JP2004327397A

JP2004327397A - Fuel cell system

Info

Publication number: JP2004327397A
Application number: JP2003124370A
Authority: JP
Inventors: Koji Kobayashi; 康二小林; Munehisa Horiguchi; 宗久堀口; Chikayuki Takada; 慎之高田
Original assignee: Equos Research Co Ltd
Current assignee: Equos Research Co Ltd
Priority date: 2003-04-28
Filing date: 2003-04-28
Publication date: 2004-11-18
Anticipated expiration: 2023-04-28
Also published as: JP4686958B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system which is unlikely to have the air pole and electrolytic film of a fuel cell deteriorate, even if driving and stopping are repeated. <P>SOLUTION: The fuel cell system comprises a solid polymer membrane type stack 1 having a fuel chamber 12a for supplying fuel gas to a hydrogen electrode 11b, an air chamber 12b for supplying air to an air electrode 11c, and an electrolytic film 11a interposed between the hydrogen and air electrodes 11b, 11c; a fuel supply means for supplying the fuel gas to the stack 1 via a hydrogen supply route 20; a fuel exhaust means for exhausting the fuel gas, after reaction in the fuel cell via a hydrogen exhaust channel 30; and a fuel substitution means for substituting residual air, or the like, for the fuel gas, when the fuel cell is activated. In the fuel substitution means, the exhaust speed of the residual air, or the like at start up becomes faster than that of the fuel gas at normal drive. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池システムに関する。この燃料電池システムは電気自動車等の移動用電源、あるいは据え置き用電源に用いて好適である。
【０００２】
【従来の技術】
従来、固体高分子膜型の燃料電池（ＰＥＦＣ：ＰｏｌｙｍｅｒＥｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅＦｕｅｌＣｅｌｌｓ）が知られている。この燃料電池は、水素極（アノード極）と、この水素極に水素を含む燃料ガスを供給するための燃料室と、空気極（カソード極）と、この空気極に空気を供給するための空気室と、水素極及び空気極間に介在するイオン交換樹脂からなる電解質膜とを有している。また、この燃料電池では、水素極と空気極との間で電気化学反応を生じ、効果的に起電力を得るため、水素極及び空気極に各々反応層が形成され、各反応層には白金等の触媒が担持されている。
【０００３】
この燃料電池は燃料供給手段、燃料排気手段及び燃料置換手段等とともに燃料電池システムを構成する。燃料供給手段により燃料室に燃料ガスが供給され、燃料排気手段により反応後の燃料ガスが排気され、燃料置換手段により燃料電池の起動時に燃料室内に残留する残留ガス又は空気が排出される。より詳細には、通常駆動時においては、燃料供給手段により燃料室に燃料ガスが供給されて電気化学反応を生じさせるとともに、燃料排気手段により反応後の燃料ガスが間欠的に排出され、これによって連続して起電力を得ることができる。また、停止時においては、燃料供給手段による燃料ガスの燃料室内への供給が停止されるとともに、燃料置換手段により燃料室内に残留する残留ガスが排出され、空気と置換されて、電気化学反応を停止させることができる。さらに、起動時においては、燃料供給手段により燃料室に燃料ガスが供給されるとともに、燃料置換手段により燃料室内の空気が排出されて、電気化学反応を開始することができる。こうして、この燃料電池システムでは、通常駆動の開始となる起動と、連続して起電力を得る通常駆動と、起電力を得ない停止とを繰り返すことができる。なお、駆動は起動と通常駆動とからなり、駆動時は起動時と通常駆動時とからなる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の燃料電池システムにおいては、駆動と停止とを繰り返すと、燃料電池の空気極及び電解質膜が劣化しやすいことが明らかとなった。
【０００５】
発明者らはこの原因を以下のように推測している。つまり、通常駆動時の燃料電池システムでは、水素極において、Ｈ^２→２Ｈ^＋＋２ｅの反応を生じ、空気極において、Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ→２Ｈ_２Ｏの反応を生じ、水素極と空気極との間に起電力を生じる。ところが、その燃料電池システムを停止し、再び起動する起動時において、水素極に燃料ガスである水素とともに空気が存在すると、水素極における水素で満たされている面において、Ｈ^２→２Ｈ^＋＋２ｅの反応を生じ、水素極における水素で満たされておらず、空気が残留している面において、１／２Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ→Ｈ_２Ｏの反応を生じる。その際、電解質内の酸性度が変化し、空気極においては、Ｃ＋２Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ、Ｐｔ＋２Ｈ_２Ｏ→ＰｔＯ＋２Ｈ^＋＋２ｅ、Ｐｔ→Ｐｔ^２＋＋２ｅ、２Ｈ_２Ｏ→Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ等の反応を生じる。こうして、起動時、燃料電池内において局部電池が発生し、その結果、空気極側の白金の溶出と電解質膜の変色とが生じることにより、空気極が劣化すると考えられる。
【０００６】
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、駆動と停止とを繰り返しても、燃料電池の空気極及び電解質膜が劣化し難い燃料電池システムを提供することを解決すべき課題としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池システムは、水素極、該水素極に燃料ガスを供給するための燃料室、空気極、該空気極に空気を供給するための空気室並びに該水素極及び該空気極間に介在する電解質膜を有し、少なくとも該空気極に触媒が担持された固体高分子膜型の燃料電池と、燃料ガス供給路を介して該燃料電池に該燃料ガスを供給するための燃料供給手段と、燃料ガス排気流路を介して燃料電池で反応した後の該燃料ガスを排気する燃料排気手段と、該燃料ガス排気流路に配置されるとともに、該燃料電池の起動時に該燃料室内に残留する残留ガス又は残留空気を排出し、新たに供給される該燃料ガスと置換する燃料ガス置換流路を備えた燃料置換手段とを備え、
該燃料置換手段の該燃料ガス置換流路は、該燃料ガス排気流路よりも流路の抵抗が小さくなるように構成されていることを特徴とする。
【０００８】
本発明の燃料電池システムでは、起動時における燃料室内に残留している空気の排出速度が通常駆動時における燃料室内から排気される燃料ガスの排出速度より速くなるように排気流路が構成されているため、起動時において燃料置換手段により燃料室内の空気はごく短時間で排出される。また、この際、燃料供給手段により燃料室内に新たに燃料ガスが供給される。これにより、起動時において、水素極に残留していた空気もごく短時間で排出されるとともに、水素極が燃料ガスで迅速に満たされることになる。そのため、水素極に水素と空気とが存在する時間がほとんどなくなり、燃料電池内において局部電池が発生することを防止することができる。
【０００９】
したがって、本発明の燃料電池システムは、駆動と停止とを繰り返しても、燃料電池の空気極及び電解質膜が劣化し難い。
【００１０】
本発明の燃料電池システムでは、起動時における燃料室内から排気される残留空気の速度が通常駆動時における燃料室内から排気される燃料ガスの速度より速くなるように燃料置換手段を制御する制御手段を備えていることが好ましい。これにより、燃料電池内において局部電池が発生することを自動的に防止し、燃料電池の空気極及び電解質膜の劣化を自動的に防止することができる。
【００１１】
この制御手段は、起動時に空気極の劣化を防止可能な置換率かつ時間で燃料室内から残留ガスを排出し、空気と置換するように燃料置換手段を制御することが好ましい。これにより、燃料電池内において局部電池が発生することを確実に防止することができる。
【００１２】
燃料置換手段は、電磁オンオフ弁と、この電磁オンオフ弁と並列に設けられた燃料ガス排気流路とを有していることができる。電磁オンオフ弁と並列に設けられた燃料ガス排気流路のみにより通常駆動時の反応後の燃料ガスを間欠的に排出し、この流路に加え電磁オンオフ弁をオンすることにより弁を開き、起動時の残留空気を排出することができる。電磁オンオフ弁に直列に燃料ガス置換流路が形成され、燃料ガス置換流路は燃料ガス排気流路よりも抵抗が小さくなるように設定されている。これにより、起動時の空気の排出速度が通常駆動時の燃料ガスの排出速度より多くなる。
【００１３】
また、燃料置換手段は、電磁可変絞り弁を有していることもできる。電磁可変絞り弁を制御して、起動時の空気の排出速度を通常駆動時の残留ガスの排出速度より速くすることができるからである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の燃料電池システムを具体化した実施形態１、２を図面を参照しつつ説明する。
【００１５】
（実施形態１）
実施形態１の燃料電池システムでは、図１に示す燃料電池スタック１（以下、単に「スタック」という。）が用いられる。このスタック１は、２枚のエンドプレート２ａ、２ｂ間に図示しない集電板及び絶縁板を介して積層体１０が挟持されたものである。積層体１０は、図２に示すように、ＭＥＡ（ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）１１をセパレータ１２で挟みながら順次積層したものである。ＭＥＡ１１は、イオン交換樹脂（「Ｎａｆｉｏｎ」（登録商標）デュポン（株）製）からなる電解質膜１１ａと、この電界質膜１１ａの一面に一体に形成されたカーボンからなる水素極（アノード）１１ｂと、電界質膜１１ａの他面に一体に形成されたカーボンからなる空気極（カソード）１１ｃとからなる。水素極１１ｂ及び空気極１１ｃは電解質膜１１ａと一体の反応層を有し、各反応層には触媒としての白金が担持されている。全ての水素極１１ｂは一方の集電板に電気的に接続され、全ての空気極１１ｃは他方の集電板に電気的に接続されており、図１に示すように、両集電板の各端子１ａ、１ｂはスタック１から突出されている。
【００１６】
図２に示すように、各セパレータ１２の水素極１１ｂ側には燃料室１２ａが形成されており、燃料室１２ａによって燃料ガスが水素極１１ｂに供給されるようになっている。他方、各セパレータ１２の空気極１１ｃ側には空気室１２ｂが形成されており、空気室１２ｂによって空気が空気極１１ｃに供給されるようになっている。燃料室１２ａは水平方向に開口されており、空気室１２ｂは燃料室１２ａと直交する方向である垂直方向に開口されている。なお、積層体１０の両端のセパレータ１２には燃料室１２ａ又は空気室１２ｂだけが形成されている。こうして、一枚のＭＥＡ１１と一対のセパレータ１２とによって個々の燃料電池であるセル１０ａが構成されている。各セル１０ａの全ての燃料室１２ａは、図１に示すように、一方のエンドプレート２ａに形成された燃料ガス導入口３及び他方のエンドプレート２ｂに形成された図示しない燃料ガス導出口に連通している。燃料ガス導入口３及び燃料ガス導出口は燃料供給手段の一部である。また、各セル１０ａの全ての空気室１２ｂは上下に連通している。
【００１７】
このスタック１では、代表セル１０ａの空気極１１ｃの面内の電位を測定可能な電位センサ５が取付けられている。
【００１８】
そして、このスタック１を図３に示すように構成し、燃料電池システムを組付ける。この燃料電池システムでは、スタック１の燃料ガス導入口３に水素供給流路２０が接続され、燃料ガス導出口に水素排気流路３０が接続されている。水素供給流路２０には水素二次圧センサ２１、水素供給電磁弁２２、水素二次圧調整弁２３、水素元電磁弁２４、水素一次圧調整弁２５及び水素一次圧センサ２６を介して水素タンク２７が接続されている。水素排気流路３０には酸素濃度センサ３１、水素濃度センサ３２、リリーフ弁３３、水素ポンプ３４、逆止弁３５、電磁オンオフ弁である起動電磁弁３７、流路３６、ガス排出電磁弁３８及び消音器３９が接続され、消音器３９を介して外気に開放されている。また、水素排気流路３０の水素ポンプ３４と逆止弁３５との間には循環路４０が接続されており、循環路４０は逆止弁４２を介してスタック１の燃料ガス導入口に接続されている。スタック１に接続された空気マニホールド５１には空気供給路５０が接続され、空気供給路５０はフィルタ５３を有する空気ファン５２に接続されている。また、スタック１に接続された空気マニホールド５１に配設されたノズル６１には配管６０が接続され、配管６０は水供給ポンプ６２を介して水位センサ６４を有する水タンク６３に接続されている。スタック１には空気排気流路７０が接続され、空気排気流路７０は排気温度センサ７１、水凝縮器７２、水回収ポンプ７３及び逆止弁７４を介して水タンク６３に接続されている。これらのうち、水素供給流路２０、水素二次圧センサ２１、水素供給電磁弁２２、水素二次圧調整弁２３、水素元電磁弁２４、水素一次圧調整弁２５、水素一次圧センサ２６及び水素タンク２７が燃料室１２ａ内に該燃料ガスを供給するための燃料供給手段である。また、水素排気流路３０、酸素濃度センサ３１、水素濃度センサ３２、リリーフ弁３３、水素ポンプ３４、逆止弁３５、流路３６、起動電磁弁３７、ガス排出電磁弁３８及び消音器３９は、燃料電池の起動時に燃料室１２ａ内に残留する残留ガス又は残留空気を排出し、空気又は該燃料ガスと置換するための燃料置換手段としての機能と、通常駆動時に燃料室１２ａから排気される電池反応後の燃料ガスを間欠的に外部に排出する燃料排気手段としての機能との２つの機能を有するものである。燃料排気手段として機能する場合、水素ポンプ３４により吸引された燃料排気ガスは流路３６のみを通って外部に排出される。燃料置換手段として機能する場合、流路３６に追加して起動電磁弁３７を開けることにより、水素ポンプ３４で吸引された残留空気等は起動電磁弁３７及びこれに配設された流路を通って、すなわち２つの流路を介して外部に排出される。したがって、２つの流路を有することにより、排気流路の抵抗は流路３６のみを使用する場合よりも小さくなるので、残留ガスを排出するときの速度がより速くなる。
【００１９】
また、この燃料電池システムでは、制御手段である制御装置８０と燃料供給手段、燃料置換手段等とが電気的に接続されている。具体的には、制御装置８０の図示しないコンピュータの入出力ポートがインターフェイスを介して燃料供給手段、燃料置換手段の水素二次圧センサ２１、酸素濃度センサ３１等と電気的に接続されている。また、制御装置８０のコンピュータの入出力ポートはインターフェイスを介して燃料供給手段、燃料置換手段以外の電位センサ５、空気ファン５２、水供給ポンプ６２等とも電気的に接続されている。
【００２０】
以上の構成をした燃料電池システムにおける動作の概要を説明する。この燃料電池システムでは、通常駆動時において、空気ファン５２から空気室１２ｂに空気が供給されるとともに、水素タンク２７から燃料室１２ａに燃料ガスが供給される。これにより、空気極１１ｃと水素極１１ｂとの間で電気化学反応を生じさせ、起電力を得ることができる。この間、消音器３９から大気に燃料室１２ａ内の電池反応後の燃料ガスが間欠的に排出され、電気化学反応を連続的に生じさせている。また、水タンク６３の水が空気マニホールド５１のノズル６１からスタック１内に噴射され、これにより空気極１１ｃの乾燥が防止されるとともにスタック１が冷却される。さらに、スタック１から排出された水と空気は水凝縮器７２に回収される。そして、空気は大気に放出され、水は水回収ポンプ７３により水タンク６３に回収される。
【００２１】
また、停止時においては、水素タンク２７から燃料室１２ａへの燃料ガスの供給が停止されるとともに、水素ポンプ３４で燃料ガスを吸引して消音器３９から大気に燃料室１２ａ及び排気流路内に残留する燃料ガスが排出される。これにより、水素極１１ｂの水素の濃度が低下し、電気化学反応を停止させることができる。
【００２２】
さらに、起動時においては、空気ファン５２から空気室１２ｂに空気が供給されるとともに、水素タンク２７から燃料室１２ａに燃料ガスが供給される。また、同時に消音器３９から大気に燃料室１２ａ内の空気が排出され、燃料室１２ａ内の空気と燃料ガスとが置換される。これにより、空気極１１ｃと水素極１１ｂとの間で電気化学反応が開始される。こうして、この燃料電池システムでは、通常駆動の開始となる起動と、連続して起電力を得る通常駆動と、起電力を得ない停止とを繰り返すことができる。
【００２３】
次に、この燃料電池システムにおける起動時の動作を詳細に説明する。この燃料電池システムに電源が投入されると、制御装置８０のコンピュータにより処理が開始され、図４に示すプログラムが実行される。
【００２４】
このプログラムが実行されると、まずステップＳ１において、燃料電池システムを初期化した後、イグニッション・スイッチがＯＮされるまで待機する。イグニッション・スイッチがＯＮされるとステップＳ３が実行される。ステップＳ３では、センサ類をＯＮし、各センサからの検出値の入力を可能にする。ステップＳ３の実行後、ステップＳ５を実行する。
【００２５】
ステップＳ５において、水素一次圧をチェックする。水素一次圧センサ２６から入力した水素一次圧の検出値が設定圧（例えば１ＭＰａ）より大きい場合（ＹＥＳ）、水素タンク２７に燃料ガスが十分充填されていると判断して、ステップＳ７を実行する。また、水素一次圧センサ２６から入力した水素一次圧の検出値が設定圧以下である場合（ＮＯ）、水素タンク２７の燃料ガスが不足していると判断して、ステップＳ９を実行する。
【００２６】
ステップＳ７において、水タンク６３の水量をチェックする。水位センサ６４から入力した水量の検出値が所定値以上である場合（ＹＥＳ）、水量が十分であると判断して、ステップＳ１１を実行する。また、水位センサ６４から入力した水量の検出値が所定値より小さい場合（ＮＯ）、水量が不足していると判断して、ステップＳ９を実行する。
【００２７】
ステップＳ９では、燃料電池システムを所定の出力状態とし、起動を停止する。水素タンク２７の燃料ガスが不足していたり、水タンク６３の水量が不足しているため、スタック１内で電気化学反応を開始させることができないからである。
【００２８】
ステップＳ１１では、水回収ポンプ７３をＯＮして、スタック１から水タンク６３への水の回収を開始する。また、ステップＳ１３では、水供給ポンプ６２をＯＮして、空気マニホールド５１のノズル６１からスタック１内に水を噴射する。同時に、水素元電磁弁２４を開く。さらに、ステップＳ１５では、空気ファン５２をＯＮし、大気よりフィルタ５３を通して空気をスタック１に供給する。これにより、スタック１の空気室１２ｂに空気と水とが供給される。ステップＳ１５の実行後、ステップＳ１７を実行する。
【００２９】
ステップＳ１７では起動電磁バルブ３７及びガス排出電磁弁３８を開き、ステップＳ１９では水素ポンプ３４をＯＮする。これにより、スタック１の燃料室１２ａ内が負圧になる。そして、ステップＳ２１では水素供給電磁弁２２を開く。これにより、燃料室１２ａ内に燃料ガスが供給され、燃料室１２ａ内の空気が燃料ガスで置換される。そして、空気極１１ｃと水素極１１ｂとの間で電気化学反応が開始される。ステップＳ２３では、そのまま０．５秒待機して、空気極１１ｃと水素極１１ｂとの間の電気化学反応がある程度安定するのを待つ。０．５秒経過後、ステップＳ２５を実行する。
【００３０】
ステップＳ２５において、図示しない電圧センサにより、燃料電池システム全体の出力電圧をチェックする。電圧センサから入力した出力電圧の検出値が所定値以上である場合（ＹＥＳ）、出力電圧が十分であると判断して、ステップＳ２７を実行する。また、電圧センサから入力した出力電圧の検出値が所定値より小さい場合（ＮＯ）、出力電圧が不十分であると判断して、ステップＳ３３を実行する。
【００３１】
ステップＳ２７において、燃料室１２ａ内の水素濃度をチェックする。水素濃度センサ３２から入力した水素濃度の検出値が９５％以上である場合（ＹＥＳ）、燃料室１２ａ内の水素濃度が十分であると判断して、ステップＳ２９を実行する。また、水素濃度センサ３２から入力した水素濃度の検出値が９５％より小さい場合（ＮＯ）、燃料室１２ａ内の水素濃度が不十分であると判断して、ステップＳ３３を実行する。
【００３２】
ステップＳ２７において、スタック１から排出される残留ガスの水素濃度をチェックする。水素濃度センサ３２から入力した水素濃度の検出値が９５％以上である場合（ＹＥＳ）、燃料室１２ａ内の水素濃度が十分であると判断して、ステップＳ２９を実行する。また、水素濃度センサ３２から入力した水素濃度の検出値が９５％より小さい場合（ＮＯ）、燃料室１２ａ内の水素濃度が不十分であると判断して、ステップＳ３３を実行する。
【００３３】
ステップＳ２９において、スタック１から排出される残留ガスの酸素濃度をチェックする。酸素濃度センサ３１から入力した酸素濃度の検出値が１％以下である場合（ＹＥＳ）、燃料室１２ａ内に酸素ガスがほとんど残っていないと判断して、ステップＳ３１を実行する。また、酸素濃度センサ３１から入力した酸素濃度の検出値が１％より大きい場合（ＮＯ）、燃料室１２ａ内には酸素ガスが残っていると判断して、ステップＳ３３を実行する。
【００３４】
ステップＳ３１において、セル１０ａの空気極１１ｃの局部電位をチェックする。全ての電位センサ５から入力した電圧の検出値が１．１Ｖ以下である場合（ＹＥＳ）、全てのセル１０ａについての局部電位が正常であると判断して、ステップＳ３５を実行する。また、全ての電位センサ５から入力した電圧の検出値のうちの１つでも１．１Ｖより大きい場合（ＮＯ）、セル１０ａについての局部電位が異常であると判断して、ステップＳ３３を実行する。
【００３５】
ステップＳ３３では警告灯を点灯し、ステップＳ３５を実行する。燃料電池システム全体の出力電圧が不十分では、燃料電池システムから所定の出力が得られない虞があるためである。また、スタック１から排出される残留ガスの水素濃度が９５％より小さかったり、酸素濃度が１％より大きい場合、燃料室１２ａ内の空気が燃料ガスで十分には置換されていないと考えられるからである。さらに、各セル１０ａの空気極１１ｃの局部電位のうちの１つでも１．１Ｖより大きい場合、その空気極１１ｃが劣化する虞があるためである。なお、残留ガスの水素濃度及び酸素濃度をチェックすることにより燃料室１２ａ全体のガス濃度を把握することができるが、各燃料室１２ａ毎のガスの偏在の程度は把握することはできない。そのため、各セル１０ａの空気極１１ｃの局部電位をチェックして、各燃料室１２ａ毎のガスの偏在の程度を把握している。
【００３６】
ステップＳ３５では水素供給電磁弁２２を閉じる。また、ステップＳ３７では起動電磁バルブ３７及びガス排出電磁弁３８を閉じる。これにより、起動時のプログラムの実行が終了し、引き続いて通常駆動時のプログラムが実行される。
【００３７】
実施形態１の燃料電池システムでは、起動時における燃料室１２ａ内の空気の排出速度が通常駆動時における燃料室１２ａ内の残留ガスの排出速度より速くなるように構成されている。つまり、通常駆動時において燃料室１２ａ内の残留ガスは流路３６のみを通って消音器３９から大気に排出され、起動時において燃料室１２ａ内の空気は流路３６と起動電磁弁３７との両方を通って消音器３９から大気に排出される。そして、起動電磁弁３７等は制御装置８０によって制御されており、特に起動時においては空気極１１ｃの劣化を防止可能な置換率かつ時間で燃料室１２ａ内から残留ガスを排出し、空気と置換するように制御される。そのため、水素極１１ｂに水素と空気とが存在する時間がほとんどなくなり、燃料電池内において局部電池が発生することを防止することができる。
【００３８】
したがって、この燃料電池システムは、駆動と停止とを繰り返しても、燃料電池の空気極１１ｃ及び電解質膜１１ａが劣化し難い。このため、この燃料電池システムは優れた耐久性を発揮することができる。
【００３９】
（実施形態２）
実施形態２の燃料電池システムでは、実施形態１と同様のスタック１を図５に示すように構成し、燃料電池システムを組付けている。この燃料電池システムでは、水素排気流路３０には酸素濃度センサ３１、水素濃度センサ３２、リリーフ弁３３、水素ポンプ３４、逆止弁３５、電磁可変絞り弁８５、ガス排出電磁弁３８及び消音器３９が接続され、消音器３９を介して外気に開放されている。この水素排気流路３０、酸素濃度センサ３１、水素濃度センサ３２、リリーフ弁３３、水素ポンプ３４、逆止弁３５、電磁可変絞り弁８５、ガス排出電磁弁３８及び消音器３９が燃料室１２ａ内に残留する残留ガス又は空気を排出し、空気又は該燃料ガスと置換するための燃料置換手段である。なお、実施形態１と同様の構成については同様の記号を用い、その説明を省略する。
【００４０】
また、この燃料電池システムでは、実施形態１における起動電磁弁３７の替わりに、電磁可変絞り弁８５が制御手段である制御装置８０に電気的に接続されている。その他の電気回路構成及びこの燃料電池システムの動作の概要は実施形態１と同様である。
【００４１】
以上の構成をした燃料電池システムにおける起動時の処理プログラムを図６に示す。このプログラムでは、ステップＳ４０において、ガス排出電磁弁３８を開き、電磁可変絞り弁８５を起動開度まで開く。また、ステップＳ４２において、ガス排出電磁弁３８を閉じ、電磁可変絞り弁８５を通常開度まで絞る。その他のステップの処理内容は図４に示す実施形態１のプログラムの処理内容と同様であり、その説明を省略する。
【００４２】
実施形態２の燃料電池システムでは、電磁可変絞り弁８５を制御して、水素排出流路３０の抵抗を可変とし、起動時の残留空気の排出速度を通常駆動時の排気される燃料ガスの排出速度より速くすることができる。その他の作用、効果は実施形態１と同様である。
【００４３】
したがって、実施形態２の燃料電池システムも、駆動と停止とを繰り返しても、燃料電池の空気極１１ｃ及び電解質膜１１ａが劣化し難く、優れた耐久性を発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１、２の燃料電池システムに係る燃料電池スタックの分解斜視図である。
【図２】実施形態１、２の燃料電池システムに係る積層体の模式断面図である。
【図３】実施形態１の燃料電池システムに係る模式構成図である。
【図４】実施形態１の燃料電池システムに係る起動時の処理プログラムのフローチャートである。
【図５】実施形態２の燃料電池システムに係る模式構成図である。
【図６】実施形態２の燃料電池システムに係る起動時の処理プログラムのフローチャートである。
【符号の説明】
１１ｂ…水素極
１２ａ…燃料室
１１ｃ…空気極
１２ｂ…空気室
１１ａ…電解質膜
１、１０ａ…燃料電池（１…スタック、１０ａ…セル）
３、２０、２１、２２、２３、２４、２５、２６、２７…燃料供給手段（３…燃料ガス導入口、２０…配管、２１…水素二次圧センサ、２２…水素供給電磁弁、２３…水素二次圧調整弁、２４…水素元電磁弁、２５…水素一次圧調整弁、２６…水素一次圧センサ、２７…水素タンク）
３０、３１、３２、３３、３４、３５、３６、３７、３８、３９、８５…燃料置換手段（３０…配管、３１…酸素濃度センサ、３２…水素濃度センサ、３３…リリーフ弁、３４…水素ポンプ、３５…逆止弁、３６…流路、３７…電磁オンオフ弁（起動電磁弁）、３８…ガス排出電磁弁、３９…消音器、８５…電磁可変絞り弁）
８０…制御手段（制御装置）[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell system. This fuel cell system is suitable for use as a mobile power source for an electric vehicle or the like or a stationary power source.
[0002]
[Prior art]
BACKGROUND ART Conventionally, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) has been known. This fuel cell includes a hydrogen electrode (anode), a fuel chamber for supplying a fuel gas containing hydrogen to the hydrogen electrode, an air electrode (cathode), and air for supplying air to the air electrode. It has a chamber and an electrolyte membrane made of an ion exchange resin interposed between the hydrogen electrode and the air electrode. Also, in this fuel cell, a reaction layer is formed on each of the hydrogen electrode and the air electrode in order to generate an electrochemical reaction between the hydrogen electrode and the air electrode and obtain an effective electromotive force. Etc. are supported.
[0003]
This fuel cell constitutes a fuel cell system together with fuel supply means, fuel exhaust means, fuel replacement means and the like. The fuel gas is supplied to the fuel chamber by the fuel supply means, the fuel gas after the reaction is exhausted by the fuel exhaust means, and the residual gas or air remaining in the fuel chamber when the fuel cell is started is discharged by the fuel replacement means. More specifically, during normal driving, the fuel gas is supplied to the fuel chamber by the fuel supply means to cause an electrochemical reaction, and the fuel gas after the reaction is intermittently discharged by the fuel exhaust means. An electromotive force can be obtained continuously. In addition, at the time of stopping, the supply of the fuel gas into the fuel chamber by the fuel supply means is stopped, and the residual gas remaining in the fuel chamber is discharged by the fuel replacement means and replaced with air to perform an electrochemical reaction. Can be stopped. Further, at the time of starting, the fuel gas is supplied to the fuel chamber by the fuel supply means, and the air in the fuel chamber is discharged by the fuel replacement means, so that the electrochemical reaction can be started. In this manner, in this fuel cell system, it is possible to repeat the start that starts the normal drive, the normal drive that continuously obtains the electromotive force, and the stop that does not obtain the electromotive force. The driving includes start-up and normal driving, and the driving includes start-up and normal driving.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, it has been clarified that, in the conventional fuel cell system, when driving and stopping are repeated, the air electrode and the electrolyte membrane of the fuel cell are likely to be deteriorated.
[0005]
The inventors presume this cause as follows. That is, in the fuel cell system at the time of normal driving, the hydrogen electrode ² → 2H ⁺ + 2e reaction, and O 2 ₂ + 4H ⁺ + 4e → 2H ₂ O reaction occurs, and an electromotive force is generated between the hydrogen electrode and the air electrode. However, when the fuel cell system is shut down and restarted, if hydrogen and fuel gas are present in the hydrogen electrode and air is present, the surface of the hydrogen electrode that is filled with hydrogen has a high H level. ² → 2H ⁺ + 2e, which is not filled with hydrogen at the hydrogen electrode and has air remaining at 1 / 2O ₂ + 2H ⁺ + 2e → H ₂ O reaction occurs. At that time, the acidity in the electrolyte changes, and C + 2H ₂ O → CO ₂ + 4H ⁺ + 4e, Pt + 2H ₂ O → PtO + 2H ⁺ + 2e, Pt → Pt ²⁺ + 2e, 2H ₂ O → O ₂ + 4H ⁺ A reaction such as + 4e occurs. Thus, at the time of start-up, a local cell is generated in the fuel cell, and as a result, elution of platinum on the air electrode side and discoloration of the electrolyte membrane occur, so that the air electrode is considered to deteriorate.
[0006]
The present invention has been made in view of the above-mentioned conventional circumstances, and it is an object of the present invention to provide a fuel cell system in which an air electrode and an electrolyte membrane of a fuel cell are hardly deteriorated even when driving and stopping are repeated. It is an issue.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The fuel cell system of the present invention comprises a hydrogen electrode, a fuel chamber for supplying fuel gas to the hydrogen electrode, an air electrode, an air chamber for supplying air to the air electrode, and a space between the hydrogen electrode and the air electrode. A solid polymer membrane type fuel cell having an intervening electrolyte membrane and a catalyst supported on at least the air electrode, and a fuel supply means for supplying the fuel gas to the fuel cell via a fuel gas supply path And a fuel exhaust means for exhausting the fuel gas after reacting in the fuel cell through the fuel gas exhaust flow path, and being disposed in the fuel gas exhaust flow path, A fuel replacement means having a fuel gas replacement flow passage for discharging the remaining gas or air remaining and replacing the fuel gas newly supplied,
The fuel gas replacement passage of the fuel replacement means is characterized in that the flow passage has a lower resistance than the fuel gas exhaust passage.
[0008]
In the fuel cell system of the present invention, the exhaust passage is configured such that the exhaust speed of the air remaining in the fuel chamber at the time of startup is higher than the exhaust speed of the fuel gas exhausted from the fuel chamber during the normal driving. Therefore, at the time of startup, the air in the fuel chamber is discharged in a very short time by the fuel replacement means. At this time, fuel gas is newly supplied into the fuel chamber by the fuel supply means. As a result, at the time of startup, the air remaining on the hydrogen electrode is discharged in a very short time, and the hydrogen electrode is quickly filled with the fuel gas. Therefore, there is almost no time during which hydrogen and air are present at the hydrogen electrode, and it is possible to prevent the occurrence of a local cell in the fuel cell.
[0009]
Therefore, in the fuel cell system of the present invention, the air electrode and the electrolyte membrane of the fuel cell are not easily deteriorated even when the driving and the stopping are repeated.
[0010]
In the fuel cell system of the present invention, the control means for controlling the fuel replacement means so that the speed of the residual air exhausted from the fuel chamber at the time of startup becomes faster than the speed of the fuel gas exhausted from the fuel chamber at the time of normal driving. Preferably, it is provided. As a result, it is possible to automatically prevent generation of a local cell in the fuel cell, and to automatically prevent deterioration of the air electrode and the electrolyte membrane of the fuel cell.
[0011]
It is preferable that the control means controls the fuel replacement means so as to discharge the residual gas from the fuel chamber at a replacement rate and time capable of preventing the deterioration of the air electrode at the time of startup, and replace the air with the air. As a result, generation of a local cell in the fuel cell can be reliably prevented.
[0012]
The fuel replacement means may include an electromagnetic on / off valve and a fuel gas exhaust passage provided in parallel with the electromagnetic on / off valve. The fuel gas after the reaction during normal driving is intermittently discharged only by the fuel gas exhaust passage provided in parallel with the electromagnetic on / off valve, and the valve is opened and activated by turning on the electromagnetic on / off valve in addition to this passage. The residual air at the time can be discharged. A fuel gas replacement channel is formed in series with the electromagnetic on / off valve, and the fuel gas replacement channel is set to have a lower resistance than the fuel gas exhaust channel. As a result, the discharge speed of the air at the time of startup is higher than the discharge speed of the fuel gas at the time of normal driving.
[0013]
Further, the fuel replacement means may include an electromagnetic variable throttle valve. This is because, by controlling the electromagnetic variable throttle valve, the discharge speed of air at the time of startup can be made faster than the discharge speed of residual gas during normal driving.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, Embodiments 1 and 2 that embody the fuel cell system of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0015]
(Embodiment 1)
In the fuel cell system of the first embodiment, the fuel cell stack 1 shown in FIG. 1 (hereinafter, simply referred to as “stack”) is used. The stack 1 has a stacked body 10 sandwiched between two end plates 2a and 2b via a current collector plate and an insulating plate (not shown). As shown in FIG. 2, the laminate 10 is formed by sequentially laminating a MEA (Membrane Electrode Assembly) 11 with a separator 12 interposed therebetween. The MEA 11 includes an electrolyte membrane 11a made of an ion exchange resin (“Nafion” (registered trademark) manufactured by DuPont Corp.), and a hydrogen electrode (anode) 11b made of carbon integrally formed on one surface of the electrolyte membrane 11a. And an air electrode (cathode) 11c made of carbon integrally formed on the other surface of the electrolyte film 11a. The hydrogen electrode 11b and the air electrode 11c have a reaction layer integral with the electrolyte membrane 11a, and each reaction layer carries platinum as a catalyst. All the hydrogen electrodes 11b are electrically connected to one current collector, all the air electrodes 11c are electrically connected to the other current collector, and as shown in FIG. Each terminal 1 a, 1 b protrudes from the stack 1.
[0016]
As shown in FIG. 2, a fuel chamber 12a is formed on the hydrogen electrode 11b side of each separator 12, and fuel gas is supplied to the hydrogen electrode 11b by the fuel chamber 12a. On the other hand, an air chamber 12b is formed on the air electrode 11c side of each separator 12, and air is supplied to the air electrode 11c by the air chamber 12b. The fuel chamber 12a is opened in a horizontal direction, and the air chamber 12b is opened in a vertical direction that is a direction orthogonal to the fuel chamber 12a. Note that only the fuel chamber 12a or the air chamber 12b is formed in the separators 12 at both ends of the stacked body 10. In this way, one MEA 11 and a pair of separators 12 constitute cells 10a as individual fuel cells. As shown in FIG. 1, all fuel chambers 12a of each cell 10a communicate with a fuel gas inlet 3 formed on one end plate 2a and a fuel gas outlet (not shown) formed on the other end plate 2b. are doing. The fuel gas inlet 3 and the fuel gas outlet are part of fuel supply means. Further, all the air chambers 12b of each cell 10a communicate vertically.
[0017]
In this stack 1, a potential sensor 5 capable of measuring the potential in the plane of the air electrode 11c of the representative cell 10a is attached.
[0018]
Then, the stack 1 is configured as shown in FIG. 3, and a fuel cell system is assembled. In this fuel cell system, a hydrogen supply channel 20 is connected to the fuel gas inlet 3 of the stack 1, and a hydrogen exhaust channel 30 is connected to the fuel gas outlet. The hydrogen is supplied to the hydrogen supply passage 20 through a hydrogen secondary pressure sensor 21, a hydrogen supply solenoid valve 22, a hydrogen secondary pressure regulating valve 23, a hydrogen source solenoid valve 24, a hydrogen primary pressure regulating valve 25, and a hydrogen primary pressure sensor 26. The tank 27 is connected. In the hydrogen exhaust passage 30, an oxygen concentration sensor 31, a hydrogen concentration sensor 32, a relief valve 33, a hydrogen pump 34, a check valve 35, a start electromagnetic valve 37 serving as an electromagnetic on / off valve, a flow passage 36, a gas discharge electromagnetic valve 38, A silencer 39 is connected and opened to the outside air via the silencer 39. A circulation path 40 is connected between the hydrogen pump 34 and the check valve 35 in the hydrogen exhaust passage 30, and the circulation path 40 is connected to the fuel gas inlet of the stack 1 via a check valve 42. Have been. An air supply path 50 is connected to the air manifold 51 connected to the stack 1, and the air supply path 50 is connected to an air fan 52 having a filter 53. In addition, a pipe 60 is connected to a nozzle 61 provided in the air manifold 51 connected to the stack 1, and the pipe 60 is connected to a water tank 63 having a water level sensor 64 via a water supply pump 62. An air exhaust passage 70 is connected to the stack 1, and the air exhaust passage 70 is connected to a water tank 63 via an exhaust temperature sensor 71, a water condenser 72, a water recovery pump 73, and a check valve 74. Among them, the hydrogen supply passage 20, the hydrogen secondary pressure sensor 21, the hydrogen supply solenoid valve 22, the hydrogen secondary pressure regulating valve 23, the hydrogen source solenoid valve 24, the hydrogen primary pressure regulating valve 25, the hydrogen primary pressure sensor 26, The hydrogen tank 27 is a fuel supply unit for supplying the fuel gas into the fuel chamber 12a. The hydrogen exhaust passage 30, the oxygen concentration sensor 31, the hydrogen concentration sensor 32, the relief valve 33, the hydrogen pump 34, the check valve 35, the passage 36, the starting electromagnetic valve 37, the gas discharging electromagnetic valve 38, and the muffler 39 A function as a fuel replacement means for discharging residual gas or residual air in the fuel chamber 12a when the fuel cell is started up and replacing the residual gas or air with the fuel gas, and is exhausted from the fuel chamber 12a during normal operation. It has two functions: a function as a fuel exhaust means for intermittently discharging the fuel gas after the battery reaction to the outside. When functioning as a fuel exhaust means, the fuel exhaust gas sucked by the hydrogen pump 34 is discharged outside only through the flow path 36. When functioning as fuel replacement means, by opening the starting electromagnetic valve 37 in addition to the flow path 36, residual air and the like sucked by the hydrogen pump 34 pass through the starting electromagnetic valve 37 and the flow path provided therein. That is, it is discharged outside through two flow paths. Therefore, by having two flow paths, the resistance of the exhaust flow path becomes smaller than when only the flow path 36 is used, so that the speed at which the residual gas is discharged becomes higher.
[0019]
Further, in this fuel cell system, a control device 80 as a control means is electrically connected to a fuel supply means, a fuel replacement means and the like. Specifically, an input / output port of a computer (not shown) of the control device 80 is electrically connected to a fuel supply unit, a hydrogen secondary pressure sensor 21 of the fuel replacement unit, an oxygen concentration sensor 31, and the like via an interface. The input / output port of the computer of the control device 80 is also electrically connected to the potential sensor 5, the air fan 52, the water supply pump 62 and the like other than the fuel supply means and the fuel replacement means via an interface.
[0020]
The operation of the fuel cell system having the above configuration will be briefly described. In this fuel cell system, during normal operation, air is supplied from the air fan 52 to the air chamber 12b, and fuel gas is supplied from the hydrogen tank 27 to the fuel chamber 12a. Thereby, an electrochemical reaction is caused between the air electrode 11c and the hydrogen electrode 11b, and an electromotive force can be obtained. During this time, the fuel gas after the cell reaction in the fuel chamber 12a is intermittently discharged from the silencer 39 to the atmosphere, and the electrochemical reaction is continuously caused. Further, the water in the water tank 63 is injected into the stack 1 from the nozzles 61 of the air manifold 51, whereby the drying of the air electrode 11c is prevented and the stack 1 is cooled. Further, the water and air discharged from the stack 1 are collected in the water condenser 72. Then, the air is released to the atmosphere, and the water is recovered by the water recovery pump 73 in the water tank 63.
[0021]
When the fuel tank 12 is stopped, the supply of the fuel gas from the hydrogen tank 27 to the fuel chamber 12a is stopped, and the fuel gas is suctioned by the hydrogen pump 34 to the muffler 39 to the atmosphere to release the fuel chamber 12a and the exhaust passage. The remaining fuel gas is discharged. Thereby, the concentration of hydrogen in the hydrogen electrode 11b decreases, and the electrochemical reaction can be stopped.
[0022]
Further, at the time of startup, air is supplied from the air fan 52 to the air chamber 12b, and fuel gas is supplied from the hydrogen tank 27 to the fuel chamber 12a. At the same time, the air in the fuel chamber 12a is discharged from the silencer 39 to the atmosphere, and the air in the fuel chamber 12a and the fuel gas are replaced. Thereby, an electrochemical reaction is started between the air electrode 11c and the hydrogen electrode 11b. In this manner, in this fuel cell system, it is possible to repeat the start that starts the normal drive, the normal drive that continuously obtains the electromotive force, and the stop that does not obtain the electromotive force.
[0023]
Next, the operation at the time of startup in this fuel cell system will be described in detail. When power is supplied to the fuel cell system, the computer of the control device 80 starts processing, and the program shown in FIG. 4 is executed.
[0024]
When this program is executed, first, in step S1, after initializing the fuel cell system, the process waits until the ignition switch is turned on. When the ignition switch is turned on, step S3 is executed. In step S3, the sensors are turned on, and input of a detection value from each sensor is enabled. After execution of step S3, step S5 is executed.
[0025]
In step S5, the primary hydrogen pressure is checked. If the detected value of the hydrogen primary pressure input from the hydrogen primary pressure sensor 26 is larger than the set pressure (for example, 1 MPa) (YES), it is determined that the hydrogen tank 27 is sufficiently filled with the fuel gas, and step S7 is executed. . If the detected value of the hydrogen primary pressure input from the hydrogen primary pressure sensor 26 is equal to or lower than the set pressure (NO), it is determined that the fuel gas in the hydrogen tank 27 is insufficient, and step S9 is executed.
[0026]
In step S7, the amount of water in the water tank 63 is checked. If the detected value of the water amount input from the water level sensor 64 is equal to or greater than the predetermined value (YES), it is determined that the water amount is sufficient, and step S11 is executed. If the detected value of the water amount input from the water level sensor 64 is smaller than the predetermined value (NO), it is determined that the water amount is insufficient, and step S9 is executed.
[0027]
In step S9, the fuel cell system is set to a predetermined output state, and the startup is stopped. This is because an electrochemical reaction cannot be started in the stack 1 because the fuel gas in the hydrogen tank 27 is insufficient or the amount of water in the water tank 63 is insufficient.
[0028]
In step S11, the water recovery pump 73 is turned on to start collecting water from the stack 1 to the water tank 63. In step S13, the water supply pump 62 is turned on, and water is injected into the stack 1 from the nozzle 61 of the air manifold 51. At the same time, the hydrogen source solenoid valve 24 is opened. Further, in step S15, the air fan 52 is turned on, and air is supplied from the atmosphere to the stack 1 through the filter 53. Thereby, air and water are supplied to the air chamber 12b of the stack 1. After execution of step S15, step S17 is executed.
[0029]
In step S17, the starting electromagnetic valve 37 and the gas discharging electromagnetic valve 38 are opened, and in step S19, the hydrogen pump 34 is turned on. As a result, the pressure in the fuel chamber 12a of the stack 1 becomes negative. Then, in step S21, the hydrogen supply solenoid valve 22 is opened. Thus, the fuel gas is supplied into the fuel chamber 12a, and the air in the fuel chamber 12a is replaced with the fuel gas. Then, an electrochemical reaction is started between the air electrode 11c and the hydrogen electrode 11b. In step S23, the process waits for 0.5 seconds, and waits until the electrochemical reaction between the air electrode 11c and the hydrogen electrode 11b is stabilized to some extent. After elapse of 0.5 seconds, step S25 is executed.
[0030]
In step S25, the output voltage of the entire fuel cell system is checked by a voltage sensor (not shown). If the detected value of the output voltage input from the voltage sensor is equal to or more than the predetermined value (YES), it is determined that the output voltage is sufficient, and step S27 is executed. If the detected value of the output voltage input from the voltage sensor is smaller than the predetermined value (NO), it is determined that the output voltage is insufficient, and step S33 is executed.
[0031]
In step S27, the hydrogen concentration in the fuel chamber 12a is checked. When the detected value of the hydrogen concentration input from the hydrogen concentration sensor 32 is 95% or more (YES), it is determined that the hydrogen concentration in the fuel chamber 12a is sufficient, and the step S29 is executed. If the detected value of the hydrogen concentration input from the hydrogen concentration sensor 32 is smaller than 95% (NO), it is determined that the hydrogen concentration in the fuel chamber 12a is insufficient, and step S33 is executed.
[0032]
In step S27, the hydrogen concentration of the residual gas discharged from the stack 1 is checked. When the detected value of the hydrogen concentration input from the hydrogen concentration sensor 32 is 95% or more (YES), it is determined that the hydrogen concentration in the fuel chamber 12a is sufficient, and the step S29 is executed. If the detected value of the hydrogen concentration input from the hydrogen concentration sensor 32 is smaller than 95% (NO), it is determined that the hydrogen concentration in the fuel chamber 12a is insufficient, and step S33 is executed.
[0033]
In step S29, the oxygen concentration of the residual gas discharged from the stack 1 is checked. If the detected value of the oxygen concentration input from the oxygen concentration sensor 31 is 1% or less (YES), it is determined that almost no oxygen gas remains in the fuel chamber 12a, and step S31 is executed. If the detected value of the oxygen concentration input from the oxygen concentration sensor 31 is greater than 1% (NO), it is determined that oxygen gas remains in the fuel chamber 12a, and step S33 is executed.
[0034]
In step S31, the local potential of the air electrode 11c of the cell 10a is checked. If the detected values of the voltages input from all the potential sensors 5 are 1.1 V or less (YES), it is determined that the local potentials of all the cells 10a are normal, and step S35 is executed. If at least one of the voltage detection values input from all the potential sensors 5 is greater than 1.1 V (NO), it is determined that the local potential of the cell 10a is abnormal, and step S33 is executed. .
[0035]
In step S33, the warning light is turned on, and step S35 is executed. This is because if the output voltage of the entire fuel cell system is insufficient, a predetermined output may not be obtained from the fuel cell system. If the hydrogen concentration of the residual gas discharged from the stack 1 is lower than 95% or the oxygen concentration is higher than 1%, it is considered that the air in the fuel chamber 12a is not sufficiently replaced by the fuel gas. It is. Furthermore, if at least one of the local potentials of the air electrode 11c of each cell 10a is higher than 1.1V, the air electrode 11c may be deteriorated. Note that the gas concentration of the entire fuel chamber 12a can be grasped by checking the hydrogen concentration and the oxygen concentration of the residual gas, but the degree of uneven distribution of gas in each fuel chamber 12a cannot be grasped. Therefore, the local potential of the air electrode 11c of each cell 10a is checked to grasp the degree of uneven distribution of gas in each fuel chamber 12a.
[0036]
In step S35, the hydrogen supply solenoid valve 22 is closed. In step S37, the starting electromagnetic valve 37 and the gas discharging electromagnetic valve 38 are closed. As a result, the execution of the program at the time of startup is completed, and subsequently, the program at the time of normal driving is executed.
[0037]
The fuel cell system according to the first embodiment is configured such that the exhaust speed of the air in the fuel chamber 12a at the time of startup is faster than the exhaust speed of the residual gas in the fuel chamber 12a during the normal operation. That is, at the time of normal driving, the residual gas in the fuel chamber 12a passes through only the flow path 36 and is exhausted from the muffler 39 to the atmosphere, and at the time of startup, the air in the fuel chamber 12a flows between the flow path 36 and the starting electromagnetic valve 37. The air is discharged from the silencer 39 to the atmosphere through both. The starting electromagnetic valve 37 and the like are controlled by the control device 80. In particular, at the time of starting, the residual gas is discharged from the fuel chamber 12a at a replacement rate and time capable of preventing the deterioration of the air electrode 11c, and replaced with air. Is controlled to Therefore, there is almost no time during which hydrogen and air are present in the hydrogen electrode 11b, and it is possible to prevent a local cell from being generated in the fuel cell.
[0038]
Therefore, in this fuel cell system, the air electrode 11c and the electrolyte membrane 11a of the fuel cell are hardly deteriorated even when the driving and the stopping are repeated. Therefore, this fuel cell system can exhibit excellent durability.
[0039]
(Embodiment 2)
In the fuel cell system of the second embodiment, the same stack 1 as that of the first embodiment is configured as shown in FIG. 5, and the fuel cell system is assembled. In this fuel cell system, an oxygen concentration sensor 31, a hydrogen concentration sensor 32, a relief valve 33, a hydrogen pump 34, a check valve 35, an electromagnetic variable throttle valve 85, a gas discharge electromagnetic valve 38, and a silencer are provided in the hydrogen exhaust passage 30. 39 is connected and opened to the outside air via the silencer 39. The hydrogen exhaust passage 30, the oxygen concentration sensor 31, the hydrogen concentration sensor 32, the relief valve 33, the hydrogen pump 34, the check valve 35, the electromagnetic variable throttle valve 85, the gas discharge electromagnetic valve 38, and the muffler 39 are located inside the fuel chamber 12a. Is a fuel replacement means for discharging residual gas or air remaining in the fuel cell and replacing it with air or the fuel gas. Note that the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
[0040]
In this fuel cell system, an electromagnetic variable throttle valve 85 is electrically connected to a control device 80 as control means instead of the starting electromagnetic valve 37 in the first embodiment. The other electric circuit configuration and the outline of the operation of the fuel cell system are the same as those of the first embodiment.
[0041]
FIG. 6 shows a processing program at the time of startup in the fuel cell system having the above configuration. In this program, in step S40, the gas discharge electromagnetic valve 38 is opened, and the electromagnetic variable throttle valve 85 is opened to the startup opening. In step S42, the gas discharge electromagnetic valve 38 is closed, and the electromagnetic variable throttle valve 85 is reduced to the normal opening. The processing contents of the other steps are the same as the processing contents of the program according to the first embodiment shown in FIG. 4, and a description thereof will be omitted.
[0042]
In the fuel cell system according to the second embodiment, the electromagnetic variable throttle valve 85 is controlled to change the resistance of the hydrogen discharge passage 30, and the discharge speed of the residual air at the time of startup is reduced to the discharge of the exhausted fuel gas during the normal drive. Can be faster than speed. Other functions and effects are the same as those of the first embodiment.
[0043]
Therefore, even in the fuel cell system according to Embodiment 2, the air electrode 11c and the electrolyte membrane 11a of the fuel cell are hardly deteriorated even when driving and stopping are repeated, and excellent durability can be exhibited.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an exploded perspective view of a fuel cell stack according to a fuel cell system of Embodiments 1 and 2.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a stack according to the fuel cell systems of Embodiments 1 and 2.
FIG. 3 is a schematic configuration diagram according to the fuel cell system of Embodiment 1.
FIG. 4 is a flowchart of a processing program at the time of startup according to the fuel cell system of the first embodiment.
FIG. 5 is a schematic configuration diagram according to a fuel cell system of Embodiment 2.
FIG. 6 is a flowchart of a processing program at the time of startup according to the fuel cell system of Embodiment 2.
[Explanation of symbols]
11b: hydrogen electrode
12a: Fuel chamber
11c ... Air electrode
12b ... air chamber
11a ... electrolyte membrane
1, 10a: fuel cell (1: stack, 10a: cell)
3, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27 ... fuel supply means (3 ... fuel gas inlet, 20 ... pipe, 21 ... hydrogen secondary pressure sensor, 22 ... hydrogen supply solenoid valve, 23 ... Hydrogen secondary pressure regulating valve, 24: hydrogen source solenoid valve, 25: hydrogen primary pressure regulating valve, 26: hydrogen primary pressure sensor, 27: hydrogen tank)
30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 85 ... fuel replacement means (30 ... piping, 31 ... oxygen concentration sensor, 32 ... hydrogen concentration sensor, 33 ... relief valve, 34 ... hydrogen Pump, 35 ... check valve, 36 ... flow path, 37 ... electromagnetic on / off valve (starting electromagnetic valve), 38 ... gas discharge solenoid valve, 39 ... silencer, 85 ... electromagnetic variable throttle valve)
80 ... Control means (control device)

Claims

A hydrogen electrode, a fuel chamber for supplying fuel gas to the hydrogen electrode, an air electrode, an air chamber for supplying air to the air electrode, and an electrolyte membrane interposed between the hydrogen electrode and the air electrode; A fuel cell of a solid polymer membrane type having at least a catalyst supported on the air electrode, a fuel supply means for supplying the fuel gas to the fuel cell via a fuel gas supply path, and a fuel gas exhaust passage. A fuel exhaust means for exhausting the fuel gas after reacting in the fuel cell through the fuel cell, and a residual gas or air remaining in the fuel chamber when the fuel cell is started, which is disposed in the fuel gas exhaust passage. A fuel replacement means having a fuel gas replacement channel for discharging and replacing the fuel gas newly supplied,
The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel gas replacement passage of the fuel replacement means is configured to have a lower resistance in the passage than the fuel gas exhaust passage.

Control means for controlling the fuel replacement means is provided such that the flow velocity of the gas passing through the fuel gas replacement flow path is faster than the flow rate of the gas passing through the fuel gas exhaust flow path. The fuel cell system according to claim 1.

The control means controls the fuel replacement means so as to discharge the residual gas from the fuel chamber at a replacement rate and time capable of preventing the deterioration of the air electrode at the time of startup and replace the residual gas with the air. 3. The fuel cell system according to claim 2, wherein:

4. The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel replacement unit has an electromagnetic on / off valve and a flow path provided in parallel with the electromagnetic on / off valve. 5.

4. The fuel cell system according to claim 1, wherein said fuel replacement means has an electromagnetic variable throttle valve.