JP2009181806A - Fuel cell system and its operation method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池の酸素極に液体水を霧状に噴射する直噴水タイプの燃料電池システム及びその運転方法に関し、特に、高負荷運転時における発電性能を向上させ得る燃料電池システム及びその運転方法に関するものである。 The present invention relates to a direct fountain type fuel cell system that injects liquid water in the form of a mist into an oxygen electrode of a fuel cell and an operation method thereof, and more particularly, a fuel cell system that can improve power generation performance during high load operation and the operation thereof It is about the method.
固体高分子型燃料電池の単位セルは、燃料極(水素極、アノード極)と酸素極(空気極、カソード極)との間に固体高分子電解質膜を挟持した構成を有し、燃料極へ供給される燃料ガス(例えば、水素)と酸素極へ供給される酸化剤ガス(例えば、空気)とを電気化学的に反応させることにより発電を行う。 A unit cell of a polymer electrolyte fuel cell has a structure in which a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between a fuel electrode (hydrogen electrode, anode electrode) and an oxygen electrode (air electrode, cathode electrode). Power generation is performed by electrochemically reacting a supplied fuel gas (for example, hydrogen) and an oxidant gas (for example, air) supplied to the oxygen electrode.
発熱反応を伴う酸素極を冷却すると共に固体高分子電解質の乾燥を防ぎ発電性能を高める目的で、空気極に液体水を霧状に噴射する常圧の直噴水タイプの燃料電池システム(燃料電池装置)がある。 A normal-pressure direct-injection-type fuel cell system (fuel cell device) that injects liquid water into the air electrode in the form of a mist for the purpose of cooling the oxygen electrode with an exothermic reaction and preventing the solid polymer electrolyte from drying and improving power generation performance. )
特開2001−210348号公報(特許文献1)は、かかる直噴水タイプの燃料電池装置を記載している。この特許文献1に記載される燃料電池装置は、空気極の冷却効果を高めるべく、燃料電池に対する要求負荷を検出し、検出した要求負荷に基づいて空気極へ供給するプロセス空気の供給量を制御する。
ところで、直噴水タイプの燃料電池システムでは、燃料電池に対する要求負荷が増大する程、必要空気量が増大するが、空気極では生成する水量が増大するので、高負荷運転時には、空気流路が液体水によって閉塞され易くなる。空気流路が水によって閉塞されると、空気極への空気供給量が不十分となり、発電性能が悪化する。かかる問題は、特に、空気極からの集電を行う集電部材が多孔体から構成される場合に顕著であった。 By the way, in the direct fountain type fuel cell system, the required air amount increases as the required load on the fuel cell increases. However, since the amount of water generated at the air electrode increases, the air flow path becomes liquid during high load operation. It becomes easy to be blocked by water. When the air flow path is blocked with water, the amount of air supplied to the air electrode becomes insufficient, and the power generation performance deteriorates. Such a problem is particularly remarkable when the current collecting member for collecting current from the air electrode is formed of a porous body.
本発明は、上述した事情を鑑みてなされたものであり、高負荷運転時における発電性能を向上させ得る常圧の直噴水タイプの燃料電池システム及びその運転方法を提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object of the present invention is to provide a normal pressure direct fountain type fuel cell system capable of improving power generation performance during high load operation and an operation method thereof.
この目的を達成するために、請求項1記載の燃料電池システムは、固体高分子電解質膜とその固体高分子電解質膜を両側から挟持する燃料極及び酸素極とを含んで構成される燃料電池と、前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記酸素極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、液体水を霧状に噴射するノズルを含んで構成され前記ノズルからの噴射によって前記酸素極へ前記液体水を供給する水供給手段と、前記燃料電池に対する要求負荷量を取得する要求負荷量取得手段と、前記要求負荷量取得手段により取得された要求負荷量に応じて前記ノズルから噴射される液体水の粒子サイズを調整する水粒子サイズ変更手段と、を備えている。
In order to achieve this object, a fuel cell system according to
請求項2記載の燃料電池システムは、請求項1記載の燃料電池システムにおいて、前記水粒子サイズ変更手段は、前記要求負荷量取得手段により取得された要求負荷量が第1の要求負荷量より大きい第2の要求負荷量であった場合に、前記ノズルから噴射される液体水の粒子サイズを、前記第1の要求負荷量に対する粒子サイズより小さいサイズとする。
The fuel cell system according to claim 2 is the fuel cell system according to
請求項3記載の燃料電池システムは、請求項1又は2に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池に対する要求負荷量と前記ノズルから噴射される液体水の粒子サイズとの関係を記憶するサイズ記憶手段と、前記要求負荷量取得手段により取得された要求負荷量と前記サイズ記憶手段に記憶される関係とに基づいて、前記ノズルから噴射される液体水の粒子サイズを決定するサイズ決定手段とを備え、前記水粒子サイズ変更手段は、前記ノズルから噴射される液体水の粒子サイズを、前記サイズ決定手段により決定されたサイズにする。
A fuel cell system according to claim 3 is a fuel cell system according to
請求項4記載の燃料電池システムは、請求項1から3のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記ノズルは、液体水を単独で噴射する一流体ノズルであって、噴射される液体水の粒子サイズが該ノズルに供給される液体水の供給圧力に応じて変更自在な構成であり、前記水供給手段は、前記ノズルに対して前記液体水を圧送する給水ポンプをさらに含んで構成され、前記水粒子サイズ変更手段は、前記給水ポンプへの供給電圧を上げることによって前記ノズルから噴射される液体水の粒子サイズを小さくする。
The fuel cell system according to claim 4 is the fuel cell system according to any one of
請求項5記載の燃料電池システムは、請求項1から3のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記ノズルは、液体水に気体を混合させて噴射する二流体ノズルであって、噴射される液体水の粒子サイズが該ノズルに供給される液体水の供給圧力と該ノズルに供給される気体の供給圧力とに応じて変更自在な構成であり、前記水供給手段は、前記ノズルに対して前記液体水を圧送する給水ポンプと、前記ノズルに対して気体を圧送する給気ポンプをさらに含んで構成され、前記水粒子サイズ変更手段は、前記給水ポンプ及び前記給気ポンプへの供給電圧を上げることによって前記ノズルから噴射される液体水の粒子サイズを小さくする。
The fuel cell system according to claim 5 is the fuel cell system according to any one of
請求項6記載の運転方法(燃料電池システムの運転方法)は、固体高分子電解質膜とその固体高分子電解質膜を両側から挟持する燃料極及び酸素極とを含んで構成される燃料電池と、前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記酸素極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、液体水を霧状に噴射するノズルを含んで構成され前記ノズルからの噴射によって前記酸素極へ前記液体水を供給する水供給手段と、を備えた燃料電池システムを運転する方法であって、前記燃料電池に対する要求負荷量を取得する要求負荷量取得ステップと、前記要求負荷量取得手段により取得された要求負荷量に応じて前記ノズルから噴射される液体水の粒子サイズを調整する水粒子サイズ変更ステップと、を備えている。 An operating method according to claim 6 (operating method of a fuel cell system) is a fuel cell comprising a solid polymer electrolyte membrane and a fuel electrode and an oxygen electrode that sandwich the solid polymer electrolyte membrane from both sides; A fuel gas supply means for supplying a fuel gas to the fuel electrode; an oxidant gas supply means for supplying an oxidant gas to the oxygen electrode; and a nozzle for injecting liquid water in the form of a mist. A water supply means for supplying the liquid water to the oxygen electrode by jetting, a required load amount acquisition step for acquiring a required load amount for the fuel cell, and the request A water particle size changing step of adjusting the particle size of the liquid water ejected from the nozzle according to the required load amount acquired by the load amount acquisition means.
請求項1記載の燃料電池システムによれば、燃料極に燃料ガス供給手段によって供給される燃料ガスと酸素極に酸化剤ガス供給手段によって供給されて酸化剤ガスとにより発電が行われる固体高分子型燃料電池が含まれており、かかる固体高分子型燃料電池の酸素極には、水供給手段によってノズルから霧状の液体水が噴射される。
According to the fuel cell system of
ここで、燃料電池に対する要求負荷量が要求負荷量取得手段によって取得され、そのように取得された要求負荷量に応じて、ノズルから噴射される液体水の粒子サイズが水粒子サイズ変更手段によって調整される。 Here, the required load amount for the fuel cell is acquired by the required load amount acquisition means, and the particle size of the liquid water ejected from the nozzle is adjusted by the water particle size changing means according to the acquired required load amount. Is done.
よって、要求負荷量に応じてノズルから噴射される液体水の粒子サイズが調整されるので、ノズルから噴射される液体水の粒子サイズを高負荷運転時に小さくすることができる。高負荷運転時にノズルから噴射される液体水の粒子サイズを小さくすることにより、酸素極への酸化剤ガスの流路の閉塞を抑制でき、高負荷運転時において酸化剤ガスの流路の閉塞によって不足しがちであった酸化剤ガスの供給量を十分な量とすることができる。従って、高負荷運転時における発電性能を向上させることができるという効果がある。 Therefore, since the particle size of the liquid water ejected from the nozzle is adjusted according to the required load amount, the particle size of the liquid water ejected from the nozzle can be reduced during high load operation. By reducing the particle size of the liquid water ejected from the nozzle during high load operation, it is possible to suppress blockage of the oxidant gas flow path to the oxygen electrode. The supply amount of the oxidizing gas that tends to be insufficient can be made a sufficient amount. Therefore, there is an effect that the power generation performance during high load operation can be improved.
請求項2記載の燃料電池システムによれば、請求項1記載の燃料電池システムに奏する効果に加えて、次の効果を奏する。要求負荷量取得手段により取得された要求負荷量が第1の要求負荷量より大きい第2の要求負荷量であった場合に、ノズルから噴射される液体水の粒子サイズが、水粒子サイズ変更手段によって第1の要求負荷量に対する粒子サイズより小さいサイズとされるので、要求負荷が高い程、ノズルから噴射される液体水の粒子サイズを小さくすることができる。
According to the fuel cell system of claim 2, in addition to the effect of the fuel cell system of
よって、酸化剤ガスの流路の閉塞によって不足しがちであった高負荷運転時における酸化剤ガスの供給量を十分な量とすることができ、高負荷運転時における発電性能を向上させることができるという効果がある。 Therefore, the supply amount of the oxidant gas at the time of high load operation that tends to be insufficient due to the blockage of the flow path of the oxidant gas can be made a sufficient amount, and the power generation performance at the time of high load operation can be improved. There is an effect that can be done.
請求項3記載の燃料電池システムによれば、請求項1又は2に記載の燃料電池システムの奏する効果に加えて、次の効果を奏する。燃料電池に対する要求負荷量とノズルから噴射される液体水の粒子サイズとの関係がサイズ記憶手段に記憶されており、要求負荷量取得手段により要求負荷量が取得された場合には、その要求負荷量とサイズ記憶手段に記憶される関係とに基づいて、サイズ決定手段によってノズルから噴射される液体水の粒子サイズが決定され、ノズルから噴射される液体水の粒子サイズが、水粒子サイズ変更手段により、決定されたサイズに水粒子サイズとされる。
According to the fuel cell system of claim 3, in addition to the effect of the fuel cell system of
よって、ノズルから噴射される液体水の粒子サイズを要求負荷量に応じた最適なサイズとすることができ、高負荷運転時における酸化剤ガス流路の閉塞を有効に抑制することができ、高負荷運転時における発電性能を向上させることができるという効果がある。 Therefore, the particle size of the liquid water ejected from the nozzle can be set to an optimum size according to the required load amount, and the blockage of the oxidant gas flow path during high load operation can be effectively suppressed. There is an effect that the power generation performance during the load operation can be improved.
請求項4記載の燃料電池システムによれば、請求項1から3のいずれかに記載の燃料電池システムの奏する効果に加えて、次の効果を奏する。酸素極に液体水を霧状に噴射するノズルが、該ノズルに供給される液体水の供給圧力に応じて噴射水の粒子サイズを自在に変更できる一流体ノズルである場合に、水粒子サイズ変更手段は、給水ポンプへの供給電圧を上げてノズルから噴射される液体水の粒子サイズを小さくする。 According to the fuel cell system of the fourth aspect, in addition to the effect produced by the fuel cell system according to any one of the first to third aspects, the following effect is produced. When the nozzle that sprays liquid water in the form of a mist on the oxygen electrode is a one-fluid nozzle that can freely change the particle size of the spray water according to the supply pressure of the liquid water supplied to the nozzle, the water particle size is changed. The means increases the supply voltage to the water supply pump to reduce the particle size of the liquid water ejected from the nozzle.
よって、液体水の粒子サイズが比較的大きくても差し支えない低負荷運転時には、給水ポンプへの供給電圧を低く抑えることができる。従って、燃料電池システムにおける全体的な消費電力を抑制することができるという効果がある。 Therefore, the supply voltage to the water supply pump can be kept low during low-load operation where the liquid water particle size can be relatively large. Therefore, there is an effect that overall power consumption in the fuel cell system can be suppressed.
請求項5記載の燃料電池システムによれば、請求項1から3のいずれかに記載の燃料電池システムの奏する効果に加えて、次の効果を奏する。酸素極に液体水を霧状に噴射するノズルが、該ノズルに供給される液体水の供給圧力と該ノズルに供給される気体の供給圧力とに応じて噴射水の粒子サイズを自在に変更できる二流体ノズルである場合に、水粒子サイズ変更手段は、給水ポンプ及び給気ポンプへの供給電圧を上げてノズルから噴射される液体水の粒子サイズを小さくする。
According to the fuel cell system of claim 5, in addition to the effect of the fuel cell system of any of
よって、液体水の粒子サイズが比較的大きくても差し支えない低負荷運転時には、給水ポンプへの供給電圧を低く抑えることができる。従って、燃料電池システムにおける全体的な消費電力を抑制することができるという効果がある。 Therefore, the supply voltage to the water supply pump can be kept low during low-load operation where the liquid water particle size can be relatively large. Therefore, there is an effect that overall power consumption in the fuel cell system can be suppressed.
請求項6記載の運転方法(燃料電池システムの運転方法)によれば、固体高分子型燃料電池の酸素極に水供給手段によってノズルから霧状の液体水が噴射される燃料電池システムに対し、燃料電池に対する要求負荷量が要求負荷量取得ステップによって取得され、そのように取得された要求負荷量に応じて、ノズルから噴射される液体水の粒子サイズが水粒子サイズ変更ステップによって調整される。 According to the operation method (operation method of the fuel cell system) according to claim 6, for the fuel cell system in which mist liquid water is injected from the nozzle to the oxygen electrode of the solid polymer fuel cell by the water supply means, The required load amount for the fuel cell is acquired by the required load amount acquisition step, and the particle size of the liquid water ejected from the nozzle is adjusted by the water particle size changing step in accordance with the acquired required load amount.
よって、要求負荷量に応じてノズルから噴射される液体水の粒子サイズが調整されるので、ノズルから噴射される液体水の粒子サイズを高負荷運転時に小さくすることができる。高負荷運転時にノズルから噴射される液体水の粒子サイズを小さくすることにより、酸素極への酸化剤ガスの流路の閉塞を抑制でき、酸化剤ガスの流路の閉塞によって不足しがちであった高負荷運転時における酸化剤ガスの供給量を十分な量とすることができる。従って、高負荷運転時における発電性能を向上させることができるという効果がある。 Therefore, since the particle size of the liquid water ejected from the nozzle is adjusted according to the required load amount, the particle size of the liquid water ejected from the nozzle can be reduced during high load operation. By reducing the particle size of the liquid water ejected from the nozzle during high-load operation, blockage of the oxidant gas flow path to the oxygen electrode can be suppressed, and the oxidant gas flow path blockage tends to be insufficient. In addition, the supply amount of the oxidant gas during the high load operation can be made a sufficient amount. Therefore, there is an effect that the power generation performance during high load operation can be improved.
以下、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照して説明する。図1は、本発明の燃料電池システムである燃料電池システム100の第1実施形態を示す系統図である。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a system diagram showing a first embodiment of a
この燃料電池システム100は、燃料電池スタック40と、燃料ガスとしての水素ガスを、燃料電池スタック40を構成する各単位セル10(図4など参照)の燃料極(水素極、アノード極)13(図4参照)へ供給するための水素ガス供給系50と、酸化剤ガスとしての空気を、燃料電池スタック40を構成する各単位セル10の空気極(酸素極、カソード極)12(図4参照)へ供給するための空気供給系60と、燃料電池スタック40の空気極12へ霧状の液体水を供給して単位セル10を冷却し湿潤する水供給系80とを備えている。
This
燃料電池スタック40は、燃料電池としての単位セル10(図4など参照)と、隣接する単位セル10の間に介装されて隣接する単位セル10を電気的に接続するセパレータ20(図4など参照)とを、単位セル10及びセパレータ20の厚み方向に積層した構成とされている。なお、燃料電池スタック(各単位セル10)は、本発明の燃料電池システムを構成する燃料電池に該当する。
The
燃料電池スタック40における図示されない空気流路の上流側には、空気を燃料電池スタック40の空気流路内に導入するための空気マニホールド41が設けられている。一方、空気流路の下流側には、排気マニホールド42及び凝縮器43が設けられており、過剰空気は、排気マニホールド42を経て、凝縮器43において水分を凝縮して除去した後、図示されない排気口から大気中へ排気される。
An
水素ガス供給系50は、水素源となる水素ボンベ51と、水素ボンベ51から供給される水素ガスの流量を調整する調整弁52〜56とを含んで構成され、燃料電池スタック40における図示されない水素ガス流路に接続されて、かかる水素ガス流路に水素ガスを供給する。また、水素ガス供給系50は、さらに、ポンプ58と、循環弁57とを含んでおり、燃料電池スタック40から排出された未反応水素ガスを、水素ガス供給流路に戻して循環できるように構成されている。なお、この水素ガス供給系50は、本発明の燃料電池システムを構成する燃料ガス供給手段に該当する。
The hydrogen
空気供給系60は、シロッコファンやターボファンなどの送風機61と、空気マニホールド41に接続される供給管62とを含んで構成され、送風機61により取り入れた外気を、供給管62及び空気マニホールド41を介して、燃料電池スタック40の空気流路へ供給する。よって、本実施形態の燃料電池システム100は、常圧の空気(酸化剤ガス)を燃料電池スタック40に供給するシステムである。なお、この空気供給系60は、本発明の燃料電池システムを構成する酸化剤ガス供給手段に該当する。
The
水供給系80は、水を貯留する水タンク81と、空気マニホールド41に配置されたノズル82と、水タンク81からノズル82へ水を圧送する給水ポンプ83とを備えており、水タンク81に貯留されている水をノズル82から空気マニホールド41へ噴射させる。空気マニホールド41に噴射された水は、空気供給系60を流通する空気流によって霧状となって燃料電池スタック40へ送り込まれる。なお、この水供給系80は、本発明の燃料電池システムを構成する水供給手段に該当する。
The
本実施形態の燃料電池システム100において使用されるノズル82は、給水ポンプ83から圧送された水(液体水)を単独で噴射する一流体ノズルである。このノズル82は、給水ポンプ83から供給される水の水圧(供給圧力)に応じて、噴射される水の粒子サイズ(例えば、平均粒子径)が変わる構成とされている。具体的には、ノズル82は、ノズル82へ供給される水の供給圧力が高くなる程、噴射される水の粒子サイズが小さくなるように構成されている。
The
なお、水タンク81と凝縮器43との間には、ポンプ84が設けられており、凝縮器43において凝縮した水分を、水タンク81へ送り、燃料電池スタック40を湿潤するための水分として再利用するように構成されている。
A
以上のように構成された燃料電池システム100を運転する場合には、空気供給系60の送風機61を駆動して、空気を空気マニホールド41から燃料電池スタック40の空気流路内へ供給すると共に、水供給系80の給水ポンプ83を駆動により水を供給する。一方で、水素ガス供給系50の調整弁52〜56を調整して所定の圧力として燃料電池スタック40の水素ガス流路内へ供給する。
When operating the
その結果、燃料電池スタック40を構成する各燃料電池10にて水素と酸素とによる水生成反応(電極反応)が行われ、生じた電流が負荷90へ流れる。かかる燃料電池システム100の運転中は、霧状となって供給される水によって各燃料電池10が冷却及び加湿される。
As a result, a water generation reaction (electrode reaction) between hydrogen and oxygen is performed in each
さらに、本実施形態の燃料電池システム100は、燃料電池システム100の運転を制御する制御装置70を備えている。制御装置70は、中央演算処理装置であるCPU71と、CPU71により実行される制御プログラムや固定値データ等を格納した書き換え不能な不揮発性のメモリであるROM72と、制御プログラムの実行時に各種のデータを書き換え可能に記憶するRAM73と、これらのCPU71、ROM72、及びRAM73とバスライン74を介して接続される入出力ポート75とから主に構成される。
Furthermore, the
ここで、本実施形態の燃料電池システム100では、制御装置70の入出力ポート75が水供給系80の給水ポンプ83に接続されている。詳細は後述するが、本実施形態における燃料電池システム100の制御装置70は、アクセル開度や走行速度などにより決定される負荷入力量(要求負荷量)に基づいて、ノズル82から噴射される液体水の最適な粒子サイズを決定し、その最適な粒子サイズを得るのに必要な給水ポンプ83への電圧制御値を適宜変更するように構成されている。
Here, in the
よって、本実施形態の燃料電池システム100によれば、高負荷運転時にはノズル82から噴射される液体水の粒子サイズを小さくすることができるので、空気流路が水によって閉塞されることを抑制でき、高負荷運転時であっても十分量の空気を燃料電池スタック40の各空気極12(図4参照)へ供給することができる。そのため、高負荷運転時における発電性能が向上された燃料電池システム100を得ることができる。
Therefore, according to the
なお、接続等は図示しないが、制御装置70は、上述した制御の以外にも、各種センサにより検出される燃料電池スタック40へ供給されるガス(水素ガス及び空気)の流量や温度、又は、燃料電池スタック40からの出力電圧などに基づいて、空気供給系60における送風機61などの制御や、水素ガス供給系50における調整弁52〜56、ポンプ58、及び循環弁57などの制御など、燃料電子システム100を運転するための各種制御を行う。
In addition, although connection etc. are not shown in figure, the
次に、図2〜図4を参照して、燃料電池スタック40の構成について説明する。図2(a)は、本実施形態における燃料電池スタック40を模式的に示す上面図であり、図2(b)は、燃料電池スタック40を構成するセルモジュール30を模式的に示す上面図である。なお、図2(a)では、2つのセルモジュール30を代表として図示し、その他のセルモジュール30の図示を省略している。また、図2(b)では、理解を容易にする目的で、単位セル10とセパレータ20との位置関係のみ図示し、具体的構成は省略している。
Next, the configuration of the
また、図3(a)は、セルモジュール30を空気極側から見た正面図であり、図3(b)は、セルモジュール30を燃料極側から見た正面図である。図4(a)は、図3(a)のIVa−IVa矢視要部断面図であり、図4(b)は、図3(a)の矢視要部断面図である。
FIG. 3A is a front view of the
図2(a)に示すように、本実施形態における燃料電池スタック40は、セルモジュール30を複数積層して構成される。
As shown in FIG. 2A, the
セルモジュール30は、図2(b)に示すように、単位セル10と、隣接する単位セル10の間に介装されて隣接する単位セル10を電気的に接続するセパレータ20とを、単位セル10及びセパレータ20を支持するフレーム17,18を1セットとして、厚み方向に複数セット積層して構成される。なお、図2(b)に例示されるセルモジュール30は、単位セル10及びセパレータ20などを含む1セットが10セット積層されたものである。
As shown in FIG. 2B, the
セルモジュール30は、隣接する単位セル10が所定の間隔に離間されて配置されるように、単位セル10とセパレータ20とが、2種類のフレーム17,18を交互にスペーサとして多段に重ねられて積層されている。
In the
セルモジュール30における積層方向の一端(図2(a)における上端面側)は、図3(a)に示すように、セパレータ20の空気極側コレクタ22の端面とフレーム17の端面とで終端している。一方で、セルモジュール30における積層方向の他端(図2(a)における下端面側)は、図3(b)に示すように、セパレータ20の燃料極側コレクタ23の端面とフレーム18の端面とで終端している。
One end of the
図4(a)及び図4(b)に示すように、単位セル10は、固体高分子電解質膜11と、その固体高分子電解質膜11の一方の面に当接する空気極12と、固体高分子電解質膜11の他方の面に当接する燃料極13とから構成されている。
As shown in FIG. 4A and FIG. 4B, the
固体高分子電解質膜11としては、例えば、Nafion(登録商標:デュポン社製)やAciplex(登録商標:旭化成(株)製)など、固体高分子型燃料電池に適用可能な固体高分子電解質膜を使用することができる。
Examples of the solid
空気極12は、空気(酸化剤ガス)を拡散しながら透過する導電性材料からなる拡散層(図示せず)と、その拡散層上に形成され、固体高分子電解質膜11に当接される反応層(図示せず)とから構成されている。
The
燃料極13は、水素ガス(燃料ガス)を拡散しながら透過する導電性材料からなる拡散層(図示せず)と、その拡散層上に形成され、固体高分子電解質膜11に当接される反応層(図示せず)とから構成されている。
The
なお、空気極12及び燃料極13を構成する拡散層は、ガス拡散が可能なカーボン製の織物やカーボン製の紙等から構成されるものであり、例えば、カーボンクロス、カーボンペーパー、カーボン繊維からなる不織布等を用いることができる。また、空気極12及び燃料極13を構成する反応層しては、例えば、白金触媒が担持されたカーボンとPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)とを含んで構成された反応層(触媒層)を採用することができる。
The diffusion layer constituting the
単位セル10を構成する部材のうち、空気極12及び燃料極13は、それらの支持部材とされるフレーム18開口部の横方向寸法(短手方向寸法)より若干長い横方向寸法と、開口部の縦方向寸法(長手方向寸法)より若干長い縦方向寸法を有するものとされている。また、固体高分子電解質膜11は、開口部の縦横方向寸法より一回り大きな縦横方向寸法を有するものとされている。
Among the members constituting the
セパレータ20は、セパレータ本体21と、そのセパレータ本体21の一側に設けられ、単位セル10の空気極12の拡散層(図示せず)に当接される空気極側コレクタ22と、セパレータ本体21の他側に設けられ、単位セル10の燃料極13の拡散層(図示せず)に当接される燃料極側コレクタ23とから構成される。
The
セパレータ本体21は、隣接する単位セル10間のガス遮断部材として機能する板厚の薄い金属薄板である。セパレータ本体21を構成する金属としては、導電性と耐蝕性とを有する金属、例えば、ステンレス鋼、ニッケル合金、チタン合金などに金メッキなどの耐蝕導電処理を施したものが挙げられる。
The
空気極側コレクタ22は、空気極12と接触して集電すると共に、空気極12への空気の供給と空気極12からの生成水の排出とを可能にする多数の孔を有する導電性部材である。また、空気極側コレクタ22は、放熱板としても機能し、水供給系80のノズル82(図1参照)から噴射される水によって冷却される。なお、この空気極側コレクタ22の詳細構成については、図5などを参照して後述する。
The air
燃料極側コレクタ23は、燃料極13と接触して集電すると共に、燃料極13への水素ガスの供給を可能にする多数の孔を有する導電性部材である。なお、この燃料極側コレクタ23は、空気極側コレクタ22と同様に構成できるので、詳細な説明は省略する。
The fuel electrode-
セパレータ20の外側には、単位セル10を含めて所定の位置関係に保持できるよう、フレーム17,18が配置される。これらのフレーム17,18は、絶縁性材料から構成される。
より具体的には、空気極側コレクタ22の左右両側にフレーム17が配置され、燃料極側コレクタ23の周縁部にフレーム18が設けられている。なお、最も外端に配置されるフレーム17は、図3に示すように、その上下端が相互にバックアッププレート17a及び17bによって連結されて枠状に構成されている。
More specifically, the
図4(a)及び図4(b)に示すように、空気極側コレクタ22側に配置されるフレーム17は、外端(図4(a)における最上端、図4(b)における左端)に配置されるものを除き、空気極側コレクタ22の短辺に沿う両側に配置される縦枠部171から構成されている。このフレーム17の板厚は、空気極側コレクタ22の厚みに匹敵する厚さとされている。
As shown in FIGS. 4A and 4B, the
縦枠部171には、板厚方向に貫通する長孔172が水素ガス流路形成のために設けられている。なお、セパレータ本体21の面における縦横方向寸法は、フレーム17の面における縦横方向寸法に匹敵する大きさとされ、フレーム17の長孔172に重なる位置に、同様の長孔212を備える構成とされている。
The
かかるフレーム17の配置により、左右両側の縦枠部171の間には、単位セル10の空気極12とセパレータ本体21とで囲まれた空気室が形成される。なお、詳細は後述するが、かかる空気室内には、図4(a)における紙面垂直方向に延びる線状のリブ部材222(空気極側コレクタ22の一部)が、複数本、平行に立設されており、かかるリブ部材222の設置により、一方向(図4(a)における紙面垂直方向)に全通する空気流路が形成される。
With the arrangement of the
一方、図4(b)に示すように、燃料極側コレクタ23及び単位セル10を囲むフレーム18は、左右縦枠部と上下横枠部182とを有する枠状部材であり、枠状に構成されたフレーム17(図3(a))と同じ大きさに構成されている。なお、フレーム18における左右縦枠部は、図4(a)の記載範囲よりさらに右側に位置するために図示されていないが、フレーム17の両縦枠部171の左右両側端と同じ位置に両側端を有し、短手方向長さ(幅)が上下横枠部182の短手方向長さと略同じに構成されている。
On the other hand, as shown in FIG. 4B, the
図4(a)に示すように、かかるフレーム18は、外端(図2(b)における最下端、図3(b)示す面)に配置されるものを除き、左右縦枠部と平行に延び、燃料極側コレクタ23の左右端(図4(a)における左右方向の端部)に重なる薄板状のバックアッププレート18aと厚板状のバックアッププレート18bとから構成されている。なお、フレーム18の板厚は、燃料極側コレクタ23の厚みに匹敵する厚さとされている。
As shown in FIG. 4A, the
バックアッププレート18aと縦枠部171とにより囲まれる空間が、上述したフレーム17を板厚方向に貫通する長孔172と共に、水素ガス流路形成のための空間を構成している。また、各フレーム18の内周側に、単位セル10の燃料極13とセパレータ本体21とで囲まれた燃料室が形成される。
A space surrounded by the
なお、かかる燃料室内には、リブ部材222と直交する方向(即ち、図4(b)における紙面垂直方向、図4(a)における左右方向)に延びる線状のリブ部材232(燃料極側コレクタ23の一部)が、複数本、平行に立設されている。かかるリブ部材232の設置により、上述した空気流路に直交する方向に(図4(b)における紙面垂直方向)に全通する水素ガス流路が形成される。
In this fuel chamber, a linear rib member 232 (fuel electrode side collector) extending in a direction orthogonal to the rib member 222 (that is, a direction perpendicular to the paper surface in FIG. 4B and a horizontal direction in FIG. 4A). 23) are standing upright in parallel. The installation of the
次に、図5を参照して、空気極側コレクタ22の詳細構成について説明する。図5(a)は、空気極側コレクタ22をセパレータ本体21側から見た正面図であり、図5(b)は、図5(a)におけるVb方向から見た側面図である。なお、図5(a)及び図5(b)では、ベースコレクタ221に開口される孔221a,221bの図示を省略している。
Next, a detailed configuration of the air
図5(a)及び図5(b)に示すように、本実施形態の空気極側コレクタ22は、ベースコレクタ221と、複数本のリブ部材222とから構成される。
As shown in FIGS. 5A and 5B, the air
ベースコレクタ221は、単位セル10の空気極12に当接され、空気極12から集電する導電性の板状体である。かかるベースコレクタ221は、導電性と耐蝕性とを有する金属、例えば、ステンレス鋼、ニッケル合金、チタン合金などに金メッキなどの耐蝕導電処理を施したものから作製される。
The
また、ベースコレクタ221は、多数の孔が開口された多孔体、例えば、エキスパンドメタルやパンチングメタルなどから構成される。なお、ベースコレクタ221に開口される孔の形状は、本実施形態では図示を省略するが、例えば、菱形や、正方形や、六角形や、円形等の形状を適宜採用することができる。
The
ベースコレクタ221に開口される孔は、その形状が菱形である場合には、例えば、短い方の対角寸法を約0.7mm〜約1.3mm程度に、長い方の対角寸法を約0.8mm〜約2.8mm程度に設計することができる。また、ベースコレクタ221に開口される孔の開口率は、約30〜約50%程度であることが好ましい。
When the hole opened in the
一方、複数本のリブ部材222は、図5(a)及び図5(b)に示すように、各々、矩形状の断面を有する線状体であり、これらのリブ部材222は、ベースコレクタ221における空気極12との当接面とは反対側の面に、互いに略平行に配列された状態で立設される。リブ部材222は、例えば、拡散接合によってベースコレクタ221の表面に接合される。
On the other hand, as shown in FIGS. 5A and 5B, each of the plurality of
このように、ベースコレクタ221上に立設されたリブ部材222は、空気極側コレクタ22において、ベースコレクタ221とセパレータ本体21との間に介挿されて、空気流路(空気室)となる空間を形成する。
Thus, the
燃料電池における高効率発電を実現すると共に、補機の動力損失を抑えるためには、空気流路の空気流れ抵抗を極力低くすることが好ましい。よって、単位セル10に空気を供給する流路の高さ、即ち、リブ部材222の高さ寸法を適切に確保する必要がある一方で、燃料電池スタック40の小型化、即ち、セルモジュール30の小型化を図るためには、リブ部材222の高さ寸法は低ければ低いほど好ましい。従って、リブ部材222の高さ寸法は、これらの条件を両立する高さに設定され、例えば、約0.5mm〜約0.9mm程度に設定される。
In order to realize high-efficiency power generation in the fuel cell and suppress power loss of the auxiliary equipment, it is preferable to reduce the air flow resistance of the air flow path as much as possible. Therefore, it is necessary to appropriately secure the height of the flow path for supplying air to the
このリブ部材222は、導電性と耐蝕性とを有する金属から構成されている。なお、リブ部材222を構成する材料(材質)は、上述したベースコレクタ221と同材料であっても、相違する材料であってもよい。また、リブ部材222の断面形状は、図5(b)に示した矩形状に限らず、例えば、三角形や円形など、他の形状であってもよい。
The
なお、燃料極側コレクタ23も、空気極側コレクタ22と同様に構成することができる。即ち、燃料極側コレクタ23を、ベースコレクタ221に相当するベースコレクタ231(図4(b)参照)と、リブ部材222に相当するリブ部材232(図4(b)参照)とから構成すればよい。
The fuel
次に、図6及び図7を参照して、上記構成を有する燃料電池システム100において燃料電池に対する要求負荷量に応じた制御について説明する。図6(a)は、要求負荷量とノズル82から噴射される水(液体水)の粒子サイズとの関係を示す要求負荷量−粒子サイズマップ72aの内容を示す模式図であり、図6(b)は、給水ポンプ83の水圧(供給圧力)とノズル82から噴射される水の粒子サイズとの関係を示す給水ポンプ水圧−粒子サイズマップ72bの内容を示す模式図である。
Next, with reference to FIGS. 6 and 7, the control according to the required load amount for the fuel cell in the
図6(a)に示すように、要求負荷量−粒子サイズマップ72aは、アクセル開度や走行速度などにより決定される要求負荷量(負荷入力量)に対する、ノズル82から噴射される液体水として最適な粒子サイズとを関連付けるマップであり、運転制御処理(図7)において使用される。なお、この要求負荷量−粒子サイズマップ72aは、制御装置70内のROM72に記憶されており、例えば、予備実験によって得られた値を基に作成される。
As shown in FIG. 6A, the required load amount-
この要求負荷量−粒子サイズマップ72aにおいて、横軸は、燃料電池スタック40(各単位セル10)に対する要求負荷量を示す軸であり、向かって右側に向かう程、要求負荷量が大きいことを示す。一方で、縦軸は、ノズル82から噴射される液体水として最適な粒子サイズ(単位:μm)を示す軸であり、上側に向かう程、粒子サイズが大きいことを示す。ここで、要求負荷量−粒子サイズマップ72aにおけるノズル82から噴射される液体水として最適な粒子サイズの範囲を、本実施形態では、約10μm〜約100μm程度に設定している。
In the required load amount-
図6(a)に示すように、要求負荷量−粒子サイズマップ72aによれば、要求負荷量が大きい程、ノズル82から噴射される液体水として最適とされる最適粒子サイズが小さい。そのため、後述する運転制御処理(図7)において、要求負荷量が大きい程、小さな粒子サイズが選択されることになる。
As shown in FIG. 6A, according to the required load amount-
一方、図6(b)に示すように、給水ポンプ水圧−粒子サイズマップ72bは、給水ポンプ83の水圧(供給圧力)とノズル82から噴射される液体水の粒子サイズとの相関関係を示すマップであり、運転制御処理(図7)において使用される。なお、この給水ポンプ水圧−粒子サイズマップ72bは、制御装置70内のROM72に記憶されており、例えば、予備実験によって得られた値や、ノズル82の製品カタログなどを基にして作成される。
On the other hand, as shown in FIG. 6B, the feed water pump water pressure-
この給水ポンプ水圧−粒子サイズマップ72bにおいて、横軸は、給水ポンプ83の水圧を示す軸であり、向かって右側に向かう程、給水ポンプ83の水圧が高いことを示す。一方で、縦軸は、ノズル82から噴射される液体水として最適な粒子サイズ(単位:μm)を示す軸であり、上側に向かう程、粒子サイズが大きいことを示す。
In the feed water pressure-
図6(b)に示すように、給水ポンプ水圧−粒子サイズマップ72bによれば、給水ポンプ83の水圧を大きくする程、ノズル82から噴射される液体水の粒子サイズを小さくすることができる。なお、本実施形態では、給水ポンプ水圧−粒子サイズマップ72bにおける給水ポンプ83の水圧の最大値を約5MPaに設定している。
As shown in FIG. 6B, according to the feed water pump water pressure-
本実施形態の燃料電池システム100では、制御装置70により、アクセル開度や走行速度などから要求負荷量を算出し、要求負荷量−粒子サイズマップ72aを用いて、算出された要求負荷量から、ノズル82から噴射される液体水の最適な粒子サイズを決定し、その後、決定された粒子サイズの液体水を噴射するための給水ポンプ83の水圧を給水ポンプ水圧−粒子サイズマップ72bから取得し、給水ポンプ83の水圧を制御する。
上述したように、要求負荷量−粒子サイズマップ72aによれば、要求負荷量が大きい程、小さな粒子サイズが選択されることになるので、給水ポンプ水圧−粒子サイズマップ72bによれば、要求負荷量が大きい程(高負荷運転である程)、より小さい粒子サイズの液体水がノズル82から霧状に噴射されることになる。
In the
As described above, according to the required load amount-
図7は、制御装置70において実行される運転制御処理を示すフローチャートである。この運転制御処理は、燃料電池システム100の運転を制御するための処理であり、制御装置70の電源が投入されている間、CPU71により定期的に繰り返し実行される。なお、この運転制御処理を実行する制御プログラムは、ROM72内に格納されている。
FIG. 7 is a flowchart showing an operation control process executed in the
図7に示すように、この運転制御処理では、まず、図示されないセンサ装置等から取得されるアクセル開度や走行速度などに基づいて要求負荷量を算出する(S11)。なお、このS11は、本発明の燃料電池システムにおける要求負荷量取得手段に該当すると共に、本発明の燃料電池システムの運転方法における要求負荷量取得ステップに該当する。 As shown in FIG. 7, in this operation control process, first, a required load amount is calculated based on an accelerator opening degree, a traveling speed, and the like acquired from a sensor device (not shown) (S11). This S11 corresponds to the required load amount acquisition means in the fuel cell system of the present invention and also corresponds to the required load amount acquisition step in the operating method of the fuel cell system of the present invention.
S11の処理後、算出された要求負荷量に応じた最適風量を取得する(S12)。なお、要求負荷量に応じた最適風量は、これらのパラメータを関連付けた図示されないマップとしてROM12に記憶されており、かかるマップを基に取得される。なお、要求負荷量に対する最適風量を関連付けた関数に基づいて最適風量を取得するように構成してもよい。
After the process of S11, the optimum air volume corresponding to the calculated required load is acquired (S12). Note that the optimum air volume corresponding to the required load is stored in the
S12の処理後、取得した最適風量を得るための送風機61の電圧制御値を取得し(S13)、取得された電圧制御値を送風機61へ出力する(S14)。S14の処理の結果、送風機61の風量(送風量)は、燃料電池スタック40に対する要求負荷量に応じた最適風量となるように調節される。
After the process of S12, the voltage control value of the
S14の処理後、S11の処理によって取得された要求負荷量に基づき、ノズル82から噴射される液体水の最適な粒子サイズ(最適粒子サイズ)を取得する(S15)。本実施形態では、要求負荷量−粒子サイズマップ72aを用いて最適粒子サイズを取得する。よって、要求負荷量が大きい程、小さな粒子サイズが最適粒子サイズとして取得される。なお、このS15は、本発明の燃料電池システムにおけるサイズ決定手段に該当する。
After the process of S14, the optimal particle size (optimum particle size) of the liquid water ejected from the
S15の処理後、取得した最適粒子サイズを得るのに必要な給水ポンプ83の電圧制御値を取得する(S16)。具体的には、給水ポンプ水圧−粒子サイズマップ72bを用いて、最適粒子サイズの液体水をノズル82から噴射させるのに必要な給水ポンプ83の水圧を取得し、取得された水圧を得るための給水ポンプ83の電圧制御値を取得する。よって、最適粒子サイズが小さい程(即ち、要求負荷量が大きい程)、給水ポンプ83の水圧を大きくする必要があり、給水ポンプ83の電圧制御値は大きくなる。
After the process of S15, the voltage control value of the
S16の処理後、取得された電圧制御値を給水ポンプ83へ出力する(S17)。S17の処理の結果、給水ポンプ83の水圧(供給圧力)は、ノズル82から噴射される液体水の粒子サイズが、燃料電池スタック40に対する要求負荷量に応じた最適粒子サイズとなるように調節される。なお、上述したS15〜S17は、本発明の燃料電池システムにおける水粒子サイズ変更手段に該当すると共に、本発明の燃料電池システムの運転方法における水粒子サイズ変更ステップに該当する。
After the process of S16, the acquired voltage control value is output to the feed water pump 83 (S17). As a result of the processing of S17, the water pressure (supply pressure) of the
S17の処理後、水素極13への水素供給量を制御する水素供給量制御処理を実行し(S18)、この運転制御処理を終了する。なお、水素供給量制御処理については、本発明の要旨ではないので省略する。
After the process of S17, a hydrogen supply amount control process for controlling the hydrogen supply quantity to the
ここで、図8を参照して、要求負荷量に応じてノズル82から噴射される液体水の粒子サイズを変更することによって得られる効果について説明する。図8は、要求負荷量と、空気極12に供給される実質的な空気の供給量(実質的な空気供給量)との関係を模式的に示すグラフである。この図8において、横軸は、燃料電池スタックに対する要求負荷量を示す軸であり、向かって右側に向かう程、要求負荷量が大きいことを示す。一方で、縦軸は、空気極12に供給される実質的な空気供給量を示す軸であり、上側に向かう程、空気極12に実質的に供給される空気量が多いことを示す。
Here, with reference to FIG. 8, the effect obtained by changing the particle size of the liquid water ejected from the
図8において、実線Aは、要求負荷量に応じてノズル82から噴射される液体水の粒子サイズを変更する本実施形態の燃料電池システム100を用いた場合を示し、破線Bは、要求負荷量に応じてノズル82から噴射される液体水の粒子サイズを変更しない燃料電池システムを用いた場合を示す。
In FIG. 8, a solid line A indicates a case where the
図8に示すように、要求負荷量に応じてノズル82から噴射される液体水の粒子サイズを変更しない場合(破線B)において、高負荷運転時における空気極12への実質的な空気の供給量が比較的低くなるのに対し、本実施形態の燃料電池システム100を用いた場合(実線A)には、高負荷運転時においても空気極12への実質的な空気の供給量が改善される。
As shown in FIG. 8, when the particle size of the liquid water ejected from the
運転制御処理(図7参照)におけるS12〜S14の処理によって制御される送風機61の風量は、燃料電池スタック40に対する要求負荷量が大きい程、多量とされる。一方で、S15〜S17の処理によって制御される給水ポンプ83の水圧は、燃料電池スタック40への要求負荷量が大きい程、高圧とされる。よって、空気極12へ供給される空気量及び水量は共に、燃料電池スタック40に対する要求負荷量が大きい程、多い。
The air volume of the
よって、高負荷運転時には、発電のために空気極12へ供給される空気量が多く必要とされるにもかかわらず、供給される水量や空気極12で生成される水量も増えるために、空気流路、特に、空気極側コレクタ22のベースコレクタ221に開口された孔が液体水によって閉塞され易く、空気極12へ実質的に供給することのできる空気量が不足しがちになる傾向にある。
Therefore, during a high load operation, the amount of water supplied to the
しかしながら、本実施形態の燃料電池システム100によれば、燃料電池スタック40への要求負荷量が大きい程、ノズル82から噴射される液体水の粒子サイズが小さくなるように給水ポンプ83が制御されるので、噴射された液体水による酸素極12への空気流路(酸化剤ガスの流路)の閉塞を抑制することができる。そのため、高負荷運転時(要求負荷量が大きい場合)においても十分な量の空気を空気極12へ供給することができるので、高負荷運転時における発電性能を向上させることができるのである。
However, according to the
次に、図9〜図11を参照して、第2実施形態について説明する。上述した第1実施形態では、空気極12へ液体水を霧状に噴射するノズルとして、一流体ノズルであるノズル82を使用したが、この第2実施形態では、二流体ノズルであるノズル182を使用する。なお、上記した第1実施形態と同一の部分には同一の符号を付して、その説明は省略する。
Next, a second embodiment will be described with reference to FIGS. In the first embodiment described above, the
図9は、第2実施形態の燃料電池システム500を示す系統図である。なお、この第2実施形態の燃料電池システム500もまた、本発明の燃料電池システムに該当する。
FIG. 9 is a system diagram showing a
図9に示すように、第2実施形態の燃料電池システム500は、第1実施形態の水供給系80に対応する水供給系800が、水タンク81と、ポンプ84と、空気マニホールド41に配置された二流体ノズルであるノズル182と、水タンク81からノズル182へ水を圧送する給水ポンプ83と、図示されない装置によって外界から取り込んだ空気をノズル182へ圧送する給気ポンプ85とを含んで構成されている。
As shown in FIG. 9, in the
かかる水供給系800は、水タンク81に貯留されている水をノズル182から空気マニホールド41へ噴射させる。空気マニホールド41に噴射された水は、空気供給系60を流通する空気流によって霧状となって燃料電池スタック40へ送り込まれる。
The
ノズル182は、給水ポンプ83から圧送された水(液体水)に給気ポンプ85から圧送された空気を混合させて噴射する二流体ノズルである。このノズル182は、給水ポンプ83から供給される水の水圧(供給圧力)と、給気ポンプ85から供給される空気の圧力(供給圧力)とに応じて、噴射される水の粒子サイズが変わる構成とされている。具体的には、ノズル182は、ノズル182へ供給される水の供給圧力又は空気の供給圧力の少なくとも一方が高くなる程、噴射される水の粒子サイズが小さくなるように構成されている。
The
この第2実施形態における制御装置70の入出力ポート75が水供給系800の給水ポンプ83及び給気ポンプ85に接続されている。後述するように、本実施形態における燃料電池システム500の制御装置70は、アクセル開度や走行速度などにより決定される負荷入力量(要求負荷量)に基づいて、ノズル182から噴射される液体水の最適な粒子サイズを決定し、その最適な粒子サイズを得るのに必要な給水ポンプ83の制御電圧値及び給気ポンプ85の制御電圧値を適宜変更するように構成されている。
The input / output port 75 of the
また、第2実施形態における制御装置70のROM72には、給水ポンプ水圧−粒子サイズマップ72bに換えて、給水ポンプ水圧−粒子サイズマップ72cと、給気ポンプ圧力−粒子サイズマップ72dとが記憶されている。なお、要求負荷量−粒子サイズマップ72aは、第1実施形態と同様、ROM72に記憶されている。
Further, the
ここで、図10(a)は、給水ポンプ水圧−粒子サイズマップ72cの内容を示す模式図であり、図10(b)は、給気ポンプ圧力−粒子サイズマップ72dの内容を示す模式図である。
Here, FIG. 10A is a schematic diagram showing the content of the feed water pump water pressure-
図10(a)に示すように、給水ポンプ水圧−粒子サイズマップ72cは、給水ポンプ83の水圧(供給圧力)とノズル82から噴射される液体水の粒子サイズとの相関関係を示すマップであり、第2実施形態の運転制御処理(図11)において使用される。なお、この給水ポンプ水圧−粒子サイズマップ72cは、例えば、予備実験によって得られた値や、ノズル182の製品カタログなどを基にして作成される。
As shown in FIG. 10A, the feed water pump water pressure-
この給水ポンプ水圧−粒子サイズマップ72cにおいて、横軸は、給水ポンプ83の水圧を示す軸であり、向かって右側に向かう程、給水ポンプ83の水圧が高いことを示す。一方で、縦軸は、ノズル182から噴射される液体水として最適な粒子サイズ(単位:μm)を示す軸であり、上側に向かう程、粒子サイズが大きいことを示す。
In the feed water pressure-
図10(a)に示すように、給水ポンプ水圧−粒子サイズマップ72cによれば、給水ポンプ83の水圧を大きくする程、ノズル182から噴射される液体水の粒子サイズを小さくすることができる。なお、第2実施形態では、給水ポンプ水圧−粒子サイズマップ72cにおける給水ポンプ83の水圧の最大値を約0.2MPaに設定している。
As shown in FIG. 10A, according to the water supply pump water pressure-
一方、図10(b)に示すように、給気ポンプ水圧−粒子サイズマップ72dは、給気ポンプ85から圧送する空気の圧力(供給圧力)とノズル182から噴射される液体水の粒子サイズとの相関関係を示すマップであり、第2実施形態の運転制御処理(図11)において使用される。なお、この給気ポンプ圧力−粒子サイズマップ72dは、例えば、予備実験によって得られた値や、ノズル182の製品カタログなどを基にして作成される。
On the other hand, as shown in FIG. 10B, the air supply pump water pressure-
この給気ポンプ圧力−粒子サイズマップ72dにおいて、横軸は、給気ポンプ85から圧送する空気の圧力を示す軸であり、向かって右側に向かう程、給気ポンプ83から供給される空気の圧力が高いことを示す。一方で、縦軸は、ノズル182から噴射される液体水として最適な粒子サイズ(単位:μm)を示す軸であり、上側に向かう程、粒子サイズが大きいことを示す。
In the air supply pump pressure-
図10(b)に示すように、給気ポンプ圧力−粒子サイズマップ72dによれば、給気ポンプ85から圧送する空気の圧力を大きくする程、ノズル182から噴射される液体水の粒子サイズを小さくすることができる。なお、本実施形態では、給気ポンプ圧力−粒子サイズマップ72dにおける給気ポンプ85の供給圧力の最大値を約0.2MPaに設定している。
As shown in FIG. 10B, according to the air supply pump pressure-
本実施形態の燃料電池システム500では、制御装置70により、アクセル開度や走行速度などから要求負荷量を算出し、要求負荷量−粒子サイズマップ72aを用いて、算出された要求負荷量から、ノズル182から噴射される液体水の最適な粒子サイズを決定し、その後、決定された粒子サイズの液体水を噴射するための給水ポンプ83及び給気ポンプ85の供給圧力を、それぞれ、給水ポンプ水圧−粒子サイズマップ72c及び給気ポンプ水圧−粒子サイズマップ72dから取得し、給水ポンプ83の水圧と給気ポンプ85から圧送する空気の圧力とを制御する。
In the
上述したように、要求負荷量−粒子サイズマップ72aによれば、要求負荷量が大きい程、小さな粒子サイズが選択されることになるので、給水ポンプ水圧−粒子サイズマップ72c給気ポンプ圧力−粒子サイズマップ72dによれば、要求負荷量が大きい程(高負荷運転である程)、より小さい粒子サイズの液体水がノズル182から霧状に噴射されることになる。
As described above, according to the required load amount-
図11は、第2実施形態における運転制御処理を示すフローチャートである。この運転制御処理は、第1実施形態の燃料電池システム100と同様に、燃料電池システム500の運転を制御するための処理であり、制御装置70の電源が投入されている間、CPU71により定期的に繰り返し実行される。なお、この運転制御処理を実行する制御プログラムは、ROM72内に格納されている。
FIG. 11 is a flowchart showing an operation control process in the second embodiment. This operation control process is a process for controlling the operation of the
図11に示すように、この運転制御処理では、まず、図示されないセンサ装置等から取得されるアクセル開度や走行速度などに基づいて要求負荷量を算出し(S11)、算出された要求負荷量に応じた最適風量を取得し(S12)、取得した最適風量を得るための送風機61の電圧制御値を取得し(S13)、取得された電圧制御値を送風機61へ出力する(S14)。
As shown in FIG. 11, in this operation control process, first, a required load amount is calculated based on an accelerator opening degree, a traveling speed, and the like acquired from a sensor device (not shown) (S11), and the calculated required load amount is calculated. Is acquired (S12), the voltage control value of the
S14の処理後、S11の処理によって取得された要求負荷量に基づき、ノズル182から噴射される液体水の最適な粒子サイズ(最適粒子サイズ)を取得する(S15)。この第2実施形態においても、第1実施形態と同様に、要求負荷量−粒子サイズマップ72aを用いて最適粒子サイズを取得する。よって、要求負荷量が大きい程、小さな粒子サイズが最適粒子サイズとして取得される。
After the process of S14, the optimal particle size (optimum particle size) of the liquid water ejected from the
S15の処理後、取得した最適粒子サイズを得るのに必要な給水ポンプ83の電圧制御値を取得し(S16)、取得された電圧制御値を給水ポンプ83へ出力する(S17)。なお、第2実施形態では、給水ポンプ水圧−粒子サイズマップ72c(図10(a)参照)を用いて、最適粒子サイズの液体水をノズル182から噴射させるのに必要な給水ポンプ83の水圧を取得し、取得された水圧を得るための給水ポンプ83の電圧制御値を取得する。
After the process of S15, the voltage control value of the
S17の処理後、S15の処理によって取得した最適粒子サイズを得るのに必要な給気ポンプ85の電圧制御値を取得し(S21)、取得された電圧制御値を給気ポンプ85へ出力し(S22)、水素供給量制御処理を実行して(S18)、この運転制御処理を終了する。
After the process of S17, the voltage control value of the
なお、S21の処理では、給気ポンプ圧力−粒子サイズマップ72d(図10(b)参照)を用いて、最適粒子サイズの液体水をノズル182から噴射させるのに必要な給気ポンプ85の供給圧力を取得し、取得された供給圧力を得るための給気ポンプ85の電圧制御値を取得する。
In the process of S21, supply of the
S17及びS22の処理の結果、給水ポンプ83の水圧(供給圧力)及び給気ポンプ85の供給圧力は、ノズル182から噴射される液体水の粒子サイズが、燃料電池スタック40に対する要求負荷量に応じた最適粒子サイズとなるように調節される。なお、上述したS15〜S17,S21,S22は、本発明の燃料電池システムにおける水粒子サイズ変更手段に該当すると共に、本発明の燃料電池システムの運転方法における水粒子サイズ変更ステップに該当する。
As a result of the processing of S17 and S22, the water pressure (supply pressure) of the
従って、この第2実施形態の燃料電池システム500によれば、上述した第1実施形態の燃料電池システム100と同様に、燃料電池スタック40への要求負荷量が大きい程、ノズル182から噴射される液体水の粒子サイズが小さくなるように給水ポンプ83及び給気ポンプ85が制御されるので、噴射された液体水による酸素極12への空気流路(酸化剤ガスの流路)の閉塞を抑制することができる。従って、高負荷運転時(要求負荷量が大きい場合)においても十分な量の空気を空気極12へ供給することができ、高負荷運転時における発電性能を向上させることができる。
Therefore, according to the
なお、第2実施形態の燃料電池システム500において使用するノズル182は、空気の圧力を利用する二流体ノズルであるので、液体水を圧送するための圧力を得やすいという利点がある。一方で、第1実施形態の燃料電池システム100において使用するノズル82は、給水ポンプ83から圧送された液体水を単独で噴射する一流体ノズルであるので、給気ポンプ85などが不要となるので、システム構成の小型化に有利であると共に、給気ポンプ85などが不要になる分だけ、消費電力を抑制することができるという利点がある。
In addition, since the
以上、各実施形態により説明したように、本発明の燃料電池システム100,500及びその運転方法(運転制御処理)によれば、要求負荷量が大きい程、ノズル82,182から噴射される液体水の粒子サイズを小さくするので、液体水の供給量増大に伴う空気流路の液体水による閉塞によって不足しがちであった高負荷運転時における空気供給量を十分な量とすることができる。その結果、高負荷運転時における発電性能を向上させることができる。
As described above, according to the embodiments, according to the
なお、上記各実施形態の燃料電池システム100,500によれば、燃料電池スタック40に対する要求負荷量とノズル82,182から噴射される液体水の粒子サイズとの関係がROM72(要求負荷量−粒子サイズマップ72a)に記憶されているので、ノズル82,182から噴射される液体水の粒子サイズを要求負荷量に応じた最適なサイズとすることができるので、高負荷運転時における空気流路の閉塞の抑制がより有効に実現される。
According to the
さらに、上記各実施形態の燃料電池システム100,500によれば、液体水の粒子サイズが比較的大きくても差し支えない低負荷運転時には、給水ポンプ83や給気ポンプ85への供給電圧を低く抑えることができる。従って、燃料電池システムにおける全体的な消費電力を抑制することができる。
Furthermore, according to the
以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。 As described above, the present invention has been described based on the embodiments, but the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various improvements and modifications can be easily made without departing from the spirit of the present invention. It can be guessed.
例えば、上記各実施形態では、要求負荷量と最適な粒子サイズとの関係が一次関数的に減少する関係にある要求負荷量−粒子サイズマップ72a(図6(a))を例示したが、高負荷運転時における粒子サイズが、低負荷運転時における粒子サイズより小さくなる関係のものであれば、両者の関係は一次的な比例関係でなくてもよい。
For example, in each of the above embodiments, the required load amount-
例えば、要求負荷量が大きくなる程、最適粒子サイズが小さくなるような曲線を描くマップや、要求負荷量が大きくなるにつれ、段階的に最適粒子サイズが小さくなるようなマップや、所定の要求負荷量を閾値として、要求負荷量が閾値より大きい場合には、要求負荷量が大きくなる程、最適粒子サイズが小さくなり、要求負荷量が閾値より小さい場合には、一定の粒子サイズを最適粒子サイズとするようなマップであってもよい。 For example, a map that draws a curve that decreases the optimal particle size as the required load increases, a map that decreases the optimal particle size in stages as the required load increases, or a predetermined required load When the required load amount is larger than the threshold value with the amount as a threshold value, the optimum particle size decreases as the required load amount increases. When the required load amount is smaller than the threshold value, a certain particle size is set to the optimum particle size. The map may be as follows.
あるいは、高負荷運転であるか低負荷運転であるかのみを判断し、低負荷運転であれば所定の粒子サイズ(1サイズ)を最適粒子サイズとし、高負荷運転であれば、低負荷運転の場合よりも小さい粒子サイズ(1サイズ)を最適粒子サイズとするように構成してもよい。かかる構成を取る場合には、所定の要求負荷量を閾値として、要求負荷量が閾値より小さい場合には、第1の粒子サイズを最適粒子サイズとし、要求負荷量が閾値より小さい場合には、第1の粒子サイズより小さい第2の粒子サイズを最適粒子サイズとするようなマップを用いることができる。 Alternatively, it is determined only whether the operation is a high load operation or a low load operation. If the operation is a low load operation, a predetermined particle size (one size) is set as the optimum particle size. You may comprise so that particle size (1 size) smaller than the case may be made into an optimal particle size. When taking such a configuration, a predetermined required load amount is set as a threshold, and when the required load amount is smaller than the threshold, the first particle size is set as an optimal particle size, and when the required load amount is smaller than the threshold, A map can be used in which the second particle size smaller than the first particle size is the optimum particle size.
また、上記各実施形態では、要求負荷量−粒子サイズマップ72aを要求負荷量の大きさに関係なく使用するように構成したが、かかるマップ72aを、要求負荷量が所定量より大きい場合にのみに使用するように構成してよい。なお、かかるマップ72aを使用しない低負荷運転時には予め決められている粒子サイズとするようにすればよい。
In each of the above embodiments, the required load amount-
また、上記各実施形態において、所望の値(例えば、最適な粒子サイズ)を得るために各マップ72a〜72dを使用する構成としたが、各マップ72a〜72dにおける横軸で表されるパラメータと縦軸で表されるパラメータとを関連付けた関数に基づいて所望の値を得るように構成してもよい。
In each of the above embodiments, each
10 単位セル(燃料電池)
11 固体高分子電解質膜
12 空気極(酸素極)
13 燃料極
40 燃料電池スタック
72a 要求負荷量−粒子サイズマップ(サイズ記憶手段)
82,182 ノズル
100,500 燃料電池システム
10 Unit cell (fuel cell)
11 Solid
13
82,182 Nozzle 100,500 Fuel cell system
Claims (6)
前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記酸素極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、液体水を霧状に噴射するノズルを含んで構成され前記ノズルからの噴射によって前記酸素極へ前記液体水を供給する水供給手段と、
前記燃料電池に対する要求負荷量を取得する要求負荷量取得手段と、
前記要求負荷量取得手段により取得された要求負荷量に応じて前記ノズルから噴射される液体水の粒子サイズを調整する水粒子サイズ変更手段と、を備えていることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell comprising a solid polymer electrolyte membrane and a fuel electrode and an oxygen electrode sandwiching the solid polymer electrolyte membrane from both sides;
Fuel gas supply means for supplying fuel gas to the fuel electrode;
An oxidant gas supply means for supplying an oxidant gas to the oxygen electrode, and a water supply means for supplying the liquid water to the oxygen electrode by injection from the nozzle, comprising a nozzle for injecting liquid water in the form of a mist When,
A required load amount acquisition means for acquiring a required load amount for the fuel cell;
A fuel cell system comprising: a water particle size changing unit that adjusts the particle size of the liquid water ejected from the nozzle according to the required load amount acquired by the required load amount acquiring unit.
前記要求負荷量取得手段により取得された要求負荷量と前記サイズ記憶手段に記憶される関係とに基づいて、前記ノズルから噴射される液体水の粒子サイズを決定するサイズ決定手段とを備え、
前記水粒子サイズ変更手段は、前記ノズルから噴射される液体水の粒子サイズを、前記サイズ決定手段により決定されたサイズにすることを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池システム。 Size storage means for storing a relationship between a required load amount for the fuel cell and a particle size of liquid water ejected from the nozzle;
Size determining means for determining the particle size of liquid water ejected from the nozzle based on the required load amount acquired by the required load amount acquiring means and the relationship stored in the size storage means;
3. The fuel cell system according to claim 1, wherein the water particle size changing unit sets the particle size of the liquid water ejected from the nozzle to a size determined by the size determining unit.
前記水供給手段は、前記ノズルに対して前記液体水を圧送する給水ポンプをさらに含んで構成され、
前記水粒子サイズ変更手段は、前記給水ポンプへの供給電圧を上げることによって前記ノズルから噴射される液体水の粒子サイズを小さくすることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の燃料電池システム。 The nozzle is a one-fluid nozzle that ejects liquid water alone, and the particle size of the ejected liquid water can be changed according to the supply pressure of the liquid water supplied to the nozzle,
The water supply means further includes a water supply pump that pumps the liquid water to the nozzle,
The fuel according to any one of claims 1 to 3, wherein the water particle size changing means reduces the particle size of liquid water ejected from the nozzle by increasing a supply voltage to the water supply pump. Battery system.
前記水供給手段は、前記ノズルに対して前記液体水を圧送する給水ポンプと、前記ノズルに対して気体を圧送する給気ポンプをさらに含んで構成され、
前記水粒子サイズ変更手段は、前記給水ポンプ及び前記給気ポンプへの供給電圧を上げることによって前記ノズルから噴射される液体水の粒子サイズを小さくすることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の燃料電池システム。 The nozzle is a two-fluid nozzle that injects gas into liquid water and injects, and the particle size of the liquid water to be injected is the supply pressure of the liquid water supplied to the nozzle and the gas supplied to the nozzle. It can be changed according to the supply pressure,
The water supply means further includes a feed water pump that pumps the liquid water to the nozzle, and a feed pump that pumps a gas to the nozzle,
The said water particle size change means reduces the particle size of the liquid water injected from the said nozzle by raising the supply voltage to the said water supply pump and the said air supply pump, Any one of Claim 1 to 3 characterized by the above-mentioned. A fuel cell system according to claim 1.
前記燃料電池に対する要求負荷量を取得する要求負荷量取得ステップと、
前記要求負荷量取得手段により取得された要求負荷量に応じて前記ノズルから噴射される液体水の粒子サイズを調整する水粒子サイズ変更ステップと、を備えていることを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
A fuel cell comprising a solid polymer electrolyte membrane and a fuel electrode and an oxygen electrode sandwiching the solid polymer electrolyte membrane from both sides; fuel gas supply means for supplying fuel gas to the fuel electrode; and the oxygen An oxidant gas supply means for supplying an oxidant gas to the electrode, and a water supply means for supplying the liquid water to the oxygen electrode by injection from the nozzle, comprising a nozzle for injecting liquid water in the form of a mist, A fuel cell system operating method comprising:
A required load amount acquisition step for acquiring a required load amount for the fuel cell;
A water particle size changing step for adjusting the particle size of the liquid water ejected from the nozzle according to the required load amount acquired by the required load amount acquisition means. how to drive.
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