JPWO2011158295A1 - 燃料電池 - Google Patents
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Abstract
Description
A−1.燃料電池システムの構成:
図1は、燃料電池システム10の構成を示す説明図である。燃料電池システム10は、反応ガスの電気化学反応によって発電する燃料電池20を備え、燃料電池システム10の外部に電力を供給するために燃料電池20を運転する。本実施例では、燃料電池システム10の燃料電池20は、固体高分子型の燃料電池であり、水素を含有する燃料ガス、および酸素を含有する酸化ガスを反応ガスとして用いる。本実施例では、燃料電池システム10は、燃料電池20で発電した電力を利用して走行する車両に搭載されるシステムであるが、他の実施形態として、住宅や施設の電源として設置されるシステムに適用しても良いし、電気で作動する電気機械機器に電源として搭載されるシステムに適用しても良い。
図3は、運転制御部910が実行する燃料電池起動処理(ステップS10)を示すフローチャートである。本実施例では、運転制御部910は、燃料電池20を起動する際に、燃料電池起動処理(ステップS10)を開始する。
以上説明した第1実施例の燃料電池システム10によれば、燃料電池20に冷却水が送出される前に、燃料電池20のカソード触媒層217に滞留する水分が除去されるため、寒冷環境下で冷却水の送出が開始された場合であっても、燃料電池20のカソード触媒層217における凍結を抑制することができる。その結果、寒冷環境下での燃料電池20の劣化を抑制することができる。
第2実施例の燃料電池システム10は、パージ処理(ステップS145)においてカソード流路245に酸化ガスを流す方向が異なる点を除き、第1実施例と同様である。図8は、第2実施例において反応ガスを流す方向を示す説明図である。図8には、通常発電時に反応ガスを流す方向と、パージ処理(ステップS145)において反応ガスを流す方向とを図示した。燃料電池20による発電中、アノード流路235に水素ガスを流す方向は、重力方向Gに向かう重力方向下向きであり、カソード流路245に酸化ガスを流す方向は、重力方向Gとは逆に向かう重力方向上向きである。第2実施例では、パージ処理(ステップS145)において、アノード流路235に水素ガスを流す方向は重力方向下向きのまま、カソード流路245に酸化ガスを流す方向を重力方向下向きに切り換える。本実施例では、酸化ガス給排部40と燃料電池20とを接続する配管を切り換えることによって、カソード流路245に酸化ガスを流す方向を重力方向下向きに切り換える。
第3実施例の燃料電池システム10は、除水処理(ステップS140)の動作が異なる点を除き、第1実施例と同様である。図9は、第3実施例における除水処理(ステップS140)の詳細を示すフローチャートである。第3実施例の除水処理(ステップS140)は、カソード触媒層217から水分を除去する手法が異なる点を除き、第1実施例と同様である。除水処理(ステップS140)を開始すると、運転制御部910は、燃料電池20による発電を継続させながら、水素ガスのストイキ比の上昇を水素ガス給排部30に指示することによって、カソード触媒層217からアノード触媒層214に移動する水分量を増加させる(ステップS146)。なお、水素ガスのストイキ比とは、発電量に必要な最小のガス量に対する実際に供給されるガス量の比率であり、ストイキ比が大きくなる程、供給過大であること示す。
第4実施例の燃料電池システム10は、水素ガス給排部30に関する構成、および除水処理(ステップS140)の動作が異なる点を除き、第1実施例と同様である。図11は、第4実施例における水素ガス給排部30を示す説明図である。第4実施例の燃料電池システム10の構成は、水素ガス給排部30から燃料電池20に供給される水素ガスを加熱する加熱部370を備える点を除き、第1実施例と同様である。本実施例では、加熱部370は、水素ガスを供給する配管の周囲に配置された電熱器であり、運転制御部910からの指示に基づいて動作する。
第5実施例の燃料電池システム10は、MEA20に対する酸化ガスの流し方が異なる点を除き、第1実施例と同様である。図13は、第5実施例における積層方向から見た単セル25を示す説明図である。単セル25は、積層方向に貫通する孔をそれぞれ形成する六個の孔部261〜266を備える。孔部261,262,263は、長方形の単セル25における一方の短辺に沿って設けられ、孔部264,265,266は、長方形の単セル25における他方の短辺に沿って設けられている。
第6実施例の燃料電池システム10は、MEA20に対する酸化ガスおよび冷却水の流し方が異なる点を除き、第5実施例と同様である。図15は、第6実施例における積層方向から見た単セル25を示す説明図である。単セル25の構成は、冷却水を流す方向が第5実施例とは逆である点を除き、第5実施例と同様である。第6実施例では、孔部261は、単セル25から冷却水を排出する冷却水排出部であり、孔部266は、単セル25に冷却水を導入する冷却水導入部である。第6実施例では、水素ガスおよび酸化ガスの流れ方向は、第5実施例と同様であり、冷却水は、酸化ガスの流れと同様に水素ガス下流部272から水素ガス上流部271に流れる。
第7実施例の燃料電池システム10は、燃料電池起動処理(ステップS10)の動作が異なる点を除き、第1実施例と同様である。図17は、第7実施例における燃料電池起動処理(ステップS10)を示すフローチャートである。第7実施例では、冷却ポンプ540を起動する際(ステップS160)、運転制御部910は、電力制御部60に指示することによって、燃料電池20の電流を電流値Thiに抑制する(ステップS160)。電流値Thiは、カソード電極216側に移動する水分量がアノード電極213側に移動する水分量よりも少なくなる電流値である。
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論である。例えば、第1実施例ないし第7実施例の少なくとも二つの実施例を適宜組み合わせて適用しても良い。また、上述の実施例では、除水処理(ステップS140)を、カソード触媒層217で凍結した水分の溶解を検知した後(ステップS130)に開始したが、他の実施形態において、カソード触媒層217で凍結した水分の溶解を待つことなく、燃料電池20の起動に合わせて除水処理(ステップS140)を開始しても良い。これによって、燃料電池20の起動後に発生する生成水を早期に除去することができる。
第7実施例の燃料電池システム10は、燃料電池起動処理(ステップS10)の動作が異なる点を除き、第1実施例と同様である。図17は、第7実施例における燃料電池起動処理(ステップS10)を示すフローチャートである。第7実施例では、冷却ポンプ540を起動する際(ステップS160)、運転制御部910は、電力制御部60に指示することによって、燃料電池20の電流を電流値Thiに抑制する(ステップS155)。電流値Thiは、カソード電極216側に移動する水分量がアノード電極213側に移動する水分量よりも少なくなる電流値である。
Claims (12)
- 水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池を運転する燃料電池システムであって、
前記燃料電池に冷却媒体を送出する冷却ポンプと、
前記燃料電池が起動した後、前記冷却ポンプが前記冷却媒体を送出する前に、前記燃料電池における電解質膜のカソード側に形成されたカソード触媒層に滞留する水分を除去する除水部と
を備える燃料電池システム。 - 請求項1に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、前記電解質膜の前記カソード側に酸化ガスを流すカソード流路を含み、
前記除水部は、前記燃料電池が起動した後、前記冷却ポンプが前記冷却媒体を送出する前に、前記燃料電池の電流を停止した状態で、前記カソード流路に酸化ガスを導入することによって、前記カソード触媒層に滞留する水分を除去する、燃料電池システム。 - 請求項1または請求項2に記載の燃料電池システムであって、
更に、前記カソード触媒層で凍結した水分の溶解を検知する溶解検知部を備え、
前記除水部は、前記燃料電池が起動した後、前記冷却ポンプが前記冷却媒体を送出する前に、前記溶解検知部が前記水分の溶解を検知した場合、前記カソード触媒層に滞留する水分の除去を開始する、燃料電池システム。 - 前記溶解検知部は、前記燃料電池の内部抵抗に基づいて、前記カソード触媒層で凍結した水分の溶解を検知する、請求項3に記載の燃料電池システム。
- 請求項1ないし請求項4のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
更に、前記カソード触媒層における残水量を検知する残水検知部を備え、
前記除水部は、前記残水検知部によって検知された残水量に基づいて、前記カソード触媒層に滞留する水分の除去を終了する、燃料電池システム。 - 請求項5に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、前記電解質膜の前記カソード側に酸化ガスを流すカソード流路を含み、
前記残水検知部は、前記カソード流路を流れる酸化ガスの圧力損失に基づいて、前記カソード触媒層における残水量を検知する、燃料電池システム。 - 前記残水検知部は、前記燃料電池の内部抵抗に基づいて、前記カソード触媒層における残水量を検知する、請求項5に記載の燃料電池システム。
- 請求項1ないし請求項7のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、
前記電解質膜のアノード側に形成されたアノード触媒層と、
前記電解質膜の前記アノード側に水素ガスを流すアノード流路と
を含み、
前記除水部は、前記アノード流路に流れる水素ガスのストイキ比および温度の少なくとも一方を上昇させ、前記カソード触媒層から前記アノード触媒層に移動する水分量を増加させることによって、前記カソード触媒層に滞留する水分を除去する、燃料電池システム。 - 請求項1ないし請求項8のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、
前記電解質膜の面方向に沿って形成されたカソード流路に酸化ガスを導入する酸化ガス導入部と、
前記酸化ガス導入部に対向する位置に設けられ、前記カソード流路から酸化ガスを排出する酸化ガス排出部と、
前記酸化ガス排出部に対応する側に設けられ、前記電解質膜の面方向に沿って形成された冷却流路に冷却媒体を導入する冷却導入部と、
前記酸化ガス導入部に対応する側に設けられ、前記冷却流路から冷却媒体を排出する冷却排出部と
を含み、
更に、前記燃料電池が起動した後、前記冷却ポンプが前記冷却媒体を送出する前に、前記酸化ガス導入部に導入される酸化ガスの流量を、前記冷却ポンプの稼働時よりも減少させる酸化ガス減少部を備える燃料電池システム。 - 請求項1ないし請求項8のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、
前記電解質膜の面方向に沿って形成されたカソード流路に酸化ガスを導入する酸化ガス導入部と、
前記酸化ガス導入部に対向する位置に設けられ、前記カソード流路から酸化ガスを排出する酸化ガス排出部と、
前記酸化ガス導入部に対応する側に設けられ、前記電解質膜の面方向に沿って形成された冷却流路に冷却媒体を導入する冷却導入部と、
前記酸化ガス排出部に対応する側に設けられ、前記冷却流路から冷却媒体を排出する冷却排出部と
を含み、
更に、前記燃料電池が起動した後、前記冷却ポンプが前記冷却媒体を送出する前に、前記酸化ガス導入部に導入される酸化ガスの流量を、前記冷却ポンプの稼働時よりも増加させる酸化ガス増加部を備える燃料電池システム。 - 更に、前記燃料電池が起動した後、前記冷却ポンプが前記冷却媒体を送出する際に、前記電解質膜のアノード側に移動する水分量よりも前記カソード側に移動する水分量が少なくなる電流値に、前記燃料電池の電流を抑制する電流抑制部を備える請求項1ないし請求項10のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
- 水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池を運転する燃料電池の運転方法であって、
前記燃料電池を起動した後、前記燃料電池に冷却媒体を送出する前に、前記燃料電池における電解質膜のカソード側に形成されたカソード触媒層に滞留する水分を除去する、燃料電池の運転方法。
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