JP2005183023A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
【課題】ガス漏出時の燃料電池の出力制限を最小限に抑える燃料電池システムを提供する。
【解決手段】高分子電解質膜を含む膜電極複合体と、燃料ガスが流れる燃料ガス流路を備えたアノードセパレータと、酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路を備えたカソードセパレータと、多孔質体を介して燃料ガスを加湿する為のアノード側冷却水流路を備えたアノード側冷却板と、多孔質体を介して酸化剤ガスを加湿する為のカソード側冷却水流路を備えたカソード側冷却板とを積層した燃料電池本体と、燃料ガス流路内の燃料ガスとアノード側冷却水流路内の冷却水との差圧を調整するアノード側差圧調整手段と、酸化剤ガス流路内の酸化剤ガスとカソード側冷却水流路内の冷却水との差圧を調整するカソード側差圧調整手段と、冷却水系内の冷却水の圧力を測定する圧力センサと、冷却水系内のガスの濃度を測定するガス濃度センサとを有する。
【選択図】図1A fuel cell system that minimizes the output limitation of a fuel cell at the time of gas leakage is provided.
A membrane electrode assembly including a polymer electrolyte membrane, an anode separator having a fuel gas flow path through which fuel gas flows, a cathode separator having an oxidant gas flow path through which oxidant gas flows, and a porous structure Anode-side cooling plate with an anode-side cooling water channel for humidifying the fuel gas through the body, and a cathode-side cooling with a cathode-side cooling water channel for humidifying the oxidant gas through the porous body A fuel cell body in which the plates are laminated, an anode side differential pressure adjusting means for adjusting a differential pressure between the fuel gas in the fuel gas passage and the cooling water in the anode side cooling water passage, and an oxidant gas passage in the oxidant gas passage Cathode side differential pressure adjusting means for adjusting the differential pressure between the oxidant gas and the cooling water in the cathode side cooling water flow path, a pressure sensor for measuring the pressure of the cooling water in the cooling water system, and the concentration of the gas in the cooling water system Gas concentration sensor to measure A.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、燃料電池システムに係り、特に、多孔質体からなるセパレータを介して冷却水の一部が反応ガスを加湿する燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system in which a part of cooling water humidifies a reaction gas through a separator made of a porous material.
燃料電池のうち電解質膜として水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池(PEFC)は、コンパクトで高出力密度が得られ、簡略なシステムで運転が可能であることから、宇宙用や車両用等の移動用電源として注目されている。 A polymer electrolyte fuel cell (PEFC) using a polymer electrolyte membrane having hydrogen ion conductivity as an electrolyte membrane among the fuel cells must be compact and have a high output density and can be operated with a simple system. Therefore, it is attracting attention as a power source for mobile use such as space and vehicles.
高分子電解質膜は吸湿性があり、効率的に発電を行う為には飽和状態まで加湿する必要がある。従来から、反応ガス(燃料ガス及び酸化剤ガス)のセパレータとしてポーラスタイプ(多孔質・透過性)のセパレータを用いている燃料電池が知られている(例えば、特許文献1等を参照)。 The polymer electrolyte membrane is hygroscopic and needs to be humidified to saturation in order to efficiently generate power. 2. Description of the Related Art Conventionally, a fuel cell using a porous type (porous and permeable) separator as a reaction gas (fuel gas and oxidant gas) separator is known (see, for example, Patent Document 1).
特許文献1では、燃料極(アノード極)及び酸化剤極(カソード極)で高分子電解質膜を挟持した単位セルを複数個積層するとともに各単位セル毎に冷却板を挿入し、多孔質体の加湿水透過板及び多孔質体の燃料極集電板を介して前記冷却板に供給された冷却水の一部を高分子電解質膜に供給してこの高分子電解質膜を加湿するようにした燃料電池本体と、前記冷却板にポンプにより冷却水を循環させて発電中に生じる熱を除去する冷却水系とを具備する固体高分子型燃料電池システムが開示されている。
前述の固体高分子型燃料電池システムにおいて、反応ガスと冷却水の間は多孔質体で隔てられている。したがって、多孔質体中に含まれる冷却水の量が十分でない場合には、燃料ガス又は酸化剤ガス若しくはその両方が冷却水系に漏出してしまう場合がある。 In the aforementioned polymer electrolyte fuel cell system, the reaction gas and the cooling water are separated by a porous body. Therefore, when the amount of the cooling water contained in the porous body is not sufficient, the fuel gas and / or the oxidant gas may leak into the cooling water system.
この場合、そのまま運転を継続すると、多孔質体中の水の量がさらに減少し、燃料ガス又は酸化剤ガス若しくはその両方の漏出量がますます大きくなる。したがって、直ちに運転を停止して冷却水の圧力に対する燃料ガス又は酸化剤ガスの圧力を下げて冷却水が多孔質体中に再供給されるようにする必要がある。 In this case, if the operation is continued as it is, the amount of water in the porous body is further reduced, and the leakage amount of the fuel gas and / or the oxidant gas is further increased. Therefore, it is necessary to immediately stop the operation and lower the pressure of the fuel gas or the oxidant gas with respect to the pressure of the cooling water so that the cooling water is supplied again into the porous body.
また、多孔質体中に冷却水が再供給されるためには多孔質体の温度も低くする必要があるため、燃料ガス及び酸化剤ガスの圧力を下げるとともに燃料電池の発電を停止若しくは出力制限して、反応熱を放出しないようにしなければならない。 In addition, since the temperature of the porous body needs to be lowered in order for the cooling water to be resupplied into the porous body, the pressure of the fuel gas and the oxidant gas is lowered and the power generation of the fuel cell is stopped or the output is limited Thus, the heat of reaction must not be released.
本発明は上記課題に鑑みて成されたものであり、その目的は、ガス漏出時の燃料電池の出力制限を最小限に抑えることができる燃料電池システムを提供することである。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a fuel cell system capable of minimizing the output limitation of the fuel cell at the time of gas leakage.
本発明の特徴は、高分子電解質膜を含む膜電極複合体と、膜電極複合体に燃料ガスを供給する為の燃料ガス流路を備えたアノードセパレータと、膜電極複合体に酸化剤ガスを供給する為の酸化剤ガス流路を備えたカソードセパレータと、多孔質体を介して燃料ガスを加湿する為のアノード側冷却水流路を備えたアノード側冷却板と、多孔質体を介して酸化剤ガスを加湿する為のカソード側冷却水流路を備えたカソード側冷却板とを積層した燃料電池本体と、燃料ガス流路内の燃料ガスとアノード側冷却水流路内の冷却水との差圧を調整するアノード側差圧調整手段と、酸化剤ガス流路内の酸化剤ガスとカソード側冷却水流路内の冷却水との差圧を調整するカソード側差圧調整手段と、アノード側冷却水流路及びカソード側冷却水流路を含む冷却水系内の冷却水の圧力を測定する圧力センサと、冷却水系内のガスの濃度を測定するガス濃度センサとを有する燃料電池システムであることを要旨とする。 A feature of the present invention is that a membrane electrode assembly including a polymer electrolyte membrane, an anode separator provided with a fuel gas channel for supplying fuel gas to the membrane electrode assembly, and an oxidant gas in the membrane electrode complex. Cathode separator with oxidant gas flow path for supplying, anode side cooling plate with anode side cooling water flow path for humidifying fuel gas through porous body, and oxidation through porous body Pressure difference between the fuel cell body in which the cathode side cooling plate provided with the cathode side cooling water flow path for humidifying the agent gas, and the fuel gas in the fuel gas flow path and the cooling water in the anode side cooling water flow path An anode side differential pressure adjusting means for adjusting the pressure, a cathode side differential pressure adjusting means for adjusting a differential pressure between the oxidant gas in the oxidant gas flow path and the cooling water in the cathode side cooling water flow path, and an anode side cooling water flow Cooling including the channel and cathode side cooling water channel A pressure sensor for measuring the pressure of the cooling water in the water system, and summarized in that a fuel cell system having a gas concentration sensor for measuring the concentration of gas in the cooling water system.
本発明によれば、冷却水流路内のガス濃度を参照して、冷却水流路へ漏出している反応ガス(燃料ガス/酸化剤ガス)を判断し、漏出している側のみの冷却水の圧力に対するガスの圧力を下げることにより、ガス漏出時の燃料電池の出力制限を最小限に抑える燃料電池システムを提供することができる。 According to the present invention, the reaction gas (fuel gas / oxidant gas) leaking into the cooling water flow path is determined with reference to the gas concentration in the cooling water flow path, and the cooling water only on the leaking side is determined. By reducing the pressure of the gas relative to the pressure, it is possible to provide a fuel cell system that minimizes the output limitation of the fuel cell at the time of gas leakage.
以下図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図面の記載において同一あるいは類似部分には同一あるいは類似な符号を付している。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals.
(第1の実施の形態)
図1に示すように、本発明の第1の実施の形態に係わる燃料電池システムは、水素等の燃料ガス及び空気などの酸化剤ガスが供給されて電力を発電し、発電に伴い生じた熱を冷却水を介して放出する燃料電池本体30と、燃料電池本体30内での燃料ガスと冷却水との差圧を調整するアノード側差圧調整手段(例えば、燃料ガス圧力調整弁6)と、燃料電池本体30内での酸化剤ガスと冷却水との差圧を調整するカソード側差圧調整手段(例えば、酸化剤ガス圧力調整弁7)と、冷却水が循環する冷却水系内の冷却水の圧力を測定する圧力センサ22と、冷却水系内のガスの濃度を測定するガス濃度センサ(例えば、水素濃度センサ23)と、冷却水を貯蓄する冷却水タンク21とを有する。
(First embodiment)
As shown in FIG. 1, the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention generates power by supplying a fuel gas such as hydrogen and an oxidant gas such as air, and generates heat generated by the power generation. A fuel cell
燃料電池本体30は、高分子電解質膜を含む膜電極複合体33と、膜電極複合体33に燃料ガスを供給する為の燃料ガス流路を備えたアノードセパレータ32と、膜電極複合体33に酸化剤ガスを供給する為の酸化剤ガス流路を備えたカソードセパレータ34と、多孔質体を介して燃料ガスを加湿する為のアノード側冷却水流路を備えたアノード側冷却板31と、多孔質体を介して酸化剤ガスを加湿する為のカソード側冷却水流路を備えたカソード側冷却板35とを積層したものである。
The fuel cell
第1の実施の形態において、アノード側差圧調整手段は、燃料ガス流路内の燃料ガスの圧力を調整する燃料ガス圧力調整弁6を備える。また、カソード側差圧調整手段は、酸化剤ガス流路内の酸化剤ガスの圧力を調整する酸化剤ガス圧力調整弁7を備える。更に、ガス濃度センサは、漏出しているガスの水素濃度を測定する水素濃度センサ23である。
In the first embodiment, the anode side differential pressure adjusting means includes a fuel gas
図2に示すように、図1の燃料電池本体30は、高分子電解質膜の両面を触媒及びガス拡散層でそれぞれ挟持した膜電極複合体33と、膜電極複合体33の第1主表面に接する燃料ガス流路37を備えたアノードセパレータ32と、膜電極複合体33の第1主表面に対向する第2主表面に接する酸化剤ガス流路38を備えたカソードセパレータ34と、アノードセパレータ32に接するアノード側冷却水流路36を備えたアノード側冷却板31と、カソードセパレータ34に接するカソード側冷却水流路39を備えたカソード側冷却板35とを有する。
As shown in FIG. 2, the fuel cell
図1及び図2に示したように、燃料ガスは、所定の燃料ガス配管を通じてアノードセパレータ32内の燃料ガス流路37へ供給される。酸化剤ガスは、所定の酸化剤ガス配管を通じてカソードセパレータ34内の酸化剤ガス流路38へ供給される。冷却水タンク21内に貯められた冷却水は、所定のポンプ及び冷却水供給配管を通じてアノード側冷却板31内のアノード側冷却水流路36及びカソード側冷却板35内のカソード側冷却水流路39へ供給される。なお、「冷却水系」には、冷却水が循環する部分が含まれ、具体的には、冷却水タンク21、所定のポンプ、冷却水供給配管、アノード側冷却水流路36及びカソード側冷却水流路39が含まれる。
As shown in FIGS. 1 and 2, the fuel gas is supplied to the fuel
アノードセパレータ32のうち少なくとも燃料ガス流路37とアノード側冷却水流路36の間に挟まれた部分は冷却水を透過する多孔質体(ポーラスプレート)からなる。同様に、カソードセパレータ34のうち少なくとも酸化剤ガス流路38とカソード側冷却水流路39の間に挟まれた部分は冷却水を透過する多孔質体からなる。
At least a portion of the
アノードセパレータ32の多孔質体部分が十分な水を保持している場合、燃料ガス流路37内の燃料ガスとアノード側冷却水流路36内の冷却水との圧力の大小関係が適正に保たれていれば、アノード側冷却水流路36内の冷却水の一部は、燃料ガス流路37内へ供給されて燃料ガスを加湿することができる。同様に、カソードセパレータ34の多孔質体部分が十分な水を保持している場合、酸化剤ガス流路38内の酸化剤ガスとカソード側冷却水流路39内の冷却水との圧力の大小関係が適正に保たれていれば、カソード側冷却水流路39内の冷却水の一部は、酸化剤ガス流路38内へ供給されて酸化剤ガスを加湿することができる。
When the porous body portion of the
次に、図3のフローチャートを参照して、図1及び図2の燃料電池システムにおいて燃料ガス又は酸化剤ガス或いはその両方が冷却水系に漏出した場合の制御方法について説明する。 Next, a control method in the case where fuel gas and / or oxidant gas or both of them leak into the cooling water system in the fuel cell system of FIGS. 1 and 2 will be described with reference to the flowchart of FIG.
(イ)先ずS01段階において、圧力センサ22は、冷却水系内の冷却水の圧力から、燃料ガス又は酸化剤ガス或いはその両方が冷却水系に漏出していることを検知する。S01段階においてどのガスが漏出しているかは未だ不明である。
(A) First, in step S01, the
(ロ)S02段階において、水素濃度センサ23は、冷却水系内のガスの濃度を測定する。具体的には、冷却水系内に漏出しているガスの水素濃度を測定し、その測定値(水素濃度)から、冷却水系内に漏出しているガスが燃料ガス又は酸化剤ガス或いはその両方であるかを判断する。更に具体的には、水素濃度が30%未満である場合、水素濃度センサ23は、酸化剤ガスのみが漏出し燃料ガスは漏出していないと判断し、S03段階に進む。水素濃度が70%よりも大きい場合、水素濃度センサ23は、燃料ガスのみが漏出し酸化剤ガスは漏出していないと判断し、S04段階に進む。水素濃度が30%以上70%以下である場合、水素濃度センサ23は、酸化剤ガス及び燃料ガスの両方が漏出していると判断し、S05段階に進む。
(B) In step S02, the
(ハ)S03段階において、酸化剤ガス圧力調整弁7を用いて酸化剤ガス流路38内の酸化剤ガスのみの圧力を下げ、燃料ガス流路37内の燃料ガスを通常の圧力に維持する。
(C) In step S03, the pressure of only the oxidant gas in the oxidant
(ニ)S04段階において、燃料ガス圧力調整弁6を用いて燃料ガス流路37内の燃料ガスのみの圧力を下げ、酸化剤ガス流路38内の酸化剤ガスを通常の圧力に維持する。
(D) In step S04, the pressure of only the fuel gas in the fuel
(ホ)S05段階において、酸化剤ガス圧力調整弁7及び燃料ガス圧力調整弁6を用いて燃料ガス流路37内の燃料ガス及び酸化剤ガス流路38内の酸化剤ガスの両圧力を下げる。
(E) In step S05, the pressures of both the fuel gas in the
このようにして、圧力センサ22が燃料ガス又は酸化剤ガス或いはその両方が冷却水系に漏出していることを検知した場合、水素濃度センサ23は、冷却水系に漏出しているガスの濃度成分から、漏出しているガスが燃料ガスか酸化剤ガスか或いはその両方かを判断し、漏出しているガスに係わる圧力調整弁を用いて漏出しているガスのみの圧力を下げ、漏出していないガスを通常の圧力に維持する。
In this way, when the
このように、漏出しているガスの圧力を下げることにより、ガスの漏出を止めることができる。また、漏出していないガスを通常の圧力に維持することにより、ガス漏出時の燃料電池の出力制限を最小限に抑えることができる。 Thus, the leakage of gas can be stopped by lowering the pressure of the leaking gas. Further, by maintaining the gas that has not leaked at a normal pressure, the output limit of the fuel cell at the time of gas leak can be minimized.
また、燃料電池の運転中に、燃料ガス或いは酸化剤ガスが冷却水中に漏出してしまっても、そのまま運転を継続しても漏出量は増加することはなく、漏出を止めるために燃料電池の出力を制限する、或いは燃料電池の運転を停止する必要もなくなる。 In addition, even if the fuel gas or oxidant gas leaks into the cooling water during operation of the fuel cell, the amount of leakage does not increase even if the operation is continued as it is. There is no need to limit the output or stop the operation of the fuel cell.
図4は、図3に示した制御方法によりガス圧力を下げることによって燃料電池の出力低下がどの程度生じるかを示す。即ち、ある条件で運転される図1の燃料電池の燃料ガスのみ、酸化剤ガスのみ、及び燃料ガス及び酸化剤ガスの両方の圧力を下げた場合(20kPa減圧)にどの程度出力が低下するかを、元の運転条件で取り出し可能な出力を100として表したものである。従来では、燃料ガス及び酸化剤ガスのいずれが漏出しているかを判断していなかったため、燃料ガス及び酸化剤ガスの両方の圧力を下げて25%の出力制限をせざるを得なかった。しかしながら、図4に示すように、図3に示した制御方法を用いることによって、燃料ガス漏出時には5%、酸化剤ガス漏出時にも20%の出力制限で抑えることができる。 FIG. 4 shows how much the output of the fuel cell is reduced by lowering the gas pressure by the control method shown in FIG. That is, how much the output decreases when the pressure of only the fuel gas, only the oxidant gas, and both the fuel gas and the oxidant gas of the fuel cell of FIG. The output that can be taken out under the original operating conditions is represented as 100. Conventionally, it has not been determined which of the fuel gas and the oxidant gas has leaked, and thus the pressure of both the fuel gas and the oxidant gas has to be lowered to limit the output by 25%. However, as shown in FIG. 4, by using the control method shown in FIG. 3, it is possible to suppress the output limit by 5% when the fuel gas leaks and by 20% even when the oxidant gas leaks.
(第2の実施の形態)
図5に示すように、本発明の第2の実施の形態に係わる燃料電池システムは、燃料電池本体30と、燃料ガスと冷却水との差圧を調整するアノード側差圧調整手段の他の例としてのアノード側冷却水圧力調整弁41と、酸化剤ガスと冷却水との差圧を調整するカソード側差圧調整手段の他の例としてのカソード側冷却水圧力調整弁42と、圧力センサ22と、水素濃度センサ23と、冷却水タンク21と、燃料ガス圧力調整弁6と、酸化剤ガス圧力調整弁7とを有する。燃料電池本体30は、膜電極複合体33と、アノードセパレータ32と、カソードセパレータ34と、アノード側冷却板31と、カソード側冷却板35とを積層したものである。
(Second Embodiment)
As shown in FIG. 5, the fuel cell system according to the second embodiment of the present invention includes a fuel cell
第2の実施の形態において、アノード側差圧調整手段は、アノード側冷却水流路内の冷却水の圧力を調整するアノード側冷却水圧力調整弁41を備える。また、カソード側差圧調整手段は、カソード側冷却水流路内の冷却水の圧力を調整するカソード側冷却水圧力調整弁42を備える。 In the second embodiment, the anode side differential pressure adjusting means includes an anode side cooling water pressure adjusting valve 41 that adjusts the pressure of the cooling water in the anode side cooling water flow path. The cathode side differential pressure adjusting means includes a cathode side cooling water pressure adjusting valve 42 that adjusts the pressure of the cooling water in the cathode side cooling water flow path.
なお、第2の実施の形態における燃料電池本体30の詳細な構成は、図2に示したそれと同一であり、説明を省略する。
The detailed configuration of the
次に、図5の燃料電池システムにおいて燃料ガス又は酸化剤ガス或いはその両方が冷却水系に漏出した場合の制御方法について説明する。図5の燃料電池システムにおける制御方法は、図3に示した制御方法と比べて、S01段階及びS02段階は共通する。S03〜S05段階の替わりに、以下に示す手順を行う。 Next, a control method when fuel gas and / or oxidant gas or both leak into the cooling water system in the fuel cell system of FIG. 5 will be described. The control method in the fuel cell system of FIG. 5 is common to the S01 stage and the S02 stage as compared with the control method shown in FIG. Instead of the steps S03 to S05, the following procedure is performed.
圧力センサ22が燃料ガス或いは酸化剤ガスが冷却水系に漏出していることを検知した場合(S01段階)、水素濃度センサ23は、冷却水系に漏出しているガスの濃度成分(水素濃度)から、漏出しているガスが燃料ガスか酸化剤ガスかを判断する(S02段階)。そして、漏出しているガスに係わる圧力調整弁を用いて漏出しているガスに係わる冷却水流路内の冷却水のみの圧力を上げ、漏出していないガスに係わる冷却水流路内の冷却水を通常の圧力に維持する。
When the
(A)具体的には、水素濃度が30%未満である場合、水素濃度センサ23は、酸化剤ガスのみが漏出し燃料ガスは漏出していないと判断し、カソード側冷却水圧力調整弁42を用いてカソード側冷却水流路39内の冷却水のみの圧力を上げ、アノード側冷却水流路36内の冷却水を通常の圧力に維持する。
(A) Specifically, when the hydrogen concentration is less than 30%, the
(B)水素濃度が70%よりも大きい場合、水素濃度センサ23は、燃料ガスのみが漏出し酸化剤ガスは漏出していないと判断し、アノード側冷却水圧力調整弁41を用いてアノード側冷却水流路36内の冷却水のみの圧力を上げ、カソード側冷却水流路39内の冷却水を通常の圧力に維持する。
(B) When the hydrogen concentration is higher than 70%, the
(C)水素濃度が30%以上70%以下である場合、水素濃度センサ23は、酸化剤ガス及び燃料ガスの両方が漏出していると判断し、カソード側冷却水圧力調整弁42及びアノード側冷却水圧力調整弁41を用いてカソード側冷却水流路39及びアノード側冷却水流路36内の冷却水の両圧力を上げる。
(C) When the hydrogen concentration is not less than 30% and not more than 70%, the
このように、漏出しているガスを加湿している冷却水が流れる流路内の圧力を上げることにより、冷却水に対するガスの相対的な圧力が低下し、ガスの漏出を止めることができる。また、ガスの漏出の起きていない側の冷却水の圧力を上げることなくそれまでの運転圧力に保持することにより、冷却水が必要以上に多孔質体を透過してガス流路に流れ込み、燃料ガス及び酸化剤ガスの流れを妨げて発電性能が不安定にすることは無い。 As described above, by increasing the pressure in the flow path through which the cooling water humidifying the leaked gas flows, the relative pressure of the gas with respect to the cooling water decreases, and the leakage of the gas can be stopped. In addition, by maintaining the operating pressure up to that time without increasing the pressure of the cooling water on the side where no gas leakage has occurred, the cooling water permeates the porous body more than necessary and flows into the gas flow path. The flow of gas and oxidant gas is not hindered and power generation performance is not unstable.
また、燃料電池の運転中に、燃料ガス或いは酸化剤ガスが冷却水中に漏出してしまっても、そのまま運転を継続しても漏出量は増加することはなく、漏出を止めるために燃料電池の出力を制限する、或いは燃料電池の運転を停止する必要もなくなる。 In addition, even if the fuel gas or oxidant gas leaks into the cooling water during operation of the fuel cell, the amount of leakage does not increase even if the operation is continued as it is. There is no need to limit the output or stop the operation of the fuel cell.
図6は、図5に示した燃料電池システムの制御方法により冷却水圧力を上げることによって燃料電池出力の安定性がどのように変化するかを示す。即ち、ある条件で運転される図5に示した燃料電池システムにおいて、アノード側冷却水のみの圧力、カソード極側冷却水のみの圧力、及びカソード側及びアノード側の冷却水の両圧力をそれぞれ上げた場合に、どの程度出力が不安定になるかを示したものであり、元の運転条件で安定に取り出し可能な出力をどの程度の時間継続して取り出せるかを示している。 FIG. 6 shows how the stability of the fuel cell output changes by increasing the coolant pressure by the control method of the fuel cell system shown in FIG. That is, in the fuel cell system shown in FIG. 5 operated under certain conditions, the pressure of only the anode side cooling water, the pressure of only the cathode pole side cooling water, and the pressure of both the cathode side and anode side cooling water are raised. In this case, it shows how much the output becomes unstable and how long the output that can be stably taken out under the original operating conditions can be taken out continuously.
図6において、アノード側冷却水を加圧しない、もとの条件では連続して安定な運転が可能、すなわち図6のようにアノード側冷却水のみ20kPa加圧した場合に安定に運転を継続することが可能な時間を100として、もとの条件について棒グラフを書けば無限に長いグラフとなってしまう。そこで、アノード側冷却水を加圧した時にもわずかながらアノード側冷却水が燃料ガス流路37に流入して燃料ガスの流れを妨げる影響が生じており、本発明の第2の実施の形態によればこのような影響も含めて回避することができる。
In FIG. 6, the anode side cooling water is not pressurized, and a stable operation can be continuously performed under the original conditions. That is, when only the anode side cooling water is pressurized at 20 kPa as shown in FIG. 6, the operation is stably continued. If the possible time is 100 and a bar graph is written for the original condition, the graph becomes infinitely long. Therefore, even when the anode side cooling water is pressurized, the anode side cooling water slightly flows into the fuel
(その他の実施の形態)
上記のように、本発明は、第1及び第2の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
(Other embodiments)
As described above, the present invention has been described according to the first and second embodiments. However, it should not be understood that the description and drawings constituting a part of this disclosure limit the present invention. From this disclosure, various alternative embodiments, examples, and operational techniques will be apparent to those skilled in the art.
図1及び図5に示した水素濃度センサ23に換えて、ガス濃度センサの他の例として、酸素濃度センサ或いは窒素濃度センサを用いて間接的に水素濃度を推定しても構わない。即ち、ガス濃度センサは、漏出しているガスの酸素濃度或いは窒素濃度から漏出しているガスを判断しても構わない。
Instead of the
第1及び第2の実施の形態では、酸化剤ガス及び燃料ガスの両方を冷却水で加湿することにより高分子電解質膜を加湿した場合を説明したが、本発明はこれに限定されることは無い。特許文献1に開示されているように、加湿水透過板(多孔質体)をアノード側のみに用いて、燃料ガスのみを加湿することで高分子電解質膜を加湿するようにしても構わない。ただし、第1及び第2の実施の形態によれば、加湿水透過板をアノード側及びカソード側の両側に用いることによって燃料電池を運転した結果生成される水を酸化剤ガス流路38中から冷却水系に除去することが可能となる。
In the first and second embodiments, the case where the polymer electrolyte membrane is humidified by humidifying both the oxidant gas and the fuel gas with cooling water has been described. However, the present invention is not limited to this. No. As disclosed in Patent Document 1, a polymer electrolyte membrane may be humidified by humidifying only the fuel gas using a humidified water transmission plate (porous body) only on the anode side. However, according to the first and second embodiments, water generated as a result of operating the fuel cell by using the humidified water permeable plates on both the anode side and the cathode side is supplied from the oxidant
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ限定されるものである。 Thus, it should be understood that the present invention includes various embodiments and the like not described herein. Therefore, the present invention is limited only by the invention specifying matters according to the scope of claims reasonable from this disclosure.
以上説明したように、複数の単位セルを積層して形成される燃料電池本体と、この燃料電池本体を冷却するとともに、単位セルを構成する固体高分子電解質膜に多孔質体を介して水分を供給するための冷却水を供給する冷却水流路と、燃料電池スタックに反応ガス(燃料および酸化剤ガス)を供給する反応ガス流路とを備えた燃料電池システムにおいて、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路に各々の圧力を調整する圧力調整弁を備え、冷却水系の任意の位置に圧力センサおよびガスの濃度センサを備え、圧力センサにより冷却水系に燃料ガスまたは酸化剤ガスが流出したことが判定された場合、冷却水流路に漏出してくるガスの濃度からガスの漏出箇所(カソード側若しくはアノード側)を判断し、漏出している箇所(カソード側若しくはアノード側)のみの圧力を下げ、他を通常の圧力に維持する。このことにより、燃料ガスもしくは酸化剤ガスのいずれかのみが冷却水系に漏出した場合、漏出している側のガスのみの圧力を下げ、他のガスを通常の圧力に維持することができるため、ガス漏出時の燃料電池の出力制限を最小限に限定することができる。 As described above, the fuel cell body formed by laminating a plurality of unit cells, the fuel cell body is cooled, and moisture is supplied to the solid polymer electrolyte membrane constituting the unit cells via the porous body. A fuel cell flow path and an oxidant in a fuel cell system comprising a cooling water flow path for supplying cooling water for supply and a reaction gas flow path for supplying reaction gas (fuel and oxidant gas) to the fuel cell stack. The gas flow path is equipped with a pressure regulating valve that regulates each pressure, a pressure sensor and a gas concentration sensor are installed at any position in the cooling water system, and the fuel gas or oxidant gas flows into the cooling water system by the pressure sensor. If it is determined, the leakage location (cathode side or anode side) is determined from the concentration of gas leaking into the cooling water flow path, and the leakage location (cathode side or anode side) is determined. Reducing the pressure of the de-side) only, to maintain the other normal pressure. By this, when only fuel gas or oxidant gas leaks into the cooling water system, the pressure of only the gas on the leaking side can be lowered, and other gases can be maintained at normal pressure, The output limit of the fuel cell at the time of gas leakage can be limited to the minimum.
また、上述した燃料電池システムにおいて、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路側で冷却水系の圧力を別々に調整可能な構成と、冷却水系の任意の位置に圧力センサおよびガスの濃度センサとを備え、圧力センサにより冷却水系に燃料ガスまたは酸化剤ガスが漏出したことが判定された場合、冷却水流路に漏出してくるガスの濃度からガスの漏出箇所(カソード側若しくはアノード側)を判断し、漏出している側(カソード側若しくはアノード側)の冷却水流路のみの圧力を上げ、他の冷却水流路を通常の圧力に維持する。このことにより、燃料ガスもしくは酸化剤のいずれかのみが冷却水系に漏出した場合、燃料ガス流路または酸化剤ガス流路中に冷却水が流入する量を減らすことができ、出力制限を最小限に限定することができる。 Further, the above-described fuel cell system includes a configuration capable of separately adjusting the pressure of the cooling water system on the fuel gas channel and the oxidant gas channel side, and a pressure sensor and a gas concentration sensor at an arbitrary position of the cooling water system. When the pressure sensor determines that the fuel gas or the oxidant gas has leaked into the cooling water system, the gas leakage point (cathode side or anode side) is determined from the concentration of the gas leaking into the cooling water flow path, The pressure of only the cooling water flow path on the leaking side (cathode side or anode side) is increased, and the other cooling water flow paths are maintained at normal pressure. As a result, if only fuel gas or oxidant leaks into the cooling water system, the amount of cooling water flowing into the fuel gas flow path or oxidant gas flow path can be reduced, minimizing output restrictions. It can be limited to.
更に、上述した燃料電池システムにおいて、ガス濃度センサは、冷却水流路に漏出してくるガス中の酸素濃度、窒素濃度、或いは水素濃度を判断する。このことにより、冷却水系へ漏出するガスが燃料ガスまたは酸化剤ガスのいずれであるかを酸素、窒素、あるいは水素濃度で判断できるので、より多くの種類の中からシステムに使用するセンサを選択できる。 Furthermore, in the fuel cell system described above, the gas concentration sensor determines the oxygen concentration, nitrogen concentration, or hydrogen concentration in the gas leaking into the cooling water flow path. This makes it possible to determine whether the gas leaking into the cooling water system is fuel gas or oxidant gas from the concentration of oxygen, nitrogen, or hydrogen, so it is possible to select a sensor to be used for the system from a larger number of types. .
6…燃料ガス圧力調整弁
7…酸化剤ガス圧力調整弁
21…冷却水タンク
22…圧力センサ
23…水素濃度センサ
30…燃料電池本体
31…アノード側冷却板
32…アノードセパレータ
33…膜電極複合体
34…カソードセパレータ
35…カソード側冷却板
36…アノード側冷却水流路
37…燃料ガス流路
38…酸化剤ガス流路
39…カソード側冷却水流路
41…アノード側冷却水圧力調整弁
42…カソード側冷却水圧力調整弁
6 ... Fuel gas pressure regulating valve 7 ... Oxidant gas
Claims (8)
前記燃料ガス流路内の前記燃料ガスと前記アノード側冷却水流路内の前記冷却水との差圧を調整するアノード側差圧調整手段と、
前記酸化剤ガス流路内の前記酸化剤ガスと前記カソード側冷却水流路内の前記冷却水との差圧を調整するカソード側差圧調整手段と、
前記アノード側冷却水流路及び前記カソード側冷却水流路を含む冷却水系内の前記冷却水の圧力を測定する圧力センサと、
前記冷却水系内のガスの濃度を測定するガス濃度センサ
とを有することを特徴とする燃料電池システム。 A membrane electrode assembly including a polymer electrolyte membrane, an anode separator having a fuel gas flow path for supplying a fuel gas to the membrane electrode assembly, and an oxidant gas for supplying the membrane electrode assembly A cathode separator having an oxidant gas flow path, an anode side cooling plate having an anode side cooling water flow path for humidifying the fuel gas via a porous body, and the oxidant gas via a porous body A fuel cell main body laminated with a cathode side cooling plate having a cathode side cooling water flow path for humidifying
An anode side differential pressure adjusting means for adjusting a differential pressure between the fuel gas in the fuel gas channel and the cooling water in the anode side cooling water channel;
Cathode side differential pressure adjusting means for adjusting a differential pressure between the oxidant gas in the oxidant gas flow path and the cooling water in the cathode side cooling water flow path;
A pressure sensor for measuring a pressure of the cooling water in a cooling water system including the anode side cooling water flow path and the cathode side cooling water flow path;
A fuel cell system comprising: a gas concentration sensor for measuring a concentration of gas in the cooling water system.
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| WO2007086827A2 (en) | 2005-12-30 | 2007-08-02 | Utc Power Corporation | Response to ingestion of gas into fuel cell coolant |
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