TW200818588A - Fuel cell system and control method therefor - Google Patents
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Description
200818588 九、發明說明: 【發明所屬之技術領域】 之 本發明係關於燃料電池系統及其控制方法,更特定地言 ,係關於對燃料電池直接供庫揪 ° 統及其控制方法 、應燃枓水/合液之燃料電池系 【先前技術】
^錄甲醇型燃料電池系統中,希望縮短起動開始至發 電1取大為止之時間’作為其方策,有人提議縮短供應至 燃料電池之甲醇水溶液達到特定溫度之升溫時間。 士例如’在專利文獻1中,#了縮短達到特定溫度之升溫 日寸間,揭7F將起動時收容於水溶液箱之燃料水溶液移送至 另一箱之技術。 又,在專利文獻2中,揭示包含主要貯藏發電用之低濃 度燃料之第1容器、與主要貯藏發電及發電胞之溫度上升 用之高濃度燃料之第2容器,依據發電胞之溫度選擇容器 而切換供應至發電胞之燃料之技術。 專利文獻 1 ·· WO 2006/025321 專利文獻2:特開2006-004868號公報 【發明内容】 (發明所欲解決之問題) 在專利文獻1中,將水溶液箱内之燃料水溶液移送至另 一箱,減少升溫運轉時循環之燃料水溶液之量時,可縮短 升溫時間。但移送至另一箱之燃料水溶液為施行通常運 轉’有必要送回水溶液箱,處理動作較為麻煩。 123204.doc 200818588 又,在專利文獻2中,可在短時間提昇發電胞之溫度。 但為了進入通常運轉而切換容器時,供應至發電胞之燃料 水溶液之溫度及濃度將發生變化而不能順利地轉移至通常 運轉。 疋故,本發明之主要目的在於提供可利用簡單之處理動 作由升溫運轉順利地轉移至通常運轉之燃料電池系統及其 控制方法。 〃 (解決問題之技術手段) 依據本發明之某一見地所提供之燃料電池系統係包含: 燃料電池,·水溶液保持機構,其係含有保持分別應供應至 燃料電池之燃料水溶液之第丨收容部及第2收容部、與連接 第1收容部及第2收容部之連接部;循環機構,其係為了在 燃料電池與水溶液保持機構之間循環供應燃料水溶液而含 有循環供應收容於第丨收容部之燃料水溶液用之第丨流路與 循%供應收容於第1收容部及第2收容部之燃料水溶液用之 第2流路;溫度檢測機構,其係檢測燃料水溶液之溫度; 及設定機構,其係依據溫度檢測機構之檢測結果設定分別 流過第1流路及第2流路之前述燃料水溶液之量。 依據本發明之另一見地所提供之燃料電池系統係包含: 燃料電池;水溶液保持機構,其係含有保持分別應供應至 燃料電池之燃料水溶液之第i收容部及第2收容部 '與連接 第1收容部及第2收容部之連接部;在燃料電池與水溶液保 持機構之間循環供應燃料水溶液之燃料電池系統之控制方 法;而包含:檢測燃料水溶液之溫度之步驟;及被檢測之 123204.doc 200818588 燃料水溶液之溫度在特定值以上時,使第2收容部之燃料 水/合液之循環供應量多於燃料水溶液之溫度不足特定值之 情形之步驟。
在本發明中,依據溫度檢測結果設定分別流過循環供應 收谷於第1收谷部之燃料水溶液用之第i流路與循環供應收 谷於第1收容部及第2收容部之燃料水溶液用之第2流路之 火、:料Jc溶液之里。例如,在燃料水溶液之溫度不足特定值 之升運轉呀,增多流過第〗流路之燃料水溶液之量,以 減少循環之燃料水溶液之熱容量而使其迅速升溫。另一方 面在燃料水〉谷液之溫度在特定值以上時,增多流過第2 ,路之燃料水溶液之量,以增大循環之燃料水溶液之熱容 里而使燃料水溶液之溫度保持穩定H因#必要使燃 料水溶液由外部回到循環機構内,故可簡化處理動作。 又,不管燃料水溶液之溫度在肖定值以上或不1特定值, 都至少會使第1收容部之燃料水溶液循環,供應至燃料電 池之炊:料水/备液之狀態(例如溫度及濃度)不會因變更燃料 水溶液之熱容量而發生大變化,故可由升溫運轉順利地轉 移至通常運轉。 、 最好第1机路係包含由第i收容部向燃料電池供應燃料 水溶液用之供應流路及使燃料水溶液由燃料電池流回至第 1收容部用之第1回流路;第2流路係包含使燃料水溶液由 供應流路及燃料電池流回至第2收容部用之第2回流路> 定機構係依據溫度檢測機構之檢測結果設定分別流過二 回流路及第2回流路之燃料水溶液之量。此情形,依據溫 123204.doc 200818588 度檢測機構之檢測結果調整分職過第1回流路及第2回流 路之燃料水溶液之量,即可簡單地變更猶環之燃料水溶液 之”、、今里又’因不官檢測溫度在特定植以上或不足特定 值’都可由第1收容部向燃料電池供應燃料水溶液,故在 熱容量剛變更後(即使流過第2回流路之水溶液量急遽增加 之情形),也可抑制供應至燃料電池之燃料水溶液之溫度 及濃度之變化。 又,取好,第1流路係包含由第〗收容部向燃料電池供應 燃料水溶液用之第!供應流路及使燃料水溶液由燃料電池 流回至第1收容部用之回流路;第2流路係包含由第2收容 部向燃料電池供應燃料水溶液用之第2供應流路及回流 路,汉定機構係依據溫度檢測機構之檢測結果設定分別流 過第1供應流路及第2供應流路之燃料水溶液之量。此情 形,只要依據溫度檢測機構之檢測結果調整分別流過第1 供應流路及第2供應流路之燃料水溶液之量,即可簡單地 變更循環之燃料水溶液之熱容量。又,因不管檢測溫度在 特定值以上或不足特定值,供應至燃料電池之燃料水溶液 都含第1收容部之燃料水溶液,故在熱容量剛變更後(即使 敗過第2供應流路之水溶液量急遽增加之情形),也可抑制 供應至燃料電池之燃料水溶液之溫度及濃度之變化。 、最好,循環機構進一步包含閥;設定機構係依據溫度檢 測機構之檢測結果控制閥而設定分別流過第i流路及第2流 路之燃m容液之量。此情形’因無必要使燃料水溶液由 外部回到循環機構内,故僅控制閥即可簡單地設定分別流 123204.doc 200818588 過第1流路及第2流路之燃料水溶液之量。 最好,設定機構係依據溫度檢測機構之檢測結果控制閥 以選擇第m路及第2流路中之—方。此情形,僅依據溫度 檢測機構之檢測結果選擇第1流路及第2流路中之一方,使 燃料水溶液循環,即可簡單地變更熱容量。在檢測溫度不 足特定值時,循環供應第丨收容部之燃料水溶液,在檢測 溫度在特定值以上時,循環供應第丨收容部及第2收容部之 燃料水溶液。 隶子為了冷卻燃料水溶液而進一步在第2回流路設有 冷卻機構。此情形’藉由冷卻通過第2回流路之燃料水溶 液,在通常運轉時,可使供應至燃料電池之燃料水溶液之 溫度更為穩定。 最妤,連接部係包含連接第丨收容部之液層與第2收容部 之液層之弟1連接部。此情形,由於連接第^收容部之液層 與第2收容部之液層,可使燃料水溶液在第〗收容部及第2 收谷部相互間擴散,以縮小第丨收容部之燃料水溶液與第2 收谷部之燃料水溶液之濃度、溫度之差。因此,在熱容量 剛變更後(即使流過第2流路之水溶液量急遽增加之情形), 也可抑制供應至燃料電池之燃料水溶液之溫度及濃度之變 化。 又隶好,連接部進一步包含連接第1收容部之氣層與 第2收合部之氣層之第2連接部。如此進一步連接第1收容 部及第2收容部之各氣層時,可促進2個收容部相互間之燃 料水溶液之擴散,進一步促進第1收容部及第2收容部間之 123204.doc -10· 200818588 燃料水溶液之溫度、濃度之均勻化。 依據本發明之另—見地所提供之燃料電池系統係包含: 燃料電池;水溶液保持機構,其係含有保持分別應供應至 燃枓電池之燃料水溶液之第j收容部及第2收容部盘連接第 1收容部及第2收容部之連接部;循環機構,其係在燃料電 池與水溶液保持機構之間循環供應燃料水溶液,·溫度檢測 機構,其係檢測燃料水溶液之溫度;及設定機構,里係依 據溫度檢測機構之檢測結果將循環機構設定 ,於第1收容部之燃料水溶液之第!模式或循環供應收2 弟1收谷部及第2收容部之燃料水溶液之第2模< 中之一 方。 明中’依據溫度檢測結果設定分別流過循環供應 收t於弟1收容部之燃料水溶液之第1模式與循環供應收容 於弟!收容部及第2收容部之燃料水溶液之第2模式中之一 方。即’在燃料水溶液之溫度不足特定值之升温運轉時, 利用循環之燃料水溶液之熱容量較小之第】模式使其迅速 升溫。另-方面,在燃料水溶液之溫度在特定值以上時, :循環之燃料水溶液之熱容量切換至大於第i模式之第2模 =入通常運轉(正常運轉)使燃料水溶液之溫度保持穩 厂此,因無必要使燃料水溶液由外部回到循環機構 内’,、要切換模式,即可簡化處理動作。又,不 :模式或第2模式之哪一模式’都至少會使第】收容部之姆 枓,液:環,供應至燃料電池之燃料水溶液之狀態“例 如’皿度及濃度)不會因模式之切換而發生大變化,故可由 123204.doc 200818588 升溫運轉順利地轉移至通常運轉 本發明適合使用於輪送機器。 、局面及優點可 說明獲得更明確 本發明之上述之目的及其他目的、特徵 由有關附圖所作之以下之實施型態之詳細 之瞭解。 " 【實施方式】 以下,參照圖式說明有關本發明之實施型態。在此,說
明將本發明之燃料電池系統100搭戴於輸送機器之一例之 機車1 〇之情形。 首先.兒月有關機車1 〇。本發明之實施型態中之所謂左 右、别後、上下係意味著以駕駛人面向其手柄24坐在機車 1〇之座墊之狀態為基準之左右、前後、上下。 參照圖1機車1〇具有車體架12。車體架12包含頭管14、 由頭管14向後方向斜下方延伸之縱剖面J字型之前車架 16、連結於前車架16之後端部且向後方向斜上方豎起之後 車架18及安裝於後車架18之上端部之座墊導軌2〇。 前車架16包含在上下方向具有寬度而向後方向斜下方延 伸且對左右方向正交之板狀構件丨6a、分別形成於板狀構 件1 6a之上端緣及下端緣且在左右方向具有寬度而向後方 向斜下方延伸之凸緣部16b及16c、突設於板狀構件1以之 兩表面之補強肋16d。補強肋16d係與凸緣部i6b及i6c共同 劃分板狀構件1 6a之兩表面而形成收納燃料電池系統1 〇〇之 構成構件之收納空間。 另一方面,後車架18包含分別在前述方向具有寬度而向 123204.doc -12- 200818588 後方向斜上方延伸且夾著前車架16之後端部而配置於左右 之一對板狀構件。又,在圖1中,係表示後車架18之左側 之板狀構件。 在頭官14内,轉動自如地貫穿著車體方向變換用之轉向 軸22。在轉向軸22之上端安裝有固定手.柄24之手柄支持部 - 26。在手柄支持部26之上端配置有顯示操作部28。 • 一併參照圖3,顯示操作部28一體性地設有計測顯示驅 動機車10之電動馬達44(後述)之各種資料用之儀表28a、 _ 行車狀態等各種資訊提供用之例如液晶顯示器等構成之顯 示部28b及各種指示及各種資訊輸入用之輸入部28〇。在輸 入部28c,設有切換繼電器176以連接電動馬達44等外部負 載與燃料電池胞組(以下僅稱電池胞組)1〇2及二次電池 126(後述)用之起動鈕3〇a、運轉停止指示後指示電池胞組 102之發電停止用之停止鈕30b及點亮停止鈕3〇1)用之背光 源 30c。 又,如圖1所示,在轉向軸22之下端安裝有左右一對之 剷叉32’在前叉3 2之各下端,介隔前車軸36安裝有前輪 34。前輪34係在被前叉32緩衝懸架之狀態下被前車軸36旋 ' 轉自如地軸支著。 - 另一方面,在後車架18之上端部,例如利用焊接固設有 向前後方向延伸之框狀之座墊導執20。在座墊導軌2〇上開 閉自如地設有未圖示之座墊。 又,在後車架1 8之下端部,介隔樞軸40擺動自如地支持 著擺動臂(後臂)3 8。在擺動臂38之後端部38a,内藏有連 123204.doc -13 - 200818588 結於後輪4 2且旋轉驅動後輪4 2用之例如轴向間隙型之電動 馬達44。又,在擺動臂3 8,内藏有電性連接於電動馬達44 之驅動單元46。驅動單元46包含控制電動馬達44之旋轉驅 動用之控制器48及檢測二次電池126之蓄電量之蓄電量檢 測裔5 0。擺動臂3 8及後輪4 2係被未圖示之後緩衝材緩衝释 架於後車架1 8。 在此種機車10中,沿著車體架12配置燃料電池系統ι〇〇 之構成構件。燃料電池系統1〇〇產生驅動電動馬達44及輔 助機器類等用之電能。 以下’參照圖1及圖2,說明有關燃料電池系統1〇〇。 燃料電池系統100係不將甲醇(甲醇水溶液)改性而直接 利用於電能之產生(發電)之直接曱醇型燃料電池系統。 燃料電池系統100包含電池胞組102。如圖1所示,電池 胞組102由凸緣部16c被吊下,配置於前車架1 g之下方。 如圖2所示,電池胞組102係夾著分離器1〇6而層疊 (stack)複數個可藉依據曱醇之氫離子與氧之電化反應而發 電之燃料電池(燃料電池胞)104所構成。構成電池胞組1〇2 之各燃料電池104係包含由固體高分子膜等構成之電解質 膜l〇4a、挾著電解質膜1〇4a而互相對向之陽極(燃料 極)104b及陰極(空氣極口〇4e。陽極1〇4b及陰極1〇4〇分別包 含設於電解質膜1 〇4七側之鉑觸媒層。 又,如圖1所示,在前車架16之下方且電池胞組1〇2之上 方配置有散熱器單元1〇8。散熱器單元ι08將其前面配置 成向下,行車時可充分受風。 123204.doc -14- 200818588 如圖2所示,散熱器單元1〇8一體性地設有水溶液用散熱 器l〇8a與氣液分離用散熱器1〇8b。在散熱器單元1〇8之背 面側,設有冷卻散熱器108&用之風扇11〇與冷卻散熱器 10此用之風扇112(參照圖3)。又,在圖1中,將散熱器1〇8& 與1〇8b配置於左右,顯示冷卻左侧之散熱器108a用之風扇 110。 又’在後車架18之一對板狀構件之間,由上方依序配置 燃料箱114、水溶液箱^以’ ^讣及水箱^ 燃料箱114配置於座墊導軌2〇之下側,安裝於座墊導軌 20之後端部。燃料箱丨〗4收納著成為電池胞組1 〇2之電化反 應之燃料之尚濃度(例如含甲醇約5 〇 wt〇/0)之甲醇燃料(高濃 度甲醇水溶液)。在燃料箱114中,安裝有位準感測器 120 ’用於檢測燃料箱114内之甲醇燃料之液面高度進而檢 測液量。 水溶液箱11 6a、116b係在燃料箱114之下侧並置於左 右被女裝於後車架18。水溶液箱116 a收容著將來自燃料 箱114之甲醇燃料稀釋成適合於電池胞組ι〇2之電化反應之 濃度(例如含甲醇約3 wt%)之甲醇水溶液。在水溶液箱 116a,安裝有位準感測器122,用於檢測水溶液箱116&内 之曱醇水溶液之液面高度進而檢測液量。水溶液箱丨丨也 同樣收容著甲醇水溶液。水溶液箱116a、116b之各液層 LI、L2相互被第1連接部ma連接,水溶液箱116a、U6b 之各氣層G1、G2相互被第2連接部117b連接。 水箱11 8配置於電池胞組1 〇2之後側,安裝於後車架丨8。 123204.doc -15- 200818588 水箱m安裝有位準感測器! 2 4,用於檢測水箱i i 8内之水 面高度進而檢測水量。 又,在燃、料箱m之前側且前車架16之凸緣部⑽之上側 配置有二次電池126。二次電池126蓄積來自電池胞組 之電力,依照控制器142(後述)之指令將電力供應至電氣構 成構件。 在二次電池126之上側且座墊導軌2〇之下侧,配置有燃 料泵128。又,在燃料箱114之前側且二次電池126之後方 斜上側,配置有回收箱丨3 〇。 在箣車罙16、電池胞組1 〇2及散熱器單元j〇8所圍成之空 間’配置有除s氣體中所含之灰塵等異物用之空氣滤清器 132,在工氣濾清益i32之後方斜下側配置有水溶液過濾器 134 〇 在前車架16之左側之收納空間,收納著水溶液泵136及 空氣泵138。在空氣泵138之左侧配置空氣室14〇 ^ 在前車架16之右側之收納空間,配置控制器142、防鏽 用閥144及水泵146。 在岫車架16,以由右側向左側貫通前車架16之收納空間 方式設有總開關148。總開關148通電時,可對控制器142 知:供運轉開始指示,總開關148斷電時,可對控制器142提 供運轉停止指示。 如圖2所示,燃料箱114與燃料泵128被管ρι連通,燃料 泵128與水溶液箱n6a被管P2連通,水溶液箱116a與水溶 液泵136被官P3連通,水溶液泵136與水溶液過濾器134被 123204.doc -16 - 200818588 管P4連通,水溶液過濾器134與電池胞組ι〇2被管p5連通。 管P5連接於電池胞組102之陽極入口 η,驅動水溶液泵136 時’將甲醇水溶液供應至電池胞組1〇2。在電池胞組1〇2之 陽極入口 11附近,設有檢測甲醇水溶液之溫度之溫度感測 器150。可藉溫度感測器丨5〇檢測流過電池胞組1〇2内之甲 醇水溶液之溫度而檢測電池胞組1 02之溫度。 電池胞組102與水溶液箱116a係介隔管P6、切換閥151及 管P7連接。電池胞組102與水溶液箱116b係介隔管%、切 換閥151、管P7a、水溶液用散熱器1〇8a及管p7b連接。電 池胞組1 02與水溶液箱116a、11 6b中哪一個連通係由切換 閥151加以設定。管?6連接至電池胞組ι〇2之陽極出口 12。 上述之管P1〜P7、P7a及P7b主要為燃料之流路。 又’空氣濾清器132與空氣室140係被管P8連通,空氣室 140與空軋泵138係被管P9連通,空氣泵138與防鏽用閥144 係被管P10連通’防鏽用閥144與電池胞組1〇2係被管pi 1連 通。管P11連接至電池胞組1〇2之陰極入口 13。燃料電池系 統100發電時,預先開啟防鏽用閥144,再該狀態下驅動空 氣泵138時,由外部吸入含氧之空氣。防鏽用閥係在燃 料電池系統100停止時關閉,用於防止水蒸氣對空氣泵丨38 逆流’防止空氣泵丨3 8生鏽。在空氣濾清器丨32附近,設有 檢測外氣溫度之外氣溫度感測器〗52。 燃料電池胞組102與氣液分離用散熱器108b係被管pl2連 通’氣液分離用散熱器108|3與水箱118係被管pi3連通,在 水箱118設有管(排氣管)P14。 123204.doc -17- 200818588 上述管P8〜P14主要係氧化劑之流路。 另外,水箱118與水泵146係被管P15連通,水泵146與水 溶液箱116a係被管ρι6連通。 上述管P15、P16主要係水之流路。 又在笞之分歧部A,以可流入流過管p4之甲醇水溶 液之-部分之方式連接管P17。在管pi7,安裝有超音波感 測器154。超音波感測器154係利用超音波之傳播時間(傳 播速度)因甲醇濃度而變化之原理,用來檢測在甲醇水溶 液之曱醇濃度(甲醇水溶液之甲醇之比率)m感測器 154係包含發射部154a與接收部15仆,發射部15牝所發射 之超音波被接收部154b所接收,以檢測在管P17内之超音 波傳播時間,以相當於其傳播時間之電壓值作為物理的濃 度資訊。控制器142依據其濃度資訊檢測在管pi7内之甲醇 水溶液之甲醇濃度。 # 管P17連接檢測用閥156,檢測用閥ι56與水溶液箱ιΐ6& 被管P18連通。甲醇濃度之檢測時,檢測用閥156被關閉, 以防止在官P17内之甲醇水溶液之流動。曱醇濃度之檢測 後,檢測用閥156被開啟,使濃度檢測畢之甲醇水溶液流 回水溶液箱116a。 上述之管P17、P18主要係濃度檢測用之流路。 另外,水溶液箱116a與回收箱13 0被管P19、p2〇連通, 回收箱130與空氣室140被管P21連通。 上述之管P19〜P21主要係燃料處理用之流路。 接著,參照圖3,說明有關燃料電池系統1〇〇之電氣的構 123204.doc -18- 200818588 成。 燃料電池系統1⑽之控制器142係包含施行必要之運算, 控制燃料電池系統丨〇〇之動作用之CPU158、對CPU158提供 4鐘化號之時鐘電路16〇、儲存控制燃料電池系統!⑽之動 作用之权式或資料及運算資料等用之例如EEPROM構成之 記憶體162、將電池胞組1〇2連接至外部負载用之電氣電路 164之电壓檢測用之電壓檢測電路丨66、檢測流過燃料電池 104甚至於電池胞組1〇2之電流用之電流檢測電路、開 <1 目電氣電路164用之通電/斷電電路170、設於電氣電路164 之二極體172及對電氣電路164供應特定電壓用之電源電路 174 〇 來自位準感測器120、122及124之檢測信號、以及來自 溫度感測器150、外氣溫度感測器152及超音波感測器154 之檢測#號被輸入至此種控制器142之CPU丨58。又,來自 使電源通電/斷電用之總開關148之輸入信號、來自輸入部 • 28c之起動鈕3(^及停止鈕3〇b之輸入信號被輸入至 CPU158。又’來自蓄電量檢測器5〇之檢測信號被輸入至 CPU158。CPU158利用來自蓄電量檢測器5〇之檢測信號與 有關二次電池126之容量之資訊算出二次電池126之蓄電率 (對二次電池126之容量之蓄電量之比率)。另外,來自電壓 檢測電路166之電壓檢測值及來自電流檢測電路168之電流 檢測值被輸入至CPU158。CPU158依據電壓檢測值與電流 檢測值算出電池胞組1 02之輸出。 又,利用CPU158控制燃料泵128、水溶液泵136、空氣 123204.doc -19- 200818588 泵138、水泵146、風扇110、in、防鏽用閥144、切換閥 1 5 1及檢测用閥1 56等輔助機器類。又,利用cpu 15 8控制 顯示各種資訊並向機車10之駕駛人報知各種資訊用之顯示 部28b。另外,利用CPU158控制輸入部28c之背光源3〇c之 點亮/媳滅。 電池胞組102連接二次電池126及驅動單元46。二次電池 126及驅動單元46係介隔繼電器176連接至電動馬達料等外 部負载。二次電池126係用於補足來自電池胞組1〇2之輸 出,被來自電池胞組102之電力所充電,藉其放電,將電 立功應至電動馬達44、驅動單元46及輔助機器類等。 電動馬達44連接著計測電動馬達44之各種資料用之儀表 28a,儀表28a所計測之資料及電動馬達料之狀況經由介面 電路178供應至Cpui58。 又,在介面電路178,可連接充電器200,充電器200可 連接至外部電源(商用電源)2〇2。介面電路178,介隔充電 器2〇0將外部電源202連接至介面電路178之情形,外部^ 源連接信號經由介面電路m供應至cpui58。&電器 之開關2〇〇a可藉CPU158而通電/斷電。
Afe體162儲存著執行圖5所示之動作用之程式。又 記憶體1 6 2中,健六r % a > 存者作為甲醇水溶液之溫度之臨限值 特疋值、運算眘粗f、/ T> ^ _ 貝枓以及表示如圖4所示之超音波之傳播時 曰/辰又貝訊)、液溫與燃料濃度之對應關係之表資料等。 在圖4中,雖僅表示4種濃度(〇 wt%、19糾%、29赠❶ 及4 · 6 W t %)之傳播時間(濃度資訊)與液溫之對應關係(曲 I23204.doc •20- 200818588 線)’但實際上可使用對應於5種以上之表資料,只要決定 傳播時間與液溫即可決定對應之燃料濃度。 即’獲得濃度資訊與液溫時,CPU158即可參照上述表 資料檢測出曱醇水溶液之濃度。
在本實施型態中,水溶液保持機構包含水溶液箱116a、 U6b、第1連接部117a及第2連接部U7b。水溶液箱丨丨以相 當於第1收容部,水溶液箱1161>相當於第2收容部。供應流 路包έ管P3〜P5。第1回流路包含管?6及p7。第2回流路包 含管P6、P7a及P7b。循環機構包含供應流路、第}回流 路、第2回流路及切換閥151。使甩切換閥151作為閥。第i ,路包含供應流路與p回流路,第2流路包含供應流路與 第2回流路。冷卻機構包含水溶液用散熱器⑽&及風扇 no。溫度感測器150相當於溫度檢測機構。cpm58相當 於設定機構。 接著,說明有關燃料電池系統100之基本的動作。 Μ電池系統100係以總開關148被通電為契機,起動控 制器U2,開始運轉。而,在控制器142之起動後按下起動 紐3〇a為契機,施行繼電器176之切換,將電動馬達料等外 部負载連接至電池胞組102及二次電池126。又,在二次電 池126之蓄電率在特定值以時, .^ f 才稭术自一次電池120之電 力驅動水溶液泵136及空氣泵138等 胞組1〇2之發電。 4辅助機_’開始電池 ,所谓外部負載,係指消耗除 ^ ^ , 維持電池胞組102之 毛電所雨之電力以外之電力之負 執具體上,在本實施型 123204.doc 200818588 態中,可列舉電動馬達44及機車10之大燈等作為外部負 載。 參照圖2,水溶液箱116a内之甲醇水溶液係藉水溶液泵 13 6之驅動而經由管P3、P4被供應至水溶液過濾器134。 而’被水溶液過濾器134除去雜質等後之甲醇水溶液經由 管P5、陽極入口 II被直接供應至構成電池胞組1〇2之燃料 電池104之陽極l〇4b。 又,水溶液箱116a内之氣體(主要為二氧化碳、氣化之 甲醇及水蒸氣)經由管P19被供應至回收箱130。在回收箱 1 3 0内,氣化之曱醇及水蒸氣被冷卻。而,在回收箱13 〇内 所得之甲醇水溶液經由管P20回到水溶液箱116a。又,回 收箱130内之氣體(二氧化碳、未被液化之甲醇及水蒸氣)經 由管P21被供應至空氣室140。 另一方面,藉空氣泵138之驅動,由空氣濾清器132被吸 入之空氣(air)經由管P8流入空氣室14〇被消音。而,被供 應至空氣室140之空氣及來自回收箱13〇之氣體經由管”流 入空氣泵138,再經由管Pi〇、防鏽用閥144、管P11及陰極 入口 13供應至構成電池胞組1 〇2之燃料電池1 〇4之陰極 10 4 c 〇 在各燃料電池104之陽極l04b,被供應之甲醇與水起化 學反應,產生二氧化碳及氫離子。產生之氫離子經由電解 貝膜104a流入陰極i〇4c,與被供應至該陰極1〇物側之空氣 中之氧起電化反應而產生水(水蒸氣)及電能。也就是說, 在電池胞組102進行發電。來自電池胞組1〇2之電力被利用 123204.doc -22 · 200818588 於對二次電池126之充電及機車ι〇之行車驅動等。電池胞 組102之溫度因電化應所產生之熱而上升。電池胞組1〇2之 輸出隨著其溫度之上升而上升,電池胞組1〇2在約6〇t即 可正常發電。在本實施型態中,如後所述,燃料電池系統 1〇〇在電池胞組102之溫度超過6(TC時,由升溫運轉轉移至 通常運轉。 在各燃料電池104之陽極l〇4b產生之二氧化碳及未反應 甲醇水溶液會在上述電化反應之同時被加熱。該二氧化碳 及未反應甲醇水溶液在升溫運轉時,會經由電池胞組1 〇2 之陽極出口 12、管P6及P7而回到水溶液箱116a,另一方 面’在通常運轉時,經由管P6、P7a被供應至水溶液用散 熱器108a被冷卻後經由管P7b回到水溶液箱116b。散熱器 108a對二氧化碳及未反應甲醇之冷卻動作可被風扇n〇之 動作所促進。 另一方面,在各燃料電池104之陰極104c產生之水蒸氣 之大部分會液化成水而由電池胞組1 02之陰極出口 14被排 出’但飽和水蒸氣部份則以氣體狀態被排出。由陰極出口 14被排出之水蒸氣之一部份經由管P12被供應至散熱器 108 b,在散熱器l〇8b被冷卻至露點以下而被液化。散熱器 108b對水蒸氣之液化動作係藉由風扇112之動作所執行。 含有水分(水及水蒸氣)、二氧化碳及未反應之空氣之來自 陰極出口 14之排氣係經由管P12、散熱器108b及管P13被供 應至水箱11 8,在水箱118回收水後,經由管p 14被排出至 外部。 123204.doc -23- 200818588
又,在各燃料電池刚之陰極104c,來自回收箱i3〇之氣 化後之甲醉及因交叉而移動至陰極1〇4。之甲醇會在翻處沒 層與乳起反應而被分解成無害之水分與二氧化碳。由甲醇 被刀解之水分與二氧化碳會由陰極出口⑷皮排出而經由散 熱器祕被供應至水箱118。另外,經由水之交叉而移動 至各燃料電池1〇4之陰極1〇4c之水分會由陰極出口 i4被排 出而經由散熱器108b被供應至水箱118…回收至水箱US之 水藉水泵"6之驅動而經由管川、pi6適宜地回流至水溶 液箱116a,被利用作為甲醇水溶液之水。 接著,參照圖5,說明有關燃料電池系統1〇〇之升溫運轉 時及通常(正常)運轉時之主要動作。又,在圖5中,甲醇水 /谷液之溫度*足特定值時,為升溫運轉時,甲醇水溶液之 溫度在特定值以上時,為通常運轉時。 、燃料電池系統100之發電開始時,利用溫度感測器15〇檢 測甲醇水溶液之溫度(步驟S1),利用cpui58判斷所檢測之 甲醇水溶液之溫度是否在特定值(在本實施型態中為6〇。〇 以上(步驟S3)。甲醇水溶液之溫度不足特定值時,有必要 進步使笔/也胞組102升溫,故藉CPU 15 8將切換閥15 1設 疋於水溶液箱116a侧(步驟S5)。即,設定於使來自電池胞 組1〇2之甲醇水溶液經由管P6&P7回流至水溶液箱, 將水溶液箱116a之甲醇水溶液循環供應至電池胞組1〇2之 第1模式。藉此,可縮小循環之曱醇水溶液之熱容量,使 電池胞組102之溫度迅速上升。 而’依照來自CPU 1 58之指示,藉由控制燃料泵丨28、水 123204.doc -24- 200818588 溶液泵136及水泵146而施行曱醇水溶液之濃度控制、流量 控制及電池胞組102之輸出控制等各種控制(步驟S7),返 回步驟S1持續發電。又,在升溫運轉時,為了縮短升溫時 間’增大甲醇水溶液之濃度較為有效,故例如將其設定於 5 wt% 〇 在步驟S 3 ’甲醇水溶液之溫度在特定值以上時,判斷可 使電池胞組102通常(正常)運轉,由CPU1S8將切換閥151設 定於水溶液箱116b側(步驟S9)。即,來自電池胞組1〇2之甲 醇水溶液經由管P6及管P7a、水溶液用散熱器1〇8&、管p7b 回到水溶液箱116b,設定於使水溶液箱116a&116b雙方之 曱醇水溶液循環供應至電池胞組102之第2模式。藉此,可 增大甲醇水溶液之熱容量,使通常運轉時之電池胞組i 〇2 之溫度保持穩定。 又’在升溫運轉時,使水溶液箱1 1 之高濃度之甲醇水 溶液擴散至水溶液箱116b,在由升溫運轉時對通常運轉之 切換後,使該高濃度之甲醇水溶液回到水溶液箱丨16a,由 水溶液箱116a供應至電池胞組102之甲醇水溶液之濃度有 急遽上升之可能性。 因此,在步驟S9,切換切換閥151後,需檢測甲醇水溶 液之濃度(步驟S11),判斷其濃度在一定時間内是否上升至 疋值(在本實施型態中,為1 wt%)以上(步驟S13)。一定 值以上之,辰度上升被確認時,驅動水泵14 $ 一定時間,將 水供應至水溶液箱116&内(步驟S15)。藉此,使甲醇水溶液 之/辰度保持穩定。為了降低甲醇水溶液之濃度需要較多之 123204.doc •25· 200818588 水’故在步驟S15驅動水泵!46之際,最好中斷水溶液箱 116a之液位控制。 步驟S 15之處理後,進入步驟S7。又,在步驟S13,溫度 不足一定值時,進入步驟S7。而,在步驟S7,施行甲醇水 溶液之濃度控制、流量控制及電池胞組1 〇2之輸出控制等 各種控制,返回步驟S1。通常運轉時最好將甲醇水溶液之 ?辰度控制為例如3 wt%。 又’在步驟SU之濃度檢測中,利用超音波感測器154檢 測濃度資訊,並利用溫度感測器15〇檢測甲醇水溶液之溫 度’參照如圖4所示之表資料檢測甲醇水溶液之濃度。 在上述之動作例中,在升溫運轉時,由於使來自電池胞 組1 02之甲醇水溶液流回水溶液箱丨丨6a,故水溶液箱丨丨 之液位之增減小於通常運轉時。因此,升溫運轉時,保持 於水溶液箱116b之甲醇水溶液難以流入水溶液箱〗〗6a,可 僅利用保持於水溶液箱116a之甲醇水溶液發電。 另一方面’通常運轉時,由於使來自電池胞組1 〇2之甲 醇水洛液流回水 >谷液箱11 6b,故水溶液箱11 ga之液位會減 少,水溶液箱116b之液位會上升。水溶液箱U6a&116b連 接著各液層LI、L2且連接著各氣層〇1、G2,故欲使水溶 液箱116a及116b之液位保持均勻時,需使水溶液箱1161>之 甲醇水溶液流入水溶液箱1 l6a。藉此,可利用保持於水溶 液箱116a及11 6b之雙方之甲醇水溶液發電。 依據如此動作之燃料電池系統1〇〇,在升溫運轉時,可 藉循%之甲醇水溶液之熱容量較小之第丨模式迅速升溫, 123204.doc -26- 200818588 另一方面’在通常運轉時,將循環之甲醇水溶液之熱容量 T成=於第1模式之第2模式而使甲醇水溶液之溫度保持 穩定。藉此’因無必要使甲醇水溶液由外部回到循環機構 内’故只要切換模<,即可簡化處理動作。又,不管在第 1模式或第2模式中之哪一模式,都至少會使水溶液箱 之甲醇水溶液循帛,供應至電池胞組1〇2之甲肖水溶液之 狀恶(例如溫度及濃度)不t因模式之切換(即使在流過第2 回流路之水溶液量急遽增加之情形)而發生大變化,也可 由升溫運轉順利地轉移至通常運轉。 又,只要依據溫度檢測結果切換切換閥151,將甲醇水 溶液之回机對象设定於水溶液箱〗丨或水溶液箱1 1 6七中之 一方,即可簡單地切換模式,變更循環之甲醇水溶液之熱 今里。又,不官在任何模式,都會由水溶液箱丨丨以供應甲 醇水溶液至電池胞組1〇2,故可抑制剛由第丨模式切換至第 2模式後,供應至電池胞組1〇2之甲醇水溶液之溫度及濃度 之變化。 另外,藉由冷卻流過連結於水溶液箱〗16b之第2回流路 之曱醇水溶液,可使在通常運轉時供應至電池胞組丨〇2之 曱醇水溶液之溫度更為穩定。 又,由於水溶液箱116a之液層L1與水溶液箱116b之液層 L2相連接,氣層G1與G2相連接,可使甲醇水溶液在水溶 液相116a、116b相互間擴散,以縮小水溶液箱1丨&之甲醇 水溶液與水溶液箱116b之甲醇水溶液之濃度、温度之差。 因此’故可進一步抑制剛由第1模式切換至第2模式後,供 123204.doc •27- 200818588 應至電池胞組102之甲醇水溶液 乂 狀皿度及漢度之變化。 圖6係表示有關上述之婵料 …、针电池糸統H)〇與比較例之一 f 驗結果。 ^ 在比較例中,並不使嬅料雷 个使燃抖電池糸統100之水溶液箱U6a 與116b相互連接而個別加 J M °又置,在圖6中表示由循環供 應水溶液箱116a之甲醇水㈣之模式切換成循環供應水溶 液箱U6b之甲醇轉液之模式時之甲醇水溶液之溫度。 參照圖6,在燃料電池系統1〇〇中,水溶液箱u6a與⑽ 連通,保持於升溫運轉時之水溶液箱116仏甲醇水溶液之 溫度徐徐傳播至水溶液箱116b。而且,不管模式如何,來 自水溶液箱116a之甲醇水溶液都會一直被供應至電池胞組 102。因此,在由升溫運轉切換至通常運轉時,甲醇水溶 液之溫度也不會那麼降低。對此,在比較例中,在切換 前,水溶液箱116b側之甲醇水溶液温度並未上升,故在切 換時,供應至電池胞組102之水溶液溫度會大幅降低,水 溶液箱116b側之曱醇水溶液溫度達到目標溫度之時間會延 遲。由此也可獲悉,依據燃料電池系統1〇〇,可抑制甲醇 水溶液之狀態之變化。 又,在上述之燃料電池系統100中,水溶液箱116&與 116b之關係位置並不限定於並置於左右方向,也可並置於 如後方向。 又,如圖7所示,也可利用1個水溶液箱204構成水溶液 保持機構。此情形,在水溶液箱204内之中央部,在上下 設置間隙208a及208b而配置分隔板206。在分隔板2〇6之左 123204.doc -28- 200818588 側及右侧分別設有第1收容部204a及第2收容部2〇仆,上侧 之間隙208a相當於連接氣層Gl、G2用之第2連接部,下側 之間隙208b相當於連接液層LI、L2用之第i連接部,其他 之構成與前述之燃料電池系統100相同。 此情形,可將水溶液保持機構進而將燃料電池系統構成 更小。 • 另外,如圖8所示,也可利用1個水溶液箱21〇構成水溶 液保持機構。在水溶液箱210内之中央部形成凹部212,在 ⑩ 凹部212之左侧及右側分別設有第1收容部21〇a及第2收容 部21 Ob。而沿著凹部212設有連通液層l 1、之連通管 214,在水〉谷液相210内之中經由連通管214之上部空間216 連通氣層Gl、G2。 此情形,可使甲醇水溶液在第1收容部21〇a與第2收容部 2 1 Ob之間移動’以便可藉虹吸效應使第1收容部2丨〇a之甲 醇水溶液之液位與第2收容部210b之甲醇水溶液之液位相 等。 又’如圖9所不,也可由圖2所示之燃料電池系統1〇〇省 略掉水溶液箱116b,介隔管P7b將水溶液用散熱器i〇8a連 接至水溶液箱i 16a。此情形,水溶液保持機構包含水溶液 ’ 箱116a、水溶液用散熱器108a及管P7b。水溶液箱116a相 當於第1收容部,水溶液用散熱器1〇8&相當於第2收容部, 官P7b相當於連接部。第2回流路包含管P6及P7a。其他之 構成與燃料電池系統1 〇〇相同。 此情形,可將燃料電池系統構成更小。 123204.doc -29- 200818588 又,氣液分離用散熱器l〇8b與水溶液用散熱器108a也可 分別個別地構成。 也可在第1連接部117a設置閥。 又,切換閥151也可採用可調整流過之水溶液量之構 造。此情形,可依據甲醇水溶液之溫度檢測結果,僅控制 切換閥151,即可簡單地設定分別流過第!回流路及第2回 流路之甲醇水溶液之量。 例如,甲醇水溶液之溫度不足特定值時,僅使第丨回流 路流過甲醇水溶液,f醇水料之溫度在特定值以上時, 調整第1回流路及第2回流路之甲醇水溶液之流量比率,使 甲醇水溶液流過兩回流路。又,甲醇水溶液之溫度在特定 值乂上日守也可僅使第2回流路流過甲醇水溶液。再此等 之例中’在第1回流路及第2回流路中僅使第i回流路流過 甲醇水溶液之情形為第1模式,使曱醇水溶液流過第1及第 兩回机路之惴形及僅流過第2回流路之情形為第2模 式。 斤又也可依照甲醇水溶液之溫度上升,將第丨回流路及 第2回抓路之甲醇水溶液之流量比率徐徐變更為逐漸增大 第2回肌路側之比率。典型上,由甲醇水溶液僅流過第1回 ,路之第1狀態轉移至流過第丨及第2之兩回流路之第2狀 態,再轉移至僅流過第2回流路之第3狀態。此情形,可依 據甲醇X /谷液之溫度檢測結果,只要調整分別流過第1回 μ路及第2回流路之曱醇水溶液之量,即可簡單地變更循 環之甲醇水溶液之熱容量。 123204.doc -30 - 200818588 又,在上述之實施型態中,循環機構係包含H@供應流 路與2個回流路(第!回流路及第2回流路)所構成,但不限定 於此。循環機構也可包含2個供應流路與i個回流路所構 成。 參照圖10,例如也可在水溶液箱1〗6a、丨〗6b分別預先設 置將甲醇水溶液供應至電池胞組1〇2用之管P3a及p3b,使 來自電池胞組102之甲醇水溶液經由管P7僅流回至水溶液 箱116a。在本例中’第1供應流路包含管p3&,第2供應流 路包含管P3b,回流路包含管P7。第1流路包含第1供應流 路與回流路,第2流路包含第2供應流路與回流路。此情 形,只要依據甲醇水溶液之溫度檢測結果,調整分別流過 管P3a及P3b之甲醇水溶液之量,即可簡單地變更循環之甲 醇水溶液之熱容量。又,不管檢測溫度在特定值以上或不 足特定值,供應至電池胞組102之甲醇水溶液中均包含水 溶液箱116a之甲醇水溶液,故在熱容量剛變更後(即使流 過管P3b之水溶液量急遽增加之情形),也可抑制供應至電 池胞組102之甲醇水溶液之溫度及濃度之變化。 又,第1流路及第2流路也可不具有共用部份而個別地形 成。 甲醇水溶液之溫度檢測並不限定於被溫度感測器150檢 測之情形,也可在超音波感測器154之附近設置溫度感測 器,以檢測管P17内之甲醇水溶液之溫度。 本發明之燃料電池系統不僅適用於機車,也可適合於使 用於Ά車、船舶專任意輸送機器。 123204.doc •31 - 200818588 在上述實施型態中,雖使用甲醇作為燃料,使用甲, 洛液作為燃料水溶液,但不限定於此,也可使用乙醇=水 系燃料作為燃料’使用乙醇水溶液等醇系水溶等醇 水溶液。 邛為蠛科 又,本發明只要是使用液體燃料,也可使用於裝置 :料電池系統,另外’也可適用於個人電腦、攜帶式: 益、小型電子機器等之燃料電池系統。 :上,_已詳細說明且圖示本發明’但’其僅係使用作 為早純之圖解及一例,顯然不應解釋為一種限定,本發明 之精神及範圍僅由後附之申請專利範圍之語句加以限定。 【圖式簡單說明】 圖1係表示本發明之-實施型態之機車之左側面圖。 圖2係表示燃料電池系統之配管之系統圖。 圖3係表示燃料電池系統之電氣的構成之區塊圖。
曲Γ:。表示超音波傳播時間、液溫與燃料濃度之關係之 圖5係表示本發明之動作之-例之流程圖。 圖6係表示一實驗結果之曲線圖。 :7係表示水溶液保持機構之變形例之圖解圖。 =表示水溶液保持機構之另-變形例之圖解圖。 圖/、表不本發明之另-實施型態之系統圖。 /係表示循環機構之另-例之圖解圖。 【主要元件符號說明】 10 機車 123204.doc -32- 200818588 100 燃料電池系統 102 燃料電池胞組 104 燃料電池(燃料電池胞) 108a 水溶液用散熱器 110、112 風扇 116a、116b、204、210 水溶液箱 117 a 第1連接部 117b 第2連接部 142 控制器 150 溫度感測器 151 切換閥 154 超音波感測器 158 CPU 204a > 210a 第1收容部 204b 、 210b 第2收容部 206 分隔板 208a、208b 間隙 214 連通管 216 空間 G1、G2 氣層 LI、L2 液層 PI〜P21、P3a、p3b、p7a、 p7b 管 123204.doc -33-
Claims (1)
- 200818588 十、申請專利範圍: 1 _ 一種燃料電池系統’其特徵在於包含: 燃料電池; 水溶液保持機構,其係含有保持分別應供應至前述燃 2電池之燃料水溶液之第丨收容部及第2收容部、與連接 前述第1收容部及前述第2收容部之連接部; 循環機構,其係為了在前述燃料電池與前述水溶液保 持機構之間循環供應前述燃料水溶液,而含有循環供應 收容於前述第1收容部之前述燃料水溶液用之第i流路、 與循環供應收容於前述第i收容部及前述第2收容部之前 述燃料水溶液用之第2流路; 温度檢測機構,其係檢測前述燃料水溶液之溫度·及 設定機構’其係依據前述溫度檢測機構之檢測結果設 定分別流通於前述第丨流路及前述第2流路之前述燃料水 溶液之量。2請求項1之燃料電池系統,其中前述第i流路係包含由 前述第1收容部向前述燃料電池供應前述燃料水溶液用 之供應流路及使前述燃料水溶液由前述燃料電池流回至 前述第1收容部用之第1回流路; 前述第2流路係包含使前述燃料水溶液由前述供應流 路及前述燃料電池流回至前述第2收容部用之第2回流 路; 前述設定機構係依據前述溫度檢測機構之檢測結果設 定分別流通於前述第i回流路及前述第2回流路之前述燃 123204.doc 200818588 料水溶液之量。 3.如請求項1之燃料電池系統,其中前述第丨流路係包人由 鈾述第1收容部向前述燃料電池供應前述燃料水、六纩用 之第1供應流路及使前述燃料水溶液由前述燃料電池治 回至前述第1收容部用之回流路; W述第2流路係包含由前述第2收容部向前述燃料電池 供應前述燃料水溶液用之第2供應流路及前述回流路· 前述設定機構係依據前述溫度檢測機構之檢測結果設 定分別流通於前述第i供應流路及前述第2供應流路之前 述燃料水溶液之量。 4·如請求項1之燃料電池系統,其中 前述循環機構進一步包含閥; W述設定機構係依據前述溫度檢測機構之檢測結果控 制=述閥而設定分別流通於前述第丨流路及前述第2流路 之前述燃料水溶液之量。=請求項4之燃料電池系統,其中前述設定機構係依據 刖述酿度檢測機構之檢測結果控制前述閥以選擇前述第 1流路及前述第2流路中之一方。 如請求項2之燃料電池系統’其中為了冷卻前述燃料水 溶液而進—步包含設在前述第2回流路之冷卻機構。 如明求項1至6中任一項之燃料電池系統,其中前述連接 部係包含連接前述第i收容部之液層與前述第2收容部之 液層之第1連接部。 如月求項7之燃料電池系統,其中前述連接部係包含連 123204.doc 200818588 接前述第1收容部之氣層與前述第2收容部之氣層之第2 連接部。 9· 一種輸送機器,其係包含如請求項1至8中任一項之燃料 電池系統。 1 0 · —種燃料電池系統,其特徵在於包含: 燃料電池; 水溶液保持機構,其係含有保持分別應供應至前述燃 料電池之燃料水溶液之第丨收容部及第2收容部與連接前 述第1收容部及前述第2收容部之連接部; 循%機構,其係在前述燃料電池與前述水溶液保持機 構之間循環供應前述燃料水溶液; 溫度檢測機構,其係檢測前述燃料水溶液之溫度;及 α疋機構,其係依據前述溫度檢測機構之檢測結果, 將前述循環機構設定至循環供應收容於前述第丨收容部 之前述燃料水溶液之第丨模式或循環供應收容於前述第工 收谷邛及#述第2收容部之前述燃料水溶液之第2模式中 之一方。 11.種燃料電池系統之控制方法,前述燃料電池系統係包 含燃料m溶液保持機構’其係含有保持分別應供 應至前述燃料電池之燃料水溶液之第丄收容部及第2收容 部、與連接前述第丨收容部及前述第2收容部之連接部; 在前述燃料電池與前述水溶液保持機構之間循環供應前 述燃料水溶液;前述控制方法包含·· 檢測前述燃料水溶液之溫度之步驟;及 123204.doc 200818588 被檢測之前述燃料水溶液之溫度在特定值以上時,使 前述第2收容部之前述燃料水溶液之循環供應量多於前 述燃料水溶液之溫度未滿前述特定值之情形之步驟。123204.doc
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