JP2007172962A - Fuel cell system - Google Patents

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Kazunori Shibata
和則 柴田
Tomohiro Ogawa
朋宏 小川
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system in which hydrogen contained in an anode off gas can be treated surely. <P>SOLUTION: This fuel cell system includes a fuel cell 12 which comprises a proton conductive electrolyte film and in which power generation is carried out while an anode gas containing hydrogen is supplied to an anode and a cathode gas containing oxygen is supplied to a cathode, with an anode purge valve 24 in which discharge of the anode off-gas from the fuel cell 12 is stopped at a normal operation, and a pump 20 in which cathode stoichiometric ratio is increased at a prescribed condition. Since a concentration gradient of moisture is formed between the anode and the cathode through increasing the cathode stoichiometric ratio, it becomes possible that the moisture accumulated in the anode is suctioned up to the cathode and discharged, and the power generation efficiency of the fuel cell can be improved. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

この発明は、燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system.

従来、例えば特開２００２−９３４３８号公報には、燃料電池の水素循環系システムにおいて、燃料電池内部で生成された水分を排出するためのパージ手段を備えたシステムが開示されている。   Conventionally, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-93438 discloses a system including a purge unit for discharging moisture generated inside a fuel cell in a hydrogen circulation system of a fuel cell.

特開２００２−９３４３８号公報JP 2002-93438 A 特開２００４−３０３７１７号公報JP 2004-303717 A 特開２００４−６３０９５号公報JP 2004-63095 A

しかしながら、燃料電池からのアノードオフガスの排出を停止するシステム（アノードデッドエンドシステム）では、水素循環系システムに比べてアノードに水分が溜まり易くなる。このため、パージ手段を作動させても十分に水分を排出できないという問題が生じ、燃料電池の反応効率が低下するという問題が生じる。また、アノードガス流路を多孔体で構成した場合、アノードから水分が排出され難くなるため、やはり燃料電池の反応効率が低下するという問題が発生する。   However, in a system (anode dead-end system) that stops the discharge of the anode off-gas from the fuel cell, moisture tends to accumulate in the anode as compared with the hydrogen circulation system. For this reason, there arises a problem that moisture cannot be sufficiently discharged even if the purge means is operated, and a problem that the reaction efficiency of the fuel cell is lowered occurs. Further, when the anode gas flow path is composed of a porous body, it is difficult for water to be discharged from the anode, so that there is a problem that the reaction efficiency of the fuel cell is lowered.

この発明は、上述のような問題を解決するためになされたものであり、アノードオフガスに含まれる水素を確実に処理することのできる燃料電池システムを提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of reliably processing hydrogen contained in an anode off gas.

第１の発明は、上記の目的を達成するため、プロトン導電性の電解質膜を備え、アノードに水素を含むアノードガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含むカソードガスの供給を受けて、アノード側を閉塞した状態で発電を行う燃料電池と、所定条件でカソードストイキ比を増加させるカソードストイキ比制御手段と、を備えたことを特徴とする。   In order to achieve the above object, a first invention is provided with a proton conductive electrolyte membrane, supplied with an anode gas containing hydrogen at the anode, and supplied with a cathode gas containing oxygen at the cathode. And a fuel cell that generates power with the side closed, and a cathode stoichiometric ratio control unit that increases the cathode stoichiometric ratio under a predetermined condition.

第２の発明は、第１の発明において、前記燃料電池からアノードオフガスを排出するアノードオフガス排出手段を更に備えたことを特徴とする。   According to a second invention, in the first invention, anode offgas discharging means for discharging anode offgas from the fuel cell is further provided.

第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記燃料電池の電圧を取得する電圧取得手段を備え、前記カソードストイキ比制御手段は、前記燃料電池の電圧が所定値以下となった場合に前記カソードストイキ比を増加することを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, a voltage acquisition unit that acquires the voltage of the fuel cell is provided, and the cathode stoichiometric ratio control unit is configured such that the voltage of the fuel cell becomes a predetermined value or less. The cathode stoichiometric ratio is increased.

第４の発明は、第２の発明において、前記燃料電池の電圧を取得する電圧取得手段を備え、前記アノードオフガス排出手段は、前記燃料電池の電圧が所定値以下となった場合に前記燃料電池内からアノードオフガスをパージすることを特徴とする。   According to a fourth invention, in the second invention, there is provided a voltage acquisition means for acquiring the voltage of the fuel cell, and the anode off-gas discharge means is configured to detect the fuel cell when the voltage of the fuel cell falls below a predetermined value. The anode off gas is purged from the inside.

第５の発明は、第４の発明において、前記カソードストイキ比制御手段は、前記パージを行っても前記燃料電池の電圧が十分に回復しない場合にのみ前記カソードストイキ比を増加することを特徴とする。   A fifth invention is characterized in that, in the fourth invention, the cathode stoichiometric ratio control means increases the cathode stoichiometric ratio only when the voltage of the fuel cell does not sufficiently recover even if the purge is performed. To do.

第６の発明は、第４の発明において、前記カソードストイキ比制御手段は、前記パージを行った後、前記燃料電池の電圧が再び前記所定値以下となるまでの時間が所定時間以下となった場合にのみ前記カソードストイキ比を増加することを特徴とする。   In a sixth aspect based on the fourth aspect, after the purge, the cathode stoichiometric ratio control means has a time until the voltage of the fuel cell again falls below the predetermined value below a predetermined time. Only in some cases, the cathode stoichiometric ratio is increased.

第７の発明は、第４〜第６の発明のいずれかにおいて、前記カソードストイキ比制御手段は、前記パージが行われるタイミングで前記カソードストイキ比を増加させることを特徴とする。   According to a seventh invention, in any one of the fourth to sixth inventions, the cathode stoichiometric ratio control means increases the cathode stoichiometric ratio at a timing when the purge is performed.

第８の発明は、第１又は第２の発明において、前記カソードストイキ比制御手段は、予め定められた所定のタイミングで前記カソードストイキ比を増加することを特徴とする。   In an eighth aspect based on the first or second aspect, the cathode stoichiometric ratio control means increases the cathode stoichiometric ratio at a predetermined timing.

第９の発明は、第１〜第８の発明のいずれかにおいて、前記燃料電池の前記アノードガスの流路が多孔体から構成されたことを特徴とする。   According to a ninth invention, in any one of the first to eighth inventions, the anode gas flow path of the fuel cell is formed of a porous body.

第１の発明によれば、カソードストイキ比を増加させることでアノードとカソードの間に水分の濃度勾配が生じるため、アノードに滞留している水分をカソードに吸い上げて排出することが可能となる。従って、燃料電池の発電効率を向上することが可能となる。   According to the first aspect of the invention, since the concentration gradient of water is generated between the anode and the cathode by increasing the cathode stoichiometric ratio, it is possible to suck up and discharge the water staying at the anode to the cathode. Therefore, the power generation efficiency of the fuel cell can be improved.

第２の発明によれば、アノードオフガスを排出する手段を備えた燃料電池において、アノードに滞留している水分をカソードに吸い上げて排出することが可能となる。従って、アノードオフガスを排出する手段を備えた燃料電池の発電効率を向上することが可能となる。   According to the second invention, in the fuel cell including the means for discharging the anode off-gas, it is possible to suck up and discharge the water remaining in the anode to the cathode. Therefore, it is possible to improve the power generation efficiency of the fuel cell provided with means for discharging the anode off gas.

第３の発明によれば、燃料電池の電圧が所定値以下となった場合にカソードストイキ比を増加するため、燃料電池の電圧低下を確実に抑止することができる。   According to the third aspect of the invention, the cathode stoichiometric ratio is increased when the voltage of the fuel cell becomes equal to or lower than a predetermined value, so that the voltage drop of the fuel cell can be reliably suppressed.

第４の発明によれば、アノードオフガスをパージすることでアノードから水分、窒素などの不純物を排出することができる。   According to the fourth invention, it is possible to discharge impurities such as moisture and nitrogen from the anode by purging the anode off gas.

第５の発明によれば、アノードオフガスのパージを行っても燃料電池の電圧が十分に回復しない場合にのみカソードストイキ比を増加するため、カソードストイキ比を増加するための補機駆動エネルギー消費を抑えることが可能となる。   According to the fifth aspect of the present invention, the cathode stoichiometric ratio is increased only when the anode off-gas purge is performed and the fuel cell voltage is not sufficiently recovered. Therefore, the auxiliary drive energy consumption for increasing the cathode stoichiometric ratio is reduced. It becomes possible to suppress.

第６の発明によれば、アノードオフガスのパージを行った後、燃料電池の電圧が再び所定値以下となるまでの時間が所定時間以下となった場合にのみカソードストイキ比を増加するため、カソードストイキ比を増加するための補機駆動エネルギー消費を抑えることが可能となる。   According to the sixth aspect of the present invention, the cathode stoichiometric ratio is increased only when the time until the voltage of the fuel cell again becomes equal to or lower than the predetermined value after purging of the anode off gas is equal to or shorter than the predetermined time. It becomes possible to suppress the auxiliary machine drive energy consumption for increasing the stoichiometric ratio.

第７の発明によれば、アノードオフガスのパージが行われるタイミングでカソードストイキ比を増加させるため、パージとカソードストイキ比の増加との相乗効果でアノードから確実に水分を排出することができる。   According to the seventh aspect of the invention, the cathode stoichiometric ratio is increased at the timing when the anode off gas is purged, so that moisture can be reliably discharged from the anode by the synergistic effect of the purge and the increase in the cathode stoichiometric ratio.

第８の発明によれば、予め定められた所定のタイミングでカソードストイキ比を増加するため、アノードに溜まった水分を定期的に吸い上げることができ、アノードにおける水溜まりを回避することができる。   According to the eighth aspect of the invention, the cathode stoichiometric ratio is increased at a predetermined timing that is determined in advance, so that the water accumulated in the anode can be sucked up regularly, and the accumulation of water in the anode can be avoided.

第９の発明によれば、アノードガスの流路が多孔体から構成されている場合はアノードに水が保持され易くなるが、カソードストイキ比を増加することで、流路が多孔体から構成される場合であってもアノードの水分を排出することが可能となる。   According to the ninth aspect of the invention, when the anode gas flow path is formed of a porous body, water is easily retained in the anode, but by increasing the cathode stoichiometric ratio, the flow path is formed of a porous body. Even in such a case, it becomes possible to discharge the moisture of the anode.

以下、図面に基づいてこの発明の一実施形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。   An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the element which is common in each figure, and the overlapping description is abbreviate | omitted. The present invention is not limited to the following embodiments.

図１は、本発明の一実施形態にかかる燃料電池１２とその周辺の構成を示す模式図である。燃料電池１２は、例えば固体高分子型分離膜を備えた燃料電池（ＰＥＭＦＣ）であり、複数の単位セルを積層して構成されている。各単位セルは、電解質膜、アノード電極、カソード電極、およびセパレータを有して構成されている。   FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell 12 and its surroundings according to an embodiment of the present invention. The fuel cell 12 is, for example, a fuel cell (PEMFC) provided with a solid polymer type separation membrane, and is configured by stacking a plurality of unit cells. Each unit cell has an electrolyte membrane, an anode electrode, a cathode electrode, and a separator.

燃料電池１２には、アノードガス流路１４及びカソードガス流路１６が導入されている。アノードガス流路１４は高圧の水素タンク１８と接続されており、水素タンク１８から燃料電池１２のアノードへ水素リッチなアノードガスが送られる。また、カソードガス流路１６にはポンプ２０が接続されており、ポンプ２０の駆動により燃料電池１２のカソードへ酸素を含む酸化ガス（カソードガス）が送られる。   An anode gas channel 14 and a cathode gas channel 16 are introduced into the fuel cell 12. The anode gas flow path 14 is connected to a high-pressure hydrogen tank 18, and hydrogen-rich anode gas is sent from the hydrogen tank 18 to the anode of the fuel cell 12. In addition, a pump 20 is connected to the cathode gas flow path 16, and an oxidizing gas (cathode gas) containing oxygen is sent to the cathode of the fuel cell 12 by driving the pump 20.

燃料電池１２のアノードでは、アノードガスが送り込まれると、このアノードガス中の水素から水素イオン（プロトン：Ｈ＋）を生成し（Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−）、カソードは、カソードガスが送り込まれると、このカソードガス中の酸素から酸素イオンを生成する。そして、アノードで生成されたプロトン（Ｈ＋）はカソードへ移動し、燃料電池１２内では電力が発生する。また、これと同時にカソードにおいて、上記の水素イオンと酸素イオンとから水（生成水）が生成される（（１／２）Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ）。この水のほとんどは、燃料電池１２内で発生する熱を吸収して水蒸気となり、カソードオフガス中に含まれて排出される。 When the anode gas is sent to the anode of the fuel cell 12, hydrogen ions (protons: H + ) are generated from the hydrogen in the anode gas (H 2 → 2H + + 2e − ), and the cathode gas is sent to the cathode. Then, oxygen ions are generated from oxygen in the cathode gas. Then, protons (H + ) generated at the anode move to the cathode, and electric power is generated in the fuel cell 12. At the same time, water (product water) is generated from the hydrogen ions and oxygen ions at the cathode ((1/2) O 2 + 2H + + 2e − → H 2 O). Most of this water absorbs the heat generated in the fuel cell 12 to become water vapor, which is contained in the cathode offgas and discharged.

なお、本実施形態では、燃料電池１２として固体高分子型分離膜を備えたＰＥＭＦＣを例示しているが、本発明はプロトン導電性の電解質膜を備えた燃料電池に広く適用することができ、燃料電池１２は、例えばガラス電解質膜、フラーレン等の電解質膜を備えたものであっても良い。   In the present embodiment, the PEMFC including the solid polymer type separation membrane is illustrated as the fuel cell 12, but the present invention can be widely applied to the fuel cell including the proton conductive electrolyte membrane, The fuel cell 12 may be provided with an electrolyte membrane such as a glass electrolyte membrane or fullerene.

アノードから排出されたアノードオフガスは、アノードオフガス流路２２に送られる。アノードオフガス流路２２には、アノードオフガスの流量を制御するアノードパージ弁２４が設けられている。   The anode off gas discharged from the anode is sent to the anode off gas flow path 22. The anode off gas flow path 22 is provided with an anode purge valve 24 for controlling the flow rate of the anode off gas.

一方、カソードから排出されたカソードオフガスは、カソードオフガス流路２６を通って排出される。カソードオフガス流路２６には、カソードオフガスの圧力を調整する調圧弁２８が設けられている。   On the other hand, the cathode offgas discharged from the cathode is discharged through the cathode offgas flow path 26. The cathode off gas flow path 26 is provided with a pressure regulating valve 28 for adjusting the pressure of the cathode off gas.

本実施形態の燃料電池１２は、アノードパージ弁２４を閉じた状態でアノードデッドエンド運転を行う。アノードデッドエンド運転では、アノードから無駄に水素が排出されることを抑えることができるため、燃料電池１２内における水素の利用効率を高めることができる。   The fuel cell 12 of this embodiment performs an anode dead end operation with the anode purge valve 24 closed. In the anode dead end operation, it is possible to suppress wasteful discharge of hydrogen from the anode, so that the utilization efficiency of hydrogen in the fuel cell 12 can be increased.

上述したように、燃料電池１２内の反応によりカソード側で水分が生成される。一方、アノード側では水分が殆ど生成されないため、アノードとカソードの間で水分の濃度勾配が生じる。このため、カソード側で生成された水分の一部が電解質膜を透過し、アノード側に送られるという現象が発生する。   As described above, moisture is generated on the cathode side by the reaction in the fuel cell 12. On the other hand, since almost no moisture is generated on the anode side, a concentration gradient of moisture occurs between the anode and the cathode. For this reason, a phenomenon occurs in which a part of the water generated on the cathode side passes through the electrolyte membrane and is sent to the anode side.

アノードデッドエンド運転によりアノードパージ弁２４を閉じた状態を長時間継続すると、電解質膜を透過した水分がアノードに滞留し、また、窒素などの不純物もアノードに滞留する。このため、アノードデッドエンド運転では、適度なタイミングでアノードパージ弁２４を開き、アノードに滞留した水分、窒素等を排出する必要がある。   If the state in which the anode purge valve 24 is closed for a long time by the anode dead end operation is continued for a long time, moisture that has permeated the electrolyte membrane stays in the anode, and impurities such as nitrogen also stay in the anode. For this reason, in the anode dead end operation, it is necessary to open the anode purge valve 24 at an appropriate timing to discharge moisture, nitrogen, and the like remaining in the anode.

図２は、アノードデッド運転を行った場合に、水素、窒素等の滞留により電圧が低下する様子を示す特性図である。図２に示すように、時刻ｔ０で運転を開始した後、水分、窒素などの不純物がアノードに溜まっていくと、時間の経過とともに電圧が低下する。このため、電圧が所定のしきい値Ｖｔｈに到達した時刻ｔ１の時点でアノードパージ弁２４を一時的に開き、これらの不純物をパージする処理を行う。   FIG. 2 is a characteristic diagram showing how the voltage drops due to the retention of hydrogen, nitrogen, etc. when an anode dead operation is performed. As shown in FIG. 2, when impurities such as moisture and nitrogen are accumulated in the anode after the operation is started at time t <b> 0, the voltage decreases with time. For this reason, at the time t1 when the voltage reaches the predetermined threshold value Vth, the anode purge valve 24 is temporarily opened to perform a process of purging these impurities.

アノードパージ弁２４を開くと、アノードに溜まった窒素は排出されるが、水分の一部はアノードに残留する。このため、燃料電池１２の電圧は一時的に回復するが、パージ後は再び水分が溜まっていくため、時刻ｔ１後も電圧は低下し、時刻ｔ２で再び電圧がしきい値Ｖｔｈに到達する。時刻ｔ２でパージを行った際も水分の一部はアノードに残留するため、アノードに滞留する水分量は次第に増加していく。このように、アノードパージ弁２４によるパージのみでは、アノードに溜まる水分が次第に増加していき、パージを行う周期Ｔが次第に短くなるという現象が生じる。なお、パージの時間を長くして水分を排出することも考えられるが、未反応の水素が多く排出されるため現実的ではない。   When the anode purge valve 24 is opened, nitrogen accumulated in the anode is discharged, but a part of the moisture remains in the anode. For this reason, the voltage of the fuel cell 12 is temporarily recovered. However, since water is accumulated again after purging, the voltage is lowered after time t1, and again reaches the threshold value Vth at time t2. Even when purging is performed at time t2, a part of the water remains in the anode, so that the amount of water remaining in the anode gradually increases. Thus, only the purge by the anode purge valve 24 causes a phenomenon that moisture accumulated in the anode gradually increases and the purge cycle T is gradually shortened. Although it is conceivable to discharge the moisture by extending the purge time, it is not realistic because a large amount of unreacted hydrogen is discharged.

このため、本実施形態では、アノードパージ弁２４を開いてパージを行う際に、カソードガスのストイキ比（カソードストイキ比）を一時的に増加させ、アノードに溜まった水分をカソード側へ吸い上げる処理を行う。ここで、カソードストイキ比は、燃料電池１２が必要とするカソードガス量の理論値に対する、実際のカソードガス供給量の比率である。通常の運転では、カソードストイキ比は１．５程度の値に設定される。   For this reason, in the present embodiment, when the purge is performed by opening the anode purge valve 24, a process of temporarily increasing the stoichiometric ratio (cathode stoichiometric ratio) of the cathode gas and sucking up moisture accumulated in the anode to the cathode side. Do. Here, the cathode stoichiometric ratio is the ratio of the actual cathode gas supply amount to the theoretical value of the cathode gas amount required by the fuel cell 12. In normal operation, the cathode stoichiometric ratio is set to a value of about 1.5.

図３は、本実施形態のシステムで行われる制御を示すタイミングチャートである。ここで、図３（Ａ）は燃料電池１２の電圧の変化を、図３（Ｂ）はアノードパージ弁２４の状態を、図３（Ｃ）はカソードストイキ比をそれぞれ示している。   FIG. 3 is a timing chart showing control performed in the system of the present embodiment. 3A shows the change in the voltage of the fuel cell 12, FIG. 3B shows the state of the anode purge valve 24, and FIG. 3C shows the cathode stoichiometric ratio.

図３（Ａ）に示すように、アノードデッドエンド運転を継続すると、燃料電池１２の電圧が低下していく。そして、燃料電池１２の電圧が所定のしきい値Ｖｔｈよりも低下した場合は、図３（Ｂ）に示すように、アノードパージ弁２４を開き、パージを行う。これにより、図２の場合と同様に、アノードから窒素を排出することができ、またアノードに溜まった水分の一部を排出することができる。   As shown in FIG. 3A, when the anode dead end operation is continued, the voltage of the fuel cell 12 decreases. When the voltage of the fuel cell 12 falls below the predetermined threshold value Vth, as shown in FIG. 3B, the anode purge valve 24 is opened and purge is performed. Thereby, similarly to the case of FIG. 2, nitrogen can be discharged from the anode, and a part of the water accumulated in the anode can be discharged.

また、図３（Ｃ）に示すように、アノードパージ弁２４を開くタイミングで、カソードストイキ比を一時的に高くする制御を行う。カソードストイキ比の制御は、ポンプ２０の駆動量、調圧弁２８の開度などを制御することで行う。図３（Ｃ）の例では、通常時に１．５のカソードストイキ比を２．０程度まで増加させている。このように、増量時のカソードストイキ比は通常時の１．５倍程度が好ましく、通常時のカソードストイキ比が１．５の場合、２．０〜２．５程度まで増加することが好適である。これにより、アノード側の水分をカソード側へ確実に吸い上げることができる。   In addition, as shown in FIG. 3C, control is performed to temporarily increase the cathode stoichiometric ratio when the anode purge valve 24 is opened. The cathode stoichiometric ratio is controlled by controlling the driving amount of the pump 20 and the opening degree of the pressure regulating valve 28. In the example of FIG. 3C, the cathode stoichiometric ratio of 1.5 is increased to about 2.0 at the normal time. Thus, the cathode stoichiometric ratio at the time of increase is preferably about 1.5 times the normal value, and when the cathode stoichiometric ratio at the normal time is 1.5, it is preferable to increase to about 2.0 to 2.5. is there. Thereby, moisture on the anode side can be surely sucked up to the cathode side.

カソードストイキ比を増加すると、アノード側に溜まった水分をカソード側へ吸い上げることができる。図４は、カソードストイキ比の上昇によりアノードに滞留している水分が排出される様子を示す図であって、燃料電池１２内の単位セルの断面を拡大して示している。図４に示すように、燃料電池１２の単位セルは電解質膜３０を備えており、電解質膜３０のカソード側には触媒層３２が、アノード側には触媒層３４がそれぞれ設けられている。また、カソード側の触媒層３２と隣接して拡散層３６が、アノード側の触媒層３４と隣接して拡散層３８がそれぞれ設けられている。また、カソード側の拡散層３６と隣接してカソードガス流路４０が設けられ、アノード側の拡散層３８と隣接してアノードガス流路４２が設けられている。   When the cathode stoichiometric ratio is increased, moisture accumulated on the anode side can be sucked up to the cathode side. FIG. 4 is a diagram illustrating a state in which moisture remaining in the anode is discharged due to an increase in the cathode stoichiometric ratio, and shows an enlarged cross section of a unit cell in the fuel cell 12. As shown in FIG. 4, the unit cell of the fuel cell 12 includes an electrolyte membrane 30. A catalyst layer 32 is provided on the cathode side of the electrolyte membrane 30, and a catalyst layer 34 is provided on the anode side. Further, a diffusion layer 36 is provided adjacent to the catalyst layer 32 on the cathode side, and a diffusion layer 38 is provided adjacent to the catalyst layer 34 on the anode side. Further, a cathode gas flow path 40 is provided adjacent to the cathode side diffusion layer 36, and an anode gas flow path 42 is provided adjacent to the anode side diffusion layer 38.

図４は、アノードデッドエンド運転によりアノード側に水分が溜まった状態を示している。図４に示すように、アノードに水分が溜まると、触媒層３４と拡散層３８の界面近傍に水分が滞留する。   FIG. 4 shows a state where moisture has accumulated on the anode side due to the anode dead end operation. As shown in FIG. 4, when moisture accumulates in the anode, moisture stays in the vicinity of the interface between the catalyst layer 34 and the diffusion layer 38.

このとき、図３（Ｃ）に示すタイミングでカソードストイキ比を上げると、カソードとアノードの間で圧力差が生じ、またカソードストイキ比の上昇によりカソードから水分が排出されるため、カソードとアノードの間で水分の濃度勾配が生じる。このため、図４に示すように、アノード側に溜まっていた水分が、水分の濃度の低いカソード側に透過する。従って、アノード側に溜まった水分をカソード側に吸い上げることができ、アノード側に滞留した水分を確実に排出することが可能となる。   At this time, if the cathode stoichiometric ratio is increased at the timing shown in FIG. 3C, a pressure difference is generated between the cathode and the anode, and moisture is discharged from the cathode due to the increase in the cathode stoichiometric ratio. A moisture concentration gradient occurs between them. For this reason, as shown in FIG. 4, the water | moisture content collected on the anode side permeate | transmits to the cathode side with a low density | concentration of a water | moisture content. Therefore, the moisture accumulated on the anode side can be sucked up to the cathode side, and the moisture retained on the anode side can be surely discharged.

なお、図４の例では、アノードパージを行うタイミングでカソードストイキ比を増加しているが、カソードストイキ比を増加するタイミングは任意に設定することができる。   In the example of FIG. 4, the cathode stoichiometric ratio is increased at the timing when the anode purge is performed, but the timing at which the cathode stoichiometric ratio is increased can be arbitrarily set.

すなわち、アノードにおける窒素の滞留に起因して電圧が低下している場合はアノードガスのパージで電圧を回復させることができるため、通常時はアノードパージのみを行い、アノードパージを行っても燃料電池１２の電圧が十分に回復しない場合にのみ、任意のタイミングでカソードストイキ比を増加させても良い。また、アノードパージにより燃料電池１２の電圧は回復するが、図２で説明したように、燃料電池１２の電圧がしきい値Ｖｔｈに到達する周期Ｔが次第に短くなる場合にのみカソードストイキ比を増加させても良い。この場合、周期Ｔが所定値以下となった場合にカソードストイキ比を増加させることが好適である。このような制御によれば、カソードストイキ比を増加させるタイミングを必要最小限に抑えることができ、ポンプ２０の駆動負荷を低減できる。   That is, when the voltage is lowered due to the retention of nitrogen in the anode, the voltage can be recovered by purging the anode gas, so that only the anode purge is normally performed, and even if the anode purge is performed, the fuel cell Only when the voltage of 12 does not sufficiently recover, the cathode stoichiometric ratio may be increased at an arbitrary timing. Further, although the voltage of the fuel cell 12 is restored by the anode purge, as described with reference to FIG. 2, the cathode stoichiometric ratio is increased only when the period T in which the voltage of the fuel cell 12 reaches the threshold value Vth is gradually shortened. You may let them. In this case, it is preferable to increase the cathode stoichiometric ratio when the period T becomes equal to or less than a predetermined value. According to such control, the timing for increasing the cathode stoichiometric ratio can be minimized and the driving load of the pump 20 can be reduced.

更に、所定時間毎にカソードストイキ比を増加することで、定期的にアノードの水分をカソードに吸い上げるようにしても良い。   Further, the anode stoichiometric ratio may be increased every predetermined time so that the moisture of the anode is periodically sucked into the cathode.

また、本実施形態の燃料電池１２では、図４に示すようにアノードガス流路４２が所定の空間から構成されているが、多孔体がアノードガス流路４２に埋め込まれた燃料電池１２への適用することも可能である。多孔体が埋め込まれた流路の場合、流路が空間の場合に比べてアノードに水が保持され易くなるが、本実施形態のようにカソードストイキ比を増加することで、水分の排出を確実に行うことができる。   Further, in the fuel cell 12 of the present embodiment, the anode gas channel 42 is configured from a predetermined space as shown in FIG. 4, but the fuel cell 12 to which the porous body is embedded in the anode gas channel 42 is provided. It is also possible to apply. In the case of a flow channel embedded with a porous body, water is more easily retained in the anode than in the case where the flow channel is a space. However, by increasing the cathode stoichiometric ratio as in this embodiment, water can be reliably discharged. Can be done.

図５は、カソードストイキ比の増加する際の各種パターンを示す特性図である。図５に示すように、カソードストイキ比を増加する際には、様々なパターンを用いることができる。   FIG. 5 is a characteristic diagram showing various patterns when the cathode stoichiometric ratio increases. As shown in FIG. 5, various patterns can be used when increasing the cathode stoichiometric ratio.

図５（Ａ）は、パルス状にカソードストイキ比を増加した例を示している。カソードストイキ比をパルス状に増加した場合、カソード側で脈動が発生するため、アノードからカソードへの水分の吸い上げを容易に行うことができる。   FIG. 5A shows an example in which the cathode stoichiometric ratio is increased in a pulse shape. When the cathode stoichiometric ratio is increased in a pulse shape, pulsation occurs on the cathode side, so that moisture can be easily sucked from the anode to the cathode.

また、図５（Ｂ）〜図５（Ｄ）は、カソードストイキ比を増加する過程、又は減少する過程で、カソードストイキ比を徐々に変化させた例を示している。図５（Ｂ）〜図５（Ｄ）の制御によれば、カソードストイキ比の急激な変化に起因する燃料電池１２内部の機械的ストレスの発生を抑えることができる。   5B to 5D show an example in which the cathode stoichiometric ratio is gradually changed in the process of increasing or decreasing the cathode stoichiometric ratio. According to the control of FIGS. 5B to 5D, it is possible to suppress the occurrence of mechanical stress inside the fuel cell 12 due to a rapid change in the cathode stoichiometric ratio.

また、図５（Ｅ）はカソードストイキ比をパルス状にして段階的に増加させた例を示している。図５（Ｅ）の制御によれば、カソード側で脈動を発生させることができるため、アノードからの水分の吸い上げを確実に行うことができ、またカソードストイキ比が段階的に増加するため、燃料電池１２内部の機械的ストレスの発生を抑えることができる。   FIG. 5E shows an example in which the cathode stoichiometric ratio is increased stepwise in a pulse shape. According to the control of FIG. 5 (E), pulsation can be generated on the cathode side, so that moisture can be surely taken up from the anode, and the cathode stoichiometric ratio increases step by step. Generation of mechanical stress inside the battery 12 can be suppressed.

以上説明したように本実施形態によれば、アノードデッドエンド運転を行うシステムにおいて、所定の場合にカソードストイキ比を増加するため、アノードに溜まった水分をカソード側に吸い上げて排出することが可能となる。従って、燃料電池１２の発電効率を向上することが可能となる。   As described above, according to the present embodiment, in a system that performs anode dead-end operation, the cathode stoichiometric ratio is increased in a predetermined case, so that water accumulated in the anode can be sucked up and discharged to the cathode side. Become. Therefore, the power generation efficiency of the fuel cell 12 can be improved.

なお、本発明はアノードデッドエンドシステムに限定されるものではなく、アノードオフガスを再度アノードに送るアノード循環系など、アノードオフガスを排出するシステムに適用することも可能である。アノードオフガスを排出するシステムに適用した場合においても、カソードストイキ比を増加することで、アノードに溜まった水分をカソード側に吸い上げて排出することができ、燃料電池１２の発電効率を向上することが可能となる。   Note that the present invention is not limited to an anode dead end system, and can also be applied to a system that discharges anode off gas, such as an anode circulation system that sends anode off gas to the anode again. Even when applied to a system that discharges anode off-gas, by increasing the cathode stoichiometric ratio, moisture accumulated in the anode can be sucked and discharged to the cathode side, and the power generation efficiency of the fuel cell 12 can be improved. It becomes possible.

本発明の一実施形態にかかる燃料電池とその周辺の構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the fuel cell concerning one Embodiment of this invention, and its periphery. アノードデッド運転を行った場合に、水素、窒素等の滞留により電圧が低下する様子を示す特性図である。It is a characteristic view which shows a mode that a voltage falls by retention of hydrogen, nitrogen, etc. when an anode dead operation is performed. 本実施形態のシステムで行われる制御を示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows the control performed with the system of this embodiment. カソードストイキ比の上昇によりアノードに滞留している水分が排出される様子を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows a mode that the water | moisture content staying in the anode is discharged | emitted by the raise of a cathode stoichiometric ratio. カソードストイキ比の増加する際の各種パターンを示す特性図である。It is a characteristic view which shows the various patterns when a cathode stoichiometric ratio increases.

符号の説明Explanation of symbols

１２ 燃料電池
２０ ポンプ
２４ アノードパージ弁
２８ 調圧弁
３０ 電解質膜 12 Fuel Cell 20 Pump 24 Anode Purge Valve 28 Pressure Regulator 30 Electrolyte Membrane

Claims (9)

プロトン導電性の電解質膜を備え、アノードに水素を含むアノードガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含むカソードガスの供給を受けて、アノード側を閉塞した状態で発電を行う燃料電池と、
所定条件でカソードストイキ比を増加させるカソードストイキ比制御手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell comprising a proton-conducting electrolyte membrane, receiving an anode gas containing hydrogen at the anode, and receiving a cathode gas containing oxygen at the cathode, and generating power in a state where the anode side is closed;
Cathode stoichiometric ratio control means for increasing the cathode stoichiometric ratio under predetermined conditions;
A fuel cell system comprising: 前記燃料電池からアノードオフガスを排出するアノードオフガス排出手段を更に備えたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。   2. The fuel cell system according to claim 1, further comprising anode off-gas discharge means for discharging anode off-gas from the fuel cell. 前記燃料電池の電圧を取得する電圧取得手段を備え、
前記カソードストイキ比制御手段は、前記燃料電池の電圧が所定値以下となった場合に前記カソードストイキ比を増加することを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システム。 Voltage acquisition means for acquiring the voltage of the fuel cell;
The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein the cathode stoichiometric ratio control means increases the cathode stoichiometric ratio when the voltage of the fuel cell becomes a predetermined value or less. 前記燃料電池の電圧を取得する電圧取得手段を備え、
前記アノードオフガス排出手段は、前記燃料電池の電圧が所定値以下となった場合に前記燃料電池内からアノードオフガスをパージすることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。 Voltage acquisition means for acquiring the voltage of the fuel cell;
3. The fuel cell system according to claim 2, wherein the anode off gas discharge means purges the anode off gas from the fuel cell when the voltage of the fuel cell becomes a predetermined value or less. 前記カソードストイキ比制御手段は、前記パージを行っても前記燃料電池の電圧が十分に回復しない場合にのみ前記カソードストイキ比を増加することを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。   5. The fuel cell system according to claim 4, wherein the cathode stoichiometric ratio control means increases the cathode stoichiometric ratio only when the voltage of the fuel cell does not sufficiently recover even if the purge is performed. 前記カソードストイキ比制御手段は、前記パージを行った後、前記燃料電池の電圧が再び前記所定値以下となるまでの時間が所定時間以下となった場合にのみ前記カソードストイキ比を増加することを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。   The cathode stoichiometric ratio control means increases the cathode stoichiometric ratio only when the time until the voltage of the fuel cell again becomes equal to or lower than the predetermined value after the purging is equal to or shorter than a predetermined time. 5. The fuel cell system according to claim 4, wherein 前記カソードストイキ比制御手段は、前記パージが行われるタイミングで前記カソードストイキ比を増加させることを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to any one of claims 4 to 6, wherein the cathode stoichiometric ratio control means increases the cathode stoichiometric ratio at a timing when the purge is performed. 前記カソードストイキ比制御手段は、予め定められた所定のタイミングで前記カソードストイキ比を増加することを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein the cathode stoichiometric ratio control means increases the cathode stoichiometric ratio at a predetermined timing. 前記燃料電池の前記アノードガスの流路が多孔体から構成されたことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の燃料電池システム。   9. The fuel cell system according to claim 1, wherein the anode gas flow path of the fuel cell is formed of a porous body.
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