JP2007227162A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.
燃料電池スタックを構成するセルは、アノードとカソードが、電解質膜を挟んでそれぞれ配置された構造を有している。そして、各電極に反応ガスが供給されると、電極間で電気化学反応が起こり起電力を生じる。反応は、具体的には、アノードに水素(燃料ガス)が接触し、カソードに酸素(酸化剤ガス)が接触することによって起こる。 The cell constituting the fuel cell stack has a structure in which an anode and a cathode are arranged with an electrolyte membrane interposed therebetween. When a reactive gas is supplied to each electrode, an electrochemical reaction occurs between the electrodes to generate an electromotive force. Specifically, the reaction occurs when hydrogen (fuel gas) is in contact with the anode and oxygen (oxidant gas) is in contact with the cathode.
一般に、燃料電池システムでは、高圧水素タンクから供給される燃料ガスを燃料電池のアノードに供給する一方で、コンプレッサによって外気から取り込んだ空気をカソードに供給している。 In general, in a fuel cell system, fuel gas supplied from a high-pressure hydrogen tank is supplied to the anode of the fuel cell, while air taken in from outside air by a compressor is supplied to the cathode.
また、燃料電池システムは、電解質膜を湿潤状態にするために加湿器を備える。これにより、水が電解質膜に補充されて、アノード側からのH+の移動を容易にしている。 Further, the fuel cell system includes a humidifier in order to make the electrolyte membrane in a wet state. As a result, water is replenished to the electrolyte membrane to facilitate the movement of H + from the anode side.
以上のことをさらに詳しく説明すると、次のようになる。 The above will be described in more detail as follows.
アノードにおいて、
H2→2H++2e−
の反応により生じたH+は、H3O+となって電解質膜中を移動した後、カソードで
(1/2)O2+2H++2e−→H2O
の反応を生じる。
At the anode,
H 2 → 2H + + 2e −
H + produced by this reaction becomes H 3 O + and moves through the electrolyte membrane, and then (1/2) O 2 + 2H + + 2e − → H 2 O at the cathode.
The reaction of
すなわち、両電極間において、
H2+(1/2)O2→H2O
の電気化学反応が起こることによって起電力が発生する。また、このとき、カソード側では水が生成する。
That is, between both electrodes,
H 2 + (1/2) O 2 → H 2 O
An electromotive force is generated by the occurrence of the electrochemical reaction. At this time, water is generated on the cathode side.
しかし、このような燃料電池システムにおいては、低温環境下で燃料電池を起動する場合に、生成した水が凍結することによって水素と酸素の反応が阻害され、燃料電池の出力電圧が低下してしまうという問題があった。また、水の凍結によって、膜−電極−ガス拡散層アッセンブリ(MEGA;membrane electrode gas diffusion layer assembly)に物理的な破壊が起こるという問題もあった。 However, in such a fuel cell system, when the fuel cell is started in a low-temperature environment, the generated water freezes, thereby inhibiting the reaction between hydrogen and oxygen and lowering the output voltage of the fuel cell. There was a problem. In addition, there has been a problem that physical destruction occurs in a membrane-electrode-gas diffusion layer assembly (MEGA) due to freezing of water.
これに対して、水を電気分解可能な電力を供給する給電手段を設けた燃料電池システムが提案されている(特許文献1参照)。この燃料電池システムによれば、電気分解により水をガス化して除去するので、水素と酸素の反応が阻害されるのを防いで、低温環境下であっても燃料電池を起動できるとされる。 On the other hand, a fuel cell system provided with power supply means for supplying power capable of electrolyzing water has been proposed (see Patent Document 1). According to this fuel cell system, since water is gasified and removed by electrolysis, the reaction between hydrogen and oxygen is prevented and the fuel cell can be started even in a low temperature environment.
特許文献1に記載の燃料電池システムは、燃料電池に接続して電力によって駆動されるモータを有している。また、給電手段は、このモータと燃料電池に接続して起電力を蓄電するバッテリを有している。そして、バッテリからモータに電力を供給するとともに、バッテリから燃料電池に高電圧を印加することによって、発電に伴って生成した水を電気分解している。
The fuel cell system described in
このように、特許文献1に記載の燃料電池システムでは、電気分解を起こすのにバッテリで電力を消費している。したがって、バッテリから燃料電池への給電を行わないときには、燃料電池からバッテリへの充電が必要となる。このため、燃料電池システムの効率が大きく低下してしまうおそれがあった。
Thus, in the fuel cell system described in
本発明は、こうした問題点に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の目的は、燃料電池システムの効率を大きく低下させずに生成水の凍結を防ぐことのできる燃料電池システムを提供することにある。 The present invention has been made in view of these problems. That is, an object of the present invention is to provide a fuel cell system that can prevent the generated water from freezing without greatly reducing the efficiency of the fuel cell system.
本発明の他の目的および利点は以下の記載から明らかとなるであろう。 Other objects and advantages of the present invention will become apparent from the following description.
本発明の第1の燃料電池システムは、複数のセルが積層され且つ積層方向に対して端部のセルを中央のセルよりも圧損の高いセルとした燃料電池スタックと、
前記セルが所定温度以下であるときに、前記燃料電池スタックに供給する燃料ガスの量を、前記セルが所定温度より高いときに比べて少なくする制御手段とを有することを特徴とするものである。
この場合、前記セルの少なくとも一部は、前記端部に向かって徐々に圧損が高くなるように配列していることが好ましい。
A first fuel cell system of the present invention includes a fuel cell stack in which a plurality of cells are stacked, and an end cell in the stacking direction is a cell having a higher pressure loss than a central cell,
Control means for reducing the amount of fuel gas supplied to the fuel cell stack when the cell is below a predetermined temperature compared to when the cell is higher than the predetermined temperature. .
In this case, it is preferable that at least a part of the cells are arranged so that the pressure loss gradually increases toward the end.
本発明の第2の燃料電池システムは、複数のセルが積層された燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給する供給マニホールドと、
前記燃料電池スタックから排出される燃料オフガスを排出する排出マニホールドとを有し、
前記供給マニホールドは、前記燃料電池スタックの一方の端部とその近傍に配列したセルに燃料ガスを供給する第1の供給マニホールド部分と、その他のセルに燃料ガスを供給する第2の供給マニホールド部分とに分岐していて、前記燃料電池スタックの発電中であって前記セルが所定温度以下であるときには、前記第1の供給マニホールド部分を遮断することを特徴とするものである。
A second fuel cell system of the present invention includes a fuel cell stack in which a plurality of cells are stacked,
A supply manifold for supplying fuel gas to the fuel cell stack;
A discharge manifold for discharging fuel off-gas discharged from the fuel cell stack,
The supply manifold includes a first supply manifold portion for supplying fuel gas to one end of the fuel cell stack and cells arranged in the vicinity thereof, and a second supply manifold portion for supplying fuel gas to other cells. The first supply manifold portion is shut off when the fuel cell stack is generating power and the cell is at a predetermined temperature or lower.
本発明の第3の燃料電池システムは、複数のセルが積層された燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給する供給マニホールドと、
前記燃料電池スタックから排出される燃料オフガスを排出する排出マニホールドとを有し、
前記供給マニホールドは、前記燃料電池スタックの一方の端部とその近傍に配列したセルに燃料ガスを供給する第1の供給マニホールド部分と、前記燃料電池スタックの他方の端部とその近傍に配列したセルに燃料ガスを供給する第2の供給マニホールド部分と、その他のセルに燃料ガスを供給する第3の供給マニホールド部分とに分岐していて、前記燃料電池スタックの発電中であって前記セルが所定温度以下であるときには、前記第1の供給マニホールド部分と前記第2の供給マニホールド部分を遮断することを特徴とするものである。
A third fuel cell system of the present invention includes a fuel cell stack in which a plurality of cells are stacked,
A supply manifold for supplying fuel gas to the fuel cell stack;
A discharge manifold for discharging fuel off-gas discharged from the fuel cell stack,
The supply manifold is arranged at one end of the fuel cell stack and a first supply manifold portion for supplying fuel gas to cells arranged in the vicinity thereof, and at the other end of the fuel cell stack and in the vicinity thereof. A second supply manifold portion for supplying fuel gas to the cells and a third supply manifold portion for supplying fuel gas to the other cells; When the temperature is equal to or lower than a predetermined temperature, the first supply manifold portion and the second supply manifold portion are shut off.
本発明の第2および第3の燃料電池システムにおいては、前記セルが前記所定温度以下であるときに、前記燃料電池スタックに供給する燃料ガスの量を、前記セルが所定温度より高いときに比べて少なくする制御手段をさらに有することが好ましい。 In the second and third fuel cell systems of the present invention, when the cell is below the predetermined temperature, the amount of fuel gas supplied to the fuel cell stack is compared with that when the cell is higher than the predetermined temperature. It is preferable to further have a control means for reducing the number of control means.
本発明の第1、第2および第3の燃料電池システムにおいて、前記所定温度は0℃とすることができる。 In the first, second and third fuel cell systems of the present invention, the predetermined temperature may be 0 ° C.
本発明の第1の燃料電池システムによれば、燃料電池スタックの端部に圧損の高いセルが位置するとともに、セルが所定温度以下であるときには、燃料電池スタックに供給する燃料ガスの量を、セルが所定温度より高いときに比べて少なくするので、凍結しやすい端部のセルにおける水の電気分解を促進することができる。これにより、燃料電池システムの効率を大きく低下させずに生成水の凍結を防ぐことが可能となる。 According to the first fuel cell system of the present invention, when a cell with high pressure loss is located at the end of the fuel cell stack, and when the cell is below a predetermined temperature, the amount of fuel gas supplied to the fuel cell stack is Since the number of the cells is smaller than when the temperature is higher than the predetermined temperature, the electrolysis of water in the cell at the end that is easily frozen can be promoted. As a result, it is possible to prevent the generated water from freezing without greatly reducing the efficiency of the fuel cell system.
本発明の第2の燃料電池システムによれば、セルが所定温度以下であるときには、燃料電池スタックの一方の端部とその近傍に配列したセルに燃料ガスを供給する第1の供給マニホールド部分を遮断するので、凍結しやすい端部のセルにおける水の電気分解を促進することができる。これにより、燃料電池システムの効率を大きく低下させずに生成水の凍結を防ぐことが可能となる。 According to the second fuel cell system of the present invention, when the cell is at a predetermined temperature or lower, the first supply manifold portion for supplying the fuel gas to one end portion of the fuel cell stack and the cells arranged in the vicinity thereof is provided. Since it interrupts | blocks, the electrolysis of the water in the cell of the edge part which is easy to freeze can be promoted. As a result, it is possible to prevent the generated water from freezing without greatly reducing the efficiency of the fuel cell system.
本発明の第3の燃料電池システムによれば、セルが所定温度以下であるときには、燃料電池スタックの両端部とこれらの近傍に配列したセルに燃料ガスを供給する第1の供給マニホールド部分および第2の供給マニホールド部分を遮断するので、凍結しやすい両端部のセルにおける水の電気分解を促進することができる。これにより、燃料電池システムの効率を大きく低下させずに生成水の凍結を防ぐことが可能となる。 According to the third fuel cell system of the present invention, when the cell is at a predetermined temperature or lower, the first supply manifold portion for supplying the fuel gas to the both ends of the fuel cell stack and the cells arranged in the vicinity thereof, and Since the two supply manifold portions are cut off, it is possible to promote electrolysis of water in the cells at both ends that are easily frozen. As a result, it is possible to prevent the generated water from freezing without greatly reducing the efficiency of the fuel cell system.
実施の形態1.
図1は、燃料電池スタックを構成するセルの断面模式図である。この図に示すように、セル1は、膜−電極−ガス拡散層アッセンブリ(MEGA;membrane electrode gas diffusion layer assembly)2と、反応ガスの流路が形成されたセパレータ3,4とが積層されてなる。膜−電極−ガス拡散層アッセンブリ2は、イオン交換樹脂からなる電解質膜5と、電解質膜5の一方の面に設けられた触媒層からなるアノード6と、電解質膜5の他方の面に設けられた触媒層からなるカソード7と、アノード側およびカソード側のそれぞれに設けられたガス拡散層8,9とからなる。そして、セパレータ3,4は、ガス拡散層8,9を介して、アノード側およびカソード側のそれぞれに設けられている。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of cells constituting a fuel cell stack. As shown in this figure, a
上述したように、燃料電池では、アノード6に供給された水素と、カソード7に供給された酸素との間で
H2+(1/2)O2→H2O
の反応が起こることによって起電力が発生する。
As described above, in the fuel cell, H 2 + (1/2) O 2 → H 2 O between the hydrogen supplied to the anode 6 and the oxygen supplied to the cathode 7.
An electromotive force is generated by the occurrence of this reaction.
尚、アノード6に供給する燃料ガスは、水素ガスそのものであってもよいし、炭化水素系化合物の改質反応によって生成された、水素リッチな改質ガスであってもよい。一方、カソード7に供給する酸化剤ガスは、コンプレッサ(図示せず)によって外気から取り込んだ空気とすることができる。 The fuel gas supplied to the anode 6 may be hydrogen gas itself, or may be hydrogen-rich reformed gas generated by a reforming reaction of a hydrocarbon compound. On the other hand, the oxidant gas supplied to the cathode 7 can be air taken in from the outside air by a compressor (not shown).
低温環境下で燃料電池システムを起動した場合、カソード7で生成した水が凍結するおそれがある。この水を除去するには、制御手段によって、セルが所定温度以下であるときに、燃料電池スタックに供給する燃料ガスの量を、セルが所定温度より高いときに比べて少なくするのがよい。換言すると、低温環境下で燃料電池システムを起動する際には、燃料電池スタックに供給する燃料ガスの量を、通常運転時に供給する燃料ガスの量より少なくすることによって、アノードで水素が不足した状態にするのがよい。この場合、通常運転時であるか否かは、セルの温度で判断することができる。例えば、セルの温度が氷点下、すなわち、0℃以下である場合には、セル内で水が凍結してしまうので、アノードを水素欠状態にする。一方、セルの温度が氷点下より高い場合には、通常運転時と判断して必要な量の燃料ガスを供給する。 When the fuel cell system is started in a low temperature environment, the water generated at the cathode 7 may freeze. In order to remove this water, it is preferable that the amount of fuel gas supplied to the fuel cell stack is reduced by the control means when the cell is below a predetermined temperature compared to when the cell is higher than the predetermined temperature. In other words, when starting the fuel cell system in a low temperature environment, the amount of fuel gas supplied to the fuel cell stack is made smaller than the amount of fuel gas supplied during normal operation, so that the anode has run out of hydrogen. It is good to be in a state. In this case, whether or not it is during normal operation can be determined from the temperature of the cell. For example, when the temperature of the cell is below freezing point, that is, 0 ° C. or lower, water freezes in the cell, so that the anode is depleted of hydrogen. On the other hand, when the temperature of the cell is higher than the freezing point, it is determined that the operation is normal, and a necessary amount of fuel gas is supplied.
図1の例では、カソード7に酸素が十分に存在する状態でアノード6を水素欠状態にする。アノード6に供給する水素の量を少なくすると、不足した水素を補うために、カソード7の水が電解質膜5を通ってアノード6に移動し、アノード6で水の電気分解が進むようになる。したがって、この方法によれば、バッテリなどの外部電源を必要とせずに、水の電気分解を進めることができる。
In the example of FIG. 1, the anode 6 is depleted in a state where oxygen is sufficiently present in the cathode 7. If the amount of hydrogen supplied to the anode 6 is reduced, the water in the cathode 7 moves to the anode 6 through the
ところで、一般に、アノードやカソードはカーボン材料によって形成されている。常温において、アノードを水素欠状態にした場合、カーボンと水の反応が進行することによって、アノードやカソードで腐食が発生するおそれがある。しかしながら、本実施の形態は、低温、具体的には、氷点下での水の凍結を問題としている。したがって、水素欠は低温で行えばよく、常温で行う必要はない。カーボンと水との反応は低温では抑制されるので、本実施の形態において、この反応に起因して電極が腐食するおそれはほとんどないと考えられる。さらに、水と反応するおそれの小さい電極材料を用いたり、水電解触媒を利用したりすることによっても、電極の劣化をより低減することが可能である。 Incidentally, in general, the anode and the cathode are made of a carbon material. When the anode is deficient in hydrogen at room temperature, there is a risk that corrosion will occur at the anode or cathode due to the reaction of carbon and water. However, this embodiment has a problem of freezing water at a low temperature, specifically below freezing point. Therefore, the hydrogen deficiency may be performed at a low temperature and does not need to be performed at room temperature. Since the reaction between carbon and water is suppressed at a low temperature, it is considered that there is almost no possibility that the electrode corrodes due to this reaction in the present embodiment. Furthermore, it is possible to further reduce the deterioration of the electrode by using an electrode material that is less likely to react with water or using a water electrocatalyst.
水素欠状態は、具体的には、ストイキ比を小さくすることによって実現できる。ここで、ストイキ比とは、燃料電池に供給された水素量(QH0)と、燃料電池で消費された水素量(QH1)との比(QH0/QH1)を言う。ストイキ比を小さくすると、燃料電池に供給される水素量が少なくなるので、アノードを水素欠状態にすることができる。 Specifically, the hydrogen deficient state can be realized by reducing the stoichiometric ratio. Here, the stoichiometric ratio refers to a ratio (Q H0 / Q H1 ) between the amount of hydrogen (Q H0 ) supplied to the fuel cell and the amount of hydrogen (Q H1 ) consumed by the fuel cell. When the stoichiometric ratio is reduced, the amount of hydrogen supplied to the fuel cell is reduced, so that the anode can be in a hydrogen deficient state.
図2は、本実施の形態における燃料電池システムの動作方法を示すフローチャートである。 FIG. 2 is a flowchart showing the operation method of the fuel cell system in the present embodiment.
本実施の形態においては、燃料電池システム内に熱電対などを設けて温度をモニターする。そして、温度が氷点下である場合には、図1のステップ1に進み、通常運転時より低いストイキ比となるようにする。具体的には、予め用意した低温モードでのストイキ比マップにしたがって、燃料電池に要求される発電電力に応じたストイキ比とする。尚、水の凍結が問題となるのは、主として、低温環境下で燃料電池を起動した場合である。したがって、低温環境下では、ストイキ比を小さくして燃料電池を起動すると言い換えることもできる。 In the present embodiment, a temperature is monitored by providing a thermocouple or the like in the fuel cell system. If the temperature is below freezing, the process proceeds to step 1 in FIG. 1 so that the stoichiometric ratio is lower than that during normal operation. Specifically, the stoichiometric ratio according to the generated power required for the fuel cell is set in accordance with the stoichiometric ratio map in the low-temperature mode prepared in advance. The water freezing is a problem mainly when the fuel cell is started in a low temperature environment. Therefore, in a low temperature environment, it can be paraphrased that the fuel cell is started by reducing the stoichiometric ratio.
一方、温度が氷点下より高い場合には、図1のステップ2に進み、通常運転時でのストイキ比とする。この場合にも、予め用意した通常モードでのストイキ比マップにしたがって、燃料電池に要求される発電電力に応じたストイキ比とする。 On the other hand, when the temperature is higher than the freezing point, the process proceeds to step 2 in FIG. 1 to obtain the stoichiometric ratio during normal operation. Also in this case, the stoichiometric ratio according to the generated power required for the fuel cell is set in accordance with the stoichiometric ratio map in the normal mode prepared in advance.
温度をモニターする箇所は、膜−電極−ガス拡散層アッセンブリの近傍とすることが好ましい。また、膜−電極アッセンブリ(MEA:Membrane−Electrode Assembly)を用いた場合にも、この近傍とすることが好ましい。但し、本発明はこれらに限られるものではなく、セル内のガスの温度や、燃料電池システム内を循環する冷却水の温度を測定できる箇所でモニターし、これらの温度からセル内の温度を推定してもよい。 The location where the temperature is monitored is preferably in the vicinity of the membrane-electrode-gas diffusion layer assembly. Further, when a membrane-electrode assembly (MEA) is used, it is preferable to set the vicinity. However, the present invention is not limited to these, and monitors the temperature of the gas in the cell and the temperature of the cooling water circulating in the fuel cell system, and estimates the temperature in the cell from these temperatures. May be.
ところで、燃料電池スタックは、複数のセルが積層された構造を有している。そして、各セルに供給される水素の量にはばらつきがある。例えば、内部に水が残存したセルでは、圧損が高くなるために内部に水素が入り難い。また、カソードに供給される空気に含まれる窒素が、電解質膜を介してアノード側へ移動し滞留した場合にも、内部に水素が入り難くなる。 By the way, the fuel cell stack has a structure in which a plurality of cells are stacked. The amount of hydrogen supplied to each cell varies. For example, in a cell where water remains in the interior, the pressure loss is high, so that it is difficult for hydrogen to enter the interior. Further, even when nitrogen contained in the air supplied to the cathode moves to the anode side through the electrolyte membrane and stays therein, it is difficult for hydrogen to enter the inside.
こうした水素が入り難いセルは、燃料電池スタックの端部に配置されたセルに見られる。一方、端部に配置されたセルほど、低温時に凍結が起こりやすい。ストイキ比を小さくすると、各セルに供給される水素量は全般的に少なくなるが、端部に配置されたセルは元々水素が入り難いセルであるために、特に水素の供給量が少なくなる。したがって、ストイキ比を小さくしただけで、凍結が起こりやすいセルほど水素欠の状態にすることができる。これにより、凍結しやすいセルで水の電気分解が特に促進される結果となり、燃料電池スタック内で凍結が起こるのを効果的に抑制することが可能となる。 Such cells that are difficult for hydrogen to enter can be found in the cells arranged at the end of the fuel cell stack. On the other hand, the cells arranged at the ends are more likely to freeze at low temperatures. If the stoichiometric ratio is reduced, the amount of hydrogen supplied to each cell is generally reduced, but the cells arranged at the end are originally cells that are difficult for hydrogen to enter, so the amount of hydrogen supplied is particularly reduced. Therefore, only by reducing the stoichiometric ratio, a cell that is prone to freezing can be made deficient in hydrogen. As a result, the electrolysis of water is particularly promoted in the cells that are easily frozen, and it is possible to effectively suppress freezing in the fuel cell stack.
また、セルに供給される水素の量は、セルの構造の違いによってもばらつく。但し、ここで言う「セルの構造の違い」とは、セルの製造工程で生じた、良品として許容される範囲の違いを言い、意図的に設けた違いまでを含むものではない。また、セルの構造の違いは、具体的にはセルの圧損に反映される。 Further, the amount of hydrogen supplied to the cell varies depending on the difference in the cell structure. However, the “difference in cell structure” mentioned here refers to a difference in the range allowed as a non-defective product, which occurs in the manufacturing process of the cell, and does not include a difference provided intentionally. Further, the difference in cell structure is reflected in the cell pressure loss.
そこで、本実施の形態においては、凍結しやすいセルの位置に、予め圧損の高いセルを配置しておくことを特徴とする。例えば、燃料電池スタックの端部から順に圧損の高いセルが並ぶように配置する。また、セルの少なくとも一部が、端部に向かって徐々に圧損が高くなるように配列していてもよい。このようにすることによって、ストイキ比を小さくしたときに、端部のセルほど一層水素欠が起こりやすい状態となる。したがって、凍結が起こりやすいセルにおける水の電気分解をさらに促進することができる。 Therefore, the present embodiment is characterized in that cells with high pressure loss are arranged in advance at the positions of the cells that are likely to freeze. For example, it arrange | positions so that a cell with a high pressure loss may be located in an order from the edge part of a fuel cell stack. Further, at least a part of the cells may be arranged so that the pressure loss gradually increases toward the end. By doing so, when the stoichiometric ratio is reduced, the end cell is more likely to be deficient in hydrogen. Therefore, it is possible to further promote the electrolysis of water in the cell that is likely to freeze.
ところで、セルに供給される水素の量が少なくなると発電電圧が低下する。ストイキ比を小さくすることによって、全てのセルの電圧がマイナスになってしまうと、燃料電池が起動できなくなる。そこで、セル電圧をモニターし、燃料電池スタックの端部に位置するセルの電圧がマイナスになったとしても、セル全体としてはプラスになるようにストイキ比を調整することが好ましい。 By the way, when the amount of hydrogen supplied to the cell decreases, the generated voltage decreases. If the stoichiometric ratio is reduced and the voltage of all the cells becomes negative, the fuel cell cannot be started. Therefore, it is preferable to monitor the cell voltage and adjust the stoichiometric ratio so that the cell as a whole becomes positive even if the voltage of the cell located at the end of the fuel cell stack becomes negative.
また、上述した各セルに供給される水素量のばらつきは、カソード側でも見られる。すなわち、カソードで生成した水が残存したセルでは、圧損が高くなるために、内部に空気が入り難い。また、空気中の窒素がセル内に滞留した場合にも空気が入り難くなる。このため、カソードに必要な酸素が供給されないこととなって、カソードで酸欠が起こりやすくなる。それ故、ストイキ比を小さくしてアノードを水素欠にすると、両極で反応ガスが不足するおそれがある。 In addition, the above-described variation in the amount of hydrogen supplied to each cell is also seen on the cathode side. That is, in the cell in which the water generated at the cathode remains, the pressure loss is high, so that it is difficult for air to enter the inside. Further, when nitrogen in the air stays in the cell, it becomes difficult for air to enter. For this reason, oxygen necessary for the cathode is not supplied, and oxygen deficiency is likely to occur at the cathode. Therefore, if the stoichiometric ratio is reduced and the anode is deficient in hydrogen, the reaction gas may be insufficient at both electrodes.
そこで、本実施の形態においては、セル全体の電圧をモニターし、所定値より電圧が低くなった時点で発電を停止するようにする。例えば、電流密度が0.1A/cm2である場合に、電圧が−2.1Vより低くなった時点で発電を停止するようにすることができる。 Therefore, in this embodiment, the voltage of the entire cell is monitored, and power generation is stopped when the voltage becomes lower than a predetermined value. For example, when the current density is 0.1 A / cm 2 , power generation can be stopped when the voltage becomes lower than −2.1V.
また、本実施の形態においては、各セルの電圧を個別にモニターし、所定値より電圧が低くなったセルをバイパスして燃料電池スタックから電流を取り出すなどの手段で、所定値より電圧が低くなったセルについてのみ発電を停止するようにしてもよい。 Further, in the present embodiment, the voltage of each cell is individually monitored, and the voltage is lower than the predetermined value by means such as taking out the current from the fuel cell stack by bypassing the cell whose voltage is lower than the predetermined value. You may make it stop electric power generation only about the cell which became.
以上述べたように、ストイキ比を小さくして水の電気分解を促すことにより、水の凍結を防止することができる。また、この状態を続けると、燃料電池スタックの温度は次第に上昇して行く。燃料電池では、起電力を生じる際に熱も発生するからである。そして、水が凍結しない温度、具体的には、氷点下より高い温度まで上昇したところで、燃料電池システムの起動は終了したと判断して通常運転時のストイキ比とする。 As described above, freezing of water can be prevented by reducing the stoichiometric ratio and promoting electrolysis of water. Moreover, if this state is continued, the temperature of the fuel cell stack gradually increases. This is because in a fuel cell, heat is also generated when an electromotive force is generated. Then, when the temperature rises to a temperature at which water does not freeze, specifically, to a temperature higher than the freezing point, it is determined that the start of the fuel cell system has ended, and the stoichiometric ratio during normal operation is set.
実施の形態2.
図3は、本実施の形態における燃料電池スタックの構成を示す概念図である。この図に示すように、燃料電池スタックは、複数のセル11が積層された構造を有している。ここで、セル11の構造は、図3では省略されているが、実施の形態1で説明した図1と同様である。尚、セルの総数は、図3の例に限定されるものではなく、燃料電池スタックの仕様に応じて適宜設定することができる。
FIG. 3 is a conceptual diagram showing the configuration of the fuel cell stack in the present embodiment. As shown in this figure, the fuel cell stack has a structure in which a plurality of
また、燃料電池スタックには、各セル11に燃料ガスを分配する供給マニホールド12と、各セル11からの燃料オフガスをまとめて排出する排出マニホールド13とが設けられている。本実施の形態においては、供給マニホールド12が、さらに、燃料電池スタックの端部およびその近傍(以下、本実施の形態においては端部等と称す。)に配列されたセル11に燃料ガスを供給する第1の供給マニホールド部分12aと、その他のセル11に燃料ガスを供給する第2の供給マニホールド部分12bとに分岐していることを特徴とする。また、第1の供給マニホールド部分12aにはバルブ14が設けられており、バルブ14を閉じることによって、第1の供給マニホールド部分12aを遮断して、端部等のセル11への燃料ガスの供給を停止できるようになっている。尚、図3では、端部等のセル11に斜線を付している。また、矢印は、燃料ガスの流れる方向を示している。
Further, the fuel cell stack is provided with a
尚、燃料ガスは、水素ガスそのものであってもよいし、炭化水素系化合物の改質反応によって生成された、水素リッチな改質ガスであってもよい。一方、酸化剤ガスは、コンプレッサ(図示せず)によって外気から取り込んだ空気とすることができる。 The fuel gas may be hydrogen gas itself or a hydrogen-rich reformed gas generated by a reforming reaction of a hydrocarbon compound. On the other hand, the oxidant gas can be air taken from outside air by a compressor (not shown).
本実施の形態においても、燃料電池システム内に熱電対などを設けて温度をモニターする。温度をモニターする箇所は、膜−電極−ガス拡散層アッセンブリの近傍とすることが好ましい。また、膜−電極アッセンブリを用いた場合にも、この近傍とすることが好ましい。但し、本発明はこれらに限られるものではなく、セル内のガスの温度や、燃料電池システム内を循環する冷却水の温度を測定できる箇所でモニターし、これらの温度からセル内の温度を推定してもよい。 Also in the present embodiment, a temperature is monitored by providing a thermocouple or the like in the fuel cell system. The location where the temperature is monitored is preferably in the vicinity of the membrane-electrode-gas diffusion layer assembly. Further, when a membrane-electrode assembly is used, it is preferable to set the vicinity. However, the present invention is not limited to these, and monitors the temperature of the gas in the cell and the temperature of the cooling water circulating in the fuel cell system, and estimates the temperature in the cell from these temperatures. May be.
温度が所定温度、例えば、氷点下(0℃以下)より高い場合には、第1の供給マニホールド部分12aに設けられたバルブ14を開いた状態にする。これにより、全てのセル11に燃料ガスが供給されることとなる。そして、各セル11のアノードに供給された燃料ガスは、カソードに供給された空気などの酸化ガスと電解質膜を介して電気化学反応を起こす。その後、未反応の燃料ガスは、排出マニホールド13から燃料電池スタックの外部に排出される。
When the temperature is higher than a predetermined temperature, for example, below the freezing point (0 ° C. or lower), the
一方、温度が氷点下である場合には、第1の供給マニホールド部分12aに設けられたバルブ14を閉じる。ここで、水の凍結が問題となるのは、主として、低温環境下で燃料電池を起動した場合である。したがって、低温環境下では、バルブ14を閉じて燃料電池を起動すると言い換えることもできる。
On the other hand, when the temperature is below freezing point, the
バルブ14を閉じると、端部等のセル11には燃料ガスが供給されなくなるので、これらのセルのアノードは水素欠状態となる。一方、その他のセル11には、第2の供給マニホールド部分12bから燃料ガスが供給される。
When the
実施の形態1で述べたように、燃料電池スタックの端部等に配置されたセルでは、低温時に凍結が起こりやすい。そこで、図3のようにして、低温時には端部等のセルに燃料ガスが供給されないようにすると、不足した水素を補うために、カソードの水が電解質膜を通ってアノードに移動し、アノードで水の電気分解が進むようになる。したがって、これらのセルで水の凍結が起こるのを防ぐことができる。尚、この方法では、バルブの開閉に電力が消費されるものの、バッテリなどを用いて水の電気分解を進める場合に比べると、その消費量は格段に小さいもので済む。したがって、燃料電池システムの効率を大きく低下させずに生成水の凍結を防ぐことができる。 As described in the first embodiment, the cells arranged at the ends of the fuel cell stack or the like are likely to freeze at low temperatures. Therefore, as shown in FIG. 3, if the fuel gas is not supplied to the cells such as the end portions at low temperatures, the water in the cathode moves to the anode through the electrolyte membrane in order to make up for the lack of hydrogen. Water electrolysis proceeds. Therefore, freezing of water can be prevented in these cells. In this method, power is consumed to open and close the valve, but the amount of consumption is much smaller than when water is electrolyzed using a battery or the like. Therefore, freezing of generated water can be prevented without greatly reducing the efficiency of the fuel cell system.
尚、アノードを水素欠状態にした場合、カーボンと水の反応が進行することによって、アノードやカソードで腐食が発生するおそれがある。しかしながら、本実施の形態は、低温、具体的には、氷点下での水の凍結を問題としている。カーボンと水との反応は低温では抑制されるので、本実施の形態において、この反応に起因して電極が腐食するおそれはほとんどないと考えられる。さらに、水と反応するおそれの小さい材料を用いることにより、電極の劣化をより低減することが可能である。 When the anode is depleted in hydrogen, the reaction between carbon and water proceeds, which may cause corrosion at the anode or cathode. However, this embodiment has a problem of freezing water at a low temperature, specifically below freezing point. Since the reaction between carbon and water is suppressed at a low temperature, it is considered that there is almost no possibility that the electrode corrodes due to this reaction in the present embodiment. Furthermore, it is possible to further reduce the deterioration of the electrode by using a material that is less likely to react with water.
ところで、セルに供給される水素の量が少なくなると発電電圧が低下する。一方、燃料電池を起動するには、セル全体として電圧がプラスになる必要がある。したがって、セル電圧をモニターし、燃料電池スタックの端部に位置するセルの電圧がマイナスになっても、セル全体としてはプラスになるようにすることが好ましい。具体的には、燃料電池に要求される発電電力に応じたストイキ比となるように調整することが好ましい。しかしながら、セル電圧が所定値より低くなった場合には、その時点で発電を停止するようにする。例えば、電流密度が0.1A/cm2である場合に、電圧が−2.1Vより低くなった時点で発電を停止するようにすることができる。尚、この場合、各セルの電圧を個別にモニターし、所定値より電圧が低くなったセルについてのみ発電を停止するようにしてもよい。 By the way, when the amount of hydrogen supplied to the cell decreases, the generated voltage decreases. On the other hand, in order to start the fuel cell, the voltage of the entire cell needs to be positive. Therefore, it is preferable to monitor the cell voltage so that the cell as a whole becomes positive even if the voltage of the cell located at the end of the fuel cell stack becomes negative. Specifically, it is preferable to adjust the stoichiometric ratio according to the generated power required for the fuel cell. However, when the cell voltage becomes lower than a predetermined value, power generation is stopped at that time. For example, when the current density is 0.1 A / cm 2 , power generation can be stopped when the voltage becomes lower than −2.1V. In this case, the voltage of each cell may be individually monitored, and power generation may be stopped only for the cell whose voltage is lower than a predetermined value.
図3では、燃料電池スタックの一方の端部とその近傍に配列したセルについてのみ、低温時における燃料ガスの供給を停止できるようにしている。しかしながら、本実施の形態においては、燃料電池スタックの両端部とこれらの近傍(以下、本実施の形態においては両端部等と称す。)に配列したセルについて、低温時における燃料ガスの供給を停止できるようにしてもよい。 In FIG. 3, the supply of fuel gas at a low temperature can be stopped only for one end of the fuel cell stack and the cells arranged in the vicinity thereof. However, in the present embodiment, the fuel gas supply at the low temperature is stopped for the cells arranged at both ends of the fuel cell stack and in the vicinity thereof (hereinafter referred to as both ends, etc. in the present embodiment). You may be able to do it.
図4は、本実施の形態における燃料電池スタックの構成を示す概念図の他の例である。尚、セルの総数は、図4の例に限定されるものではなく、燃料電池スタックの仕様に応じて適宜設定することができる。 FIG. 4 is another example of a conceptual diagram showing the configuration of the fuel cell stack in the present embodiment. The total number of cells is not limited to the example of FIG. 4 and can be set as appropriate according to the specifications of the fuel cell stack.
図4において、燃料電池スタックには、各セル21に燃料ガスを分配する供給マニホールド22と、各セル21からの燃料オフガスをまとめて排出する排出マニホールド23とが設けられている。そして、供給マニホールド22は、燃料電池スタックの一方の端部等に配列されたセル21に燃料ガスを供給する第1の供給マニホールド部分22aと、他方の端部等に配列されたセル21に燃料ガスを供給する第2の供給マニホールド部分22bと、その他のセル21に燃料ガスを供給する第3の供給マニホールド部分22cとに分岐している。第1の供給マニホールド部分22aおよび第2の供給マニホールド部分22bには、それぞれ第1のバルブ24と第2のバルブ25が設けられており、これらのバルブを閉じることによって、第1の供給マニホールド部分22aと第2の供給マニホールド部分22bを遮断して、両端部等のセル11への燃料ガスの供給を停止できるようになっている。
In FIG. 4, the fuel cell stack is provided with a
温度が氷点下である場合には、第1のバルブ24および第2のバルブ25を閉じる。これにより、両端部等のセル11には燃料ガスが供給されなくなるので、これらのセルのアノードは水素欠状態となる。一方、その他のセル11には、第3のマニホールド22cから燃料ガスが供給される。
When the temperature is below freezing point, the
図3の構成によれば、一方の端部等のセルだけでなく、他方の端部等のセルについても、水の凍結が起こるのを防ぐことができる。但し、図2に比較するとやや複雑な構成となるので、双方のメリットおよびデメリットを比較考量して、いずれの構成とするか選択するのがよい。 According to the configuration of FIG. 3, it is possible to prevent water from freezing not only in the cells such as one end but also in the cells such as the other end. However, since the configuration is slightly more complicated than that in FIG. 2, it is better to compare and consider the merits and demerits of both, and to select which configuration.
また、図3において、第1のバルブ24と第2のバルブ25は、必ずしも開閉が同時でなくてもよい。例えば、燃料電池が搭載される車両の位置によっては、両端部でセルの温度に差が生じる場合もある。こうしたときには、先に、凍結を起こしやすい方の端部等に接続する供給マニホールド部分に設けられたバルブを閉じ、次いで、他方のバルブを閉じるようにすることが好ましい。
In FIG. 3, the
ところで、図3および図4の例では、燃料電池スタックの端から3番目までのセルを端部等のセルとして扱った。しかしながら、本実施の形態はこれに限られるものではなく、例えば、端から10番目までのセルを端部等のセルとしてもよく、20番目までのセルを端部等のセルとしてもよい。凍結を起こしやすいセルの範囲は、燃料電池スタックの構造、車両が通常走行する環境(寒冷地または温暖地)および起動時に想定される最低温度などに応じて変わるので、これらから総合的に判断して、端部等のセルの範囲を決定するのがよい。 By the way, in the example of FIG. 3 and FIG. 4, the cells from the end of the fuel cell stack to the third cell are treated as cells such as end portions. However, the present embodiment is not limited to this. For example, the tenth cell from the end may be a cell such as an end, and the 20th cell may be a cell such as an end. The range of cells that are prone to freezing varies depending on the structure of the fuel cell stack, the environment in which the vehicle normally travels (cold or warm regions), the minimum temperature assumed at startup, and so on. Thus, it is preferable to determine a range of cells such as an end portion.
しかしながら、上記のようにして端部等のセルの範囲を決定したとしても、この範囲を超えて凍結を起こすセルが発生することも予想される。そこで、本実施の形態においても、実施の形態1で説明した図2のフローチャートにしたがって、燃料電池システムを動作させることが好ましい。すなわち、温度が氷点下である場合には、端部等のセルに接続するマニホールドに設けられたバルブを閉じるとともに、通常運転時より低いストイキ比となるようにする。具体的には、予め用意した低温モードでのストイキ比マップにしたがって、燃料電池に要求される発電電力に応じたストイキ比とする。 However, even if the cell range such as the edge is determined as described above, it is expected that cells that cause freezing will occur beyond this range. Therefore, also in the present embodiment, it is preferable to operate the fuel cell system according to the flowchart of FIG. 2 described in the first embodiment. That is, when the temperature is below the freezing point, the valve provided in the manifold connected to the cell such as the end is closed and the stoichiometric ratio is lower than that in the normal operation. Specifically, the stoichiometric ratio according to the generated power required for the fuel cell is set in accordance with the stoichiometric ratio map in the low-temperature mode prepared in advance.
一方、温度が氷点下より高い場合には、端部等のセルに接続するマニホールドに設けられたバルブを開くとともに、通常運転時でのストイキ比とする。この場合にも、予め用意した通常モードでのストイキ比マップにしたがって、燃料電池に要求される発電電力に応じたストイキ比とする。 On the other hand, when the temperature is higher than below freezing point, a valve provided in a manifold connected to a cell such as an end is opened, and the stoichiometric ratio during normal operation is set. Also in this case, the stoichiometric ratio according to the generated power required for the fuel cell is set in accordance with the stoichiometric ratio map in the normal mode prepared in advance.
低ストイキ比での運転でも、発電に伴う発熱で燃料電池スタックの温度は次第に上昇していく。そして、水が凍結しない温度、具体的には、氷点下より高い温度まで上昇したところで、燃料電池システムの起動は終了したと判断して通常運転時のストイキ比とする。 Even during operation at a low stoichiometric ratio, the temperature of the fuel cell stack gradually rises due to heat generated by power generation. Then, when the temperature rises to a temperature at which water does not freeze, specifically, to a temperature higher than the freezing point, it is determined that the start of the fuel cell system has ended, and the stoichiometric ratio during normal operation is set.
このように、ストイキ比を変えることによって、端部等に配列されたセル以外のセルに供給される燃料ガスの量も少なくすることができる。これにより、全てのセルにおいて、水の分解を促進することが可能となるので、端部等のセル以外のセルで水の凍結が起こるのを抑制することができる。 In this way, by changing the stoichiometric ratio, the amount of fuel gas supplied to cells other than the cells arranged at the end portions or the like can be reduced. Thereby, since it becomes possible to accelerate | stimulate decomposition | disassembly of water in all the cells, it can suppress that water freezes in cells other than cells, such as an edge part.
尚、この場合にも、セル全体として電圧がプラスになるようにストイキ比を調整することが好ましい。そして、セル電圧が所定値より低くなった場合には、その時点で発電を停止するようにする。例えば、電流密度が0.1A/cm2である場合に、電圧が−2.1Vより低くなった時点で発電を停止するようにすることができる。また、各セルの電圧を個別にモニターし、所定値より電圧が低くなったセルについてのみ発電を停止するようにしてもよい。 In this case as well, it is preferable to adjust the stoichiometric ratio so that the voltage of the entire cell becomes positive. When the cell voltage becomes lower than a predetermined value, power generation is stopped at that time. For example, when the current density is 0.1 A / cm 2 , power generation can be stopped when the voltage becomes lower than −2.1V. Alternatively, the voltage of each cell may be monitored individually, and power generation may be stopped only for cells whose voltage is lower than a predetermined value.
本発明は上記各実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々変形して実施することができる。 The present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
例えば、実施の形態1〜3のいずれにおいても、端部または端部およびその近傍のセルに対し、水の電気分解を促進させることのできる触媒を含有した電極を用い、電極内で電気化学反応が進行する領域では水の電気分解が起こらないようにしてもよい。これにより、水の電気分解によって電位が上昇し、電極反応に関与する触媒が劣化して燃料電池の特性が低下するのを防ぐことができる。 For example, in any of the first to third embodiments, an electrode containing a catalyst capable of promoting electrolysis of water is used for the end portion or the end portion and a cell in the vicinity thereof, and an electrochemical reaction is performed in the electrode. Water electrolysis may be prevented from occurring in the region where the water vapor proceeds. As a result, it is possible to prevent the potential from rising due to the electrolysis of water and the deterioration of the characteristics of the fuel cell due to deterioration of the catalyst involved in the electrode reaction.
1,11,21 セル
2 膜−電極−ガス拡散層アッセンブリ
3,4 セパレータ
5 電解質膜
6 アノード
7 カソード
8,9 ガス拡散層
12,22 供給マニホールド
13,23 排出マニホールド
14 バルブ
24 第1のバルブ
25 第2のバルブ
1,11,21
Claims (6)
前記燃料電池スタックの発電中であって前記セルが所定温度以下であるときに、前記燃料電池スタックに供給する燃料ガスの量を、前記セルが所定温度より高いときに比べて少なくする制御手段とを有することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell stack in which a plurality of cells are stacked and the cell at the end in the stacking direction has a higher pressure loss than the center cell;
Control means for reducing the amount of fuel gas supplied to the fuel cell stack when the fuel cell stack is generating power and the cell is below a predetermined temperature compared to when the cell is higher than the predetermined temperature; A fuel cell system comprising:
前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給する供給マニホールドと、
前記燃料電池スタックから排出される燃料オフガスを排出する排出マニホールドとを有し、
前記供給マニホールドは、前記燃料電池スタックの一方の端部とその近傍に配列したセルに燃料ガスを供給する第1の供給マニホールド部分と、その他のセルに燃料ガスを供給する第2の供給マニホールド部分とに分岐していて、前記燃料電池スタックの発電中であって前記セルが所定温度以下であるときには、前記第1の供給マニホールド部分を遮断することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell stack in which a plurality of cells are stacked;
A supply manifold for supplying fuel gas to the fuel cell stack;
A discharge manifold for discharging fuel off-gas discharged from the fuel cell stack,
The supply manifold includes a first supply manifold portion for supplying fuel gas to one end of the fuel cell stack and cells arranged in the vicinity thereof, and a second supply manifold portion for supplying fuel gas to other cells. The fuel cell system is characterized in that the first supply manifold portion is shut off when the fuel cell stack is generating power and the cell is at a predetermined temperature or lower.
前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給する供給マニホールドと、
前記燃料電池スタックから排出される燃料オフガスを排出する排出マニホールドとを有し、
前記供給マニホールドは、前記燃料電池スタックの一方の端部とその近傍に配列したセルに燃料ガスを供給する第1の供給マニホールド部分と、前記燃料電池スタックの他方の端部とその近傍に配列したセルに燃料ガスを供給する第2の供給マニホールド部分と、その他のセルに燃料ガスを供給する第3の供給マニホールド部分とに分岐していて、前記燃料電池スタックの発電中であって前記セルが所定温度以下であるときには、前記第1の供給マニホールド部分と前記第2の供給マニホールド部分を遮断することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell stack in which a plurality of cells are stacked;
A supply manifold for supplying fuel gas to the fuel cell stack;
A discharge manifold for discharging fuel off-gas discharged from the fuel cell stack,
The supply manifold is arranged at one end of the fuel cell stack and a first supply manifold portion for supplying fuel gas to cells arranged in the vicinity thereof, and at the other end of the fuel cell stack and in the vicinity thereof. A second supply manifold portion for supplying fuel gas to the cells and a third supply manifold portion for supplying fuel gas to the other cells; When the temperature is equal to or lower than a predetermined temperature, the fuel cell system is characterized in that the first supply manifold portion and the second supply manifold portion are shut off.
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