JP2011258466A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、固体高分子電解質膜型燃料電池を備える燃料電池システムに関するものである。 The present invention relates to a fuel cell system including a solid polymer electrolyte membrane fuel cell.
固体高分子電解質膜を有し、アノードに水素(燃料)が供給され、カソードに酸素(酸化剤)を含む空気が供給されて発電をする燃料電池では、アノードの水素濃度(アノードのストイキ値)を把握することが、固体高分子電解質膜の劣化防止や発電の安定性を図る上で重要である。
例えば、特許文献1には、燃料電池の発電中に計測されるセル電圧に基づいてアノードの電位(アノード電位)を推定し、アノード電位の上昇からアノードの水素不足を検知して、燃料電池の発電制御を行うことが開示されている。
In a fuel cell that has a solid polymer electrolyte membrane, hydrogen (fuel) is supplied to the anode, and air containing oxygen (oxidant) is supplied to the cathode, the hydrogen concentration of the anode (stoichiometric value of the anode) It is important to grasp the above in order to prevent deterioration of the solid polymer electrolyte membrane and stability of power generation.
For example, in Patent Document 1, an anode potential (anode potential) is estimated based on a cell voltage measured during power generation of a fuel cell, and an anode hydrogen shortage is detected from an increase in anode potential. Performing power generation control is disclosed.
しかしながら、前述した従来の技術では、燃料電池の発電運転中にアノード電位を推定し、この推定アノード電位に基づいてその後の燃料電池の発電を制御しているので、既に燃料電池の発電が継続して行われているため、状況が変化してしまい対応が後手に回る虞がある。 However, in the conventional technology described above, the anode potential is estimated during the power generation operation of the fuel cell, and the subsequent power generation of the fuel cell is controlled based on the estimated anode potential. As a result, the situation may change and the response may be delayed.
そこで、この発明は、燃料電池の発電前にアノード電位を推定することができる燃料電池システムを提供するものである。 Accordingly, the present invention provides a fuel cell system capable of estimating the anode potential before power generation by the fuel cell.
この発明に係る燃料電池システムでは、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
請求項1に係る発明は、固体高分子電解質膜を有しアノードに燃料をカソードに酸化剤を供給されて発電をする燃料電池(例えば、後述する実施例における燃料電池1)と、前記燃料電池の前記アノードに燃料を導入する燃料流路(例えば、後述する実施例における燃料供給流路17、アノードオフガス流路18)と、前記燃料電池の前記カソードに酸化剤を導入する酸化剤流路(例えば、後述する実施例における空気供給流路8)と、前記燃料電池のセル電圧を測定するセル電圧測定手段(例えば、後述する実施例における電圧センサ14)と、前記酸化剤流路および前記燃料流路に酸化剤を導入可能とする酸化剤導入手段(例えば、後述する実施例におけるコンプレッサ7、アノード掃気流路27、掃気弁28)と、前記燃料電池と前記酸化剤導入手段とを制御するとともに前記セル電圧測定手段からの信号を受理する制御部(例えば、後述する実施例における制御装置30)と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池を停止させた際に前記停止から所定時間経過した後に前記セル電圧測定手段によりセル電圧を測定して第1セル電圧値を取得し、その後、前記酸化剤導入手段により前記酸化剤流路に酸化剤を導入した後に前記セル電圧測定手段により再度セル電圧を測定して第2セル電圧値を取得し、前記第1セル電圧値と前記第2セル電圧値および予め測定された前記酸化剤流路に酸化剤を導入したときのカソード電位とに基づいて、前記停止から前記所定時間経過後のアノード電位を推定することを特徴とする燃料電池システムである。
The fuel cell system according to the present invention employs the following means in order to solve the above problems.
The invention according to claim 1 includes a fuel cell (for example, a fuel cell 1 in an embodiment to be described later) having a solid polymer electrolyte membrane and generating fuel by supplying fuel to the anode and oxidant to the cathode, and the fuel cell. A fuel flow path for introducing fuel into the anode (for example, a fuel
請求項2に係る発明は、請求項1に記載の発明において、前記制御部は、予め求めておいたアノード電位とアノード残留水素濃度との関係を用いて、前記推定されたアノード電位に応じたアノード残留水素濃度を求めることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the control unit responds to the estimated anode potential by using a relationship between the anode potential and the anode residual hydrogen concentration which are obtained in advance. The anode residual hydrogen concentration is obtained.
請求項3に係る発明は、請求項2に記載の発明において、前記制御部は、前記推定されたアノード残留水素濃度が閾値以下の場合に、前記酸化剤導入手段により前記燃料流路に酸化剤を導入して前記燃料流路内の流体を排出することを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the second aspect of the present invention, when the estimated anode residual hydrogen concentration is equal to or less than a threshold value, the control unit causes the oxidant to be introduced into the fuel flow path by the oxidant introduction unit. Is introduced to discharge the fluid in the fuel flow path.
請求項4に係る発明は、請求項2に記載の発明において、前記制御部は、予め求めておいた前記燃料電池のセルのアノード残留水素濃度の平均値である平均アノード残留水素濃度と前記燃料電池内のセルのアノード残留水素濃度のうちの最低値である最低アノード残留水素濃度との関係を用い、前記推定されたアノード残留水素濃度の平均値および最低値に基づいて、前記燃料流路内の流体排出の要否を判定し、流体排出が必要と判定された場合に、前記酸化剤導入手段により前記燃料流路に酸化剤を導入して前記燃料流路内の流体を排出することを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the second aspect of the present invention, the control unit is configured to obtain an average anode residual hydrogen concentration that is an average value of an anode residual hydrogen concentration of a cell of the fuel cell, which is obtained in advance, and the fuel. Using the relationship with the minimum anode residual hydrogen concentration, which is the lowest value of the anode residual hydrogen concentration of the cells in the battery, based on the average value and the minimum value of the estimated anode residual hydrogen concentration, Determining whether or not the fluid needs to be discharged, and if it is determined that the fluid needs to be discharged, the oxidant introduction means introduces an oxidant into the fuel flow path and discharges the fluid in the fuel flow path. Features.
請求項5に係る発明は、固体高分子電解質膜を有しアノードに燃料をカソードに酸化剤を供給されて発電をする燃料電池(例えば、後述する実施例における燃料電池1)と、前記燃料電池の前記アノードに燃料を導入する燃料流路(例えば、後述する実施例における燃料供給流路17、アノードオフガス流路18)と、前記燃料電池の前記カソードに酸化剤を導入する酸化剤流路(例えば、後述する実施例における空気供給流路8)と、前記燃料電池のセル電圧を測定するセル電圧測定手段(例えば、後述する実施例における電圧センサ14)と、前記燃料電池を制御するとともに前記セル電圧測定手段からの信号を受理する制御部(例えば、後述する実施例における制御装置30)と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池を起動させる際に発電前に、前記セル電圧測定手段によりセル電圧を測定して第1セル電圧値を取得し、その後、前記酸化剤導入手段により前記酸化剤流路に酸化剤を導入した後に前記セル電圧測定手段により再度セル電圧を測定して第2セル電圧値を取得し、前記第1セル電圧値と前記第2セル電圧値および予め測定された前記酸化剤流路に酸化剤を導入したときのカソード電位とに基づいて、前記起動時のアノード電位を推定することを特徴とする。
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a fuel cell (for example, a fuel cell 1 in an embodiment to be described later) having a solid polymer electrolyte membrane and generating fuel by supplying fuel to the anode and oxidant to the cathode, and the fuel cell. A fuel flow path for introducing fuel into the anode (for example, a fuel
請求項6に係る発明は、請求項5に記載の発明において、前記制御部は、予め求めておいたアノード電位とアノード残留水素濃度との関係を用いて、前記推定されたアノード電位に応じたアノード残留水素濃度を求めることを特徴とする。
The invention according to
請求項7に係る発明は、請求項6に記載の発明において、前記制御部は、予め求めておいたアノード残留水素濃度と燃料電池起動時の燃料ガス置換量との関係を用いて、前記推定されたアノード残留水素濃度に応じた燃料ガス置換量を設定し、燃料電池起動時の発電前の燃料ガス置換を実施することを特徴とする。
The invention according to
請求項8に係る発明は、請求項6に記載の発明において、前記制御部は、予め求めておいたアノード残留水素濃度と燃料電池起動時の燃料ガス置換圧力との関係を用いて、前記推定されたアノード残留水素濃度に応じた燃料ガス置換圧力を設定し、燃料電池起動時の発電前の燃料ガス置換を実施することを特徴とする。
The invention according to
請求項1に係る発明によれば、直接にアノード電位を測定しないで、燃料電池を停止させてから所定時間後のアノード電位を推定することができる。したがって、高額なアノード電位測定装置が不要で、燃料電池システムの構成を簡素化することができる。
請求項2に係る発明によれば、推定されたアノード電位に基づいて、燃料電池を停止させてから所定時間後のアノードの残留水素濃度を容易に推定することができる。
請求項3および請求項4に係る発明によれば、燃料電池の停止期間中に、酸化剤によるアノードの掃気を適切なタイミングで実施することができる。その結果、アノード掃気の際に、固体高分子電解質膜の触媒上で燃料と酸化剤が直接反応して触媒を劣化させるのを防止することができる。これにより、固体高分子電解質膜の寿命が延び、発電性能を長期に亘って維持することができる。
According to the first aspect of the present invention, it is possible to estimate the anode potential after a predetermined time from stopping the fuel cell without directly measuring the anode potential. Therefore, an expensive anode potential measuring device is unnecessary, and the configuration of the fuel cell system can be simplified.
According to the second aspect of the present invention, based on the estimated anode potential, it is possible to easily estimate the residual hydrogen concentration of the anode after a predetermined time after stopping the fuel cell.
According to the third and fourth aspects of the invention, the scavenging of the anode with the oxidant can be performed at an appropriate timing during the stop period of the fuel cell. As a result, it is possible to prevent the catalyst and the oxidant from directly reacting with each other on the catalyst of the solid polymer electrolyte membrane during the anode scavenging. Thereby, the lifetime of the solid polymer electrolyte membrane is extended, and the power generation performance can be maintained over a long period of time.
請求項5に係る発明によれば、直接にアノード電位を測定しないで、燃料電池の起動時に発電前のアノード電位を推定することができる。したがって、高額なアノード電位測定装置が不要で、燃料電池システムの構成を簡素化することができる。
請求項6に係る発明によれば、推定されたアノード電位に基づいて、燃料電池の起動時に発電前のアノードの残留水素濃度を容易に推定することができる。
請求項7に係る発明によれば、燃料電池の起動時に、発電前に、その時の燃料電池内部のガス状態に応じた適切な燃料ガス置換量で燃料ガス置換を実施することができる。その結果、ガス置換不足を防止して、燃料電池の固体高分子電解質膜の劣化を防止することができ、発電運転に移行したときに安定した発電を行うことができ、起動性が向上する。
請求項8に係る発明によれば、燃料電池の起動時に、発電前に、その時の燃料電池内部のガス状態に応じた適切な燃料ガス置換圧力で燃料ガス置換を実施することができる。その結果、ガス置換不足を防止して、燃料電池の固体高分子電解質膜の劣化を防止することができ、発電運転に移行したときに安定した発電を行うことができ、起動性が向上する。
According to the fifth aspect of the present invention, the anode potential before power generation can be estimated when the fuel cell is started without directly measuring the anode potential. Therefore, an expensive anode potential measuring device is unnecessary, and the configuration of the fuel cell system can be simplified.
According to the sixth aspect of the present invention, the residual hydrogen concentration of the anode before power generation can be easily estimated based on the estimated anode potential when the fuel cell is started.
According to the invention of
According to the invention of
以下、この発明に係る燃料電池システムの実施例を図1から図10の図面を参照して説明する。なお、以下に説明する実施例における燃料電池システムは、燃料電池車両に搭載された態様である。 Embodiments of a fuel cell system according to the present invention will be described below with reference to the drawings of FIGS. In addition, the fuel cell system in the Example demonstrated below is the aspect mounted in the fuel cell vehicle.
図1は、実施例における燃料電池システムの概略構成図である。
燃料電池1は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されており、アノード側の燃料流通路5に燃料として水素を供給し、カソード側の酸化剤流通路6に酸化剤として酸素を含む空気を供給すると、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。カソード側で生じた生成水の一部は固体高分子電解質膜を透過してアノード側に逆拡散するため、アノード側にも生成水が存在する。
空気はスーパーチャージャーなどのコンプレッサ7により所定圧力に加圧され、空気供給流路(酸化剤流路)8を通って燃料電池1の酸化剤流通路6に供給される。燃料電池1に供給された空気は発電に供された後、燃料電池1からカソード側の生成水と共に空気排出流路9に排出され、圧力制御弁10を介して希釈器11へ排出される。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system in an embodiment.
The fuel cell 1 is formed by stacking a plurality of cells formed by sandwiching a solid polymer electrolyte membrane made of, for example, a solid polymer ion exchange membrane between an anode and a cathode from both sides, and a
The air is pressurized to a predetermined pressure by a
一方、水素タンク15から供給される水素は燃料供給流路17を介して燃料電池1の燃料流通路5に供給される。燃料供給流路17には、上流側から順に、遮断弁20、レギュレータ16、エゼクタ19、封止弁25が設けられており、水素タンク15から供給された水素はレギュレータ16によって所定圧力に減圧されて燃料電池1の燃料流通路5に供給される。そして、消費されなかった未反応の水素は、燃料電池1からアノードオフガスとして排出され、アノードオフガス流路18を通ってエゼクタ19に吸引され、水素タンク15から供給される新鮮な水素と合流し再び燃料電池1の燃料流通路5に供給される。すなわち、燃料電池1から排出されるアノードオフガスは、アノードオフガス流路18、およびエゼクタ19よりも下流の燃料供給流路17を通って、燃料電池1を循環する。
封止弁25よりも下流の燃料供給流路17と空気供給流路8は、掃気弁28を備えたアノード掃気流路27によって接続されており、アノード掃気流路27を介して燃料供給流路17に空気を導入可能となっている。
On the other hand, hydrogen supplied from the
The
アノードオフガス流路18には、アノードオフガスに含まれる凝縮水を捕集するキャッチタンク12が設けられており、エゼクタ19には凝縮水を除去された水素が供給されるようになっている。キャッチタンク12は排水弁13を有し、キャッチタンク12に所定量の水が溜まると排水弁13が開いて排水するようになっている。
キャッチタンク12よりも上流のアノードオフガス流路18には封止弁26が設けられている。
The anode off
A sealing
また、キャッチタンク12よりも下流のアノードオフガス流路18からは、パージ弁21を備えたパージ流路22が分岐し、パージ流路22は希釈器11に接続されている。パージ弁21は燃料電池1の発電時においては通常は閉じており、所定の条件が満たされたときに開いてアノードオフガスを希釈器11へ排出する。また、パージ弁21は、燃料電池システムの起動時に、燃料供給流路17、アノードオフガス流路18、および燃料電池1の燃料流通路5内の流体を新たな水素に置き換える、いわゆるOCVパージを行うときに開かれて、ガス置換を行う。さらに、パージ弁21は、燃料電池システムの停止時に、燃料電池1の燃料流通路5を空気で掃気する、いわゆるアノード掃気を行うときに開かれて、掃気ガスを排出する。
なお、キャッチタンク12の排水弁13から排水された水もパージ流路22を介して希釈器11に排出される。
A
The water drained from the
そして、希釈器11において、アノードオフガスは圧力制御弁10から排出される空気によって希釈され、希釈されたガスが希釈器11から排気管23を介して大気に排出される。排気管23には、排出されるガスの水素濃度を計測する水素センサ24が設けられている。
燃料電池1にはセル電圧を測定するセル電圧センサ(セル電圧測定手段)14が設けられている。セル電圧センサ14は、全セルにそれぞれ設置してもよいし、あるいは、所定のセル積層数毎にブロック分けし、各ブロック毎に設定した代表セルにそれぞれ設置してもよい。セル電圧センサ14は計測したセル電圧に応じた信号を制御装置(制御部)30に出力する。
In the
The fuel cell 1 is provided with a cell voltage sensor (cell voltage measuring means) 14 for measuring a cell voltage. The
制御装置30は、イグニッションスイッチ31から入力したON/OFF信号に基づいて燃料電池システムの起動・停止を制御し、燃料電池1の出力制御等、制御内容に応じて、コンプレッサ7、圧力制御弁10、遮断弁20、パージ弁21、封止弁25,26、掃気弁28等を制御する。
この実施例1において、燃料供給流路17とアノードオフガス流路18は、燃料電池1に燃料(水素)を導入する燃料流路を構成し、コンプレッサ7とアノード掃気流路27と掃気弁28は、酸化剤流路と燃料流路に酸化剤を導入可能とする酸化剤導入手段を構成する。また、遮断弁20とパージ弁21は燃料流路内の流体を新たな燃料に置き換える燃料ガス置換手段を構成する。
The
In the first embodiment, the
このように構成された燃料電池システムでは、燃料電池システムの停止時に、燃料電池1のアノードに空気を導入してアノード掃気を行い、アノードに残留する水素(残留水素)を排出する。
しかしながら、燃料電池1の停止直後は燃料電池1のアノードに水素が多量に残っており、アノードに多量の水素が残っている状態でアノード掃気を行うと、アノード内の水素と掃気ガス(空気)中の酸素が直接に反応して、固体高分子電解質膜の触媒を劣化させてしまう。したがって、固体高分子電解質膜の劣化を防止するためには、アノードに水素が少ない状態となったときにアノード掃気を実施するのが好ましい。そこで、この実施例の燃料電池システムでは、アノード掃気を適切なタイミングで実施するため、燃料電池システムの停止時に、燃料電池1の発電を停止してから一定時間後にセル電圧からアノード電位を推定し、さらに推定されたアノード電位に基づいてアノードの残留水素濃度を推定し、推定された残留水素濃度に基づいてアノード掃気の実施を許可するか否かを判定し、許可判定の場合にだけアノード掃気を実施する。
In the fuel cell system configured as described above, when the fuel cell system is stopped, air is introduced into the anode of the fuel cell 1 to perform scavenging of the anode, and hydrogen remaining in the anode (residual hydrogen) is discharged.
However, immediately after the fuel cell 1 is stopped, a large amount of hydrogen remains in the anode of the fuel cell 1, and when the anode scavenging is performed with a large amount of hydrogen remaining in the anode, the hydrogen in the anode and the scavenging gas (air) The oxygen inside reacts directly and deteriorates the catalyst of the solid polymer electrolyte membrane. Therefore, in order to prevent deterioration of the solid polymer electrolyte membrane, it is preferable to perform anode scavenging when the anode is low in hydrogen. Therefore, in the fuel cell system of this embodiment, the anode scavenging is performed at an appropriate timing. Therefore, when the fuel cell system is stopped, the anode potential is estimated from the cell voltage after a certain period of time after the power generation of the fuel cell 1 is stopped. Further, the residual hydrogen concentration of the anode is estimated based on the estimated anode potential, and it is determined whether or not to perform the anode scavenging based on the estimated residual hydrogen concentration. To implement.
また、この燃料電池システムでは、燃料電池システムの起動時に、早期に安定した発電を行うことができるようにするため、発電前にOCVパージを行い、燃料供給流路17およびアノードオフガス流路18内に残留している流体を押し出し新たな水素に置き換える。
しかしながら、燃料電池システムの起動時において燃料電池1のアノードのガス状態は常に同じではないので、OCVパージを画一的に行うと、ガス置換が不足し、アノードの水素濃度を所望する濃度まで高めることができない場合がある。
Further, in this fuel cell system, OCV purge is performed before power generation in the fuel
However, since the gas state of the anode of the fuel cell 1 is not always the same at the start of the fuel cell system, if the OCV purge is performed uniformly, gas replacement is insufficient and the hydrogen concentration of the anode is increased to a desired concentration. It may not be possible.
例えば、燃料電池1の停止中には、固体高分子電解質膜型を介してアノードからカソードへ、カソードからアノードへガスが透過(クロスオーバー)するが、このクロスオーバー量は、固体高分子電解質膜の湿潤状態、燃料電池1の停止期間、停止期間中の外気温度、停止時のアノード掃気の有無等の条件によって異なるため、OCVパージの実施直前のアノードのガス状態(不純ガスのクロスオーバー量)は一様でない。そのため、アノード内に不純ガスが多い場合にOCVパージによるガス置換量が不足することがある。OCVパージのガス置換不足により、アノードの水素濃度不足が生じると、その後の発電運転(暖機運転を含む)に移行したときに、アノードに酸素が存在することにより固体高分子電解質膜の劣化が起こり易くなったり、発電が不安定になり易くなる。 For example, while the fuel cell 1 is stopped, gas permeates (crosses over) from the anode to the cathode and from the cathode to the anode through the solid polymer electrolyte membrane mold. The gas state of the anode immediately before the OCV purge is performed (impurity gas crossover amount), depending on conditions such as the wet state of the fuel cell, the stop period of the fuel cell 1, the outside air temperature during the stop period, and the presence or absence of anode scavenging during the stop period. Is not uniform. Therefore, when there is a large amount of impure gas in the anode, the amount of gas replacement by the OCV purge may be insufficient. If the anode hydrogen concentration is insufficient due to insufficient gas replacement in the OCV purge, the solid polymer electrolyte membrane will be deteriorated due to the presence of oxygen in the anode when the power generation operation (including warm-up operation) is performed. It tends to occur or power generation becomes unstable.
そこで、この実施例の燃料電池システムでは、OCVパージによるガス置換の適正化を図るため、燃料電池1で発電をする前にセル電圧からアノード電位を推定し、さらに推定されたアノード電位に基づいてアノードの残留水素濃度を推定し、さらに推定された残留水素濃度に基づいてOCVパージのパージ量およびパージ圧力を決定し、決定されたパージ量、パージ圧力でOCVパージを実施する。 Therefore, in the fuel cell system of this embodiment, in order to optimize gas replacement by OCV purge, the anode potential is estimated from the cell voltage before power generation by the fuel cell 1, and further based on the estimated anode potential. The anode residual hydrogen concentration is estimated, and the purge amount and purge pressure of the OCV purge are determined based on the estimated residual hydrogen concentration, and the OCV purge is performed with the determined purge amount and purge pressure.
アノード掃気制御およびOCVパージ制御の具体例を説明する前に、図2を参照してアノード電位の推定方法を説明する。
周知のように、燃料電池1のセル電圧Vとは、単セルのカソード電位Vcaとアノード電位Vanの電位差である(V=Vca−Van)。
今、燃料電池1を起動する前に所定のセルのカソード電位Caとアノード電位Vanを推定する場合を考える。
Before describing specific examples of the anode scavenging control and the OCV purge control, a method for estimating the anode potential will be described with reference to FIG.
As is well known, the cell voltage V of the fuel cell 1 is a potential difference between the cathode potential Vca and the anode potential Van of a single cell (V = Vca−Van).
Consider a case where the cathode potential Ca and the anode potential Van of a predetermined cell are estimated before the fuel cell 1 is started.
まず、起動前の停止状態において封止弁25,26を閉じたまま、前記所定のセルのセル電圧(第1セル電圧値)V1を測定する(図2(A)参照)。
次に、封止弁25,26を閉じたまま、燃料電池1のカソードにのみ空気を供給しながら、再び前記所定のセルのセル電圧(第2セル電圧値)V2を測定する(図2(B)参照)。このセル電圧V2の測定時には、カソードに十分な空気が供給されているため、カソード電位Vcaはほぼ1.0Vとなる。以下、カソードに空気が供給されている状態でのカソード電位Vcaを基準カソード電位Vcabaという。なお、ここでは基準カソード電位Vcabaを1.0Vとして説明するが、実際にアノード掃気制御およびOCVパージ制御においてアノード電位Vanを推定するときには、推定精度を上げるため、予めテストによりカソードに空気を供給しながらカソード電位Vcaを測定し、この測定値を基準カソード電位Vcabaに設定する。
First, the cell voltage (first cell voltage value) V1 of the predetermined cell is measured while the sealing
Next, the cell voltage (second cell voltage value) V2 of the predetermined cell is measured again while supplying air only to the cathode of the fuel cell 1 with the sealing
次に、図2(C)に示すように、基準カソード電位Vcabaからセル電圧V2を減じることにより、アノード電位Vanを算出する(Van=Vcaba−V2)。このアノード電位Vanが、起動前のアノード電位であると推定することができる。
また、図2(D)に示すように、推定されたアノード電位Vanにセル電圧V1を加算した値が、起動前のカソード電位Caであると推定することができる(Vca=Van+V1)。
このようにすると、直接に電位センサでアノード電位やカソード電位を測定しなくても、セル電圧を測定するだけでアノード電位およびカソード電位を推定することができ、アノードおよびカソードのガス状態を把握することができる。したがって、高額なアノード電位センサが不要で、燃料電池システムの構成を簡素化することができる。
Next, as shown in FIG. 2C, the anode voltage Van is calculated by subtracting the cell voltage V2 from the reference cathode voltage Vcaba (Van = Vcaba−V2). It can be estimated that this anode potential Van is the anode potential before activation.
Further, as shown in FIG. 2D, it can be estimated that the value obtained by adding the cell voltage V1 to the estimated anode potential Van is the cathode potential Ca before activation (Vca = Van + V1).
In this way, it is possible to estimate the anode potential and the cathode potential only by measuring the cell voltage without directly measuring the anode potential or the cathode potential with the potential sensor, and grasp the gas state of the anode and the cathode. be able to. Therefore, an expensive anode potential sensor is unnecessary, and the configuration of the fuel cell system can be simplified.
次に、図3のフローチャートに従って、アノード掃気制御を説明する。このアノード掃気制御は制御装置30によって実行される。
まず、ステップS101において燃料電池システムが停止(イグニッションスイッチOFF)されると、ステップS102において、燃料電池システムを停止してからの経過時間が予め設定した一定時間を経過したか否かを判定する。前記一定時間は、燃料電池1の発電を停止してから、アノード、カソードのガス状態が安定するまでの時間(換言すると、ガスのクロスオーバーが落ち着くまでの時間)とするのが好ましく、燃料電池システムの機械的構成によって決定される。
なお、燃料電池システムの停止期間中は、遮断弁20、パージ弁21、封止弁25,26、掃気弁28は閉じられ、圧力制御弁10は開かれている。
Next, anode scavenging control will be described with reference to the flowchart of FIG. This anode scavenging control is executed by the
First, when the fuel cell system is stopped (ignition switch OFF) in step S101, it is determined in step S102 whether or not a predetermined time has elapsed since the fuel cell system was stopped. The predetermined time is preferably a time from when the power generation of the fuel cell 1 is stopped until the gas state of the anode and the cathode is stabilized (in other words, a time until the gas crossover settles). Determined by the mechanical configuration of the system.
During the stop period of the fuel cell system, the
ステップS102における判定結果が「NO」(一定時間前)である場合には、ステップS102に戻る。
ステップS102における判定結果が「YES」(一定時間経過)である場合には、ステップS103に進み、その時点における燃料電池1の各セルのセル電圧をセル電圧センサ14により測定し、測定されたセル電圧を各セルの第1セル電圧値V1として制御装置30の記憶部(図示略)に記憶する。
If the determination result in step S102 is “NO” (predetermined time), the process returns to step S102.
If the determination result in step S102 is “YES” (elapsed time), the process proceeds to step S103, the cell voltage of each cell of the fuel cell 1 at that time is measured by the
次に、ステップS104に進み、カソード掃気を実施し、燃料電池1のカソード内の流体を空気で排出し、カソード内に新たな空気を流通させる。カソード掃気は、コンプレッサ7を運転し、圧力制御弁10を開いて行う。なお、この時点では、掃気弁28は閉弁状態に維持され、燃料電池1のアノードは封止状態に維持される。
Next, it progresses to step S104, cathode scavenging is implemented, the fluid in the cathode of the fuel cell 1 is discharged | emitted with air, and new air is distribute | circulated in a cathode. Cathode scavenging is performed by operating the
次に、ステップS105に進み、前記カソード掃気を継続しながら、燃料電池1の各セルのセル電圧をセル電圧センサ14により再度測定し、測定されたセル電圧を各セルの第2セル電圧値V2として制御装置30の前記記憶部に記憶する。
Next, the process proceeds to step S105, while the cathode scavenging is continued, the cell voltage of each cell of the fuel cell 1 is measured again by the
次に、ステップS106に進み、ステップS103において測定された第1セル電圧値V1と、ステップS105において測定された第2セル電圧値V2と、予めテストにより求めておいた基準カソード電位Vcabaとに基づいて、各セルのアノード電位Vanおよびカソード電位Vcaを算出(推定)する(Van=Vcaba−V2、 Vca=Van+V1)。このようにして算出されたアノード電位Vanは、燃料電池システムを停止してから前記一定時間経過後におけるアノード電位に外ならない。 Next, proceeding to step S106, based on the first cell voltage value V1 measured in step S103, the second cell voltage value V2 measured in step S105, and the reference cathode potential Vcaba obtained in advance by a test. Then, the anode potential Van and the cathode potential Vca of each cell are calculated (estimated) (Van = Vcab−V2, Vca = Van + V1). The anode potential Van calculated in this way does not deviate from the anode potential after the predetermined time has elapsed since the fuel cell system was stopped.
次に、ステップS107に進み、図4に示すアノード残留水素濃度マップを参照して、ステップS106において算出された各セルのアノード電位Vanに基づいて、各セルのアノードに残留する水素濃度(以下、アノード残留水素濃度という)を求める。なお、アノード残留水素濃度マップは、予めテストを行ってアノード電位Vanとアノード残留水素濃度との関係を求め、マップ化したものである。このマップからも分かるように、アノード電位Vanが低いほどアノード残留水素濃度は高く、アノード電位Vanが高いほどアノード残留水素濃度は低い。このようにして求めたアノード残留水素濃度は、燃料電池システムを停止してから前記一定時間経過後におけるアノード残留水素濃度に外ならない。 Next, the process proceeds to step S107, and referring to the anode residual hydrogen concentration map shown in FIG. 4, based on the anode potential Van of each cell calculated in step S106, the hydrogen concentration remaining in the anode of each cell (hereinafter, referred to as “the anode residual hydrogen concentration map”). (Referred to as anode residual hydrogen concentration). Note that the anode residual hydrogen concentration map is a map obtained by performing a test in advance to obtain the relationship between the anode potential Van and the anode residual hydrogen concentration. As can be seen from this map, the anode residual hydrogen concentration is higher as the anode potential Van is lower, and the anode residual hydrogen concentration is lower as the anode potential Van is higher. The anode residual hydrogen concentration obtained in this manner does not deviate from the anode residual hydrogen concentration after the predetermined time has elapsed since the fuel cell system was stopped.
次に、ステップS108に進み、アノード掃気を許可するか否かを判断する。ここで、アノード掃気判断には2つの方法が考えられ、いずれの方法を採用してもよい。
アノード掃気判断の第1の方法は、燃料電池1の全セルのアノード残留水素濃度の平均値を算出し、この平均値に基づいて判断する方法である。図5は、この第1の方法において用いられるアノード掃気判断マップの一例であり、アノード残留水素濃度の平均値が予め設定した閾値を下回る領域を、アノード掃気の実施を許可する領域(掃気許可領域)とし、アノード残留水素濃度の平均値が前記閾値以上の領域を、アノード掃気の実施を不可とする領域(掃気不可領域)としている。
Next, it progresses to step S108 and it is judged whether anode scavenging is permitted. Here, there are two methods for determining the anode scavenging, and either method may be adopted.
The first method of determining the anode scavenging is a method of calculating an average value of the anode residual hydrogen concentration of all the cells of the fuel cell 1 and determining based on this average value. FIG. 5 is an example of an anode scavenging determination map used in the first method. A region in which the average value of the anode residual hydrogen concentration is lower than a preset threshold value is a region where scavenging of the anode is permitted (scavenging permission region). ), And a region where the average value of the anode residual hydrogen concentration is equal to or greater than the threshold is defined as a region where the scavenging of the anode is disabled (a scavenging impossible region).
アノード掃気判断の第2の方法は、アノード残留水素濃度の前記平均値と、燃料電池1の全セルのアノード残留水素濃度のうちの最低値に基づいて判断する方法である。図6は、この第2の方法において用いられるアノード掃気判断マップの一例であり、アノード残留水素濃度の平均値が予め設定した閾値を上回り、且つ、アノード残留水素濃度の最低値が予め設定した別の閾値を上回る領域を、アノード掃気の実施を不可とする領域(掃気不可領域)とし、それ以外の領域をアノード掃気の実施を許可する領域(掃気許可領域)としている。なお、図6のマップにおいて、掃気許可領域と掃気不可領域のいずれにも属さない領域は、実際にあり得ない領域を示している。 The second method of determining the anode scavenging is a method of determining based on the average value of the anode residual hydrogen concentration and the lowest value of the anode residual hydrogen concentration of all the cells of the fuel cell 1. FIG. 6 is an example of an anode scavenging determination map used in the second method. The average value of the anode residual hydrogen concentration exceeds the preset threshold value, and the minimum value of the anode residual hydrogen concentration is different from the preset value. An area exceeding the threshold is defined as an area where the anode scavenging cannot be performed (an area where scavenging is impossible), and the other area is an area where the execution of the anode scavenging is permitted (a scavenging permission area). In the map of FIG. 6, a region that does not belong to either the scavenging permission region or the scavenging disabled region indicates a region that is not actually possible.
ステップS108において、アノード掃気の実施不可と判断された場合には、ステップS102に戻り、ステップS108で不可と判断されてから一定時間が経過したか否かを判定する。
一方、ステップS108において、アノード掃気の実施が許可された場合には、ステップS109に進み、アノード掃気を実施する。このアノード掃気は、カソード掃気と並行して実施し、掃気弁28と封止弁26とパージ弁21を開くことにより、コンプレッサ7で昇圧された空気を、アノード掃気流路27を介して燃料供給流路17に導入して行う。燃料供給流路17に導入された空気は、封止弁25が閉じられているので封止弁25よりも上流の燃料供給流路17には流れず、封止弁25よりも下流へと流れていき、燃料電池1の燃料流通路5、アノードオフガス流路18、パージ弁21、パージ流路22を通って希釈器11に流入し、カソード掃気の空気と合流して希釈され、排気管23から排出される。
If it is determined in step S108 that anode scavenging cannot be performed, the process returns to step S102, and it is determined whether or not a fixed time has elapsed since it was determined in step S108 that it was impossible.
On the other hand, if execution of anode scavenging is permitted in step S108, the process proceeds to step S109, and anode scavenging is performed. The anode scavenging is performed in parallel with the cathode scavenging, and the scavenging
アノード掃気を所定時間(所定流量)実施した後、コンプレッサ7を停止するとともに、パージ弁21、封止弁26、掃気弁28を閉じてアノード掃気およびカソード掃気を終了し、本ルーチンの実行を一旦終了する。
このようにアノード掃気制御を行うことにより、アノードに多量の水素が残っているときにはアノード掃気を実施しないようにすることができ、アノードに残留する水素が少なくなったときにアノード掃気を実施することができる。その結果、アノード掃気を適切なタイミングで実施することができ、アノード掃気の際に、固体高分子電解質膜の触媒上で水素と酸素が直接反応し前記触媒を劣化させるのを防止することができる。これにより、固体高分子電解質膜の寿命が延び、発電性能を長期に亘って維持することができる。
After the anode scavenging is performed for a predetermined time (predetermined flow rate), the
By performing anode scavenging control in this way, it is possible to prevent the anode scavenging from being performed when a large amount of hydrogen remains in the anode, and to perform the anode scavenging when the amount of hydrogen remaining in the anode has decreased. Can do. As a result, the anode scavenging can be carried out at an appropriate timing, and at the time of anode scavenging, it is possible to prevent hydrogen and oxygen from directly reacting on the catalyst of the solid polymer electrolyte membrane and deteriorating the catalyst. . Thereby, the lifetime of the solid polymer electrolyte membrane is extended, and the power generation performance can be maintained over a long period of time.
次に、図7のフローチャートに従って、OCVパージ制御を説明する。このOCVパージ制御は制御装置30によって実行される。
ステップS201では、燃料電池システムは停止(イグニッションスイッチOFF)状態である。アノード掃気制御において述べたように、燃料電池システムの停止期間中は、遮断弁20、パージ弁21、封止弁25,26、掃気弁28は閉じられ、圧力制御弁10は開かれている。
ステップS202において、イグニッションスイッチ31がONされたか否かを判定する。
Next, OCV purge control will be described with reference to the flowchart of FIG. This OCV purge control is executed by the
In step S201, the fuel cell system is in a stopped state (ignition switch OFF). As described in the anode scavenging control, the
In step S202, it is determined whether or not the
ステップS202における判定結果が「NO」(OFF)である場合には、ステップS202に戻る。
ステップS202における判定結果が「YES」(ON)である場合には、ステップS203に進み、その時点における燃料電池1の各セルのセル電圧をセル電圧センサ14により測定し、測定されたセル電圧を各セルの第1セル電圧値V1として制御装置30の記憶部(図示略)に記憶する。
If the determination result in step S202 is “NO” (OFF), the process returns to step S202.
If the determination result in step S202 is “YES” (ON), the process proceeds to step S203, the cell voltage of each cell of the fuel cell 1 at that time is measured by the
次に、ステップS204に進み、コンプレッサ7を運転し、燃料電池1のカソードに空気を供給する。なお、この時点では、掃気弁28は閉弁状態に維持され、燃料電池1のアノードは封止状態に維持される。
Next, in step S204, the
次に、ステップS205に進み、カソードへの空気供給を継続しながら、燃料電池1の各セルのセル電圧をセル電圧センサ14により再度測定し、測定されたセル電圧を各セルの第2セル電圧値V2として制御装置30の前記記憶部に記憶する。
Next, the process proceeds to step S205, while the air supply to the cathode is continued, the cell voltage of each cell of the fuel cell 1 is measured again by the
次に、ステップS206に進み、ステップS203において測定された第1セル電圧値V1と、ステップS205において測定された第2セル電圧値V2と、予めテストにより求めておいた基準カソード電位Vcabaとに基づいて、各セルのアノード電位Vanおよびカソード電位Vcaを算出(推定)する(Van=Vcaba−V2、 Vca=Van+V1)。このようにして算出されたアノード電位Vanは、イグニッションスイッチ31がONされたときのアノード電位に外ならない。
Next, proceeding to step S206, based on the first cell voltage value V1 measured in step S203, the second cell voltage value V2 measured in step S205, and the reference cathode potential Vcaba obtained in advance by a test. Then, the anode potential Van and the cathode potential Vca of each cell are calculated (estimated) (Van = Vcab−V2, Vca = Van + V1). The anode potential Van calculated in this way does not deviate from the anode potential when the
次に、ステップS207に進み、図4に示すアノード残留水素濃度マップを参照して、ステップS206において算出された各セルのアノード電位Vanに基づいて、各セルのアノードに残留する水素濃度(アノード残留水素濃度)を求める。なお、アノード残留水素濃度マップは、アノード掃気制御において用いたものと同じである。このようにして求めたアノード残留水素濃度は、イグニッションスイッチ31がONされたときのアノード残留水素濃度に外ならない。
次に、ステップS208に進み、ステップS207で求めたアノード残留水素濃度に基づいて、OCVパージを行う際のパージ条件、すなわちOCVパージ量とOCVパージ圧力を求める。
Next, the process proceeds to step S207, and with reference to the anode residual hydrogen concentration map shown in FIG. 4, based on the anode potential Van of each cell calculated in step S206, the hydrogen concentration (anode residual) remaining in the anode of each cell. Determine the hydrogen concentration. The anode residual hydrogen concentration map is the same as that used in the anode scavenging control. The anode residual hydrogen concentration obtained in this way does not deviate from the anode residual hydrogen concentration when the
Next, the process proceeds to step S208, and based on the anode residual hydrogen concentration obtained in step S207, the purge conditions for performing the OCV purge, that is, the OCV purge amount and the OCV purge pressure are obtained.
OCVパージ量は、例えば図8に示すOCVパージ量マップを用いて求める。このOCVパージ量マップでは、アノード残留水素濃度が高いほどOCVパージ量が少なく、アノード残留水素濃度が低いほどOCVパージ量が多くなっている。
これは、イグニッションスイッチ31がONされたときのアノード残留水素濃度が高いときには、OCVパージ量が少なくてもアノードを含む燃料流路内の流体を水素に置換することができるが、前記アノード残留水素濃度が低いときにはOCVパージ量を多くしないとアノードを含む燃料流路内の流体を水素に置換することができないからである。
The OCV purge amount is obtained using, for example, an OCV purge amount map shown in FIG. In this OCV purge amount map, the higher the anode residual hydrogen concentration, the smaller the OCV purge amount, and the lower the anode residual hydrogen concentration, the greater the OCV purge amount.
This is because when the anode residual hydrogen concentration when the
また、前記アノード残留水素濃度が高いときには燃料流路内の生成水が少ないと推定されるので、OCVパージ量が少なくても生成水を排出することができるが、前記アノード残留水素濃度が低いときには燃料流路内の生成水が多いと推定されるので、OCVパージ量を多くしないと生成水を排出することができないからである。
なお、OCVパージ量マップを用いてOCVパージ量を求める際のアノード残留水素濃度は、燃料電池1の全セルのアノード残留水素濃度の平均値を用いてもよいし、あるいは、燃料電池1の全セルのアノード残留水素濃度のうちの最低値であってもよい。
Further, when the anode residual hydrogen concentration is high, it is estimated that the generated water in the fuel flow path is small, so that the generated water can be discharged even if the OCV purge amount is small, but when the anode residual hydrogen concentration is low This is because the amount of produced water in the fuel flow path is estimated to be large, and thus the produced water cannot be discharged unless the OCV purge amount is increased.
As the anode residual hydrogen concentration when the OCV purge amount is obtained using the OCV purge amount map, the average value of the anode residual hydrogen concentration of all the cells of the fuel cell 1 may be used, or all of the fuel cells 1 may be used. It may be the lowest value of the cell's anode residual hydrogen concentration.
OCVパージ圧力は、例えば図9に示すOCVパージ圧力マップを用いて求める。このOCVパージ圧力マップでは、アノード残留水素濃度が高いほどOCVパージ圧力が小さく、アノード残留水素濃度が低いほどOCVパージ圧力が大きくなっている。
これは、イグニッションスイッチ31がONされたときのアノード残留水素濃度が高いときには、OCVパージ圧力が小さくてもアノードを含む燃料流路内の流体を水素に置換することができるが、前記アノード残留水素濃度が低いときにはOCVパージ量を多くしないとアノードを含む燃料流路内の流体を水素に置換することができないからである。
The OCV purge pressure is obtained using, for example, an OCV purge pressure map shown in FIG. In this OCV purge pressure map, the higher the anode residual hydrogen concentration, the smaller the OCV purge pressure, and the lower the anode residual hydrogen concentration, the greater the OCV purge pressure.
This is because when the anode residual hydrogen concentration when the
また、前記アノード残留水素濃度が高いときには燃料流路内の生成水が少ないと推定されるので、OCVパージ圧力が小さくても生成水を排出することができるが、前記アノード残留水素濃度が低いときには燃料流路内の生成水が多いと推定されるので、OCVパージ圧力を大きくしないと生成水を排出することができないからである。
なお、OCVパージ圧力マップを用いてOCVパージ圧力を求める際のアノード残留水素濃度は、燃料電池1の全セルのアノード残留水素濃度の平均値を用いてもよいし、あるいは、燃料電池1の全セルのアノード残留水素濃度のうちの最低値であってもよい。
Further, when the anode residual hydrogen concentration is high, it is estimated that the generated water in the fuel flow path is small. Therefore, the generated water can be discharged even if the OCV purge pressure is low, but when the anode residual hydrogen concentration is low This is because the amount of produced water in the fuel flow path is estimated to be large, and thus the produced water cannot be discharged unless the OCV purge pressure is increased.
As the anode residual hydrogen concentration when the OCV purge pressure is calculated using the OCV purge pressure map, the average value of the anode residual hydrogen concentration of all the cells of the fuel cell 1 may be used, or all of the fuel cells 1 may be used. It may be the lowest value of the cell's anode residual hydrogen concentration.
ステップS208においてOCVパージ条件を決定した後、ステップS209に進み、決定されたOCVパージ条件にしたがってOCVパージを実施する。このOCVパージは、燃料電池1から電流を引かない状態で、カソードへの空気の供給を継続しながら行う。OCVパージは、遮断弁20、封止弁25,26、パージ弁21を開き、水素タンク15から新鮮な水素を、燃料供給流路17、燃料電池1の燃料流通路5、アノードオフガス流路18に供給して行い、これら流路内に残留していた流体を押し出し、パージ流路22を介して希釈器11に排出する。希釈器11に導入されたガスは、カソードに供給された空気と合流して希釈され、排気管23から排出される。
OCVパージを終了すると、ステップS210に進み、発電準備完了とし、本ルーチンの実行を終了する。
After the OCV purge condition is determined in step S208, the process proceeds to step S209, and the OCV purge is performed according to the determined OCV purge condition. This OCV purge is performed while continuing to supply air to the cathode without drawing current from the fuel cell 1. In the OCV purge, the
When the OCV purge is finished, the process proceeds to step S210, where preparation for power generation is completed, and execution of this routine is finished.
このようにOCVパージ制御を行うことにより、イグニッションスイッチ31がONされたときの燃料電池1のアノードのガス状態に応じて、不足なく適正にOCVパージを実施することができ、その結果、燃料電池1のアノードを含み燃料供給流路17およびアノードオフガス流路18が新たな水素に十分に置換されるので、燃料電池1の固体高分子電解質膜の劣化を防止することができ、発電運転に移行したときに安定した発電を行うことができ、起動性が向上する。また、短期間の燃料電池1停止後の起動時や低温起動時など燃料電池1内部のガス状態が不明な場合にも、適切なOCVパージを実施することができるので、起動性が向上する。
By performing the OCV purge control in this way, the OCV purge can be appropriately performed without shortage according to the gas state of the anode of the fuel cell 1 when the
なお、上述した実施例では、セル電圧測定の対象を燃料電池1の総てのセルとし、全セルのアノード電位を推定したが、燃料電池1を所定のセル積層数毎に区切ってブロック化し、各ブロック毎に設定した代表セルをセル電圧測定の対象としてセル電圧を測定し、各ブロックの代表セルのアノード電位を推定して、各ブロックの代表セルのアノード残留水素濃度を推定し、アノード残留水素濃度の平均値あるいは最低値を求め、アノード掃気判断やOCVパージ条件を決定してもよい。 In the above-described embodiment, the cell voltage measurement targets are all the cells of the fuel cell 1 and the anode potentials of all the cells are estimated. However, the fuel cell 1 is divided into blocks every predetermined number of cell stacks, Measure the cell voltage with the representative cell set for each block as the target of cell voltage measurement, estimate the anode potential of the representative cell of each block, estimate the anode residual hydrogen concentration of the representative cell of each block, and An average value or a minimum value of the hydrogen concentration may be obtained to determine anode scavenging judgment or OCV purge conditions.
あるいは、燃料電池1の構造上、燃料電池1の停止中にアノードに水素が少なくなり易い部位を特定することができるので、この特定された部位のセルだけをセル電圧測定の対象とし、このセルのセル電圧に基づいてアノード電位、アノード残留水素濃度を推定し、アノード掃気判断やOCVパージ条件を決定してもよい。
図10を参照して、燃料電池1の停止中にアノードに水素が少なくなり易い部位について詳述する。
Alternatively, because of the structure of the fuel cell 1, it is possible to specify a portion where hydrogen tends to decrease at the anode while the fuel cell 1 is stopped. Therefore, only the cells at the specified portion are subject to cell voltage measurement. The anode potential and the anode residual hydrogen concentration may be estimated based on the cell voltage, and the anode scavenging judgment and the OCV purge condition may be determined.
With reference to FIG. 10, a portion where hydrogen tends to decrease in the anode while the fuel cell 1 is stopped will be described in detail.
図10は、停止中の燃料電池1内のガス状態を模式的に示したものである。図10における左右方向はセルの積層方向であり、この積層方向に多数のセルが積層されているものとする。また、図10において上半分はカソード部分を示し、下半分はアノード部分を示している。なお、以下の説明の都合上、燃料電池1のセルを積層方向に3つのブロックST1,ST2,ST3に区切って説明する。 FIG. 10 schematically shows the gas state in the fuel cell 1 being stopped. The left-right direction in FIG. 10 is the cell stacking direction, and it is assumed that a large number of cells are stacked in this stacking direction. In FIG. 10, the upper half shows the cathode portion and the lower half shows the anode portion. For convenience of the following description, the cell of the fuel cell 1 is described by being divided into three blocks ST1, ST2, ST3 in the stacking direction.
このように多数のセルを積層して構成された燃料電池1では、一般に、積層されたセルを貫通するように空気供給貫通路、空気排出貫通路、水素供給貫通路、水素排出貫通路(いずれも図示略)が設けられており、空気は、燃料電池1のブロックST1側の外部に設けられた空気マニホールド(図示略)から、ブロックST1側の空気供給貫通路に供給され、各セルのカソードを通過した後、空気排出貫通路に排出され、燃料電池1の外部に設置された排気マニホールド(図示略)に排出される。一方、水素は、燃料電池1の外部に設置された水素供給マニホールド(図示略)から燃料電池1の水素供給貫通路に供給され、各セルのアノードを通過した後、水素排出貫通路に排出され、燃料電池1の外部に設置された水素排出マニホールドに排出される。 In the fuel cell 1 configured by stacking a large number of cells as described above, generally, an air supply through-passage, an air discharge through-passage, a hydrogen supply through-passage, a hydrogen discharge through-passage (any (Not shown) is provided, and air is supplied from an air manifold (not shown) provided outside the block ST1 side of the fuel cell 1 to the air supply through passage on the block ST1 side, and the cathode of each cell. Is passed through the air discharge through passage, and is discharged to an exhaust manifold (not shown) installed outside the fuel cell 1. On the other hand, hydrogen is supplied from a hydrogen supply manifold (not shown) installed outside the fuel cell 1 to the hydrogen supply through passage of the fuel cell 1, passes through the anode of each cell, and is then discharged to the hydrogen discharge through passage. Then, the fuel is discharged to a hydrogen discharge manifold installed outside the fuel cell 1.
ところで、前述したように、燃料電池システムの停止中、すなわち燃料電池1の停止中は、水素の系は、燃料供給流路17の封止弁25とアノードオフガス流路18の封止弁26が閉じているので、燃料電池1のアノード側は出入り口が閉ざされた封止状態であるのに対して、空気の系は、コンプレッサ7は停止状態であるものの、圧力制御弁10が開いているので大気開放状態である。
By the way, as described above, when the fuel cell system is stopped, that is, when the fuel cell 1 is stopped, the hydrogen system includes the sealing
図10はこの状態を示しており、燃料電池1のアノードは封止状態のため新たな水素は供給されないが、カソードは大気開放状態であるので、カソードには空気マニホールドから新鮮な空気が供給可能な状態となる。
そのため、空気マニホールドに近い側(ブロックST1)では、カソードからアノードへのガスの透過量が多く、アノードに透過した酸素がアノードの水素と反応して水素が消費されるため、アノードの水素濃度は低くなり易い。
一方、空気マニホールドから遠い側(ブロックST3)では、アノードに水素が十分あるのに対して、カソードは空気マニホールドから遠く新たな空気が届きにくいため、アノードからカソードへのガスの透過が多くなる。
FIG. 10 shows this state. Since the anode of the fuel cell 1 is in a sealed state, no new hydrogen is supplied, but since the cathode is open to the atmosphere, fresh air can be supplied to the cathode from the air manifold. It becomes a state.
Therefore, on the side close to the air manifold (block ST1), there is a large amount of gas permeation from the cathode to the anode, and oxygen permeated to the anode reacts with the hydrogen of the anode and is consumed, so the hydrogen concentration of the anode is It tends to be low.
On the other hand, on the side far from the air manifold (block ST3), there is sufficient hydrogen at the anode, while the cathode is far from the air manifold and new air is difficult to reach, so the gas permeation from the anode to the cathode increases.
つまり、燃料電池1を停止していると、時間経過に伴って、空気マニホールドに近い側(ブロックST1側)においてアノードの水素濃度の低下が進行し、空気マニホールドから遠い側(ブロックST3)においてカソードの水素濃度の上昇が進行する。
この時点でセル電圧(第1セル電圧値V1)を測定すると、ブロックST1,ST3とも低い値を示す。
しかしながら、この後、アノードの封止状態を維持し、全ブロックST1〜ST3のカソードをコンプレッサ7の起動により新鮮な空気に置換してセル電圧(第2セル電圧値V2)を測定すると、ブロックST1ではガス状態に変化がないのでセル電圧は低いままであるが、ブロックST3ではカソードに存在していた水素が排出され空気に置き換わるので、セル電圧が高くなる。
That is, when the fuel cell 1 is stopped, as the time passes, the decrease in the hydrogen concentration of the anode proceeds on the side closer to the air manifold (block ST1 side), and on the side far from the air manifold (block ST3). The hydrogen concentration increases.
When the cell voltage (first cell voltage value V1) is measured at this time, both the blocks ST1 and ST3 show low values.
However, after that, when the sealed state of the anode is maintained, and the cathodes of all the blocks ST1 to ST3 are replaced with fresh air by starting the
このように、セル積層方向の順にセルに空気が導入されるように構成された燃料電池1では、空気マニホールドに近い側を、燃料電池1の停止中にアノードに水素が少なくなり易い部位として特定することができ、この部位で第2セル電圧値V2が低くなる。よって、空気マニホールドに近い側のセルの1つを特定し、このセルだけをセル電圧測定の対象とし、このセルのセル電圧に基づいてアノード電位、アノード残留水素濃度を推定し、アノード掃気判断やOCVパージ条件を決定することが可能である。 As described above, in the fuel cell 1 configured such that air is introduced into the cells in the order of the cell stacking direction, the side close to the air manifold is specified as a portion where hydrogen tends to decrease at the anode while the fuel cell 1 is stopped. The second cell voltage value V2 is lowered at this portion. Therefore, one of the cells close to the air manifold is specified, and only this cell is targeted for cell voltage measurement. Based on the cell voltage of this cell, the anode potential and anode residual hydrogen concentration are estimated, and anode scavenging judgment and It is possible to determine OCV purge conditions.
1 燃料電池
7 コンプレッサ(酸化剤導入手段)
8 空気供給流路
14 セル電圧センサ(セル電圧測定手段)
17 燃料供給流路(燃料流路)
18 アノードオフガス流路(燃料流路)
27 アノード掃気流路(酸化剤導入手段)
28 掃気弁(酸化剤導入手段)
30 制御装置(制御部)
1
8 Air
17 Fuel supply channel (fuel channel)
18 Anode off-gas flow path (fuel flow path)
27 Anode scavenging flow path (oxidizer introduction means)
28 Scavenging valve (oxidizer introduction means)
30 Control device (control unit)
Claims (8)
前記燃料電池の前記アノードに燃料を導入する燃料流路と、
前記燃料電池の前記カソードに酸化剤を導入する酸化剤流路と、
前記燃料電池のセル電圧を測定するセル電圧測定手段と、
前記酸化剤流路および前記燃料流路に酸化剤を導入可能とする酸化剤導入手段と、
前記燃料電池と前記酸化剤導入手段とを制御するとともに前記セル電圧測定手段からの信号を受理する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記燃料電池を停止させた際に前記停止から所定時間経過した後に前記セル電圧測定手段によりセル電圧を測定して第1セル電圧値を取得し、その後、前記酸化剤導入手段により前記酸化剤流路に酸化剤を導入した後に前記セル電圧測定手段により再度セル電圧を測定して第2セル電圧値を取得し、前記第1セル電圧値と前記第2セル電圧値および予め測定された前記酸化剤流路に酸化剤を導入したときのカソード電位とに基づいて、前記停止から前記所定時間経過後のアノード電位を推定することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell having a solid polymer electrolyte membrane and generating power by supplying fuel to the anode and oxidant to the cathode; and
A fuel flow path for introducing fuel into the anode of the fuel cell;
An oxidant flow path for introducing an oxidant into the cathode of the fuel cell;
Cell voltage measuring means for measuring the cell voltage of the fuel cell;
An oxidant introduction means capable of introducing an oxidant into the oxidant flow path and the fuel flow path;
A control unit for controlling the fuel cell and the oxidant introduction unit and receiving a signal from the cell voltage measurement unit;
With
The control unit obtains a first cell voltage value by measuring a cell voltage by the cell voltage measurement unit after a predetermined time has elapsed from the stop when the fuel cell is stopped, and then the oxidant introduction unit Then, after introducing the oxidant into the oxidant flow path, the cell voltage is measured again by the cell voltage measuring means to obtain the second cell voltage value, and the first cell voltage value, the second cell voltage value, A fuel cell system, wherein an anode potential after the predetermined time has elapsed from the stop is estimated based on a measured cathode potential when an oxidant is introduced into the oxidant flow path.
前記燃料電池の前記アノードに燃料を導入する燃料流路と、
前記燃料電池の前記カソードに酸化剤を導入する酸化剤流路と、
前記燃料電池のセル電圧を測定するセル電圧測定手段と、
前記燃料電池を制御するとともに前記セル電圧測定手段からの信号を受理する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記燃料電池を起動させる際に発電前に、前記セル電圧測定手段によりセル電圧を測定して第1セル電圧値を取得し、その後、前記酸化剤導入手段により前記酸化剤流路に酸化剤を導入した後に前記セル電圧測定手段により再度セル電圧を測定して第2セル電圧値を取得し、前記第1セル電圧値と前記第2セル電圧値および予め測定された前記酸化剤流路に酸化剤を導入したときのカソード電位とに基づいて、前記起動時のアノード電位を推定することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell having a solid polymer electrolyte membrane and generating power by supplying fuel to the anode and oxidant to the cathode; and
A fuel flow path for introducing fuel into the anode of the fuel cell;
An oxidant flow path for introducing an oxidant into the cathode of the fuel cell;
Cell voltage measuring means for measuring the cell voltage of the fuel cell;
A control unit for controlling the fuel cell and receiving a signal from the cell voltage measuring means;
With
The control unit obtains a first cell voltage value by measuring a cell voltage by the cell voltage measuring unit before power generation when starting up the fuel cell, and then acquires the oxidant flow by the oxidant introduction unit. After introducing an oxidant into the path, the cell voltage is measured again by the cell voltage measuring means to obtain a second cell voltage value, and the first cell voltage value, the second cell voltage value, and the previously measured oxidation A fuel cell system, wherein the anode potential at the time of startup is estimated based on a cathode potential when an oxidant is introduced into the agent flow path.
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
JP2010133213A JP2011258466A (en) | 2010-06-10 | 2010-06-10 | Fuel cell system |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2010133213A JP2011258466A (en) | 2010-06-10 | 2010-06-10 | Fuel cell system |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2013243007A (en) * | 2012-05-18 | 2013-12-05 | Honda Motor Co Ltd | Fuel cell system |
US9276275B2 (en) | 2012-05-18 | 2016-03-01 | Honda Motor Co., Ltd. | Fuel cell system |
-
2010
- 2010-06-10 JP JP2010133213A patent/JP2011258466A/en active Pending
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2013243007A (en) * | 2012-05-18 | 2013-12-05 | Honda Motor Co Ltd | Fuel cell system |
US9276275B2 (en) | 2012-05-18 | 2016-03-01 | Honda Motor Co., Ltd. | Fuel cell system |
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