JP3589221B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気化学反応により水を生じる燃料電池システムにおいて、排水性能を向上させた燃料電池システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池内のガス通路に過剰に水が存在する状態(以下水詰まりと呼ぶ)となると、ガス供給の抵抗となり燃料電池の発電効率が低下する。
【0003】
これを防止する為、例えば特開平11−162489号公報においては、燃料ガスと燃料電池を冷却して循環する冷却水との間で熱交換可能な熱交換器を設置し、起動時の冷却水の流れを前記熱交換器に切り替えることにより、加湿されて昇温した燃料ガスを燃料電池に供給される前に、まだ冷えている燃料電池の温度である冷却水と熱交換して降温させ、余分な水蒸気を凝縮させて、燃料電池内で凝縮することを防ぐ方法が取られている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来例においては、起動するときに含まれる水蒸気が凝縮することを防ぐのみで、その前の運転停止時に燃料電池内に残っていた水蒸気が燃料電池温度の低下に伴って凝縮する、あるいは同様に燃料電池出入口配管部に残っていた水蒸気が凝縮し、起動時に燃料電池内に流れ込んで水詰まりを発生させるといったことに対しては防止効果を持っていないため、起動時に初めから存在する凝縮水により水詰まりが起こって急激なセル電圧低下を招き、所望の出力が取り出せず、最悪の場合セル電圧の低下から燃料電池を保護するためシステムを停止させなければならなくなるという問題点があった。
【0005】
以上の問題点に鑑み本発明の目的は、運転時の凝縮水や生成水のみならず、起動前に存在する凝縮水も排出可能として、水詰まりを防止することができる燃料電池システムを提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため請求項1記載の発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池本体と、該燃料電池本体に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池本体に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段とを備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池本体の燃料ガス通路と酸化剤ガス通路との少なくとも一方のガス通路に、水を一時貯留する水溜まり部と、前記ガス通路内の水を前記水溜まり部に誘導する水誘導手段と、前記水溜まり部の水を排水する排水弁と、前記排水弁の下流の圧力を検出する圧力検出手段と、を備え、該圧力検出手段が検出した前記排水弁の開弁時の圧力変動に基づいて前記ガス通路内の水の量を推定することを要旨とする。
【0007】
上記目的を達成するため請求項2記載の発明は、請求項1記載の燃料電池システムにおいて、前記ガス通路内の水の量に応じて、前記排水弁の開度、開弁時間、開弁間隔の少なくとも一つを調整することを要旨とする。
【0008】
上記目的を達成するため請求項3記載の発明は、請求項1記載の燃料電池システムにおいて、前記ガス通路内の水の量に応じて、前記燃料電池本体から取り出す電力を所定値以下に制限することを要旨とする。
【0009】
上記目的を達成するため請求項4記載の発明は、請求項1記載の燃料電池システムにおいて、前記ガス通路内の水の量に応じて、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとの少なくとも一方のガス流量を調整することを要旨とする。
【0011】
上記目的を達成するため請求項5記載の発明は、請求項1記載の燃料電池システムにおいて、前記排水弁の下流にタンクを設け、前記圧力検出手段は、前記タンク内の圧力を検出することを要旨とする。
【0012】
上記目的を達成するため請求項6記載の発明は、請求項1ないし請求項5のいずれか1項記載の燃料電池システムにおいて、起動時に前記燃料電池本体からの電力取出し前に前記排水弁を開けて、前記水溜まり部の水を排水することを要旨とする。
【0013】
上記目的を達成するため請求項7記載の発明は、請求項1ないし請求項6のいずれか1項記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池本体は複数のセルを積層したスタックを備え、前記ガス通路は、各セルを貫通するマニホールドと、各セル内電極面に形成されるガス流路と、マニホールドと各セル内電極面に形成されるガス流路を連通させる接続孔とを備え、前記水誘導手段は前記マニホールド下面に設けた前記水溜まり部に向かって低下していく傾斜であることを要旨とする。
【0014】
上記目的を達成するため請求項8記載の発明は、請求項7記載の燃料電池システムにおいて、前記マニホールドの下面を、前記接続孔の下端部よりも低くしたことを要旨とする。
【0015】
上記目的を達成するため請求項9記載の発明は、請求項8記載の燃料電池システムにおいて、前記接続孔下端部に前記マニホルドに向かって低下していく傾斜を設けたことを要旨とする。
【0016】
上記目的を達成するため請求項10記載の発明は、請求項1ないし請求項9のいずれか1項記載の燃料電池システムにおいて、前記水溜まり部は、前記燃料ガスまたは前記酸化剤ガスのガス配管の前記燃料電池本体への接続部近傍に設けたことを要旨とする。
【0017】
【発明の効果】
請求項1記載の発明によれば、燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池本体と、該燃料電池本体に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池本体に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段とを備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池本体の燃料ガス通路と酸化剤ガス通路との少なくとも一方のガス通路に、水を一時貯留する水溜まり部と、前記ガス通路内の水を前記水溜まり部に誘導する水誘導手段と、前記水溜まり部の水を排水する排水弁と、前記排水弁の下流の圧力を検出する圧力検出手段と、を備え、該圧力検出手段が検出した前記排水弁の開弁時の圧力変動に基づいて前記ガス通路内の水の量を推定するようにしたので、前回の停止時に残った水蒸気が凝縮してガス通路に溜まった凝縮水や、運転中の凝縮水及び生成水を、水誘導手段により水溜まり部に誘導して、排水弁から排水できるようになり、運転中のみならず停止中のガス通路の水詰まりを防止し、燃料電池の始動を容易とするとともに、セル電圧の安定した運転が可能となるとともに、個別の水溜まり部にそれぞれ水量検出手段を設けることなく、各排水弁の下流に共通に設けた圧力検出手段により、水の排出量に応じて排水弁下流の圧力が変化することを利用して水の量を推定することができるという効果がある。
【0018】
請求項2記載の発明によれば、請求項1記載の燃料電池システムにおいて、前記ガス通路内の水の量に応じて、前記排水弁の開度、開弁時間、開弁間隔の少なくとも一つを調整するようにしたので、請求項1記載の発明の効果に加えて、無駄な開弁を抑制し、効果的な排水ができるという効果がある。
【0019】
請求項3記載の発明によれば、請求項1記載の燃料電池システムにおいて、前記ガス通路内の水の量に応じて、前記燃料電池本体から取り出す電力を所定値以下に制限するようにしたので、請求項1記載の発明の効果に加えて、凝縮水の排出完了までは電力の取り出しを所定値以下に制限し、生成水の増加抑制、或いは発電効率低下時の無理な電力取出しによる燃料電池の損傷を防止することができるという効果がある。
【0020】
請求項4記載の発明によれば、請求項1記載の燃料電池システムにおいて、前記ガス通路内の水の量に応じて、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとの少なくとも一方のガス流量を調整するようにしたので、請求項1記載の発明の効果に加えて、水の量が多い時にはガス流量を多くして水を吹き飛ばすといった制御が可能になるという効果がある。
【0022】
請求項5記載の発明によれば、請求項1記載の燃料電池システムにおいて、前記排水弁の下流にタンクを設け、前記圧力検出手段は、前記タンク内の圧力を検出するようにしたので、請求項1記載の発明の効果に加えて、排水弁下流の圧力の検出が容易になり、水の量の推定がし易くなるという効果がある。
【0023】
請求項6記載の発明によれば、請求項1ないし請求項5のいずれか1項記載の燃料電池システムにおいて、起動時に前記燃料電池本体からの電力取出し前に前記排水弁を開けて、前記水溜まり部の水を排水するようにしたので、請求項1ないし請求項5記載の発明の効果に加えて、燃料電池本体内部、あるいはこれに接続するガス配管で凝縮した水を予め排出してしまうことができるようになり、起動後、より短時間で所望の出力を取り出し可能となるという効果がある。
【0024】
請求項7記載の発明によれば、請求項1ないし請求項6のいずれか1項記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池本体は複数のセルを積層したスタックを備え、前記ガス通路は、各セルを貫通するマニホールドと、各セル内電極面に形成されるガス流路と、マニホールドと各セル内電極面に形成されるガス流路を連通させる接続孔とを備え、前記水誘導手段は前記マニホールド下面に設けた前記水溜まり部に向かって低下していく傾斜としたので、請求項1ないし請求項6記載の発明の効果に加えて、簡単な構成で水誘導にエネルギーを消費することなく、重力により自動的に水溜まり部へ水誘導することができるという効果がある。
【0025】
請求項8記載の発明によれば、請求項7記載の燃料電池システムにおいて、前記マニホールドの下面を、前記接続孔の下端部よりも低くしたので、請求項7記載の発明の効果に加えて、マニホールド内の水は電極面に入り難く、また電極面の水はマニホールドに排出され易くなり、水詰まり防止性能を向上させることができるという効果がある。
【0026】
請求項9記載の発明によれば、請求項8記載の燃料電池システムにおいて、前記接続孔下端部に前記マニホルドに向かって低下していく傾斜を設けたことにより、水詰まり防止性能をさらに向上させることができるという効果がある。
【0027】
請求項10記載の発明によれば、請求項1ないし請求項9のいずれか1項記載の燃料電池システムにおいて、前記水溜まり部は、前記燃料ガスまたは前記酸化剤ガスのガス配管の前記燃料電池本体への接続部近傍に設けたことにより、スタック内の凝縮水及び生成水を遠くまで運ぶ必要が無く、水排出時間を短縮するという効果がある。
【0028】
【発明の実施の形態】
次に図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図1は、本発明に係る燃料電池システムの第1実施形態を説明する燃料電池スタック1の斜視図である。
【0029】
図1において、燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池本体である燃料電池スタック1は、それぞれ固体高分子電解質膜と燃料ガスが供給されるアノード(燃料極)及び酸化剤ガスが供給されるカソード(酸化剤極)を備える燃料電池セル(以下、単にセルと呼ぶ)2を複数積層して構成されている。
【0030】
複数のセル2は、両端を2枚のエンドプレート3により挟まれ固定されている(図1では一方の端部のみを図示する)。またこのエンドプレート3に対して、燃料ガスを供給する燃料ガス供給配管4,燃料ガスを排気する燃料ガス排気配管5,酸化剤ガスとしての空気を供給する空気供給配管6,空気を排気する空気排気配管7,冷却剤を供給する冷却剤供給配管8,冷却剤を排出する冷却剤排出配管9がそれぞれ接続されている。
【0031】
また、燃料ガス供給配管4、燃料ガス排気配管5、空気供給配管6、空気排気配管7のそれぞれのエンドプレート3への接続部には、これらの配管中、または燃料電池スタック1から凝縮または生成される凝縮水及び生成水を一時溜める水溜まり部10が設けられ、水溜まり部10には電気信号により開閉する排水弁である電磁弁11を介して排水管12が接続され、水溜まり部10に溜まった水を排水できるようになっている。
【0032】
そして、図示しない燃料ガス供給手段から燃料ガスが燃料ガス供給配管4へ供給され、図示しない酸化剤ガス供給手段としてのコンプレッサから空気供給配管6へ空気が供給される。燃料ガス供給手段としては、例えば高圧水素タンク等の燃料タンクから減圧器を介して水素ガスを供給するものが考えられる。
【0033】
このような燃料電池システムにおいては、高分子膜が十分な湿潤状態にないと陽子交換膜としての機能を発揮できないため、膜に対して何らかの加湿方法がとられる。そのうちでもっとも一般的な方法は、燃料ガスのみ、あるいは燃料ガス及び空気ともに図示しない加湿手段により十分な水蒸気を含有させてから燃料電池に供給するという方法である。これにより高分子膜は十分な水を供給されて陽子交換膜としての機能を発揮する。
【0034】
図2は、本発明の燃料電池セル2に使用されているバイポーラプレートのアノード(a)、カソード(b)の各流路の一例を示した図である。
【0035】
図2(a)のアノード流路において、噛み合わされた2つの櫛状の隔壁によって細い燃料ガス流路が電極面21に形成されている。積層されたセル2を貫通する内部マニホールド20aから電極面入口(接続孔)21aを介して燃料ガスが供給され、電極面出口(接続孔)21bを介して燃料ガスが内部マニホールド20cへ排出されるようになっている。
【0036】
また、ガスの供給排出を行う内部マニホールド20a、20cが縦に長く形成され、かつ電極面への出入口である接続孔21a、21bは、それぞれ内部マニホールド20a、20cの上部のみに接続して、内部マニホールドの下面が接続孔下端部よりも低くなっている。
【0037】
また接続孔21a、21bの下面部には、電極面出入口から内部マニホールド20a、20cに向かって傾斜Aがついているため、内部マニホールド20a、20c内で凝縮した水は電極面21へ流れ込みにくく、かつ電極面21で凝縮した水は内部マニホールド20a、20cへ排出されやすくなっている。
【0038】
同様に図2(b)のカソード流路において、噛み合わされた2つの櫛状の隔壁によって細い空気流路が電極面22に形成されている。積層されたセル2を貫通する内部マニホールド20bから電極面入口(接続孔)22aを介して空気が供給され、電極面出口(接続孔)22bを介して空気が内部マニホールド20dへ排出されるようになっている。
【0039】
また、ガスの供給排出を行う内部マニホールド20b、20dが縦に長く形成され、かつ電極面への出入口である接続孔22a、22bは、それぞれ内部マニホールド20b、20dの上部のみに接続して、内部マニホールドの下面が接続孔下端部よりも低くなっている。
【0040】
また接続孔22a、22bの下面部には、電極面出入口から内部マニホールド20b、20dに向かって傾斜Aがついているため、内部マニホールド20b、20d内で凝縮した水は電極面22へ流れ込みにくく、かつ電極面22で凝縮した水は内部マニホールド20b、20dへ排出されやすくなっている。
【0041】
図3はガス配管及び内部マニホールドの断面図である。図3に示すように、各セル2の内部マニホールド20は、ガスの入口に向かって穴径を徐々に広げることにより、内部マニホールド20の下面に傾斜をつけている。これにより、各ガス配管4,5,6,7のエンドプレート3取付部には、燃料電池スタック1近傍で最も低くなるように設置された水溜まり部10にスムーズに凝縮水・生成水が流れる構成となっている。また水溜まり部10の下方には電磁弁11が設置されて、その動作により水溜まり部10の水の排水管12を介して排出するようになっている。
【0042】
図4は、本発明に係る燃料電池システムの実施形態における制御系の構成を示すシステム構成図である。図4において、水溜まり部10の下方に設置された電磁弁11の下流では、各排水管12a,12b,12c,12dは、空気系と燃料ガス系にそれぞれ結合して、空気系の排水管12eと燃料ガス系の排水管12fとなり、それぞれ空気側水タンク13,燃料ガス側水タンク14へ接続する。
【0043】
これらの水タンク13,14の内部は、更に下流に接続された配管により電磁弁11が閉じている時には大気圧となっており、ガスの溜まる空間でそれぞれ圧力センサ15によりタンク内圧を検知するようになっている。圧力センサ15で検知された圧力は制御装置16に入力され、その圧力に応じて起動時の運転条件が決定される。
【0044】
ここで空気側水タンク13に溜まった水は回収され、再度加湿水等に用いられることが可能である。
【0045】
図5は、水の排出量と水タンク内圧との関係を示したタイムチャート図である。排水弁である電磁弁11を周期的に開いて排出される水の量が多いと、タンク内の体積に対して流入する水の量が相対的に小さいため、水タンク内圧には大きな圧力変化がおきない。そして余分な水の排出が終わった場合には、電磁弁11の開時に燃料ガス及び空気が流入する割合が増えるため、圧力変化が大きくなる。これによって起動時の凝縮水の排出が完了したかどうかを判断することができる。
【0046】
図6は、水タンク内圧と電磁弁11を開く周期である電磁弁開周期の関係を示したタイムチャート図である。
【0047】
図4にある制御装置16は、空気側水タンク13または燃料ガス側水タンク14の内圧がPl未満であると凝縮水が多く残っていると判断し、電磁弁11を最短の周期Tmin で開閉させるとともに、燃料電池スタック1の出力を所定値Lp以下になるよう制限する。水タンクの内圧がPl以上になった場合、その内圧値に応じて電磁弁11の開周期TをTa,Tb,…,と順次長くするとともに、燃料電池スタック1の出力制限をLp2(Lp2>Lp)以下となるよう緩和する。水タンクの内圧がPhを超えると余分な凝縮水の排出が終わったと判断し、電磁弁11の開周期を最長の値であるTmax に設定する。
【0048】
図8は、上記電磁弁開周期制御の制御フローチャートを示した図である。まず、ステップS10において、燃料電池を起動するために、バッテリ等の電源がONして制御装置に電源供給が開始される。次いで、ステップS12で、開周期Tを最短周期にして、排水用の電磁弁11の動作を開始し、前回停止時以降に燃料電池内部に凝縮した凝縮水の排水を開始する。ステップS14で燃料電池スタックに対する燃料ガス、空気の供給を開始するとともに、冷却剤の循環を開始する。次いで、ステップS16で燃料電池スタックから出力取出を開始し、ステップS18で燃料電池本体の温度やガス供給圧力等に基づいて、燃料電池の通常運転が可能か否かを判定し、可能であれば通常運転の制御へ移る。通常運転が可能でなければ、ステップS20で、圧力センサ15が検出した水タンク13,14の内圧Pが圧力設定値Plより低いか否かを判定する。内圧Pが圧力設定値Plより低ければ、ステップS22で、燃料電池スタックの出力を出力制限値Lp[kW]以下に制限し、排水用の電磁弁11の開周期Tを最短周期として、ステップS18へ戻る。
【0049】
ステップS20の判定で、内圧Pが圧力設定値Pl以上であれば、ステップS24で、内圧Pが圧力設定値Phより低いか否かを判定する。内圧Pが圧力設定値Phより低ければ、ステップS26で、燃料電池スタックの出力を出力制限値Lp2[kW]以下に制限し、排水用の電磁弁11の開周期Tを内圧Pを用いて、T=P×a+b(a,bは適当な定数)の周期として、ステップS18へ戻る。ステップS24の判定で、内圧Pが圧力設定値Ph以上であれば、ステップS28で、内圧Pによる燃料電池スタックからの出力制限を無くし、排水用の電磁弁11の開周期Tを最長周期として、ステップS18へ戻る。
【0050】
なお、空気側水タンク13と、燃料ガス側水タンク14の内圧を判定する圧力設定値Pl、Phは、燃料ガス中の水素ガス濃度設計値、ガス通路の形状、排水管の形状、水タンクの容量、等により、通常一致せず、異なることが多い。この場合には、個別の水タンク毎に圧力センサ15の検出値と、それぞれ設定されたPl,Phと比較し、空気系の配管に設けられた排水用の電磁弁11と、燃料ガス系の配管に設けられた排水用の電磁弁11を系統毎に制御する。
【0051】
さらに、上記フローチャートでは、電磁弁の開周期Tを変更する構成としたが、同様に弁の開度を変更(周期を短くする=開度を大きくする、周期を長くする=開度を小さくする)あるいは弁の開時間を変更(周期を短くする=開度を大きくする、周期を長くする=開度を小さくする)する構成としても良い。
【0052】
また、起動時に排水用の電磁弁11を全て開き、燃料電池スタックから出力を取り出さずにガスを供給する凝縮水排出モードを行うことで、凝縮水の排出をより促進させ、より速やかに燃料電池スタックから所望の出力を取り出せるようにすることができる。
【0053】
このときの制御フローチャートを図9に示す。まず、ステップS30において、燃料電池を起動するために、バッテリ等の電源がONして制御装置に電源供給が開始される。次いで、ステップS32で、排水用の電磁弁11を全て開状態に保持し、前回停止時以降に燃料電池内部に凝縮した凝縮水の排水をする。ステップS34で燃料電池スタックに対する燃料ガス、空気の所定量の供給を開始するとともに、冷却剤の循環を開始し、この状態を所定時間保持する。次いで、ステップS34で所定時間が経過すると、ステップS36で、排水用の電磁弁11の開周期Tを最短周期とする。ステップS38で、燃料電池スタックに供給する燃料ガス及び空気の流量を起動時流量に設定し、燃料電池スタックからの出力取出を保留する。
【0054】
次いでステップS40で、燃料電池スタックから出力取出を開始し、ステップS42で燃料電池本体の温度やガス供給圧力等に基づいて、燃料電池の通常運転が可能か否かを判定し、可能であれば通常運転の制御へ移る。通常運転が可能でなければ、ステップS44で、圧力センサ15が検出した水タンク13,14の内圧Pが圧力設定値Plより低いか否かを判定する。内圧Pが圧力設定値Plより低ければ、ステップS46で、燃料電池スタックの出力を出力制限値Lp[kW]以下に制限し、排水用の電磁弁11の開周期Tを最短周期として、ステップS42へ戻る。
【0055】
ステップS44の判定で、内圧Pが圧力設定値Pl以上であれば、ステップS48で、内圧Pが圧力設定値Phより低いか否かを判定する。内圧Pが圧力設定値Phより低ければ、ステップS50で、燃料電池スタックの出力を出力制限値Lp2[kW]以下に制限し、排水用の電磁弁11の開周期Tを内圧Pを用いて、T=P×a+b(a,bは適当な定数)の周期として、ステップS42へ戻る。ステップS48の判定で、内圧Pが圧力設定値Ph以上であれば、ステップS52で、内圧Pによる燃料電池スタックからの出力制限を無くし、排水用の電磁弁11の開周期Tを最長周期として、ステップS42へ戻る。
【0056】
図7は、通常運転時にも排水用の電磁弁11を使用して水詰まりを抑制する場合の運転例を示している。電磁弁11の動作としては起動時とほぼ同じであるが、水詰まり解消運転モードに入ることが異なる。水詰まり解消運転モードとしては、燃料ガス、空気流量を増加させてガスの利用率を低下させることで水を吹き飛ばして水つまりを解消することができる。
【0057】
このときのフローチャートを図10に示す。まず、ステップS60において、通常運転状態から運転停止するか否かを判定し、運転停止であれば、終了する。運転停止でなければ、ステップS62で、圧力センサ15が検出した水タンク13,14の内圧Pが圧力設定値Plより低いか否かを判定する。内圧Pが圧力設定値Plより低ければ、ステップS64で、排水用の電磁弁11の開周期Tを最短周期とし、ステップS66で燃料ガス及び空気の流量を増加させて(このとき、ガス利用率はc%低下する)、ステップS60へ戻る。
【0058】
ステップS62の判定で、内圧Pが圧力設定値Pl以上であれば、ステップS68で、内圧Pが圧力設定値Phより低いか否かを判定する。内圧Pが圧力設定値Phより低ければ、ステップS72で、排水用の電磁弁11の開周期Tを内圧Pを用いて、T=P×a+b(a,bは適当な定数)の周期に設定し、ステップS74で燃料ガス及び空気の流量を増加させて(このとき、ガス利用率はd%低下する)、ステップS60へ戻る。
【0059】
ステップS68の判定で、内圧Pが圧力設定値Ph以上であれば、ステップS70で、排水用の電磁弁11の開周期Tを最長周期とし、燃料ガス及び空気の流量を通常流量に戻して、ステップS60へ戻る。
【0060】
次に、本発明に係る燃料電池システムの第2実施形態を説明する。上記第1実施形態では水溜まり部、電磁弁をエンドプレート外部の供給ガス配管取付部近傍に設ける構成であったが、第2実施形態では、エンドプレートの内部に水溜まり部を設けた例を説明する。
【0061】
図11,12に示すように、第2実施形態では、エンドプレートの内部に水溜まり部31を設けた水溜まり部付エンドプレート30とし、このエンドプレート30に電磁弁を一まとめにした電磁弁ブロック32を取り付ける構造としている。本実施形態によれば、燃料電池スタックを小型化できるとともに、機械的強度を向上させることができる。
【0062】
尚、上記の各実施形態以外に、マニホールド下面の水溜まり部への傾斜もマニホールド自体を傾斜させる構成や、スタック自体を傾斜させて設置するなどの方法により構成しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る燃料電池システムの第1実施形態を説明する燃料電池スタック1の斜視図である。
【図2】本発明の燃料電池セル2に使用されているバイポーラプレートのアノード(a)、カソード(b)の各流路の一例を示した図である。
【図3】第1実施形態におけるガス配管及び内部マニホールドの断面図である。
【図4】本発明に係る燃料電池システムの実施形態における制御系の構成を示すシステム構成図である。
【図5】水の排出量と水タンク内圧との関係を示したタイムチャート図である。
【図6】水タンク内圧と電磁弁11を開く周期である電磁弁開周期の関係を示したタイムチャート図である。
【図7】通常運転時に排水用の電磁弁11を使用して水詰まりを抑制する運転例を示すタイムチャート図である。
【図8】実施形態における起動時の電磁弁開周期の制御フローチャートを示した図である。
【図9】実施形態における起動時の電磁弁開周期の制御フローチャートを示した図である。
【図10】通常運転時にも排水用の電磁弁を使用して水詰まりを抑制する場合の制御フローチャートを示した図である。
【図11】第2実施形態におけるガス配管及び内部マニホールドの断面図である。
【図12】第2実施形態における燃料電池スタックの構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
1…燃料電池スタック
2…セル
3…エンドプレート
4…燃料ガス供給配管
5…燃料ガス排気配管
6…空気供給配管
7…空気排気配管
8…冷却材供給配管
9…冷却材排出配管
10…水溜まり部
11…電磁弁(排水弁)
12…排水管[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell system that generates water by an electrochemical reaction and has improved drainage performance.
[0002]
[Prior art]
When a state in which water is excessively present in the gas passage in the fuel cell (hereinafter, referred to as water clogging), resistance of gas supply is caused, and power generation efficiency of the fuel cell is reduced.
[0003]
In order to prevent this, for example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. H11-162489, a heat exchanger capable of exchanging heat between fuel gas and cooling water circulating by cooling the fuel cell is installed, and cooling water at the time of startup is provided. By switching the flow to the heat exchanger, before the humidified and heated fuel gas is supplied to the fuel cell, heat exchange is performed with cooling water that is still the temperature of the fuel cell to lower the temperature, A method has been adopted in which excess water vapor is condensed to prevent condensation in the fuel cell.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in this conventional example, only preventing the water vapor contained at the time of startup from condensing, the water vapor remaining in the fuel cell at the time of the previous operation stop condenses as the fuel cell temperature decreases. Alternatively, the water vapor remaining in the fuel cell inlet / outlet pipe portion does not have a preventive effect against condensing and flowing into the fuel cell at the time of startup and causing water clogging. There is a problem that condensed water causes water clogging and causes a sudden drop in cell voltage, a desired output cannot be obtained, and in the worst case, the system must be stopped to protect the fuel cell from a drop in cell voltage. Was.
[0005]
In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of discharging not only condensed water and generated water during operation but also condensed water existing before startup, thereby preventing water clogging. That is.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 includes a fuel cell main body that generates power by an electrochemical reaction of a fuel gas and an oxidizing gas, a fuel gas supply unit that supplies a fuel gas to the fuel cell main body, In a fuel cell system including an oxidizing gas supply unit that supplies an oxidizing gas to a fuel cell body, water is temporarily stored in at least one of a fuel gas passage and an oxidizing gas passage of the fuel cell body. A water pool portion, a water guiding means for guiding water in the gas passage to the water pool portion, and a drain valve for draining water in the water pool portion, Pressure detecting means for detecting a pressure downstream of the drain valve, and estimating an amount of water in the gas passage based on a pressure change when the drain valve is opened detected by the pressure detecting means. That is the gist.
[0007]
In order to achieve the above object, the invention according to claim 2 is the fuel cell system according to claim 1, wherein the opening degree, the valve opening time, and the valve opening interval of the drain valve according to the amount of water in the gas passage. The gist is to adjust at least one of the above.
[0008]
In order to achieve the above object, according to a third aspect of the present invention, in the fuel cell system according to the first aspect, electric power taken out of the fuel cell main body is limited to a predetermined value or less according to an amount of water in the gas passage. That is the gist.
[0009]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a fuel cell system according to the first aspect, wherein at least one of the fuel gas and the oxidizing gas is supplied according to an amount of water in the gas passage. The main point is to adjust the flow rate.
[0011]
Claims to achieve the above purpose 5 The invention described in the claims 1 In the fuel cell system described above, a gist is that a tank is provided downstream of the drain valve, and the pressure detecting means detects a pressure in the tank.
[0012]
Claims to achieve the above purpose 6 The invention described in claim 1 to claim 1 5 In the fuel cell system according to any one of the above, the gist of the invention is to drain the water in the water pool by opening the drain valve before taking out power from the fuel cell body at the time of startup.
[0013]
Claims to achieve the
[0014]
Claims to achieve the above purpose 8 The invention described in the
[0015]
Claims to achieve the above purpose 9 The invention described in the claims 8 In the fuel cell system according to the above aspect, a point is provided at the lower end of the connection hole so as to decrease toward the manifold.
[0016]
Claims to achieve the
[0017]
【The invention's effect】
According to the first aspect of the present invention, a fuel cell main body that generates electric power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidizing gas, a fuel gas supply unit that supplies a fuel gas to the fuel cell main body, and a fuel cell main body. A fuel cell system including an oxidizing gas supply unit configured to supply an oxidizing gas, wherein at least one of a fuel gas passage and an oxidizing gas passage of the fuel cell main body has a water reservoir for temporarily storing water. A water guiding means for guiding water in the gas passage to the water pool, and a drain valve for draining water in the water pool, Pressure detecting means for detecting a pressure downstream of the drain valve, and estimating an amount of water in the gas passage based on a pressure change when the drain valve is opened detected by the pressure detecting means. Because The condensed water remaining at the previous stop and the condensed water accumulated in the gas passage and the condensed water and generated water during operation are guided to the water reservoir by the water guiding means, and can be drained from the drain valve. Prevents water clogging in the gas passages not only during operation but also during operation, facilitates starting of the fuel cell, and enables stable operation of the cell voltage. At the same time, without providing a water amount detecting means in each of the water pools, the pressure detecting means provided in common downstream of each drain valve utilizes the fact that the pressure downstream of the drain valve changes according to the amount of water discharged. To estimate the amount of water This has the effect.
[0018]
According to the second aspect of the present invention, in the fuel cell system according to the first aspect, at least one of an opening degree, a valve opening time, and a valve opening interval of the drain valve according to an amount of water in the gas passage. Is adjusted, so that in addition to the effect of the invention described in claim 1, there is an effect that unnecessary valve opening is suppressed and effective drainage can be performed.
[0019]
According to the third aspect of the invention, in the fuel cell system according to the first aspect, the power taken out of the fuel cell main body is limited to a predetermined value or less according to the amount of water in the gas passage. In addition to the effects of the first aspect of the present invention, the fuel cell is configured to restrict the extraction of power to a predetermined value or less until the discharge of condensed water is completed, to suppress an increase in generated water, or to force extraction of power when the power generation efficiency decreases. This has the effect of preventing damage to the device.
[0020]
According to the fourth aspect of the present invention, in the fuel cell system according to the first aspect, the gas flow rate of at least one of the fuel gas and the oxidizing gas is adjusted according to the amount of water in the gas passage. As a result, in addition to the effect of the invention described in claim 1, there is an effect that when the amount of water is large, control such as blowing out water by increasing the gas flow rate becomes possible.
[0022]
Claim 5 According to the described invention, the claims 1 The fuel cell system according to claim 1, wherein a tank is provided downstream of the drain valve, and the pressure detecting means detects a pressure in the tank. 1 In addition to the effects of the described invention, there is an effect that the detection of the pressure downstream of the drain valve is facilitated, and the amount of water is easily estimated.
[0023]
Claim 6 According to the invention described in claims 1 to 1 5 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein the drain valve is opened before power is taken out from the fuel cell main body at the time of startup to drain the water in the water reservoir. 5 In addition to the effects of the described invention, water condensed in the fuel cell main body or in a gas pipe connected to the fuel cell main body can be discharged in advance, and a desired output can be taken out in a shorter time after startup. There is an effect that it becomes possible.
[0024]
[0025]
Claim 8 According to the described invention, the
[0026]
Claim 9 According to the described invention, the claims 8 In the fuel cell system described above, by providing the lower end of the connection hole with a slope that decreases toward the manifold, the effect of preventing water clogging can be further improved.
[0027]
[0028]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Next, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a perspective view of a fuel cell stack 1 illustrating a first embodiment of a fuel cell system according to the present invention.
[0029]
In FIG. 1, a fuel cell stack 1, which is a fuel cell body that generates power by an electrochemical reaction of a fuel gas and an oxidant gas, has a solid polymer electrolyte membrane, an anode (fuel electrode) to which the fuel gas is supplied, and an oxidant, respectively. A plurality of fuel cells (hereinafter simply referred to as cells) 2 each having a cathode (oxidant electrode) to which gas is supplied are stacked.
[0030]
The plurality of cells 2 are fixed at both ends by being sandwiched between two end plates 3 (only one end is shown in FIG. 1). Further, a fuel gas supply pipe 4 for supplying a fuel gas, a fuel gas exhaust pipe for exhausting a fuel gas 5, an air supply pipe for supplying air as an oxidant gas, and air for exhausting air to the end plate 3. An
[0031]
The connection portions of the fuel gas supply pipe 4, the fuel gas exhaust pipe 5, the air supply pipe 6, and the
[0032]
Then, a fuel gas is supplied from a fuel gas supply means (not shown) to the fuel gas supply pipe 4, and air is supplied from a compressor (not shown) serving as an oxidant gas supply means to the air supply pipe 6. As the fuel gas supply means, a means for supplying hydrogen gas from a fuel tank such as a high-pressure hydrogen tank via a decompressor is conceivable.
[0033]
In such a fuel cell system, since the function as a proton exchange membrane cannot be exhibited unless the polymer membrane is in a sufficiently wet state, some humidification method is used for the membrane. Among them, the most common method is a method in which only fuel gas or both fuel gas and air contain sufficient water vapor by humidifying means (not shown) and then supply the fuel gas to the fuel cell. Thereby, the polymer membrane is supplied with sufficient water to exhibit the function as a proton exchange membrane.
[0034]
FIG. 2 is a view showing an example of each flow path of the anode (a) and the cathode (b) of the bipolar plate used in the fuel cell 2 of the present invention.
[0035]
In the anode flow channel of FIG. 2A, a narrow fuel gas flow channel is formed on the electrode surface 21 by two interdigitated comb-shaped partitions. Fuel gas is supplied from an internal manifold 20a penetrating the stacked cells 2 via an electrode surface inlet (connection hole) 21a, and fuel gas is discharged to an internal manifold 20c via an electrode surface outlet (connection hole) 21b. It has become.
[0036]
Further, internal manifolds 20a and 20c for supplying and discharging gas are formed vertically long, and
[0037]
In addition, since the lower surfaces of the connection holes 21a and 21b have an inclination A from the electrode surface entrance to the internal manifolds 20a and 20c, water condensed in the internal manifolds 20a and 20c hardly flows into the electrode surface 21, and Water condensed on the electrode surface 21 is easily discharged to the internal manifolds 20a and 20c.
[0038]
Similarly, in the cathode flow channel of FIG. 2B, a narrow air flow channel is formed on the
[0039]
Further, internal manifolds 20b and 20d for supplying and discharging gas are formed to be vertically long, and
[0040]
In addition, since the lower surfaces of the connection holes 22a and 22b have an inclination A from the electrode surface entrance to the internal manifolds 20b and 20d, water condensed in the internal manifolds 20b and 20d is unlikely to flow into the
[0041]
FIG. 3 is a cross-sectional view of the gas pipe and the internal manifold. As shown in FIG. 3, the lower surface of the internal manifold 20 of each cell 2 is inclined by gradually increasing the hole diameter toward the gas inlet. As a result, the condensed water and the generated water flow smoothly to the
[0042]
FIG. 4 is a system configuration diagram showing a configuration of a control system in the embodiment of the fuel cell system according to the present invention. In FIG. 4, downstream of the
[0043]
The insides of these water tanks 13 and 14 are at atmospheric pressure when the
[0044]
Here, the water accumulated in the air-side water tank 13 is collected and can be used again as humidifying water or the like.
[0045]
FIG. 5 is a time chart showing the relationship between the amount of discharged water and the internal pressure of the water tank. If the amount of water discharged by opening the
[0046]
FIG. 6 is a time chart showing the relationship between the water tank internal pressure and the solenoid valve opening cycle, which is the cycle of opening the
[0047]
The
[0048]
FIG. 8 is a diagram showing a control flowchart of the solenoid valve opening cycle control. First, in step S10, in order to start the fuel cell, the power of a battery or the like is turned on, and power supply to the control device is started. Next, in step S12, the operation of the
[0049]
If it is determined in step S20 that the internal pressure P is equal to or higher than the pressure set value Pl, it is determined in step S24 whether the internal pressure P is lower than the pressure set value Ph. If the internal pressure P is lower than the pressure set value Ph, in step S26, the output of the fuel cell stack is limited to the output limit value Lp2 [kW] or less, and the open cycle T of the
[0050]
The pressure set values Pl and Ph for determining the internal pressures of the air-side water tank 13 and the fuel gas-side water tank 14 are the hydrogen gas concentration design value in the fuel gas, the shape of the gas passage, the shape of the drain pipe, and the water tank. Usually do not match and often differ depending on the capacity, etc. In this case, the detection value of the pressure sensor 15 for each individual water tank is compared with the set values of Pl and Ph, and the
[0051]
Further, in the above flowchart, the opening period T of the solenoid valve is changed. However, the opening degree of the valve is similarly changed (shortening the cycle = increase the opening degree, increasing the cycle = decreasing the opening degree). ) Or the opening time of the valve may be changed (shorter the cycle = increase the opening degree, increase the cycle = decrease the opening degree).
[0052]
Also, at startup, the
[0053]
FIG. 9 shows a control flowchart at this time. First, in step S30, in order to start the fuel cell, the power of the battery or the like is turned on, and the power supply to the control device is started. Next, in step S32, all the
[0054]
Next, in step S40, output is started from the fuel cell stack. In step S42, it is determined whether or not normal operation of the fuel cell is possible based on the temperature of the fuel cell body, the gas supply pressure, and the like. Move on to control of normal operation. If the normal operation is not possible, it is determined in step S44 whether or not the internal pressure P of the water tanks 13, 14 detected by the pressure sensor 15 is lower than the pressure set value Pl. If the internal pressure P is lower than the pressure set value Pl, in step S46, the output of the fuel cell stack is limited to the output limit value Lp [kW] or less, and the open cycle T of the
[0055]
If it is determined in step S44 that the internal pressure P is equal to or higher than the pressure set value Pl, it is determined in step S48 whether the internal pressure P is lower than the pressure set value Ph. If the internal pressure P is lower than the pressure set value Ph, in step S50, the output of the fuel cell stack is limited to the output limit value Lp2 [kW] or less, and the opening cycle T of the
[0056]
FIG. 7 shows an operation example in which the clogging of water is suppressed by using the
[0057]
FIG. 10 shows a flowchart at this time. First, in step S60, it is determined whether or not to stop the operation from the normal operation state, and if the operation is stopped, the process ends. If the operation is not stopped, it is determined in step S62 whether or not the internal pressure P of the water tanks 13, 14 detected by the pressure sensor 15 is lower than the pressure set value Pl. If the internal pressure P is lower than the pressure set value Pl, the opening cycle T of the
[0058]
If it is determined in step S62 that the internal pressure P is equal to or greater than the pressure set value Pl, it is determined in step S68 whether the internal pressure P is lower than the pressure set value Ph. If the internal pressure P is lower than the pressure set value Ph, in step S72, the opening cycle T of the
[0059]
If it is determined in step S68 that the internal pressure P is equal to or higher than the pressure set value Ph, in step S70, the open cycle T of the
[0060]
Next, a second embodiment of the fuel cell system according to the present invention will be described. In the first embodiment, the water reservoir and the solenoid valve are provided near the supply gas pipe mounting portion outside the end plate. In the second embodiment, an example in which the water reservoir is provided inside the end plate will be described. .
[0061]
As shown in FIGS. 11 and 12, in the second embodiment, an
[0062]
In addition to the above embodiments, the inclination of the lower surface of the manifold toward the water pool may be configured by a method of inclining the manifold itself or a method of installing the stack inclining.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view of a fuel cell stack 1 illustrating a first embodiment of a fuel cell system according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing an example of each flow path of an anode (a) and a cathode (b) of a bipolar plate used in the fuel cell 2 of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view of a gas pipe and an internal manifold according to the first embodiment.
FIG. 4 is a system configuration diagram showing a configuration of a control system in an embodiment of the fuel cell system according to the present invention.
FIG. 5 is a time chart illustrating a relationship between a water discharge amount and a water tank internal pressure.
FIG. 6 is a time chart showing the relationship between the water tank internal pressure and the solenoid valve opening cycle, which is the cycle of opening the
FIG. 7 is a time chart illustrating an operation example in which water clogging is suppressed by using the
FIG. 8 is a diagram illustrating a control flowchart of a solenoid valve opening cycle at the time of startup in the embodiment.
FIG. 9 is a diagram illustrating a control flowchart of a solenoid valve opening cycle at the time of startup in the embodiment.
FIG. 10 is a diagram showing a control flowchart in a case where water clogging is suppressed by using a drainage electromagnetic valve even during normal operation.
FIG. 11 is a cross-sectional view of a gas pipe and an internal manifold according to a second embodiment.
FIG. 12 is a perspective view illustrating a configuration of a fuel cell stack according to a second embodiment.
[Explanation of symbols]
1. Fuel cell stack
2… cell
3 ... End plate
4: Fuel gas supply pipe
5. Fuel gas exhaust pipe
6. Air supply piping
7… Air exhaust piping
8. Coolant supply piping
9 ... Coolant discharge piping
10 ... water pool
11 ... solenoid valve (drain valve)
12 ... Drain pipe
Claims (10)
該燃料電池本体に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料電池本体に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段とを備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池本体の燃料ガス通路と酸化剤ガス通路との少なくとも一方のガス通路に、
水を一時貯留する水溜まり部と、
前記ガス通路内の水を前記水溜まり部に誘導する水誘導手段と、
前記水溜まり部の水を排水する排水弁と、
前記排水弁の下流の圧力を検出する圧力検出手段と、
を備え、
該圧力検出手段が検出した前記排水弁の開弁時の圧力変動に基づいて前記ガス通路内の水の量を推定することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell body that generates power by an electrochemical reaction of a fuel gas and an oxidant gas,
Fuel gas supply means for supplying fuel gas to the fuel cell body;
An oxidizing gas supply unit for supplying an oxidizing gas to the fuel cell body,
In at least one gas passage of the fuel gas passage and the oxidizing gas passage of the fuel cell body,
A water pool for temporarily storing water,
Water guiding means for guiding water in the gas passage to the water reservoir,
A drain valve for draining the water in the water reservoir,
Pressure detection means for detecting the pressure downstream of the drain valve,
With
The fuel cell system according to claim 1, wherein an amount of water in said gas passage is estimated based on a pressure change when said drain valve is opened detected by said pressure detecting means.
前記圧力検出手段は、前記タンク内の圧力を検出することを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。A tank is provided downstream of the drain valve,
It said pressure detecting means, the fuel cell system according to claim 1, wherein the detecting the pressure in the tank.
前記ガス通路は、
各セルを貫通するマニホールドと、
各セル内電極面に形成されるガス流路と、
マニホールドと各セル内電極面に形成されるガス流路を連通させる接続孔とを備え、
前記水誘導手段は前記マニホールド下面に設けた前記水溜まり部に向かって低下していく傾斜であることを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか1項記載の燃料電池システム。The fuel cell body includes a stack in which a plurality of cells are stacked,
The gas passage,
A manifold penetrating each cell,
A gas flow path formed on the electrode surface in each cell,
A connection hole that communicates a gas passage formed on the manifold and the electrode surface in each cell is provided,
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 6 , wherein the water guiding means has a slope that decreases toward the water pool provided on the lower surface of the manifold.
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