JP5248286B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、液体燃料が供給される燃料電池を備える燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell to which liquid fuel is supplied.
従来、液体燃料が供給される燃料電池として、例えば、直接メタノール形燃料電池(DMFC:Direct Methanol Fuel Cell)、直接ジメチルエーテル形燃料電池(DDFC:Direct Dimethyl ether Fuel Cell)などが知られている。 Conventionally, as a fuel cell to which liquid fuel is supplied, for example, a direct methanol fuel cell (DMFC), a direct dimethyl ether fuel cell (DDFC), and the like are known.
液体燃料形燃料電池は、水素ガスを生成するための改質器を必要としないので、システムとしての構造の簡略化が期待されている。 Since the liquid fuel type fuel cell does not require a reformer for generating hydrogen gas, simplification of the structure as a system is expected.
液体燃料形燃料電池を備えるシステムとして、例えば、液体燃料を貯蔵するためのタンクと、液体燃料が供給される燃料電池と、タンクに貯蔵された液体燃料を吸入して燃料電池に供給可能なポンプと、タンクから燃料電池に液体燃料を供給するための第1流路と、燃料電池から排出された使用後の廃液をタンク内に戻すための第2流路とを備える燃料電池システムが提案されている(例えば、特許文献1参照)。 As a system including a liquid fuel type fuel cell, for example, a tank for storing liquid fuel, a fuel cell to which liquid fuel is supplied, and a pump capable of sucking the liquid fuel stored in the tank and supplying it to the fuel cell And a first flow path for supplying liquid fuel from the tank to the fuel cell, and a second flow path for returning the used waste liquid discharged from the fuel cell into the tank. (For example, refer to Patent Document 1).
このような燃料電池システムでは、ポンプの駆動により燃料電池のアノードに液体燃料が供給され、また、燃料電池のカソードに空気が供給される。そして、燃料電池がアニオン成分を移動可能な電解質層を有するアニオン交換型燃料電池であり、液体燃料がメタノールである場合、燃料電池では、下記式(1)および(2)で示される電気化学反応が生じ、起電力が発生する。 In such a fuel cell system, liquid fuel is supplied to the anode of the fuel cell by driving the pump, and air is supplied to the cathode of the fuel cell. And when a fuel cell is an anion exchange type fuel cell which has an electrolyte layer which can move an anion component, and a liquid fuel is methanol, in a fuel cell, an electrochemical reaction shown by the following formulas (1) and (2) And an electromotive force is generated.
(1)CH3OH+6OH−→CO2+5H2O+6e− (アノードでの反応)
(2)O2+H2O+4e−→4OH− (カソードでの反応)
(2) O 2 + H 2 O + 4e − → 4OH − (reaction at the cathode)
しかるに、上記の燃料電池システムでは、アノード側に水が生成するので、燃料電池の運転の経過にしたがってメタノールの濃度が低下する。その結果、メタノールを効率よく使用できず、燃料電池の運転効率が低下するという不具合がある。 However, in the fuel cell system described above, water is generated on the anode side, so that the concentration of methanol decreases with the progress of operation of the fuel cell. As a result, there is a problem that methanol cannot be used efficiently and the operating efficiency of the fuel cell is lowered.
この不具合に対する方策として、排水タンクを別途設け、アノードに生成する水を排水タンクに排出することが考えられる。しかし、排水タンクの設置により、システム全体が大型化・複雑化するという別の不具合を生じる。また、燃料タンクを、メタノールを貯蔵するための燃料貯蔵部と、生成水を貯蔵するための排水貯蔵部に区画し、生成水を排水貯蔵部に排出することが検討される。しかし、排水貯蔵部が満水になるたびに燃料タンクを交換しなければならず、非常に手間である。 As a measure against this problem, it is conceivable to provide a drainage tank separately and discharge the water generated in the anode to the drainage tank. However, the installation of the drainage tank causes another problem that the entire system becomes larger and more complicated. Further, it is considered that the fuel tank is partitioned into a fuel storage unit for storing methanol and a drainage storage unit for storing generated water, and the generated water is discharged to the drainage storage unit. However, every time the drainage storage is full, the fuel tank must be replaced, which is very laborious.
その一方で、燃料電池が高負荷で連続的に運転されると、カソード側におけるセルの含水量が低下(乾燥)する、いわゆるドライアップが発生するという不具合もある。 On the other hand, when the fuel cell is continuously operated at a high load, there is a problem that a so-called dry-up occurs in which the moisture content of the cell on the cathode side decreases (drys).
本発明の目的は、アノード側の液体燃料の濃度低下およびカソード側のドライアップを、簡易に抑制することができる燃料電池システムを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a fuel cell system that can easily suppress a decrease in concentration of liquid fuel on the anode side and dry-up on the cathode side.
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、アニオン成分が移動可能な電解質層と、前記電解質層の一方側に配置され、液体燃料が供給されるアノードと、前記電解質層の他方側に配置され、酸素が供給されるカソードとを有するアニオン交換型燃料電池と、前記アノード内の液体燃料に含まれる水の量を検知するための水量検知手段と、前記アノードと前記カソードとの間に差圧を発生させるための差圧発生手段と、前記水量検知手段の検知に基づいて、前記差圧発生手段を動作させるための制御手段とを備えることを特徴としている。 In order to achieve the above object, a fuel cell system of the present invention includes an electrolyte layer in which an anion component can move, an anode disposed on one side of the electrolyte layer, and supplied with liquid fuel, and the other of the electrolyte layer. An anion exchange type fuel cell disposed on the side and having a cathode to which oxygen is supplied; water amount detection means for detecting the amount of water contained in the liquid fuel in the anode; and the anode and the cathode A differential pressure generating means for generating a differential pressure in between, and a control means for operating the differential pressure generating means based on the detection of the water amount detecting means.
この構成によれば、アノード内の液体燃料に含まれる水の量が所定量以上であることが水量検知手段により検知されると、差圧発生手段の動作により、アノードとカソードとの間に差圧が発生する。この差圧により、アノード側からカソード側へと向かう圧力の流れを発生させることができる。そのため、アノードで生成する水をカソードに移動させ、アノード側の水を低減させることができるとともに、カソード側の水を増加させることができる。このように、排水タンクなどの設備を別途設けることなく、アノードとカソードとの間の差圧制御により、アノード側の水を低減することができるとともに、カソード側の水を増加させることができる。その結果、アノード側の液体燃料の濃度低下およびカソード側のドライアップを、簡易に抑制することができる。 According to this configuration, when the water amount detecting means detects that the amount of water contained in the liquid fuel in the anode is greater than or equal to the predetermined amount, the difference between the anode and the cathode is caused by the operation of the differential pressure generating means. Pressure is generated. With this differential pressure, a pressure flow from the anode side to the cathode side can be generated. Therefore, the water generated at the anode can be moved to the cathode, the water on the anode side can be reduced, and the water on the cathode side can be increased. As described above, the water on the anode side can be reduced and the water on the cathode side can be increased by controlling the pressure difference between the anode and the cathode without separately providing a facility such as a drainage tank. As a result, it is possible to easily suppress the decrease in the concentration of the liquid fuel on the anode side and the dry-up on the cathode side.
また、本発明の燃料電池システムでは、前記アノードから排出される液体燃料を、前記アノードに還流させるための還流路と、前記還流路に介在され、液体燃料に含まれるガスを分離するための気液分離部とを備え、前記差圧発生手段が、前記気液分離部に設けられ、前記気液分離部内のガスを排出するためのガス排出弁であり、前記制御手段は、前記ガス排出弁を閉めることにより、前記気液分離部内のガス圧力を高めて、前記アノードと前記カソードとの間に差圧を発生させることが好適である。 In the fuel cell system of the present invention, the liquid fuel discharged from the anode is recirculated to the anode, and the gas that is interposed in the recirculation path and separates the gas contained in the liquid fuel. A gas separation valve, wherein the differential pressure generating means is provided in the gas-liquid separation section, and is a gas discharge valve for discharging the gas in the gas-liquid separation section, and the control means is the gas discharge valve It is preferable that the gas pressure in the gas-liquid separator is increased by closing the pressure to generate a differential pressure between the anode and the cathode.
この構成では、還流路が備えられているため、液体燃料は、アノードおよび還流路によりクローズされた系内を循環する。そして、還流路に介在された気液分離部内のガスを排出するためのガス排出弁が閉められることにより、気液分離部内のガス圧力が高められる。気液分離部内のガス圧力が高められることにより、クローズ系内の圧力を高めることができるので、アノードとカソードとの間に差圧を発生させることができる。すなわち、ガス排出弁の開閉制御という簡単な制御により、アノードとカソードとの間に差圧を発生させることができる。 In this configuration, since the return path is provided, the liquid fuel circulates in the system closed by the anode and the return path. And the gas pressure in a gas-liquid separation part is raised by closing the gas exhaust valve for exhausting the gas in the gas-liquid separation part interposed in the reflux path. Since the pressure in the closed system can be increased by increasing the gas pressure in the gas-liquid separation unit, a differential pressure can be generated between the anode and the cathode. That is, a differential pressure can be generated between the anode and the cathode by a simple control of opening / closing the gas discharge valve.
本発明の燃料電池システムによれば、排水タンクなどの設備を別途設けることなく、アノードとカソードとの間の差圧制御により、アノード側の水を低減することができるとともに、カソード側の水を増加させることができる。その結果、アノード側の液体燃料の濃度低下およびカソード側のドライアップを、簡易に抑制することができる。 According to the fuel cell system of the present invention, the water on the anode side can be reduced and the water on the cathode side can be reduced by controlling the differential pressure between the anode and the cathode without separately providing facilities such as a drainage tank. Can be increased. As a result, it is possible to easily suppress the decrease in the concentration of the liquid fuel on the anode side and the dry-up on the cathode side.
1.燃料電池システムの全体構成
図1は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを搭載した電動車両の概略構成図である。
1. Overall Configuration of Fuel Cell System FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an electric vehicle equipped with a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
電動車両1は、燃料電池を動力源とする車両であって、燃料電池システム2を搭載している。
The
燃料電池システム2は、燃料電池3と、燃料給排部4と、空気給排部5と、制御手段としてのコントロールユニット6と、動力部7とを備えている。
(1)燃料電池
燃料電池3は、液体燃料が直接供給されるアニオン交換型燃料電池であって、電動車両1の中央下側に配置されている。
The fuel cell system 2 includes a fuel cell 3, a fuel supply / exhaust unit 4, an air supply / exhaust unit 5, a control unit 6 as control means, and a power unit 7.
(1) Fuel Cell The fuel cell 3 is an anion exchange type fuel cell to which liquid fuel is directly supplied, and is disposed at the lower center of the
燃料電池3に供給される液体燃料としては、例えば、メタノール、ジメチルエーテル、ヒドラジン(水加ヒドラジン、無水ヒドラジンなどを含む)などが挙げられる。 Examples of the liquid fuel supplied to the fuel cell 3 include methanol, dimethyl ether, hydrazine (including hydrated hydrazine, anhydrous hydrazine, and the like).
また、燃料電池3の出力電圧Vfcは、例えば、0.2〜1.5Vであり、出力電流Ifcは、例えば、10〜400Aである。なお、これら出力は、後述する単位セル1つあたりの出力である。 Further, the output voltage Vfc of the fuel cell 3 is 0.2 to 1.5 V, for example, and the output current Ifc is 10 to 400 A, for example. These outputs are outputs per unit cell described later.
燃料電池3は、電解質層8と、電解質層8の一方側に配置されたアノード9と、電解質層8の他方側に配置されたカソード10とを有する燃料電池セル(単位セル)が、絶縁材料からなるセパレータ(図示せず)を介して複数積層されたスタック構造に形成されている。つまり、電解質層8を介してアノード9およびカソード10が対向配置されてなる単位セルが複数積層されている。なお、図1では、複数の単位セルのうち1つだけを燃料電池3として表し、その他の単位セルについては省略している。
The fuel cell 3 includes a fuel cell (unit cell) having an electrolyte layer 8, an anode 9 disposed on one side of the electrolyte layer 8, and a
電解質層8は、アニオン成分が移動可能な層であり、例えば、アニオン交換膜を用いて形成されている。 The electrolyte layer 8 is a layer in which an anion component can move, and is formed using, for example, an anion exchange membrane.
アニオン交換膜としては、アニオン成分(例えば、水酸化物イオン(OH−)など)が移動可能な媒体であれば、特に限定されず、例えば、4級アンモニウム基、ピリジニウム基などのアニオン交換基を有する固体高分子膜(アニオン交換樹脂)が挙げられる。 The anion exchange membrane is not particularly limited as long as it is a medium in which an anion component (for example, hydroxide ion (OH − )) can move, and for example, an anion exchange group such as a quaternary ammonium group or a pyridinium group can be used. And a solid polymer membrane (anion exchange resin).
アノード9は、アノード電極11と、アノード電極11に液体燃料を供給するための燃料供給部材12とを有している。 The anode 9 includes an anode electrode 11 and a fuel supply member 12 for supplying liquid fuel to the anode electrode 11.
アノード電極11は、電解質層8の一方面に形成されている。アノード電極11の電極材料としては、例えば、触媒が担持された多孔質担体(触媒担持多孔質担体)などが挙げられる。 The anode electrode 11 is formed on one surface of the electrolyte layer 8. Examples of the electrode material of the anode electrode 11 include a porous support (catalyst-supported porous support) on which a catalyst is supported.
多孔質担体としては、例えば、カーボンなどの撥水性担体が挙げられる。 Examples of the porous carrier include water-repellent carriers such as carbon.
触媒としては、例えば、白金族元素(Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt)、鉄族元素(Fe、Co、Ni)などの周期表第8〜10(VIII)族元素や、例えば、Cu、Ag、Auなどの周期表第11(IB)族元素などが挙げられる。 Examples of the catalyst include 8th to 10th (VIII) group elements of the periodic table such as platinum group elements (Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt), iron group elements (Fe, Co, Ni), and the like. Examples include Group 11 (IB) elements of the periodic table such as Cu, Ag, and Au.
アノード電極11は、例えば、上記電極材料の電極インクを調製し、公知の方法(例えば、スプレー法、ダイコーター法など)により電極インクを電解質層8の一方面に塗布し、所定の温度で乾燥させることにより、薄膜状の電極膜として電解質層8の一方面に接合される。 The anode electrode 11 is prepared, for example, by preparing an electrode ink of the above electrode material, applying the electrode ink to one surface of the electrolyte layer 8 by a known method (for example, spray method, die coater method, etc.), and drying at a predetermined temperature. By doing so, it is joined to one surface of the electrolyte layer 8 as a thin electrode film.
燃料供給部材12は、ガス不透過性の導電性部材からなる。燃料供給部材12には、その表面から凹む葛折状の溝が形成されている。そして、燃料供給部材12は、溝の形成された表面がアノード電極11に対向接触されている。これにより、アノード電極11の一方面と燃料供給部材12の他方面(溝の形成された表面)との間には、アノード電極11全体に液体燃料を接触させるための燃料供給路13が形成される。
The fuel supply member 12 is made of a gas impermeable conductive member. The fuel supply member 12 is formed with a distorted groove recessed from the surface thereof. The surface of the fuel supply member 12 in which the groove is formed is opposed to the anode electrode 11. As a result, a
燃料供給路13には、液体燃料をアノード9内に流入させるための燃料供給口15が一端側(下側)に形成され、液体燃料をアノード9から排出するための燃料排出口14が他端側(上側)に形成されている。
In the
カソード10は、カソード電極16と、カソード電極16に空気を供給するための空気供給部材17とを有している。
The
カソード電極16は、電解質層8の他方面に形成されている。 The cathode electrode 16 is formed on the other surface of the electrolyte layer 8.
カソード電極16の電極材料としては、例えば、アノード電極11の電極材料として例示した、触媒担持多孔質担体などが挙げられる。 Examples of the electrode material of the cathode electrode 16 include a catalyst-supporting porous carrier exemplified as the electrode material of the anode electrode 11.
カソード電極16は、例えば、アノード電極11と同様の方法により、薄膜状の電極膜として電解質層8の他方面に接合される。これにより、電解質層8、アノード電極11およびカソード電極16は、電解質層8の一方面に薄膜状のアノード電極11が接合され、電解質層8の他方面に薄膜状のカソード電極16が接合されてなる膜・電極接合体を形成している。 The cathode electrode 16 is bonded to the other surface of the electrolyte layer 8 as a thin film electrode film by, for example, the same method as the anode electrode 11. Thus, the electrolyte layer 8, the anode electrode 11, and the cathode electrode 16 have the thin film anode electrode 11 bonded to one surface of the electrolyte layer 8 and the thin film cathode electrode 16 bonded to the other surface of the electrolyte layer 8. A membrane / electrode assembly is formed.
空気供給部材17は、ガス不透過性の導電性部材からなる。空気供給部材17には、その表面から凹む葛折状の溝が形成されている。そして、空気供給部材17は、溝の形成された表面がカソード電極16に対向接触されている。これにより、カソード電極16の他方面と空気供給部材17の一方面(溝の形成された表面)との間には、カソード電極16全体に空気を接触させるための空気供給路18が形成される。
The air supply member 17 is made of a gas impermeable conductive member. The air supply member 17 is formed with a twisted groove recessed from the surface thereof. The air supply member 17 has a grooved surface in contact with the cathode electrode 16. As a result, an
空気供給路18には、空気をカソード10内に流入させるための空気供給口19が一端側に形成され、空気をカソード10から排出するための空気排出口20が他端側に形成されている。
(2)燃料給排部
燃料給排部4は、液体燃料を貯蔵するための燃料タンク21と、燃料タンク21から供給される液体燃料をアノード9に供給するとともに、アノード9から排出される液体燃料をアノード9に還流するための還流路としての還流管22とを備えている。
In the
(2) Fuel Supply / Discharge Unit The fuel supply / discharge unit 4 supplies a
燃料タンク21は、燃料電池3よりも後方、電動車両1の後側に配置されている。燃料タンク21には、液体燃料として、例えば、メタノール、ジメチルエーテル、ヒドラジンなどが貯蔵されている。
The
還流管22は、その一端側(下側)がシール材(ガスケットなど)を介して燃料供給口15に接続され、他端側(上側)がシール材(ガスケットなど)を介して燃料排出口14に接続されている。シール材を介して接続されることにより、還流管22は、燃料排出口14および燃料供給口15それぞれに対して密嵌されている。これにより、燃料供給路13の両端(燃料排出口14および燃料供給口15)が、燃料電池3の外部に設けられた還流管22を介して密閉状態で連通する。したがって、燃料電池3と燃料給排部4との間には、燃料排出口14(上流側)から排出される液体燃料が、還流管22を介して燃料供給口15(下流側)へ流れ、燃料供給路13を介して再び燃料排出口14に戻ることによりアノード9を循環するクローズドライン(閉流路)が形成される。
One end side (lower side) of the
還流管22の途中には、気液分離部としての気液分離器23が介在されている。気液分離器23は、例えば、中空の容器からなり、その底部には、気液分離器23の内外を流通させる1対の底部流通口24が形成されている。
In the middle of the
また、気液分離器23の上部には、気液分離器23の内外を流通させる上部流通口25が1つ形成されている。上部流通口25および1対の底部流通口24は、中空部分を介して互いに流通可能とされている。
In addition, one
気液分離器23は、燃料電池3よりも後ろ上方において、1対の底部流通口24が還流管22に接続されることにより、還流管22に介装されている。
The gas-
1対の底部流通口24と還流管22とは、シール材(ガスケットなど)を介して接続されている。これにより、1対の底部流通口24それぞれに対して還流管22が密嵌され、一方(上流側)の底部流通口24に密嵌された上流側の還流管22と、他方の(下流側)の底部流通口24に密嵌された下流側の還流管22とが気液分離器23の中空部分を介して連通している。すなわち、気液分離器23の中空部分が、クローズドラインの一部を形成している。
The pair of
上部流通口25には、気液分離器23で分離されたガス(気体)を排出するためのガス排出管26が接続されている。ガス排出管26は、シール材(ガスケット)を介して上部流通口25に接続されている。これにより、ガス排出管26は、上部流通口25に対して密嵌されている。また、ガス排出管26の途中には、差圧発生手段としてのガス排出弁27が設けられている。
A
ガス排出弁27は、ガス排出管26を開閉するための弁であって、例えば、電磁弁など、公知の開閉弁が用いられる。ガス排出弁27は、コントロールユニット6に電気的に接続されている(図1の破線参照)。これにより、コントロールユニット6からの制御信号がガス排出弁27に入力可能とされる。
The
還流管22において気液分離器23の下流側であってアノード9の上流側(つまり、下流側の還流管22)の途中には、燃料供給ポンプ29が介在されている。
A
燃料供給ポンプ29としては、例えば、ロータリーポンプ、ギヤポンプなどの回転式ポンプ、ピストンポンプ、ダイヤフラムポンプなどの往復式ポンプなど、公知の送液ポンプが用いられる。燃料供給ポンプ29は、コントロールユニット6に電気的に接続されている(図1の破線参照)。これにより、コントロールユニット6からの制御信号が、燃料供給ポンプ29に入力可能とされる。
As the
還流管22において気液分離器23と燃料供給ポンプ29との間(つまり、下流側の還流管22における燃料供給ポンプ29の上流側)には、燃料タンク21に貯蔵された液体燃料を還流管22へ供給するための燃料供給管30が接続されている。燃料供給管30の途中には、燃料供給弁31が設けられている。なお、燃料供給管30と燃料タンク21とは、シール材(ガスケットなど)を介して接続されている。
Between the gas-
燃料供給弁31は、燃料供給管30を開閉するための弁であって、例えば、電磁弁など、公知の開閉弁が用いられる。また、燃料供給弁31は、コントロールユニット6に電気的に接続されている(図1の破線参照)。これにより、コントロールユニット6からの制御信号が、燃料供給弁31に入力可能とされる。
(3)空気給排部
空気給排部5は、空気をカソード10に供給するための空気供給管32と、カソード10から排出される空気を外部に排出するための空気排出管33とを備えている。
The
(3) Air Supply / Discharge Unit The air supply / discharge unit 5 includes an
空気供給管32は、その一端側(上流側)が大気中に開放され、他端側(下流側)が空気供給口19に接続されている。空気供給管32の途中には、空気供給ポンプ34が介在されている。
One end side (upstream side) of the
空気供給ポンプ34としては、例えば、エアコンプレッサなど、公知の送気ポンプが用いられる。空気供給ポンプ34は、コントロールユニット6に電気的に接続されている(図1の破線参照)。これにより、コントロールユニット6からの制御信号が、空気供給ポンプ34に入力可能とされる。
As the
空気供給管32において空気供給ポンプ34の下流側には、空気供給弁35が設けられている。
An
空気供給弁35は、空気供給管32を開閉するための弁であって、例えば、電磁弁など、公知の開閉弁が用いられる。また、空気供給弁35は、コントロールユニット6に電気的に接続されている(図1の破線参照)。これにより、コントロールユニット6からの制御信号が、空気供給弁35に入力可能とされる。
The
空気排出管33は、その一端側(上流側)が空気排出口20に接続され、他端側(下流側)がドレンとされる。
(4)コントロールユニット
コントロールユニット6は、電動車両1における電気的な制御を実行するユニット(例えば、ECU:Electronic Control Unit)であり、CPU、ROMおよびRAMなどを備えるマイクロコンピュータで構成されている。水量検知手段としてのコントロールユニット6のROMには、後述する電流計41からの入力信号(電流計41での測定値)と、燃料電池3の発電により液体燃料中に生成する水の量との関係が示される制御マップが記憶されている。
One end side (upstream side) of the
(4) Control Unit The control unit 6 is a unit (for example, ECU: Electronic Control Unit) that performs electrical control in the
制御マップには、例えば、燃料電池3による10〜400Aの発電により、アノード9には、毎分0.01〜3ccの水が生成すると記録されている。また、コントロールユニット6には、タイマ36が内蔵されている。
(5)動力部
動力部7は、燃料電池3から出力される電気エネルギを電動車両1の駆動力として機械エネルギに変換するためのモータ37と、電動車両1の電装機器に電力を供給するためのバッテリ38とを備えている。
In the control map, for example, it is recorded that 0.01 to 3 cc of water per minute is generated at the anode 9 by power generation of 10 to 400 A by the fuel cell 3. The control unit 6 includes a
(5) Power unit The power unit 7 supplies electric power to the
モータ37は、燃料電池3よりも前方、電動車両1の前側に配置されている。モータ37としては、例えば、三相誘導電動機、三相同期電動機など、公知の三相電動機が挙げられる。
The
バッテリ38としては、例えば、鉛蓄電池など、公知の二次電池が挙げられる。また、バッテリ38からの電力供給対象としては、例えば、ヘッドライト、カーオーディオ、エアコンディショナーなど、車両に搭載される電装機器として一般的なものが挙げられる。
Examples of the
また、動力部7は、DC/DCコンバータ39を備えている。DC/DCコンバータ39は、これに接続される複数の機器に対して入力電力を振り分けるスイッチング機能を有するとともに、入力電圧を降圧する降圧機能を有している。
The power unit 7 includes a DC /
DC/DCコンバータ39の正極側入力端子には、カソード10に接続された正極配線40が接続されている。一方、DC/DCコンバータ39の負極側入力端子には、アノード9に接続された負極配線42が接続されている。
A positive electrode wiring 40 connected to the
正極配線40および負極配線42からなる1対の配線には、電流計41が直列に接続されている。電流計41は、コントロールユニット6に電気的に接続されている(図1の破線参照)。これにより、燃料電池3からDC/DCコンバータ39に流れる電流値が測定され、その電気信号がコントロールユニット6に入力可能とされる。
An ammeter 41 is connected in series to a pair of wires composed of a positive electrode wire 40 and a
また、DC/DCコンバータ39は、コントロールユニット6に電気的に接続されている(図1の破線参照)。これにより、コントロールユニット6からの制御信号が、DC/DCコンバータ39に入力可能とされる。
The DC /
なお、図示を省略するが、DC/DCコンバータ39には、上記した電装機器が、バッテリ38を介さずに直接接続されていてもよい。
In addition, although illustration is abbreviate | omitted, the above-mentioned electrical equipment may be directly connected to the DC /
そして、モータ37およびバッテリ38は、DC/DCコンバータ39に対して並列に電気接続されている。これにより、DC/DCコンバータ39のスイッチング機能により、燃料電池3で発生した起電力をモータ37もしくはバッテリ38に、またはモータ37およびバッテリ38に同時に供給することができる。
The
モータ37とDC/DCコンバータ39との間には、インバータ43が直列に接続されている。インバータ43としては、直流電力を交流電力に変換可能な機器であれば、特に限定されず、例えば、公知のインバータ回路が組み込まれた電力変換装置が挙げられる。これにより、DC/DCコンバータ39からモータ37への電力は、インバータ43において直流電力から三相交流電力に変換され、三相交流電力としてモータ37に供給される。
2.燃料電池システムによる発電
上記した燃料電池システム2では、燃料供給弁31が開かれ、燃料供給ポンプ29が駆動されることにより、液体燃料が還流管22を介してアノード9に供給される。一方、空気供給弁35が開かれ、空気供給ポンプ34が駆動されることにより、空気が空気供給管32を介してカソード10に供給される。なお、燃料供給弁31は、液体燃料が所定量供給された後に閉じられる。
An
2. Power Generation by the Fuel Cell System In the fuel cell system 2 described above, the
アノード9では、液体燃料が、アノード電極11と接触しながら燃料供給路13を通過する。一方、カソード10では、空気が、カソード電極16と接触しながら空気供給路18を通過する。
In the anode 9, the liquid fuel passes through the
そして、各電極(アノード電極11およびカソード電極16)において電気化学反応が生じ、起電力が発生する。例えば、液体燃料がメタノールである場合には、下記式(1)〜(3)の通りとなる。 Then, an electrochemical reaction occurs in each electrode (the anode electrode 11 and the cathode electrode 16), and an electromotive force is generated. For example, when the liquid fuel is methanol, the following formulas (1) to (3) are obtained.
(1) CH3OH+6OH−→CO2+5H2O+6e−(アノード電極11での反応)
(2) O2+2H2O+4e−→4OH− (カソード電極16での反応)
(3) CH3OH+3/2O2→CO2+2H2O (燃料電池3全体での反応)
すなわち、メタノールが供給されたアノード電極11では、メタノール(CH3OH)とカソード電極16での反応で生成した水酸化物イオン(OH−)とが反応して、二酸化炭素(CO2)および水(H2O)が生成するとともに、電子(e−)が発生する(上記式(1)参照)。
(1) CH 3 OH + 6OH − → CO 2 + 5H 2 O + 6e − (reaction at anode electrode 11)
(2) O 2 + 2H 2 O + 4e − → 4OH − (reaction at cathode electrode 16)
(3) CH 3 OH + 3 / 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O (reaction in the entire fuel cell 3)
That is, at the anode electrode 11 supplied with methanol, methanol (CH 3 OH) reacts with hydroxide ions (OH − ) generated by the reaction at the cathode electrode 16 to react with carbon dioxide (CO 2 ) and water. (H 2 O) is generated and electrons (e − ) are generated (see the above formula (1)).
アノード電極11で発生した電子(e−)は、図示しない外部回路を経由してカソード電極16に到達する。つまり、この外部回路を通過する電子(e−)が、電流となる。 Electrons (e − ) generated at the anode electrode 11 reach the cathode electrode 16 via an external circuit (not shown). That is, electrons (e − ) passing through the external circuit become current.
一方、カソード電極16では、電子(e−)と、外部からの供給もしくは燃料電池3での反応で生成した水(H2O)と、空気供給路18を流れる空気中の酸素(O2)とが反応して、水酸化物イオン(OH−)が生成する(上記式(2)参照)。
On the other hand, in the cathode electrode 16, electrons (e − ), water (H 2 O) generated by external supply or reaction in the fuel cell 3, and oxygen (O 2 ) in the air flowing through the
そして、生成した水酸化物イオン(OH−)が、電解質層8を通過してアノード電極11に到達し、上記と同様の反応(上記式(1)参照)が生じる。 And the produced | generated hydroxide ion (OH < - >) passes the electrolyte layer 8, reaches the anode electrode 11, and a reaction similar to the above (refer said formula (1)) arises.
このようなアノード電極11およびカソード電極16での電気化学的反応が連続的に生じることによって、燃料電池3全体として上記式(3)で表わされる反応が生じて、燃料電池3に起電力が発生する。 When the electrochemical reaction at the anode electrode 11 and the cathode electrode 16 is continuously generated, the reaction expressed by the above formula (3) occurs in the fuel cell 3 as a whole, and an electromotive force is generated in the fuel cell 3. To do.
そして、動力部7では、発生した起電力が、正極配線40および負極配線42を介してDC/DCコンバータ39に送電され、DC/DCコンバータ39のスイッチング動作により、モータ37および/またはバッテリ38に送電される。そして、モータ37では、インバータ43により三相交流電力に変換された電気エネルギが電動車両1の車輪を駆動させる機械エネルギに変換される。一方、バッテリ38では、受電された電力が充電される。
In the power unit 7, the generated electromotive force is transmitted to the DC /
また、燃料給排部4では、燃料供給ポンプ29の駆動力により、アノード9から排出される使用後および未反応の液体燃料が、上流側の還流管22に流入し、上流側の還流管22を通過して上流側の底部流通口24から気液分離器23に流入する。気液分離器23では、液位が上部流通口25よりも下方位置に保持される液体燃料の液溜まり44が、気液分離器23の中空部分に生じるとともに、液溜まり44に含まれるガス(気体)が液溜まり44の上方空間へ分離される。その一方で、液溜まり44の一部が、下流側の底部流通口24から下流側の還流管22に流出する。下流側の還流管22に流出する液体燃料は、下流側の還流管22を通過して、再び燃料供給路13に流入する。このようにして、液体燃料が、クローズドライン(還流管22、気液分離器23および燃料供給路13)を循環する。なお、気液分離器23で分離された気体は、ガス排出弁27が開かれることにより、ガス排出管26を介して外部へ排出される。
In the fuel supply / discharge section 4, the used and unreacted liquid fuel discharged from the anode 9 flows into the
また、例えば、液体燃料がヒドラジンである場合には、下記式(4)〜(6)の通りとなる。 For example, when the liquid fuel is hydrazine, the following formulas (4) to (6) are obtained.
(4) N2H4+4OH−→N2+4H2O+4e− (アノード電極11での反応)
(5) O2+2H2O+4e−→4OH− (カソード電極16での反応)
(6) N2H4+O2→N2+2H2O (燃料電池3全体での反応)
上記のような発電では、アノード電極11に水が生成するので、燃料電池3の運転の経過にしたがってアノード9を循環する液体燃料の濃度が低下する場合がある。
(4) N 2 H 4 + 4OH − → N 2 + 4H 2 O + 4e − (reaction at anode electrode 11)
(5) O 2 + 2H 2 O + 4e − → 4OH − (reaction at cathode electrode 16)
(6) N 2 H 4 + O 2 → N 2 + 2H 2 O (reaction in the entire fuel cell 3)
In the above power generation, water is generated in the anode electrode 11, so that the concentration of the liquid fuel circulating through the anode 9 may decrease as the operation of the fuel cell 3 proceeds.
燃料電池システム2は、この濃度低下を抑制するための制御モードとして、アノード9とカソード10との間に差圧を発生させる差圧発生モードを有している。
3.差圧発生モードによる制御処理
図2は、図1のコントロールユニット6において実行される制御処理の流れを表すフローチャートである。
The fuel cell system 2 has a differential pressure generation mode in which a differential pressure is generated between the anode 9 and the
3. FIG. 2 is a flowchart showing the flow of control processing executed in the control unit 6 of FIG.
コントロールユニット6に対して所定の指示信号(例えば、イグニッションオン信号など)が入力されると、燃料電池3に対して始動指令信号が入力される。これにより、燃料電池3の運転が開始される。 When a predetermined instruction signal (for example, an ignition on signal) is input to the control unit 6, a start command signal is input to the fuel cell 3. Thereby, the operation of the fuel cell 3 is started.
運転開始後、例えば、まず、燃料電池3の運転状態が定常運転であるか否かが判別される。定常運転とは、電流計41により測定される電流値が、所定時間安定する運転状態のことであり、例えば、10〜30秒間、10〜100Aで安定する運転状態のことである。なお、電流値の安定時間は、コントロールユニット6のタイマ36により測定される。
After starting the operation, for example, first, it is determined whether or not the operating state of the fuel cell 3 is a steady operation. The steady operation is an operation state in which the current value measured by the ammeter 41 is stable for a predetermined time, for example, an operation state in which the current value is stable at 10 to 100 A for 10 to 30 seconds. The current value stabilization time is measured by the
燃料電池3の運転状態が定常運転に達すると、つまり、電流計41の測定値およびタイマ36の測定時間に基づき、定常運転であることがコントロールユニット6により判断されると、この判断時を基準にして、タイマ36が作動する。
When the operation state of the fuel cell 3 reaches the steady operation, that is, when the control unit 6 determines that the operation is steady based on the measurement value of the ammeter 41 and the measurement time of the
定常運転中、タイマ36の測定時間がコントロールユニット6に常時処理され、コントロールユニット6では、その処理信号および記憶された制御マップにより、アノード9に生成する水の総量が算出(検知)される。
During steady operation, the measurement time of the
そして、アノード9での水の増加量(アノード電極11で生成した水の量)が総量でQcc(例えば、100〜1000cc)を超えると(ステップS1のYES)、差圧発生モードが開始される(ステップS2)。 When the increase amount of water at the anode 9 (the amount of water generated at the anode electrode 11) exceeds Qcc (for example, 100 to 1000 cc) in total (YES in step S1), the differential pressure generation mode is started. (Step S2).
差圧発生モードでは、例えば、まず、燃料電池3の出力電流Ifcが差圧発生モードにおける目標電流値Io(例えば、100〜400A)よりも大きいか否かが判断され、出力電流Ifcが目標電流値Io以下の場合(ステップS3のNo)、出力電流Ifcを目標電流値Ioよりも大きくするための電流指令値Iref信号が燃料電池3に対して入力される(ステップS4)。 In the differential pressure generation mode, for example, first, it is determined whether or not the output current Ifc of the fuel cell 3 is larger than a target current value Io (for example, 100 to 400 A) in the differential pressure generation mode, and the output current Ifc is the target current. When the value is equal to or less than the value Io (No in step S3), a current command value Iref signal for making the output current Ifc larger than the target current value Io is input to the fuel cell 3 (step S4).
出力電流Ifcが目標電流値Ioを超えると(ステップS3のYES)、ガス排出弁27の閉開時間が算出される(ステップS5)。
When the output current Ifc exceeds the target current value Io (YES in step S3), the closing time of the
差圧発生モードにおけるガス排出弁27の閉開は、閉弁および開弁がこの順に実行され、各実行時間は、閉弁時間Tclが、例えば、0.1〜3600秒であり、開弁時間Topが、例えば、0.1〜10秒である。
In the differential pressure generation mode, the
閉開時間の算出後、ガス排出弁27が閉じられる(ステップS6)。これにより、気液分離器23から外部に連通するガス排出管26が遮断されるので、クローズドライン(還流管22、気液分離器23および燃料供給路13)が密閉状態となり、気液分離器23内のガス圧力が高められる。
After calculating the closing time, the
ガス排出弁27の閉弁後、その閉弁時間がタイマ36により測定され、Tcl経過すると(ステップS7のYES)、ガス排出弁27が開かれる(ステップS8)。これにより、一時的に高められた気液分離器23内のガス圧力が開放され、アノード9側の圧力とカソード10側の圧力とがほぼ同じ大きさとなる。
After the
ガス排出弁27の開弁後、その開弁時間がタイマ36により測定され、Top経過すると(ステップS9のYES)、再びガス排出弁27が閉じられる(ステップS10)。
After the
その後は、上記と同様の制御処理が、燃料電池3の定常運転中継続される。
4.作用効果
以上のように、燃料電池システム2によれば、タイマ36の測定時間および制御マップの記録情報により、アノード電極11に生成する水の量が所定量Qcc(例えば、100〜1000cc)を超えたことがコントロールユニット6により検知されると、差圧発生モードが実行される。
Thereafter, the same control process as described above is continued during the steady operation of the fuel cell 3.
4). As described above, according to the fuel cell system 2, the amount of water generated in the anode electrode 11 exceeds a predetermined amount Qcc (for example, 100 to 1000 cc) based on the measurement time of the
差圧発生モードでは、目標電流値Ioを超える範囲に燃料電池3の出力電流Ifcを維持した状態で、ガス排出弁27がTcl(例えば、0.1〜3600秒)間閉じられる。これにより、気液分離器23内のガス圧力が高められる。クローズドライン(還流管22、気液分離器23および燃料供給路13)の一部を構成する気液分離器23内のガス圧力が高められることにより、密閉状態のクローズドラインの系内の圧力を高めることができる。これにより、アノード9側の圧力がカソード10側の圧力よりも大きくなるので、アノード9とカソード10との間に差圧が発生させることができる。
In the differential pressure generation mode, the
この差圧により、アノード9側からカソード10側へと向かう圧力の流れを発生させることができる。そのため、アノード電極11で生成する水を、電解質層8を介してカソード電極16へ移動させることができる。したがって、アノード9を循環する液体燃料に含まれる水を低減させることができるとともに、カソード電極16に含まれる水分を増加させることができる。
With this differential pressure, a pressure flow from the anode 9 side toward the
このように、排水タンクなどの設備を別途設けることなく、アノード9とカソード10との間の差圧制御により、アノード9を循環する液体燃料に含まれる水を低減させることができるとともに、カソード電極16に含まれる水分を増加させることができる。その結果、アノード9を循環する液体燃料の濃度低下およびカソード電極16のドライアップを、簡易に抑制することができる。
As described above, the water contained in the liquid fuel circulating through the anode 9 can be reduced by controlling the differential pressure between the anode 9 and the
さらに、燃料電池システム2では、アノード9とカソード10との差圧制御が、ガス排出弁27の閉開制御により実行されるので、制御の複雑化を抑制することもできる。
Furthermore, in the fuel cell system 2, since the differential pressure control between the anode 9 and the
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の実施形態は、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲で、適宜設計を変形することができる。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described, embodiment of this invention is not limited to this, A design can be suitably changed in the range which does not change the summary of this invention.
例えば、アノード9に生成する水量は、還流管22に水量計を設けることにより検出することもできる。
For example, the amount of water generated in the anode 9 can be detected by providing a water meter in the
また、アノード9とカソード10との間の差圧は、空気供給弁35を開閉制御してカソード10側の圧力を下げることによっても発生させることができる。
Further, the differential pressure between the anode 9 and the
さらに、本発明の燃料電池システムの用途としては、上記実施形態に示した電動車両の他、鉄道、船舶、航空機などが挙げられる。 Furthermore, as a use of the fuel cell system of the present invention, there are a railway, a ship, an aircraft and the like in addition to the electric vehicle shown in the above embodiment.
2 燃料電池システム
3 燃料電池
6 コントロールユニット
8 電解質層
9 アノード
10 カソード
22 還流管
23 気液分離器
27 ガス排出弁
2 Fuel Cell System 3 Fuel Cell 6 Control Unit 8 Electrolyte Layer 9
Claims (1)
前記アノード内の液体燃料に含まれる水の量を検知するための水量検知手段と、
前記アノードと前記カソードとの間に差圧を発生させるための差圧発生手段と、
前記水量検知手段の検知に基づいて、前記差圧発生手段を動作させるための制御手段と、
前記アノードから排出される液体燃料を、前記アノードに還流させるための還流路と、
前記還流路に介在され、液体燃料に含まれるガスを分離するための気液分離部とを備え、
前記差圧発生手段が、前記気液分離部に設けられ、前記気液分離部内のガスを排出するためのガス排出弁であり、
前記制御手段は、前記ガス排出弁を閉めることにより、前記気液分離部内のガス圧力を高めて、前記アノードと前記カソードとの間に差圧を発生させることを特徴とする、燃料電池システム。 Anion exchange having an electrolyte layer to which an anion component can move, an anode disposed on one side of the electrolyte layer and supplied with liquid fuel, and a cathode disposed on the other side of the electrolyte layer and supplied with oxygen Type fuel cell,
Water amount detection means for detecting the amount of water contained in the liquid fuel in the anode;
Differential pressure generating means for generating a differential pressure between the anode and the cathode;
Control means for operating the differential pressure generating means based on the detection of the water amount detecting means ,
A reflux path for refluxing the liquid fuel discharged from the anode to the anode;
A gas-liquid separation part interposed in the reflux path for separating the gas contained in the liquid fuel,
The differential pressure generating means is a gas discharge valve provided in the gas-liquid separator, for discharging the gas in the gas-liquid separator;
The fuel cell system according to claim 1, wherein the control means raises a gas pressure in the gas-liquid separation unit by closing the gas discharge valve to generate a differential pressure between the anode and the cathode .
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