JP2007026808A - Fuel cell system - Google Patents

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Yukio Fujiwara
幸雄 藤原
Takahiro Fujii
隆宏 藤井
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Nissan Motor Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress deterioration of an MEA (Membrane Electrode Assembly) due to high potential after power generation stop without causing complication and efficiency deterioration of a system in a polymer electrolyte fuel cell system. <P>SOLUTION: The partial pressure of oxygen at a cathode 1c is controlled under a generation halt state where a load device 2 is separated from a fuel cell 1 and a state where fuel gas is filled in an anode 1a so that cell potential becomes target potential by adjusting amount of cathode capacity in a cathode gas path 4. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は燃料電池システムに関し、特に固体高分子型燃料電池システムの発電停止後のセル電位制御に関する。   The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to cell potential control after power generation is stopped in a polymer electrolyte fuel cell system.

固体高分子型燃料電池は、プロトン導電性の固体高分子膜とその両側にそれぞれ配置されるアノードおよびカソードとからなる単位燃料電池セルをセパレータによって挟持することにより燃料電池スタックとして構成されている。アノードおよびカソードは、白金(Pt)系の金属触媒を炭素粉末に担持して得られる触媒体とプロトン導電性高分子電解質との混合物で構成される触媒層を有する。   A polymer electrolyte fuel cell is configured as a fuel cell stack by sandwiching unit fuel cells each composed of a proton conductive solid polymer membrane and an anode and a cathode respectively disposed on both sides thereof by a separator. The anode and the cathode have a catalyst layer composed of a mixture of a catalyst body obtained by supporting a platinum (Pt) -based metal catalyst on carbon powder and a proton conductive polymer electrolyte.

燃料電池は、発電停止中のように開回路に近い状態では、0.9Vを超える高い電圧となる場合がある。このようにカソードが高電位状態となっている場合、カソードのPt触媒の溶出、およびシンタリング(Ptの粒子拡大)によるPt触媒の反応面積の減少という問題が発生することが知られている。   In a state close to an open circuit, such as when power generation is stopped, the fuel cell may have a high voltage exceeding 0.9V. As described above, it is known that when the cathode is in a high potential state, problems such as elution of the Pt catalyst at the cathode and reduction in the reaction area of the Pt catalyst due to sintering (Pt particle expansion) occur.

また、燃料電池が開回路状態に近い高い電圧を保持している場合、高分子電解質が分解するという間題も発生することも知られている。これは次のような理由によるものと考えられている。すなわち水素と酸素とを反応種とする燃料電池の開回路電圧は、理論的には1.23Vとされている。しかし、実際の開回路電圧は、アノードおよびカソードのそれぞれの極における不純物および吸着種との混成電位によることになり、約0.93V〜1.1Vとなる。また、高分子電解質膜中に水素および酸素が若干拡散されていることに起因して、開回路電圧が理論値よりも低下することになる。   It is also known that when the fuel cell holds a high voltage close to an open circuit state, the problem that the polymer electrolyte decomposes also occurs. This is thought to be due to the following reasons. That is, the open circuit voltage of a fuel cell using hydrogen and oxygen as reactive species is theoretically 1.23V. However, the actual open circuit voltage depends on the mixed potential of impurities and adsorbed species at the anode and cathode electrodes, and is about 0.93 V to 1.1 V. In addition, the open circuit voltage is lower than the theoretical value because hydrogen and oxygen are slightly diffused in the polymer electrolyte membrane.

アノードの電位は、極端な金属種などの不純物の溶解がないとすると、カソードの吸着種による影響が大きく、非特許文献1に記述されているように反応式(1)から反応式(5)に示されるような化学反応の混成電位になると考えられている。なお、反応式に対応して示されている電圧は、当該反応式が示す反応が起きたときのSHE(Standard Hydrogen Electrode:標準水素電極)に対する標準電極電位を示している。   If there is no dissolution of impurities such as extreme metal species, the potential of the anode is greatly influenced by the adsorbed species of the cathode, and as described in Non-Patent Document 1, reaction equation (1) to reaction equation (5) It is considered that the mixed potential of the chemical reaction as shown in FIG. The voltage shown corresponding to the reaction formula indicates the standard electrode potential with respect to SHE (Standard Hydrogen Electrode) when the reaction indicated by the reaction formula occurs.

このようにアノードの電位が高い場合、水酸化ラジカル(OH・)、スーパーオキシド(O2 -・)、および水素ラジカル(H・)が高濃度に発生した状態となり、これらラジカル類が高分子電解質の反応性の高い部分をアタックし、高分子電解質を分解させるものと考えられる。
(反応式1)O2+4H++4e-=2H2O 1.23V
(反応式2)PtO2+2H++2e-=Pt(OH)2 1.11V
(反応式3)Pt(OH)2+2H++2e-=Pt+2H2O 0.98V
(反応式4)PtO+2H++2e-=Pt+H2O 0.88V
(反応式5)O2+2H++2e-=H22 0.68V
前述したような燃料電池が開回路電圧になることにより発生する問題を回避するために、従来からいくつかの燃料電池システムの運転方法が提案されている。例えば、特許文献1には、燃料電池システム内に開回路電圧を抑制するための放電手段を設けることにより、燃料電池が開回路電圧になることを回避するようにした燃料電池システムの停止保管方法が開示されている。また、特許文献2には、外部電源を用いてアノードとカソードとの間に所定の電圧を印加することにより、カソードの電位を標準水素電極に対して0.6〜0.8Vの範囲内に制御することが提案されている。
H. Wroblowa, et al., J. Electroanal. Chem., 15, p139-150 (1967), "Adosorption and Kinetics at Platinum Electrodes in The Presence of Oxygen at Zero Net Current" 特開2002−93448号公報 特開2004−172105号公報
In this case the anode potential is higher, radical hydroxide (OH ·), superoxide (O 2 - ·), and hydrogen radical (H ·) is a state that occurs in a high concentration, these radicals polyelectrolyte It is considered that the highly reactive part of the polymer is attacked to decompose the polymer electrolyte.
(Reaction Formula 1) O 2 + 4H + + 4e = 2H 2 O 1.23V
(Reaction Formula 2) PtO 2 + 2H + + 2e = Pt (OH) 2 1.11V
(Reaction Formula 3) Pt (OH) 2 + 2H + + 2e = Pt + 2H 2 O 0.98V
(Reaction Formula 4) PtO + 2H + + 2e = Pt + H 2 O 0.88V
(Scheme 5) O 2 + 2H + + 2e = H 2 O 2 0.68V
In order to avoid the problems caused by the fuel cell having an open circuit voltage as described above, several methods for operating the fuel cell system have been proposed. For example, Patent Document 1 discloses a method for stopping and storing a fuel cell system in which a discharge means for suppressing an open circuit voltage is provided in the fuel cell system to avoid the fuel cell from becoming an open circuit voltage. Is disclosed. Further, in Patent Document 2, by applying a predetermined voltage between the anode and the cathode using an external power source, the cathode potential is set within a range of 0.6 to 0.8 V with respect to the standard hydrogen electrode. It has been proposed to control.
H. Wroblowa, et al., J. Electroanal. Chem., 15, p139-150 (1967), "Adosorption and Kinetics at Platinum Electrodes in The Presence of Oxygen at Zero Net Current" JP 2002-93448 A JP 2004-172105 A

しかしながら、特許文献1のもののように、酸化剤ガスの供給を停止した状態でセルを発電させ、カソードの酸素を消費させてからアノードを不活性ガスでパージする場合、発電して強制的に酸素を消費させるためカソードの電位が一様でなく、燃料電池の発電を停止させる都度カソードの活性化状況が異なるため、起動時の電池電圧がばらつくという問題が生じる。また、特許文献2に提案されているような制御手法を適用するには、外部電源や電気配線がセル数だけ必要になり、装置が複雑かつエネルギ効率低下につながるという問題が生じる。   However, when the cell is generated with the supply of the oxidant gas stopped, and the anode is purged with the inert gas after the supply of the oxidant gas is stopped, as in the case of Patent Document 1, the anode is purged with an inert gas. Since the cathode potential is not uniform and the activation state of the cathode is different each time the power generation of the fuel cell is stopped, there is a problem that the battery voltage at the start-up varies. In addition, in order to apply the control method proposed in Patent Document 2, an external power source and electrical wiring are required for the number of cells, which causes a problem that the device is complicated and energy efficiency is reduced.

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたもので、燃料電池システムの複雑化や効率悪化を招くことなく、発電停止後の高電位に起因するMEA(Membrane Electrode Assembly:膜電極接合体)の劣化、すなわちカソードにおけるPt触媒の溶出およびシンタリングによる触媒の反応面積の減少やラジカル類による高分子電解質の分解を抑制することを目的としている。   The present invention has been made by paying attention to such conventional problems, and does not cause complication or deterioration in efficiency of the fuel cell system, and the MEA (Membrane Electrode Assembly: membrane) caused by the high potential after power generation is stopped. The purpose is to suppress deterioration of the electrode assembly), that is, reduction of the reaction area of the catalyst due to elution and sintering of the Pt catalyst at the cathode and decomposition of the polymer electrolyte by radicals.

本発明は、固体高分子型の燃料電池システムにおいて、発電停止後の燃料電池内の標準水素電極に対するカソード電位またはセル電位(以下、単に「セル電位」という。)がカソードの酸素分圧に強く相関するという知見に基づくものであり、すなわち本発明の要旨は、固体高分子型燃料電池において、負荷を切り離した発電停止状態、かつアノードに燃料ガスを存在させた状態下にて、セル電位が目標電位となるように、カソードの酸素分圧を制御することにある。   In the polymer electrolyte fuel cell system, the cathode potential or cell potential (hereinafter simply referred to as “cell potential”) with respect to the standard hydrogen electrode in the fuel cell after power generation is stopped is strong against the oxygen partial pressure of the cathode. That is, the gist of the present invention is that, in a polymer electrolyte fuel cell, the cell potential is reduced under the condition that the load is disconnected and the fuel gas is present in the anode. The purpose is to control the oxygen partial pressure of the cathode so as to obtain the target potential.

前記目標電位は、固定高分子型燃料電池では通常0.6〜0.8Vの範囲内で設定する。セル電位が前記目標電位となるように酸素分圧を制御する制御手段としては、詳細は後に実施形態として説明するように種々の構成が適用可能であるが、基本的にはカソードに対する酸素量の制御であるので、カソードガスの給排等、燃料電池システムが本来的に装備している機器のみを使用して制御を行うことが可能である。   The target potential is usually set in the range of 0.6 to 0.8 V in the case of a fixed polymer fuel cell. As the control means for controlling the oxygen partial pressure so that the cell potential becomes the target potential, various configurations can be applied as will be described later in detail as embodiments, but basically the oxygen amount relative to the cathode is controlled. Since it is control, it is possible to perform control using only devices that are inherently equipped in the fuel cell system, such as supply and discharge of cathode gas.

本発明によれば、前述のとおり酸素分圧を操作することによりセル電位を制御する構成であるので、外部電源や電気配線は不要であり、またこれらによる電力消費が生じることもないので、システムの複雑化や効率悪化を招くことなしに、発電停止後のMEAの劣化を抑制することができる。   According to the present invention, since the cell potential is controlled by manipulating the oxygen partial pressure as described above, an external power source and electrical wiring are not required, and power consumption due to these is not generated. The deterioration of the MEA after the stoppage of power generation can be suppressed without incurring complexity and efficiency deterioration.

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図1は本発明が適用可能な燃料電池システムの全体構成を概略的に示したものである。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 schematically shows the overall configuration of a fuel cell system to which the present invention is applicable.

図において、1は固体高分子型燃料電池の本体、1aと1cはそれぞれそのアノード(燃料極)、カソード(酸素極)を表している。2は前記燃料電池を電力源とする負荷装置を表しており、例えば電動機、二次電池等がこれにあたる。3は前記アノード1aに図示しないアノードガス供給源からのアノードガスを供給するためのアノードガス経路であり、アノード1aよりも上流側に流量制御弁5が介装されている。4は前記カソード1cにカソードガスを供給するためのカソードガス経路であり、カソード1cよりも上流側と下流側にそれぞれ流量制御弁6,7が介装されている。8は酸素分圧検出手段としての酸素センサ、9はセル電位を検出する電圧計、10は燃料電池1のスタック温度を検出する温度センサである。前記セル電位は、燃料電池1の特定のセルの電位、またはスタック全体の電位である。   In the figure, reference numeral 1 denotes a main body of a polymer electrolyte fuel cell, and 1a and 1c denote an anode (fuel electrode) and a cathode (oxygen electrode), respectively. Reference numeral 2 denotes a load device that uses the fuel cell as a power source, for example, an electric motor or a secondary battery. Reference numeral 3 denotes an anode gas path for supplying an anode gas from an anode gas supply source (not shown) to the anode 1a, and a flow rate control valve 5 is interposed upstream of the anode 1a. Reference numeral 4 denotes a cathode gas path for supplying cathode gas to the cathode 1c. Flow control valves 6 and 7 are interposed on the upstream side and the downstream side of the cathode 1c, respectively. 8 is an oxygen sensor as oxygen partial pressure detection means, 9 is a voltmeter that detects the cell potential, and 10 is a temperature sensor that detects the stack temperature of the fuel cell 1. The cell potential is the potential of a specific cell of the fuel cell 1 or the potential of the entire stack.

11は本発明の制御手段として機能するコントロールユニットであり、CPUおよびその周辺装置からなるマイクロコンピュータにより構成されている。このコントロールユニット11には、前記酸素センサ8からの酸素濃度Po、電圧計9からのセル電位Vc、温度センサ10からのスタック温度TIがそれぞれ入力し、コントロールユニット11は、これらの信号に基づいて、負荷装置2を切り離した発電停止後に、セル電位Vcが前記目標電位となるように主としてカソード1cのガス量を制御する。この制御の詳細は後に述べる。   Reference numeral 11 denotes a control unit that functions as the control means of the present invention, and is constituted by a microcomputer comprising a CPU and its peripheral devices. The control unit 11 is supplied with the oxygen concentration Po from the oxygen sensor 8, the cell potential Vc from the voltmeter 9, and the stack temperature TI from the temperature sensor 10, and the control unit 11 is based on these signals. After the power generation is stopped after disconnecting the load device 2, the gas amount of the cathode 1c is mainly controlled so that the cell potential Vc becomes the target potential. Details of this control will be described later.

この燃料電池システムでは、アノードガスの加湿量を調整するための加湿調整装置を備えている。加湿調整装置は、前記流量制御弁5よりも下流側にてアノードガス経路3を迂回するように設けられた加湿経路12と、その途中に介装された調整器13とを主要な要素としている。調整器13は加湿装置または水除去装置からなり、アノードガス経路3のアノードガスを必要に応じて前記調整器13に通すことで、アノードガスの湿度を加減することができる。Va,Vb,Vcは調整器13を選択的にアノードガス経路3に接続するためのものであり、湿度調整を行わないときは、バルブVaを開き、Vb、Vcを閉ざすことで、アノードガスを調整器13を通過させることなくアノード1aに供給する。湿度調整をするときは、バルブVaを閉ざし、Vb,Vcを開くことで、アノードガスを加調整器13に通過させてからアノード1aに供給する。前記バルブVa〜Vcの開閉はコントロールユニット11により制御される。   This fuel cell system includes a humidification adjusting device for adjusting the humidification amount of the anode gas. The humidification adjustment device has as its main elements a humidification path 12 provided so as to bypass the anode gas path 3 on the downstream side of the flow control valve 5 and a regulator 13 interposed in the middle thereof. . The adjuster 13 includes a humidifier or a water remover, and the anode gas humidity can be increased or decreased by passing the anode gas in the anode gas passage 3 through the adjuster 13 as necessary. Va, Vb, and Vc are for selectively connecting the regulator 13 to the anode gas path 3. When the humidity is not adjusted, the valve Va is opened and the anode gas is closed by closing Vb and Vc. It supplies to the anode 1a, without letting the regulator 13 pass. When adjusting the humidity, the valve Va is closed and Vb and Vc are opened, so that the anode gas is passed through the regulator 13 and then supplied to the anode 1a. Opening and closing of the valves Va to Vc is controlled by the control unit 11.

次に、図2以下に示したフローチャートに沿って、前記構成下での燃料電池システムの発電停止後のセル電位制御につき説明する。なお、以下の説明およびフローチャート中で符号Sを付して示した数字は処理ステップ番号を表している。また、各フローチャートに示した処理ルーチンに相当するプログラムは、前記コントロールユニット11により例えば約10ms毎に周期的に実行される。   Next, cell potential control after stopping power generation of the fuel cell system under the above configuration will be described with reference to the flowchart shown in FIG. In the following description and flowcharts, the numbers indicated by the reference sign S represent processing step numbers. In addition, a program corresponding to the processing routine shown in each flowchart is periodically executed by the control unit 11 about every 10 ms, for example.

図2は前記電圧制御の第1の実施形態を示している(請求項1,3,4,10,11に対応)。この制御ではまずS1にて燃料電池の停止時処理を行う。具体的には、負荷装置2を切り離すと共に、カソードガス経路4の流量制御弁6,7を閉ざしてカソード1cに対するカソードガスの供給を停止する。ただし、アノード1aに対しては所定量のアノードガスが存在するようにアノードガスを供給する。これは、この制御のあいだアノード1aをアノードガスに晒した状態に維持するためのものであり、例えばアノードガス経路3の流量制御弁5を開いてアノード1aにアノードガスを少量流し続けるようにする。またはアノード1aに所要量のアノードガスを充填した状態でアノードガス経路3を密封するようにしてもよい。   FIG. 2 shows a first embodiment of the voltage control (corresponding to claims 1, 3, 4, 10, and 11). In this control, first, a process for stopping the fuel cell is performed in S1. Specifically, the load device 2 is disconnected and the flow rate control valves 6 and 7 in the cathode gas path 4 are closed to stop the supply of the cathode gas to the cathode 1c. However, anode gas is supplied to the anode 1a so that a predetermined amount of anode gas exists. This is for maintaining the anode 1a exposed to the anode gas during this control. For example, the flow rate control valve 5 of the anode gas path 3 is opened to keep a small amount of anode gas flowing through the anode 1a. . Alternatively, the anode gas path 3 may be sealed with the anode 1a filled with a required amount of anode gas.

S2では温度センサ10からの信号に基づき燃料電池温度TIを検出し、次いでS3にて前記温度TIを基準値Tsと比較することで、燃料電池の温度状態を判定する。燃料電池温度が十分に低ければ劣化は起こらないので、燃料電池の特性や仕様に応じて予め定めた温度基準値Tsよりも実温度TIが低いときには、以下のセル電位制御の処理を迂回し、S8に移行して制御終了処理を行なう。制御終了処理においては、前記のアノードガス供給をしていた場合はこれを停止し、これにより今回のセル電位制御は終了する。燃料電池温度TIが基準値Ts以上であるときには劣化のおそれがある条件下であるので、S4以降のセル電位制御に移行する。   In S2, the fuel cell temperature TI is detected based on a signal from the temperature sensor 10, and then in S3, the temperature TI of the fuel cell is determined by comparing the temperature TI with a reference value Ts. Since the deterioration does not occur if the fuel cell temperature is sufficiently low, when the actual temperature TI is lower than the temperature reference value Ts predetermined according to the characteristics and specifications of the fuel cell, the following cell potential control process is bypassed, The process proceeds to S8 and a control end process is performed. In the control termination process, if the anode gas is supplied, this is stopped, and the current cell potential control is terminated. When the fuel cell temperature TI is equal to or higher than the reference value Ts, there is a possibility that the fuel cell temperature TI is deteriorated, so that the process proceeds to cell potential control after S4.

S4では酸素分圧を検出する。酸素分圧はその相関量として酸素センサ8からの酸素濃度を検出するものとする。燃料電池によって、カソード1cの酸素濃度とセル電位の関係は決まってくるので、酸素濃度を検出することでセル電位を間接的に知ることができる。   In S4, the oxygen partial pressure is detected. It is assumed that the oxygen partial pressure detects the oxygen concentration from the oxygen sensor 8 as the correlation amount. Since the relationship between the oxygen concentration of the cathode 1c and the cell potential is determined by the fuel cell, the cell potential can be indirectly known by detecting the oxygen concentration.

S5では前記酸素濃度に相当する電位値Poと目標電位との比較を行う。目標電位としては、この場合、下限値を0.6V、上限値を0.8Vとして帯域的に設定してある。S5の比較処理において、Po>0.8Vであった場合には、セル電位を低下させるためにS6にてカソード1cに対する酸素供給を停止する操作を行ったのちS2に戻る。これに対して、Po<0.6Vであった場合には、セル電位を上昇させるためにS7にてカソード1cに酸素を供給する操作を行ったのちS2に戻る。0.6V≦Po≦0.8Vであった場合には、セル電位が目標電位域内であるので、そのまま何もせずにS2に戻る。   In S5, the potential value Po corresponding to the oxygen concentration is compared with the target potential. In this case, the target potential is set in a band with a lower limit of 0.6V and an upper limit of 0.8V. In the comparison process of S5, if Po> 0.8V, an operation for stopping the oxygen supply to the cathode 1c is performed in S6 in order to lower the cell potential, and then the process returns to S2. On the other hand, if Po <0.6 V, the operation returns to S2 after the operation of supplying oxygen to the cathode 1c in S7 in order to increase the cell potential. If 0.6V ≦ Po ≦ 0.8V, the cell potential is within the target potential range, so the process returns to S2 without doing anything.

カソードガスの供給を停止すると、このときアノード1aにはアノードガスが存在しているので、その直後はカソード1cの残存酸素により発電が行われて、ある程度のセル電位が発生する。やがてカソード1cでの酸素の消費によりセル電位は低下してゆく。本発明では、このセル電位の変化の過程で、前記酸素供給制御を行うことでセル電位を目標電位域に維持している。前記セル電位の制御過程で燃料電池温度が基準値Tsよりも低下したときはS8にて制御を終了する。   When the supply of the cathode gas is stopped, the anode gas is present in the anode 1a at this time, and immediately after that, power is generated by the residual oxygen of the cathode 1c, and a certain cell potential is generated. Eventually, the cell potential decreases due to the consumption of oxygen at the cathode 1c. In the present invention, the cell potential is maintained in the target potential region by performing the oxygen supply control in the process of changing the cell potential. If the fuel cell temperature falls below the reference value Ts during the cell potential control process, the control is terminated in S8.

前記制御により、燃料電池1は発電停止からその温度が十分に低下するまでのあいだ、セル電位が適正な範囲内に維持されるので、発電停止後の高電位に原因するMEAの劣化を回避することができる。また、前記カソード1cに対する酸素の供給または停止は、図1の構成下では流量制御弁6,7によるカソードガスの供給制御により、外部電源等の付加的な機器を要することなく実現することができ、したがってシステムの複雑化や効率悪化を招くこともない。   By the above control, the cell potential of the fuel cell 1 is maintained within an appropriate range from when the power generation is stopped until the temperature is sufficiently lowered, so that the MEA is prevented from deteriorating due to the high potential after the power generation is stopped. be able to. In addition, the supply or stop of oxygen to the cathode 1c can be realized without requiring an additional device such as an external power source by controlling the supply of cathode gas by the flow rate control valves 6 and 7 under the configuration of FIG. Therefore, the system is not complicated and the efficiency is not deteriorated.

前記実施形態の構成において、酸素センサ8として酸素ポンプ機能を有するものをカソード1cまたはそれよりも上流側に設けるようにしてもよい。酸素センサ8を酸素ポンプとして作動させることで酸素供給または酸素供給停止を制御することができる(請求項5)。前記酸素ポンプ機能による酸素供給量は、酸素センサ8に供給する電流量に応じて精度よく制御できるので、セル電位についても高い制御精度を期待できる。   In the configuration of the above embodiment, the oxygen sensor 8 having an oxygen pump function may be provided on the cathode 1c or upstream of the cathode 1c. Oxygen supply or oxygen supply stop can be controlled by operating the oxygen sensor 8 as an oxygen pump. Since the amount of oxygen supplied by the oxygen pump function can be accurately controlled according to the amount of current supplied to the oxygen sensor 8, high control accuracy can be expected for the cell potential.

なお、この実施形態はカソードの酸素分圧がセル電位に影響する点に着目した本発明の特徴をよく表すものとして、酸素分圧に強く相関するカソード側の酸素濃度を検出してセル電位をフィードバック制御する構成を示したものである。本発明における制御手法としては、このように酸素濃度を検出するものに限られず、より具体的には後に他の実施形態として説明するが、例えば図1の電圧計9からの信号によりセル電位を直接的に検出してカソードへの酸素供給を制御する構成とすることも可能である。   In this embodiment, the characteristic of the present invention focusing on the fact that the oxygen partial pressure of the cathode affects the cell potential is well represented. By detecting the oxygen concentration on the cathode side, which strongly correlates with the oxygen partial pressure, the cell potential is determined. A configuration for feedback control is shown. The control method in the present invention is not limited to the method for detecting the oxygen concentration as described above, and more specifically, another embodiment will be described later. For example, the cell potential is determined by a signal from the voltmeter 9 in FIG. It is also possible to adopt a configuration in which oxygen supply to the cathode is controlled by direct detection.

図3は前記セル電位制御において酸素分圧検出処理(図2のS4)の前に付加的に実行するルーチンを示しており、ガス供給経路内の液水の影響により局所的な酸素供給不足を起こしている場合に、液水を除去してからセル電位の制御を行わせるためのものである(請求項6,7に対応)。まずS1にて酸素センサ8からの酸素分圧(酸素濃度)Poと電圧計8からのセル電位Vcをサンプリングし、次いでS2にて、例えば所定期間または制御周期前後での差分からそれぞれの変化率ΔPo,ΔVcを算出する。   FIG. 3 shows a routine that is additionally executed before the oxygen partial pressure detection process (S4 in FIG. 2) in the cell potential control. A local oxygen supply shortage is caused by the influence of liquid water in the gas supply path. In this case, the cell potential is controlled after removing the liquid water (corresponding to claims 6 and 7). First, in S1, the oxygen partial pressure (oxygen concentration) Po from the oxygen sensor 8 and the cell potential Vc from the voltmeter 8 are sampled, and then in S2, for example, the respective change rates from the difference between a predetermined period or before and after the control cycle. ΔPo and ΔVc are calculated.

S3では、前記変化率ΔPoとΔVcとの比から液水の影響を判定する。液水により酸素供給不足となっているときには発電停止後に急速にセル電位が低下し、その変化率ΔVcは正常時よりも負方向に大となるから、酸素分圧の変化率ΔPoとの比率(ΔVc/ΔPo)を正常時のそれと比較することにより、液水の影響の有無を判定することができる。セル電位の変化率ΔVcのみによってもある程度は液水の影響を判定可能であるが、セル電位の低下には酸素分圧も影響するところから、前述のように酸素分圧との比率に基づいて判定するほうがより高い判定精度が得られる。   In S3, the influence of liquid water is determined from the ratio between the change rates ΔPo and ΔVc. When the oxygen supply is insufficient due to liquid water, the cell potential decreases rapidly after power generation is stopped, and the rate of change ΔVc becomes larger in the negative direction than in the normal state. By comparing [Delta] Vc / [Delta] Po) with that at normal time, it is possible to determine the presence or absence of the influence of liquid water. Although the influence of liquid water can be determined to some extent only by the cell potential change rate ΔVc, since the oxygen partial pressure also affects the decrease in the cell potential, based on the ratio to the oxygen partial pressure as described above. Higher determination accuracy can be obtained by determination.

前記ΔVc/ΔPoが正常範囲であるときには、液水の影響はないものとして、そのまま図2のS4以降のセル電位制御に移行させる。これに対して、ΔVc/ΔPoが大であるとき、すなわちセル電位Vcの低下率が正常時よりも大であるときには、S4にてアノード側の液水除去処理を行う。液水除去は種々の手法で可能であるが、一例として、図1に示した燃料電池システムの構成下では、加湿調整装置(調整器13)における加湿の停止または水分除去を行わせ、または制御弁5を開いてアノードガス供給量を増やすことで液水をアノード1aから外部へと排出させる。このような液水除去処理をΔVc/ΔPoが正常範囲となるまで、すなわちセル電位の低下率が小さくなるまで行い、その後に図2に示したセル電位制御を行わせる。これにより、液水の影響を排除してより的確にセル電位を制御することが可能となる。   When ΔVc / ΔPo is in the normal range, it is assumed that there is no influence of liquid water, and the process proceeds to cell potential control after S4 in FIG. On the other hand, when ΔVc / ΔPo is large, that is, when the decrease rate of the cell potential Vc is larger than that in the normal state, the liquid water removal process on the anode side is performed in S4. The liquid water can be removed by various methods. As an example, under the configuration of the fuel cell system shown in FIG. 1, the humidification adjustment device (adjuster 13) stops the humidification or removes the water, or controls it. By opening the valve 5 and increasing the anode gas supply amount, liquid water is discharged from the anode 1a to the outside. Such liquid water removal processing is performed until ΔVc / ΔPo falls within the normal range, that is, until the cell potential decrease rate decreases, and then the cell potential control shown in FIG. 2 is performed. As a result, the cell potential can be controlled more accurately by eliminating the influence of liquid water.

図4は本発明によるセル電位制御の第2の実施形態である。これはセル電位が目標電位よりも低下したときにカソードに供給する酸素量を酸素濃度の変化率に基づいて算出することによりセル電位の制御精度を向上させたものである(請求項2に対応)。以下、図2との相違点を主に説明する。   FIG. 4 shows a second embodiment of cell potential control according to the present invention. This improves the control accuracy of the cell potential by calculating the amount of oxygen supplied to the cathode based on the rate of change of the oxygen concentration when the cell potential drops below the target potential (corresponding to claim 2). ). Hereinafter, differences from FIG. 2 will be mainly described.

図において、燃料電池の停止処理から温度判定に関わる処理(S1〜S3、S8)については図2と同様である。この制御では、前記温度判定の結果としてセル電位制御を開始するにあたり、まずS4にて、図3のS1〜S2と同様にして、酸素濃度とセル電位を検出してそれぞれの変化率ΔPo、ΔVcを求める。次いでS5にて前記変化率ΔPo、ΔVcがともにゼロ未満、すなわち酸素濃度、セル電位がともに低下傾向にあるか否かを判定する。何れかがゼロ以上すなわち低下傾向でない場合にはS2に戻る。   In the figure, the processes (S1 to S3, S8) related to the temperature determination from the fuel cell stop process are the same as those in FIG. In this control, when starting the cell potential control as a result of the temperature determination, first, in S4, the oxygen concentration and the cell potential are detected in the same manner as S1 to S2 in FIG. 3, and the respective change rates ΔPo, ΔVc are detected. Ask for. Next, in S5, it is determined whether or not the change rates ΔPo and ΔVc are both less than zero, that is, whether both the oxygen concentration and the cell potential tend to decrease. If any of them is greater than or equal to zero, that is, not decreasing, the process returns to S2.

酸素濃度とセル電位の変化率ΔPo、ΔVcが何れも低下傾向である場合には、次いでS6にて酸素濃度Poによるセル電位判定を行う。ここでは目標電位を0.8Vとして、Po>0.8V相当のときにはS7にて酸素供給を停止状態としてS2に戻る。Po=0.8V相当であるときは何もせずにS2に戻る。これに対して、Po<0.8v相当であるときには、そのときの酸素濃度の変化率ΔPoに基づいてカソード1cにおける酸素消費量Qoを算出する。この算出は、予め実験的に酸素消費量Qoと酸素濃度低下率ΔPoとの関係をテーブル化しておき、これを参照することで求めるようにする。次にS10にて、このようにして求めた酸素消費量Qoに相当する量の酸素をカソード1cに供給する。供給酸素量の制御は、流量制御弁6,7によるカソードガスの流量制御によって、または前述した酸素ポンプ機能を有する酸素センサを制御して行うようにする。   If the oxygen concentration and cell potential change rates ΔPo and ΔVc are both decreasing, then the cell potential is determined based on the oxygen concentration Po in S6. Here, the target potential is set to 0.8 V, and when Po> 0.8 V, the oxygen supply is stopped in S7 and the process returns to S2. If Po = 0.8V, do nothing and return to S2. On the other hand, when Po <0.8v, the oxygen consumption amount Qo at the cathode 1c is calculated based on the oxygen concentration change rate ΔPo at that time. This calculation is obtained by making a table of the relationship between the oxygen consumption amount Qo and the oxygen concentration reduction rate ΔPo in advance and referring to this table. Next, in S10, an amount of oxygen corresponding to the oxygen consumption amount Qo thus obtained is supplied to the cathode 1c. The supply oxygen amount is controlled by controlling the flow rate of the cathode gas by the flow rate control valves 6 and 7 or by controlling the oxygen sensor having the oxygen pump function described above.

図5と図6に、それぞれ本発明の第3の実施形態に係る燃料電池システムとそのセル電位制御のフローチャートを示す(請求項8,9に対応)。図5において、図1と異なる部分について説明すると、この燃料電池システムではカソードガス経路4の途中に加湿装置と水分除去装置とを設けてある。   FIGS. 5 and 6 respectively show a fuel cell system according to a third embodiment of the present invention and a flowchart of its cell potential control (corresponding to claims 8 and 9). In FIG. 5, a different part from FIG. 1 will be described. In this fuel cell system, a humidifier and a water removing device are provided in the middle of the cathode gas path 4.

前記加湿装置は、カソードガス経路4の流量制御弁6よりも下流の部分からバイパス状に分岐した加湿経路20と、その途中に介装した加湿容器21とを主要な構成要素とする。カソードガス経路4のカソードガスを、内部に水を貯溜した加湿容器21に通すことで、カソードガスを加湿することができる。Va,Vb,Vcは加湿容器21を選択的にカソードガス経路4に接続するためのものであり、加湿を行わないときは、バルブVaを開き、Vb、Vcを閉ざすことでカソードガスを加湿容器21を通過させることなくアノード1aに供給する。加湿をするときは、バルブVaを閉ざし、Vb,Vcを開くことで、カソードガスを加湿容器21に通過させてからアノード1aに供給する。前記バルブVa〜Vcの開閉はコントロールユニット11により制御される。   The humidifier includes a humidifying passage 20 branched in a bypass shape from a portion downstream of the flow rate control valve 6 in the cathode gas passage 4 and a humidifying container 21 interposed in the middle thereof as main components. The cathode gas can be humidified by passing the cathode gas in the cathode gas passage 4 through a humidification container 21 in which water is stored. Va, Vb, and Vc are for selectively connecting the humidification container 21 to the cathode gas path 4, and when humidification is not performed, the valve Va is opened and the cathode gas is humidified by closing Vb and Vc. 21 is supplied to the anode 1a without passing through. When humidifying, the valve Va is closed and Vb and Vc are opened, so that the cathode gas passes through the humidifying vessel 21 and then supplied to the anode 1a. Opening and closing of the valves Va to Vc is controlled by the control unit 11.

前記加湿容器21に貯溜した水の量を調節する水量調節手段として、加湿容器21の上部に接続した加湿水供給経路19の途中に、加湿水供給弁25、圧力緩衝容器22、流量計23を設けている。また加湿容器21には内部の水量を計測するための液面計24と、水を外部に排出するための加湿水排水弁26を設けている。前記加湿水供給弁25を開くと、図示しない水供給源からの加圧された水が加湿水供給経路19から圧力緩衝容器22を介して加湿容器21に注入される。この加湿容器21の水の注入量または排出量は、基本的には流量計23または液面計24からの信号に基づいて所定の水量ないし液面位置となるように、コントロールユニット11が供給弁25または排出弁26を開閉して制御する。   As a water amount adjusting means for adjusting the amount of water stored in the humidifying container 21, a humidifying water supply valve 25, a pressure buffer container 22, and a flow meter 23 are provided in the middle of the humidifying water supply path 19 connected to the upper portion of the humidifying container 21. Provided. The humidifying container 21 is provided with a liquid level gauge 24 for measuring the amount of water inside and a humidified water drain valve 26 for discharging water to the outside. When the humidified water supply valve 25 is opened, pressurized water from a water supply source (not shown) is injected from the humidified water supply path 19 into the humidified container 21 via the pressure buffer container 22. The control unit 11 supplies the supply valve so that the amount of water injected or discharged from the humidifying container 21 is basically a predetermined water amount or liquid level position based on a signal from the flow meter 23 or the liquid level meter 24. 25 or the discharge valve 26 is opened and closed for control.

一方、前記水除去装置は、カソードガス経路4の前記加湿装置よりも下流の部分からバイパス状に分岐した水分離経路28と、その途中に介装した水分離装置29とを主要な構成要素とする。カソードガス経路4のカソードガスを水分離装置29に通すことで、カソードガス中の水分を除去することができる。Vd,Ve,Vfは水分離装置29を選択的にカソードガス経路4に接続するためのものであり、水除去を行わないときは、バルブVdを開き、Ve、Vfを閉ざすことでカソードガスを水分離装置29を通過させることなくアノード1aに供給する。水除去をするときは、バルブVcを閉ざし、Ve,Vfを開くことで、カソードガスを水分離装置29に通過させてからアノード1aに供給する。前記バルブVd〜Vfの開閉はコントロールユニット11により制御される。水分離装置29には、分離した水分量が貯溜限界に達したことを検出する液面センサ31と、この限界水位を検出したときに開放して内部の水を排出するための水排出弁30とを備える。この水の排出制御もコントローラ11によって行われる。   On the other hand, the water removal device includes a water separation path 28 branched in a bypass shape from a portion of the cathode gas path 4 downstream of the humidification device, and a water separation device 29 interposed in the middle thereof as main components. To do. By passing the cathode gas in the cathode gas path 4 through the water separator 29, moisture in the cathode gas can be removed. Vd, Ve, and Vf are for selectively connecting the water separation device 29 to the cathode gas path 4. When water removal is not performed, the valve Vd is opened and the cathode gas is closed by closing Ve and Vf. The water separation device 29 is supplied to the anode 1a without passing through. When removing water, the valve Vc is closed and Ve and Vf are opened, so that the cathode gas passes through the water separator 29 and is then supplied to the anode 1a. Opening and closing of the valves Vd to Vf is controlled by the control unit 11. The water separation device 29 includes a liquid level sensor 31 that detects that the amount of separated water has reached the storage limit, and a water discharge valve 30 that opens when the limit water level is detected and discharges internal water. With. This water discharge control is also performed by the controller 11.

図6は前記構成下でのセル電位制御に係るフローチャートを示している。この制御は、温度計10により検出した燃料電池温度が所定値以上であるあいだ、電圧計9によりセル電位を監視しながら前記加湿容器21の水量を増減することで、カソードガス経路4内の酸素含有ガスを移動させてカソード1c内の酸素量を制御するのであり、この制御はコントローラ11により周期的に実行される。   FIG. 6 shows a flowchart relating to cell potential control under the above-described configuration. In this control, while the fuel cell temperature detected by the thermometer 10 is equal to or higher than a predetermined value, the amount of water in the humidifying vessel 21 is increased or decreased while the cell potential is monitored by the voltmeter 9, so that the oxygen in the cathode gas path 4 is increased. The contained gas is moved to control the amount of oxygen in the cathode 1 c, and this control is periodically executed by the controller 11.

図6において、燃料電池の停止処理から温度判定に関わる処理(S1〜S3、S12)については図2と同様である。この制御では、前記温度判定の結果としてセル電位制御を開始するにあたり、まずS4にてセル電位Vcを検出し、次いでS5にて前記セル電位Vcが目標電位を満たしているか否かを判定する。目標電位は、下限値を0.6V、上限値を0.8Vとして帯域的に設定してある。S5の比較処理において、Vc>0.8Vであった場合には、S6でのセル電位を低下させる処理を実行したのちS10に移行する。S5の比較処理において、Vc<0.6Vであった場合には、S7〜S9のセル電位を上昇させるための処理を実行したのちS10に移行する。S5の比較処理において、0.6V≦Vc≦0.8Vであった場合には、セル電位が目標電位域内であるので、そのまま何もせずにS10に移行する。   In FIG. 6, the processes (S1 to S3, S12) related to the temperature determination from the stop process of the fuel cell are the same as those in FIG. In this control, when the cell potential control is started as a result of the temperature determination, the cell potential Vc is first detected in S4, and then it is determined in S5 whether or not the cell potential Vc satisfies the target potential. The target potential is set in a band with a lower limit value of 0.6V and an upper limit value of 0.8V. If Vc> 0.8 V in the comparison process of S5, the process proceeds to S10 after executing the process of reducing the cell potential in S6. If Vc <0.6 V in the comparison process of S5, the process proceeds to S10 after executing the process of increasing the cell potential of S7 to S9. In the comparison process of S5, if 0.6V ≦ Vc ≦ 0.8V, the cell potential is within the target potential range, so the process proceeds to S10 without doing anything.

セル電位Vcを低下させるためのS6での処理としては、図5においてカソードガス経路4の流量制御弁6と7、加湿水供給経路の加湿水供給弁25を何れも閉ざした状態で水排出弁26を開き、加湿容器21内の水を外部に排出させる。これにより加湿容器21内の水位が低下し、容器21内の空間容積が増大するのに伴ってカソード1c内のガスが容器21側へと吸引されてカソード1cでの酸素分圧が減少することから、セル電位Vcは低下する。これによりセル電位Vcが0.8V以下となったときには排出弁26を閉ざして加湿容器21からの水の排出を停止する。なお、前記制御の過程で水分離装置29をカソード経路4に接続しておいてもよいが、前記加湿容器21内の容積変化をカソード1c内の酸素分圧変化に応答よく反映させるためには水分離装置29を接続しない状態、すなわちバルブVdを開き、バルブVe,Vfを閉ざした状態としておくことが望ましい。   As a process in S6 for lowering the cell potential Vc, the water discharge valve with the flow rate control valves 6 and 7 in the cathode gas path 4 and the humidified water supply valve 25 in the humidified water supply path in FIG. 26 is opened and the water in the humidification container 21 is discharged outside. As a result, the water level in the humidifying container 21 decreases, and the gas in the cathode 1c is sucked toward the container 21 as the spatial volume in the container 21 increases, so that the oxygen partial pressure at the cathode 1c decreases. Therefore, the cell potential Vc decreases. Thereby, when the cell potential Vc becomes 0.8 V or less, the discharge valve 26 is closed to stop the discharge of water from the humidification container 21. The water separation device 29 may be connected to the cathode path 4 in the process of control, but in order to reflect the change in volume in the humidification vessel 21 to the change in oxygen partial pressure in the cathode 1c with good response. It is desirable that the water separation device 29 is not connected, that is, the valve Vd is opened and the valves Ve and Vf are closed.

これに対して、セル電位Vcを上昇させるための処理としては、まずS7にて、カソードガス経路4の流量制御弁6を閉、流量制御弁7を開、加湿水排出弁26を閉とした状態で加湿水供給弁25を開き、加湿容器21内に水を導入する。この操作により加湿容器21内の水位が上昇すると、加湿容器21内の空間部およびその下流のカソードガス経路4内に溜まっていたカソードガスがカソード1cに流れ込み、これによりセル電位Vcが上昇する。この水供給制御の際、加湿容器21内には加湿水供給弁25の開閉に伴う圧力変動が生じるが、この実施形態では圧力緩衝容器4を加湿容器21の最高水位よりも高位置に設けて、この水位差による圧力を利用することにより前記の圧力変動を低減し、供給流量の安定性を高めるようにしている。   On the other hand, as a process for increasing the cell potential Vc, first, in S7, the flow rate control valve 6 of the cathode gas path 4 is closed, the flow rate control valve 7 is opened, and the humidified water discharge valve 26 is closed. In the state, the humidified water supply valve 25 is opened, and water is introduced into the humidified container 21. When the water level in the humidifying container 21 rises by this operation, the cathode gas accumulated in the space in the humidifying container 21 and the cathode gas path 4 downstream thereof flows into the cathode 1c, thereby raising the cell potential Vc. At the time of this water supply control, the pressure fluctuation accompanying the opening and closing of the humidification water supply valve 25 occurs in the humidification container 21. In this embodiment, the pressure buffer container 4 is provided at a position higher than the highest water level of the humidification container 21. By utilizing the pressure due to the difference in water level, the pressure fluctuation is reduced and the stability of the supply flow rate is improved.

また、前記の水供給制御の間、水分離装置29は切り離しておいてもよいが、接続状態すなわちバルブVdを閉じ、バルブVe,Vfを開いた状態としておくことにより、加湿容器21からカソード1cへと供給するカソードガス中の水分を除去することがより望ましい。これは、停止時に燃料電池内に加湿されたカソードガスが入ると、カソード触媒中の白金等反応性の高い金属とカソードガスに含まれる水とが反応して金属が酸化され、触媒活性が低下する現象が発生するおそれがあるからである。前記水分分離処理の過程で水分離装置29内の水量が上限値に達した場合は、S10にてこれを検知し、S11にて排出弁26を一定時間開いて装置内部の水を外部に排出したのちS2に戻る。   Further, during the water supply control, the water separation device 29 may be disconnected. However, when the valve Vd is closed and the valves Ve and Vf are opened, the cathode 1c is removed from the humidifying vessel 21. It is more desirable to remove moisture in the cathode gas supplied to the battery. This is because when a humidified cathode gas enters the fuel cell at the time of stoppage, a highly reactive metal such as platinum in the cathode catalyst reacts with water contained in the cathode gas to oxidize the metal and lower the catalytic activity. This is because there is a possibility that the phenomenon will occur. If the amount of water in the water separation device 29 reaches the upper limit value during the water separation process, this is detected in S10, and the discharge valve 26 is opened for a certain time in S11 to discharge the water inside the device to the outside. After that, the process returns to S2.

S7の処理にてセル電位Vcが0.6V以上となったときには加湿水供給弁25を閉ざした加湿容器21への水の供給を停止したのちS2に戻る。ただし、S8では加湿容器21内の水位を液面計24にて測定し、前記加湿容器21への水供給の過程で水位が上限値に達したときには、こんどは加湿水供給弁25を閉じ、排出弁26を開いて、加湿容器21から水を排出させる。これにより、カソードガス経路4内のガスは加湿容器21内へと吸い戻され、これに伴い外部の空気が流量制御弁7を通ってカソード1cへと逆流することから、カソード1c内の酸素分圧を高く維持してセル電位を上昇させることが可能となる。   When the cell potential Vc becomes 0.6 V or more in the process of S7, the supply of water to the humidification container 21 with the humidification water supply valve 25 closed is stopped, and then the process returns to S2. However, in S8, the water level in the humidifying container 21 is measured by the liquid level gauge 24, and when the water level reaches the upper limit in the process of supplying water to the humidifying container 21, the humidifying water supply valve 25 is closed. The discharge valve 26 is opened, and water is discharged from the humidification container 21. As a result, the gas in the cathode gas path 4 is sucked back into the humidification container 21, and the external air flows back to the cathode 1c through the flow rate control valve 7 accordingly, so that the oxygen content in the cathode 1c is reduced. The cell potential can be increased while maintaining the pressure high.

前記制御の繰り返しにより、燃料電池温度が所定の基準値Ts未満に低下するまでのあいだ、セル電位Vcを目標電位に維持して、燃料電池の劣化を防止することができる。この制御は前記のとおり基本的には燃料電池システムに装備される加湿装置を操作することで実現できるので、付加的に複雑な機器を設ける必要がなく、エネルギ消費も少ない。   By repeating the above control, the cell potential Vc can be maintained at the target potential until the fuel cell temperature falls below a predetermined reference value Ts, and deterioration of the fuel cell can be prevented. As described above, this control can be realized basically by operating the humidifier installed in the fuel cell system, so that it is not necessary to provide additional complicated equipment and the energy consumption is small.

本発明が適用可能な燃料電池システムの概略構成図。1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system to which the present invention is applicable. 本発明に係る制御の第1の実施形態を表すフローチャート。The flowchart showing 1st Embodiment of the control which concerns on this invention. 図2の処理にて付加的に実行する制御を表すフローチャート。The flowchart showing the control additionally performed in the process of FIG. 本発明に係る制御の第2の実施形態を表すフローチャート。The flowchart showing 2nd Embodiment of the control which concerns on this invention. 本発明が適用可能な他の燃料電池システムの概略構成図。The schematic block diagram of the other fuel cell system which can apply this invention. 本発明に係る制御の第3の実施形態を表すフローチャート。The flowchart showing 3rd Embodiment of the control which concerns on this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 燃料電池(本体)
1a アノード
1c カソード
2 負荷装置
3 アノードガス経路
4 カソードガス経路
5,6,7 流量制御弁
8 酸素センサ(酸素分圧検出手段)
9 電圧計
10 温度センサ
11 コントロールユニット(制御手段)
20 加湿経路
21 加湿容器
24 液面計
25 加湿水供給弁
26 加湿水排出弁
28 水分離経路
29 水分離装置
30 排出弁
31 液面センサ
1 Fuel cell (main unit)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1a Anode 1c Cathode 2 Load apparatus 3 Anode gas path 4 Cathode gas path 5, 6, 7 Flow control valve 8 Oxygen sensor (oxygen partial pressure detection means)
9 Voltmeter 10 Temperature sensor 11 Control unit (control means)
20 Humidification path 21 Humidification container 24 Level gauge 25 Humidification water supply valve 26 Humidification water discharge valve 28 Water separation path 29 Water separation device 30 Drain valve 31 Liquid level sensor

Claims (11)

固体高分子型燃料電池において、
燃料電池のカソードの酸素分圧を検出する酸素分圧検出手段と、
負荷を切り離した発電停止状態、かつアノードに燃料ガスを存在させた状態下にて、セル電位が目標電位となるように前記酸素分圧を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。
In polymer electrolyte fuel cells,
Oxygen partial pressure detecting means for detecting the oxygen partial pressure of the cathode of the fuel cell;
And a control means for controlling the oxygen partial pressure so that the cell potential becomes a target potential in a power generation stop state with the load disconnected and in a state where fuel gas is present in the anode. Battery system.
請求項1において、
前記制御手段を、酸素分圧の低下率を演算し、セル電位が前記目標電位未満である場合には、前記低下率からもとめた酸素消費量に相当する酸素量をカソードに供給するように構成した燃料電池システム。
In claim 1,
The control means is configured to calculate a rate of decrease in oxygen partial pressure and to supply, to the cathode, an oxygen amount corresponding to an oxygen consumption determined from the rate of decrease when the cell potential is less than the target potential. Fuel cell system.
請求項1または請求項2において、
前記酸素分圧検出手段は、酸素分圧の相関量としてカソードガス経路の酸素濃度を検出する燃料電池システム。
In claim 1 or claim 2,
The oxygen partial pressure detecting means is a fuel cell system that detects the oxygen concentration in the cathode gas path as a correlation amount of the oxygen partial pressure.
請求項1または請求項2において、
前記酸素分圧検出手段は、酸素分圧の相関量として燃料電池のセル電位を検出する燃料電池システム。
In claim 1 or claim 2,
The oxygen partial pressure detecting means is a fuel cell system that detects a cell potential of the fuel cell as a correlation amount of oxygen partial pressure.
請求項1または請求項2において、
前記酸素分圧検出手段として酸素ポンプ機能を有する酸素センサを備えると共に、
前記制御手段を、カソードへの酸素供給時に、前記酸素センサを酸素ポンプとして動作させるようにした燃料電池システム。
In claim 1 or claim 2,
The oxygen partial pressure detecting means includes an oxygen sensor having an oxygen pump function,
A fuel cell system in which the control means operates the oxygen sensor as an oxygen pump when supplying oxygen to the cathode.
請求項1において、
前記制御手段を、酸素分圧の低下率を演算し、該低下率があらかじめ定めた基準値よりも大きいときには、アノードの液水除去処理を行うように構成した燃料電池システム。
In claim 1,
A fuel cell system configured to calculate a rate of decrease in oxygen partial pressure, and to perform a liquid water removal process for the anode when the rate of decrease is greater than a predetermined reference value.
請求項6において、
前記液水除去処理として、アノードガスの供給量を増大させる制御および/またはアノードガスの水分量を低下させる制御を行う燃料電池システム。
In claim 6,
A fuel cell system that performs control to increase the supply amount of the anode gas and / or control to decrease the water content of the anode gas as the liquid water removal process.
請求項1において、
燃料電池よりも上流側のカソードガス経路の途中に、該ガス経路に選択的に接続し途中に加湿容器を介装した加湿経路を設けると共に、前記加湿容器に水を供給または排出する水量調節手段を設け、
前記制御手段を、
負荷を切り離した発電停止状態下にて、前記加湿経路よりも上流からのカソードガスの供給を遮断すると共に前記加湿経路をカソードガス経路に接続し、
セル電位が目標電位よりも低下したときには前記水量制御手段により加湿容器内の水位を変化させてカソードガス経路内外の酸素を含有するガスをカソードに流通させ、セル電位が目標電位よりも上昇したときには外部からのガスの流入を遮断した状態で前記水量制御手段により加湿容器内の水位を低下させてカソード内のガスを加湿容器側に抜き取るように構成した燃料電池システム。
In claim 1,
A water amount adjusting means for providing a humidification path selectively connected to the gas path and interposing a humidification container in the middle of the cathode gas path upstream of the fuel cell, and supplying or discharging water to the humidification container Provided,
The control means;
Under the power generation stop state where the load is disconnected, the supply of the cathode gas from the upstream side of the humidification path is cut off and the humidification path is connected to the cathode gas path,
When the cell potential is lower than the target potential, the water amount control means changes the water level in the humidifying vessel to circulate oxygen-containing gas inside and outside the cathode gas path to the cathode, and when the cell potential rises above the target potential A fuel cell system configured to lower the water level in the humidifying container by the water amount control means in a state where the inflow of gas from the outside is blocked, and to extract the gas in the cathode to the humidifying container side.
請求項8において、
前記加湿容器とカソードとの間のカソードガス経路の途中に、該カソードガス経路に選択的に接続する水除去装置を介装した燃料電池システム。
In claim 8,
A fuel cell system comprising a water removal device selectively connected to the cathode gas path in the middle of the cathode gas path between the humidification container and the cathode.
固体高分子型燃料電池において、
負荷を切り離した発電停止状態、かつアノードに燃料ガスを存在させた状態下にて、
標準水素電極に対するカソード電位が目標電位となるように、カソードの酸素分圧を制御することを特徴とする燃料電池システム。
In polymer electrolyte fuel cells,
Under the condition that power generation is stopped with the load disconnected and fuel gas is present in the anode,
A fuel cell system, wherein an oxygen partial pressure of a cathode is controlled so that a cathode potential with respect to a standard hydrogen electrode becomes a target potential.
請求項1または請求項11において、
前記目標電位は、0.6〜0.8Vの範囲内に設定されている燃料電池システム。
In claim 1 or claim 11,
The fuel cell system, wherein the target potential is set within a range of 0.6 to 0.8V.
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