JP2008004319A - Fuel cell system, and its operation stop method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To enable to effectively restrain excessive current from flowing at short circuiting of cells, without adding new components. <P>SOLUTION: In the fuel cell system provided with cells generating power by electrochemical reaction of fuel gas and oxidizing gas, a cell stack made by laminating the cells, a control means for controlling a supply flow of the fuel gas and the oxidizing gas, a short-circuiting means short-circuiting a cathode and an anode of an output terminal of the cell stack, both electrodes are made short-circuited after an operation with a supply ratio of oxygen to hydrogen lower than normal, at the time of power generation stoppage. It is preferable to operate with oxygen supply volume against sweep current made lower than stoichiometry. Further, it is provided with a voltage measurement means for measuring voltage between both electrodes of the cell stack and it is preferable if the both electrodes are made short-circuited when the voltage between the electrodes gets below a given value. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池システムおよびその運転停止方法に関する。さらに詳述すると、本発明は、燃料電池システムの停止時における処理内容の改良に関する。   The present invention relates to a fuel cell system and an operation stop method thereof. More specifically, the present invention relates to improvement of processing contents when the fuel cell system is stopped.

一般に、燃料電池(例えば固体高分子形燃料電池)は電解質をセパレータで挟んだセルを複数積層することによって構成されている。このような構成の燃料電池あるいはこれを含む燃料電池システムに関しては、運転を停止してから次の運転を開始するまでの放置状態の間、カソードにおいて異常電位が生じるといった事態を回避することが望まれている。そこで、このような事態を回避するべく、燃料電池システムの停止時に各セルを短絡させるといった処理技術が開示されている(例えば、特許文献1参照)。
特開2003−317770号公報
In general, a fuel cell (for example, a polymer electrolyte fuel cell) is configured by stacking a plurality of cells each having an electrolyte sandwiched between separators. With regard to the fuel cell having such a configuration or a fuel cell system including the fuel cell, it is desired to avoid a situation in which an abnormal potential is generated at the cathode during the standing state after the operation is stopped until the next operation is started. It is rare. In order to avoid such a situation, a processing technique is disclosed in which each cell is short-circuited when the fuel cell system is stopped (see, for example, Patent Document 1).
JP 2003-317770 A

しかしながら、運転停止処理の際、上述のように各セルを短絡させると、当該短絡時に過大な電流が流れうる点で問題がある。このような問題を回避するための手段としては例えば各セルの短絡回路に値の大きな抵抗を設けるといったものがあるが、新たな部品の追加が必要になるという点では必ずしも好ましい手段ではない。   However, when each cell is short-circuited as described above during the shutdown process, there is a problem in that an excessive current can flow during the short-circuit. As a means for avoiding such a problem, for example, a resistor having a large value is provided in a short circuit of each cell. However, this is not necessarily a preferable means in that a new part needs to be added.

そこで、本発明は、新たな部品を追加せずともセル短絡時に過大な電流が流れるのを効果的に抑制できるようにした燃料電池システムおよびその運転停止方法を提供することを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a fuel cell system and an operation stop method thereof that can effectively suppress an excessive current from flowing when a cell is short-circuited without adding a new component.

かかる課題を解決するべく本発明者は種々の検討を行った。例えば、通常発電時と同様のガス組成での開路電圧(OCV:Open Circuit Voltage)のようにセル電圧が高い状態から直接短絡すると、アノード側では水素、カソード側では酸素が当該短絡時に急減に反応し、この結果として過大な電流が流れることになる。この点につきさらに検討を重ねた本発明者は、かかる課題の解決に結び付く着想、すなわち過大な電流が流れない状態を形成することについての着想を得るに至った。   In order to solve this problem, the present inventor has made various studies. For example, if the cell voltage is short-circuited directly from a high cell voltage (OCV: Open Circuit Voltage) with the same gas composition as during normal power generation, hydrogen on the anode side and oxygen on the cathode side will react to a sudden decrease at the time of the short-circuit. As a result, an excessive current flows. The inventor who has further studied this point has come up with an idea that leads to the solution of such a problem, that is, an idea of forming a state in which an excessive current does not flow.

本発明はかかる着想に基づくものであり、燃料ガスと酸化ガスを電気化学反応させて発電するセルと、該セルを積層してなるセルスタックと、前記燃料ガスおよび酸化ガスの供給流量を制御する制御手段と、前記セルスタックの出力端子の正極および負極を短絡させる短絡手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、発電停止時、酸素対水素の供給比を通常より低くして運転した後に両極を短絡させることを特徴とするものである。   The present invention is based on such an idea, and controls a cell for generating electricity by electrochemically reacting a fuel gas and an oxidizing gas, a cell stack formed by stacking the cells, and a supply flow rate of the fuel gas and the oxidizing gas. In a fuel cell system comprising a control means and a short-circuit means for short-circuiting the positive electrode and the negative electrode of the output terminal of the cell stack, when the power generation is stopped, the two electrodes are operated after operating at a lower oxygen to hydrogen supply ratio than usual. It is characterized by short-circuiting.

さらに、本発明は、燃料ガスと酸化ガスを電気化学反応させて発電するセルと、該セルを積層してなるセルスタックと、前記燃料ガスおよび酸化ガスの供給流量を制御する制御手段と、前記セルスタックの出力端子の正極および負極を短絡させる短絡手段と、を備えた燃料電池システムの運転停止方法において、運転停止指令を受けた場合に酸素対水素の供給比を通常時より低くして運転し、前記セルスタックの両極間の電圧を低下させ、その後、前記短絡手段を用いて前記セルスタックの両極を短絡させることを特徴としている。   Furthermore, the present invention provides a cell for generating electricity by electrochemically reacting a fuel gas and an oxidizing gas, a cell stack formed by stacking the cells, a control means for controlling a supply flow rate of the fuel gas and the oxidizing gas, In a fuel cell system shutdown method comprising a short-circuit means for short-circuiting the positive and negative electrodes of the cell stack output terminal, when the shutdown command is received, the oxygen-to-hydrogen supply ratio is set lower than usual. Then, the voltage between both electrodes of the cell stack is lowered, and then both electrodes of the cell stack are short-circuited using the short-circuit means.

燃料電池システムにおける運転停止処理時、停止時に各セルを短絡させるといった処理技術が利用されているのは上述したとおりであるが、このように単純にセルを短絡させると過大な電流が流れる場合がある。この点、本発明においては運転停止命令を受けた後に酸素対水素の供給比を通常時より低くして運転する、つまりはいわゆるエアストイキ比を下げて運転することとし、これによって正極と負極との電位差を小さくさせる。そして、セル電圧の低下後、セルスタックの両極を短絡させる。すなわち、本発明においてはセル短絡に先立ってセル電圧を低下させる処理を実施し、その後でセルスタックの両極を短絡させることとしているから、短絡時に過大な電流が流れるのを効果的に抑制することが可能である。   As described above, the processing technique of short-circuiting each cell at the time of shutdown in the fuel cell system is used as described above. However, if a cell is simply short-circuited in this way, an excessive current may flow. is there. In this regard, in the present invention, after receiving an operation stop command, the operation is performed with the supply ratio of oxygen to hydrogen lower than usual, that is, the operation is performed with a lower so-called air stoichiometric ratio, and thereby the positive electrode and the negative electrode are operated. Reduce the potential difference. Then, after the cell voltage is lowered, both poles of the cell stack are short-circuited. That is, in the present invention, the cell voltage is reduced prior to the cell short circuit, and then both poles of the cell stack are short-circuited. Is possible.

しかも、本発明は運転停止時における新たな停止処理手順を構築することで過大な電流を効果的に抑えることを実現しているものであるから、短絡回路に値の大きな抵抗を設けるなど新たな部品を追加するような必要がないという利点もある。したがって、現状ないしは既存の設備においても容易に適用することが可能である。   Moreover, since the present invention realizes effective suppression of excessive current by constructing a new stop processing procedure at the time of operation stop, a new value such as providing a resistor with a large value in the short circuit is provided. There is also an advantage that it is not necessary to add parts. Therefore, it can be easily applied to the current state or existing facilities.

この場合、掃引電流に対する酸素供給量を化学量論比よりも低くして運転することが好ましい。掃引されている電流に対して化学量論比よりも低い(エアストイキ比が1よりも低い)酸素もしくは空気を供給して運転することにより、正極と負極との電位差をより効果的に小さくすることができる。   In this case, it is preferable to operate with the oxygen supply amount with respect to the sweep current being lower than the stoichiometric ratio. To reduce the potential difference between the positive and negative electrodes more effectively by supplying oxygen or air that is lower than the stoichiometric ratio (the air stoichiometric ratio is lower than 1) to the current being swept. Can do.

また、上述のごとき燃料電池システムは、前記セルスタックの両極間の電圧を測定する電圧測定手段を備え、両極間の電圧が所定値以下になった際にこれら両極を短絡させるものであることが好ましい。同様に、上述のごとき燃料電池システムの運転方法においては、前記セルスタックの両極間の電圧が所定値以下になった際にこれら両極を短絡させることが好ましい。セル電圧を低下させる処理の実施後、電圧が所定値以下になったことを検出ないしは確認してから両極を短絡することによれば過大な電流が流れるのをより確実に抑制することができる。   In addition, the fuel cell system as described above may include voltage measuring means for measuring a voltage between both electrodes of the cell stack, and short-circuit these electrodes when the voltage between both electrodes becomes a predetermined value or less. preferable. Similarly, in the operation method of the fuel cell system as described above, it is preferable to short-circuit both electrodes when the voltage between both electrodes of the cell stack becomes a predetermined value or less. By short-circuiting both poles after detecting or confirming that the voltage has fallen below a predetermined value after the process of reducing the cell voltage, it is possible to more reliably prevent an excessive current from flowing.

本発明によれば、新たな部品を追加せずともセル短絡時に過大な電流が流れるのを効果的に抑制することが可能となる。   According to the present invention, it is possible to effectively suppress an excessive current from flowing when a cell is short-circuited without adding new parts.

以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。   Hereinafter, the configuration of the present invention will be described in detail based on an example of an embodiment shown in the drawings.

図1〜図5に本発明にかかる燃料電池システムの実施形態を示す。燃料電池システム100は、燃料ガスと酸化ガスを電気化学反応させて発電するセル2と、該セル2を積層してなるセルスタック3と、燃料ガスおよび酸化ガスの供給流量を制御する制御手段と、セルスタック3の出力端子の正極および負極を短絡させる短絡手段4と、を備えたシステムとして構成されているものである。本実施形態の燃料電池システム100は、運転停止指令を受けた場合に、セルスタック3に対して供給される燃料ガスと酸化ガスにおける酸素対水素の供給比を通常時より低くして運転し、セルスタック3の両極間の電圧を低下させ、その後、短絡手段4を用いてセルスタック3の両極を短絡させるようにしている。   1 to 5 show an embodiment of a fuel cell system according to the present invention. The fuel cell system 100 includes a cell 2 that generates electricity by electrochemically reacting a fuel gas and an oxidizing gas, a cell stack 3 formed by stacking the cells 2, and a control unit that controls the supply flow rates of the fuel gas and the oxidizing gas. The short circuit means 4 for short-circuiting the positive electrode and the negative electrode of the output terminal of the cell stack 3 is configured as a system. When the fuel cell system 100 of the present embodiment receives an operation stop command, the fuel cell system 100 is operated with a supply ratio of oxygen to hydrogen in the fuel gas and the oxidizing gas supplied to the cell stack 3 lower than normal, The voltage between the two poles of the cell stack 3 is lowered, and then the two poles of the cell stack 3 are short-circuited using the short-circuit means 4.

以下においては、まず燃料電池システム100の全体構成、ならびに燃料電池1を構成するセル2の構成について説明し、その後、セル短絡時に過大な電流が流れるのを効果的に抑制できるようにするための構成について説明する。   In the following, first, the overall configuration of the fuel cell system 100 and the configuration of the cell 2 constituting the fuel cell 1 will be described, and then an excessive current can be effectively suppressed from flowing when the cell is short-circuited. The configuration will be described.

図1に本実施形態における燃料電池システム100の概略構成を示す。図示するように、燃料電池システム100は、燃料電池1と、酸化ガスとしての空気(酸素)を燃料電池1に供給する酸化ガス給排系(以下、酸化ガス配管系ともいう)300と、燃料ガスとしての水素を燃料電池1に供給する燃料ガス給排系(以下、燃料ガス配管系ともいう)400と、燃料電池1に冷媒を供給して燃料電池1を冷却する冷媒配管系500と、システムの電力を充放電する電力系600と、システム全体を統括制御する制御手段としての制御部700と、を備えている。   FIG. 1 shows a schematic configuration of a fuel cell system 100 in the present embodiment. As shown in the figure, a fuel cell system 100 includes a fuel cell 1, an oxidizing gas supply / discharge system (hereinafter also referred to as an oxidizing gas piping system) 300 for supplying air (oxygen) as an oxidizing gas to the fuel cell 1, a fuel A fuel gas supply / discharge system (hereinafter also referred to as a fuel gas piping system) 400 that supplies hydrogen as a gas to the fuel cell 1, a refrigerant piping system 500 that supplies the refrigerant to the fuel cell 1 and cools the fuel cell 1, A power system 600 that charges and discharges the power of the system and a control unit 700 that serves as a control unit that controls the entire system are provided.

燃料電池1は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数のセル(単セル)2を積層したスタック構造となっている(図3参照)。各セル2は、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極および燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータ20(図2においてはそれぞれ符号20a,20bを付して示している)を有している。一方のセパレータ20の燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、他方のセパレータ20の酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、このガス供給により燃料電池1は電力を発生する。   The fuel cell 1 is formed of, for example, a solid polymer electrolyte type and has a stack structure in which a large number of cells (single cells) 2 are stacked (see FIG. 3). Each cell 2 has an air electrode on one surface of an electrolyte made of an ion exchange membrane, a fuel electrode on the other surface, and a pair of separators 20 (see FIG. 5) so as to sandwich the air electrode and the fuel electrode from both sides. 2 are indicated by reference numerals 20a and 20b, respectively). Fuel gas is supplied to the fuel gas flow path of one separator 20, and oxidizing gas is supplied to the oxidizing gas flow path of the other separator 20, and the fuel cell 1 generates electric power by this gas supply.

酸化ガス配管系300は、燃料電池1に供給される酸化ガスが流れる供給路111と、燃料電池1から排出された酸化オフガスが流れる排出路112と、を有している。供給路111には、フィルタ113を介して酸化ガスを取り込むコンプレッサ114と、コンプレッサ114により圧送される酸化ガスを加湿する加湿器115と、が設けられている。排出路112を流れる酸化オフガスは、背圧調整弁116を通って加湿器115で水分交換に供された後、最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。コンプレッサ114は、モータ114aの駆動により大気中の酸化ガスを取り込む。   The oxidizing gas piping system 300 has a supply path 111 through which the oxidizing gas supplied to the fuel cell 1 flows, and a discharge path 112 through which the oxidizing off gas discharged from the fuel cell 1 flows. The supply path 111 is provided with a compressor 114 that takes in the oxidizing gas via the filter 113, and a humidifier 115 that humidifies the oxidizing gas fed by the compressor 114. The oxidizing off-gas flowing through the discharge path 112 is subjected to moisture exchange by the humidifier 115 through the back pressure regulating valve 116, and is finally exhausted into the atmosphere outside the system as exhaust gas. The compressor 114 takes in the oxidizing gas in the atmosphere by driving the motor 114a.

燃料ガス配管系400は、水素供給源121と、水素供給源121から燃料電池1に供給される水素ガスが流れる供給路122と、燃料電池1から排出された水素オフガス(燃料オフガス)を供給路122の合流点Aに戻すための循環路123と、循環路123内の水素オフガスを供給路122に圧送するポンプ124と、循環路123に分岐接続された排出路125と、を有している。   The fuel gas piping system 400 includes a hydrogen supply source 121, a supply path 122 through which hydrogen gas supplied from the hydrogen supply source 121 to the fuel cell 1 flows, and a supply path for supplying hydrogen offgas (fuel offgas) discharged from the fuel cell 1. A circulation path 123 for returning to the confluence point A of 122, a pump 124 that pumps the hydrogen off gas in the circulation path 123 to the supply path 122, and a discharge path 125 that is branched and connected to the circulation path 123. .

水素供給源121は、例えば高圧タンクや水素吸蔵合金などで構成され、例えば35MPa又は70MPaの水素ガスを貯留可能に構成されている。水素供給源121の元弁126を開くと、供給路122に水素ガスが流出する。水素ガスは、調圧弁127その他の減圧弁により、最終的に例えば200kPa程度まで減圧されて、燃料電池1に供給される。   The hydrogen supply source 121 is composed of, for example, a high-pressure tank or a hydrogen storage alloy, and is configured to be able to store, for example, 35 MPa or 70 MPa of hydrogen gas. When the main valve 126 of the hydrogen supply source 121 is opened, hydrogen gas flows out to the supply path 122. The hydrogen gas is finally depressurized to, for example, about 200 kPa by the pressure regulating valve 127 and other pressure reducing valves and supplied to the fuel cell 1.

供給路122の合流点Aの上流側には、遮断弁128が設けられている。水素ガスの循環系は、供給路122の合流点Aの下流側流路と、燃料電池1のセパレータに形成される燃料ガス流路と、循環路123とを順番に連通することで構成されている。水素ポンプ124は、モータ124aの駆動により、循環系内の水素ガスを燃料電池1に循環供給する。   A shutoff valve 128 is provided on the upstream side of the confluence point A of the supply path 122. The hydrogen gas circulation system is configured by sequentially communicating a flow path downstream of the confluence point A of the supply path 122, a fuel gas flow path formed in the separator of the fuel cell 1, and the circulation path 123. Yes. The hydrogen pump 124 circulates and supplies the hydrogen gas in the circulation system to the fuel cell 1 by driving the motor 124a.

排出路125には、遮断弁であるパージ弁133が設けられている。パージ弁133が燃料電池システム100の稼動時に適宜開弁することで、水素オフガス中の不純物が水素オフガスと共に図示省略した水素希釈器に排出される。パージ弁133の開弁により、循環路123内の水素オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環供給される水素オフガス中の水素濃度が上がる。   The discharge passage 125 is provided with a purge valve 133 that is a shut-off valve. When the purge valve 133 is appropriately opened when the fuel cell system 100 is in operation, impurities in the hydrogen off gas are discharged together with the hydrogen off gas to a hydrogen diluter (not shown). By opening the purge valve 133, the concentration of impurities in the hydrogen off-gas in the circulation path 123 decreases, and the hydrogen concentration in the hydrogen off-gas supplied in circulation increases.

冷媒配管系500は、燃料電池1内の冷却流路に連通する冷媒循環流路141と、冷媒循環流路141に設けられた冷却ポンプ142と、燃料電池1から排出される冷媒を冷却するラジエータ143と、ラジエータ143をバイパスするバイパス流路144と、ラジエータ143及びバイパス流路144への冷却水の通流を設定する三方弁(切替え弁)145と、を有している。冷却ポンプ142は、モータ142aの駆動により、冷媒循環流路141内の冷媒を燃料電池1に循環供給する。   The refrigerant piping system 500 includes a refrigerant circulation channel 141 communicating with a cooling channel in the fuel cell 1, a cooling pump 142 provided in the refrigerant circulation channel 141, and a radiator that cools the refrigerant discharged from the fuel cell 1. 143, a bypass flow path 144 that bypasses the radiator 143, and a three-way valve (switching valve) 145 that sets the flow of cooling water to the radiator 143 and the bypass flow path 144. The cooling pump 142 circulates and supplies the refrigerant in the refrigerant circulation channel 141 to the fuel cell 1 by driving the motor 142a.

電力系600は、高圧DC/DCコンバータ161、バッテリ162、トラクションインバータ163、トラクションモータ164、及び各種の補機インバータ165,166,167を備えている。高圧DC/DCコンバータ161は、直流の電圧変換器であり、バッテリ162から入力された直流電圧を調整してトラクションインバータ163側に出力する機能と、燃料電池1又はトラクションモータ164から入力された直流電圧を調整してバッテリ162に出力する機能と、を有する。高圧DC/DCコンバータ161のこれらの機能により、バッテリ162の充放電が実現される。また、高圧DC/DCコンバータ161により、燃料電池1の出力電圧が制御される。   The power system 600 includes a high-voltage DC / DC converter 161, a battery 162, a traction inverter 163, a traction motor 164, and various auxiliary inverters 165, 166, and 167. The high-voltage DC / DC converter 161 is a direct-current voltage converter that adjusts the direct-current voltage input from the battery 162 and outputs it to the traction inverter 163 side, and the direct-current input from the fuel cell 1 or the traction motor 164. And a function of adjusting the voltage and outputting it to the battery 162. The charge / discharge of the battery 162 is realized by these functions of the high-voltage DC / DC converter 161. Further, the output voltage of the fuel cell 1 is controlled by the high voltage DC / DC converter 161.

バッテリ162は、バッテリセルが積層されて一定の高電圧を端子電圧とし、図示しないバッテリコンピュータの制御によって余剰電力を充電したり補助的に電力を供給したりすることが可能になっている。トラクションインバータ163は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ164に供給する。トラクションモータ164は、例えば三相交流モータであり、燃料電池システム100が搭載される例えば車両の主動力源を構成する。   The battery 162 is configured such that battery cells are stacked and a constant high voltage is used as a terminal voltage, and surplus power can be charged or power can be supplementarily supplied under the control of a battery computer (not shown). The traction inverter 163 converts a direct current into a three-phase alternating current and supplies it to the traction motor 164. The traction motor 164 is, for example, a three-phase AC motor, and constitutes a main power source of, for example, a vehicle on which the fuel cell system 100 is mounted.

補機インバータ165,166,167は、それぞれ、対応するモータ114a,124a,142aの駆動を制御する電動機制御装置である。補機インバータ165,166,167は、直流電流を三相交流に変換して、それぞれ、モータ114a,124a,142aに供給する。補機インバータ165,166,167は、例えばパルス幅変調方式のPWMインバータであり、制御部700からの制御指令に従って燃料電池1又はバッテリ162から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、各モータ114a,124a,142aで発生する回転トルクを制御する。   Auxiliary machine inverters 165, 166, and 167 are motor control devices that control driving of corresponding motors 114a, 124a, and 142a, respectively. Auxiliary machine inverters 165, 166, and 167 convert a direct current into a three-phase alternating current and supply it to motors 114a, 124a, and 142a, respectively. Auxiliary machine inverters 165, 166, and 167 are, for example, pulse width modulation type PWM inverters that convert a DC voltage output from fuel cell 1 or battery 162 into a three-phase AC voltage in accordance with a control command from control unit 700. The rotational torque generated by each motor 114a, 124a, 142a is controlled.

制御部700は、内部にCPU,ROM,RAMを備えたマイクロコンピュータとして構成される。CPUは、制御プラグラムに従って所望の演算を実行して、後述するポンプ124の解凍制御など、種々の処理や制御を行う。ROMは、CPUで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。RAMは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。制御部700は、ガス系統(300,400)や冷媒配管系500に用いられる各種の圧力センサや温度センサ、外気温センサなどの検出信号を入力し、各構成要素に制御信号を出力する。   The control unit 700 is configured as a microcomputer including a CPU, a ROM, and a RAM inside. The CPU executes a desired calculation according to the control program, and performs various processes and controls such as a thawing control of the pump 124 described later. The ROM stores control programs and control data processed by the CPU. The RAM is mainly used as various work areas for control processing. The control unit 700 inputs detection signals such as various pressure sensors, temperature sensors, and outside air temperature sensors used in the gas system (300, 400) and the refrigerant piping system 500, and outputs control signals to each component.

続いて、図2に本実施形態における燃料電池1のセル2の概略構成を示す。図示するように構成されるセル2は順次積層されてセル積層体を構成している(図3参照)。また、このように形成されたセル積層体は、例えばその両端を一対のエンドプレート8で挟まれ、さらにこれらエンドプレート8どうしを繋ぐようにテンションプレート9が配置された状態で積層方向への荷重がかけられて締結されている。   Then, the schematic structure of the cell 2 of the fuel cell 1 in this embodiment is shown in FIG. The cells 2 configured as shown in the figure are sequentially stacked to form a cell stack (see FIG. 3). Further, the cell stack formed in this way is, for example, a load in the stacking direction in a state where both ends are sandwiched between a pair of end plates 8 and a tension plate 9 is arranged so as to connect the end plates 8 to each other. Is applied and concluded.

なお、このようなセル2等で構成される燃料電池1は、例えば燃料電池車両(FCHV;Fuel Cell Hybrid Vehicle)の車載発電システムとして利用可能なものであるがこれに限られることはなく、各種移動体(例えば船舶や飛行機など)やロボットなどといった自走可能なものに搭載される発電システム、さらには定置の発電システムとしても用いることが可能である。   The fuel cell 1 composed of such cells 2 and the like can be used as, for example, an in-vehicle power generation system of a fuel cell vehicle (FCHV), but is not limited thereto. It can also be used as a power generation system mounted on a mobile object (for example, a ship or an airplane), a self-propelled device such as a robot, or a stationary power generation system.

セル2は、電解質、具体例として膜−電極アッセンブリ(以下MEA;Membrane Electrode Assemblyと呼ぶ)30、該MEA30を挟持する一対のセパレータ20(図2においてはそれぞれ符号20a,20bを付して示している)等で構成されている。MEA30および各セパレータ20a,20bはおよそ矩形の板状に形成されている。また、MEA30はその外形が各セパレータ20a,20bの外形よりも小さくなるように形成されている。   The cell 2 includes an electrolyte, specifically, a membrane-electrode assembly (hereinafter referred to as MEA; Membrane Electrode Assembly) 30 and a pair of separators 20 that sandwich the MEA 30 (in FIG. 2, reference numerals 20a and 20b respectively). Etc.). The MEA 30 and the separators 20a and 20b are formed in a substantially rectangular plate shape. Further, the MEA 30 is formed so that its outer shape is smaller than the outer shape of each separator 20a, 20b.

MEA30は、高分子材料のイオン交換膜からなる高分子電解質膜(以下、単に電解質膜ともいう)31と、電解質膜31を両面から挟んだ一対の電極(アノード側拡散電極およびカソード側拡散電極)32a,32bとで構成されている(図2参照)。電解質膜31は、各電極32a,32bよりも大きく形成されている。この電解質膜31には、その周縁部33を残した状態で各電極32a,32bが例えばホットプレス法により接合されている。   The MEA 30 includes a polymer electrolyte membrane (hereinafter also simply referred to as an electrolyte membrane) 31 made of a polymer material ion exchange membrane, and a pair of electrodes (an anode side diffusion electrode and a cathode side diffusion electrode) sandwiching the electrolyte membrane 31 from both sides. 32a and 32b (see FIG. 2). The electrolyte membrane 31 is formed larger than the electrodes 32a and 32b. The electrodes 32a and 32b are joined to the electrolyte membrane 31 by, for example, a hot press method while leaving the peripheral edge portion 33.

MEA30を構成する電極32a,32bは、その表面に付着された白金などの触媒を担持した例えば多孔質のカーボン素材(拡散層)で構成されている。一方の電極(アノード)32aには燃料ガス(反応ガス)としての水素ガス、他方の電極(カソード)32bには空気や酸化剤などの酸化ガス(反応ガス)が供給され、これら2種類の反応ガスによりMEA30内で電気化学反応が生じてセル2の起電力が得られるようになっている。   The electrodes 32a and 32b constituting the MEA 30 are made of, for example, a porous carbon material (diffusion layer) carrying a catalyst such as platinum attached to the surface thereof. One electrode (anode) 32a is supplied with hydrogen gas as a fuel gas (reactive gas), and the other electrode (cathode) 32b is supplied with an oxidizing gas (reactive gas) such as air or an oxidant. An electrochemical reaction is generated in the MEA 30 by the gas, and the electromotive force of the cell 2 is obtained.

セパレータ20(20a,20b)はガス不透過性の導電性材料で構成されている。導電性材料としては、例えばカーボンや導電性を有する硬質樹脂のほか、アルミニウムやステンレス等の金属(メタル)が挙げられる。本実施形態のセパレータ20(20a,20b)の基材は板状のメタルで形成されたいわゆるメタルセパレータである。この基材の電極32a,32b側の面には耐食性に優れた膜(例えば金メッキで形成された皮膜)が形成されていることが好ましい。   The separator 20 (20a, 20b) is made of a gas impermeable conductive material. Examples of the conductive material include carbon and a hard resin having conductivity, and metals such as aluminum and stainless steel. The base material of the separator 20 (20a, 20b) of the present embodiment is a so-called metal separator formed of a plate-like metal. It is preferable that a film having excellent corrosion resistance (for example, a film formed by gold plating) is formed on the surface of the base material on the electrodes 32a and 32b side.

また、セパレータ20a,20bの両面には、複数の凹部によって構成される溝状の流路が形成されている。これら流路は、例えば板状のメタルによって基材が形成されている本実施形態のセパレータ20a,20bの場合であればプレス成形によって形成することができる。このようにして形成される溝状の流路は、酸化ガスのガス流路34や水素ガスのガス流路35、あるいは冷却水流路36を構成している。より具体的に説明すると、セパレータ20aの電極32a側となる内側の面には水素ガスのガス流路35が複数形成され、その裏面(外側の面)には冷却水流路36が複数形成されている(図2参照)。同様に、セパレータ20bの電極32b側となる内側の面には酸化ガスのガス流路34が複数形成され、その裏面(外側の面)には冷却水流路36が複数形成されている(図2参照)。さらに、本実施形態においては、隣接する2つのセル2,2に関し、一方のセル2のセパレータ20aの外面と、これに隣接するセル2のセパレータ20bの外面とを付き合わせた場合に両者の冷却水流路36が一体となり断面が例えば矩形あるいはハニカム形の流路が形成される構造となっている(図2参照)。   Further, a groove-like flow path constituted by a plurality of concave portions is formed on both surfaces of the separators 20a and 20b. These flow paths can be formed by press molding in the case of the separators 20a and 20b of the present embodiment in which the base material is formed of, for example, a plate-like metal. The groove-shaped flow path thus formed constitutes an oxidizing gas flow path 34, a hydrogen gas flow path 35, or a cooling water flow path 36. More specifically, a plurality of gas passages 35 for hydrogen gas are formed on the inner surface on the electrode 32a side of the separator 20a, and a plurality of cooling water passages 36 are formed on the back surface (outer surface). (See FIG. 2). Similarly, a plurality of gas channels 34 for oxidizing gas are formed on the inner surface of the separator 20b on the electrode 32b side, and a plurality of cooling water channels 36 are formed on the back surface (outer surface) (FIG. 2). reference). Further, in the present embodiment, regarding two adjacent cells 2 and 2, when the outer surface of the separator 20 a of one cell 2 and the outer surface of the separator 20 b of the cell 2 adjacent to this are combined, The water flow path 36 is integrated to form a flow path having a rectangular or honeycomb cross section (see FIG. 2).

さらに、上述したように各セパレータ20a,20bは、少なくとも流体の流路をなすための凹凸形状が表面と裏面とで反転した関係になっている。より具体的に説明すると、セパレータ20aにおいては、水素ガスのガス流路35を形成する凸形状(凸リブ)の裏面が冷却水流路36を形成する凹形状(凹溝)であり、ガス流路35を形成する凹形状(凹溝)の裏面が冷却水流路36を形成する凸形状(凸リブ)である。さらに、セパレータ20bにおいては、酸化ガスのガス流路34を形成する凸形状(凸リブ)の裏面が冷却水流路36を形成する凹形状(凹溝)であり、ガス流路34を形成する凹形状(凹溝)の裏面が冷却水流路36を形成する凸形状(凸リブ)である。   Furthermore, as described above, the separators 20a and 20b have a relationship in which at least the uneven shape for forming a fluid flow path is reversed between the front surface and the back surface. More specifically, in the separator 20a, the back surface of the convex shape (convex rib) forming the hydrogen gas gas flow path 35 is a concave shape (concave groove) forming the cooling water flow path 36, and the gas flow path The back surface of the concave shape (concave groove) forming 35 is a convex shape (convex rib) forming the cooling water channel 36. Furthermore, in the separator 20b, the back surface of the convex shape (convex rib) that forms the gas flow path 34 of the oxidizing gas has a concave shape (concave groove) that forms the cooling water flow path 36, and the concave that forms the gas flow path 34. The back surface of the shape (concave groove) is a convex shape (convex rib) forming the cooling water flow path 36.

また、セパレータ20a,20bの長手方向の端部付近(本実施形態の場合であれば、図2中向かって左側に示す一端部の近傍)には、酸化ガスの入口側のマニホールド15a、水素ガスの出口側のマニホールド16b、および冷却水の出口側のマニホールド17bが形成されている。例えば本実施形態の場合、これらマニホールド15a,16b,17bは各セパレータ20a,20bに設けられた略矩形ないしは台形の透孔によって形成されている(図2参照)。さらに、セパレータ20a,20bのうち反対側の端部には、酸化ガスの出口側のマニホールド15b、水素ガスの入口側のマニホールド16a、および冷却水の入口側のマニホールド17aが形成されている。本実施形態の場合、これらマニホールド15b,16a,17aも略矩形ないしは台形の透孔によって形成されている(図2参照)。   Further, in the vicinity of the longitudinal ends of the separators 20a and 20b (in the case of this embodiment, in the vicinity of one end shown on the left side in FIG. 2), the manifold 15a on the inlet side of the oxidizing gas, hydrogen gas An outlet side manifold 16b and a cooling water outlet side manifold 17b are formed. For example, in the case of this embodiment, these manifolds 15a, 16b, and 17b are formed by substantially rectangular or trapezoidal through holes provided in the separators 20a and 20b (see FIG. 2). Further, an oxidant gas outlet side manifold 15b, a hydrogen gas inlet side manifold 16a, and a cooling water inlet side manifold 17a are formed at opposite ends of the separators 20a and 20b. In the case of this embodiment, these manifolds 15b, 16a, and 17a are also formed by substantially rectangular or trapezoidal through holes (see FIG. 2).

上述のような各マニホールドのうち、セパレータ20aにおける水素ガス用の入口側マニホールド16aと出口側マニホールド16bは、セパレータ20aに溝状に形成されている入口側の連絡通路61および出口側の連絡通路62を介してそれぞれが水素ガスのガス流路35に連通している。同様に、セパレータ20bにおける酸化ガス用の入口側マニホールド15aと出口側マニホールド15bは、セパレータ20bに溝状に形成されている入口側の連絡通路63および出口側の連絡通路64を介してそれぞれが酸化ガスのガス流路34に連通している(図2参照)。さらに、各セパレータ20a,20bにおける冷却水の入口側マニホールド17aと出口側マニホールド17bは、各セパレータ20a,20bに溝状に形成されている入口側の連絡通路65および出口側の連絡通路66を介してそれぞれが冷却水流路36に連通している。ここまで説明したような各セパレータ20a,20bの構成により、セル2には、酸化ガス、水素ガスおよび冷却水が供給されるようになっている。ここで具体例を挙げておくと、セル2が積層された場合、例えば水素ガスは、セパレータ20aの入口側マニホールド16aから連絡通路61を通り抜けてガス流路35に流入し、MEA30の発電に供された後、連絡通路62を通り抜けて出口側マニホールド16bに流出することになる。   Among the manifolds as described above, the inlet side manifold 16a and the outlet side manifold 16b for the hydrogen gas in the separator 20a are connected to the inlet side communication passage 61 and the outlet side communication passage 62 formed in the separator 20a in a groove shape. Each communicates with a gas flow path 35 of hydrogen gas. Similarly, the inlet side manifold 15a and the outlet side manifold 15b for the oxidizing gas in the separator 20b are oxidized via the inlet side communication passage 63 and the outlet side communication passage 64 formed in the separator 20b in a groove shape. The gas communicates with the gas flow path 34 (see FIG. 2). Further, the inlet side manifold 17a and the outlet side manifold 17b of the cooling water in each separator 20a, 20b are connected to each separator 20a, 20b through an inlet side communication passage 65 and an outlet side communication passage 66 formed in a groove shape. Each communicates with the cooling water passage 36. With the configuration of the separators 20a and 20b as described above, the cell 2 is supplied with oxidizing gas, hydrogen gas, and cooling water. As a specific example, when the cells 2 are stacked, for example, hydrogen gas passes from the inlet side manifold 16a of the separator 20a through the communication passage 61 and flows into the gas flow path 35, and is supplied to the power generation of the MEA 30. After that, the fluid passes through the communication passage 62 and flows out to the outlet side manifold 16b.

第1シール部材13a、第2シール部材13bは、ともに複数の部材(例えば小型の4つの矩形枠体と、流体流路を形成するための大きな枠体)で形成されているものである(図2参照)。これらのうち、第1シール部材13aはMEA30とセパレータ20aとの間に設けられるもので、より詳細には、その一部が、電解質膜31の周縁部33と、セパレータ20aのうちガス流路35の周囲の部分との間に介在するように設けられる。また、第2シール部材13bは、MEA30とセパレータ20bとの間に設けられるもので、より詳細には、その一部が、電解質膜31の周縁部33と、セパレータ20bのうちガス流路34の周囲の部分との間に介在するように設けられる。   The first seal member 13a and the second seal member 13b are both formed of a plurality of members (for example, four small rectangular frames and a large frame for forming a fluid flow path) (FIG. 2). Among these, the first seal member 13a is provided between the MEA 30 and the separator 20a. More specifically, a part of the first seal member 13a is a peripheral portion 33 of the electrolyte membrane 31 and a gas flow path 35 of the separator 20a. It is provided so that it may interpose between the surrounding parts. The second seal member 13b is provided between the MEA 30 and the separator 20b. More specifically, a part of the second seal member 13b is a peripheral portion 33 of the electrolyte membrane 31 and the gas channel 34 of the separator 20b. It is provided so as to be interposed between the surrounding portions.

さらに、隣接するセル2,2のセパレータ20bとセパレータ20aとの間には、複数の部材(例えば小型の4つの矩形枠体と、流体流路を形成するための大きな枠体)で形成された第3シール部材13cが設けられている(図2参照)。この第3シール部材13cは、セパレータ20bにおける冷却水流路36の周囲の部分と、セパレータ20aにおける冷却水流路36の周囲の部分との間に介在するように設けられてこれらの間をシールする部材である。   Furthermore, a plurality of members (for example, four small rectangular frames and a large frame for forming a fluid flow path) are formed between the separators 20b and 20a of the adjacent cells 2 and 2. A third seal member 13c is provided (see FIG. 2). The third seal member 13c is provided so as to be interposed between a portion around the cooling water passage 36 in the separator 20b and a portion around the cooling water passage 36 in the separator 20a, and seals between them. It is.

なお、第1〜第3シール部材13a〜13cとしては、隣接する部材との物理的な密着により流体を封止する弾性体(ガスケット)や、隣接する部材との化学的な結合により接着する接着剤などを用いることができる。例えば本実施形態では各シール部材13a〜13cとして弾性によって物理的にシールする部材を採用しているが、この代わりに上述した接着剤のような化学結合によってシールする部材を採用することもできる。   In addition, as the first to third seal members 13a to 13c, an elastic body (gasket) that seals a fluid by physical contact with an adjacent member, or an adhesive that is bonded by chemical bonding with an adjacent member. An agent or the like can be used. For example, in this embodiment, a member that is physically sealed by elasticity is employed as each of the seal members 13a to 13c, but instead, a member that is sealed by a chemical bond such as the adhesive described above may be employed.

枠状部材40は、MEA30とともにセパレータ20a,20b間に挟持される例えば樹脂からなる部材(以下、樹脂フレームともいう)である。例えば本実施形態では、薄い枠形状の樹脂フレーム40をセパレータ20a,20b間に介在させ、当該樹脂フレーム40によってMEA30の少なくとも一部、例えば周縁部33に沿った部分を表側と裏側から挟持するようにしている。このように設けられる樹脂フレーム40は、締結力を支持するセパレータ20(20a,20b)間のスペーサとしての機能、絶縁部材としての機能、セパレータ20(20a,20b)の剛性を補強する補強部材としての機能を発揮する。   The frame-shaped member 40 is a member made of, for example, resin (hereinafter also referred to as a resin frame) that is sandwiched between the separators 20a and 20b together with the MEA 30. For example, in this embodiment, a thin frame-shaped resin frame 40 is interposed between the separators 20a and 20b, and the resin frame 40 sandwiches at least a part of the MEA 30, for example, a portion along the peripheral edge 33 from the front side and the back side. I have to. The resin frame 40 provided in this way functions as a spacer between the separators 20 (20a, 20b) that supports the fastening force, functions as an insulating member, and as a reinforcing member that reinforces the rigidity of the separator 20 (20a, 20b). Demonstrate the function.

燃料電池1の構成について簡単に説明すると以下のとおりである(図3等参照)。本実施形態における燃料電池1は、複数の単セル2を積層したセル積層体を有し、セル積層体の両端に位置する単セル2,2の外側に順次、出力端子付きの集電板、絶縁板およびエンドプレート8が各々配置された構造となっている(図3参照)。このようなセル積層体はテンションプレート9によって積層状態で拘束されている。テンションプレート9は両エンドプレート8,8間を架け渡すようにして設けられているもので、例えば一対がセル積層体の両側に対向するように配置されている。また、弾性力によってセル積層体に圧縮力を作用させるための弾性モジュールがさらに設けられている。弾性モジュールは、セル積層体が熱膨張もしくは熱収縮し、あるいは両者を繰り返しているような場合にも変化を吸収しつつ荷重を作用させ続けるようにするための部材であり、例えば本実施形態の場合には、互いに並列に配置される複数の弾性体(図示省略)、該複数の弾性体をセル2の積層方向から挟持する一対のプレッシャプレート12等で構成されている(図3参照)。   The configuration of the fuel cell 1 will be briefly described as follows (see FIG. 3 and the like). The fuel cell 1 in the present embodiment has a cell stack in which a plurality of single cells 2 are stacked, and a current collector plate with an output terminal is sequentially placed outside the single cells 2 and 2 located at both ends of the cell stack, The insulating plate and the end plate 8 are each arranged (see FIG. 3). Such a cell stack is restrained in a stacked state by a tension plate 9. The tension plate 9 is provided so as to bridge between both the end plates 8, 8. For example, a pair of the tension plates 9 are arranged so as to face both sides of the cell stack. In addition, an elastic module is further provided for applying a compressive force to the cell stack by an elastic force. The elastic module is a member for continuing to apply a load while absorbing a change even when the cell laminate is thermally expanded or contracted, or when both are repeated. In this case, it is composed of a plurality of elastic bodies (not shown) arranged in parallel to each other, a pair of pressure plates 12 that sandwich the plurality of elastic bodies from the stacking direction of the cells 2 (see FIG. 3).

続いて、本実施形態の燃料電池システム100において、セル短絡時に過大な電流が流れるのを効果的に抑制できるようにした構成について説明する(図4等参照)。   Subsequently, in the fuel cell system 100 of the present embodiment, a configuration that can effectively suppress an excessive current from flowing when a cell is short-circuited will be described (see FIG. 4 and the like).

本実施形態の燃料電池システム100においては、当該燃料電池1の運転停止中はセルスタック3の両極を短絡して同電位としておき、これによって放置状態の間に異常電位が生じるのを回避することとしている。また、運転停止指令を受けた場合には、酸素対水素の供給比を通常時より低くして運転し、セルスタック3の両極間の電圧を低下させ、その後、短絡手段4を用いてセルスタック3の両極を短絡させるようにしている。具体的には、本実施形態においてはこのように酸素対水素の供給比を通常時より低くするにあたり掃引電流に対する酸素供給量を化学量論比よりも低くすることとしている。掃引されている電流に対して化学量論比よりも低い(つまり、エアストイキ比が1よりも低い)酸素供給量とすることにより、正極と負極との電位差をより効果的に小さくすることができる。   In the fuel cell system 100 of the present embodiment, while the operation of the fuel cell 1 is stopped, both electrodes of the cell stack 3 are short-circuited to have the same potential, thereby avoiding the occurrence of an abnormal potential during the neglected state. It is said. Further, when an operation stop command is received, the operation is performed with the supply ratio of oxygen to hydrogen lower than usual, the voltage between both electrodes of the cell stack 3 is lowered, and then the cell stack is used by using the short circuit means 4. 3 poles are short-circuited. Specifically, in the present embodiment, the oxygen supply amount with respect to the sweep current is made lower than the stoichiometric ratio when the oxygen to hydrogen supply ratio is made lower than usual. By making the oxygen supply amount lower than the stoichiometric ratio with respect to the swept current (that is, the air stoichiometric ratio is lower than 1), the potential difference between the positive electrode and the negative electrode can be reduced more effectively. .

上述のような運転停止時の処理を実現するための構成は特に限定されるものではないが、例えば本実施形態では、酸化ガスのバイパス弁118や短絡手段4を用いて運転停止時の処理を実施することとしている(図1、図4等参照)。   The configuration for realizing the processing at the time of shutdown as described above is not particularly limited. For example, in this embodiment, the processing at the time of shutdown is performed by using the oxidizing gas bypass valve 118 and the short-circuit means 4. It is supposed to be implemented (see FIGS. 1 and 4).

酸化ガスのバイパス弁118は、燃料電池1に対する酸化ガスの供給量を必要に応じて減らすことを可能とするもので、酸素対水素の供給比を必要に応じて適宜減ずることを可能としている。例えば本実施形態の場合には、酸化ガスの供給路111と酸化オフガスの排出路112とを接続するバイパス117を設けるとともに、供給路111とバイパス117の分岐点に設けた三方弁をバイパス弁118として用いている(図1参照)。このバイパス弁118は、制御部700の制御信号を受けて弁を開閉させ、燃料電池1側へのガス流量とバイパスさせるガス流量とを適宜変化させる。   The oxidizing gas bypass valve 118 can reduce the supply amount of the oxidizing gas to the fuel cell 1 as necessary, and can appropriately reduce the supply ratio of oxygen to hydrogen as necessary. For example, in the case of the present embodiment, a bypass 117 that connects the oxidizing gas supply path 111 and the oxidizing off gas discharge path 112 is provided, and a three-way valve provided at a branch point of the supply path 111 and the bypass 117 is a bypass valve 118. (See FIG. 1). The bypass valve 118 opens and closes the valve in response to a control signal from the control unit 700, and appropriately changes the gas flow rate to the fuel cell 1 side and the gas flow rate to be bypassed.

短絡手段4は、燃料電池1の運転停止命令が発せられた場合にセルスタック3の両極を短絡させるための手段として設けられている。このような短絡手段4は、単に両極を短絡させるための部材によって構成することができるし、あるいは例えばセル電圧をセンシングするためのセルモニタといった他部材を利用して構成することもできる。ここでは、後者のようにセルモニタを利用して構成した短絡手段4(以下、セルモニタ4とも表現する)を例示する(図4参照)。   The short-circuit means 4 is provided as a means for short-circuiting both poles of the cell stack 3 when an operation stop command for the fuel cell 1 is issued. Such a short-circuit means 4 can be constituted by a member for simply short-circuiting both electrodes, or can be constituted by using another member such as a cell monitor for sensing a cell voltage. Here, the short-circuit means 4 (hereinafter also referred to as cell monitor 4) configured using a cell monitor as in the latter is illustrated (see FIG. 4).

図4に示すセルモニタ4は積層された各セル2の発電状況を検出するために設けられているもので、各セル2に対応して設けられている端子41、これら端子41を各セル2の一部(例えばセパレータ20)に接続するためのセルモニタケーブル42を備えている。また、各端子41は、それぞれに制限抵抗43とリレー44とが直列的に接続され、尚かつこれら制限抵抗43とリレー44を介して接続された状態となっている。なお、本実施形態の場合には、奇数番目に位置する端子41どうしが接続され、複数番目に位置する端子41どうしが接続されており、いわば複数の端子41が1つおきに接続された状態となっている(図4参照)。なお、符号45はコンデンサ、符号46は別のリレーである。また、符号PBは当該セルモニタ4の基板である。   The cell monitor 4 shown in FIG. 4 is provided to detect the power generation status of each stacked cell 2. The terminal 41 provided corresponding to each cell 2, and these terminals 41 are connected to each cell 2. A cell monitor cable 42 for connecting to a part (for example, the separator 20) is provided. Each terminal 41 is in a state in which a limiting resistor 43 and a relay 44 are connected in series to each other, and are connected via the limiting resistor 43 and the relay 44. In the case of the present embodiment, odd-numbered terminals 41 are connected to each other, and a plurality of terminals 41 are connected to each other, that is, every other terminal 41 is connected to every other terminal. (See FIG. 4). Reference numeral 45 is a capacitor, and reference numeral 46 is another relay. Reference symbol PB denotes a substrate of the cell monitor 4.

続いて、燃料電池1の運転停止時における処理の内容についてフローチャートを用いて以下に説明する(図5参照)。   Next, the content of the process when the operation of the fuel cell 1 is stopped will be described below using a flowchart (see FIG. 5).

まず、燃料電池1に対する運転停止命令があった場合には(ステップ1においてYes)、発電停止の直前にエアストイキ比を1以下にした状態で短時間運転する(ステップ2)。例えば本実施形態の場合には、バイパス弁118やコンプレッサ114などで構成される酸化ガス供給流量を制御する制御手段と、調圧弁127やポンプ124などで構成される燃料ガス供給流量を制御する制御手段とをそれぞれ制御部700により制御し、酸素対水素の供給比を通常の運転時よりも低くした状態とする。なお、運転停止命令は例えばユーザがイグニッションスイッチをオフにする操作時に発せられる。   First, when there is an operation stop command for the fuel cell 1 (Yes in Step 1), the operation is performed for a short time with the air stoichiometric ratio set to 1 or less immediately before stopping the power generation (Step 2). For example, in the case of this embodiment, a control means for controlling the oxidizing gas supply flow rate constituted by the bypass valve 118 and the compressor 114, and a control for controlling the fuel gas supply flow rate constituted by the pressure regulating valve 127 and the pump 124, etc. Each of the means is controlled by the control unit 700 so that the supply ratio of oxygen to hydrogen is lower than that during normal operation. The operation stop command is issued, for example, when the user performs an operation to turn off the ignition switch.

このように酸素対水素の供給比が通常運転時よりも低くなった場合、エアストイキ比1以下の状態、つまりは燃料ガスに対する酸化ガスの量が相対的に足りない状態となる。こうした場合、燃料電池1内での化学反応が通常運転時ほどは行われなくなる結果、セルスタック3の両端間の電圧が低下することになり、セル電圧が低下して正極と負極の電位差が小さくなる。また、好ましくは酸素供給量を掃引電流に対応する化学量論比よりも低くする(エアストイキ比を1よりも低くする)ことにより、正極と負極との電位差をより効果的に小さくすることができる。   Thus, when the supply ratio of oxygen to hydrogen is lower than that during normal operation, the air stoichiometric ratio is 1 or less, that is, the amount of oxidizing gas relative to the fuel gas is relatively insufficient. In such a case, the chemical reaction in the fuel cell 1 is not performed as much as during normal operation. As a result, the voltage across the cell stack 3 decreases, the cell voltage decreases, and the potential difference between the positive electrode and the negative electrode decreases. Become. Preferably, the potential difference between the positive electrode and the negative electrode can be reduced more effectively by making the oxygen supply amount lower than the stoichiometric ratio corresponding to the sweep current (the air stoichiometric ratio is lower than 1). .

続いて、電圧測定手段を用いてセルスタック3の両極間の電圧を測定する。本実施形態では上述したセルモニタ4の端子41を用いて両極間の電圧が所定値以下になったかどうかを判定する(ステップ3)。   Subsequently, the voltage between both electrodes of the cell stack 3 is measured using a voltage measuring means. In the present embodiment, it is determined whether or not the voltage between both electrodes has become a predetermined value or less using the terminal 41 of the cell monitor 4 described above (step 3).

セルスタック3の両極間の電圧が所定値以下になった場合には(ステップ3でYes)、短絡手段によってセルスタック3の出力端子の正極および負極を短絡させる(ステップ4)。本実施形態では、上述したセルモニタ4における各リレー44を閉じて所定のセル2どうしを短絡させる(図4参照)。   When the voltage between the two electrodes of the cell stack 3 becomes a predetermined value or less (Yes in Step 3), the positive and negative electrodes of the output terminal of the cell stack 3 are short-circuited by the short-circuit means (Step 4). In this embodiment, each relay 44 in the cell monitor 4 described above is closed to short-circuit predetermined cells 2 (see FIG. 4).

ここまで説明したように、セル電圧を低下させる処理を実施してからセルスタック3の両極を短絡するようにした本実施形態の燃料電池システム1によれば、短絡時に過大な電流が流れるのを効果的に抑制することができる。しかも、一般的にセルモニタ4に利用する線は細いため電圧が高い状態で短絡すると溶断するおそれがあるが、本実施形態では両極間の電圧が所定値以下になったことを検出ないしは確認してから短絡するから、短絡時に利用するセルモニタケーブル42といった線が溶断するようなこともない。   As described so far, according to the fuel cell system 1 of the present embodiment in which both the poles of the cell stack 3 are short-circuited after performing the process of reducing the cell voltage, an excessive current flows at the time of the short-circuit. It can be effectively suppressed. In addition, since the line used for the cell monitor 4 is generally thin, there is a risk of fusing if it is short-circuited in a high voltage state. Therefore, the line such as the cell monitor cable 42 used at the time of the short circuit does not melt.

また、本実施形態では運転停止時における新たな停止処理手順ないしは手法を構築することで過大な電流を効果的に抑えることを実現しており、通常セル電圧をセンシングするのに用いるセルモニタ4(端子41やリレー44などを含む)の内部回路を利用して短絡回路を構成しているだけであるから、ハードの追加やロジック等の大きな変更を伴うことなくセルスタック3の短絡を実施することが可能となっている。したがって、現状ないしは既存の設備において適用することが可能であり、種々の抵抗といった他の部品等(ハード)を追加する必要がない。   Further, in the present embodiment, it is possible to effectively suppress an excessive current by constructing a new stop processing procedure or method at the time of operation stop, and the cell monitor 4 (terminal) used for sensing a normal cell voltage is realized. In this case, the cell stack 3 can be short-circuited without adding hardware or a large change in logic or the like. It is possible. Therefore, it can be applied to the current state or existing facilities, and it is not necessary to add other parts (hardware) such as various resistors.

加えて、本実施形態によれば以下のような作用効果も得られる。すなわち、一般に、カソードへの酸化ガスの供給が十分であれば(エアストイキ比が1を超えている状態)、酸素、水素イオンおよび電子から水が生成されるが、カソードへの酸化ガスの供給が不足している場合には(エアストイキ比が1以下の状態)、不足する酸化ガス量に応じ、水素イオンと電子が再結合して水素(ポンピング水素)が生成される反応が生じる。したがって、本実施形態のように運転停止時において酸素対水素の供給比を通常より低くした運転を実施すると、カソードとアノードの両極がほぼ水素で満たされた状態となりうる。このような状態とした場合、電位差が小さくなって両極がほぼ同電位となるから、このような状況と相まって短絡時に過大な電流が流れるのを効果的に抑制することが可能である。なお、これとは逆にアノード側に酸化ガスを供給して満たすような処理を行うとカーボン素材が酸化してしまうといった劣化現象が避け難いのに対し、本実施形態のように水素で満たしたような状態とすればこのような劣化現象を抑えることができ、例えば再始動時において異常電位が少ないという利点もある。   In addition, according to this embodiment, the following effects can be obtained. That is, generally, if the supply of the oxidizing gas to the cathode is sufficient (the air stoichiometric ratio exceeds 1), water is generated from oxygen, hydrogen ions and electrons, but the supply of the oxidizing gas to the cathode is not possible. When the amount is insufficient (air stoichiometric ratio is 1 or less), a reaction occurs in which hydrogen ions and electrons are recombined to generate hydrogen (pumping hydrogen) according to the amount of oxidizing gas that is insufficient. Therefore, when the operation in which the supply ratio of oxygen to hydrogen is lower than usual when the operation is stopped as in the present embodiment, both the cathode and the anode can be substantially filled with hydrogen. In such a state, since the potential difference becomes small and the two electrodes have substantially the same potential, it is possible to effectively suppress an excessive current from flowing at the time of a short circuit in combination with such a situation. Contrary to this, it is difficult to avoid the deterioration phenomenon that the carbon material is oxidized when the treatment is performed by supplying an oxidant gas to the anode side, while it is filled with hydrogen as in this embodiment. In such a state, such a deterioration phenomenon can be suppressed. For example, there is an advantage that the abnormal potential is small at the time of restart.

なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば本実施形態では、短絡手段として利用するセルモニタ4として複数の端子41が1つおきに接続された構成のものを例示したがこれは一例に過ぎず、他の構成のセルモニタ4を利用することももちろん可能である。他の例を挙げれば、セルスタック3の正極と負極とを短絡するような短絡手段であってもよいし、これのみならず1セルずつ短絡するような短絡手段であってもよい。後者のように1セルずつ短絡するような短絡手段であれば、短絡時に流れる電流を各回路に分けて負担させることができるし、短絡状態下での各セル2の電位をスタック全体として平均化することもできる。   The above-described embodiment is an example of a preferred embodiment of the present invention, but is not limited thereto, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. For example, in the present embodiment, the cell monitor 4 used as the short-circuit means is exemplified by a configuration in which a plurality of terminals 41 are connected every other one, but this is only an example, and the cell monitor 4 having another configuration is used. Of course it is possible. As another example, a short-circuit unit that short-circuits the positive electrode and the negative electrode of the cell stack 3 may be used, or a short-circuit unit that short-circuits one cell at a time. If the short-circuit means that short-circuits one cell at a time like the latter, the current that flows at the time of the short-circuit can be divided and borne by each circuit, and the potential of each cell 2 under the short-circuit condition is averaged over the entire stack You can also

本実施形態における燃料電池システムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the fuel cell system in this embodiment. セル積層体のセルを分解して示す分解斜視図である。It is a disassembled perspective view which decomposes | disassembles and shows the cell of a cell laminated body. 本実施形態のおける燃料電池のセルスタックの構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the cell stack of the fuel cell in this embodiment. 短絡手段を構成するセルモニタの回路を概略的に示す図である。It is a figure which shows schematically the circuit of the cell monitor which comprises a short circuit means. 燃料電池の運転停止時における処理の内容を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the content of the process at the time of the driving | operation stop of a fuel cell.

符号の説明Explanation of symbols

1…燃料電池、2…セル、3…セルスタック、4…セルモニタ(短絡手段、電圧測定手段)、100…燃料電池システム、700…制御部(制御手段) DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell, 2 ... Cell, 3 ... Cell stack, 4 ... Cell monitor (short circuit means, voltage measurement means), 100 ... Fuel cell system, 700 ... Control part (control means)

Claims (6)

燃料ガスと酸化ガスを電気化学反応させて発電するセルと、該セルを積層してなるセルスタックと、前記燃料ガスおよび酸化ガスの供給流量を制御する制御手段と、前記セルスタックの出力端子の正極および負極を短絡させる短絡手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、
発電停止時、酸素対水素の供給比を通常より低くして運転した後に両極を短絡させる
ことを特徴とする燃料電池システム。
A cell for generating electricity by electrochemically reacting a fuel gas and an oxidizing gas; a cell stack formed by stacking the cells; a control means for controlling a supply flow rate of the fuel gas and the oxidizing gas; and an output terminal of the cell stack. In a fuel cell system comprising a short-circuit means for short-circuiting the positive electrode and the negative electrode,
A fuel cell system characterized in that when power generation is stopped, both electrodes are short-circuited after operation with a lower supply ratio of oxygen to hydrogen than usual.
掃引電流に対する酸素供給量を化学量論比よりも低くして運転することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。   2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel cell system is operated with an oxygen supply amount with respect to a sweep current being lower than a stoichiometric ratio. 前記セルスタックの両極間の電圧を測定する電圧測定手段を備え、両極間の電圧が所定値以下になった際にこれら両極を短絡させることを特徴とする請求項1または2に記載の燃料電池システム。   3. The fuel cell according to claim 1, further comprising: a voltage measuring unit configured to measure a voltage between both electrodes of the cell stack, wherein the two electrodes are short-circuited when a voltage between the two electrodes becomes a predetermined value or less. system. 燃料ガスと酸化ガスを電気化学反応させて発電するセルと、該セルを積層してなるセルスタックと、前記燃料ガスおよび酸化ガスの供給流量を制御する制御手段と、前記セルスタックの出力端子の正極および負極を短絡させる短絡手段と、を備えた燃料電池システムの運転停止方法において、
運転停止指令を受けた場合に酸素対水素の供給比を通常時より低くして運転し、
前記セルスタックの両極間の電圧を低下させ、
その後、前記短絡手段を用いて前記セルスタックの両極を短絡させる
ことを特徴とする燃料電池システムの運転停止方法。
A cell for generating electricity by electrochemically reacting a fuel gas and an oxidizing gas; a cell stack formed by stacking the cells; a control means for controlling a supply flow rate of the fuel gas and the oxidizing gas; and an output terminal of the cell stack. A short-circuit means for short-circuiting the positive electrode and the negative electrode;
When an operation stop command is received, operate with the oxygen to hydrogen supply ratio lower than normal,
Reducing the voltage across the cell stack,
Then, the method of stopping the operation of the fuel cell system, wherein both electrodes of the cell stack are short-circuited using the short-circuit means.
掃引電流に対する酸素供給量を化学量論比よりも低くして運転することを特徴とする請求項4に記載の燃料電池システムの運転停止方法。   The method for stopping the operation of the fuel cell system according to claim 4, wherein the operation is performed with the oxygen supply amount with respect to the sweep current being lower than the stoichiometric ratio. 前記セルスタックの両極間の電圧が所定値以下になった際にこれら両極を短絡させることを特徴とする請求項4または5に記載の燃料電池システムの運転停止方法。


6. The method for stopping operation of a fuel cell system according to claim 4, wherein when the voltage between both electrodes of the cell stack becomes a predetermined value or less, these electrodes are short-circuited.


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