JP2009016132A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムに関し、特に、燃料電池への反応ガスの導入制御に関する。 The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to control of introduction of a reaction gas into a fuel cell.
燃料電池の停止時、燃料ガス供給バルブは閉じられて燃料ガスの燃料電池への供給は停止される。燃料電池停止後、酸化ガス流路に残存していた酸化ガスは電解質膜を透過してアノード電極層側へ漏洩する。アノード流路では、アノード流路内に残存していた燃料ガスと電解質膜を透過して流入してきた酸化ガスとが反応して燃料ガスが消費され、次第に酸化ガスの量が増加する。燃料電池の起動時には、燃料ガス配管に配置されている燃料ガス供給バルブが開かれ、燃料タンクからアノード流路に燃料ガスが供給されて、アノード流路内に存在する酸化ガスが消費され、燃料ガスがアノード面内に広がる。 When the fuel cell is stopped, the fuel gas supply valve is closed and the supply of the fuel gas to the fuel cell is stopped. After the fuel cell is stopped, the oxidizing gas remaining in the oxidizing gas flow channel passes through the electrolyte membrane and leaks to the anode electrode layer side. In the anode channel, the fuel gas remaining in the anode channel and the oxidizing gas that has permeated through the electrolyte membrane react with each other to consume the fuel gas, and the amount of oxidizing gas gradually increases. When starting the fuel cell, the fuel gas supply valve arranged in the fuel gas pipe is opened, the fuel gas is supplied from the fuel tank to the anode flow path, and the oxidant gas existing in the anode flow path is consumed, and the fuel Gas spreads in the anode surface.
しかしながら、燃料電池の起動時、燃料ガス流路内に酸化ガスが残存していることがある。この場合には、燃料ガス供給バルブを開いて燃料ガスを燃料電池に導入し始めてから、燃料ガス流路内に燃料ガスが均等に供給されるまでには時間がかかる。また、燃料電池の起動時には、燃料電池の積層方向に伸びた燃料ガスマニホールド内も酸化ガスが存在しているため、燃料電池全体に、燃料ガスが均一に行き渡るには時間がかかる。そのため、燃料電池の起動から所定時間は燃料電池の出力が制限されるという問題がある。 However, when the fuel cell is started, oxidizing gas may remain in the fuel gas flow path. In this case, it takes time until the fuel gas is uniformly supplied into the fuel gas flow path after the fuel gas supply valve is opened and fuel gas is introduced into the fuel cell. Further, when the fuel cell is started up, the oxidizing gas is also present in the fuel gas manifold extending in the stacking direction of the fuel cells, so that it takes time for the fuel gas to uniformly reach the entire fuel cell. Therefore, there is a problem that the output of the fuel cell is limited for a predetermined time from the start of the fuel cell.
本発明は上述の課題に鑑みてなされたものであり、燃料電池の出力性能の向上を目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and aims to improve the output performance of a fuel cell.
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態はたは適用例として実現することが可能である。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the following aspects can be realized as application examples.
[適用例1]
本発明の第1の適用例の燃料電池システムは、
前記燃料電池に供給するための燃料ガスを貯蔵する燃料ガスタンクと、
前記燃料ガスタンクと前記複数の燃料ガス導入口のそれぞれに接続された燃料ガス配管と、
前記複数の燃料ガス導入口のそれぞれに対応して前記燃料ガス配管に設置され、前記燃料ガス配管から前記燃料電池への前記燃料ガスの導入を制御する複数の導入制御弁と、
前記燃料電池の動作状態に関する動作情報を取得する情報取得手段と、
前記動作情報に基づき、前記複数の導入制御弁のうち少なくとも2つの導入制御弁について、それぞれ異なるタイミングで開閉するように制御する弁制御手段と、を備える燃料電池システム。
[Application Example 1]
A fuel cell system according to a first application example of the present invention includes:
A fuel gas tank for storing fuel gas to be supplied to the fuel cell;
A fuel gas pipe connected to each of the fuel gas tank and the plurality of fuel gas inlets;
A plurality of introduction control valves that are installed in the fuel gas pipes corresponding to the plurality of fuel gas inlets and that control the introduction of the fuel gas from the fuel gas pipes to the fuel cell;
Information acquisition means for acquiring operation information relating to the operation state of the fuel cell;
A fuel cell system comprising: valve control means for controlling at least two introduction control valves of the plurality of introduction control valves to open and close at different timings based on the operation information.
上述の適用例1の燃料電池システムによれば、少なくとも2つの導入制御弁から、異なるタイミング燃料ガスを燃料電池へ導入できる。従って、燃料電池内で燃料ガスの振動が生じ、燃料ガスの拡散が促進される。よって、燃料電池システムの起動時に、導入制御弁を開放したまま燃料ガスを導入する場合に比べて、燃料ガスが燃料電池全体に行き渡る時間を短縮でき、燃料電池の出力性能を向上できる。 According to the fuel cell system of Application Example 1 described above, different timing fuel gases can be introduced into the fuel cell from at least two introduction control valves. Accordingly, the fuel gas vibrates in the fuel cell, and the diffusion of the fuel gas is promoted. Therefore, compared with the case where the fuel gas is introduced while the introduction control valve is opened when the fuel cell system is started, the time for the fuel gas to reach the entire fuel cell can be shortened, and the output performance of the fuel cell can be improved.
[適用例2]
第1の適用例の燃料電池システムであって、
前記弁制御手段は、前記少なくとも2つの導入制御弁を交互に開く、燃料電池システム。
[Application Example 2]
A fuel cell system according to a first application example,
The fuel cell system, wherein the valve control means opens the at least two introduction control valves alternately.
適用例2の燃料電池システムによれば、2つの燃料ガス導入口から燃料電池内へ燃料ガスを交互に導入できるため、容易に、燃料ガスの振動を生じさせることができる。よって、燃料電池内への燃料ガスの拡散効率を向上できる。 According to the fuel cell system of the application example 2, since the fuel gas can be alternately introduced into the fuel cell from the two fuel gas introduction ports, the vibration of the fuel gas can be easily generated. Therefore, the diffusion efficiency of the fuel gas into the fuel cell can be improved.
[適用例3]
第1の適用例の燃料電池システムであって、
前記情報取得手段は、前記燃料電池のアノードにおける前記燃料ガスの量に関する情報を前記動作情報として取得し、
前記弁制御手段は、前記アノードにおける前記燃料ガスが所定量未満の場合に、前記少なくとも2つの導入制御弁の開閉を制御する、燃料電池システム。
[Application Example 3]
A fuel cell system according to a first application example,
The information acquisition means acquires information on the amount of the fuel gas at the anode of the fuel cell as the operation information,
The valve control means controls the opening and closing of the at least two introduction control valves when the fuel gas in the anode is less than a predetermined amount.
適用例3の燃料電池システムによれば、アノードにおける燃料ガスが所定量未満の場合に、燃料ガス供給弁の開閉タイミングを制御できる。従って、アノードにおける燃料ガスの迅速な拡散を要する場合に、燃料ガスの拡散効率を向上できる。 According to the fuel cell system of Application Example 3, when the fuel gas in the anode is less than a predetermined amount, the opening / closing timing of the fuel gas supply valve can be controlled. Therefore, the fuel gas diffusion efficiency can be improved when rapid diffusion of the fuel gas at the anode is required.
[適用例4]
適用例1の燃料電池システムであって、
前記情報取得手段は、前記燃料電池システムの停止後の経過時間を測定するタイマー、前記アノードにおける燃料ガスの濃度を測定する水素濃度センサおよび前記燃料電池の電圧を測定する電圧測定手段の少なくとも1つを含む、燃料電池システム。
[Application Example 4]
A fuel cell system according to Application Example 1,
The information acquisition means includes at least one of a timer that measures an elapsed time after the fuel cell system is stopped, a hydrogen concentration sensor that measures the concentration of fuel gas at the anode, and a voltage measurement means that measures the voltage of the fuel cell. Including a fuel cell system.
上述の適用例4によれば、簡易な構成で、燃料電池のアノードにおける燃料ガスの存在に関する情報を取得できる。 According to Application Example 4 described above, information regarding the presence of fuel gas in the anode of the fuel cell can be acquired with a simple configuration.
[適用例5]
適用例1の燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、前記燃料電池の内部流路に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給マニホールドおよび前記燃料電池の内部流路から燃料ガスを排出するための燃料ガス排出マニホールドを有し、
前記少なくとも2つの燃料ガス導入口のうちの第1の燃料ガス導入口および第2の燃料ガス導入口は、前記燃料ガス供給マニホールドの入口と、前記燃料ガス排出マニホールドの出口であり、
前記弁制御手段は、前記複数の導入制御弁のうち、前記燃料ガス供給マニホールドの入口に対応して配置された第1の導入制御弁と、前記燃料ガス排出マニホールドの出口に対応して配置された第2の導入制御弁とを制御する、燃料電池システム。
[Application Example 5]
A fuel cell system according to Application Example 1,
The fuel cell has a fuel gas supply manifold for supplying fuel gas to an internal flow path of the fuel cell and a fuel gas discharge manifold for discharging fuel gas from the internal flow path of the fuel cell,
Of the at least two fuel gas inlets, a first fuel gas inlet and a second fuel gas inlet are an inlet of the fuel gas supply manifold and an outlet of the fuel gas discharge manifold,
The valve control means is arranged corresponding to the first introduction control valve arranged corresponding to the inlet of the fuel gas supply manifold and the outlet of the fuel gas discharge manifold among the plurality of introduction control valves. A fuel cell system for controlling the second introduction control valve.
上述の適用例5によれば、燃料ガス供給マニホールドの入口と、導入制御弁を燃料ガス排出マニホールドの出口とを、燃料ガスの導入口として利用できる。従って、燃料ガス導入口を燃料電池に新たに形成することなく、燃料ガスの拡散効率を向上できる。 According to Application Example 5 described above, the inlet of the fuel gas supply manifold and the outlet of the fuel gas discharge manifold can be used as the inlet of the fuel gas. Accordingly, the diffusion efficiency of the fuel gas can be improved without newly forming a fuel gas inlet in the fuel cell.
[適用例6]
適用例1の燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、膜電極接合体とセパレータとからなる発電ユニットを複数積層した構成を有しており、
前記第1の燃料ガス導入口は、前記燃料電池の積層方向の一端に形成されており、
前記第1の燃料ガス導入口および前記第2の燃料ガス導入口とは異なる第3の燃料ガス導入口は、前記燃料電池の積層方向の他端に形成され、前記燃料ガス供給マニホールドに連通しており、
前記弁制御手段は、更に、前記第1の燃料ガス導入口と前記第3の導入口とを異なるタイミングで開閉する、燃料電池システム。
[Application Example 6]
A fuel cell system according to Application Example 1,
The fuel cell has a configuration in which a plurality of power generation units composed of a membrane electrode assembly and a separator are stacked,
The first fuel gas inlet is formed at one end in the stacking direction of the fuel cell,
A third fuel gas inlet different from the first fuel gas inlet and the second fuel gas inlet is formed at the other end of the fuel cell in the stacking direction and communicates with the fuel gas supply manifold. And
The valve control means is a fuel cell system that further opens and closes the first fuel gas inlet and the third inlet at different timings.
上述の適用例6によれば、燃料ガス供給マニホールドの両端から異なるタイミングで燃料ガスを導入できる。従って、燃料電池のアノード面内についてだけでなく、燃料電池の積層方向についても、燃料ガスの拡散効率を向上できる。 According to Application Example 6 described above, fuel gas can be introduced at different timings from both ends of the fuel gas supply manifold. Therefore, the diffusion efficiency of the fuel gas can be improved not only in the anode plane of the fuel cell but also in the stacking direction of the fuel cell.
[適用例7]
適用例1の燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、膜電極接合体とセパレータとからなる発電ユニットを複数積層した構成を有しており、
少なくとも2つの燃料ガス導入口のうちの第1の燃料ガス導入口は、前記燃料電池の積層方向の一端に形成されており、第2の燃料ガス導入口は、前記燃料電池の積層方向の他端に形成されており、
前記弁制御手段は、前記第1の燃料ガス導入口および前記第2の燃料ガス導入口に対応付けられている第1の導入制御弁および第2の導入制御弁を制御する、燃料電池システム。
[Application Example 7]
A fuel cell system according to Application Example 1,
The fuel cell has a configuration in which a plurality of power generation units composed of a membrane electrode assembly and a separator are stacked,
Of the at least two fuel gas inlets, the first fuel gas inlet is formed at one end in the stacking direction of the fuel cells, and the second fuel gas inlet is the other in the stacking direction of the fuel cells. Formed at the end,
The fuel cell system, wherein the valve control means controls a first introduction control valve and a second introduction control valve associated with the first fuel gas inlet and the second fuel gas inlet.
上述の適用例7によれば、燃料電池の積層方向に燃料ガスの振動を生じさせることができる。従って燃料電池の積層方向のガス拡散効率を向上できる。 According to Application Example 7 described above, vibration of the fuel gas can be generated in the stacking direction of the fuel cells. Therefore, the gas diffusion efficiency in the stacking direction of the fuel cell can be improved.
[適用例8]
適用例1の燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、前記燃料電池の内部流路に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給マニホールドおよび前記燃料電池の内部流路から燃料ガスを排出するための燃料ガス排出マニホールドを有し、
前記第1の燃料ガス導入口は、前記燃料ガス供給マニホールドの入口もしくは前記燃料ガス排出マニホールドの出口であり、
前記第2の燃料ガス導入口は、前記燃料ガス供給マニホールドもしくは前記燃料ガス排出マニホールドのうち、前記第1の燃料ガス導入口が用いられているマニホールドに連通している、燃料電池システム。
[Application Example 8]
A fuel cell system according to Application Example 1,
The fuel cell has a fuel gas supply manifold for supplying fuel gas to an internal flow path of the fuel cell and a fuel gas discharge manifold for discharging fuel gas from the internal flow path of the fuel cell,
The first fuel gas inlet is an inlet of the fuel gas supply manifold or an outlet of the fuel gas discharge manifold;
The fuel cell system, wherein the second fuel gas introduction port communicates with a manifold of the fuel gas supply manifold or the fuel gas discharge manifold in which the first fuel gas introduction port is used.
上述の適用例8によれば、燃料ガス供給マニホールドおよび燃料ガス排出マニホールドのうちいずれか一方の両端から燃料ガスを導入できる。従って、燃料電池の積層方向へのガス拡散効率を控除でき、マニホールド内の燃料ガスの均一な分布を促進できる。 According to Application Example 8 described above, fuel gas can be introduced from both ends of either the fuel gas supply manifold or the fuel gas discharge manifold. Therefore, the gas diffusion efficiency in the stacking direction of the fuel cells can be subtracted, and the uniform distribution of the fuel gas in the manifold can be promoted.
[適用例9]
適用例1の燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、前記燃料ガス供給マニホールドの入口と前記燃料ガス排出マニホールドの出口とが同一端となるように構成されており、
前記第1の燃料ガス導入口は、前記燃料ガス供給マニホールドの入口であり、
前記第2の燃料ガス導入口は、前記燃料ガス排出マニホールドに連通している、燃料電池システム。
[Application Example 9]
A fuel cell system according to Application Example 1,
The fuel cell is configured such that the inlet of the fuel gas supply manifold and the outlet of the fuel gas discharge manifold are at the same end,
The first fuel gas inlet is an inlet of the fuel gas supply manifold;
The fuel cell system, wherein the second fuel gas introduction port communicates with the fuel gas discharge manifold.
第1の導入口から導入された燃料ガスは、第1の導入口から積層方向に離れるに連れて、また、第1の導入口から燃料ガス排出マニホールドに向かって離れるに連れて、拡散されにくい。従って、上述の適用例9によれば、第1の導入口から導入された燃料ガスの届きにくい部位に第2の導入口を形成して燃料ガスを導入できるため、燃料電池全体に燃料ガスが拡散される時間を短縮できる。 The fuel gas introduced from the first introduction port is less likely to diffuse as it moves away from the first introduction port in the stacking direction and away from the first introduction port toward the fuel gas discharge manifold. . Therefore, according to the application example 9 described above, the fuel gas can be introduced by forming the second introduction port in a portion where the fuel gas introduced from the first introduction port is difficult to reach. The spreading time can be shortened.
[適用例10]
適用例1の燃料電池システムであって、
前記情報取得手段は、前記燃料電池システムの起動時に、前記動作情報を取得する、燃料電池システム。
[Application Example 10]
A fuel cell system according to Application Example 1,
The information acquisition means acquires the operation information when the fuel cell system is activated.
上述の適用例10によれば、燃料ガス流路内の燃料ガスが酸化ガスに置換されていることがある燃料電池の起動時に動作情報を取得できる。従って、通常動作時に動作情報を取得する必要がないため、燃料電池システムの稼働負荷を軽減できる。 According to Application Example 10 described above, the operation information can be acquired at the time of starting the fuel cell in which the fuel gas in the fuel gas flow path may be replaced with the oxidizing gas. Therefore, since it is not necessary to acquire operation information during normal operation, the operating load of the fuel cell system can be reduced.
本発明において、上述した種々の態様は、適宜、組み合わせたり、一部を省略したりして適用することができる。 In the present invention, the various aspects described above can be applied by appropriately combining or omitting some of them.
A.第1実施例:
A1.システム構成
図1は、第1実施例としての燃料電池システムの全体構成を示す説明図である。実施例の燃料電池システムは、モータで駆動する電動車両に電源として搭載されている。実施例の燃料電池システムは、車載である必要はなく、据え置き型など種々の構成をとることが可能である。
A. First embodiment:
A1. System Configuration FIG. 1 is an explanatory diagram showing the overall configuration of a fuel cell system as a first embodiment. The fuel cell system of the embodiment is mounted as a power source in an electric vehicle driven by a motor. The fuel cell system according to the embodiment does not need to be mounted on the vehicle, and can have various configurations such as a stationary type.
燃料電池システムは、高圧燃料ガスタンク10、燃料ガス供給配管31〜37、高圧燃料ガスタンク10,シャットバルブ20、28,29、減圧バルブ23、排出バルブ22、逆止弁21、燃料ガス排出管34、フィルタ40、コンプレッサ41、加湿器42、マフラ43、希釈機44、ポンプ46、ラジエータ80、燃料電池100、制御ユニット110を備える。
The fuel cell system includes a high-pressure
燃料電池100は、セパレータと膜電極接合体とを備える積層体101と、積層体101の積層方向の両端に配置された一対のエンドプレート105,106とを備える。一方のエンドプレート105には、燃料電池100への燃料ガスの供給に用いられる燃料ガス供給マニホールドの入口を構成する燃料ガス導入口200と、燃料電池100からの燃料ガスの排出に用いられる燃料ガス排出マニホールドの出口を構成する燃料ガス排出口201とが形成されている。また、他方のエンドプレート106には、燃料電池100への酸化ガスの供給に用いられる酸化ガス供給マニホールドの入口を構成する酸化ガス導入口210と、燃料電池100からの酸化ガスの排出に用いられる酸化ガスマニホールドの出口を構成する酸化ガス排出口211とが形成されている。燃料ガスは、例えば、水素ガスが用いられる。
The
図2は、第1実施例における燃料電池の単セルの構成を例示する分解斜視図である。本実施例の燃料電池は、固体高分子型燃料電池であって、単セル300を積層することによって形成されている。単セル300は、電解質膜311を、アノード312およびカソード313で挟持し、このサンドイッチ構造をさらに両側からセパレータ320、330で挟持することにより構成されている。
FIG. 2 is an exploded perspective view illustrating the configuration of a single cell of the fuel cell in the first embodiment. The fuel cell of the present embodiment is a polymer electrolyte fuel cell, and is formed by stacking
電解質膜311は、固体高分子材料、例えば、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。電解質膜311の表面には、触媒としての白金または白金と他の金属からなる合金を有する層が設けられている。
The
アノード312およびカソード313は、共に、ガス透過性を有するガス拡散電極である。アノード312およびカソード313は、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロス、あるいは、カーボンペーパー、カーボンフェルトなどによって形成することができる。
Both the
セパレータ320は、ガス不透過の導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密成カーボンやプレス成形した金属板によって、形成することができる。セパレータ320には、図示するように、外周近くに6つの貫通孔321〜326が形成されている。これらの孔部は、全てのセパレータに同一に形成されており、セルが複数積層され、スタックとして形成された場合に、燃料ガス、酸化ガス、冷却水の給排に使用されるマニホールドを形成する。貫通孔321は酸化ガスを供給するマニホールドを形成する孔であり、貫通孔322は、酸化ガスを排出するマニホールドを形成する孔であるため、それぞれ、燃料ガス排出孔322、燃料ガス排出孔322と呼ぶ。同様に、貫通孔323は、324を、それぞれ、燃料ガス供給孔323、燃料ガス排出孔324と呼び、貫通孔325、326を、それぞれ、冷却水供給孔325、冷却水排出孔326と呼ぶ。セパレータ330の各孔部は、セパレータ320と同様の構成である。
The
セパレータ320の一方の面では、図2に示すように、燃料ガス排出孔322と燃料ガス排出孔322とを連結するように形成された流路形成部327が設けられている。また、セパレータ330の一方の面では、図2に示すように、冷却水供給孔335と冷却水排出孔336とを連結する流路形成部337が設けられている。セパレータ330の図示しない他方の面では、酸化ガス供給孔333と酸化ガス排出孔334とを連結するよう形成された流路形成部が形成されている。
As shown in FIG. 2, a flow
セパレータ320において、燃料ガス供給孔321から供給された燃料ガスは、図2に太線実線矢印で示すように、流路形成部327に沿って流れ、アノード312での電気化学反応で使用される。電気化学反応に使用されなかった燃料ガスは燃料ガス排出孔322から排出される。セパレータ330の図示しない片面において、酸化ガスも燃料ガスと同様に流れる。
In the
セパレータ330において、冷却水供給孔335から供給された冷却水は、図に太破線矢印で示すように、セパレータ330に形成された流路形成部337に沿って流れ、単セル300を冷却しながら、冷却水排出孔336から排出される。
In the
図1に戻り説明を続ける。高圧燃料ガスタンク10は、燃料電池100の燃料ガス導入口200と、燃料ガス供給配管32,減圧バルブ23、燃料ガス供給配管31、シャットバルブ20を介して接続されている。
Returning to FIG. The high-pressure
また、燃料電池100の燃料ガス排出口201には、燃料ガス排出配管33が接続されている。燃料ガス排出配管33には燃料ガスポンプ45が設置されている。燃料ガス排出配管33は、逆止弁21を介して燃料ガス供給配管32に接続されている。燃料ガス排出配管33は逆止弁21と燃料ガスポンプ45の間で燃料ガス排出管34と接続されている。燃料ガス排出管34には排出バルブ22が設置されている。燃料ガス排出管34は希釈器44と接続されている。
A fuel
インジェクタ24は、燃料ガス導入口200に対応して配置されている。具体的には、インジェクタ24は燃料ガス供給配管32の燃料ガス導入口200近傍に配置されている。インジェクタ25は、燃料ガス排出口201に対応して配置されている。具体的には、燃料ガス排出配管33の燃料ガス排出口201近傍に配置されている。インジェクタ24、25は、電子制御式であり、制御ユニット110から供給される電力により内部に設けられたバルブを開閉し、燃料ガスを供給する。インジェクタは、一般的なバルブに比べて開閉を微少時間で行うことができる。
The
フィルタ40と燃料電池100は酸化ガス供給配管35を介して接続されている。酸化ガス供給配管35には、フィルタ40側から順にコンプレッサ41、加湿器42が設置されている。また、燃料電池100は、酸化ガス排出配管35を介して外部と接続されている。酸化ガス排出配管35には、マフラ43、希釈器44が設置されている。
The
燃料電池100には、燃料ガス供給配管31、燃料ガス供給配管32を介して高圧燃料ガスタンク10から燃料ガスが供給される。高圧燃料ガスタンク10に高圧で貯蔵された水素は、その出口に設けられたシャットバルブ20、燃料ガス供給配管31と燃料ガス供給配管32とを接続する減圧バルブ23によって燃料電池100に供給される水素の圧力が調整される。
Fuel gas is supplied from the high-pressure
アノードからの排気(以下、アノードオフガスと称する)は、燃料ガス排出配管33に供給される。燃料ガス排出配管33は、途中で二つに分岐しており、一方はアノードオフガスを外部に排出するための燃料ガス排出管34に接続され、他方は、逆止弁21を介して燃料ガス供給配管32に接続される。燃料ガス排出管34に設けられた排出バルブ22が閉じられている間は、アノードオフガスは、燃料ガス供給配管32を介して再び燃料電池100に循環される。燃料ガス供給配管32を介して循環させることにより、発電で消費されずにアノードオフガスに残留している水素を有効活用することができる。
Exhaust gas from the anode (hereinafter referred to as anode off gas) is supplied to the fuel
燃料電池100のカソードには、圧縮酸化ガスが供給される。酸化ガスは、フィルタ40から吸入され、コンプレッサ41で圧縮された後、加湿器42で加湿され、酸化ガス供給配管35から燃料電池100に供給される。カソードからの排気(以下、カソードオフガスと称する)は、酸化ガス排出配管35、マフラ43を通じて外部に排出される。
A compressed oxidizing gas is supplied to the cathode of the
燃料電池100には冷却水循環用の流路が形成されている。冷却水は、ポンプ46によって、冷却用の配管37を流れ、ラジエータ80で冷却されて燃料電池100を循環し燃料電池100を冷却する。
The
制御ユニット110は、内部に図示しないタイマーを備えており、燃料電池100の停止から次の起動までの経過時間を動作情報として測定する。制御ユニット110は、更に、取得した動作情報に基づいて、インジェクタ24,25の開閉を制御する。具体的には、制御ユニット110は、燃料電池100の停止から次の起動までの経過時間が所定以上である場合、アノード312面内には、燃料ガスが所定量未満であると判断し、燃料電池100の起動時に、シャットバルブ28を開き、シャットバルブ29を閉じて、インジェクタ25へ燃料ガスを流通可能にするとともに、燃料ガス排出管34への燃料ガスの漏洩を防止し、インジェクタ24,25を交互に開閉して、燃料ガスを燃料ガス導入口200と燃料ガス排出口201から燃料電池100へ交互に導入する。
The
第1実施例では、制御ユニット110は、内蔵タイマーを用いて、アノード312面内の燃料ガス残量を判断しているが、例えば、燃料ガス濃度センサ、燃料電池の電圧測定などにより、アノード312面内の燃料ガスの残量を判断してもよい。
In the first embodiment, the
図3は、第1実施例における単セルの断面を模式的に示す断面図である。図3は、図2におけるA−A断面を示している。燃料電池100の停止時、シャットバルブ20は閉じられて燃料ガスの燃料電池への供給は停止される。燃料電池100停止後、酸化ガス流路328に残存していた酸化ガスは電解質膜311を透過してアノード312側へ漏洩する。流路形成部327では、図3に示すように、流路形成部327に残存していた燃料ガスと電解質膜311を透過して流入してきた酸化ガスとが反応して燃料ガスが消費され、次第に酸化ガスに置換される。
FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a cross section of a single cell in the first embodiment. FIG. 3 shows an AA cross section in FIG. When the
A2.燃料ガスの拡散:
図4は、第1実施例における燃料電池の模式図である。燃料電池100は、燃料電池の積層方向に伸びた燃料ガス供給マニホールド350および燃料ガス排出マニホールド360を有する。
A2. Fuel gas diffusion:
FIG. 4 is a schematic diagram of the fuel cell in the first embodiment. The
図4(a)は、燃料電池100の通常動作時を示している。燃料電池100の動作時、制御ユニット110は、インジェクタ24およびインジェクタ25を開弁状態で維持している。燃料ガスは、矢印AR1に示すように、燃料ガス供給マニホールド350から各単セル300の流路形成部327を流れて膜電極接合体に供給され、発電に利用される。発電に利用されなかった燃料ガスは、燃料ガス排出孔322から燃料ガス排出マニホールド360に流れ込み、矢印AR2に示すように燃料電池100の外部へ排出される。
FIG. 4A shows the normal operation of the
一方、図4(b)は、燃料電池100の起動時を示している。燃料電池100の起動時、制御ユニット110は、インジェクタ24,インジェクタ25を所定の間隔で交互に開く。燃料ガスは、矢印AR3,AR4に示すように、燃料ガス導入口200と燃料ガス排出口201とから燃料電池100内に交互に導入される。
On the other hand, FIG. 4B shows when the
燃料電池100起動時における燃料ガスの導入と、アノード面内における燃料ガスの拡散について図5および図6を参照して説明する。図5は、第一実施例における制御ユニット110のインジェクタ開閉タイミングを例示するタイミングチャートである。図5のタイミングチャート400の横軸は時間tを表している。なお、時間t0は、燃料電池の起動時を示す。図6は、第1実施例における燃料ガスの拡散について説明する模式図である。
The introduction of the fuel gas when the
燃料電池の起動前には、流路形成部327内は燃料ガスから酸化ガスに置換されている。すなわち、図6(a)に示すように、燃料電池100を停止してから所定時間経過後には、アノード312面内全体に酸化ガス(Air)505が存在している。
Prior to the start of the fuel cell, the inside of the flow
制御ユニット110は、時間t0にインジェクタ24を開く。時間t0において、インジェクタ25は閉じられている。インジェクタ24が開かれると、矢印ar1に示すように、燃料ガス供給孔321から燃料ガスが流路形成部327に導入される。この結果、図6(b)に示すように、アノード312面内では、燃料ガス(H2)501によって、酸化ガス505が矢印P1の方向(図の下方)に移動される。
The
制御ユニット110は、時間t0から所定時間経過後の時間t1にインジェクタ24を閉じると共に、インジェクタ25を開く。インジェクタ25が開かれると、矢印ar2に示すように、燃料ガス供給孔323から燃料ガスが流路形成部327に導入される。すなわち、通常動作時の燃料ガスの流通方向とは逆方向に燃料ガスが流通する。この結果、図6(c)に示すように、燃料ガス(H2)502によって、燃料ガス501と酸化ガス505が矢印P2の方向(図の上方)に移動される。
The
制御ユニット110は、時間t1から所定時間経過後の時間t2に、インジェクタ25を閉じると共に、インジェクタ24を開く。このように、制御ユニット110は所定時間経過毎にインジェクタ24とインジェクタ25とを交互に開閉する。2つのインジェクタ24、25の交互開閉により、図6(d)に示すように、アノード312面内に導入された燃料ガスは、矢印P1,P2方向への移動を繰り返す。燃料ガスの移動の繰り返しにより、燃料ガスは矢印P1,P2方向に振動され、アノード面内へ均一に拡散される。
The
流路形成部327に存在している酸化ガスは、導入された燃料ガスと反応して消費され、アノード312面内は、酸化ガスから燃料ガスに置換される。
The oxidizing gas present in the flow
図7は、第1実施例における燃料電池への燃料ガスの圧力について例示するグラフである。グラフ600では、横軸が時間tを表しており、縦軸が燃料電池における燃料ガスの圧力を表している。図7において、グラフ601は、燃料電池内における燃料ガスの圧力の変動を表しており、グラフ602は、燃料電池内における燃料ガスの圧力の変動中心を表している。
FIG. 7 is a graph illustrating the pressure of the fuel gas to the fuel cell in the first embodiment. In the
グラフ601に示すように、時間t0でインジェクタ24が開かれると、燃料電池100内へ燃料ガスが供給されるため、燃料ガスの圧力はP1まで上昇し、導入された燃料ガスの一部は、燃料ガス流路形成部327に残存する酸化ガスと反応する。よって、燃料ガスの圧力は、P1からP2に下がる。
As shown in the
時刻t1でインジェクタ24が閉じられるとともにインジェクタ25が開かれると、燃料電池100内へ燃料ガスが供給されるため、燃料ガスの圧力は、P2からP3に上昇する。同様に、導入された燃料ガスの一部は、燃料ガス流路形成部327に残存する酸化ガスと反応する。よって、燃料ガスの圧力は、P3からP4に下がる。このようにして、燃料ガスは圧力の増減が繰り返される。この結果、グラフ602に示すように、燃料電池100の燃料ガスの圧力が上昇する。
When the
A3.燃料ガス拡散の効果:
図8は、第1実施例における燃料ガスの拡散の効果を例示するグラフである。グラフ700では、横軸が燃料ガス導入口200から燃料ガス排出口201までの距離を表しており、縦軸が燃料ガスの濃度を表している。グラフ701は、第1実施例の燃料電池システムにおいて、起動から所定時間経過後の燃料ガスの拡散状態について示している。グラフ702は、従来の燃料電池システムにおける、起動から所定時間経過後の燃料ガスの拡散状態について示している。
A3. Fuel gas diffusion effect:
FIG. 8 is a graph illustrating the effect of fuel gas diffusion in the first embodiment. In the graph 700, the horizontal axis represents the distance from the
グラフ702が示すように、従来の燃料電池システムでは、1つの導入口から燃料ガスを導入している。従って、燃料ガス導入口200近傍では、燃料ガスの濃度がほぼ100%である。しかしながら、燃料ガスの振動が生じないため、燃料電池100での燃料ガスの拡散が促進されず、流路形成部327に既存の酸化ガスと導入された燃料ガスとの境界Xで、燃料ガスの濃度が急激に低下する。すなわち、アノード312面内で局所的な燃料ガスの欠乏が生じる。アノード312面内における燃料ガスの局所的な欠乏は、アノード、電解質膜の損傷および燃料電池の発電効率の低下を引き起こすため、好ましくない。
As the
一方、第1実施例では、グラフ701が示すように、2つの導入口(燃料ガス導入口200と燃料ガス排出口201)から燃料ガスを導入している。従って、グラフ701に示すように、燃料ガス導入口200と燃料ガス排出口201との燃料ガスの濃度はほぼ同程度である。また、第1実施例では、燃料ガス導入口200と燃料ガス排出口201から交互に燃料ガスを導入しているため、既述のとおり、燃料電池100内で燃料ガスの振動が生じ、拡散が促進される。よって、グラフ701に示すように、燃料ガス導入口200と燃料ガス排出口201との中間部分においても、燃料ガスが行き亘っている。よって、アノード312面内において、局所的な燃料ガスの欠乏を抑制している。
On the other hand, in the first embodiment, as shown by the
以上説明した第1実施例の燃料電池システムによれば、2つの燃料ガス導入口から燃料電池への燃料ガスの導入タイミングを制御できる。これにより、燃料電池内で燃料ガスの振動を生じさせることができ、燃料ガスの拡散を促進できる。よって、燃料電池起動時におけるアノード面内での燃料ガスの局所的な欠乏を低減でき、アノードや電解質膜の損傷抑制、および燃料電池の発電効率の向上を図ることができる。 According to the fuel cell system of the first embodiment described above, the introduction timing of the fuel gas from the two fuel gas introduction ports to the fuel cell can be controlled. Thereby, the vibration of the fuel gas can be generated in the fuel cell, and the diffusion of the fuel gas can be promoted. Therefore, local deficiency of the fuel gas in the anode surface at the start of the fuel cell can be reduced, damage to the anode and electrolyte membrane can be suppressed, and the power generation efficiency of the fuel cell can be improved.
また、第1実施例では、2つの燃料ガス導入口から、交互に燃料ガスを導入できるため、簡易かつ迅速に燃料ガスの振動を生じさせることができる。従って、燃料ガスの拡散効率を更に向上できる。 In the first embodiment, since the fuel gas can be alternately introduced from the two fuel gas inlets, the vibration of the fuel gas can be generated easily and quickly. Therefore, the fuel gas diffusion efficiency can be further improved.
また、第1実施例では、制御ユニットが燃料電池の停止から起動までの経過時間を測定し、経過時間に基づきアノード面内におけるアノードの残存量を判断できる。従って、簡易な構成で、アノードの残存量に基づきバルブの開閉に関する種々の制御、例えば、複数の燃料ガス導入口からの燃料ガスの導入時間等、精度の高い制御を行うことができる。 In the first embodiment, the control unit measures the elapsed time from the stop to the start of the fuel cell, and can determine the remaining amount of anode in the anode surface based on the elapsed time. Therefore, with a simple configuration, various controls relating to the opening and closing of the valve based on the remaining amount of the anode, for example, highly accurate control such as the introduction time of the fuel gas from the plurality of fuel gas inlets can be performed.
B.第2実施例:
第2実施例では、燃料電池の積層方向の一端に、燃料ガス導入口としての燃料ガスマニホールドの入口が形成され、他端に燃料ガスマニホールドに接続された燃料ガス導入口が形成された燃料電池システムについて説明する。なお、第2実施例において、第1実施例と同一の符号を付した各構成要素は、第1実施例において説明した各構成要素と同一の構成、機能を備える。
B. Second embodiment:
In the second embodiment, a fuel cell in which an inlet of a fuel gas manifold as a fuel gas inlet is formed at one end in the stacking direction of the fuel cell and a fuel gas inlet connected to the fuel gas manifold is formed at the other end. The system will be described. In the second embodiment, each component having the same reference numeral as that in the first embodiment has the same configuration and function as each component described in the first embodiment.
B1.燃料ガスの拡散について:
図9は、第2実施例における燃料電池の模式図である。第2実施例の燃料電池101aは、単セルを複数積層した積層体101と、エンドプレート105とエンドプレート106aとを備える。積層体101には、各単セルに形成された貫通孔およびエンドプレート105に形成された燃料ガス導入口200および燃料ガス排出口201により、燃料ガス供給マニホールド350、燃料ガス排出マニホールド360が構成されている。
B1. About fuel gas diffusion:
FIG. 9 is a schematic diagram of a fuel cell in the second embodiment. The fuel cell 101a of the second embodiment includes a
エンドプレート106aには、燃料ガス供給マニホールド350に接続するように、貫通孔202が形成されている。貫通孔202には、高圧燃料ガスタンク10と接続されている燃料ガス配管が接続されている。貫通孔202は、燃料ガス供給マニホールドへ燃料ガスを導入するための燃料ガス導入口として利用される。以降、貫通孔202を燃料ガス導入口202と呼ぶ。
A through
燃料ガス導入口202に接続されている燃料ガス配管の燃料ガス導入口202近傍には、インジェクタ26が配置されている。
An
第2実施例では、燃料電池の起動時、制御ユニット110は、インジェクタ24,インジェクタ26を所定の間隔で交互に開く。燃料ガスは、燃料ガス導入口200と燃料ガス導入口202とから燃料ガス供給マニホールド350に交互に導入される。
In the second embodiment, when the fuel cell is started, the
燃料ガス供給マニホールド350内も、流路形成部327と同様に、燃料ガスから酸化ガスに置換されている。従って、燃料ガス供給マニホールド350の両端に構成された燃料ガス導入口200,202から交互に燃料ガスを導入することにより、燃料ガス供給マニホールド350内においてもの燃料ガスの振動を生じさせることができる。
In the fuel
上述した第2実施例の燃料電池システムによれば、燃料ガス供給マニホールド350内においても、両端から燃料ガスを交互に導入させることにより、燃料ガスの振動を生じさせることができる。従って、燃料ガス供給マニホールド350内における燃料ガスの局所的な欠乏を低減でき、燃料ガスを積層方向に均一に拡散させることができる。
According to the fuel cell system of the second embodiment described above, the fuel gas can be vibrated by alternately introducing the fuel gas from both ends in the fuel
C.第3実施例:
第3実施例では、燃料電池の積層方向の一端に、燃料ガス導入口としての燃料ガス供給マニホールドの入口が形成され、他端に、燃料ガス排出マニホールドの出口とは別に、燃料ガス排出マニホールド360に接続された燃料ガス導入口が形成された燃料電池システムについて説明する。なお、第3実施例において、第1実施例と同一の符号を付した各構成要素は、第1実施例において説明した各構成要素と同一の構成、機能を備える。
C. Third embodiment:
In the third embodiment, an inlet of a fuel gas supply manifold as a fuel gas inlet is formed at one end in the stacking direction of the fuel cells, and a fuel
C1.燃料ガスの拡散について:
図10は、第3実施例における燃料電池の模式図である。第3実施例の燃料電池101bは、単セルを複数積層した積層体101と、エンドプレート105とエンドプレート106bとを備える。積層体101には、各単セルに形成された貫通孔およびエンドプレート105に形成された燃料ガス導入口200および燃料ガス排出口201により、燃料ガス供給マニホールド350、燃料ガス排出マニホールド360が構成されている。
C1. About fuel gas diffusion:
FIG. 10 is a schematic diagram of a fuel cell according to the third embodiment. The fuel cell 101b of the third embodiment includes a
エンドプレート106bには、燃料ガス排出マニホールド360に接続するように、貫通孔203が形成されている。貫通孔203には、高圧燃料ガスタンク10と接続されている燃料ガス配管が接続されている。貫通孔203は、燃料ガス排出マニホールドへ燃料ガスを導入するための燃料ガス導入口として利用される。以降、貫通孔203を燃料ガス導入口203と呼ぶ。
A through
燃料ガス導入口203に接続されている燃料ガス配管の燃料ガス導入口203近傍には、インジェクタ27が配置されている。
An
第3実施例では、燃料電池の起動時、制御ユニット110は、インジェクタ24,インジェクタ27を所定の間隔で交互に開く。燃料ガスは、燃料ガス導入口200から燃料ガス供給マニホールド350に供給され、燃料ガス導入口203から燃料ガス排出マニホールド360に交互に導入される。
In the third embodiment, when the fuel cell is activated, the
燃料ガス排出マニホールドのエンドプレート106b近傍は燃料ガス導入口200から離れているため、燃料ガス導入口200から導入される燃料ガスが到達しにくい。従って、燃料ガスの到達しにくい燃料ガス排出マニホールド360のエンドプレート106b近傍に、エンドプレート106b側から燃料ガスを導入することにより、燃料ガスの拡散を補助する。
Since the vicinity of the
上述した第3実施例の燃料電池システムによれば、燃料ガス供給マニホールド350の燃料ガス導入口200から導入された燃料ガスが到達しにくい部位から燃料ガスを導入することができる。従って、燃料ガスの拡散を補助でき、局所的な燃料ガスの欠乏を低減できる。
According to the fuel cell system of the third embodiment described above, the fuel gas can be introduced from the portion where the fuel gas introduced from the
D.第4実施例:
第4実施例では、燃料ガス導入口200、燃料ガス排出口201および燃料ガス導入口202から、燃料ガスを導入可能な燃料電池システムについて説明する。
D. Fourth embodiment:
In the fourth embodiment, a fuel cell system capable of introducing fuel gas from the
D1.燃料ガスの拡散について:
図11は、第4実施例における燃料電池の模式図である。第2実施例の燃料電池101aは、単セルを複数積層した積層体101と、エンドプレート105とエンドプレート106aとを備える。積層体101には、各単セルに形成された貫通孔およびエンドプレート105に形成された燃料ガス導入口200および燃料ガス排出口201により、燃料ガス供給マニホールド350、燃料ガス排出マニホールド360が構成されている。
D1. About fuel gas diffusion:
FIG. 11 is a schematic diagram of a fuel cell in the fourth embodiment. The fuel cell 101a of the second embodiment includes a
エンドプレート106aには、燃料ガス供給マニホールド350に接続するように、貫通孔202が形成されている。貫通孔202には、高圧燃料ガスタンク10と接続されている燃料ガス配管が接続されている。貫通孔202は、燃料ガス供給マニホールドへ燃料ガスを導入するための燃料ガス導入口として利用される。以降、貫通孔202を燃料ガス導入口202と呼ぶ。
A through
燃料ガス導入口200に対応してインジェクタ24が配置されており、燃料ガス排出口201に対応してインジェクタ25が配置されており、燃料ガス導入口202に対応しインジェクタ26が配置されている。
An
第4実施例では、燃料電池の起動時、制御ユニット110は、インジェクタ24とインジェクタ25を所定の間隔で交互に開く。インジェクタ26は、インジェクタ25と同時に開閉する。燃料ガスは、燃料ガス導入口200と燃料ガス排出口201とからアノード312面内へ交互に導入されるとともに、燃料ガス導入口200と燃料ガス導入口202とから燃料ガス供給マニホールド350に交互に導入される。
In the fourth embodiment, when the fuel cell is started, the
以上説明した第4実施例の燃料電池システムによれば、アノード面内と積層方向に伸びる燃料電池供給マニホールド内において、燃料ガスの振動を生じさせることができ、燃料ガスの拡散効率を向上できる。 According to the fuel cell system of the fourth embodiment described above, the fuel gas can be vibrated in the fuel cell supply manifold extending in the anode plane and in the stacking direction, and the diffusion efficiency of the fuel gas can be improved.
E.変形例:
(1)上述の各実施例では、インジェクタを開閉することにより2つの燃料ガス導入口から燃料電池へ交互に燃料ガスを導入しているが、例えば、燃料ガス配管上に配置されている燃料ガスポンプの回転方向を順方向と逆方向とに交互に回転させて、燃料ガスの振動を発生させてもよい。
E. Variations:
(1) In each of the above-described embodiments, the fuel gas is alternately introduced into the fuel cell from the two fuel gas inlets by opening and closing the injector. For example, the fuel gas pump disposed on the fuel gas pipe The fuel gas may be vibrated by alternately rotating the rotation direction in the forward direction and the reverse direction.
図12は、変形例における燃料電池システムを例示する説明図である。燃料ガスポンプ45は、太線矢印AR10に示すように、順方向に回転している間、燃料ガスを燃料ガス供給配管32および燃料ガス導入口200を介して燃料電池内へ送り、逆方向に回転している間、燃料ガスを燃料ガス排出配管33および燃料ガス排出口201を介して燃料電池内へ送る。
FIG. 12 is an explanatory diagram illustrating a fuel cell system according to a modification. The
上述の変形例によれば、燃料ガス導入口200と燃料ガス排出口201とから燃料電池100へ燃料ガスを交互に導入できる。よって、インジェクタを配置することなく、燃料電池内において燃料ガスの振動を発生させることができる。
According to the above-described modification, the fuel gas can be alternately introduced into the
(2)上述の第1実施例では、インジェクタ24とインジェクタ25とを交互に開閉して、燃料ガス供給マニホールド350の入口と燃料ガス排出マニホールドの出口とから交互に燃料ガスを導入しているが、例えば、インジェクタを設けずに、シャットバルブ20と排出バルブ22とを交互に開閉して、燃料電池内に燃料ガスの振動を生じさせてもよい。
(2) In the first embodiment described above, the
(3)上述の第4実施例では、燃料電池の積層方向の一端に形成された燃料ガス供給マニホールド350の入口と、燃料電池の積層方向の他端に形成され、燃料ガス排出マニホールドに接続された燃料ガス導入口とから燃料ガスを導入しているが、例えば、これに加えて、燃料ガス排出マニホールドの出口からも燃料ガスを導入してもよい。
(3) In the fourth embodiment described above, it is formed at the inlet of the fuel
(4)第1実施例〜第3実施例では、燃料ガス導入口を2つ用い、第4実施例では、燃料ガス導入口を3つ用いているが、例えば、4つ以上の燃料ガス導入口を用いて燃料ガスを導入しても酔い。 (4) In the first to third embodiments, two fuel gas inlets are used, and in the fourth embodiment, three fuel gas inlets are used. For example, four or more fuel gas inlets are introduced. I get sick even if I introduce fuel gas through my mouth.
(5)第1実施例〜第4実施例では、複数の燃料ガス導入口から燃料ガスを交互に導入しているが、交互に導入しなくてもよい。各燃料ガス導入口からの燃料ガス導入のタイミングがずれていればよい。 (5) In the first to fourth embodiments, the fuel gas is alternately introduced from the plurality of fuel gas inlets. However, the fuel gas may not be alternately introduced. The timing of fuel gas introduction from each fuel gas inlet may be shifted.
(6)上述の実施例では、燃料電池は一対のセパレータで膜電極接合体を狭持した単セルを複数積層して構成されているが、例えば、3層積層型のセパレータを用いて、膜電極接合体を有する発電ユニットと3層積層型セパレータとを交互に積層して構成してもよい。 (6) In the above-described embodiment, the fuel cell is configured by stacking a plurality of single cells each having a membrane electrode assembly sandwiched by a pair of separators. A power generation unit having an electrode assembly and a three-layer stacked separator may be alternately stacked.
(7)燃料電池システムにおいて、燃料ガス導入口が3つ以上形成されている場合には、各燃料ガス導入口からの燃料ガス導入タイミングはずれていてもよい。 (7) In the fuel cell system, when three or more fuel gas introduction ports are formed, the fuel gas introduction timing from each fuel gas introduction port may be shifted.
以上、本発明の種々の実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成をとることができることは言うまでもない。 Although various embodiments of the present invention have been described above, it is needless to say that the present invention is not limited to these embodiments and can take various configurations without departing from the spirit of the present invention.
10…高圧燃料ガスタンク
20…シャットバルブ
21…逆止弁
22…燃料ガス排出孔
22…排出バルブ
23…減圧バルブ
24、25、26、27…インジェクタ
28、29…シャットバルブ
31、32…燃料ガス供給配管
33…燃料ガス排出配管
34…燃料ガス排出管
35…酸化ガス供給配管
35…酸化ガス排出配管
37…配管
40…フィルタ
41…コンプレッサ
42…加湿器
43…マフラ
44…希釈器
45…燃料ガスポンプ
46…ポンプ
80…ラジエータ
100…燃料電池
101…積層体
101a…燃料電池
101b…燃料電池
105、106、106a、106b…エンドプレート
110…制御ユニット
200…燃料ガス導入口
201…燃料ガス排出口
202…燃料ガス導入口
203…燃料ガス導入口
210…酸化ガス導入口
211…酸化ガス排出口
300…単セル
311…電解質膜
312…アノード
313…カソード
320…セパレータ
321…燃料ガス供給孔
321…燃料ガス排出孔
322…燃料ガス排出孔
323…燃料ガス供給孔
324…燃料ガス排出孔
325…冷却水供給孔
326…冷却水排出孔
327…流路形成部
328…酸化ガス流路
330…セパレータ
333…酸化ガス供給孔
334…酸化ガス排出孔
335…冷却水供給孔
336…冷却水排出孔
337…流路形成部
350…燃料ガス供給マニホールド
360…燃料ガス排出マニホールド
400…タイミングチャート
501…燃料ガス
505…酸化ガス
600…グラフ
601…グラフ
602…グラフ
700…グラフ
701…グラフ
702…グラフ
DESCRIPTION OF
Claims (10)
燃料ガスの導入に用いられる複数の燃料ガス導入口を有する燃料電池と、
前記燃料電池に供給するための燃料ガスを貯蔵する燃料ガス源と、
前記燃料ガス源と前記複数の燃料ガス導入口のそれぞれに接続された燃料ガス配管と、
前記複数の燃料ガス導入口のそれぞれに対応して前記燃料ガス配管に設置され、前記燃料ガス配管から前記燃料電池への前記燃料ガスの導入を制御する複数の導入制御弁と、
前記燃料電池の動作状態に関する動作情報を取得する情報取得手段と、
前記動作情報に基づき、前記複数の導入制御弁のうち少なくとも2つの導入制御弁について、それぞれ異なるタイミングで開閉するように制御する弁制御手段と、を備える燃料電池システム。 A fuel cell system,
A fuel cell having a plurality of fuel gas inlets used for introducing fuel gas;
A fuel gas source for storing fuel gas to be supplied to the fuel cell;
A fuel gas pipe connected to each of the fuel gas source and the plurality of fuel gas inlets;
A plurality of introduction control valves that are installed in the fuel gas pipes corresponding to the plurality of fuel gas inlets and that control the introduction of the fuel gas from the fuel gas pipes to the fuel cell;
Information acquisition means for acquiring operation information relating to the operation state of the fuel cell;
A fuel cell system comprising: valve control means for controlling at least two introduction control valves of the plurality of introduction control valves to open and close at different timings based on the operation information.
前記弁制御手段は、前記少なくとも2つの導入制御弁を交互に開く、燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1, wherein
The fuel cell system, wherein the valve control means opens the at least two introduction control valves alternately.
前記情報取得手段は、前記燃料電池のアノードにおける前記燃料ガスの量に関する情報を前記動作情報として取得し、
前記弁制御手段は、前記アノードにおける前記燃料ガスが所定量未満の場合に、前記少なくとも2つの導入制御弁の開閉を制御する、燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein
The information acquisition means acquires information on the amount of the fuel gas at the anode of the fuel cell as the operation information,
The valve control means controls the opening and closing of the at least two introduction control valves when the fuel gas in the anode is less than a predetermined amount.
前記情報取得手段は、前記燃料電池システムの停止後の経過時間を測定するタイマー、前記アノードにおける燃料ガスの濃度を測定する水素濃度センサおよび前記燃料電池の電圧を測定する電圧測定手段の少なくとも1つを含む、燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 3, wherein
The information acquisition means includes at least one of a timer that measures an elapsed time after the fuel cell system is stopped, a hydrogen concentration sensor that measures the concentration of fuel gas at the anode, and a voltage measurement means that measures the voltage of the fuel cell. Including a fuel cell system.
前記燃料電池は、前記燃料電池の内部流路に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給マニホールドおよび前記燃料電池の内部流路から燃料ガスを排出するための燃料ガス排出マニホールドを有し、
前記少なくとも2つの燃料ガス導入口のうちの第1の燃料ガス導入口および第2の燃料ガス導入口は、前記燃料ガス供給マニホールドの入口と、前記燃料ガス排出マニホールドの出口であり、
前記弁制御手段は、前記複数の導入制御弁のうち、前記燃料ガス供給マニホールドの入口に対応して配置された第1の導入制御弁と、前記燃料ガス排出マニホールドの出口に対応して配置された第2の導入制御弁とを制御する、燃料電池システム。 A fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, wherein
The fuel cell has a fuel gas supply manifold for supplying fuel gas to an internal flow path of the fuel cell and a fuel gas discharge manifold for discharging fuel gas from the internal flow path of the fuel cell,
Of the at least two fuel gas inlets, a first fuel gas inlet and a second fuel gas inlet are an inlet of the fuel gas supply manifold and an outlet of the fuel gas discharge manifold,
The valve control means is arranged corresponding to the first introduction control valve arranged corresponding to the inlet of the fuel gas supply manifold and the outlet of the fuel gas discharge manifold among the plurality of introduction control valves. A fuel cell system for controlling the second introduction control valve.
前記燃料電池は、膜電極接合体とセパレータとからなる発電ユニットを複数積層した構成を有しており、
前記第1の燃料ガス導入口は、前記燃料電池の積層方向の一端に形成されており、
前記第1の燃料ガス導入口および前記第2の燃料ガス導入口とは異なる第3の燃料ガス導入口は、前記燃料電池の積層方向の他端に形成され、前記燃料ガス供給マニホールドに連通しており、
前記弁制御手段は、更に、前記第1の燃料ガス導入口と前記第3の導入口とを異なるタイミングで開閉する、燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 5, wherein
The fuel cell has a configuration in which a plurality of power generation units composed of a membrane electrode assembly and a separator are stacked,
The first fuel gas inlet is formed at one end in the stacking direction of the fuel cell,
A third fuel gas inlet different from the first fuel gas inlet and the second fuel gas inlet is formed at the other end of the fuel cell in the stacking direction and communicates with the fuel gas supply manifold. And
The valve control means is a fuel cell system that further opens and closes the first fuel gas inlet and the third inlet at different timings.
前記燃料電池は、膜電極接合体とセパレータとからなる発電ユニットを複数積層した構成を有しており、
少なくとも2つの燃料ガス導入口のうちの第1の燃料ガス導入口は、前記燃料電池の積層方向の一端に形成されており、第2の燃料ガス導入口は、前記燃料電池の積層方向の他端に形成されており、
前記弁制御手段は、前記第1の燃料ガス導入口および前記第2の燃料ガス導入口に対応付けられている第1の導入制御弁および第2の導入制御弁を制御する、燃料電池システム。 A fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, wherein
The fuel cell has a configuration in which a plurality of power generation units composed of a membrane electrode assembly and a separator are stacked,
Of the at least two fuel gas inlets, the first fuel gas inlet is formed at one end in the stacking direction of the fuel cells, and the second fuel gas inlet is the other in the stacking direction of the fuel cells. Formed at the end,
The fuel cell system, wherein the valve control means controls a first introduction control valve and a second introduction control valve associated with the first fuel gas inlet and the second fuel gas inlet.
前記燃料電池は、前記燃料電池の内部流路に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給マニホールドおよび前記燃料電池の内部流路から燃料ガスを排出するための燃料ガス排出マニホールドを有し、
前記第1の燃料ガス導入口は、前記燃料ガス供給マニホールドの入口もしくは前記燃料ガス排出マニホールドの出口であり、
前記第2の燃料ガス導入口は、前記燃料ガス供給マニホールドもしくは前記燃料ガス排出マニホールドのうち、前記第1の燃料ガス導入口が用いられているマニホールドに連通している、燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 7, wherein
The fuel cell has a fuel gas supply manifold for supplying fuel gas to an internal flow path of the fuel cell and a fuel gas discharge manifold for discharging fuel gas from the internal flow path of the fuel cell,
The first fuel gas inlet is an inlet of the fuel gas supply manifold or an outlet of the fuel gas discharge manifold;
The fuel cell system, wherein the second fuel gas introduction port communicates with a manifold of the fuel gas supply manifold or the fuel gas discharge manifold in which the first fuel gas introduction port is used.
前記燃料電池は、前記燃料ガス供給マニホールドの入口と前記燃料ガス排出マニホールドの出口とが同一端となるように構成されており、
前記第1の燃料ガス導入口は、前記燃料ガス供給マニホールドの入口であり、
前記第2の燃料ガス導入口は、前記燃料ガス排出マニホールドに連通している、燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 7, wherein
The fuel cell is configured such that the inlet of the fuel gas supply manifold and the outlet of the fuel gas discharge manifold are at the same end,
The first fuel gas inlet is an inlet of the fuel gas supply manifold;
The fuel cell system, wherein the second fuel gas introduction port communicates with the fuel gas discharge manifold.
前記情報取得手段は、前記燃料電池システムの起動時に、前記動作情報を取得する、燃料電池システム。 A fuel cell system according to any one of claims 1 to 9,
The information acquisition means acquires the operation information when the fuel cell system is activated.
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