JP2014049338A - 燃料電池システム - Google Patents
燃料電池システム Download PDFInfo
- Publication number
- JP2014049338A JP2014049338A JP2012192389A JP2012192389A JP2014049338A JP 2014049338 A JP2014049338 A JP 2014049338A JP 2012192389 A JP2012192389 A JP 2012192389A JP 2012192389 A JP2012192389 A JP 2012192389A JP 2014049338 A JP2014049338 A JP 2014049338A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- fuel
- fuel cell
- liquid
- air
- pipe
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
【課題】液体燃料を無駄に消費することなく、燃料電池の温度を速やかに上昇させることができる、燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池11の昇温が必要なときには、昇温が不要なときよりも、エア排出管91内の圧力が上げられることにより、燃料電池11からエア排出管91に排出されるエアの流量が減らされて、燃料電池11からエア排出管91に排出される蒸気量が減らされる。これにより、潜熱による燃料電池11の冷却量が減少する。その結果、燃料電池11の温度が上昇する。
【選択図】図1
【解決手段】燃料電池11の昇温が必要なときには、昇温が不要なときよりも、エア排出管91内の圧力が上げられることにより、燃料電池11からエア排出管91に排出されるエアの流量が減らされて、燃料電池11からエア排出管91に排出される蒸気量が減らされる。これにより、潜熱による燃料電池11の冷却量が減少する。その結果、燃料電池11の温度が上昇する。
【選択図】図1
Description
本発明は、燃料電池を含む燃料電池システムに関する。
燃料電池システムとして、ヒドラジンなどの液体燃料を燃料電池に供給するものが知られている。
燃料電池は、たとえば、固体高分子膜の両側にアノード(燃料極)およびカソード(酸素極)を貼り合わせて一体化した膜/電極接合体を備えている。アノードには、燃料循環路が接続されている。すなわち、燃料循環路の一端がアノードの燃料供給口に接続され、その他端がアノードの燃料排出口に接続されている。アノードには、燃料循環路から液体燃料が供給され、アノードを通過した液体燃料は、燃料循環路に排出される。一方、カソードには、空気が供給される。
アノードでは、窒素ガス(N2)、水(H2O)および電子(e−)が生成される。電子は、外部回路(図示せず)を介して、カソードに移動する。窒素ガスおよび水は、未反応の液体燃料とともに、燃料循環路に排出される。一方、カソードでは、アニオン(OH−)が生成される。アニオンは、固体高分子膜を透過して、アノードに移動する。その結果、アノードとカソードとの間に、発電反応(電気化学反応)による起電力が発生する。
燃料電池の温度が一定温度以上になるまでは、燃料電池の発電性能が著しく低い。そこで、たとえば、液体燃料を加熱するヒータが設けられて、燃料電池システムの起動時に、そのヒータの出力が上げられたり、燃料電池に液体燃料が過剰に供給されて、発電反応による発熱量が上げられたりする。これにより、燃料電池の温度を一定温度まで速やかに上昇させることができる。
しかしながら、必要以上の液体燃料が無駄に消費される。
本発明の目的は、液体燃料を無駄に消費することなく、燃料電池の温度を速やかに上昇させることができる、燃料電池システムを提供することである。
前記の目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、膜/電極接合体を備える燃料電池と、前記燃料電池に供給される液体燃料を含む液体が循環する燃料循環路と、前記燃料電池から排出される空気が流通する空気排出路と、前記燃料電池の温度上昇の要/不要を判断する昇温判断手段と、前記昇温判断手段によって温度上昇要と判断されているときに、前記昇温判断手段によって温度上昇不要と判断されているときよりも、前記空気排出路を流通する空気の流量を減少させる流量減少手段とを含む。
この構成によれば、燃料電池は、膜/電極接合体を備えている。膜/電極接合体は、固体高分子膜の両側にアノード(燃料極)およびカソード(酸素極)を貼り合わせた構成である。燃料電池に液体燃料および空気が供給されると、燃料電池では、発電反応が生じ、発電反応による起電力が発生する。
発電反応の生成物として、アノードで水が生成される。この水および未反応の液体燃料の大部分は、アノードから排出され、その一部は、アノードから固体高分子膜を透過してカソードにクロスリークする。そのため、燃料電池から空気排出路に排出される空気には、液体燃料および水の蒸気が含まれる。
燃料電池から空気排出路への蒸気の排出量は、燃料電池から空気排出路に排出される空気の流量(空気排出路を流通する空気の流量)によって変化する。すなわち、燃料電池から空気排出路に排出される空気の流量が大きいほど、燃料電池から空気排出路への蒸気の排出量が増加する。逆に、空気排出路に排出される空気の流量が小さいほど、燃料電池から空気排出路への蒸気の排出量が少なくなる。そして、燃料電池からの蒸気の排出量が少ないほど、燃料電池で液体燃料および水が蒸気に相変化するときに吸収する潜熱量が小さく、その潜熱による燃料電池の冷却量が減少する。
燃料電池の昇温が必要なときには、昇温が不要なときよりも、空気排出路を流通する空気の流量が減らされる。これにより、燃料電池から空気排出路への蒸気の排出量が減少し、潜熱による燃料電池の冷却量が減少する。その結果、燃料電池の温度が上昇する。
よって、液体燃料を無駄に消費することなく、燃料電池の温度を速やかに上昇させることができる。
燃料電池から空気排出路に排出される空気の流量は、空気排出路内の圧力(背圧)または燃料電池に供給される空気の流量によって変化する。すなわち、空気排出路内の圧力が高いほど、燃料電池から空気排出路に排出される空気の流量が減少する。また、燃料電池に供給される空気の流量が小さいほど、燃料電池から空気排出路に排出される空気の流量が減少する。したがって、空気排出路内の圧力を上げるか、および/または、燃料電池に供給される空気の流量を下げることにより、燃料電池から空気排出路に排出される空気の流量を減少させて、燃料電池から空気排出路への蒸気の排出量を減少させることができ、ひいては、潜熱による燃料電池の冷却量を減少させることができる。
燃料電池システムには、燃料循環路に補給される液体燃料を貯留する燃料タンクと、燃料循環路を循環する液体の量である循環液量を検出する循環液量検出手段と、燃料循環路を循環する液体中の液体燃料の濃度を検出する濃度検出手段と、循環燃料検出手段によって検出される循環燃料量が所定量を超えている場合、濃度検出手段によって検出される濃度が所定濃度に達するまで、燃料タンクから前記燃料循環路への液体燃料の補給を抑制する燃料補給抑制手段とがさらに含まれていることが好ましい。
すなわち、燃料電池から空気排出路への蒸気の排出量が減少すると、燃料電池でクロスリークする液体燃料および水の量が減少し、燃料循環路を循環する液体の量が増加する。そのため、燃料循環路を循環する液体の量が所定量を超えると、その液体中の液体燃料の濃度が所定濃度に達することを限度として、燃料タンクから燃料循環路への液体燃料の補給が抑制されることが好ましい。
これにより、燃料循環路を循環する液体の量を適正に保つことができる。また、燃料循環路を循環する液体の温度の低下が抑制されるので、燃料電池のさらなる昇温効果を得ることができる。
本発明によれば、液体燃料を無駄に消費することなく、燃料電池の温度を速やかに上昇させることができる。その結果、燃料電池システムの起動時などに、燃料電池の発電性能を速やかに上昇させることができる。
以下では、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
[配管構成]
図1は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
燃料電池システム1は、液体燃料を用いる燃料電池システム(FCシステム)であり、たとえば、自動車に駆動源として搭載される。
<燃料電池>
燃料電池システム1は、燃料電池11を備えている。
燃料電池11は、所定数(たとえば、100〜200)のセルが一方向に積層された、いわゆるセルスタックを有している。各セルは、膜/電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)、膜/電極接合体の両側に配置されたセパレータ、および膜/電極接合体と各セパレータとの間に介在されたガス拡散層(GDL:Gas Diffusion Layer)を備えている。
膜/電極接合体は、固体高分子膜の両側にアノード(燃料極)およびカソード(酸素極)を貼り合わせて一体化したものである。固体高分子膜は、たとえば、アニオン(OH−)を透過させる性質を有する。
セパレータの両面には、たとえば、葛折り状に屈曲した凹溝(図示せず)が形成されている。膜/電極接合体のアノードに対向する凹溝は、燃料流路として形成されている。燃料流路の一端および他端は、それぞれ燃料入口12および燃料出口13に接続されている。膜/電極接合体のカソードに対向する凹溝は、エア流路として形成されている。エア流路の一端および他端は、それぞれエア入口14およびエア出口15に接続されている。また、各セル間では、一方のセルのセパレータに形成された凹溝と他方のセルのセパレータに形成された凹溝とが重なり合い、それらの凹溝が冷却水流路を形成している。冷却水流路の一端および他端は、それぞれ冷却水入口16および冷却水出口17に接続されている。
<燃料系>
燃料電池システム1は、第1燃料タンク21、第2燃料タンク22、燃料サブタンク23および気液分離器24を備えている。
第1燃料タンク21には、液体燃料として、たとえば、常温の水加ヒドラジン(N2H4・H2O)が貯留されている。第1燃料タンク21には、第1燃料補給管31の一端が接続されている。第1燃料補給管31の他端は、燃料サブタンク23に接続されている。第1燃料補給管31の途中部には、第1燃料供給ポンプ32およびチェックバルブ33が第1燃料タンク21側からこの順に介装されている。
第2燃料タンク22には、電解液として、たとえば、常温の水酸化カリウム水溶液(KOH)が貯留されている。第2燃料タンク22には、第2燃料補給管34の一端が接続されている。第2燃料補給管34の他端は、燃料サブタンク23に接続されている。第2燃料補給管34の途中部には、第2燃料供給ポンプ35およびチェックバルブ36が第2燃料タンク22側からこの順に介装されている。
燃料サブタンク23内は、燃料サブタンク23内の底面に立設された仕切壁41により、A室42およびB室43に分けられている。仕切壁41の上端と燃料サブタンク23内の天面との間には、間隔が生じており、A室42とB室43とは、それらの上部で互いに連通している。A室42およびB室43には、電解液に混合された液体燃料、たとえば、水酸化カリウム水溶液に混合された水加ヒドラジンが貯留される。
燃料サブタンク23には、A室42から液体燃料を送出するための第1送出管51の一端と、B室43から液体燃料を送出するための第2送出管52の一端とが接続されている。第1送出管51および第2送出管52の各他端は、サブタンク三方弁53の2つの入口ポートに接続されている。サブタンク三方弁53の出口ポートには、燃料供給管54の一端が接続されている。燃料供給管54の他端は、燃料電池11の燃料入口12に接続されている。燃料供給管54の途中部には、燃料循環ポンプ55およびFC入口燃料遮断弁56がサブタンク三方弁53側からこの順に介装されている。
燃料電池11の燃料出口13には、燃料排出管61の一端が接続されている。燃料排出管61の他端は、気液分離器24に接続されている。燃料排出管61の途中部には、FC出口燃料遮断弁62が介装されている。
気液分離器24の底部には、燃料帰還管71の一端が接続されている。燃料帰還管71の他端は、燃料サブタンク23のA室42に接続されている。燃料帰還管71の途中部には、ストレーナ72が介装されている。また、気液分離器24の上部には、パージ管73の一端が接続されている。パージ管73の途中部には、パージ電磁弁74が介装されている。
<空気系>
燃料電池システム1は、エアコンプレッサ81および気液分離器82を備えている。
エアコンプレッサ81の吸込口には、吸気管83の一端が接続されている。吸気管83の他端は、エアクリーナ84に接続されている。エアコンプレッサ81の吐出口には、エア供給管85の一端が接続されている。エア供給管85の他端は、燃料電池11のエア入口14に接続されている。エア供給管85の途中部には、インタクーラ86およびFC入口エア遮断弁87がエアコンプレッサ81側からこの順に介装されている。
燃料電池11のエア出口15には、エア排出管91の一端が接続されている。エア排出管91の他端は、気液分離器82に接続されている。
気液分離器82の底部には、回収管101の一端が接続されている。回収管101の他端は、気液分離器24に接続されている。回収管101の途中部には、環流電磁弁102およびフィルタ103が気液分離器82側からこの順に介装されている。気液分離器82の上部には、パージ管104の一端が接続されている。パージ管104の途中部には、エア背圧調整弁105が介装されている。
<冷却系>
燃料電池システム1は、燃料電池11の冷却のために、冷却水供給管111、冷却水排出管112およびラジエータ113を備えている。
冷却水供給管111の一端は、ラジエータ113に接続されている。冷却水供給管111の他端は、燃料電池11の冷却水入口16に接続されている。冷却水供給管111の途中部には、三方流量弁114およびウォータポンプ115がラジエータ113側からこの順に介装されている。
冷却水排出管112の一端は、燃料電池11の冷却水出口17に接続されている。冷却水排出管112の他端は、ラジエータ113に接続されている。冷却水排出管112の途中部には、分岐管116が分岐して接続されている。分岐管116の先端は、三方流量弁114に接続されている。
[電気的構成]
<センサ>
第1燃料タンク21には、第1液量センサ141が設けられている。第1液量センサ141は、たとえば、ボールフロート式のレベルスイッチからなる。第1燃料タンク21内の水加ヒドラジンの液面が所定のエンプティ位置以下に低下すると、第1液量センサ141がオフになる。
第2燃料タンク22には、第2液量センサ151が設けられている。第2液量センサ151は、たとえば、フロートガイドパイプ式のレベルスイッチからなる。第2燃料タンク22内の水酸化カリウム水溶液の液面が所定のエンプティ位置以下に低下すると、第2液量センサ151がオフになる。
燃料サブタンク23には、A室液量センサ161およびB室液量ゲージ162が設けられている。A室液量センサ161は、たとえば、フロートガイドパイプ式のレベルスイッチからなる。A室液量センサ161は、燃料サブタンク23のA室42内の液体の液面が所定のエンプティ位置よりも高いときにオンになる。B室液量ゲージ162は、3個のフロートガイドパイプ式のレベルスイッチ163,164,165を組み合わせて構成されている。レベルスイッチ163〜165は、互いに高さが異なる位置に配置されている。最上位置のレベルスイッチ163は、燃料サブタンク23のB室43内の液体の液面が所定の第1上限位置よりも高いときにオンになる。最下位置のレベルスイッチ165は、燃料サブタンク23のB室43内の液体の液面が所定の下限位置よりも高いときにオンになる。中位置のレベルスイッチ164は、B室43内の液体の液面が第1上限位置よりも低く、下限位置よりも高い第2上限位置よりも高いときにオンになる。
また、燃料サブタンク23には、燃料サブタンク23内の液体の温度を検出する燃料温度センサ166が設けられている。
気液分離器24には、気液分離器24内の圧力を検出する気液分離器圧力センサ171が設けられている。
燃料供給管54におけるサブタンク三方弁53と燃料循環ポンプ55との間には、濃度検出用分岐管181が分岐して接続されている。濃度検出用分岐管181の先端は、燃料サブタンク23のA室42に接続されている。濃度検出用分岐管181の途中部には、燃料濃度センサポンプ182が介装されている。そして、濃度検出用分岐管181には、燃料濃度センサポンプ182と燃料サブタンク23との間に、濃度検出用分岐管181を流通する液体中の液体燃料の濃度を検出する燃料濃度センサ183と、濃度検出用分岐管181を流通する液体燃料の温度を検出する濃度補正用温度センサ184とが設けられている。
燃料供給管54には、燃料循環ポンプ55とFC入口燃料遮断弁56との間に、燃料供給管54内の圧力を検出するFC入口燃料圧力センサ191が設けられている。また、燃料供給管54には、FC入口燃料遮断弁56と燃料電池11の燃料入口12との間に、燃料供給管54から燃料入口12に流入する液体の温度を検出するFC入口燃料温度センサ192とが設けられている。
燃料排出管61には、燃料電池11の燃料出口13とFC出口燃料遮断弁62との間に、燃料排出管61内の圧力を検出するFC出口燃料圧力センサ201と、燃料出口13から燃料排出管61に流出した液体の温度を検出するFC出口燃料温度センサ202とが設けられている。
気液分離器82には、気液分離器液量センサ211が設けられている。気液分離器液量センサ211は、たとえば、フロートガイドパイプ式のレベルスイッチからなる。気液分離器82内の液体の液面が所定の上限位置よりも上昇すると、気液分離器液量センサ211がオンになる。
また、気液分離器82には、気液分離器82内の圧力を検出するFC出口エア圧力センサ212と、気液分離器82内の液体の温度を検出する気液分離器温度センサ213とが設けられている。
吸気管83には、吸気管83を流通するエアの温度を検出する第1エア温度センサ221と、吸気管83を流通するエアの流量を検出するエア流量計222とが設けられている。
エア供給管85には、エアコンプレッサ81とインタクーラ86との間に、エア供給管85を流通するエアの温度を検出する第2エア温度センサ231が設けられている。
冷却水供給管111には、冷却水供給管111を流通する冷却水の温度を検出するFC入口水温センサ241が設けられている。
冷却水排出管112には、冷却水排出管112を流通する冷却水の温度を検出するFC出口水温センサ251が設けられている。
<制御系>
燃料電池システム1は、CPUおよびメモリを含む構成のFC−ECU(電子制御ユニット)301を備えている。
FC−ECU301には、各種センサが電気的に接続されている。すなわち、FC−ECU301には、第1液量センサ141、第2液量センサ151、A室液量センサ161、B室液量ゲージ162(レベルスイッチ163〜165)、燃料温度センサ166、気液分離器圧力センサ171、燃料濃度センサ183、濃度補正用温度センサ184、FC入口燃料圧力センサ191、FC入口燃料温度センサ192、FC出口燃料圧力センサ201、FC出口燃料温度センサ202、気液分離器液量センサ211、FC出口エア圧力センサ212、気液分離器温度センサ213、第1エア温度センサ221、エア流量計222、第2エア温度センサ231、FC入口水温センサ241およびFC出口水温センサ251が接続されている。
FC−ECU301は、メモリに格納されたプログラムに従い、各種センサから入力される信号に基づいて、第1燃料供給ポンプ32、第2燃料供給ポンプ35、燃料循環ポンプ55、エアコンプレッサ81、ラジエータ113およびウォータポンプ115の駆動を制御し、FC入口燃料遮断弁56、FC出口燃料遮断弁62、パージ電磁弁74および環流電磁弁102の開閉を制御し、サブタンク三方弁53の各入口ポートの開閉を制御し、エア背圧調整弁105の開度および三方流量弁114の各出口ポートの開度を制御する。
[動作]
<燃料の流通>
燃料電池11による発電のために、サブタンク三方弁53の2つの入口ポートの一方が選択的に開かれる。また、FC入口燃料遮断弁56およびFC出口燃料遮断弁62が開かれる。そして、燃料循環ポンプ55が駆動される。これにより、燃料サブタンク23に貯留されている液体が第1送出管51または第2送出管52を通して燃料供給管54に吸い出され、その液体が燃料供給管54を燃料電池11の燃料入口12に向けて流通する。燃料供給管54を流通する液体は、燃料入口12を通して、燃料電池11に供給される。
燃料電池11に供給される液体は、燃料流路を流通し、燃料出口13を通して、燃料排出管61に流出する。
燃料排出管61に流出した液体は、燃料排出管61を流通して、気液分離器24に流入する。気液分離器24では、燃料排出管61から流入する液体からその液体に含まれる気体(たとえば、発電時に生成されるN2ガス)が分離される。
脱気された液体は、気液分離器24内の下部(底部)に集まり、気液分離器24から燃料帰還管71に流出する。燃料帰還管71に流出した液体は、燃料帰還管71を流通し、その途中でストレーナ72を通過する。液体がストレーナ72を通過することにより、液体から異物(固形物)が除去される。その後、燃料帰還管71を流通する液体は、燃料帰還管71から燃料サブタンク23のA室42に戻る。このようにして、液体は、燃料サブタンク23、第1送出管51、第2送出管52、燃料供給管54、燃料電池11の燃料流路、燃料排出管61、気液分離器24および燃料帰還管71を含む燃料循環路を循環する。
通常、パージ電磁弁74は、開かれている。気液分離器24内で液体から分離された気体は、気液分離器24からパージ管73に流出し、パージ管73を排気処理器121に向けて流通する。そして、パージ管73を流通する気体は、排気処理器121を経由して、大気に放出される。
<エアの流通>
また、燃料電池11による発電のために、FC入口エア遮断弁87およびエア背圧調整弁105が開かれる。そして、エアコンプレッサ81が駆動される。エアコンプレッサ81が駆動されると、エア(大気)がエアクリーナ84を通して吸気管83に取り込まれる。吸気管83に取り込まれたエアは、エアコンプレッサ81で圧縮されて、エアコンプレッサ81からエア供給管85に送り出される。エアコンプレッサ81での圧縮に伴って温度が上昇したエアは、エア供給管85を流通する途中で、インタクーラ86によって冷却される。そして、冷却後のエアは、燃料電池11のエア入口14を通して、燃料電池11に供給される。
燃料電池11に供給されるエアは、エア流路を流通し、エア出口15を通して、エア排出管91に流出する。
燃料電池システム1では、水および液体燃料が膜/電極接合体のアノードから固体高分子膜を透過してカソードに移動する、いわゆるクロスリークが発生する。そのため、エア排出管91に流出するエアには、そのクロスリークした液体燃料および水の蒸気が含まれる。
エア排出管91に流出したエアは、エア排出管91を流通して、気液分離器82に流入する。気液分離器82では、エア排出管91から流入するエアとそのエアに含まれる液体燃料などの液体とが分離される。
液体が除去されたエアは、気液分離器82からパージ管104に流出し、パージ管104を排気処理器121に向けて流通する。そして、パージ管104を流通するエアは、排気処理器121を経由して、大気に放出される。
一方、エアから分離した液体は、気液分離器82内の下部(底部)に集まる。環流電磁弁102が閉じられている間、その液体は、気液分離器82内の下部に溜められる。気液分離器82内に溜められた液体は、エア背圧調整弁105の開度が小さくされて、気液分離器82内の圧力が通常よりも高められた状態で、環流電磁弁102が開かれることにより、回収管101を通して、気液分離器24に送られる(回収される)。液体が回収管101を流通する途中でフィルタ103を通過することにより、液体から異物が除去される。気液分離器24に流入した液体は、気液分離器24内の下部(底部)に集まり、気液分離器24から燃料帰還管71に流出し、燃料帰還管71を流通して、燃料帰還管71から燃料サブタンク23のA室42に戻る。
<発電反応>
燃料電池11の燃料流路を液体燃料を含む液体が流通し、エア流路をエアが流通すると、燃料電池11において、発電反応(電気化学反応)が生じ、その電気化学反応による起電力が発生する。
具体的には、アノードにおいて、反応式(1)で示される反応が生じ、窒素ガス(N2)、水(H2O)および電子(e−)が生成される。電子は、外部回路(図示せず)を介して、カソードに移動する。窒素ガスおよび水は、未反応の液体燃料とともに、燃料流路から燃料出口13を通して燃料排出管61に流出する。一方、カソードでは、反応式(2)で示される反応が生じ、アニオン(OH−)が生成される。アニオンは、固体高分子膜を透過して、アノードに移動する。
NH2NH2+4OH−→N2+4H2O+4e− ・・・(1)
O2+2H2O+4e−→4OH− ・・・(2)
この結果、アノードとカソードとの間に、発電反応(電気化学反応)による起電力が発生する。
<液体燃料の補給>
燃料電池システム1の稼働中に、燃料サブタンク23に液体燃料を補給する必要が生じると、第1燃料供給ポンプ32および/または第2燃料供給ポンプ35が駆動される。
第1燃料供給ポンプ32が駆動されると、第1燃料タンク21から第1燃料補給管31に液体燃料(水加ヒドラジン)が汲み出される。そして、第1燃料補給管31内のチェックバルブ33よりも上流側の部分の圧力が所定圧以上になると、チェックバルブ33が自動的に開き、液体燃料が第1燃料補給管31を通して燃料サブタンク23に供給される。
第2燃料供給ポンプ35が駆動されると、第2燃料タンク22から第2燃料補給管34に電解液(水酸化カリウム水溶液)が汲み出される。そして、第2燃料補給管34内のチェックバルブ36よりも上流側の部分の圧力が所定圧以上になると、チェックバルブ36が自動的に開き、電解液が第2燃料補給管34を通して燃料サブタンク23に供給される。
<燃料電池の冷却>
冷却水供給管111および冷却水排出管112内には、冷却水が封入されている。
燃料電池11の発電時には、ウォータポンプ115が駆動される。ウォータポンプ115が駆動されると、冷却水が冷却水供給管111を燃料電池11の冷却水入口16に向けて流通する。冷却水供給管111を流通する冷却水は、冷却水入口16を通して、燃料電池11に供給される。
燃料電池11に供給される冷却水は、冷却水流路を流通し、冷却水出口17を通して、冷却水排出管112に流出する。冷却水が冷却水流路を流通することにより、燃料電池11が冷却される。
冷却水排出管112に流出した冷却水は、冷却水排出管112をラジエータ113に向けて流通する。三方流量弁114に設けられた分岐管116の接続ポートが閉じられているときには、冷却水排出管112を流通する冷却水は、ラジエータ113を通過して、冷却水供給管111に戻る。ラジエータ113を通過する冷却水は、走行風および/またはラジエータファン113Fからの送風によって冷却される。一方、分岐管116の接続ポートが閉じられているときには、冷却水排出管112を流通する冷却水は、ラジエータ113をバイパスして、冷却水供給管111に戻る。
[燃料電池の昇温制御]
図2は、昇温制御の内容を示すフローチャートである。
燃料電池11の発電時には、FC−ECU301により、図2に示される昇温制御が繰り返し実行される。
昇温制御では、まず、燃料電池11を昇温させる必要があるか否かが判断される(ステップS1)。具体的には、FC入口燃料温度センサ192によって検出される液体の温度、つまり燃料供給管54から燃料入口12に流入する液体の温度が予め定められた所定温度(たとえば、60℃)以下であるか否かが判断される。そして、FC入口燃料温度センサ192によって検出される温度が所定温度以下であれば、燃料電池11を昇温させる必要があると判断される。一方、FC入口燃料温度センサ192によって検出される温度が所定温度未満であれば、燃料電池11を昇温させる必要がないと判断される。
燃料電池11を昇温させる必要がないときには(ステップS1のNO)、この昇温制御がリターンされる。
燃料電池11を昇温させる必要があるときには(ステップS1のYES)、燃料循環路を循環している液体の量が予め定められた適正範囲の上限値よりも少ないか否かが判断される(ステップS2)。
燃料電池システム1では、たとえば、通常は、サブタンク三方弁53における第1送出管51と接続された入口ポートが閉じられ、第2送出管52と接続された入口ポートが開かれて、燃料サブタンク23のB室43内の液体が燃料電池11に向けて送出される。そして、燃料循環路を循環している液体の量が適正範囲の上限値であるときには、燃料サブタンク23のB室43内の液体の液面が所定の第2上限位置に位置し、レベルスイッチ164がオンになる。したがって、燃料循環路を循環している液体の量が適正範囲の上限値よりも少ないか否かは、レベルスイッチ164がオフであるか否かによって判断することができる。
燃料循環路を循環している液体の量が適正範囲の上限値よりも少ないときには(ステップS2のYES)、燃料電池11からエア排出管91に排出される蒸気量を減少させるべく(ステップS3)、エア背圧調整弁105の開度が所定量だけ小さくされる。
エア排出管91内の圧力が高いほど、燃料電池11からエア排出管91に排出されるエアの流量が減少し、これに伴って、燃料電池11からエア排出管91に排出される蒸気量が減少する。したがって、エア背圧調整弁105の開度が所定量だけ小さくされることにより、燃料電池11からエア排出管91に排出される蒸気量が減少する。
その後は、燃料電池11の昇温の要否が再び判断される(ステップS1)。燃料電池11の昇温が依然として必要であるときには(ステップS1のYES)、燃料循環路を循環している液体の量が適正範囲の上限値よりも少ないか否かが再び判断される(ステップS2)。
ここで、燃料循環路を循環している液体の量が適正範囲の上限値以上である場合、つまりレベルスイッチ164がオンになっている場合には(ステップS2のNO)、燃料濃度センサ183によって検出される液体燃料の濃度が予め定められた濃度下限値よりも高いか否かが判断される(ステップS4)。
液体燃料の濃度が濃度下限値よりも高い場合には(ステップS4のYES)、1回の補給動作で第1燃料タンク21および第2燃料タンク22から燃料サブタンク23に供給される水加ヒドラジンおよび水酸化カリウム水溶液の量が減らされる(ステップS5)。
燃料循環路を循環している液体の量が適正範囲の上限値以上であり、かつ、その液体中の液体燃料の濃度が濃度下限値に低下するまでは、液体燃料の濃度が適正範囲の下限値以下に低下しても、1回の補給動作で燃料サブタンク23に供給される水加ヒドラジンおよび水酸化カリウム水溶液の量が減らされる(ステップS5)。そして、昇温制御が繰り返されるうちに、液体燃料の濃度が濃度下限値に達すると(ステップS4のNO)、昇温制御がリターンされる。
[作用効果]
以上のように、燃料電池11からエア排出管91に排出される空気には、液体燃料および水の蒸気が含まれる。
燃料電池11からエア排出管91への蒸気の排出量は、燃料電池11からエア排出管91に排出される空気の流量(エア排出管91を流通する空気の流量)によって変化する。すなわち、燃料電池11からエア排出管91に排出される空気の流量が大きいほど、燃料電池11からエア排出管91への蒸気の排出量が増加する。逆に、エア排出管91に排出される空気の流量が小さいほど、燃料電池11からエア排出管91への蒸気の排出量が少なくなる。そして、燃料電池11からの蒸気の排出量が少ないほど、燃料電池11で液体燃料および水が蒸気に相変化するときに吸収する潜熱量が小さく、その潜熱による燃料電池11の冷却量が減少する。
燃料電池11の昇温が必要なときには、昇温が不要なときよりも、燃料電池11からエア排出管91に排出される蒸気量が減らされる。これにより、潜熱による燃料電池11の冷却量が減少する。その結果、燃料電池11の温度が上昇する。
よって、液体燃料を無駄に消費することなく、燃料電池11の温度を速やかに上昇させることができる。
燃料電池11からエア排出管91に排出されるエアの流量は、エア排出管91の圧力(背圧)によって変化する。すなわち、エア排出管91内の圧力が高いほど、燃料電池11からエア排出管91に排出されるエアの流量が減少する。したがって、エア排出管91内の圧力を上げることにより、燃料電池11からエア排出管91に排出されるエアの流量を減少させて、燃料電池11からエア排出管91への蒸気の排出量を減少させることができる。
燃料電池11からエア排出管91への蒸気の排出量が減少すると、燃料電池11でクロスリークする液体燃料および水の量が減少し、燃料循環路を循環する液体の量が増加する。そのため、燃料サブタンク23のB室43内の液体の液面が所定の第2上限位置に位置し、レベルスイッチ164がオンになると、燃料循環路を循環している液体の量が適正範囲の上限値に達したと判断され、その液体中の液体燃料の濃度が濃度下限値に低下することを限度として、1回の補給動作で第1燃料タンク21および第2燃料タンク22から燃料サブタンク23に供給される水加ヒドラジンおよび水酸化カリウム水溶液の量が減らされる。
これにより、燃料循環路を循環する液体の量を適正に保つことができる。また、燃料循環路に供給される常温の水加ヒドラジンおよび水酸化カリウムの量が減らされるので、燃料循環路を循環する液体の温度の低下が抑制され、燃料電池11のさらなる昇温効果を得ることができる。
[変形例]
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、他の形態で実施することもできる。
たとえば、燃料電池11に供給される空気の流量が小さいほど、燃料電池11からエア排出管91に排出される空気の流量が減少する。したがって、燃料電池11からエア排出管91に排出される空気の流量を減少させて、燃料電池11からエア排出管91への蒸気の排出量を減少させるために、エア背圧調整弁105の開度が所定量だけ小さくされることに代えて、エアコンプレッサ81からエア供給管85に送り出されるエアの流量が所定量だけ減らされてもよいし、エア背圧調整弁105の開度が所定量だけ小さくされるとともに、エアコンプレッサ81からエア供給管85に送り出されるエアの流量が所定量だけ減らされてもよい。
また、燃料循環路を循環する液体の量を減らすために、液体燃料の濃度が濃度下限値よりも高い場合には、1回の補給動作で第1燃料タンク21および第2燃料タンク22から燃料サブタンク23に供給される水加ヒドラジンおよび水酸化カリウム水溶液の量が減らされるとしたが、第1燃料タンク21および第2燃料タンク22から燃料サブタンク23への水加ヒドラジンおよび水酸化カリウム水溶液の供給が禁止(停止)されてもよい。
その他、前述の構成には、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
1 燃料電池システム
11 燃料電池
21 第1燃料タンク(燃料タンク)
22 第2燃料タンク(燃料タンク)
23 燃料サブタンク(燃料循環路)
24 気液分離器(燃料循環路)
51 第1送出管(燃料循環路)
52 第2送出管(燃料循環路)
54 燃料供給管(燃料循環路)
61 燃料排出管(燃料循環路)
71 燃料帰還管(燃料循環路)
81 エアコンプレッサ(流量減少手段)
91 エア排出管(空気排出路)
105 エア背圧調整弁(流量減少手段)
164 レベルスイッチ(循環液量検出手段)
183 燃料濃度センサ(濃度検出手段)
301 FC−ECU(昇温判断手段、流量減少手段、燃料補給抑制手段)
11 燃料電池
21 第1燃料タンク(燃料タンク)
22 第2燃料タンク(燃料タンク)
23 燃料サブタンク(燃料循環路)
24 気液分離器(燃料循環路)
51 第1送出管(燃料循環路)
52 第2送出管(燃料循環路)
54 燃料供給管(燃料循環路)
61 燃料排出管(燃料循環路)
71 燃料帰還管(燃料循環路)
81 エアコンプレッサ(流量減少手段)
91 エア排出管(空気排出路)
105 エア背圧調整弁(流量減少手段)
164 レベルスイッチ(循環液量検出手段)
183 燃料濃度センサ(濃度検出手段)
301 FC−ECU(昇温判断手段、流量減少手段、燃料補給抑制手段)
Claims (2)
- 膜/電極接合体を備える燃料電池と、
前記燃料電池に供給される液体燃料を含む液体が循環する燃料循環路と、
前記燃料電池から排出される空気が流通する空気排出路と、
前記燃料電池の温度上昇の要/不要を判断する昇温判断手段と、
前記昇温判断手段によって温度上昇要と判断されているときに、前記昇温判断手段によって温度上昇不要と判断されているときよりも、前記空気排出路を流通する空気の流量を減少させる流量減少手段とを含む、燃料電池システム。 - 前記燃料循環路に補給される液体燃料を貯留する燃料タンクと、
前記燃料循環路を循環する液体の量である循環液量を検出する循環液量検出手段と、
前記燃料循環路を循環する液体中の液体燃料の濃度を検出する濃度検出手段と、
前記循環液量検出手段によって検出される循環液量が所定量を超えている場合、前記濃度検出手段によって検出される濃度が所定濃度に達するまで、前記燃料タンクから前記燃料循環路への液体燃料の補給を抑制する燃料補給抑制手段とをさらに含む、請求項1に記載の燃料電池システム。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012192389A JP2014049338A (ja) | 2012-08-31 | 2012-08-31 | 燃料電池システム |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012192389A JP2014049338A (ja) | 2012-08-31 | 2012-08-31 | 燃料電池システム |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2014049338A true JP2014049338A (ja) | 2014-03-17 |
Family
ID=50608800
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2012192389A Pending JP2014049338A (ja) | 2012-08-31 | 2012-08-31 | 燃料電池システム |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2014049338A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2017016832A (ja) * | 2015-06-30 | 2017-01-19 | ダイハツ工業株式会社 | 燃料電池システム |
-
2012
- 2012-08-31 JP JP2012192389A patent/JP2014049338A/ja active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2017016832A (ja) * | 2015-06-30 | 2017-01-19 | ダイハツ工業株式会社 | 燃料電池システム |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP3722019B2 (ja) | 燃料電池システム | |
JPWO2012115196A1 (ja) | 燃料電池システム | |
JP6079227B2 (ja) | 燃料電池システム | |
WO2013180080A1 (ja) | 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法 | |
KR101966449B1 (ko) | 연료전지 시스템의 공기 공급장치 및 에어 블로어 압력 조절방법 | |
JP5199645B2 (ja) | 燃料電池システム | |
JP6071342B2 (ja) | 燃料電池システム | |
JP6071343B2 (ja) | 燃料濃度制御装置 | |
JP2014049338A (ja) | 燃料電池システム | |
JP2014049337A (ja) | 燃料電池システム | |
JP2014049340A (ja) | 燃料電池システム | |
JP2023132389A (ja) | 燃料電池システム及び燃料電池システムの弁制御方法 | |
JP6094214B2 (ja) | 燃料電池システム | |
JP5875444B2 (ja) | 燃料電池システム | |
JP2013246935A (ja) | 燃料電池システム | |
JP6071388B2 (ja) | 燃料電池システムの冷却制御装置 | |
JP6028347B2 (ja) | 燃料電池システム | |
JP7006158B2 (ja) | 燃料電池システム | |
JP6021630B2 (ja) | 燃料電池システム | |
JP6021629B2 (ja) | 循環液量算出装置 | |
JP5968008B2 (ja) | 燃料電池システム | |
JP2014049336A (ja) | 燃料電池システム | |
JP2021022535A (ja) | 燃料電池システム | |
JP2012182096A (ja) | 燃料電池システムおよびその制御方法 | |
JP2014197509A (ja) | 燃料電池システム |