セル内にアノードガスを導入する導入口と、
前記導入口から供給されたアノードガスをセル面内方向に導く第1のガス流路と、
前記アノード反応部に沿って延在し、
前記第1のガス流路より流れの抵抗が高く、第1のガス流路から第2のガス流路へのアノードガスの流入を妨げつつも、セル面内方向に分布した複数の連通部を介して、第1のガス流路から第2のガス流路へアノードガスを導く高抵抗部と、
を備える。
前記高抵抗部は、前記アノード反応部のうち一の領域に対応した一の連通部と、他の領域に対応した他の連通部とを有し、
前記一の領域で消費されるアノードガスは、前記高抵抗部のうち一の連通部を通過したガスの比率が、他の連通部を通過したガスの比率より高い、
あるいは、
前記高抵抗部は、前記アノード反応部のうち一の領域に対応した一の連通部と、他の領域に対応した他の連通部とを有し、
前記一の連通部を通過したアノードガスは、前記アノード反応部のうちの一の領域で消費される比率が、他の領域で消費される比率より高い
といった構成も可能である。
A.第1実施例:
A1.燃料電池システムの構成:
図1は、本発明の第1実施例としての燃料電池システム1000の概略構成を示す説明図である。本実施例の燃料電池システム1000は、モータで駆動する電気車両に、電源として搭載されている。
図2は、第1実施例の制御ユニット80内の始動制御処理を実行するための機能ブロックを示す説明図である。図示するように、制御ユニット80は、要求出力入力部81と、運転条件入力部82と、判断部83と、テーブル記憶部84と、タイマ85と、出力制御信号生成部86と、を備えている。
図3は、第1実施例の始動制御処理の流れを示すフローチャートである。この処理は、燃料電池スタック100の始動時に、制御ユニット80のCPUが実行する処理である。なお、この処理を開始するに際し、タイマ85では、前回の燃料電池スタック100による発電が停止されてからの発電停止時間が計測されている。
先に説明したように、本実施例の燃料電池システム1000では、酸化剤ガスとして、空気を用いているため、燃料電池ユニット40に備えられた膜電極接合体では、空気中に含まれる発電に寄与しないガスである窒素等の不純物ガスが、電解質膜を介して、カソード側からアノード側に透過する。そして、このカソード側からアノード側への不純物ガス(窒素)の透過は、燃料電池スタック100による発電停止中にも継続して生じ、アノード側に不純物ガスが滞留する。
B1.燃料電池システムの構成:
図4は、本発明の第2実施例としての燃料電池システム1000Aの概略構成を示す説明図である。第2実施例の燃料電池システム1000Aの構成は、燃料電池スタック100Aの構成が、第1実施例における燃料電池スタック100と異なっている。すなわち、本実施例の燃料電池スタック100Aでは、各燃料電池ユニット40A内に、それぞれ、膜電極接合体のアノードにおける水素濃度を検出するための水素濃度センサ44が備えられている。水素濃度センサ44は、本発明における濃度センサに相当する。また、制御ユニット80Aが実行する始動制御処理の内容が、第1実施例における制御ユニット80と異なっている。そして、このこと以外は、先に説明した第1実施例の燃料電池システム1000と同じである。なお、各燃料電池ユニット40Aにおいて、各水素濃度センサ44は、先に説明した不純物ガスが滞留しやすい、水素の流れ方向の下流領域に備えられている。
図5は、第2実施例の制御ユニット80A内の始動制御処理を実行するための機能ブロックを示す説明図である。図示するように、制御ユニット80Aは、要求出力入力部81と、水素濃度入力部87と、判断部83Aと、出力制御信号生成部86と、を備えている。
図6は、第2実施例の始動制御処理の流れを示すフローチャートである。この処理は、燃料電池スタック100Aの始動時に制御ユニット80AのCPUが実行する処理である。
以上説明した第2実施例の燃料電池システム1000Aによれば、先に説明した第1実施例と同様に、始動制御処理において、燃料電池スタック100Aの始動時に、燃料電池スタック100Aの出力を禁止するので(図6のステップS210)、先に説明した燃料電池スタック100Aの始動時の、膜電極接合体のアノードにおける局所的な不純物ガスの滞留に起因する不具合を抑制することができる。
C1.燃料電池システム:
図7は、本発明の第3実施例としての燃料電池システム1000Bの概略構成を示す説明図である。第3実施例の燃料電池システム1000Bの構成は、燃料電池スタック100Bの構成が、第1実施例における燃料電池スタック100と異なっている。すなわち、本実施例の燃料電池スタック100Bでは、各燃料電池ユニット40Bに、それぞれ、膜電極接合体のアノードとカソードとの間の電圧(セル電圧)を検出するための電圧センサ45が備えられている。電圧センサ45は、本発明における電圧検出部に相当する。また、制御ユニット80Bが実行する始動制御処理の内容が、第1実施例における制御ユニット80と異なっている。そして、このこと以外は、先に説明した第1実施例の燃料電池システム1000と同じである。
図8は、第3実施例の制御ユニット80B内の始動制御処理を実行するための機能ブロックを示す説明図である。図示するように、制御ユニット80Bは、要求出力入力部81と、セル電圧入力部88と、判断部83Bと、タイマ85と、出力制御信号生成部86と、警報処理部89と、を備えている。
図9は、第3実施例の始動制御処理の流れを示すフローチャートである。この処理は、燃料電池スタック100Bの始動時に制御ユニット80BのCPUが実行する処理である。
以上説明した第3実施例の燃料電池システム1000Bによれば、先に説明した第1実施例と同様に、始動制御処理において、燃料電池スタック100Bの始動時に、燃料電池スタック100Bの出力を禁止するので(図9のステップS310)、先に説明した燃料電池スタック100Bの始動時の、膜電極接合体のアノードにおける局所的な不純物ガスの滞留に起因する不具合を抑制することができる。
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。
上記第1実施例では、制御ユニット80の運転条件入力部82は、燃料電池スタック100の運転条件として、燃料電池スタック100の始動時に温度センサ42によって検出された燃料電池ユニット40の温度、および、圧力センサ54によって検出された水素供給圧力と、タイマ85によって計測された燃料電池スタック100による発電停止時間を取得するものとしたが、本発明は、これに限られない。上記運転条件に、燃料電池スタック100の発電停止時間を含めないものとしてもよい。さらに、上記運転条件に、温度センサ42によって検出された燃料電池ユニット40の温度、および、圧力センサ54によって検出された水素供給圧力の一方を含めないものとしてもよい。これらの場合、図2に示したテーブルは、運転条件入力部82が取得する運転条件の種類に応じて用意すればよい。
上記第1実施例では、燃料電池スタック100において、温度センサ42は、燃料電池スタック100における最端部に配置された、温度が最も低下しやすい燃料電池ユニット40に備えられるものとしたが、本発明は、これに限られない。例えば、燃料電池スタック100におけるすべての燃料電池ユニット40に温度センサ42を備えるものとしてもよい。また、配管72に温度センサを備えるようにして、配管72内を流れる冷却水の温度に基づいて、燃料電池ユニット40の温度を推定するようにしてもよい。
上記第2実施例では、燃料電池スタック100Aの燃料電池ユニット40Aに水素濃度センサ44を備えるものとしたが、本発明は、これに限られない。水素濃度センサ44の代わりに、不純物濃度を検出可能なセンサ、例えば、窒素濃度センサを備えるものとしてもよい。
上記第2実施例では、燃料電池スタック100Aのすべての燃料電池ユニット40Aに水素濃度センサ44を備えるものとしたが、本発明は、これに限られない。例えば、燃料電池スタック100Aの中に、故意に、局所的な不純物の滞留が生じやすい燃料電池ユニット40Aを配置するようにして、その燃料電池ユニット40Aのみに44水素濃度センサ44を備えるようにしてもよい。
上記第3実施例では、制御ユニット80Bは、警報処理部89を備えるものとしたが、これを省略してもよい。
上記第1ないし第3実施例では、始動制御処理において、燃料電池スタックへの水素、および、酸素の供給直後は、出力を禁止するものとしたが、本発明は、これに限られない。燃料電池スタックの出力を、要求出力よりも小さい出力(ゼロを除く)に制限するようにしてもよい。
上記第1ないし第3実施例では、始動制御処理において、燃料電池スタックのアノードへの水素の供給、および、カソードへの空気の供給は、同時に行うものとしたが、それぞれ異なるタイミングで行うものとしてもよい。例えば、燃料電池スタックのアノードへの水素の供給を、カソードへの空気の供給よりも先に行うようにすれば、アノードに滞留していた不純物ガスが、電解質膜を介して、カソード側に透過(拡散)するのを促進することができる。
上記第1実施例では、始動制御処理において、負荷からの燃料電池システム1000に対する要求出力に基づいて、燃料電池スタック100のアノード、および、カソードに、それぞれ、水素、および、空気を供給させ、燃料電池スタック100の出力を禁止するものとしたが(図3のステップS100,ステップS110)、本発明は、これに限られない。始動制御処理において、負荷からの要求出力とは無関係に、燃料電池スタック100の出力を制限するようにしてもよい。この場合の燃料電池スタック100のアノードへの水素の供給量は、任意に設定可能である。これは、第2実施例、および、第3実施例における始動制御処理においても同様である。
上述した実施例では、アノードに供給された燃料ガスが、ほぼ全量、アノードで消費される構造を採用しているが、係る構造での運転が可能としているアノードへの燃料供給の流路構成としては、種々の構成が採用可能である。代表的な流路構成として、ここでは、上述した構成(以下、「シャワー流路タイプ」と呼ぶ)の他、櫛歯型の構成や循環型の構成などを挙げることができる。まず、シャワー流路タイプの変形例から説明する。
上述した実施例では、燃料ガス流路について、詳細な説明を省略したが、燃料ガスの流路の形態は種々の構成を採ることができる。
図19は、燃料ガスの供給形態の変形例の一つとして、循環路タイプの燃料電池6000の内部構成を模式的に示す説明図である。図示するように、本変形例の燃料電池6000では、アノード側セパレータ6200に、燃料ガス流路となる凹部6220と燃料ガス入口ポート6210と規制板6230とが設けられている。燃料ガス流路となる凹部6220は、アノード側セパレータ6200の膜電極接合体のアノード6100と対向する領域に亘って形成されている。アノード側セパレータ6200における燃料ガス入口ポート6210には、ノズル6300が、凹部6220に向けて燃料ガスを噴出可能に取り付けられている。このノズル6300から燃料ガスを噴出することによって、燃料ガス入口ポート6210から、凹部6220内に燃料ガスが供給される。規制板6230は、燃料ガスの流れ方向を規制する部材であり、ノズル6300の近傍から、凹部6220の中心付近に向けて、凹部6220の底面から立設されている。規制板6230のノズル6300に近い側の端部は、ノズル6300の側面形状に合わせて湾曲され、ノズル6300との間で通路Aを形成している。
図20及び図21を用いて、上述した実施例の変形例12及び変形例13について説明する。図20は、変形例12についての燃料ガスの流れを説明する説明図である。図21は、変形例13についての燃料ガスの流れを説明する説明図である。まず、両変形例に共通する構成から説明する。これらの変形例12,13の燃料電池では、発電体は、フレーム7550と膜電極ガス拡散層接合体(MEGA)7510と多孔体7540を備える。フレーム7550の中央部には、MEGA7510を嵌め込むための開口部7555が設けられており、この開口部7555を覆うように、MEGA7510が配置される。多孔体7540はMEGA7510の上に配置される。また、フレーム7550の外周部には、燃料ガスや空気、あるいは冷却水が通る貫通孔が複数設けられているのは、上述した実施例と同一である。
上記実施例の燃料電池では、内部構造についての詳細な説明は省略したが、アノード側の燃料ガス供給流路、および、カソード側の酸化剤ガス供給流路は、それぞれ、一層の金属多孔体によって形成されている。しかし、燃料ガス供給流路や、酸化剤ガス供給路の構成はこれに限られるものではない。例えば、燃料ガス供給流路や、酸化剤ガス供給流路を、セパレータに形成されたリブを用いて、ストレート型若しくはサーペンタイン型に形成してもよいし、複数のディンプルを用いて形成してもよい。このようにすれば、簡易な構成で、燃料ガス供給流路や、酸化剤ガス供給流路を形成することができる。これらは、燃料電池全体の構成や使用条件などに合わせて適切な構成を採用すればよい。
100,100A,100B...燃料電池スタック
10a,10b...エンドプレート
20a,20b...絶縁板
30a,30b...集電板
40,40A,40B...燃料電池ユニット
42...温度センサ
44...水素濃度センサ
45...電圧センサ
50...水素タンク
51...シャットバルブ
52...レギュレータ
53...配管
54...圧力センサ
60...コンプレッサ
61...配管
62...排出配管
63...圧力センサ
64...調圧バルブ
70...ポンプ
71...ラジエータ
72...配管
80,80A,80B...制御ユニット
81...要求出力入力部
82...運転条件入力部
83,83A,83B...判断部
84...テーブル記憶部
85...タイマ
86...出力制御信号生成部
87...水素濃度入力部
88...セル電圧入力部
89...警報処理部
2000...膜電極接合体
2014hm...分散板
2014hp...分散板
2100,2101,2102...分散板
2102t...突部
2110,2112...細孔
2130...パイプ
2140...フレーム
2141n...細孔
2142n...流路
2143n...細孔
2200...水素側電極
2201,2202,2203,2204...膜電極接合体
2300...電解質膜
2400...酸素側電極
5000...流路形成部材
5010...主流路
5020...副流路
5030...櫛歯流路
5100...流路形成部材
5110...外壁
5120...流路壁
5150...流入口
5200...流路形成部材
5210...外壁
5220...流路壁
5230...仕切壁
5250...流入口
6000...燃料電池
6100...アノード
6200...アノード側セパレータ
6210...燃料ガス入口ポート
6220...凹部
6230...規制板
6300...ノズル
6320...噴射孔
7417a,7417b...燃料ガス供給口
7517a,7517b...燃料ガス供給口
7540...多孔体
7550...フレーム
7555...開口部
Claims (7)
- 燃料電池システムであって、
電解質膜の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを接合してなる発電体を備え、前記アノードに供給された燃料ガスのほぼすべてを、外部に排出することなく、内部に滞留させた状態で発電に利用する燃料電池と、
前記アノードに、前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
前記カソードに、酸素と酸素以外の不純物ガスとを含む酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、
前記カソードにおいて、発電に利用されなかった酸化剤ガスであるカソードオフガスを、前記燃料電池の外部に排出するカソードオフガス排出部と、
負荷からの要求出力を入力する要求出力入力部と、
前記入力された要求出力に基づいて、前記燃料電池の出力を制御する出力制御部と、
前記アノードにおける前記不純物ガスの分圧と、前記カソードにおける前記不純物ガスの分圧との差が、所定値未満であるか否かを判断する判断部と、を備え、
前記出力制御部は、
前記入力された要求出力に基づいて、前記燃料ガス供給部と、前記酸化剤ガス供給部と、前記カソードオフガス排出部を制御して、前記アノード、および、前記カソードに、それぞれ、前記燃料ガス、および、前記酸化剤ガスを供給させ、前記カソードから、前記カソードオフガスを排出させるとともに、
前記燃料電池の始動時に、前記燃料電池の出力を、前記要求出力よりも小さい出力に制限し、前記燃料電池の始動後の所定のタイミングで、前記判断部によって、前記アノードにおける前記不純物ガスの分圧と、前記カソードにおける前記不純物ガスの分圧との差が、前記所定値未満であると判断された場合に、前記燃料電池の出力を、前記入力された要求出力に応じて制御する、
燃料電池システム。 - 請求項1記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池の始動時における前記燃料ガスの供給条件を含む前記燃料電池の運転条件を入力する運転条件入力部と、
前記運転条件と、前記燃料電池の始動から前記アノードにおける前記不純物ガスの分圧と前記カソードにおける前記不純物ガスの分圧との差が前記所定値未満になるまでの時間との対応関係を予め記録したテーブルを記憶するテーブル記憶部と、
前記燃料電池の始動時からの経過時間を計測するタイマと、を備え、
前記判断部は、
前記入力された運転条件、および、前記テーブルに基づいて、前記アノードにおける前記不純物ガスの分圧と前記カソードにおける前記不純物ガスの分圧との差が前記所定値未満になるまでの時間を設定し、前記タイマを参照することによって、前記アノードにおける前記不純物ガスの分圧と、前記カソードにおける前記不純物ガスの分圧との差が、前記所定値未満であるか否かを判断する、
燃料電池システム。 - 請求項2記載の燃料電池システムであって、
前記燃料ガスの供給条件は、前記燃料ガスの供給圧力、および、前記発電体の温度の少なくとも一方を含み、
前記燃料電池システムは、さらに、
前記燃料ガスの供給圧力を検出する圧力センサ、および、前記発電体の温度を検出する温度センサの少なくとも一方を備える、
燃料電池システム。 - 請求項3記載の燃料電池システムであって、
前記運転条件は、さらに、前記燃料電池の発電停止時間を含み、
前記タイマは、さらに、前記発電停止時間を計測し、
前記判断部は、前記タイマによって計測された前記停止時間を考慮して、前記アノードにおける前記不純物ガスの分圧と前記カソードにおける前記不純物ガスの分圧との差が前記所定値未満になるまでの時間を設定する、
燃料電池システム。 - 請求項1記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記アノードにおける前記不純物ガス、または、前記燃料ガスの濃度を検出する濃度センサを備え、
前記判断部は、前記濃度センサによって検出された前記不純物ガス、または、前記燃料ガスの濃度に基づいて、前記アノードにおける前記不純物ガスの分圧と前記カソードにおける前記不純物ガスの分圧との差が前記所定値未満であるか否かを判断する、
燃料電池システム。 - 請求項1記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記アノードと前記カソードとの間の電圧を検出する電圧検出部を備え、
前記判断部は、前記電圧検出部によって検出された電圧に基づいて、前記アノードにおける前記不純物ガスの分圧と前記カソードにおける前記不純物ガスの分圧との差が前記所定値未満であるか否かを判断する、
燃料電池システム。 - 電解質膜の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを接合してなる発電体を備え、前記アノードに供給された燃料ガスのほぼすべてを、外部に排出することなく、内部に滞留させた状態で発電に利用する燃料電池の制御方法であって、
負荷からの要求出力を取得する要求出力取得工程と、
前記取得した要求出力に基づいて、前記アノード、および、前記カソードに、それぞれ、前記燃料ガス、および、酸素と該酸素以外の不純物ガスとを含む酸化剤ガスを供給し、前記カソードにおいて、発電に利用されなかった酸化剤ガスであるカソードオフガスを、前記カソードから前記燃料電池の外部に排出するとともに、前記燃料電池の出力を制御する出力制御工程と、
前記アノードにおける前記不純物ガスの分圧と、前記カソードにおける前記不純物ガスの分圧との差が、所定値未満であるか否かを判断する判断工程と、を備え、
前記出力制御工程は、
前記燃料電池の始動時に、前記燃料電池の出力を、前記要求出力よりも小さい出力に制限し、前記燃料電池の始動後の所定のタイミングで、前記判断工程によって、前記アノードにおける前記不純物ガスの分圧と、前記カソードにおける前記不純物ガスの分圧との差が、前記所定値未満であると判断された場合に、前記燃料電池の出力を、前記入力された要求出力に応じて制御する出力制限工程を含む、
制御方法。
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