JP2009266689A - Operation method of fuel cell, and fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、水を介してプロトンを伝導する電解質膜を用いた燃料電池の運転方法に関する。 The present invention relates to a method of operating a fuel cell using an electrolyte membrane that conducts protons through water.
固形高分子形燃料電池では、電気化学反応に伴い水を生成し、その生成水の一部は、発電停止後にも燃料電池内部に残留する。このような残留水が残留した状態で、氷点下のような低温環境下で燃料電池を起動する場合には、残留水が触媒表面やガス流路等で凍結して、反応ガスの電極への供給を阻害する要因となるため、残留水を除去することが必要となる。一方で、固形高分子形燃料電池を構成する電解質膜は、水を介してプロトンを伝導するために、一定以上に湿潤した状態を保っておく必要がある。かかる課題は、固形高分子形燃料電池に限らず、水を介してプロトンを伝導する電解質膜を用いた種々の燃料電池に共通した課題であった。このような課題に対して、例えば、下記の技術が知られている。 In a polymer electrolyte fuel cell, water is generated with an electrochemical reaction, and a part of the generated water remains inside the fuel cell even after power generation is stopped. When starting up a fuel cell in a low-temperature environment such as below freezing with such residual water remaining, the residual water freezes on the catalyst surface, gas flow path, etc., and the reaction gas is supplied to the electrode. Therefore, it is necessary to remove residual water. On the other hand, the electrolyte membrane constituting the solid polymer fuel cell needs to be kept wet to a certain level or more in order to conduct protons through water. Such a problem is not limited to a polymer electrolyte fuel cell, and is a problem common to various fuel cells using an electrolyte membrane that conducts protons through water. For example, the following techniques are known for such problems.
特許文献1では、掃気運転において、電解質膜の湿潤の状態と相関のある燃料電池のインピーダンスを測定し、インピーダンスが所定値以上になった場合に、掃気運転を停止することで、電解質膜の過剰な乾燥を防止できる掃気運転の停止制御技術を開示している。しかしながら、燃料電池のインピーダンスは、電解質膜の状態が湿潤状態からある程度乾燥した状態に移行する際には、急激に変化するため、インピーダンスが所定の値に達するポイントをねらって、タイミング良く掃気運転を停止する制御を行うことは、実際上、困難であった。 In Patent Document 1, in the scavenging operation, the impedance of the fuel cell that correlates with the wet state of the electrolyte membrane is measured, and when the impedance exceeds a predetermined value, the scavenging operation is stopped, so that excess electrolyte membrane is present. Disclosed is a scavenging operation stop control technique that can prevent excessive drying. However, the impedance of the fuel cell changes abruptly when the state of the electrolyte membrane changes from a wet state to a dry state to some extent, so that the scavenging operation is performed in a timely manner, aiming at the point where the impedance reaches a predetermined value. It has been difficult in practice to perform control to stop.
上述の種々の問題を考慮し、本発明が解決しようとする課題は、燃料電池の発電運転停止後に、電解質膜の湿潤状態を保ちつつ、掃気運転を行うことで、氷点下における起動時の発電性能を向上させることである。 In view of the above-mentioned various problems, the problem to be solved by the present invention is that after the power generation operation of the fuel cell is stopped, the scavenging operation is performed while keeping the electrolyte membrane in a wet state. It is to improve.
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.
[適用例1]水を介してプロトンを伝導する電解質膜を用いた燃料電池の運転方法であって、
前記燃料電池が発電運転を停止した後、前記燃料電池の温度が所定の温度以下となった状態で、前記燃料電池に不活性ガスを流通させて、前記燃料電池内に残留する水分の少なくとも一部を除去する掃気運転を行う掃気運転工程と、
前記掃気運転における前記電解質膜の湿潤の状態を推定し得るパラメータに基づいて、前記掃気運転を終了する掃気運転終了工程と
を備えた燃料電池の運転方法。
Application Example 1 A method for operating a fuel cell using an electrolyte membrane that conducts protons through water,
After the fuel cell stops the power generation operation, an inert gas is circulated through the fuel cell in a state where the temperature of the fuel cell is equal to or lower than a predetermined temperature, so that at least one of the moisture remaining in the fuel cell. A scavenging operation step of performing a scavenging operation to remove the part;
A scavenging operation end step of ending the scavenging operation based on a parameter that can estimate a wet state of the electrolyte membrane in the scavenging operation.
かかる燃料電池の運転方法は、燃料電池の温度が低下してから掃気運転を行うことで、温度の低下前に掃気運転を行う場合と比べて、飽和蒸気圧が低下するので、電解質膜から掃気ガス中へ蒸発する水分量を抑制することができ、電解質膜の過剰な乾燥を抑制することができる。また、これにより、電解質膜に含まれる水分の蒸発速度が遅くなるので、すなわち、電解質膜の湿潤の状態の変化速度が遅くなるので、電解質膜の湿潤の状態を推定し得るパラメータに基づいて、電解質膜が過剰に乾燥しないタイミングで精度良く、掃気運転を停止することができる。 In such a fuel cell operation method, since the scavenging operation is performed after the temperature of the fuel cell is decreased, the saturated vapor pressure is reduced as compared with the case where the scavenging operation is performed before the temperature is decreased. The amount of water evaporated into the gas can be suppressed, and excessive drying of the electrolyte membrane can be suppressed. This also slows the evaporation rate of moisture contained in the electrolyte membrane, that is, the rate of change in the wet state of the electrolyte membrane is slow, so based on the parameters that can estimate the wet state of the electrolyte membrane, The scavenging operation can be stopped with high accuracy at a timing at which the electrolyte membrane does not dry excessively.
[適用例2]パラメータは、燃料電池の内部抵抗値である適用例1記載の燃料電池の運転方法。
かかる燃料電池の運転方法は、燃料電池の内部抵抗値が電解質膜の湿潤の状態によって大きく変化することを利用して、燃料電池の内部抵抗値に基づいて、掃気運転を終了させるので、電解質膜が過剰に乾燥する前に、確実に掃気運転を停止することができる。
Application Example 2 The fuel cell operating method according to Application Example 1, wherein the parameter is an internal resistance value of the fuel cell.
Such a fuel cell operating method uses the fact that the internal resistance value of the fuel cell varies greatly depending on the wet state of the electrolyte membrane, and thus terminates the scavenging operation based on the internal resistance value of the fuel cell. The scavenging operation can be reliably stopped before the water is excessively dried.
[適用例3]不活性ガスは、非加湿状態のガスである適用例1または適用例2記載の運転方法。
かかる燃料電池の運転方法は、非加湿状態のガスで掃気運転を行うので、水分の除去効率が良く、効率的である。
[Application Example 3] The operation method according to Application Example 1 or Application Example 2, wherein the inert gas is a gas in a non-humidified state.
Such a fuel cell operation method performs scavenging operation with a gas in a non-humidified state, and thus is efficient in removing moisture.
[適用例4]不活性ガスは、空気である適用例1ないし適用例3のいずれか記載の燃料電池の運転方法。
かかる燃料電池の運転方法は、掃気運転に用いる空気を、外気から取り込めばよく、掃気ガスの貯留設備等を必要としないので、設備構成を簡略化することができる。また、掃気ガスを用意したり、生成したりする必要がないので、ランニングコストを削減することができる。
Application Example 4 The fuel cell operating method according to any one of Application Examples 1 to 3, wherein the inert gas is air.
In such a fuel cell operation method, the air used for the scavenging operation can be taken in from the outside air, and no scavenging gas storage facility or the like is required. Therefore, the equipment configuration can be simplified. Further, since it is not necessary to prepare or generate scavenging gas, the running cost can be reduced.
また、本発明は、燃料電池の運転方法のほか、燃料電池システム、コンピュータプログラム等としても実現することができる。 The present invention can also be realized as a fuel cell system, a computer program, etc., in addition to a fuel cell operation method.
A.実施例:
A−1.燃料電池システムの概略構成:
図1は、本発明の実施例としての燃料電池システム10の概略構成を示す説明図である。燃料電池システム10は、電気化学反応により発電を行う燃料電池スタック20、燃料電池スタック20に燃料ガスを供給・排出する燃料ガス系機器30、燃料電池スタック20に酸化ガスを供給・排出する酸化ガス系機器40、燃料電池スタック20を冷却する冷却系機器50、燃料電池システム10を制御する制御ユニット70を備えている。
A. Example:
A-1. General configuration of the fuel cell system:
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a
燃料電池スタック20は、アノード、カソード、電解質膜、セパレータ等からなる積層体アセンブリを複数積層させた燃料電池である。本実施例においては、燃料電池スタック20は、固形高分子形燃料電池であり、電解質膜には、ポリテトラフルオロエチレンを用いている。
The
また、燃料電池スタック20には、燃料電池スタック20の運転温度を把握するための温度センサ22と、燃料電池スタック20のインピーダンスを計測するインピーダンス計24とが取り付けられている。本実施例においては、温度センサ22にはサーミスタを用いたが、方式は特に限定するものではなく、熱電対など種々の公知の方式を用いることができる。同様に、インピーダンス計24には、高周波インピーダンス式を用いたが、方式は特に限定するものではなく、電流遮断式種々の公知の方式を用いることができる。
In addition, a
燃料ガス系機器30は、水素タンク31、シャットバルブ32、レギュレータ33、気液分離器36、循環ポンプ37、パージ弁39と配管34,35,38によって構成される。水素タンク31に貯蔵された高圧水素は、シャットバルブ32、レギュレータ33によって圧力及び供給量が調整されて、配管34を介して燃料電池スタック20のアノードに燃料ガスとして供給される。そして、アノードからの排ガス(以下、アノードオフガスと呼ぶ)は、配管35を介して気液分離器36に導かれ、アノードオフガスに含まれる水と、発電で消費されなかった残留水素とを分離する。気液分離器36によって分離された水素は、循環ポンプ37及び配管38を介して燃料電池スタック20に再循環される。
The fuel
また、気液分離器36と循環ポンプ37との間の配管38は、分岐しており、この分岐先には、パージ弁39が配設されている。上述のアノードオフガスの再循環の際には、このパージ弁39は、通常、閉じられているが、所定のタイミングで開弁することで、アノードオフガスを、配管38を介して後述する希釈器46に導入し、さらに系外に排出することで、不純物濃度の上昇を抑えている。
A
酸化ガス系機器40は、エアクリーナ41、エアコンプレッサ42、希釈器46、配管43,45,47、仕切弁44によって構成される。エアクリーナ41から吸入された空気は、エアコンプレッサ42によって圧縮され、配管43を介して燃料電池スタック20のカソードに酸化ガスとして供給される。カソードからの排ガス(以下、カソードオフガスと呼ぶ)は、配管45を介して希釈器46に導入される。
The oxidizing
この希釈器46では、カソードオフガスと、上述の所定のタイミングで希釈器46に導入されるアノードオフガスとを混合することによって、アノードオフガスに含まれる水素の濃度が希釈される。希釈器46から排出された排出ガスは、配管47を介して、燃料電池システム10の系外へ排出される。
In the
また、配管43は、エアコンプレッサ42と燃料電池スタック20との間で分岐しており、この分岐先は、仕切弁44を介して、燃料ガス系機器30の配管34に接続されている。通常、仕切弁44は、閉じられているが、後述する掃気運転時において、仕切弁44は開放され、空気を燃料ガス系機器30にも供給する。
Further, the
冷却系機器50は、ラジエータ51、循環ポンプ52、配管54によって構成される。冷却水は、配管54を介して循環ポンプ52によって燃料電池スタック20とラジエータ51との間を循環する。これにより、燃料電池スタック20で電気化学反応に伴う発熱を吸収し、ラジエータ51で放熱することで、燃料電池スタック20の温度を適正に保つことができる。
The
上述の装置は、制御ユニット70により制御される。制御ユニット70は、内部にCPU、RAM、ROMを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ROMに記憶されたプログラムをRAMに展開して実行することで、出力要求76と各種センサ78からの信号を受けて、レギュレータ33、エアコンプレッサ42や燃料電池システム10の各種アクチュエータ77に駆動信号を出力し、燃料電池システム10の運転全体を制御する。また、制御ユニット70は、掃気運転部72や掃気運転終了部74としても機能する。この掃気運転部72や掃気運転終了部74の詳細については、「A−2.掃気運転制御」で後述する。
The above-described apparatus is controlled by the
A−2.掃気運転制御:
燃料電池システム10における掃気運転制御について、図2を用いて説明する。掃気運転とは、燃料電池システム10の発電運転の停止後に、燃料ガス系機器30及び酸化ガス系機器40に不活性ガスを送り込むことにより、燃料電池スタック20、燃料ガス系機器30及び酸化ガス系機器40に残留する残留水を除去する運転である。本実施例における掃気運転制御は、制御ユニット70が、燃料ガス系機器30及び酸化ガス系機器40を停止させ、燃料電池スタック20の発電運転を停止することで開始される。
A-2. Scavenging operation control:
The scavenging operation control in the
排気運転制御が開始されると、制御ユニット70は、温度センサ22を用いて、燃料電池スタック20の温度Tを検知し、温度Tが所定値Th1以下まで低下したか否かを判断している(ステップS110)。その結果、温度Tが所定値Th1より大きければ(ステップS110:NO)、制御ユニット70は、温度Tが所定値Th1以下となるまで待機する。本実施例では、所定値Th1=30℃とした。
When the exhaust operation control is started, the
なお、本実施例では、燃料電池スタック20の温度Tは、温度センサ22により直接的に検知する構成としたが、他の方法により間接的に把握する構成としてもよい。例えば、制御ユニット70は、冷却系機器50を稼働させて、循環する冷却水の温度を検知することで、燃料電池スタック20の温度を把握してもよい。
In the present embodiment, the temperature T of the
一方、温度Tが所定値Th1まで低下すると(ステップS110:YES)、制御ユニット70は、掃気運転部72の処理として、掃気運転を開始する(ステップS120)。具体的には、制御ユニット70は、レギュレータ33を閉じた状態で仕切弁44を開き、エアコンプレッサ42を駆動させて、空気による掃気を行うのである。このように、掃気を行うことで、燃料電池スタック20、燃料ガス系機器30及び酸化ガス系機器40に残留する残留水を除去することができる。
On the other hand, when the temperature T decreases to the predetermined value Th1 (step S110: YES), the
本実施例において、掃気に用いられる空気は、外気から取り入れたそのままの空気を用いた。また、含まれる水分(水蒸気)を低減した乾燥空気を用いてもよい。乾燥空気を用いることで、残留水の除去効率を向上させることができる。また、空気は、外気から得ることができ、燃料電池スタック20への供給ルートには、酸化ガス系機器40を活用できることから、掃気用ガスの貯留設備などを設ける必要が無く、設備構成を簡略化することができる。
In this embodiment, the air used for scavenging was the same air taken from outside air. Moreover, you may use the dry air which reduced the water | moisture content (water vapor | steam) contained. By using dry air, the removal efficiency of residual water can be improved. In addition, air can be obtained from the outside air, and the oxidizing
なお、掃気用ガスは、乾燥空気に限るものではなく、非加湿状態の不活性ガス、例えば、窒素などであってもよい。また、乾燥空気の供給ルートは、燃料ガス系機器30と酸化ガス系機器40とで独立して別々に設けてもよいし、天候などの影響により、外気から得る空気の湿度が高い場合に、好適な湿度の乾燥空気を得るために、除湿フィルタなどの除湿装置を設けてもよい。
The scavenging gas is not limited to dry air, and may be a non-humidified inert gas such as nitrogen. The dry air supply route may be provided separately for the fuel
掃気運転を開始すると、制御ユニット70は、インピーダンス計24を用いて、燃料電池スタック20に高周波の交流電圧を印加して、燃料電池スタック20のインピーダンスを測定し、インピーダンスZから算出した面抵抗値Rs(mΩ・cm2)が所定値Th2まで増加したか否かを判断している(ステップS130)。ここでの判断に用いるインピーダンスZは、瞬間値である。このように、インピーダンスZをモニタリングするのは、燃料電池スタック20の抵抗値から、電解質膜の湿潤の状態を推定できるからである。例えば、燃料電池スタック20を構成する電解質膜の湿潤状態が乾燥側へ変化すると、電解質膜のプロトン伝導能力が低下し、その結果、燃料電池スタック20の抵抗値が増加するのである。
When the scavenging operation is started, the
その結果、面抵抗値Rsが所定値Th2以よりも小さければ(ステップS130:NO)、電解質膜は、まだ、十分に湿潤状態にあるということであり、制御ユニット70は、ステップS120で開始した掃気運転を継続しながら、面抵抗値Rsが所定値Th2以上となるまで待機する。
As a result, if the sheet resistance value Rs is smaller than the predetermined value Th2 (step S130: NO), this means that the electrolyte membrane is still in a sufficiently wet state, and the
一方、面抵抗値Rsが所定値Th2よりも大きければ(ステップS130:YES)、電解質膜は、湿潤状態から乾燥状態に移行しつつあるということであり、制御ユニット70は、掃気運転終了部74の処理として、掃気運転を停止し(ステップS140)、掃気運転制御を終了する。
On the other hand, if the sheet resistance value Rs is larger than the predetermined value Th2 (step S130: YES), this means that the electrolyte membrane is shifting from the wet state to the dry state, and the
なお、本実施例においては、上記ステップS130の判断において、インピーダンスZの瞬間値を用いて、面抵抗値Rsを算出したが、これに限るものではなく、所定時間内における平均値などの統計値であってもよい。こうすれば、より精度良く、電解質膜の湿潤の状態を判断することができる。 In the present embodiment, the surface resistance value Rs is calculated using the instantaneous value of the impedance Z in the determination in step S130. However, the present invention is not limited to this, and a statistical value such as an average value within a predetermined time. It may be. In this way, the wet state of the electrolyte membrane can be determined with higher accuracy.
A−3.掃気運転制御の効果:
かかる構成の燃料電池システム10は、非加湿状態の不活性ガスで掃気運転を行うので、加湿状態の不活性ガスで掃気運転を行う場合と比べて、残留水の除去効率を高めることができる。また、燃料電池スタック20の温度が低下してから掃気運転を行うことで、温度の低下前に掃気運転を行う場合と比べて、飽和蒸気圧が低下するので、電解質膜から掃気ガス中へ蒸発する水分量を抑制することができ、電解質膜の過剰な乾燥を抑制することができる。また、電解質膜の湿潤の状態と相関のある、燃料電池スタック20の面抵抗値Rsに基づいて、掃気運転の停止を制御するので、電解質膜の過剰な乾燥を抑制することができる。以上のことから、燃料電池システム10は、電解質膜の過剰な乾燥を抑制しながら、効率的に掃気運転を行うことにより、燃料電池スタック20、燃料ガス系機器30及び酸化ガス系機器40の残留水を効率的に除去できるので、氷点下における起動時の発電性能を向上させることができる。
A-3. Effect of scavenging operation control:
Since the
かかる効果の具体例について、図3を用いて説明する。図3は、掃気条件と氷点下発電時の限界電流値との関係についての実験結果の一例を示す説明図である。ここで、氷点下発電時とは、燃料電池システム10の発電運転の停止後に掃気運転を行って燃料電池システム10を停止させた後に、燃料電池システム10を氷点下条件下でコールドスタートさせて、発電を行う時をいう。また、ここでの限界電流値とは、気温が−20℃の条件下でコールドスタートさせた燃料電池スタック20のI−V特性において電圧が0.2Vであるときの電流値をいう。
A specific example of such an effect will be described with reference to FIG. FIG. 3 is an explanatory diagram illustrating an example of an experimental result regarding the relationship between the scavenging conditions and the limit current value during sub-freezing power generation. Here, during sub-freezing power generation, after scavenging operation is performed after stopping the power generation operation of the
図示するように、条件1(燃料電池スタック20の温度T=80℃、掃気ガス=加湿ガス、掃気時間=12分)の掃気条件では、限界電流値は約0.18A/cm2である。一方、条件4(温度T=20℃、掃気ガス=非加湿ガス、掃気時間=12分)では、限界電流値は条件1と同程度となる。これは、条件4では、掃気ガスに非加湿ガスを用いたことにより、残留水の除去効果が条件1よりも向上したと共に、低温で掃気を行ったことにより、飽和蒸気圧が低下し、電解質膜の乾燥が抑制されたプラス要因と、低温で掃気を行ったことにより、飽和蒸気圧が低下し、同一掃気時間における残留水の除去効果が低下したマイナス要因とがバランスしたことに起因している。条件4に対して、より低温条件下である条件2及び条件3では、上述のマイナス要因が勝り、残留水除去効果がさらに低下するので、限界電流値もさらに低下している。
As shown in the drawing, under the scavenging conditions of condition 1 (temperature T of
これに対して、条件5(燃料電池スタック20の温度T=30℃、掃気ガス=非加湿ガス、掃気時間=面抵抗値Rsが26mΩ・cm2上昇するまで)では、上述のプラス要因が勝っていることに加え、面抵抗値Rsにより掃気停止を制御することで、電解質膜の乾燥を絶妙のタイミングで抑えられるので、限界電流値は約0.24A/cm2となり、氷点下発電時の発電性能を飛躍的に向上させることができた。
On the other hand, under the condition 5 (temperature T = 30 ° C. of the
なお、掃気運転時の燃料電池スタック20の温度Tが30℃である場合、本実施例での掃気を停止させる最適なタイミングは、面抵抗値Rsが26mΩ・cm2上昇した時点である(通常、電解質膜が湿潤状態である時の面抵抗値Rsは、100mΩ・cm2程度。これを適用すれば、所定値Th2=126mΩ・cm2程度)が、所定値Th2=400mΩ・cm2程度までであれば、掃気運転を実施しても、電解質膜の湿潤性は、ある程度確保することができる。また、掃気を停止させるタイミングは、面抵抗値Rsが定格運転時の1/3〜1/5程度上昇した時点、好ましくは、1/4程度上昇した時点として制御してもよい。
When the temperature T of the
また、かかる構成の燃料電池システム10は、温度が低下してから掃気運転を行うことで、飽和蒸気圧が低下し、電解質膜に含まれる水分の蒸発速度が遅くなる、すなわち、電解質膜の乾燥に伴う面抵抗値Rsの上昇速度が遅くなる。この現象について、図4を用いて詳しく説明する。図4は、掃気運転における掃気時間と燃料電池スタック20の面抵抗値Rsとの関係を示している。高温条件下で掃気運転を行った場合には、電解質膜に含まれる水分の蒸発速度が速いために、曲線C1に示すように、掃気時間の経過と共に、面抵抗値Rsが急激に上昇する。このため、掃気時間が時間T1となるタイミングにおいて、面抵抗値Rsが所定値Th2以上となるが、制御ユニット70がこれを検知して掃気運転を停止した時には、面抵抗値Rsはさらに大きな値になっている、すなわち、電解質膜の乾燥が相当程度進行していることとなる。
Further, the
一方、低温条件下で掃気運転を行った場合には、電解質膜に含まれる水分の蒸発速度が遅いために、曲線C2に示すように、掃気時間の経過と共に、面抵抗値Rsは緩やかに上昇する。このため、掃気時間が時間T2となるタイミングにおいて、面抵抗値Rsが所定値Th2以上となるが、制御ユニット70は、面抵抗値Rsが概ね所定値Th2となるポイントで掃気運転を停止することができる。すなわち、電解質膜の湿潤の状態を精度良く制御可能である。このように、低温条件下での掃気運転において、面抵抗値Rsに基づいて掃気運転の停止制御を行うことにより、停止制御の精度を高めることができ、上述した氷点下起動時の発電性能の向上に寄与することができるのである。
On the other hand, when the scavenging operation is performed under a low temperature condition, the evaporation rate of the water contained in the electrolyte membrane is slow, so that the surface resistance value Rs gradually increases as the scavenging time elapses as shown by the curve C2. To do. For this reason, at the timing when the scavenging time becomes time T2, the surface resistance value Rs becomes equal to or greater than the predetermined value Th2, but the
なお、本実施例においては、所定値Th1を30℃としたが、所定値Th1は、掃気運転時における電解質膜の乾燥速度を所望の速度に緩和するために予め定められた温度であり、燃料電池スタック20の運転温度よりも低い温度であればよい。温度が低下すれば、発電直後に掃気運転を開始する場合と比べて、飽和蒸気圧が低下し、電解質膜に含まれる水分の蒸発速度を遅くすることができ、その結果、電解質膜の過剰な乾燥を抑制できるからである。ただし、飽和蒸気圧曲線は、低温側に向かうほど飽和蒸気圧の低下率が減少し、徐々に、飽和蒸気圧の低下効果が小さくなること、飽和蒸気圧が低下しすぎると、掃気による燃料ガス系機器30や酸化ガス系機器40の残留水の除去効果も減少することから、所定値Th1は、20〜40℃程度とすることが好適である。
In the present embodiment, the predetermined value Th1 is set to 30 ° C., but the predetermined value Th1 is a predetermined temperature for relaxing the drying speed of the electrolyte membrane during the scavenging operation to a desired speed. Any temperature lower than the operating temperature of the
B.変形例:
上述した実施例の変形例について説明する。
B−1.変形例1:
実施例の掃気運転制御においては、掃気運転の停止時期の判断を行うパラメータとして、燃料電池スタック20の面抵抗値Rsを用い、面抵抗値Rsが所定値Th2以上となったときに、掃気運転を停止するものとしたが、このような例に限られるものではない。上述のパラメータは、電解質膜の湿潤の状態を推定し得るものであればよく、例えば、掃気時間などであってもよい。
B. Variations:
A modification of the above-described embodiment will be described.
B-1. Modification 1:
In the scavenging operation control of the embodiment, the surface resistance value Rs of the
例えば、事前に、掃気運転条件と面抵抗値Rsと掃気時間との関係を把握して、掃気運転条件と面抵抗値Rsが所定値Th2以上になる掃気時間との関係を、制御ユニット70のメモリにテーブルとして記憶しておき、制御ユニット70が、該当するテーブルを参照して、実施している掃気運転の条件に応じた掃気時間だけ、掃気を行い、その後、掃気を停止する構成としてもよい。例えば、実施例に示したように、燃料電池スタック20の温度Tが30℃であるときに掃気を行う場合、面抵抗値Rsが26mΩ・cm2上昇するタイミングに相当する最適な掃気時間として10分間と設定することができる。こうすれば、より簡単な構成で、掃気運転制御を行うことができる。
For example, the relationship between the scavenging operation condition, the surface resistance value Rs and the scavenging time is grasped in advance, and the relationship between the scavenging operation condition and the scavenging time when the surface resistance value Rs is equal to or greater than a predetermined value Th2 is determined by the
B−2.変形例2:
実施例では、掃気運転制御において、燃料電池スタック20に対する強制冷却処理は、特に行わない構成とした。すなわち、燃料電池スタック20の発電運転が停止し、掃気運転制御が開始されると、制御ユニット70は、上記ステップS110では、自然冷却により燃料電池スタック20の温度Tが所定値Th1以下に低下したか否かを判断している。しかし、このような構成に限るものではなく、上記S110の前段に、燃料電池スタック20を強制冷却する処理を付加してもよい。例えば、冷却系機器50に冷却水を循環させることで、燃料電池スタック20を強制冷却させてもよい。こうすれば、燃料電池スタック20の温度Tが低下するまでの時間を短縮することができるので、発電運転を終了させてから、燃料電池システム10が完全に運転停止するまでの時間を短縮することができる。
B-2. Modification 2:
In the embodiment, the forced cooling process for the
B−3.変形例3:
実施例においては、上記S130の判断に用いる面抵抗値Rsは、燃料電池スタック20全体の面抵抗値Rsとしたが、燃料電池スタック20を構成する単一の燃料電池セルの面抵抗値Rsであってもよい。このような場合、インピーダンスを計測する燃料電池セルは、電解質膜が乾燥しやすいセル、例えば、掃気の上流側のセルを選定してもよい。こうすれば、燃料電池スタック20を構成する各々の燃料電池セルの電解質膜のいずれもが過剰に乾燥しない状態で掃気運転を停止することができる。
B-3. Modification 3:
In the embodiment, the sheet resistance value Rs used in the determination of S130 is the sheet resistance value Rs of the entire
また、インピーダンスの測定箇所は、1箇所に限るものではなく、複数の燃料電池セルのインピーダンスを計測し、その平均値、最大値、最小値などの統計値に基づいて、掃気運転停止の判断を行ってもよい。こうすれば、電解質膜が過剰に乾燥しない状態で、より精度良く、掃気運転を停止することができる。 Also, the impedance measurement location is not limited to one location, and the impedance of a plurality of fuel cells is measured, and the scavenging operation stop determination is made based on statistical values such as the average value, maximum value, and minimum value. You may go. In this way, the scavenging operation can be stopped with higher accuracy in a state where the electrolyte membrane is not excessively dried.
また、燃料電池スタック20などのインピーダンスには、温度依存性があるので、掃気運転時の燃料電池スタック20の温度Tにより所定値Th2を変化させる構成としてもよい。こうすれば、電解質膜が過剰に乾燥しない状態で、より精度良く、掃気運転を停止することができる。
Further, since the impedance of the
B−4.変形例4:
実施例においては、非加湿状態の不活性ガスを用いて、燃料電池スタック20の運転温度よりも低温の状態で、掃気運転を行ったが、掃気運転は、このような形態に限られるものではなく、掃気運転時における電解質膜の乾燥速度を緩和することができる掃気条件を設定して、掃気運転を行えばよい。例えば、非加湿状態の不活性ガスに代えて、加湿状態の不活性ガスを用いてもよい。あるいは、時間当たりの掃気量を少なくしてもよい。こうしても、電解質膜に含まれる水分の蒸発速度を遅くすることができ、停止制御の精度を高めることができる。
B-4. Modification 4:
In the embodiment, the scavenging operation is performed using a non-humidified inert gas at a temperature lower than the operation temperature of the
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を脱しない範囲において、種々なる態様で実施できることは勿論である。例えば、本発明は、実施例に示した水素ガスを燃料とした固体高分子形燃料電池に限らず、ダイレクトメタノール形燃料電池など、水を介してプロトンを伝導する電解質膜を用いた種々の燃料電池に適用することができる。 The embodiment of the present invention has been described above, but the present invention is not limited to such an example, and it is needless to say that the present invention can be implemented in various modes without departing from the gist of the present invention. For example, the present invention is not limited to the polymer electrolyte fuel cell using hydrogen gas as a fuel shown in the examples, but various fuels using an electrolyte membrane that conducts protons through water, such as a direct methanol fuel cell. It can be applied to batteries.
10…燃料電池システム
20…燃料電池スタック
22…温度センサ
24…インピーダンス計
30…燃料ガス系機器
31…水素タンク
32…シャットバルブ
33…レギュレータ
34,35,38…配管
36…気液分離器
37…循環ポンプ
39…パージ弁
40…酸化ガス系機器
41…エアクリーナ
42…エアコンプレッサ
43,45,47…配管
44…仕切弁
46…希釈器
50…冷却系機器
51…ラジエータ
52…循環ポンプ
54…配管
70…制御ユニット
72…掃気運転部
74…掃気停止部
76…出力要求
77…各種アクチュエータ
78…各種センサ
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記燃料電池が発電運転を停止した後、前記燃料電池の温度が所定の温度以下となった状態で、前記燃料電池に不活性ガスを流通させて、前記燃料電池内に残留する水分の少なくとも一部を除去する掃気運転を行う掃気運転工程と、
前記掃気運転における前記電解質膜の湿潤の状態を推定し得るパラメータに基づいて、前記掃気運転を終了する掃気運転終了工程と
を備えた燃料電池の運転方法。 A method of operating a fuel cell using an electrolyte membrane that conducts protons through water,
After the fuel cell stops the power generation operation, an inert gas is circulated through the fuel cell in a state where the temperature of the fuel cell is equal to or lower than a predetermined temperature, so that at least one of the moisture remaining in the fuel cell. A scavenging operation step of performing a scavenging operation to remove the part;
A scavenging operation end step of ending the scavenging operation based on a parameter that can estimate a wet state of the electrolyte membrane in the scavenging operation.
前記燃料電池の温度を把握する手段と、
前記燃料電池が発電運転を停止した後、前記把握した温度が所定の温度以下となった状態で、前記燃料電池に不活性ガスを流通させて、前記燃料電池内に残留する水分の少なくとも一部を除去する掃気運転を行う掃気運転手段と、
前記掃気運転における前記電解質膜の湿潤の状態を推定し得るパラメータを取得する取得手段と、
該取得したパラメータに基づいて、前記掃気運転を終了する掃気運転終了手段と
を備えた燃料電池システム。 A fuel cell system including a fuel cell using an electrolyte membrane that conducts protons through water,
Means for grasping the temperature of the fuel cell;
After the fuel cell stops the power generation operation, in a state where the grasped temperature is equal to or lower than a predetermined temperature, an inert gas is circulated through the fuel cell, and at least a part of moisture remaining in the fuel cell Scavenging operation means for performing scavenging operation to remove
Obtaining means for obtaining a parameter capable of estimating a wet state of the electrolyte membrane in the scavenging operation;
A scavenging operation end means for ending the scavenging operation based on the acquired parameter.
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2008
- 2008-04-25 JP JP2008116106A patent/JP2009266689A/en active Pending
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