[go: up one dir, main page]

JP2005327672A - Fuel cell system - Google Patents

Fuel cell system Download PDF

Info

Publication number
JP2005327672A
JP2005327672A JP2004146581A JP2004146581A JP2005327672A JP 2005327672 A JP2005327672 A JP 2005327672A JP 2004146581 A JP2004146581 A JP 2004146581A JP 2004146581 A JP2004146581 A JP 2004146581A JP 2005327672 A JP2005327672 A JP 2005327672A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
cooling water
cell
cells
temperature
fuel cell
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2004146581A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP4576880B2 (en
Inventor
Goji Katano
剛司 片野
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Priority to JP2004146581A priority Critical patent/JP4576880B2/en
Publication of JP2005327672A publication Critical patent/JP2005327672A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP4576880B2 publication Critical patent/JP4576880B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

【課題】 複数のセルを備える燃料電池において、特定のセルのみに冷却水を循環させる。
【解決手段】 複数のセルを備える燃料電池システムであって、前記複数のセルそれぞれに対応する冷却水流路と、前記複数のセルのうち特定のセルのみに対応する冷却水流路に冷却水を循環させる循環手段と、を備える。前記特定のセルは例えば所定温度以上であると判定されたセルである。また、前記循環手段は、例えば、各冷却水流路に設けられセル外からセル内への流通のみを許容する逆止弁と、各冷却水流路に設けられセル内からセル外への流通のみを許容する逆止弁と、該両逆止弁間の冷却水流路中に設けられ通電により容積変化する素子と、を含む。
【選択図】図1
PROBLEM TO BE SOLVED: To circulate cooling water only to a specific cell in a fuel cell having a plurality of cells.
A fuel cell system including a plurality of cells, wherein cooling water is circulated through a cooling water passage corresponding to each of the plurality of cells and a cooling water passage corresponding to only a specific cell among the plurality of cells. Circulation means. The specific cell is, for example, a cell determined to be a predetermined temperature or higher. In addition, the circulation means includes, for example, a check valve that is provided in each cooling water flow path and allows only the flow from outside the cell to the inside of the cell, and the circulation means that is provided in each cooling water flow path only from the inside of the cell to the outside of the cell. A check valve that is allowed, and an element that is provided in a cooling water flow path between the check valves and changes in volume when energized.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、複数のセルを備える燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system including a plurality of cells.

従来、燃料電池システムの分野においては、複数のセル(単電池あるいは単セルともいう)を直列に積層したスタックを備え、各セルにおいて供給されるアノードガスやカソードガスが反応することで発電するもの、例えば高分子電解質型燃料電池が知られている。このような燃料電池システムにおいては、各セルが反応により発熱することから、各セルを冷却する目的で冷却水流路が設けられる。この冷却水流路は一般にセル外部に設けたポンプにより冷却水を各セルに循環させるように構成される(例えば特許文献1参照)。   Conventionally, in the field of a fuel cell system, a stack in which a plurality of cells (also referred to as single cells or single cells) are stacked in series is provided, and electricity is generated by reaction of anode gas and cathode gas supplied in each cell. For example, a polymer electrolyte fuel cell is known. In such a fuel cell system, since each cell generates heat due to a reaction, a cooling water flow path is provided for the purpose of cooling each cell. This cooling water flow path is generally configured to circulate cooling water to each cell by a pump provided outside the cell (see, for example, Patent Document 1).

しかしながら、複数のセルを備える燃料電池システムにおいて、特定のセルのみに冷却水を循環させる着想については提案されていなかった。このため、例えば、燃料電池を所定温度まで昇温させる目的で運転(例えば氷点下の環境下における暖気運転)している間に冷却水を循環させると、全てのセルに新たな冷却水(通常、昇温途中の冷却水よりも低温である)が循環されて全てのセルが冷えるという問題がある。これは、各セルが発熱するとはいっても全てのセルが均一に昇温するのではなく、例えば、中央部のセルが昇温しやすく端部のセルが昇温しにくい、というようにムラがあるからであり、特定のセル(この場合中央部のセル)のみに冷却水を循環させることができないからである。   However, in the fuel cell system including a plurality of cells, the idea of circulating the cooling water only to specific cells has not been proposed. For this reason, for example, if the cooling water is circulated while the fuel cell is being operated for the purpose of raising the temperature to a predetermined temperature (for example, warm-up operation in an environment below freezing), new cooling water (usually, There is a problem that all the cells are cooled by being circulated), which is lower in temperature than the cooling water in the middle of raising the temperature. This is because even though each cell generates heat, the temperature of all the cells does not rise uniformly, for example, the cell in the center part is easy to heat up and the temperature at the end part is difficult to heat up. This is because the cooling water cannot be circulated only to a specific cell (in this case, the central cell).

なお、本発明に関連すると考えられるものとして、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路のうちの少なくとも一方に、振動板と圧電素子からなる振動手段を備える燃料電池がある(例えば特許文献2参照)。
特開平7−122280号公報 特開2002−184430号公報
In addition, as a thing considered to be related to the present invention, there is a fuel cell in which at least one of a fuel gas channel and an oxidant gas channel is provided with a vibrating means including a diaphragm and a piezoelectric element (see, for example, Patent Document 2). ).
JP-A-7-122280 JP 2002-184430 A

本発明の課題は、複数のセルを備える燃料電池システムにおいて、特定のセルのみに冷却水を循環させるための技術を提供することにある。   The subject of this invention is providing the technique for circulating a cooling water only to a specific cell in a fuel cell system provided with a some cell.

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、複数のセルを備える燃料電池システムであって、前記複数のセルそれぞれに対応する冷却水流路と、前記複数のセルのうち特定のセルのみに対応する冷却水流路に冷却水を循環させる循環手段と、を備える。   The present invention has been made to solve the above-described problem, and is a fuel cell system including a plurality of cells, a cooling water flow path corresponding to each of the plurality of cells, and a specific one of the plurality of cells. Circulation means for circulating the cooling water in the cooling water flow path corresponding only to the cell.

本発明によれば、特定のセル(例えば最高温度に達することが予め判明しているセルや、所定温度以上であると判定されたセル)のみに冷却水を循環させることができる。従って、例えば、燃料電池の起動時に、燃料電池を所定温度まで昇温させる目的で運転(例えば氷点下の環境下における暖気運転)している間に特定のセルのみに冷却水を循環させることが可能となる。従って、この場合、従来のように、全てのセルに新たな冷却水(通常、昇温途中の冷却水よりも低温である)が循環されて全てのセルが冷えることがなくなる。   According to the present invention, the cooling water can be circulated only to a specific cell (for example, a cell that has been previously determined to reach the maximum temperature or a cell that has been determined to be at or above a predetermined temperature). Therefore, for example, at the time of starting the fuel cell, it is possible to circulate cooling water only to a specific cell while the fuel cell is being operated for the purpose of raising the temperature to a predetermined temperature (for example, warm-up operation in a sub-freezing environment). It becomes. Therefore, in this case, as in the conventional case, new cooling water (usually at a lower temperature than the cooling water that is being heated) is circulated through all the cells, so that all the cells are not cooled.

また、上記燃料電池システムにおいては、例えば、前記循環手段は、各冷却水流路に設けられセル外からセル内への流通のみを許容する逆止弁と、各冷却水流路に設けられセル
内からセル外への流通のみを許容する逆止弁と、該両逆止弁間の冷却水流路中に設けられ通電により容積変化する素子と、を含む。
In the fuel cell system, for example, the circulation means is provided in each cooling water flow path and allows only a flow from outside the cell to the inside of the cell, and provided in each cooling water flow path from the inside of the cell. And a check valve that allows only the flow outside the cell, and an element that is provided in the cooling water flow path between the check valves and changes in volume when energized.

これは、循環手段の一例を特定したものである。従って、本発明の循環手段はこれに限定されない。例えば、冷却水流路ごとに従来の循環ポンプを設け、これを循環手段としてもよい。   This specifies an example of the circulation means. Therefore, the circulation means of the present invention is not limited to this. For example, a conventional circulation pump may be provided for each cooling water flow path, and this may be used as the circulation means.

また、上記燃料電池システムにおいては、例えば、前記循環手段は、前記素子が通電により容積変化することでポンプとして機能する。   In the fuel cell system, for example, the circulating means functions as a pump when the volume of the element is changed by energization.

これは、循環手段の使用例を特定したものである。従って、本発明の循環手段は、ポンプとしてのみ機能するのではなく、他の様々な目的で機能することが可能である。   This specifies the usage example of the circulation means. Therefore, the circulation means of the present invention can function not only as a pump but also for various other purposes.

また、上記燃料電池システムにおいては、例えば、前記素子は、非通電時にその容積が最大又は最小となるように設定される。   In the fuel cell system, for example, the element is set so that its volume is maximized or minimized when de-energized.

このように、非通電時に容積が最大となるように設定するとすれば、各冷却水流路内の冷却水の保有量が少なくなる(すなわち熱容量が小さくなる)ことから、次回燃料電池を運転(起動)する場合に、各冷却水路内の冷却水の昇温特性を良好にできる。同様に、非通電時に容積が最小となるように設定するとすれば、各冷却水流路内の冷却水の保有量が多くなる(すなわち熱容量が大きくなる)ことから、運転停止後でも比較的冷めにくい燃料電池を得ることが可能になる。   In this way, if the volume is set to be maximized when the power is not supplied, the amount of cooling water in each cooling water flow path is reduced (that is, the heat capacity is reduced). ), The temperature rise characteristic of the cooling water in each cooling water channel can be improved. Similarly, if the volume is set to be minimum when the power is not supplied, the amount of cooling water in each cooling water passage increases (that is, the heat capacity increases), so that it is relatively difficult to cool even after the operation is stopped. A fuel cell can be obtained.

本発明によれば、特定のセルのみに冷却水を循環させることが可能となる。従って、例えば、燃料電池を所定温度まで昇温させる目的で運転(例えば氷点下の環境下における暖気運転)している間に所定温度を越えたセルのみに冷却水を循環させることが可能となる。従って、この場合、従来のように、全てのセルに新たな冷却水(通常、昇温途中の冷却水よりも低温である)が循環されて全てのセルが冷えることがなくなる。   According to the present invention, it is possible to circulate cooling water only in specific cells. Therefore, for example, while the fuel cell is being operated for the purpose of raising the temperature to a predetermined temperature (for example, warm-up operation in an environment below freezing), the cooling water can be circulated only to the cells that have exceeded the predetermined temperature. Therefore, in this case, as in the conventional case, new cooling water (usually at a lower temperature than the cooling water that is being heated) is circulated through all the cells, so that all the cells are not cooled.

以下、本発明の実施形態である高分子電解質型燃料電池システム(以下単に燃料電池という)について図面を参照しながら説明する。   Hereinafter, a polymer electrolyte fuel cell system (hereinafter simply referred to as a fuel cell) according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1に示すように、本実施形態の燃料電池10は、複数のセル(単電池あるいは単セルともいう)20を直列に積層して構成されるスタック30と、その積層された各セル20を冷却するための冷却水(冷媒とも呼ばれる)流路40と、所定値(所定温度)を越えたセル20を検出する温度検出器50と、その検出されたセル20に対応する冷却水流路40に冷却水を循環させる循環手段60と、を備えている。なお、図1は、説明の都合上、主にスタック30を構成するセル20のうちの一つに着目してその断面を図示したものであり、他のセル20については図示を省略してある。   As shown in FIG. 1, the fuel cell 10 of this embodiment includes a stack 30 configured by stacking a plurality of cells (also referred to as single cells or single cells) 20 in series, and the stacked cells 20. A cooling water (also referred to as a refrigerant) flow path 40 for cooling, a temperature detector 50 for detecting a cell 20 exceeding a predetermined value (predetermined temperature), and a cooling water flow path 40 corresponding to the detected cell 20 Circulation means 60 for circulating the cooling water. FIG. 1 is a cross-sectional view mainly showing one of the cells 20 constituting the stack 30 for convenience of explanation, and the other cells 20 are not shown. .

セル20は、セパレータ21、MEA(membrane electrode assembly)22、及びセパレータ23を積層して構成される。図1中、セパレータ21は紙面直交方向に延びる複数の凹溝21aを有しており、各凹溝21aとMEA22下面とでカソード流路21aを形成する。同様に、セパレータ23は紙面直交方向に延びる複数の凹溝23aを有しており、各凹溝23aとMEA22上面とでアノード流路23aを形成する。セル20においては、各カソード流路21aと各アノード流路23aに水素などの燃料であるアノードガスと酸化剤である空気などのカソードガスが供給されMEA22において反応することで発電する。なお、アノードガスやカソードガスの供給系については公知であることからその
構成については省略する。
The cell 20 is configured by laminating a separator 21, an MEA (membrane electrode assembly) 22, and a separator 23. In FIG. 1, the separator 21 has a plurality of concave grooves 21 a extending in the direction orthogonal to the paper surface, and each concave groove 21 a and the lower surface of the MEA 22 form a cathode channel 21 a. Similarly, the separator 23 has a plurality of concave grooves 23a extending in the direction orthogonal to the paper surface, and each concave groove 23a and the upper surface of the MEA 22 form an anode flow path 23a. In the cell 20, an anode gas that is a fuel such as hydrogen and a cathode gas such as air that is an oxidant are supplied to each cathode channel 21 a and each anode channel 23 a and reacts in the MEA 22 to generate power. Since the anode gas and cathode gas supply systems are known, the configuration thereof is omitted.

各セル20はそのセパレータ21を他のセル20のセパレータ23に向き合わせた状態で積層される。この積層された各セル20が上記反応により発熱することから、各セル20を冷却する目的で各セル20間に冷却水流路40が設けられる(本発明の複数のセルそれぞれに対応する冷却水流路に相当)。冷却水流路40は、積層された各セル20間、すなわち、あるセル20のセパレータ21とこれに隣接して積層されたセル20のセパレータ23との間に設けられる。従って、例えば、5つのセル20を積層して構成されるスタック30においては、4つの冷却水流路40が存在する。これは冷却水流路40設置の一例であるから、例えば、冷却水通路40を2セル20ごとに設けるようにしてもよいし、その他の形態で設置してもよい。   Each cell 20 is laminated with its separator 21 facing the separator 23 of another cell 20. Since each of the stacked cells 20 generates heat due to the above reaction, a cooling water channel 40 is provided between the cells 20 for the purpose of cooling each cell 20 (a cooling water channel corresponding to each of the plurality of cells of the present invention). Equivalent). The cooling water flow path 40 is provided between the stacked cells 20, that is, between the separator 21 of a certain cell 20 and the separator 23 of the cell 20 stacked adjacent thereto. Therefore, for example, in the stack 30 configured by stacking the five cells 20, there are four cooling water flow paths 40. Since this is an example of installation of the cooling water flow path 40, for example, the cooling water passage 40 may be provided for every two cells 20, or may be installed in other forms.

各冷却水流路40は循環手段60により冷却水が循環するように構成される。あるいは、外部冷却水ポンプ(図示せず)を持つ場合、平均的なセルの冷却は外部ポンプに任せ、特異的なセル(例えば端セルや最下端セル)のみ、循環手段60による冷却を行うように構成してもよい。   Each cooling water channel 40 is configured so that the cooling water is circulated by the circulation means 60. Alternatively, when an external cooling water pump (not shown) is provided, the cooling of the average cell is left to the external pump, and only specific cells (for example, the end cell and the lowermost cell) are cooled by the circulation means 60. You may comprise.

所定値(所定温度)を越えたセル20を検出するために温度検出器50が設けられる。温度検出器50は、温度センサを含み、例えば冷却水流路40中に設けられる。あるいは、各セル20のアノードガス出口にも設けるようにしてもよい。あるいは、セル20から得られる電圧と電流に基づいてセル20の温度を推定するようにしてもよい。環境温度(セル20の温度)により電圧と電流の関係が概ね定まるので、セル20から得られる電圧と電流に基づいてセル20の温度を推定することは可能である。   A temperature detector 50 is provided to detect the cell 20 exceeding a predetermined value (predetermined temperature). The temperature detector 50 includes a temperature sensor, and is provided, for example, in the cooling water channel 40. Alternatively, it may be provided at the anode gas outlet of each cell 20. Alternatively, the temperature of the cell 20 may be estimated based on the voltage and current obtained from the cell 20. Since the relationship between the voltage and current is generally determined by the environmental temperature (the temperature of the cell 20), the temperature of the cell 20 can be estimated based on the voltage and current obtained from the cell 20.

図1は、温度検出器50を冷却水流路40中の素子上部に設けた例を示す。温度検出器50はCPUなどの制御部70に接続されている。制御部70は、所定プログラムを実行することにより、温度検出器50が検出した値(温度)と所定値(警戒温度や上限温度などの所定温度)とを比較し、所定値を越えたか否か(または所定値以上か否か)を判定する。これにより、所定値を越えたセル20を検出可能となっている。なお、温度検出器50が冷却水流路40中に設けられる場合、温度検出器50が実際に検出するのはセル20の温度ではなく、冷却水流路40中の冷却水の温度である。しかしながら、冷却水流路40中の冷却水の温度は、この冷却水流路40に隣接するセル20の温度ともいえる。従って、冷却水流路40とこれに隣接するセル20との対応関係をメモリに保持させておけば、特定の冷却水流路40中の冷却水温度が検出された場合にその対応関係を参照することで、特定のセル20の温度を検出することが可能である。   FIG. 1 shows an example in which the temperature detector 50 is provided in the upper part of the element in the cooling water channel 40. The temperature detector 50 is connected to a control unit 70 such as a CPU. The control unit 70 executes a predetermined program to compare a value (temperature) detected by the temperature detector 50 with a predetermined value (predetermined temperature such as a warning temperature or an upper limit temperature), and whether or not the predetermined value is exceeded. (Or whether or not a predetermined value or more). Thereby, the cell 20 exceeding the predetermined value can be detected. When the temperature detector 50 is provided in the cooling water channel 40, the temperature detector 50 actually detects not the temperature of the cell 20 but the temperature of the cooling water in the cooling water channel 40. However, the temperature of the cooling water in the cooling water channel 40 can also be said to be the temperature of the cell 20 adjacent to the cooling water channel 40. Accordingly, if the correspondence between the cooling water flow path 40 and the cell 20 adjacent thereto is held in the memory, the correspondence relation is referred to when the cooling water temperature in the specific cooling water flow path 40 is detected. Thus, the temperature of the specific cell 20 can be detected.

冷却水通路40は冷却水を循環させるための循環手段60を構成する要素の一つでもある。すなわち、図1に示すように、循環手段60は、冷却水流路40(の一端側)に設けられセル20外からセル20内への流通のみを許容する逆止弁61と、冷却水通路40(の他端側)に設けられセル20内からセル20外への流通のみを許容する逆止弁62と、両逆止弁61、62間の冷却水流路40中に設けられ制御部70からの制御(通電等)により容積変化する素子63と、その素子63を覆い冷却水通路40中の冷却水と空気層とを仕切る膜64とを備えている。   The cooling water passage 40 is also one of the elements constituting the circulation means 60 for circulating the cooling water. That is, as shown in FIG. 1, the circulation means 60 includes a check valve 61 that is provided in the cooling water flow path 40 (on one end thereof) and allows only circulation from the outside of the cell 20 to the inside of the cell 20, and the cooling water passage 40. A check valve 62 that is provided on the other end of the cell 20 and allows only the flow from the inside of the cell 20 to the outside of the cell 20, and the control unit 70 that is provided in the cooling water flow path 40 between the check valves 61 and 62. Element 63 whose volume is changed by the control (energization or the like) and a film 64 that covers the element 63 and separates the cooling water in the cooling water passage 40 from the air layer.

例えば、5つのセル20を積層して構成されるスタック30においては、4つの冷却水流路40が存在することになるから、通常、4つの循環手段60が構成される。この例では、4つの循環手段60を構成する4つの素子63は、各素子64に対応する駆動回路80を介して制御部70に接続されている。なお、素子63の電源としては、セル20で発生した電圧を得るセルV検出回路81から供給することも考えられるし、外部電源を設けてこれから供給することも考えられる。   For example, in the stack 30 configured by stacking five cells 20, there are four cooling water flow paths 40, and thus usually four circulation means 60 are configured. In this example, the four elements 63 constituting the four circulation means 60 are connected to the control unit 70 via the drive circuit 80 corresponding to each element 64. The power supply for the element 63 may be supplied from the cell V detection circuit 81 that obtains the voltage generated in the cell 20, or may be supplied from an external power supply.

制御部70は、駆動回路80を介して特定の素子63を制御する。例えばその素子63が通電非通電により容積変化する圧電素子で有れば、通電非通電(オンオフ)を繰り返す。するとその制御された素子63は、容積変化を繰り返す(図1中実線で示す形状又は波線で示す形状を繰り返す)ので、この素子63を覆う膜64も連動して上下動する。従って、図1中、冷却水流路40中の冷却水は左(逆止弁61)から右(逆止弁62)へ流れる。すなわち、冷却水流路40はポンプとして機能するのである。この意味では循環手段60はポンプともいえる。これにより、特定のセル20のみに冷却水を循環させることが可能となる。なお、通電非通電(オンオフ)の間隔を適宜に設定することで、循環させる冷却水の流量も調整可能となる。なお、素子63としては例えば人工筋肉など、通電非通電により長さあるいは容積が変化するものを適用可能である。また、膜64としては例えばゴムやステンレスなどの薄膜を適用可能である。   The control unit 70 controls a specific element 63 via the drive circuit 80. For example, if the element 63 is a piezoelectric element whose volume is changed by energization / non-energization, energization / non-energization (on / off) is repeated. Then, the controlled element 63 repeats the volume change (the shape shown by the solid line or the shape shown by the wavy line in FIG. 1 is repeated), so that the film 64 covering this element 63 also moves up and down in conjunction with it. Therefore, in FIG. 1, the cooling water in the cooling water flow path 40 flows from the left (check valve 61) to the right (check valve 62). That is, the cooling water channel 40 functions as a pump. In this sense, the circulation means 60 can be said to be a pump. Thereby, it becomes possible to circulate cooling water only to the specific cell 20. In addition, the flow rate of the circulating cooling water can be adjusted by appropriately setting the interval between energization / non-energization (on / off). As the element 63, for example, an artificial muscle or the like whose length or volume is changed by energization / non-energization can be applied. Further, as the film 64, for example, a thin film such as rubber or stainless steel can be applied.

なお、氷点下の環境下で燃料電池10を運転することを想定すれば、非通電時(電源オフ時)に最も容積が大きくなるように素子63を設定する(例えば無通電時に元の形状に復帰するように素子63を作っておく)のが望ましい。このようにすれば、各冷却水流路40内の冷却水の保有量が少なくなる(すなわち熱容量が小さくなる)ことから、次回燃料電池10を運転する場合に、各冷却水路40内の冷却水の昇温特性を良好にできる。この観点からは、素子63は必ずしも圧電素子のように通電等により体積変化するものである必要はなく、例えば、バルーンであってもよい。一方、運転停止後も冷めにくい燃料電池10を得たいという要請があれば、非通電時(電源オフ時)に最も容積が小さくなるように素子63を設定するのが望ましい。このようにすれば、各冷却水流路40内の冷却水の保有量が多くなる(すなわち熱容量が大きくなる)ことから、運転停止後でも比較的冷めにくい燃料電池を得ることが可能になる。   Assuming that the fuel cell 10 is operated in a sub-freezing environment, the element 63 is set to have the largest volume when no power is supplied (when the power is turned off) (for example, the original shape is restored when no power is supplied). It is desirable to make the element 63 so as to. By doing so, the amount of cooling water in each cooling water channel 40 is reduced (that is, the heat capacity is reduced). Therefore, when the fuel cell 10 is operated next time, the cooling water in each cooling water channel 40 is operated. The temperature rise characteristic can be improved. From this point of view, the element 63 is not necessarily changed in volume by energization or the like like a piezoelectric element, and may be a balloon, for example. On the other hand, if there is a request to obtain a fuel cell 10 that is difficult to cool even after the operation is stopped, it is desirable to set the element 63 so that the volume becomes the smallest when no power is supplied (when the power is off). In this way, since the amount of cooling water in each cooling water channel 40 increases (that is, the heat capacity increases), it is possible to obtain a fuel cell that is relatively difficult to cool even after operation is stopped.

次に、上記構成の燃料電池10の動作について図2を参照しながら説明する。   Next, the operation of the fuel cell 10 configured as described above will be described with reference to FIG.

燃料電池10において、アノードガスやカソードガスが供給され発電を開始すると(S10)、各セル20(又は最高温度になることが予め判明しているセル20などの、特定セル)の温度を検知する(S11)。この温度検知は例えば各温度検出器50が行う。   In the fuel cell 10, when anode gas or cathode gas is supplied and power generation is started (S10), the temperature of each cell 20 (or a specific cell such as the cell 20 that has been previously known to reach the maximum temperature) is detected. (S11). This temperature detection is performed by each temperature detector 50, for example.

本実施形態では、温度検知の対象とされるセル20が監視セルリスト90に設定されている。監視セルリスト90とは、セル20とそのセル20が温度検知の対象とされるセルか否かを示す識別子との対応関係である。監視セルリスト90は制御部70がアクセス可能なメモリに保持される。   In the present embodiment, the cell 20 to be temperature-detected is set in the monitoring cell list 90. The monitoring cell list 90 is a correspondence relationship between a cell 20 and an identifier indicating whether or not the cell 20 is a temperature detection target cell. The monitoring cell list 90 is held in a memory accessible by the control unit 70.

制御部70は、所定プログラムを実行することにより、監視セルリスト90を参照し、温度検知の対象とされるセルであることを示す識別子が設定されているセル20について、温度検出器50が検出した値と所定値(警戒温度)とを比較し、所定値を越えたか否かを判定する。これにより、所定値(警戒温度)を越えたセル20を検出可能となっている(本発明の検出手段に相当)。   The control unit 70 refers to the monitoring cell list 90 by executing a predetermined program, and the temperature detector 50 detects the cell 20 in which an identifier indicating that the cell is a target of temperature detection is set. The determined value is compared with a predetermined value (warning temperature) to determine whether or not the predetermined value is exceeded. Thereby, the cell 20 exceeding a predetermined value (warning temperature) can be detected (corresponding to the detection means of the present invention).

その結果、制御部70は、所定値(警戒温度)を越えたセル20を検出した場合には、そのセル20に対応する冷却水流路40のみをポンプとして機能させる(S12)。すなわち、制御部70は、そのセル20に対応する駆動回路80を介して、そのセル20に対応する冷却水流路40中の素子63を制御する(例えば通電非通電を繰り返す)。するとその制御された素子63は、容積変化を繰り返す(図1中実線で示す形状又は波線で示す形状を繰り返す)ので、この素子63を覆う膜64も連動して上下動する。従って、図1中、冷却水流路40中の冷却水は左(逆止弁61)から右(逆止弁62)へ流れる。すなわち、冷却水流路40はポンプとして機能するのである。これにより、所定値(警戒温度
)を越えたセル20のみに冷却水を循環させることが可能となる。所定値を越えない他のセル20には循環しない。
As a result, when the control unit 70 detects a cell 20 that exceeds a predetermined value (warning temperature), only the cooling water flow path 40 corresponding to the cell 20 is caused to function as a pump (S12). That is, the control unit 70 controls the element 63 in the cooling water flow path 40 corresponding to the cell 20 via the drive circuit 80 corresponding to the cell 20 (for example, energization / non-energization is repeated). Then, the controlled element 63 repeats the volume change (the shape shown by the solid line in FIG. 1 or the shape shown by the wavy line is repeated), so that the film 64 covering the element 63 also moves up and down in conjunction with it. Therefore, in FIG. 1, the cooling water in the cooling water flow path 40 flows from the left (check valve 61) to the right (check valve 62). That is, the cooling water channel 40 functions as a pump. Thereby, it becomes possible to circulate cooling water only to the cell 20 which exceeded the predetermined value (warning temperature). It does not circulate to other cells 20 that do not exceed the predetermined value.

このように、各セル20ごとの冷却水を個別に循環させることができることから、例えば、次の効果を奏する。   Thus, since the cooling water for each cell 20 can be circulated individually, for example, the following effects are produced.

第1に、従来のように、全てのセル20に新たな冷却水(通常、昇温途中の冷却水よりも低温である)が循環されて全てのセル20が冷えることがなくなる。第2に、燃料電池10を所定温度まで比較的早期に昇温させること(例えば氷点下の環境下における暖気運転の早期完了)が可能となる。第3に、各セル20を均一な温度に調整することが可能となる。第4に、セル20の積層数を変えても冷却水ポンプを新たに開発する必要がない。第5に、駆動回路80をセルV検出回路81と統合することで、ポンプドライバー(駆動回路80)の小型化が可能となる。第6に、スタック30の性能によっては、外部ポンプが不要となる。第7に、冷却水ポンプの消費電力分、FC出力ケーブル、コンタクタの負荷を下げることが可能である。   First, as in the prior art, new cooling water (usually at a lower temperature than the cooling water being heated) is circulated through all the cells 20 so that all the cells 20 are not cooled. Second, it is possible to raise the temperature of the fuel cell 10 to a predetermined temperature relatively early (for example, early completion of warm-up operation in a sub-freezing environment). Third, each cell 20 can be adjusted to a uniform temperature. Fourth, it is not necessary to newly develop a cooling water pump even if the number of stacked cells 20 is changed. Fifth, by integrating the drive circuit 80 with the cell V detection circuit 81, the pump driver (drive circuit 80) can be downsized. Sixth, depending on the performance of the stack 30, an external pump is not required. Seventh, it is possible to reduce the load of the cooling water pump, the FC output cable, and the contactor.

次に、制御部70は、その循環手段60がポンプとして起動しているセル20を監視セルリスト90から除く(S13)。すなわち、制御部70は、監視セルリスト90を参照し、その循環手段60がポンプとして起動しているセル20が温度検知の対象とされるセルであることを示す識別子を、そのような対象とされないセルであることを示す識別子に書き換える。なお、監視セルリスト90から全てのセル20が除かれた場合には(S14:Yes)、本フローチャートの処理(起動モード)を終了する(S17)。   Next, the control unit 70 removes the cell 20 in which the circulation unit 60 is activated as a pump from the monitoring cell list 90 (S13). That is, the control unit 70 refers to the monitoring cell list 90 and sets an identifier indicating that the cell 20 whose circulation means 60 is activated as a pump is a cell whose temperature is to be detected as such a target. It is rewritten with an identifier indicating that the cell is not set. When all the cells 20 are removed from the monitoring cell list 90 (S14: Yes), the process (start-up mode) of this flowchart is ended (S17).

一方、監視セルリスト90から全てのセル20が除かれていない場合には(S14:No)、制御部70は、所定プログラムを実行することにより、温度検出器50が検出した値と所定値(上限温度)とを比較し、所定値に達したか否かを判定する(S15)。その結果、制御部70は、所定値(上限温度)に達したセル20が存在すると判定した場合には(S15:Yes)、外部冷却水ポンプ(図示せず)を作動させる(S16)ことで、各冷却水流路40に冷却水を供給する(外部冷却水ポンプが設けられている場合)。これにより、上限温度に達したセルを保護することが可能となる。   On the other hand, when all the cells 20 are not removed from the monitoring cell list 90 (S14: No), the control unit 70 executes the predetermined program to thereby detect the value detected by the temperature detector 50 and the predetermined value ( (Upper limit temperature) and a determination is made as to whether or not a predetermined value has been reached (S15). As a result, when it is determined that there is a cell 20 that has reached a predetermined value (upper limit temperature) (S15: Yes), the control unit 70 operates an external cooling water pump (not shown) (S16). Then, cooling water is supplied to each cooling water flow path 40 (when an external cooling water pump is provided). This makes it possible to protect the cell that has reached the upper limit temperature.

一方、制御部70は、所定値(上限温度)に達したセル20が存在すると判定しない場合には(S15:No)、S11以降の処理を繰り返し行う。   On the other hand, when it is not determined that there is a cell 20 that has reached a predetermined value (upper limit temperature) (S15: No), the control unit 70 repeats the processes after S11.

以上説明したように、本実施形態の燃料電池10によれば、特定のセル20のみに冷却水を循環させることが可能となる。   As described above, according to the fuel cell 10 of the present embodiment, it is possible to circulate the cooling water only to the specific cell 20.

(変形例)
上記実施形態の燃料電池システムにおいては、外部冷却水ポンプが設けられている例について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、外部冷却水ポンプを設けることなく、燃料電池10を構成しても良い。この場合、上記S15及びS16の処理は不要となる。
(Modification)
In the fuel cell system of the above embodiment, the example in which the external cooling water pump is provided has been described, but the present invention is not limited to this. For example, the fuel cell 10 may be configured without providing an external cooling water pump. In this case, the processes of S15 and S16 are not necessary.

また、上記実施形態の燃料電池システムにおいては、監視セルリスト90に温度検知の対象とされるセルであることを示す識別子が設定されているセル20について、温度検出器50が検出した値と所定値(所定温度)を比較し、所定値を越えたセル20に対応する冷却水流路40をポンプとして機能させるように説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、特定のセル(最高温度に達することが予め判明している、例えば中央部のセル)20については、温度検出器50による温度検出(さらにはその検出した値と所定値(所定温度)を比較)することなく、常に、燃料電池10始動初期(例えば燃料電池10
起動後所定時間)はその特定のセル20のみに対応する冷却水流路40をポンプとして機能させるようにしてもよい(S12)。この場合、検出手段50は不要となる。このようにすれば、燃料電池10始動時にまず特定のセル20についてのみ冷却水を循環させることが可能となる。
Further, in the fuel cell system of the above embodiment, the value detected by the temperature detector 50 and the predetermined value for the cell 20 in which the identifier indicating that the cell is a target of temperature detection is set in the monitoring cell list 90. Although the value (predetermined temperature) is compared and the cooling water flow path 40 corresponding to the cell 20 exceeding the predetermined value is explained to function as a pump, the present invention is not limited to this. For example, for a specific cell (for example, a cell in the central portion that is known to reach the maximum temperature in advance), the temperature detection by the temperature detector 50 (and the detected value and a predetermined value (predetermined temperature)) Without comparison, the fuel cell 10 is always started at the beginning (for example, the fuel cell 10
For a predetermined time after activation, the cooling water flow path 40 corresponding only to the specific cell 20 may be caused to function as a pump (S12). In this case, the detection means 50 becomes unnecessary. If it does in this way, it will become possible to circulate cooling water only about the specific cell 20 first at the time of fuel cell 10 start-up.

本発明は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他の様々な形で実施することができる。このため、上記の実施形態はあらゆる点で単なる例示にすぎない。これらの記載によって本発明が限定的に解釈されるものではない。   The present invention can be implemented in various other forms without departing from the spirit or main features thereof. For this reason, said embodiment is only a mere illustration in all points. The present invention is not construed as being limited by these descriptions.

本発明によれば、特定のセルのみに冷却水を循環させることが可能となる。従って、例えば、燃料電池を所定温度まで昇温させる目的で運転(例えば氷点下の環境下における暖気運転)している間に、所定温度を越えたセルのみに冷却水を循環させることが可能となる。従って、従来のように、全てのセルに新たな冷却水(通常、昇温途中の冷却水よりも低温である)が循環されて全てのセルが冷えることがなくなる。   According to the present invention, it is possible to circulate cooling water only in specific cells. Therefore, for example, while the fuel cell is being operated for the purpose of raising the temperature to a predetermined temperature (for example, warm-up operation in a sub-freezing environment), it is possible to circulate cooling water only to cells that exceed the predetermined temperature. . Therefore, unlike the prior art, new cooling water (usually at a lower temperature than the cooling water that is being heated) is circulated through all the cells, so that all the cells are not cooled.

本発明の実施形態である高分子電解質型燃料電池の概略構成を説明するための図である。It is a figure for demonstrating schematic structure of the polymer electrolyte fuel cell which is embodiment of this invention. 本発明の実施形態である高分子電解質型燃料電池の動作を説明するためのフローチャートである。It is a flowchart for demonstrating operation | movement of the polymer electrolyte fuel cell which is embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

10 燃料電池
20 セル
30 スタック
40 冷却水流路
50 温度検出器
60 循環手段
70 制御部
80 駆動回路
90 監視セルリスト
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fuel cell 20 Cell 30 Stack 40 Cooling water flow path 50 Temperature detector 60 Circulating means 70 Control part 80 Drive circuit 90 Monitoring cell list

Claims (5)

複数のセルを備える燃料電池システムであって、
前記複数のセルそれぞれに対応する冷却水流路と、
前記複数のセルのうち特定のセルのみに対応する冷却水流路に冷却水を循環させる循環手段と、
を備える燃料電池システム。
A fuel cell system comprising a plurality of cells,
A cooling water flow path corresponding to each of the plurality of cells;
A circulating means for circulating cooling water to a cooling water flow path corresponding to only a specific cell among the plurality of cells;
A fuel cell system comprising:
前記特定のセルは所定温度以上であると判定されたセルである請求項1に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 1, wherein the specific cell is a cell determined to be equal to or higher than a predetermined temperature. 前記循環手段は、
各冷却水流路に設けられセル外からセル内への流通のみを許容する逆止弁と、各冷却水流路に設けられセル内からセル外への流通のみを許容する逆止弁と、該両逆止弁間の冷却水流路中に設けられ通電により容積変化する素子と、
を含む請求項1に記載の燃料電池システム。
The circulating means is
A check valve that is provided in each cooling water flow path and allows only the flow from outside the cell to the inside of the cell, and a check valve that is provided in each cooling water flow path and allows only the flow from the inside of the cell to the outside of the cell; An element that is provided in the cooling water flow path between the check valves and changes its volume when energized;
The fuel cell system according to claim 1, comprising:
前記循環手段は、前記素子が通電により容積変化することでポンプとして機能する、
請求項3に記載の燃料電池システム。
The circulating means functions as a pump by changing the volume of the element when energized.
The fuel cell system according to claim 3.
前記素子は、非通電時にその容積が最大又は最小となるように設定される請求項3に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 3, wherein the element has a volume that is maximized or minimized when de-energized.
JP2004146581A 2004-05-17 2004-05-17 Fuel cell system Expired - Fee Related JP4576880B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004146581A JP4576880B2 (en) 2004-05-17 2004-05-17 Fuel cell system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004146581A JP4576880B2 (en) 2004-05-17 2004-05-17 Fuel cell system

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2005327672A true JP2005327672A (en) 2005-11-24
JP4576880B2 JP4576880B2 (en) 2010-11-10

Family

ID=35473835

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2004146581A Expired - Fee Related JP4576880B2 (en) 2004-05-17 2004-05-17 Fuel cell system

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4576880B2 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008103154A (en) * 2006-10-18 2008-05-01 Toyota Motor Corp Fuel cell system
WO2010137438A1 (en) * 2009-05-26 2010-12-02 トヨタ自動車株式会社 Fuel cell system
WO2012131267A1 (en) * 2011-03-30 2012-10-04 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Fuel-cell stack comprising a stack of cells and bipolar conductive plates
JP5068657B2 (en) * 2005-09-30 2012-11-07 京セラ株式会社 FUEL CELL AND ELECTRONIC DEVICE HAVING THE FUEL CELL

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6316562A (en) * 1986-07-09 1988-01-23 Sanyo Electric Co Ltd Cooling device for fuel cell
JPH07230817A (en) * 1994-02-16 1995-08-29 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd Solid polymer electrolyte fuel cell
JP2002184430A (en) * 2000-12-12 2002-06-28 Sharp Corp Fuel cell
JP2005536033A (en) * 2002-08-13 2005-11-24 ダイムラークライスラー・アクチェンゲゼルシャフト Control of fluid flow in electrochemical cells

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6316562A (en) * 1986-07-09 1988-01-23 Sanyo Electric Co Ltd Cooling device for fuel cell
JPH07230817A (en) * 1994-02-16 1995-08-29 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd Solid polymer electrolyte fuel cell
JP2002184430A (en) * 2000-12-12 2002-06-28 Sharp Corp Fuel cell
JP2005536033A (en) * 2002-08-13 2005-11-24 ダイムラークライスラー・アクチェンゲゼルシャフト Control of fluid flow in electrochemical cells

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5068657B2 (en) * 2005-09-30 2012-11-07 京セラ株式会社 FUEL CELL AND ELECTRONIC DEVICE HAVING THE FUEL CELL
JP2008103154A (en) * 2006-10-18 2008-05-01 Toyota Motor Corp Fuel cell system
WO2010137438A1 (en) * 2009-05-26 2010-12-02 トヨタ自動車株式会社 Fuel cell system
JP2010277704A (en) * 2009-05-26 2010-12-09 Toyota Motor Corp Fuel cell system
CN102449833A (en) * 2009-05-26 2012-05-09 丰田自动车株式会社 Fuel cell system
US8871401B2 (en) 2009-05-26 2014-10-28 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell system
US9509005B2 (en) 2009-05-26 2016-11-29 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell system
WO2012131267A1 (en) * 2011-03-30 2012-10-04 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Fuel-cell stack comprising a stack of cells and bipolar conductive plates
FR2973583A1 (en) * 2011-03-30 2012-10-05 Peugeot Citroen Automobiles Sa FUEL CELL COMPRISING A STACK OF CELLS AND BIPOLAR CONDUCTIVE PLATES

Also Published As

Publication number Publication date
JP4576880B2 (en) 2010-11-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5106867B2 (en) Fuel cell system
CA2664716A1 (en) Method and system for starting up fuel cell stack at subzero temperatures, and method of designing fuel cell stack
JP4595317B2 (en) Fuel cell system
CN111092249B (en) Fuel cell system and control method thereof
JP5636905B2 (en) Fuel cell system
US8728641B2 (en) Startup gas supply pressure control device of fuel cell system
US9054351B2 (en) System and method for cooling a fuel cell-powered vehicle
JP4576880B2 (en) Fuel cell system
KR101780288B1 (en) Integrated Fuel Cell Control System and Operational Method Thereof
KR101820210B1 (en) Fuel cell system
US7597975B2 (en) Fuel cell operation to minimize RH cycles to improve durability
JP2011175777A (en) Fuel battery system
JP5348882B2 (en) Fuel cell system
JP4340142B2 (en) Fuel cell system
JP2007059129A (en) Fuel cell system
JP2005085531A (en) Fuel cell system
KR101927158B1 (en) Fuel cell system and control method of the same
JP4929600B2 (en) Fuel cell system and method for stopping fuel cell system
JP2006294500A (en) Fuel cell system
JP2007012565A (en) Fuel cell system
JP2006147336A (en) Fuel cell system
JP2010135174A (en) Fuel cell system and operation method of fuel cell
JP2007299597A (en) Fuel cell system
JP2006049139A (en) Fuel cell system
JP2005142018A (en) Fuel cell system

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20070510

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20100310

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20100413

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20100611

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20100727

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20100809

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130903

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130903

Year of fee payment: 3

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees