JP2007299627A - Fuel cell and fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池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 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、乗用カート、荷物用カート等の車両用の動力源として開発が進んでいる。そして、車両用の燃料電池は、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)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 into 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 buses, trucks, passenger carts, and luggage carts. Vehicle fuel cells are of the alkaline aqueous solution type (AFC), phosphoric acid type (PAFC), molten carbonate type (MCFC), solid oxide type (SOFC), direct type methanol (DMFC), and the like. However, a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) is 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、一体化させて接合する。そして、該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, the solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between two gas diffusion electrodes and integrated to join. When one of the gas diffusion electrodes is used as a fuel electrode (anode electrode) and hydrogen gas as fuel is supplied to the surface thereof, 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.
ところで、近年、この固体高分子型燃料電池では、より発電効率が高く、温度耐久にも優れる高温域で駆動することができる電解質膜として、高温膜を用いることが考えられている。 By the way, in recent years, in this polymer electrolyte fuel cell, it is considered to use a high-temperature membrane as an electrolyte membrane that can be driven in a high-temperature region with higher power generation efficiency and excellent temperature durability.
この高温膜を用いた燃料電池システムでは、起動から短時間に良好な特性を得るために必要な温度(例えば、100〔℃〕以上)に昇温した状態にしなければならない。昇温させる方法としては、燃料電池の起動時に酸素極に沿って形成された空気流路に供給される空気に水素ガスを混合させる技術が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。この場合、酸素極において水素と酸素とが反応する際に発生する熱によって燃料電池を加熱し、100〔℃〕以上にまで急速に温度を上昇させることができる。
しかしながら、前記従来の燃料電池システムにおいては、空気流路に供給される空気にあらかじめ水素ガスを混合させるようになっているので、微細に観ると空気中における水素ガスの分布が不均一であり、流路方向でガスの組成が大きく変わるため、酸素極の表面において空気と水素ガスとの分布に偏りが生じてしまうことによって、電極の面内に電位差が生じ、劣化を招いてしまう。 However, in the conventional fuel cell system, since hydrogen gas is mixed in advance with the air supplied to the air flow path, the distribution of hydrogen gas in the air is uneven when viewed finely, Since the composition of the gas varies greatly in the direction of the flow path, the distribution of air and hydrogen gas is biased on the surface of the oxygen electrode, resulting in a potential difference in the plane of the electrode, leading to deterioration.
本発明は、前記従来の燃料電池システムの問題点を解決して、燃料極側又は酸素極側のセパレータを多孔(こう)体で形成するとともに、前記セパレータ内部に酸化剤又は燃料を添加する流路を形成することによって、電極に酸化剤又は燃料を均一に添加することができ、電極表面において酸化剤と燃料を均一に反応させることができ、電極が劣化することなく、電極を迅速に加熱することができる燃料電池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 problems of the conventional fuel cell system, and forms a separator on the fuel electrode side or oxygen electrode side with a porous body, and adds an oxidant or fuel to the inside of the separator. By forming the path, the oxidant or fuel can be added uniformly to the electrode, the oxidant and fuel can be reacted uniformly on the electrode surface, and the electrode can be heated quickly without deterioration of the electrode. It is an object of the present invention to provide a fuel cell and a fuel cell system that can be used.
そのために、本発明の燃料電池においては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した単位セルと、前記燃料極の外側に燃料流路を形成するとともに前記酸素極の外側に酸化剤流路を形成するセパレータとを有する燃料電池であって、前記燃料極側又は酸素極側のセパレータは、多孔体で形成され、かつ、内部に前記燃料極に酸化剤を添加する酸化剤添加流路又は前記酸素極に燃料を添加する燃料添加流路が形成されている。 Therefore, in the fuel cell of the present invention, a unit cell in which an electrolyte layer is sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode, a fuel flow path is formed outside the fuel electrode, and an oxidant flow path is formed outside the oxygen electrode. The separator on the fuel electrode side or the oxygen electrode side is formed of a porous body, and an oxidant addition flow path for adding an oxidant to the fuel electrode therein or A fuel addition passage for adding fuel to the oxygen electrode is formed.
本発明の他の燃料電池においては、さらに、前記燃料極又は酸素極は、セパレータ側の面に形成された起動昇温用触媒層を備える。 In another fuel cell of the present invention, the fuel electrode or the oxygen electrode further includes a startup temperature raising catalyst layer formed on the separator side surface.
本発明の燃料電池システムにおいては、さらに、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した単位セルと、前記燃料極の外側に燃料流路を形成するとともに前記酸素極の外側に酸化剤流路を形成するセパレータとを有し、前記燃料極側又は酸素極側のセパレータは、多孔体で形成され、かつ、内部に前記燃料極に酸化剤を添加する酸化剤添加流路又は前記酸素極に燃料を添加する燃料添加流路が形成されている燃料電池と、前記燃料流路に燃料を供給する燃料供給手段と、前記酸化剤流路に酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、前記酸化剤添加流路に酸化剤を又は前記燃料添加流路に燃料を供給する添加手段と、前記燃料電池の起動時に、前記酸化剤添加流路又は燃料添加流路に供給される酸化剤又は燃料を制御する制御手段とを有する。 In the fuel cell system of the present invention, a unit cell in which an electrolyte layer is sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode, a fuel flow path is formed outside the fuel electrode, and an oxidant flow path is formed outside the oxygen electrode. The separator on the fuel electrode side or the oxygen electrode side is formed of a porous body, and an oxidant addition flow channel for adding an oxidant to the fuel electrode or the oxygen electrode is formed inside the separator. A fuel cell in which a fuel addition flow path for adding fuel is formed; fuel supply means for supplying fuel to the fuel flow path; oxidant supply means for supplying oxidant to the oxidant flow path; An adding means for supplying an oxidant to the oxidant addition flow path or a fuel to the fuel addition flow path, and an oxidant or fuel to be supplied to the oxidant addition flow path or the fuel addition flow path when the fuel cell is started. Control means for controlling.
本発明の他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記制御手段は、前記酸化剤又は燃料を前記酸化剤添加流路又は燃料添加流路に定量供給するように制御する。 In another fuel cell system of the present invention, the control unit further controls to supply the oxidant or fuel to the oxidant addition channel or the fuel addition channel in a fixed amount.
本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記制御手段は、所望の温度に昇温するために必要な燃量から算出された量の酸化剤又は燃料を供給するように制御する。 In still another fuel cell system of the present invention, the control means controls to supply an amount of oxidant or fuel calculated from the amount of fuel necessary for raising the temperature to a desired temperature.
本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記制御手段は、前記燃料電池の温度を検出し、該温度に基づいて、前記酸化剤添加流路又は燃料添加流路に供給される酸化剤又は燃料の量を制御する。 In still another fuel cell system of the present invention, the control means further detects the temperature of the fuel cell and, based on the temperature, an oxidation supplied to the oxidant addition channel or the fuel addition channel. Control the amount of agent or fuel.
本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記制御手段は、前記酸化剤添加流路又は燃料添加流路に供給される酸化剤又は燃料の量が最適になるように前記燃料電池内に残留する水分量による熱容量の変化を補正する。 In still another fuel cell system of the present invention, the control means further includes a control unit configured so that an amount of oxidant or fuel supplied to the oxidant addition channel or the fuel addition channel is optimized. The change in heat capacity due to the amount of moisture remaining in the water is corrected.
本発明によれば、燃料電池においては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した単位セルと、前記燃料極の外側に燃料流路を形成するとともに前記酸素極の外側に酸化剤流路を形成するセパレータとを有する燃料電池であって、前記燃料極側又は酸素極側のセパレータは、多孔体で形成され、かつ、内部に前記燃料極に酸化剤を添加する酸化剤添加流路又は前記酸素極に燃料を添加する燃料添加流路が形成されている。 According to the present invention, in a fuel cell, a unit cell in which an electrolyte layer is sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode, a fuel flow path is formed outside the fuel electrode, and an oxidant flow path is formed outside the oxygen electrode. The separator on the fuel electrode side or the oxygen electrode side is formed of a porous body, and an oxidant addition flow path for adding an oxidant to the fuel electrode therein or A fuel addition passage for adding fuel to the oxygen electrode is formed.
この場合、燃料電池の起動時に、燃料極又は酸素極の表面に空気と水素ガスが均一に分布され、燃料極又は酸素極に酸化剤又は燃料を均一に添加することができる。そのため、燃料極又は酸素極の面において酸化剤と燃料とを均一に反応させることができ、燃料極又は酸素極の面内で電位差が生じないので劣化することなく、該燃料極又は酸素極を迅速に加熱することができ、燃料電池を短時間で昇温することができる。 In this case, when the fuel cell is started, air and hydrogen gas are uniformly distributed on the surface of the fuel electrode or the oxygen electrode, and the oxidant or fuel can be uniformly added to the fuel electrode or the oxygen electrode. Therefore, the oxidant and the fuel can be uniformly reacted on the surface of the fuel electrode or the oxygen electrode, and no potential difference is generated in the surface of the fuel electrode or the oxygen electrode. Heating can be performed quickly, and the temperature of the fuel cell can be raised in a short time.
他の燃料電池においては、さらに、前記燃料極又は酸素極は、セパレータ側の面に形成された起動昇温用触媒層を備える。 In another fuel cell, the fuel electrode or the oxygen electrode further includes a startup temperature raising catalyst layer formed on the separator side surface.
この場合、電解質層の両側に設けられた触媒層が、燃料電池の起動時に添加された酸化剤と燃料との燃焼反応による急激な発熱によるダメージを回避することができる。 In this case, the catalyst layers provided on both sides of the electrolyte layer can avoid damage due to rapid heat generation due to the combustion reaction between the oxidant added at the start of the fuel cell and the fuel.
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単位セルと、前記燃料極の外側に燃料流路を形成するとともに前記酸素極の外側に酸化剤流路を形成するセパレータとを有し、前記燃料極側又は酸素極側のセパレータは、多孔体で形成され、かつ、内部に前記燃料極に酸化剤を添加する酸化剤添加流路又は前記酸素極に燃料を添加する燃料添加流路が形成されている燃料電池と、前記燃料流路に燃料を供給する燃料供給手段と、前記酸化剤流路に酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、前記酸化剤添加流路に酸化剤を又は前記燃料添加流路に燃料を供給する添加手段と、前記燃料電池の起動時に、前記酸化剤添加流路又は燃料添加流路に供給される酸化剤又は燃料を制御する制御手段とを有する。 In the fuel cell system, a unit cell having an electrolyte layer sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode, a separator that forms a fuel flow path outside the fuel electrode and an oxidant flow path outside the oxygen electrode; The fuel electrode side or oxygen electrode side separator is formed of a porous body, and an oxidant addition passage for adding an oxidant to the fuel electrode therein or a fuel for adding fuel to the oxygen electrode A fuel cell in which an addition channel is formed; a fuel supply unit that supplies fuel to the fuel channel; an oxidant supply unit that supplies an oxidant to the oxidant channel; and an oxidant addition channel An addition means for supplying an oxidant or fuel to the fuel addition flow path; and a control means for controlling the oxidant or fuel supplied to the oxidant addition flow path or the fuel addition flow path when the fuel cell is started. Have
この場合、燃料電池の起動時に、燃料極又は酸素極に酸化剤又は燃料を均一に添加することができる。そのため、燃料極又は酸素極の面において酸化剤と燃料とを均一に反応させることができ、燃料極又は酸素極が劣化することなく、該燃料極又は酸素極を迅速に加熱することができ、燃料電池を短時間で昇温することができる。 In this case, the oxidant or fuel can be uniformly added to the fuel electrode or the oxygen electrode when the fuel cell is started. Therefore, the oxidant and the fuel can be uniformly reacted on the surface of the fuel electrode or the oxygen electrode, the fuel electrode or the oxygen electrode can be rapidly heated without deterioration of the fuel electrode or the oxygen electrode, The temperature of the fuel cell can be raised in a short time.
他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記制御手段は、前記酸化剤又は燃料を前記酸化剤添加流路又は燃料添加流路に定量供給するように制御する。 In another fuel cell system, the control unit further controls to supply the oxidant or fuel to the oxidant addition flow path or the fuel addition flow path in a fixed amount.
この場合、燃料電池の昇温に必要な所定量の酸化剤又は燃料を燃料極又は酸素極に適確に供給することができる。 In this case, a predetermined amount of oxidant or fuel necessary for raising the temperature of the fuel cell can be appropriately supplied to the fuel electrode or the oxygen electrode.
更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記制御手段は、前記燃料電池の温度を検出し、該温度に基づいて、前記酸化剤添加流路又は燃料添加流路に供給される酸化剤又は燃料の量を制御する。 In still another fuel cell system, the control means further detects the temperature of the fuel cell, and based on the temperature, the oxidant or fuel supplied to the oxidant addition channel or the fuel addition channel. The amount of control.
この場合、燃料電池の温度に応じて、適切な量の酸化剤又は燃料を燃料極又は酸素極に供給することができる。 In this case, an appropriate amount of oxidant or fuel can be supplied to the fuel electrode or the oxygen electrode depending on the temperature of the fuel cell.
更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記制御手段は、前記酸化剤添加流路又は燃料添加流路に供給される酸化剤又は燃料の量が最適になるように制御する。 In still another fuel cell system, the control means further controls the amount of oxidant or fuel supplied to the oxidant addition channel or the fuel addition channel to be optimum.
この場合、燃料電池の昇温に最適な量の酸化剤又は燃料を燃料極又は酸素極に供給することができる。 In this case, an oxidant or fuel in an amount optimal for raising the temperature of the fuel cell can be supplied to the fuel electrode or the oxygen electrode.
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1は本発明の実施の形態における燃料電池の単位セルの構成を示す模式断面図、図2は本発明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である。なお、図1(a)は通常運転時の状態を示し、図1(b)は起動昇温時の状態を示している。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a unit cell of a fuel cell according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. FIG. 1 (a) shows a state during normal operation, and FIG. 1 (b) shows a state during start-up temperature rise.
図において、20は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と図示されない二次電池、キャパシタ等の蓄電手段を併用して使用することが望ましい。
In the figure,
そして、燃料電池スタック20は、高温膜を備え、水素ガスを燃料ガス、すなわち、アノードガスとし、酸素又は空気を酸化剤、すなわち、カソードガスとする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電解質層としての固体高分子電解質膜11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。
The
本実施の形態において、燃料電池スタック20は、図示されない複数の燃料電池としてのセルモジュールを有する。該セルモジュールは、単位セル(MEA:Membrane Electrode Assembly)10と、該単位セル10同士を電気的に接続するとともに、単位セル10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セパレータとを1セットとして、板厚方向に複数のセットを重ねて構成されている。なお、セルモジュールは、単位セル10同士が所定の間隙(げき)を隔てて配設されるように、単位セル10とセパレータとが、多段に重ねられて積層されている。
In the present embodiment, the
また、高温膜とは、雰囲気が高温かつ低湿度である場合において、プロトン伝導度が高い固体高分子電解質膜11である。具体的に高温膜として用いられる材料としては、含フッ素系膜、炭化水素系膜、又はそれらの合成膜などのカチオン交換膜であり、低湿度で高いプロトン伝導性を示す特性の構造を持つもので構成される。なお、低湿度で高いプロトン伝導性を示す特性とは、例えば、一般的な固体高分子電解質膜よりも水が十分に保水される材料か、又は、水が無くてもプロトン伝導可能な物質が添加された材料であり、含フッ素系膜のパーフルオロ系膜ではスルホン酸基の濃度が高い(EW値が低い)ものであればよく、炭化水素系膜のスルホン酸化ポリイミド膜では分子構造上に水を保持する物質であればよい。具体的なプロトン伝導度は、温度が50〜140〔℃〕の範囲内で、湿度が0〜50〔%〕の雰囲気下において、一般的な固体高分子(温度50〔℃〕以下、湿度50〔%〕以上の雰囲気下でプロトン伝導度が0.1〔S/cm〕以上)よりもプロトン伝導性が良好なものであり、例えば、温度120〔℃〕、湿度20〔%〕の雰囲気下において、プロトン伝導度が0.1〔S/cm〕以上であるものが好ましい。なお、本実施の形態においては、電解質層としての固体高分子電解質膜11が、単位セル10の温度が100〜200〔℃〕の範囲内で好適に使用されるものとして説明する。 The high temperature membrane is a solid polymer electrolyte membrane 11 having a high proton conductivity when the atmosphere is high temperature and low humidity. Specifically, materials used as high-temperature membranes are cation exchange membranes such as fluorine-containing membranes, hydrocarbon-based membranes, or synthetic membranes thereof, and have a characteristic structure that exhibits high proton conductivity at low humidity. Consists of. The characteristic of high proton conductivity at low humidity is, for example, a material in which water is sufficiently retained than a general solid polymer electrolyte membrane, or a substance capable of proton conduction without water. It is only necessary to add a material such as a fluorine-containing membrane perfluoro-based membrane having a high sulfonic acid group concentration (low EW value). A hydrocarbon-based sulfonated polyimide membrane has a molecular structure. Any substance that retains water may be used. Specific proton conductivity is such that the temperature is in the range of 50 to 140 [° C.] and the humidity is in the range of 0 to 50 [%]. The proton conductivity is better than 0.1 [S / cm] in an atmosphere of [%] or more), for example, in an atmosphere of a temperature of 120 [° C.] and a humidity of 20 [%]. The proton conductivity is preferably 0.1 [S / cm] or more. In the present embodiment, it is assumed that the solid polymer electrolyte membrane 11 as the electrolyte layer is preferably used when the temperature of the unit cell 10 is in the range of 100 to 200 [° C.].
そして、単位セル10は、図1に示されるように、固体高分子電解質膜11の側に設けられた電極である酸素極としての空気極12及び他側に設けられた電極である燃料極13とで構成されている。前記空気極12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11と接触させて支持される触媒層とから成る。また、単位セル10の空気極12側の電極拡散層に接触して集電するとともに、酸化剤としての空気が流通する多数の開口としての空気流路16が形成された空気極側セパレータ14と、単位セルの燃料極13側の電極拡散層に接触して集電するとともに、燃料ガスとしての水素ガスが流通する多数の開口としての水素流路17が形成された燃料極側セパレータ15とを有する。
As shown in FIG. 1, the unit cell 10 includes an
前記単位セル10においては、水が移動する。この場合、図2に示されるような水素ガスボンベ、水素吸蔵合金収容装置等の水素ガス貯蔵体としての燃料貯蔵手段73から燃料ガス、すなわち、アノードガスとしての水素ガスを燃料極側セパレータ15の水素流路17内に供給すると、水素が水素イオン(プロトン)と電子とに分解され、図1(a)に示されるように、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11を透過する。また、前記空気極12をカソード極とし、図示されない空気供給ファン、酸素ボンベ等の酸化剤供給源から酸化剤、すなわち、カソードガスとしての空気を空気極側セパレータ14の空気流路16内に供給すると、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。なお、水分が逆拡散水として固体高分子電解質膜11を透過し、燃料極側セパレータ15の水素流路17内に移動する。ここで、逆拡散水とは、空気流路16において生成される水が固体高分子電解質膜11内に拡散し、該固体高分子電解質膜11内を前記水素イオンと逆方向に透過して水素流路17にまで浸透したものである。
In the unit cell 10, water moves. In this case, the fuel gas, that is, the hydrogen gas as the anode gas is supplied from the fuel storage means 73 as a hydrogen gas storage body such as a hydrogen gas cylinder and a hydrogen storage alloy storage device as shown in FIG. When supplied into the
図1には、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、燃料極13に燃料を供給する燃料供給手段と、酸化剤としての空気を供給する装置、すなわち、空気極12に酸化剤を供給する酸化剤供給手段とが示されている。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。
FIG. 1 shows an apparatus for supplying hydrogen gas as a fuel gas 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の水素流路17の入口に供給される。そして、前記第1燃料供給管路21には、圧力センサ27、燃料圧力調整弁25及び燃料供給電磁弁としての水素供給弁26が配設される。また、燃料圧力調整弁25をバイパスするバイパス管路にはバイパス弁としての水素高圧供給弁29が配設されている。さらに、前記第2燃料供給管路33には安全弁33aが配設される。なお、前記圧力センサ27、燃料圧力調整弁25及び水素供給弁26の数は任意に設定することができる。また、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。
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
そして、燃料電池スタック20の水素流路17の出口から未反応成分として排出される水素ガスは、第1燃料排出管路31を通って燃料電池スタック20外に排出される。前記第1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を排出する第2燃料排出管路30が接続され、該第2燃料排出管路30にはポンプとしての吸引循環ポンプ36が配設されている。また、前記第2燃料排出管路30には水素循環電磁弁34が配設されている。また、前記第2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外に排出された水素ガスを回収し、燃料電池スタック20の水素流路17に供給して再利用することができる。
The hydrogen gas discharged as an unreacted component from the outlet of the
また、前記水回収ドレインタンク60には、第3燃料排出管路56が接続され、該第3燃料排出管路56には水素排気電磁弁62が配設され、燃料電池スタック20の起動時に水素流路17から排出される水素極室内ガスを水素に完全置換することができるようになっている。なお、第3燃料排出管路56の出口端は排気マニホールド71に接続され、排出された水素を空気で希釈させる。
Further, a third
さらに、前記第2燃料排出管路30における吸引循環ポンプ36と水素循環電磁弁34との間には、他端が前記第3燃料排出管路56に接続された第4燃料排出管路56aが接続されている。そして、該第4燃料排出管路56aには、燃料電池スタック20内を減圧する際に開となる減圧水素排出弁62aが配設されている。また、前記第2燃料排出管路30には、外気導入電磁弁35及びエアフィルタ37が接続され、燃料電池スタック20の停止時に外気を導入することができるようになっている。
Further, a fourth
ここで、前記燃料圧力調整弁25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、前記燃料圧力調整弁25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。
Here, the fuel
また、前記水素供給弁26、水素高圧供給弁29、水素循環電磁弁34、水素排気電磁弁62、減圧水素排出弁62a及び外気導入電磁弁35は、いわゆる、ON−OFF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、前記吸引循環ポンプ36は、水素ガスとともに逆拡散水を強制的に排出し、水素流路17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。
The
一方、酸化剤としての空気は、図示されない空気供給ファン、酸素ボンベ等の酸化剤供給源から、空気供給管路77及び吸気マニホールド74を通って、燃料電池スタック20の酸素室、すなわち、空気流路16に供給される。この場合、供給される空気の圧力は大気圧程度の常圧である。なお、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、空気流路16から排出される空気は、マニホールドとしての排気マニホールド71を通って大気中へ排出される。なお、排気マニホールド71には燃料電池スタック20から排出された直後の空気の温度を検出するスタック排気温度検出器23が配設されている。さらに、燃料電池スタック20には燃料電池電圧を計測する電圧計59が配設されている。なお、前記空気供給管路77には、必要に応じて、空気流路16に供給される空気中に水をスプレーして供給し、燃料電池スタック20の酸素極としての空気極を湿潤な状態に維持するための水供給ノズルを配設することができる。
On the other hand, air as an oxidant is supplied from an oxidant supply source such as an air supply fan and an oxygen cylinder (not shown) through the
また、燃料電池システムは、燃料電池スタック20の温度を調節するための燃料電池温調システムを有する。該燃料電池温調システムは、一般的な車両用内燃機関等の冷却システムと同様に、循環する温度調節用媒体、すなわち、温調媒体によって燃料電池スタック20の温度を調節するシステムである。ここで、54は、内部を温調媒体が流通するパイプとしての温調媒体管路51に配設された放熱器としてのラジエータであり、温調媒体と外気とを熱交換させることによって、温調媒体の熱を外気中に放熱して温調媒体を冷却する。また、前記ラジエータ54は、図示されないモータによって駆動される冷却ファンを備えていてもよい。この場合、温調媒体の温度が高くなったとき等には、必要に応じて冷却ファンを作動させることによって、温調媒体を冷却する能力を高めることができる。なお、前記温調媒体は、水、油等の液体であるが、いかなる種類の媒体であってもよい。
The fuel cell system has a fuel cell temperature control system for adjusting the temperature of the
また、前記温調媒体管路51には温調媒体を循環させるための循環ポンプ53、及び、温調媒体を貯留するリザーバタンク52が配設されている。前記循環ポンプ53は図示されないモータによって駆動される。
The temperature control
そして、単位セル10においては、図1に示されるように、燃料極側セパレータ15内に温調媒体流路19が形成されており、燃料電池スタック20に供給された温調媒体は、前記温調媒体流路19内を流通することによって、燃料電池スタック20の各単位セル10の温度を調節する。
In the unit cell 10, as shown in FIG. 1, a temperature control
本実施の形態においては、起動時に燃料電池の温度を所定温度、例えば、100〔℃〕にまで速やかに昇温させるために、空気極12に水素ガスを添加して空気中の酸素と反応させ、熱を発生させるようになっている。そのために、空気極側セパレータ14に複数の燃料添加流路としての水素添加流路18が形成され、かつ、空気極側セパレータ14が多孔体から形成されている。そして、燃料電池の起動時に前記水素添加流路18に水素ガスを供給すると、該水素ガスが多孔体から成る空気極側セパレータ14自体が備える互いに連続する微小な孔(あな)を通って空気極12のセパレータ側表面(図1(b)における右側表面)に到達し、電極触媒層もしくは起動昇温用触媒層の部位で空気中の酸素と反応して反応熱を発生する。
In the present embodiment, in order to quickly raise the temperature of the fuel cell to a predetermined temperature, for example, 100 [° C.] at the time of startup, hydrogen gas is added to the
ここで、前記多孔体は、例えば、セラミック、連続気孔構造を備える発泡金属(Metal Foam)等の材料から成るものであるが、水素ガスが通過することができる孔を備えるものであれば、いかなる種類の材料から成るものであってもよい。なお、図示は省略されているが、空気極側セパレータ14の空気極12と反対側(図1(b)における右側)の面には、隣接する単位セル10用の燃料極側セパレータ15が当接している。そして、該燃料極側セパレータ15は、孔を有することなく、気体が通過不能な通常の材料から形成されたものである。そのため、空気極側セパレータ14が多孔体から形成されていても、空気極12に供給される空気又は添加された水素ガスが隣接する単位セル10に流入することはない。
Here, the porous body is made of a material such as ceramic or a foam metal having a continuous pore structure (Metal Foam), for example, as long as it has pores through which hydrogen gas can pass. It may be made of various types of materials. Although not shown, the fuel
そして、空気極側セパレータ14が多孔体から形成されているので、水素添加流路18に水素ガスを流通させるだけで、該水素ガスは、水素添加流路18から前記空気極側セパレータ14自体が備える互いに連続する微小な孔を通って拡散し、空気極12に自動的に供給される。この場合、水素ガスは、多孔体から形成された空気極側セパレータ14の内部を通過することによって拡散されるので、空気極12の面に万遍なく均一に供給され、空気極12の面において、空気と水素ガスとの分布に偏りが生じることがない。
And since the air
また、空気極12のセパレータ側の面に起動昇温用触媒層を設けることが望ましい。該起動昇温用触媒層は、例えば、白金等のように水素と酸素との反応、すなわち、水素の燃焼を促進する機能を備える触媒を含むものであれば、いかなる種類のものであってもよい。これにより、固体高分子電解質膜11の両側に設けられた触媒が、燃料電池の起動時に添加された水素ガスの燃焼によって劣化してしまうことを防止することができる。なお、前記空気極側セパレータ14に起動昇温用触媒を設けることもできる。例えば、白金を塗り込めたカーボン等から成る多孔体によって空気極側セパレータ14を形成することにより、起動昇温用触媒を備える空気極側セパレータ14を得ることができる。
Further, it is desirable to provide a startup temperature raising catalyst layer on the
そして、第1燃料供給管路21における燃料圧力調整弁25と水素供給弁26との間には昇温用管路78の一端が接続されている。なお、該昇温用管路78の他端は、燃料電池スタック20に接続され、前記水素添加流路18に連通されている。また、前記昇温用管路78には昇温用バイパス弁57及び逆止弁58が配設されている。そして、燃料電池スタック20の起動時に、前記昇温用バイパス弁57を開にすることによって、燃料貯蔵手段73からの水素ガスを水素添加流路18に流通させることができる。すなわち、燃料貯蔵手段73、昇温用管路78、昇温用バイパス弁57等は、水素添加流路18に燃料を供給する添加手段として機能する。
One end of a
また、本実施の形態において、燃料電池システムは制御手段として、図示されないFCコントローラを有する。該FCコントローラは、CPU、MPU等の演算手段、磁気ディスク、半導体メモリ等の記憶手段、入出力インターフェイス等を備え、各種のセンサから燃料電池スタック20の燃料ガス流路及び空気流路に供給される水素、酸素、空気等の流量、温度、出力電圧等を検出して、前記燃料圧力調整弁25、水素供給弁26、水素高圧供給弁29、水素循環電磁弁34、水素排気電磁弁62、減圧水素排出弁62a、外気導入電磁弁35、昇温用バイパス弁57等の各種の弁、吸引循環ポンプ36、循環ポンプ53等を駆動するための各種モータ等の動作を制御する。
In the present embodiment, the fuel cell system has an FC controller (not shown) as control means. The FC controller includes arithmetic means such as a CPU and MPU, storage means such as a magnetic disk and a semiconductor memory, an input / output interface, and the like, and is supplied from various sensors to the fuel gas flow path and the air flow path of the
なお、起動時に燃料電池の温度を所定温度にまで速やかに昇温させるために、燃料極13に空気を添加して該空気中の酸素を水素ガスと反応させ、熱を発生させることもできる。この場合、燃料極側セパレータ15に複数の酸化剤添加流路としての空気添加流路を形成し、かつ、燃料極側セパレータ15を多孔体から形成する。そして、燃料電池の起動時に前記空気添加流路に空気を供給すると、該空気が多孔体から成る燃料極側セパレータ15自体が備える互いに連続する微小な孔を通って燃料極13のセパレータ側表面(図1(b)における左側表面)に到達し、電極触媒層もしくは起動昇温用触媒層の部位で水素ガスと反応して反応熱を発生する。また、水素添加流路18を省略し、かつ、空気極側セパレータ14を、孔を有することなく、気体が通過不能な通常の材料から形成する。そのため、燃料極側セパレータ15が多孔体から形成されていても、燃料極13に供給される水素ガス又は添加された空気が隣接する単位セル10に流入することはない。
In order to quickly raise the temperature of the fuel cell to a predetermined temperature at the time of startup, air can be added to the fuel electrode 13 to react oxygen in the air with hydrogen gas to generate heat. In this case, a plurality of air addition passages as oxidant addition passages are formed in the fuel
そして、空気極12に水素ガスを添加する場合と同様に、空気添加流路に空気を流通させるだけで、該空気は、空気添加流路から燃料極側セパレータ15自体が備える互いに連続する微小な孔を通って拡散し、燃料極13に自動的に供給される。この場合、空気は、多孔体から形成された燃料極側セパレータ15の内部を通過することによって拡散されるので、燃料極13の面に万遍なく均一に供給され、燃料極13の面において、空気と水素ガスとの分布に偏りが生じることがない。
Then, as in the case of adding hydrogen gas to the
また、空気極12に水素ガスを添加する場合と同様に、燃料極13のセパレータ側の面に起動昇温用触媒層を設けることが望ましい。さらに、前記燃料極側セパレータ15に起動昇温用触媒を設けることもできる。
Similarly to the case where hydrogen gas is added to the
さらに、前記昇温用管路78を省略し、酸化剤供給源から供給される空気を空気添加流路に流通させるための昇温用空気管路を配設する。該昇温用空気管路には、昇温用空気調節弁、逆止弁等を配設して、空気添加流路に供給される空気を制御する。
Further, the
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。まず、定常運転における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. First, the operation in steady operation will be described.
本実施の形態の燃料電池システムにおける定常運転時には、燃料圧力調整弁25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一定の圧力に調整した後、前記燃料圧力調整弁25は燃料電池システムの運転中には調整されることがなく、そのままの状態が保持される。また、空気供給ファン等の酸化剤供給源は、燃料電池の出力電流に応じてあらかじめ設定された空気が供給されるように作動する。この場合、供給される空気の量は、燃料電池スタック20の出力が最大となるために必要な空気の量よりも十分に多い量である。
During steady operation in the fuel cell system of this embodiment, after adjusting the pressure of the hydrogen gas flowing out from the outlet of the fuel
そして、燃料電池スタック20が運転を開始すると、該燃料電池スタック20を構成する各単位セル10において逆拡散水が発生し、該逆拡散水が固体高分子電解質膜11を透過して水素流路17にまで達し、前記固体高分子電解質膜11の燃料極13側を加湿する。これにより、該固体高分子電解質膜11の燃料極13側は湿潤な状態となり、電気化学反応によって水素から生成された水素イオンが固体高分子電解質膜11内をスムーズに移動することができる。
When the
また、前記水素流路17に供給されて余剰となった未反応成分としての水素ガスは、前記水素流路17にまで浸透して余剰となった逆拡散水と混合して、気液混合物となる。該気液混合物となった水素ガスは、吸引循環ポンプ36によって吸引され、燃料電池スタック20に接続された第1燃料排出管路31を通って前記燃料電池スタック20の外部に排出される。そして、前記気液混合物は、第1燃料排出管路31を通過して水回収ドレインタンク60内に導入される。そして、比較的広い空間を備える前記水回収ドレインタンク60内に滞留することによって、重量物である水分が重力によって落下し、水素ガスから逆拡散水が分離する。該逆拡散水が分離して乾燥した状態の水素ガスは、第2燃料排出管路30から水回収ドレインタンク60外に排出される。
Further, the surplus unreacted hydrogen gas supplied to the
そして、定常運転においては、前記第2燃料排出管路30から排出された水素ガスは、開いた状態になっている水素循環電磁弁34を通過して、第2燃料供給管路33に導入され、再び、燃料電池スタック20の水素流路17に供給されて再利用される。
In steady operation, the hydrogen gas discharged from the second
次に、停止状態から起動する起動運転における燃料電池システムの動作について説明する。なお、本実施の形態においては、説明の都合上、空気極12に水素ガスを添加する場合についてのみ説明することとする。
Next, the operation of the fuel cell system in the start-up operation that starts from the stop state will be described. In the present embodiment, for convenience of explanation, only the case where hydrogen gas is added to the
図3は本発明の実施の形態における燃料電池システムの起動運転の動作を示す第1のフローチャートである。 FIG. 3 is a first flowchart showing the start-up operation of the fuel cell system according to the embodiment of the present invention.
まず、車両の運転者が図示されないイグニッションスイッチのキー挿入スロットに挿入されたキーを回転させ、回転位置をONにすると、始動信号が入力され(ステップS1)、FCコントローラにシステムの起動命令が伝えられ、燃料電池システムを起動する動作が開始される。この場合、前記FCコントローラは、燃料電池の起動時に、酸化剤添加流路又は燃料添加流路に供給される酸化剤又は燃料を制御する制御手段として機能する。なお、起動前の状態において、吸引循環ポンプ36は停止し、水素供給弁26、水素高圧供給弁29、水素循環電磁弁34、水素排気電磁弁62及び減圧水素排出弁62aは閉じている。また、燃料電池スタック20の空気流路16内には空気が充満し、水素流路17内には水素ガスの置換ガスとしての空気が充満している。
First, when a vehicle driver rotates a key inserted in a key insertion slot of an ignition switch (not shown) and turns the rotation position to ON, a start signal is input (step S1), and a system start command is transmitted to the FC controller. Then, the operation for starting the fuel cell system is started. In this case, the FC controller functions as control means for controlling the oxidant or fuel supplied to the oxidant addition channel or the fuel addition channel when the fuel cell is started. In addition, in the state before starting, the
続いて、前記FCコントローラは、スタック温度検出器23によってスタック温度測定を行う(ステップS2)。そして、燃料電池スタック20の温度が所定温度としての100〔℃〕以上であるか否かを判断する(ステップS3)。ここで、燃料電池スタック20の温度が100〔℃〕以上である場合には、燃料電池スタック20の有する単位セル10の温度が固体高分子電解質膜11の好適な温度範囲にあるものと考えられるので、前記FCコントローラは、水素主バルブ開を行い(ステップS4)、水素供給弁26又は水素高圧供給弁29を開いて燃料貯蔵手段73からの水素ガスを燃料電池スタック20の水素流路17に供給する。また、水素排気電磁弁62及び減圧水素排出弁62aを開き、吸引循環ポンプ36を作動させて燃料電池スタック20の水素流路17内から空気を排出する。これにより、水素極室ガス置換が行われ(ステップS5)、水素流路17内に充満していた空気がパージされ、水素ガスに置き換えられる。
Subsequently, the FC controller performs stack temperature measurement by the stack temperature detector 23 (step S2). Then, it is determined whether or not the temperature of the
そして、前記FCコントローラは、電圧計59の出力に基づいて燃料電池電圧の測定を行い、燃料電池電圧が所定値を超えると定常運転としてのFC発電に移行し(ステップS6)、起動運転の処理を終了する。
The FC controller measures the fuel cell voltage based on the output of the
一方、燃料電池スタック20の温度が100〔℃〕以上でない場合、前記FCコントローラは、昇温動作を行う(ステップS7)。そして、前記FCコントローラは、昇温用バイパスバルブOPENを行い(ステップS8)、昇温用バイパス弁57を開いて燃料貯蔵手段73からの水素ガスを昇温用管路78を介して水素添加流路18に流通させ、さらに、スタック主流路への空気流通を行い(ステップS9)、空気供給ファン等の酸化剤供給源から、空気供給管路77及び吸気マニホールド74を介して、空気流路16に空気を供給する。すると、水素ガスは、水素添加流路18から空気極側セパレータ14自体が備える互いに連続する微小な孔を通って拡散し、空気極12の面に万遍なく均一に供給される。そして、水素ガスは、電極触媒層もしくは起動昇温用触媒層の部位で空気流路16に供給された空気中の酸素と反応して反応熱を発生する。
On the other hand, when the temperature of the
続いて、前記FCコントローラは、スタック温度測定を行い(ステップS10)、燃料電池スタック20の温度が所定温度としての100〔℃〕以上であるか否かを判断する(ステップS11)。そして、燃料電池スタック20の温度が100〔℃〕以上でない場合には、再び昇温用バイパスバルブOPENを行い(ステップS8)、前述の動作を繰り返す。
Subsequently, the FC controller performs stack temperature measurement (step S10), and determines whether or not the temperature of the
また、燃料電池スタック20の温度が100〔℃〕以上である場合には、燃料電池スタック20の有する単位セル10の温度が固体高分子電解質膜11の好適な温度範囲にまで昇温されたと考えられるので、前記FCコントローラは、昇温用バイパスバルブCLOSEを行い(ステップS12)、昇温用バイパス弁57を閉じて水素ガスの水素添加流路18への流通を停止させる。これにより、空気極12の面への水素ガスの供給が停止され、空気流路16に供給された空気中の酸素との反応が停止する。続いて、前記FCコントローラは、水素主バルブ開を行う(ステップS4)。これにより、水素極室ガス置換が行われ(ステップS5)、FC発電に移行し(ステップS6)、起動運転の処理を終了する。
Further, when the temperature of the
次に、停止状態から起動する起動運転における燃料電池システムの動作の変形例について説明する。 Next, a modified example of the operation of the fuel cell system in the start-up operation that starts from the stop state will be described.
図4は本発明の実施の形態における燃料電池システムの起動運転の動作を示す第2のフローチャートである。 FIG. 4 is a second flowchart showing the start-up operation of the fuel cell system according to the embodiment of the present invention.
まず、車両の運転者が図示されないイグニッションスイッチのキー挿入スロットに挿入されたキーを回転させ、回転位置をONにすると、始動信号が入力され(ステップS21)、FCコントローラにシステムの起動命令が伝えられ、燃料電池システムを起動する動作が開始される。 First, when a vehicle driver rotates a key inserted in a key insertion slot of an ignition switch (not shown) and turns the rotational position to ON, a start signal is input (step S21), and a system start command is transmitted to the FC controller. Then, the operation for starting the fuel cell system is started.
続いて、前記FCコントローラは、スタック温度検出器23によってスタック温度測定を行う(ステップS22)。そして、燃料電池スタック20の温度が所定温度としての100〔℃〕以上であるか否かを判断する(ステップS23)。ここで、燃料電池スタック20の温度が100〔℃〕以上である場合には、前記FCコントローラは、水素主バルブ開を行い(ステップS24)、水素供給弁26又は水素高圧供給弁29を開いて燃料貯蔵手段73からの水素ガスを燃料電池スタック20の水素流路17に供給する。また、水素排気電磁弁62及び減圧水素排出弁62aを開き、吸引循環ポンプ36を作動させて燃料電池スタック20の水素流路17内から空気を排出する。これにより、水素極室ガス置換が行われ(ステップS25)、水素流路17内に充満していた空気がパージされ、水素ガスに置き換えられる。
Subsequently, the FC controller performs stack temperature measurement by the stack temperature detector 23 (step S22). Then, it is determined whether or not the temperature of the
そして、前記FCコントローラは、電圧計59の出力に基づいて燃料電池電圧の測定を行い、燃料電池電圧が所定値を超えると定常運転としてのFC発電に移行し(ステップS26)、起動運転の処理を終了する。
Then, the FC controller measures the fuel cell voltage based on the output of the
一方、燃料電池スタック20の温度が100〔℃〕以上でない場合、前記FCコントローラは、昇温動作を行う(ステップS27)。そして、前記FCコントローラは、昇温用バイパスバルブOPENを行い(ステップS28)、昇温用バイパス弁57を開いて燃料貯蔵手段73からの水素ガスを昇温用管路78を介して水素添加流路18に流通させ、さらに、スタック主流路への空気流通を行い(ステップS29)、空気供給ファン等の酸化剤供給源から、空気供給管路77及び吸気マニホールド74を介して、空気流路16に空気を供給する。
On the other hand, when the temperature of the
続いて、前記FCコントローラは、タイムカウントを行い(ステップS30)、昇温動作を開始してから所定時間が経過したか否かを判断する(ステップS31)。そして、所定時間を経過していない場合には、再び昇温用バイパスバルブOPENを行い(ステップS28)、前述の動作を繰り返す。 Subsequently, the FC controller counts time (step S30), and determines whether or not a predetermined time has elapsed since the start of the temperature raising operation (step S31). If the predetermined time has not elapsed, the temperature raising bypass valve OPEN is performed again (step S28), and the above-described operation is repeated.
ここで、前記所定時間は、昇温動作を開始してから燃料電池スタック20の温度が100〔℃〕以上となるまでに要する時間であり、昇温動作を開始する前に行われたスタック温度測定において測定された燃料電池スタック20の温度に基づいて決定することができる。前記昇温動作においては、昇温用バイパス弁57を開いて水素添加流路18に流通させて、空気極12に供給した水素ガスが、空気流路16に供給された空気中の酸素と反応して反応熱を発生する、すなわち、燃焼することによって単位セル10を加熱するようになっている。この場合、単位質量当たりの水素ガスが燃焼することによって発生する燃焼熱量は既知であるから、空気極12に供給した水素ガスの流量が分かれば、単位時間当たりの燃焼熱量を算出することができる。なお、空気流路16には十分な量の空気が供給され、空気極12に供給された水素ガスはすべて燃焼するものとする。そして、単位セル10の熱容量及び昇温動作の開始時の単位セル10の温度が分かれば、前記単位時間当たりの燃焼熱量に基づいて、単位セル10を100〔℃〕にまで昇温するために必要な時間を算出することができる。
Here, the predetermined time is a time required from the start of the temperature raising operation until the temperature of the
したがって、単位質量当たりの水素ガスが発生する燃焼熱量、空気極12に供給される水素ガスの流量及び単位セル10の熱容量をFCコントローラの記憶手段にあらかじめ記憶させておけば、スタック温度測定において測定された燃料電池スタック20の温度に基づいて、FCコントローラは、前記所定時間を算出することができる。
Therefore, if the heat of combustion generated by the hydrogen gas per unit mass, the flow rate of the hydrogen gas supplied to the
なお、空気流路16内に水分が存在する場合には、単位セル10の熱容量が変化するので、補正を行う必要がある。
In addition, when moisture exists in the
また、前記空気流路16内に存在する水分は、通常、燃料電池システムの前回の運転時に発生した水分が残留しているものであり、前回の運転状況によって変化するので、前回の運転状況に基づいて与えた水素燃焼熱量に対しスタック熱容量から導出された温度上昇時間率のずれを把握することで、燃料電池内の熱容量変化を算出することができる。
In addition, the water present in the
そして、所定時間を経過した場合には、燃料電池スタック20の有する単位セル10の温度が固体高分子電解質膜11の好適な温度範囲にまで昇温されたと考えられるので、前記FCコントローラは、昇温用バイパスバルブCLOSEを行い(ステップS32)、昇温用バイパス弁57を閉じて水素ガスの水素添加流路18への流通を停止させる。これにより、空気極12の面への水素ガスの供給が停止され、空気流路16に供給された空気中の酸素との反応が停止する。続いて、前記FCコントローラは、水素主バルブ開を行う(ステップS24)。これにより、水素極室ガス置換が行われ(ステップS25)、FC発電に移行し(ステップS26)、起動運転の処理を終了する。
When the predetermined time has elapsed, it is considered that the temperature of the unit cell 10 of the
本実施の形態において、FCコントローラは、図3及び4に示されるフローチャートに基づいて説明した以外の制御を行うこともできる。 In the present embodiment, the FC controller can also perform controls other than those described based on the flowcharts shown in FIGS.
例えば、FCコントローラは、空気極12に供給される水素ガスを定量供給するように制御することができる。前述のように、単位質量当たりの水素ガスが燃焼することによって発生する燃焼熱量は既知であるから、単位セル10又は昇温すべき部位の熱容量が分かれば、ある時点の温度から所定温度にまで昇温するのに必要な水素ガスの量を定めることができる。そこで、あらかじめ単位セル10又は昇温すべき部位の温度と必要な水素ガスの量との関係を示す温度マップを作成して記憶手段に記憶させておけば、前記温度マップに基づいて水素ガスを定量供給するように制御すること、すなわち、水素ガスの定量制御を行うことができる。なお、空気流路16内に水分が存在する場合には、単位セル10又は昇温すべき部位の熱容量が変化して昇温レートが変化する可能性があるので、例えば、分割ステップによって設定温度に収束させるような補助的な制御を行うことが望ましい。空気流路16内に存在する水分は、通常、燃料電池システムの前回の運転時に発生した水分が残留しているものであり、前回の運転状況によって変化するので、これにより、単位セル10又は昇温すべき部位の熱容量が変化して昇温レートが変化する。そこで、前段のステップにおいて、所定量の水素ガスを供給して昇温レートを計測し、後段のステップにおいて、単位セル10又は昇温すべき部位の温度を100〔℃〕にまで昇温するために必要な量の水素ガスを供給するように制御することが望ましい。
For example, the FC controller can be controlled to supply a fixed amount of hydrogen gas supplied to the
また、例えば、FCコントローラは、温度を検出して空気極12に供給される水素ガス量を制御することができる。燃料貯蔵手段73から供給される水素ガスの圧力と昇温用バイパス弁57の開度が定まっていれば、燃料電池システムの起動時における単位セル10又は昇温すべき部位の温度を測定して水素ガスの供給量を制御する場合、図4に示されるフローチャートに基づいて説明したように、前記昇温用バイパス弁57を開く時間を設定することによって、単位セル10又は昇温すべき部位の温度を100〔℃〕にまで昇温することができる。なお、前述のように、空気流路16内に水分が存在する場合には、単位セル10又は昇温すべき部位の熱容量が変化して昇温レートが変化する可能性があるので、同様に、分割ステップによって設定温度に収束させるような補助的な制御を行うことが望ましい。
For example, the FC controller can detect the temperature and control the amount of hydrogen gas supplied to the
さらに、例えば、FCコントローラは、空気極12への水素ガスの供給量を最適に制御することができる。この場合、必要な水素ガスの供給量は次の(1)〜(3)のパラメータによって定まる。
(1)昇温すべき部位の初期の温度及び目標とする到達温度
(2)一定量の水素ガスが燃焼することによる昇温すべき部位の温度上昇マップ(但し、空気流路16内に水分が存在しない乾燥時のもの)
(3)該温度上昇マップに対し、空気流路16内に水分が存在する場合の補正係数((2)に対するずれによって昇温すべき部位の熱容量の変化を把握して補正を行う)
ここで、単位セル10のサイズ、燃料電池スタック20のサイズ等の構造要因、空気流路16内及び空気極12の水分含有状態等によって熱容量が変化するので、あらかじめ制御マップや補正係数を設定することが必要となる。
Further, for example, the FC controller can optimally control the supply amount of hydrogen gas to the
(1) Initial temperature and target reached temperature of a part to be heated (2) Temperature rise map of a part to be heated by burning a certain amount of hydrogen gas (however, moisture in the air channel 16 (Dry when there is no)
(3) Correction coefficient when water is present in the
Here, since the heat capacity changes depending on the structural factors such as the size of the unit cell 10 and the size of the
なお、本実施の形態においては、起動運転における燃料電池システムの動作については、空気極12に水素ガスを添加する場合のみを説明したが、燃料極13に空気を添加して該空気中の酸素を水素ガスと反応させる場合についても、同様の動作が行われるようになっている。
In the present embodiment, the operation of the fuel cell system in the start-up operation has been described only in the case where hydrogen gas is added to the
このように、本実施の形態においては、空気極側セパレータ14又は燃料極側セパレータ15を多孔体で形成するとともに、空気極側セパレータ14内部に水素添加流路18を形成又は燃料極側セパレータ15内部に空気添加流路を形成し、燃料電池システムの起動時に、前記水素添加流路18に水素ガスを供給又は前記空気添加流路に空気を供給するようになっている。これにより、空気極12又は燃料極13の面に水素ガス又は空気を均一に添加することができ、空気極12又は燃料極13の面において水素と空気中の酸素とを均一に反応させることができる。そのため、空気極12又は燃料極13が劣化することなく、該空気極12又は燃料極13を迅速に加熱することができ、単位セル10を短時間で昇温することができる。
Thus, in the present embodiment, the air
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.
10 単位セル
11 固体高分子電解質膜
12 空気極
13 燃料極
14 空気極側セパレータ
15 燃料極側セパレータ
18 水素添加流路
57 昇温用バイパス弁
73 燃料貯蔵手段
78 昇温用管路
10 Unit Cell 11 Solid
Claims (7)
前記燃料極側又は酸素極側のセパレータは、多孔体で形成され、かつ、内部に前記燃料極に酸化剤を添加する酸化剤添加流路又は前記酸素極に燃料を添加する燃料添加流路が形成されていることを特徴とする燃料電池。 A fuel cell having a unit cell in which an electrolyte layer is sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode, and a separator that forms a fuel flow path outside the fuel electrode and forms an oxidant flow path outside the oxygen electrode. And
The fuel electrode side or oxygen electrode side separator is formed of a porous body, and has an oxidant addition channel for adding an oxidant to the fuel electrode inside or a fuel addition channel for adding fuel to the oxygen electrode. A fuel cell which is formed.
前記燃料流路に燃料を供給する燃料供給手段と、
前記酸化剤流路に酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、
前記酸化剤添加流路に酸化剤を又は前記燃料添加流路に燃料を供給する添加手段と、
前記燃料電池の起動時に、前記酸化剤添加流路又は燃料添加流路に供給される酸化剤又は燃料を制御する制御手段とを有することを特徴とする燃料電池システム。 A unit cell having an electrolyte layer sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode; and a separator that forms a fuel flow path outside the fuel electrode and forms an oxidant flow path outside the oxygen electrode. The separator on the electrode side or the oxygen electrode side is formed of a porous body, and an oxidant addition channel for adding an oxidant to the fuel electrode or a fuel addition channel for adding fuel to the oxygen electrode is formed inside. A fuel cell,
Fuel supply means for supplying fuel to the fuel flow path;
An oxidant supply means for supplying an oxidant to the oxidant flow path;
An addition means for supplying an oxidant to the oxidant addition channel or a fuel to the fuel addition channel;
And a control means for controlling an oxidant or fuel supplied to the oxidant addition passage or the fuel addition passage when the fuel cell is started.
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