JP5470698B2 - Operation control apparatus and operation control method for fuel cell system - Google Patents
Operation control apparatus and operation control method for fuel cell system Download PDFInfo
- Publication number
- JP5470698B2 JP5470698B2 JP2007308956A JP2007308956A JP5470698B2 JP 5470698 B2 JP5470698 B2 JP 5470698B2 JP 2007308956 A JP2007308956 A JP 2007308956A JP 2007308956 A JP2007308956 A JP 2007308956A JP 5470698 B2 JP5470698 B2 JP 5470698B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- cooling water
- fuel cell
- flow path
- water
- operation control
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Description
この発明は、内部加湿気化潜熱冷却タイプの固体高分子型燃料電池を使用する燃料電池システムの運転を制御する装置及び方法に関する。 The present invention relates to an apparatus and a method for controlling the operation of a fuel cell system using a solid polymer fuel cell of the internal humidification latent heat cooling type.
燃料電池の電解質膜は、湿潤状態で高い発電効率を発揮する。そのため反応ガスに純水を供給して加湿しておくことで、電解質膜の湿潤状態を維持する。 The electrolyte membrane of the fuel cell exhibits high power generation efficiency in a wet state. Therefore, the wet state of the electrolyte membrane is maintained by supplying pure water to the reaction gas and humidifying it.
反応ガスに純水を供給する方法は、種々提案されているが、たとえば特許文献1では、触媒反応時に生成された反応水を回収し利用する燃料電池が提案されている。
しかしながら氷点下で運転しようとすると、反応水は純水であるので凍結してしまってうまく回収できないおそれがある。 However, when trying to operate below freezing point, the reaction water is pure water, so it may freeze and cannot be recovered well.
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、反応水を凍結させることなく回収でき氷点下においても運転可能な燃料電池システムの運転制御装置及び運転制御方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made paying attention to such a conventional problem, and provides an operation control device and an operation control method for a fuel cell system that can recover the reaction water without freezing it and can operate at below freezing point. For the purpose.
本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。 The present invention solves the above problems by the following means. In addition, in order to make an understanding easy, although the code | symbol corresponding to embodiment of this invention is attached | subjected, it is not limited to this.
本発明は、固体高分子型燃料電池(1)を使用する燃料電池システムの運転制御装置であって、燃料電池内部に存在する純水が凍結しない温度になるように冷却水の温度を調整可能な冷却水経路(500)を備え、前記固体高分子型燃料電池(1)は、電解質膜の一方の面に設けられたアノード電極層及びそのアノード電極層に隣設されるシールキャリアと、前記電解質膜のもう一方の面に設けられたカソード電極層と、前記アノード電極層に重なり、そのアノード電極層にアノードガスを供給するアノードガス流路を備えるアノードセパレータと、前記アノードセパレータに隣設され、前記シールキャリアに重なり、そのシールキャリアとの間に前記冷却水経路から供給された冷却水が通流する冷却体と、前記カソード電極層に重なり、そのカソード電極層にカソードガスを供給するカソードガス流路が形成されたカソードガス供給部と、そのカソードガス流路の下流に連続し前記冷却体に重なる位置に設けられてカソードガス流路を流れたカソードガスに含まれる水分を凝縮させてその水分でカソードガス流路に流れ込んでくるカソードガスを加湿させる凝縮水生成部(14)と、を備えるカソードセパレータと、を有することを特徴とする。 The present invention is an operation control device for a fuel cell system using a polymer electrolyte fuel cell (1), and the temperature of cooling water can be adjusted so that pure water present in the fuel cell does not freeze. The solid polymer fuel cell (1) includes an anode electrode layer provided on one surface of the electrolyte membrane, a seal carrier adjacent to the anode electrode layer, A cathode electrode layer provided on the other surface of the electrolyte membrane; an anode separator that includes an anode gas channel that overlaps the anode electrode layer and supplies anode gas to the anode electrode layer; and is adjacent to the anode separator. the overlap seal carrier, the cooling water supplied from the cooling water passage and a cooling body that flows between the seal carrier, overlapping the cathode electrode layer, the cathode A cathode gas supply section in which a cathode gas flow path for supplying a cathode gas to the electrode layer is formed, and a cathode that is provided downstream of the cathode gas flow path and that overlaps the cooling body and flows through the cathode gas flow path And a condensed water generation unit (14) for condensing the moisture contained in the gas and humidifying the cathode gas flowing into the cathode gas flow path with the moisture.
本発明によれば、冷却水経路から供給された冷却水によって、凝縮水生成部で、触媒反応によって生成された水分を凝縮するので、反応水を凍結させることなく回収でき氷点下においても運転可能となる。 According to the present invention, the water generated by the catalytic reaction is condensed in the condensed water generation unit by the cooling water supplied from the cooling water path, so that the reaction water can be recovered without freezing and can be operated below freezing point. Become.
以下では図面等を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明による燃料電池システムに使用する燃料電池スタックを示す断面図である。 FIG. 1 is a cross-sectional view showing a fuel cell stack used in a fuel cell system according to the present invention.
燃料電池スタック1は、複数の発電セル10を積層し、その両側からエンドプレート40で挟持する構成である。
The
発電セル10は、燃料電池の単位セルである。各発電セル10は、1ボルト(V)程度の起電圧を生じる。
The
発電セル10は、膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly;以下「MEA」という)11の表裏面にアノードセパレータ12及びカソードセパレータ13が積層された構造である。
The
MEA11は、イオン交換膜からなる電解質膜11aの一方の面にアノード電極層11bが設けられ、もう一方の面にカソード電極層11cが設けられる。MEA11は、極薄であり数十ミクロン厚程度である。
The
アノードセパレータ12は、アノード電極層11bに重なる。アノードセパレータ12には、アノード電極層11bへの対向面に、アノード電極層11bにアノードガスを供給するアノードガス流路12aが形成される。その反対面には、反応ガスを加湿する純水が流れる凹部12bが形成される。アノードセパレータ12は多孔質体である。なおガス圧力が常に水圧力よりも高く設定されることが望ましい。また、多孔質体は、水を透過しやすくするために、親水性であることが望ましい。
The
カソードセパレータ13は、カソード電極層11cに重なる。カソードセパレータ13には、カソード電極層11cへの対向面に、カソード電極層11cにカソードガスを供給するカソードガス流路13aが形成される。その反対面には、反応ガスを加湿する純水が流れる凹部13bが形成される。カソードセパレータ13は、透水性の多孔質体で形成される。なおガス圧力が常に水圧力よりも高く設定されることが望ましい。アノードセパレータ12の凹部12b及びカソードセパレータ13の凹部13bによって、純水が流れる純水流路が形成される。
The
図2はアノードセパレータを示す図であり、図2(A)はアノード電極層への対向面、図2(B)はその裏面である。 FIG. 2 is a view showing an anode separator, FIG. 2 (A) is a surface facing the anode electrode layer, and FIG. 2 (B) is a back surface thereof.
アノードセパレータ12は多孔質体である。図2(A)に示すように、アノードセパレータ12は、アノード電極層11bへの対向面に、アノードガス流路12aが形成されている。アノードガス流路12aは、アノード電極層11bに重なる。アノードガス入口マニホールド21aから流入したアノードガスは、アノードガス流路12aを流れてアノードガス出口マニホールド21bから流出する。また図2(B)に示すように、アノードセパレータ12は、アノード電極層11bへの対向面の反対面に、純水が流れる純水流路12bが形成される。この純水はアノードガス流路12aを流れるアノードガスを加湿する。アノードセパレータ12は、透水性の多孔体である。本実施形態では純水流路12bは、直線流路である。
The
アノードセパレータ12に隣設して冷却体14が設けられる。冷却体14は、後述のように、凝縮水生成流路132aに重なって凝縮水生成流路132aを流れるカソードガスを冷却する。冷却体14は高さ(図2の上下長)及び厚さ(図2の奥行長)がアノードセパレータ12と略同等である。冷却水が流れる冷却水通路14aは、冷却体14に流路が形成されおり、シールキャリアとの間で構成されている。なお冷却水流路14aは、アノードガス流路12a及びカソード流路13aに冷却水が流出しない構成とすればよい。たとえば、冷却体14を燃料電池積層方向で2枚のセパレータを重ねることとし、セパレータ間で冷却水流路14aを構成してもよい。冷却水入口マニホールド22aから流入した冷却水は、冷却水流路14aを流れて純水出口マニホールド22bから流出する。冷却体14は緻密な材料で形成される。このように緻密な材料を使用することにより、冷却水に不凍液を用いた場合でも燃料電池内部に不凍液が漏れて燃料電池の触媒が被毒することを防止できる。具体的な材質としては、たとえばカーボン材料や金属材料などであるが、導電性、熱伝導性、耐久性、積層に耐えうる強度を確保できる材料であればよい。なお緻密材と多孔質材とが連続する複合材を使用して、冷却体14とアノードセパレータ12と一体成形してもよい。
A
図3はカソードセパレータを示す図であり、図3(A)はカソード電極層への対向面、図3(B)はその裏面である。 FIG. 3 is a view showing a cathode separator, FIG. 3 (A) is a surface facing the cathode electrode layer, and FIG. 3 (B) is a back surface thereof.
図3(A)に示すように、カソードセパレータ13は、カソード電極層11cへの対向面に、ガス供給部131と、凝縮水生成部132と、を備える。
As shown in FIG. 3A, the
ガス供給部131は、カソード電極層11cに重なり、カソード電極層11cにカソードガスを供給する。ガス供給部131には、カソードガス流路131aが形成される。カソードガス流路131aには、カソードガス入口マニホールド23aからカソードガスが流入する。
The
凝縮水生成部132は、カソード電極層11cへの対向面のカソードガス流路131aの下流に連続する。凝縮水生成部132は、冷却体14に重なる。凝縮水生成部132には、凝縮水生成流路132aが形成される。凝縮水生成流路132aは、カソードガス流路131aを流れたカソードガスに含まれる水分を凝縮するための流路である。凝縮水生成流路132aを流れるカソードガスが、冷却体14で冷却されると、カソードガス中に含まれる反応水が凝縮する。
The condensed water production |
また図3(B)に示すように、カソードセパレータ13は、カソード電極層11cへの対向面の反対面に、純水が流れる純水流路13bが形成される。本実施形態では純水流路13bは、直線流路である。純水入口マニホールド24aから流入した純水は、純水流路13bを流れて純水出口マニホールド24bから流出する。
Further, as shown in FIG. 3B, the
図4は燃料電池スタックの積層状態を示す図であり、図1のIV-IV断面に相当する。 FIG. 4 is a view showing a stacked state of the fuel cell stack, and corresponds to a section taken along line IV-IV in FIG.
本発明は、燃料電池の触媒反応で生成された反応水が凍結する可能性のある氷点下においても燃料電池を運転可能な点に特徴がある。以下ではこれについて説明する。 The present invention is characterized in that the fuel cell can be operated even under a freezing point where the reaction water generated by the catalytic reaction of the fuel cell may freeze. This will be described below.
上述のように、アノードセパレータ12のアノードガス流路12aは、MEA11のアノード電極層11bに重なる。そして冷却体14がアノードセパレータ12に隣設される。カソードセパレータ13は、カソードガス流路131aがMEA11のカソード電極層11cに重なり、カソードガス流路131aの下流に凝縮水生成流路132aが連続する。カソードセパレータ13の凝縮水生成流路132aは、冷却体14に重なる。
As described above, the anode
このような構成であるので、燃料電池の触媒反応で生成された反応水が凍結する可能性のある氷点下においても燃料電池を運転するときに、アノードガス入口マニホールド21aからアノードガス流路12aにアノードガスを供給し、カソードガス入口マニホールド23aからカソードガス流路131aにカソードガスを供給する。すると触媒反応によって発電が生じて発熱し、また水(水蒸気)が生成される。その生成水(水蒸気)はカソードガスとともに下流に流れる。そして冷却体14の温度が水を凍結させない温度以上になっていれば、凝縮水生成流路132aを流れているカソードガスから液水が凝縮される。この凝縮水(液水)が、カソードガス入口マニホールド23aから流れ込んでくるカソードガスを加湿するので、発電を継続できる。このようにして燃料電池の触媒反応で生成された反応水が凍結する可能性のある氷点下においても、燃料電池を運転できるのである。
With such a configuration, when the fuel cell is operated even under a freezing point where the reaction water generated by the catalytic reaction of the fuel cell may be frozen, the anode gas is supplied from the anode
図5は、本発明による燃料電池システムの運転制御装置の構成を説明する図である。 FIG. 5 is a diagram illustrating the configuration of the operation control apparatus of the fuel cell system according to the present invention.
燃料電池システムの運転制御装置100は、アノードガス経路200と、カソードガス経路300と、純水経路400と、冷却水経路500と、を含み、コントローラ600によって作動が制御される。
The
アノードガス経路200は、燃料電池スタック1の上流側に、高圧水素タンク201と、水素調圧弁202と、を備え、燃料電池スタック1の下流側に、水素循環ポンプ203と、パージ弁204と、を備える。高圧水素タンク201は、アノードガスである水素を高圧状態で貯蔵するタンクである。水素調圧弁202は、高圧水素タンク201の圧力を適当な圧力に減圧調整する。水素循環ポンプ203は、水素を循環させる。水素循環ポンプ203の下流には水素循環流路205が設けられ、未燃焼の水素ガスを再度燃料電池スタック1に供給する。パージ弁204は、燃料電池スタック1の内部で電解質膜11aを介して、カソード電極層11cからアノード電極層11bへ透過してくる窒素などの不純ガスや、水素循環流路内部で結露した液水を系外へパージする。
The
カソードガス経路300は、燃料電池スタック1の上流側に、異物フィルタ301と、コンプレッサ302と、を備え、燃料電池スタック1の下流側に、圧力調整弁303を備える。異物フィルタ301は、空気(カソードガス)に含まれる異物を除去する。コンプレッサ302は、空気(カソードガス)を圧送して燃料電池スタック1に供給する。圧力調整弁303は、空気(カソードガス)の供給圧を調整する。
The
純水経路400は、燃料電池スタック1の上流側に、純水タンク401と、純水ポンプ402と、を備え、燃料電池スタック1の下流側に、パージ弁403を備える。純水タンク401は、純水を貯蔵するタンクである。純水ポンプ402は、純水タンク401に貯蔵されている純水を燃料電池へ圧送する。パージ弁403は、純水中の気泡をパージする。純水経路内の構成配管、構成部品の表面には、純水の抵抗値を増加させるイオン溶出物を防ぐコーティングを施しておくことが望ましい。また、ここで図示しないが、純水経路を燃料電池下流から純水タンクに再度戻す循環方式としてもよい。
The
冷却水経路500は、熱交換器501と、冷却水ポンプ502と、三方弁503と、水温センサ504と、を備える。熱交換器501は、燃料電池内部の凝縮熱交換によって冷却水が得た熱を外気に放熱する。熱交換器501の前方には、熱交換器501へ空気を送るファン505が設けられる。冷却水ポンプ502は、冷却水を循環させる。三方弁503は、冷却水が熱交換器501へ向かう流路と、熱交換器501をバイパスする流路と、を切り替える。水温センサ504は、燃料電池入口の冷却水温を検出する。なお冷却水に不凍液を用いることで氷点下環境下でも冷却水を循環可能である。なお図示を省略するが、燃料電池システムの補機類には、冷却が必要なものがある。また燃料電池を車両に搭載した場合は、駆動モータなどのように冷却が必要な部品がある。冷却水経路500を、このような部品を冷却するための経路と兼用させてもよい。このようにすれば、冷却水経路分の体積増加を抑えることができるとともに、氷点下環境下において燃料電池を速やかに暖機できる。
The cooling
コントローラ600は、燃料電池スタック1の運転状態を把握するための電流センサ601、電圧センサ602、水温センサ504などの信号に基づいて、冷却水ポンプ502、三方弁503、ファン505などを制御する。
The
図6は、本発明による燃料電池システムの運転制御装置の動作を説明するメインフローチャートである。コントローラ600は始動信号を検出したら、所定時間(例えば10ミリ秒)毎に図6の処理を繰り返し実行する。
FIG. 6 is a main flowchart for explaining the operation of the operation control device of the fuel cell system according to the present invention. When the
次に、このフローチャートに沿って本実施形態の燃料電池システムの運転制御装置の具体的な動作を説明する。 Next, a specific operation of the operation control device of the fuel cell system according to the present embodiment will be described along this flowchart.
ステップS1において、コントローラ600は、水温センサ504の信号に基づいて燃料電池入口の冷却水温Twを検出する。
In step S <b> 1, the
ステップS2において、コントローラ600は、暖機が必要であるか否かを判定する。具体的には、冷却水温Twが凍結基準温度Twfよりも小さいときには暖機が必要であると判定する。なお凍結基準温度Twfは、燃料電池内部に存在する純水が凍結する温度にマージンを考慮した温度である。暖機が必要であればステップS3へ処理を移行し、そうでなければステップS4へ処理を移行する。
In step S2, the
ステップS3において、コントローラ600は、暖機制御ルーチンを実行する。具体的な内容は後述する。
In step S3, the
ステップS4において、コントローラ600は、暖機完了後制御ルーチンを実行する。具体的な内容は後述する。
In step S4, the
図7は、暖機制御ルーチンのフローチャートである。 FIG. 7 is a flowchart of a warm-up control routine.
ステップS31において、コントローラ600は、三方弁503をバイパス流路側にする。このようにすることで燃料電池内部を含む冷却水バイパス経路を暖機できる。
In step S31, the
ステップS32において、コントローラ600は、冷却水ポンプ502の回転速度を低下させる。これによって燃料電池内部の温度勾配が大きくなり、凍結部位があっても速やかに解凍できる。なお冷却水ポンプ502の回転速度を低下させるにとどまらず停止してもよい。
In step S <b> 32, the
ステップS33において、コントローラ600は、ファン505を停止する。このようにすることで無駄な消費電力を低減する。
In step S33, the
図8は、暖機完了後制御ルーチンのフローチャートである。 FIG. 8 is a flowchart of the control routine after the completion of warm-up.
ステップS41において、コントローラ600は、冷却水ポンプ502の回転速度を所定速度に設定する。この所定速度は、たとえば燃料電池の出力に基づいて決定される。
In step S41, the
ステップS42において、コントローラ600は、燃料電池入口の目標冷却水温Twtを設定する。具体的には、たとえば、回収すべき純水量を確保できるような冷却水入口温度と、凍結基準温度Twfと、を比較して、高い方を目標冷却水温Twtとして設定する。このようにすることで、必要以上に外気への放熱作動しないのでファン等の消費電力を低減できる。
In step S42, the
ここで回収すべき純水量を確保できるような冷却水入口温度の算出方法について補足説明する。回収すべき純水量は、燃料電池の電圧値に基づいて求められる純水蒸発量から、燃料電池の電流値に基づいて求められる純水生成量を減算し、さらにマージンを加算して、求められる。そして、冷却水入口温度の算出方法は、まずたとえばカソードセパレータ13の凝縮水生成部132の入口にカソードガス温度センサを設け、カソードガス温度を検出する。このカソードガス温度で相対湿度100%であると仮定して、凝縮水生成部132に流れ込む水蒸気量を算出する。そして、その水蒸気量から回収すべき純水量を差し引いた水蒸気量が排気される温度を、排ガス相対湿度100%の温度として算出する。その温度、またはその温度にマージンを考慮した温度を、回収すべき純水量を確保するための冷却水入口温度とする。
Here, a supplementary explanation will be given for a method of calculating the cooling water inlet temperature so as to ensure the amount of pure water to be collected. The amount of pure water to be recovered can be obtained by subtracting the amount of pure water generated based on the current value of the fuel cell from the amount of pure water evaporated based on the voltage value of the fuel cell, and adding a margin. . The cooling water inlet temperature is calculated by first providing a cathode gas temperature sensor, for example, at the inlet of the
なおカソードセパレータ13の凝縮水生成部132に流れ込む水蒸気量は、燃料電池の電圧から推定した発熱量がすべて水の蒸発に使用されたと仮定して算出してもよい。
Note that the amount of water vapor flowing into the
ステップS43において、コントローラ600は、水温Twが目標冷却水温Twtに達したか否かを判定する。達するまではステップS44へ処理を移行し、達したらステップS45へ処理を移行する。
In step S43, the
ステップS44において、コントローラ600は、三方弁503をバイパス流路側にする。
In step S44, the
ステップS45において、コントローラ600は、三方弁503を熱交換器側にする。
In step S45, the
ステップS46において、コントローラ600は、三方弁503の開度θを検出する。
In step S46, the
ステップS47において、コントローラ600は、三方弁503の開度θが最大開度θmaxに達していないか否かを判定する。達するまでは一旦処理を抜け、達したらステップS48へ処理を移行する。
In step S47, the
ステップS48において、コントローラ600は、ファン505を回転する。なおファンの回転速度は、燃料電池入口の冷却水温Twに応じて調整すればよい。
In step S48, the
本実施形態によれば、燃料電池の内部に冷却体を形成した。そしてこの冷却体を流れる冷却水の水温が、燃料電池内部に存在する純水が凍結する可能性のある温度を超えるまで、熱交換器をバイパスして冷却水を循環させるようにしたので、速やかに暖機できる。燃料電池では、触媒反応によって発電が生じて発熱し、また水(水蒸気)が生成される。その生成水(水蒸気)はカソードガスとともに下流に流れる。このとき冷却体の温度が水を凍結させない温度以上になっているので、凝縮水生成流路を流れているカソードガスから液水が凝縮される。この凝縮水(液水)が、カソードガス入口マニホールドから流れ込んでくるカソードガスを加湿するので、発電を継続できる。このように、燃料電池の触媒反応で生成された反応水が凍結する可能性のある氷点下においても、燃料電池を運転できるのである。 According to this embodiment, the cooling body is formed inside the fuel cell. The cooling water is circulated by bypassing the heat exchanger until the temperature of the cooling water flowing through the cooling body exceeds the temperature at which the pure water existing inside the fuel cell is likely to freeze. Can warm up. In a fuel cell, electric power is generated by a catalytic reaction to generate heat, and water (steam) is generated. The generated water (water vapor) flows downstream together with the cathode gas. At this time, since the temperature of the cooling body is equal to or higher than the temperature at which water is not frozen, liquid water is condensed from the cathode gas flowing in the condensed water generation flow path. Since this condensed water (liquid water) humidifies the cathode gas flowing from the cathode gas inlet manifold, power generation can be continued. In this way, the fuel cell can be operated even at a temperature below freezing point where the reaction water generated by the catalytic reaction of the fuel cell may freeze.
以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に含まれることが明白である。 Without being limited to the embodiments described above, various modifications and changes are possible within the scope of the technical idea, and it is obvious that these are also included in the technical scope of the present invention.
たとえば、上記においては、アノードセパレータ12及びカソードセパレータ13は、片面に反応ガス流路が形成され、反対面に冷却水流路が形成されているタイプのもので説明したが、図9に示すように、片面の凹部と反対面の凹部とが交互に並ぶ断面凹凸形状であって、片面の凹部が反応ガスを流すガス流路12a,13aであり、反対面の凹部が純水を流す純水流路12b,13bである波形セパレータであってもよい。
For example, in the above description, the
1 燃料電池スタック
10 発電セル
11 MEA
11a 電解質膜
11b アノード電極層
11c カソード電極層
12 アノードセパレータ(第1のセパレータ)
12a アノードガス流路(第1ガス流路)
12b 純水流路
13 カソードセパレータ(第2のセパレータ)
131 ガス供給部
131a カソードガス流路(第2ガス流路)
132 凝縮水生成部
132a 凝縮水生成流路
13b 純水流路
14 冷却体
14a 冷却水通路
100 燃料電池システムの運転制御装置
200 アノードガス経路
300 カソードガス経路
400 純水経路
500 冷却水経路
501 熱交換器
502 冷却水ポンプ(冷却水量調整手段)
503 三方弁(流路切替手段)
504 水温センサ(水温検出手段)
505 ファン(風量調整手段)
600 コントローラ
1
12a Anode gas channel (first gas channel)
12b Pure
131
132 Condensate
503 Three-way valve (flow path switching means)
504 Water temperature sensor (water temperature detection means)
505 Fan (Air volume adjustment means)
600 controller
Claims (9)
燃料電池内部に存在する純水が凍結しない温度になるように冷却水の温度を調整可能な冷却水経路を備え、
前記固体高分子型燃料電池は、
電解質膜の一方の面に設けられたアノード電極層及びそのアノード電極層に隣設されるシールキャリアと、
前記電解質膜のもう一方の面に設けられたカソード電極層と、
前記アノード電極層に重なり、そのアノード電極層にアノードガスを供給するアノードガス流路を備えるアノードセパレータと、
前記アノードセパレータに隣設され、前記シールキャリアに重なり、そのシールキャリアとの間に前記冷却水経路から供給された冷却水が通流する冷却体と、
前記カソード電極層に重なり、そのカソード電極層にカソードガスを供給するカソードガス流路が形成されたカソードガス供給部と、そのカソードガス流路の下流に連続し前記冷却体に重なる位置に設けられてカソードガス流路を流れたカソードガスに含まれる水分を凝縮させてその水分でカソードガス流路に流れ込んでくるカソードガスを加湿させる凝縮水生成部と、を備えるカソードセパレータと、
を有することを特徴とする燃料電池システムの運転制御装置。 An operation control device for a fuel cell system using a polymer electrolyte fuel cell,
With a cooling water path that can adjust the temperature of the cooling water so that the pure water present inside the fuel cell does not freeze,
The polymer electrolyte fuel cell is
An anode electrode layer provided on one surface of the electrolyte membrane and a seal carrier adjacent to the anode electrode layer ;
A cathode electrode layer provided on the other surface of the electrolyte membrane;
An anode separator that includes an anode gas flow path that overlaps the anode electrode layer and supplies anode gas to the anode electrode layer;
A cooling body that is adjacent to the anode separator, overlaps with the seal carrier, and through which the cooling water supplied from the cooling water passage flows between the seal carrier ;
A cathode gas supply section in which a cathode gas flow path for supplying a cathode gas to the cathode electrode layer is formed, and is provided at a position continuous with the cooling body continuously downstream of the cathode gas flow path. A cathode separator comprising: a condensed water generating unit that condenses moisture contained in the cathode gas flowing through the cathode gas flow path and humidifies the cathode gas flowing into the cathode gas flow path with the moisture;
An operation control apparatus for a fuel cell system, comprising:
前記冷却体に連通し、その冷却体から流入してきた冷却水と外気との熱交換を可能にする熱交換器と、
前記熱交換器へ送る風量を調整する風量調整手段と、
前記熱交換器を循環する冷却水の流量を調整する冷却水量調整手段と、
前記冷却水が前記熱交換器へ向かう流路と、その熱交換器をバイパスする流路と、を切り替える流路切替手段と、
前記冷却体へ流入する冷却水の冷却水入口温度を検出する水温検出手段と、
を備え、
前記検出した冷却水入口温度に基づいて、前記風量調整手段、前記冷却水量調整手段又は前記流路切替手段の作動を制御する冷却水経路制御手段をさらに有する、
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システムの運転制御装置。 The cooling water path is
A heat exchanger that communicates with the cooling body and enables heat exchange between the cooling water flowing from the cooling body and the outside air;
An air volume adjusting means for adjusting an air volume sent to the heat exchanger;
A cooling water amount adjusting means for adjusting a flow rate of the cooling water circulating through the heat exchanger;
A flow path switching means for switching the flow path of the cooling water toward the heat exchanger and the flow path bypassing the heat exchanger;
Water temperature detecting means for detecting the cooling water inlet temperature of the cooling water flowing into the cooling body;
With
Further comprising a cooling water path control means for controlling the operation of the air volume adjusting means, the cooling water amount adjusting means or the flow path switching means based on the detected cooling water inlet temperature.
The operation control apparatus for a fuel cell system according to claim 1.
ことを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システムの運転制御装置。 The cooling water path control means stops the air volume adjusting means when the detected cooling water inlet temperature is lower than the temperature at which the pure water existing in the fuel cell is likely to freeze, or the cooling water Controlling the water amount adjusting means to reduce the flow rate of the cooling water, or controlling the flow path switching means to flow the cooling water to the bypass flow path;
The operation control apparatus for a fuel cell system according to claim 2.
前記凝縮水生成部の反応ガス圧は、前記純水流路の純水圧よりも高圧である、
ことを特徴とする請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載の燃料電池システムの運転制御装置。 The cathode separator is formed on the back surface of the gas channel surface, and has a pure water channel through which pure water flows.
The reaction gas pressure of the condensed water generation unit is higher than the pure water pressure of the pure water flow path.
The operation control device for a fuel cell system according to any one of claims 1 to 3 , wherein the operation control device is a fuel cell system.
ことを特徴とする請求項1から請求項4までのいずれか1項に記載の燃料電池システムの運転制御装置。 The anode separator or cathode separator has a concavo-convex shape in which concave portions on one side and concave portions on the opposite side are alternately arranged, the concave portion on one side is a gas flow path for flowing a reaction gas, and the concave portion on the opposite side is filled with pure water. It is a pure water flow channel
The operation control device for a fuel cell system according to any one of claims 1 to 4 , wherein the operation control device is a fuel cell system.
ことを特徴とする請求項1から請求項5までのいずれか1項に記載の燃料電池システムの運転制御装置。 The cooling body is formed of a dense material that does not leak cooling water flowing inside.
The operation control device for a fuel cell system according to any one of claims 1 to 5 , wherein the operation control device is a fuel cell system.
前記冷却体は、緻密材で形成され、
前記アノードセパレータと前記冷却体とが連続するように一体形成される、
ことを特徴とする請求項1から請求項6までのいずれか1項に記載の燃料電池システムの運転制御装置。 The anode separator is formed of a porous material,
The cooling body is formed of a dense material,
The anode separator and the cooling body are integrally formed so as to be continuous.
The operation control device for a fuel cell system according to any one of claims 1 to 6 , wherein the operation control device is a fuel cell system.
ことを特徴とする請求項1から請求項7までのいずれか1項に記載の燃料電池システムの運転制御装置。 The cooling water is an antifreeze.
The operation control device for a fuel cell system according to any one of claims 1 to 7 , wherein the operation control device is a fuel cell system.
前記電解質膜のもう一方の面に設けられたカソード電極層と、
前記アノード電極層に重なり、そのアノード電極層にアノードガスを供給するアノードガス流路を備えるアノードセパレータと、
前記アノードセパレータに隣設され、前記シールキャリアに重なり、そのシールキャリアとの間に前記冷却水経路から供給された冷却水が通流する冷却体と、
前記カソード電極層に重なり、そのカソード電極層にカソードガスを供給するカソードガス流路が形成されたカソードガス供給部と、そのカソードガス流路の下流に連続し前記冷却体に重なる位置に設けられてカソードガス流路を流れたカソードガスに含まれる水分を凝縮させてその水分でカソードガス流路に流れ込んでくるカソードガスを加湿させる凝縮水生成部と、を備えるカソードセパレータと、
を含む固体高分子型燃料電池と、
前記冷却体に連通し、その冷却体から流入してきた冷却水と外気との熱交換を可能にする熱交換器と、
前記熱交換器へ送る風量を調整する風量調整手段と、
前記熱交換器を循環する冷却水の流量を調整する冷却水量調整手段と、
前記冷却水が前記熱交換器へ向かう流路と、その熱交換器をバイパスする流路と、を切り替える流路切替手段と、
前記冷却体へ流入する冷却水の冷却水入口温度を検出する水温検出手段と、
を含む冷却水経路と、
を有する燃料電池システムの運転制御装置であって、
前記検出した冷却水入口温度が、燃料電池内部に存在する純水が凍結する可能性のある温度よりも低い場合は、前記風量調整手段を停止する、又は前記冷却水量調整手段を制御して冷却水の流量を減量する、又は前記流路切替手段を制御して前記冷却水をバイパス流路に流す暖機制御工程と、
前記検出した冷却水入口温度が、燃料電池内部に存在する純水が凍結する可能性のある温度よりも高い場合には、前記冷却水量調整手段を制御して燃料電池の出力に基づく水量で冷却水を流し、さらに冷却水が流れた状態で、前記冷却水入口温度が目標冷却水温よりも低いときには、前記流路切替手段を制御して前記冷却水をバイパス流路に流し、前記冷却水入口温度が目標冷却水温よりも高いときには、前記流路切替手段を制御して前記冷却水を前記熱交換器に流す暖機完了後制御工程と、
を備えることを特徴とする燃料電池システムの運転制御方法。 An anode electrode layer provided on one surface of the electrolyte membrane and a seal carrier adjacent to the anode electrode layer ;
A cathode electrode layer provided on the other surface of the electrolyte membrane;
An anode separator that includes an anode gas flow path that overlaps the anode electrode layer and supplies anode gas to the anode electrode layer;
A cooling body that is adjacent to the anode separator, overlaps with the seal carrier, and through which the cooling water supplied from the cooling water passage flows between the seal carrier ;
A cathode gas supply section in which a cathode gas flow path for supplying a cathode gas to the cathode electrode layer is formed, and is provided at a position continuous with the cooling body continuously downstream of the cathode gas flow path. A cathode separator comprising: a condensed water generating unit that condenses moisture contained in the cathode gas flowing through the cathode gas flow path and humidifies the cathode gas flowing into the cathode gas flow path with the moisture;
A polymer electrolyte fuel cell comprising:
A heat exchanger that communicates with the cooling body and enables heat exchange between the cooling water flowing from the cooling body and the outside air;
An air volume adjusting means for adjusting an air volume sent to the heat exchanger;
A cooling water amount adjusting means for adjusting a flow rate of the cooling water circulating through the heat exchanger;
A flow path switching means for switching the flow path of the cooling water toward the heat exchanger and the flow path bypassing the heat exchanger;
Water temperature detecting means for detecting the cooling water inlet temperature of the cooling water flowing into the cooling body;
A cooling water path including
An operation control device for a fuel cell system comprising:
When the detected cooling water inlet temperature is lower than the temperature at which the pure water existing inside the fuel cell is likely to freeze, the air volume adjusting means is stopped or the cooling water volume adjusting means is controlled to cool. A warm-up control step of reducing the flow rate of water, or controlling the flow path switching means to flow the cooling water to the bypass flow path;
When the detected cooling water inlet temperature is higher than the temperature at which the pure water existing inside the fuel cell is likely to freeze, the cooling water amount adjusting means is controlled to cool with the water amount based on the output of the fuel cell. When the cooling water inlet temperature is lower than the target cooling water temperature in the state where water is further flown and the cooling water is flowing, the flow path switching means is controlled to flow the cooling water to the bypass flow path, and the cooling water inlet When the temperature is higher than the target cooling water temperature, a control step after the warm-up is completed in which the flow path switching unit is controlled to flow the cooling water to the heat exchanger;
An operation control method for a fuel cell system, comprising:
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007308956A JP5470698B2 (en) | 2007-11-29 | 2007-11-29 | Operation control apparatus and operation control method for fuel cell system |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007308956A JP5470698B2 (en) | 2007-11-29 | 2007-11-29 | Operation control apparatus and operation control method for fuel cell system |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2009134934A JP2009134934A (en) | 2009-06-18 |
JP5470698B2 true JP5470698B2 (en) | 2014-04-16 |
Family
ID=40866636
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2007308956A Expired - Fee Related JP5470698B2 (en) | 2007-11-29 | 2007-11-29 | Operation control apparatus and operation control method for fuel cell system |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP5470698B2 (en) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP7342731B2 (en) * | 2020-02-19 | 2023-09-12 | トヨタ自動車株式会社 | fuel cell system |
Family Cites Families (12)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6428916B1 (en) * | 1999-12-20 | 2002-08-06 | Utc Fuel Cells, Llc | Coolant treatment system for a direct antifreeze cooled fuel cell assembly |
JP4374799B2 (en) * | 2001-05-17 | 2009-12-02 | 株式会社デンソー | Fuel cell vehicle |
US6794077B2 (en) * | 2001-12-28 | 2004-09-21 | Utc Fuel Cells, Llc | Passive water management fuel cell |
JP2004179153A (en) * | 2002-11-12 | 2004-06-24 | Nissan Motor Co Ltd | Fuel cell system |
JP3912749B2 (en) * | 2002-11-25 | 2007-05-09 | 本田技研工業株式会社 | Fuel cell cooling system |
JP4180404B2 (en) * | 2003-03-05 | 2008-11-12 | アイシン精機株式会社 | Fuel cell, oxidizer flow plate |
JP4599804B2 (en) * | 2003-03-25 | 2010-12-15 | パナソニック株式会社 | Fuel cell |
JP2005116310A (en) * | 2003-10-07 | 2005-04-28 | Nissan Motor Co Ltd | Fuel cell system |
JP2005197150A (en) * | 2004-01-09 | 2005-07-21 | Toyota Motor Corp | Fuel cell |
JP2005285694A (en) * | 2004-03-30 | 2005-10-13 | Nissan Motor Co Ltd | Solid polymer fuel cell and fuel cell system |
JP2006032094A (en) * | 2004-07-15 | 2006-02-02 | Nissan Motor Co Ltd | Fuel cell system |
JP2006179198A (en) * | 2004-12-20 | 2006-07-06 | Nissan Motor Co Ltd | Fuel cell system |
-
2007
- 2007-11-29 JP JP2007308956A patent/JP5470698B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2009134934A (en) | 2009-06-18 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8216736B2 (en) | Fuel cell system using evaporative cooling method | |
JP5088333B2 (en) | Fuel cell system | |
JP2003036874A (en) | Fuel cell system | |
JP2010020924A (en) | Fuel cell system | |
KR101078794B1 (en) | Fuel battery system and method for calculating circulation ratio in the fuel battery system | |
JP2008059922A (en) | Fuel cell system | |
JP2007287540A (en) | Fuel cell system, and vehicle mounted with fuel cell system | |
JP2011175777A (en) | Fuel battery system | |
JP2004146240A (en) | Fuel cell system | |
JP5168530B2 (en) | Fuel cell system and control method thereof | |
JP5470698B2 (en) | Operation control apparatus and operation control method for fuel cell system | |
JP6307536B2 (en) | Low temperature startup method for fuel cell system | |
JP2002246052A (en) | Fuel cell device and starting method therefor | |
JP2009238669A (en) | Fuel cell system | |
JP4501165B2 (en) | Fuel cell system for vehicles | |
JP2005116256A (en) | Fuel cell cogeneration system | |
JP5287368B2 (en) | Fuel cell system | |
JP2008097891A (en) | Fuel cell system | |
JP2005259440A (en) | Fuel cell system | |
JP2003168457A (en) | Fuel cell system | |
JP2009009762A (en) | Fuel cell system | |
JP2009238390A (en) | Fuel cell system | |
JP2008123840A (en) | Fuel cell system | |
JP2005050639A (en) | Fuel cell system | |
JP4553004B2 (en) | Fuel cell stack |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20101027 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20120918 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20121119 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20130528 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20130729 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20140107 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20140120 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |