JP2005222840A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体高分子膜を電解質として用いた固体高分子電解質型燃料電池を備えて構成される燃料電池システムに係り、特に車両、船舶及びポータブル発電機等の移動体に好適な燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system including a solid polymer electrolyte fuel cell using a solid polymer membrane as an electrolyte, and particularly suitable for a mobile body such as a vehicle, a ship, and a portable generator. About.
一般に、燃料電池は、水素などの燃料ガスと空気などの酸化剤ガスを電気化学的に反応させることにより、燃料の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する発電装置である。この燃料電池は、電解質の違いなどによりさまざまなタイプのものに分類されるが、その一つとして、電解質に固体高分子電解質を用いる固体高分子電解質型燃料電池が知られている。 In general, a fuel cell is a power generator that directly converts chemical energy of a fuel into electrical energy by electrochemically reacting a fuel gas such as hydrogen with an oxidant gas such as air. The fuel cells are classified into various types depending on the difference in electrolytes. As one of them, a solid polymer electrolyte fuel cell using a solid polymer electrolyte as an electrolyte is known.
固体高分子電解質型燃料電池のアノード、カソードの各電極において進行する電極反応は、以下の通りである。 The electrode reactions that proceed at the anode and cathode electrodes of the solid polymer electrolyte fuel cell are as follows.
アノード(燃料極) : 2H2 →4H+ +4e- …(1)
カソード(酸化剤極): 4H+ +4e- +O2 → 2H2O …(2)
そして、アノードに水素ガスが供給されると、アノードでは(1)の反応式が進行して水素イオンと電子が生成する。この生成した水素イオンが水和状態で電解質(固体高分子電解質型燃料電池であれば固体高分子電解質膜)を透過(拡散)してカソードに至る。一方電子は、アノードから外部負荷装置を通ってカソードに至る。このカソードに酸素含有ガス、例えば空気が供給されていると、カソードでは(2)の反応式が進行する。この(1)、(2)の電極反応が各極で進行することで、燃料電池は起電力を生じることとなる。ここで、水素イオンが固体高分子電解質中を移動するためには、電解質が含水していることが必要となる。
Anode (fuel electrode): 2H 2 → 4H + + 4e − (1)
Cathode (oxidant electrode): 4H + + 4e − + O 2 → 2H 2 O (2)
When hydrogen gas is supplied to the anode, the reaction formula (1) proceeds at the anode to generate hydrogen ions and electrons. The generated hydrogen ions permeate (diffuse) through the electrolyte (in the case of a solid polymer electrolyte fuel cell, a solid polymer electrolyte membrane) in a hydrated state and reach the cathode. On the other hand, electrons reach the cathode from the anode through the external load device. When an oxygen-containing gas such as air is supplied to the cathode, the reaction formula (2) proceeds at the cathode. When the electrode reactions (1) and (2) proceed at each electrode, the fuel cell generates an electromotive force. Here, in order for hydrogen ions to move through the solid polymer electrolyte, the electrolyte needs to contain water.
しかしながら、燃料電池の氷点下環境での運転においては、この水の存在が不都合を生じることになる。電解質膜は水分を含有している必要があるが、余剰な水分がガス通流路あるいは電極触媒表面上に存在して凍結した場合、発電に必要な燃料ガスや酸化剤ガスは触媒への供給を阻害され、発電を行うことができない。また、発電によりカソードで水が生成するが、この生成水が凍結することによっても同様に酸化剤ガスの供給が阻害され発電できなくなる。 However, the presence of this water causes inconvenience when the fuel cell is operated in a sub-freezing environment. The electrolyte membrane needs to contain moisture, but if excess moisture is present on the gas flow path or electrode catalyst surface and freezes, the fuel gas and oxidant gas required for power generation are supplied to the catalyst. Can not be generated. In addition, water is generated at the cathode by power generation, but when the generated water is frozen, supply of the oxidant gas is similarly hindered and power generation cannot be performed.
このため、氷点下環境からの固体高分子電解質型燃料電池の始動には、予め燃料電池を発電可能な温度まで上昇させた状態で発電を開始する方法が考えられている。たとえば特許文献1では、アノード及び又はカソードに水素ガスと酸素を含むガスとを供給し、電極触媒上で水素と酸素とを反応させて、この反応熱により燃料電池温度を上昇させる方法を提案している。
しかしながら、カソードガス配管に水素ガスを導入、あるいはアノードガス配管に酸化剤ガスを導入して、水素ガスと酸化剤ガスとが混合したガスを電極触媒に供給する方法では、両ガスを導入、混合するための配管やバルブ等が必要となり、燃料電池システムの構成が複雑化するという問題点があった。 However, in the method in which hydrogen gas is introduced into the cathode gas pipe or oxidant gas is introduced into the anode gas pipe and a gas mixture of hydrogen gas and oxidant gas is supplied to the electrode catalyst, both gases are introduced and mixed. Therefore, there is a problem that the configuration of the fuel cell system becomes complicated due to the need for piping, valves and the like.
また、燃料電池のガス流路上流から混合ガスを導入するため、流路上流部での水素酸化の反応量が多く、下流での反応量が少ないという面内不均一が生じ、上流部のみで温度が上昇、極端な場合にはヒートスポットが発生し電解質膜の機能が損なわれる、という問題点があった。 In addition, since the mixed gas is introduced from the upstream side of the gas flow path of the fuel cell, an in-plane non-uniformity occurs in which there is a large amount of hydrogen oxidation reaction in the upstream portion of the flow path and a small amount of reaction downstream, and only in the upstream portion. When the temperature rises or is extreme, there is a problem that a heat spot is generated and the function of the electrolyte membrane is impaired.
本発明は、上記問題点を解決するため、固体高分子電解質膜の両面にアノード及びカソードを形成した燃料電池本体と、前記アノードに水素ガスを供給する燃料供給手段と、前記カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤供給手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、遮断スイッチを介して前記燃料電池本体に接続される外部直流電源を備え、前記燃料電池システムの始動時に、前記燃料電池本体の温度上昇が必要な場合に、前記燃料供給手段から前記アノードに水素ガスを供給し、かつ前記外部直流電源の正極を前記アノードに、負極を前記カソードにそれぞれ接続して、前記外部直流電源から前記燃料電池本体に電流を供給することを要旨とする。 In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a fuel cell body in which an anode and a cathode are formed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, a fuel supply means for supplying hydrogen gas to the anode, and an oxidant gas on the cathode. And an oxidant supply means for supplying an external DC power source connected to the fuel cell main body via a cutoff switch, and the temperature of the fuel cell main body at the start of the fuel cell system When rising is required, hydrogen gas is supplied from the fuel supply means to the anode, and a positive electrode of the external DC power source is connected to the anode and a negative electrode is connected to the cathode, and the fuel is supplied from the external DC power source. The gist is to supply current to the battery body.
本発明によれば、燃料電池アノードに水素または水素を含む混合ガスが供給され、かつ外部直流電源の正極が燃料電池のアノードに、外部直流電源の負極が燃料電池のカソードに接続され、外部電源の正極から燃料電池のアノードに電流を供給する。 According to the present invention, hydrogen or a mixed gas containing hydrogen is supplied to the fuel cell anode, the positive electrode of the external DC power supply is connected to the anode of the fuel cell, the negative electrode of the external DC power supply is connected to the cathode of the fuel cell, A current is supplied from the positive electrode to the anode of the fuel cell.
これによって、アノードに供給された水素は電極触媒において水素イオンとなり、外部電源より供給される電流値の時間積分値、すなわち電気量を賄うだけの量の水素イオンが電解質膜中をアノードからカソードへ移動する。このようにしてカソードへ移動した水素イオンは、燃料電池の通常発電時には酸素と反応して水を生じるのであるが、その場合には酸素の電気化学反応に必要な過電圧が必要とされ、アノードに対するカソードの電位は高く保たれている必要がある。 As a result, the hydrogen supplied to the anode becomes hydrogen ions in the electrode catalyst, and the time integral value of the current value supplied from the external power source, that is, an amount of hydrogen ions sufficient to cover the amount of electricity passes through the electrolyte membrane from the anode to the cathode. Moving. The hydrogen ions that have moved to the cathode in this way react with oxygen to produce water during normal power generation of the fuel cell. In this case, an overvoltage required for the electrochemical reaction of oxygen is required, and The cathode potential needs to be kept high.
本発明では、外部直流電源の接続によりカソードの電位はアノードよりも低く保たれており、水素イオンは酸素と電気化学反応を生じることができず、外部電源より供給される電子を受け取って水素ガスへと変化する。以上の各電極での反応を式で示せば、(3)、(4)式となる。 In the present invention, the cathode potential is kept lower than that of the anode by the connection of the external DC power supply, and hydrogen ions cannot generate an electrochemical reaction with oxygen. To change. If the reaction at each of the above electrodes is expressed by an equation, equations (3) and (4) are obtained.
アノード(燃料極) : H2 → 2H+ +2e- …(3)
カソード(酸化剤極): 2H+ +2e- → H2 …(4)
以下、本発明によるアノードからカソードへの水素輸送を、電気化学的水素輸送法と呼ぶ。
Anode (fuel electrode): H 2 → 2H + + 2e − (3)
Cathode (oxidant electrode): 2H + + 2e − → H 2 (4)
Hereinafter, the hydrogen transport from the anode to the cathode according to the present invention is referred to as an electrochemical hydrogen transport method.
こうして生じた水素ガスは、カソードガス流路に滞留していた、あるいは酸化剤供給手段より供給された酸素と共に電極触媒付近に存在するため、触媒による水素の酸化反応、すなわち(5)式の燃焼を起こす。 The hydrogen gas generated in this manner stays in the cathode gas flow path or exists in the vicinity of the electrode catalyst together with oxygen supplied from the oxidant supply means, so that the oxidation reaction of hydrogen by the catalyst, that is, combustion in the equation (5) Wake up.
カソード(酸化剤極): H2 + 1/2O2 → H2O …(5)
このようにして水素の燃焼による反応熱で燃料電池温度が上昇し、発電に適当な温度まで燃料電池を温めることで燃料電池の低温環境からの発電を可能とする。ここで外部直流電源とは、蓄電池等のバッテリや発電機のみならず、別途設けた燃料電池であっても同様の効果が期待できる。
Cathode (oxidant electrode): H 2 + 1 / 2O 2 → H 2 O (5)
In this way, the fuel cell temperature rises due to the reaction heat from the combustion of hydrogen, and the fuel cell is warmed to a temperature suitable for power generation, thereby enabling power generation from a low temperature environment of the fuel cell. Here, the external DC power source can be expected not only to a battery such as a storage battery and a generator, but also to a fuel cell provided separately.
本発明によれば、水素ガス及び酸化剤ガスの配管は、アノードまたはカソードへの配管のままで実現でき、従来技術のように相手側電極に至るガス配管を設ける必要が無く、燃料電池システムの構成が複雑化するということはない。 According to the present invention, the piping of the hydrogen gas and the oxidant gas can be realized as the piping to the anode or the cathode, and there is no need to provide the gas piping to the counterpart electrode as in the prior art. There is no complication of the configuration.
また、アノードからカソードに移動する水素イオンは電極面内でほぼ均一となるので、カソードにおける水素燃焼による温度上昇も均一となり、従来のような、水素ガス上流部のみで温度が上昇し、極端な場合にはヒートスポットが発生して電解質膜の機能が損なわれるという問題点が抑制される。 In addition, since the hydrogen ions moving from the anode to the cathode are almost uniform in the electrode surface, the temperature rise due to hydrogen combustion at the cathode is also uniform, and the temperature rises only at the upstream portion of the hydrogen gas as in the conventional case. In such a case, a problem that a heat spot is generated and the function of the electrolyte membrane is impaired is suppressed.
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。 Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明に係る燃料電池システムの実施例1の構成を説明するシステム構成図である。図1において、燃料電池システム1は、固体高分子電解質の両面にアノード3及びカソード4を形成した燃料電池本体2と、高圧で水素ガスを貯蔵する水素タンク5と、高圧水素ガスを所望の運転圧力まで減圧してアノード3に供給する水素圧力調整弁6と、アノード3の出口から不純物を含む水素ガスを系外へ放出する水素パージ弁7と、アノード3の出口から入口へ水素を循環させる管路である水素循環路8と、アノード3及び水素循環路8内の水素を循環させる水素循環ポンプ9と、カソード4へ空気を供給するコンプレッサ10と、カソード4出口から系外へ放出される空気を絞る空気圧力調整弁11と、負荷スイッチ12と、燃料電池本体2は発電した電力を消費する負荷装置13と、燃料電池本体2の温度を検出する温度センサ14と、燃料電池始動前に水素圧力調整弁6を制御して水素タンク5からアノード3へ水素ガスを供給しながら遮断スイッチ16を介して外部直流電源装置17の正極からアノード3へ電流を供給するように制御するコントローラ15と、遮断スイッチ16を介して燃料電池本体に接続され正極からアノード3へ電流供給可能な外部直流電源装置17とを備えている。
FIG. 1 is a system configuration diagram illustrating the configuration of a first embodiment of a fuel cell system according to the present invention. In FIG. 1, a fuel cell system 1 includes a fuel cell main body 2 in which an anode 3 and a cathode 4 are formed on both sides of a solid polymer electrolyte, a
温度センサ14は、燃料電池本体2の内部または近傍の温度を検出または推定する温度検出手段であり、その検出値を代表温度とする。温度センサ14の検出値は、コントローラ15へ入力され、コントローラが外部直流電源装置17から燃料電池本体2への直流電流供給の停止を判断することに用いられる。
The
遮断スイッチ16は、コントローラ15の制御によりオン/オフが制御されるリレーまたは半導体スイッチ等を用いた開閉器である。
The
コントローラ15は、温度センサ14が検出した代表温度が所定温度まで上昇したときに、遮断スイッチ16をオフすることにより、外部直流電源装置17から燃料電池本体2への電流供給を停止させる。
The
燃料電池本体2は、負荷装置13に供給すべき電圧を得るために必要数の単位電池を直列接続したスタックとして構成されている。
The fuel cell body 2 is configured as a stack in which a necessary number of unit cells are connected in series to obtain a voltage to be supplied to the
図2は、実施例1の燃料電池システムの起動時における燃料電池本体の反応を説明する模式断面図であり、スタックを構成する一単位電池を示している。 FIG. 2 is a schematic cross-sectional view for explaining the reaction of the fuel cell main body at the time of starting the fuel cell system of Example 1, and shows one unit cell constituting the stack.
単位電池は、固体高分子膜からなる高分子電解質膜20と、この高分子電解質膜20を挟持するようにその両面に配設されるアノード3及びカソード4を備えている。
The unit battery includes a
アノード3は、固体高分子電解質20の一方の面に形成されたアノード触媒層3cと、アノード触媒層3cの外側に形成されたアノードガス拡散層3bと、アノードガス拡散層3bへ水素ガスを供給する流路であるアノードガス流路3aを備えている。
The anode 3 supplies hydrogen gas to the anode catalyst layer 3c formed on one surface of the
カソード4は、固体高分子電解質20の他方の面に形成されたカソード触媒層4cと、カソード触媒層4cの外側に形成されたカソードガス拡散層4bと、カソードガス拡散層4bへ水素ガスを供給する流路であるカソードガス流路4aを備えている。
The cathode 4 supplies a hydrogen gas to the cathode catalyst layer 4c formed on the other surface of the
高分子電解質膜20は、例えばフッ素系樹脂等の固体高分子材料によりプロトン伝導性の膜として形成されている。
The
この高分子電解質膜20の両面に配設されるアノード触媒層3c、カソード触媒層4cは、それぞれ、白金または、白金とその他の金属(Pdなど)の合金の微粒子をカーボンで担持している。アノードガス拡散層3b及びカソードガス拡散層4bは、カーボンペーパ等の多孔質導電性部材を用いている。
The anode catalyst layer 3c and the cathode catalyst layer 4c disposed on both surfaces of the
アノードガス流路3a、カソードガス流路4aは、それぞれガス不透過である緻密性カーボン材等の片面、または両面に配置された多数のリブにより形成され、酸化剤ガス、燃料ガスはそれぞれのガス入口から供給され、ガス出口から排出される。 The anode gas channel 3a and the cathode gas channel 4a are formed by a large number of ribs arranged on one side or both sides of a dense carbon material that is impermeable to gas, respectively. Supplied from the inlet and discharged from the gas outlet.
水素または水素を含むガスである燃料ガスは、アノード3へ導入され、アノード3における水素の電離反応が起こる。これにより生じた水素イオンは高分子電解質膜20中をアノード3からカソード4の方向へと移動し、カソード4における反応によって再び水素へと変化する。
Hydrogen or a fuel gas that is a gas containing hydrogen is introduced into the anode 3, and an ionization reaction of hydrogen at the anode 3 occurs. The hydrogen ions generated thereby move in the
一方、アノードにおける反応によって燃料ガスから生じた電子は外部電源を含む回路を通過してカソードへと移動し、カソードにおける反応に寄与する。 On the other hand, electrons generated from the fuel gas by the reaction at the anode pass through a circuit including an external power source and move to the cathode, thereby contributing to the reaction at the cathode.
この時、カソードの触媒近傍には酸素も存在しているが、外部電源によりカソードの電位がアノードよりも低く制御されているため、水素イオンと酸素との電気化学反応は発生せず、水素イオンと電子の反応により水素の生成反応が起こる。 At this time, oxygen is also present in the vicinity of the catalyst of the cathode, but since the cathode potential is controlled to be lower than that of the anode by an external power source, an electrochemical reaction between hydrogen ions and oxygen does not occur. The reaction of the electrons and hydrogen produces a hydrogen production reaction.
ここで改めて水素と酸素が電極触媒近傍に存在しているために燃焼反応が起こり、水の生成と共に熱が発生し、燃料電池の温度を上昇させることになる。このとき、水素の燃焼による化学反応熱とともに、外部直流電源から燃料電池に供給された電流によるジュール熱も燃料電池の温度上昇に寄与すると考えられる。 Here, since hydrogen and oxygen are present in the vicinity of the electrode catalyst, a combustion reaction occurs, and heat is generated along with the generation of water, thereby raising the temperature of the fuel cell. At this time, it is considered that Joule heat due to the current supplied from the external DC power source to the fuel cell as well as the heat of chemical reaction due to the combustion of hydrogen contributes to the temperature rise of the fuel cell.
従って、燃料電池の温度上昇をΔT、燃料電池の平均比熱をc、燃料電池の質量をM、外部直流電源から供給される電流が通過するセル数をn、外部直流電源から供給される電荷量をQ、ファラデー定数をF(=素電荷量e×アボガドロ数NA )、水素の標準状態における燃焼熱の熱量を286〔kJ/mol 〕とすれば、以下の(6)式が成立する。 Therefore, ΔT is the temperature rise of the fuel cell, c is the average specific heat of the fuel cell, M is the mass of the fuel cell, n is the number of cells through which the current supplied from the external DC power source passes, and the amount of charge supplied from the external DC power source Is Q, Faraday constant is F (= elementary charge amount e × Avogadro number NA), and the heat amount of combustion heat in the standard state of hydrogen is 286 [kJ / mol], the following equation (6) is established.
c×M×ΔT=n×(Q/F)×(1/2)×286−α+β …(6)
ここで、
α:熱損失(燃料電池本体からの伝導熱、対流熱、輻射熱の合計)
β:外部直流電源から燃料電池本体に供給される電流によるジュール熱による熱量
である。
c × M × ΔT = n × (Q / F) × (1/2) × 286−α + β (6)
here,
α: Heat loss (total of conduction heat, convection heat, and radiation heat from the fuel cell body)
β: The amount of heat due to Joule heat generated by the current supplied from the external DC power source to the fuel cell body.
以下、燃料電池本体2の発電開始前に、燃料電池本体2の温度を上昇させることを燃料電池の暖機と呼ぶことにする。 Hereinafter, raising the temperature of the fuel cell body 2 before starting the power generation of the fuel cell body 2 will be referred to as warming up of the fuel cell.
図3は、実施例1におけるコントローラ15による燃料電池の暖機制御を説明するフローチャートである。図3において、まずステップS10で、コントローラ15は、水素タンク5の図示しない元弁を開く制御信号を出力するとともに、水素圧力調整弁6に対して所定の暖機用圧力で水素供給するように制御信号を出力する。これにより、燃料電池本体2のアノード3へ水素ガスの供給が開始される。
FIG. 3 is a flowchart for explaining the warm-up control of the fuel cell by the
次いでコントローラ15は、ステップS12で、温度センサ14の検出値Tを読み込み、ステップS14で、所定温度値T0 より温度センサの検出値Tが大きいか否かを判定する。ステップS14の判定で、検出値Tが所定温度値T0 を超えていれば、燃料電池本体の暖機は不要であるので、暖機終了とする。所定温度値T0 は、燃料電池本体の暖機が必要か否かを判定するための燃料電池代表温度の判定値であり、例えば、1〔℃〕や2〔℃〕に設定される。暖機終了以後は、カソード4にコンプレッサ10から空気供給を開始して、発電が始められる。
Next, the
ステップS14の判定で、検出値Tが所定温度値T0 以下であれば、ステップS16へ進み、遮断スイッチ16をオンして、外部直流電源装置17から燃料電池本体2へ直流電流の供給を開始する。このときの極性は、外部直流電源装置17の正極を燃料電池本体2のアノード3に接続し、外部直流電源装置17の負極を燃料電池本体2のカソード4に接続して、外部直流電源装置17の正極からアノード3へ電流が流れ込む方向である。この電流により、燃料電池本体2の内部では、アノード3からカソード4へ固体高分子電解質膜内を水素イオン(H+ )が移動して、電気化学的水素輸送が行われる。カソード4に達した水素イオンは、電子と再結合して水素となり、さらに水素は、カソード4の電極触媒を介して酸素と反応して水となり、反応熱を放出して燃料電池本体2を内部から暖機する。
If it is determined in step S14 that the detected value T is equal to or less than the predetermined temperature value T0, the process proceeds to step S16, the
次いでコントローラ15は、ステップS18で、温度センサ14の検出値Tを読み込み、ステップS20で、所定温度値T1 より温度センサの検出値Tが大きいか否かを判定する。この暖機終了判定用の所定温度値T1 は、ステップS14で用いた所定温度値T0 と等しくてもよいが、燃料電池本体2の部位による温度上昇のばらつきが大きい場合には、T0 よりT1 を大きな値に設定する方が好ましい。
Next, the
ステップS20の判定で、検出値Tが所定温度値T1 を超えていなければ、暖機を継続すべく、ステップS18へ戻る。ステップS20の判定で、検出値Tが所定温度値T1 を超えていれば、ステップS22へ進み、コントローラ15は、遮断スイッチ16をオフして、外部直流電源装置17から燃料電池本体2のアノード3への電流供給を停止させる。次いで、コントローラ15は、ステップS24で、カソード4へパージガスを供給開始して、カソード4で生成された水を燃料電池本体2の外部へ放出させる。このパージによって、燃焼反応によって生じた水分を除去し、再凍結によるガス供給の阻害や構造破壊を防ぐ。
If it is determined in step S20 that the detected value T does not exceed the predetermined temperature value T1, the process returns to step S18 to continue warming up. If it is determined in step S20 that the detected value T exceeds the predetermined temperature value T1, the process proceeds to step S22, where the
本実施例の構成では、コントローラ15は、コンプレッサ10を駆動して空気をパージガスとして用いる。尚、パージガスとして不活性ガスを貯蔵するガスボンベとこのガスボンベからカソードに至る配管とを備えて、コントローラ15の制御により、不活性ガスをパージガスとして供給してもよい。
In the configuration of this embodiment, the
次いで、コントローラ15は、ステップS26で、パージガスの供給を開始してから所定時間が経過したか否かを判定する。所定時間が経過していなければ、S26のセルフループで待機する。所定時間が経過すれば、ステップS28へ進み、コントローラ15は、コンプレッサ10からのパージガスガスの供給を停止して、燃料電池本体2の暖機を終了する。尚、ステップS24で不活性ガスでパージした場合には、ステップS28でカソード4に対する不活性ガスの供給を停止して、燃料電池本体2の暖機を終了する。
Next, in step S26, the
ここでは外部電源による電流の供給を停止した後もアノードに水素が供給されつづけるプロセス図を例示したが、電流の供給を停止した後はいつでも水素の供給を停止できる。また同じく、電流の供給を停止した後にカソードのパージを開始しているが、電流を供給し燃焼反応が起こっている期間にカソードをパージしても構わない。 Here, a process diagram in which hydrogen is continuously supplied to the anode even after the supply of current by the external power supply is stopped is illustrated, but the supply of hydrogen can be stopped anytime after the supply of current is stopped. Similarly, the purge of the cathode is started after the supply of current is stopped, but the cathode may be purged during the period when the current is supplied and the combustion reaction occurs.
以上説明したように本実施例によれば、燃料電池本体の内部あるいは近傍で燃料電池本体の代表温度を検出または推定する温度検出手段を備え、この温度検出手段による代表温度が燃料電池本体の発電開始に適当な温度まで上昇したことにより、外部直流電源装置の正極からアノードへの電流供給を停止させ、カソードで水素を燃焼させる暖機を終了する。これによって、不必要に燃料電池本体の温度を上昇させることなく、速やかに通常発電へと移行することが可能となるという効果がある。 As described above, according to this embodiment, there is provided temperature detecting means for detecting or estimating the representative temperature of the fuel cell main body in or near the fuel cell main body, and the representative temperature by this temperature detecting means is the power generation of the fuel cell main body. When the temperature has risen to an appropriate temperature for the start, the current supply from the positive electrode to the anode of the external DC power supply device is stopped, and the warm-up for burning hydrogen at the cathode is terminated. Thus, there is an effect that it is possible to promptly shift to normal power generation without unnecessarily increasing the temperature of the fuel cell body.
また本実施例によれば、外部直流電源装置からの電流供給停止後に不活性ガスや空気をカソードに供給してパージを実施する。電気化学的水素輸送法で水素をカソードに導入する際には水は生成されないが、その後の酸素との化学反応では反応熱と共に水が生成する。この水が再び凍結することになれば、カソードでの酸化剤ガスの供給が阻害され発電ができなくなるばかりか、凍結する際の氷の膨張が原因となって、回復不能の性能劣化を招くおそれがある。本実施例におけるパージによって、化学反応で生じた水を速やかに除去することにより、そのような再凍結を防ぐことが可能となる。 Further, according to this embodiment, after the current supply from the external DC power supply is stopped, the purge is performed by supplying the inert gas or air to the cathode. When hydrogen is introduced into the cathode by the electrochemical hydrogen transport method, water is not generated, but in the subsequent chemical reaction with oxygen, water is generated together with heat of reaction. If this water freezes again, the supply of oxidant gas at the cathode will be hindered and power generation will not be possible, and it may cause irrecoverable performance degradation due to ice expansion during freezing. There is. Such refreezing can be prevented by quickly removing water generated by the chemical reaction by purging in this embodiment.
図4は、本発明に係る燃料電池システムの実施例2の構成を説明するシステム構成図である。図4において、燃料電池システム1は、固体高分子電解質の両面にアノード3及びカソード4を形成した燃料電池本体2と、高圧で水素ガスを貯蔵する水素タンク5と、高圧水素ガスを所望の運転圧力まで減圧してアノード3に供給する水素圧力調整弁6と、アノード3の出口から不純物を含む水素ガスを系外へ放出する水素パージ弁7と、アノード3の出口から入口へ水素を循環させる管路である水素循環路8と、アノード3及び水素循環路8内の水素を循環させる水素循環ポンプ9と、カソード4へ空気を供給するコンプレッサ10と、カソード4出口から系外へ放出される空気を絞る空気圧力調整弁11と、負荷スイッチ12と、燃料電池本体2は発電した電力を消費する負荷装置13と、燃料電池本体2の温度を検出する温度センサ14と、燃料電池始動前に水素圧力調整弁6を制御して水素タンク5からアノード3へ水素ガスを供給しながら遮断スイッチ16を介して外部直流電源装置17の正極からアノード3へ電流を供給するように制御するコントローラ15と、遮断スイッチ16を介して燃料電池本体に接続され正極からアノード3へ電流供給可能な外部直流電源装置17と、外部直流電源装置17から燃料電池本体2へ供給される電流値を検出してコントローラ15へ出力する電流計18を備えている。
FIG. 4 is a system configuration diagram illustrating the configuration of the fuel cell system according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 4, a fuel cell system 1 includes a fuel cell main body 2 in which an anode 3 and a cathode 4 are formed on both sides of a solid polymer electrolyte, a
温度センサ14は、燃料電池本体2の内部または近傍の温度を検出または推定する温度検出手段であり、その検出値を代表温度とする。温度センサ14の検出値は、コントローラ15へ入力される。
The
電流計18が検出した電流値は、コントローラ15へ入力され、コントローラ15により、時間積分ないしは、一定時間毎の積算により積分近似が行われ、外部直流電源装置17から燃料電池本体2へ供給した電気量(電荷量)が計算される。コントローラ15は、こうして計算した電気量に基づいて、外部直流電源装置17から燃料電池本体2へ供給する電流の停止を判断する。
The current value detected by the
遮断スイッチ16は、コントローラ15の制御によりオン/オフが制御されるリレーまたは半導体スイッチ等を用いた開閉器である。
The
コントローラ15は、温度センサ14が検出した代表温度が所定温度まで上昇したときに、遮断スイッチ16をオフすることにより、外部直流電源装置17から燃料電池本体2への電流供給を停止させる。
The
燃料電池本体2は、負荷装置13に供給すべき電圧を得るために必要数の単位電池を直列接続したスタックとして構成されている。
The fuel cell body 2 is configured as a stack in which a necessary number of unit cells are connected in series to obtain a voltage to be supplied to the
図5は、実施例2におけるコントローラ15による燃料電池の暖機制御を説明するフローチャートである。図5において、コントローラ15は、まずステップS40で、温度センサ14の検出値Tを読み込み、ステップS42で、所定温度値T0 より温度センサの検出値Tが大きいか否かを判定する。ステップS42の判定で、温度検出値Tが所定温度値T0 を超えていれば、燃料電池本体の暖機は不要であるので、暖機終了とする。所定温度値T0 は、燃料電池本体の暖機が必要か否かを判定するための燃料電池代表温度の判定値であり、例えば、1〔℃〕や2〔℃〕に設定される。暖機終了以後は、カソード4にコンプレッサ10から空気供給を開始して、発電が始められる。
FIG. 5 is a flowchart for explaining the warm-up control of the fuel cell by the
ステップS42の判定で、温度検出値Tが所定温度値T0 以下であれば、ステップS44へ進み、コントローラ15は、温度検出値Tに基づいて燃料電池本体2の暖機に必要な電気量Qr を計算する。燃料電池本体2の暖機のために外部直流電源装置17から供給する必要電気量Qr は、ステップS40で検出した燃料電池温度Tから所定の温度、例えば1〔℃〕まで燃料電池の温度を上昇させるために必要な電気量であり、温度上昇幅をΔTとすれば、実施例1で説明した式(6)より、以下の式(7)が導かれる。
If it is determined in step S42 that the detected temperature value T is equal to or lower than the predetermined temperature value T0, the process proceeds to step S44, and the
Qr =(2/286)(F/n)(c×M×ΔT+α−β) …(7)
ここで、
ΔT:燃料電池の必要温度上昇幅
c:燃料電池の平均比熱
M:燃料電池の質量
n:外部直流電源から供給される電流が通過するセル数
F:ファラデー定数
α:熱損失(燃料電池本体からの伝導熱、対流熱、輻射熱の合計)
β:外部直流電源から燃料電池本体に供給される電流によるジュール熱による熱量
である。
Qr = (2/286) (F / n) (c × M × ΔT + α−β) (7)
here,
ΔT: Required temperature rise of fuel cell c: Average specific heat of fuel cell M: Mass of fuel cell n: Number of cells through which current supplied from external DC power supply passes F: Faraday constant α: Heat loss (from fuel cell main body Total of conduction heat, convection heat, and radiant heat)
β: The amount of heat due to Joule heat generated by the current supplied from the external DC power source to the fuel cell body.
尚、α,βは、ΔTの温度上昇に要する時間にも関係するため、実験的に求めたα,βの近似関数を使用してQr を算出すればよい。 Since α and β are related to the time required for the temperature rise of ΔT, Qr may be calculated using an approximate function of α and β obtained experimentally.
また、外部直流電源から供給する電流値の概略値に大きな変動がなければ、実験的に求めた始動前の温度検出値Tに対する必要電気量Qr のマップを使用して、Qr を求めてもよい。 If there is no large variation in the approximate value of the current value supplied from the external DC power supply, Qr may be obtained using a map of the necessary amount of electricity Qr with respect to the temperature detection value T before start obtained experimentally. .
次いで、コントローラ15は、ステップS46で、水素タンク5の図示しない元弁を開く制御信号を出力するとともに、水素圧力調整弁6に対して所定の暖機用圧力で水素供給するように制御信号を出力する。これにより、燃料電池本体2のアノード3へ水素ガスの供給が開始される。
Next, in step S46, the
ステップS48では、コントローラ15は、遮断スイッチ16をオンして、外部直流電源装置17から燃料電池本体2へ直流電流の供給を開始する。このときの極性は、外部直流電源装置17の正極を燃料電池本体2のアノード3に接続し、外部直流電源装置17の負極を燃料電池本体2のカソード4に接続して、外部直流電源装置17の正極からアノード3へ電流が流れ込む方向である。この電流により、燃料電池本体2の内部では、アノード3からカソード4へ固体高分子電解質膜内を水素イオン(H+ )が移動して、電気化学的水素輸送が行われる。カソード4に達した水素イオンは、電子と再結合して水素となり、さらに水素は、カソード4の電極触媒を介して酸素と反応して水となり、反応熱を放出して燃料電池本体2を内部から暖機する。
In step S <b> 48, the
次いでコントローラ15は、ステップS50で、電流計18が検出した電流値iを読み込み、ステップS52で、電流値iを時間積分して、これまでに外部直流電源装置17から燃料電池本体2へ供給した供給電気量Qs を算出する。この時間積分は、実際には、サンプル時間毎の電流値の積算によって行われる。
Next, in step S50, the
ステップS54では、必要電気量Qr より供給電気量Qs が大きいか否かを判定する。ステップS54の判定で、供給電気量Qs が必要電気量Qr を超えていなければ、暖機を継続すべく、ステップS50へ戻る。ステップS54の判定で、供給電気量Qs が必要電気量Qr を超えていれば、ステップS56へ進み、コントローラ15は、遮断スイッチ16をオフして、外部直流電源装置17から燃料電池本体2のアノード3への電流供給を停止させる。次いで、コントローラ15は、ステップS58で、カソード4へパージガスを供給開始して、カソード4で生成された水を燃料電池本体2の外部へ放出させる。このパージによって、燃焼反応によって生じた水分を除去し、再凍結によるガス供給の阻害や構造破壊を防ぐ。
In step S54, it is determined whether the supplied electricity amount Qs is larger than the necessary electricity amount Qr. If it is determined in step S54 that the supplied electricity quantity Qs does not exceed the required electricity quantity Qr, the process returns to step S50 to continue the warm-up. If it is determined in step S54 that the supplied electric quantity Qs exceeds the necessary electric quantity Qr, the process proceeds to step S56, where the
本実施例の構成では、コントローラ15は、コンプレッサ10を駆動して空気をパージガスとして用いる。尚、パージガスとして不活性ガスを貯蔵するガスボンベとこのガスボンベからカソードに至る配管とを備えて、コントローラ15の制御により、不活性ガスをパージガスとして供給してもよい。
In the configuration of this embodiment, the
次いで、コントローラ15は、ステップS60で、パージガスの供給を開始してから所定時間が経過したか否かを判定する。所定時間が経過していなければ、S60のセルフループで待機する。所定時間が経過すれば、ステップS62へ進み、コントローラ15は、コンプレッサ10からのパージガスガスの供給を停止して、燃料電池本体2の暖機を終了する。尚、ステップS58で不活性ガスでパージした場合には、ステップS62でカソード4に対する不活性ガスの供給を停止して、燃料電池本体2の暖機を終了する。
Next, in step S60, the
ここでは外部電源による電流の供給を停止した後もアノードに水素が供給されつづけるプロセス図を例示したが、電流の供給を停止した後はいつでも水素の供給を停止できる。また同じく、電流の供給を停止した後にカソードのパージを開始しているが、電流を供給し燃焼反応が起こっている期間にカソードをパージしても構わない。 Here, a process diagram in which hydrogen is continuously supplied to the anode even after the supply of current by the external power supply is stopped is illustrated, but the supply of hydrogen can be stopped anytime after the supply of current is stopped. Similarly, the purge of the cathode is started after the supply of current is stopped, but the cathode may be purged during the period when the current is supplied and the combustion reaction occurs.
図6は、燃料電池本体2の始動時(暖機前)の温度に対する必要電気量Qr を算出するマップの例である。始動時温度が所定温度Tc(例えばTc=1〔℃〕)未満の場合に、暖機を行うようにしている。図6に示されるように、始動時の温度が低いほど、所定の温度まで燃料電池温度を上昇させるために必要とされる熱量は増加し、それに伴って外部直流電源から供給すべき必要電気量Qr も増加することになる。電気化学的水素輸送とそれに続く燃焼によって燃料電池温度を上昇させるが、電気量推定手段によって得られた供給電気量Qs と予め計算された必要電気量Qr とを比較して、必要電気量Qr を供給電気量Qs が超えた時点で外部直流電源装置からの電流供給を停止し、通常発電に移行する。 FIG. 6 is an example of a map for calculating the required amount of electricity Qr with respect to the temperature at the start of the fuel cell body 2 (before warming up). When the starting temperature is less than a predetermined temperature Tc (for example, Tc = 1 [° C.]), warm-up is performed. As shown in FIG. 6, as the starting temperature is lower, the amount of heat required to raise the fuel cell temperature to a predetermined temperature increases, and accordingly, the necessary amount of electricity to be supplied from the external DC power source. Qr will also increase. The fuel cell temperature is raised by electrochemical hydrogen transport and subsequent combustion, but the required amount of electricity Qr is calculated by comparing the amount of electricity supplied Qs obtained by the means for estimating the amount of electricity with the amount of electricity Qr calculated in advance. When the supplied electricity amount Qs exceeds, the current supply from the external DC power supply device is stopped, and normal power generation is started.
本実施例によれば、外部直流電源装置より燃料電池本体に供給される電気量を検出または推定する電気量検出手段を備え、この電気量情報をもって電気化学的水素輸送法の終了時期を決定する。燃料電池本体の温度上昇はカソードにおける水素−酸素の反応熱量によって定まるが、この反応熱量はカソードに導入された水素の量、さらには電解質膜を通ってアノードからカソードに移動した水素イオンの数によって定まる。すなわち、燃料電池に供給された電流とその時間の積によって表される電気量によって決められる。したがって、電気量検出手段からの情報をもって終了時期を決定することで、水素消費量を必要最小限に抑え、発電に適当な温度まで燃料電池温度を上げることが可能となる。 According to the present embodiment, the electric quantity detecting means for detecting or estimating the electric quantity supplied to the fuel cell main body from the external DC power supply device is provided, and the end time of the electrochemical hydrogen transport method is determined based on the electric quantity information. . The temperature rise of the fuel cell body is determined by the amount of hydrogen-oxygen reaction heat at the cathode, and this amount of reaction heat depends on the amount of hydrogen introduced into the cathode and the number of hydrogen ions transferred from the anode to the cathode through the electrolyte membrane. Determined. That is, it is determined by the amount of electricity represented by the product of the current supplied to the fuel cell and its time. Therefore, by determining the end time based on the information from the electric quantity detection means, it is possible to minimize the hydrogen consumption and raise the fuel cell temperature to a temperature suitable for power generation.
また本実施例によれば、燃料電池本体の内部あるいは近傍で燃料電池の代表温度を検出または推定する温度検出手段を備え、電気化学的水素輸送法を実施する前の温度情報から燃料電池温度を適当な値まで上昇させるのに必要な電気量を算出し、この電気量を供給することでより効率の良い燃料電池温度上昇を実現することが可能となる。 Further, according to the present embodiment, the temperature detecting means for detecting or estimating the representative temperature of the fuel cell in or near the fuel cell main body is provided, and the temperature of the fuel cell is calculated from the temperature information before the electrochemical hydrogen transport method is performed. By calculating the amount of electricity required to increase the value to an appropriate value and supplying this amount of electricity, it is possible to realize a more efficient increase in the fuel cell temperature.
図7は、本発明に係る燃料電池システムの実施例3の構成を説明する要部構成図である。実施例3は、燃料電池スタックの端部の単位電池(セル)、または端部単位電池を含む一部の単位電池に外部直流電源装置から電流を供給する例である。 FIG. 7 is a main part configuration diagram for explaining the configuration of the fuel cell system according to the third embodiment of the present invention. Example 3 is an example in which a current is supplied from an external DC power supply to a unit battery (cell) at an end of a fuel cell stack or a part of unit batteries including the end unit battery.
積層された燃料電池においては、端部またはその近傍に位置する単位電池は外部への熱の散逸が生じるため、中央部に位置する単位電池に比べ温度が低い傾向がある。したがって、氷点下環境においては、端部の単位電池内で生成水が凍結して酸化剤ガスの供給が阻害される恐れがあり、生成水の凍結を防ぐために温度を速やかに上昇させることが望ましい。 In the stacked fuel cells, the unit cells located at or near the ends tend to dissipate heat to the outside, so that the temperature tends to be lower than the unit cells located at the center. Therefore, in a sub-freezing environment, the generated water may freeze in the unit cell at the end and the supply of the oxidant gas may be hindered, and it is desirable to quickly raise the temperature to prevent the generated water from freezing.
本実施例では、図7に示すように、燃料電池スタック31の図中左側の端部単位電池32,及び右側の端部単位電池33に、それぞれ遮断スイッチ38,39を介して、外部直流電源装置36,37が接続可能となっている。
In the present embodiment, as shown in FIG. 7, an external DC power source is connected to the left end unit cell 32 and the right end unit cell 33 of the fuel cell stack 31 via cut-off
燃料電池スタック31の最も左側の端部単位電池32のアノード32aは、燃料電池スタック31のアノード3と共通の電極であり、このアノード3に遮断スイッチ38を介して外部直流電源装置36の正極が接続されている。端部単位電池32のカソード32bとこれに隣接する単位電池のアノードとの間には、補助電極34が設けられ、この補助電極34に外部直流電源装置36の負極が接続されている。
The
同様に、燃料電池スタック31の最も右側の端部単位電池33のアノード33aとこれに隣接する単位電池のカソードとの間には、補助電極35が設けられ、この補助電極35に遮断スイッチ39を介して外部直流電源装置37の正極が接続されている。端部単位電池33のカソード33bは、燃料電池スタック31のカソード4と共通の電極であり、このカソード4に外部直流電源装置37の負極が接続されている。その他の燃料電池の補機として、図1、または図4と同様の構成要素を備えるが、図7においては、図示を省略してある。
Similarly, an
そして、燃料電池スタック31の暖機時に、図示しないコントローラから遮断スイッチ38,39を制御して、外部直流電源装置36,37から燃料電池スタック31の端部単位電池32,33へ電流供給する制御内容は、実施例1または実施例2と同様である。 When the fuel cell stack 31 is warmed up, control is performed to supply current from the external DC power supply devices 36 and 37 to the end unit cells 32 and 33 of the fuel cell stack 31 by controlling the cutoff switches 38 and 39 from a controller (not shown). The contents are the same as those in the first or second embodiment.
尚、本実施例では、燃料電池スタックの最も外側に位置する最端部単位電池に外部直流電源装置から電流を供給するように構成したが、燃料電池スタックの両端部において、それぞれ最端部単位電池を含む複数個の端部単位電池に外部直流電源装置から電流供給するように構成してもよい。 In the present embodiment, the current is supplied from the external DC power supply to the outermost unit cell located on the outermost side of the fuel cell stack. A plurality of end unit batteries including the battery may be configured to supply current from an external DC power supply device.
本実施例によれば、積層された燃料電池スタックの端部に位置する単位電池、あるいは端部単位電池を含むいくつかの単位電池群に対して、電気化学的水素輸送法とそれに続く反応熱による昇温を実施する。積層された燃料電池では、外界への熱の散逸のため、端部あるいはその近傍に位置する単位電池は中央部に位置する単位電池に比べ温度が低く、発電による温度上昇も少ないため生成水が凍結しやすい。したがって端部の単位電池を昇温しておくことで生成水の凍結を防ぐことが可能となる。さらに、積層された燃料電池のすべての単位電池に対して電気化学的水素輸送法を実施する場合に比べ、水素の消費量が少なく、外部直流電源装置から燃料電池本体に印加する印加電圧も小さくてすむという利点がある。 According to this embodiment, the unit cell located at the end of the stacked fuel cell stack, or several unit cell groups including the end unit cell, the electrochemical hydrogen transport method and the subsequent reaction heat Increase the temperature by In a stacked fuel cell, the unit cell located at or near the end is lower in temperature than the unit cell located in the center due to the dissipation of heat to the outside world. Easy to freeze. Therefore, it is possible to prevent the generated water from freezing by raising the temperature of the end unit battery. Furthermore, compared to the case where the electrochemical hydrogen transport method is performed on all unit cells of the stacked fuel cells, the amount of hydrogen consumed is small, and the applied voltage applied to the fuel cell body from the external DC power supply device is also small. The advantage is that
図8は、実施例4の燃料電池システムの起動時における燃料電池本体の反応を説明する模式断面図であり、スタックを構成する一単位電池を示している。 FIG. 8 is a schematic cross-sectional view for explaining the reaction of the fuel cell main body at the time of starting the fuel cell system of Example 4, and shows one unit cell constituting the stack.
図8において、燃料電池は電極以外の領域、例えばカソードガス流路表面に水素酸化触媒21を備える。その他の構成は、実施例1の図2で示した概略図と同様であるので、同じ構成要素には同じ符号を付与して重複する説明を省略する。 In FIG. 8, the fuel cell includes a hydrogen oxidation catalyst 21 in a region other than the electrode, for example, the cathode gas flow channel surface. Other configurations are the same as those in the schematic diagram shown in FIG. 2 of the first embodiment, and thus the same components are denoted by the same reference numerals and redundant description is omitted.
水素酸化触媒21としては、例えば、プラチナ(Pt)、プラチナとパラジウム(Pd)との合金等の微粉末をカーボン又はセラミック等の多孔質材料に担持させたものである。 As the hydrogen oxidation catalyst 21, for example, a fine powder such as platinum (Pt) or an alloy of platinum and palladium (Pd) is supported on a porous material such as carbon or ceramic.
本実施例によれば、電極触媒で酸化されずに通過した水素をその他の領域に設けた水素酸化触媒21で燃焼、発熱させ、より効率の良い温度上昇を実現することが可能となる。なおここでは流路面への触媒の塗布のみを記したが、その他の領域、たとえばガス拡散層に上記微粉末を適当な溶媒により塗布することによっても同様の効果が得られる。 According to the present embodiment, hydrogen that has passed without being oxidized by the electrode catalyst is burned and generated by the hydrogen oxidation catalyst 21 provided in the other region, and a more efficient temperature rise can be realized. Although only the application of the catalyst to the flow path surface is described here, the same effect can be obtained by applying the fine powder to another region, for example, the gas diffusion layer with an appropriate solvent.
1…燃料電池システム
2…燃料電池本体
3…アノード
4…カソード
5…水素タンク
6…水素圧力調整弁
7…水素パージ弁
8…水素循環路
9…水素循環ポンプ
10…コンプレッサ
11…空気圧力調整弁
12…負荷スイッチ
13…負荷装置
14…温度センサ
15…コントローラ
16…遮断スイッチ
17…外部直流電源装置
18…電流計
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell system 2 ... Fuel cell main body 3 ... Anode 4 ...
Claims (7)
前記アノードに水素ガスを供給する燃料供給手段と、
前記カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤供給手段と、
を備えた燃料電池システムにおいて、
遮断スイッチを介して前記燃料電池本体に接続される外部直流電源を備え、
前記燃料電池システムの始動時に、前記燃料電池本体の温度上昇が必要な場合に、前記燃料供給手段から前記アノードに水素ガスを供給し、かつ前記外部直流電源の正極を前記アノードに、負極を前記カソードにそれぞれ接続して、前記外部直流電源から前記燃料電池本体に電流を供給することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell body in which an anode and a cathode are formed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane;
Fuel supply means for supplying hydrogen gas to the anode;
An oxidant supply means for supplying an oxidant gas to the cathode;
In a fuel cell system comprising:
An external DC power source connected to the fuel cell body via a cutoff switch;
When the temperature of the fuel cell main body needs to be increased at the time of starting the fuel cell system, hydrogen gas is supplied from the fuel supply means to the anode, the positive electrode of the external DC power source is the anode, and the negative electrode is the negative electrode. A fuel cell system, characterized in that a current is supplied to the fuel cell main body from the external DC power source connected to each cathode.
該温度検出手段が検出または推定した温度値が所定値まで上昇した場合に、前記外部直流電源から燃料電池本体への電流供給を停止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。 Temperature detecting means for detecting or estimating the temperature in or near the fuel cell main body,
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein when the temperature value detected or estimated by the temperature detection means rises to a predetermined value, the current supply from the external DC power source to the fuel cell main body is stopped.
該電気量検出手段が検出または推定した電気量が設定値に達した場合に、前記外部直流電源からの電流供給を停止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。 An electric quantity detecting means for detecting or estimating an electric quantity supplied to the fuel cell main body from the external DC power source;
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein when the amount of electricity detected or estimated by the amount of electricity detection means reaches a set value, the current supply from the external DC power supply is stopped.
前記外部直流電源からの電流供給開始前に、前記温度検出手段が検出または推定した温度値に基づいて前記設定値を計算する必要電気量計算手段と、
を備えたことを特徴とする請求項3に記載の燃料電池システム。 Temperature detecting means for detecting or estimating the temperature in or near the fuel cell body; and
Before starting the current supply from the external DC power supply, the required electric quantity calculating means for calculating the set value based on the temperature value detected or estimated by the temperature detecting means,
The fuel cell system according to claim 3, further comprising:
該燃料電池スタックの端部に位置する端部単位電池、あるいは該端部単位電池を含む一部の単位電池に前記外部直流電源から電流を供給することを特徴とする請求項1乃至請求項5の何れか1項に記載の燃料電池システム。 The fuel cell body is a fuel cell stack in which a plurality of unit cells are stacked,
6. A current is supplied from the external DC power source to an end unit cell located at an end of the fuel cell stack or a part of unit cells including the end unit cell. The fuel cell system according to any one of the above.
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009054432A (en) * | 2007-08-28 | 2009-03-12 | Honda Motor Co Ltd | Fuel cell system |
JP2010020923A (en) * | 2008-07-08 | 2010-01-28 | Toyota Motor Corp | Fuel cell system |
WO2010120565A2 (en) * | 2009-03-31 | 2010-10-21 | Enerfuel, Inc. | Method and apparatus for pem fuel cell freezing protection |
-
2004
- 2004-02-06 JP JP2004030595A patent/JP2005222840A/en active Pending
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009054432A (en) * | 2007-08-28 | 2009-03-12 | Honda Motor Co Ltd | Fuel cell system |
JP2010020923A (en) * | 2008-07-08 | 2010-01-28 | Toyota Motor Corp | Fuel cell system |
WO2010120565A2 (en) * | 2009-03-31 | 2010-10-21 | Enerfuel, Inc. | Method and apparatus for pem fuel cell freezing protection |
WO2010120565A3 (en) * | 2009-03-31 | 2013-05-30 | Enerfuel, Inc. | Method and apparatus for pem fuel cell freezing protection |
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