JP2006179242A - Fuel cell system - Google Patents

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Yoshitaka Ono
義隆 小野
Ryoichi Shimoi
亮一 下井
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Nissan Motor Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a high-durability fuel cell system capable of suppressing deterioration of an oxidizer electrode catalyst layer caused by oxidizer electrode potential variation and hardly causing deterioration with load change. <P>SOLUTION: In relation to fuel cell stacks of this application, the current density-voltage characteristic of a first fuel cell stack 2 is equivalent to that of a second fuel cell stack 3; and an effective power generation area ratio is m:n (m<n). When a load of this fuel cell system is less than m/(m+n) of the full load, switches 15 and 16 are opened; and a current is supplied to a load device 4 from the first fuel cell stack 2. When the load is set not less than m/(m+n) of the full load, the switches 15 and 16 are closed, and currents are supplied to the load device 4 from the first fuel cell stack 2 and the second fuel cell stack 3. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特に2以上の燃料電池スタックが並列接続可能な燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system in which two or more fuel cell stacks can be connected in parallel.

燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。すなわち、燃料電池車両は、高圧水素タンク、液体水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどの水素貯蔵装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。   In a fuel cell, a fuel gas such as hydrogen gas and an oxidizing gas containing oxygen are electrochemically reacted through an electrolyte, and electric energy is directly taken out between electrodes provided on both surfaces of the electrolyte. In particular, a polymer electrolyte fuel cell using a polymer electrolyte has attracted attention as a power source for electric vehicles because of its low operating temperature and easy handling. That is, a fuel cell vehicle is equipped with a hydrogen storage device such as a high-pressure hydrogen tank, a liquid hydrogen tank, or a hydrogen storage alloy tank in the vehicle, and reacts by supplying hydrogen supplied therefrom and air containing oxygen to the fuel cell. This is the ultimate clean vehicle that drives the motor connected to the drive wheels with the electric energy extracted from the fuel cell, and the only exhaust material is water.

ところで、燃料電池は、負荷電流の変動に対する出力電圧の変化が比較的大きく、負荷装置に安定した電圧を供給するためには、燃料電池と負荷装置との間に接続されるDC/DCコンバータ等の電力変換装置の負担が大きい。   By the way, the change of the output voltage with respect to the fluctuation of the load current is relatively large in the fuel cell, and in order to supply a stable voltage to the load device, a DC / DC converter connected between the fuel cell and the load device, etc. The burden of the power converter is large.

このような電力変換装置の負担を軽減する従来技術として、複数の燃料電池スタックを備え、負荷の大きさに応じて並列接続する燃料電池スタック数を可変としたものがある(例えば、特許文献1)。
特開2003−178786号公報(第4頁、図1(a))
As a conventional technique for reducing the burden of such a power conversion device, there is a technology that includes a plurality of fuel cell stacks, and the number of fuel cell stacks connected in parallel according to the size of a load is variable (for example, Patent Document 1). ).
JP2003-178786 (4th page, FIG. 1 (a))

燃料電池の運転時、とりわけ自動車用動力源としての運転時には、車両の加速・減速に伴い様々な大きさ・周期の負荷が印加される。ここで、燃料電池は、反応抵抗・電気的抵抗・燃料及び酸化剤の拡散抵抗等の影響により、負荷の増加に従って出力電圧が低下するという特性があるが、主に電気化学反応に伴う酸化剤極の電位変動が大きい。これにより燃料電池に負荷変動を印加した場合、特に酸化剤極電位の変動による酸化剤極触媒層の劣化が進行するという問題点があった。   During operation of the fuel cell, particularly as an automobile power source, loads of various sizes and cycles are applied as the vehicle is accelerated and decelerated. Here, the fuel cell has the characteristic that the output voltage decreases as the load increases due to the influence of reaction resistance, electrical resistance, diffusion resistance of fuel and oxidant, etc. The potential fluctuation of the pole is large. As a result, when a load change is applied to the fuel cell, there is a problem that the deterioration of the oxidant electrode catalyst layer proceeds due to the change in the oxidant electrode potential.

上記問題点を解決するために、本発明は、第1燃料電池スタックと、第1燃料電池スタックと電流密度−電圧特性が同等であり、かつ有効発電面積が異なる少なくとも一つの第2燃料電池スタックと、負荷変動に応じて第2燃料電池スタックを第1燃料電池スタックに並列接続または開放するスイッチと、を備えた燃料電池システムであって、各々の燃料電池スタックにおける単位セル電圧が所定の範囲内に収まるように前記スイッチを制御することを要旨とする。   In order to solve the above problems, the present invention provides a first fuel cell stack, and at least one second fuel cell stack having the same current density-voltage characteristics as the first fuel cell stack and having a different effective power generation area. And a switch for connecting or releasing the second fuel cell stack in parallel with or opening the first fuel cell stack in response to a load change, wherein the unit cell voltage in each fuel cell stack is within a predetermined range. The gist of the invention is to control the switch so as to be within the range.

著者らは、固体高分子型燃料電池の触媒層において、とりわけ触媒粒子径の拡大に伴う電気化学反応面積減少に起因する劣化に着目した実験の結果、上述の酸化剤極触媒層劣化を抑制できるような条件を見出した。   The authors have been able to suppress the above-mentioned deterioration of the oxidizer electrode catalyst layer as a result of an experiment focusing on the deterioration caused by the decrease in the electrochemical reaction area accompanying the increase in the catalyst particle size in the catalyst layer of the polymer electrolyte fuel cell. I found the following conditions.

例えば、単位セル電圧約0.85[V]以下となるような負荷変動において酸化剤極の劣化を大幅に抑制することが可能であった。   For example, it was possible to significantly suppress the deterioration of the oxidizer electrode in a load change that would result in a unit cell voltage of about 0.85 [V] or less.

一方、無負荷時には電解質膜を比較的湿潤な状態で保持することにより、特に燃料極触媒層の劣化を抑制することが可能であった。   On the other hand, it was possible to suppress deterioration of the fuel electrode catalyst layer, in particular, by holding the electrolyte membrane in a relatively wet state when there was no load.

次に、燃料電池を自動車用動力源として用いる場合、一般的な市街地・郊外における走行においては、設定最高出力にもよるが比較的低出力での使用頻度が大部分を占めるという結果があり、特に低出力領域における劣化の抑制が必要であると考えられる。   Next, when using a fuel cell as a power source for automobiles, in general driving in urban areas and suburbs, there is a result that the frequency of use at a relatively low output occupies most, depending on the set maximum output, In particular, it is considered necessary to suppress deterioration in the low output region.

本発明によれば、酸化剤極電位変動に伴う酸化剤極触媒層劣化を抑制することができるため、負荷変動に伴う劣化が少なく耐久性の高い燃料電池システムを提供することができるという効果がある。   According to the present invention, since deterioration of the oxidant electrode catalyst layer due to fluctuations in the oxidant electrode potential can be suppressed, there is an effect that it is possible to provide a highly durable fuel cell system with little deterioration due to load fluctuations. is there.

以下、本発明の実施の形態について図面に基づき説明をする。 尚、以下に説明する各実施例は、燃料電池車両など、アイドリング時(例えば、燃料電池補機の消費電力相当分を発電する待機状態)から全負荷時までの負荷変動が大きい燃料電池システムに好適な実施例である。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. Each embodiment described below is applied to a fuel cell system having a large load fluctuation from idling time (for example, a standby state where power corresponding to the power consumption of the fuel cell auxiliary machine is generated) to full load time, such as a fuel cell vehicle. This is a preferred embodiment.

図1は、本発明に係る燃料電池システム1の実施例1の構成を説明する概略構成図である。同図において、燃料電池システム1は、第1燃料電池スタック2と、第1燃料電池スタック2と電流密度−電圧特性が同等であり且つ有効発電面積が異なる第2燃料電池スタック3と、第2燃料電池スタック3を第1燃料電池スタック2に並列接続することが可能なスイッチ15,16を備えている。   FIG. 1 is a schematic configuration diagram illustrating the configuration of a first embodiment of a fuel cell system 1 according to the present invention. In the figure, a fuel cell system 1 includes a first fuel cell stack 2, a second fuel cell stack 3 having a current density-voltage characteristic equivalent to that of the first fuel cell stack 2 and a different effective power generation area, Switches 15 and 16 that can connect the fuel cell stack 3 to the first fuel cell stack 2 in parallel are provided.

第1燃料電池スタック2の燃料極5a、酸化剤極6aは、それぞれ接続線11、12を介して常に負荷装置4へ接続されている。   The fuel electrode 5a and the oxidant electrode 6a of the first fuel cell stack 2 are always connected to the load device 4 via connection lines 11 and 12, respectively.

第2燃料電池スタック3の燃料極5bは、スイッチ15及び接続線13を介して、第1燃料電池スタック2の燃料極5a及び負荷装置4へ接続されている。第2燃料電池スタック3の酸化剤極6bは、スイッチ16及び接続線14を介して、第1燃料電池スタック2の酸化剤極6a及び負荷装置4へ接続されている。   The fuel electrode 5 b of the second fuel cell stack 3 is connected to the fuel electrode 5 a of the first fuel cell stack 2 and the load device 4 via the switch 15 and the connection line 13. The oxidant electrode 6 b of the second fuel cell stack 3 is connected to the oxidant electrode 6 a of the first fuel cell stack 2 and the load device 4 via the switch 16 and the connection line 14.

スイッチ15,16は、例えば、電力用のFETやIGBT等の制御信号によりオン/オフ可能な半導体スイッチである。   The switches 15 and 16 are, for example, semiconductor switches that can be turned on / off by a control signal such as a power FET or IGBT.

第2燃料電池スタック3を第2燃料電池スタック2及び負荷装置4に接続するスイッチ15,16は、燃料電池負荷が所定値未満の場合に開放されており、燃料電池負荷が所定値以上となったときに、スイッチ15,16が閉じられて、第2燃料電池スタック3が負荷装置4に接続される。   The switches 15 and 16 that connect the second fuel cell stack 3 to the second fuel cell stack 2 and the load device 4 are opened when the fuel cell load is lower than a predetermined value, and the fuel cell load becomes equal to or higher than the predetermined value. The switches 15 and 16 are closed, and the second fuel cell stack 3 is connected to the load device 4.

第1燃料電池スタック2と第2燃料電池スタック3とは、共に固体高分子電解質型燃料電池であり、有効発電面積が異なる燃料電池スタックである。特に、第1燃料電池スタック2と第2燃料電池スタック3とは、同じタイプの膜電極接合体(MEA)を有し、スタック積層セル数が等しいことが好ましい。ここで、両者の有効発電面積には、
第1燃料電池スタック2の有効発電面積<第2燃料電池スタック3の有効発電面積
という関係が成立しているものとする。
The first fuel cell stack 2 and the second fuel cell stack 3 are both solid polymer electrolyte fuel cells and are fuel cell stacks having different effective power generation areas. In particular, it is preferable that the first fuel cell stack 2 and the second fuel cell stack 3 have the same type of membrane electrode assembly (MEA) and have the same number of stacked cells. Here, the effective power generation area of both is
It is assumed that the relationship of effective power generation area of the first fuel cell stack 2 <effective power generation area of the second fuel cell stack 3 is established.

また、第1燃料電池スタック2には、燃料ガス供給管7aを介して図示しない燃料ガス供給系から燃料ガスが供給され、第1燃料電池スタック2から燃料ガス排出管8aを介して未反応の燃料ガスが排出される。同様に、第1燃料電池スタック2には、酸化剤ガス供給管9aを介して図示しない酸化剤ガス供給系から酸化剤ガスが供給され、第1燃料電池スタック2から酸化剤ガス排出管10aを介して反応済の酸化剤ガスが排出される。   The first fuel cell stack 2 is supplied with fuel gas from a fuel gas supply system (not shown) via a fuel gas supply pipe 7a and unreacted from the first fuel cell stack 2 via a fuel gas discharge pipe 8a. Fuel gas is discharged. Similarly, an oxidant gas is supplied to the first fuel cell stack 2 from an oxidant gas supply system (not shown) via an oxidant gas supply pipe 9a, and an oxidant gas discharge pipe 10a is connected from the first fuel cell stack 2 to the first fuel cell stack 2. The reacted oxidant gas is discharged.

同様に、第2燃料電池スタック3には、燃料ガス供給管7bを介して図示しない燃料ガス供給系から燃料ガスが供給され、第2燃料電池スタック3から燃料ガス排出管8bを介して未反応の燃料ガスが排出される。同様に、第2燃料電池スタック3には、酸化剤ガス供給管9bを介して図示しない酸化剤ガス供給系から酸化剤ガスが供給され、第2燃料電池スタック3から酸化剤ガス排出管10bを介して反応済の酸化剤ガスが排出される。   Similarly, the second fuel cell stack 3 is supplied with fuel gas from a fuel gas supply system (not shown) via a fuel gas supply pipe 7b and unreacted from the second fuel cell stack 3 via a fuel gas discharge pipe 8b. The fuel gas is discharged. Similarly, an oxidant gas is supplied to the second fuel cell stack 3 from an oxidant gas supply system (not shown) via an oxidant gas supply pipe 9b, and an oxidant gas discharge pipe 10b is supplied from the second fuel cell stack 3 to the second fuel cell stack 3. The reacted oxidant gas is discharged.

ガス供給系は、従来周知の構成のものを利用し、燃料ガス、酸化剤ガスについてそれぞれ1系統であっても燃料電池スタック毎に独立系統であっても構わない。   As the gas supply system, one having a conventionally well-known configuration may be used, and there may be one system for each of the fuel gas and the oxidant gas, or an independent system for each fuel cell stack.

本実施例では、第1燃料電池スタック2と、一つの第2燃料電池スタック3の合計2つのスタックが並列に接続可能となっているが、それぞれのスタックの電流密度−電圧特性が同等であれば、要求される最高出力に応じて第2燃料電池スタックの数を任意に増やしてもよい。ただし各第2燃料電池スタックにはそれぞれ開閉可能なスイッチが接続される必要がある。   In this embodiment, a total of two stacks of the first fuel cell stack 2 and one second fuel cell stack 3 can be connected in parallel. However, if the current density-voltage characteristics of each stack are equivalent. For example, the number of second fuel cell stacks may be arbitrarily increased according to the required maximum output. However, each second fuel cell stack must be connected to an openable / closable switch.

最小負荷時、例えば燃料電池車両のアイドリング時においては、第1燃料電池スタック2のみが運転され、このときの第1燃料電池スタック2における単位セル電圧が好ましくは約0.85[V]以下に保持されるように第1燃料電池スタック2の発電面積は決定される。   At the minimum load, for example, when the fuel cell vehicle is idling, only the first fuel cell stack 2 is operated, and the unit cell voltage in the first fuel cell stack 2 at this time is preferably about 0.85 [V] or less. The power generation area of the first fuel cell stack 2 is determined so as to be held.

負荷が増加し、第1燃料電池スタック2の設定最高出力(電力または電流)へ到達すると、スイッチ15,16が閉じられ、第2燃料電池スタック3の発電が開始される。このとき、第1燃料電池スタック2と第2燃料電池スタック3における電流密度は等しくなり、単位セル電圧が上記約0.85[V]以下となるように第2燃料電池スタック3の発電面積は決定される。更に負荷が増加すると第1燃料電池スタック2と第2燃料電池スタック3の発電量が設定された最高出力までそれぞれ増加する。   When the load increases and reaches the set maximum output (power or current) of the first fuel cell stack 2, the switches 15 and 16 are closed, and the power generation of the second fuel cell stack 3 is started. At this time, the current density in the first fuel cell stack 2 and the second fuel cell stack 3 is equal, and the power generation area of the second fuel cell stack 3 is such that the unit cell voltage is about 0.85 [V] or less. It is determined. When the load further increases, the power generation amount of the first fuel cell stack 2 and the second fuel cell stack 3 increases to the set maximum output.

図2は、第1、第2燃料電池スタック2,3におけるスタック電流(電流密度表示)に対するスタック電圧の関係を示す図である。いずれの燃料電池スタックも図2中に破線で示すように、単位セル電圧に換算したときに0.85[V]の所定電圧以下となる使用領域で運転される。   FIG. 2 is a diagram showing the relationship of the stack voltage with respect to the stack current (current density display) in the first and second fuel cell stacks 2 and 3. As shown by a broken line in FIG. 2, all the fuel cell stacks are operated in a use region in which the unit cell voltage is equal to or lower than a predetermined voltage of 0.85 [V].

図3は、スタック面積比を
第1燃料電池スタック:第2燃料電池スタック=m:n
としたときの、要求負荷電流に対する燃料電池スタック毎の負荷電流とスイッチ15,16の操作とを説明する図である。
FIG. 3 shows the stack area ratio as follows: first fuel cell stack: second fuel cell stack = m: n
It is a figure explaining the load current for every fuel cell stack with respect to request | requirement load current, and operation of switch 15,16.

図3中、アイドリングからスイッチングまでの負荷範囲では、第1燃料電池スタック2のみが発電し、スイッチング以上、要求負荷が100%までは、第1燃料電池スタック2と第2燃料電池スタック3とが並列に負荷装置4へ電流を供給する。   In FIG. 3, only the first fuel cell stack 2 generates power in the load range from idling to switching, and when the required load is 100% or more after switching, the first fuel cell stack 2 and the second fuel cell stack 3 A current is supplied to the load device 4 in parallel.

スイッチング直前の発電状態は、第1燃料電池スタック2がスタック能力の100%であり、第2燃料電池スタック3は、0%である。スイッチング直後では、第1燃料電池スタック2及び第2燃料電池スタック3の発電状態は、それぞれのスタック能力の100×m/(m+n)[%]である。例えば、m=1,n=3とすれば、100×m/(m+n)[%]=25[%]である。   In the power generation state immediately before switching, the first fuel cell stack 2 is 100% of the stack capacity, and the second fuel cell stack 3 is 0%. Immediately after switching, the power generation states of the first fuel cell stack 2 and the second fuel cell stack 3 are 100 × m / (m + n) [%] of the respective stack capacities. For example, if m = 1 and n = 3, then 100 × m / (m + n) [%] = 25 [%].

この2つの燃料電池スタックの有効発電面積比の求め方は、以下の通りである。例えば負荷の時間変動パターンデータを収集し、この収集したデータに基づいて負荷のモデル変動パターンを作成する。そして、この負荷のモデル変動パターンにおいて、第2燃料電池スタックのセル電圧が所定の単位セル電圧を通過する頻度が最小となるような値に有効発電面積比を決定することにより、酸化剤触媒層の劣化を更に抑制し、燃料電池スタックの耐久性を更に高めることが可能となる。   The method for obtaining the effective power generation area ratio of these two fuel cell stacks is as follows. For example, load time variation pattern data is collected, and a load model variation pattern is created based on the collected data. Then, in this model variation pattern of the load, by determining the effective power generation area ratio to a value that minimizes the frequency with which the cell voltage of the second fuel cell stack passes the predetermined unit cell voltage, the oxidant catalyst layer It is possible to further suppress the deterioration of the fuel cell stack and further enhance the durability of the fuel cell stack.

尚、電動車両の電源として用いる燃料電池システムの場合、上記の負荷の時間変動パターンデータは、車両の走行パターンデータから求めることができるのは明らかである。   In the case of a fuel cell system used as a power source for an electric vehicle, it is obvious that the time variation pattern data of the load can be obtained from the running pattern data of the vehicle.

これにより比較的低負荷での変動頻度の高い自動車用動力源としての用途において、酸化剤極触媒層劣化に強く耐久性の高い燃料電池システムを提供することが可能となる。   This makes it possible to provide a fuel cell system that is highly resistant to deterioration of the oxidant electrode catalyst layer and has high durability in applications as a power source for automobiles with a relatively low load and a high frequency of fluctuation.

次に、図4、図5を参照して本実施例と従来技術による比較例との相違を説明する。   Next, the difference between the present embodiment and the comparative example according to the prior art will be described with reference to FIGS.

図4は、実質的に1つの燃料電池スタックを備えた従来の燃料電池システムにおける負荷変動と単位セル電圧の時間変化例を示すタイムチャートであり、図5は、実施例1における負荷変動と単位セル電圧の時間変化例を示すタイムチャートである。   FIG. 4 is a time chart showing an example of time variation of load variation and unit cell voltage in a conventional fuel cell system substantially including one fuel cell stack, and FIG. 5 is a diagram showing load variation and unit in the first embodiment. It is a time chart which shows the example of a time change of a cell voltage.

図4の比較例では、負荷変動に従って、燃料電池スタック電圧が変動し、燃料電池スタック電圧を生じる個々の単位セル電圧も変動し、例えば、破線で示す所定値(例えば、0.85[V])のラインを繰り返し上下に横切ることになり、燃料電池スタックの劣化が進行する。   In the comparative example of FIG. 4, the fuel cell stack voltage fluctuates in accordance with the load variation, and individual unit cell voltages that generate the fuel cell stack voltage also fluctuate. For example, a predetermined value (for example, 0.85 [V] indicated by a broken line) ) Is repeatedly crossed up and down, and the deterioration of the fuel cell stack proceeds.

これに対して、図5の実施例1では、負荷がしきい値Lth未満の場合には、第1燃料電池スタックのみが発電し、負荷がしきい値Lth以上になると第1燃料電池スタックに加えて、第2燃料電池スタックも発電するように制御している。このため、第1燃料電池スタックの単位セル電圧は、常に破線で示す所定値(例えば、0.85[V])以下となり、第2燃料電池スタックの単位セル電圧は、負荷がしきい値Lthを横切る毎に、所定値の破線ラインを横切ることになる。   On the other hand, in Example 1 of FIG. 5, when the load is less than the threshold value Lth, only the first fuel cell stack generates power, and when the load exceeds the threshold value Lth, the first fuel cell stack In addition, the second fuel cell stack is also controlled to generate power. For this reason, the unit cell voltage of the first fuel cell stack is always equal to or less than a predetermined value (for example, 0.85 [V]) indicated by a broken line, and the unit cell voltage of the second fuel cell stack has a load Lth Every time crossing, a broken line having a predetermined value is crossed.

従って、本実施例によれば、第1、第2燃料電池スタックの単位セル電圧が所定値を通過する頻度を著しく低下させ、酸化剤極電位変動に伴う酸化剤極触媒層劣化を抑制することができるため、負荷変動に伴う劣化が少なく耐久性の高い燃料電池システムを提供することができるという効果がある。   Therefore, according to the present embodiment, the frequency with which the unit cell voltage of the first and second fuel cell stacks passes a predetermined value is significantly reduced, and deterioration of the oxidant electrode catalyst layer due to oxidant electrode potential fluctuation is suppressed. Therefore, there is an effect that it is possible to provide a highly durable fuel cell system with little deterioration due to load fluctuation.

次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例2を説明する。実施例2は、第1燃料電池スタック2と第2燃料電池スタック3とがそれぞれ独立に制御可能な燃料ガス供給系及び酸化剤ガス供給系を備えている点に特徴がある。第1燃料電池スタック2と第2燃料電池スタック3との接続関係は、図1に示した実施例1と同様である。   Next, a second embodiment of the fuel cell system according to the present invention will be described. The second embodiment is characterized in that the first fuel cell stack 2 and the second fuel cell stack 3 include a fuel gas supply system and an oxidant gas supply system that can be controlled independently. The connection relationship between the first fuel cell stack 2 and the second fuel cell stack 3 is the same as that of the first embodiment shown in FIG.

また、第1燃料電池スタック2と、第1燃料電池スタック2とは、電流密度−電圧特性が同等であり且つ有効発電面積が異なるものである。   The first fuel cell stack 2 and the first fuel cell stack 2 have the same current density-voltage characteristics and different effective power generation areas.

図6は、実施例2における燃料電池システム制御を説明するタイムチャートである。本実施例においては、燃料電池に対する負荷がしきい値Lth未満の場合、第1燃料電池スタック2のみに燃料ガス及び酸化剤ガスを供給し、第2燃料電池スタック3には、燃料ガス及び酸化剤ガスを供給しない。そして、燃料電池に対する負荷がしきい値Lth以上となった場合に、第1燃料電池スタック2及び第2燃料電池スタック3に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するように制御する。   FIG. 6 is a time chart illustrating fuel cell system control in the second embodiment. In this embodiment, when the load on the fuel cell is less than the threshold value Lth, the fuel gas and the oxidant gas are supplied only to the first fuel cell stack 2, and the fuel gas and the oxidation gas are supplied to the second fuel cell stack 3. Do not supply agent gas. Then, when the load on the fuel cell becomes equal to or higher than the threshold value Lth, control is performed so that the fuel gas and the oxidant gas are supplied to the first fuel cell stack 2 and the second fuel cell stack 3.

これにより、低負荷時のガス供給量を最小限とすることが可能となり、負荷変動に対して応答時間の短い、酸化剤極触媒層劣化に強い高耐久の燃料電池を提供することが可能となる。   This makes it possible to minimize the gas supply amount at low load, and to provide a highly durable fuel cell that has a short response time against load fluctuations and is resistant to deterioration of the oxidizer electrode catalyst layer. Become.

尚、第2燃料電池スタック3が発電を行っていないときには、高相対湿度の燃料ガス及び高相対湿度の酸化剤ガスを供給、あるいはこれらのガスを燃料極5b及び酸化剤極6bに封入するようにしてもよい。これにより、無負荷時の触媒層劣化を抑制することができるという効果がある。   When the second fuel cell stack 3 is not generating power, a high relative humidity fuel gas and an oxidant gas with high relative humidity are supplied, or these gases are sealed in the fuel electrode 5b and the oxidant electrode 6b. It may be. Thereby, there exists an effect that the catalyst layer deterioration at the time of no load can be suppressed.

図7は、本発明に係る燃料電池システム1の実施例3の構成を説明する概略構成図である。同図において、燃料電池システム1は、第1燃料電池スタック2と、第1燃料電池スタック2と電流密度−電圧特性が同等であり且つ有効発電面積が異なる第2燃料電池スタック3と、第2燃料電池スタック3を第1燃料電池スタック2に並列接続することが可能なスイッチ15,16を備えている。   FIG. 7 is a schematic configuration diagram illustrating the configuration of Example 3 of the fuel cell system 1 according to the present invention. In the figure, a fuel cell system 1 includes a first fuel cell stack 2, a second fuel cell stack 3 having a current density-voltage characteristic equivalent to that of the first fuel cell stack 2 and a different effective power generation area, Switches 15 and 16 that can connect the fuel cell stack 3 to the first fuel cell stack 2 in parallel are provided.

第1燃料電池スタック2の燃料極5a、酸化剤極6aは、それぞれ接続線11、12を介して常に負荷装置4へ接続されている。   The fuel electrode 5a and the oxidant electrode 6a of the first fuel cell stack 2 are always connected to the load device 4 via connection lines 11 and 12, respectively.

第2燃料電池スタック3の燃料極5bは、スイッチ15及び接続線13を介して、第1燃料電池スタック2の燃料極5a及び負荷装置4へ接続されている。第2燃料電池スタック3の酸化剤極6bは、スイッチ16及び接続線14を介して、第1燃料電池スタック2の酸化剤極6a及び負荷装置4へ接続されている。   The fuel electrode 5 b of the second fuel cell stack 3 is connected to the fuel electrode 5 a of the first fuel cell stack 2 and the load device 4 via the switch 15 and the connection line 13. The oxidant electrode 6 b of the second fuel cell stack 3 is connected to the oxidant electrode 6 a of the first fuel cell stack 2 and the load device 4 via the switch 16 and the connection line 14.

第2燃料電池スタック3を第2燃料電池スタック2及び負荷装置4に接続するスイッチ15,16は、燃料電池負荷が所定値未満の場合に開放されており、燃料電池負荷が所定値以上となったときに、スイッチ15,16が閉じられて、第2燃料電池スタック3が負荷装置4に接続される。   The switches 15 and 16 that connect the second fuel cell stack 3 to the second fuel cell stack 2 and the load device 4 are opened when the fuel cell load is lower than a predetermined value, and the fuel cell load becomes equal to or higher than the predetermined value. The switches 15 and 16 are closed, and the second fuel cell stack 3 is connected to the load device 4.

第1燃料電池スタック2と第2燃料電池スタック3とは、互いに同じタイプの膜電極接合体(MEA)を有し、スタック積層セル数が等しいが、有効発電面積が異なる燃料電池である。   The first fuel cell stack 2 and the second fuel cell stack 3 are fuel cells that have the same type of membrane electrode assembly (MEA), have the same number of stacked cells, but have different effective power generation areas.

また、図7において、燃料電池システム1に対する負荷が低負荷から高負荷へ移行することを予測する高負荷予測手段17を備えている。ここで高負荷とは、第2燃料電池スタック3も発電させる負荷であり、実施例1のスタック面積比m:nを用いると、燃料電池システムの全負荷の100×m/(m+n)[%]以上の負荷である。   Moreover, in FIG. 7, the high load prediction means 17 which estimates that the load with respect to the fuel cell system 1 transfers from a low load to a high load is provided. Here, the high load is a load that also generates power in the second fuel cell stack 3, and when the stack area ratio m: n of Example 1 is used, 100 × m / (m + n) [% of the total load of the fuel cell system. ] The above load.

この高負荷予測手段17を持つことにより、低負荷から高負荷への移行を予測したときには、前もって第2燃料電池スタック3へ所定流量の燃料ガス及び酸化剤ガスを供給する。なお、高負荷予測手段17は、例えば負荷装置4へ流れる電流の大きさと時間変化とを、あらかじめ実験等により得られた電流の大きさ及び時間変化のデータと比較することにより、低負荷から高負荷への移行を予測するものとする。   By having this high load predicting means 17, when a transition from a low load to a high load is predicted, a predetermined amount of fuel gas and oxidant gas are supplied to the second fuel cell stack 3 in advance. The high load predicting means 17 compares the magnitude of the current flowing to the load device 4 and the time change with the data of the current magnitude and the time change obtained in advance through experiments or the like, for example. The transition to load shall be predicted.

本実施例によれば、低負荷から高負荷への移行を予測する高負荷予測手段を備え、この高負荷予測手段により高負荷へ移行すると予測された場合には、前もって所定流量の燃料ガス及び酸化剤ガスを発電が行われていないスタックに供給することで、負荷変動時の燃料もしくは酸化剤不足に伴う触媒層の劣化を抑制し、かつ負荷変動に伴う劣化が少なく耐久性の高い燃料電池を提供することが可能となる。   According to the present embodiment, it is provided with a high load predicting means for predicting a transition from a low load to a high load, and when predicted to shift to a high load by the high load predicting means, a fuel gas having a predetermined flow rate and By supplying the oxidant gas to the stack where power generation is not performed, the fuel cell at the time of load change or deterioration of the catalyst layer due to lack of oxidant is suppressed, and the fuel cell with high durability and little deterioration due to load change Can be provided.

以上好ましい実施例について説明したが、これらは本発明を限定するものではない。例えば、第2燃料電池スタックは、一つに限らず2つ以上備えてもよいし、それぞれの第2燃料電池スタックの有効発電面積と第1燃料電池スタックの有効発電面積との比を変更することもできる。   While preferred embodiments have been described above, they are not intended to limit the invention. For example, the number of second fuel cell stacks is not limited to one, and two or more second fuel cell stacks may be provided, and the ratio of the effective power generation area of each second fuel cell stack to the effective power generation area of the first fuel cell stack is changed. You can also

本発明に係る燃料電池システムの実施例1の構成を説明する概略構成図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a schematic block diagram explaining the structure of Example 1 of the fuel cell system based on this invention. スタック電流密度に対するスタック電圧の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship of the stack voltage with respect to a stack current density. 実施例1における要求負荷とスタック毎の負荷、及び第2燃料電池スタックの接続スイッチングを説明する図である。It is a figure explaining the connection load of the demand load in Example 1, the load for every stack, and the 2nd fuel cell stack. 従来の構成における負荷変動と単位セル電圧の関係を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the relationship between the load fluctuation | variation and unit cell voltage in the conventional structure. 実施例1における負荷変動と単位セル電圧の関係を示すタイムチャートである。3 is a time chart showing the relationship between load fluctuation and unit cell voltage in Example 1. 実施例2における負荷変動と酸化剤ガス流量の関係を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the relationship between the load fluctuation | variation in Example 2, and oxidant gas flow volume. 本発明に係る燃料電池システムの実施例3の構成を説明する概略構成図である。It is a schematic block diagram explaining the structure of Example 3 of the fuel cell system which concerns on this invention. 実施例3における負荷変動と供給ガスの関係並びに負荷変動予測を説明するタイムチャートである。It is a time chart explaining the relation between load fluctuation and supply gas in Example 3, and load fluctuation prediction.

符号の説明Explanation of symbols

1:燃料電池システム
2:第1燃料電池スタック
3:第2燃料電池スタック
4:負荷装置
5a,5b:燃料極
6a,6b:酸化剤極
7a,7b:燃料ガス供給管
8a,8b:燃料ガス排出管
9a,9b:酸化剤ガス供給管
10a,10b:酸化剤ガス排出管
11,12,13,14:接続線
15,16:スイッチ
17:高負荷予測手段
1: Fuel cell system 2: First fuel cell stack 3: Second fuel cell stack 4: Load devices 5a, 5b: Fuel electrodes 6a, 6b: Oxidant electrodes 7a, 7b: Fuel gas supply pipes 8a, 8b: Fuel gas Exhaust pipes 9a, 9b: Oxidant gas supply pipes 10a, 10b: Oxidant gas exhaust pipes 11, 12, 13, 14: Connection lines 15, 16: Switch 17: High load prediction means

Claims (6)

第1燃料電池スタックと、
第1燃料電池スタックと電流密度−電圧特性が同等であり、かつ有効発電面積が異なる少なくとも一つの第2燃料電池スタックと、
負荷変動に応じて第2燃料電池スタックを第1燃料電池スタックに並列接続または開放するスイッチと、を備えた燃料電池システムであって、
各々の燃料電池スタックにおける単位セル電圧が所定の範囲内に収まるように前記スイッチを制御することを特徴とする燃料電池システム。
A first fuel cell stack;
At least one second fuel cell stack having a current density-voltage characteristic equivalent to that of the first fuel cell stack and having a different effective power generation area;
A switch for connecting or releasing the second fuel cell stack in parallel with or opening the first fuel cell stack in response to load fluctuations,
A fuel cell system, wherein the switch is controlled so that a unit cell voltage in each fuel cell stack falls within a predetermined range.
低負荷時において発電を行っていない燃料電池スタックには、燃料ガス及び酸化剤ガスを供給しないことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。   2. The fuel cell system according to claim 1, wherein fuel gas and oxidant gas are not supplied to a fuel cell stack that is not generating power at a low load. 3. 燃料電池システムの負荷が低負荷から高負荷へ移行することを予測する高負荷予測手段を備え、
該高負荷予測手段により高負荷へ移行すると予測された場合には、前もって所定流量の燃料ガス及び酸化剤ガスを発電が行われていない燃料電池スタックに供給することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の燃料電池システム。
Comprising a high load prediction means for predicting that the load of the fuel cell system shifts from a low load to a high load;
The fuel gas and the oxidant gas at a predetermined flow rate are supplied in advance to a fuel cell stack where power generation is not performed when it is predicted that the high load prediction unit will shift to a high load. The fuel cell system according to claim 2.
第1燃料電池スタックと第2燃料電池スタックとの有効発電面積比は、各々の燃料電池スタックから要求される負荷を取り出した時に所定の単位セル電圧を通過する頻度が最小となるような値に設定されていることを特徴とする請求項1乃至請求項3の何れか1項に記載の燃料電池システム。   The effective power generation area ratio between the first fuel cell stack and the second fuel cell stack is set to a value that minimizes the frequency of passing a predetermined unit cell voltage when a required load is extracted from each fuel cell stack. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein the fuel cell system is set. 前記所定の単位セル電圧は、約0.85[V]であることを特徴とする請求項4に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 4, wherein the predetermined unit cell voltage is about 0.85 [V]. 発電が行われていない燃料電池スタックには、高相対湿度のガスを供給または封入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。   2. The fuel cell system according to claim 1, wherein a gas having a high relative humidity is supplied or enclosed in a fuel cell stack in which power generation is not performed.
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