JP2009129879A - FUEL CELL SYSTEM AND CONTROL METHOD FOR FUEL CELL SYSTEM - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料電池の運転停止時に残留水素を低減または除去するにあたり、膜電極接合体の劣化を低減または防止すること。
【解決手段】残留水素低減処理において、制御部50は、第1および第2アノード封止弁V1、V2を封止し、冷媒用ポンプP3の吐出量を増大させて冷媒配管310を循環する冷媒流量を増大させる。制御部50は、初期冷媒温度Tiと温度センサ52を介して検出される冷媒温度Tcとの差が判定値Tr未満となるまで増大させた冷媒流量を維持する。この結果、燃料電池10の内部温度が低下し、アノードに存在する水蒸気が凝縮して水滴となり、膜電極接合体が十分な湿潤状態とされ、続く電流掃引時における膜電極接合体の劣化を低減または防止することができる。
【選択図】図1To reduce or prevent the deterioration of a membrane electrode assembly in reducing or removing residual hydrogen when a fuel cell is stopped.
In a residual hydrogen reduction process, a control unit 50 seals first and second anode sealing valves V1, V2, increases a discharge amount of a refrigerant pump P3, and circulates a refrigerant pipe 310. Increase the flow rate. The control unit 50 maintains the increased refrigerant flow rate until the difference between the initial refrigerant temperature Ti and the refrigerant temperature Tc detected via the temperature sensor 52 becomes less than the determination value Tr. As a result, the internal temperature of the fuel cell 10 is lowered, the water vapor present in the anode is condensed to form water droplets, the membrane electrode assembly is sufficiently wet, and the deterioration of the membrane electrode assembly during the subsequent current sweep is reduced. Or it can be prevented.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池の運転停止時における燃料電池システムの制御方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell system and a fuel cell system control method when the fuel cell is stopped.
燃料電池システムでは、燃料電池の運転停止後、すなわち、燃料電池に対する燃料ガス供給停止後においても、アノードに残留する水素が酸化ガスと反応し、起電反応を引き起こすことが知られている。この起電反応により発生した電力は外部負荷によって消費されないため、膜電極接合体のアノードとカソードとの間の電位差は増大し、高電位によって電解質膜、および触媒が劣化するという問題がある。 In a fuel cell system, it is known that hydrogen remaining on the anode reacts with an oxidizing gas and causes an electromotive reaction even after the operation of the fuel cell is stopped, that is, after supply of fuel gas to the fuel cell is stopped. Since the electric power generated by this electromotive reaction is not consumed by the external load, the potential difference between the anode and the cathode of the membrane electrode assembly increases, and there is a problem that the electrolyte membrane and the catalyst deteriorate due to the high potential.
この問題を解決するために、例えば、燃料電池の運転を停止する際に、アノードに残留する残留水素を消費する技術が知られている(例えば、特許文献1)。
しかしながら、残留水素の消費処理は、一般的に、運転終了後の水素濃度または水素量が低い環境下において実行されるため、膜電極接合体のアノード側における水素濃度分布は一様でない。したがって、膜電極接合体の一部では、起電反応に寄与する水素が不足し、電解質膜および触媒層を構成する炭素が起電反応のために消費され、電解質膜および触媒層が劣化するという問題があった。 However, since the residual hydrogen consumption process is generally performed in an environment where the hydrogen concentration or hydrogen amount after the operation is low, the hydrogen concentration distribution on the anode side of the membrane electrode assembly is not uniform. Therefore, in a part of the membrane electrode assembly, hydrogen contributing to the electromotive reaction is insufficient, carbon constituting the electrolyte membrane and the catalyst layer is consumed for the electromotive reaction, and the electrolyte membrane and the catalyst layer are deteriorated. There was a problem.
本発明は、上記課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、燃料電池の運転停止時に残留水素を低減または除去するにあたり、膜電極接合体の劣化を低減または防止することを目的とする。 The present invention has been made to solve at least a part of the above-described problems, and an object of the present invention is to reduce or prevent deterioration of a membrane electrode assembly in reducing or removing residual hydrogen when the fuel cell is stopped. And
上記課題の少なくとも一部を解決するために、本発明は以下の種々の態様を採る。 In order to solve at least a part of the above problems, the present invention adopts the following various aspects.
本発明の第1の態様は、燃料電池システムを提供する。本発明の第1の態様は、膜電極接合体を備える燃料電池と、前記燃料電池の運転停止に際して、前記燃料電池のアノードにおける残留水素を低減または除去する残留水素低減処理手段と、前記残留水素低減処理時に、前記燃料電池の膜電極接合体を湿潤状態に保つ湿潤維持手段とを備える。 A first aspect of the present invention provides a fuel cell system. According to a first aspect of the present invention, there is provided a fuel cell comprising a membrane electrode assembly, a residual hydrogen reduction processing means for reducing or removing residual hydrogen at an anode of the fuel cell when the fuel cell is stopped, and the residual hydrogen Wet maintaining means for keeping the membrane electrode assembly of the fuel cell in a wet state during the reduction process.
本発明の第1の態様によれば、残留水素低減処理時に、燃料電池の膜電極接合体を湿潤状態に保つことができるので、燃料電池の運転停止時に残留水素を低減または除去するにあたり、膜電極接合体の劣化を低減または防止することができる。 According to the first aspect of the present invention, the membrane electrode assembly of the fuel cell can be kept in a wet state during the residual hydrogen reduction treatment, so that when the residual hydrogen is reduced or removed when the fuel cell is stopped, Deterioration of the electrode assembly can be reduced or prevented.
本発明の第1の態様において、前記残留水素低減処理は、前記燃料電池から電流を掃引することにより実行され、前記湿潤維持手段は、前記燃料電池の内部温度を低下させることにより、前記膜電極接合体を湿潤状態に維持しても良い。この場合には、内部温度が低下することによって燃料電池内部の水蒸気が膜電極接合体で凝縮し、膜電極接合体を十分な湿潤状態とすることができる。 In the first aspect of the present invention, the residual hydrogen reduction treatment is performed by sweeping a current from the fuel cell, and the wetness maintaining means reduces the internal temperature of the fuel cell to reduce the membrane electrode. The joined body may be maintained in a wet state. In this case, when the internal temperature decreases, the water vapor inside the fuel cell is condensed in the membrane electrode assembly, and the membrane electrode assembly can be in a sufficiently wet state.
本発明の第1の態様において、前記湿潤維持手段は、冷媒を循環させて前記燃料電池を冷却するための冷却手段を備え、前記冷却手段による前記冷媒循環量を増大させて前記燃料電池の内部温度を低下させても良い。この場合には、冷媒循環量の増大によって、燃料電池の内部温度を低下させることができる。 In the first aspect of the present invention, the wetness maintaining means includes a cooling means for circulating the refrigerant to cool the fuel cell, and increases the refrigerant circulation amount by the cooling means to increase the inside of the fuel cell. The temperature may be lowered. In this case, the internal temperature of the fuel cell can be lowered by increasing the refrigerant circulation rate.
本発明の第1の態様はさらに、前記燃料電池のカソードに酸化ガスを供給するための酸化ガス供給器を備え、前記湿潤維持手段は、前記酸化ガス供給器による前記酸化ガスの供給量を増大させて前記燃料電池の内部温度を低下させても良い。この場合には、酸化ガス量の増大によって、燃料電池の内部温度を低下させることができる。 The first aspect of the present invention further includes an oxidizing gas supply device for supplying an oxidizing gas to the cathode of the fuel cell, wherein the wetness maintaining means increases the supply amount of the oxidizing gas by the oxidizing gas supply device. The internal temperature of the fuel cell may be lowered. In this case, the internal temperature of the fuel cell can be lowered by increasing the amount of oxidizing gas.
本発明の第1の態様において、前記湿潤維持手段は、前記燃料電池のアノードに湿潤ガスを提供する湿潤ガス供給器を備え、前記湿潤維持手段は、前記湿潤ガス供給器によって前記湿潤ガスを供給することによって前記膜電極接合体を湿潤状態に維持しても良い。この場合には、燃料電池内における水蒸気量の増大によって、膜電極接合体を湿潤状態に維持することができる。 In the first aspect of the present invention, the wetness maintaining means includes a wet gas supply device for supplying a wet gas to the anode of the fuel cell, and the wetness maintenance means supplies the wet gas by the wet gas supply device. By doing so, the membrane electrode assembly may be maintained in a wet state. In this case, the membrane electrode assembly can be maintained in a wet state by increasing the amount of water vapor in the fuel cell.
本発明の第2の態様は、燃料電池の運転停止時における燃料電池システムの制御方法を提供する。本発明の第2の態様は、燃料電池の膜電極接合体を湿潤状態に維持し、前記燃料電池のアノードにおける残留水素を低下させることを備える。 The second aspect of the present invention provides a control method for a fuel cell system when the fuel cell is stopped. According to a second aspect of the present invention, the membrane electrode assembly of the fuel cell is maintained in a wet state, and residual hydrogen in the anode of the fuel cell is reduced.
本発明の第2の態様によれば、本発明の第1の態様と同様の利点を得ることができる。本発明の第2の態様は、本発明の第1の態様と同様にして種々の態様にて実現され得る。さらに、本発明の第2の態様は、コンピュータプログラム、CD、DVD、HDDといったコンピュータ読み取り可能媒体に記録されたコンピュータプログラムとしても実現され得る。 According to the second aspect of the present invention, advantages similar to those of the first aspect of the present invention can be obtained. The second aspect of the present invention can be implemented in various aspects in the same manner as the first aspect of the present invention. Furthermore, the second aspect of the present invention can also be realized as a computer program recorded on a computer-readable medium such as a computer program, CD, DVD, or HDD.
以下、本発明に係る燃料電池システムについて、図面を参照しつつ、実施例に基づいて説明する。 Hereinafter, a fuel cell system according to the present invention will be described based on examples with reference to the drawings.
第1の実施例:
図1は第1の実施例に係る燃料電池システムの構成を模式的に示す説明図である。第1の実施例に係る燃料電池システムFC1は、燃料電池10、水素源20、酸化ガスブロワーP2、熱交換器30、負荷40、および制御部50を備えている。
First embodiment:
FIG. 1 is an explanatory diagram schematically showing the configuration of the fuel cell system according to the first embodiment. The fuel cell system FC1 according to the first embodiment includes a
燃料電池10は、燃料ガスが供給されるアノードおよび酸化ガスが供給されるカソードを有する。本実施例では、固体高分子型の燃料電池が用いられ、燃料電池10は、電解質膜のそれぞれの面上に、アノード触媒層およびカソード触媒層を備える膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)を備えている。なお、アノード触媒層およびカソード触媒層に加えて、アノードガス拡散層、およびカソードガス拡散層を備えていても良い。
The
電解質層は、固体高分子電解質膜、例えばパーフルオロカーボンスルホン酸を含むフッ素系樹脂からなるプロトン伝導性のイオン交換膜によって形成することができる。各触媒層は、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金、あるいは白金と他の金属からなる合金を含む。各触媒層は電解質層の表面に塗布されることによって形成されても良く、あるいは、各ガス拡散層に触媒金属を担持させることによって、各ガス拡散層と一体に形成されても良い。各ガス拡散層は、導電性及びガス透過性を有する部材、例えば、カーボン製多孔体、カーボンペーパを用いることができる。 The electrolyte layer can be formed of a solid polymer electrolyte membrane, for example, a proton conductive ion exchange membrane made of a fluororesin containing perfluorocarbon sulfonic acid. Each catalyst layer includes a catalyst that promotes an electrochemical reaction, such as platinum or an alloy made of platinum and another metal. Each catalyst layer may be formed by being applied to the surface of the electrolyte layer, or may be formed integrally with each gas diffusion layer by supporting a catalyst metal on each gas diffusion layer. For each gas diffusion layer, a member having conductivity and gas permeability, for example, a carbon porous body and carbon paper can be used.
燃料電池10は、アノードに燃料ガス供給部10aおよび燃料オフガス排出部10b、カソードに酸化ガス供給部10cおよび酸化オフガス排出部10dを備えている。燃料電池10はさらに、冷媒供給部10eおよび冷媒排出部10fを備えている。
The
水素源20は、燃料ガスである水素を供給するための水素貯蔵部であり、本実施例では、高圧水素タンクが用いられる。この他に、水素貯蔵合金、カーボンナノチューブを用いた水素貯蔵部、液体水素を貯蔵する水素貯蔵部が用いられても良い。
The
燃料電池10の燃料ガス供給部10aと水素源20とは燃料ガス供給管110によって接続されている。燃料ガス供給管110には、圧力制御弁21、第1アノード封止弁V1および圧力センサ51が備えられている。圧力制御弁21は、水素源20から燃料電池10に供給される燃料ガスの圧力を所定の圧力に調整する。第1アノード封止弁V1は、開弁状態にて燃料電池10に対する燃料ガスの供給を許容し、閉弁状態にて燃料電池10に対する燃料ガスの供給を停止する。
The fuel gas supply unit 10 a of the
燃料電池10の燃料オフガス排出部10bには燃料オフガス排出管111が接続されている。燃料オフガス排出管111には第2アノード封止弁V2が備えられている。第2アノード封止弁V2は、開弁状態にて燃料電池10からの燃料オフガスの排出を許容し、閉弁状態にて燃料電池10からの燃料オフガスの排出を停止する。燃料ガス供給管110における第1アノード封止弁V1の下流部と燃料オフガス排出管111における第2アノード封止弁V2の上流部とには、燃料ガス循環用管112が接続されている。したがって、アノードに対して燃料オフガスを再投入することが可能である。燃料ガス循環用管112には、燃料オフガス排出管111から流入する燃料オフガスを燃料ガス供給管110へ再投入するための燃料ガス循環ポンプP1が備えられている。
A fuel off
燃料電池10の酸化ガス供給部10cには、酸化ガス供給管120が接続されており、酸化ガスブロワーP2と燃料電池10は、酸化ガス供給管120を介して接続されている。燃料電池10の酸化オフガス排出部10dには、酸化オフガス排出管121が接続されている。酸化オフガス排出管121には、酸化ガスブロワーP2と協働してカソード圧力を調整するために用いられるカソード弁V3が備えられている。
An oxidizing
燃料電池10の図示しない出力端子には、アノードにおける残留水素濃度または残留水素量を低減または除去する際、すなわち、アノードにおける残留水素を消費するための発電時に用いられる負荷40が接続されている。燃料電池10の端子と負荷40との間には負荷を接続または切り離すためのスイッチ53が配置されている。なお、負荷40は、燃料電池10を稼働するための補機、例えば、酸化ガスブロワーP2であっても良い。また、補機に代えて発電された電力を蓄電する二次電池が接続されても良い。
An output terminal (not shown) of the
燃料電池10の冷媒供給部10eおよび冷媒排出部10fと熱交換器30とは冷媒配管310を介して接続されている。燃料電池10の冷媒排出部10fと熱交換器30との間における冷媒配管310には冷媒温度を検出するための温度センサ52および冷媒配管310内の冷媒を循環させるための冷媒用ポンプP3が配置されている。
The refrigerant supply unit 10 e and the refrigerant discharge unit 10 f of the
制御部50は入力される要求出力に応じて燃料電池システムFC1の動きを制御し、図示しないCPU、メモリ、入出力インターフェースを備えている。制御部50には、図示しない入出力インターフェースを介して、第1、第2アノード封止弁V1、V2、カソード弁V3、圧力センサ51、温度センサ52、スイッチ53、燃料ガス循環ポンプP1、酸化ガスブロワーP2、冷媒用ポンプP3がそれぞれ制御用信号線を介して接続されている。
The
燃料電池システムFC1の動作について簡単に説明する。水素源20に貯蔵されている高圧水素は、圧力制御弁21によって所定の圧力に減圧された後、燃料ガス供給管110および燃料ガス供給部10aを介して燃料電池10のアノードに供給される。なお、通常運転時には、第1アノード封止弁V1、第2アノード封止弁V2は、制御部50によってそれぞれ開弁状態、閉弁状態とされている。燃料ガス供給部10aを介して燃料電池内に供給された燃料ガスのうち、起電反応に供されなかった燃料ガスを含む燃料オフガス(アノードオフガス)は、燃料オフガス排出部10bおよび燃料オフガス排出管111の一部を介して、燃料ガス循環用管112に流動する。燃料ガス循環用管112に流動した燃料オフガスは、燃料ガス循環ポンプP1によって燃料ガス供給管110へと導かれ、水素源からの水素と共に燃料電池10に再投入される。
The operation of the fuel cell system FC1 will be briefly described. The high-pressure hydrogen stored in the
なお、燃料オフガス排出部10bの直ぐ下流に更なる弁を設け、通常運転時は、当該弁を閉弁状態とすることで燃料オフガスを燃料電池10の内部に止めて運転するようにしても良い。この場合には、定期的に当該弁および第2アノード封止弁V2が開弁状態とされ、不純物濃度の高い燃料オフガスが燃料オフガス排出管111を介して大気中に放出される。なお、燃料オフガスを燃料電池10の内部に止めて運転する場合には、第2アノード封止弁V2は、開弁状態、閉弁状態のいずれであっても良い。
Note that a further valve may be provided immediately downstream of the fuel off-gas discharge unit 10b, and during normal operation, the valve may be closed to operate the fuel off-gas within the
燃料電池10のカソードへは、酸化ガスブロワーP2によって取り込まれた大気(空気)が酸化ガス供給管120および酸化ガス供給部10cを介して供給される。燃料電池10運転時におけるカソード圧力は、酸化ガスブロワーP2の吐出量およびカソード弁V3の開弁角度を調整することによって、調整することができる。
The atmosphere (air) taken in by the oxidizing gas blower P2 is supplied to the cathode of the
アノードに供給された水素は、アノード触媒層によって水素イオン(プロトン)ど電子とに分離とされ、水素イオンは膜電極接合体を介してカソードに移動し、電子は外部回路を介してカソード触媒層へと移動する。カソードに移動した水素イオンは、カソード触媒層において、カソードに供給された酸素および外部回路を経由した電子と反応し、水が生成される。この一連の反応によって、負荷を駆動するための電流を得ることができる。 The hydrogen supplied to the anode is separated into hydrogen ions (protons) and electrons by the anode catalyst layer, the hydrogen ions move to the cathode through the membrane electrode assembly, and the electrons pass through the external circuit to the cathode catalyst layer. Move to. The hydrogen ions that have moved to the cathode react with oxygen supplied to the cathode and electrons that have passed through the external circuit in the cathode catalyst layer, thereby generating water. By this series of reactions, a current for driving the load can be obtained.
冷媒配管310内の冷媒は、燃料電池10内で起電反応に伴い発生した熱の一部を奪い、熱交換器30において熱の一部を放出する。すなわち、冷媒用ポンプP3によって、燃料電池10と熱交換器30との間で冷媒が循環させられることによって、燃料電池10は所定温度に冷却(または維持)される。
The refrigerant in the
燃料電池システムFC1における残留水素低減処理について図2〜図5を参照して説明する。図2は残留水素低減処理に際して実行される処理ルーチンを示すフローチャートである。図3は残留水素低減処理開始前における燃料電池内部の状態を模式的に示す説明図である。図4は残留水素低減処理における湿潤処理実行後の燃料電池内部の状態を模式的に示す説明図である。図5は残留水素低減処理における電流掃引処理実行後の燃料電池内部の状態を模式的に示す説明図である。 The residual hydrogen reduction process in the fuel cell system FC1 will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a flowchart showing a processing routine executed in the residual hydrogen reduction processing. FIG. 3 is an explanatory diagram schematically showing the internal state of the fuel cell before the start of the residual hydrogen reduction process. FIG. 4 is an explanatory view schematically showing the state inside the fuel cell after performing the wet process in the residual hydrogen reduction process. FIG. 5 is an explanatory diagram schematically showing the state inside the fuel cell after execution of the current sweep process in the residual hydrogen reduction process.
残留水素低減処理は、燃料電池システムFC1における燃料電池10の運転停止時に実行され、いわゆる間欠運転が実行される燃料電池システムFC1において一般的に実行される。制御部50は、要求出力が基準要求出力未満となるまで待機し(ステップS100:No)、要求出力が基準要求出力未満になると(ステップS100:Yes)、第1アノード封止弁V1および第2アノード封止弁V2を閉弁させる。また、制御部50は、燃料ガス循環ポンプP1を作動させる。この結果、燃料電池10のアノードは、外部から遮断され、アノードから排出されたアノードガスは燃料ガス循環用管112によって形成される循環系内で循環流動する。基準要求出力とは、例えば、燃料電池10の稼働を必要とせず、二次電池等の他の蓄電手段によって供給可能な要求出力(要求電力)を意味する。すなわち、燃料電池10の運転を停止可能な要求出力である。
The residual hydrogen reduction process is performed when the operation of the
このとき、燃料電池10の内部は、図3に示すように、カソード側に酸素、アノード側に残留水素が存在する状態である。膜電極接合体を形成する電解質膜100、アノード触媒層100aおよびカソード触媒層100cは、通常の湿潤状態にある。
At this time, as shown in FIG. 3, the inside of the
制御部50は、第1および第2アノード封止弁V1、V2を封止すると、冷媒流量を増大させると共に冷却液温度を検出し、初期冷媒温度Tiとして記録する(ステップS120)。具体的には、制御部50は、冷媒用ポンプP3の吐出量を増大させて冷媒配管310を循環する冷媒流量を増大させると共に、温度センサ52を介して検出した冷媒温度を初期冷媒温度Tiとしてメモリに格納する。
When the first and second anode sealing valves V1 and V2 are sealed, the
制御部50は、初期冷媒温度Tiと温度センサ52を介して検出される冷媒温度Tcとの差が判定値Tr未満となるまで待機する(ステップS130:No)。ここで、判定値Trは、燃料電池10のアノードに存在する水蒸気が凝縮して水滴となるために要求される温度差である。水蒸気は、図4に示すように膜電極接合体(主には、アノード触媒層100a)上で凝縮し、湿潤部102として示すように膜電極接合体が十分な湿潤状態とされる。なお、判定値Trとしては、温度差に代えて、判定温度を用いても良い。判定温度は、例えば、通常の燃料電池運転時における稼働温度を基準として、水蒸気の凝縮が期待できる温度とすれば良い。
The
制御部50は、初期冷媒温度Tiと冷媒温度Tcとの差が判定値Trが未満になると(ステップS130:Yes)、冷媒流量を通常流量に戻す(ステップS140)。具体的には、制御部50は、冷媒用ポンプP3の吐出量を通常の吐出量に戻す。
When the difference between the initial refrigerant temperature Ti and the refrigerant temperature Tc is smaller than the determination value Tr (step S130: Yes), the
制御部50は、酸化ガスブロワーP2の吐出量を増大させると共にカソード弁V3を閉弁状態または適当な開弁状態に調整して、カソード圧力Pcを所定圧力まで増大させる(ステップS150)。この結果、図4に示すように膜電極接合体を介してカソードからアノードへと移動する酸化ガス量が増大される(いわゆる、クロスオーバー量を増大させることができる)ので、酸化ガスによってアノードにおける水素濃度を低減することができる。また、アノードに存在する酸化ガス量が増大することによって、次第に膜電極接合体の両側(アノードおよびカソード側)に同一のガス種が存在するようになる。
The
制御部50はスイッチ53を閉じて、燃料電池10の端子と負荷40とを接続し、燃料電池10から電流を掃引する(ステップS160)。この結果、起電反応が生じ、アノードに残留する水素が消費される。したがって、カソードからの酸化ガスのクロスオーバーと併せて、膜電極接合体の両側(アノードおよびカソード側)に同一のガス種が存在することとなり、次第に起電反応が停止する。よって、膜電極接合体の劣化の要因となる部分電池化、局所的な高電圧の発生を抑制または防止することができる。
The
なお、一般的に、燃料電池10停止時にアノードに残留する水素量は少なく、膜電極接合体上では水素濃度が高い部分と低い部分とが混在しており、水素の分布が一様でない。したがって、従来の構成では、電流掃引時、水素濃度が低い部分では、存在しなくなった水素に代えて、アノード触媒層100a、電解質膜100を構成する炭素が消費されてしまう。
In general, the amount of hydrogen remaining on the anode is small when the
しかしながら、本実施例では、燃料電池10の内部温度を低下させることによって、アノード内の水蒸気を凝縮させて、図4に示すようにアノード触媒層100a、電解質膜100を十分な湿潤状態に保っている。この結果、主としてアノード触媒層100aが十分な湿潤状態とされているため、水素量が少ない部分であっても図5に示すように水が分解されてプロトンが生成される。この結果、アノード触媒層100a、電解質膜100を構成する炭素の消費、すなわち、膜電極接合体の劣化を抑制または防止することができる。
However, in this embodiment, by reducing the internal temperature of the
制御部50は、圧力センサ51によって検出されるアノード圧力Paが判定圧力Paref未満になるまで電流掃引を継続し(ステップS170:No)、アノード圧力Paが判定圧力Paref未満になると(ステップS170:Yes)、スイッチ53を開いて電流掃引を停止する(ステップS180)。ここで、判定圧力Parefは、アノード内の水素濃度(あるいは、残留水素量)が十分に低く(少なく)なった状態におけるアノードの圧力である。すなわち、圧力に基づいて、アノードにおける残留水素量が十分に少なくなったか、あるいは所定量以下になったか否かを判定する。
The
制御部50は、酸化ガスブロワーP2の吐出量を減少させると共にカソード弁V3を閉弁状態または適当な開弁状態に調整して、カソード圧力Pcを通常圧力へと変更して(ステップS190)、本処理ルーチンを終了する。
The
以上説明したように、本実施例に係る燃料電池システムFC1によれば、アノードに残留する残留水素を消費するための電流掃引に先立って、電流掃引中において膜電極接合体(電解質膜および触媒層)を湿潤状態に維持するための湿潤維持処理を実行する。具体的には、燃料電池10(アノード)の温度を低下させることによって、アノードに存在する水蒸気を凝縮させて、膜電極接合体を十分に湿潤させる。この結果、水素濃度(水素分布)が低い部分においても、起電反応において水が消費されるに過ぎず、アノード触媒、膜電極接合体を構成する炭素の消費、すなわち、電解質膜、膜電極接合体の劣化を抑制または防止することができる。 As described above, according to the fuel cell system FC1 according to the present embodiment, prior to the current sweep for consuming the residual hydrogen remaining in the anode, the membrane electrode assembly (electrolyte membrane and catalyst layer) during the current sweep. ) To maintain a wet state. Specifically, by lowering the temperature of the fuel cell 10 (anode), water vapor present in the anode is condensed to sufficiently wet the membrane electrode assembly. As a result, even in a portion where the hydrogen concentration (hydrogen distribution) is low, only water is consumed in the electromotive reaction, and consumption of carbon constituting the anode catalyst and the membrane electrode assembly, that is, the electrolyte membrane and the membrane electrode junction. Deterioration of the body can be suppressed or prevented.
なお、本実施例における湿潤維持とは、水素低減処理中に膜電極接合体の劣化を抑制または防止するために求められる湿潤状態に維持するための処理を意味し、電気掃引中に継続することによって膜電極接合体を湿潤状態に維持しても良く、あるいは、電気掃引前に膜電極接合体を十分な湿潤状態として、終了しても良い。なお、十分な湿潤状態とは、水素低減処理中に消費される水の量を考慮した上で、膜電極接合体の劣化を低減または防止することができる状態を意味する。 In addition, the wet maintenance in a present Example means the process for maintaining the wet state calculated | required in order to suppress or prevent deterioration of a membrane electrode assembly during a hydrogen reduction process, and continues during an electric sweep. Thus, the membrane / electrode assembly may be maintained in a wet state, or the membrane / electrode assembly may be brought into a sufficiently wet state before electrical sweeping and terminated. The sufficiently wet state means a state where deterioration of the membrane electrode assembly can be reduced or prevented in consideration of the amount of water consumed during the hydrogen reduction treatment.
第2の実施例:
第2の実施例に係る燃料電池システムFC2について説明する。図6は第2の実施例に係る燃料電池システムFC2の構成を模式的に示す説明図である。第2の実施例に係る燃料電池システムFC2は、加湿源60を備える点において、構成上、第1の実施例に係る燃料電池システムFC1と異なる。なお、第2の実施例に係る燃料電池システムFC2におけるその他の構成は、第1の実施例に係る燃料電池システムFC1の構成と同様であるから、第1の実施例に係る燃料電池システムFC1に対する符号と同一の符号を付して説明を省略する。
Second embodiment:
A fuel cell system FC2 according to the second embodiment will be described. FIG. 6 is an explanatory diagram schematically showing the configuration of the fuel cell system FC2 according to the second embodiment. The fuel cell system FC2 according to the second embodiment is structurally different from the fuel cell system FC1 according to the first embodiment in that a
本実施例に係る燃料電池システムFC2では、残留水素低減処理における湿潤処理の実行に際して、制御部50は、冷媒流量を増大させる代わりに加湿源60から加湿ガスをアノードに供給させる。アノードにおける水蒸気量を増大させることによって、膜電極接合体上において凝縮する水分量を増大させて、膜電極接合体を十分な湿潤状態とする。
In the fuel cell system FC2 according to the present embodiment, when performing the wetting process in the residual hydrogen reduction process, the
第2の実施例によれば、冷媒流量を増大させることなく、水素低減処理時において、アノードにおける膜電極接合体、すなわち、主にアノード触媒層100aおよび電解質膜100を十分な湿潤状態に維持することができる。また、加湿ガスを供給するので、膜電極接合体の湿潤状態の予測がより容易になり、膜電極接合体の湿潤状態の管理精度を向上させることができる。また、電流掃引時(水素消費時)においても継続して実行することによって、膜電極接合体を湿潤状態に維持することができる。
According to the second embodiment, the membrane electrode assembly in the anode, that is, mainly the
その他の実施例:
(1)上記各実施例では、電流掃引に際して、補機を駆動させているが、補機に代えて二次電池、キャパシタといった蓄放電手段を用いても良い。すなわち、充電レベルの低い充放電手段を燃料電池10に接続することによって、電流掃引が実現される。また、補機としては、酸化ガスブロワーP2に限られず、燃料ガス循環ポンプP1等他の補機類であっても良い。さらに、電流掃引によって得られる電流は、補機を作動させる電流の全部または一部として用いられても良い。
Other examples:
(1) In each of the above embodiments, the auxiliary machine is driven at the time of the current sweep, but a storage / discharge unit such as a secondary battery or a capacitor may be used instead of the auxiliary machine. That is, the current sweep is realized by connecting the charging / discharging means having a low charge level to the
(2)第1の実施例では、冷媒流量を増大させることによって燃料電池10の温度を低下させたが、酸化ガスブロワーP2による酸化ガス供給量を増大させることによって燃料電池10の温度を低下させても良い。カソードとアノードとは膜電極接合体を介して隣接しているので、カソードを流れる酸化ガスによってアノードの熱を奪い、アノード温度を低下させても良い。電流掃引中においてもアノード温度の低減処理を継続する場合には、酸化ガスブロワーP2を駆動する一部または全部の電流に電流掃引を割り当てても良い。
(2) In the first embodiment, the temperature of the
(3)上記実施例では、冷媒温度に基づいて、膜電極接合体上に水蒸気が凝縮するための燃料電池10の内部温度の低下を検出しているが、予め実験的に求めておいた、冷媒量増大からの時間によって燃料電池10の内部温度の低下を判定しても良い。また、燃料電池温度、雰囲気温度、停止前の運転時間といった複数のパラメータに基づいて、予め定められた時間を補正するようにしても良い。
(3) In the above embodiment, a decrease in the internal temperature of the
(4)燃料電池10の内部温度を低下させる他の手法として、例えば、燃料電池10に投入される直前に燃料ガス温度を低下させても良い。具体的には、燃料ガス供給部100a近傍に、熱交換器を備えることによって実現される。
(4) As another method of reducing the internal temperature of the
(5)上記実施例では、アノード圧力Paを検出することによって、残留水素量が十分に少なくなった否かを判定しているが、電流掃引からの時間によって判定しても良い。すなわち、一般的な条件下において、電流掃引からアノードの残留水素量の低減が期待されるまで時間を予め定めておき、この予め定められた時間に基づいて判定が実行されても良い。さらに、残留水素低減処理時における燃料電池温度、雰囲気温度、停止前の運転時間といった複数のパラメータに基づいて、予め定められた時間を補正するようにしても良い。 (5) In the above embodiment, it is determined whether or not the amount of residual hydrogen has been sufficiently reduced by detecting the anode pressure Pa, but it may also be determined based on the time from the current sweep. In other words, under general conditions, a time may be determined in advance from the current sweep until a reduction in the residual hydrogen amount of the anode is expected, and the determination may be performed based on the predetermined time. Furthermore, a predetermined time may be corrected based on a plurality of parameters such as the fuel cell temperature, the ambient temperature, and the operation time before stopping during the residual hydrogen reduction process.
(6)上記各実施例における燃料電池システムFC1、FC2は、自動車、二輪車等の移動体に搭載して、あるいは、間欠運転を伴う接地型の燃料電池システムとして用いられ得る。 (6) The fuel cell systems FC1 and FC2 in the above embodiments can be mounted on a moving body such as an automobile or a two-wheeled vehicle, or used as a grounded fuel cell system with intermittent operation.
以上、実施例、変形例に基づき本発明について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれる。 As mentioned above, although this invention was demonstrated based on the Example and the modification, Embodiment mentioned above is for making an understanding of this invention easy, and does not limit this invention. The present invention can be changed and improved without departing from the spirit and scope of the claims, and equivalents thereof are included in the present invention.
10…燃料電池
10a…燃料ガス供給部
10b…燃料オフガス排出部
10c…酸化ガス供給部
10d…酸化オフガス排出部
10e…冷媒供給部
10f…冷媒排出部
20…水素源
21…圧力制御弁
30…熱交換器
40…負荷
50…制御部
51…圧力センサ
52…温度センサ
53…スイッチ
60…加湿源
100…電解質膜
100a…アノード触媒層
100c…カソード触媒層
102…湿潤部
110…燃料ガス供給管
111…燃料オフガス排出管
112…燃料ガス循環用管
120…酸化ガス供給管
121…酸化オフガス排出管
310…冷媒配管
FC1…第1の実施例に係る燃料電池システム
FC2…第2の実施例に係る燃料電池システム
P1…燃料ガス循環ポンプ
P2…酸化ガスブロワー
P3…冷媒用ポンプ
V1…第1アノード封止弁
V2…第2アノード封止弁
V3…カソード弁
DESCRIPTION OF
Claims (6)
膜電極接合体を備える燃料電池と、
前記燃料電池の運転停止に際して、前記燃料電池のアノードにおける残留水素を低減または除去する残留水素低減処理手段と、
前記残留水素低減処理時に、前記燃料電池の膜電極接合体を湿潤状態に保つ湿潤維持手段とを備える燃料電池システム。 A fuel cell system,
A fuel cell comprising a membrane electrode assembly;
Residual hydrogen reduction processing means for reducing or removing residual hydrogen at the anode of the fuel cell when the fuel cell is shut down;
A fuel cell system comprising a wetness maintaining means for keeping the membrane electrode assembly of the fuel cell in a wet state during the residual hydrogen reduction process.
前記残留水素低減処理は、前記燃料電池から電流を掃引することにより実行され、
前記湿潤維持手段は、前記燃料電池の内部温度を低下させることにより、前記膜電極接合体を湿潤状態に維持する燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1,
The residual hydrogen reduction process is performed by sweeping current from the fuel cell,
The wetness maintaining means is a fuel cell system which maintains the membrane electrode assembly in a wet state by lowering the internal temperature of the fuel cell.
前記湿潤維持手段は、冷媒を循環させて前記燃料電池を冷却するための冷却手段を備え、前記冷却手段による前記冷媒循環量を増大させて前記燃料電池の内部温度を低下させる燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 2, wherein
The wetness maintaining means includes a cooling means for circulating the refrigerant to cool the fuel cell, and increases the refrigerant circulation amount by the cooling means to lower the internal temperature of the fuel cell.
前記燃料電池のカソードに酸化ガスを供給するための酸化ガス供給器を備え、
前記湿潤維持手段は、前記酸化ガス供給器による前記酸化ガスの供給量を増大させて前記燃料電池の内部温度を低下させる燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 2, further comprising:
An oxidizing gas supplier for supplying an oxidizing gas to the cathode of the fuel cell;
The wetness maintaining means increases the supply amount of the oxidizing gas by the oxidizing gas supply device to lower the internal temperature of the fuel cell.
前記湿潤維持手段は、前記燃料電池のアノードに湿潤ガスを提供する湿潤ガス供給器を備え、前記湿潤維持手段は、前記湿潤ガス供給器によって前記湿潤ガスを供給することによって前記膜電極接合体を湿潤状態に維持する燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1,
The wetness maintaining means includes a wet gas supply device that supplies a wet gas to the anode of the fuel cell, and the wetness maintenance means supplies the wet gas by the wet gas supply device to thereby form the membrane electrode assembly. A fuel cell system that maintains a wet state.
燃料電池の膜電極接合体を湿潤状態に維持し、
前記燃料電池のアノードにおける残留水素を低下させる
制御方法。 A method for controlling a fuel cell system when a fuel cell is stopped,
Maintaining the fuel cell membrane electrode assembly in a wet state;
A control method for reducing residual hydrogen in the anode of the fuel cell.
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|---|---|
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Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012069440A (en) * | 2010-09-24 | 2012-04-05 | Honda Motor Co Ltd | Operation stop method of fuel cell system |
| JP2012069442A (en) * | 2010-09-24 | 2012-04-05 | Honda Motor Co Ltd | Operation stop method of fuel cell system |
| WO2012117525A1 (en) * | 2011-03-01 | 2012-09-07 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel cell system |
| US20140147764A1 (en) * | 2011-06-30 | 2014-05-29 | Nissan Motor Co., Ltd. | System for adjusting temperature of cooling-liquid for fuel cell, and thermostat valve |
| US9093679B2 (en) | 2010-09-24 | 2015-07-28 | Honda Motor Co., Ltd. | Method of shutting down fuel cell system |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS62252075A (en) * | 1986-04-25 | 1987-11-02 | Fuji Electric Co Ltd | Air-cooled fuel cell temperature control device |
| JPH06251788A (en) * | 1993-02-25 | 1994-09-09 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Stopping and storing method for solid polymer electrolyte fuel cell |
| JP2000243418A (en) * | 1999-02-23 | 2000-09-08 | Toyota Motor Corp | Fuel cell system |
| JP2004006166A (en) * | 2002-06-03 | 2004-01-08 | Fuji Electric Holdings Co Ltd | Solid polymer electrolyte fuel cell and its operation method |
| JP2005025996A (en) * | 2003-06-30 | 2005-01-27 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Polymer fuel cell system and operation method thereof |
| JP2005158558A (en) * | 2003-11-27 | 2005-06-16 | Nissan Motor Co Ltd | Fuel cell system |
| JP2006351506A (en) * | 2005-05-17 | 2006-12-28 | Nissan Motor Co Ltd | Fuel cell system |
| JP2007157586A (en) * | 2005-12-07 | 2007-06-21 | Toyota Motor Corp | Fuel cell system and control method thereof |
-
2007
- 2007-11-28 JP JP2007307033A patent/JP2009129879A/en active Pending
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS62252075A (en) * | 1986-04-25 | 1987-11-02 | Fuji Electric Co Ltd | Air-cooled fuel cell temperature control device |
| JPH06251788A (en) * | 1993-02-25 | 1994-09-09 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Stopping and storing method for solid polymer electrolyte fuel cell |
| JP2000243418A (en) * | 1999-02-23 | 2000-09-08 | Toyota Motor Corp | Fuel cell system |
| JP2004006166A (en) * | 2002-06-03 | 2004-01-08 | Fuji Electric Holdings Co Ltd | Solid polymer electrolyte fuel cell and its operation method |
| JP2005025996A (en) * | 2003-06-30 | 2005-01-27 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Polymer fuel cell system and operation method thereof |
| JP2005158558A (en) * | 2003-11-27 | 2005-06-16 | Nissan Motor Co Ltd | Fuel cell system |
| JP2006351506A (en) * | 2005-05-17 | 2006-12-28 | Nissan Motor Co Ltd | Fuel cell system |
| JP2007157586A (en) * | 2005-12-07 | 2007-06-21 | Toyota Motor Corp | Fuel cell system and control method thereof |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012069440A (en) * | 2010-09-24 | 2012-04-05 | Honda Motor Co Ltd | Operation stop method of fuel cell system |
| JP2012069442A (en) * | 2010-09-24 | 2012-04-05 | Honda Motor Co Ltd | Operation stop method of fuel cell system |
| US9093679B2 (en) | 2010-09-24 | 2015-07-28 | Honda Motor Co., Ltd. | Method of shutting down fuel cell system |
| WO2012117525A1 (en) * | 2011-03-01 | 2012-09-07 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel cell system |
| JPWO2012117525A1 (en) * | 2011-03-01 | 2014-07-07 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel cell system |
| US20140147764A1 (en) * | 2011-06-30 | 2014-05-29 | Nissan Motor Co., Ltd. | System for adjusting temperature of cooling-liquid for fuel cell, and thermostat valve |
| US9680167B2 (en) * | 2011-06-30 | 2017-06-13 | Nissan Motor Co., Ltd. | System for adjusting temperature of cooling-liquid for fuel cell, and thermostat valve |
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