JP2005183178A - Fuel battery system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電解質に固体高分子膜を用いた固体高分子型燃料電池を備える燃料電池システムに関するものであり、特に、外部に排出される燃料ガス濃度を抑制するための技術に関する。 The present invention relates to a fuel cell system including a solid polymer fuel cell using a solid polymer membrane as an electrolyte, and more particularly to a technique for suppressing the concentration of fuel gas discharged to the outside.
近年の環境問題、特に自動車の排出ガスによる大気汚染や二酸化炭素による地球温暖化の問題等に対する対策として、クリーンな排気及び高エネルギ効率を可能とする燃料電池技術が注目を浴びている。燃料電池は、燃料ガス(例えば水素)及び空気を、電解質・電極触媒複合体に供給し、電気化学反応を起こし、化学エネルギを電気エネルギに変換するエネルギ変換システムである。中でも、固体高分子膜を電解質として用いた固体高分子型燃料電池は、低コストでコンパクト化が容易であり、しかも高い出力密度を有することから、自動車等の移動体用電源としての用途が期待されている。 Fuel cell technology that enables clean exhaust and high energy efficiency is attracting attention as a countermeasure against environmental problems in recent years, particularly air pollution caused by automobile exhaust gas and global warming caused by carbon dioxide. A fuel cell is an energy conversion system that supplies fuel gas (for example, hydrogen) and air to an electrolyte / electrode catalyst complex, causes an electrochemical reaction, and converts chemical energy into electrical energy. Above all, a polymer electrolyte fuel cell using a polymer electrolyte membrane as an electrolyte is easy to downsize at a low cost and has a high output density, so it is expected to be used as a power source for mobile vehicles such as automobiles. Has been.
ところで、前記固体高分子型燃料電池においては、固体高分子膜は、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能するとともに、水素と酸素とを分離する機能も有する。固体高分子膜の含水量が不足すると、イオン抵抗が高くなり、水素と酸素とが混合して燃料電池としての発電ができなくなってしまう。 By the way, in the polymer electrolyte fuel cell, the solid polymer membrane functions as an ion conductive electrolyte by saturated water content, and also has a function of separating hydrogen and oxygen. If the water content of the solid polymer membrane is insufficient, the ionic resistance becomes high, and hydrogen and oxygen are mixed to make it impossible to generate power as a fuel cell.
一方で、発電により燃料極で分離した水素イオンが電解質膜を通るときには、水も一緒に移動するため、燃料極側は乾燥する傾向にある。また、供給する水素または空気に含まれる水蒸気が少ないと、それぞれの反応ガス入口付近で固体高分子膜が乾燥する傾向にある。 On the other hand, when hydrogen ions separated at the fuel electrode by power generation pass through the electrolyte membrane, water also moves together, so the fuel electrode side tends to dry. In addition, when the amount of water vapor contained in the supplied hydrogen or air is small, the solid polymer membrane tends to dry near the respective reaction gas inlets.
このようなことから、固体高分子型燃料電池における固体高分子膜は、外部から水分を供給して積極的にこれを加湿する必要があり、燃料電池内部に純水等の加湿剤を直接供給し、加湿を行う内部加湿方式の燃料電池システムが知られている(例えば、特許文献1等を参照)。 For this reason, solid polymer membranes in polymer electrolyte fuel cells need to be moisturized by supplying moisture from the outside, and a humidifier such as pure water is directly supplied into the fuel cell. In addition, an internal humidification fuel cell system that performs humidification is known (see, for example, Patent Document 1).
特許文献1記載の発明では、水だけを選択的に透過させる逆浸透膜と膜内に浸透した水を膜表面から蒸発させる浸透気化膜とからなる複合膜を介して、逆浸透膜側に加湿水を、浸透気化膜側に反応ガスをそれぞれ供給することにより、反応ガスを加湿するようにしている。
ところで、以上のような内部加湿方式の燃料電池システムにおいても、常に燃料電池に加湿剤を供給するわけではなく、例えば、下記の(1)、(2)例のように、加湿剤を供給せずに燃料電池に燃料ガスを供給する場合がある。 Incidentally, even in the internal humidifying fuel cell system as described above, the humidifying agent is not always supplied to the fuel cell. For example, as in the following (1) and (2) examples, the humidifying agent is not supplied. In some cases, fuel gas is supplied to the fuel cell.
(1)燃料電池の発電性能を保つためには電解質膜の炭素腐食を避ける必要があるが、この炭素腐食を避けるために、電圧を抑制しつつ電力を取り出し、酸化剤極(カソード)の酸素を消費することで電圧が立たない状態にする場合。 (1) In order to maintain the power generation performance of the fuel cell, it is necessary to avoid carbon corrosion of the electrolyte membrane. In order to avoid this carbon corrosion, the electric power is taken out while suppressing the voltage, and oxygen in the oxidizer electrode (cathode). When the voltage is not generated by consuming.
(2)氷点下起動時に加湿剤を供給しない状態で発電を開始する場合。 (2) When power generation is started without supplying a humidifying agent at the time of starting below freezing point.
このように、内部加湿方式の燃料電池システムにおいて加湿剤を供給せずに燃料ガスを供給する場合には、加湿剤供給経路へ燃料ガスが流出する可能性があり、加湿剤供給経路を介して高い濃度の燃料ガスが外部に排出される可能性がある。 Thus, in the case of supplying fuel gas without supplying a humidifier in the internal humidification type fuel cell system, there is a possibility that the fuel gas flows out to the humidifier supply path, via the humidifier supply path. High concentration fuel gas may be discharged to the outside.
本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、内部加湿方式の燃料電池システムにおいて、加湿剤を供給せずに燃料ガスを供給する場合に、加湿剤供給経路へ流出する燃料ガスの流量を最小限にし、加湿剤供給経路を介して高い濃度の燃料ガスが外部に排出されるのを防止し得る燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention has been proposed in view of such a conventional situation, and in an internal humidification type fuel cell system, when fuel gas is supplied without supplying a humidifier, it flows into the humidifier supply path. An object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of minimizing the flow rate of the fuel gas and preventing the high concentration fuel gas from being discharged to the outside through the humidifying agent supply path.
本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、燃料ガス供給手段と、加湿剤供給経路と、加湿剤供給手段と、加湿剤供給経路遮断手段とを備える。燃料電池は、燃料極と酸化剤極間に電解質膜を挟持させてなる単電池と、前記電解質膜を内部加湿させるための加湿剤流路とが積層されて構成されるものであり、この燃料電池には、燃料ガス供給手段から燃料ガスが供給される。また、燃料電池には加湿剤供給経路が接続されており、この加湿剤供給経路に設けられた加湿剤供給手段から燃料電池の加湿剤流路に対して、加湿剤の供給が行われる。そして、本発明の燃料電池システムでは、加湿剤を供給せずに少なくとも燃料ガスを燃料電池に供給する際には、加湿剤供給経路遮断手段により加湿剤供給経路を遮断するようにしている。 The fuel cell system of the present invention includes a fuel cell, a fuel gas supply means, a humidifying agent supply path, a humidifying agent supply means, and a humidifying agent supply path blocking means. A fuel cell is configured by laminating a unit cell in which an electrolyte membrane is sandwiched between a fuel electrode and an oxidant electrode, and a humidifier channel for internally humidifying the electrolyte membrane. Fuel gas is supplied to the battery from the fuel gas supply means. Further, a humidifying agent supply path is connected to the fuel cell, and the humidifying agent is supplied from the humidifying agent supplying means provided in the humidifying agent supplying path to the humidifying agent passage of the fuel cell. In the fuel cell system of the present invention, when supplying at least the fuel gas to the fuel cell without supplying the humidifying agent, the humidifying agent supply path is cut off by the humidifying agent supply path blocking means.
これにより、前記(1)、(2)の例のような場合でも、加湿剤供給経路を介して外部へ燃料ガスが流れることがなくなる。 Thereby, even in the case of the examples (1) and (2), the fuel gas does not flow to the outside through the humidifying agent supply path.
本発明の燃料電池システムによれば、加湿剤を供給せずに少なくとも燃料ガスを供給する場合に、加湿剤供給経路へ排出される燃料ガスの流量を最小限にし、加湿剤供給経路を介して高い濃度の燃料ガスが外部へ排出されるのを防止することができる。 According to the fuel cell system of the present invention, when supplying at least the fuel gas without supplying the humidifying agent, the flow rate of the fuel gas discharged to the humidifying agent supplying path is minimized, and the humidifying agent supplying path is used. It is possible to prevent high concentration fuel gas from being discharged to the outside.
以下、本発明を適用した燃料電池システムの実施形態について、図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of a fuel cell system to which the present invention is applied will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明に特徴的な構成の繋がりを示す概念図である。本発明の燃料電池システムは、燃料電池内部に純水等の加湿剤を直接供給して加湿を行う内部加湿方式の燃料電池システムであり、図1に示すように、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段1の動作状態と、燃料電池システムの運転状態を検出する運転状態検出手段2の出力とに基づいて、加湿剤供給手段3が燃料電池に加湿剤を供給し、また、前記燃料ガス供給手段1の動作状態と前記運転状態検出手段2の出力とに基づいて、加湿剤供給経路遮断手段4が加湿剤供給経路を遮断するようになっている。
FIG. 1 is a conceptual diagram showing the connection of the characteristic features of the present invention. The fuel cell system of the present invention is an internal humidification type fuel cell system in which humidification is performed by directly supplying a humidifier such as pure water into the fuel cell. As shown in FIG. 1, fuel gas is supplied to the fuel cell. Based on the operating state of the fuel
図2は、本発明を適用した燃料電池システムのより具体的な構成を示すものである。本例の燃料電池システムでは、燃料電池10は、燃料極(アノード)11及び酸化剤極(カソード)12と、これら燃料極11及び酸化剤極12の間に挟持される電解質膜13と、前記燃料極11及び酸化剤極12に対してセパレータ14,15を介して積層される純水極(加湿剤流路)16,17、セパレータ18を介して積層される冷却水流路19とから構成されている。そして、この燃料電池10の電解質膜13としては固体高分子膜が用いられ、セパレータ14,15には多孔質プレート、セパレータ18にはソリッドプレート等が用いられている。
FIG. 2 shows a more specific configuration of the fuel cell system to which the present invention is applied. In the fuel cell system of this example, the fuel cell 10 includes a fuel electrode (anode) 11 and an oxidant electrode (cathode) 12, an
ここで、燃料極11への水素供給は、水素供給源として水素タンク20を有する水素供給系(燃料ガス供給手段)により行われる。すなわち、水素タンク20から水素タンク元弁21を介して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23で燃料電池10の燃料極11での水素圧力が所望の水素圧になるように制御され、燃料電池10に供給される。
Here, the hydrogen supply to the
また、水素供給系には、燃料電池10の燃料極11で消費されなかった水素を再循環させるために、水素循環流路24、エゼクタ25、水素循環ポンプ26が設置されている。ここで、水素循環ポンプ26は、エゼクタ25が作動しない領域を補うものである。
The hydrogen supply system is provided with a
さらに、燃料電池10の燃料極11の外部排気部には、パージ弁27が設置されている。パージ弁27は、次のような役割を果たす。
Further, a
(1)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。 (1) Discharge nitrogen accumulated in the hydrogen system in order to ensure the hydrogen circulation function.
(2)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。 (2) In order to recover the cell voltage, the water clogged in the gas flow path is blown away.
(3)燃料電池10の劣化を防止するために、起動時に酸化剤極12の酸素を電力消費させつつ水素系内のガスを水素置換し、停止時にも酸化剤極12の酸素を電力消費させる。
(3) In order to prevent deterioration of the fuel cell 10, the gas in the hydrogen system is replaced with hydrogen while consuming the oxygen of the
パージ弁27の下流位置には希釈ブロア28が設置されており、パージ弁27から排出される水素を可燃濃度未満の水素濃度になるように空気で希釈して車外へ排出する。
A
一方、酸化剤極12への空気の供給は、空気供給源としてコンプレッサ29を有する空気供給系により行われる。すなわち、コンプレッサ29の駆動により外部から取り込まれた空気が、燃料電池10の酸化剤極12へと圧送される。このとき、燃料電池10の酸化剤極12の空気圧は、空気調圧弁30を駆動することによって制御される。
On the other hand, air is supplied to the
燃料電池10の純水極16,17への純水の供給は、加湿剤供給経路である純水供給経路31を介して加湿剤供給手段(純水タンク32及び純水ポンプ33)により行われる。なお、純水供給経路31には、燃料電池10の純水極16,17の入口側及び出口側の双方に、純水供給経路31を燃料電池10前後で遮断する加湿剤供給経路遮断手段である純水シャット弁34がそれぞれ設置されている。
Supply of pure water to the
各供給系において、酸化剤である空気の空気圧、燃料である水素のガス圧、加湿剤である純水の圧力は、燃料電池10での発電効率や水収支を考慮して設定されるとともに、燃料電池10の電解質膜13やセパレータ14,15に歪みを生じないように所定の差圧に管理される。
In each supply system, the air pressure of the oxidant, the gas pressure of hydrogen as the fuel, and the pressure of pure water as the humidifier are set in consideration of the power generation efficiency and the water balance in the fuel cell 10, The pressure difference is controlled at a predetermined pressure so that the
燃料電池10の冷却水流路19への冷却水の供給は、冷却水循環流路35を介して冷却水ポンプ36により行われる。冷却水循環流路35には三方弁37が設けられており、冷却水の流路をラジエータ38方向とラジエータバイパス方向とで切り替え、あるいは分流をする。ラジエータ38には、ラジエータファン39が設けられており、ラジエータ38へ風を通過させて冷却水を冷却する。冷却水の温度は、前記三方弁37とラジエータファン39の駆動によって調整される。
The cooling water is supplied to the
また、燃料電池10にはパワーマネージャ40が接続されており、このパワーマネージャ40によって燃料電池10から電力を取り出して、例えば車両を駆動するモータ等の負荷(図示しない)へ電力を供給する。
In addition, a
また、本実施形態の燃料電池システムには、コントローラ41や、燃料電池10の電圧を検出する電圧センサ42、燃料電池10の燃料極11入口圧力を検出する圧力センサ43、燃料電池10の純水極16,17出口圧力を検出する圧力センサ44、燃料電池10の冷却水流路19入口温度を検出する温度センサ45がそれぞれ設けられており、コントローラ41が、各センサからの出力に基づいて燃料電池10の運転状態を判断し(運転状態検出手段)、それに応じて、起動、発電、停止のそれぞれの状況で、燃料電池システム内の各アクチュエータの動作を最適な状態に制御する。
Further, the fuel cell system of the present embodiment includes a
以上のように構成される燃料電池システムにおいて、燃料電池10では、燃料極11に燃料ガス(水素ガス)が、酸化剤極12に酸化剤ガス(空気)が供給されることで、以下に示す電極反応が進行し、電力が発電される。
In the fuel cell system configured as described above, in the fuel cell 10, fuel gas (hydrogen gas) is supplied to the
アノード(燃料極): H2 → 2H++2e− (1)
カソード(酸化剤極): 2H++2e−+(1/2)O2 → H2O (2)
ここで、燃料電池10の電解質膜13にはプラチナ触媒等の反応触媒が炭素を担体として表面に塗布形成され、これにより燃料極11や酸化剤極12が形成されている。このような燃料電池10の電解質膜13にあっては、燃料電池システムの停止時、放置時、起動時に、燃料電池10の燃料極11及び酸化剤極12が図3及び表1に示すような状態になると、酸化剤極12で電解質膜13上の炭素と水が反応して炭素腐食が起こり、電解質膜13が劣化するという問題がある。この現象を図3及び表1を用いて詳しく説明する。
Cathode (oxidant electrode): 2H + + 2e − + (1/2) O 2 → H 2 O (2)
Here, a reaction catalyst such as a platinum catalyst is applied and formed on the surface of the
停止時に燃料電池10の酸化剤極12と燃料極11にそれぞれ酸素と水素が残ったままで、負荷を接続しないで放置したとき、また、起動時に燃料電池10の燃料極11に水素を供給し始めたとき(燃料極11は水素と酸素が分離した状態となる。)には、燃料極11から酸化剤極12へプロトンH+が移動し、移動したH+と酸化剤極12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、負荷が接続されていないため、電子e−が負荷を通じて移動してこない。そのため、酸化剤極12に存在する水と電解質膜13上の炭素が反応し、生成された電子e−が酸化剤極12における水生成反応に使われる。このとき、電解質膜13上の炭素が奪われて、電解質膜13が劣化する。燃料極11では混在している酸素と、酸化剤極12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。ここで、開放端電圧が高いと電子e−の移動が起こり易くなり、これらの化学反応が促進されて電解質膜13の炭素腐食が激しくなる。電解質膜13の炭素腐食は、燃料電池10のI−V特性に影響を及ぼす。このため、燃料電池10の電圧が下がり、大きな発電電力を得ることができなくなるという問題が生じる。
When oxygen and hydrogen remain in the
以上のことから、燃料電池10の発電性能を保つためには、電解質膜13の炭素腐食を避ける必要があり、したがって燃料電池10の燃料極11において水素と空気が分離し、且つ高電圧となる状態を避ける必要がある。そのためには、先ず、水素と空気が分離している間は、電圧を抑制しつつ電力を取り出し、酸化剤極12の酸素を消費することで電圧が立たない状態にする。その後、水素を継続して供給することで燃料極11を水素で置換し、燃料極11の水素と空気が分離した状態も解消することにより、その後の通常発電で起電圧が発生した場合にも燃料電池10が劣化しない状態にする。
From the above, in order to maintain the power generation performance of the fuel cell 10, it is necessary to avoid carbon corrosion of the
しかしながら、内部加湿方式の燃料電池システムにおいて、燃料電池10に対して加湿剤を供給せずに燃料ガスを供給する場合には、多孔質プレートからなるセパレータ14,15を透過して加湿剤供給経路31へ燃料ガスが流出する可能性があるため、純水供給経路31へ新たにガスを供給し燃料ガスの濃度を低くする必要がある。
However, in the internal humidification type fuel cell system, when the fuel gas is supplied to the fuel cell 10 without supplying the humidifying agent, the humidifying agent supply path passes through the
そこで、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池10に対して加湿剤を供給せずに燃料ガスを供給する場合に、純水シャット弁34により純水供給経路31を燃料電池10前後で遮断して、純水供給経路31へ排出される水素の流量を最小限にし、且つ燃料電池10の発電に使用する空気(コンプレッサ29からの空気)を純水タンク32へ供給して燃料ガス濃度を下げることで、簡単な構造で、外部に排出する燃料ガスの濃度低下を実現できるようにしている。
Therefore, in the fuel cell system of the present embodiment, when supplying fuel gas without supplying a humidifier to the fuel cell 10, the pure water supply path 31 is shut off before and after the fuel cell 10 by the pure water shut
図4に、本発明を適用しない場合の燃料電池10の運転の様子(水素供給量、純水供給量、炭素腐食防止制御のオン/オフ、純水供給経路内水素濃度、及び純水タンク内水素濃度)を示す。 FIG. 4 shows the state of operation of the fuel cell 10 when the present invention is not applied (hydrogen supply amount, pure water supply amount, carbon corrosion prevention control on / off, hydrogen concentration in the pure water supply path, and in the pure water tank) Hydrogen concentration).
上述した炭素腐食を避ける起動運転を行う際には、燃料ガス(水素)を所定の圧力(あるいは流量)に制御し、同時に水素循環装置(エゼクタ25及び水素循環ポンプ26)を起動する一方で、燃料電池10の純水極16,17には純水を供給しない。その結果、燃料電池10に供給した水素は、燃料極11と純水極16の間にある多孔質層からなるセパレータ14を通して、純水極16側へと流入する可能性がある。このガスは燃料電池10から流れ出し、結果的に純水供給経路31を通じて純水タンク32内に蓄積される。この場合、純水タンク32内にコンプレッサ29からの空気を供給することで水素濃度を下げることができるが、燃料電池10に空気を供給しない炭素腐食防止制御を行っている間はコンプレッサ29が停止されているので、純水タンク32内にも空気が供給されず、高濃度の水素が蓄積されるおそれがある。
When performing the start-up operation to avoid the above-described carbon corrosion, the fuel gas (hydrogen) is controlled to a predetermined pressure (or flow rate), and at the same time, the hydrogen circulation device (the
図5に、本実施形態の燃料電池システムにおける燃料電池10の運転の様子(水素供給量、純水供給量、炭素腐食防止制御のオン/オフ、純水シャット弁の開/閉、純水タンクへの空気供給量、純水供給経路内水素濃度、及び純水タンク内水素濃度)を示す。 FIG. 5 shows the operation of the fuel cell 10 in the fuel cell system of the present embodiment (hydrogen supply amount, pure water supply amount, carbon corrosion prevention control on / off, pure water shut valve open / close, pure water tank Air supply amount, hydrogen concentration in pure water supply path, and hydrogen concentration in pure water tank).
この図5に示すように、本実施形態の燃料電池システムでは、炭素腐食防止制御を行っている間は純水シャット弁34により純水供給経路31を燃料電池10前後で遮断することによって、燃料電池10の純水極16側へと流入した水素ガスを純水供給経路31に流さないようにすることができる。また、炭素腐食防止制御を終了した後は、純水シャット弁34による純水供給経路31の遮断を解除することで、燃料電池10の純水極16に滞留した少量の水素ガスが純水供給経路31から純水タンク32へと導かれるが、このときにはコンプレッサ29は起動された状態となり、コンプレッサ29からの空気を純水タンク32に供給できるので、純水タンク32内の水素を空気で希釈して水素濃度を低くして外部に放出することが可能となる。
As shown in FIG. 5, in the fuel cell system of the present embodiment, the pure water supply valve 31 is shut off before and after the fuel cell 10 by the pure water shut
本実施形態の燃料電池システムの起動時における制御フローを図6に示す。 FIG. 6 shows a control flow when the fuel cell system of this embodiment is started.
図6に示すように、本実施形態の燃料電池システムの起動時には、先ず、ステップS1において純水シャット弁34を閉じ、その後、ステップS2において水素供給系による燃料電池10への水素供給を開始する。同時に、炭素腐食防止制御を終了した後に純水供給経路31(純水タンク32)へと供給する空気量を決定するために、コントローラ41は、純水シャット弁34を開放後に燃料電池10から純水供給経路31へと流出する水素の量の推定を開始する(流出燃料ガス量推定手段)。
As shown in FIG. 6, when the fuel cell system of the present embodiment is started, first, the pure water shut
ここで、純水シャット弁34開放後に燃料電池10から純水供給経路31へと流出する水素量は、純水シャット弁34により純水供給経路31が遮断されている間に燃料電池10に蓄えられた水素の量と、その水素圧と純水供給経路31の内圧との差圧、ならびに純水供給経路31の遮断中に生成された水がそのときの燃料電池10の温度で水蒸気となって放出される量によって決まる。そして、純水供給経路31の遮断中に燃料電池10に蓄えられた水素量は、図7に示すように、水素タンク20から燃料電池10に供給された供給水素の量から、燃料電池10での発電に用いられた反応水素の量と、パージ弁27を通して外部に放出された排出水素の量とを差し引いたものとなる。
Here, the amount of hydrogen flowing out from the fuel cell 10 to the pure water supply path 31 after the pure water shut
水素タンク20から燃料電池10に供給された水素量は、燃料電池10入口の水素圧と経過時間とから推定可能であり、発電に用いられた反応水素量は、純水供給経路31遮断中に燃料電池10から取り出された電力量から推定可能である。また、外部に放出された排出水素量は、水素圧とパージ弁27の大きさ(既定値)から推定できる。したがって、純水シャット弁34開放後に燃料電池10から純水供給経路31へと流出する水素量の推定値は、コントローラ41が、電圧センサ42や圧力センサ43,44、温度センサ45等の出力に基づき、所定の演算処理を行うことで求めることができる。
The amount of hydrogen supplied from the hydrogen tank 20 to the fuel cell 10 can be estimated from the hydrogen pressure at the inlet of the fuel cell 10 and the elapsed time, and the amount of reaction hydrogen used for power generation can be determined while the pure water supply path 31 is shut off. It can be estimated from the amount of electric power extracted from the fuel cell 10. Further, the amount of discharged hydrogen released to the outside can be estimated from the hydrogen pressure and the size (predetermined value) of the
ステップS2での水素の供給開始により燃料電池10には起電圧が発生し、そのままの状態で水素供給を続けると燃料電池10の電圧が上昇して、炭素腐食反応を促進させることになる。そのため、ステップS3において、コントローラ41が燃料電池10の総電圧等から燃料電池10の運転状態を判断し(運転状態検出手段)、それを指標にして電流を取り出すことで電圧上昇の抑制を図る炭素腐食防止制御を開始する。そして、ステップS4で、燃料電池10の総電圧等を用いて、炭素腐食防止制御を終了し得る条件が成立したかどうかを判断し、条件が満たされた場合に、ステップS5で炭素腐食防止制御を終了する。
An electromotive force is generated in the fuel cell 10 by starting the supply of hydrogen in step S2, and if the hydrogen supply is continued in the state as it is, the voltage of the fuel cell 10 is increased to promote the carbon corrosion reaction. Therefore, in step S3, the
その後、ステップS6において、燃料電池10から純水供給経路31に流出し、純水タンク32へと流れ込む水素を希釈するため、コンプレッサ29から純水タンク32へと空気を供給する。このとき、ステップS2で行った純水供給経路31に流出する水素量の推定値に基づいて、この水素の濃度を低くするために充分な空気量をコンプレッサ29から供給する。その後、ステップS7で純水シャット弁34を開けて、純水供給経路31の遮断を解除する。
Thereafter, in step S6, air is supplied from the
その後、通常運転へと移るため、ステップS8において燃料電池10への純水の供給を開始し、さらにステップS9へ進んで、通常の燃料電池10での発電を開始する。以上の一連の処理により、本実施形態の燃料電池システムにおける起動時の制御が完了する。 Thereafter, in order to shift to normal operation, the supply of pure water to the fuel cell 10 is started in step S8, and the process further proceeds to step S9, where power generation in the normal fuel cell 10 is started. Through the series of processes described above, the control at the time of startup in the fuel cell system of the present embodiment is completed.
なお、ステップS1及びステップS7において開閉する純水シャット弁34は、純水供給経路31に設けてもよいし、燃料電池10の出入口付近に設けてもよい。また、純水供給手段である純水ポンプ33に密閉性を持たせるようにすれば、燃料電池10の入口側の純水シャット弁34を省略することもできる。いずれの場合にも、起動時に燃料電池10から純水供給経路31へと流出する燃料ガスの量を最小限にすることができる。
The pure water shut
1 燃料ガス供給手段
2 運転状態検出手段
3 加湿剤供給手段
4 加湿剤経路遮断手段
10 燃料電池
11 燃料極
12 酸化剤極
13 電解質膜
14,15 セパレータ(多孔質プレート)
16,17 純水極
31 純水供給経路
32 純水タンク
33 純水ポンプ
34 純水シャット弁
DESCRIPTION OF
16, 17 Pure water electrode 31 Pure
Claims (7)
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料電池の加湿剤流路に加湿剤の供給を行う加湿剤供給経路と、
前記加湿剤供給経路に設けられた加湿剤供給手段と、
前記加湿剤供給経路を前記燃料電池の前後で遮断する加湿剤供給経路遮断手段とを備え、
加湿剤を供給せずに少なくとも燃料ガスを前記燃料電池に供給する際に、前記加湿剤供給経路遮断手段により前記加湿剤供給経路を遮断することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell configured by laminating a unit cell in which an electrolyte membrane is sandwiched between a fuel electrode and an oxidizer electrode, and a humidifier channel for internally humidifying the electrolyte membrane;
Fuel gas supply means for supplying fuel gas to the fuel cell;
A humidifying agent supply path for supplying a humidifying agent to the humidifying agent flow path of the fuel cell;
A humidifying agent supply means provided in the humidifying agent supply path;
A humidifier supply path blocking means for blocking the humidifier supply path before and after the fuel cell;
A fuel cell system, wherein when the fuel gas is supplied to the fuel cell without supplying the humidifier, the humidifier supply path is shut off by the humidifier supply path cutoff means.
システム起動時に、前記運転状態検出手段からの出力に基づいて、燃料ガスのみを供給しながら前記燃料電池から電力を取り出している間、前記加湿剤供給経路遮断手段により前記加湿剤供給経路を遮断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。 Having an operating state detecting means for detecting an operating state of the fuel cell;
At the time of system startup, the humidifying agent supply path is cut off by the humidifying agent supply path blocking means while electric power is taken out from the fuel cell while supplying only the fuel gas based on the output from the operating state detecting means. The fuel cell system according to claim 1.
前記燃料電池へ酸化剤ガスを供給せずに燃料ガスのみを供給している間、前記加湿剤供給経路遮断手段により前記加湿剤供給経路を遮断することを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池システム。 The fuel gas flowing out to the humidifying agent supply path is mixed with an oxidant gas, and then discharged to the outside.
3. The humidifying agent supply path is shut off by the humidifying agent supply path blocking means while only the fuel gas is supplied to the fuel cell without supplying an oxidant gas. 4. Fuel cell system.
前記流出燃料ガス量推定手段の推定結果に基づいて、前記燃料ガスと混合する酸化剤ガス量を決定し、決定した量の酸化剤ガスを前記加湿材供給経路に供給することを特徴する請求項3に記載の燃料電池システム。 An outflow fuel gas amount estimating means for estimating the amount of fuel gas flowing out to the humidifying agent supply path;
The oxidant gas amount mixed with the fuel gas is determined based on an estimation result of the outflow fuel gas amount estimation means, and the determined amount of oxidant gas is supplied to the humidifying material supply path. 4. The fuel cell system according to 3.
Priority Applications (1)
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JP2003422460A JP2005183178A (en) | 2003-12-19 | 2003-12-19 | Fuel battery system |
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2003
- 2003-12-19 JP JP2003422460A patent/JP2005183178A/en active Pending
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