JP4595304B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
この発明は、燃料電池システムに係り、詳しくは、起動時に燃料ガスを短時間で供給し得る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 system, and more particularly, to a fuel cell system that can supply fuel gas in a short time at startup.
従来、高分子電解質膜を使用した燃料電池では、電解質膜を挟んだ両側で燃料ガス或いは酸化ガスがイオン化し、そのイオンが電解質膜を透過して電気化学的な反応を生じるものであるから、電解質膜を挟んで燃料ガスと酸化ガスが存在していれば、両者の電気化学的な反応が継続する。このため、従来では、燃料電池の運転を停止するために、燃料電池への燃料ガスおよび酸化ガスの供給を停止し、かつ、燃料極側には、燃料ガスの変わりに空気等の置換ガスを送り込み、停止後に電気化学的な反応が起こらない構成を採用している。 Conventionally, in a fuel cell using a polymer electrolyte membrane, fuel gas or oxidizing gas is ionized on both sides of the electrolyte membrane, and the ions pass through the electrolyte membrane to cause an electrochemical reaction. If fuel gas and oxidizing gas are present with the electrolyte membrane in between, the electrochemical reaction between the two continues. For this reason, conventionally, in order to stop the operation of the fuel cell, the supply of the fuel gas and the oxidizing gas to the fuel cell is stopped, and a replacement gas such as air is used instead of the fuel gas on the fuel electrode side. Uses a structure that does not cause an electrochemical reaction after sending and stopping.
そして、運転起動時には、燃料室に燃料ガスを送り込むことにより、置換ガスを外部に排出し反応を開始させる構成がとられている。 And at the time of driving | operation start, the structure which discharges substitution gas outside and starts reaction by sending fuel gas into a fuel chamber is taken.
一方、燃料室内において、燃料ガスの濃度が他の領域より特に濃い領域と、酸化ガスの濃度が他の領域により特に濃い領域が併存する状態、即ち、同一の燃料室内で、燃料ガスと酸化ガスが偏在した状態が発生すると、燃料ガスが偏在した部分が局部電池を形成し、酸化ガスが偏在した部分に正常発電時と逆向きの電流を流すように働くため、特に酸素極を腐食させることなり、劣化が速くなるという問題がある。 On the other hand, in the fuel chamber, a region where the concentration of the fuel gas is particularly denser than the other region and a region where the concentration of the oxidizing gas is particularly denser than the other region coexist, that is, the fuel gas and the oxidizing gas in the same fuel chamber. When the unevenly distributed state occurs, the portion where the fuel gas is unevenly formed forms a local battery, and the portion where the oxidizing gas is unevenly distributed acts to flow a current opposite to that during normal power generation. There is a problem that the deterioration is accelerated.
従来の構成では、燃料電池の通常運転時に供給されている燃料ガスのガス圧と同じガス圧で、起動時における燃料ガスの供給を行っている。このため、起動時において、燃料ガスを供給すると、燃料室内では瞬間的に燃料ガスと置換ガスとの偏在が発生する。この偏在によって、電気化学反応が生じ、これによって電極が劣化するという問題があった。 In the conventional configuration, the fuel gas is supplied at the start-up with the same gas pressure as the fuel gas supplied during normal operation of the fuel cell. For this reason, when the fuel gas is supplied at the time of startup, the fuel gas and the replacement gas are instantaneously distributed in the fuel chamber. Due to this uneven distribution, there has been a problem that an electrochemical reaction occurs, which causes deterioration of the electrode.
この発明は、電極の劣化が抑制される燃料電池システムを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a fuel cell system in which deterioration of an electrode is suppressed.
以上のような問題を解決する本発明は、以下のような構成を有する。 The present invention for solving the above problems has the following configuration.
(1)燃料極に隣接して設けられた燃料室と、酸素極に隣接して設けられた酸素室と、前記燃料極及び酸素極に狭持される電解質膜とを備えた燃料電池セルと、
前記燃料室に対して供給する燃料ガスの供給圧を調整する圧力調整手段と、
前記燃料室から排出される燃料ガスの濃度を検出する燃料ガス濃度センサと、
前記燃料室に充填されていた置換ガスと、前記燃料室に供給される燃料ガスとの間で、前記燃料室内での偏在によって電気化学反応が生じる所定時間が経過する以前に、燃料室内の燃料ガス濃度が所定値に達したかを判断する判断手段とを備え、
前記圧力調整手段は、前記燃料電池セルの発電始動時の燃料ガスの供給圧を、前記燃料電池セルの通常発電時の供給圧よりも高く設定し、
前記判断手段が、所定時間以内に所定値に達したと判断した場合には、燃料ガスの供給圧を通常運転時の供給圧に変更することを特徴とする燃料電池システム。
(1) A fuel cell including a fuel chamber provided adjacent to the fuel electrode, an oxygen chamber provided adjacent to the oxygen electrode, and an electrolyte membrane sandwiched between the fuel electrode and the oxygen electrode ,
Pressure adjusting means for adjusting the supply pressure of the fuel gas supplied to the fuel chamber;
A fuel gas concentration sensor for detecting the concentration of the fuel gas discharged from the fuel chamber;
The fuel in the fuel chamber is passed before a predetermined time during which an electrochemical reaction occurs due to the uneven distribution in the fuel chamber between the replacement gas filled in the fuel chamber and the fuel gas supplied to the fuel chamber. Determining means for determining whether the gas concentration has reached a predetermined value ;
The pressure adjusting means sets the supply pressure of the fuel gas at the start of power generation of the fuel battery cell to be higher than the supply pressure at the time of normal power generation of the fuel battery cell ,
The fuel cell system according to
(2)燃料極に隣接して設けられた燃料室と、酸素極に隣接して設けられた酸素室と、前記燃料極及び酸素極に狭持される電解質膜とを備えた燃料電池セルと、
前記燃料室から排出される燃料ガスの濃度を検出する燃料ガス濃度センサと、
前記燃料室に充填されていた置換ガスと、前記燃料室に供給される燃料ガスとの間で、前記燃料室内での偏在によって電気化学反応が生じる所定時間が経過する以前に、燃料室内の燃料ガス濃度が所定値に達したかを判断する判断手段と、
前記検出された燃料ガス濃度に基づいて、前記燃料室に対して供給する前記燃料ガスの供給圧を調整する圧力調整手段とを備え、
前記圧力調整手段は、前記燃料電池セルの発電始動時の燃料ガスの供給圧を、前記燃料電池セルの通常発電時の供給圧よりも高く設定し、
前記判断手段が、所定時間以内に所定値に達したと判断した場合には、燃料ガスの供給圧を通常運転時の供給圧に変更することを特徴とする燃料電池システム。
( 2 ) A fuel cell comprising: a fuel chamber provided adjacent to the fuel electrode; an oxygen chamber provided adjacent to the oxygen electrode; and an electrolyte membrane sandwiched between the fuel electrode and the oxygen electrode; ,
A fuel gas concentration sensor for detecting the concentration of the fuel gas discharged from the fuel chamber;
The fuel in the fuel chamber is passed before a predetermined time during which an electrochemical reaction occurs due to the uneven distribution in the fuel chamber between the replacement gas filled in the fuel chamber and the fuel gas supplied to the fuel chamber. A determination means for determining whether the gas concentration has reached a predetermined value;
Pressure adjusting means for adjusting a supply pressure of the fuel gas supplied to the fuel chamber based on the detected fuel gas concentration;
The pressure adjusting means sets the supply pressure of the fuel gas at the start of power generation of the fuel battery cell to be higher than the supply pressure at the time of normal power generation of the fuel battery cell ,
The fuel cell system according to
(3) 燃料室からの排出ガスの酸素濃度を検出する酸素濃度センサを有し、
前記判断手段は、排出ガスの酸素濃度が、置換ガスと燃料ガスとの間の電気化学反応によって電極が劣化する恐れのある濃度以上である場合には、電極の劣化の恐れを示す警告を行う上記(1)又は(2)に記載の燃料電池システム。
( 3 ) having an oxygen concentration sensor for detecting the oxygen concentration of the exhaust gas from the fuel chamber;
When the oxygen concentration of the exhaust gas is equal to or higher than the concentration at which the electrode may be deteriorated due to an electrochemical reaction between the replacement gas and the fuel gas, the determination means issues a warning indicating that the electrode may be deteriorated. The fuel cell system according to (1) or (2) above .
(4) 電極の局部電位を測定する電位検出センサを有し、
前記圧力調整手段は、更に単位セル電極の局部電位が電極が劣化する恐れがある電位よりも小さい場合に、燃料ガスの供給圧を通常運転時の供給圧に変更する上記(1)〜(3)のいずれか1に記載の燃料電池システム。
( 4 ) having a potential detection sensor for measuring the local potential of the electrode;
The pressure adjusting means further changes the supply pressure of the fuel gas to the supply pressure during normal operation when the local potential of the unit cell electrode is smaller than the potential at which the electrode may deteriorate. The fuel cell system according to any one of 1) .
(5)前記燃料電池システムをオン・オフするスタートスイッチと、
燃料極に隣接して設けられた燃料室と、酸素極に隣接して設けられた酸素室と、前記燃料極及び酸素極に狭持される電解質膜とを備えた燃料電池セルと、
前記スタートスイッチがオフされてからの期間を計測するタイマと、
前記燃料室に対して供給する前記燃料ガスの供給圧を調整する圧力調整手段とを備え、
前記圧力調整手段は、前記タイマによって計測された期間が所定の期間より長く、その後前記スタートスイッチがオンされた場合、前記燃料電池セルの発電始動 時の燃料ガスの供給圧を、前記燃料電池セルの通常発電時の供給圧よりも高く設定することを特徴とする燃料電池システム。
( 5 ) a start switch for turning on / off the fuel cell system;
A fuel cell comprising: a fuel chamber provided adjacent to the fuel electrode; an oxygen chamber provided adjacent to the oxygen electrode; and an electrolyte membrane sandwiched between the fuel electrode and the oxygen electrode;
A timer for measuring a period after the start switch is turned off;
Pressure adjusting means for adjusting the supply pressure of the fuel gas supplied to the fuel chamber,
When the period measured by the timer is longer than a predetermined period and the start switch is turned on after that, the pressure adjusting means determines the fuel gas supply pressure at the start of power generation of the fuel battery cell. The fuel cell system is characterized by being set higher than the supply pressure during normal power generation.
請求項1に記載の発明によれば、通常運転時の圧力よりも高圧で起動時の燃料ガスが供給されるため、直ちに置 換ガスから水素ガスへの入れ替えが完了するので、置換ガスとの間でガス偏在が発生することが抑制され、偏在しているガスの間で反応が起こるという時間的な余裕もなく、局部電流の発生による電極の劣化が抑制される。また、燃料ガスの供給時間が短縮され、システム始動までの時間が短縮される。 According to the first aspect of the present invention, since the fuel gas at the time of startup is supplied at a pressure higher than the pressure during normal operation , the replacement from the replacement gas to the hydrogen gas is completed immediately . The occurrence of uneven gas distribution is suppressed, and there is no time for reaction between the unevenly distributed gases, so that deterioration of the electrode due to the generation of local current is suppressed. Further, the fuel gas supply time is shortened, and the time until the system is started is shortened.
請求項2に記載の発明によれば、燃料室から排出される燃料ガ スの濃度を検出する燃料ガス濃度センサにより検出された燃料ガス濃度に基づいて、燃料室に対して供給する前記燃料ガスの供給圧を調整することにより、燃料 ガスの濃度に応じて効率よく燃料ガスを供給することができる。
また、通常運転時の圧力よりも高圧で起動時の燃料ガスが供給されるため、直ちに置 換ガスから水素ガスへの入れ替えが完了するので、置換ガスとの間でガス偏在が発生することが抑制され、偏在しているガスの間で反応が起こるという時間的な余裕もなく、局部電流の発生による電極の劣化が抑制される。また、燃料ガスの供給時間が短縮され、システム始動までの時間が短縮される。
According to the invention of
In addition, since the fuel gas at startup is supplied at a pressure higher than the pressure during normal operation , the replacement from the replacement gas to the hydrogen gas is completed immediately, which may cause uneven gas distribution with the replacement gas. Suppressed and there is no time margin for the reaction to occur between the unevenly distributed gases, and the deterioration of the electrode due to the generation of local current is suppressed. Further, the fuel gas supply time is shortened, and the time until the system is started is shortened.
請求項3に記載の発明によれば、燃料室から排出される酸素の濃度を検出する酸素ガス濃度センサをさらに備え、さらに、検出された酸素ガス濃度が所定の酸素ガス濃度よりも低い場合に通常運転時の供給圧に切り替えることにより、より一層、燃料ガス供給過剰と、燃料室内のガス偏在を抑制することができる。 According to the third aspect of the present invention, the apparatus further includes an oxygen gas concentration sensor that detects the concentration of oxygen discharged from the fuel chamber, and when the detected oxygen gas concentration is lower than a predetermined oxygen gas concentration. By switching to the supply pressure during normal operation, it is possible to further suppress the excessive supply of fuel gas and the uneven distribution of gas in the fuel chamber.
請求項4に記載の発明によれば、各燃料室毎の局部電位を検出することで、ガス偏在の可能性を判定する。
According to the invention described in
請求項5に記載の発明によれば、スタートスイッチのオフから所定期間経過していない場合には、ガス偏在による電極の劣化は生じないと予想されるので、起動時の供給圧をせず、通常発電時の供給圧とする。これにより、燃料ガスの供給過剰を抑制できる。 According to the fifth aspect of the present invention, when the predetermined period has not elapsed since the start switch is turned off, it is expected that the electrode will not be deteriorated due to gas uneven distribution. Supply pressure during normal power generation. Thereby, excessive supply of fuel gas can be suppressed.
次にこの発明の好適実施形態について説明する。この実施形態は、電気自動車に搭載される燃料電池システムである。図1は、この発明の燃料電池システム1を示すブロック図である。図1に示されているように、この燃料電池システム1は燃料電池スタック100、空気供給系12、水素供給手段としての高圧水素タンク11を含む燃料供給系10、水供給系50から大略構成される。
Next, a preferred embodiment of the present invention will be described. This embodiment is a fuel cell system mounted on an electric vehicle. FIG. 1 is a block diagram showing a
この燃料電池スタック100の構成について説明する。燃料電池スタック100は、燃料電池単位セル15と燃料電池セパレータ13とを交互に積層して構成されている。図2は、燃料電池用セパレータ13を示す全体正面図、図3は、燃料電池セパレータ13で構成された燃料電池スタック100の部分断面平面図(図2におけるA‐A断面図)、図4は、同じく部分断面側面図(図2及び図3におけるB−B断面図)、図5は、燃料電池セパレータ13の部分断面側面図(図2及び図3におけるC−C断面図)、図6は、燃料電池用セパレータ13の全体背面図である。
The configuration of the
セパレータ13は、単位セル15の電極に接触して電流を外部に取り出すための集電部材3、4と、各集電部材3、4の周端部に外装される枠体8、9とを備えている。集電部材3、4は金属板で構成されている。構成金属は、導電性と耐食性を備えた金属で、例えば、ステンレス、ニッケル合金、チタン合金等に耐蝕導電処理を施したもの等が挙げられる。
The
集電部材3は、単位セル15の燃料極に接触し、集電部材4は酸素極に接触する。集電部材3は、矩形の板材から成り、その表面には、プレス加工によって、突出形成された複数の柱状凸部32が形成されている。柱状凸部32は、板材の短辺と長辺とに沿って縦横に等間隔で配列されている。柱状凸部32の間には、長辺に沿って(図2における横方向)配置された柱状凸部32の間に形成された溝によって、水素流路301が、短辺に沿って(図2における縦方向)配置された柱状凸部32の間に形成された溝によって、水素流路302が形成されている。この柱状凸部32の頂点部分の面は、燃料極が接触する当接部321となっている。また、柱状凸部32の裏側は、穴33となっている。集電部材3の両端部には、孔35が形成され、セパレータ13を積層した場合に、この孔35によって水素供給路が構成される。
The
集電部材4は、矩形の板材から成り、プレス加工によって、複数の凸状部42が形成されている。凸状部42は、板材の短辺に平行に直線状に連続して形成されており、等間隔で配置されている。凸状部42の間には、溝が形成されて、空気が流通する空気流路40が形成されている。この凸状部42の頂点部分の面は、酸素極が接触する当接部421となっている。また、凸状部42の裏側は溝状の中空部となっており、この中空部によって冷却流路41が形成されている。空気流路40と、冷却流路41は、板材の端部まで達し、両端は、板材の端辺部で開口する開口部を備えている。集電部材4の両端部には、孔48が形成され、セパレータ13を積層した場合に、この孔48によって水素供給路が構成される。
The
以上のような集電部材3、4は、各柱状凸部32と凸状部42が外側となるように重ね合わされて固定される。このとき、水素流路301、302の裏側面34と空気流路40の裏側面403が当接した状態となり、相互に通電可能な状態となる。また、集電部材3、4を重ね合わせることによって、図4に示されているように、冷却流路41が形成され、穴33は冷却流路41の一部を構成する。また、空気流路40は、図3及び図5に示されているように、単位セル15に重ね合わされ、溝の開口部400を閉鎖することにより、管状の流路が構成され、空気流路40の内壁の一部が酸素極で構成される。この空気流路40から、単位セル15の酸素極に酸素と水が供給される。
The
空気流路40の一端側開口部は、空気と水が流入する導入口43となり、他端の開口部は、空気と水が流出する導出口44となっている。この導入口43から導出口44までの空気流路40及びその集合体が、固体電解質膜に酸素を供給する酸素室(空気室)として機能する。
The opening on one end side of the
また、冷却流路41の一端側開口部は、空気と水が流入する流入開放口45となり、他端の開口部は、空気と水が流出する流出開放口46となっている。以上のような構成において、空気流路40と冷却流路41は、交互に平行に配置され、相互に側壁47を挟んで隣接した構成となっている。このため、導入口43と流入開放口45も交互に配置され、導出口44と流出開放口46も交互に配置される。また、空気と水は、側壁47に沿って流れるため、側壁47は、冷却フィンとしての作用も発揮する。
Moreover, the opening part of the one end side of the cooling
空気流路40と冷却流路41が交互に、かつ平行に配置されることで、燃料電池の冷却効率が向上し、均一な冷却が可能となる。
By arranging the
集電部材3、4には、枠体8、9がそれぞれ重ねられる。図2に示されているように、集電部材3に重ねられる枠体8は、集電部材3と同じ大きさに構成され、中央には、柱状凸部32を収納する窓81が形成されている。また、両端部近傍には、集電部材3の孔35に合致する位置に孔83が形成されており、この孔83と窓81との間には、集電部材3に接触する側の平面に凹部が形成され、水素流通経路84が設けられている。また、集電部材3に接触する面に対して、反対側の平面には、輪郭が窓81に沿って形成された凹部が形成され、単位セル15が収納される収納部82が設けられている。この収納部82に収納された単位セル15の燃料極表面と、水素流路301、302と、窓81とによって、燃料室30が画成される。このように、燃料室は、燃料極に隣接して設けられ、酸素室は酸素極に隣接して設けられている。
集電部材4に重ねられる枠体9は、枠体8と同じ大きさに構成され、中央には、凸状部42を収納する窓91が形成されている。また、両端部近傍には、枠体8の孔83に合致する位置に孔93が形成されている。枠体8の集電部材4が重ねられる側の面には、枠体8の対向する一対の長辺に沿って溝が形成され、集電部材3、4に重ねることによって、空気流通路94、95が構成される構造となっている。空気流通路94の一端は、枠体8の長辺側の端面に形成された開口941に接続され、他端は空気流路40の導入口43と冷却流路41の流入開放口45とに接続されている。
The
上流側の空気流通路94は、開口941側から空気流路40側へ向けて横断面積が漸減するように、端部内壁がテーパー面942となっており、後述する空気マニホールド54から噴射される霧状水の取り入れを容易としている。一方、下流側の空気流通路95の一端は、空気流路40の導出口44と冷却流路41の流入開放口45とに接続され、他端は、枠体8の長辺側端面に形成された開口951に接続されている。空気流通路95は、開口951側から空気流路40側へ向けて横断面積が漸減するように、端部内壁がテーパー面952となっている。燃料電池スタック100が傾いた際にも、このテーパー面952によって、水の排出が維持される。
The upstream
また、枠体9の、集電部材4に接触する面に対して、反対側の平面には、輪郭が窓91に沿って形成された凹部が形成され、単位セル15が収納される収納部92が設けられている。
In addition, a concave portion having a contour formed along the
図7は単位セル15の拡大断面図である。単位セル15は、固体高分子電解質膜15aと、該固体高分子電解質膜15aの両側面にそれぞれ重ねられた酸化剤極である酸素極15bと燃料極15cとを備えていて、固体高分子電解質膜15aは、酸素極15bと燃料極15cとで挟持されている。固体高分子電解質膜15aは、収納部82、92に合致した大きさに形成され、酸素極15bと燃料極15cは、窓91、81に合致した大きさに形成されている。単位セル15の厚さは、枠体8、9や集電部材3、4の厚さに比べると極めて薄いので、図面では、一体の部材として表示している。
FIG. 7 is an enlarged cross-sectional view of the
空気流路40及び冷却流路41の内壁には、親水性処理が施されている。内壁表面と水の接触角が40°以下、好ましくは30°以下となるように表面処理が施されているとよい。処理方法としては、親水処理剤を、表面に塗布する方法が取られる。塗布される処理剤としては、ポリアクリルアミド、ポリウレタン系樹脂、酸化チタン(Ti O2)等が挙げられる。
The inner walls of the
以上のように構成された枠体8、9によって集電部材3、4を保持してセパレータ13が構成され、セパレータ13と単位セル15を交互に積層して、燃料電池スタック100が構成される。図8は燃料電池スタック100の部分平面図である。燃料電池スタック100の上面には、多数の導入口43と流入開放口45が交互に開口し、この導入口43と流入開放口45に、後述するように、空気マニホールド54から空気が流入するとともに、ノズル55から噴射された水が同時に流入する。側壁47は、空気の流通経路に配置され冷却フィンとしても作用する。
The
導入口43と流入開放口45から流入した空気と水は、冷却流路41内で、潜熱冷却により集電部材3、4を冷却する。
The air and water flowing in from the
図9は、燃料電池スタック100の全体平面図である。以上のように構成された燃料電池セパレータ13は、所定の枚数重ねられたユニット130(単位体)構成し、このユニット130を複数重ねることによって燃料電池スタック100が構成される。ユニット130とユニット130の間には、集電部材3と集電部材4の間に遮蔽板16を挟んだ、セパレータ14が介在する。遮蔽板16は、水素通路17a又は水素通路17bのいずれかに対応した位置に、水素通路17a、17bの断面形状と同じ形状の、孔161a又は161bを備えている。この遮蔽板16は、導電性を有し、燃料電池スタック100内での電気の流通は妨げない。
FIG. 9 is an overall plan view of the
一方、遮蔽板16が孔161aを有する場合には、水素通路17bでの水素ガスの流通は、遮蔽板16によって遮断される。遮蔽板16が孔161bを有する場合には、水素通路17aでの水素ガスの流通は、遮蔽板16によって遮断される。遮蔽板16は、水素ガスが流入する側から流出する側へ配置されている順に、孔161bが設けられている遮蔽板16、孔161aが設けられている遮蔽板16・・・となるよう、交互に配置される。このようにユニット130毎に、水素通路17aと水素通路17bの一方を交互に遮蔽することで、供給された水素ガスは、ユニット130単位で、各燃料室30内を流通する。具体的には、最初のユニット130では、水素通路17aから水素通路17bへ向けて、各燃料室30内を水素ガスが流れ、次のユニット130では、水素通路17bから水素通路17aへ向けて、各燃料室30内を水素ガスが流れ、さらに次のユニット130では、水素通路17aから水素通路17bへ向けて、各燃料室30内を水素ガスが流れる・・・以降は、交互に水素ガスの流通方向が変化する。
On the other hand, when the shielding
即ち、燃料電池スタック100は、単位セル15とセパレータ13を積層して構成されたユニット130と、ユニット130内において、セパレータ13の積層方向に形成され、燃料室30を挟んだ両側に位置し、各燃料室30にそれぞれ連通する一対の水素通路17a、17bとを有し、ユニット130を積層して構成されたものであって、隣接するユニット130の間には、各ユニット130の一方の水素通路17a、17a(又は17b、17b)間を連通する連通部(孔161a(又は161b))と、他方の水素通路17b、17b(又は17a、17a)間の水素流通を遮断する遮断部(遮蔽板16)とを有し、連通部と遮断部は、積層されているユニット130の積層方向に向けて順に、一方の水素通路17a、17a(又は17b、17b)と他方の水素通路17b、17b(又は17a、17a)において交互に設けられ、一対の水素流路(17a、17b)間の各燃料室30内を流れる水素ガスの流通方向が、ユニット130毎に交互に逆向きに変化する構成となっている。
That is, the
このように、燃料電池スタック100を、複数のユニット130に分割し、ユニット毎に水素ガスを流通させる構成とすることによって、各ユニット130の間で水素ガス流量に差が生じることを防止できる。また、単位のユニット130内においても、積層されたセパレータ13と単位セル15とで構成された各燃料室30間で水素ガス流量の差が生ずること抑制できる。さらに、燃料電池スタック100に供給された水素ガスは、繰り返し、ユニット130内を流れるので、燃料室30の燃料極に接触する機会が増え、反応効率が向上する。
As described above, by dividing the
ユニット130を構成する燃料電池セパレータ13の枚数は、各セパレータ13における水素流路302の断面積(燃料室内を流れる水素ガスの流線に対して、垂直な面の面積が、最も小さくなる位置の面積:図10におけるa部分の面積の総和(ユニット130を構成するセパレータ13の、前記水素流路302断面積の総和)、又は、水素流通経路84の横断面積の総和(図11の太実線で囲まれたb部分の面積))が、水素通路17a、17bの横断面積とほぼ同じとなる枚数に決められる。このような構成とすると、燃料電池スタック100内を流れる水素ガスの流通経路の横断面積が、燃料電池スタック100にガスが流入してから流出するまで、大きく変動せず、ユニット130を構成する各セパレータ13の燃料室30に、ガス流をより均一に分配することができる。
The number of the
このため、始動時のガス供給の際にも、始動時に充填されているガス(空気)を効率よく排出し、一層均一かつ迅速に水素ガスに置換することが可能となる。 For this reason, even when the gas is supplied at the time of starting, the gas (air) filled at the time of starting can be discharged efficiently and replaced with hydrogen gas more uniformly and quickly.
図12は、燃料電池スタック100の正面図である。水素通路17aの水素ガス流入部分には、整流手段としての導入案内路18aが設けられている。この導入案内路18aは、ガス導入口181aが、水素導入路202と同じ断面形状を有し、ガス導出口182aが、水素通路17aと同じ断面形状を有している。そして、ガス導入口181aからガス導出口182aまでの流路183aは、横断面の幅が漸増し、水素通路17aの横断面におけるガス流速の分布が均一となるように、ガス流を案内する。さらに、流路183aには、整流板184aが設けられ、ガス流の圧力損失を抑制しつつ、水素ガスを導く構成となっている。
FIG. 12 is a front view of the
図13は、燃料電池スタック100の背面図である。燃料電池スタック100の水素ガス流出部分には、導出案内路18bが設けられている。この導出案内路18bは、ガス導入口181bが、水素通路17aと同じ断面形状を有し、ガス導出口182bが、水素導出路203と同じ断面形状を有している。そして、ガス導入口181bからガス導出口182bまでの流路183bは、横断面の幅が漸減し、さらに、流路183aには、整流板184aが設けられ、ガス流の圧力損失を抑制しつつ、水素ガスを導く構成となっている。
FIG. 13 is a rear view of the
以上のような燃料電池スタック100の構成によって、燃料電池スタック100に流入した水素ガスは、圧力損失が抑制され、各燃料電池セパレータ13の燃料室30へ均一に水素ガスが供給される。
With the configuration of the
次に、図1に示されている他の構成について説明する。空気供給系12は大気から空気を燃料電池スタック100の開口941を介して空気流路40と冷却流路41に供給し、燃料電池スタック100から排出された空気を水凝縮器51を通過させて排気する。空気供給路123には、吸気手段としての空気ファン122が備えられ、フィルタ121を介して、大気から空気を空気マニホールド54へ送る。空気はマニホールド54から燃料電池スタック100の空気流路40へ流入して空気極3へ酸素を供給する。燃料電池スタック100から排出された空気は、水凝縮器51で排気空気中の水分が凝縮・回収されて大気へ放出される。燃料電池スタック100から排出される温度は排気温度センサS1によりモニタされている。また、燃料電池スタック100には、燃料電池スタック100を構成する単位セル毎に電極の局部電位を測定する電位検出センサS2が設けられている。
Next, another configuration shown in FIG. 1 will be described. The
この実施形態では、空気マニホールド54にノズル55が配設されており、これより吸気中に水が液体の状態で噴射され、空気に混合される。この水の大部分は液体の状態を維持したまま、燃料電池スタック100の下側に設けられた、容器内に回収される。
In this embodiment, a
燃料供給系10は、水素導通路201、水素導入路202を介して、高圧水素タンク11から放出された水素を燃料電池スタック100の水素通路17aへ送る。水素導通路201には、高圧水素タンク11側から燃料電池スタック100側へ向けて、水素一次圧センサS3、水素一次圧調圧弁21、水素元電磁弁22、水素二次圧可変調圧弁23、水素供給電磁弁24、水素二次圧センサS4が、この順に設けられている。水素一次圧センサS3によって高圧水素タンク11側の水素圧がモニタされている。
The
水素調圧弁21によって、燃料電池スタック100へ供給するために適した圧力に調整される。また水素供給電磁弁22の開閉によって、水素の燃料電池スタック100への供給が電気的に制御され、水素ガスの供給を行わない場合には、この電磁弁22が閉じられ、水素ガスの供給が止められる。また、水素二次圧センサS4によって、燃料電池スタック100に供給される直前の水素ガス圧がモニタされる。
The pressure is adjusted to be suitable for supplying to the
水素導通路201には、水素導入路202の一端が接続され、その他端は燃料電池スタック100の水素通路17aに接続されている。
One end of a
燃料電池スタック100では、図3に示されているように、水素通路17aから水素ガスが水素流通経路84aへ流入し、さらに、水素流通経路84aから水素流路301、302へ流入する。水素流路301、302において、燃料極へ水素が供給され、残った水素ガスは、水素流通経路84bから水素通路17bへ流入する。
In the
燃料供給系10において、燃料電池スタック100の水素通路17bから排出される水素ガスは水素導出路203へ排出される。水素導出路203には、酸素濃度センサS5と、水素濃度センサS6と、ポンプ25が設けられ、ポンプ25は、燃料電池スタック100から水素ガスを吸引する方向に駆動する。ポンプ25の下流側には、水素排出路204の一端と、水素返還路205の一端が接続されている。水素返還路205の他端は、水素導入路202に接続され、水素導入路202、水素導出路203、水素返還路205によって、水素循環路が形成されている。水素返還路205には、逆止弁29が設けられ、高圧水素タンク11から供給される水素ガスが、直接排出側に流出しない構成となっている。水素排出路204には、逆止弁26、水素排出電磁弁27a、消音器28aが、この順で設けられている。
In the
酸素濃度センサS5は、燃料電池スタック100から排出されたガスの酸素濃度を検出し、水素濃度センサS6は、燃料電池スタック100から排出されたガスの水素濃度を検出する。
The oxygen concentration sensor S5 detects the oxygen concentration of the gas discharged from the
タンク53の水は水供給ポンプ61により、水供給路56を介して、空気マニホールド54内に配設されたノズル55へ圧送され、ここから空気マニホールド54内で連続的若しくは間欠的に噴出される。この水は燃料電池スタック100の開口941を介して空気流路40と冷却流路41に送られる。ここにおいて優先的に水分から潜熱を奪うので、酸素極15b側の電解質膜15aからの水分の蒸発が防止される。従って、電解質膜15aはその酸素極15b側で乾燥することなく、生成水により常に均一な湿潤状態を維持する。また、酸素極15bの表面に供給された水は酸素極15b自体からも熱を奪いこれを冷却し、さらに冷却流路41に流入した水も熱を奪う。これにより燃料電池スタック100の温度を制御できる。
Water in the
即ち、燃料電池スタック100へ特に冷却水系を付加しなくても当該燃料電池スタック100を充分に冷却することができる。なお、排気温度センサS1で検出された排出空気の温度に対応して水供給ポンプ61の出力を制御し、燃料電池スタック100の温度を所望の温度に維持することもできる。
タンク53の水は、空気マニホールド54内に配設されたノズル55から酸素極15bの表面に供給され、この水は、水凝縮器51で回収され、容器にためられた水とともに、水回収ポンプ62により、タンク53に回収される。ポンプ62とタンク53の間には、タンク53から水回収ポンプ62への水の逆流を防止するため、逆止弁52が設けられている。タンク53の水量は、水位センサS7によって検出される。
That is, the
Water in the
さらに、燃料電池システム1には、図示しないが、燃料電池システムをイグニッションによる起動・停止を行うスタートスイッチが備えられている。イグニッションキーでなくても、ON/OFFスイッチでも構わない。また、燃料電池システムが、図示しない外部負荷に接続されている期間を通常運転時とする。
Further, the
以上のような構成において、燃料電池システム1により電力出力される通常運転状態では、空気ファン122から燃料電池スタック100に空気が供給され、同時に、燃料供給系10からは水素ガスが燃料電池スタック100に供給される。そして、燃料電池スタック100内では、発電反応が継続され、電力と、反応により生成された生成水が発生する。このような発電反応は、酸素極に空気を、燃料極に水素ガスを継続して供給することにより維持される。このような通常運転時においては、水素ガスの消費効率を考慮して、単位セル15において反応が可能な充分の濃度の水素ガスが供給され、通常運転時の供給圧力は、充分な反応が維持でき、無駄が生じない範囲で設定されている。通常運転時の供給圧力が必要以上に高いと、供給過剰となり、反応していない多くの水素が排出され、燃料ガスの無駄が発生する。このような観点から、通常運転時の水素ガスの供給ガス圧は、例えば、0.1メガパスカルに設定されている。一方起動時に水素ガスを供給する場合の供給ガス圧は、置換ガスの排出と、ガス偏在抑制を目的とし、上記通常運転時のガス圧に比べて高く(例えば、0.2MPa)設定され、供給時間も微小に設定されている。
In the above-described configuration, in a normal operation state where power is output from the
本発明では、通常運転状態(通常発電状態)とは、燃料電池システム1が、外部負荷と接続され、負荷に応じて発電している状態を言う。また、燃料電池始動時とは、燃料電池システムのスタートスイッチが押され(イグニッションキーがオンされ)、燃料電池システム1が外部負荷に接続されるまでの期間が当てはまる。
In the present invention, the normal operation state (normal power generation state) refers to a state in which the
さらに燃焼電池始動時とは前回燃料電池システム1をオフした時間から、今回オンした時の時間が予め設定された設定値を越えた場合のことをいう(オフからオンの時間が短い場合、本発明の燃料電池始動時には当てはまらず通常運転に含まれる)。また、これらの時間は図示しないタイマーが備えられ、タイマーにより時間の算出が行われる。
Furthermore, when the combustion cell is started, it means that the time when the
上記説明した燃料電池システム1は、制御部によって、各部が制御される。また、各センサS1〜S7の検出値は、制御部に供給される。具体的には、制御部によって、水供給ポンプ61による供給量が制御され、水回収ポンプ62のオン・オフと、空気ファン122のオン・オフ、水素ポンプ25のオン・オフが制御される。さらに、制御部によって、水素元電磁弁22の開閉、水素供給電磁弁24の開閉、水素排出電磁弁27aの開閉、水素二次圧可変調圧弁(可変レギュレータ)23の設定圧の調整制御がなされる。
In the
以上のような構成を有する燃料電池システム1は、起動時において、以下のような動作を行う。図14及び図15は、第1実施形態における燃料電池システム1の起動時における燃料供給系10の制御動作を示すフローチャートである。
The
イグニッションONなど、起動を始める動作が確認されると(ステップS101)、センサ類をオンする(ステップS103)。センサ類のオン動作によって、システム各部の検出値を取得することが可能となり、水素一次圧センサS3から供給された検出値に基づいて、水素一次圧が設定値より大きいか判断する(ステップS105)。設定値は、例えば1メガパスカル(MPa)に設定されている。設定値以下である場合には、高圧水素タンク11内の水素が不足していることを意味するので、起動は停止される(ステップS109)。設定値より大きい場合には、水位センサS7から供給された検出値に基づき、水タンク53の水位が一定値以上であるか判断する(ステップS107)。一定値より少ないと、燃料電池スタック100を冷却する能力が充分発揮できないので、起動は停止される(ステップS109)。
When an operation for starting activation such as ignition ON is confirmed (step S101), the sensors are turned on (step S103). The detection value of each part of the system can be acquired by the ON operation of the sensors, and it is determined whether the hydrogen primary pressure is larger than the set value based on the detection value supplied from the hydrogen primary pressure sensor S3 (step S105). . The set value is set to 1 megapascal (MPa), for example. If it is equal to or less than the set value, it means that the hydrogen in the high-
水タンク53の水位が一定値以上である場合には、水回収ポンプ62をオンし、水の回収を開始する(ステップS111)。さらに、水供給ポンプ61を駆動させる(ステップS113)。これにより、空気マニホールド54のノズル55から水が噴射される。同時に、水素元電磁弁22を開放する。次に、空気供給ファン122を駆動させる(ステップS115)。これにより、燃料電池スタック100の酸素極に空気と水の供給が開始される。
If the water level in the
次に、水素の供給を開始し、燃料電池スタック100の燃料室30に残留している酸素(空気)を排出する動作を開始する。水素排出電磁弁27aを開放する(ステップS117)。水素ポンプ25の駆動を開始する(ステップS119)。ステップS117とステップS119によって、燃料電池スタック100の燃料室30から水素を吸引する圧力が発生し、燃料室30内は負圧となる。
Next, supply of hydrogen is started, and an operation for discharging oxygen (air) remaining in the
次に水素二次圧可変調圧弁(可変レギュレータ)23の設定圧を0.2MPaに設定し(ステップS121)、水素供給電磁弁24を開放する(ステップS123)。この動作によって、負圧になっている燃料室30内に、0.2MPaの水素ガスが供給される。同時に、起動開始前に、燃料室30内に残留していたガス(酸素)は、供給された水素ガスによって押し出され、また水素ポンプ25によって吸い出され、排出される。この状態を0.5秒間維持し(ステップS125)、0.5秒経過後に、燃料電池スタック100から排出されたガスを水素濃度センサS6で検出した検出値に基づき、排出ガスの水素濃度が95%以上であるか判断する(ステップS127)。0.5秒以内に、水素濃度が95%に達しない場合には、電極が劣化する恐れがあるので、警告灯を点灯させ(ステップS133)。次のステップS135を実施する。排出ガスの水素濃度が95%以上であれば、燃料室30内は、ほぼ水素ガスで満たされ、ガスの偏在が発生していない、或いは局部電流か発生するほど酸素ガスが残っていないと推測することができる。
Next, the set pressure of the hydrogen secondary pressure controllable pressure valve (variable regulator) 23 is set to 0.2 MPa (step S121), and the hydrogen supply
酸素濃度センサS5の検出値に基づき、排出ガスの酸素濃度が1%以下であるか判断する(ステップS129)。酸素濃度が1%以上である場合には、電極が劣化する恐れがあるので、警告灯を点灯させ(ステップS133)。次のステップS135を実施する。排出ガスの酸素濃度が1%以下であれば、燃料室30内は、酸素ガスがほとんど残っておらず、ガスの偏在が発生していない、或いは局部電流か発生するほど酸素ガスが残っていないと推測することができる。
Based on the detection value of the oxygen concentration sensor S5, it is determined whether the oxygen concentration of the exhaust gas is 1% or less (step S129). If the oxygen concentration is 1% or higher, the electrode may be deteriorated, so that a warning lamp is turned on (step S133). The next step S135 is performed. If the oxygen concentration of the exhaust gas is 1% or less, there is almost no oxygen gas remaining in the
酸素濃度が1%以下である場合には、電位検出センサS2の検出値に基づき、全ての単位セル電極の局部電位が1.1V以下であるか判断する(ステップS131)。1つの単位セルであっても、局部電位が1.1Vより大きいものがある場合には、電極が劣化する恐れがあるので、警告灯を点灯させ(ステップS133)。次のステップS135を実施する。排出ガスの水素ガス濃度を検出するだけでは、各燃料室毎のガス偏在の程度は判明しないので、各燃料室毎の局部電位を検出することで、ガス偏在の可能性を判定する。 If the oxygen concentration is 1% or less, it is determined whether the local potentials of all the unit cell electrodes are 1.1 V or less based on the detection value of the potential detection sensor S2 (step S131). Even if there is one unit cell having a local potential greater than 1.1 V, the electrode may be deteriorated, so the warning lamp is turned on (step S133). The next step S135 is performed. By detecting only the hydrogen gas concentration of the exhaust gas, the degree of gas uneven distribution for each fuel chamber cannot be determined. Therefore, the possibility of gas uneven distribution is determined by detecting the local potential for each fuel chamber.
ステップS131において、電極の局部電位が1.1V以下であると判断された場合には、排出ガスの水素濃度が95%以上であり、かつ排出ガスの酸素濃度が1%以下であり、かつ全ての電極の局部電位が1.1V以下であることを意味する。この場合には、各燃料室30内がほぼ均一に水素ガスに置換されたことを意味するので、水素二次圧可変調圧弁23の設定圧を、通常運転時の水素供給圧である0.1MPaに設定し(ステップS135)、水素排出電磁弁27aを閉じ(ステップS137)、通常の運転制御ルーチンに移行する。ステップS121及びステップS135によって、制御手段が構成され、この制御手段と、水素二次圧可変調圧弁23によって、圧力調整手段が構成される。
If it is determined in step S131 that the local potential of the electrode is 1.1 V or less, the hydrogen concentration of the exhaust gas is 95% or more, the oxygen concentration of the exhaust gas is 1% or less, and all This means that the local potential of the electrode is 1.1V or less. In this case, it means that the inside of each
図16及び図17は、第2実施形態を示すフローチャートである。起動時のイグニッションオンから水素供給電磁弁24を開放するステップまでは、動作が第1実施形態のステップS101〜ステップS123と同様であるので、説明を省略する。
水素供給電磁弁24を開放した後(ステップS223)、水素二次圧可変調圧弁23の設定圧を0.1MPaと0.2MPaとの間で0.1秒の間隔で、設定変更する。この変更により、燃料電池スタック100に供給される水素ガス圧は、短い時間で脈動する。
16 and 17 are flowcharts showing the second embodiment. Since the operation from the ignition ON at the time of startup to the step of opening the hydrogen supply
After the hydrogen supply
この脈動によって、燃料室30やその他の流通路内に形成される水素ガスの流線に変化が生じるので、燃料室30やその他の流通路内での滞留の発生や、相対的に流速の遅くなる部分の発生が抑制され、残留ガスから水素ガスへの置換が均一かつ迅速に進行する。ステップS221及びステップS237によって、制御手段が構成され、この制御手段と、水素二次圧可変調圧弁23によって、圧力調整手段が構成される。
This pulsation changes the flow lines of hydrogen gas formed in the
このステップ以降の動作、ステップS227からステップS239の動作は、第1実施形態のステップS125からステップS137までの動作と同じであるので、説明を省略する。 Since the operation after this step, the operation from step S227 to step S239, is the same as the operation from step S125 to step S137 of the first embodiment, description thereof will be omitted.
次に、図18に示されている第3実施形態の燃料電池システムの構成について説明する。このシステムは、図1に示されている第1実施形態のシステムにおいて、水素導出路203の、水素ポンプ25の上流側に、起動時水素排出路206が接続されているものである。起動時水素排出路206の上流側から、順に、起動時水素排出電磁弁27b、起動時消音器28bが設けられている。起動時水素排出電磁弁27bについても、既述の実施形態と同様に、制御部によって開閉制御される。
Next, the configuration of the fuel cell system according to the third embodiment shown in FIG. 18 will be described. This system is a system according to the first embodiment shown in FIG. 1, in which a startup
他の構成は、第1実施形態の構成と同様であるので、説明を省略する。この実施形態における起動時の動作は、第1実施形態の動作において、ステップS115の後、起動時水素排出電磁弁27bを開放する。その後は、ステップS121からステップS137までの動作を実行する。起動時水素排出路206は、水素導出路203よりも、横断面積が広く形成されており、排出時に、起動時水素排出路206で圧力損失が発生しにくい構成となっている。
The other configuration is the same as the configuration of the first embodiment, and a description thereof will be omitted. The startup operation in this embodiment is the same as that of the first embodiment, but after startup, the startup hydrogen discharge
次に、図19に示されている第4実施形態及び第5実施形態の燃料電池システムの構成について説明する。この実施形態の構成は、第1実施形態における水素二次圧可変調圧弁23の位置に、二次圧調圧弁72a(設定値は固定)が設けられている。そして、水素二次圧調圧弁72aに対して、並列に回路が設けられている。その回路は、両端が水素二次圧調圧弁72aの上流側と下流側とに接続された流路71と、流路71において上流側から順に設けられた、起動時水素二次圧調圧弁72bと、起動時水素供給電磁弁73とを備えている。起動時水素二次圧調圧弁72bの設定値は、0.2MPaであり、二次圧調圧弁72aの設定値は、0.1MPaとなっている。即ち、二次圧調圧弁72aの設定値は、通常運転時の水素供給圧であり、起動時水素二次圧調圧弁72bの設定値は、通常運転時の水素供給圧よりも大きく設定されている。起動時水素供給電磁弁73の開閉は、制御部により制御される。他の構成は、第1実施形態の構成と同様なので、説明を省略する。
Next, the structure of the fuel cell system of 4th Embodiment and 5th Embodiment shown by FIG. 19 is demonstrated. In the configuration of this embodiment, a secondary
以上のような構成において、第4実施形態の起動時制御動作は、図20及び図21に示されているフローチャートに示されている。イグニッションオン(ステップS301)から水素ポンプ25をオンする(ステップS319)までの操作は、第1実施形態の動作と同様であるので、説明を省略する。水素ポンプ25をオンした後、起動時水素供給電磁弁73を開放し(ステップS321)、水素供給電磁弁24を開放する(ステップS323)。これによって、水素タンク11から送られる高圧の水素ガスは、設定値の高い起動時水素二次圧調圧弁72bへ流れ込み、水素二次圧は、0.2MPaとなる。この後の動作は、第1実施形態のステップS125〜S133と同様であるので説明を省略する。
In the configuration as described above, the startup control operation of the fourth embodiment is shown in the flowcharts shown in FIGS. The operations from ignition on (step S301) to turning on the hydrogen pump 25 (step S319) are the same as the operations of the first embodiment, and thus description thereof is omitted. After turning on the
排出ガスの水素濃度が95%以上であり、かつ排出ガスの酸素濃度が1%以下であり、かつ全ての電極の局部電位が1.1V以下である場合には、起動時水素供給電磁弁73を閉じる(ステップS335)。これにより、起動時水素二次圧調圧弁72bへの水素ガスの流入は停止し、通常運転時の二次圧に設定されている二次圧調圧弁72aに水素ガスが流入する。その後、水素排出電磁弁27aが閉じられる(ステップS337)。起動時水素供給電磁弁73と、ステップS321及びステップS335によって、切換手段が構成される。
When the hydrogen concentration of the exhaust gas is 95% or more, the oxygen concentration of the exhaust gas is 1% or less, and the local potentials of all the electrodes are 1.1 V or less, the hydrogen
第5実施形態の起動時制御動作は、図22及び図23に示されているフローチャートに示されている。イグニッションオン(ステップS401)から水素ポンプ25を駆動させる(ステップS419)までの操作は、第1実施形態の動作と同様であるので、説明を省略する。水素ポンプ25のオンの後、起動時水素供給電磁弁73を開放し(ステップS321)、さらに、水素供給電磁弁24を開放する(ステップS323)。
The startup control operation of the fifth embodiment is shown in the flowcharts shown in FIGS. The operations from ignition on (step S401) to driving the hydrogen pump 25 (step S419) are the same as those in the first embodiment, and thus the description thereof is omitted. After the
水素供給電磁弁24の開放の後、起動時水素供給電磁弁73を0.1秒の間隔で、開と閉とに繰り返し切り替える。開の時は、高圧の水素ガスは、設定値の高い起動時水素二次圧調圧弁72bへ流れ込み、水素二次圧は、0.2MPaとなる。閉の時は、高圧の水素ガスは、設定値の低い水素二次圧調圧弁72aへ流れ込み、水素二次圧は、通常運転時の供給圧である0.1MPaとなる。燃料室30へは、0.1秒間隔で、0.2MPaの圧力の水素ガスと、0.1MPaの圧力の水素ガスとが交互に供給されることとなる。このように、水素ガス圧が脈動することによって、燃料室30内でのガス滞留の発生が抑制され、水素ガスへの置換が一層均一かつ迅速に進行する。起動時水素供給電磁弁73と、ステップS421及びステップS437によって、切換手段が構成される。ステップS427〜ステップS439までの動作は、第4実施形態のステップS325〜ステップS337と同様であるので、説明を省略する。
After opening the hydrogen supply
以上のように、燃料室30内に置換ガスが存在している起動時おいて、燃料室30へ、高圧の水素ガスを供給することによって、停止時の停滞している置換ガスに高圧の水素ガスが流入する。これにより、停滞状態から流れる状態に急激に変化することで、置換ガスと水素ガスの混合が起こり、置換ガスと水素ガスの偏在の発生が抑制される。また、高圧で水素ガスが供給されるので、直ちに置換ガスから水素ガスへの入れ替えが完了するので、偏在の発生や、偏在しているガスの間で反応が起こるという時間的な余裕もなく、これによっても局部電流の発生が抑制される。ガス偏在による局部電流の発生は、0.7秒以内、好ましくは、0.5秒以内で水素ガスへの置換が完了させることで、ほぼ抑制することができる。なお、上記のように、供給時間を短くすることによって、水素ガスの無駄も少なくすることができる。
As described above, by supplying high-pressure hydrogen gas to the
さらに、水素ガスの供給圧を変化させることによって、燃料室30内のガス流の流線に変化を生じさせ、この変化によってもガスの滞留が抑制され、より一層、ガスの偏在を発生し難くさせることができる。
Further, by changing the supply pressure of the hydrogen gas, a change occurs in the flow line of the gas flow in the
燃料電池の起動時か否かをスタートスイッチ(イグニッションキー)のオン・オフ操作に基づき判断することができる。例えば前回スタートスイッチをオフした 時間と今回オンした時間の間隔が設定値以上の場合、燃料電池始動時とし高圧の水素ガスを供給する。他方時間の間隔が設定値以下の場合、通常発電時とするこ とができる。
本明細書は以下の事項を開示する。
(1) 燃料極に隣接して設けられた燃料室と、酸素極に隣接して設けられた酸素室と、前記燃料極及び酸素極に狭持される電解質膜とを備えた燃料電池セルと、
前記燃料室に対して供給する燃料ガスの供給圧を調整する圧力調整手段とを
備え、
前記圧力調整手段は、前記燃料電池セルの発電始動時の燃料ガスの供給圧を、前記燃料電池セルの通常発電時の供給圧よりも高く設定することを特徴とする
燃料電池システム。この構成によって、通常運転時の圧力よりも高圧で起動時の燃料ガスが供給されるため、置換ガスとの間でガス偏在が発生することが抑制され、局 部電流の発生による電極の劣化が抑制される。また、燃料ガスの供給時間が短縮され、システム始動までの時間が短縮される。
(2) 前記圧力調整手段は、可変調圧弁と、該可変調圧弁の制御手段とを含む上記(1)に記載の燃料電池システム。この構成によって、燃料ガスの供給圧力を可変調圧弁とその制御手段によって制御し変更する構成とすることで、部品点数が少なく、システム全体の小型化を図ることができる。
(3) 前記燃料電池の起動時に前記燃料ガスを流す流路を備え、前記圧力調整手段は、供給圧が相違する二つの調圧弁と、前記流路に設けられた開閉弁と、該開閉弁を開閉操作する切換手段とを有する上記(1)に記載の燃料電池システム。この構成によって、起動時に用いられる調圧弁と、通常運転時に用いらレル調圧弁を別に設けたので、調圧弁に対する負担を軽減でき、調圧弁の寿命を延ばすことができる。
(4) 前記燃料電池の通常発電時とは、燃料電池が外部負荷と接続されている期間である上記(1)に記載の燃料電池システム。この構成によって、燃料電池が外部負荷に接続されている期間の供給圧を、起動時の供給圧よりも低い圧力としたので、燃料効率を向上させることができる。
(5) 前記燃料電池システムをオン・オフするスタートスイッチを備え、前記燃料電池の始動時とは、前記スタートスイッチがオンされてから所定期間を含む上記(1)に記載の燃料電池システム。この構成によって、燃料電池システムをオン・オフするスタートスイッチを備え、スタートスイッチがオンされてから所定期間内に、燃料ガスの供 給圧を、燃料電池セルの通常発電時の供給圧よりも高く設定する圧力調整手段とすることで、スタートスイッチのオンから通常運転開始までの時間を短縮することができる。
(6) 前記燃料電池の始動時とは、前記通常発電時に前記スタートスイッチがオフされてから所定期間経過後に前記スタートスイッチがオンされる場合を含む上記(5)に記載の燃料電池システム。この構成によって、スタートスイッチがオフされた直後は、燃料ガスは均一に燃料室内に存在するため、高圧で燃料ガスを供給する必要性は高くない。スタートスイッチオフから所定期間(ガス偏在が生じうる期間)経過後にスイッチオンされ場合に、供給圧を 高くする。これにより、燃料ガスを効率よく用いことができる。
(7) 燃料極に隣接して設けられた燃料室と、酸素極に隣接して設けられた酸素室と、前記燃料極及び酸素極に狭持される電解質膜とを備えた燃料電池セルと、
前記燃料室から排出される燃料ガスの濃度を検出する燃料ガス濃度センサと、
前記検出された燃料ガス濃度に基づいて、前記燃料室に対して供給する前記燃料ガスの供給圧を調整する圧力調整手段とを備え、
前記圧力調整手段は、前記燃料電池セルの発電始動時の燃料ガスの供給圧を、前記燃料電池セルの通常発電時の供給圧よりも高く設定することを特徴とする燃料電池システム。この構成によって、燃料室から排出される燃料ガ スの濃度を検出する燃料ガス濃度センサにより検出された燃料ガス濃度に基づいて、燃料室に対して供給する前記燃料ガスの供給圧を調整することにより、燃料 ガスの濃度に応じて効率よく燃料ガスを供給することができる。
(8) 前記圧力調整手段は、前記燃料ガス濃度センサにより検出された燃料ガス濃度が所定の燃料ガス濃度よりも高い場合、始動時の供給圧から通常運転時の供給圧に切り替える上記(7)に記載の燃料電池システム。この構成によって、燃料ガス濃度センサにより検出された燃料ガス濃度が所定の燃料ガス濃度よりも高い場合、始動時の供給圧から通常運転時の供給圧に切り替えることにより、燃料ガスの供給過剰を抑制することができる。
(9) 前記所定の燃料ガス濃度は、95重量%である上記(8)に記載の燃料電池システム。この構成によって、所定の燃料ガス濃度が95重量%に達したとき、通常運転時の供給圧に切り替えることにより、燃料ガス供給過剰と、燃料室内のガス偏在を抑制することができる。
(10) 前記燃料室から排出される酸素の濃度を検出する酸素ガス濃度センサをさらに備え、前記圧力調整手段は、前記燃料ガス濃度センサにより検出された 燃料ガス濃度が所定の燃料ガス濃度よりも高く前期酸素濃度センサにより検出された酸素ガス濃度が所定の酸素ガス濃度よりも低い場合、始動時の供給圧から通 常運転時の供給圧に切り替える上記(7)に記載の燃料電池システム。この構成によって、燃料室から排出される酸素の濃度を検出する酸素ガス濃度センサをさらに備え、さらに、検出された酸素ガス濃度が所定の酸 素ガス濃度よりも低い場合に通常運転時の供給圧に切り替えることにより、より一層、燃料ガス供給過剰と、燃料室内のガス偏在を抑制することができる。
(11) 前記所定の燃料ガス濃度は、95重量%であり、前記所定の酸素濃度は、1重量%である上記(10)に記載の燃料電池システム。この構成によって、さらに、酸素濃度が1重量%に下がったとき、通常運転時の供給圧に切り替えることにより、燃料ガス供給過剰と、燃料室内のガス偏在を一層抑制することができる。
(12) 前記燃料電池システムをオン・オフするスタートスイッチと、
燃料極に隣接して設けられた燃料室と、酸素極に隣接して設けられた酸素室と、前記燃料極及び酸素極に狭持される電解質膜とを備えた燃料電池セルと、
前記スタートスイッチがオフされてからの期間を計測するタイマと、
前記燃料室に対して供給する前記燃料ガスの供給圧を調整する圧力調整手段とを備え、
前記圧力調整手段は、前記タイマによって計測された期間が所定の期間より長く、その後前記スタートスイッチがオンされた場合、前記燃料電池セルの発電始動 時の燃料ガスの供給圧を、前記燃料電池セルの通常発電時の供給圧よりも高く設定することを特徴とする燃料電池システム。この構成によって、スタートスイッチのオフから所定期間経過していない場合には、ガス偏在による電極の劣化は生じないと予想されるので、起動時の供給圧をせず、通常発電時の供給圧とする。これにより、燃料ガスの供給過剰を抑制できる。
Whether the fuel cell is activated or not can be determined based on an on / off operation of a start switch (ignition key). For example, if the interval between the time when the start switch was turned off last time and the time when this time the switch was turned on is greater than a set value, high-pressure hydrogen gas is supplied when starting the fuel cell. On the other hand, if the time interval is less than the set value, normal power generation can be assumed.
This specification discloses the following matters.
(1) A fuel cell comprising a fuel chamber provided adjacent to the fuel electrode, an oxygen chamber provided adjacent to the oxygen electrode, and an electrolyte membrane sandwiched between the fuel electrode and the oxygen electrode ,
Pressure adjusting means for adjusting the supply pressure of the fuel gas supplied to the fuel chamber;
Prepared,
The pressure adjusting means sets the supply pressure of the fuel gas at the time of starting the power generation of the fuel cell higher than the supply pressure of the fuel cell at the time of normal power generation.
Fuel cell system. With this configuration, fuel gas at startup is supplied at a pressure higher than that during normal operation, so that the occurrence of uneven gas distribution with the replacement gas is suppressed, and deterioration of the electrode due to the generation of local current is prevented. It is suppressed. Further, the fuel gas supply time is shortened, and the time until the system is started is shortened.
(2) The fuel cell system according to (1), wherein the pressure adjusting unit includes a modulable pressure valve and a control unit for the tunable pressure valve. With this configuration, the supply pressure of the fuel gas is controlled and changed by the adjustable pressure valve and its control means, so that the number of parts is small and the entire system can be downsized.
(3) Provided with a flow path through which the fuel gas flows when the fuel cell is activated, the pressure adjusting means includes two pressure regulating valves having different supply pressures, an open / close valve provided in the flow path, and the open / close valve The fuel cell system according to (1), further including a switching unit that opens and closes. With this configuration, since the pressure regulating valve used at startup and the real pressure regulating valve used during normal operation are separately provided, the burden on the pressure regulating valve can be reduced and the life of the pressure regulating valve can be extended.
(4) The fuel cell system according to (1), wherein the normal power generation time of the fuel cell is a period in which the fuel cell is connected to an external load. With this configuration, since the supply pressure during the period in which the fuel cell is connected to the external load is set to a pressure lower than the supply pressure at the time of startup, fuel efficiency can be improved.
(5) The fuel cell system according to (1), further including a start switch for turning on / off the fuel cell system, wherein the start time of the fuel cell includes a predetermined period after the start switch is turned on. With this configuration, a start switch for turning on and off the fuel cell system is provided, and within a predetermined period after the start switch is turned on, the supply pressure of the fuel gas is set higher than the supply pressure during normal power generation of the fuel cell. By setting the pressure adjusting means to be set, the time from when the start switch is turned on to the start of normal operation can be shortened.
(6) The fuel cell system according to (5), wherein the time when the fuel cell is started includes a case where the start switch is turned on after a lapse of a predetermined period after the start switch is turned off during the normal power generation. With this configuration, immediately after the start switch is turned off, the fuel gas is uniformly present in the fuel chamber, so that it is not necessary to supply the fuel gas at a high pressure. The supply pressure is increased when the switch is turned on after a lapse of a predetermined period (period in which gas can be unevenly distributed) from the start switch off. Thereby, fuel gas can be used efficiently.
(7) A fuel cell including a fuel chamber provided adjacent to the fuel electrode, an oxygen chamber provided adjacent to the oxygen electrode, and an electrolyte membrane sandwiched between the fuel electrode and the oxygen electrode ,
A fuel gas concentration sensor for detecting the concentration of the fuel gas discharged from the fuel chamber;
Pressure adjusting means for adjusting a supply pressure of the fuel gas supplied to the fuel chamber based on the detected fuel gas concentration;
The fuel cell system, wherein the pressure adjusting means sets a supply pressure of the fuel gas at the start of power generation of the fuel cell higher than a supply pressure of the fuel cell at the time of normal power generation. With this configuration, the supply pressure of the fuel gas supplied to the fuel chamber is adjusted based on the fuel gas concentration detected by the fuel gas concentration sensor that detects the concentration of the fuel gas discharged from the fuel chamber. Thus, the fuel gas can be efficiently supplied according to the concentration of the fuel gas.
(8) When the fuel gas concentration detected by the fuel gas concentration sensor is higher than a predetermined fuel gas concentration, the pressure adjusting means switches from the supply pressure at the start to the supply pressure at the normal operation (7) The fuel cell system described in 1. With this configuration, when the fuel gas concentration detected by the fuel gas concentration sensor is higher than the predetermined fuel gas concentration, the supply pressure during startup is switched to the supply pressure during normal operation, thereby suppressing excessive fuel gas supply. can do.
(9) The fuel cell system according to (8), wherein the predetermined fuel gas concentration is 95% by weight. With this configuration, when the predetermined fuel gas concentration reaches 95% by weight, switching to the supply pressure during normal operation can suppress excessive fuel gas supply and uneven gas distribution in the fuel chamber.
(10) The apparatus further includes an oxygen gas concentration sensor that detects a concentration of oxygen discharged from the fuel chamber, and the pressure adjusting means has a fuel gas concentration detected by the fuel gas concentration sensor that is higher than a predetermined fuel gas concentration. The fuel cell system according to (7), wherein when the oxygen gas concentration detected by the oxygen concentration sensor is low and lower than a predetermined oxygen gas concentration, the supply pressure at the start is switched to the supply pressure at the normal operation. With this configuration, an oxygen gas concentration sensor for detecting the concentration of oxygen discharged from the fuel chamber is further provided, and further, when the detected oxygen gas concentration is lower than a predetermined oxygen gas concentration, the supply pressure during normal operation is provided. By switching to, excessive fuel gas supply and uneven gas distribution in the fuel chamber can be further suppressed.
(11) The fuel cell system according to (10), wherein the predetermined fuel gas concentration is 95% by weight, and the predetermined oxygen concentration is 1% by weight. With this configuration, when the oxygen concentration falls to 1% by weight, switching to the supply pressure during normal operation can further suppress excessive fuel gas supply and uneven gas distribution in the fuel chamber.
(12) a start switch for turning on and off the fuel cell system;
A fuel cell comprising: a fuel chamber provided adjacent to the fuel electrode; an oxygen chamber provided adjacent to the oxygen electrode; and an electrolyte membrane sandwiched between the fuel electrode and the oxygen electrode;
A timer for measuring a period after the start switch is turned off;
Pressure adjusting means for adjusting the supply pressure of the fuel gas supplied to the fuel chamber,
When the period measured by the timer is longer than a predetermined period and the start switch is turned on after that, the pressure adjusting means determines the fuel gas supply pressure at the start of power generation of the fuel battery cell. The fuel cell system is characterized by being set higher than the supply pressure during normal power generation. With this configuration, if a predetermined period has not elapsed since the start switch was turned off, it is expected that the electrode will not deteriorate due to the uneven gas distribution. To do. Thereby, excessive supply of fuel gas can be suppressed.
1 燃料電池システム
100 燃料電池スタック
13 燃料電池セパレータ
130 ユニット
15 単位セル
17a、17b 水素通路
3 集電部材
30 燃料室
32 柱状凸部
301 水素流路
302 水素流路
4 集電部材
40 空気流路
41 冷却流路
42 凸状部
43 導入口
44 導出口
45 流入開放口
46 流出開放口
8 枠体
9 枠体
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記燃料室に対して供給する燃料ガスの供給圧を調整する圧力調整手段と、
前記燃料室から排出される燃料ガスの濃度を検出する燃料ガス濃度センサと、
前記燃料室に充填されていた置換ガスと、前記燃料室に供給される燃料ガスとの間で、前記燃料室内での偏在によって電気化学反応が生じる所定時間が経過する以前に、燃料室内の燃料ガス濃度が所定値に達したかを判断する判断手段とを備え、
前記圧力調整手段は、前記燃料電池セルの発電始動時の燃料ガスの供給圧を、前記燃料電池セルの通常発電時の供給圧よりも高く設定し、
前記判断手段が、所定時間以内に所定値に達したと判断した場合には、燃料ガスの供給圧を通常運転時の供給圧に変更することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell comprising: a fuel chamber provided adjacent to the fuel electrode; an oxygen chamber provided adjacent to the oxygen electrode; and an electrolyte membrane sandwiched between the fuel electrode and the oxygen electrode;
Pressure adjusting means for adjusting the supply pressure of the fuel gas supplied to the fuel chamber;
A fuel gas concentration sensor for detecting the concentration of the fuel gas discharged from the fuel chamber;
The fuel in the fuel chamber is passed before a predetermined time during which an electrochemical reaction occurs due to the uneven distribution in the fuel chamber between the replacement gas filled in the fuel chamber and the fuel gas supplied to the fuel chamber. Determining means for determining whether the gas concentration has reached a predetermined value ;
The pressure adjusting means sets the supply pressure of the fuel gas at the start of power generation of the fuel battery cell to be higher than the supply pressure at the time of normal power generation of the fuel battery cell ,
The fuel cell system according to claim 1, wherein when the determination unit determines that the predetermined value is reached within a predetermined time, the fuel gas supply pressure is changed to a supply pressure during normal operation .
前記燃料室から排出される燃料ガスの濃度を検出する燃料ガス濃度センサと、
前記燃料室に充填されていた置換ガスと、前記燃料室に供給される燃料ガスとの間で、前記燃料室内での偏在によって電気化学反応が生じる所定時間が経過する以前に、燃料室内の燃料ガス濃度が所定値に達したかを判断する判断手段と、
前記検出された燃料ガス濃度に基づいて、前記燃料室に対して供給する前記燃料ガスの供給圧を調整する圧力調整手段とを備え、
前記圧力調整手段は、前記燃料電池セルの発電始動時の燃料ガスの供給圧を、前記燃料電池セルの通常発電時の供給圧よりも高く設定し、
前記判断手段が、所定時間以内に所定値に達したと判断した場合には、燃料ガスの供給圧を通常運転時の供給圧に変更することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell comprising: a fuel chamber provided adjacent to the fuel electrode; an oxygen chamber provided adjacent to the oxygen electrode; and an electrolyte membrane sandwiched between the fuel electrode and the oxygen electrode;
A fuel gas concentration sensor for detecting the concentration of the fuel gas discharged from the fuel chamber;
The fuel in the fuel chamber is passed before a predetermined time during which an electrochemical reaction occurs due to the uneven distribution in the fuel chamber between the replacement gas filled in the fuel chamber and the fuel gas supplied to the fuel chamber. A determination means for determining whether the gas concentration has reached a predetermined value;
Pressure adjusting means for adjusting a supply pressure of the fuel gas supplied to the fuel chamber based on the detected fuel gas concentration;
The pressure adjusting means sets the supply pressure of the fuel gas at the start of power generation of the fuel battery cell to be higher than the supply pressure at the time of normal power generation of the fuel battery cell ,
The fuel cell system according to claim 1, wherein when the determination unit determines that the predetermined value is reached within a predetermined time, the fuel gas supply pressure is changed to a supply pressure during normal operation .
前記圧力調整手段は、更に単位セル電極の局部電位が電極が劣化する恐れがある電位よりも小さい場合に、燃料ガスの供給圧を通常運転時の供給圧に変更する請求項1〜3のいずれか1に記載の燃料電池システム。 Having a potential detection sensor for measuring the local potential of the electrode;
The pressure adjusting means further changes the supply pressure of the fuel gas to a supply pressure during normal operation when the local potential of the unit cell electrode is smaller than a potential at which the electrode may deteriorate. the fuel cell system according to one.
燃料極に隣接して設けられた燃料室と、酸素極に隣接して設けられた酸素室と、前記燃料極及び酸素極に狭持される電解質膜とを備えた燃料電池セルと、
前記スタートスイッチがオフされてからの期間を計測するタイマと、
前記燃料室に対して供給する前記燃料ガスの供給圧を調整する圧力調整手段とを備え、
前記圧力調整手段は、前記タイマによって計測された期間が所定の期間より長く、その後前記スタートスイッチがオンされた場合、前記燃料電池セルの発電始動 時の燃料ガスの供給圧を、前記燃料電池セルの通常発電時の供給圧よりも高く設定することを特徴とする燃料電池システム。 A start switch for turning on and off the fuel cell system;
A fuel cell comprising: a fuel chamber provided adjacent to the fuel electrode; an oxygen chamber provided adjacent to the oxygen electrode; and an electrolyte membrane sandwiched between the fuel electrode and the oxygen electrode;
A timer for measuring a period after the start switch is turned off;
Pressure adjusting means for adjusting the supply pressure of the fuel gas supplied to the fuel chamber,
When the period measured by the timer is longer than a predetermined period and the start switch is turned on after that, the pressure adjusting means determines the fuel gas supply pressure at the start of power generation of the fuel battery cell. The fuel cell system is characterized by being set higher than the supply pressure during normal power generation.
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