JP2008097835A - Fuel cell system - Google Patents
Fuel cell system Download PDFInfo
- Publication number
- JP2008097835A JP2008097835A JP2006274430A JP2006274430A JP2008097835A JP 2008097835 A JP2008097835 A JP 2008097835A JP 2006274430 A JP2006274430 A JP 2006274430A JP 2006274430 A JP2006274430 A JP 2006274430A JP 2008097835 A JP2008097835 A JP 2008097835A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- gas
- fuel cell
- oxidant
- fuel
- amount
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
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.
燃料電池システムでは、燃料極側から酸化剤極側への燃料ガスが透過するクロスオーバーが発生する。このクロスオーバーによる燃料ガスの透過量は、燃料電池システムを長時間運転していると増加する傾向にある。燃料ガス透過量の増加は、燃料電池内の電解質膜の分解が原因の1つであると考えられている。電解質膜は、燃料ガスが水素であり、酸化剤ガスが酸素である場合、燃料電池内で発生した過酸化水素水により分解される。すなわち、酸化剤極側から酸素が透過し、燃料極側の触媒層において、
O2+2H++2e−=H2O2 (1)
なる反応が起こる。ここで、過酸化水素水は、水酸化ラジカル(OH)を発生させ、このラジカル類が電解質膜を分解させる。さらに、電解質膜が分解されると酸素のクロスオーバー量が増加するため、より多くの過酸化水素水が発生して電解質膜の分解は一層促進される。
In the fuel cell system, a crossover in which the fuel gas passes from the fuel electrode side to the oxidant electrode side occurs. The amount of fuel gas permeated by this crossover tends to increase when the fuel cell system is operated for a long time. The increase in the fuel gas permeation amount is considered to be caused by the decomposition of the electrolyte membrane in the fuel cell. When the fuel gas is hydrogen and the oxidant gas is oxygen, the electrolyte membrane is decomposed by the hydrogen peroxide generated in the fuel cell. That is, oxygen permeates from the oxidant electrode side, and in the catalyst layer on the fuel electrode side,
O 2 + 2H + + 2e − = H 2 O 2 (1)
The following reaction occurs. Here, the hydrogen peroxide solution generates hydroxyl radicals (OH), and these radicals decompose the electrolyte membrane. Further, when the electrolyte membrane is decomposed, the amount of oxygen crossover increases, so that more hydrogen peroxide water is generated and the decomposition of the electrolyte membrane is further promoted.
そこで、燃料極と酸化剤極との間に新たな触媒層が設けられ、この触媒層において水素と酸素との反応を促進させる燃料電池が提案されている。この燃料電池では、電解質膜内に、酸化剤極及び燃料極と電子導電的に絶縁された触媒層が形成され、触媒層において水素と酸素とを反応させて水を生成するため、上記式(1)の反応を抑制することとなり、電解質膜の分解を抑制することができる(例えば特許文献1参照)。
しかし、一般的に電解質膜中の電位は低く、電位が0.68〔V〕よりも低い場合、新たに設けた触媒層において上記式(1)の反応が発生してしまう。このため、従来の燃料電池システムは、過酸化水素水の発生により電解質膜が分解されることとなり、分解が進むと酸素のクロスオーバー量が増加し、より多くの過酸化水素水が発生して電解質膜の分解は一層促進されてしまう。なお、この問題は、燃料ガスが水素であり酸化剤ガスが酸素である場合に限らず、式(1)のような反応が起こり、ラジカル類を発生させてしまう場合に共通するものである。 However, generally, the potential in the electrolyte membrane is low, and when the potential is lower than 0.68 [V], the reaction of the above formula (1) occurs in the newly provided catalyst layer. For this reason, in the conventional fuel cell system, the electrolyte membrane is decomposed by the generation of the hydrogen peroxide solution. As the decomposition proceeds, the amount of oxygen crossover increases, and more hydrogen peroxide solution is generated. The decomposition of the electrolyte membrane is further promoted. This problem is not limited to the case where the fuel gas is hydrogen and the oxidant gas is oxygen, but is common in the case where a reaction such as the equation (1) occurs and radicals are generated.
本発明はこのような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、ラジカル類の発生を抑えて電解質膜の分解を抑制することが可能な燃料電池システムを提供することにある。 The present invention has been made to solve such a conventional problem, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of suppressing the generation of radicals and suppressing the decomposition of the electrolyte membrane. There is to do.
本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、燃料ガス供給手段と、酸化剤ガス供給手段と、透過ガス量推定手段と、酸化剤ガス消費手段と、制御手段とを備えている。燃料電池は、燃料ガスの供給を受ける燃料極、酸化剤ガスの供給を受ける酸化剤極および両極間に挟持された電解質膜を有し、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させることにより発電を行う。燃料ガス供給手段は燃料電池の燃料極側に燃料ガスを供給する。酸化剤ガス供給手段は燃料電池の酸化剤極側に酸化剤ガスを供給する。透過ガス量推定手段は電解質膜を通して単位時間あたりに燃料極側から酸化剤極側に又は酸化剤極から燃料極側に透過する透過ガス量を推定する。酸化剤ガス消費手段は酸化剤極側の酸化剤ガスを消費する。制御手段は透過ガス量推定手段により推定された透過ガス量が所定量以上の場合に、酸化剤ガス消費手段により酸化剤極側の酸化剤ガスを消費させる。 The fuel cell system of the present invention includes a fuel cell, fuel gas supply means, oxidant gas supply means, permeated gas amount estimation means, oxidant gas consumption means, and control means. A fuel cell has a fuel electrode supplied with fuel gas, an oxidant electrode supplied with oxidant gas, and an electrolyte membrane sandwiched between the two electrodes, and generates power by reacting the fuel gas and oxidant gas. Do. The fuel gas supply means supplies fuel gas to the fuel electrode side of the fuel cell. The oxidant gas supply means supplies oxidant gas to the oxidant electrode side of the fuel cell. The permeated gas amount estimating means estimates the permeated gas amount permeating from the fuel electrode side to the oxidant electrode side or from the oxidant electrode side to the fuel electrode side per unit time through the electrolyte membrane. The oxidant gas consumption means consumes the oxidant gas on the oxidant electrode side. The control means consumes the oxidant gas on the oxidant electrode side by the oxidant gas consumption means when the permeate gas amount estimated by the permeate gas amount estimation means is a predetermined amount or more.
本発明によれば、電解質膜を通して単位時間あたりに燃料極側から酸化剤極側に透過する透過ガス量を推定し、推定した透過ガス量が所定量以上の場合に、酸化剤極側の酸化剤ガスを消費させる。このように、電解質膜を透過する透過ガス量が大きくなったときに酸化剤極側の酸化剤ガスを消費させるため、酸化剤ガスと燃料ガスとの反応によるラジカル類の発生量を減少させることができる。従って、ラジカル類の発生を抑えて電解質膜の分解を抑制することができる。 According to the present invention, the amount of permeated gas permeating from the fuel electrode side to the oxidant electrode side per unit time through the electrolyte membrane is estimated, and when the estimated permeated gas amount is a predetermined amount or more, the oxidation on the oxidant electrode side is estimated. The agent gas is consumed. In this way, when the amount of permeated gas that permeates through the electrolyte membrane becomes large, the oxidant gas on the oxidant electrode side is consumed, so the amount of radicals generated by the reaction between the oxidant gas and the fuel gas is reduced. Can do. Therefore, generation of radicals can be suppressed and decomposition of the electrolyte membrane can be suppressed.
以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。同図に示すように、燃料電池システム1は、燃料電池10と、燃料ガス供給系20(燃料ガス供給手段)と、燃料ガス排出系30と、燃料ガス循環系40と、酸化剤ガス供給系(酸化剤ガス供給手段)50と、酸化剤ガス排出系60と、燃焼触媒70と、負荷系80とを備えている。
FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. As shown in the figure, a
燃料電池10は、燃料ガス(水素ガス)の供給を受ける燃料極11と、酸化剤ガス(酸素(具体的には酸素を含む空気))の供給を受ける酸化剤極12とを有し、供給された燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電するものである。また、燃料極11と酸化剤極12とは電解質膜を挟んで重ね合わされて発電セルを構成し、燃料電池10は、発電セルが複数層積層されたスタック構造となっている。
The
図2は、図1に示した燃料電池10の単位セルの詳細構成図である。図2に示すように、燃料電池10は固体高分子電解質膜13(以下単に電解質膜という)を有している。電解質膜13が両極11,12に挟持されている。燃料極11は、多孔質カーボンに白金などの貴金属を担持した触媒および水素イオン導電性を有する高分子電解質との混合物からなる燃料極触媒層11aと、燃料極触媒層11aの上に積層された通気性および電子導電性を有するガス拡散層11bとを有している。同様に、酸化剤極12は、触媒および高分子電解質との混合物からなる酸化剤極触媒層12aと、酸化剤極触媒層12aの上に積層された通気性および電子導電性を有するガス拡散層12bとを有している。また、両極11,12は、燃料ガスおよび酸化剤ガスの流路14a,15aを有するセパレータ14,15で挟持されている。
FIG. 2 is a detailed configuration diagram of a unit cell of the
再度、図1を参照する。燃料ガス供給系20は、燃料電池の燃料極側に水素を供給するものであって、水素タンク21と、水素供給配管22と、減圧弁23と、流量コントローラ24とからなっている。水素タンク21は、燃料電池10の燃料極11に供給する水素ガスを蓄えておくものである。水素供給配管22は水素タンク21と燃料電池10の燃料極側入口とを接続し、水素タンク21からの水素ガスを燃料極側入口まで導くものである。減圧弁23は、水素タンク21内の高圧水素ガスを機械的に所定圧まで減圧するものである。流量コントローラ24は、燃料電池10の燃料極11に供給する水素流量を制御するものである。
Reference is again made to FIG. The fuel
燃料ガス排出系30は、燃料電池10の燃料極側から排出されたガスを外部に排出するものであって、ガス排出配管31を備えている。ガス排出配管31は、燃料電池10の燃料極側出口と燃焼触媒70とを接続するものであって、燃料電池10の燃料極側から排出されたオフガスを燃焼触媒70を介して外部に導くための流路となるものである。また、燃料ガス排出系30は、パージ弁(不図示)を有している。パージ弁は、開閉自在に制御されるものであり、開閉動作することにより流路を遮断したり開放したりしてガスの外部への排出を制御するものである。なお、燃焼触媒70は、燃料電池10の燃料極側からの排水素及び酸化剤極側からの排空気を燃焼処理するものである。
The fuel
燃料ガス循環系40は、発電に寄与することなく排出された水素ガスを再利用するためのものであって、循環配管41と、水素ポンプ42と、第1三方弁43と、第2三方弁44とを備えている。循環配管41は、一端がガス排出配管31に接続され、他端が水素供給配管22に接続され、燃料電池10の燃料極側から排出されたオフガスを循環させて再度燃料電池10の燃料極側に送り込む流路となるものである。水素ポンプ42は、循環配管41上に設けられ、燃料電池10の燃料極側から排出されたガスを循環させて再度燃料電池10の燃料極側に送り込む動力源となるものである。第1三方弁43は、循環配管41の一端側に接続され、燃料電池10の燃料極側から排出されたガスを燃焼触媒70まで導くか、循環配管41に導入させるかを切り替えるものである。第2三方弁44は、循環配管41の他端側に接続され、水素タンク21からの水素ガスを燃料電池10の燃料極側に導くか、循環配管41を通じて循環されるガスを燃料電池10の燃料極側に導くかを切り替えるものである。
The fuel
酸化剤ガス供給系50は、燃料電池10の酸化剤極側に酸素を供給するものであって、空気供給配管51と、コンプレッサ52と、フィルタ53とを備えている。空気供給配管51は、外部と燃料電池10の酸化剤極側入口とを接続するものであり、空気を燃料電池10の酸化剤極12に導く流路となるものである。コンプレッサ52は、空気供給配管51上に設けられ、外気を取り込み圧縮して燃料電池10の酸化剤極12に送り込むものである。フィルタ53は、コンプレッサ52の動作によって外気と共に流入する塵などを除去するものである。
The oxidant
酸化剤ガス排出系60は、空気排出配管61とを備えている。空気排出配管61は、燃料電池10の酸化剤極側出口と燃焼触媒70とを接続するものであって、燃料電池10の酸化剤極側から排出されたガスを外部に導くための流路となるものである。また、酸化剤ガス排出系60は圧力調整弁(不図示)を有している。圧力調整弁は、空気排出配管61上に設けられ、外部に排出するガス量を制御するものである。また、圧力調整弁は、ガスの排出量を制御することにより燃料電池10の酸化剤極側の圧力を調整可能となっている。
The oxidant
負荷系80は、負荷81と、バッテリ82と、スイッチ83と、リレー84とを備えている。負荷81は、例えば燃料電池システム1が車両に搭載される場合、車両の駆動動力源となる駆動モータなどであり、燃料電池10の発電電力により動作するものである。バッテリ82は、要求された電力量のうち燃料電池10から供給できない不足分の電力量を負荷81に供給するものである。また、バッテリ82は、燃料電池10の発電電力が余剰になったときに電力を蓄電し、且つ、負荷81が駆動モータである場合、駆動モータによる回生電力を蓄電するようになっている。スイッチ83とリレー84とは、燃料電池10から負荷81への電力供給、バッテリ82から負荷への電力供給、及び負荷81からバッテリ82への充電動作に応じて制御されるものである。
The
さらに、上記の燃料電池システム1は、各種センサ91〜94と、制御部(透過ガス量推定手段、酸化剤ガス消費手段、制御手段、電流制御手段)100とを備えている。各種センサ91〜94のうち第1圧力センサ91は、燃料電池10の燃料極側の水素圧力を測定するものであり、第2圧力センサ92は、燃料電池10の酸化剤極側の酸素圧力を測定するものである。電流センサ93は、燃料電池10の電流を検出するものである。電圧センサ(電圧検出手段)94は、燃料電池10の電圧を検出するものである。なお、この電圧センサ94は、単位セルごとの電圧を測定可能な構成となっているものとする。
Further, the
制御部100は、例えば中央演算ユニット(CPU)、ランダムアクセスメモリ(RAM)、リードオンメモリ(ROM)、及び入出力インターフェース(I/Oインターフェース)によって構成され、透過ガス量推定機能と、酸化剤ガス消費機能と、制御機能と、電流制御機能とを有する。
The
透過ガス量推定機能は、電解質膜13を通して単位時間あたりに燃料極側から酸化剤極側に又は酸化剤極側から燃料極側に透過する透過ガス量を推定する機能である。酸化剤ガス消費機能は、酸化剤極側の酸素を消費する機能である。制御機能は、透過ガス量推定機能により推定された透過ガス量が所定量以上の場合に、酸化剤ガス消費機能によって酸化剤極側の酸化剤ガスを消費させるように制御を行う機能である。電流制御機能は、燃料電池10のセルに電流を流す機能である。
The permeated gas amount estimation function is a function for estimating the permeated gas amount permeating from the fuel electrode side to the oxidant electrode side or from the oxidant electrode side to the fuel electrode side per unit time through the
燃料電池システムの運転中において、透過ガス量推定機能は、燃料電池10の電解質膜13の劣化によってクロスオーバーする透過ガス量が多大になっていないかをチェックしている。そして、制御機能は、クロスオーバーするガス量が多大になっている場合、すなわち透過ガス量推定機能により推定された透過ガス量が所定量以上の場合に、酸化剤ガス消費機能によって酸化剤極側の酸化剤ガスを消費させる。これにより、上記(1)式の反応を抑制して水酸化ラジカル(OH)の発生を抑制するようにしている。
During the operation of the fuel cell system, the permeate gas amount estimation function checks whether the amount of permeate gas that crosses over due to deterioration of the
図3は、本実施形態に係る燃料電池システム1の動作を示すフローチャートであり、燃料電池システム1の起動、電解質膜の劣化確認、劣化時の運転動作、及び、劣化時のシステム停止動作までの一連の流れを示している。
FIG. 3 is a flowchart showing the operation of the
まず、図3に示すように、制御部100は、燃料ガス供給系20を制御して水素供給を開始させる(ST1)。次に、制御部100は、コンプレッサ52を始動させて(ST2)、空気供給を開始させる。次いで、制御部100は、一定時間経過したか否かを判断する(ST3)。一定時間経過していないと判断した場合(ST3:NO)、一定時間経過したと判断されるまで、この処理は繰り返される。
First, as shown in FIG. 3, the
一方、一定時間経過したと判断した場合(ST3:YES)、制御部100の透過ガス量推定機能は水素利用率を減少させる(ST4)。このとき、透過ガス量推定機能は、燃料極側に供給する水素の流量を増加させることで、水素利用率を減少させる。これにより、燃料極側の圧力を増加させることとなり、クロスオーバーする気体の流量を増加させることとなる。なお、透過ガス量推定機能は、水素利用率を減少させるのに代えて、酸素利用率を減少させるようにしてもよい。
On the other hand, when it is determined that a certain time has elapsed (ST3: YES), the permeate gas amount estimation function of the
次に、制御部100の制御機能は、電流センサ93により検出された電流値から燃料電池の電流密度を求め、この電流密度が所定電流密度I1を超えるか否かを判断する(ST5)。ここで、電解質膜13を通じて両極間を流れるガス量が大きくなると、正常な発電が行われず燃料電池10の電圧は低下し、同時に電流は増加する傾向にある。故に、ステップST5において制御機能は、電流センサ93の検出値から得られた電流密度と、所定電流密度I1とを比較することにより、クロスオーバー量が多大となっているか判断する。
Next, the control function of the
なお、制御機能は、電流密度が所定電流密度I1を超えるか否かを判断するのに代えて、燃料電池10の電圧が規定の電圧値以下となるか否かを判断するようにしてもよい。この場合、電流制御機能は燃料電池10のセルに所定電流を流す。そして、電流を流したセルの電圧を電圧センサ94によって検出する。制御機能は、検出電圧が規定の電圧値V0以下であるかを判断して、電流密度が所定電流密度I1を超えるかを判断するようにしてもよい。
The control function may determine whether or not the voltage of the
さらに、制御機能は、上記の所定電流を「0」アンペアとすることが望ましい。すなわち、制御機能は、開放端電圧に基づいて、電流密度が所定電流密度I1を超えるか否かを判断することが望ましい。これにより、電流密度が所定電流密度I1を超えるか否かを判断するにあたり、電流を流す必要がなく、一層簡易に電流密度が所定電流密度I1を超えるか否かを判断することができる。 Furthermore, the control function desirably sets the predetermined current to “0” amperes. That is, it is desirable for the control function to determine whether or not the current density exceeds a predetermined current density I1 based on the open circuit voltage. Thus, it is not necessary to pass a current when determining whether or not the current density exceeds the predetermined current density I1, and it can be determined whether or not the current density exceeds the predetermined current density I1.
また、所定電流密度I1は、以下のようにして決定される。初期状態の燃料電池10の電解質膜13を通して単位時間あたりに流れるガス量をAとした場合、所定電流密度I1はAの3倍のガス量を基準に設定される。これにより、温度や湿度による変化や誤差を含めても有意な増加と考えることができる値を基準とすることができる。
The predetermined current density I1 is determined as follows. Assuming that the amount of gas flowing per unit time through the
ここで、電流密度が所定電流密度I1を超えないと判断した場合(ST5:NO)、制御部100の透過ガス量推定機能は水素利用率を増加させる(ST6)。すなわち、透過ガス量推定機能は、ステップST4において減少させた水素利用率をもとに戻すように制御する。その後、処理はステップST3に移行する。
When it is determined that the current density does not exceed the predetermined current density I1 (ST5: NO), the permeated gas amount estimation function of the
一方、電流密度が所定電流密度I1を超えたと判断した場合(ST5:YES)、制御機能は、クロスオーバー量が多大になっていると判断する。そして、酸化剤ガス消費機能は、酸素利用率を増加させる(ST7)。すなわち、酸化剤ガス消費機能は、コンプレッサ52の回転数を減少させて、燃料電池10への酸素供給量を減少させる。これにより、燃料電池10内では酸素が不足することとなり、結果として酸化剤極側の酸素を消費させていくこととなる。なお、燃料電池10内では酸素が不足すると、燃料電池10の電圧は減少していく。
On the other hand, when it is determined that the current density exceeds the predetermined current density I1 (ST5: YES), the control function determines that the crossover amount is large. The oxidant gas consumption function increases the oxygen utilization rate (ST7). That is, the oxidant gas consumption function decreases the rotation speed of the
そして、制御機能は、電圧センサ94により検出される単位セルの電圧が所定電圧値V1以下か否かを判断する(ST8)。すなわち、制御機能は、検出電圧が所定電圧値V1以下かを判断することで、酸化剤極側の酸素が不足状態であるかを確認している。この酸素の不足状態によって、たとえ電解質膜13の劣化によりクロスオーバー量が大きくなっていても、ラジカル類の発生を抑制することができる。
Then, the control function determines whether the voltage of the unit cell detected by the
ここで、検出電圧が所定電圧値V1以下でないと判断した場合(ST8:NO)、処理はステップST7に移行する。一方、検出電圧が所定電圧値V1以下であると判断した場合(ST8:YES)、制御部100は、運転モードを緊急運転モードに設定する(ST9)。運転モードを緊急運転モードに設定した場合、後の運転制御において制御機能は、電圧センサ94により検出される電圧が所定電圧値V1以下となるように維持する。これにより、継続的にラジカル類の発生を抑制することができる。
If it is determined that the detected voltage is not equal to or lower than the predetermined voltage value V1 (ST8: NO), the process proceeds to step ST7. On the other hand, when determining that the detected voltage is equal to or lower than the predetermined voltage value V1 (ST8: YES), the
緊急運転モードに設定した後、制御部100は、燃料電池システム1の運転停止を示す停止信号が入力したか否かを判断する(ST10)。停止信号が入力していない場合(ST10:NO)、入力したと判断されるまで、この処理が繰り返される。一方、停止信号が入力したと判断した場合(ST10:YES)、制御機能は、コンプレッサ52を停止させ、酸化剤ガスの供給を停止させる(ST11)。
After setting to the emergency operation mode, the
その後、制御機能は、負荷系80を制御して燃料電池10から電流を取り出す(ST12)。そして、制御機能は、燃料電池10のセル電圧が「0.2」V以下であるか否かを判断する(ST13)。セル電圧が「0.2」V以下でないと判断した場合(ST13:NO)、処理はステップST12に移行する。
Thereafter, the control function controls the
一方、セル電圧が「0.2」V以下であると判断した場合(ST13:YES)、制御機能は、燃料ガス供給系20からの水素供給を停止させる(ST14)。そして、燃料電池システム1は停止し、処理は終了する。このように、ステップST11で酸素供給を停止しステップST12で電流を取り出したうえで燃料電池システム1を停止させる。このため、酸素を消費させたうえで燃料電池システム1を停止させることとなり、システム停止後にラジカル類の発生を抑えることができる。なお、電流取り出しに代えて、両極11,12を短絡させるようにしてもよい。
On the other hand, when it is determined that the cell voltage is “0.2” V or less (ST13: YES), the control function stops the hydrogen supply from the fuel gas supply system 20 (ST14). Then, the
次に、ステップST8の所定電圧値V1について説明する。図4は、図3のステップST8の所定電圧値V1を示す図である。図4では、電流が流れていない状態(0A/cm2)から1.2A/cm2の負荷を取り出し、再度0A/cm2に戻す操作を1サイクルとし、このサイクルを複数回行うという負荷変動試験を行い、4つの制御状態それぞれにおいて所定時間間隔で開放端電圧を測定した結果を示している。 Next, the predetermined voltage value V1 in step ST8 will be described. FIG. 4 is a diagram showing the predetermined voltage value V1 in step ST8 of FIG. In FIG. 4, the load fluctuation is such that an operation in which a load of 1.2 A / cm 2 is taken out from a state where current is not flowing (0 A / cm 2 ) and returned to 0 A / cm 2 is one cycle, and this cycle is performed a plurality of times. The test shows the results of measuring the open-circuit voltage at predetermined time intervals in each of the four control states.
4つの制御状態とは、ステップST8の所定電圧値V1を0.9Vとし、その後の運転においても電圧を0.9Vに維持した場合(方法1)、0.88Vとし、その後の運転においても電圧を0.88Vに維持した場合(方法2)、及び0.85Vとし、その後の運転においても電圧を0.85Vに維持した場合(方法3)、並びにステップST8の制御を行わずその後の運転においても電圧制御しなかった場合(方法4)をいう。 The four control states are: when the predetermined voltage value V1 in step ST8 is 0.9V and the voltage is maintained at 0.9V in the subsequent operation (method 1), the voltage is 0.88V, and the voltage is also applied in the subsequent operation. Is maintained at 0.88V (method 2), and 0.85V, and the voltage is maintained at 0.85V in the subsequent operation (method 3), and in the subsequent operation without performing the control of step ST8. The case where the voltage is not controlled (method 4).
図4に示すように、ステップST8の制御を行わずその後の運転においても電圧制御しない方法4の場合、ある特定の時間帯において開放端電圧が急減少している。これは、クロスオーバー量の増大により、電解質膜13が劣化して燃料電池10の性能を維持できなくなったためと考えられる。
As shown in FIG. 4, in the case of Method 4 in which the control in step ST <b> 8 is not performed and the voltage is not controlled in the subsequent operation, the open-circuit voltage rapidly decreases in a specific time zone. This is presumably because the
これに対し、電圧制御を行う方法1〜3の場合、方法4のように開放端電圧の急減少がなくなっており、電解質膜13の劣化を抑制されていることがわかる。特に、0.88Vに制御する方法2の場合が最も長時間に亘り高い電圧を維持している。このため、ステップST8の所定電圧値V1は0.88Vであることが望ましいといえる。なお、電圧センサ94が単位セルの電圧でなく、直列接続されるN個(Nは2以上の整数)のセルの電圧を一括して検出する場合、所定電圧値V1は0.88ボルトにNを乗じた電圧をとされることが望ましい。
On the other hand, in the case of
図5は、本実施形態に係る燃料電池システム1の動作を示すフローチャートであり、緊急運転モードに設定されているときにシステム起動するときの処理を示している。図5に示すように、緊急運転モード設定時にシステム起動する場合、制御機能は、負荷系80を制御して燃料電池10から電流を取り出す(ST21)。次に、制御機能は、燃料ガス供給系20を制御して水素供給を開始させる(ST22)。次に、制御機能は、コンプレッサ52を始動させて(ST23)、空気供給を開始させる。
FIG. 5 is a flowchart showing the operation of the
その後、制御機能は、電圧センサ94により検出されたセル電圧が「0.5」V以上であるか否かを判断する(ST24)。セル電圧が「0.5」V以上でないと判断した場合(ST24:NO)、セル電圧が「0.5」V以上であると判断されるまで、この処理が繰り返される。
Thereafter, the control function determines whether or not the cell voltage detected by the
一方、セル電圧が「0.5」V以上であると判断した場合(ST24:YES)、図5に示す起動処理を終了する。ここで、ガス供給してから電流を取り出すと、一旦燃料電池10の電圧が所定電圧値V1(例えば0.88V)を超えてしまうことがある。すなわち、酸化剤極側の酸素を不足状態とできず、ラジカル類の発生を抑制できなくなってしまう。ところが、上記のように、電流を取り出しつつガス供給することで、燃料電池10の電圧を所定電圧値V1以下に抑制し、起動時においてもラジカル類の発生を抑制することができる。
On the other hand, when it is determined that the cell voltage is “0.5” V or more (ST24: YES), the start-up process shown in FIG. 5 is terminated. Here, once the gas is supplied and the current is taken out, the voltage of the
このようにして、本実施形態に係る燃料電池システム1によれば、電解質膜13を通して単位時間あたりに燃料極側から酸化剤極側に又は酸化剤極側から燃料極側に透過する透過ガス量を推定し、推定した透過ガス量が所定量以上の場合に、酸化剤極側の酸素を消費させる。このように、電解質膜13を透過する透過ガス量が大きくなったときに酸化剤極側の酸素を消費させるため、酸素と水素との反応によるラジカル類の発生量を減少させることができる。従って、ラジカル類の発生を抑えて電解質膜13の分解を抑制することができる。
Thus, according to the
また、透過ガス量が大きくなると、正常な発電反応が行われず燃料電池10の電圧が低下し、同時に電流密度は増加する。このため、燃料電池10の電流密度から電解質膜13を透過する透過ガス量を推定し、電流密度が所定電流密度I1を超える場合に、透過ガス量が所定量以上であると判断して、酸化剤極側の酸化剤ガスを消費させる。これにより、透過ガス量を直接計測せず、電流状態から透過ガス量を求めることができ、簡易に透過ガス量を推定することができる。
Further, when the amount of permeated gas is increased, normal power generation reaction is not performed, the voltage of the
また、酸化剤極側の酸化剤ガスを消費させた後、燃料電池10の電圧を所定電圧以下に維持する。これにより、酸化剤極側の酸化剤ガスを消費させた状態を維持し、継続的にラジカル類の発生を抑えて電解質膜13の分解を抑制することができる。
Further, after the oxidant gas on the oxidant electrode side is consumed, the voltage of the
また、所定電流は0アンペアである。すなわち、開放端電圧に基づいて、電流密度が所定電流密度I1を超えるか否かを判断する。これにより、電流密度が所定電流密度I1を超えるか否かを判断するにあたり、電流を流す必要がなく、一層簡易に電流密度が所定電流密度I1を超えるか否かを判断することができる。 The predetermined current is 0 amperes. That is, it is determined whether or not the current density exceeds the predetermined current density I1 based on the open circuit voltage. Thus, it is not necessary to pass a current when determining whether or not the current density exceeds the predetermined current density I1, and it can be determined whether or not the current density exceeds the predetermined current density I1.
また、透過ガス量を推定するにあたり、燃料極側の圧力又は酸化剤極側の圧力を増加させる。これにより、クロスオーバーする気体流量を大きくすることができ、燃料電池10の電圧の低下を顕著とすることができる。従って、透過ガス量が所定量以上か否かの判断について精度を向上させることができる。
In estimating the amount of permeated gas, the pressure on the fuel electrode side or the pressure on the oxidant electrode side is increased. Thereby, the gas flow rate which crosses over can be enlarged, and the fall of the voltage of the
また、酸化剤ガス消費機能は、酸素の利用率を上げることにより、酸化剤極側の酸素を消費する。すなわち、燃料電池10への酸素の供給流量を減少させて、酸素の利用率を上げることとし、酸素を不足状態にして酸化剤極側の酸素を消費する。これにより、簡易に酸素を消費させることができる。なお、燃料電池10への酸素の供給流量を減少させた場合、電解質膜13から持ち出される水の量が減るため、電解質膜13を湿潤とすることもできる。さらには、電解質膜13を湿潤とするため、一時的にクロスオーバーするガス量を減少させることができる。
The oxidant gas consumption function consumes oxygen on the oxidant electrode side by increasing the utilization rate of oxygen. That is, the supply flow rate of oxygen to the
また、透過ガス量が所定量以上の場合であってシステムを停止させるときには、酸素供給を停止させた後、燃料極11と酸化剤極12とを短絡させ又は燃料電池10から電流を取り出し、その後水素供給を停止させる。ここで、燃料極11と酸化剤極12とを短絡させ又は燃料電池10から電流を取り出すことにより、水素と酸素とを消費させることができる。よって、酸素供給を停止させた後に、上記を行うことで、酸素のみを消費させることとなる。その後、水素供給を停止させるため、酸素の消費が進んだうえで、燃料電池システム1を停止させることとなる。従って、システム停止後においてもラジカル類の発生を抑えることができる。
When the permeated gas amount is a predetermined amount or more and the system is to be stopped, after the oxygen supply is stopped, the
また、透過ガス量が所定量以上の場合であってシステムを起動させるときには、燃料極11と酸化剤極12とを短絡させ又は燃料電池10から電流を取り出し、その後水素供給を開始させる。このように予め短絡又は電流取り出しを行うことで、酸素をなるべく消費したうえで、燃料電池システム1を起動させることとなる。従って、システム起動直後においてラジカル類の発生を抑えることができる。
Further, when the system is started up when the permeated gas amount is a predetermined amount or more, the
また、所定電流密度I1は、初期の燃料電池の透過ガス量の3倍を基準に設定される。このため、温度や湿度による変化や誤差を含めても有意な増加と考えることができる透過水素量を基準とすることができる。 The predetermined current density I1 is set on the basis of three times the amount of permeated gas of the initial fuel cell. For this reason, the amount of permeated hydrogen that can be considered to be a significant increase even if changes and errors due to temperature and humidity are included can be used as a reference.
また、所定電圧V1は直列接続させるセル数に0.88ボルトを乗じた電圧である。このため、図4に示すように、最も長期に亘り電圧の劣化を抑制することができる。 The predetermined voltage V1 is a voltage obtained by multiplying the number of cells connected in series by 0.88 volts. For this reason, as shown in FIG. 4, voltage degradation can be suppressed for the longest period.
以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよい。 As described above, the present invention has been described based on the embodiment, but the present invention is not limited to the above embodiment, and may be modified without departing from the gist of the present invention.
1…燃料電池システム
10…燃料電池
11…燃料極
11a…燃料極触媒層
11b…ガス拡散層
12…酸化剤極
12a…酸化剤極触媒層
12b…ガス拡散層
13…電解質膜
14,15…セパレータ
14a,15a…流路
20…燃料ガス供給系(燃料ガス供給手段)
21…水素タンク
22…水素供給配管
23…減圧弁
24…流量コントローラ
30…燃料ガス排出系
31…ガス排出配管
40…燃料ガス循環系
41…循環配管
42…水素ポンプ
43…第1三方弁
44…第2三方弁
50…酸化剤ガス供給系(酸化剤ガス供給手段)
51…空気供給配管
52…コンプレッサ
53…フィルタ
60…酸化剤ガス排出系
61…空気排出配管
70…燃焼触媒
80…負荷系
81…負荷
82…バッテリ
83…スイッチ
84…リレー
91…第1圧力センサ
92…第2圧力センサ
93…電流センサ
94…電圧センサ(電圧検出手段)
100…制御部(透過ガス量推定手段、酸化剤ガス消費手段、制御手段、電流制御手段)
DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF SYMBOLS 51 ... Air supply piping 52 ...
100: Control unit (permeate gas amount estimation means, oxidant gas consumption means, control means, current control means)
Claims (11)
前記燃料電池の燃料極側に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料電池の酸化剤極側に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記電解質膜を通して単位時間あたりに前記燃料極側から前記酸化剤極側に又は酸化剤極から燃料極側に透過する透過ガス量を推定する透過ガス量推定手段と、
前記酸化剤極側の酸化剤ガスを消費する酸化剤ガス消費手段と、
前記透過ガス量推定手段により推定された透過ガス量が所定量以上の場合に、前記酸化剤ガス消費手段により前記酸化剤極側の酸化剤ガスを消費させる制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell having a fuel gas supply, an oxidant electrode receiving an oxidant gas supply, and an electrolyte membrane sandwiched between the two electrodes, and generating a power by reacting the fuel gas and the oxidant gas; ,
Fuel gas supply means for supplying fuel gas to the fuel electrode side of the fuel cell;
An oxidant gas supply means for supplying an oxidant gas to the oxidant electrode side of the fuel cell;
A permeate gas amount estimating means for estimating a permeate gas amount per unit time passing from the fuel electrode side to the oxidant electrode side or from the oxidant electrode to the fuel electrode side through the electrolyte membrane;
Oxidant gas consuming means for consuming the oxidant gas on the oxidant electrode side;
Control means for consuming the oxidant gas on the oxidant electrode side by the oxidant gas consumption means when the permeate gas amount estimated by the permeate gas amount estimation means is a predetermined amount or more;
A fuel cell system comprising:
前記制御手段は、前記電流密度が所定電流密度を超える場合に、前記透過ガス量が所定量以上であると判断して、前記酸化剤ガス消費手段により前記酸化剤極側の酸化剤ガスを消費させる
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 The permeate gas amount estimation means estimates the permeate gas amount from the current density of the fuel cell,
When the current density exceeds a predetermined current density, the control means determines that the amount of permeated gas is equal to or greater than a predetermined amount, and consumes the oxidant gas on the oxidant electrode side by the oxidant gas consumption means. The fuel cell system according to claim 1, wherein:
前記制御手段は、前記酸化剤ガス消費手段により前記酸化剤極側の酸化剤ガスを消費させた後、前記電圧検出手段により検出される電圧を所定電圧以下に維持する
ことを特徴とする請求項1または請求項2のいずれかに記載の燃料電池システム。 Further comprising voltage detection means for detecting the voltage of the fuel cell;
The control means maintains the voltage detected by the voltage detection means at a predetermined voltage or lower after oxidant gas on the oxidant electrode side is consumed by the oxidant gas consumption means. A fuel cell system according to claim 1 or claim 2.
前記電流制御手段によって電流を流されたセルの電圧を検出する電圧検出手段と、をさらに備え、
前記制御手段は、前記電流制御手段によって所定電流を流したときに前記電圧検出手段によって検出される電圧値に基づいて、前記燃料電池の電流密度が所定電流密度を超えるか否かを判断する
ことを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システム。 Current control means for causing current to flow through the cells of the fuel cell;
Voltage detection means for detecting a voltage of a cell that is supplied with current by the current control means, and
The control means determines whether or not the current density of the fuel cell exceeds a predetermined current density based on a voltage value detected by the voltage detection means when a predetermined current is passed by the current control means. The fuel cell system according to claim 2.
ことを特徴とする請求項4に記載の燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 4, wherein the predetermined current passed by the current control means is 0 amperes.
ことを特徴とする請求項4または請求項5のいずれかに記載の燃料電池システム。 6. The permeated gas amount estimating means increases the pressure on the fuel electrode side or the pressure on the oxidant electrode side when estimating the permeated gas amount. The fuel cell system described.
ことを特徴とする請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 The said oxidant gas consumption means consumes the oxidant gas by the side of the said oxidant electrode by raising the utilization factor of oxidant gas. The any one of Claims 1-6 characterized by the above-mentioned. Fuel cell system.
ことを特徴とする請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 The control means is for stopping the system from a state in which the gas is supplied by the fuel gas supply means and the oxidant gas supply means when the permeate gas amount estimated by the permeate gas amount estimation means is a predetermined amount or more. After the supply of the oxidant gas by the oxidant gas supply means is stopped, the fuel electrode and the oxidant electrode are short-circuited or a current is taken out from the fuel cell, and then the fuel gas supply by the fuel gas supply means The fuel cell system according to any one of claims 1 to 7, wherein the fuel cell system is stopped.
ことを特徴とする請求項1〜請求項8のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 In the case where the permeated gas amount estimated by the permeated gas amount estimating unit is equal to or greater than a predetermined amount and the system is started, the control unit short-circuits the fuel electrode and the oxidant electrode or generates a current from the fuel cell. 9. The fuel according to any one of claims 1 to 8, wherein the fuel gas is supplied by the fuel gas supply means and thereafter the oxidant gas supply is started by the oxidant gas supply means. Battery system.
ことを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システム。 3. The fuel cell system according to claim 2, wherein the predetermined current density is set based on three times the amount of permeated gas per unit time permeating through the electrolyte membrane for the fuel cell in an initial state.
ことを特徴とする請求項3に記載の燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 3, wherein the predetermined voltage is a voltage obtained by multiplying the number of cells connected in series by 0.88 volts.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006274430A JP2008097835A (en) | 2006-10-05 | 2006-10-05 | Fuel cell system |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006274430A JP2008097835A (en) | 2006-10-05 | 2006-10-05 | Fuel cell system |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2008097835A true JP2008097835A (en) | 2008-04-24 |
Family
ID=39380486
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2006274430A Pending JP2008097835A (en) | 2006-10-05 | 2006-10-05 | Fuel cell system |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2008097835A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2012069437A (en) * | 2010-09-24 | 2012-04-05 | Honda Motor Co Ltd | Operation stop method of fuel cell system |
-
2006
- 2006-10-05 JP JP2006274430A patent/JP2008097835A/en active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2012069437A (en) * | 2010-09-24 | 2012-04-05 | Honda Motor Co Ltd | Operation stop method of fuel cell system |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8221923B2 (en) | Stop method for fuel cell system and fuel cell system | |
US20080145714A1 (en) | Fuel Cell System and Related Method | |
JP2007035509A (en) | Fuel cell system | |
JP2008140734A (en) | Fuel cell system | |
WO2009005158A1 (en) | Fuel cell system and control unit for fuel cell system | |
JP2007323954A (en) | Fuel cell system, and control method thereof | |
JP5168828B2 (en) | Fuel cell system | |
JP6133365B2 (en) | Operation method of fuel cell system | |
JP2007141779A (en) | Fuel cell system | |
JP2005032652A (en) | Fuel cell system | |
JP2006079891A (en) | Fuel cell system | |
JP4612493B2 (en) | Fuel cell moving body and control method thereof | |
JP5034160B2 (en) | Fuel cell system | |
JP2007048517A (en) | Fuel cell system | |
JP2005166424A (en) | Fuel cell system | |
JP5872315B2 (en) | Method and apparatus for starting fuel cell system | |
JP2008130358A (en) | Fuel cell system | |
JP2007242408A (en) | Fuel cell system | |
JP2006120532A (en) | Fuel cell system | |
JP2013243007A (en) | Fuel cell system | |
JP2008097835A (en) | Fuel cell system | |
JP2005276552A (en) | Operating method for fuel cell | |
JP2009076261A (en) | Fuel cell system and its starting method | |
JP5377845B2 (en) | Fuel cell system and scavenging method thereof | |
JP2008165994A (en) | Control device of fuel cell system, and fuel cell system |