JP6951045B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.
セパレータにおいて、冷却水流路が2つの入口に接続され、冷却水流路の入口の1つが酸化剤ガス流路の入口近傍に位置し、冷却水流路の出口が酸化剤ガス流路の出口付近に位置する燃料電池が知られている(例えば特許文献1参照)。 In the separator, the cooling water flow path is connected to two inlets, one of the inlets of the cooling water flow path is located near the inlet of the oxidant gas flow path, and the outlet of the cooling water flow path is located near the outlet of the oxidant gas flow path. Fuel cells are known (see, for example, Patent Document 1).
燃料ガスの導入マニホルドは酸化剤ガスの排出マニホルド付近に位置し、燃料ガスの排出マニホルドは酸化剤ガスの導入マニホルド付近に位置するセパレータを備える燃料電池が知られている。このような燃料電池では、燃料ガス流路の上流側の領域には、酸化剤ガス流路の下流側の領域から生成水の一部が移動し、酸化剤ガス流路の上流側には、燃料ガス流路の下流側から、燃料ガスに含まれる水分の一部が移動することにより、燃料電池の発電による生成水が燃料電池の内部を循環し、燃料電池の内部は全体的に乾燥が抑制される。 A fuel cell having a separator located near the oxidant gas discharge manifold and the fuel gas discharge manifold near the oxidant gas introduction manifold is known. In such a fuel cell, a part of the generated water moves from the region on the downstream side of the oxidant gas flow path to the region on the upstream side of the fuel gas flow path, and a part of the generated water moves to the upstream side of the oxidant gas flow path. By moving a part of the water contained in the fuel gas from the downstream side of the fuel gas flow path, the water generated by the power generated by the fuel cell circulates inside the fuel cell, and the inside of the fuel cell becomes dry as a whole. It is suppressed.
しかし、燃料電池の発電量が増加すると、乾燥した大量の燃料ガスが燃料ガス流路に流れ込むため、燃料ガス流路は、燃料ガスの導入マニホルド付近が乾燥しやすくなる場合がある。一方、燃料電池の発電量が減少すると、燃料電池の発電による生成水が少なくなり、また、燃料電池内の燃料ガス及び酸化剤ガスの流量が少なくなり燃料電池内の水の循環量が減少するため、燃料電池全体が乾燥しやすくなる。このとき、酸化剤ガス流路は、乾燥した空気が流入する酸化剤ガスの導入マニホルド付近が最も乾燥しやすくなる。このため、燃料ガス流路は、電解質膜を介して酸化剤ガスの導入マニホルド付近に対向する燃料ガスの排出マニホルド付近が乾燥する。 However, when the amount of power generated by the fuel cell increases, a large amount of dry fuel gas flows into the fuel gas flow path, so that the fuel gas flow path may be easily dried in the vicinity of the fuel gas introduction manifold. On the other hand, when the amount of power generated by the fuel cell decreases, the amount of water generated by the power generated by the fuel cell decreases, and the flow rate of fuel gas and oxidant gas in the fuel cell decreases, so that the amount of water circulating in the fuel cell decreases. Therefore, the entire fuel cell becomes easy to dry. At this time, the oxidant gas flow path is most likely to be dried near the introduction manifold of the oxidant gas into which the dry air flows. Therefore, in the fuel gas flow path, the vicinity of the fuel gas discharge manifold facing the vicinity of the oxidant gas introduction manifold is dried through the electrolyte membrane.
このように、燃料電池は、発電量によって乾燥しやすい部位が異なるため、発電量に応じた適切な燃料電池の部位の乾燥を抑制することが望まれるが、特許文献1には、燃料電池の乾燥を抑制する点が開示されていない。 As described above, since the portion of the fuel cell that tends to dry differs depending on the amount of power generation, it is desired to suppress the drying of the portion of the fuel cell that is appropriate according to the amount of power generation. The point of suppressing drying is not disclosed.
そこで本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、発電量に応じた適切な燃料電池の部位の乾燥を抑制することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of suppressing drying of an appropriate fuel cell portion according to the amount of power generation.
本明細書に記載の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスの発電反応が行われる膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟む一対のセパレータとを有する燃料電池と、前記燃料電池を冷却する冷媒の流量を調整する調圧弁と、前記燃料電池の発電量に基づき前記調圧弁を制御する制御部とを備え、前記一対のセパレータには、前記燃料ガスが導入される第1導入孔と、前記燃料ガスが排出される第1排出孔と、前記第1導入孔より前記第1排出孔に近く、前記酸化剤ガスが導入される第2導入孔と、前記第1排出孔より前記第1導入孔に近く、前記酸化剤ガスが排出される第2排出孔と、前記冷媒がそれぞれ導入される第3導入孔及び第4導入孔と、前記冷媒が排出される第3排出孔とが設けられ、前記一対のセパレータの一方には、前記第1導入孔から前記第1排出孔まで前記燃料ガスが流れる燃料ガス流路が設けられ、前記一対のセパレータの他方には、前記第2導入孔から前記第2排出孔まで前記酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路が設けられ、前記燃料ガス流路または前記酸化剤ガス流路の裏側には、前記第3導入孔及び前記第4導入孔から前記第3排出孔まで前記冷媒が流れる冷媒流路が設けられ、前記第3導入孔は、前記第1排出孔より前記第1導入孔に近く、かつ前記第2導入孔より前記第1導入孔に近く、前記第4導入孔は、前記第2排出孔より前記第2導入孔に近く、前記第3導入孔より前記冷媒流路の上流側に連通し、前記調圧弁は、前記第3導入孔または前記第4導入孔に接続され、前記制御部は、前記発電量が所定の閾値以上である場合、前記第3導入孔及び前記第4導入孔からそれぞれ導入される前記冷媒の流量の合計に対する、前記第3導入孔から導入される前記冷媒の流量の比が、前記発電量が前記所定の閾値未満である場合より大きくなるように前記調圧弁を制御する。 The fuel cell system described in the present specification includes a fuel cell having a membrane electrode joint in which a power generation reaction of a fuel gas and an oxidizing agent gas is performed, a pair of separators sandwiching the membrane electrode joint, and the fuel cell. A first introduction hole into which the fuel gas is introduced is provided in the pair of separators, comprising a pressure regulating valve for adjusting the flow rate of the cooling refrigerant and a control unit for controlling the pressure regulating valve based on the amount of power generated by the fuel cell. The first discharge hole for discharging the fuel gas, the second introduction hole closer to the first discharge hole than the first introduction hole, and the second introduction hole into which the oxidant gas is introduced, and the first discharge hole. A second discharge hole near the first introduction hole and from which the oxidant gas is discharged, a third introduction hole and a fourth introduction hole into which the fuel is introduced, and a third discharge hole through which the fuel is discharged. Is provided, one of the pair of separators is provided with a fuel gas flow path through which the fuel gas flows from the first introduction hole to the first discharge hole, and the other of the pair of separators is provided with the second. An oxidant gas flow path through which the oxidant gas flows is provided from the introduction hole to the second discharge hole, and the third introduction hole and the fourth are on the back side of the fuel gas flow path or the oxidant gas flow path. A refrigerant flow path through which the fuel flows is provided from the introduction hole to the third discharge hole, and the third introduction hole is closer to the first introduction hole than the first discharge hole, and the second introduction hole is closer to the first introduction hole. Close to the 1 introduction hole, the 4th introduction hole is closer to the 2nd introduction hole than the 2nd discharge hole, and communicates with the upstream side of the fuel flow path from the 3rd introduction hole. The control unit is connected to the third introduction hole or the fourth introduction hole, and when the amount of power generated is equal to or higher than a predetermined threshold value, the control unit of the fuel cell introduced from the third introduction hole and the fourth introduction hole, respectively. The pressure regulating valve is controlled so that the ratio of the flow rate of the fuel introduced from the third introduction hole to the total flow rate is larger than when the amount of power generation is less than the predetermined threshold value.
本発明によれば、発電量に応じた適切な燃料電池の部位の乾燥を抑制することができる。 According to the present invention, it is possible to suppress drying of an appropriate fuel cell portion according to the amount of power generation.
図1は、燃料電池の一例を示す分解斜視図である。図1には、一点透視図法により燃料電池2が記載されており、また、ECU(Electronic Control Unit)1及び調圧弁3が記載されている。ECU1、燃料電池2、及び調圧弁3は、燃料電池システムに含まれる。燃料電池1は、例えば固体高分子形であり、燃料ガス(例えば水素)と酸化剤ガス(例えば空気中の酸素)が供給され、燃料ガスと酸化剤ガスの化学反応により発電する。
FIG. 1 is an exploded perspective view showing an example of a fuel cell. FIG. 1 shows a
燃料電池2は、積層方向に沿って積層されたMEGA(Membrane-Electrode-Gas diffusion layer Assembly)20、樹脂シート21、中間プレート22、及び一対のセパレータ23,24を有する。なお、図1において、燃料電池2は、1つの単セルとして記載されているが、実際には複数の単セルが積層方向にスタックされて構成される。
The
樹脂シート21は一例として矩形状の外形を有し、中央部には開口210が設けられている。開口210は、MEGA20に対応する位置に設けられ、その縁にはMEGA20の端部が接着される。
The resin sheet 21 has a rectangular outer shape as an example, and an
セパレータ23,24は、例えば金属板などにより構成され、矩形状の外形を有する。セパレータ23,24は、例えば接着剤により樹脂シート21に接着されている。セパレータ23はMEGA20のアノード側に配置され、セパレータ24はMEGA20のカソード側に配置される。このため、MEGA20は、セパレータ23,24により挟まれている。
The
MEGA20に対向するセパレータ24の面には、酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路240が形成されている。酸化剤ガス流路240は、MEGA20のカソード側の面に対向する。
An oxidant
また、MEGA20に対向するセパレータ23の面には、燃料ガスが流れる燃料ガス流路230が形成されている。燃料ガス流路230は、MEGA20のアノード側の面に対向する。
Further, a fuel
セパレータ23を挟んでMEGA20の反対側には、中間プレート22が配置される。中間プレート22は、例えば金属板などにより構成され、矩形状の外形を有する。セパレータ23とは反対側の中間プレート22の面には、燃料電池2を冷却する冷媒(例えば冷却水)が流れる冷媒流路220が形成されている。
An
また、中間プレート22は、セパレータ24を挟んでMEGA20の反対側に配置されてもよい。この場合、冷媒流路220は、セパレータ24とは反対側の中間プレート22の面に形成される。このように、冷媒流路220は、燃料ガス流路230または酸化剤ガス流路240の裏側に設けられている。なお、冷媒流路220は、中間プレート22に代えて、セパレータ23における燃料ガス流路230の反対側の面、またはセパレータ24における酸化剤ガス流路240の反対側の面に設けられてもよい。
Further, the
また、樹脂シート21、中間プレート22、及びセパレータ23,24には、燃料ガス導入マニホルド51、燃料ガス排出マニホルド50、酸化剤ガス導入マニホルド41、酸化剤ガス排出マニホルド40、冷媒導入マニホルド61,62、及び冷媒排出マニホルド60が設けられている。燃料ガス導入マニホルド51、燃料ガス排出マニホルド50、酸化剤ガス導入マニホルド41、酸化剤ガス排出マニホルド40、冷媒導入マニホルド61,62、及び冷媒排出マニホルド60は、MEGA20、樹脂シート21、中間プレート22、及びセパレータ23,24が積層されたときに流体が流通する貫通孔である。
Further, on the resin sheet 21, the
燃料ガス導入マニホルド51は、第1導入孔の一例であり、樹脂シート21、中間プレート22、及びセパレータ23,24の一端側に設けられている。燃料ガス排出マニホルド50は、第1排出孔の一例であり、樹脂シート21、中間プレート22、及びセパレータ23,24の他端側に設けられている。燃料ガス導入マニホルド51と燃料ガス排出マニホルド50は燃料ガス流路230に連通している。
The fuel
燃料ガスは、燃料ガス導入マニホルド51により燃料電池2内に導入され、燃料ガス導入マニホルド51から燃料ガス流路230に流入する。燃料ガスは、符号Dhで示されるように、燃料ガス導入マニホルド51から燃料ガス排出マニホルド50まで燃料ガス流路230を流れる。燃料ガス流路230は、溝状に形成され、一例としてサーペンタイン形状(蛇行形状)を有する。燃料ガスは、燃料ガス流路230から燃料ガス排出マニホルド50に流出し、燃料ガス排出マニホルド50により燃料電池2から排出される。
The fuel gas is introduced into the
酸化剤ガス導入マニホルド41は、第2導入孔の一例であり、樹脂シート21、中間プレート22、及びセパレータ23,24の一端側に設けられている。酸化剤ガス排出マニホルド40は、第2排出孔の一例であり、樹脂シート21、中間プレート22、及びセパレータ23,24の他端側に設けられている。酸化剤ガス導入マニホルド41と酸化剤ガス排出マニホルド40は酸化剤ガス流路240に連通している。
The oxidant
酸化剤ガスは、酸化剤ガス導入マニホルド41により燃料電池2内に導入され、酸化剤ガス導入マニホルド41から酸化剤ガス流路240に流入する。酸化剤ガスは、符号Daで示されるように、酸化剤ガス導入マニホルド41から酸化剤ガス排出マニホルド40まで酸化剤ガス流路240を流れる。酸化剤ガス流路240は、溝状に形成され、一例としてストレート形状(直線形状)を有する。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路240から酸化剤ガス排出マニホルド40に流出し、酸化剤ガス排出マニホルド40により燃料電池2から排出される。
The oxidant gas is introduced into the
冷媒導入マニホルド61は、樹脂シート21、中間プレート22、及びセパレータ23,24の一端側に設けられ、冷媒導入マニホルド62及び冷媒排出マニホルド60は、樹脂シート21、中間プレート22、及びセパレータ23,24の他端側に設けられている。冷媒導入マニホルド61,62と冷媒排出マニホルド60は冷媒流路220に連通している。冷媒導入マニホルド62は、冷媒導入マニホルド61より冷媒流路220の上流側に連通している。なお、冷媒導入マニホルド61は第3導入孔の一例であり、冷媒導入マニホルド62は第4導入孔の一例であり、冷媒排出マニホルド60は第3排出孔の一例である。
The
冷媒は、各冷媒導入マニホルド61,62により燃料電池2内に導入され、各冷媒導入マニホルド61,62から冷媒流路220に流入する。酸化剤ガスは、符号Dcで示されるように、各冷媒導入マニホルド61,62から冷媒排出マニホルド60まで冷媒流路220を流れる。冷媒流路220は、溝状に形成され、一例として略コ字形状を有する。冷媒は、冷媒流路220から冷媒排出マニホルド60に流出し、冷媒排出マニホルド60により燃料電池2から排出される。
The refrigerant is introduced into the
図2は、燃料電池2の一部の断面図である。より具体的には、図2は、図1の符号P1における、積層方向に沿ったMEGA20及びセパレータ23,24の断面を示す。
FIG. 2 is a cross-sectional view of a part of the
MEGA20には、ガス拡散層(GDL: Gas Diffusion Layer)203,204と、MEA(Membrane Electrode Assembly)205とが含まれる。MEA205は、ガス拡散層203,204により挟まれ、電解質膜200と、アノード触媒層201と、カソード触媒層202とを有する。
The
電解質膜200は、例えば、湿潤状態で良好なプロトン電導性を示すイオン交換樹脂膜を含んで構成される。このようなイオン交換樹脂膜としては、例えば、ナフィオン(登録商標)などの、イオン交換基としてスルホン酸基を有するフッ素樹脂系のものが挙げられる。
The
アノード触媒層201とカソード触媒層202は、それぞれ電極であり、触媒担持導電性粒子とプロトン伝導性電解質を含む、ガス拡散性を有する多孔質層として形成されている。例えば、アノード触媒層201とカソード触媒層202は、白金担持カーボンとプロトン伝導性電解質を含む分散溶液である触媒インクの乾燥塗膜として形成される。
The
アノード触媒層201には、セパレータ23の燃料ガス流路230を流れる燃料ガス(符号Dh参照)が、一方のガス拡散層203を介し供給される。カソード触媒層202には、セパレータ24の酸化剤ガス流路240を流れる酸化剤ガス(符号Da参照)が、他方のガス拡散層204を介し供給される。
Fuel gas (see reference numeral Dh) flowing through the fuel
ガス拡散層203,204は、例えば、カーボンペーパーなどの基材に撥水性のマイクロポーラス層を積層することにより形成される。なお、マイクロポーラス層としては、例えばPTFE(Polytetrafluoroethylene)などの撥水性樹脂とカーボンブラックなどの導電性材料を含んで形成される。MEA205では、酸化剤ガス及び燃料ガスの発電反応が行われる。 The gas diffusion layers 203 and 204 are formed by laminating a water-repellent microporous layer on a base material such as carbon paper. The microporous layer is formed by containing, for example, a water-repellent resin such as PTFE (Polytetrafluoroethylene) and a conductive material such as carbon black. In MEA205, a power generation reaction of an oxidant gas and a fuel gas is carried out.
また、セパレータ23に隣接する不図示の中間プレート22には、冷媒流路220に沿って冷媒が流れる(符号Dc参照)。これにより、発電反応で加熱したMEA205が冷却される。
Further, the refrigerant flows along the
再び図1を参照すると、冷媒は、不図示の熱交換器から供給路30を介して燃料電池2に供給される。供給路30は2つの分岐路31,32に分岐し、一方の分岐路31は冷媒導入マニホルド61に接続され、他方の分岐路32は冷媒導入マニホルド62に接続されている。これにより、冷媒導入マニホルド61は一方の分岐路31から冷媒を導入し、冷媒導入マニホルド62は他方の分岐路32から冷媒を導入する。
Referring to FIG. 1 again, the refrigerant is supplied to the
調圧弁3は、冷媒導入マニホルド61に接続され、冷媒の流量F1,F2を調整する。より具体的には、調圧弁3は分岐路31上に設けられ、その開度が増加すると、冷媒導入マニホルド61から導入される冷媒の流量F1が増加するとともに、冷媒導入マニホルド62から導入される冷媒の流量F2が減少する。また、調圧弁3の開度が減少すると、冷媒導入マニホルド61から導入される冷媒の流量F1が減少するとともに、冷媒導入マニホルド62から導入される冷媒の流量F2が増加する。なお、調圧弁3は、冷媒導入マニホルド62に接続されてもよい。
The pressure regulating valve 3 is connected to the
ECU1は、制御部の一例であり、燃料電池2の発電量に基づき調圧弁3を制御する。より具体的には、ECU1は、燃料電池2の動作状態に関するパラメータから発電量を検出する。パラメータとしては、燃料電池2の要求出力(例えばアクセルペダルの開度など)、出力電流、出力電圧、出力電力、温度、及び湿度と燃料ガス及び酸化剤ガスの供給量などが挙げられる。
The ECU 1 is an example of a control unit, and controls the pressure regulating valve 3 based on the amount of power generated by the
ECU1は、発電量に基づいて、例えば調圧弁3の開度の制御目標値を示す制御信号Sを生成し調圧弁3に出力する。調圧弁3は、制御信号Sに従って開度を設定する。これにより、ECU1は、発電量に基づいて、各冷媒導入マニホルド61,62から導入される冷媒の流量の合計(F1+F2)に対する、冷媒導入マニホルド61から導入される冷媒の流量F1の比(F1/(F1+F2))を制御する。このため、燃料電池2は、発電量に応じた適切な部位の乾燥が抑制される。
Based on the amount of power generation, the ECU 1 generates, for example, a control signal S indicating a control target value of the opening degree of the pressure regulating valve 3 and outputs the control signal S to the pressure regulating valve 3. The pressure regulating valve 3 sets the opening degree according to the control signal S. As a result, the ECU 1 has a ratio (F1 /) of the flow rate F1 of the refrigerant introduced from the
図3は、冷媒流路220、燃料ガス流路230、及び酸化剤ガス流路240の一例を示す平面図である。図3において、図1と共通する構成には同一の符号を付し、その説明は省略する。
FIG. 3 is a plan view showing an example of the
図3の紙面の上部には、中間プレート22における冷媒流路220の形成面を積層方向で正面視した場合の平面図が記載されている。図3の紙面の中央には、セパレータ23における燃料ガス流路230の形成面とは反対側の面を積層方向で正面視した場合の平面図が記載されている。つまり、図3の紙面の中央には、燃料ガス流路230をその裏側から見た様子が示されている。図3の紙面の下部には、セパレータ24における酸化剤ガス流路240の形成面を積層方向で正面視した場合の平面図が記載されている。
On the upper part of the paper surface of FIG. 3, a plan view of the forming surface of the
燃料ガスは、符号Dhで示されるように、燃料ガス導入マニホルド51から燃料ガス流路230に流入し、サーペンタイン形状の燃料ガス流路230を流れて燃料ガス排出マニホルド50から排出される。また、酸化剤ガスは、符号Daで示されるように、酸化剤ガス導入マニホルド41から酸化剤ガス流路240に流入し、ストレート形状の酸化剤ガス流路240を流れて酸化剤ガス排出マニホルド40から排出される。
As indicated by the reference numeral Dh, the fuel gas flows into the fuel
酸化剤ガス導入マニホルド41と酸化剤ガス排出マニホルド40は、セパレータ23,24及び中間プレート22の互いに対向する2つの辺にそれぞれ設けられている。また、燃料ガス導入マニホルド51は、セパレータ23,24及び中間プレート22の一端において、酸化剤ガス導入マニホルド41より酸化剤ガス排出マニホルド40に近い位置に設けられている。燃料ガス排出マニホルド50は、セパレータ23,24及び中間プレート22の他端において、酸化剤ガス排出マニホルド40より酸化剤ガス導入マニホルド41に近い位置に設けられている。
The oxidant
つまり、セパレータ23,24において、燃料ガス流路230の入口である燃料ガス導入マニホルド51は、酸化剤ガス流路240の出口である酸化剤ガス排出マニホルド40付近に位置する。また、燃料ガス流路230の出口である燃料ガス排出マニホルド50は、酸化剤ガス流路240の入口である酸化剤ガス導入マニホルド41付近に位置する。
That is, in the
このため、燃料ガス流路230の上流側の領域には、酸化剤ガス流路240の下流側の領域から生成水の一部が移動する。また、酸化剤ガス流路240の上流側には、燃料ガス流路230の下流側から、燃料ガスに含まれる水分の一部が移動することにより、燃料電池2の発電による生成水が燃料電池2の内部を循環し、全体的に乾燥が抑制される。
Therefore, a part of the generated water moves from the region on the downstream side of the oxidant
しかし、燃料電池2の発電量が増加すると、乾燥した大量の燃料ガスが燃料ガス流路230に流れ込むため、燃料ガス流路230は、燃料ガス導入マニホルド51付近が乾燥しやすくなる場合がある。一方、燃料電池2の発電量が減少すると、燃料電池2の発電による生成水が少なくなり、また、燃料電池2内の燃料ガス及び酸化剤ガスの流量が少なくなり燃料電池2内の水の循環量が減少するため、燃料電池2全体が乾燥しやすくなる。このとき、酸化剤ガス流路240は、乾燥した空気が流入する酸化剤ガス導入マニホルド41付近が最も乾燥しやすくなる。このため、燃料ガス流路は、電解質膜200を介して酸化剤ガス導入マニホルド41付近に対向する燃料ガス排出マニホルド50付近が乾燥する。
However, when the amount of power generated by the
図4は、燃料電池2の電流密度ごとの燃料ガス流路230内の相対湿度の分布の一例を示す図である。図4において、縦軸は相対湿度[%RH]を示し、横軸は燃料ガス流路230内の位置を示す。ここで、横軸の左端は燃料ガスの入口に該当し、横軸の右端は燃料ガスの出口に該当する。また、電流密度としては、一例として、1.1[A/cm2]、1.7[A/cm2]、及び2.4[A/cm2]を挙げる。
FIG. 4 is a diagram showing an example of the distribution of relative humidity in the fuel
符号P2,P3で示されるように、燃料ガス流路230のうち、入口付近及び出口付近が乾燥しやすい。燃料ガス流路230の入口付近では、電流密度が2.4[A/cm2]であるときに最も相対湿度が低く、燃料ガス流路230の出口付近では、電流密度が1.1[A/cm2]であるときに最も相対湿度が低い。
As indicated by reference numerals P2 and P3, in the fuel
つまり、燃料ガス流路230の入口付近は、燃料電池2の発電量が多いほど、乾燥しやすく、燃料ガス流路230の出口付近は、燃料電池2の発電量が少ないほど、乾燥しやすい。このため、燃料電池2の発電量が増加すると、燃料ガス流路230の入口付近が乾燥しやすくなり、燃料電池2の発電量が減少すると、酸化剤ガス流路240の入口付近が乾燥しやすくなる。
That is, the larger the amount of power generated by the
そこで、図3に示されるように、冷媒導入マニホルド61は、燃料ガス排出マニホルド50より燃料ガス導入マニホルド51に近く、かつ酸化剤ガス導入マニホルド41より燃料ガス導入マニホルド51に近い位置に設けられ、冷媒導入マニホルド62は、酸化剤ガス排出マニホルド40より酸化剤ガス導入マニホルド41に近い位置に設けられている。このため、冷媒導入マニホルド61からの冷媒は、燃料ガス流路230のうち、燃料ガス導入マニホルド51付近を最もよく冷却し、その乾燥を抑制する。また、冷媒導入マニホルド62からの冷媒は、酸化剤ガス流路240のうち、酸化剤ガス導入マニホルド41付近を最もよく冷却し、その乾燥を抑制する。
Therefore, as shown in FIG. 3, the
より具体的には、冷媒導入マニホルド61は、セパレータ23,24及び中間プレート22の一端において、燃料ガス導入マニホルド51に隣り合う。また、冷媒導入マニホルド62は、セパレータ23,24及び中間プレート22の他端において、燃料ガス排出マニホルド50に隣り合う。さらに、冷媒排出マニホルド60は、冷媒導入マニホルド62に隣り合う。
More specifically, the
冷媒導入マニホルド61からの冷媒は、符号Dc1で示されるように、冷媒流路220の下流側を流れて冷媒排出マニホルド60から排出される。また、冷媒導入マニホルド62からの冷媒は、符号Dc2で示されるように、冷媒流路220の上流側を流れた後、折り返して冷媒導入マニホルド61からの冷媒に合流し、冷媒流路220の下流側を流れて冷媒排出マニホルド60から排出される。
The refrigerant from the
ここで、冷媒流路220の上流側は、燃料ガス流路230の下流側と酸化剤ガス流路240の上流側と重なり、冷媒流路220の下流側は、燃料ガス流路230の上流側と酸化剤ガス流路240の下流側と重なる。
Here, the upstream side of the
このため、冷媒導入マニホルド62からの冷媒は、燃料ガス流路230及び酸化剤ガス流路240を全体的に冷却する。とりわけ、冷媒導入マニホルド62に近い燃料ガス排出マニホルド50付近及び酸化剤ガス導入マニホルド41付近は最もよく冷却されるため、効果的に乾燥が抑制される。
Therefore, the refrigerant from the
一方、冷媒導入マニホルド61からの冷媒は、燃料ガス流路230の上流側と酸化剤ガス流路240の下流側を冷却する。とりわけ、冷媒導入マニホルド61に近い燃料ガス導入マニホルド51付近は最もよく冷却されるため、効果的に乾燥が抑制される。
On the other hand, the refrigerant from the
ECU1は、発電量に応じて調圧弁3を制御することにより、各冷媒導入マニホルド61,62から冷媒流路220に流入する冷媒の流量F1,F2のバランスを調整し、発電量に応じた適切な部位の乾燥を抑制する。例えば、ECU1は、燃料電池2の発電量が所定の閾値以上である場合、各流量F1,F2の合計に対する流量F1の比が、発電量が所定の閾値未満である場合より大きくなるように調圧弁3を制御する。
The ECU 1 controls the pressure regulating valve 3 according to the amount of power generation to adjust the balance of the flow rates F1 and F2 of the refrigerant flowing into the
このため、発電量が閾値未満であるとき、酸化剤ガス導入マニホルド41付近の乾燥が抑制されるが、発電量が増加して閾値を超えると、燃料ガス導入マニホルド51付近の乾燥が抑制される。したがって、本実施例の燃料電池システムによると、発電量に応じた適切な燃料電池2の部位の乾燥を抑制することができる。なお、閾値は、燃料電池2の設計に応じて適切な値に予め設定される。
Therefore, when the amount of power generation is less than the threshold value, drying in the vicinity of the oxidant
例えば、ECU1は、発電量が所定の閾値未満である場合、冷媒導入マニホルド62からの冷媒の流量F2の全流量(F1+F2)に対する比を100(%)とし、冷媒導入マニホルド61からの冷媒の流量F1の全流量(F1+F2)に対する比を0(%)とする。この場合、酸化剤ガス流路240のうち、酸化剤ガス導入マニホルド41付近の乾燥が好適に抑制される。
For example, when the amount of power generated is less than a predetermined threshold value, the ECU 1 sets the ratio of the flow rate F2 of the refrigerant from the
さらに、ECU1は、発電量が所定の閾値以上である場合、冷媒導入マニホルド62からの冷媒の流量F2の全流量(F1+F2)に対する比を50(%)とし、冷媒導入マニホルド61からの冷媒の流量F1の全流量(F1+F2)に対する比を50(%)とする。この場合、燃料ガス流路230のうち、燃料ガス導入マニホルド51付近の乾燥が好適に抑制される。これにより、乾燥による燃料電池2の発電性能の低下が抑制される。
Further, when the amount of power generation is equal to or higher than a predetermined threshold value, the ECU 1 sets the ratio of the flow rate F2 of the refrigerant from the
また、燃料電池2の温度は発電量が少ないときに低くなるため、仮に燃料ガス導入マニホルド51付近を過度に冷却すると、燃料ガス流路230内では水蒸気が凝縮することによりフラッディングが生ずるおそれがある。しかし、ECU1は、上記の動作によって、発電量が所定の閾値未満である場合、冷媒導入マニホルド61からの冷媒の流量F1の全流量(F1+F2)に対する比を、発電量が所定の閾値以上である場合より小さくするため、発電量が少ないときに燃料ガス導入マニホルド51付近の冷却を適切に抑制することができる。これにより、フラッディングによる燃料電池2の発電性能の低下も抑制される。
Further, since the temperature of the
また、本例において、酸化剤ガス流路240はストレート形状であるが、これに限定されず、以下の例のようにサーペンタイン形状であってもよい。
Further, in this example, the oxidant
図5は、冷媒流路220a、燃料ガス流路230a、及び酸化剤ガス流路240aの他の例を示す平面図である。図5において、図3と共通する構成には同一の符号を付し、その説明は省略する。
FIG. 5 is a plan view showing another example of the
本例において、酸化剤ガス流路240aは、図4とは異なり、サーペンタイン形状を有している。酸化剤ガス導入マニホルド41a及び酸化剤ガス排出マニホルド40aは、酸化剤ガス流路240aに連通している。酸化剤ガス導入マニホルド41aからの酸化剤ガスは、符号Daで示されるように、酸化剤ガス流路240aを流れ、酸化剤ガス排出マニホルド40aから排出される。なお、酸化剤ガス導入マニホルド41aは第2導入孔の一例であり、酸化剤ガス排出マニホルド40aは第2排出孔の一例である。
In this example, the oxidant
また、燃料ガス流路230aは、燃料ガス導入マニホルド51a及び燃料ガス排出マニホルド50aに連通し、サーペンタイン形状を有する。燃料ガス導入マニホルド51aからの燃料ガスは、燃料ガス流路230を流れ、燃料ガス排出マニホルド50aから排出される。なお、燃料ガス導入マニホルド51aは第1導入孔の一例であり、燃料ガス排出マニホルド50aは第1排出孔の一例である。
Further, the fuel
冷媒流路220aは、冷媒導入マニホルド61a,62a及び冷媒排出マニホルド60aに連通し、コ字形状を有する。冷媒導入マニホルド62aは、冷媒流路220aにおいて冷媒導入マニホルド61aより上流側に連通する。各冷媒導入マニホルド61a,62aからの冷媒は、符号Dc1,Dc2で示されるように、冷媒流路220a内で合流して冷媒排出マニホルド60aから排出される。なお、冷媒導入マニホルド61aは第3導入孔の一例であり、冷媒導入マニホルド62aは第4導入孔の一例である。
The
酸化剤ガス排出マニホルド40a、燃料ガス導入マニホルド51a、及び冷媒導入マニホルド61aは、中間プレート22及びセパレータ23,24の一端に設けられている。また、酸化剤ガス導入マニホルド41a、燃料ガス排出マニホルド50a、冷媒導入マニホルド62a、及び冷媒排出マニホルド60aは、中間プレート22及びセパレータ23,24の他端に設けられている。
The oxidant
このため、酸化剤ガス導入マニホルド41aは、燃料ガス導入マニホルド51aより燃料ガス排出マニホルド50aに近く、酸化剤ガス排出マニホルド40aは、燃料ガス排出マニホルド50aより燃料ガス導入マニホルド51aに近い。また、冷媒導入マニホルド61aは、燃料ガス排出マニホルド50aより燃料ガス導入マニホルド51aに近く、冷媒導入マニホルド62aは、酸化剤ガス排出マニホルド40aより酸化剤ガス導入マニホルド41aに近い。
Therefore, the oxidant
したがって、本例においても、ECU1が上記のように調圧弁3を制御することにより、上述した内容と同様の作用効果を得ることができる。 Therefore, also in this example, by controlling the pressure regulating valve 3 as described above, the ECU 1 can obtain the same effects as those described above.
上述した実施形態は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。 The embodiments described above are examples of preferred embodiments of the present invention. However, the present invention is not limited to this, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.
1 ECU(制御部)
2 燃料電池
3 調圧弁
22 中間プレート
23,24 セパレータ
40,40a 酸化剤ガス排出マニホルド(第2排出孔)
41,41a 酸化剤ガス導入マニホルド(第2導入孔)
50,50a 燃料ガス排出マニホルド(第1排出孔)
51,51a 燃料ガス導入マニホルド(第1導入孔)
60,60a 冷媒排出マニホルド(第3排出孔)
61,61a 冷媒導入マニホルド(第3導入孔)
62,62a 冷媒導入マニホルド(第4導入孔)
205 MEA
220 冷媒流路
230 燃料ガス流路
240 酸化剤ガス流路
1 ECU (control unit)
2 Fuel cell 3
41,41a Oxidizing agent gas introduction manifold (second introduction hole)
50, 50a Fuel gas discharge manifold (first discharge hole)
51,51a Fuel gas introduction manifold (first introduction hole)
60,60a Refrigerant discharge manifold (third discharge hole)
61,61a Refrigerant introduction manifold (third introduction hole)
62,62a Refrigerant introduction manifold (4th introduction hole)
205 MEA
220
Claims (1)
前記燃料電池を冷却する冷媒の流量を調整する調圧弁と、
前記燃料電池の発電量に基づき前記調圧弁を制御する制御部とを備え、
前記一対のセパレータには、
前記燃料ガスが導入される第1導入孔と、
前記燃料ガスが排出される第1排出孔と、
前記第1導入孔より前記第1排出孔に近く、前記酸化剤ガスが導入される第2導入孔と、
前記第1排出孔より前記第1導入孔に近く、前記酸化剤ガスが排出される第2排出孔と、
前記冷媒がそれぞれ導入される第3導入孔及び第4導入孔と、
前記冷媒が排出される第3排出孔とが設けられ、
前記一対のセパレータの一方には、前記第1導入孔から前記第1排出孔まで前記燃料ガスが流れる燃料ガス流路が設けられ、
前記一対のセパレータの他方には、前記第2導入孔から前記第2排出孔まで前記酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路が設けられ、
前記燃料ガス流路または前記酸化剤ガス流路の裏側には、前記第3導入孔及び前記第4導入孔から前記第3排出孔まで前記冷媒が流れる冷媒流路が設けられ、
前記第3導入孔は、前記第1排出孔より前記第1導入孔に近く、かつ前記第2導入孔より前記第1導入孔に近く、
前記第4導入孔は、前記第2排出孔より前記第2導入孔に近く、前記第3導入孔より前記冷媒流路の上流側に連通し、
前記調圧弁は、前記第3導入孔または前記第4導入孔に接続され、
前記制御部は、前記発電量が所定の閾値以上である場合、前記第3導入孔及び前記第4導入孔からそれぞれ導入される前記冷媒の流量の合計に対する、前記第3導入孔から導入される前記冷媒の流量の比が、前記発電量が前記所定の閾値未満である場合より大きくなるように前記調圧弁を制御する、
燃料電池システム。 A fuel cell having a membrane electrode assembly in which a power generation reaction of a fuel gas and an oxidant gas is performed, and a pair of separators sandwiching the membrane electrode assembly.
A pressure regulating valve that adjusts the flow rate of the refrigerant that cools the fuel cell,
A control unit that controls the pressure regulating valve based on the amount of power generated by the fuel cell is provided.
The pair of separators
The first introduction hole into which the fuel gas is introduced and
The first discharge hole from which the fuel gas is discharged and
The second introduction hole, which is closer to the first discharge hole than the first introduction hole and into which the oxidant gas is introduced,
A second discharge hole closer to the first introduction hole than the first discharge hole and from which the oxidant gas is discharged,
The third introduction hole and the fourth introduction hole into which the refrigerant is introduced, respectively,
A third discharge hole for discharging the refrigerant is provided.
One of the pair of separators is provided with a fuel gas flow path through which the fuel gas flows from the first introduction hole to the first discharge hole.
On the other side of the pair of separators, an oxidant gas flow path through which the oxidant gas flows from the second introduction hole to the second discharge hole is provided.
On the back side of the fuel gas flow path or the oxidant gas flow path, a refrigerant flow path through which the refrigerant flows from the third introduction hole and the fourth introduction hole to the third discharge hole is provided.
The third introduction hole is closer to the first introduction hole than the first discharge hole, and closer to the first introduction hole than the second introduction hole.
The fourth introduction hole is closer to the second introduction hole than the second discharge hole, and communicates with the upstream side of the refrigerant flow path from the third introduction hole.
The pressure regulating valve is connected to the third introduction hole or the fourth introduction hole.
When the amount of power generation is equal to or higher than a predetermined threshold value, the control unit is introduced from the third introduction hole with respect to the total flow rate of the refrigerant introduced from the third introduction hole and the fourth introduction hole, respectively. The pressure regulating valve is controlled so that the ratio of the flow rates of the refrigerant is larger than that when the amount of power generation is less than the predetermined threshold value.
Fuel cell system.
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