JP2020035644A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【課題】冷媒による燃料電池の燃料ガス導出部の閉塞を防止しつつ、燃料電池の電解質膜の乾燥を抑制できる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システム1は、酸化ガスが一方向に流れる酸化ガス流路101と、酸化ガスの流れ方向とは反対方向に燃料ガスが流れる燃料ガス流路102と、冷媒が流れる冷媒流路103とを有する燃料電池10と、外気温検出部60と、アクセル開度検出部70と、冷媒の流れ方向を制御する制御部50とを備える。制御部50は、外気温検出部60によって検出された外気温が所定値以下である第1状態、又は外気温が所定範囲にあり且つアクセル開度検出部70によって検出されたアクセル開度が基準値以上である第2状態の場合に、冷媒を燃料ガスの流れ方向と同じ方向に流すように制御し、第1状態及び第2状態以外の場合に、冷媒を酸化ガスの流れ方向と同じ方向に流すように制御する。【選択図】図4
Description
本発明は、燃料電池システムに関する。
従来、このような分野の技術として、例えば下記特許文献1に記載されるものがある。特許文献1に記載の燃料電池システムは、複数の燃料電池セルが積層される燃料電池を備え、該燃料電池には酸化ガス流路、燃料ガス流路及び冷媒流路が設けられている。そして、冷媒流路の燃料電池の入口における冷媒の温度が所定値以下であった場合に、通常運転時よりも少ない流量で冷媒を循環させることで、氷点下始動時における暖機時間の短縮を図ることができる。
しかし、上述の燃料電池システムでは、冷媒は燃料電池セルの発電面上を酸化ガスと同じ方向且つ燃料ガスとは反対方向に流れているため、燃料電池セルの発電面を通過していない冷たい冷媒が燃料ガス導出部を冷却し、燃料電池セル内の残水や生成水が凍結して燃料ガス導出部を閉塞してしまうおそれがある。燃料ガス導出部を閉塞すると、燃料ガスが欠乏状態になり、負電圧が生じる可能性がある。このような問題を解決するために、冷媒を燃料ガスと同じ方向(すなわち、酸化ガスと反対方向)に流すことも考えられるが、酸化ガス導入部を冷却できなくなるため、燃料電池セルの電解質膜が乾燥し、発電性能の低下を招く問題が新たに生じる。
本発明は、冷媒による燃料電池の燃料ガス導出部の閉塞を防止しつつ、燃料電池の電解質膜の乾燥を抑制できる燃料電池システムを提供することを目的とする。
本発明に係る燃料電池システムは、酸化ガスが一方向に流れる酸化ガス流路と、酸化ガスの流れ方向とは反対方向に燃料ガスが流れる燃料ガス流路と、冷媒が流れる冷媒流路とを有する燃料電池と、外気の温度を検出する外気温検出部と、アクセルの開度を検出するアクセル開度検出部と、冷媒の流れ方向を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記外気温検出部によって検出された外気温が所定値以下である第1状態、又は、前記外気温検出部によって検出された外気温が所定範囲にあり且つ前記アクセル開度検出部によって検出されたアクセル開度が基準値以上である第2状態の場合に、冷媒を燃料ガスの流れ方向と同じ方向に流すように制御し、前記第1状態及び前記第2状態以外の場合に、冷媒を酸化ガスの流れ方向と同じ方向に流すように制御することを特徴としている。
本発明に係る燃料電池システムでは、制御部は、外気温検出部によって検出された外気温が所定値以下である第1状態、又は外気温検出部によって検出された外気温が所定範囲にあり且つアクセル開度検出部によって検出されたアクセル開度が基準値以上である第2状態の場合に、冷媒を燃料ガスの流れ方向と同じ方向に流すように制御するので、冷媒による燃料ガス導出部の閉塞を防止することができる。また、上述の第1状態及び第2状態以外の場合に、制御部は冷媒を酸化ガスの流れ方向と同じ方向に流すように制御するので、冷媒による酸化ガス導入部の冷却を確保でき、燃料電池の電解質膜の乾燥を抑制することができる。
本発明によれば、冷媒による燃料電池の燃料ガス導出部の閉塞を防止しつつ、燃料電池の電解質膜の乾燥を抑制することができる。
以下、図面を参照して本発明に係る燃料電池システムの実施形態について説明する。
図1は実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図であり、図2は燃料電池の構造を示す模式断面図であり、図3は燃料電池を示す模式平面図である。本実施形態の燃料電池システム1は、車両に搭載されて車両の駆動源として用いられるシステムであり、燃料電池10と、燃料電池10に空気等の酸化ガスを供給する酸化ガス供給系20と、燃料電池10に水素等の燃料ガスを供給する燃料ガス供給系30と、燃料電池10に冷媒を供給する冷媒供給系40と、燃料電池システム1の動作を制御する制御部50と、外気の温度を検出する外気温検出部60と、アクセルの開度を検出するアクセル開度検出部70とを備えている。
図2に示すように、燃料電池10は、複数の燃料電池セル11を積層してなるセルスタックであり、固体高分子電解質型燃料電池を構成する。燃料電池10の内部には、酸化ガス供給系20と接続される酸化ガス流路101と、燃料ガス供給系30と接続される燃料ガス流路102と、冷媒供給系40と接続される冷媒流路103とがそれぞれ複数設けられている。
燃料電池セル11は、酸化ガス(例えば空気)と、燃料ガス(例えば水素ガス)との電気化学反応により起電力を発生するセルである。この燃料電池セル11は、MEGA(膜電極ガス拡散層接合体 Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly)12と、MEGA12を挟持する一対のセパレータ13,13とを備えている。
MEGA12は、MEA(膜電極接合体 Membrane Electrode Assembly)14と、MEA4の両面に配置されたガス拡散層17,17とが、一体化されたものである。MEA14は、電解質膜15と、電解質膜15を挟むように接合された一対の電極16,16とからなる。電解質膜15は、固体高分子材料で形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜からなる。電極16は、例えば、白金等の触媒を担持した例えば多孔質のカーボン素材により形成されている。電解質膜15の一方側に配置された電極16がアノード電極となり、他方側の電極16がカソード電極となる。ガス拡散層17は、例えばカーボンペーパー若しくはカーボンクロス等のカーボン多孔質体、または、金属メッシュ若しくは発泡金属等の金属多孔質体等のガス透過性を有する導電性部材によって形成されている。
MEGA12は燃料電池10の発電部を構成しており、セパレータ13はMEGA12のガス拡散層17に接するように配置されている。セパレータ13は、凹部13aと凸部13bとを交互に繰り返すことにより波形に形成されている。凹部13aの底部は平面状を呈しており、MEGA12のガス拡散層17と面接触している。一方、凸部13bの頂部も平面状を呈しており、隣接するセパレータ13における凸部13bの頂部と面接触している。
一対のガス拡散層17,17のうち一方のガス拡散層17は、それに隣接するセパレータ13の凸部13bとともに、燃料ガスが流れる燃料ガス流路102を形成している。他方のガス拡散層17は、それに隣接するセパレータ13の凸部13bとともに、酸化ガスが流れる酸化ガス流路101を形成している。
燃料電池セル11同士は、ある燃料電池セル11のアノード電極16と、それに隣接する他の燃料電池セル11のカソード電極16とを向き合わせた状態で積層されている。これによって、隣接するセパレータ13の凹部13a同士の間には、空間が形成されている。この空間は、冷媒が流れる冷媒流路103になる。
また、図3に示すように、燃料電池セル11の長手方向の一端縁部(図3では右側縁部)には、酸化ガス導入部18aと、第1冷媒導出入部18bと、燃料ガス導出部18cとが順に配置されている。燃料電池セル11の長手方向の他端縁部(図2では左側縁部)には、燃料ガス導入部18dと、第2冷媒導出入部18eと、酸化ガス導出部18fとが順に配置されている。従って、燃料電池セル11において、酸化ガスは右側から左側に向かう方向に流れ、燃料ガスは左側から右側に向かう方向に流れる。すなわち、酸化ガスの流れ方向と燃料ガスの流れ方向とは逆になっている。なお、これらの導入部、導出部及び導出入部は、それぞれマニホールド孔によって形成されている。
一方、冷媒は、第1冷媒導出入部18bから第2冷媒導出入部18eに向かう方向、及び、第2冷媒導出入部18eから第1冷媒導出入部18bに向かう方向のいずれにも流れるように、制御部50によって制御されている。これに関する説明は後述する。
図1に示すように、酸化ガス供給系20は、例えば、燃料電池10のカソード電極16に酸化ガスを供給するための酸化ガス供給経路21と、燃料電池セル11で電気化学反応に供された後の酸化オフガス(すなわち、未消費の酸化ガス)を燃料電池10から排出する酸化ガス排出経路22と、酸化ガスを燃料電池10を介さずにバイパスして酸化ガス排出経路22に流すバイパス経路23とを有する。
酸化ガス供給経路21には、上流側から、エアクリーナ24、エアコンプレッサ25、インタクーラ26等が設けられている。一方、酸化ガス排出経路22には、マフラ27等が備えられている。なお、酸化ガス供給経路21のエアクリーナ24には、例えば、図示しない大気圧センサ、エアフローメータ等が設けられている。
エアクリーナ24は、外部から取り込まれた空気中の塵埃を除去する。エアコンプレッサ25は、エアクリーナ24を介して導入された酸化ガスを圧縮し、圧縮された酸化ガスをインタクーラ26に供給する。インタクーラ26は、エアコンプレッサ25から供給された酸化ガスを通過させるときに、例えば冷媒との熱交換によって酸化ガスを冷却し、更に燃料電池10のカソード電極16に供給する。
また、酸化ガス供給経路21には、インタクーラ26と燃料電池10との間の酸化ガスの流れを遮断するための入口弁21Vが設けられている。入口弁21Vは、例えば、インタクーラ26から燃料電池10に向かう酸化ガスの流れによって開弁して酸化ガスを流すとともに、燃料電池10からインタクーラ26へ向かう酸化ガスの流れによって閉弁して酸化ガスの流れを遮断する逆止弁である。
バイパス経路23は、一端が酸化ガス供給経路21のインタクーラ26の下流側に接続され、他端が酸化ガス排出経路22に接続されている。言い換えれば、バイパス経路23は、酸化ガス供給経路21のインタクーラ26の下流側から、酸化ガス排出経路22に向けて分岐接続されている。バイパス経路23には、エアコンプレッサ25によって供給され、インタクーラ26によって冷却されて排出された酸化ガスが、燃料電池10をバイパスして酸化ガス排出経路22に向けて流れる。このバイパス経路23には、該バイパス経路23を流れる酸化ガスの流量を調整するためのバイパス弁23Vが設けられている。
酸化ガス排出経路22において、マフラ27は、酸化ガス排出経路22に流れる酸化オフガスを、例えば気相と液相とに分離して外部に排出する。また、酸化ガス排出経路22には、燃料電池10に供給される酸化ガスの背圧を調整するための調圧弁22Vが設けられる。調圧弁22Vの下流側には、上述のバイパス経路23が接続されている。
一方、燃料ガス供給系30は、例えば、水素等の高圧の燃料ガスを貯留する燃料ガスタンク31と、燃料ガスタンク31からの燃料ガスを燃料電池10のアノード電極16へ供給する燃料ガス供給経路32と、燃料電池10から排出された燃料オフガス(すなわち、未消費の燃料ガス)を燃料ガス供給経路32に還流させる循環経路33と、後述する気液分離器37を介して循環経路33に分岐接続される排出経路34とを有する。
燃料ガス供給経路32には、燃料ガス供給経路32を開閉する遮断弁32Vと、燃料ガス供給経路32を流れる燃料ガスの圧力を調整するためのレギュレータ35と、調圧された燃料ガスを燃料電池10に向けて供給するためのインジェクタ36とが設けられている。遮断弁32Vを開くと、燃料ガスタンク31に貯留された高圧の燃料ガスが燃料ガス供給経路32に流出し、レギュレータ35やインジェクタ36により減圧されて、燃料電池10のアノード電極16に供給される。
循環経路33には、上流側(すなわち、燃料電池10側)から、気液分離器37及び排気排水弁38と、燃料ガス循環ポンプ39とが順に配置されている。気液分離器37は、循環経路33と接続されており、循環経路33を流れる燃料オフガスに含まれる生成水を気液分離し、分離した生成水を貯留するとともに、分離した燃料オフガスを燃料ガス循環ポンプ39側に送る。燃料ガス循環ポンプ39は、気液分離器37で気液分離した燃料オフガスを加圧して燃料ガス供給経路32に循環させる。
排出経路34の一端は排気排水弁38と接続され、他端は酸化ガス排出経路22と接続されている。
一方、冷媒供給系40は、例えば、ラジエータ42と燃料電池10との間で冷媒を循環させる冷媒循環経路41と、該冷媒循環経路41に設けられたウォーターポンプ43とを有する。ウォーターポンプ43は、冷媒循環経路41の往路側に配置されており、冷媒を加圧して燃料電池10に供給する。冷媒としては、例えば水、エチレングリコール等の不凍水、空気などが用いられる。そして、冷媒循環経路41を流れる冷媒は、燃料電池10を通過する際に、電気化学反応により生じた熱を吸収し温められ、更にラジエータ42を通過するときに放熱することで、冷却される。
制御部50は、CPU、ROM、RAMなどを備えたマイクロコンピュータによって構成され、RAMなどに記憶されたプログラムに従って各種演算などの処理を実行する。制御部50は、酸化ガス供給系20のエアコンプレッサ25、入口弁21V、調圧弁22V及びバイパス弁23V、燃料ガス供給系30の遮断弁32V、レギュレータ35及び燃料ガス循環ポンプ39、冷媒供給系40のウォーターポンプ43等とそれぞれ接続されており、これらの機器の動作を制御する。
また、制御部50は、外気温検出部60及びアクセル開度検出部70とそれぞれ接続されており、これらの検出部によって検出された結果に基づいて冷媒の流れ方向を制御する。具体的には、制御部50は、外気温検出部60によって検出された外気温が所定値以下である第1状態、又は、外気温検出部60によって検出された外気温が所定範囲にあり且つアクセル開度検出部70によって検出されたアクセル開度が基準値以上である第2状態の場合に、冷媒を燃料ガスの流れ方向と同じ方向に流すように制御しており、第1状態及び第2状態以外の場合に、冷媒を酸化ガスの流れ方向と同じ方向に流すように制御する。なお、冷媒の流れ方向の変化は、例えばウォーターポンプ43の正転と逆転を介して実行される。
以下、図4を参照して燃料電池システム1の制御処理、すなわち制御部が各状態に応じて冷媒の流れ方向を変える処理を説明する。
図4は燃料電池システムの制御を示すフローチャートである。図4のフローチャートに記載の制御処理は、一定の周期で繰り返し実行される。
まず、ステップS11では、制御部50は、外気温検出部60に検出された外気温の結果を取得し、氷点下始動か否かを判定する。氷点下始動でないと判定された場合、制御処理はステップS12に進み、通常運転が実行される。ここでの通常運転とは、冷媒の流れ方向を酸化ガスの流れ方向と同じにすることである。すなわち、冷媒は第1冷媒導出入部18bから第2冷媒導出入部18eに向かって流れる。
一方、ステップS11で氷点下始動であると判定された場合、制御処理はステップS13に進む。ステップS13では、制御部50は、外気温が所定値(例えば、−15℃)以下である第1状態、又は外気温が所定範囲(例えば、0℃〜−15℃)にあり且つアクセル開度が基準値以上である第2状態になっているか否かを判定する。
具体的には、制御部50は、外気温検出部60によって検出された外気温の検出結果と、アクセル開度検出部70によって検出されたアクセル開度の検出結果をそれぞれ取得する。次に、制御部50は、外気温の検出結果が−15℃以下であるかを判定することにより、現在の状態が第1状態になっているか否かを判定する。また、制御部50は、外気温の検出結果が0℃〜−15℃の範囲にあるか否かを判定しつつ、アクセル開度の検出結果に基づいて該検出結果に対応する燃料電池10の電流密度を演算し、演算した電流密度がアクセル開度基準値に対応する電流密度基準値(例えば、1A/cm2)以上であるかを判定することにより、現在の状態が第2状態になっているか否かを判定する。
そして、現在の状態が上述の第1状態及び第2状態のいずれにもなっていないと判定された場合(すなわち、第1状態及び第2状態以外の場合)、制御処理はステップS12に進み、通常運転が実行される。一方、現在の状態が上述の第1状態又は第2状態になっていると判定された場合、制御処理はステップS14に進む。
ステップS14では、制御部50は、冷媒を燃料ガスの流れ方向と同じ方向に流すように制御する。具体的には、制御部50は、ウォーターポンプ43を逆回転させることで、冷媒を第2冷媒導出入部18eから第1冷媒導出入部18bに向かう方向に流す。
本実施形態の燃料電池システム1では、制御部50は、外気温検出部60によって検出された外気温が所定値以下である第1状態、又は外気温が所定範囲にあり且つアクセル開度検出部70によって検出されたアクセル開度が基準値以上である第2状態の場合に、冷媒を燃料ガスの流れ方向と同じ方向に流すように制御するので、冷媒による燃料ガス導出部18cの閉塞を防止することができる。また、上述の第1状態及び第2状態以外の場合に、制御部50は冷媒を酸化ガスの流れ方向と同じ方向に流すように制御するので、冷媒による酸化ガス導入部18aの冷却を確保することができ、燃料電池10の電解質膜15の乾燥を抑制することができる。
なお、本願発明者は、冷媒の流れ方向を変えない従来品と、冷媒の流れ方向を状態に応じて変える発明品について、氷点下始動を実施した場合際のセル電圧をそれぞれ測定した。その測定結果を図5に示す。図5において、(a)は従来品のセル電圧、(b)は発明品のセル電圧である。図5から、従来品の場合と比べて、発明品の場合は、燃料ガス導出部閉塞により負電圧が生じた部分が少ないことが分かり、本発明による燃料ガス導出部の閉塞を防止できる効果が示された。
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。
1 燃料電池システム
10 燃料電池
11 燃料電池セル
12 MEGA
13 セパレータ
14 MEA
15 電解質膜
16 電極
17 ガス拡散層
18a 酸化ガス導入部
18b 第1冷媒導出入部
18c 燃料ガス導出部
18d 燃料ガス導入部
18e 第2冷媒導出入部
18f 酸化ガス導出部
20 酸化ガス供給系
21 酸化ガス供給経路
21V 入口弁
22 酸化ガス排出経路
22V 調圧弁
23 バイパス経路
23V バイパス弁
24 エアクリーナ
25 エアコンプレッサ
26 インタクーラ
27 マフラ
30 燃料ガス供給系
31 燃料ガスタンク
32 燃料ガス供給経路
32V 遮断弁
33 循環経路
34 排出経路
35 レギュレータ
36 インジェクタ
37 気液分離器
38 排気排水弁
39 燃料ガス循環ポンプ
40 冷媒供給系
41 冷媒循環経路
42 ラジエータ
43 ウォーターポンプ
50 制御部
60 外気温検出部
70 アクセル開度検出部
101 酸化ガス流路
102 燃料ガス流路
103 冷媒流路
10 燃料電池
11 燃料電池セル
12 MEGA
13 セパレータ
14 MEA
15 電解質膜
16 電極
17 ガス拡散層
18a 酸化ガス導入部
18b 第1冷媒導出入部
18c 燃料ガス導出部
18d 燃料ガス導入部
18e 第2冷媒導出入部
18f 酸化ガス導出部
20 酸化ガス供給系
21 酸化ガス供給経路
21V 入口弁
22 酸化ガス排出経路
22V 調圧弁
23 バイパス経路
23V バイパス弁
24 エアクリーナ
25 エアコンプレッサ
26 インタクーラ
27 マフラ
30 燃料ガス供給系
31 燃料ガスタンク
32 燃料ガス供給経路
32V 遮断弁
33 循環経路
34 排出経路
35 レギュレータ
36 インジェクタ
37 気液分離器
38 排気排水弁
39 燃料ガス循環ポンプ
40 冷媒供給系
41 冷媒循環経路
42 ラジエータ
43 ウォーターポンプ
50 制御部
60 外気温検出部
70 アクセル開度検出部
101 酸化ガス流路
102 燃料ガス流路
103 冷媒流路
Claims (1)
- 酸化ガスが一方向に流れる酸化ガス流路と、酸化ガスの流れ方向とは反対方向に燃料ガスが流れる燃料ガス流路と、冷媒が流れる冷媒流路とを有する燃料電池と、
外気の温度を検出する外気温検出部と、
アクセルの開度を検出するアクセル開度検出部と、
冷媒の流れ方向を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記外気温検出部によって検出された外気温が所定値以下である第1状態、又は、前記外気温検出部によって検出された外気温が所定範囲にあり且つ前記アクセル開度検出部によって検出されたアクセル開度が基準値以上である第2状態の場合に、冷媒を燃料ガスの流れ方向と同じ方向に流すように制御し、
前記第1状態及び前記第2状態以外の場合に、冷媒を酸化ガスの流れ方向と同じ方向に流すように制御することを特徴とする燃料電池システム。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2018161037A JP2020035644A (ja) | 2018-08-30 | 2018-08-30 | 燃料電池システム |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2018161037A JP2020035644A (ja) | 2018-08-30 | 2018-08-30 | 燃料電池システム |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2020035644A true JP2020035644A (ja) | 2020-03-05 |
Family
ID=69668492
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2018161037A Pending JP2020035644A (ja) | 2018-08-30 | 2018-08-30 | 燃料電池システム |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2020035644A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114962268A (zh) * | 2021-02-24 | 2022-08-30 | 丰田自动车株式会社 | 燃料电池***、控制装置以及移动体 |
-
2018
- 2018-08-30 JP JP2018161037A patent/JP2020035644A/ja active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114962268A (zh) * | 2021-02-24 | 2022-08-30 | 丰田自动车株式会社 | 燃料电池***、控制装置以及移动体 |
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