JP4839565B2

JP4839565B2 - Fuel cell system

Info

Publication number: JP4839565B2
Application number: JP2002360199A
Authority: JP
Inventors: 敏之松野; 和利野本
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2002-12-12
Filing date: 2002-12-12
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2022-12-12
Also published as: JP2004192974A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気中の酸素と燃料流体を反応させて発電を行う燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、燃料流体を供給することで発電体に電力を発生させる手段であり、自動車などの車両に搭載して電気自動車やハイブリット式車両としての応用が大きく期待されている他、その軽量化や小型化が容易となる構造から、現状の乾電池や充電式電池の如き用途に限らず、例えば携帯可能な機器への応用が研究や開発の段階にある。燃料電池では、水素を燃料とする場合、負極である水素側電極（アノード）では触媒と高分子電解質層の接触界面において、Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻の如き反応が生ずる。酸素を酸化剤とした場合、正極である酸素側電極（カソード）では同様に１／２Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻＝Ｈ_２Ｏの如き反応が起こり水が生成される。
【０００３】
このような燃料電池として、発電に用いる酸素を大気中から取り入れる空気開放型のものが提案されている。また、燃料電池は単位素子（単位セル）を複数結合させることにより、出力される電力量を高めることが可能であり、例えば高分子電解質層（伝導体膜）の両面に電極（拡散層）を形成してなる接合体をセパレータで挟みこんで単位素子を形成し、これら単位素子が積層されたスタック構造を有する燃料電池も開発されている。
【０００４】
燃料電池による発電では、化学反応に伴うプロトンの伝導を高分子電解質層が行うため、効率の良い発電反応を継続して行うためには高分子電解質層の湿潤状態や温度状態を管理する必要がある。また、発電に伴う発熱と発電により生成した水による湿度は発電量と使用環境により常に変化する。特に外気が低湿度かつ高温度な環境下で低電流の発電を行った場合には、発電によって生成される水分量が少なく、燃料電池における発電反応は発熱反応であり、発電反応が活発に行われる部分は高温となり易いために発電体の高分子電解質層が乾燥し、燃料電池における安定した発電に支障をきたす場合がある。一方、外気が高湿度かつ低温度な環境下で高電流の発電を行った場合には、発電によって生成される水分量が多いために、セパレータに形成された燃料ガスの流路に水が蓄積されて発電体の拡散層が水没し、燃料電池による発電を十分に行うことができない問題点が生じることになる。
【０００５】
従来の空気開放型の燃料電池システムでは、高分子電解質層の湿潤状態保持と温度状態管理のために、燃料電池に空気を取り込むための空気供給口にファンを設けている。このファンを回転させて燃料電池外部から空気の供給を行うことで、発電に必要な酸素を取り入れると同時に、発電反応によって生成した燃料電池内部の水分除去と発電反応によって生じた熱の放出とを行う。
【０００６】
しかしながら、燃料電池への空気の供給を単独のファンによって行い、燃料電池の乾燥と冷却の両機能を単独のファンが兼ねているため、燃料電池が低温度かつ高湿度の状況下でファンによる送風を行うと、湿度は低下するが温度は更に低下してしまい発電効率が低下してしまうという問題があった。同様に、燃料電池が高温度かつ低湿度の状況下でファンによる送風を行うと、温度は低下するが湿度は更に低下してしまい発電効率が低下してしまうという問題があった。
【０００７】
上述した問題点は、燃料電池による発電の際にかかる燃料電池の温度上昇の抑制と燃料電池に含まれる水分量の制御を両立させることが困難であることを示しており、これら問題点を同時に解決することができる技術が求められている。特に、スタック構造を有する燃料電池では、複数のセパレータに形成された流路に円滑に燃料ガスを流動させると共に燃料電池を構成する接合体を適度に吸湿させた状態とするようにかかる燃料電池の外部から酸素を含む空気を取り込み、所要の電力を安定して出力することができる技術が求められている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本願発明は、多様な燃料電池内部の状態や外部の環境に対応して、燃料電池内部の温度と湿度を発電に最適な環境に制御し、所要の電力を安定して出力することが可能な燃料電池システムを提供することを課題とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本願発明の燃料電池システムは、空気中の酸素と燃料流体とを反応させて発電を行う燃料電池を有する燃料電池システムであって、前記燃料電池は、発電部と、前記発電部に隣接して一体に形成された冷却部と、前記発電部に対向する位置に設けられ、前記発電部に酸素を含んだ流入気体を供給する空気供給手段および前記発電部の乾燥度を制御する乾燥制御手段を兼ねた空気供給ファンと、前記冷却部に対向する位置に設けられ、前記冷却部に冷却用流体を供給する冷却手段および前記発電部の温度を制御する温度制御手段を兼ねた冷却ファンと、を有し、前記空気供給ファンおよび前記冷却ファンを各々独立に制御して駆動するものである。
【００１６】
燃料電池が発電部と冷却部を有し、発電部に空気を供給する空気供給手段と、冷却部に冷媒を供給する冷却手段とを有することにより、発電に用いる酸素の発電部への供給および燃料電池内部の乾燥と、冷却部への冷媒の供給を別系統で行うことが出来る。また、空気供給手段および冷却手段を各々独立に制御して駆動することで、発電部内部の水分調整と燃料電池の温度調整を独立して行うことができ、燃料電池の温度環境と湿度環境をきめ細かく制御することが可能となり、燃料電池の発電効率を高めることが可能となる。
【００１８】
乾燥制御手段により燃料電池の乾燥程度を制御し、温度制御手段により燃料電池の温度を制御することにより、燃料電池の温度環境と湿度環境をきめ細かく制御することが可能となり、燃料電池の発電効率を高めることが可能となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明を適用した燃料電池システムおよび燃料電池運転方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお本願発明は以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。本実施の形態では、カソード電極と伝導体膜とアノード電極からなる発電体を多階層に積層して、燃料電池外部の空気を燃料電池内部に流入させることで、発電反応に用いられる酸素をカソード電極に供給する開放型スタックセル構造の燃料電池について述べる。
【００２２】
図１は本願発明の燃料電池システムを用いた燃料電池モジュール１の一例を示す分解斜視図である。燃料電池モジュール１は、筐体１０、制御基板２０、燃料電池３０、冷却ファン５１、空気供給ファン５２，５３、水素パージバルブ５４、レギュレータ５５及び手動バルブ５６を備える。また、燃料電池モジュール１は、水素ガスを吸蔵させた水素吸蔵カートリッジ６０から供給される水素ガスを燃料として使用して発電を行う。以下では水素ガスを燃料として使用する例を示して説明を行うが、燃料としてメタノール等の燃料流体を使用してもよい。
【００２３】
筐体１０の一方の側面には、開口部である排気口１１，１２及び１３が形成されている。排気口１１，１２及び１３からは、燃料電池３０を冷却するために燃料電池モジュール１内で流動された空気と燃料電池３０による発電反応後の空気とが排出される。また、筐体１０の排気口１１，１２及び１３に対向する面には吸気口が形成され、燃料電池３０を冷却するための空気と燃料電池３０による発電反応に供される酸素とを含む空気とが燃料電池モジュール１内に取り込まれる。また、筐体１０の一の端面には燃料電池モジュール１と外部との間で各種信号を送受信するための配線が通される接続孔１６が形成されている。
【００２４】
制御基板２０は燃料電池モジュール１を構成する各種機器を制御するための制御回路が形成され、燃料電池モジュール１に配設された基板である。制御回路の詳細については図中において詳細に示さないが、例えば冷却ファン５１及び空気供給ファン５２，５３の駆動の制御、或いは水素パージバルブ５４の開閉動作の制御回路、燃料電池３０により出力される電圧を昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータの如き電圧変換回路、さらに後述するセンサにて検知された温度や湿度などの各種環境条件を取得することにより各種機器の駆動に関する指示を制御基板２０に実装された回路に行わせることもできる。また、本例の燃料電池モジュール１においてはかかる燃料電池モジュール１内に制御基板２０が配設されるが、燃料電池モジュール１の外部に配設されていても良く、例えば、燃料電池モジュール１から駆動用の電力が提供される各種電子機器が制御基板２０を備えることもできる。
【００２５】
冷却ファン５１は、制御基板２０から送出される制御信号により回転数の制御が行われるファンであり、空気を冷却用流体として燃料電池３０に対して供給する冷却手段または温度制御手段として機能する。また、空気供給ファン５２，５３は、制御基板２０から送出される制御信号により回転数の制御が行われるファンであり、酸素を含んだ流入気体としての空気を燃料電池３０に対して供給する空気供給手段および燃料電池３０の乾燥度を制御する乾燥制御手段として機能する。
【００２６】
水素パージバルブ５４は、燃料電池３０内部の燃料が流れる流路に蓄積された水を排出する水排出手段であり、流路を大気開放することで流路から水を排出することができる。また、水素パージバルブ５４を例えば電磁力を用いた駆動方式により駆動することも可能であり、水素パージバルブ５４を駆動させるための電力を燃料電池３０から供給するようにしても良い。
【００２７】
レギュレータ５５は、燃料流体である水素ガスの圧力制御を行う圧力制御手段であり、水素吸蔵カートリッジ６０から供給される水素ガスの圧力を所要の圧力になるように調整し、燃料電池３０に送り出す。例えば、水素吸蔵カートリッジ６０から供給される水素ガスの圧力が０．８〜１．０ＭＰａ程度である場合、レギュレータ５５はこれら水素ガスの圧力を０．０５〜０．１０ＭＰａ程度の圧力に減圧し燃料電池３０に供給することができる。
【００２８】
手動バルブ５６は、燃料流体である水素ガスを燃料電池３０に供給するガス供給手段であり、燃料電池３０にて発電を行う際に水素吸蔵カートリッジ６０から燃料電池３０に水素ガスを供給するための流路を開放する。
【００２９】
次に、図１に示した燃料電池モジュール１の燃料電池３０部分の空気開放型の燃料電池スタック構造について、図２および図３を用いて詳細に説明する。図２（ａ）は燃料電池３０の構造を示す上面図であり、燃料電池３０に取り付けられた冷却ファン５１および空気供給ファン５２，５３を取り付けた状態での空気の流れを示した模式図である。図２（ｂ）は、燃料電池３０を図２（ａ）中の矢印Ａ−Ａ位置で切断した正面断面図である。図２（ｃ）は図２（ｂ）中で実線楕円で囲んだ領域を拡大した部分拡大断面図である。
【００３０】
燃料電池３０は、発電部３１と冷却フィン３２と保持部材３３とから構成されており、発電部３１と冷却フィン３２とは一体に形成されている。保持部材３３は発電部３１と冷却フィン３２の正面部分に固定して取り付けられた部材であり、冷却ファン５１と空気供給ファン５２，５３とを固定して保持する部材である。冷却ファン５１は保持部材３３に取り付けられることで冷却フィン３２の直横に位置し、空気供給ファン５２，５３は保持部材３３に取り付けられることで発電部３１の直横に位置することとなる。また、保持部材３３には空気の流出入が可能な開口部３４，３５及び３６が形成されており、それぞれ冷却ファン５１および空気供給ファン５２，５３が回転して空気の流れを生じさせた場合に、冷却ファン５１と冷却フィン３２との間、および空気供給ファン５２，５３と発電部３１との間での空気の流れが確保される構造となっている。
【００３１】
発電部３１は発電反応を行って燃料と酸素から電流を取り出す部分であり、集電板３７、カソード電極３８、伝導体膜３９およびアノード電極４０が多階層に積層されてなる部材であり、各層は伝導体膜３９の一方の面にカソード電極３８が密接して重ね合わせて形成され、他方の面にアノード電極４０が密接して重ね合わせて形成されている。カソード電極３８およびアノード電極４０の伝導体膜３９と反対側の面には、集電板３７が形成されている。
【００３２】
集電板３７のカソード電極３８と接する面には、カソード電極３８に酸素を含んだ空気を供給するための流路である空気供給孔４１が形成されている。空気供給孔４１は発電部３１の正面から発電部３１の後面にわたって貫通してストライプ状に形成されており、空気供給ファン５２，５３が駆動すると、発電部３１後面から流入した空気は空気供給孔４１を通過して、発電部３１正面に抜けて保持部材３３の開口部３５，３６から排出されていく。ここで、燃料電池３０の空気供給ファン５２，５３が配置されている側面を正面として、正面の反対側の側面を後面と表現した。
【００３３】
集電板３７のアノード電極４０と接する面には、アノード電極４０に燃料である水素を供給するための流路である水素流路４２が形成されている。水素流路４２は水素吸蔵カートリッジ６０から供給される水素ガスを各層のアノード電極４０に供給するような形態で形成されている。
【００３４】
水素吸蔵カートリッジ６０から供給された水素ガスが水素流路４２を通過する過程でアノード電極４０に供給されて、酸素を含んだ空気が発電部３１後面から流入して空気供給孔４１を通過して正面から排出される過程で酸素がカソード電極３８に供給される。各層では、拡散層であるアノード電極４０で触媒と伝導体膜３９の接触界面において、Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻の如き反応が生ずる。また各層で、拡散層であるカソード電極３８で同様に１／２Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻＝Ｈ_２Ｏの如き反応が起こり起電力が取り出されて水が生成される。
【００３５】
空気供給孔４１を空気が通過していく際には、発電反応に用いられる酸素がカソード電極３８に供給されると共に、発電に伴って生成された生成水は水蒸気として空気に含有され、燃料電池モジュール１の排気と共に外部に排出される。
【００３６】
冷却フィン３２は、多階層に積層された集電板３７の各層に一体として形成された金属製の複数枚の板であり、各冷却フィン３２の板は互いに空隙を確保して配置されている。各冷却フィン３２の板の間には空隙が設けられているため、当該空隙部分では空気が流れることが可能となっている。したがって、冷却ファン５１が駆動すると燃料電池３０の後面から空気が流入して、冷却フィン３２の空隙を流れて保持部材３３に形成された開口部３４から空気が排出される。冷却フィン３２を構成する各板の表面と空気が接触するため、冷却フィン３２が保有する熱は排出される空気に受け渡されて燃料電池モジュール１外部に放出される。
【００３７】
冷却フィン３２を熱伝導に優れた材質とすることで、発電部３１での発電反応に伴う熱を有効に排出して発電部３１の冷却を行うことができ、冷却フィン３２は燃料電池３０の冷却部として機能する。ここでは、冷却フィン３２を集電板３７と一体に形成された構成で説明したが、発電部３１と冷却フィン３２との間で効率よく熱の授受が行われればよいので、発電部３１とは独立して冷却フィン３２を形成して熱伝導性に優れた接合方法で接合するとしても良い。また、冷却フィン３２を独立した複数枚の板として形成する必要はなく、外部から流入した空気が冷却フィン３２から有効に熱を奪える構造であればよい。
【００３８】
次に、燃料電池モジュール１の運転を制御するために必要な情報を収集する各種センサーの配置について図３を用いて説明する。図３（ａ）は、燃料電池３０の構造を示す上面図であり、燃料電池３０に取り付けられた冷却ファン５１および空気供給ファン５２，５３を取り付けた状態での空気の流れと、温度センサーおよび湿度センサーの設置位置を示した模式図である。図３（ｂ）は、温度センサーおよび湿度センサーの設置位置を示した正面図である。図３（ｃ）は、温度センサー及び湿度センサーの設置位置を示した側面図である。
【００３９】
図示するように、燃料電池モジュール１は吸気温度センサー６１と、吸気湿度センサー６２と、発電部温度センサー６３と、排気温度センサー６４と、排気湿度センサー６５とを備えている。
【００４０】
吸気温度センサー６１は、冷却フィン３２の外気が流入してくる燃料電池３０後面に配置された温度を測定する機器であり、冷却フィン３２とは接触しないように配置されて、燃料電池３０に流入してくる空気の温度を測定する。吸気湿度センサー６２は、冷却フィン３２の外気が流入してくる燃料電池３０後面に配置された湿度を測定する機器であり、冷却フィン３２とは接触しないように配置されて、燃料電池３０に流入してくる空気の湿度を測定する。
【００４１】
発電部温度センサー６３は、発電部３１の上面中央付近に配置された温度を測定する機器であり、発電部３１と接触するように配置されて、発電部３１の温度を測定する。排気温度センサー６４は、保持部材３３に形成された開口部３６に配置された温度を測定する機器であり、燃料電池３０から排出される空気の温度を測定する。排気湿度センサー６５は、保持部材３３に形成された開口部３５に配置された湿度を測定する機器であり、燃料電池３０から排出される空気の湿度を測定する。各センサーは制御基板２０に接続されており、測定した結果を制御基板２０に対して受け渡す。
【００４２】
図４は、本願発明の燃料電池モジュール１での制御に関する信号の流れを説明するブロック図である。吸気温度センサー６１が冷却フィン３２に流入する空気の吸気温度Ｔ_ｉｎを測定して制御基板２０に伝達し、吸気湿度センサー６２が冷却フィン３２に流入する空気の吸気湿度Ｒｈ_ｉｎを測定して制御基板２０に伝達し、発電部温度センサー６３が発電部３１のスタックセル温度Ｔ_ｃｅｌを測定して制御基板２０に伝達し、排気温度センサー６４が発電部３１から排出される空気の排気温度Ｔ_ｏｕｔを測定して制御基板２０に伝達し、排気湿度センサー６５が発電部３１から排出される空気の排気湿度Ｒｈ_ｏｕｔを測定して制御基板２０に伝達する。また、発電部３１における発電反応によって生じた電流に関して、出力電圧Ｖ_ｏｕｔと出力電流値Ｉ_ｏｕｔが制御基板に伝達される。
【００４３】
制御基板２０は、吸気温度Ｔ_ｉｎ、吸気湿度Ｒｈ_ｉｎ、スタックセル温度（発電温度）Ｔ_ｃｅｌ、排気温度Ｔ_ｏｕｔ、排気湿度Ｒｈ_ｏｕｔ、出力電圧Ｖ_ｏｕｔおよび出力電流値Ｉ_ｏｕｔに基づいて所定の手順に基づいて情報処理を行い、空気供給ファン５２，５３および冷却ファン５１に対して独立した制御信号を送出して、それぞれ独立した駆動を行う。図５は各ファンの回転速度と駆動による効果を示したグラフである。
【００４４】
図５（ａ）は横軸に空気供給ファン５２，５３の回転数を示し、縦軸に発電によって生じた生成水が燃料電池３０外部に排出される量を示したグラフであり、空気供給ファン５２，５３の回転数に比例して排出される水分量が増加することが分かる。図５（ｂ）は横軸に冷却ファン５１の回転数を示し、縦軸に発電部３１の温度を示したグラフであり、冷却ファン５１の回転数に応じて一定の割合で温度が下がっていくことがわかる。ここで図５（ａ）に示した空気供給ファン５２，５３の回転数と排出水分量との関係、および図５（ｂ）に示した冷却ファン５１の回転数と発電部３１の温度との関係が予め制御基板２０に記録されているとする。
【００４５】
したがって、図３に示したように各種センサーを配置して、図４に示したように空気供給ファン５２，５３および冷却ファン５１を個別に駆動制御すると、冷却ファン５１の個別駆動による回転数に応じて発電部３１を冷却し、空気供給ファン５２，５３の個別駆動による回転数に応じて発電部３１から排出される排出水分量を調節することができる。
【００４６】
次に、制御基板２０が空気供給ファン５２，５３および冷却ファン５１に対して個別に駆動信号を送出して個別の駆動を行う制御ルーチンについて、図６に示すフローチャートを用いて手順を説明する。
【００４７】
ステップ１は空気供給ファン５２，５３および冷却ファン５１を個別に制御する制御信号を生成するための制御ルーチンの開始であり、制御基板２０により実行され、自動的にステップ２に移行する。
【００４８】
ステップ２は計測ステップであり、燃料電池３０に流入してくる空気に関して、吸気温度センサー６１が冷却フィン３２に流入する空気の吸気温度Ｔ_ｉｎを測定し、吸気湿度センサー６２が冷却フィン３２に流入する空気の吸気湿度Ｒｈ_ｉｎを測定し、発電部温度センサー６３が発電部３１のスタックセル温度Ｔ_ｃｅｌを測定して制御基板２０に伝達し、排気温度センサー６４が発電部３１から排出される空気の排気温度Ｔ_ｏｕｔを測定し、排気湿度センサー６５が発電部３１から排出される空気の排気湿度Ｒｈ_ｏｕｔを測定して制御基板２０に伝達する。また、発電部３１における発電反応によって生じた電流に関して、出力電圧Ｖ_ｏｕｔと出力電流値Ｉ_ｏｕｔが制御基板に伝達される。各センサーによる測定値を制御基板２０が受け取った後、制御ルーチンはステップ３に移行する。
【００４９】
ステップ３は飽和水蒸気圧を求めるステップであり、制御基板２０はＴｅｎｔｅｎｓの式として知られる近似式である式１に基づいて、式１中のＴに吸気温度Ｔ_ｉｎを代入して吸気飽和水蒸気圧Ｐ_{ｓａｔ，ｉｎ}を算出し、式１中のＴに排気温度Ｔ_ｏｕｔを代入して排気飽和水蒸気圧Ｐ_{ｓａｔ，ｏｕｔ}を算出しステップ４に移行する。
【式１】

【００５０】
ステップ４は水蒸気圧を求めるステップであり、制御基板２０はステップ３で算出した値を用いて式２に示す飽和水蒸気圧と相対湿度との乗算を行う。具体的には、Ｐ_ｓａｔに吸気飽和水蒸気圧Ｐ_{ｓａｔ，ｉｎ}を代入し、Ｒｈに吸気湿度Ｒｈ_ｉｎを代入して吸気水蒸気圧Ｐ_ｓ，ｉｎを算出し、Ｐ_ｓａｔに排気飽和水蒸気圧Ｐ_{ｓａｔ，ｏｕｔ}を代入し、Ｒｈに排気湿度Ｒｈ_ｏｕｔを代入して排気水蒸気圧Ｐ_{ｓ，ｏｕｔ}を算出しステップ５に移行する。
【式２】

【００５１】
ステップ５は空気中に水蒸気の形態で混入している水分量である絶対湿度を求めるステップである。制御基板２０はステップ４で算出した値を用いて、水の分子量と気体の状態方程式から得られる式３に示す計算を行う。具体的には、Ｐ_ｓに吸気水蒸気圧Ｐ_ｓ，ｉｎを代入し、Ｔに吸気温度Ｔ_ｉｎを代入して吸気絶対湿度Ｈ_ｉｎ［ｇ／ｍ^３］を算出し、Ｐ_ｓに排気水蒸気圧Ｐ_{ｓ，ｏｕｔ}を代入し、Ｔに排気温度Ｔ_ｏｕｔを代入して排気絶対湿度Ｈ_ｏｕｔ［ｇ／ｍ^３］を算出しステップ６に移行する。
【式３】

【００５２】
ステップ６は空気の供給・排出に伴って単位時間当たりに水蒸気の形態で燃料電池２外部に持ち出される水分量である排出水分量を求めるステップである。制御基板２０はステップ５で算出した値である排気絶対湿度Ｈ_ｏｕｔ、吸気絶対湿度Ｈ_ｉｎを用いて式４に示す計算を行って排出水分量Ｗｏ［ｇ／ｓ］を算出する。式４中のＶは発電部３１を流れる空気の流量であり、空気供給ファン５２，５３の回転数に応じて定まる数値であって予め制御基板２０に記録されている。Ｈ_ｉｎ×Ｖによって燃料電池モジュール１内部に流入する空気に含まれている吸気水分量が計算され、Ｈ_ｏｕｔ×Ｖによって燃料電池モジュール１内部から排出される空気に含まれている排気水分量が計算され、その差を求めることで排出水分量Ｗｏが求められる。排出水分量を算出した後、制御ルーチンはステップ７に移行する。
【式４】

【００５３】
ステップ７は燃料電池の電極反応に伴い生成される単位時間あたりの水分量である生成水分量を求めるステップである。制御基板２０はファラデー定数をＦ、水の分子量を１８、燃料電池３０のセル数をｎとして、出力電流Ｉ_ｏｕｔを用いて式５に示す計算を行って生成水分量Ｗｇ［ｇ／ｓ］を算出しステップ８に移行する。
【式５】

【００５４】
ステップ８は温度による条件分岐のステップである。燃料電池３０の発電反応に適した環境の温度範囲を安定温度領域として予め定義しておき、発電部温度センサー６３が測定した発電部３１のスタックセル温度Ｔ_ｃｅｌが安定温度領域よりも高温であるか否かを判定し、高温である場合にはステップ９に移行し、高温でない場合にはステップ１０に移行する。
【００５５】
ステップ９は冷却ファン５１を駆動するステップであり、スタックセル温度Ｔｃｅｌと安定温度領域との差および図５（ｂ）に示したグラフに基づいて、冷却ファン５１に対して回転数を制御する制御信号を送出して、冷却ファン５１の駆動を行いステップ１１に移行する。冷却ファン５１が回転することで、冷却フィン３２の空隙を空気が通過して発電部３２から熱を奪い、燃料電池３０の外部に排熱を行って冷却が行われる。
【００５６】
ステップ１０は自己発熱を行うステップであり、冷却ファン５１に対して回転を止める制御信号を送出して冷却ファン５１の回転を止めてステップ１２に移行する。冷却ファン５１の回転が停止している間は、冷却フィン３２の空隙を空気が流れないために発電部３１の冷却は行われず、発電に伴う発熱により発電部３１の温度が上昇する。
【００５７】
ステップ１１は湿度による条件分岐ステップである。燃料電池３０の発電反応に適した環境の湿度範囲を安定湿度領域として予め定義しておき、ステップ６で算出した排出水分量Ｗｏの積算値とステップ７で算出した生成水分量Ｗｇの積算値との差である水分量の収支を算出して、発電部３１内部に存在する残留水分量が安定湿度領域よりも高湿度であるか否かを判定し、高湿度である場合にはステップ１２に移行し、高湿度でない場合にはステップ１３に移行する。
【００５８】
ステップ１２は空気供給ファン５２，５３を駆動するステップであり、排出水分量Ｗｏの積算値と生成水分量Ｗｇの積算値との差と安定温度領域との差および図５（ａ）に示したグラフに基づいて、空気供給ファン５２，５３に対して回転数を制御する制御信号を送出して、空気供給ファン５２，５３の駆動を行いステップ１４に移行する。空気供給ファン５２，５３が回転することで、発電部３１に形成されている空気供給孔４１を空気が通過して発電部３２から水分を奪い、燃料電池３０の外部に水蒸気の形で排出を行って乾燥が行われる。
【００５９】
ステップ１３は自己加湿を行うステップであり、空気供給ファン５２，５３に対して回転を下げる制御信号を送出して空気供給ファン５２，５３の回転を減速してステップ１４に移行する。空気供給ファン５２，５３の回転が減速している間は、空気供給孔４１から空気が排出されないために発電部３１の乾燥は行われず、発電に伴う水の生成により発電部３１の湿度が上昇する。空気供給ファン５２，５３を完全に停止させずに、発電に必要な酸素を発電部３１に供給する程度の低速の回転としてもよい。
【００６０】
ステップ１４は制御ルーチンの回帰ステップであり、制御ルーチンは一定期間経過後にステップ１に移行して、再び空気供給ファン５２，５３および冷却ファン５１の個別制御を行う。
【００６１】
図７は空気供給ファン５２，５３および冷却ファン５１を個別に制御して発電部３１の温度と湿度を制御する動作の概念を示す概念図である。燃料電池３０が発電を行うのに適した温度および湿度の範囲を安定領域として、発電部３１の温度および湿度が安定領域の範囲内に収束するように空気供給ファン５２，５３および冷却ファン５１を個別に駆動する。ここで、安定領域は単純に温度範囲と湿度範囲によって定まる範囲であるとは限らず、温度および湿度の関数として表現される領域内であるとしてもよい。この場合、前述の安定温度領域は湿度に依存し、安定湿度領域は温度に依存するものとなる。
【００６２】
発電部３１の温度と湿度が安定領域よりも高温度かつ高湿度の場合には、空気供給ファン５２，５３と冷却ファン５１の双方を回転させて、発電部３１の冷却と乾燥を同時に行い、発電部３１の温度と湿度を安定領域内になるような制御を行う。また、発電部３１の温度と湿度が安定領域よりも高温度かつ低湿度の場合には、冷却ファン５１を回転させて、空気供給ファン５２，５３の回転を減速し、発電部３１の冷却と自己加湿を同時に行い、発電部３１の温度と湿度を安定領域内になるような制御を行う。
【００６３】
発電部３１の温度と湿度が安定領域よりも低温度かつ高湿度の場合には、空気供給ファン５２，５３を回転させて、冷却ファン５１の回転を停止し、発電部３１の自己発熱と乾燥を同時に行い、発電部３１の温度と湿度を安定領域内になるような制御を行う。また、発電部３１の温度と湿度が安定領域よりも低温度かつ低湿度の場合には、空気供給ファン５２，５３の回転を減速して冷却ファンの回転を停止し、発電部３１の自己発熱と自己加湿を同時に行い、発電部３１の温度と湿度を安定領域内になるような制御を行う。
【００６４】
発電部３１の温度と湿度が安定領域よりも低温度かつ低湿度の場合には、自己発熱と自己加湿を促進するために、発電反応を増大させて燃料電池３０が供給する電流値Ｉ_ｏｕｔを大きくすることも可能である。具体的には、燃料電池３０が電流を供給する回路にダミーの負荷として抵抗Ｒを配置しておき、抵抗Ｒに電流を流すことで電流値Ｉ_ｏｕｔを大きくすることや、リチウム電池等の二次電池に対して充電動作を行って電流値Ｉ_ｏｕｔを大きくすることが考えられる。二次電池に充電動作を行う場合には、発電部３１での発電による電流供給の補助として二次電池からの放電を用いることが出来るようになる。
【００６５】
【発明の効果】
上述した様に、本願発明の燃料電池システムでは、空気供給手段および乾燥制御手段を兼ねた空気供給ファンおよび冷却手段および温度制御手段を兼ねた冷却ファンを各々独立に制御するようにしたので、多様な燃料電池内部の状態や外部の環境に対応して、発電部の温度と湿度を発電に最適な領域内に制御し、所要の電力を安定して出力することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明の燃料電池システムを用いた燃料電池モジュールの一例を示す分解斜視図である。
【図２】燃料電池部分の空気開放型の燃料電池スタック構造について示す図であり、図２（ａ）は燃料電池の構造を示す上面図であり、図２（ｂ）は、燃料電池を（ａ）中の矢印Ａ−Ａ位置で切断した正面断面図であり、図２（ｃ）は（ｂ）中で実線楕円で囲んだ領域を拡大した部分拡大断面図である。
【図３】燃料電池部分の空気開放型の燃料電池スタック構造について示す図であり、図３（ａ）は、温度センサーおよび湿度センサーの設置位置を示した上面図であり、図３（ｂ）は正面図であり、図３（ｃ）は側面図である。
【図４】本願発明の燃料電池モジュールでの制御に関する信号の流れを説明するブロック図である。
【図５】図５は各ファンの回転速度と駆動による効果を示したグラフであり、図５（ａ）は空気供給ファンの回転数と排出水分量との関係を示し、図５（ｂ）は冷却ファンの回転数と発電部の温度との関係を示している。
【図６】制御基板が空気供給ファンおよび冷却ファンに対して個別に駆動信号を送出して個別の駆動を行う制御ルーチンを説明するフローチャートである。
【図７】空気供給ファンおよび冷却ファンの個別制御によって発電部の温度と湿度を制御する動作の概念を示す概念図である。
【符号の説明】
１燃料電池モジュール
１０筐体
１１，１２排気口
１６接続孔
２０制御基板
３０燃料電池
３１発電部
３２冷却フィン
３３保持部材
３４，３５，３６開口部
３７集電板
３８カソード電極
３９伝導体膜
４０アノード電極
４１空気供給孔
４２水素流路
５１冷却ファン
５２，５３空気供給ファン
５４水素パージバルブ
５５レギュレータ
５６手動バルブ
６０水素吸蔵カートリッジ
６１吸気温度センサー
６２吸気湿度センサー
６３発電部温度センサー
６４排気温度センサー
６５排気湿度センサー[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell system that generates electricity by reacting oxygen in the air with a fuel fluid. About .
[0002]
[Prior art]
A fuel cell is a means for generating electric power in a power generator by supplying a fuel fluid, and is expected to be mounted on a vehicle such as an automobile and used as an electric vehicle or a hybrid vehicle. From the structure that facilitates downsizing, the present invention is not limited to applications such as dry batteries and rechargeable batteries, but is being applied to portable devices, for example, at the stage of research and development. In a fuel cell, when hydrogen is used as a fuel, the hydrogen side electrode (anode), which is a negative electrode, has H ₂ → 2H ⁺ + 2e ⁻ The following reaction occurs. When oxygen is used as the oxidant, the oxygen side electrode (cathode), which is the positive electrode, is similarly 1 / 2O. ₂ + 2H ⁺ + 2e ⁻ = H ₂ A reaction such as O occurs and water is produced.
[0003]
As such a fuel cell, an open-air type that takes in oxygen used for power generation from the atmosphere has been proposed. In addition, a fuel cell can increase the amount of output power by combining a plurality of unit elements (unit cells). For example, electrodes (diffusion layers) are provided on both sides of a polymer electrolyte layer (conductor film). A fuel cell having a stack structure in which unit elements are formed by sandwiching a formed joined body between separators and these unit elements are stacked has been developed.
[0004]
In fuel cell power generation, the polymer electrolyte layer conducts protons associated with chemical reactions, so it is necessary to manage the wet state and temperature state of the polymer electrolyte layer in order to continue efficient power generation reactions. is there. Moreover, the heat generated by power generation and the humidity of water generated by power generation always change depending on the amount of power generation and the usage environment. In particular, when power generation is performed at low current in a low humidity and high temperature environment, the amount of moisture generated by power generation is small, and the power generation reaction in the fuel cell is an exothermic reaction. Since this portion is likely to be at a high temperature, the polymer electrolyte layer of the power generator may be dried, which may hinder stable power generation in the fuel cell. On the other hand, when high-current power generation is performed in an environment where the outside air is high in humidity and temperature, water accumulates in the fuel gas flow path formed in the separator because the amount of water generated by power generation is large. As a result, the diffusion layer of the power generation body is submerged, resulting in a problem that power generation by the fuel cell cannot be performed sufficiently.
[0005]
In a conventional air-release type fuel cell system, a fan is provided at an air supply port for taking air into the fuel cell in order to maintain the wet state of the polymer electrolyte layer and to control the temperature state. By rotating the fan and supplying air from the outside of the fuel cell, the oxygen necessary for power generation is taken in, and at the same time, the moisture in the fuel cell generated by the power generation reaction is removed and the heat generated by the power generation reaction is released. Do.
[0006]
However, since the air is supplied to the fuel cell by a single fan, and the single fan has both the drying and cooling functions of the fuel cell, the air is blown by the fan when the fuel cell is at low temperature and high humidity. However, there is a problem that the humidity is lowered but the temperature is further lowered and the power generation efficiency is lowered. Similarly, when the air is blown by a fan in a situation where the fuel cell is at a high temperature and a low humidity, there is a problem that the temperature is lowered but the humidity is further lowered and the power generation efficiency is lowered.
[0007]
The above-mentioned problems indicate that it is difficult to achieve both the suppression of the temperature rise of the fuel cell and the control of the amount of water contained in the fuel cell during power generation by the fuel cell. There is a need for technologies that can be solved. In particular, in a fuel cell having a stack structure, the fuel cell is configured to smoothly flow fuel gas through a flow path formed in a plurality of separators and appropriately absorb moisture in a joined body constituting the fuel cell. There is a need for a technology that can take in air containing oxygen from the outside and stably output the required power.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
Book The claimed invention can control the temperature and humidity inside the fuel cell to the optimum environment for power generation in response to various conditions inside the fuel cell and the outside environment, and can stably output the required power. Fuel cell system The The issue is to provide.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
To solve the above problems, the present invention Burning The fuel cell system is a fuel cell system having a fuel cell that generates electric power by reacting oxygen in the air with a fuel fluid, and the fuel cell is integrally formed adjacent to the power generation unit. And an air supply means for supplying an inflowing gas containing oxygen to the power generation unit, provided at a position facing the power generation unit. And an air supply fan also serving as a drying control means for controlling the dryness of the power generation unit And a cooling means provided at a position facing the cooling unit and supplying a cooling fluid to the cooling unit And a cooling fan also serving as temperature control means for controlling the temperature of the power generation unit And having The air supply fan and the cooling fan Are controlled and driven independently.
[0016]
The fuel cell includes a power generation unit and a cooling unit, and includes an air supply unit that supplies air to the power generation unit and a cooling unit that supplies a refrigerant to the cooling unit, thereby supplying oxygen to the power generation unit and Drying of the inside of the fuel cell and supply of the refrigerant to the cooling unit can be performed by separate systems. In addition, by independently controlling and driving the air supply means and the cooling means, moisture adjustment inside the power generation unit and temperature adjustment of the fuel cell can be performed independently, and the temperature environment and humidity environment of the fuel cell can be adjusted. Fine control is possible, and the power generation efficiency of the fuel cell can be increased.
[0018]
By controlling the degree of drying of the fuel cell by the drying control means and controlling the temperature of the fuel cell by the temperature control means, it becomes possible to finely control the temperature environment and the humidity environment of the fuel cell, and the power generation efficiency of the fuel cell can be improved. It becomes possible to raise.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a fuel cell system and a fuel cell operation method to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings. The present invention is not limited to the following description, and can be appropriately changed without departing from the gist of the present invention. In the present embodiment, the power generation body composed of the cathode electrode, the conductor film, and the anode electrode is laminated in multiple layers, and the oxygen used for the power generation reaction is made to flow into the cathode by flowing air outside the fuel cell into the fuel cell. A fuel cell having an open stack cell structure supplied to the electrode will be described.
[0022]
FIG. 1 is an exploded perspective view showing an example of a fuel cell module 1 using the fuel cell system of the present invention. The fuel cell module 1 includes a housing 10, a control board 20, a fuel cell 30, a cooling fan 51,

air supply fans

52 and 53, a hydrogen purge valve 54, a regulator 55, and a manual valve 56. In addition, the fuel cell module 1 generates power using the hydrogen gas supplied from the hydrogen storage cartridge 60 storing the hydrogen gas as a fuel. Hereinafter, an example in which hydrogen gas is used as fuel will be described. However, a fuel fluid such as methanol may be used as the fuel.
[0023]

Exhaust ports

11, 12 and 13, which are openings, are formed on one side surface of the housing 10. From the

exhaust ports

11, 12, and 13, the air that has flowed in the fuel cell module 1 to cool the fuel cell 30 and the air after the power generation reaction by the fuel cell 30 are discharged. An air inlet is formed on the surface of the housing 10 that faces the

exhaust ports

11, 12, and 13, and includes air for cooling the fuel cell 30 and oxygen used for a power generation reaction by the fuel cell 30. Are taken into the fuel cell module 1. Further, a connection hole 16 through which wiring for transmitting and receiving various signals between the fuel cell module 1 and the outside is formed on one end face of the housing 10.
[0024]
The control board 20 is a board disposed in the fuel cell module 1 in which a control circuit for controlling various devices constituting the fuel cell module 1 is formed. Although details of the control circuit are not shown in detail in the figure, for example, control of driving of the cooling fan 51 and

air supply fans

52 and 53, or control circuit of opening and closing operation of the hydrogen purge valve 54, voltage output by the fuel cell 30 A voltage conversion circuit such as a DC / DC converter for boosting the voltage, and a circuit in which instructions relating to driving of various devices are mounted on the control board 20 by acquiring various environmental conditions such as temperature and humidity detected by a sensor described later. Can also be done. Further, in the fuel cell module 1 of this example, the control board 20 is disposed in the fuel cell module 1, but may be disposed outside the fuel cell module 1, for example, from the fuel cell module 1. Various electronic devices to which driving power is provided may include the control board 20.
[0025]
The cooling fan 51 is a fan whose rotational speed is controlled by a control signal sent from the control board 20, and functions as a cooling means or a temperature control means for supplying air to the fuel cell 30 as a cooling fluid. The

air supply fans

52 and 53 are fans whose rotational speed is controlled by a control signal sent from the control board 20, and supply air as oxygen-containing inflow gas to the fuel cell 30. It functions as a supplying means and a drying control means for controlling the dryness of the fuel cell 30.
[0026]
The hydrogen purge valve 54 is water discharge means for discharging water accumulated in the flow path through which the fuel inside the fuel cell 30 flows, and can discharge water from the flow path by opening the flow path to the atmosphere. Further, the hydrogen purge valve 54 can be driven by, for example, a driving system using electromagnetic force, and power for driving the hydrogen purge valve 54 may be supplied from the fuel cell 30.
[0027]
The regulator 55 is a pressure control unit that controls the pressure of hydrogen gas that is a fuel fluid, adjusts the pressure of the hydrogen gas supplied from the hydrogen storage cartridge 60 to a required pressure, and sends the fuel gas 30 to the fuel cell 30. For example, when the pressure of the hydrogen gas supplied from the hydrogen storage cartridge 60 is about 0.8 to 1.0 MPa, the regulator 55 reduces the pressure of these hydrogen gases to a pressure of about 0.05 to 0.10 MPa, and the fuel The battery 30 can be supplied.
[0028]
The manual valve 56 is a gas supply means for supplying hydrogen gas, which is a fuel fluid, to the fuel cell 30, for supplying hydrogen gas from the hydrogen storage cartridge 60 to the fuel cell 30 when generating power in the fuel cell 30. Open the flow path.
[0029]
Next, the air release type fuel cell stack structure of the fuel cell 30 portion of the fuel cell module 1 shown in FIG. 1 will be described in detail with reference to FIGS. FIG. 2A is a top view showing the structure of the fuel cell 30, and is a schematic diagram showing the flow of air with the cooling fan 51 and the

air supply fans

52 and 53 attached to the fuel cell 30 attached. is there. FIG. 2B is a front cross-sectional view of the fuel cell 30 cut at the position of the arrow AA in FIG. FIG. 2C is a partial enlarged cross-sectional view in which a region surrounded by a solid oval in FIG. 2B is enlarged.
[0030]
The fuel cell 30 includes a power generation unit 31, a cooling fin 32, and a holding member 33, and the power generation unit 31 and the cooling fin 32 are integrally formed. The holding member 33 is a member that is fixedly attached to the front portions of the power generation unit 31 and the cooling fin 32, and is a member that fixes and holds the cooling fan 51 and the

air supply fans

52 and 53. The cooling fan 51 is attached to the holding member 33 so that the cooling fin 32 Right side The

air supply fans

52 and 53 are attached to the holding member 33 so that the power generation unit 31 Right side Will be located. The holding member 33 has

openings

34, 35 and 36 through which air can flow in and out. When the cooling fan 51 and the

air supply fans

52 and 53 rotate, respectively, the air flows. In addition, the air flow is ensured between the cooling fan 51 and the cooling fin 32 and between the

air supply fans

52 and 53 and the power generation unit 31.
[0031]
The power generation unit 31 is a part that performs a power generation reaction and extracts a current from fuel and oxygen, and is a member in which a current collector plate 37, a cathode electrode 38, a conductor film 39, and an anode electrode 40 are stacked in multiple layers. The cathode electrode 38 is closely overlapped with one surface of the conductor film 39, and the anode electrode 40 is closely overlapped with the other surface. A current collecting plate 37 is formed on the surface of the cathode electrode 38 and the anode electrode 40 opposite to the conductor film 39.
[0032]
An air supply hole 41, which is a flow path for supplying oxygen-containing air to the cathode electrode 38, is formed on the surface of the current collector plate 37 that contacts the cathode electrode 38. The air supply holes 41 are formed in a stripe shape penetrating from the front of the power generation unit 31 to the rear surface of the power generation unit 31. When the

air supply fans

52 and 53 are driven, the air flowing in from the rear surface of the power generation unit 31 is air supply holes. After passing through 41, it passes through the front of the power generation unit 31 and is discharged from the

openings

35 and 36 of the holding member 33. Here, the side surface on which the

air supply fans

52 and 53 of the fuel cell 30 are disposed is defined as the front surface, and the side surface opposite to the front surface is represented as the rear surface.
[0033]
A surface of the current collector plate 37 that is in contact with the anode electrode 40 is formed with a hydrogen flow path 42 that is a flow path for supplying hydrogen as fuel to the anode electrode 40. The hydrogen channel 42 is formed in such a manner that the hydrogen gas supplied from the hydrogen storage cartridge 60 is supplied to the anode electrode 40 of each layer.
[0034]
The hydrogen gas supplied from the hydrogen storage cartridge 60 is supplied to the anode electrode 40 in the process of passing through the hydrogen flow path 42, and oxygen-containing air flows from the rear surface of the power generation unit 31 and passes through the air supply hole 41. Oxygen is supplied to the cathode electrode 38 in the process of being discharged from the front. In each layer, at the contact interface between the catalyst and the conductor film 39 at the anode electrode 40 which is a diffusion layer, H ₂ → 2H ⁺ + 2e ⁻ The following reaction occurs. In each layer, the cathode electrode 38, which is a diffusion layer, is similarly 1 / 2O. ₂ + 2H ⁺ + 2e ⁻ = H ₂ A reaction such as O occurs and the electromotive force is taken out to generate water.
[0035]
When air passes through the air supply hole 41, oxygen used for the power generation reaction is supplied to the cathode electrode 38, and the generated water generated by the power generation is contained in the air as water vapor, and the fuel cell. It is discharged to the outside along with the exhaust of the module 1.
[0036]
The cooling fins 32 are a plurality of metal plates integrally formed on each layer of the current collecting plates 37 stacked in multiple layers, and the plates of the cooling fins 32 are arranged with a space between each other. . Since a gap is provided between the plates of the cooling fins 32, air can flow through the gap. Therefore, when the cooling fan 51 is driven, air flows from the rear surface of the fuel cell 30, flows through the gaps of the cooling fins 32, and is discharged from the openings 34 formed in the holding member 33. Since the air contacts the surface of each plate constituting the cooling fin 32, the heat held by the cooling fin 32 is transferred to the discharged air and released to the outside of the fuel cell module 1.
[0037]
By making the cooling fin 32 a material excellent in heat conduction, the heat generated by the power generation reaction in the power generation unit 31 can be effectively discharged to cool the power generation unit 31. Functions as a cooling unit. Here, the cooling fin 32 has been described as being configured integrally with the current collector plate 37, but it is sufficient that heat is efficiently exchanged between the power generation unit 31 and the cooling fin 32. Alternatively, the cooling fins 32 may be independently formed and bonded by a bonding method having excellent thermal conductivity. Further, it is not necessary to form the cooling fins 32 as a plurality of independent plates, and any structure may be used as long as the air flowing in from the outside can effectively take heat from the cooling fins 32.
[0038]
Next, the arrangement of various sensors that collect information necessary for controlling the operation of the fuel cell module 1 will be described with reference to FIG. FIG. 3A is a top view showing the structure of the fuel cell 30, the air flow with the cooling fan 51 and the

air supply fans

52 and 53 attached to the fuel cell 30, the temperature sensor, and It is the schematic diagram which showed the installation position of the humidity sensor. FIG.3 (b) is the front view which showed the installation position of the temperature sensor and the humidity sensor. FIG. 3C is a side view showing the installation positions of the temperature sensor and the humidity sensor.
[0039]
As illustrated, the fuel cell module 1 includes an intake air temperature sensor 61, an intake air humidity sensor 62, a power generation unit temperature sensor 63, an exhaust gas temperature sensor 64, and an exhaust gas humidity sensor 65.
[0040]
The intake air temperature sensor 61 is a device that measures the temperature disposed on the rear surface of the fuel cell 30 into which the outside air of the cooling fin 32 flows, and is disposed so as not to contact the cooling fin 32 and flows into the fuel cell 30. Measure the temperature of the incoming air. The intake humidity sensor 62 is a device for measuring the humidity disposed on the rear surface of the fuel cell 30 into which the outside air of the cooling fin 32 flows. The intake humidity sensor 62 is disposed so as not to contact the cooling fin 32 and flows into the fuel cell 30. Measure the humidity of the incoming air.
[0041]
The power generation unit temperature sensor 63 is a device that measures the temperature disposed near the center of the upper surface of the power generation unit 31, is disposed so as to be in contact with the power generation unit 31, and measures the temperature of the power generation unit 31. The exhaust temperature sensor 64 is a device that measures the temperature disposed in the opening 36 formed in the holding member 33, and measures the temperature of the air discharged from the fuel cell 30. The exhaust humidity sensor 65 is a device that measures the humidity disposed in the opening 35 formed in the holding member 33, and measures the humidity of the air discharged from the fuel cell 30. Each sensor is connected to the control board 20 and passes the measurement result to the control board 20.
[0042]
FIG. 4 is a block diagram illustrating the flow of signals related to control in the fuel cell module 1 of the present invention. The intake air temperature T of the air flowing into the cooling fin 32 by the intake air temperature sensor 61 _in Is measured and transmitted to the control board 20, and the intake humidity Rh of the air that the intake humidity sensor 62 flows into the cooling fins 32 is measured. _in Is measured and transmitted to the control board 20, and the power generation unit temperature sensor 63 detects the stack cell temperature T of the power generation unit 31. _cel Is measured and transmitted to the control board 20, and the exhaust temperature sensor 64 detects the exhaust temperature T of the air discharged from the power generation unit 31. _out Is measured and transmitted to the control board 20, and the exhaust humidity sensor 65 exhausts air from the power generation unit 31. _out Is measured and transmitted to the control board 20. Further, regarding the current generated by the power generation reaction in the power generation unit 31, the output voltage V _out And output current value I _out Is transmitted to the control board.
[0043]
The control board 20 has an intake air temperature T _in , Intake humidity Rh _in , Stack cell temperature (power generation temperature) T _cel , Exhaust temperature T _out , Exhaust humidity Rh _out , Output voltage V _out And output current value I _out Based on the above, information processing is performed based on a predetermined procedure, and independent control signals are sent to the

air supply fans

52 and 53 and the cooling fan 51 to perform independent driving. FIG. 5 is a graph showing the rotational speed of each fan and the effect of driving.
[0044]
FIG. 5A is a graph in which the horizontal axis indicates the number of rotations of the

air supply fans

52 and 53, and the vertical axis indicates the amount of generated water generated by power generation discharged outside the fuel cell 30. It can be seen that the amount of water discharged increases in proportion to the rotational speeds of 52 and 53. FIG. 5B is a graph in which the horizontal axis indicates the rotation speed of the cooling fan 51 and the vertical axis indicates the temperature of the power generation unit 31. The temperature decreases at a constant rate according to the rotation speed of the cooling fan 51. I can see it going. Here, the relationship between the rotational speed of the

air supply fans

52 and 53 and the amount of discharged water shown in FIG. 5A, and the rotational speed of the cooling fan 51 and the temperature of the power generation unit 31 shown in FIG. It is assumed that the relationship is recorded on the control board 20 in advance.
[0045]
Therefore, when various sensors are arranged as shown in FIG. 3 and the

air supply fans

52 and 53 and the cooling fan 51 are individually driven and controlled as shown in FIG. Accordingly, the power generation unit 31 is cooled, and the amount of moisture discharged from the power generation unit 31 can be adjusted according to the number of rotations by the individual driving of the

air supply fans

52 and 53.
[0046]
Next, a procedure for a control routine in which the control board 20 individually sends driving signals to the

air supply fans

52 and 53 and the cooling fan 51 to perform individual driving will be described with reference to a flowchart shown in FIG.
[0047]
Step 1 is the start of a control routine for generating control signals for individually controlling the

air supply fans

52 and 53 and the cooling fan 51. The control routine is executed by the control board 20 and automatically proceeds to step 2.
[0048]
Step 2 is a measurement step. Regarding the air flowing into the fuel cell 30, the intake air temperature T of the air that the intake air temperature sensor 61 flows into the cooling fin 32. _in The intake air humidity sensor 62 measures the intake air humidity Rh of the air flowing into the cooling fin 32. _in The power generation unit temperature sensor 63 measures the stack cell temperature T of the power generation unit 31. _cel Is measured and transmitted to the control board 20, and the exhaust temperature sensor 64 detects the exhaust temperature T of the air discharged from the power generation unit 31. _out The exhaust humidity sensor 65 measures the exhaust humidity Rh of the air exhausted from the power generation unit 31. _out Is measured and transmitted to the control board 20. Further, regarding the current generated by the power generation reaction in the power generation unit 31, the output voltage V _out And output current value I _out Is transmitted to the control board. After the control board 20 receives the measurement values from each sensor, the control routine proceeds to step 3.
[0049]
Step 3 is a step for obtaining a saturated water vapor pressure, and the control board 20 calculates the intake air temperature T to T in Equation 1 based on Equation 1, which is an approximate equation known as Tenten's equation. _in Is substituted for the intake water vapor pressure P _{sat, in} And the exhaust temperature T is added to T in Equation 1. _out Is substituted into the exhaust water vapor pressure P _{sat, out} And the process proceeds to step 4.
[Formula 1]

[0050]
Step 4 is a step for obtaining the water vapor pressure, and the control board 20 performs multiplication of the saturated water vapor pressure and the relative humidity shown in Equation 2 using the value calculated in Step 3. Specifically, P _sat Intake saturated water vapor pressure P _{sat, in} Is substituted, and Rh is the intake air humidity Rh _in Is substituted for the intake water vapor pressure P _{s, in} Is calculated and P _sat Exhaust saturated water vapor pressure P _{sat, out} Is substituted and exhaust humidity Rh is substituted for Rh. _out Is substituted into the exhaust water vapor pressure P _{s, out} And the process proceeds to step 5.
[Formula 2]

[0051]
Step 5 is a step for obtaining the absolute humidity which is the amount of water mixed in the form of water vapor in the air. The control substrate 20 uses the value calculated in Step 4 to perform the calculation shown in Expression 3 obtained from the molecular weight of water and the gas state equation. Specifically, P _s Intake water vapor pressure P _{s, in} Is substituted and T is the intake air temperature T _in Substituting for intake absolute humidity H _in [G / m ³ ] To calculate P _s Exhaust water vapor pressure P _{s, out} Is substituted and T is the exhaust temperature T _out Is substituted and the exhaust absolute humidity H _out [G / m ³ ] And the process proceeds to step 6.
[Formula 3]

[0052]
Step 6 is a step of obtaining a discharged water amount that is a water amount taken out to the outside of the fuel cell 2 in the form of water vapor per unit time as air is supplied and discharged. The control board 20 calculates the exhaust absolute humidity H which is the value calculated in step 5. _out , Intake absolute humidity H _in Is used to calculate the amount of discharged water Wo [g / s]. V in Formula 4 is a flow rate of air flowing through the power generation unit 31, and is a numerical value determined according to the number of rotations of the

air supply fans

52 and 53 and recorded in advance on the control board 20. H _in The amount of intake water contained in the air flowing into the fuel cell module 1 is calculated by × V, and H _out The amount of exhaust water contained in the air discharged from the inside of the fuel cell module 1 is calculated by × V, and the amount of exhausted water Wo is obtained by obtaining the difference. After calculating the amount of discharged water, the control routine proceeds to step 7.
[Formula 4]

[0053]
Step 7 is a step of obtaining a generated water amount that is a water amount per unit time generated in association with the electrode reaction of the fuel cell. The control board 20 has an Faraday constant of F, a molecular weight of water of 18, and the number of cells of the fuel cell 30 as n. _out Is used to calculate the amount of generated water Wg [g / s], and the process proceeds to step 8.
[Formula 5]

[0054]
Step 8 is a step of conditional branching by temperature. The temperature range of the environment suitable for the power generation reaction of the fuel cell 30 is defined in advance as a stable temperature range, and the stack cell temperature T of the power generation unit 31 measured by the power generation unit temperature sensor 63 is measured. _cel It is determined whether or not the temperature is higher than the stable temperature range. If the temperature is higher, the process proceeds to step 9, and if not, the process proceeds to step 10.
[0055]
Step 9 is a step of driving the cooling fan 51. The control for controlling the rotational speed of the cooling fan 51 based on the difference between the stack cell temperature Tcel and the stable temperature region and the graph shown in FIG. 5B. A signal is sent to drive the cooling fan 51 and the process proceeds to step 11. As the cooling fan 51 rotates, air passes through the gaps of the cooling fins 32, takes heat from the power generation unit 32, exhausts heat to the outside of the fuel cell 30, and is cooled.
[0056]
Step 10 is a step of performing self-heating. A control signal for stopping the rotation is sent to the cooling fan 51 to stop the rotation of the cooling fan 51 and the process proceeds to Step 12. While the rotation of the cooling fan 51 is stopped, the power generation unit 31 is not cooled because air does not flow through the gaps of the cooling fins 32, and the temperature of the power generation unit 31 rises due to heat generated by power generation.
[0057]
Step 11 is a conditional branching step based on humidity. The humidity range of the environment suitable for the power generation reaction of the fuel cell 30 is defined in advance as a stable humidity region, and the integrated value of the discharged water amount Wo calculated in step 6 and the integrated value of the generated water amount Wg calculated in step 7 The balance of the moisture amount that is the difference between the two is calculated, and it is determined whether or not the residual moisture amount existing in the power generation unit 31 is higher than the stable humidity region. If it is determined that the humidity is not high, the process proceeds to step 13.
[0058]
Step 12 is a step of driving the

air supply fans

52 and 53, and shows the difference between the integrated value of the discharged water amount Wo and the integrated value of the generated water amount Wg and the stable temperature region, as shown in FIG. Based on the graph, a control signal for controlling the rotational speed is sent to the

air supply fans

52 and 53, the

air supply fans

52 and 53 are driven, and the routine proceeds to step 14. As the

air supply fans

52 and 53 rotate, the air passes through the air supply holes 41 formed in the power generation unit 31 to take moisture from the power generation unit 32 and discharges it outside the fuel cell 30 in the form of water vapor. Go and dry.
[0059]
Step 13 is a step of performing self-humidification. A control signal for lowering the rotation is sent to the

air supply fans

52 and 53, the rotation of the

air supply fans

52 and 53 is decelerated, and the routine proceeds to step 14. While the rotation of the

air supply fans

52 and 53 is decelerating, air is not discharged from the air supply hole 41, so that the power generation unit 31 is not dried, and the humidity of the power generation unit 31 increases due to generation of water accompanying power generation. To do. The

air supply fans

52 and 53 may be rotated at a low speed so as to supply oxygen necessary for power generation to the power generation unit 31 without completely stopping.
[0060]
Step 14 is a regression step of the control routine. The control routine proceeds to step 1 after a predetermined period of time, and performs individual control of the

air supply fans

52 and 53 and the cooling fan 51 again.
[0061]
FIG. 7 is a conceptual diagram showing the concept of the operation of controlling the temperature and humidity of the power generation unit 31 by individually controlling the

air supply fans

52 and 53 and the cooling fan 51. The temperature and humidity ranges suitable for the fuel cell 30 to generate power are set as stable regions, and the

air supply fans

52 and 53 and the cooling fan 51 are set so that the temperature and humidity of the power generation unit 31 converges within the stable region. Drive individually. Here, the stable region is not limited to a range determined simply by the temperature range and the humidity range, and may be within a region expressed as a function of temperature and humidity. In this case, the above-described stable temperature region depends on humidity, and the stable humidity region depends on temperature.
[0062]
When the temperature and humidity of the power generation unit 31 are higher than the stable region and high humidity, both the

air supply fans

52 and 53 and the cooling fan 51 are rotated to simultaneously cool and dry the power generation unit 31. Control is performed so that the temperature and humidity of the power generation unit 31 are within the stable region. When the temperature and humidity of the power generation unit 31 are higher and lower than the stable region, the cooling fan 51 is rotated to decelerate the rotation of the

air supply fans

52 and 53 and the power generation unit 31 is cooled. Self-humidification is performed simultaneously, and control is performed so that the temperature and humidity of the power generation unit 31 are within a stable region.
[0063]
When the temperature and humidity of the power generation unit 31 are lower and higher than the stable region, the

air supply fans

52 and 53 are rotated to stop the cooling fan 51 from rotating, and the power generation unit 31 is self-heated and dried. Are performed simultaneously to control the temperature and humidity of the power generation unit 31 to be within the stable region. Further, when the temperature and humidity of the power generation unit 31 are lower than the stable region and low humidity, the rotation of the

air supply fans

52 and 53 is decelerated to stop the rotation of the cooling fan, and the self-heating of the power generation unit 31 is performed. The self-humidification is performed at the same time, and the temperature and humidity of the power generation unit 31 are controlled to be within the stable region.
[0064]
When the temperature and humidity of the power generation unit 31 are lower than the stable region and low humidity, in order to promote self-heating and self-humidification, the current value I supplied by the fuel cell 30 by increasing the power generation reaction is increased. _out Can be increased. Specifically, a resistor R is disposed as a dummy load in a circuit to which the fuel cell 30 supplies a current, and a current value I is caused to flow through the resistor R. _out Or charging a secondary battery such as a lithium battery to obtain a current value I _out It is conceivable to increase When performing a charging operation on the secondary battery, the discharge from the secondary battery can be used as an auxiliary to the current supply by the power generation in the power generation unit 31.
[0065]
【The invention's effect】
As described above, the fuel cell system of the present invention. In The air supply means and Drying control means Air supply fan And cooling means and Temperature control means Cooling fan Are controlled independently, so that the temperature and humidity of the power generation unit are controlled within the optimal region for power generation in response to various internal conditions of the fuel cell and the external environment, and the required power is stabilized. Can be output.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an exploded perspective view showing an example of a fuel cell module using a fuel cell system of the present invention.
FIG. 2 is a view showing a fuel cell stack structure of an air release type fuel cell portion, FIG. 2 (a) is a top view showing the structure of the fuel cell, and FIG. It is front sectional drawing cut | disconnected by the arrow AA position in a), FIG.2 (c) is the partial expanded sectional view which expanded the area | region enclosed with the solid-line ellipse in (b).
FIG. 3 is a view showing a fuel cell stack structure of an air release type fuel cell portion, FIG. 3 (a) is a top view showing the installation positions of a temperature sensor and a humidity sensor, and FIG. 3 (b). Is a front view, and FIG. 3C is a side view.
FIG. 4 is a block diagram illustrating the flow of signals related to control in the fuel cell module of the present invention.
FIG. 5 is a graph showing the rotational speed of each fan and the effect of driving. FIG. 5 (a) shows the relationship between the rotational speed of the air supply fan and the amount of discharged water, and FIG. Indicates the relationship between the rotational speed of the cooling fan and the temperature of the power generation unit.
FIG. 6 is a flowchart illustrating a control routine in which a control board individually sends driving signals to an air supply fan and a cooling fan to perform individual driving.
FIG. 7 is a conceptual diagram showing a concept of an operation of controlling the temperature and humidity of the power generation unit by individual control of the air supply fan and the cooling fan.
[Explanation of symbols]
1 Fuel cell module
10 housing
11,12 Exhaust port
16 Connection hole
20 Control board
30 Fuel cell
31 Power generation unit
32 Cooling fins
33 Holding member
34, 35, 36 opening
37 Current collector
38 Cathode electrode
39 Conductor film
40 Anode electrode
41 Air supply hole
42 Hydrogen flow path
51 Cooling fan
52,53 Air supply fan
54 Hydrogen purge valve
55 Regulator
56 Manual valve
60 Hydrogen storage cartridge
61 Intake air temperature sensor
62 Intake humidity sensor
63 Power generation unit temperature sensor
64 Exhaust temperature sensor
65 Exhaust humidity sensor

Claims

空気中の酸素と燃料流体とを反応させて発電を行う燃料電池を有する燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、
発電部と、
前記発電部に隣接して一体に形成された冷却部と、
前記発電部に対向する位置に設けられ、前記発電部に酸素を含んだ流入気体を供給する空気供給手段および前記発電部の乾燥度を制御する乾燥制御手段を兼ねた空気供給ファンと、
前記冷却部に対向する位置に設けられ、前記冷却部に冷却用流体を供給する冷却手段および前記発電部の温度を制御する温度制御手段を兼ねた冷却ファンと、
前記空気供給ファンと前記冷却ファンとを固定保持し、前記発電部および前記冷却部の正面部分に固定されている保持部材とを有し、
前記空気供給ファンおよび前記冷却ファンを各々独立に制御して駆動する
燃料電池システム。A fuel cell system having a fuel cell that generates electricity by reacting oxygen in the air with a fuel fluid,
The fuel cell
A power generation unit;
A cooling unit integrally formed adjacent to the power generation unit;
An air supply fan that is provided at a position facing the power generation unit and serves also as an air supply unit that supplies an inflowing gas containing oxygen to the power generation unit and a drying control unit that controls the dryness of the power generation unit;
A cooling fan that is provided at a position facing the cooling unit and serves also as a cooling unit that supplies a cooling fluid to the cooling unit and a temperature control unit that controls the temperature of the power generation unit;
The air supply fan and the cooling fan are fixed and held, and the holding member is fixed to the front portion of the power generation unit and the cooling unit,
A fuel cell system in which the air supply fan and the cooling fan are independently controlled and driven.

前記燃料電池内部の水分量である残留水分量を算出し、
前記燃料電池の温度である発電温度を測定し、
前記残留水分量および前記発電温度に基づいて、前記空気供給ファンおよび前記冷却ファンを各々独立に制御して駆動する、請求項１記載の燃料電池システム。Calculating the amount of residual water that is the amount of water inside the fuel cell;
Measure the power generation temperature, which is the temperature of the fuel cell,
The fuel cell system according to claim 1 , wherein the air supply fan and the cooling fan are independently controlled and driven based on the residual moisture amount and the power generation temperature.

前記燃料電池に流入する前記冷却用流体の温度である吸気温度及び湿度である吸気湿度を測定し、
前記燃料電池から排出される前記流入気体の温度である排気温度及び湿度である排気湿度を測定し、
前記燃料電池の温度である発電温度を測定し、
前記吸気温度、前記吸気湿度、前記排気温度、前記排気湿度および前記発電温度に基づいて、前記空気供給ファンおよび前記冷却ファンを各々独立に制御する、請求項１記載の燃料電池システム。Measuring the intake air temperature, which is the temperature of the cooling fluid flowing into the fuel cell, and the intake air humidity, which is the humidity;
Measure the exhaust temperature which is the temperature of the inflowing gas discharged from the fuel cell and the exhaust humidity which is the humidity,
Measure the power generation temperature, which is the temperature of the fuel cell,
The fuel cell system according to claim 1 , wherein the air supply fan and the cooling fan are independently controlled based on the intake air temperature, the intake air humidity, the exhaust gas temperature, the exhaust air humidity, and the power generation temperature.

前記燃料電池の温度の範囲として安定温度領域が予め定められ、
前記発電温度が前記安定温度領域内に収束する方向に前記冷却ファンの駆動を制御する、請求項１記載の燃料電池システム。A stable temperature region is predetermined as the temperature range of the fuel cell,
The fuel cell system according to claim 1 , wherein the driving of the cooling fan is controlled in a direction in which the power generation temperature converges within the stable temperature region.

前記発電部の温度の範囲として安定温度領域が予め定められ、
前記発電温度が前記安定温度領域よりも大きいときには前記冷却ファンを駆動し、
前記発電温度が前記安定温度領域よりも小さいときには前記冷却ファンを停止する、請求項４記載の燃料電池システム。A stable temperature region is predetermined as the temperature range of the power generation unit,
When the power generation temperature is higher than the stable temperature range, the cooling fan is driven,
The fuel cell system according to claim 4, wherein the cooling fan is stopped when the power generation temperature is lower than the stable temperature range.

前記燃料電池内部の水分量の範囲として安定湿度領域が予め定められ、
前記残留水分量が前記安定湿度領域内に収束する方向に前記空気供給ファンの駆動を制御する、請求項１記載の燃料電池システム。A stable humidity region is predetermined as a range of water content inside the fuel cell,
The fuel cell system according to claim 1 , wherein the driving of the air supply fan is controlled in a direction in which the residual moisture amount converges in the stable humidity region.

前記発電部内部の水分量の範囲として安定湿度領域が予め定められ、
前記残留水分量が前記安定湿度領域よりも大きいときには前記空気供給ファンを駆動し、
前記残留水分量が前記安定湿度領域よりも小さいときには前記空気供給ファンは前記流入気体の供給量を減少又は停止する、請求項６記載の燃料電池システム。A stable humidity region is predetermined as a range of moisture content inside the power generation unit,
When the residual moisture amount is larger than the stable humidity region, the air supply fan is driven,
The fuel cell system according to claim 6 , wherein the air supply fan reduces or stops the supply amount of the inflowing gas when the residual moisture amount is smaller than the stable humidity region.

前記燃料電池は、カソード電極と伝導体膜とアノード電極とを多階層に積層して、前記燃料電池外部の気体を前記燃料電池内部に流入させることで、発電反応に用いられる酸素を前記カソード電極に供給する開放型スタックセル構造をとる、請求項１記載の燃料電池システム。The fuel cell has a cathode electrode, a conductor film, and an anode electrode stacked in multiple layers, and a gas outside the fuel cell is allowed to flow into the fuel cell, so that oxygen used for a power generation reaction can be converted into the cathode electrode. The fuel cell system according to claim 1 , wherein the fuel cell system has an open stack cell structure that is supplied to the fuel cell.

前記発電部は、集電板、カソード電極、伝導体膜およびアノード電極を多階層に積層した構造を有し、前記集電板の前記カソード電極との間には空気供給孔、前記集電板の前記アノード電極との間には水素流路を有する
請求項１記載の燃料電池システム。The power generation unit has a structure in which a current collector plate, a cathode electrode, a conductor film, and an anode electrode are stacked in multiple layers, and an air supply hole and the current collector plate are provided between the current collector plate and the cathode electrode. A hydrogen flow path is provided between the anode electrode
The fuel cell system according to claim 1 .

前記冷却部は、前記多階層に積層された前記集電板の各層に一体として形成され、互いに空隙を間にして配置された複数枚の金属板により構成されている
請求項９記載の燃料電池システム。The cooling unit is formed integrally with each layer of the current collector plates stacked in the multiple layers, and is configured by a plurality of metal plates disposed with a gap therebetween.
The fuel cell system according to claim 9 .