JP2006086034A - Solid polymer type fuel cell method, fuel cell system, and recording medium - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は燃料電池の性能低下を起こすことなく電池システムを運転することができる固体高分子形燃料電池の運転方法、燃料電池システム、及びコンピュータにより読み出し可能な記録媒体に関する。 The present invention relates to a solid polymer fuel cell operating method, a fuel cell system, and a computer-readable recording medium capable of operating a battery system without causing a performance degradation of the fuel cell.
固体高分子形燃料電池は、出力が高い、寿命が長い、起動・停止による劣化が少ない、運転温度が低い(約70〜80℃)などのため、起動・停止が容易である等の長所を有している。そのため、電気自動車用電源、業務用及び家庭用の分散電源等の幅広い用途が期待されている。 The polymer electrolyte fuel cell has advantages such as high output, long life, little deterioration due to start / stop, low operating temperature (about 70-80 ° C), and easy start / stop. Have. For this reason, a wide range of uses such as power sources for electric vehicles, distributed power sources for business use and home use are expected.
これらの用途の中で、固体高分子形燃料電池を搭載した分散電源(例えば、コジェネレーション発電システム)は、固体高分子形燃料電池より電気を取り出すと同時に、発電時に電池から発生する熱を温水として回収することにより、エネルギーを有効活用しようとするシステムである。このような分散電源は使用期間として50,000時間以上の寿命が要求され、膜−電極接合体、セル構成、発電条件等の改良が進められている。また、燃料電池を搭載した発電システム全体に関しては、起動−停止の繰り返しによる出力や発電効率の低下はできるだけ小さいことが、ユーザー側に望まれている。特に、システムの停止時には、燃料電池内部より燃料ガス(可燃性ガス)を除去することが、出力電圧の低下を防止するために必要であることが知られている(特許文献3)。この関連技術として、古くは、リン酸形燃料電池システムにおいて、不活性ガスパージを利用した停止技術(特許文献1、2)が知られている。また、発電システムの省スペース化、設備の小形化のため、不活性ガスを用いない停止方法が望まれており、抵抗器を用いた外部短絡方法による固体高分子形燃料電池の停止方法も知られている(特許文献3)。
Among these applications, a distributed power source (for example, a cogeneration power generation system) equipped with a polymer electrolyte fuel cell takes out electricity from the polymer electrolyte fuel cell, and at the same time, generates heat from the battery during power generation with hot water. It is a system that tries to make effective use of energy by collecting as Such a distributed power source is required to have a service life of 50,000 hours or more as a period of use, and improvements in membrane-electrode assemblies, cell configurations, power generation conditions, and the like are being promoted. Further, regarding the entire power generation system equipped with a fuel cell, it is desired by the user that the output and the decrease in power generation efficiency due to repeated start-stop are as small as possible. In particular, it is known that when the system is stopped, it is necessary to remove the fuel gas (combustible gas) from the inside of the fuel cell in order to prevent the output voltage from decreasing (Patent Document 3). As this related technology, in the past, a stop technology (
固体高分子形燃料電池を搭載した発電システムを停止させる場合、システムの起動−停止、すなわち固体高分子形燃料電池の起動−停止の繰り返しによって、その条件によっては、出力低下が起こる場合がある。特に、燃料電池の停止時には、電池内部に含まれる燃料ガスと酸化ガスが存在し、膜−電極接合体の面内において、局部電池が形成されて電極中の白金触媒微粒子が凝集することによって、出力電圧が低下すると推定される。これを抑制するためには、燃料ガスを除去することが必要であり、従来は不活性ガスを電池に供給して、パージによる方法が採られていた(特許文献3)。 When the power generation system equipped with the polymer electrolyte fuel cell is stopped, the output may decrease depending on the conditions due to repeated start-stop of the system, that is, start-stop of the polymer electrolyte fuel cell. In particular, when the fuel cell is stopped, there are fuel gas and oxidizing gas contained in the cell, and in the plane of the membrane-electrode assembly, local cells are formed and the platinum catalyst fine particles in the electrode aggregate, It is estimated that the output voltage will drop. In order to suppress this, it is necessary to remove the fuel gas. Conventionally, a method of purging by supplying an inert gas to the battery has been adopted (Patent Document 3).
別の方法として、まず、燃料ガスの供給を停止し、燃料ガス出口のバルブも閉止した状態において、電池の外部に設けた抵抗器を介して、外部短絡により燃料ガスと酸化ガスを反応させる方法がある。 As another method, first, the fuel gas and the oxidizing gas are reacted by an external short circuit through a resistor provided outside the battery in a state where the supply of the fuel gas is stopped and the valve of the fuel gas outlet is also closed. There is.
セル電圧を監視しながら、抵抗器を介してセル間を短絡させ、セル電圧を下げる停止操作を採用した場合、前記操作の終了時においてアノードとカソードの電位が劣化反応の起こる電位領域にあるとき、セルの劣化が起こり得る。セル電圧は、電極の一方の電位が変動することにより、他方の電位もそれに追随して動いたときに、セル電圧のみを監視しても、各電極が劣化反応の起こり得る電位状態にあるのか否か、判別することはできない。 When a stop operation is adopted in which the cell voltage is short-circuited through a resistor and the cell voltage is lowered while the cell voltage is monitored, the anode and cathode potentials are in a potential region where a degradation reaction occurs at the end of the operation. Cell degradation can occur. Whether the cell voltage is in a potential state where a deterioration reaction can occur even if only the cell voltage is monitored when the potential of one of the electrodes fluctuates and the other potential moves following the cell voltage. It cannot be determined whether or not.
本発明の目的は、不活性ガス供給装置などが不要で、燃料電池の性能低下をもたらすことなく、燃料電池を停止できる燃料電池の運転方法、燃料電池システム、及びこの燃料電池システムの運転に適合した運転情報を記録した記録媒体を提供することである。 An object of the present invention is an operation method of a fuel cell, a fuel cell system, and an operation of the fuel cell system that can stop the fuel cell without causing an inert gas supply device or the like without causing a decrease in the performance of the fuel cell. It is to provide a recording medium in which the driving information is recorded.
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスを分離する固体高分子形電解質膜を有する燃料電池と、該燃料電池に対し並列に接続されたインバータと短絡装置を有し、前記燃料電池の停止時に、前記短絡装置と燃料電池とを接続して外部短絡電流を流し、少なくとも当該電流を止める直前のアノードの終止電位が、所定の下限電位(LP)と上限電位(HP)の間に存在するように制御するか、もしくはアノードとカソードの電位が一致してセル電圧がゼロになることにより当該電流が流れなくなるときのアノードとカソードの終止電位が、所定の下限電位(LP)と上限電位(HP)の間に存在するように制御するステップを含むことを特徴とする固体高分子形燃料電池の運転方法を提供するものである。 The present invention includes a fuel cell having a solid polymer electrolyte membrane that separates fuel gas and oxidant gas, an inverter connected in parallel to the fuel cell, and a short-circuit device, and when the fuel cell is stopped, The short-circuit device and the fuel cell are connected to cause an external short-circuit current to flow, and at least the final potential of the anode immediately before stopping the current is between a predetermined lower limit potential (LP) and an upper limit potential (HP). The end potential of the anode and the cathode when the current does not flow when the potentials of the anode and the cathode coincide with each other and the cell voltage becomes zero is set to the predetermined lower limit potential (LP) and the upper limit potential (HP). The present invention provides a method for operating a polymer electrolyte fuel cell, comprising the step of controlling the fuel cell to exist between the two.
また、本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスを分離する固体高分子形電解質膜を有する燃料電池と、該燃料電池に燃料ドガスを供給する燃料製造装置と、該燃料電池に対し酸化剤ガスを供給する装置と、該燃料電池の出力を変換するインバータと、該燃料電池とインバータに対し並列に接続された短絡装置と、該燃料電池の運転を制御する制御装置とを備え、該制御装置は、該燃料電池の停止信号に基づいて、前記燃料電池に対する燃料ガスの供給停止と、前記短絡装置と燃料電池とを接続して外部短絡電流を流し、当該電流を止める直前のアノードの終止電位が、少なくとも所定の下限電位(LP)と上限電位(HP)の間に存在するように制御するか、若しくはアノードとカソードの電位が一致してセル電圧がゼロになることにより当該電流が流れなくなるときのアノードとカソードの終止電位が、所定のアノード電位とカソード電位の下限電位(LP)と上限電位(HP)の間に存在するように制御することを特徴とする固体高分子形燃料電池システムを提供するものである。 The present invention also provides a fuel cell having a solid polymer electrolyte membrane that separates a fuel gas and an oxidant gas, a fuel manufacturing apparatus that supplies a fuel degas to the fuel cell, and an oxidant gas supplied to the fuel cell. A supply device, an inverter for converting the output of the fuel cell, a short circuit device connected in parallel to the fuel cell and the inverter, and a control device for controlling the operation of the fuel cell, the control device comprising: Based on the stop signal of the fuel cell, the supply of fuel gas to the fuel cell is stopped, the short-circuit device and the fuel cell are connected, an external short-circuit current is passed, and the end potential of the anode immediately before stopping the current is The current is controlled by at least a predetermined lower limit potential (LP) and an upper limit potential (HP) being present, or when the anode and cathode potentials coincide with each other and the cell voltage becomes zero. A solid polymer fuel characterized by controlling the end potential of the anode and cathode when no longer flows between a predetermined anode potential and a lower limit potential (LP) and an upper limit potential (HP) of the cathode potential A battery system is provided.
更に又、本発明は、燃料電池システムの運転プログラム及び燃料電池システムの起動・停止プログラムと、開回路時のアノード電位及びカソード電位の下限電位(LP)と上限電位(HP)を上記燃料電池の運転特性としてあらかじめ求めたデータをコンピュータが読み取り可能な媒体に記録されていることを特徴とする記録媒体を提供するものである。 Furthermore, the present invention provides a fuel cell system operation program and a fuel cell system start / stop program, and a lower limit potential (LP) and an upper limit potential (HP) of an anode potential and a cathode potential at the time of an open circuit. It is an object of the present invention to provide a recording medium in which data obtained in advance as operating characteristics is recorded on a computer-readable medium.
本発明の運転方法によって、不活性ガスパージ設備を省略することができる。 By the operation method of the present invention, an inert gas purge facility can be omitted.
本発明の具体的な構成例は、燃料ガスと酸化剤ガスを分離する固体高分子形電解質膜を有する固体高分子形燃料電池と、短絡装置と、インバータと、燃料電池に対する前記インバータと前記短絡装置の接続を切り替えるスイッチと、該燃料電池に燃料ガスと酸化剤ガスの供給配管及び排出配管と、該供給配管及び排出配管の接続された供給バルブと排出バルブとを有するものである。上記短絡装置は、固定抵抗器、可変抵抗器等を含んでもよい。 A specific configuration example of the present invention includes a polymer electrolyte fuel cell having a polymer electrolyte membrane that separates a fuel gas and an oxidant gas, a short circuit device, an inverter, the inverter for the fuel cell, and the short circuit. The switch for switching the connection of the apparatus, the fuel cell has a supply pipe and a discharge pipe for the fuel gas and the oxidant gas, and a supply valve and a discharge valve connected to the supply pipe and the discharge pipe. The short-circuit device may include a fixed resistor, a variable resistor, and the like.
本発明は、燃料電池の停止にあたり、燃料ガスの供給バルブを閉じ、前記短絡装置を介して短絡される電流が流れた終了時において、少なくともアノード電位が、開回路時の電位よりも所定の下限電位(LP)以上、上限電位(HP)以下であるように維持し、アノードへの悪影響、電池性能の低下を回避しつつ燃料電池を停止するステップを実施する。 According to the present invention, when the fuel cell is stopped, the fuel gas supply valve is closed, and at the end of the flow of the current that is short-circuited through the short-circuit device, at least the anode potential is lower than the potential in the open circuit by a predetermined lower limit. The step of stopping the fuel cell is performed while maintaining the potential (LP) to be equal to or higher than the upper limit potential (HP) and avoiding adverse effects on the anode and a decrease in battery performance.
本発明で規定した電位範囲にアノードとカソードの電位を制御することにより、多数積層セル(いわゆるセルスタック)においても、一部セルが転極しても、アノードやカソードの触媒層上の酸化反応あるいは還元反応によって劣化することを防止できる。例えば、セルスタック全体では電圧がプラスにあり外部短絡電流を流すことが状態にあるとき、各セルのアノード電位がLPとHPの範囲内になっていれば、一部のセルのアノード電位がカソード電位よりも高くなっても(いわゆる、転極になっても)、この範囲内であれば、Pt触媒上の酸化被膜が形成される程度の酸化反応しか進行せず、触媒層の大きなダメージを回避できる。また、カソードにおいても、電位がLPよりも高ければ、アノードよりも低い電位になっても(すなわち転極しても)、過酸化水素の生成による劣化を回避できる。 By controlling the potentials of the anode and cathode within the potential range defined in the present invention, the oxidation reaction on the catalyst layer of the anode or cathode can be performed even in the case of multi-stacked cells (so-called cell stacks), even if some cells are reversed. Or it can prevent deteriorating by a reductive reaction. For example, when the voltage is positive in the entire cell stack and an external short-circuit current is allowed to flow, if the anode potential of each cell is within the range of LP and HP, the anode potential of some cells is the cathode. Even if it becomes higher than the potential (so-called inversion), if it is within this range, only the oxidation reaction to the extent that an oxide film is formed on the Pt catalyst proceeds, and the catalyst layer is greatly damaged. Can be avoided. Also, in the cathode, if the potential is higher than LP, deterioration due to the generation of hydrogen peroxide can be avoided even if the potential becomes lower than that of the anode (that is, even if the polarity is reversed).
制御装置は、バルブと切り替えスイッチを操作するプログラムを動作させる制御回路を具備する。更に燃料ガス及び酸化剤ガスを燃料電池に供給する開閉装置を備えることができる。 The control device includes a control circuit that operates a program for operating the valve and the changeover switch. Furthermore, an opening / closing device for supplying fuel gas and oxidant gas to the fuel cell can be provided.
上記制御装置は燃料ガス及び酸化剤ガスを燃料電池に供給する開閉装置を制御するものである。また、制御装置は、上記アノード電位とカソード電位との交点が、上記LPとHPの範囲内に存在するように制御する。また別の制御方法として、前期短絡装置による外部短絡電流を止める直前に、少なくともアノードの終止電位がLPとHPの範囲内にあり、外部短絡電流を止めた後の開回路状態にて本発明の停止操作前の開回路電圧に復帰しなければ、当該交点まで外部短絡を継続することを省略しても良い。必要に応じ、燃料ガス及び/又は酸化剤ガスの供給を遅延させるステップを含むことが好ましい。 The control device controls a switching device that supplies fuel gas and oxidant gas to the fuel cell. Further, the control device performs control so that the intersection between the anode potential and the cathode potential is within the range of LP and HP. As another control method, immediately before stopping the external short-circuit current due to the short-circuiting device, at least the end potential of the anode is in the range of LP and HP, and in the open circuit state after stopping the external short-circuit current, If the circuit does not return to the open circuit voltage before the stop operation, it may be omitted to continue the external short circuit to the intersection. It is preferable to include a step of delaying the supply of the fuel gas and / or the oxidant gas as necessary.
上記制御装置は、燃料ガス供給バルブを閉止した状態において、短絡装置を介して外部短絡電流が流れ始めた後、所定時間経過後にカソード供給バルブを閉止するように制御することができる。上記LPを0.2V〜0.8V、HPを0.2V〜0.8Vとし、かつLP<HPであるように設定することが好ましい。また、Pt上の水素吸着−脱離および酸素吸着−脱離の開始電位がそれぞれ0.4V、0.7V近傍で起こるので、より精密な制御ができるのであれば、LPは0.4〜0.5Vの範囲、HPは0.6〜0.7Vであることが望ましい。これにより、セルの長寿命化をより効果的に図ることができる。 The control device can control the cathode supply valve to be closed after a predetermined time has elapsed after the external short-circuit current starts flowing through the short-circuit device in a state where the fuel gas supply valve is closed. The LP is preferably set to 0.2 V to 0.8 V, the HP is set to 0.2 V to 0.8 V, and LP <HP. In addition, since the starting potentials of hydrogen adsorption-desorption and oxygen adsorption-desorption on Pt occur in the vicinity of 0.4 V and 0.7 V, respectively, LP can be set to 0.4 to 0 if more precise control can be performed. It is desirable that the range of .5V and HP be 0.6 to 0.7V. Thereby, the lifetime improvement of a cell can be achieved more effectively.
上記制御装置は、上記交点または上記終止電位が上記LPとHPの範囲内に存在するように、燃料ガス及び/又は酸化剤ガスの供給を遅延させるように制御することができる。上記制御装置はまた、燃料電池システムの運転プログラム及び燃料電池システムの起動・停止プログラムと、上記開回路時のアノード電位とカソード電位の下限電位(LP)と上限電位(HP)を上記燃料電池の運転特性として予め求めたデータをデータベースとして保持することが望ましい。上記データベースはコンピュータが読み取り可能な記録媒体に記録されていることができる。記録媒体としては、磁気ディスク、磁気テープ、フレキシブル磁気ディスク、ICカード、コンパクトディスク等、任意のものが使用できる。 The control device can control the supply of the fuel gas and / or the oxidant gas to be delayed so that the intersection or the end potential exists in the range of the LP and HP. The control device also includes an operation program for the fuel cell system, a start / stop program for the fuel cell system, and a lower limit potential (LP) and an upper limit potential (HP) of the anode potential and the cathode potential at the time of the open circuit. It is desirable to store data obtained in advance as operation characteristics as a database. The database can be recorded on a computer-readable recording medium. As the recording medium, an arbitrary medium such as a magnetic disk, a magnetic tape, a flexible magnetic disk, an IC card, or a compact disk can be used.
上記データは、上記アノード電位とカソード電位の交点が上記LPとHPの範囲内に存在するように制御するプログラムを含むことができる。上記データは、燃料ガス及び/又は酸化剤ガスの供給を遅延させるプログラムを含むことができる。 The data may include a program for controlling the intersection of the anode potential and the cathode potential to be within the range of the LP and HP. The data may include a program that delays the supply of fuel gas and / or oxidant gas.
本発明の燃料電池システムの具体的構成例として、スタックに燃料ガスを供給する改質器と、燃料電池に燃料ガスまたは空気を供給するための供給バルブを閉じる為の制御装置を備える燃料電池システムがある。更に他の具体的構成例として、水素ガスの供給バルブと排出バルブが閉じられる前に、固体高分子形燃料電池と短絡装置が連結され、短絡装置に流れる外部電流を取り出し燃料ガス中の水素を酸化するように、抵抗器を制御する制御器を備える発電システムがある。燃料電池システムは、燃料電池より燃料ガスまたは空気を排出するための排出バルブを閉じる為の制御装置を備えていてもよい。 As a specific configuration example of the fuel cell system of the present invention, a fuel cell system including a reformer that supplies fuel gas to a stack and a control device for closing a supply valve for supplying fuel gas or air to the fuel cell There is. As another specific configuration example, before the supply valve and the discharge valve for hydrogen gas are closed, the polymer electrolyte fuel cell and the short-circuit device are connected, the external current flowing through the short-circuit device is taken out, and the hydrogen in the fuel gas is removed. There are power generation systems that include a controller that controls the resistor to oxidize. The fuel cell system may include a control device for closing a discharge valve for discharging fuel gas or air from the fuel cell.
以下、発電システムを停止するための本発明の概念、特徴を説明するが、最初に図1〜図10を、符号を用いて説明する。 Hereinafter, the concept and characteristics of the present invention for stopping the power generation system will be described. First, FIGS. 1 to 10 will be described using reference numerals.
図1は、本発明の実施例における燃料電池システムの停止操作プロセスを説明するためのアノードとカソードの開回路電圧の関係を示す概念図であり、1aは、停止操作直前の発電状態、1bは、燃料ガス供給・排出バルブを閉じ、抵抗器をオンの状態にする操作、1cは、酸化剤ガス供給・排出バルブを閉じ、抵抗器をオンの状態を継続する操作である。 FIG. 1 is a conceptual diagram showing a relationship between an open circuit voltage of an anode and a cathode for explaining a stop operation process of a fuel cell system in an embodiment of the present invention. 1a is a power generation state immediately before the stop operation, 1b is 1c is an operation for closing the fuel gas supply / discharge valve and turning on the resistor, and 1c is an operation for closing the oxidant gas supply / discharge valve and keeping the resistor on.
図2は、燃料電池停止操作プロセスにおけるアノードとカソードの開回路電圧の関係が不適切である場合の概念図であり、2aは、燃料ガス供給・排出バルブを閉じ、抵抗器をオンの状態にする操作、2bは、燃料ガスと酸化剤ガスの供給・排出バルブを閉じ、抵抗器をオンの状態にする操作である。
FIG. 2 is a conceptual diagram when the relationship between the open circuit voltage of the anode and the cathode in the fuel cell stop operation process is inappropriate. 2a closes the fuel gas supply / discharge valve and turns on the resistor. The
図3は、燃料電池停止操作プロセスにおけるアノードとカソードの開回路電圧の関係が不適切である場合の他の例の概念図であり、3aは、燃料ガス供給・排出バルブを閉じ、抵抗器をオンの状態にする操作、3bは、燃料ガス供給・排出バルブを閉じ、抵抗器をオンの状態にする操作、3cは、図1の1bよりも酸化剤ガス供給・排出バルブを閉じる時間を遅延させ、抵抗器をオンの状態を継続する操作である。 FIG. 3 is a conceptual diagram of another example in the case where the relationship between the open circuit voltage of the anode and the cathode is inappropriate in the fuel cell stop operation process. The operation to turn on, 3b closes the fuel gas supply / discharge valve, and the resistor turns on, 3c delays the time to close the oxidant gas supply / discharge valve than 1b in FIG. This is an operation to keep the resistor on.
図4は、開回路におけるアノード電位の測定法を説明するための概念図であり、4aは、停止操作直前の発電状態、4bは、燃料ガス供給・排出バルブを閉じ、カソード側に空気の供給を継続し、抵抗器をオンの状態にする操作である。 FIG. 4 is a conceptual diagram for explaining a method of measuring an anode potential in an open circuit. 4a is a power generation state immediately before a stop operation, 4b is a fuel gas supply / discharge valve closed, and air is supplied to the cathode side. This is an operation to turn on the resistor.
図5は、終止状態Qよりアノード電位を決定する方法を説明するための概念図であり、5aは、停止操作直前の発電状態、5bは、燃料ガス供給・排出バルブを閉じ、カソード側に空気の供給を継続し、抵抗器をオンの状態にする操作、5cは、抵抗器をオフとし、燃料ガス供給・排出バルブを開き、アノード側に燃料ガスを供給する操作である。 FIG. 5 is a conceptual diagram for explaining a method of determining the anode potential from the end state Q. 5a is a power generation state immediately before the stop operation, 5b is a state in which the fuel gas supply / discharge valve is closed and air is supplied to the cathode side. 5c is an operation of turning on the resistor and turning off the resistor, opening the fuel gas supply / discharge valve, and supplying the fuel gas to the anode side.
図6は、開回路におけるカソード電位の測定方法を説明するための概念図であり、6aは、停止操作直前の発電状態、6bは、酸化剤ガス供給・排出バルブを閉じ、アノード側に燃料ガスの供給を継続し、抵抗器をオンの状態にする操作である。 FIG. 6 is a conceptual diagram for explaining a cathode potential measurement method in an open circuit, 6a is a power generation state immediately before a stop operation, 6b is a oxidant gas supply / discharge valve closed, and fuel gas is connected to the anode side. This is an operation to keep the resistor on.
図7は、終止状態Rよりカソード電位を決定する方法を説明するための概念図であり、7aは、停止操作直前の発電状態、7bは、酸化剤ガス供給・排出バルブを閉じ、アノード側に燃料ガスの供給を継続し、抵抗器をオンの状態にする操作、7cは、抵抗器をオフとし、酸化剤ガス供給・排出バルブを開き、カソード側に空気を供給する操作である。 FIG. 7 is a conceptual diagram for explaining a method of determining the cathode potential from the end state R. 7a is a power generation state immediately before the stop operation, 7b is a state where the oxidant gas supply / discharge valve is closed and the anode side is closed. An operation of continuing the supply of the fuel gas and turning on the resistor, and 7c is an operation of turning off the resistor, opening the oxidant gas supply / discharge valve, and supplying air to the cathode side.
図8は、本発明の実施例における終止条件の調整方法を説明するための概念図であり、9aは、停止操作直前の発電状態、9bは、燃料ガスと酸化剤ガスの供給・排出バルブを閉じ、抵抗器をオンの状態にする操作である。 FIG. 8 is a conceptual diagram for explaining a method for adjusting a termination condition in an embodiment of the present invention, where 9a is a power generation state immediately before the stop operation, and 9b is a supply / discharge valve for fuel gas and oxidant gas. This is an operation to close and turn on the resistor.
図9は、本発明の実施例における終止条件の他の調整方法を説明するための概念図であり、10aは、停止操作直前の発電状態、10bは、図1の1bよりも酸化剤ガス供給・排出バルブを閉じる時間を遅延させ、抵抗器をオンの状態を継続する操作、10cは、酸化剤ガス供給・排出バルブを閉じ、抵抗器をオンの状態を継続する操作である。 FIG. 9 is a conceptual diagram for explaining another adjustment method of the termination condition in the embodiment of the present invention. 10a is a power generation state immediately before the stop operation, 10b is an oxidant gas supply than 1b in FIG. An operation for delaying the time for closing the discharge valve and keeping the resistor on, 10c is an operation for closing the oxidant gas supply / discharge valve and keeping the resistor on.
発電システムの停止モードに切り替わるときには、それまでに発電状態にあることが通常である。このときの各電極の電位は、図1の(1a)に示すように、アノードはOCV(アノード)より高電位側、カソードはOCV(カソード)より下にあり、両電極の電位の差がセル電圧になる。なお、OCVは開回路電圧(Open Circuit Voltage)の略号である。 When switching to the stop mode of the power generation system, it is normal that the power generation state has been reached by then. As shown in FIG. 1 (1a), the potential of each electrode at this time is such that the anode is higher than the OCV (anode) and the cathode is lower than the OCV (cathode). Become a voltage. Note that OCV is an abbreviation for open circuit voltage.
つぎに、発電状態から停止状態に移行するために、燃料電池スタックからインバータに供給されていた電流は、切り替えスイッチによって、抵抗器に流れるようにするのが停止モードの第1ステップになる。このようにすると、ガス欠発電を回避することができる。このとき、図1の(1b)に示すように、発電状態の電流よりも抵抗器に流れる電流が小さいため、電位がわずかに変動することがある。 Next, in order to shift from the power generation state to the stop state, the first step of the stop mode is to allow the current supplied from the fuel cell stack to the inverter to flow through the resistor by the changeover switch. In this way, gas shortage power generation can be avoided. At this time, as shown in (1b) of FIG. 1, since the current flowing through the resistor is smaller than the current in the power generation state, the potential may fluctuate slightly.
燃料ガスの供給を停止するときには、スタックの前後にある燃料ガス供給バルブと排出バルブを閉じる。バルブの閉止操作の直前まで供給されているガスは、通常の発電に必要な濃度の水素ガスを含有する燃料ガスであっても良いし、通常の発電時よりも低水素濃度の燃料ガスであっても良い。 When stopping the supply of the fuel gas, the fuel gas supply valve and the discharge valve at the front and rear of the stack are closed. The gas supplied until immediately before the valve closing operation may be a fuel gas containing hydrogen gas at a concentration required for normal power generation, or a fuel gas having a lower hydrogen concentration than during normal power generation. May be.
スタックの外部端子を短絡する抵抗器には電流が流れ、アノードの電位は開回路時の電位(図1ではゼロ)は、図1の(1c)に示すように、水素の酸化により次第に上昇する。 A current flows through the resistor that short-circuits the external terminal of the stack, and the potential of the anode in the open circuit (zero in FIG. 1) gradually increases due to the oxidation of hydrogen, as shown in FIG. 1 (1c). .
酸化剤ガスの場合は、通常の発電状態では一定電位を示す(図1(1a))ところまでは、アノードと同じである。その後、図1(1b)の条件になってから、抵抗器によりセルが短絡される。図1では代表例として、図1(1c)になる直前までにカソード側へ空気の供給を継続した例である。 In the case of the oxidant gas, a constant potential is shown in a normal power generation state (FIG. 1 (1a)), and the same as the anode. Thereafter, the cell is short-circuited by the resistor after the condition shown in FIG. In FIG. 1, as a representative example, the supply of air to the cathode side is continued immediately before the state shown in FIG. 1 (1c).
図1(1c)になったら、直ちにカソード供給側と排出側のバルブを閉じる操作を行う。バルブの閉止によりスタック内部の酸素濃度が減少するので、カソード電位は低下する。カソード電位とアノード電位の交点をPとすると、セル電圧がゼロのときに、両電極の電位がLPとHPの間になる。LPとHPによって区切られる電位域において、それぞれの電極において劣化反応が起こりにくいのであれば、停止操作によるセル劣化を抑制できる。なお、図2は、カソードバルブ閉止時間をアノードバルブ閉止時間と同時にした場合で、カソード電位がLPよりも小さくなった場合である。この場合は、バルブで仕切られたスタックのカソード流路内に存在する酸素が不足している状況であり、カソード電位が低くなりすぎるため、過酸化水素が発生しやすく、過酸化水素による電解質膜の酸化劣化が起こる。 Immediately after the operation shown in FIG. 1 (1c), an operation of closing the cathode supply side and discharge side valves is performed. Since the oxygen concentration inside the stack decreases by closing the valve, the cathode potential decreases. When the intersection of the cathode potential and the anode potential is P, the potential of both electrodes is between LP and HP when the cell voltage is zero. If the deterioration reaction is unlikely to occur in each electrode in the potential region divided by LP and HP, cell deterioration due to the stop operation can be suppressed. FIG. 2 shows a case where the cathode valve closing time is set simultaneously with the anode valve closing time, and the cathode potential is smaller than LP. In this case, oxygen present in the cathode flow path of the stack partitioned by the valve is insufficient, and the cathode potential becomes too low, so hydrogen peroxide is likely to be generated. Oxidative degradation occurs.
図3は、カソードバルブ閉止時間を図1の場合よりも遅くした場合で、カソード電位がHPよりも高くなった場合である。この場合は、図2と逆に、バルブで仕切られたスタックのアノード流路内に存在する水素が不足している状況であり、アノード電位が高くなりすぎるため、電極触媒(白金、ルテニウム等)の金属溶解、導電材(炭素)等の溶解、酸化による触媒劣化、セパレータ材料の酸化が起こる可能性がある。 FIG. 3 shows a case where the cathode valve closing time is set later than that in FIG. 1 and the cathode potential becomes higher than HP. In this case, contrary to FIG. 2, there is a shortage of hydrogen present in the anode flow path of the stack partitioned by the valve, and the anode potential becomes too high, so an electrode catalyst (platinum, ruthenium, etc.) There is a possibility that metal dissolution, dissolution of conductive material (carbon), catalyst deterioration due to oxidation, and oxidation of separator material may occur.
次に、本発明の停止操作の終了条件を決定するための具体的手順について説明する。発電システムにスタックを組み付けた状態において、該スタックの燃料ガス、酸化剤ガスは供給側と排出側にそれぞれ1個づつ、バルブがあるものとする。該バルブを閉止すると、燃料ガス、酸化剤ガスは、両端のバルブにより閉じられた空間(以下、ガス占有容積という)に閉じ込めることができる。該空間は、ガス配管、配管コネクター、スタック内にあるマニホールドや流路などから構成される。 Next, a specific procedure for determining the termination condition for the stop operation of the present invention will be described. In the state where the stack is assembled in the power generation system, it is assumed that there is a valve for each of the fuel gas and oxidant gas of the stack on the supply side and the discharge side. When the valve is closed, the fuel gas and the oxidant gas can be confined in a space (hereinafter referred to as gas occupied volume) closed by the valves at both ends. The space includes a gas pipe, a pipe connector, a manifold and a channel in the stack.
まず、停止操作直前の発電状態を決定する。ここでは、システムの運用方法を考慮して、ガス流量、負荷電流を決める。次に、抵抗器の抵抗値を決定する。本発明で使用する抵抗器の抵抗値は、セルの積層数によって以下の条件に従って決める。セル1個当りに配分される抵抗の下限値として0.5Ω以上とすると、開回路時の電圧が約1V、電極面積を100cm2として、セル当りに流れる短絡電流密度として、20mA/cm2よりも大きな電流になることを回避でき、スタックの一部セルの転極を防止することができる。 First, the power generation state immediately before the stop operation is determined. Here, the gas flow rate and load current are determined in consideration of the system operation method. Next, the resistance value of the resistor is determined. The resistance value of the resistor used in the present invention is determined according to the following conditions depending on the number of stacked cells. Assuming that the lower limit value of the resistance distributed per cell is 0.5Ω or more, the voltage at the time of open circuit is about 1 V, the electrode area is 100 cm2, and the short-circuit current density per cell is larger than 20 mA / cm2. It is possible to avoid current, and it is possible to prevent inversion of some cells in the stack.
スタックの種類(すなわちセル構造、膜−電極接合体の特性など)によっては、セル1個当りの電流密度が大きい場合に、スタックの一部セルが転極することがある。これを防止するために、望ましくはセル当りの電流が0.1mA/cm2以下になるように設定するのが良い。すなわち、この条件でのセル当りの抵抗値は1Ω以上に相当する。
Depending on the type of stack (that is, the cell structure, the characteristics of the membrane-electrode assembly, etc.), when the current density per cell is large, some cells in the stack may be inverted. In order to prevent this, it is desirable to set the current per cell to be 0.1 mA /
逆に、あまり大きな抵抗の抵抗器を用いると、短絡電流が小さくなりすぎて、停止終了までの時間を要したり、セル電圧が高い状態が長時間になるとセル電圧の低下をもたらしたりといった問題が生じる。このため、抵抗の上限値も50Ω(電流密度として0.2mA/cm2)以下にする必要がある。例えば、上述の燃料ガスの占有容積を600cc(0℃基準)、水素濃度を70%とした場合、占有容積内に含まれる水素のモル数は0.019モルとなる。この水素を定電流で完全に酸化させるとして、スタックの外部短絡時間を10分以内にするためには、積層セル数50個、電極面積100cm2として短絡電流は1.2mA/cm2以上にする必要がある。ゆえに、抵抗値は約850Ω(端子間電圧1V時)となる。
On the other hand, if a resistor with a very large resistance is used, the short-circuit current becomes too small and it takes time until the end of the stop, or the cell voltage decreases when the cell voltage is high for a long time. Occurs. For this reason, the upper limit value of the resistance needs to be 50Ω (current density is 0.2 mA / cm 2) or less. For example, when the occupied volume of the above-described fuel gas is 600 cc (based on 0 ° C.) and the hydrogen concentration is 70%, the number of moles of hydrogen contained in the occupied volume is 0.019 mol. Assuming that this hydrogen is completely oxidized at a constant current, in order to make the external short circuit time of the stack within 10 minutes, the short circuit current needs to be 1.2 mA /
したがって、本発明では、上限抵抗値HRは以下の式により求めるものとする。
HR=n・V・C・F/(N・S・t)………(式1)
ただし、nは酸化電子数(水素の場合は2)、Vは燃料ガス占有容積、Cは水素濃度、Nはスタックのセル数、Sは1セル当りの電極面積、tは外部短絡の制限時間である。
Therefore, in the present invention, the upper limit resistance value HR is obtained by the following equation.
HR = n.V.C.F / (N.S.t) (Equation 1)
Where n is the number of oxidized electrons (2 for hydrogen), V is the fuel gas occupied volume, C is the hydrogen concentration, N is the number of cells in the stack, S is the electrode area per cell, and t is the time limit for external short circuit It is.
本発明で使用する抵抗器の抵抗値は可変とするか、もしくは抵抗値の異なる複数の抵抗器を用意し、短絡初期では、スタックのセル電圧の転極を防止するため、過大な電流を流さないように大きい値とし、短絡末期ではセル電圧が小さくなるので、抵抗値を大きくすることで、短絡時間を短縮することも可能である。 The resistance value of the resistor used in the present invention is variable, or a plurality of resistors having different resistance values are prepared, and at the initial stage of a short circuit, an excessive current is passed to prevent the cell voltage of the stack from being inverted. It is possible to shorten the short circuit time by increasing the resistance value because the cell voltage decreases at the end of the short circuit and the cell voltage decreases at the end of the short circuit.
次は、酸化剤ガスの供給・停止条件を決める方法を説明する。この停止条件を決めるための手順は、後述するように、(1)アノード電位の挙動の評価、(2)カソード電位の挙動の評価、(3)これらのデータに基づいて酸化剤ガスの供給・排出バルブの閉止タイミングの決定、の3つのプロセスからなる。 Next, a method for determining supply / stop conditions for the oxidant gas will be described. As will be described later, the procedure for determining this stop condition is as follows: (1) Evaluation of the behavior of the anode potential, (2) Evaluation of the behavior of the cathode potential, (3) Supplying the oxidant gas based on these data It consists of three processes: determining the closing timing of the discharge valve.
まず(1)の試験方法について、図4を用いて説明する。実際にスタックが発電システムに組み込まれた状態において、まず、酸化剤ガスは停止操作直前のガス流量であって、抵抗器による短絡電流を流している間も連続的にスタックへ供給する。この条件において、抵抗器接続後に燃料ガス供給バルブを閉じることによって、燃料ガスの供給のみを遮断する。そしてアノード排出側のバルブも閉じる。この後、アノードの電位のみが上昇することにより、セル電圧が低下していく。 First, the test method (1) will be described with reference to FIG. In the state where the stack is actually incorporated in the power generation system, first, the oxidant gas is supplied at the gas flow rate immediately before the stop operation, and is continuously supplied to the stack while the short-circuit current by the resistor is flowing. Under this condition, only the fuel gas supply is shut off by closing the fuel gas supply valve after the resistor is connected. The valve on the anode discharge side is also closed. Thereafter, only the potential of the anode is increased, so that the cell voltage is decreased.
アノード電位は、電解質膜に参照極を接触させることで計測することが可能である(非特許文献1)。 The anode potential can be measured by bringing a reference electrode into contact with the electrolyte membrane (Non-Patent Document 1).
実際の発電システムに搭載するスタックでは取り付けが困難な場合が多いので、本発明では以下で説明する簡便な手法により、アノード電位を決定することができる(図5)。図5の終止時Qの状態において、アノード側のガス排出バルブと供給バルブを開き、アノード側に通常発電時に相当するガスを再度、供給する。供給開始と同時に、セル電圧としては高くなり、開回路の電圧(OCV)が得られる。このときに変化した電圧変化ΔVaを計測する。アノード電位は、セル電圧の上昇と同時に、Qの位置から降下し、開回路時の電位に復帰する(図5)。アノード側へのガス供給の前後におけるセル電圧変化がアノード電位変化ΔVaと一致することから、終止時Qにおけるアノード電位を求めることができる。 In many cases, it is difficult to attach a stack mounted on an actual power generation system. Therefore, in the present invention, the anode potential can be determined by a simple method described below (FIG. 5). In the state at the time of termination Q in FIG. 5, the gas discharge valve and the supply valve on the anode side are opened, and the gas corresponding to the normal power generation is supplied again to the anode side. Simultaneously with the start of supply, the cell voltage increases and an open circuit voltage (OCV) is obtained. The voltage change ΔVa changed at this time is measured. At the same time as the cell voltage rises, the anode potential drops from the Q position and returns to the potential at the open circuit (FIG. 5). Since the cell voltage change before and after the gas supply to the anode side coincides with the anode potential change ΔVa, the anode potential at the end time Q can be obtained.
つぎに、(2)の試験方法について、図6を用いて説明する。実際にスタックが発電システムに組み込まれた状態において、まず、燃料ガスは停止操作直前のガス流量において、抵抗器による短絡電流を流している間も連続的にスタックへ供給する。この条件において、抵抗器接続後に酸化剤ガス供給バルブを閉じることによって、酸化剤ガスの供給のみを遮断する。そしてカソード排出側のバルブも閉じる。この後、カソードの電位のみが降下することにより、セル電圧が低下していく。 Next, the test method (2) will be described with reference to FIG. In a state where the stack is actually incorporated in the power generation system, first, the fuel gas is continuously supplied to the stack at the gas flow rate immediately before the stop operation while the short-circuit current by the resistor is flowing. Under this condition, only the supply of the oxidant gas is shut off by closing the oxidant gas supply valve after the resistor is connected. The valve on the cathode discharge side is also closed. Thereafter, only the potential of the cathode is lowered, so that the cell voltage is lowered.
カソード電位も、図5において説明した同じ手法により、決定することが可能である(図7)。図7の終止時Rの状態において、カソード側のガス排出バルブと供給バルブを開き、カソード側に通常発電時に相当する空気を再度、供給する。供給開始と同時に、セル電圧としては高くなり、開回路の電圧(OCV)が得られる。このときに変化した電圧変化ΔVcを計測する。カソード電位は、セル電圧の上昇と同時に、Rの位置から降下し、開回路時の電位に復帰する(図7)。カソード側へのガス供給の前後におけるセル電圧変化がカソード電位変化ΔVcと一致することから、終止時Rにおけるカソード電位を求めることができる。 The cathode potential can also be determined by the same method described in FIG. 5 (FIG. 7). In the state of R at the end of FIG. 7, the gas discharge valve and the supply valve on the cathode side are opened, and air corresponding to normal power generation is supplied again to the cathode side. Simultaneously with the start of supply, the cell voltage increases and an open circuit voltage (OCV) is obtained. The voltage change ΔVc changed at this time is measured. At the same time as the cell voltage rises, the cathode potential drops from the R position and returns to the potential at the time of the open circuit (FIG. 7). Since the cell voltage change before and after the gas supply to the cathode side coincides with the cathode potential change ΔVc, the cathode potential at the end time R can be obtained.
図4、6の2つのグラフを重ねあわせると、図1のようになる。ここで、LPを下限電位、HPを上限電位と定義する。LPはアノードの白金触媒上の吸着水素が脱離した状態の電位にするのが望ましい。すなわち、OCV時のアノード電位に対して約0.4Vとなる。しかしながら、微量に吸着水素が残ったからといって、セルが直ちに劣化するのではなく、スタックの耐用年数を考慮して、0〜0.4Vの範囲に設定しても問題はない。 When the two graphs of FIGS. 4 and 6 are overlaid, FIG. 1 is obtained. Here, LP is defined as the lower limit potential, and HP is defined as the upper limit potential. It is desirable that LP be at a potential in a state where adsorbed hydrogen on the anode platinum catalyst is desorbed. That is, it becomes about 0.4V with respect to the anode potential at the time of OCV. However, even if a small amount of adsorbed hydrogen remains, the cell does not deteriorate immediately, and there is no problem even if it is set in the range of 0 to 0.4 V in consideration of the useful life of the stack.
他方、HPはアノード電極上で酸化反応を開始する電位とする。通常のPt触媒では0.7〜0.8Vになるので、HPは0.8V以下にするのが望ましい。また、カソード電位から考えると、酸素から過酸化水素への還元反応が約0.7Vなので、Pの電位があまり低いと過酸化水素による電解質膜の劣化が起こり得る。したがって、P点はHPになるべく近い方がセル劣化を防止できる点で有利である。 On the other hand, HP is set to a potential at which an oxidation reaction starts on the anode electrode. Since an ordinary Pt catalyst has a voltage of 0.7 to 0.8 V, the HP is desirably 0.8 V or less. Considering the cathode potential, since the reduction reaction from oxygen to hydrogen peroxide is about 0.7 V, if the potential of P is too low, the electrolyte membrane may be deteriorated by hydrogen peroxide. Therefore, it is advantageous that the P point is as close as possible to the HP because cell deterioration can be prevented.
図1の場合は、交点PがLPとHPの間になる一例であり、アノードとカソードのバルブをほぼ同時に閉止しても、アノードとカソードの電位がセル劣化反応の起こりにくい電位範囲になるようにスタックを停止できる。 The case of FIG. 1 is an example in which the intersection point P is between LP and HP, and even if the anode and cathode valves are closed almost at the same time, the potential of the anode and cathode is in a potential range where cell deterioration reaction is unlikely to occur. You can stop the stack.
仮に、P点がHPを超えた場合は、アノードの劣化が起こり得るので、酸化剤ガスのバルブを閉じる時間を、アノード供給バルブを閉じる時刻より遅延させて、Pの電位を低電位側にシフトさせることができる。その考え方を図8に示した。 If the P point exceeds HP, the anode may deteriorate, so the time for closing the oxidant gas valve is delayed from the time for closing the anode supply valve, and the potential of P is shifted to the low potential side. Can be made. The idea is shown in FIG.
また、P点がLPを下回った場合は、カソードの酸素不足であるため、アノードの水素を十分に酸化できていない。この場合は、逆にカソード供給バルブを先に閉じて、燃料ガスの供給バルブを閉じる時間を、カソード供給バルブの閉止時刻より遅延させることにより、Pの電位をLPより高くすることができる。その考え方を図9に示した。 On the other hand, when the P point is lower than LP, the oxygen at the cathode is insufficient, so that the hydrogen at the anode cannot be oxidized sufficiently. In this case, conversely, the potential of P can be made higher than LP by closing the cathode supply valve first and delaying the time for closing the fuel gas supply valve from the closing time of the cathode supply valve. The idea is shown in FIG.
以上の説明のように、アノードとカソードの供給バルブの閉止タイミングを操作することによって、終止時のアノードとカソードの電位を、セル劣化反応の起こりにくい電位領域になるように制御することができる。なお、本実施例では、停止操作の終点(外部短絡電流がゼロになるタイミング)が、図1の交点になる状態としたが、その手前の状態で停止することも可能である。短絡装置をオフにする直前におけるアノードの終止電位がLPとHPの間に、カソードはLP以上になるようにすれば良い。このようにすると、アノード側では水素が酸化除去され、カソードでは、過酸化水素の生成を抑制でき、セル電圧の低下を回避することができる。 As described above, by controlling the closing timing of the anode and cathode supply valves, the potential of the anode and cathode at the time of termination can be controlled so as to be in a potential region where the cell deterioration reaction hardly occurs. In the present embodiment, the end point of the stop operation (the timing at which the external short-circuit current becomes zero) is the state of intersection in FIG. 1, but it is also possible to stop in the state before that. What is necessary is just to make it so that the end potential of the anode immediately before turning off the short-circuiting device is between LP and HP, and the cathode becomes more than LP. In this way, hydrogen is oxidized and removed on the anode side, and generation of hydrogen peroxide can be suppressed at the cathode, so that a decrease in cell voltage can be avoided.
抵抗器の切り替えスイッチ、バルブの開閉は、発電システムに搭載した演算機能を有する制御器を用い、信号ケーブルを介して制御器より切り替えスイッチ等の動作を制御することができる。制御器には予め動作条件を記録させておき、繰り返し動作を可能にすることができる。また、スタックの経年劣化によるアノードとカソードの電位変化を予測しておき、運転時間に応じて、バルブ開閉動作を変更することも可能である。 To open and close the resistor changeover switch and the valve, a controller having a calculation function mounted on the power generation system can be used, and the operation of the changeover switch and the like can be controlled from the controller via the signal cable. The controller can record the operation conditions in advance, thereby enabling repeated operations. It is also possible to predict the potential change of the anode and the cathode due to deterioration of the stack and change the valve opening / closing operation according to the operation time.
図12(a)、(b)、(c)はそれぞれ3つの停止方法を示し、図12aは停止第1ステップのフロー図、図12bは停止第2ステップのフロー図、図12cは停止第3ステップのフロー図を示し、本発明の燃料電池システムの運転方法における停止ステップを簡略化して示した。図12aの右上に示したようなデータベースをコンピュータで読み出し可能な記録媒体上に用意し、このデータに基づいて制御装置により燃料電池システムを運転する。特に重要なのは、前述のようにして決めたLP,HPのデータを獲得することであり、さらには、アノード電位、カソード電位とLP,HPとの比較、燃料ガス、酸化剤ガスの停止、などのデータベースを準備することも必要である。図12における手順は以下の説明から容易に理解される。 12 (a), (b), and (c) each show three stopping methods, FIG. 12a is a flowchart of the first stop step, FIG. 12b is a flowchart of the second stop step, and FIG. A flow chart of the steps is shown, and the stop step in the operation method of the fuel cell system of the present invention is simplified and shown. A database as shown in the upper right of FIG. 12a is prepared on a computer-readable recording medium, and the fuel cell system is operated by the control device based on this data. Of particular importance is the acquisition of LP and HP data determined as described above, and further comparison of anode potential, cathode potential with LP and HP, stopping of fuel gas and oxidant gas, etc. It is also necessary to prepare a database. The procedure in FIG. 12 can be easily understood from the following description.
本発明の停止制御のデータベースは、下記のデータを有している。
(1)下限電位(LP)
(2)上限電位(HP)
(3)アノード電位とカソード電位のプロファイル・プログラム
(4)セル電圧またはセルスタック電圧計算プログラム
(5)アノード電位、カソード電位とLP,HPとの比較プログラム
(6)燃料ガス、酸化剤ガス供給停止プログラム
(7)短絡装置制御プログラム。
The stop control database of the present invention has the following data.
(1) Lower limit potential (LP)
(2) Upper limit potential (HP)
(3) Profile program of anode potential and cathode potential (4) Cell voltage or cell stack voltage calculation program (5) Comparison program of anode potential, cathode potential and LP, HP (6) Stop supply of fuel gas and oxidant gas Program (7) Short-circuit device control program.
このデータベースは停止第2ステップ、停止第3ステップでも用いられる。LPは0.2V〜0.8V、HPを0.2V〜0.8Vの範囲に設定することができる。ただし、LP<HPとする。(3)のアノード電位とカソード電位のプロファイル・プログラム(以下、電位プロファイル・プログラムとする。)は、図4や図6に示したようなデータであり、短絡装置で流す電流パターンによってそれぞれ電位プロファイル・プログラムを作成する必要がある。 This database is also used in the stop second step and stop third step. LP can be set in the range of 0.2V to 0.8V, and HP can be set in the range of 0.2V to 0.8V. However, LP <HP. The profile program of anode potential and cathode potential (hereinafter referred to as potential profile program) of (3) is data as shown in FIG. 4 and FIG.・ It is necessary to create a program.
(4)のセル電圧またはセルスタック電圧計算プログラムでは、セル電圧等のデータと短絡装置で流した電流と時間の関係から、先の電位プロファイル・プログラムのデータに基づいて、アノード電位とカソード電位を算出することを目的としている。この電位の計算値をLPまたはHPと比較するものが、(5)の比較プログラムである。(6)の燃料ガス、酸化剤ガス供給停止プログラムは、ガス供給系と排出系のバルブ操作を行うためのプログラムである。(7)の短絡装置制御プログラムは、セル内部に存在する水素を外部短絡電流により消費させるため、短絡装置のオン、オフ、電流値を操作するためのものである。 In the cell voltage or cell stack voltage calculation program of (4), the anode potential and the cathode potential are calculated based on the data of the previous potential profile program based on the relationship between the data such as the cell voltage and the current and time passed through the short-circuit device. The purpose is to calculate. The comparison program of (5) compares the calculated value of this potential with LP or HP. The fuel gas / oxidant gas supply stop program of (6) is a program for operating the valves of the gas supply system and the exhaust system. The short-circuit device control program of (7) is for operating on / off of the short-circuit device and the current value in order to consume the hydrogen present in the cell by the external short-circuit current.
つぎに、本発明の制御シーケンスを説明する。本発明の制御は、大きく分けて、3つの部分から構成される。以下、具体例として、図9に基づいて説明する。停止第1ステップは、停止信号を制御器が受けてから、停止操作を開始する部分である。停止信号を受けた後、インバータ等の外部負荷から切り離しの操作を行う(図9の9(a)の右端)。すなわち、外部負荷とのスイッチをオフにする。ついで、改質器や水素ボンベからの燃料ガス供給を停止させる。この停止操作は、後続するアノードガス開閉器の操作が予定されているので、省略しても良い。つぎに、短絡装置を接続させ、セルスタックから外部短絡電流が流れるようにする。ついで、(6)のガス供給停止プログラムを作動させ、燃料ガスの供給を停止する(図9の9(b))。 Next, the control sequence of the present invention will be described. The control of the present invention is roughly divided into three parts. Hereinafter, a specific example will be described with reference to FIG. The first stop step is a portion for starting a stop operation after the controller receives a stop signal. After receiving the stop signal, an operation of disconnecting from an external load such as an inverter is performed (the right end of 9 (a) in FIG. 9). That is, the switch with the external load is turned off. Next, the fuel gas supply from the reformer and the hydrogen cylinder is stopped. This stop operation may be omitted because the subsequent operation of the anode gas switch is scheduled. Next, a short-circuit device is connected so that an external short-circuit current flows from the cell stack. Next, the gas supply stop program (6) is operated to stop the supply of fuel gas (9 (b) in FIG. 9).
停止第2ステップでは、カソードガスの供給停止タイミングの判断を行い、カソードガスの供給を停止させるステップである。まず、アノード、カソード電位の演算処理を行う。このとき、セルスタックからの情報として、スタック全体の電圧かセル電圧のデータを計測することになる。この電圧は、アノード電位とカソード電位の差であるので、単純にそれぞれの電位を求めることはできない。そこで、本発明では、(3)の電位プロファイル・プログラムを用い、外部短絡電流と時間の関係から計算を行い、アノードとカソードの電位を予測する。すなわち、短絡電流の積分値(電気量)から電位プロファイル上のどの電位にあるか計算することにより、アノードとカソードの電位が得られる。 In the second stop step, the cathode gas supply stop timing is determined, and the cathode gas supply is stopped. First, anode and cathode potential calculation processing is performed. At this time, as information from the cell stack, voltage of the entire stack or cell voltage data is measured. Since this voltage is the difference between the anode potential and the cathode potential, the respective potentials cannot be simply obtained. Therefore, in the present invention, the potential profile program of (3) is used to calculate from the relationship between the external short-circuit current and time, and predict the potential of the anode and the cathode. That is, the potential of the anode and the cathode can be obtained by calculating which potential on the potential profile is based on the integral value (electric quantity) of the short-circuit current.
この結果から、カソード供給を停止するタイミングを計算する。例えば、図12の方法(a)を図9の停止操作に適用する場合、セル電圧がある設定電圧に達するまでカソードガスの供給を継続する。セル電圧は、図9では、アノード電位とカソード電位の差で表される。カソードガスを供給したまま(図9の9b)、セル電圧が当該設定値に達したとき(図9の9cの左端)、カソードガス開閉器を駆動させ、カソードガスの供給を停止させる。 From this result, the timing for stopping the cathode supply is calculated. For example, when the method (a) of FIG. 12 is applied to the stop operation of FIG. 9, the supply of the cathode gas is continued until the cell voltage reaches a certain set voltage. In FIG. 9, the cell voltage is represented by the difference between the anode potential and the cathode potential. While the cathode gas is supplied (9b in FIG. 9), when the cell voltage reaches the set value (the left end of 9c in FIG. 9), the cathode gas switch is driven to stop the supply of the cathode gas.
同様に、カソードガスの供給を時間で管理する方法もある(方法図12(b))。この場合は、ある設定時間(待機時間)が経過するまで、短絡電流を流したまま、カソードガスの供給を継続させる(図9の9b)。設定時間に達したときに(図9の9cの左端)、カソードガス開閉器を駆動させ、カソードガスの供給を停止させる。 Similarly, there is also a method of managing the supply of cathode gas by time (method FIG. 12B). In this case, the supply of the cathode gas is continued with the short-circuit current flowing until a certain set time (standby time) elapses (9b in FIG. 9). When the set time is reached (the left end of 9c in FIG. 9), the cathode gas switch is driven to stop the supply of the cathode gas.
停止第2ステップでは、*1;アノードとカソードの電位プロファイル・プログラムに基づき、カソードガス開閉器駆動のタイミング(設定電圧)を計算。セルスタック電圧またはセル電圧が設定電圧に達しないときは、その前のステップに戻る。設定電圧に達したときは、次のステップに進む。 In the second stop step, * 1; the cathode gas switch drive timing (set voltage) is calculated based on the anode and cathode potential profile program. When the cell stack voltage or the cell voltage does not reach the set voltage, the process returns to the previous step. When the set voltage is reached, proceed to the next step.
*2;アノードとカソードの電位プロファイル・プログラムに基づき、カソードガス開閉器駆動のタイミング(待機時間)を計算。アノードガス開閉器の駆動時刻からの経過時間が待機時間に達しないときは、前のステップに戻る。待機時間に達したときは、次のステップに進む。 * 2: Calculate the cathode gas switch drive timing (standby time) based on the anode and cathode potential profile program. When the elapsed time from the drive time of the anode gas switch does not reach the standby time, the process returns to the previous step. When the waiting time is reached, the process proceeds to the next step.
停止第3ステップ(図12(c))では、アノードとカソードのガスの供給が閉止した状態にて、セル電圧またはスタック電圧からアノードとカソード電位を計算する。計算に当たって、電位プロファイル・プログラムと、それまでに短絡装置にて流した電流と時間のデータを用いる。アノードまたはカソードの電位とHPおよびLPとの大小関係を比較する。 In the third stop step (FIG. 12C), the anode and cathode potentials are calculated from the cell voltage or the stack voltage with the supply of the anode and cathode gases closed. In the calculation, the potential profile program and the current and time data that have been passed through the short-circuit device are used. The magnitude relationship between the anode or cathode potential and HP and LP is compared.
停止第3ステップでは、*3;アノードとカソードの電位プロファイル・プログラムに基づき、アノード、カソードのそれぞれの電位を予測(演算処理)する。アノード電位とカソード電位がともにLPとHPの範囲にあるときは、次のステップに進む。アノード電位がLPより低いかカソード電位がHPより高いとき(ただし、*4の条件にないこと。)には、前のステップに戻る。 In the third stop step, * 3; the anode and cathode potentials are predicted (calculated) based on the anode and cathode potential profile program. When both the anode potential and the cathode potential are in the range of LP and HP, the process proceeds to the next step. When the anode potential is lower than LP or the cathode potential is higher than HP (provided that the condition is not * 4), the process returns to the previous step.
*4;アノード電位がHPよりも高く、かつ、カソード電位がLPより低くなったときは、不良処理として、*4の処理を行い、最後に警報表示を行う。 * 4: When the anode potential is higher than HP and the cathode potential is lower than LP, the process of * 4 is performed as a failure process, and finally an alarm is displayed.
つぎに、得られた電位とLPあるいはHPとの大小関係を評価する。アノード電位とカソード電位がともにLPとHPの範囲にあるときは、次のステップに進み、短絡措置の切り離し(外部短絡電流をゼロにする。)、開閉装置を駆動させて、燃料電池を停止させて、本操作は終了する。 Next, the magnitude relationship between the obtained potential and LP or HP is evaluated. When the anode potential and cathode potential are both in the range of LP and HP, proceed to the next step, disconnect the short-circuit measure (set the external short-circuit current to zero), drive the switchgear, and stop the fuel cell. This operation ends.
なお、開閉装置の駆動操作では、カソード側に大気を自然吸引させて、スタック内部のカソード圧力を大気圧に戻し、停止終了後の再起動を容易にするために行う。また、アノード側の水素が除去されていれば、アノード側にも大気を供給し、アノードとカソードともに大気圧状態にて保管することも可能である。このようにすると、アノードとカソードの差圧によるシール不良等の問題を回避できる点で有利な場合がある。ただし、本発明では、システムの種類によって、開閉装置の駆動を省略しても良い。 Note that the opening / closing device is driven in such a manner that air is naturally sucked to the cathode side, the cathode pressure inside the stack is returned to atmospheric pressure, and the restart after the stop is facilitated. Further, if hydrogen on the anode side is removed, air can be supplied also to the anode side, and both the anode and the cathode can be stored at atmospheric pressure. This may be advantageous in that it can avoid problems such as poor sealing due to the pressure difference between the anode and the cathode. However, in the present invention, the driving of the switchgear may be omitted depending on the type of system.
図9の9(c)の状態で、カソード電位がHPより高いときには、アノード、カソード電位演算のステップに戻る。アノード電位とカソード電位がともに、LPとHPの範囲にあるときは、短絡装置切り離しのステップに移行する。 When the cathode potential is higher than HP in the state of 9 (c) in FIG. 9, the process returns to the anode / cathode potential calculation step. When both the anode potential and the cathode potential are in the range of LP and HP, the process proceeds to the step of disconnecting the short circuit device.
もし、何らかのトラブルにより、アノード電位がHPより高いのに、カソード電位もHPより高い場合、アノード電位がHPを超えてカソード電位がLPを下回った場合、アノード電位とカソード電位がともにLPより低くなった場合といった異常状態では、警報表示のためのシーケンスに移行する。これらの場合は、短絡装置切り離し、開閉装置駆動の後、警報を表示することによって本操作を終了させる。 If the anode potential is higher than HP but the cathode potential is higher than HP due to some trouble, if the anode potential exceeds HP and the cathode potential falls below LP, both the anode potential and cathode potential become lower than LP. In an abnormal state such as a case, the sequence proceeds to a warning display sequence. In these cases, after the short-circuit device is disconnected and the switchgear is driven, this operation is terminated by displaying an alarm.
本操作は図9に基づいて説明したが、逆にアノードガスの供給バルブを閉じる時間を遅延させる必要がある場合は、カソードガスの供給は継続したまま、第2ステップ最後にてアノードガス開閉器を駆動させる。 Although this operation has been described with reference to FIG. 9, when it is necessary to delay the time for closing the anode gas supply valve, the cathode gas supply continues and the anode gas switch is closed at the end of the second step. Drive.
以下に実施例により、本発明の内容を説明する。なお、本発明は以下に述べる実施例に限定されるものではない。
(実施例1)
従来の電池構成を図10(a),(b)に示す。図10(a)は本発明の燃料電池システムの概略を示す断面図であり、図10(b)は図10(a)点線の円で示した部分の拡大図である。
The contents of the present invention will be described below with reference to examples. In addition, this invention is not limited to the Example described below.
Example 1
A conventional battery configuration is shown in FIGS. FIG. 10A is a cross-sectional view showing an outline of the fuel cell system of the present invention, and FIG. 10B is an enlarged view of a portion indicated by a dotted circle in FIG.
発電部は単セルであり、通常は数十セル以上の多積層セルによって、燃料電池より直流電力を取り出している。本実施例では80セルとした。この単セルは、固体高分子電解質膜の両面に電極層を設けた膜−電極接合体(図10(b)中の102と103からなる膜)とこれを挟持する2枚のセパレータ104より構成され、セパレータ104の間にはガスケット105を挿入した。この膜−電極接合体の周辺の拡大図を図10中に示した。セパレータ104の一方には、燃料ガスが流通する溝が加工されている。他方のセパレータ104には、酸化剤ガス、通常は空気を流通させる溝がある。これらを積層し、末端に正極集電板113と負極集電板114を配置させる。この集電板113、114の外側から、絶縁板107を介して端板109によって加圧されている。端板109を固定する部品は、ボルト116、皿ばね117、ナット116である。燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水は、端板に設けたコネクター110、111、112より供給され、他方の端板に設けたコネクターより排出される。直流電力(出力)は、正極集電板113と負極集電板114より得ることができる。
The power generation unit is a single cell, and DC power is taken out from the fuel cell by a multi-layered cell of usually several tens of cells or more. In this embodiment, the number of cells is 80. This single cell is composed of a membrane-electrode assembly (a membrane consisting of 102 and 103 in FIG. 10B) having electrode layers on both sides of a solid polymer electrolyte membrane and two
本発明による停止法は、スタックの集電板113、114に接続した負荷ケーブル123の途中に、切り替えスイッチ120、抵抗器121によって行う。通常の発電時は、スイッチ120がインバータ122側につながっており、スタックよりインバータ122へ直流電力が供給される。停止モードになったときには、スイッチ120を抵抗器121の方に切り替えることにより、外部短絡電流を流すことができる。
The stopping method according to the present invention is performed by the
図11は、本発明の固体高分子形燃料電池システムの構成図である。改質ガスは、都市ガス等を原料ガスとして供給され、プレフィルター1013を経て、改質器1003に供給される。改質ガスの生成のために必要な空気や水はポンプ1008、1019により供給される。改質ガス中に含まれる水素濃度は70%(ドライベース)とした。スタック1005に供給される燃料ガスは改質器1003にて製造され、燃料ガス供給バルブ1015を有する供給配管より供給される。
FIG. 11 is a block diagram of the polymer electrolyte fuel cell system of the present invention. The reformed gas is supplied using city gas or the like as a raw material gas, and is supplied to the
酸化剤ガスは、空気供給用ポンプ(ブロア−)1009を駆動させ、酸化剤ガス供給バルブ1017を有する配管よりスタックに供給される。スタックにて発電された後には、燃料ガスは排出バルブ1016を有する配管を経由して、改質器1003に戻され、改質触媒の保温等に利用される。空気は酸化剤ガス排出バルブ1018を有する配管より、大気に排出される。スタックからの熱を除去し、熱回収するために、純水をポンプ1010よりスタックに供給させる。スタックから出た水は、熱交換器1011にて、貯湯槽1007に蓄えられた水に熱を移し、ポンプ1010によってスタックに循環する機構になっている。貯湯槽の水はポンプ1010によって循環する。
The oxidant gas is supplied to the stack through a pipe having an oxidant
本発明では、燃料ガスの供給バルブ1015、排出バルブ1016、酸化剤ガスの供給バルブ1017、排出バルブ1018をマイコン1012によって開閉操作をする機構を有する。
In the present invention, the
スタックの定格発電状態より、停止運転モードに移り、スタックを停止する操作を行った。まず、マイコン1012より指令を出して、開閉スイッチ1020を抵抗器1021側に接続させ、インバータ1022に流れる電流をゼロとする。次に、燃料ガスの供給バルブ1015を停止させ、スタック1005への水素の供給を遮断する。次いで、アノード排出バルブ1016も閉じて、スタック内部の燃料ガスを遮断させる。
From the rated power generation state of the stack, the operation shifted to the stop operation mode and the stack was stopped. First, a command is issued from the
酸化剤ガスの供給は、式(10)を用いて与えられる時間Tminまで供給を継続した後、直ちに、ブロア−1009を停止させ、供給バルブ1017を閉じ、次いでバルブ1018を閉じた。
The supply of the oxidant gas was continued until the time Tmin given by using the equation (10), and immediately after that, the blower-1009 was stopped, the
抵抗器1021は可変抵抗器とするのが好ましく、初期抵抗値はスタックの開回路電圧(Vo)に対して、1A相当の電流が流れることとした。すなわち、本実施例ではVoは79〜80Vであったので、抵抗器の初期値(Ro)は80Ωとした。抵抗器による外部短絡によりスタック電圧が時間の経過とともに低下するが、開回路電圧Voの50%値(40V)になった時点で、集電板113と114の電圧が40BVを保持できるように、抵抗値を増加させた。抵抗器による外部短絡時間は15分とした。その時間が経過した後に、切り替えスイッチ120をインバータ側にも抵抗器側にも連結されない状態にしてからシステムの主電源をオフにした。
The
なお、抵抗器による外部短絡は、時間制御として、所定時間経過後に、電池と抵抗器の間の回路を開とする方法を採っても良い。また、このように外部短絡の操作が終了した後は、カソード配管より、スタックへ空気を供給し、カソード側のガス圧力を大気圧に戻しても良い。このようにすると、次の起動が比較的短時間の経過後に始まるときに、起動操作が簡便になる効果が得られる。水素が消費された後は、アノードとカソードに空気を供給し、セル内部のMEA間に加わる圧力をほぼ等しくし、差圧によるMEAの引張破断や、気密不良を回避する上で望ましい。本実施例では、主電源をオフにした後、アノードとカソードに空気を大気圧になるまでゆっくりと供給した。 In addition, the external short circuit by a resistor may take the method of opening the circuit between a battery and a resistor after the lapse of a predetermined time as time control. Further, after the operation of the external short circuit is completed in this way, air may be supplied to the stack from the cathode pipe, and the gas pressure on the cathode side may be returned to the atmospheric pressure. In this way, when the next activation starts after a relatively short time, an effect of simplifying the activation operation can be obtained. After the hydrogen is consumed, air is supplied to the anode and the cathode, and the pressure applied between the MEAs in the cell is made approximately equal, which is desirable in order to avoid tensile breakage of the MEA due to differential pressure and poor airtightness. In this example, after the main power supply was turned off, air was slowly supplied to the anode and the cathode until atmospheric pressure was reached.
外部短絡による操作が終了した後は、スタックに供給する冷却水の温度を下げる操作を加えても良いし、そのまま自然冷却になるように冷却水の供給を継続するか、あるいは供給を停止させても良い。本実施例では、上述のように、システムの主電源をオフにするので、冷却水の供給を停止したが、主電源のオフをタイマー設定として、所定時間経過後に冷却水の循環を停止させても良い。 After the operation due to the external short-circuit is completed, an operation to lower the temperature of the cooling water supplied to the stack may be added, or the cooling water supply may be continued for natural cooling, or the supply may be stopped. Also good. In this embodiment, as described above, since the main power supply of the system is turned off, the supply of cooling water is stopped. However, the main power supply is turned off as a timer setting, and the circulation of the cooling water is stopped after a predetermined time has elapsed. Also good.
これらの一連のバルブ操作はマイコン1012の制御によって行った。実施例1にて製作した発電システムについて、発明の詳細の説明に記載した図4〜6の実験を行った結果、燃料ガスと酸化剤ガスの供給を同時にしても、Pの電位がLPとHPの間になることを確認した。ここで、LPは0.4V、HPは0.8Vとした。
These series of valve operations were performed under the control of the
続いて、本発明の発電システムを起動させ、定格条件での発電試験を行い、同じ条件にて停止モードの運転を行った。このような起動−停止の運転を100回繰り返した結果、インバータ1022に入力されるスタックの出力電圧は、定格条件にて初期50Vに対し、100回繰り返し試験後に59.9Vであった。
(実施例2)
アノード排出バルブとカソード排出バルブの遅れ時間を、マイコンのパラメータを変更させ、それぞれ1秒、30秒、60秒、5分に設定し、各時間について100回の起動−停止試験を行った。その結果、遅れ時間が1秒の場合は、初期電圧60Vに対して、100回の起動−停止操作後に発電試験を行ったときに計測した電圧は59.7〜59.9Vであった。スタック電圧の低下が実質上ないことを確認した。遅れ時間が30秒以上の3条件のときには、試験後の電圧は58.2〜59.3Vに低下した。特に、遅れ時間が5分の場合は、試験後58.2Vの最低値になった。
Subsequently, the power generation system of the present invention was started, a power generation test under rated conditions was performed, and a stop mode operation was performed under the same conditions. As a result of repeating this start-stop operation 100 times, the output voltage of the stack input to the
(Example 2)
The delay time of the anode discharge valve and the cathode discharge valve was set to 1 second, 30 seconds, 60 seconds, and 5 minutes by changing the parameters of the microcomputer, and 100 start-stop tests were performed for each time. As a result, when the delay time was 1 second, the voltage measured when the power generation test was performed after 100 start-stop operations with respect to the initial voltage of 60 V was 59.7 to 59.9 V. It was confirmed that the stack voltage did not substantially decrease. When the delay time was 3 conditions of 30 seconds or more, the voltage after the test dropped to 58.2-59.3V. In particular, when the delay time was 5 minutes, the minimum value was 58.2 V after the test.
101…単セル、102…固体高分子電解質膜、103…触媒層、104…単セル用セパレータ、105…ガスケット、106…ガス拡散層、107…絶縁板、108…冷却水用セパレータ、109…端板、110…燃料ガス配管用コネクター、111…冷却水配管用コネクター、112…酸化剤ガス配管用コネクター、113…集電板、114…集電板、116…ボルト、117…皿ばね、118…ナット、120…切り替えスイッチ、121…抵抗器、122…インバータ、123…負荷ケーブル、1003…改質器、1005…燃料電池の積層体、1007…貯湯槽、1008…空気供給ポンプ、1009…酸化剤ガス用ポンプ、1010…循環水用ポンプ、1011…熱交換器、1013…プレフィルター、1014…燃料ガス戻り用配管、1015…燃料ガス供給バルブ、1016…燃料ガス排出バルブ、1017…酸化剤ガス供給バルブ、1018…酸化剤ガス排出バルブ、1019…水供給ポンプ、1020…切り替え器、1021…抵抗器、1022…インバータ。
DESCRIPTION OF
Claims (15)
The recording medium according to claim 11 or 12, wherein the data includes a program for delaying the supply of fuel gas and / or oxidant gas.
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