JP2010251219A - Fuel cell system and method of operating the fuel cell system - Google Patents

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哲 中澤
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve power generation performance of a fuel cell using a nonaqueous electrolyte attaining generating operation in a moderate temperature range. <P>SOLUTION: A fuel cell system 20 includes a fuel cell stack 30 on which a plurality of fuel cells 31 are laminated. The fuel cell 31 is a fuel cell using an ionic liquid in an electrolyte membrane. When a voltage V of the fuel cell 31 drops to a value lower than a predetermined value Th, the fuel cell system 20 flows a current larger than an output request 95, starts a heater 75 to supply an oxidation gas which is higher than 100°C to the fuel cell stack 30, switches the supply route of the oxidation gas from a route via bypass pining 77 to a route via a dehydrating device 74 to supply dry air to the fuel cell stack 30, and increases the flow velocity of the oxidation gas to be supplied. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、更に詳しくは、無水条件でプロトン伝導性を有する無水電解質と、アノードと、カソードとを有する燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system having an anhydrous electrolyte having proton conductivity under anhydrous conditions, an anode, and a cathode.

近年、種々の形式の燃料電池が開発されている。そのうちの1つに、無水条件でプロトン伝導性を有する無水電解質を用いた燃料電池がある。こうした電解質としては、例えば、イオン液体を挙げることができる。イオン液体は、イオン性物質でありながら常温で液体であるという性質を有しており、不揮発性で、熱安定性が高く、加湿する必要がないことから、中温域(例えば、100〜150℃)で高効率の発電を行う燃料電池の電解質として注目されている。   In recent years, various types of fuel cells have been developed. One of them is a fuel cell using an anhydrous electrolyte having proton conductivity under anhydrous conditions. As such an electrolyte, an ionic liquid can be mentioned, for example. The ionic liquid has the property of being a liquid at room temperature while being an ionic substance, is non-volatile, has high thermal stability, and does not need to be humidified. Therefore, the ionic liquid has a medium temperature range (for example, 100 to 150 ° C. ) Is attracting attention as an electrolyte for fuel cells that perform highly efficient power generation.

しかしながら、イオン液体を電解質として利用する燃料電池は、他の形式の燃料電池と比べて、開発の歴史が比較的浅く、さらなる改良が望まれていた。かかる課題は、イオン性液体を電解質として利用する燃料電池に限らず、中温域で発電運転が可能な無水電解質を用いた燃料電池に共通する課題であった。   However, a fuel cell that uses an ionic liquid as an electrolyte has a relatively short history of development compared to other types of fuel cells, and further improvements have been desired. Such a problem is not limited to fuel cells that use an ionic liquid as an electrolyte, but is a problem that is common to fuel cells that use an anhydrous electrolyte capable of generating operation in an intermediate temperature range.

特開2007−311297号公報JP 2007-311297 A

上述の問題の少なくとも一部を考慮し、本発明が解決しようとする課題は、中温域で発電運転が可能な無水電解質を用いた燃料電池の発電性能を改良することである。   In consideration of at least a part of the above-mentioned problems, the problem to be solved by the present invention is to improve the power generation performance of a fuel cell using an anhydrous electrolyte capable of generating power in a middle temperature range.

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]燃料電池システムであって、無水条件でプロトン伝導性を有する無水電解質と、アノードと、カソードとを備える燃料電池と、前記カソードの周辺に存在する水分を除去して、該カソードの水分による被毒を抑制する被毒抑制処理を行う水分除去手段とを備えた燃料電池システム。 [Application Example 1] A fuel cell system, a fuel cell comprising an anhydrous electrolyte having proton conductivity under anhydrous conditions, an anode, and a cathode, and water present around the cathode is removed to remove the cathode A fuel cell system comprising water removal means for performing poisoning suppression processing for suppressing poisoning due to water.

かかる構成の燃料電池システムは、無水条件でプロトン伝導性を有する無水電解質を備える燃料電池において、被毒抑制処理によってカソードの水分被毒を抑制できるので、カソードの活性低下を抑制して、発電性能の低下を抑制することができる。なお、カソードの水分被毒とは、カソードに所定量の水分が付着すると、カソードの活性が急激に低下することであり、かかる知見は、本願発明と共に得られたものである。   The fuel cell system having such a configuration can suppress moisture poisoning of the cathode by the poisoning suppression treatment in the fuel cell including the anhydrous electrolyte having proton conductivity under anhydrous conditions, thereby suppressing the decrease in the activity of the cathode and generating power. Can be suppressed. It should be noted that the moisture poisoning of the cathode means that when a predetermined amount of moisture adheres to the cathode, the activity of the cathode rapidly decreases, and this knowledge has been obtained together with the present invention.

[適用例2]適用例1記載の燃料電池システムであって、更に、前記カソードの活性を監視する監視手段を備え、前記水分除去手段は、前記監視手段が前記カソードの活性が所定以下に低下したことを検知した場合に、前記被毒抑制処理を行う燃料電池システム。 [Application Example 2] The fuel cell system according to Application Example 1, further comprising monitoring means for monitoring the activity of the cathode, wherein the water removal means is configured such that the monitoring means reduces the activity of the cathode to a predetermined value or less. A fuel cell system that performs the poisoning suppression process when it is detected.

かかる構成の燃料電池システムは、カソードの活性が低下した場合に、被毒抑制処理を行って、活性を回復させることができるので、効率的に、カソードの水分被毒を抑制することができる。   In the fuel cell system having such a configuration, when the activity of the cathode decreases, the poisoning suppression treatment can be performed to recover the activity, so that moisture poisoning of the cathode can be efficiently suppressed.

[適用例3]適用例1または適用例2記載の燃料電池であって、前記水分除去手段は、前記カソードに供給する酸化ガス中に含まれる水分量を低減させる脱水手段を備え、前記被毒抑制処理の1つとして、前記脱水手段で水分量を低減させた酸化ガスを前記カソードに供給する燃料電池システム。 [Application Example 3] The fuel cell according to Application Example 1 or Application Example 2, wherein the moisture removing means includes a dehydrating means for reducing the amount of moisture contained in the oxidizing gas supplied to the cathode, and the poisoning As one of the suppression processes, a fuel cell system that supplies the cathode with an oxidizing gas whose water content has been reduced by the dehydrating means.

かかる構成の燃料電池システムは、脱水手段によって水分量が低減された酸化ガスをカソードに供給することで、カソードの周辺に存在する水分を乾燥、除去して、カソードの水分被毒を抑制することができる。   The fuel cell system having such a configuration suppresses moisture poisoning of the cathode by supplying the oxidizing gas whose moisture content has been reduced by the dehydrating means to the cathode, thereby drying and removing the moisture present around the cathode. Can do.

[適用例4]適用例1ないし適用例3のいずれか記載の燃料電池であって、前記水分除去手段は、前記カソードに供給する酸化ガスを加熱する加熱手段を備え、前記被毒抑制処理の1つとして、前記加熱手段で加熱した酸化ガスを前記カソードに供給する燃料電池システム。 [Application Example 4] The fuel cell according to any one of Application Example 1 to Application Example 3, wherein the moisture removing means includes a heating means for heating an oxidizing gas supplied to the cathode, One is a fuel cell system that supplies an oxidizing gas heated by the heating means to the cathode.

かかる構成の燃料電池システムは、加熱手段によって加熱された酸化ガスをカソードに供給することで、カソードの周辺に存在する水分を乾燥、除去して、カソードの水分被毒を抑制することができる。   The fuel cell system having such a configuration can suppress moisture poisoning of the cathode by supplying the oxidizing gas heated by the heating means to the cathode, thereby drying and removing moisture present around the cathode.

[適用例5]前記水分除去手段は、前記被毒抑制処理の1つとして、前記カソードに供給する酸化ガスの流速を速くする適用例1ないし適用例4のいずれか記載の燃料電池システム。 Application Example 5 The fuel cell system according to any one of Application Examples 1 to 4, wherein the moisture removing unit increases the flow rate of the oxidizing gas supplied to the cathode as one of the poisoning suppression processes.

かかる構成の燃料電池システムは、カソードに供給する酸化ガスの流速を速くすることで、カソードの周辺に存在する水分を乾燥、除去して、カソードの水分被毒を抑制することができる。   In the fuel cell system having such a configuration, by increasing the flow rate of the oxidizing gas supplied to the cathode, moisture existing in the vicinity of the cathode can be dried and removed, and moisture poisoning of the cathode can be suppressed.

[適用例6]前記水分除去手段は、前記被毒抑制処理の1つとして、前記燃料電池システムに出力要求される電流よりも大きな電流を前記燃料電池に発生させる適用例1ないし適用例5のいずれか記載の燃料電池。 Application Example 6 In the application examples 1 to 5, the moisture removing unit generates, as one of the poisoning suppression processes, a current larger than the current required for output from the fuel cell system. Any one of the fuel cells.

かかる構成の燃料電池システムは、燃料電池システムに出力要求される電流よりも大きな電流を燃料電池に発生させ、発電反応による自己発熱によって、カソードの周辺に存在する水分を乾燥、除去して、カソードの水分被毒を抑制することができる。   The fuel cell system configured as described above generates a current larger than the current required for the output of the fuel cell system in the fuel cell, and dries and removes moisture existing around the cathode by self-heating due to a power generation reaction. Can prevent water poisoning.

[適用例7]前記水分除去手段は、前記燃料電池システムの発電運転の起動前に、前記被毒抑制処理を行う適用例3または適用例4記載の燃料電池システム。 Application Example 7 The fuel cell system according to Application Example 3 or Application Example 4, wherein the moisture removing unit performs the poisoning suppression process before starting the power generation operation of the fuel cell system.

かかる構成の燃料電池システムは、発電運転の起動前に、水分量が低減された酸化ガスのカソードへの供給、及び/または、加熱された酸化ガスのカソードへの供給を行うので、前回の発電運転時にカソードに残留した水分を発電運転前に事前に乾燥、除去し、カソードの水分被毒を抑制して、好適な発電運転を行うことができる。   The fuel cell system configured as described above supplies the oxidizing gas with reduced moisture content to the cathode and / or the heated oxidizing gas to the cathode before starting the power generation operation. Moisture remaining on the cathode during operation can be dried and removed in advance before the power generation operation, thereby suppressing water poisoning of the cathode and performing a suitable power generation operation.

[適用例8]前記水分除去手段は、前記燃料電池システムの発電運転の停止後に、前記アノードへの燃料ガスの供給を停止した状態で、前記被毒抑制処理を行う適用例3または適用例4記載の燃料電池システム。 Application Example 8 Application Example 3 or Application Example 4 in which the moisture removing unit performs the poisoning suppression process in a state where supply of fuel gas to the anode is stopped after the power generation operation of the fuel cell system is stopped. The fuel cell system described.

かかる構成の燃料電池システムは、燃料電池システムの発電運転の停止後に、水分量が低減された酸化ガスのカソードへの供給、及び/または、加熱された酸化ガスのカソードへの供給を行う。したがって、カソードの周辺の水分を乾燥、除去して、残留させないので、次回の発電運転開始時において、カソードの水分被毒を抑制して、好適に発電運転を行うことができる。   In the fuel cell system configured as described above, after the power generation operation of the fuel cell system is stopped, the oxidizing gas with reduced moisture content is supplied to the cathode and / or the heated oxidizing gas is supplied to the cathode. Therefore, since moisture around the cathode is dried and removed and does not remain, at the start of the next power generation operation, moisture poisoning of the cathode can be suppressed and the power generation operation can be suitably performed.

[適用例9]燃料電池システムであって、無水条件でプロトン伝導性を有する無水電解質と、アノードと、カソードとを備える燃料電池と燃料電池が複数積層された、複数の燃料電池スタックと、前記複数の燃料電池スタックの各々に対して、前記カソードの周辺に存在する水分を除去して、該カソードの水分による被毒を抑制する被毒抑制処理を行う水分除去手段と、前記複数の燃料電池スタックの各々に対して、前記カソードの活性を監視する監視手段とを備え、前記水分除去手段は、前記監視手段が、前記複数の燃料電池スタックのうちの、発電運転中の燃料電池スタックの前記カソードの活性が所定以下に低下したことを検知した場合に、前記複数の燃料電池スタックのうちの、運転停止中の燃料電池スタックの発電運転を開始し、前記活性の低下が検知された燃料電池スタックに対して、発電運転を停止すると共に、前記被毒抑制処理を行う燃料電池システム。 [Application Example 9] A fuel cell system, a plurality of fuel cell stacks in which a plurality of fuel cells and fuel cells each having a proton conductivity under anhydrous conditions, an anode, and a cathode are stacked; Moisture removal means for performing poisoning suppression processing for removing moisture existing around the cathode and suppressing poisoning of the cathode by moisture for each of the plurality of fuel cell stacks, and the plurality of fuel cells Monitoring means for monitoring the activity of the cathode for each of the stacks, wherein the moisture removing means is configured to monitor the fuel cell stack in power generation operation among the plurality of fuel cell stacks. When it is detected that the activity of the cathode has fallen below a predetermined value, out of the plurality of fuel cell stacks, the power generation operation of the stopped fuel cell stack is started, The fuel cell stack decreases is detected in serial activity stops the power generation operation, the fuel cell system performs the poisoning suppression process.

かかる構成の燃料電池システムは、カソードの活性が低下した場合に、運転停止中の燃料電池スタックの発電運転を開始し、活性の低下が検知された燃料電池スタックに対して、発電運転を停止すると共に被毒抑制処理を行うので、システム全体として、カソードの活性低下による発電性能の低下を抑制した運転を行うことができる。また、発電運転を停止して被毒抑制処理を行うので、水分除去効果が大きく、確実に、または、短時間で、活性の低下を回復させることができる。   In the fuel cell system configured as described above, when the activity of the cathode decreases, the power generation operation of the fuel cell stack that is stopped is started, and the power generation operation is stopped for the fuel cell stack in which the decrease in activity is detected. At the same time, since the poisoning suppression process is performed, the system as a whole can be operated while suppressing a decrease in power generation performance due to a decrease in cathode activity. Further, since the power generation operation is stopped and the poisoning suppression process is performed, the effect of removing moisture is great, and the decrease in activity can be recovered reliably or in a short time.

[適用例10]前記無水電解質は、トリフルオロメタンスルホン酸とジエチルメチルアミンとを含む適用例1ないし適用例9のいずれか記載の燃料電池システム。 Application Example 10 The fuel cell system according to any one of Application Examples 1 to 9, wherein the anhydrous electrolyte includes trifluoromethanesulfonic acid and diethylmethylamine.

かかる構成の燃料電池システムは、無水電解質をトリフルオロメタンスルホン酸とジエチルメチルアミンとを含むものとすれば、高いプロトン伝導度を発揮して、好適な発電性能を発揮することができる。   In the fuel cell system having such a configuration, when the anhydrous electrolyte contains trifluoromethanesulfonic acid and diethylmethylamine, high proton conductivity can be exhibited and suitable power generation performance can be exhibited.

[適用例11]前記カソードは、少なくとも白金を含む適用例1ないし適用例10のいずれか記載の燃料電池システム。 Application Example 11 The fuel cell system according to any one of Application Examples 1 to 10, wherein the cathode includes at least platinum.

かかる構成の燃料電池システムは、カソードに白金を含む構成とすれば、高い触媒活性を発揮して、好適な発電性能を発揮することができる。   If the fuel cell system having such a configuration is configured to include platinum in the cathode, it can exhibit high catalytic activity and exhibit suitable power generation performance.

また、本発明は、燃料電池システムとしての構成のほか、適用例12の燃料電池の運転方法、そのプログラム、当該プログラムを記録した記憶媒体等としても実現することができる。
[適用例12]無水条件でプロトン伝導性を有する無水電解質と、アノードと、カソードとを備える燃料電池システムの運転方法であって、前記カソードの活性を監視し、前記カソードの活性が所定以下に低下した場合に、前記カソードの周辺に存在する水分を除去する燃料電池システムの運転方法。
In addition to the configuration as a fuel cell system, the present invention can also be realized as a fuel cell operation method according to Application Example 12, a program thereof, a storage medium storing the program, and the like.
[Application Example 12] A method of operating a fuel cell system comprising an anhydrous electrolyte having proton conductivity under anhydrous conditions, an anode, and a cathode, wherein the activity of the cathode is monitored, and the activity of the cathode is reduced to a predetermined value or less. A method of operating a fuel cell system, which removes moisture present around the cathode when it is lowered.

本発明の第1実施例としての燃料電池システム20の概略構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows schematic structure of the fuel cell system 20 as 1st Example of this invention. 燃料電池スタック30の概略構成を示す説明図である。2 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a fuel cell stack 30. FIG. 燃料電池システム20におけるカソード被毒抑制処理の流れを示すフローチャートである。4 is a flowchart showing a flow of cathode poisoning suppression processing in the fuel cell system 20. 電解質にイオン液体を用いた従来型燃料電池における、イオン液体への水の添加量と酸素還元電流密度(電圧0.8V時)との関係を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the relationship between the addition amount of the water to an ionic liquid, and oxygen reduction current density (at the time of voltage 0.8V) in the conventional fuel cell which used ionic liquid for electrolyte. 第2実施例としての燃料電池システム20の概略構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows schematic structure of the fuel cell system 20 as 2nd Example. 第2実施例としての燃料電池システム20における運転切替処理の流れを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the flow of the operation switching process in the fuel cell system 20 as 2nd Example. 第3実施例としての燃料電池システム20における起動・停止処理の流れを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the flow of the starting / stopping process in the fuel cell system 20 as 3rd Example.

本発明の実施例について説明する。
A.第1実施例:
A−1.燃料電池システム20の概略構成:
図1は、本発明の第1実施例としての燃料電池システム20の概略構成を示す説明図である。燃料電池システム20は、電気化学反応により発電を行う燃料電池スタック30、燃料電池スタック30に燃料ガスを供給・排出する燃料ガス系機器60、燃料電池スタック30に酸化ガスを供給・排出する酸化ガス系機器70、燃料電池スタック30を冷却する冷却系機器80、燃料電池システム20を制御する制御ユニット90を備えている。
Examples of the present invention will be described.
A. First embodiment:
A-1. Schematic configuration of the fuel cell system 20:
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system 20 as a first embodiment of the present invention. The fuel cell system 20 includes a fuel cell stack 30 that generates power by an electrochemical reaction, a fuel gas system device 60 that supplies and discharges fuel gas to the fuel cell stack 30, and an oxidizing gas that supplies and discharges oxidizing gas to and from the fuel cell stack 30. A system device 70, a cooling system device 80 for cooling the fuel cell stack 30, and a control unit 90 for controlling the fuel cell system 20 are provided.

燃料電池スタック30は、アノード、カソード、電解質膜、セパレータ等を備える燃料電池31を複数積層して構成される。燃料電池スタック30の構成の詳細については、後述する。燃料電池スタック30には、電圧計35が設けられている。電圧計35は、各々の燃料電池31の出力電圧と、燃料電池スタック30の全体出力電圧とを測定可能である。   The fuel cell stack 30 is configured by stacking a plurality of fuel cells 31 including an anode, a cathode, an electrolyte membrane, a separator, and the like. Details of the configuration of the fuel cell stack 30 will be described later. The fuel cell stack 30 is provided with a voltmeter 35. The voltmeter 35 can measure the output voltage of each fuel cell 31 and the overall output voltage of the fuel cell stack 30.

燃料ガス系機器60は、水素タンク61、シャットバルブ62、レギュレータ63、希釈器66、配管64,65,68を備えている。水素タンク61に貯蔵された高圧水素は、シャットバルブ62、レギュレータ63によって圧力及び供給量が調整されて、配管64を介して燃料電池スタック30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もいう)は、配管65を介して希釈器66に導かれた後、配管68を介して、燃料電池システム20の系外に排出される。   The fuel gas system device 60 includes a hydrogen tank 61, a shut valve 62, a regulator 63, a diluter 66, and pipes 64, 65 and 68. The high-pressure hydrogen stored in the hydrogen tank 61 is adjusted in pressure and supply amount by the shut valve 62 and the regulator 63 and supplied as fuel gas to the anode of the fuel cell stack 30 via the pipe 64. Exhaust gas from the anode (hereinafter also referred to as anode off gas) is guided to the diluter 66 via the pipe 65 and then discharged out of the fuel cell system 20 via the pipe 68.

酸化ガス系機器70は、エアクリーナ71、エアコンプレッサ72、三方弁73、脱水装置74、ヒータ75、配管76,78、バイパス配管77を備えている。エアクリーナ71から吸入された空気は、エアコンプレッサ72によって圧縮され、三方弁73、脱水装置74、ヒータ75及び配管76を介して、燃料電池スタック30のカソードに酸化ガスとして供給される。また、吸入された空気は、三方弁73を制御することにより、バイパス配管77を介して、つまり、脱水装置74をバイパスして、ヒータ75に導くこともできる。カソードからの排ガス(以下、カソードオフガスともいう)は、配管78を介して希釈器66に導入される。   The oxidizing gas system device 70 includes an air cleaner 71, an air compressor 72, a three-way valve 73, a dehydrator 74, a heater 75, pipes 76 and 78, and a bypass pipe 77. Air sucked from the air cleaner 71 is compressed by the air compressor 72 and supplied as an oxidizing gas to the cathode of the fuel cell stack 30 via the three-way valve 73, the dehydrator 74, the heater 75 and the pipe 76. Further, the sucked air can be guided to the heater 75 via the bypass pipe 77, that is, bypass the dehydrator 74 by controlling the three-way valve 73. Exhaust gas from the cathode (hereinafter also referred to as “cathode off-gas”) is introduced into the diluter 66 via a pipe 78.

脱水装置74は、供給空気中の水分量を低減させる。本実施例では、吸着方式を採用した。具体的には、活性炭が充填された層に空気を通過させることにより、水分を吸着させることとした。ただし、吸着性部材は、活性炭に限るものではなく、例えば、吸水性ポリマーなどであってもよい。また、脱水方式は、吸着式に限らず、冷却や加圧によって脱水する形式であってもよい。脱水装置74は、後述するカソード被毒抑制処理に用いるものであり、燃料電池システム20の通常の発電運転時には使用されない。すなわち、通常運転時には、供給空気は、バイパス配管77を介してヒータ75に導かれるように、三方弁73が制御される。   The dehydrator 74 reduces the amount of water in the supply air. In this embodiment, an adsorption method is adopted. Specifically, moisture was adsorbed by passing air through a layer filled with activated carbon. However, the adsorptive member is not limited to activated carbon, and may be, for example, a water-absorbing polymer. Further, the dehydration method is not limited to the adsorption method, and may be a method of dehydrating by cooling or pressurization. The dehydrator 74 is used for the cathode poisoning suppression process described later, and is not used during normal power generation operation of the fuel cell system 20. That is, during normal operation, the three-way valve 73 is controlled so that supply air is guided to the heater 75 via the bypass pipe 77.

ヒータ75は、本実施例では、電熱式ヒータであり、供給空気の流路に設けられた加熱器によって、供給空気を加熱する。本実施例では、ヒータ75を起動すると、空気を100℃以上に加熱することができる。ヒータ75は、後述するカソード被毒抑制処理に用いるものであり、燃料電池システム20の通常の発電運転時には使用されない。すなわち、通常運転時には、ヒータ75は、停止(OFF)状態にある。なお、本実施例のように、ヒータ75を、脱水装置74と燃料電池スタック30との間の経路に設ければ、脱水装置74を経由するルートで供給された空気をヒータ75で加熱する際には、供給空気の水分が少ないので、効率的に加熱することができる。ただし、脱水装置74及びヒータ75の配列順序は逆であってもよい。   In this embodiment, the heater 75 is an electric heater, and heats the supply air by a heater provided in the flow path of the supply air. In this embodiment, when the heater 75 is activated, the air can be heated to 100 ° C. or higher. The heater 75 is used for cathode poisoning suppression processing described later, and is not used during normal power generation operation of the fuel cell system 20. That is, during normal operation, the heater 75 is in a stopped (OFF) state. If the heater 75 is provided in the path between the dehydrator 74 and the fuel cell stack 30 as in the present embodiment, the air supplied through the route passing through the dehydrator 74 is heated by the heater 75. Since there is little moisture of supply air, it can heat efficiently. However, the arrangement order of the dehydrator 74 and the heater 75 may be reversed.

希釈器66は、カソードオフガスと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を希釈する。希釈器66から排出された排出ガスは、配管68を介して、燃料電池システム20の系外へ排出される。なお、燃料ガス系機器60は、アノードオフガスを、再度、配管64に導いて、燃料電池スタック30で循環使用する構成としてもよい。また、燃料ガス系機器60は、アノードオフガスの排出経路を持たない、いわゆるアノードデッドエンドの構成としてもよい。また、燃料ガス系機器60と酸化ガス系機器70とは、それぞれ個別的にオフガスの排出経路を備えていてもよい。   The diluter 66 dilutes the concentration of hydrogen contained in the anode off gas by mixing the cathode off gas and the anode off gas. The exhaust gas discharged from the diluter 66 is discharged out of the fuel cell system 20 through the pipe 68. The fuel gas system device 60 may be configured such that the anode off-gas is guided again to the pipe 64 and circulated and used in the fuel cell stack 30. The fuel gas system device 60 may have a so-called anode dead end configuration that does not have an anode off-gas discharge path. Further, the fuel gas system device 60 and the oxidant gas system device 70 may individually include an off-gas discharge path.

冷却系機器80は、ラジエータ81、循環ポンプ82、配管83を備えている。冷却水は、配管83を介して循環ポンプ82によって燃料電池スタック30とラジエータ81との間を循環する。これにより、燃料電池スタック30の電気化学反応に伴う発熱を吸収し、ラジエータ81で放熱することで、燃料電池スタック30の温度を適正に保つことができる。   The cooling system device 80 includes a radiator 81, a circulation pump 82, and a pipe 83. The cooling water is circulated between the fuel cell stack 30 and the radiator 81 by the circulation pump 82 through the pipe 83. Thereby, the heat generated by the electrochemical reaction of the fuel cell stack 30 is absorbed and the heat is dissipated by the radiator 81, so that the temperature of the fuel cell stack 30 can be maintained appropriately.

上述の各構成機器は、制御ユニット90により制御される。制御ユニット90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95と燃料電池システム20の各種センサ97からの信号を受けて、レギュレータ63、エアコンプレッサ72、ヒータ75等や、燃料電池システム20の各種アクチュエータ96に駆動信号を出力し、燃料電池システム20の運転全般を制御する。また、制御ユニット90は、監視部91、水分除去制御部92としても機能する。この監視部91及び水分除去制御部92の詳細については、「A−3.カソード被毒抑制処理」で後述する。   Each component described above is controlled by the control unit 90. The control unit 90 is configured as a microcomputer including a CPU, a RAM, and a ROM therein, and an output request 95 and various sensors of the fuel cell system 20 are executed by developing a program stored in the ROM and executing the program. In response to the signal from 97, a drive signal is output to the regulator 63, the air compressor 72, the heater 75, etc. and various actuators 96 of the fuel cell system 20 to control the overall operation of the fuel cell system 20. The control unit 90 also functions as a monitoring unit 91 and a moisture removal control unit 92. Details of the monitoring unit 91 and the moisture removal control unit 92 will be described later in “A-3. Cathode poisoning suppression process”.

A−2.燃料電池スタック30の概略構成:
上述した燃料電池スタック30の構成について、図2を用いて説明する。本実施例の燃料電池スタック30は、電解質膜・電極接合体41、ガス拡散層46、セパレータ50を備える燃料電池31が複数積層され、その積層体の両端から図示しないターミナル、インシュレータ、エンドプレートで挟持されて構成される。なお、燃料電池スタック30は、燃料電池31を複数積層した構成に限らず、勿論、単一の燃料電池31で構成されてもよい。
A-2. General configuration of the fuel cell stack 30:
The configuration of the fuel cell stack 30 described above will be described with reference to FIG. In the fuel cell stack 30 of this embodiment, a plurality of fuel cells 31 including an electrolyte membrane / electrode assembly 41, a gas diffusion layer 46, and a separator 50 are stacked, and terminals, insulators, and end plates (not shown) are formed from both ends of the stacked body. It is configured to be sandwiched. In addition, the fuel cell stack 30 is not limited to a configuration in which a plurality of fuel cells 31 are stacked, and may be configured by a single fuel cell 31.

電解質膜・電極接合体41は、燃料電池の電気化学反応が行われる部位であり、アノード42、電解質膜43、カソード44を備えている。電解質膜43は、イオン液体を利用した、無水条件でプロトン伝導性を有する無水電解質である。本実施例においては、電解質膜43は、イオン液体をゲル化して形成した。こうしたゲル化材としては、種々の高分子材などを用いることができるが、本実施例では、環状ジペプチド誘導体(cyclo(L−Asp(OR)−L−Phe))を用いた。   The electrolyte membrane / electrode assembly 41 is a portion where an electrochemical reaction of the fuel cell is performed, and includes an anode 42, an electrolyte membrane 43, and a cathode 44. The electrolyte membrane 43 is an anhydrous electrolyte that uses ionic liquid and has proton conductivity under anhydrous conditions. In the present embodiment, the electrolyte membrane 43 is formed by gelling an ionic liquid. As such a gelling material, various polymer materials can be used. In this example, a cyclic dipeptide derivative (cyclo (L-Asp (OR) -L-Phe)) was used.

また、イオン液体は、常温で液体となる塩であり、種々の公知のものを用いることができる。例えば、イミダゾリウム誘導体カチオンとトリフルオロメタンスルホン酸アニオンとを含む親水性のイオン液体であってもよいし、イミダゾリウム誘導体カチオン、ピリジニウム誘導体カチオン、ピロリジニウム誘導体カチオン及びアンモニウム誘導体カチオンよりなる群から選択された少なくとも1種の分子性カチオンと、四フッ化ホウ素アニオン、トリフルオロメタンスルホン酸アニオン、フッ化水素アニオン、硫酸一水素アニオン及びリン酸二水素アニオンよりなる群から選択された少なくとも1種の分子性アニオンとを含むイオン液体であってもよい。本実施例では、プロトン伝導性に優れたトリフルオロメタンスルホン酸とジエチルメチルアミンとを含むイオン液体を用いた。   The ionic liquid is a salt that becomes liquid at room temperature, and various known ones can be used. For example, it may be a hydrophilic ionic liquid containing an imidazolium derivative cation and a trifluoromethanesulfonate anion, or selected from the group consisting of an imidazolium derivative cation, a pyridinium derivative cation, a pyrrolidinium derivative cation, and an ammonium derivative cation. At least one molecular cation and at least one molecular anion selected from the group consisting of boron tetrafluoride anion, trifluoromethanesulfonate anion, hydrogen fluoride anion, monohydrogen sulfate anion and dihydrogen phosphate anion The ionic liquid containing these may be sufficient. In this example, an ionic liquid containing trifluoromethanesulfonic acid and diethylmethylamine having excellent proton conductivity was used.

アノード42及びカソード44は、導電性を有する担体上に触媒を担持させることによって形成され、触媒、電解質及び反応ガス(燃料ガスまたは酸化ガス)の三相界面を形成する。本実施例においては、白金触媒を担持したカーボン粒子を上述のイオン液体に浸漬し、アイオノマー(ここでは、ポリテトラフルオロエチレン)で固着させたものを用いた。本実施例では、触媒として活性が高い白金を用いたが、触媒の種類は、特に限定するものではなく、例えば、白金とニッケルやコバルトとの合金を用いてもよいし、ニッケルやルテニウムなどを用いてもよい。   The anode 42 and the cathode 44 are formed by supporting a catalyst on a conductive carrier, and form a three-phase interface of a catalyst, an electrolyte, and a reactive gas (fuel gas or oxidizing gas). In this example, carbon particles carrying a platinum catalyst were immersed in the ionic liquid and fixed with an ionomer (here, polytetrafluoroethylene). In this example, platinum having high activity was used as the catalyst. However, the type of the catalyst is not particularly limited. For example, an alloy of platinum and nickel or cobalt may be used, or nickel or ruthenium may be used. It may be used.

ガス拡散層46は、電解質膜・電極接合体41での電気化学反応に供される反応ガスの流路になると共に、集電を行なうものである。ガス拡散層46は、一般的に、ガス透過性を有する導電性部材、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンナノチューブなどによって形成することができる。本実施例においては、カーボンクロスを用いた。   The gas diffusion layer 46 serves as a flow path for a reaction gas used for an electrochemical reaction in the electrolyte membrane / electrode assembly 41 and collects current. In general, the gas diffusion layer 46 can be formed of a conductive member having gas permeability, such as carbon paper, carbon cloth, or carbon nanotube. In this example, carbon cloth was used.

また、上述の電解質膜・電極接合体41及びガス拡散層46の外周部には、ガス拡散層46によって形成される反応ガスの流路のシール性を確保するためにシール部47が設けられている。シール部47には、図示するとおり、いくつかの貫通孔が設けられている。当該貫通孔は、セパレータ50にも同様に設けられており、セパレータ50の説明と共に以下に述べる。   In addition, a seal portion 47 is provided on the outer periphery of the electrolyte membrane / electrode assembly 41 and the gas diffusion layer 46 to ensure the sealing performance of the flow path of the reaction gas formed by the gas diffusion layer 46. Yes. As shown in the figure, the seal portion 47 is provided with several through holes. The through hole is provided in the separator 50 in the same manner, and will be described below together with the description of the separator 50.

セパレータ50は、反応ガスの流路となるガス拡散層46の壁面を成す部位である。本実施例においては、ステンレス鋼を用いたが、ガス不透過な導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、焼成カーボンなどであってもよい。セパレータ50及び上述のシール部47には、その外周部にいくつかの貫通孔が設けられている。これらの貫通孔が連通することで、図示するように、燃料ガスの流路としての燃料ガス供給マニホールド51及び燃料ガス排出マニホールド52、酸化ガスの流路としての酸化ガス供給マニホールド53及び酸化ガス排出マニホールド54、冷却水の流路としての冷却水供給マニホールド55及び冷却水排出マニホールド56が形成されている。   The separator 50 is a portion that forms the wall surface of the gas diffusion layer 46 that serves as a reaction gas flow path. In this embodiment, stainless steel is used, but a gas-impermeable conductive member, for example, dense carbon that has been made gas impermeable by compressing carbon, or calcined carbon, may be used. The separator 50 and the above-described seal portion 47 are provided with several through holes in the outer peripheral portion thereof. By connecting these through holes, as shown in the figure, a fuel gas supply manifold 51 and a fuel gas discharge manifold 52 as fuel gas flow paths, and an oxidant gas supply manifold 53 and oxidant gas discharge as oxidant gas flow paths. A manifold 54, a cooling water supply manifold 55 as a cooling water flow path, and a cooling water discharge manifold 56 are formed.

上述した燃料ガス系機器60の配管64から燃料ガス供給マニホールド51に供給された燃料ガスは、セパレータ50の内部に形成された流路及び孔部(図示せず)を介して、ガス拡散層46に供給され、ガス拡散層46からアノード42に供給される。そして、アノードオフガスは、ガス拡散層46からセパレータ50の孔部及び内部に形成された流路(図示せず)を介して、燃料ガス排出マニホールド52に排出され、燃料ガス系機器60の配管65に導かれる。   The fuel gas supplied from the pipe 64 of the fuel gas system device 60 to the fuel gas supply manifold 51 passes through the flow path and the hole (not shown) formed in the separator 50 and the gas diffusion layer 46. And supplied from the gas diffusion layer 46 to the anode 42. Then, the anode off gas is discharged from the gas diffusion layer 46 to the fuel gas discharge manifold 52 through a hole portion of the separator 50 and a flow path (not shown) formed therein, and is connected to the pipe 65 of the fuel gas system device 60. Led to.

また、上述した酸化ガス系機器70の配管76から酸化ガス供給マニホールド53に供給された酸化ガスは、セパレータ50の内部に形成された流路及び孔部(図示せず)を介して、ガス拡散層46に供給され、ガス拡散層46からカソード44に供給される。そして、カソードオフガスは、ガス拡散層46からセパレータ50の孔部及び内部に形成された流路(図示せず)を介して、酸化ガス排出マニホールド54に排出され、酸化ガス系機器70の配管78に導かれる。   In addition, the oxidizing gas supplied from the piping 76 of the oxidizing gas system device 70 to the oxidizing gas supply manifold 53 is diffused through a flow path and a hole (not shown) formed in the separator 50. The gas is supplied to the layer 46 and supplied from the gas diffusion layer 46 to the cathode 44. Then, the cathode off-gas is discharged from the gas diffusion layer 46 to the oxidizing gas discharge manifold 54 through the hole portion of the separator 50 and a flow path (not shown) formed therein, and is connected to the piping 78 of the oxidizing gas system device 70. Led to.

また、上述した冷却系機器80から冷却水供給マニホールド55に供給された冷却水は、セパレータ50の内部に形成された流路(図示せず)を介して、冷却水排出マニホールド56に排出され、再び、冷却系機器80に導かれる。   Further, the cooling water supplied to the cooling water supply manifold 55 from the cooling system device 80 described above is discharged to the cooling water discharge manifold 56 through a flow path (not shown) formed in the separator 50. Again, it is guided to the cooling system device 80.

上述した燃料電池システム20は、電解質膜43が、無水条件でプロトン伝導性を有することから、100℃以上での運転が可能である。本実施例においては、燃料電池システム20の運転温度は、100℃以上、具体的には、120℃である。このように、運転温度を高めに設定するのは、触媒に白金を用いる場合には、触媒にイオン液体が吸着し、酸素還元反応が阻害されて過電圧が増大するおそれがあり、高温化によって過電圧の増大を抑制できるからである。ただし、燃料電池システム20の運転の温度は、中温域であればよく、例えば、常温から180℃程度の範囲であってもよい。   The fuel cell system 20 described above can be operated at 100 ° C. or higher because the electrolyte membrane 43 has proton conductivity under anhydrous conditions. In this embodiment, the operating temperature of the fuel cell system 20 is 100 ° C. or higher, specifically 120 ° C. In this way, the operating temperature is set to be higher when platinum is used as the catalyst, because the ionic liquid is adsorbed on the catalyst and the oxygen reduction reaction may be hindered to increase the overvoltage. This is because it is possible to suppress an increase in the amount of. However, the temperature of the operation of the fuel cell system 20 may be an intermediate temperature range, and may be, for example, a range from room temperature to about 180 ° C.

A−3.カソード被毒抑制処理:
燃料電池システム20におけるカソード被毒抑制処理について図3を用いて説明する。ここでのカソード被毒抑制処理とは、カソード44に供給される酸化ガス中に含まれる水分や、カソード44で発電反応により生成される生成水によって、カソード44が被毒し、活性が低下することを抑制する処理である。本実施例では、カソード被毒抑制処理は、燃料電池システム20の発電運転が定常運転に達したときに開始され、繰返し実行される。ここでの定常運転とは、燃料電池システム20の起動モードの運転が終了した後に、停止モードの運転が開始されるまでに行われる運転をいう。
A-3. Cathode poisoning suppression treatment:
The cathode poisoning suppression process in the fuel cell system 20 will be described with reference to FIG. The cathode poisoning suppression treatment here is that the cathode 44 is poisoned by the water contained in the oxidizing gas supplied to the cathode 44 or the generated water generated by the power generation reaction at the cathode 44, and the activity decreases. This is a process to suppress this. In the present embodiment, the cathode poisoning suppression process is started and repeated when the power generation operation of the fuel cell system 20 reaches a steady operation. Here, the steady operation refers to an operation performed after the start-up mode operation of the fuel cell system 20 is finished and before the stop-mode operation is started.

カソード被毒抑制処理が開始されると、制御ユニット90は、監視部91の処理として、電圧計35が検出した電圧Vが所定値Th以下であるか否かを判断する(ステップS110)。本実施例においては、電圧Vとは、燃料電池スタック30を構成する各々の燃料電池31の出力電圧であり、いずれかの燃料電池31の出力電圧が所定値Th以下となれば、制御ユニット90は、電圧Vが所定値Th以下になったと判断する。こうすれば、より安全側で燃料電池スタック30の出力低下を検知できるからである。ただし、電圧Vは、燃料電池スタック30の全体電圧としてもよい。あるいは、制御ユニット90は、所定数の燃料電池31の出力電圧が所定値Th以下となった場合に、電圧Vが所定値Th以下になったと判断してもよい。   When the cathode poisoning suppression process is started, the control unit 90 determines whether or not the voltage V detected by the voltmeter 35 is equal to or lower than a predetermined value Th as a process of the monitoring unit 91 (step S110). In the present embodiment, the voltage V is an output voltage of each fuel cell 31 constituting the fuel cell stack 30, and if the output voltage of any one of the fuel cells 31 is equal to or less than a predetermined value Th, the control unit 90 Determines that the voltage V has become equal to or lower than the predetermined value Th. This is because it is possible to detect a decrease in the output of the fuel cell stack 30 on the safer side. However, the voltage V may be the entire voltage of the fuel cell stack 30. Alternatively, the control unit 90 may determine that the voltage V has become equal to or less than the predetermined value Th when the output voltage of the predetermined number of fuel cells 31 has become equal to or less than the predetermined value Th.

ステップS110での判断は、カソード44の活性が低下しているか否かの判断を行うものであり、制御ユニット90は、電圧Vが所定値Th以下となった際に、カソード44の活性が所定以下に低下したと判断する。ただし、カソード44の活性低下の判断基準は、このような例に限るものではない。本実施例の燃料電池システム20においては、燃料電池31の出力電圧が低下する主な要因は、カソード44の活性低下と、燃料電池31の運転温度Tの低下である。したがって、例えば、燃料電池スタック30が運転温度Tを検知する温度センサを備える構成とし、制御ユニット90は、運転温度Tが所定値以上であり、かつ、電圧Vが所定値Th以下の場合にのみ、カソード44の活性が低下したと判断してもよい。   The determination in step S110 is to determine whether or not the activity of the cathode 44 has decreased. The control unit 90 determines that the activity of the cathode 44 is predetermined when the voltage V becomes equal to or lower than the predetermined value Th. Judged to have decreased to the following. However, the criterion for determining the decrease in the activity of the cathode 44 is not limited to such an example. In the fuel cell system 20 of the present embodiment, the main factors that decrease the output voltage of the fuel cell 31 are a decrease in the activity of the cathode 44 and a decrease in the operating temperature T of the fuel cell 31. Therefore, for example, the fuel cell stack 30 includes a temperature sensor that detects the operating temperature T, and the control unit 90 is configured only when the operating temperature T is equal to or higher than a predetermined value and the voltage V is equal to or lower than the predetermined value Th. It may be determined that the activity of the cathode 44 has decreased.

その結果、電圧Vが所定値Thよりも大きければ(ステップS110:NO)、カソード44の活性は低下していないということであり、制御ユニット90は、処理を元に戻す。一方、電圧Vが所定値Th以下であれば(ステップS110:YES)、カソード44の活性は低下しているということであり、制御ユニット90は、水分除去制御部92の処理として、出力要求95よりも大きい電流を流す制御を行う(ステップS120)。具体的には、シャットバルブ62、レギュレータ63及びエアコンプレッサ72を制御して、出力要求95に対応する反応ガスの供給量よりも多量の反応ガスを燃料電池スタック30に供給する。このように大きい電流を流すのは、燃料電池スタック30の発電反応による発熱量を増加させて、自己発熱によって、カソード44の周辺に存在する水分を乾燥、除去するためである。   As a result, if the voltage V is larger than the predetermined value Th (step S110: NO), it means that the activity of the cathode 44 has not decreased, and the control unit 90 returns the process to the original. On the other hand, if the voltage V is equal to or less than the predetermined value Th (step S110: YES), this means that the activity of the cathode 44 has decreased, and the control unit 90 outputs the output request 95 as a process of the moisture removal control unit 92. Is controlled to flow a larger current (step S120). Specifically, the shut valve 62, the regulator 63 and the air compressor 72 are controlled to supply a larger amount of reaction gas to the fuel cell stack 30 than the supply amount of reaction gas corresponding to the output request 95. The reason why such a large current flows is to increase the amount of heat generated by the power generation reaction of the fuel cell stack 30 and to dry and remove moisture existing around the cathode 44 by self-heating.

出力要求95よりも大きい電流を流すと、制御ユニット90は、所定期間の経過後、電圧Vが所定値Th以下であるか否かを判断する(ステップS130)。ここでの所定値Thは、上述のステップS110における所定値Thと同じ値である。また、後述するステップS150及びステップS170における所定値Thも同様である。その結果、電圧Vが所定値Th以下であれば(ステップS130:YES)、カソード44の活性は回復していないので、制御ユニット90は、更に、水分除去制御部92の処理として、ヒータ75を起動(ON)し、100℃以上の酸化ガス(以下、高温酸化ガスともいう)を燃料電池スタック30に供給する(ステップS140)。本実施例では、ヒータ75によって、酸化ガスが110℃まで加熱される。   When a current larger than the output request 95 is supplied, the control unit 90 determines whether or not the voltage V is equal to or lower than a predetermined value Th after a predetermined period has elapsed (step S130). The predetermined value Th here is the same value as the predetermined value Th in step S110 described above. The same applies to a predetermined value Th in step S150 and step S170 described later. As a result, if the voltage V is equal to or lower than the predetermined value Th (step S130: YES), the activity of the cathode 44 has not recovered, so the control unit 90 further switches the heater 75 on as a process of the moisture removal control unit 92. Activation (ON) is performed, and an oxidizing gas of 100 ° C. or higher (hereinafter also referred to as a high-temperature oxidizing gas) is supplied to the fuel cell stack 30 (step S140). In this embodiment, the oxidizing gas is heated to 110 ° C. by the heater 75.

このように、高温酸化ガスを供給するのは、カソード44の周辺に存在する水分を乾燥、除去するためであり、酸化ガスの温度を水の沸点(100℃)以上にすることで、乾燥、除去効果が大きくなる。ただし、酸化ガスの加熱温度は、100℃以下であってもよい。100℃以下であっても、加熱しない場合と比べて、水の飽和蒸気圧が大きくなり、水分の乾燥、除去効果がある程度期待できるからである。   As described above, the high-temperature oxidizing gas is supplied to dry and remove moisture existing around the cathode 44. The oxidizing gas is dried at a temperature higher than the boiling point (100 ° C.) of water. The removal effect is increased. However, the heating temperature of the oxidizing gas may be 100 ° C. or less. This is because even when the temperature is 100 ° C. or lower, the saturated vapor pressure of water becomes larger than when heating is not performed, and moisture drying and removal effects can be expected to some extent.

また、ヒータ75の電源として、ステップS120において出力要求95よりも大きな出力の発電を行う際の余剰電力を利用することができる。つまり、ステップS120の処理とステップS140の処理とを組み合わせることで、効率的な処理を実現できる。ただし、ヒータ75の電源として、燃料電池システム20が備えるバッテリの電力などを利用してもよい。   Further, as the power source of the heater 75, surplus power when generating power with an output larger than the output request 95 in step S120 can be used. That is, an efficient process is realizable by combining the process of step S120 and the process of step S140. However, the power of the battery provided in the fuel cell system 20 may be used as the power source of the heater 75.

ヒータ75を起動すると、制御ユニット90は、所定期間の経過後、電圧Vが所定値Th以下であるか否かを判断する(ステップS150)。その結果、電圧Vが所定値Th以下であれば(ステップS150:YES)、カソード44の活性は回復していないので、制御ユニット90は、更に、水分除去制御部92の処理として、三方弁73を制御して、酸化ガスの供給ルートを、バイパス配管77を経由するルートから脱水装置74を経由するルートに切り替える(ステップS160)。これにより、脱水装置74によって、水分量が低減された酸化ガス(以下、ドライエアともいう)が燃料電池スタック30に供給される。   When the heater 75 is activated, the control unit 90 determines whether or not the voltage V is equal to or lower than a predetermined value Th after a predetermined period has elapsed (step S150). As a result, if the voltage V is equal to or lower than the predetermined value Th (step S150: YES), the activity of the cathode 44 has not recovered, so that the control unit 90 further performs a three-way valve 73 as a process of the moisture removal control unit 92. Is controlled to switch the supply route of the oxidizing gas from the route via the bypass pipe 77 to the route via the dehydrator 74 (step S160). As a result, the dehydrating device 74 supplies an oxidizing gas (hereinafter also referred to as dry air) having a reduced water content to the fuel cell stack 30.

ドライエアを供給すると、制御ユニット90は、所定期間の経過後、電圧Vが所定値Th以下であるか否かを判断する(ステップS170)。その結果、電圧Vが所定値Th以下であれば(ステップS170:YES)、カソード44の活性は回復していないので、制御ユニット90は、更に、水分除去制御部92の処理として、エアコンプレッサ72を制御して、供給する酸化ガスの流速を速くする(ステップS180)。   When the dry air is supplied, the control unit 90 determines whether or not the voltage V is equal to or lower than the predetermined value Th after the elapse of the predetermined period (step S170). As a result, if the voltage V is less than or equal to the predetermined value Th (step S170: YES), the activity of the cathode 44 has not recovered, and the control unit 90 further performs the processing of the moisture removal control unit 92 as the air compressor 72. Is controlled to increase the flow rate of the supplied oxidizing gas (step S180).

酸化ガスの流速を速くすると、制御ユニット90は、所定期間の経過後、電圧Vが所定値Th以下であるか否かを判断する(ステップS190)。その結果、電圧Vが所定値Th以下であれば(ステップS190:YES)、カソード44の活性は回復していないので、制御ユニット90は、発電運転を行いながら、上記ステップS120,S140,S160,S180の処理を継続する。   When the flow rate of the oxidizing gas is increased, the control unit 90 determines whether or not the voltage V is equal to or lower than the predetermined value Th after the predetermined period has elapsed (step S190). As a result, if the voltage V is equal to or lower than the predetermined value Th (step S190: YES), the activity of the cathode 44 is not recovered, so that the control unit 90 performs the above-described steps S120, S140, S160, The process of S180 is continued.

一方、電圧Vが所定値Thより大きければ(ステップS190:NO)、あるいは、上記ステップS130,S150,S170において電圧Vが所定値Thより大きければ(ステップS130,S150,S170のいずれか:NO)、カソード44の活性は回復したので、制御ユニット90は、水分除去制御部92の処理として、上記ステップS120,S140,S160,S180の処理を停止し、燃料電池スタック30の運転を通常運転に戻す(ステップS200)。こうして、カソード被毒抑制処理は、終了となる。   On the other hand, if the voltage V is greater than the predetermined value Th (step S190: NO), or if the voltage V is greater than the predetermined value Th in steps S130, S150, S170 (any of steps S130, S150, S170: NO). Since the activity of the cathode 44 has been recovered, the control unit 90 stops the processes of steps S120, S140, S160, and S180 as the process of the moisture removal control unit 92, and returns the operation of the fuel cell stack 30 to the normal operation. (Step S200). Thus, the cathode poisoning suppression process is completed.

上述のカソード被毒抑制処理においては、制御ユニット90は、上記ステップS120,S140,S160,S180の4つの処理を、当該順序で、所定の経過期間を経て、段階的に実行する構成としたが、4つの処理の処理順序は、特に限定するものではなく、任意に入れ替えてもよい。また、制御ユニット90は、電圧Vが所定値Th以下である場合に、4つの処理のうちの少なくとも2つを同時に実行する構成としてもよい。また、制御ユニット90は、4つの処理を全て実行する必要はなく、これらの処理のうちの少なくとも1つを実行する構成としてもよい。また、4つの処理の実行の可否の判断基準となる所定値Thは、上述のように全てを同一の値にする必要はなく、それぞれが異なる値であってもよい。また、制御ユニット90は、電圧Vの値に応じて、上記ステップS120,S140,S160,S180の処理のうちから実行する処理を選択してもよい。   In the above-described cathode poisoning suppression process, the control unit 90 is configured to execute the four processes of steps S120, S140, S160, and S180 step by step in a predetermined order after a predetermined elapsed period. The processing order of the four processes is not particularly limited, and may be arbitrarily changed. The control unit 90 may be configured to simultaneously execute at least two of the four processes when the voltage V is equal to or lower than the predetermined value Th. The control unit 90 need not execute all four processes, and may be configured to execute at least one of these processes. Further, the predetermined value Th that is a criterion for determining whether or not the four processes can be executed does not have to be the same value as described above, and may be different values. In addition, the control unit 90 may select a process to be executed from among the processes of steps S120, S140, S160, and S180 according to the value of the voltage V.

A−4.効果:
本実施例の効果について説明する前に、イオン液体を電解質に用いた従来の燃料電池(以下、従来型燃料電池という)における課題について説明する。図4は、従来型燃料電池における電解質としてのイオン液体に水を添加し、その水の添加量と酸素還元電流密度(電圧0.8V時)との関係をプロットした図である。図示するように、従来型燃料電池の酸素還元電流密度は、水添加量が1000ppmまでは0.15〜0.16mA/cm2の範囲で推移しているのに対して、水添加量が約10000ppmでは、約0.04mA/cm2、100000ppmでは、ほぼ0mA/cm2となる。
A-4. effect:
Before describing the effects of this embodiment, problems in a conventional fuel cell using an ionic liquid as an electrolyte (hereinafter referred to as a conventional fuel cell) will be described. FIG. 4 is a diagram in which water is added to an ionic liquid as an electrolyte in a conventional fuel cell, and the relationship between the amount of water added and the oxygen reduction current density (at a voltage of 0.8 V) is plotted. As shown in the figure, the oxygen reduction current density of the conventional fuel cell is in the range of 0.15 to 0.16 mA / cm 2 until the water addition amount is 1000 ppm, whereas the water addition amount is about In 10000 ppm, in about 0.04mA / cm 2, 100000ppm, is approximately 0 mA / cm 2.

つまり、水添加量が所定以上増加すると、酸素還元電流密度は、急激に低下するのである。このことは、従来型燃料電池においては、酸化ガス中に含まれる水分や発電反応による生成水がカソードに所定以上残留すると、カソードの活性を急激に低下させること(カソードの水分被毒)を示している。かかる知見は、本願発明と共に得られたものである。   That is, when the amount of water added increases more than a predetermined amount, the oxygen reduction current density rapidly decreases. This indicates that in conventional fuel cells, if the moisture contained in the oxidizing gas or the water generated by the power generation reaction remains on the cathode more than a predetermined amount, the activity of the cathode is drastically lowered (moisture poisoning of the cathode). ing. Such knowledge has been obtained together with the present invention.

かかる課題を踏まえ、上述した本実施例の燃料電池システム20は、燃料電池31の電圧Vが低下したことを検知すると、すなわち、カソード44の活性が水分被毒によって低下したことを検知すると、カソード44の周辺に存在する水分を乾燥、除去する処理、具体的には、以下の4つの処理を実行する。
(1)出力要求95よりも大きな電流を流す。
(2)高温酸化ガスを燃料電池31に供給する。
(3)ドライエアを燃料電池31に供給する。
(4)酸化ガスの流速を速くする。
燃料電池システム20は、こうした処理によって、カソード44の周辺に存在する水分を乾燥、除去して、水分によるカソード44の被毒を回復させ、発電性能の低下を抑制することができる。
In light of this problem, the fuel cell system 20 of the above-described embodiment detects the cathode voltage V decreasing, that is, detects that the activity of the cathode 44 has decreased due to moisture poisoning. A process for drying and removing moisture existing around 44, specifically, the following four processes are executed.
(1) A current larger than the output request 95 is passed.
(2) Supply high-temperature oxidizing gas to the fuel cell 31.
(3) Supply dry air to the fuel cell 31.
(4) Increase the flow rate of the oxidizing gas.
By such treatment, the fuel cell system 20 can dry and remove moisture present around the cathode 44, recover poisoning of the cathode 44 due to moisture, and suppress deterioration in power generation performance.

また、上述の4つの処理を段階的に実行するので、処理の内容が過大となることがなく、効率的である。また、カソード44の活性が低下した場合にのみ、上述の4つの処理を実行するので、効率的である。   Further, since the above-described four processes are executed in stages, the contents of the processes do not become excessive and are efficient. Moreover, since the above-mentioned four processes are executed only when the activity of the cathode 44 is lowered, it is efficient.

B.第2実施例:
本発明の第2実施例について、第1実施例と異なる点について説明する。第2実施例としての燃料電池システム20の概略構成を図5に示す。図示するように、第2実施例としての燃料電池システム20は、第1系統20aと、第2系統20bと、制御ユニット90とを備えている。第1系統20aは、燃料電池スタック30a、燃料ガス系機器60a、酸化ガス系機器70a、冷却系機器80aを備えている。燃料電池スタック30a,燃料ガス系機器60a、酸化ガス系機器70a、冷却系機器80aの各々の構成は、上述した第1実施例の燃料電池スタック30,燃料ガス系機器60、酸化ガス系機器70、冷却系機器80と同様であり、図示を簡略化している。第2系統20bの構成は、第1系統20aと同様である。つまり、燃料電池システム20は、2系列の燃料電池スタックを備えている。なお、以降、第1系統20a及び第2系統20bの構成機器については、第1実施例で用いた構成機器の符号の末尾に「a」,「b」を付して表現するものとする。
B. Second embodiment:
The second embodiment of the present invention will be described for differences from the first embodiment. A schematic configuration of a fuel cell system 20 as a second embodiment is shown in FIG. As illustrated, the fuel cell system 20 as the second embodiment includes a first system 20a, a second system 20b, and a control unit 90. The first system 20a includes a fuel cell stack 30a, a fuel gas system device 60a, an oxidizing gas system device 70a, and a cooling system device 80a. The configuration of each of the fuel cell stack 30a, the fuel gas system device 60a, the oxidizing gas system device 70a, and the cooling system device 80a is the same as that of the fuel cell stack 30, the fuel gas system device 60, and the oxidizing gas system device 70 of the first embodiment described above. This is the same as the cooling system device 80, and the illustration is simplified. The configuration of the second system 20b is the same as that of the first system 20a. That is, the fuel cell system 20 includes two series of fuel cell stacks. Hereinafter, the components of the first system 20a and the second system 20b are expressed by adding “a” and “b” to the end of the reference numerals of the components used in the first embodiment.

制御ユニット90の構成は、基本的には第1実施例と同様であるが、出力要求95と、第1系統20aと第2系統20bの各種センサ97a,97bからの信号とを受けて、第1系統20aと第2系統20bの各種アクチュエータ96a,96bに駆動信号を出力し、第1系統20aと第2系統20bの両方の運転全般を制御する。また、本実施例においては、制御ユニット90は、第1系統20aと第2系統20bのいずれか一方を用いて、発電運転を行う。つまり、第1系統20aと第2系統20bのいずれか一方は、予備機として機能する。なお、制御ユニット90は、各系統ごとに個別的に設けられていてもよい。   The configuration of the control unit 90 is basically the same as that of the first embodiment. However, the control unit 90 receives the output request 95 and signals from the various sensors 97a and 97b of the first system 20a and the second system 20b. Drive signals are output to the various actuators 96a and 96b of the first system 20a and the second system 20b, and the overall operation of both the first system 20a and the second system 20b is controlled. In the present embodiment, the control unit 90 performs a power generation operation using either one of the first system 20a and the second system 20b. That is, one of the first system 20a and the second system 20b functions as a spare machine. The control unit 90 may be individually provided for each system.

かかる燃料電池システム20における運転切替処理について図6を用いて説明する。運転切替処理とは、カソード44a,44bの水分被毒を抑制しながら、第1系統20aと第2系統20bとの発電運転を切り替えて制御する処理である。この処理は、第1系統20a及び第2系統20bのいずれか一方の発電運転が起動され、定常運転に達したときに開始される。ここでは、第1系統20aが定常運転に達したものとして説明する。なお、第2系統20bは、停止した状態である。   The operation switching process in the fuel cell system 20 will be described with reference to FIG. The operation switching process is a process for switching and controlling the power generation operation between the first system 20a and the second system 20b while suppressing moisture poisoning of the cathodes 44a and 44b. This process is started when the power generation operation of one of the first system 20a and the second system 20b is started and reaches a steady operation. Here, the description will be made assuming that the first system 20a has reached steady operation. The second system 20b is in a stopped state.

運転切替処理が開始されると、制御ユニット90は、図6に示すように、監視部91の処理として、発電運転中の第1系統20aの電圧計35aが検出した電圧Vが所定値Th以下であるか否かを判断する(ステップS310)。その結果、電圧Vが所定値Thよりも大きければ(ステップS310:NO)、カソード44aの活性は低下していないので、制御ユニット90は、定常運転を継続する。   When the operation switching process is started, the control unit 90 causes the voltage V detected by the voltmeter 35a of the first system 20a during the power generation operation to be equal to or less than a predetermined value Th as a process of the monitoring unit 91 as shown in FIG. It is determined whether or not (step S310). As a result, if the voltage V is greater than the predetermined value Th (step S310: NO), the activity of the cathode 44a has not decreased, and the control unit 90 continues the steady operation.

一方、電圧Vが所定値Th以下であれば(ステップS310:YES)、カソード44aの活性は低下しているので、制御ユニット90は、水分除去制御部92の処理として、運転停止中の第2系統20bの発電運転を起動させ(ステップS320)、起動した第2系統20bの発電運転が定常運転に達するまで待機する(ステップS330)。   On the other hand, if the voltage V is equal to or lower than the predetermined value Th (step S310: YES), the activity of the cathode 44a is reduced, so that the control unit 90 performs the second operation during the operation stop as the process of the moisture removal control unit 92. The power generation operation of the system 20b is activated (step S320), and the system waits until the activated power generation operation of the second system 20b reaches a steady operation (step S330).

そして、起動した第2系統20bの発電運転が定常運転に達すると(ステップS330:YES)、制御ユニット90は、水分除去制御部92の処理として、当初、発電運転を行っていた第1系統20aの発電運転を停止し、ヒータ75aを起動(ON)すると共に、酸化ガスの供給ルートを、バイパス配管77を経由するルートから脱水装置74を経由するルートに切り替えて、100℃以上のドライエアを所定期間、燃料電池スタック30aに供給する(ステップS340)。なお、ここでの処理は、ドライエアの供給と、高温酸化ガスの供給のいずれか一方であってもよい。   Then, when the power generation operation of the activated second system 20b reaches a steady operation (step S330: YES), the control unit 90 initially performs the power generation operation as the process of the moisture removal control unit 92. The generator 75 is stopped, the heater 75a is started (ON), and the oxidizing gas supply route is switched from the route via the bypass pipe 77 to the route via the dehydrator 74, so that dry air of 100 ° C. or higher is predetermined. The fuel cell stack 30a is supplied for a period (step S340). The treatment here may be either dry air supply or high-temperature oxidizing gas supply.

100℃以上のドライエアの供給が終了すると、制御ユニット90は、当初、発電運転を行っていた第1系統20aの運転を停止する(ステップS350)。こうして、運転切替処理は終了となる。なお、次回の運転切替処理では、第1系統20aをステップS320で起動し、第2系統20bをステップS350で停止する処理となる。   When the supply of the dry air at 100 ° C. or higher is completed, the control unit 90 stops the operation of the first system 20a that was initially performing the power generation operation (step S350). Thus, the operation switching process ends. In the next operation switching process, the first system 20a is started in step S320, and the second system 20b is stopped in step S350.

上述の例では、ステップS340において、発電運転を停止した状態で、所定期間、100℃以上のドライエアを第1系統20aに供給したが、第1系統20aの発電運転を行いながら、100℃以上のドライエアを供給し、電圧Vが所定値よりも大きくなった時点で、当該供給を停止してもよい。こうすれば、カソード44aが回復したことを確実に確認してから、第1系統20aを停止することができる。また、燃料電池システム20は、3系列以上の燃料電池スタックを備えていてもよい。少なくとも1系列が予備機として機能すれば、上述の例と同様の制御が可能である。   In the above-described example, in step S340, in a state where the power generation operation is stopped, dry air of 100 ° C. or higher is supplied to the first system 20a for a predetermined period, but while performing the power generation operation of the first system 20a, When the dry air is supplied and the voltage V becomes larger than a predetermined value, the supply may be stopped. In this way, the first system 20a can be stopped after confirming that the cathode 44a has recovered. The fuel cell system 20 may include three or more fuel cell stacks. If at least one of the systems functions as a spare machine, the same control as in the above example is possible.

かかる構成の燃料電池システム20は、第1系統20a及び第2系統20bのうちのいずれか一方を発電運転させる。そして、発電運転中の系統のカソードの活性が低下すると、発電運転を行う系統を切り替えると共に、活性が低下した系統に対して、高温のドライエアを供給し、活性を回復させる。つまり、活性が低下していない燃料電池スタックによって好適な発電を行いながら、活性が低下した燃料電池スタックのカソードの活性を回復させることができる。したがって、システム全体として、発電性能の低下を抑制することができる。また、新たに起動する系統は、活性が回復した状態で発電運転を開始することが可能である。また、発電運転を停止した状態で、すなわち、カソード44に生成水が生成されない状態で被毒抑制処理を行うので、水分除去効果が大きく、確実に、活性の低下を回復させることができる。あるいは、短時間で、活性の低下を回復させることができる。また、発電運転を停止した後も、高温のドライエアで残留水素を完全に消費(発電)できるので、高温のドライエアによるカソード44の水分除去効果に加えて、発電に伴う自己発熱による水分除去効果も期待できる。   The fuel cell system 20 having such a configuration causes one of the first system 20a and the second system 20b to perform a power generation operation. And if the activity of the cathode of the system | strain in power generation operation falls, while switching the system | strain which performs power generation operation, high temperature dry air is supplied with respect to the system | strain with which activity fell, and activity is recovered. That is, it is possible to recover the activity of the cathode of the fuel cell stack whose activity has decreased while performing suitable power generation with the fuel cell stack whose activity has not decreased. Therefore, it is possible to suppress a decrease in power generation performance as the entire system. In addition, the newly activated system can start the power generation operation in a state where the activity has been recovered. Moreover, since the poisoning suppression process is performed in a state where the power generation operation is stopped, that is, in a state where generated water is not generated at the cathode 44, the moisture removal effect is large, and the decrease in activity can be reliably recovered. Or the fall of activity can be recovered in a short time. Further, even after the power generation operation is stopped, the residual hydrogen can be completely consumed (power generation) with the high temperature dry air. In addition to the moisture removal effect of the cathode 44 by the high temperature dry air, the water removal effect by the self-heating due to the power generation is also achieved. I can expect.

C.第3実施例:
本発明の第3実施例について第1実施例と異なる点について説明する。第3実施例としての燃料電池システム20の構成は、第1実施例と同様であり、後述する起動・停止処理を行う点が、第1実施例と異なる。以下、起動・停止処理について図7を用いて説明する。起動・停止処理とは、カソード44の活性低下を抑制するための燃料電池システム20の起動及び停止制御を行う処理である。本実施例においては、起動・停止処理は、燃料電池システム20の電源を投入した際に開始される。
C. Third embodiment:
A difference of the third embodiment of the present invention from the first embodiment will be described. The configuration of the fuel cell system 20 as the third embodiment is the same as that of the first embodiment, and is different from the first embodiment in that start / stop processing described later is performed. Hereinafter, the start / stop processing will be described with reference to FIG. The start / stop process is a process for performing start / stop control of the fuel cell system 20 for suppressing a decrease in the activity of the cathode 44. In the present embodiment, the start / stop process is started when the power of the fuel cell system 20 is turned on.

起動・停止処理が開始されると、制御ユニット90は、図7に示すように、燃料電池システム20の発電運転の起動の指示を待機する(ステップS410)。かかる指示は、燃料電池システム20が備えるユーザインタフェースから受け付けてもよいし、燃料電池システム20が搭載される車両や機器のCPU等から受け付けてもよい。   When the start / stop process is started, the control unit 90 waits for an instruction to start the power generation operation of the fuel cell system 20 as shown in FIG. 7 (step S410). Such an instruction may be received from a user interface included in the fuel cell system 20, or may be received from a CPU or the like of a vehicle or device in which the fuel cell system 20 is mounted.

そして、燃料電池システム20の発電運転の起動指示を受け付けると(ステップS410:YES)、制御ユニット90は、水分除去制御部92の処理として、ドライエアを燃料電池31に所定期間供給し、前回の発電運転終了時にカソード44の周辺に残留した水分を乾燥、除去する(ステップS420)。ドライエアを供給すると、制御ユニット90は、燃料電池システム20の発電運転を起動する(ステップS430)。   Then, upon receiving an instruction to start the power generation operation of the fuel cell system 20 (step S410: YES), the control unit 90 supplies dry air to the fuel cell 31 for a predetermined period as a process of the moisture removal control unit 92, and the previous power generation. The water remaining around the cathode 44 at the end of the operation is dried and removed (step S420). When the dry air is supplied, the control unit 90 starts the power generation operation of the fuel cell system 20 (step S430).

発電運転を起動すると、制御ユニット90は、燃料電池システム20の発電運転の停止の指示を待機する(ステップS440)。そして、発電運転の停止指示を受け付けると(ステップS440:YES)、制御ユニット90は、水分除去制御部92の処理として、燃料ガスの供給を停止した後、ドライエアを燃料電池31に供給して、燃料電池31内に残留する水素を完全に消費(発電)させる(ステップS450)。なお、上記ステップS420及びS450においては、ドライエアの供給に代えて、または加えて、高温酸化ガスを供給してもよい。また、発電運転の起動前、または、発電運転の停止後のいずれか一方で、上述の処理を実行してもよい。   When the power generation operation is started, the control unit 90 waits for an instruction to stop the power generation operation of the fuel cell system 20 (step S440). And if the stop instruction | indication of electric power generation driving | operation is received (step S440: YES), the control unit 90 will supply dry air to the fuel cell 31 after stopping supply of fuel gas as a process of the water | moisture-content removal control part 92, Hydrogen remaining in the fuel cell 31 is completely consumed (power generation) (step S450). In steps S420 and S450, a high-temperature oxidizing gas may be supplied instead of or in addition to the supply of dry air. Further, the above-described processing may be executed either before starting the power generation operation or after stopping the power generation operation.

かかる構成の燃料電池システム20は、燃料電池システム20の発電運転の起動前や停止後に、ドライエアを供給することで、カソード44の周辺に存在する水分を乾燥、除去するので、発電運転の起動後や、次回起動時のカソード44の水分被毒を抑制し、発電性能の低下を抑制することができる。また、発電運転の停止後には、ドライエアで残留水素を完全に消費するために、ドライエアによるカソード44の水分除去効果に加えて、発電に伴う自己発熱による水分除去効果も期待できる。また、発電運転を停止した状態で被毒抑制処理を行うので、水分除去効果が大きく、確実に、活性の低下を回復させることができる。あるいは、短時間で、活性の低下を回復させることができる。   The fuel cell system 20 having such a configuration dries and removes moisture existing around the cathode 44 by supplying dry air before or after the power generation operation of the fuel cell system 20 is started. In addition, moisture poisoning of the cathode 44 at the next start-up can be suppressed, and a decrease in power generation performance can be suppressed. In addition, since the residual hydrogen is completely consumed by dry air after the power generation operation is stopped, in addition to the moisture removal effect of the cathode 44 by dry air, a moisture removal effect by self-heating due to power generation can be expected. In addition, since the poisoning suppression process is performed in a state where the power generation operation is stopped, the water removal effect is large, and the decrease in activity can be reliably recovered. Or the fall of activity can be recovered in a short time.

D.変形例:
上述した実施例の変形例について説明する。
D−1.変形例1:
上述の第1実施例や第2実施例においては、制御ユニット90は、カソード44の活性が低下したと判断した場合に、ドライエアの供給など、カソード44の水分被毒を抑制する処理を実行する構成としたが、かかる処理は、カソード44の活性にかかわらず、常時行ってもよい。こうすれば、より確実に、カソード44の水分被毒を抑制することができる。また、かかる処理を常時行う場合には、通常時と、カソード44の活性低下の検知時とで、処理の程度や数に差を設けてもよい。例えば、制御ユニット90は、ヒータ75を用いて酸化ガスを常時加熱する場合には、通常時には、酸化ガスが50℃となるように加熱し、カソード44の活性低下時には、酸化ガスが100℃以上となるように制御してもよい。こうすれば、状況に応じて効率的な処理を行うことができる。
D. Variation:
A modification of the above-described embodiment will be described.
D-1. Modification 1:
In the first and second embodiments described above, when the control unit 90 determines that the activity of the cathode 44 has decreased, the control unit 90 executes a process of suppressing moisture poisoning of the cathode 44 such as supply of dry air. Although configured, such processing may be performed at all times regardless of the activity of the cathode 44. In this way, moisture poisoning of the cathode 44 can be more reliably suppressed. When such processing is always performed, there may be a difference in the degree and number of processing between the normal time and the detection of the decrease in the activity of the cathode 44. For example, when the control unit 90 always heats the oxidizing gas using the heater 75, the oxidizing unit normally heats the oxidizing gas to 50 ° C., and when the activity of the cathode 44 decreases, the oxidizing gas reaches 100 ° C. or more. You may control so that it may become. In this way, efficient processing can be performed according to the situation.

あるいは、制御ユニット90は、所定のタイミングで間欠的に、カソード44の水分被毒を抑制する処理を実行してもよい。所定のタイミングは、例えば、所定の期間ごととすることができる。こうした期間としては、例えば、発電運転時間が所定時間に達した時や延べ出力が所定値に達した時などとすることができる。こうすれば、処理を効率化できる。   Alternatively, the control unit 90 may execute a process for suppressing moisture poisoning of the cathode 44 intermittently at a predetermined timing. The predetermined timing can be, for example, every predetermined period. Such a period can be, for example, when the power generation operation time reaches a predetermined time or when the total output reaches a predetermined value. In this way, the processing can be made efficient.

また、第3実施例においては、第1系統20aと第2系統20bのうちの発電運転を行う系統を所定のタイミング、例えば、所定期間ごとに切り替えて、発電運転を停止する系統に対して、ドライエアの供給を行ってもよい。なお、上述した各々の構成において、電圧計35によるカソード44の活性低下の検知を処理の実行契機としない場合には、電圧計35は必須ではない。   Further, in the third embodiment, for the system that switches the power generation operation of the first system 20a and the second system 20b at a predetermined timing, for example, every predetermined period, and stops the power generation operation, Dry air may be supplied. In each of the above-described configurations, the voltmeter 35 is not essential when the detection of the decrease in the activity of the cathode 44 by the voltmeter 35 is not triggered by the execution of the processing.

D−2.変形例2:
上述の実施形態においては、電解質膜43にイオン液体を保持させる方法として、イオン液体を高分子材でゲル化して形成した電解質膜43を用いたが、イオン液体の保持方法は、かかる例に限られるものではない。例えば、シリコンカーバイドなどの微粒子で形成されたマトリックス層にイオン液体を含浸させて、マトリックス層にイオン液体を保持させるマトリックス型としてもよいし、アノード42とカソード44との間にダイヤフラム膜などにより形成された電解液室に、イオン液体を循環させる自由電解液型としてもよい。これらの方法は、アルカリ形燃料電池やリン酸形燃料電池において一般的に用いられている方法である。
D-2. Modification 2:
In the above-described embodiment, the electrolyte membrane 43 formed by gelling an ionic liquid with a polymer material is used as a method for holding the ionic liquid in the electrolyte membrane 43. However, the ionic liquid holding method is limited to such an example. It is not something that can be done. For example, the matrix layer formed of fine particles such as silicon carbide may be impregnated with an ionic liquid to hold the ionic liquid in the matrix layer, or may be formed by a diaphragm film between the anode 42 and the cathode 44. It is good also as a free electrolyte type which circulates an ionic liquid in the made electrolyte chamber. These methods are generally used in alkaline fuel cells and phosphoric acid fuel cells.

以上、本発明の実施形態について説明したが、上述した実施形態における本発明の構成要素のうち、独立クレームに記載された要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、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、イオン性液体を電解質として利用する燃料電池に限らず、無水条件でプロトン伝導性を有する無水電解質を用いた種々の燃料電池システムに適用することができる。また、本発明は、燃料電池システムとしての構成のほか、燃料電池の運転方法、そのコンピュータプログラム、当該プログラムを記録した記憶媒体等としても実現することができる。   The embodiment of the present invention has been described above, but among the components of the present invention in the above-described embodiment, elements other than the elements described in the independent claims are additional elements and can be omitted as appropriate. Moreover, although the embodiment of the present invention has been described, 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 can be applied not only to a fuel cell using an ionic liquid as an electrolyte but also to various fuel cell systems using an anhydrous electrolyte having proton conductivity under anhydrous conditions. In addition to the configuration as a fuel cell system, the present invention can be realized as a fuel cell operating method, a computer program thereof, a storage medium storing the program, and the like.

20…燃料電池システム
20a…第1系統
20b…第2系統
30,30a,30b…燃料電池スタック
31…燃料電池
35…電圧計
41…電解質膜・電極接合体
42…アノード
43…電解質膜
44…カソード
46…ガス拡散層
47…シール部
50…セパレータ
51…燃料ガス供給マニホールド
52…燃料ガス排出マニホールド
53…酸化ガス供給マニホールド
54…酸化ガス排出マニホールド
55…冷却水供給マニホールド
56…冷却水排出マニホールド
60,60a,60b…燃料ガス系機器
61…水素タンク
62…シャットバルブ
63…レギュレータ
64,65,68…配管
66…希釈器
70,70a,70b…酸化ガス系機器
71…エアクリーナ
72…エアコンプレッサ
73…三方弁
74…脱水装置
75…ヒータ
76,78…配管
77…バイパス配管
80,80a,80b…冷却系機器
81…ラジエータ
82…循環ポンプ
83…配管
90…制御ユニット
91…監視部
92…水分除去制御部
95…出力要求
96,96a,96b…各種アクチュエータ
97,97a,97b…各種センサ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 20 ... Fuel cell system 20a ... 1st system 20b ... 2nd system 30, 30a, 30b ... Fuel cell stack 31 ... Fuel cell 35 ... Voltmeter 41 ... Electrolyte membrane electrode assembly 42 ... Anode 43 ... Electrolyte membrane 44 ... Cathode 46 ... Gas diffusion layer 47 ... Seal part 50 ... Separator 51 ... Fuel gas supply manifold 52 ... Fuel gas discharge manifold 53 ... Oxidation gas supply manifold 54 ... Oxidation gas discharge manifold 55 ... Cooling water supply manifold 56 ... Cooling water discharge manifold 60, 60a, 60b ... fuel gas system equipment 61 ... hydrogen tank 62 ... shut valve 63 ... regulator 64, 65, 68 ... piping 66 ... diluter 70, 70a, 70b ... oxidizing gas system equipment 71 ... air cleaner 72 ... air compressor 73 ... three-way Valve 74 ... Dehydrator 75 ... Heater 76, 78 ... Piping 77 ... Bypass piping 80, 80a, 80b ... Cooling system equipment 81 ... Radiator 82 ... Circulation pump 83 ... Piping 90 ... Control unit 91 ... Monitoring unit 92 ... Moisture removal control unit 95 ... Output request 96, 96a, 96b ... Various actuators 97, 97a, 97b ... Various sensors

Claims (12)

燃料電池システムであって、
無水条件でプロトン伝導性を有する無水電解質と、アノードと、カソードとを備える燃料電池と、
前記カソードの周辺に存在する水分を除去して、該カソードの水分による被毒を抑制する被毒抑制処理を行う水分除去手段と
を備えた燃料電池システム。
A fuel cell system,
A fuel cell comprising an anhydrous electrolyte having proton conductivity under anhydrous conditions, an anode, and a cathode;
A fuel cell system comprising: a moisture removing unit that removes moisture present around the cathode and performs poisoning suppression processing that suppresses poisoning of the cathode due to moisture.
請求項1記載の燃料電池システムであって、
更に、前記カソードの活性を監視する監視手段を備え、
前記水分除去手段は、前記監視手段が前記カソードの活性が所定以下に低下したことを検知した場合に、前記被毒抑制処理を行う
燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 1, wherein
And further comprising monitoring means for monitoring the activity of the cathode,
The water removal means performs the poisoning suppression process when the monitoring means detects that the activity of the cathode has dropped below a predetermined value. Fuel cell system.
請求項1または請求項2記載の燃料電池システムであって、
前記水分除去手段は、
前記カソードに供給する酸化ガス中に含まれる水分量を低減させる脱水手段を備え、
前記被毒抑制処理の1つとして、前記脱水手段で水分量を低減させた酸化ガスを前記カソードに供給する
燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein
The moisture removing means includes
Comprising dehydrating means for reducing the amount of water contained in the oxidizing gas supplied to the cathode;
As one of the poisoning suppression processes, a fuel cell system that supplies an oxidant gas whose water content has been reduced by the dehydrating means to the cathode.
請求項1ないし請求項3のいずれか記載の燃料電池システムであって、
前記水分除去手段は、
前記カソードに供給する酸化ガスを加熱する加熱手段を備え、
前記被毒抑制処理の1つとして、前記加熱手段で加熱した酸化ガスを前記カソードに供給する
燃料電池システム。
A fuel cell system according to any one of claims 1 to 3,
The moisture removing means includes
A heating means for heating the oxidizing gas supplied to the cathode;
As one of the poisoning suppression processes, a fuel cell system that supplies the cathode with the oxidizing gas heated by the heating means.
前記水分除去手段は、前記被毒抑制処理の1つとして、前記カソードに供給する酸化ガスの流速を速くする請求項1ないし請求項4のいずれか記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, wherein the moisture removing means increases the flow rate of the oxidizing gas supplied to the cathode as one of the poisoning suppression processes. 前記水分除去手段は、前記被毒抑制処理の1つとして、前記燃料電池システムに出力要求される電流よりも大きな電流を前記燃料電池に発生させる請求項1ないし請求項5のいずれか記載の燃料電池システム。   The fuel according to any one of claims 1 to 5, wherein the moisture removing means causes the fuel cell to generate a current larger than a current required for the fuel cell system as one of the poisoning suppression processes. Battery system. 前記水分除去手段は、前記燃料電池システムの発電運転の起動前に、前記被毒抑制処理を行う請求項3または請求項4記載の燃料電池システム。   5. The fuel cell system according to claim 3, wherein the moisture removing unit performs the poisoning suppression process before starting the power generation operation of the fuel cell system. 前記水分除去手段は、前記燃料電池システムの発電運転の停止後に、前記アノードへの燃料ガスの供給を停止した状態で、前記被毒抑制処理を行う請求項3または請求項4記載の燃料電池システム。   5. The fuel cell system according to claim 3, wherein the moisture removing unit performs the poisoning suppression process in a state where supply of fuel gas to the anode is stopped after the power generation operation of the fuel cell system is stopped. . 燃料電池システムであって、
無水条件でプロトン伝導性を有する無水電解質と、アノードと、カソードとを備える燃料電池が複数積層された、複数の燃料電池スタックと、
前記複数の燃料電池スタックの各々に対して、前記カソードの周辺に存在する水分を除去して、該カソードの水分による被毒を抑制する被毒抑制処理を行う水分除去手段と、
前記複数の燃料電池スタックの各々に対して、前記カソードの活性を監視する監視手段と
を備え、
前記水分除去手段は、前記監視手段が、前記複数の燃料電池スタックのうちの、発電運転中の燃料電池スタックの前記カソードの活性が所定以下に低下したことを検知した場合に、前記複数の燃料電池スタックのうちの、運転停止中の燃料電池スタックの発電運転を開始し、前記活性の低下が検知された燃料電池スタックに対して、発電運転を停止すると共に、前記被毒抑制処理を行う
燃料電池システム。
A fuel cell system,
A plurality of fuel cell stacks in which a plurality of fuel cells including an anhydrous electrolyte having proton conductivity under anhydrous conditions, an anode, and a cathode are stacked;
Moisture removal means for performing a poisoning suppression process for removing moisture present around the cathode and suppressing poisoning due to moisture of the cathode for each of the plurality of fuel cell stacks;
Monitoring means for monitoring the activity of the cathode for each of the plurality of fuel cell stacks;
The moisture removing unit is configured to detect the plurality of fuels when the monitoring unit detects that the activity of the cathode of the fuel cell stack in the power generation operation of the plurality of fuel cell stacks falls below a predetermined value. A fuel cell stack that is out of operation is started to generate power, and the power generation operation is stopped and the poisoning suppression process is performed on the fuel cell stack in which the decrease in activity is detected. Battery system.
前記無水電解質は、トリフルオロメタンスルホン酸とジエチルメチルアミンとを含む請求項1ないし請求項9のいずれか記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to any one of claims 1 to 9, wherein the anhydrous electrolyte contains trifluoromethanesulfonic acid and diethylmethylamine. 前記カソードは、少なくとも白金を含む請求項1ないし請求項10のいずれか記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 1, wherein the cathode contains at least platinum. 無水条件でプロトン伝導性を有する無水電解質と、アノードと、カソードとを備える燃料電池システムの運転方法であって、
前記カソードの活性を監視し、
前記カソードの活性が所定以下に低下した場合に、前記カソードの周辺に存在する水分を除去する
燃料電池システムの運転方法。
A method of operating a fuel cell system comprising an anhydrous electrolyte having proton conductivity under anhydrous conditions, an anode, and a cathode,
Monitoring the activity of the cathode;
A method of operating a fuel cell system, wherein water existing around the cathode is removed when the activity of the cathode falls below a predetermined level.
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