JP5463800B2 - FUEL CELL SYSTEM AND CONTROL METHOD FOR FUEL CELL SYSTEM - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池システムに関し、特に、電解質膜のドライアウトを検知する装置及び方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to an apparatus and method for detecting dry-out of an electrolyte membrane.
燃料電池セルを複数枚積層してなる燃料電池スタックにおいて、駆動の際の発熱によって、電解質膜が損傷することが問題となっている。このような損傷は、電解質膜が乾燥した、いわゆるドライアウトの状態で生じ易く、電解質膜に孔が開く場合もある。孔が開いた場合には、出力の低下を招くだけでなく、水素と酸素が混合してしまうことで通常の電気化学反応が起こらなくなり、燃料電池スタックが発電不能になるおそれもある。 In a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells are stacked, there is a problem that the electrolyte membrane is damaged by heat generated during driving. Such damage is likely to occur in a so-called dry-out state where the electrolyte membrane is dry, and there may be a case where a hole is opened in the electrolyte membrane. When the holes are opened, not only the output is reduced, but hydrogen and oxygen are mixed, so that a normal electrochemical reaction does not occur and the fuel cell stack may not be able to generate power.
そこで、特許文献1では、各セルの電圧である単セル電圧を一定時間毎に検出し、検出した電圧が所定電圧以下になった場合にドライアウトの状態であると判定し、警告信号を発するようにしている。
Therefore, in
しかしながら、特許文献1に開示された構成では、各セルに電圧検知手段を設ける必要があり、これにより装置の大型化や高コスト化が避けられない。
However, in the configuration disclosed in
そこで、本発明では大型化、高コスト化を招くことなく、簡便にドライアウトを検知し得る装置及び方法を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide an apparatus and a method that can easily detect dryout without causing an increase in size and cost.
本発明の燃料電池システムは、燃料極と酸化剤極とが電解質膜を挟んで対向配置されてなる燃料電池セルを複数積層して構成される燃料電池スタックを備える。そして、電解質膜の中を移動する水の拡散係数をDw(m2/sec)、電解質膜の厚さをL(m)、電気浸透係数をNd(molH2O/MOLH+)としたときに、燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池セルのうち一部の燃料電池セルは、その他の燃料電池セルに比べてDw/(L×Nd)で表わされる値が小さく、かつ、燃料電池スタックの燃料ガス入口及び燃料電池スタックの燃料ガス出口、又は燃料電池スタックの酸化剤ガス入口及び燃料電池スタックの酸化剤ガス出口から最も遠い側に配置される。さらに、前記一部の燃料電池セルにはセル電圧を検出する電圧検出手段を設け、電圧検出手段を設けた燃料電池セルへの燃料ガスまたは酸化剤ガスの少なくとも一方の供給を遮断可能なシャットオフ弁と、電圧検出手段を設けた燃料電池セルの燃料極と酸化剤極を電気的に接続させ得る通電手段と、を有する。 The fuel cell system of the present invention includes a fuel cell stack configured by stacking a plurality of fuel cell cells in which a fuel electrode and an oxidant electrode are arranged to face each other with an electrolyte membrane interposed therebetween. Then, when the diffusion coefficient of water moving through the electrolyte membrane is Dw (m 2 / sec), the thickness of the electrolyte membrane is L (m), and the electroosmosis coefficient is Nd (mol H 2 O / MOL H + ), some of the fuel cell of the plurality of fuel cells constituting the fuel cell stack, the value represented in comparison to other fuel cells in Dw / (L × Nd) rather small, and the fuel cell stack The fuel gas inlet and the fuel gas outlet of the fuel cell stack, or the oxidant gas inlet of the fuel cell stack and the oxidant gas outlet of the fuel cell stack are disposed on the farthest side. Further, the some fuel cells are provided with voltage detecting means for detecting a cell voltage, and shut-off capable of shutting off supply of at least one of fuel gas and oxidant gas to the fuel battery cell provided with the voltage detecting means. A valve, and an energizing unit capable of electrically connecting the fuel electrode and the oxidant electrode of the fuel battery cell provided with the voltage detecting unit .
本発明によれば、Dw/(L×Nd)で表わされる値が相対的に小さい燃料電池セルが、その他の燃料電池セルよりドライアウトし易くなる。ドライアウトし易い燃料電池セルがわかっているので、ドライアウトし易い燃料電池セルに電圧計を設けるだけで、ドライアウトを確実に検知することができる。すなわち、すべての燃料電池セルの電圧をモニタリングする必要がないので、システムの大型化や高コストを招くことなく、ドライアウトを確実に検知することができる。 According to the present invention, a fuel cell having a relatively small value represented by Dw / (L × Nd) is more easily dried out than other fuel cells. Since the fuel cell that is easy to dry out is known, it is possible to reliably detect the dry-out simply by providing a voltmeter in the fuel cell that is easy to dry out. That is, since it is not necessary to monitor the voltages of all the fuel cells, dryout can be reliably detected without increasing the size and cost of the system.
以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、参考例に用いる燃料電池の概略図である。本参考例では、燃料電池10として固体高分子型燃料電池を用いる。そして、燃料電池10の反応ガスとして、水素含有ガス等の燃料ガスと、空気等の酸化剤ガスを用いる。
FIG. 1 is a schematic view of a fuel cell used in a reference example . In this reference example , a polymer electrolyte fuel cell is used as the
単位セルは、固体高分子電解質膜(以下、電解質膜1)を燃料極2および酸化剤極3により狭持した膜電極接合体(以下、MEA15)を、さらに、アノードセパレータ4、カソードセパレータ5で狭持することにより構成する。このような単位セルを積層することにより、燃料電池10の積層体である燃料電池スタック25を構成する。なお、図1では、単位セルを3枚積層した状態を示している。
The unit cell includes a membrane electrode assembly (hereinafter referred to as MEA 15) in which a solid polymer electrolyte membrane (hereinafter referred to as electrolyte membrane 1) is sandwiched between a
アノードセパレータ4の燃料極2に対峙する面には、アノード流路6を構成する。アノード流路6には、後述するアノードガスマニホールド14により分配された燃料ガス、例えば水素含有ガスを流通させる。また、カソードセパレータ5の酸化剤極3に対峙する面には、カソード流路7を構成する。カソード流路7には、後述するカソードガスマニホールド12により分配された酸化剤ガスを流通させる。ここで、アノードガスマニホールド14と、カソードガスマニホールド12は、燃料電池スタック25を積層方向に貫通し、外部より供給された燃料ガスまたは酸化剤ガスを各セルに分配する。本参考例では、アノードガスマニホールド14、カソードマニホールド12として積層面を貫通する内部マニホールドを用いる。
An anode channel 6 is formed on the surface of the
アノードセパレータ4とカソードセパレータ5の合わせ面には、冷却水流路8を構成する。この冷却水流路8にエチレングリコール等の溶媒を流すことにより、温度上昇した燃料電池10の熱を排出する。
A cooling
また、MEA15の外周に沿って、燃料ガス及び酸化剤ガスの漏れを防ぐためのエッジシール20を配置する。
An
上記燃料電池10の燃料極2及び酸化剤極3には、白金担持カーボンを用いる。また、電解質膜1には、厚さ25μmと50μmの2種類のNafion(Dupont社製 登録商標)を用いる。
Platinum-supported carbon is used for the
図2は、燃料電池10を発電源として用いるシステムの一例を示す構成図である。
FIG. 2 is a configuration diagram showing an example of a system that uses the
燃料電池10の積層方向両端に、それぞれ集電板30a、30b、絶縁板36及びエンドプレート35を配置して構成する。積層した燃料電池10、集電板30a、30b、絶縁板36及びエンドプレート35は、燃料電池10の内部四隅に貫通した貫通孔に、タイロッド33を挿通して、タイロッド33の端部にナット34を螺合することによって締結する。締結方法は、燃料電池10の内部にタイロッド33を貫通する方法に限られず、燃料電池10外部において、エンドプレート35の四隅を4本のタイロッド33で縦貫してもよい。
集電板30a、30bを、ガス不透過な導電性部材、例えば、緻密質カーボンや銅板などにより構成する。集電板30a、30bにはそれぞれ、燃料電池10で生じた起電力の取り出し部となる出力端子110を設ける。取り出された出力は、図示しない出力センサによって検出される。
The
絶縁板36を、絶縁性部材、例えば、ゴムや樹脂などにより構成する。タイロッド33を、剛性を備えた材料、例えば、鋼などの金属材料により構成する。タイロッド33の表面は絶縁処理を行っており、燃料電池10の単位セル同士の電気的短絡を防止する。
The
一方のエンドプレート35には、燃料電池10内に燃料ガス(水素ガス又は水素含有ガス)を供給するための燃料ガス入口14a、及び、燃料電池10内に酸化剤ガス(酸素含有ガス又は空気)を供給するための酸化剤ガス入口12a、そしてこれらの出口である燃料ガス出口14b、酸化剤ガス出口12bを設ける。
One
出力端子110から取り出した電力は、モータ等の負荷32に供給する。この燃料電池10を自動車等の動力源として用いる場合には、モータは自動車を動かすための補機類へと繋がる。
The electric power taken out from the
燃料電池スタック25の積層方向中央部に配置した燃料電池10aの起電力を検知するための電圧計31を設ける。
A
ここで、上述した燃料電池10内の水の動きについて説明する。
Here, the movement of the water in the
図3は、燃料電池10内の水の動きを模式的に示した図である。燃料電池10の発電時には、燃料極2、酸化剤極3ではそれぞれ以下のような反応が起きている。
FIG. 3 is a diagram schematically showing the movement of water in the
燃料極:H2→2H-+2e- ・・・(1)
酸化剤極:O2+4H++4e-→2H2O ・・・(2)
このとき、H+(プロトン)は水分子をドラッグして電解質膜内を移動する。ここでプロトン1分子がドラッグする水分子の数をNdとする。一方で、燃料電池10内では、酸化剤極3で生成したH2O(水)が酸化剤極3から燃料極2へ拡散してくる。つまり、燃料極2から酸化剤極3へドラッグされる水と、酸化剤極3から燃料極2へ拡散する水がバランスされて発電が成立している。このドラッグと拡散を数式で表すと、電解質膜1内を移動する水の流束JH2Oは、
JH2O=Nd・(I/F)−Dw・(ΔCW/L) ・・・(3)
で表わすことができる。ここで、ΔCWは電解質膜1間の水濃度勾配、Iは電流密度、Fはファラデー定数である。
Fuel electrode: H 2 → 2H − + 2e − (1)
Oxidant electrode: O 2 + 4H + + 4e − → 2H 2 O (2)
At this time, H + (proton) drags water molecules and moves in the electrolyte membrane. Here, Nd is the number of water molecules dragged by one proton molecule. On the other hand, in the
J H2O = Nd · (I / F) −Dw · (ΔC W / L) (3)
It can be expressed as Here, ΔC W is the water concentration gradient between the
JH2Oは燃料極2から酸化剤極3への移動をプラスと定義しており、通常は、JH2Oはマイナスの値、つまり水は酸化剤極3から燃料極2へと移動する。逆にいえば、JH2Oがゼロ以上となったとき、燃料極2から酸化剤極3へ水が移動することを表わしており、この条件を満たすと乾燥(ドライアウト)し始める。そこで上式を、この境界を意味するJH2O=0として電流密度Iについて解くと、ドライアウト開始時(JH2O=0)の電流IDryは、次のように表わされる。
J H2O defines movement from the
IDry=F・[Dw/(Nd×L)]・ΔCW ・・・(4) I Dry = F · [Dw / (Nd × L)] · ΔC W (4)
式(4)から、Dw/(Nd×L)が小さいと、小さな電流でもドライアウトしてしまうことがわかる。また、Dw/(Nd×L)が大きいほど燃料極2と酸化剤極3との間での水移動性が良好で、これが小さいと水移動性が悪いということがわかる。
From equation (4), it can be seen that if Dw / (Nd × L) is small, dryout occurs even with a small current. It can also be seen that the greater the Dw / (Nd × L), the better the water mobility between the
図4、図5は、それぞれ水移動性が良い場合と悪い場合の電流−電圧特性(iV特性)を示している。図中の実線Vは電圧、実線Oは抵抗を示しており、横軸が電流密度を示している。 4 and 5 show current-voltage characteristics (iV characteristics) when the water mobility is good and bad, respectively. In the figure, the solid line V indicates the voltage, the solid line O indicates the resistance, and the horizontal axis indicates the current density.
燃料電池10内では、様々な外乱要因によって電解質膜1内の含水量が異なり、この含水量の違いはiV特性に現れる。したがって、図4及び図5に示すように1つの燃料電池10内の一方の端部付近と、中央付近と、他方の端部付近の3か所のiV特性を比べると、含水量の違いに応じてそれぞれ異なるiV特性を示す。
In the
電解質膜1の水移動性が良い場合と悪い場合を比較すると、図4と図5からわかるように、水移動性が良い場合の方が3か所のiV特性の差は相対的に小さい。つまり、水移動性が良い場合には、電解質膜1のどの位置でも同様に電流密度を取り出せるようなiV特性になっている。
Comparing the case where the water mobility of the
これに対して、水移動性が悪い場合は、場所によって取り出せる電流密度の限界値が異なるiV特性となっている。これは、上記のDw/(Nd×L)が小さいために、生成水を電解質膜1に十分戻すことができず、乾燥してしまうからである。例えば図5でいえば、左側部分と中央部分の電流密度限界値が右側部分よりも小さいため、電流が右側部分に集中して、この部分が発熱してドライアウトする。この熱による膨張等によって損傷や孔開きに至る。
On the other hand, when the water mobility is poor, the iV characteristics have different limit values of the current density that can be taken out depending on the location. This is because the generated water cannot be sufficiently returned to the
燃料電池スタック25の単位セルがすべて同じ仕様であれば、その部分に孔が開くかはランダムに決まることになる。したがって、すべての単位セルをモニタリングしなければ、ドライアウトを検知できない。
If all the unit cells of the
そこで、本参考例では、燃料電池スタック25の中央部に配置したセル10aには、厚さ50μmの電解質膜1を用い、その他の燃料電池10には厚さ25μmの電解質膜1を用いる。
Therefore, in this reference example , the
これは、中央部のセル10aだけ、前述した水移動性を表わす値Dw/(Nd×L)の電解質膜厚さLを2倍にしたことになる。つまり、このセル10aは他のセルに比べて水移動性が半分になり、すべてのセルの中で最も早くドライアウトすることになる。
This means that the electrolyte film thickness L of the value Dw / (Nd × L) representing the water mobility described above is doubled only in the
したがって、中央部のセル10aのみ電圧をモニタリングしていれば、ドライアウトを検知することができる。そこで、セル10aにのみ電圧計31を設ける。
Therefore, dryout can be detected if the voltage is monitored only in the
また、セル10aのカソード触媒担持量は、他のセルに対して2/3の量とし、セル10aを構成するセパレータの厚さは、他のセルを構成するセパレータの2倍とする。
The amount of the cathode catalyst supported in the
なお、カソード触媒担持量を減らす代わりに、冷却水を流す流路断面積を2/3程度にして圧力損失を増やしてもよい。 Instead of reducing the amount of cathode catalyst supported, the pressure loss may be increased by setting the flow path cross-sectional area through which cooling water flows to about 2/3.
次に、上述した燃料電池スタック25の制御について説明する。
Next, the control of the
図6は、電流を取り出している状態である通常運転中に、燃料電池スタック25のドライアウト及びそれに伴う穴開き等を防止するために図示しない制御装置が実行する制御ルーチンを示すフローチャートである。システム運転中に一定期間ごと、例えば10ミリ秒ごと、に繰り返し実行する。なお、通常は水素および酸素の利用率を一定として運転しており、特に記載がなければ、電流に合わせてガス流量を変化させている。以下、ステップに従って説明する。
FIG. 6 is a flowchart showing a control routine executed by a control device (not shown) in order to prevent the dry-out of the
ステップS1では、常にセル10aの電圧をモニタリングして、この電圧が所定電圧V1を下回ったらステップS2へ進む。
In step S1, the voltage of the
ステップS2では、燃料電池スタック25の出力を低下させて、取り出す電流を低下させる。そして、ステップS3ではセル電圧がV1以上になったか否かを判定し、V1以上になるまでステップS2、S3を繰り返す。
In step S2, the output of the
ここで、ステップS2で電流を低下させる理由について説明する。 Here, the reason why the current is reduced in step S2 will be described.
本制御はセル10aのドライアウトを早急に解消することを目的とする。そのために後述するようにカソードのガス圧(カソード圧)を上昇させるが、カソード圧は直ちには上昇せず、数秒程度を要する。これに対して、セル電圧はドライアウトした場合には1秒程度で急激に低下するので、カソード圧の上昇が間に合わずにセルの破損に至るおそれがある。そこで、後述するステップS4でカソード圧を上昇させる前に、まず電流を強制的に低下させることでドライアウトによるセルの破損を回避している。
The purpose of this control is to quickly eliminate the dry-out of the
フローチャートの説明に戻る。 Return to the description of the flowchart.
セル電圧がV1以上になったらステップS4に進み、カソード圧を上昇させる。このガス圧力上昇に伴いゼル10aは湿潤状態となるので、ステップS5で電流を増加させる。
When the cell voltage becomes equal to or higher than V1, the process proceeds to step S4 to increase the cathode pressure. As the gas pressure rises, the
ステップS6では要求出力に到達したか否かを判定し、到達するまで上記ステップS3からS6を繰り返し実行し、つまり要求出力に到達するまでカソード圧上昇と電流増加を繰り返し、要求出力に到達したら本ルーチンを終了する。 In step S6, it is determined whether or not the required output has been reached. Steps S3 to S6 are repeated until the required output is reached. That is, the cathode pressure rise and current increase are repeated until the required output is reached. End the routine.
ここで、カソード圧の上限は、燃料電池10の上限圧力を超えない範囲にする必要がある。通常、セパレータや電解質膜1の耐圧を考慮すると、200〜300kPa程度が上限となる。したがって、カソード圧が上限に達してもなお要求出力に到達していない場合には、カソード圧は要求出力に到達するまで上限値に保持されることとなる。
Here, the upper limit of the cathode pressure needs to be in a range not exceeding the upper limit pressure of the
次に、上記制御を実行した場合の効果について説明する。 Next, the effect when the above control is executed will be described.
図7は上記制御を実行した場合の、セル10aの電圧、電流密度、カソード圧、及び出力のタイムチャートである。図8は、比較のためのグラフであって、すべて同一の単位セルで燃料電池スタックを構成し、各セルについて電圧挙動を調べた結果、実験後に損傷が確認されたセルの電圧挙動を示すグラフである。
FIG. 7 is a time chart of the voltage, current density, cathode pressure, and output of the
いずれも、最初の5秒間は無負荷状態で、5秒経過から10秒経過までの間に、要求出力になるまで電流密度を増加させ、その電流密度を維持するようにした場合の電圧挙動である。また、図6のステップS1で用いる所定電圧V1は、予め測定したiv特性から乾燥する条件を求め、−2Vとした。 In either case, the first 5 seconds are in a no-load state, and the voltage behavior when the current density is increased and maintained until the required output is reached during the period from 5 seconds to 10 seconds. is there. Further, the predetermined voltage V1 used in step S1 in FIG. 6 was set to −2 V by obtaining a drying condition from iv characteristics measured in advance.
図7では、5秒経過後から電流密度を増加させるのに伴ってセル10aの電圧は約0.6Vまで低下し、10秒経過から20秒経過までの間はそのまま約6Vで発電をしていた。しかし、20秒経過後からセル10aの電圧は急激に低下し、図示されていないが−2Vまで低下した。これは、スタック温度が徐々に上昇し、20秒経過の時点でドライアウトしたためと考えられる。その後、図示はされていないが、セル10aの電圧が−2Vまで低下している。
In FIG. 7, as the current density is increased after 5 seconds, the voltage of the
そこで、図6の制御ルーチンに従って電流を低下させ(図6のS2)、セル電圧が−2Vを上回ることを確認した(図6のS3)。そして、カソード圧を上昇させる制御を開始し(図6のS4)、続いて電流を増加させた(図6のS5)。最終的に、30秒の時点で元の出力(要求出力)に到達したことを確認し、制御を終了している。 Therefore, the current was reduced according to the control routine of FIG. 6 (S2 in FIG. 6), and it was confirmed that the cell voltage exceeded −2 V (S3 in FIG. 6). Then, control for increasing the cathode pressure was started (S4 in FIG. 6), and then the current was increased (S5 in FIG. 6). Finally, it is confirmed that the original output (requested output) has been reached at 30 seconds, and the control is terminated.
上記のようなドライアウト時の操作を複数回行っても、実験後に燃料電池スタック25を構成する各セルに損傷は確認されなかった。
Even if the operation at the time of dryout as described above was performed a plurality of times, no damage was confirmed in each cell constituting the
一方、図8では、20秒経過までの電圧挙動と、20秒経過後から急激に電圧が低下する点では図7と同様であるが、図8では−30Vまで電圧が低下し、その後電圧が元に戻ることはなかった。そこで当該セルを取り出して確認したところ、電解質膜1に穴が開いていることが確認された。
On the other hand, FIG. 8 is the same as FIG. 7 in that the voltage behavior up to 20 seconds elapses and the voltage drops rapidly after 20 seconds elapses, but in FIG. I didn't go back. Therefore, when the cell was taken out and confirmed, it was confirmed that the
なお、特定の単位セルを他のセルよりも早くドライアウトし易くするには、上述したように電解質膜1の厚さを変えることが最も簡便な方法であるが、この他にも、拡散係数の小さい電解質膜を用いる等の方法もある。例えば、水の移動性には、イオン交換基容量との相関があり、イオン交換基容量が小さいほど水の拡散性が低下する。そこで、セル10aにイオン交換基容量が小さい電解質膜を用いることでも、上記と同様の効果を得ることができる。また、見かけ上のイオン交換基容量を下げるために、イオン交換基のプロトンを金属イオンで置換する方法でも、同様の効果を得ることができる。
In order to make it easier to dry out a specific unit cell earlier than other cells, it is the simplest method to change the thickness of the
なお、上記説明では、セル10aを燃料電池スタック25の中央部に配置したが、これに限られるわけではない。
In the above description, the
また、セル10aが1枚の場合について説明したが、セル10aを複数設けて、例えば2枚のセル10aを燃料電池スタック25の両端に配置してもよい。
Moreover, although the case where the number of
以上のように本参考例によれば、次の効果を得ることができる。 As described above, according to the present reference example , the following effects can be obtained.
(1)複数のセル10、10aを積層して構成される燃料電池スタック25を備える燃料電池システムにおいて、セル10aはその他のセル10に比べてDw/(L×Nd)で表わされる値が小さいので、セル10aは他のセル10に比べて水移動性が悪くなる。つまり、セル10aは他のセル10に比べてドライアウトし易くなる。そして、他のセル10に比べてドライアウトし易いセル10aに電圧計31を設けたので、システムの大型化、高コスト化を招くことなく、ドライアウトを確実に検知することができる。
(1) In a fuel cell system including a
(2)セル10aは、触媒担持量がその他のセル10に比べて少ない。触媒担持量が少ない方が、過電圧が大きく高温になり易い。そして燃料電池が高温になると湿度は相対的に低下するので、より乾燥しやすく、電流密度分布がばらつきやすくなる。したがって、セル10aの水移動性を悪くするのに加え、さらに触媒担持量をその他のセル10に比べて少なくすることで、セル10aはさらにドライアウトし易くなる。これによって、さらにドライアウトを検知し易くなる。
(2) The
(3)セル10a用の冷却水流路8は、その他のセル10用の冷却水流路8よりも圧力損失が大きい。圧力損失が大きいほど冷却水流量が減少するため、放熱しにくくなり、高温(低湿度)になり易い。高温、低湿度条件ではセル10aはドライアウトし易くなるため、ドライアウトを検知し易くなる。
(3) The cooling
(4)燃料電池スタック25の熱は、端部では空気中に放熱されるが中央部では放熱されにくい。したがって、中央部の方が相対的に高温、低湿度になり易い。そこで、セル10aを燃料電池スタック25の中央部に配置することで、セル10aはよりドライアウトし易くなり、ドライアウトを検知し易くなる。
(4) The heat of the
(5)セル10aのセパレータ4、5は、その他のセル10のセパレータ4、5に比べて厚いので、セル10aが発熱したとしてもセパレータ4、5の変形を防ぐことができる。これにより、セパレータ4、5の変形に起因する燃料ガスの外部への漏れを防止でき、信頼性や安全性を確保することができる。
(5) Since the
(6)セル10aのセル電圧が予め設定した所定電圧V1を下回った場合に、セル10aの酸化剤極3に供給するガス圧力を増加させるので、供給ガスの流速が下がり、湿度は相対的に高くなる。これにより、ドライアウトが生じた場合にも電解質膜1の損傷を防いで、通常運転に復帰することができる。
(6) When the cell voltage of the
本発明の実施形態について説明する。 An embodiment of the present invention will be described.
図9は本実施形態を適用する燃料電池の概略図である。基本的な構成は図2と同様なので、相違点についてのみ説明する。 FIG. 9 is a schematic view of a fuel cell to which this embodiment is applied. Since the basic configuration is the same as in FIG. 2, only the differences will be described.
本実施形態では、電圧計31を設けたセル10aを、燃料ガス入口14a及び酸化剤ガス入口12a並びに燃料ガス出口14b及び酸化剤ガス出口12bから遠い側の集電板30bに隣接するように配置した。そして、アノードガスマニホールド14及びカソードガスマニホールド12に、セル10aと他のセル10との間でのガスの流れを遮断可能なシャットオフ弁40を設けた。さらに、セル10aの燃料極2と酸化剤極3を電気的に接続する通電スイッチ41を設けた。
In this embodiment, the
すなわち、シャットオフ弁40を開くと、燃料ガス入口14a及び酸化剤ガス入口12aから供給されたガスはすべてのセル10、10aに供給され、燃料ガス出口14b及び酸化剤ガス出口12bから排出される。一方、シャットオフ弁40を閉じると、セル10aへのガスの供給がされなくなる。
That is, when the
また、通電スイッチ41をオフにすると、すべてのセル10、10aを直列に配置した状態となる。一方、通電スイッチ41をオンにすると、セル10aは電気的にバイパスされる。つまり、集電板30a、30bはセル10aを除いたセル10から出力を取り出すこととなる。
When the
通常運転時には、シャットオフ弁40は開いた状態、通電スイッチ41はオフの状態になっている。
During normal operation, the
次に上記構成の燃料電池スタック25の制御について説明する。
Next, control of the
通常運転中の制御は、参考例と同様である。しかし、電流を取り出していない状態である無負荷時には、ドライアウトによってセル10aが破損しているか否かを判断し、破損がある場合に引き続き運転を行うための制御を実行する。
Control during normal operation is the same as in the reference example . However, at the time of no load in which no current is taken out, it is determined whether or not the
無負荷時に図6の制御ルーチンを実行しないのは、無負荷時には電解質膜1内をプロトンが流れないので、水をドラッグすることがなく、結果としてドライアウトすることがないからである。
The reason why the control routine of FIG. 6 is not executed when there is no load is that protons do not flow through the
なお、通常運転中に図6の制御ルーチンを実行すれば、上述したようにドライアウトを確実に発見できるので、基本的にはセル10aの破損を防止することができる。
Note that if the control routine of FIG. 6 is executed during normal operation, the dryout can be reliably detected as described above, and basically, the
しかし、ドライアウトによる電圧降下からミリ秒以下の短時間でセル10aが破損する場合もある。この場合には、電流を下げる制御(図6のS2)が間に合わずに、セル10aが破損するおそれがある。そこで、本実施形態では、通常運転中に実行する図6の制御の他に、無負荷時にはセル10aの破損の有無を判断し、破損がある場合でも運転を継続するための制御を実行する。
However, the
図10は図示しない制御装置が無負荷時に実行する制御ルーチンのフローチャートである。以下、フローチャートのステップに従って説明する。 FIG. 10 is a flowchart of a control routine executed by a control device (not shown) when there is no load. Hereinafter, description will be given according to the steps of the flowchart.
ステップS21では、電圧をモニタリングし、検出した電圧が所定電圧V2以下になったらステップS22へ進む。ここでの所定電圧V2は、セルが破損したか否かを判断するための閾値であり、所定電圧V2以下の場合にはセル10aは破損していると判断する。
In step S21, the voltage is monitored, and when the detected voltage becomes equal to or lower than the predetermined voltage V2, the process proceeds to step S22. The predetermined voltage V2 here is a threshold value for determining whether or not the cell is damaged. When the voltage is equal to or lower than the predetermined voltage V2, it is determined that the
所定電圧V2の大きさは、使用するセル毎に設定する。例えば、破損していない状態で約0.95Vであったセルが、0.9Vとなったときに破損を確認できた場合には、所定電圧V2は0.9Vに設定する。 The magnitude of the predetermined voltage V2 is set for each cell to be used. For example, when a cell that has been about 0.95 V in a non-damaged state can be confirmed to be 0.9 V, the predetermined voltage V2 is set to 0.9 V.
ステップS21で所定電圧V2以下の場合、つまりセル10aの破損が確認された場合には、ステップS22でシャットオフ弁40を閉じる。これにより、セル10aへの燃料ガス及び酸化剤ガスの供給が遮断されるので、セル10a内で燃料ガスと酸化剤ガスが混合することを防止し、信頼性や安全性を確保することができる。
If the voltage is equal to or lower than the predetermined voltage V2 in step S21, that is, if damage to the
ステップS23では、通電スイッチ41をオンにする。これにより、セル10aのアノードとカソードが電気的に接続されるので、セル10aに隣接する集電板30bと、セル10aを除くセル10が、セル10aをバイパスして電気的に接続される。したがって、セル10aが発電できなくても、燃料電池スタック25が継続して発電することが可能となる。
In step S23, the
以上のように、本実施形態によれば参考例と同様の効果に加え、さらに次のような効果が得られる。 As described above, according to the present embodiment, the following effects can be obtained in addition to the same effects as those of the reference example .
(7)無負荷の状態で、セル10aのセル電圧が予め設定した所定電圧V2を下回った場合に、セル10aへの燃料ガスまたは酸化剤ガスの少なくとも一方の供給を遮断するので、燃料ガスと酸化剤ガスが混合することを防止できる。
(7) Since the supply of at least one of the fuel gas and the oxidant gas to the
(8)無負荷の状態で、セル10aのセル電圧が予め設定した所定電圧V2を下回った場合に、セル10aの燃料極2と酸化剤極3を電気的に接続させるので、セル10aをバイパスして燃料電池スタック25の継続発電が可能となる。
(8) Since the
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and it goes without saying that various modifications can be made within the scope of the technical idea described in the claims.
1 電解質膜
2 燃料極
3 酸化剤極
4 カソードセパレータ
5 アノードセパレータ
6 アノード流路
7 カソード流路
8 冷却水流路
10 セル
12 カソードガスマニホールド
14 アノードガスマニホールド
20 エッジシール
25 燃料電池スタック
30 集電板
31 電圧計
32 負荷
110 出力端子
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記電解質膜の中を移動する水の拡散係数をDw(m2/sec)、前記電解質膜の厚さをL(m)、電気浸透係数をNd(molH2O/MOLH+)としたときに、
前記燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池セルのうち一部の燃料電池セルは、その他の燃料電池セルに比べてDw/(L×Nd)で表わされる値が小さく、かつ、前記燃料電池スタックの燃料ガス入口及び前記燃料電池スタックの燃料ガス出口、又は前記燃料電池スタックの酸化剤ガス入口及び前記燃料電池スタックの酸化剤ガス出口から最も遠い側に配置され、
前記一部の燃料電池セルにはセル電圧を検出する電圧検出手段を設け、
前記電圧検出手段を設けた燃料電池セルへの、燃料ガスまたは酸化剤ガスの少なくとも一方の供給を遮断可能なシャットオフ弁と、
前記電圧検出手段を設けた燃料電池セルの燃料極と酸化剤極を電気的に接続させ得る通電手段と、
を有することを特徴とする燃料電池システム。 In a fuel cell system including a fuel cell stack configured by laminating a plurality of fuel cells in which a fuel electrode and an oxidant electrode are disposed to face each other with an electrolyte membrane interposed therebetween,
When the diffusion coefficient of water moving through the electrolyte membrane is Dw (m 2 / sec), the thickness of the electrolyte membrane is L (m), and the electroosmosis coefficient is Nd (mol H 2 O / MOL H + ),
Among the plurality of fuel cells constituting the fuel cell stack, some of the fuel cells have a smaller value represented by Dw / (L × Nd) than other fuel cells, and the fuel cell stack A fuel gas inlet and a fuel gas outlet of the fuel cell stack, or an oxidant gas inlet of the fuel cell stack and an oxidant gas outlet of the fuel cell stack.
A voltage detection means for detecting a cell voltage is provided in the part of the fuel cells ,
A shut-off valve capable of shutting off supply of at least one of fuel gas or oxidant gas to the fuel cell provided with the voltage detection means;
Energization means capable of electrically connecting the fuel electrode and the oxidant electrode of the fuel cell provided with the voltage detection means;
The fuel cell system according to claim Rukoto to have a.
前記電圧検出手段を設けた燃料電池セル用の冷却水流路は、その他のセル用の冷却水流路よりも圧力損失が大きいことを特徴とする請求項1または2に記載の燃料電池システム。 A cooling water flow path for flowing cooling water for cooling the fuel cell stack;
The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein the fuel cell cooling water channel provided with the voltage detection means has a pressure loss larger than that of other cell cooling water channels.
前記電圧検出手段で検出したセル電圧を予め設定した所定電圧V1と比較し、
前記電圧検出手段で検出したセル電圧が前記所定電圧V1を下回った場合には、前記一部の燃料電池セルでドライアウトが発生していると判定することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。 A fuel cell stack comprising a plurality of fuel cells in which a fuel electrode and an oxidant electrode are arranged opposite to each other with an electrolyte membrane interposed therebetween is provided, and a diffusion coefficient of water moving through the electrolyte membrane is expressed as Dw ( m 2 / sec), when the thickness of the electrolyte membrane is L (m) and the electroosmotic coefficient is Nd (mol H 2 O / MOL H + ), one of the plurality of fuel cells constituting the fuel cell stack Part of the fuel cells has a smaller value represented by Dw / (L × Nd) than the other fuel cells, and the fuel gas inlet of the fuel cell stack and the fuel gas outlet of the fuel cell stack, or wherein disposed farthest from the oxidant gas outlet of the oxidant gas inlet and said fuel cell stack of the fuel cell stack, wherein the portion of the fuel cell is provided a voltage detecting means for detecting the cell voltage, the voltage A shut-off valve capable of shutting off supply of at least one of the fuel gas and the oxidant gas to the fuel cell provided with the discharge means, and electrically connecting the fuel electrode and the oxidant electrode of the fuel cell provided with the voltage detection means energizing means which can be connected, a control method of a fuel cell system that having a by a,
Comparing the cell voltage detected by the voltage detecting means with a predetermined voltage V1 set in advance;
A control method for a fuel cell system, wherein when the cell voltage detected by the voltage detection means falls below the predetermined voltage V1, it is determined that a dryout has occurred in the part of the fuel cells. .
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