JP2005158552A - Fuel cell system and control method of fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システム及びその制御方法に係り、特に、燃料電池システムの起動時における制御技術に関する。 The present invention relates to a fuel cell system and a control method thereof, and more particularly, to a control technique at the time of starting the fuel cell system.
近年、高効率のエネルギー変換装置として、燃料電池が注目を集めている。特に、電解質としてプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池は、コンパクトな構造で高出力密度が得られ、かつ簡略なシステムで運転が可能なことから、定置用分散電源だけでなく自動車用や家庭用などの電源として注目されている。また、固体高分子電解質膜以外のプロトン伝導性を有する膜を用いた燃料電池や、直接メタノール型燃料電池なども合わせて脚光を浴びている。その中でも自動車用の燃料電池は、世界規模でのアライアンスが組まれるなどグローバルな開発競争が展開されている。 In recent years, fuel cells have attracted attention as highly efficient energy conversion devices. In particular, solid polymer fuel cells that use a solid polymer electrolyte membrane with proton conductivity as the electrolyte can be operated with a simple system because they have a compact structure and high power density. It is attracting attention not only as a distributed power source but also as a power source for automobiles and homes. In addition, fuel cells using proton conductive membranes other than solid polymer electrolyte membranes, direct methanol fuel cells, and the like are also in the spotlight. Among them, the fuel cell for automobiles has a global competition for development, such as a global alliance.
固体高分子型燃料電池は、一般的に、水素を含有する燃料ガス及び酸素を含有する酸化剤ガスを反応させて発電する燃料電池本体がその周辺システム及び周辺機器と一体となった燃料電池システムとして構成されている。燃料電池本体は、固体高分子電解質膜の両面に燃料極(アノード)並びに酸化剤極(カソード)に相当する2枚のガス拡散電極を配置した電極構造体がアノード及びカソードに燃料ガス及び酸化剤ガスをそれぞれ供給する為のガス流路を備えたセパレータ及び冷却媒体である不凍液が流通する冷却板を介して複数積層されてなる並設積層構造体を有する。 In general, a polymer electrolyte fuel cell is a fuel cell system in which a fuel cell body that generates power by reacting a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas containing oxygen is integrated with the peripheral system and peripheral devices. It is configured as. In the fuel cell main body, an electrode structure in which two gas diffusion electrodes corresponding to a fuel electrode (anode) and an oxidant electrode (cathode) are arranged on both surfaces of a solid polymer electrolyte membrane is a fuel gas and an oxidant on the anode and the cathode. It has a side-by-side laminated structure in which a plurality of layers are laminated via a separator having gas flow paths for supplying gas and a cooling plate through which an antifreeze liquid as a cooling medium flows.
従来から、白金等の触媒粒子を担持させた炭素粒子(カーボンブラック等)が分子構造中にフッ素を含むイオン導電性高分子バインダーにより一体化されている一対の電極触媒層と、両電極触媒層に挟持された高分子電解質膜と、アノード並びにカソードに相当するガス拡散電極を備える高分子型燃料電池用の電極構造体が知られている(例えば、特許文献1等を参照)。
停止時にカソードとアノードにそれぞれ酸素と水素が残ったままで負荷をつながないで放置したとき、また、起動時にアノードに水素を供給し始めたとき、アノードには水素と酸素が混在した状態となる。そして、アノードからカソードへプロトンH+が移動し、移動したH+とカソードの酸素が反応して水が生成される。この反応では電子e-が必要とされるが、負荷がつながっていないため電子e-が負荷を通じて移動してこない。そのため、カソードに存在する水と電解質膜上の炭素とが反応し(C+2H2O → CO2+4H++4e-)、この反応により生成された電子e-がカソード水生成反応に使われる。このとき電解質膜上の炭素が奪われて、電解質膜が劣化する。アノードでは混在している酸素と、カソードから移動したH+と、水素のプロトン化で生じた電子e-が反応して水が生成される。開放端電圧が高いと電子の移動が起こりすくなり、これらの化学反応が促進されて電解質膜触媒の炭素被毒がおこる。 When the cathode and the anode are left without being connected to the load while the cathode and the anode are not connected at the time of stopping, or when hydrogen is started to be supplied to the anode at the start-up, the anode is in a state where hydrogen and oxygen are mixed. Then, proton H + moves from the anode to the cathode, and the transferred H + reacts with oxygen at the cathode to generate water. While being is required, electrons e because the load is not connected - - In this reaction the electrons e do not come move through the load. Therefore, water present on the cathode reacts with carbon on the electrolyte membrane (C + 2H 2 O → CO 2 + 4H + + 4e − ), and electrons e − generated by this reaction are used for the cathode water generation reaction. At this time, carbon on the electrolyte membrane is deprived and the electrolyte membrane deteriorates. At the anode, mixed oxygen, H + transferred from the cathode, and electrons e − generated by protonation of hydrogen react to generate water. When the open-circuit voltage is high, electron transfer is difficult to occur, and these chemical reactions are promoted, and carbon poisoning of the electrolyte membrane catalyst occurs.
本発明は上記課題に鑑みて成されたものであり、その目的は、燃料電池のカソード側内部にある空気を吸引し、カソード側内部の酸素量を低減させることで炭素被毒を抑制する燃料電池システム及びその制御方法を提供することである。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a fuel that suppresses carbon poisoning by sucking air inside the cathode side of the fuel cell and reducing the amount of oxygen inside the cathode side. A battery system and a control method thereof are provided.
本発明の第1の特徴は、燃料電池と、この燃料電池のアノード側内部に水素を供給する水素供給手段と、燃料電池のカソード側内部に空気を供給する空気供給手段と、カソード側内部から排出される空気の圧力を調節する空気調圧弁と、燃料電池が発電し始めるまでの少なくとも一部の期間においてカソード側内部の少なくとも一部の空気の圧力が負圧となるように空気供給手段及び空気調圧弁を制御する制御手段とを有する燃料電池システムであることを要旨とする。 A first feature of the present invention is a fuel cell, a hydrogen supply means for supplying hydrogen into the anode side of the fuel cell, an air supply means for supplying air into the cathode side of the fuel cell, and an inside of the cathode side An air pressure regulating valve for adjusting the pressure of the discharged air, an air supply means so that the pressure of at least a part of the air inside the cathode side becomes a negative pressure during at least a part of the period until the fuel cell starts to generate power, and The gist of the present invention is a fuel cell system having control means for controlling an air pressure regulating valve.
本発明の第2の特徴は、燃料電池のアノード側内部に水素を供給する水素供給手段と、燃料電池のカソード側内部に空気を供給する空気供給手段と、カソード側から排出される空気の圧力を調節する空気調圧弁とを備えた燃料電池システムの制御方法であって、燃料電池システムが起動してから燃料電池が発電し始めるまでの少なくとも一部の期間において、カソード側内部の少なくとも一部の空気の圧力が負圧となるように空気供給手段及び空気調圧弁を制御する空気圧制御段階を有することを要旨とする。 The second feature of the present invention is that hydrogen supply means for supplying hydrogen into the anode side of the fuel cell, air supply means for supplying air into the cathode side of the fuel cell, and pressure of air discharged from the cathode side A control method for a fuel cell system comprising an air pressure regulating valve that regulates at least part of the interior of the cathode side during at least a part of the period from when the fuel cell system starts to when the fuel cell begins to generate power The gist of the present invention is to have an air pressure control stage for controlling the air supply means and the air pressure regulating valve so that the air pressure becomes negative.
本発明によれば、燃料電池のカソード側内部にある空気を吸引し、カソード側内部の酸素量を低減させることで炭素被毒を抑制する燃料電池システム及びその制御方法を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fuel cell system which suppresses carbon poisoning by attracting the air inside the cathode side of a fuel cell, and reducing the oxygen amount inside a cathode side can be provided.
以下図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図面の記載において同一あるいは類似部分には同一あるいは類似な符号を付している。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals.
<燃料電池システム>
図1に示すように、本発明の実施の形態に係わる燃料電池システムは、燃料電池1と、燃料電池1のアノード32a側内部に水素を供給する水素供給手段(例えば、水素タンク)2と、燃料電池1のカソード32b側内部に空気を供給する空気供給手段(例えば、コンプレッサ)10と、カソード32b側内部から排出される空気の圧力を調節する空気調圧弁11と、燃料電池1が発電し始めるまでの少なくとも一部の期間において、カソード32b側内部の少なくとも一部の空気の圧力が負圧となるようにコンプレッサ10及び空気調圧弁11を制御する制御手段38と、燃料電池1側若しくは燃料電池のバイパス側に選択的に空気を供給し、且つバイパス側を選択している時に燃料電池1側からバイパス側への空気の流れを許容する空気三方弁23と、空気三方弁23と燃料電池1を接続する空気供給配管40と、空気三方弁23から燃料電池1をバイパスして空気を排気するバイパス配管41と、バイパス配管41に接続された、燃料電池1を加湿するための水を保持する貯水手段(例えば、純水タンク)13と、アノード側に接続された、燃料電池1から排出された排水素を希釈する希釈手段(例えば、希釈ブロア)9とを少なくとも有する。
<Fuel cell system>
As shown in FIG. 1, a fuel cell system according to an embodiment of the present invention includes a fuel cell 1, hydrogen supply means (for example, a hydrogen tank) 2 for supplying hydrogen to the
燃料電池システムは、水素を含有する燃料ガス及び酸素を含有する酸化剤ガスを反応させて発電する燃料電池本体がその周辺システム及び周辺機器と一体となって構成されている。ここで図1に示す燃料電池1は、「燃料電池本体」に相当する。燃料電池1は、固体高分子電解質膜(以後、「電解質膜」と略す)31と、電解質膜31の両面を挟持する燃料極(アノード)32a並びに酸化剤極(カソード)32bに相当する2枚のガス拡散電極と、2枚のガス拡散電極32a、32bの外側に配置された多孔質プレートからなるセパレータ33と、カソード側のセパレータ33に隣接する純水極34と、純水極34に隣接するソリッドプレートからなるセパレータ35と、セパレータ35に隣接する冷却水流路36とを有する。
In a fuel cell system, a fuel cell body that generates electricity by reacting a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas containing oxygen is integrated with the peripheral system and peripheral devices. The fuel cell 1 shown in FIG. 1 corresponds to a “fuel cell main body”. The fuel cell 1 includes two sheets corresponding to a solid polymer electrolyte membrane (hereinafter abbreviated as “electrolyte membrane”) 31, a fuel electrode (anode) 32a sandwiching both surfaces of the electrolyte membrane 31, and an oxidant electrode (cathode) 32b. Gas diffusion electrode, a separator 33 composed of a porous plate arranged outside the two
電解質膜31の両面には反応触媒としてプラチナ触媒が塗られる。プラチナ触媒は高価であるため、一般的には微細な炭素を担体とし、炭素の表面プラチナ触媒を塗布して反応面積を大きくとることにより、少量のプラチナ触媒でも反応効率を高められるようにしている。アノード32aに水素ガスが、カソード32bに空気が供給され、(1)式及び(2)式に示す電極反応が進行され、発電される。
A platinum catalyst is applied to both surfaces of the electrolyte membrane 31 as a reaction catalyst. Since platinum catalysts are expensive, in general, fine carbon is used as a support, and by applying a platinum catalyst on the surface of carbon to increase the reaction area, the reaction efficiency can be increased even with a small amount of platinum catalyst. . Hydrogen gas is supplied to the
アノード(水素極):H2→2H++2e- (1)
カソード(酸素極):2H++2e-+(1/2)O2→H2O (2)
アノード32aへの水素の供給は、水素タンク2、水素タンク元弁3、減圧弁22、水素供給弁4を通じてなされる。水素タンク2から供給される高圧水素は、減圧弁22で機械的に所定の圧力まで減圧され、水素供給弁4で燃料電池1のアノード側内部での水素圧力が所望の水素圧に制御される。アノード32aへの供給口と排出口との間には、エゼクタ5及び水素循環ポンプ8が接続されている。エゼクタ5及び水素循環ポンプ8は、アノード32aで消費されなかった水素を再循環させるためにそれぞれ設置されている。水素循環ポンプ8はエゼクタ5が作動しない領域において水素の再循環を補う。制御手段38は、圧力センサ6aで検出した水素圧力をフィードバックして水素供給弁4を駆動することによってアノード32aの水素圧を制御する。水素圧を一定に制御することによって、燃料電池1が消費した分だけの水素が自動的に補われる。アノード32aの排出口にはパージ弁7が接続されている。パージ弁7の役割は、(A)水素循環機能を確保するために、水素系内に蓄積した窒素を排出すること、(B)セル電圧を回復させるために、ガス流路に詰まった水詰まりを吹き飛ばすこと、及び(C)燃料電池1の劣化を防止するために、起動時及び停止時にカソード32b側内部の酸素を電力消費させつつ水素系内のガスを水素置換させることである。パージ弁7の先には希釈ブロア9が接続されている。希釈ブロア9は、パージ弁7から排出される水素の濃度を可燃濃度未満になるように空気で希釈してから水素をシステム外へ排出する。
Anode (hydrogen electrode): H 2 → 2H + + 2e − (1)
Cathode (oxygen electrode): 2H + + 2e − + (1/2) O 2 → H 2 O (2)
Hydrogen is supplied to the
カソード32bへの空気の供給は、コンプレッサ10によりなされる。コンプレッサ10の下流には空気三方弁23が設置され、空気供給配管40は空気三方弁23の一方の排出口と燃料電池1とを繋ぎ、バイパス配管41は空気三方弁23の他方の排出口と純水タンク13とを繋いでいる。空気三方弁23については図2(a)を参照して後述する。制御手段38は、圧力センサ6bで検出した空気圧力をフィードバックして空気調圧弁11を駆動することによって、カソード32b側内部の空気圧を制御する。
Air is supplied to the
純水極34への純水の供給は、純水タンク13、純水ポンプ12を介してなされる。制御手段38は、空気力、水素力、純水圧を、発電効率や水収支を考慮して設定するとともに、電解質膜31やセパレータ33、35に歪みを生じないように所定の差圧に管理する。純水回収弁14a、14b、14cを駆動することによって、燃料電池1の純水極34及び純水系配管内の純水を空気圧で純水タンク13へ回収する。純水が純水極34に残ったままの状態でシステムを停止すると、氷点下においては純水が膨張して燃料電池1が壊れる可能性があるため、システム停止時には純水を純水タンク13へ回収する。純水回収弁14d、14bは、シャット機能を備える純水シャット弁である。システムの起動時或いは停止時に純水が純水極34に循環しておらず水素をアノード32aへ供給する場合に、純水シャット弁14b、14dの両方を閉じることによって、純水系配管内への水素のリークを抑制する。
Pure water is supplied to the
冷却水流路36への冷却水の供給は、冷却水ポンプ15によりなされる。冷却水の流路上には、冷却水ポンプ15と、冷却水三方弁16と、ラジエタ17とが接続されている。冷却水三方弁16は、冷却水の流路をラジエタ17方向とラジエタバイパス方向に切り替え或いは分流する。ラジエタファン18はラジエタ17へ風を通過させてラジエタ17内の冷却水を冷やす。制御手段38は、温度センサ19で検出した冷却水温度をフィードバックして冷却水三方弁16とラジエタファン18を駆動することによって冷却水の温度を調整する。
The cooling water is supplied to the cooling
燃料電池1が生成した電力は、パワーマネージャー20によって取り出される。パワーマネージャー20は、車両を駆動するモータ(図示しない)へこの電力を供給する。燃料電池パワープラントシステムの起動時或いは停止時に電圧センサ21で検出された燃料電池の電圧及び経過時間に応じて、燃料電池1から電力を取り出して、カソード32b内部の酸素を消費させる。
The power generated by the fuel cell 1 is taken out by the
図2(a)に示すように、空気三方弁は空気の流れを制御する駆動弁37を有する。駆動弁37は純水タンク13側には閉じきれるが、燃料電池1側には閉じきれない。図2(b)に示すように、通常時において、駆動弁37は純水タンク13側を閉じきり、コンプレッサ10から供給される空気を総て燃料電池1へ転送する。図2(c)に示すように、カソード32b側内部の空気を吸引する吸引時において、空気三方弁はコンプレッサ10から供給される空気を純水タンク13へ転送する。氷点下において純水タンク13が凍結している場合では、コンプレッサ10からの空気を純水タンク13に供給することで空気の温度を上昇させて純水の解凍補助を行う。この時、ベンチュリー効果による負圧が発生してカソード32b側の空気は純水タンク13へ吸引される。したがって、カソード32b側内部の空気の圧力が負圧となる。
As shown in FIG. 2A, the air three-way valve has a
<燃料電池システムの制御方法>
次に、図3のフローチャートを参照して、図1及び図2に示した燃料電池システムの制御方法を説明する。
<Control method of fuel cell system>
Next, a control method of the fuel cell system shown in FIGS. 1 and 2 will be described with reference to the flowchart of FIG.
(イ)先ずS1段階において、図1に示す燃料電池システムを起動する。 (A) First, in step S1, the fuel cell system shown in FIG. 1 is started.
(ロ)S2段階において、燃料電池システムが有する圧力センサ6a、6b及び温度センサ19の測定値や、前回停止した時間から現在(燃料電池)までの時間Teを読み込む。
(B) In step S2, the measured values of the
(ハ)S3段階において、燃料電池システムが停止していた時間Teが所定の閾値Ti1以上であるか否かを判断する。時間Teが閾値Ti1未満である場合(S3段階においてNO)、S7に進み、時間Teが閾値Ti1以上である場合(S3段階においてYES)、S4に進む。ここでの閾値Ti1は例えば、5時間に設定する。 (C) In step S3, it is determined whether the time Te during which the fuel cell system has been stopped is equal to or greater than a predetermined threshold value Ti1. If the time Te is less than the threshold Ti1 (NO in step S3), the process proceeds to S7, and if the time Te is greater than or equal to the threshold Ti1 (YES in step S3), the process proceeds to S4. The threshold value Ti1 here is set to 5 hours, for example.
(ニ)S4段階において、制御手段38は、コンプレッサ10を駆動した時にカソード32b側内部の少なくとも一部の空気の圧力が負圧となるように、空気調圧弁11及び空気三方弁23を制御する。S4段階を「空気圧制御段階」と呼ぶ。具体的には、空気圧制御段階は、空気調圧弁11の開度は全閉状態とし、ベンチュリー効果により燃料電池1のカソード32b側内部から純水タンク13側へ空気が供給されるように空気三方弁23の駆動弁の開度を調節する。
(D) In step S4, the control means 38 controls the air pressure regulating valve 11 and the air three-way valve 23 so that the pressure of at least a part of the air inside the
(ホ)S5段階において、燃料電池1のアノード32a側内部に水素を供給すると同時に、コンプレッサ10から空気を供給することで燃料電池1のカソード32b側にベンチュリー効果による負圧を発生させて燃料電池1のカソード32b側に存在している空気を吸引し、純水タンク13への空気の供給を開始する。S5段階を「燃料供給段階」と呼ぶ。燃料供給段階は、コンプレッサ10が供給する空気の圧力を上げる手順を含む。すなわち、コンプレッサ10を通常時の空気供給圧力よりも高い圧力において動作させる。なお、燃料供給段階は、燃料電池システムが起動してから燃料電池1が発電し始めるまでの総ての期間或いは一部の期間において実施される。
(E) In step S5, hydrogen is supplied into the
(へ)S6段階において、コンプレッサ10から空気を供給開始した時間Ttが閾値Ti2よりも長いか否かを判断する。閾値Ti2よりも長い場合(S6段階においてYES)、S7に進み、閾値Ti2以下である場合(S6段階においてNO)、コンプレッサ10からの空気供給を継続する。ここでの閾値Ti2は例えば30秒とする。
(F) In step S6, it is determined whether or not the time Tt when the supply of air from the
(ト)S7段階において、空気調圧弁11及び空気三方弁23の開度調節を行う。例えば空気調圧弁11は全開状態とし、空気三方弁23の開度は燃料電池側に空気が供給されるように調節される。 (G) In step S7, the opening of the air pressure regulating valve 11 and the air three-way valve 23 is adjusted. For example, the air pressure regulating valve 11 is fully opened, and the opening degree of the air three-way valve 23 is adjusted so that air is supplied to the fuel cell side.
(チ)S8段階において、純水ポンプ12を駆動して燃料電池1の純水極34への純水供給を開始する。
(H) In step S8, the
なお、S5段階において燃料電池1に水素と空気を同時に供給し始めたが、本発明はこれに限定されるものではない。空気を供給し始めた後に水素を供給し始めるように水素供給手段及び空気供給手段(コンプレッサ)10を制御しても構わない。 In addition, although hydrogen and air began to be simultaneously supplied to the fuel cell 1 in the step S5, the present invention is not limited to this. The hydrogen supply unit and the air supply unit (compressor) 10 may be controlled to start supplying hydrogen after starting to supply air.
以上説明したように、システム起動時に燃料電池1のカソード32b側内部の総て若しくは一部が負圧となる制御を行うことで、カソード32b内の空気を吸引することによりカソード32b内の酸素量を低減させて開放端電圧の上昇を抑えることにより燃料電池1のカソード32b側で発生する炭素被毒を抑制することが出来る。
As described above, the amount of oxygen in the
システムを起動してから燃料電池1が発電し始めるまでの総ての期間或いは一部の期間において、制御手段38は、空気調圧弁11を全閉状態としつつバイパス側(純水タンク13側)に空気を供給するように空気三方弁23を制御する。このことにより、簡単な構成で燃料電池1のカソード32b側の総て若しくは一部を負圧とすることが出来る。
In the whole period or a part of the period from when the system is started to when the fuel cell 1 starts to generate power, the control means 38 controls the bypass side (
制御手段38は、燃料電池システムが起動する時に燃料電池1に水素と空気を同時に供給し始めるか、若しくは空気を供給し始めた後に水素を供給し始めるように水素供給手段(例えば、水素供給弁4など)及びコンプレッサ10を制御する。このことにより、水素供給は空気供給以降とするように制御するので、負圧によるカソード32b側の空気吸引による酸素量の低減と、空気吸引と同時もしくは空気吸引後からアノード32a側から水素を供給するので、高濃度の酸素がある状態で水素が供給されることが無く、高電位となることが抑制される。
The control means 38 starts supplying hydrogen and air simultaneously to the fuel cell 1 when the fuel cell system is activated, or supplies hydrogen after starting supplying air (for example, a hydrogen supply valve). 4) and the
さらに、水素と酸素が反応し酸素が消費されることによる酸素濃度の低減により、より短時間にカソード23b内酸素濃度を低下させることが出来る。 Furthermore, the oxygen concentration in the cathode 23b can be reduced in a shorter time by reducing the oxygen concentration due to the reaction between hydrogen and oxygen and the consumption of oxygen.
制御手段38は、負圧となるように制御を行う時、コンプレッサ10が供給する空気の圧力を上げる。燃料電池システムは、コンプレッサ10の供給圧力を上げて、空気温度を上昇させる制御を行うので、温度の高い空気を供給することが可能なため、燃料電池1のカソード32b側から空気を吸引すると共に、氷点下で凍結している純水の解凍時間をより短縮することが出来る。
The control means 38 raises the pressure of the air supplied by the
図5(a)に示すように、燃料電池システムの停止時、放置時、或いは起動時においてカソード32bとアノード32aにそれぞれ酸素と水素が残ったままで負荷をつながないで放置したとき、また、燃料電池システムの起動時においてアノード32aに水素を供給し始めたとき、アノード32aは水素と酸素が混在した状態となる。したがって、アノード32aからカソード32bへプロトンH+が移動し、移動したH+とカソード32bの酸素とが反応して水が生成される。この反応では電子e-が必要とされるが、負荷がつながっていないため電子e-が負荷を通じて移動してこない。そのため、カソード32bに存在する水とプラチナ触媒を炭素担体が担持した電極触媒層39とが反応し、この反応で生成された電子e-がカソード水生成反応に使われる。このとき電極触媒層39の炭素が奪われて、電解質膜31が劣化する。アノード32aでは混在している酸素と、カソードから移動したH+と、水素のプロトン化で生じた電子e-が反応して水が生成される。開放端電圧が高いと電子の移動が起こりすくなり、これらの化学反応が促進されて電解質膜31の炭素被毒が激しくなる。電解質膜31の炭素被毒は燃料電池システムのI−V特性に影響を及ぼす、すなわち、電圧が下がり、大きな発電電力を得ることができなくなる。
As shown in FIG. 5A, when the fuel cell system is stopped, left standing, or started, oxygen and hydrogen remain in the
図5(b)に示すように、燃料電池システムの停止(放置)時において、(1)カソード32b内に酸素が残留しており、(2)アノード32a内に水素が残留して酸素が外部から進入し、(3)電力の取り出しがなく(負荷の接続なし)、(4)開放端電圧が高い場合、逆電流が流れて電解質膜31上のプラチナ触媒担体の炭素が炭素被毒を起こす。これに対する対処法としては、(A)カソード32b側内部の酸素を消費する、(B)カソード32b側内部の酸素消費により開放端電圧を低減する、(C)カソード32bとアノード32aの間に短絡抵抗を接続する、などがある。
As shown in FIG. 5B, when the fuel cell system is stopped (leaved), (1) oxygen remains in the
一方、燃料電池システムの起動時において、(1)カソード32b内に酸素が外部から進入し、(2)アノード32a内に水素を供給すると酸素と混ざり合い、(3)電力の取り出しがなく(電力取出しよりも水素の供給が先に行われている)、(4)開放端電圧が高い場合、逆電流が流れて電解質膜31上のプラチナ触媒担体の炭素が炭素被毒を起こす。これに対する対処法としては、(A)カソード32b側内部の酸素を消費する、(B)アノード32a側内部の水素を置換する、(C)カソード32b側内部の酸素消費により開放端電圧を低減する、などがある。
On the other hand, when the fuel cell system is started up, (1) oxygen enters the
上記問題に対して、本発明の実施の形態に係わる燃料電池システム及びその制御方法によれば、空気調圧弁11を閉じきりとし、空気三方弁23の開度を調節して空気供給手段(コンプレッサ)10から空気を供給することで、燃料電池1のカソード32b側内部にある空気を吸引し、カソード32b側内部の酸素量を低減させることで炭素被毒を抑制することが出来る。
In order to solve the above problem, according to the fuel cell system and the control method thereof according to the embodiment of the present invention, the air pressure adjusting valve 11 is completely closed and the opening degree of the air three-way valve 23 is adjusted to adjust the air supply means (compressor). ) By supplying air from 10, the air inside the
また、燃料電池は電解質膜31を加湿しないと、燃料電池自身から発電と同時に発生する熱や供給ガスによる水分持ち出しにより、電解質膜が乾燥してしまい性能劣化が起こる。そのため外部より加湿用純水を供給する必要がある。しかし氷点下で加湿用純水が凍結してしまった場合、燃料電池に加湿用純水を供給する事が出来ないため、燃料電池加湿用純水を早急に解凍する必要がある。本発明の実施の形態に係わる燃料電池システム及びその制御方法によれば、燃料電池の劣化抑制時に空気三方弁23を調節し、コンプレッサ10から空気を供給する事で、燃料電池1のカソード32b側内部の空気を吸引すると同時に、コンプレッサ10で0℃以上に温度を持ち上げた空気を純水タンク13に供給することにより、純水タンク13内の純水解凍の一助となる。また空気三方弁23の開度調節を行い、コンプレッサ10の吐出圧を高めることにより、より高い温度の空気を純水タンク13に供給することが可能である。
Further, if the fuel cell does not humidify the electrolyte membrane 31, the electrolyte membrane dries out due to heat generated from the fuel cell itself at the same time as power generation and moisture taken out by the supply gas, resulting in performance degradation. Therefore, it is necessary to supply humidified pure water from the outside. However, if the pure water for humidification freezes below freezing point, the pure water for humidification cannot be supplied to the fuel cell, so it is necessary to quickly thaw the pure water for humidification of the fuel cell. According to the fuel cell system and the control method thereof according to the embodiment of the present invention, the air three-way valve 23 is adjusted and the air is supplied from the
(変形例)
図4に示すように、本発明の実施の形態の変形例に係わる燃料電池システムは、図1に示す燃料電池システムに比べて、希釈ブロア9と空気三方弁23を繋ぐ配管が付与される点が異なり、他の構成は同じであり説明を省略する。
(Modification)
As shown in FIG. 4, the fuel cell system according to the modification of the embodiment of the present invention is provided with a pipe connecting the
図1の燃料電池システムでは、燃料電池1のカソード32b側から空気を吸引することで、開放端電圧の上昇を抑え燃料電池1の炭素被毒を抑制していたが、図4の燃料電池システムでは、炭素被毒の抑制のために燃料電池1のカソード32b側に負圧を発生させて空気を吸引すると共に、吸引した空気を希釈ブロワ9に供給することでより高い希釈効果を得ることができる。
In the fuel cell system of FIG. 1, by sucking air from the
すなわち、燃料電池1の炭素被毒の抑制のためにアノード32a側に供給する水素を燃料電池1のカソード32b側で吸引した空気を用い、排気される水素と混合することで水素濃度を低減して排気することが出来る。
That is, in order to suppress carbon poisoning of the fuel cell 1, hydrogen supplied to the
上記のように、本発明は、1つの実施の形態及びその変形例によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。即ち、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ限定されるものである。 As described above, the present invention has been described by way of one embodiment and modifications thereof. However, it should not be understood that the description and drawings constituting a part of this disclosure limit the present invention. From this disclosure, various alternative embodiments, examples and operational techniques will be apparent to those skilled in the art. That is, it should be understood that the present invention includes various embodiments not described herein. Therefore, the present invention is limited only by the invention specifying matters according to the scope of claims reasonable from this disclosure.
1:燃料電池
2:水素タンク
3:水素タンク元弁
4:水素供給弁
5:エゼクタ
6a、6b:圧力センサ
7:パージ弁
8:水素循環ポンプ
9:希釈ブロワ
10:コンプレッサ
11:空気調圧弁
12:純水ポンプ
13:純水タンク
14a〜14d:バルブ
15:冷却水ポンプ
16:冷却水三方弁
17:ラジエタ
18:ラジエタファン
19:温度センサ
20:パワーマネージャー
21:電圧センサ
22:減圧弁
23:空気三方弁
31:電解質膜
32a:アノード
32b:カソード
33:セパレータ(多孔質プレート)
34:純水極
35:セパレータ(ソリッドプレート)
36:冷却水流路
37:駆動弁
38:制御手段
1: Fuel cell 2: Hydrogen tank 3: Hydrogen tank main valve 4: Hydrogen supply valve 5:
34: Pure water electrode 35: Separator (solid plate)
36: Cooling water flow path 37: Drive valve 38: Control means
Claims (10)
前記燃料電池のアノード側内部に水素を供給する水素供給手段と、
前記燃料電池のカソード側内部に空気を供給する空気供給手段と、
前記カソード側内部から排出される前記空気の圧力を調節する空気調圧弁と、
前記燃料電池が発電し始めるまでの少なくとも一部の期間において、前記カソード側内部の少なくとも一部の前記空気の圧力が負圧となるように、前記空気供給手段及び前記空気調圧弁を制御する制御手段
とを有することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell;
Hydrogen supply means for supplying hydrogen into the anode side of the fuel cell;
Air supply means for supplying air into the cathode side of the fuel cell;
An air pressure regulating valve for adjusting the pressure of the air discharged from the cathode side;
Control for controlling the air supply means and the air pressure regulating valve so that the pressure of at least a part of the air inside the cathode side becomes a negative pressure during at least a part of the period until the fuel cell starts to generate power. And a fuel cell system.
前記空気三方弁と前記燃料電池を接続する空気供給配管と、
前記空気三方弁から前記燃料電池をバイパスして前記空気を排気するバイパス配管とを更に有し、
前記燃料電池が発電し始めるまでの少なくとも一部の期間において、前記制御手段は、前記空気調圧弁を全閉状態としつつ前記バイパス側に空気を供給するように前記空気三方弁を制御することを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。 Three-way air that selectively supplies the air to the fuel cell side or the bypass side of the fuel cell and allows the flow of air from the fuel cell side to the bypass side when the bypass side is selected A valve,
An air supply pipe connecting the air three-way valve and the fuel cell;
A bypass pipe that bypasses the fuel cell from the air three-way valve and exhausts the air;
In at least a part of the period until the fuel cell starts to generate power, the control means controls the air three-way valve so that air is supplied to the bypass side while the air pressure regulating valve is fully closed. The fuel cell system according to claim 1, wherein:
前記希釈手段は前記バイパス配管に接続されていることを特徴とする請求項2記載の燃料電池システム。 Further comprising dilution means for diluting the exhaust hydrogen discharged from the fuel cell connected to the anode side;
The fuel cell system according to claim 2, wherein the dilution unit is connected to the bypass pipe.
前記燃料電池システムが起動してから前記燃料電池が発電し始めるまでの少なくとも一部の期間において、前記カソード側内部の少なくとも一部の前記空気の圧力が負圧となるように前記空気供給手段及び前記空気調圧弁を制御する空気圧制御段階を有することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。 Hydrogen supply means for supplying hydrogen to the anode side of the fuel cell, air supply means for supplying air to the cathode side of the fuel cell, and an air pressure regulating valve for adjusting the pressure of the air discharged from the cathode side A control method for a fuel cell system comprising:
The air supply means so that the pressure of at least a part of the air inside the cathode side becomes a negative pressure in at least a part of a period from when the fuel cell system is started to when the fuel cell starts to generate power; A control method for a fuel cell system, comprising: an air pressure control step for controlling the air pressure regulating valve.
前記空気圧制御段階は、前記空気調圧弁を全閉状態としつつ前記バイパス側に空気を供給するように前記空気三方弁を制御する段階であることを特徴とする請求項7記載の燃料電池システムの制御方法。 The fuel cell system selectively supplies the air to the fuel cell side or the bypass side of the fuel cell, and the air from the fuel cell side to the bypass side when the bypass side is selected. A three-way air valve that allows flow;
8. The fuel cell system according to claim 7, wherein the air pressure control step is a step of controlling the air three-way valve so as to supply air to the bypass side while the air pressure regulating valve is fully closed. Control method.
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