JP2012089307A - Fuel cell system and starting method thereof - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress deterioration of a fuel cell as much as possible with a compact and cost-effective configuration.SOLUTION: A fuel cell system 10 comprises: a fuel cell stack 12; an oxidant gas supply device 14 for supplying air to the fuel cell stack 12; a fuel gas supply device 16 for supplying hydrogen gas to the fuel cell stack 12; and a controller 18. The fuel gas supply device 16 comprises: a hydrogen supply passage 54; a first return passage 62 for returning the hydrogen gas to the hydrogen supply passage 54; a second return passage 68 which communicates to the hydrogen supply passage 54 separately from the first return passage 62, and which is provided with a pump 70; and a flow control part 76 which is connected to the hydrogen supply passage 54 across a coupling part of the first return passage 62 and a coupling part of the second return passage 68, and which supplies a small amount of the hydrogen gas to the fuel cell stack 12.

Description

本発明は、酸化剤ガス及び燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池を備える燃料電池システム及びその起動方法に関する。   The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between an oxidant gas and a fuel gas, and a startup method thereof.
燃料電池は、燃料ガス(主に水素を含有するガス、例えば、水素ガス)及び酸化剤ガス(主に酸素を含有するガス、例えば、空気)をアノード電極及びカソード電極に供給して電気化学的に反応させることにより、直流の電気エネルギを得るシステムである。このシステムは、定置用の他、車載用として燃料電池車両に組み込まれている。   In a fuel cell, a fuel gas (a gas mainly containing hydrogen, for example, hydrogen gas) and an oxidant gas (a gas mainly containing oxygen, for example, air) are supplied to an anode electrode and a cathode electrode to be electrochemical. It is a system that obtains direct-current electric energy by reacting with. This system is incorporated in a fuel cell vehicle for in-vehicle use as well as stationary use.
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード電極及びカソード電極を設けた電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の発電セルは、通常、電解質膜・電極構造体及びセパレータを所定数だけ交互に積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。   For example, a polymer electrolyte fuel cell includes a power generation cell in which an electrolyte membrane / electrode structure provided with an anode electrode and a cathode electrode is sandwiched between separators on both sides of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane. . This type of power generation cell is normally used as a fuel cell stack by alternately laminating a predetermined number of electrolyte membrane / electrode structures and separators.
この種の燃料電池スタックでは、発電(運転)が停止される際、前記燃料電池スタック内に残存する燃料ガスを空気(酸化剤ガス)と置換する処理が行われている。このため、燃料電池スタックを起動させると、アノード電極に燃料ガスの供給を開始する際に水素と空気とが混在してしまう。これにより、カソード電極が高電位となり易く、前記カソード電極の電極触媒層の性能劣化による発電性能の低下が惹起されるという問題がある。   In this type of fuel cell stack, when power generation (operation) is stopped, the fuel gas remaining in the fuel cell stack is replaced with air (oxidant gas). For this reason, when the fuel cell stack is activated, hydrogen and air are mixed when the supply of fuel gas to the anode electrode is started. As a result, the cathode electrode tends to be at a high potential, and there is a problem in that the power generation performance is lowered due to the performance deterioration of the electrode catalyst layer of the cathode electrode.
そこで、例えば、特許文献1に開示されている燃料電池システムでは、図7に示すように、燃料電池スタック1、起電力を得る駆動時に前記燃料電池スタック1内の燃料室に燃料ガスを導入するための燃料導入手段2、及び停止時に前記燃料室内に残留する燃料ガスを空気と置換する燃料置換手段3を備えている。   Therefore, for example, in the fuel cell system disclosed in Patent Document 1, as shown in FIG. 7, the fuel cell stack 1 introduces fuel gas into the fuel chamber in the fuel cell stack 1 when driving to obtain an electromotive force. And a fuel replacement means 3 for replacing the fuel gas remaining in the fuel chamber at the time of stoppage with air.
燃料導入手段2は、水素ボンベ4、調圧弁5a、5b、電磁弁6a、6b、圧力計S1、S2及び配管7a、7b、7cにより構成されている。燃料置換手段3は、逆止弁8、電磁弁6c、6d、6e、6f、ポンプ9及び配管7d、7e、7f、7cにより構成されている。   The fuel introduction means 2 includes a hydrogen cylinder 4, pressure regulating valves 5a and 5b, electromagnetic valves 6a and 6b, pressure gauges S1 and S2, and pipes 7a, 7b and 7c. The fuel replacement means 3 includes a check valve 8, electromagnetic valves 6c, 6d, 6e, 6f, a pump 9, and pipes 7d, 7e, 7f, 7c.
制御手段では、停止時に燃料室内に置換された空気を始動によって再度燃料ガスとしての水素で置換する前記燃料室の置換率(%)と、初期性能からの出力変化(%)との関係を測定している。その際、燃料置換手段3により、停止時に燃料室内に残留する水素を空気と置換している。そして、制御手段によって所定時間(0.6秒)の間に置換率が80%、85%又は95%以上になるように制御している。   The control means measures the relationship between the replacement rate (%) of the fuel chamber in which the air replaced in the fuel chamber at the time of stoppage is replaced again with hydrogen as fuel gas and the change in output (%) from the initial performance. is doing. At that time, hydrogen remaining in the fuel chamber at the time of stoppage is replaced with air by the fuel replacement means 3. Then, the control unit controls the replacement rate to be 80%, 85%, or 95% or more during a predetermined time (0.6 seconds).
特開2004−206898号公報JP 2004-206898 A
しかしながら、上記の特許文献1では、燃料導入手段2及び燃料置換手段3が相当に大型で且つ複雑化している。このため、燃料電池システム全体の容積が増大するとともに、製造コストが高騰するという問題がある。   However, in Patent Document 1 described above, the fuel introduction means 2 and the fuel replacement means 3 are considerably large and complicated. For this reason, there are problems that the volume of the entire fuel cell system increases and the manufacturing cost increases.
本発明はこの種の問題を解決するものであり、コンパクト且つ経済的な構成で、燃料電池の劣化を可及的に抑制することが可能な燃料電池システム及びその起動方法を提供することを目的とする。   The present invention solves this type of problem, and an object thereof is to provide a fuel cell system capable of suppressing deterioration of the fuel cell as much as possible with a compact and economical configuration, and a starting method thereof. And
本発明は、カソード側に供給される酸化剤ガス及びアノード側に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置とを設ける燃料電池システム及びその起動方法に関するものである。   The present invention relates to a fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between an oxidant gas supplied to the cathode side and a fuel gas supplied to the anode side, and an oxidant gas supply device that supplies the oxidant gas to the fuel cell. The present invention relates to a fuel cell system provided with a fuel gas supply device for supplying the fuel gas to the fuel cell, and a starting method thereof.
この燃料電池システムでは、アノード側の単極電位と水素濃度との関係から、前記単極電位が急激に低下する基準水素濃度を設定するコントローラを備えている。   This fuel cell system includes a controller that sets a reference hydrogen concentration at which the unipolar potential rapidly decreases from the relationship between the unipolar potential on the anode side and the hydrogen concentration.
燃料ガス供給装置は、燃料ガス供給源から燃料電池の燃料ガス入口連通孔に燃料ガスを供給する燃料ガス供給路と、前記燃料電池の燃料ガス出口連通孔から排出される前記燃料ガスを前記燃料ガス供給路に戻す第1リターン流路と、前記第1リターン流路とは個別に前記燃料ガス供給路に連通するとともに、ポンプを介して前記燃料ガス出口連通孔から前記燃料ガス入口連通孔に前記燃料ガスを流通させる第2リターン流路と、前記燃料ガス供給路に、前記第1リターン流路の連結部及び前記第2リターン流路の連結部を跨いで接続され、アノード側の水素濃度が基準水素濃度の直前から直後である際に、前記燃料ガス供給路を介して前記燃料電池に供給される燃料ガス供給量に比べて少量の前記燃料ガスを前記燃料ガス入口連通孔に供給する燃料ガス流量制御部とを備えている。   The fuel gas supply device includes: a fuel gas supply path that supplies fuel gas from a fuel gas supply source to a fuel gas inlet communication hole of the fuel cell; and the fuel gas discharged from the fuel gas outlet communication hole of the fuel cell. The first return flow path returning to the gas supply path and the first return flow path individually communicate with the fuel gas supply path, and from the fuel gas outlet communication hole to the fuel gas inlet communication hole via a pump. A hydrogen concentration on the anode side is connected to the second return flow path for circulating the fuel gas and the fuel gas supply path across the connecting portion of the first return flow path and the connecting portion of the second return flow path. When the fuel gas supply is immediately before or after the reference hydrogen concentration, a small amount of the fuel gas is supplied to the fuel gas inlet communication hole compared to the fuel gas supply amount supplied to the fuel cell via the fuel gas supply path. And a fuel gas flow control unit.
また、この燃料電池システムの起動方法では、アノード側の単極電位と水素濃度との関係から、前記単極電位が急激に低下する基準水素濃度を設定する工程と、前記基準水素濃度に至る直前まで、前記アノード側に燃料ガスを第1流量で供給する工程と、前記基準水素濃度の直前から直後まで、前記アノード側に前記燃料ガスを前記第1流量よりも少量な第2流量で供給する工程と、前記基準水素濃度の直後から、前記アノード側に前記燃料ガスを前記第2流量よりも多量な第3流量で供給する工程とを有している。   In this fuel cell system start-up method, the step of setting a reference hydrogen concentration at which the unipolar potential suddenly decreases from the relationship between the unipolar potential on the anode side and the hydrogen concentration, and immediately before reaching the reference hydrogen concentration. Supplying the fuel gas to the anode side at a first flow rate, and supplying the fuel gas to the anode side at a second flow rate smaller than the first flow rate from immediately before to immediately after the reference hydrogen concentration. And a step of supplying the fuel gas to the anode side at a third flow rate larger than the second flow rate immediately after the reference hydrogen concentration.
さらに、この起動方法では、起動前の燃料電池のカソード側及びアノード側には、酸化剤ガスが充填されていることが好ましい。   Furthermore, in this starting method, it is preferable that the cathode side and the anode side of the fuel cell before starting are filled with oxidant gas.
本発明では、アノード側の単極電位と水素濃度との関係から、前記単極電位が急激に低下する基準水素濃度を設定している。そして、単極電位が急激に低下する基準水素濃度に至る直前まで、及び前記基準水素濃度の直後から、アノード側に多量の燃料ガスが供給される一方、前記基準水素濃度の直前から直後までの間、前記アノード側に少量の前記燃料ガスが供給されている。   In the present invention, the reference hydrogen concentration at which the unipolar potential rapidly decreases is set from the relationship between the unipolar potential on the anode side and the hydrogen concentration. A large amount of fuel gas is supplied to the anode side immediately before reaching the reference hydrogen concentration at which the unipolar potential sharply decreases and immediately after the reference hydrogen concentration, while immediately before and immediately after the reference hydrogen concentration. Meanwhile, a small amount of the fuel gas is supplied to the anode side.
このため、アノード側に燃料ガスを迅速に供給することができ、前記アノード側の面内に発生する水素の濃度差が良好に減少される。   For this reason, the fuel gas can be rapidly supplied to the anode side, and the difference in concentration of hydrogen generated in the surface on the anode side is favorably reduced.
しかも、アノード側の水素濃度が所定の領域(基準水素濃度)に至ると、前記アノード側の単極電位が急激に低下することを見出した。そして、基準水素濃度の直前から直後までの間は、アノード側に少量の燃料ガスを供給することにより、水素濃度変化を最小にして前記アノード側の単極電位が急激に低下することを良好に抑制することができる。従って、燃料電池内に高電位が発生することを確実に阻止することが可能になり、特にカソード電極の電極触媒層の性能劣化による発電性能の低下が可及的に抑制される。   Moreover, it has been found that when the hydrogen concentration on the anode side reaches a predetermined region (reference hydrogen concentration), the unipolar potential on the anode side rapidly decreases. Then, between immediately before and immediately after the reference hydrogen concentration, by supplying a small amount of fuel gas to the anode side, it is possible to minimize the change in the hydrogen concentration and to rapidly decrease the anode potential on the anode side. Can be suppressed. Accordingly, it is possible to reliably prevent the generation of a high potential in the fuel cell, and in particular, a reduction in power generation performance due to deterioration of the performance of the electrode catalyst layer of the cathode electrode is suppressed as much as possible.
これにより、コンパクト且つ経済的な構成で、燃料電池の劣化を可及的に抑制することが可能になる。   Thereby, it becomes possible to suppress deterioration of the fuel cell as much as possible with a compact and economical configuration.
本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. 前記燃料電池システムの起動方法を説明するタイミングチャートである。It is a timing chart explaining the starting method of the said fuel cell system. アノード側の単極電位と水素濃度との関係説明図である。It is explanatory drawing of the relationship between the monopolar electric potential by the side of an anode, and hydrogen concentration. 前記起動方法を説明する水素流量と濃度との関係図である。FIG. 3 is a relationship diagram between a hydrogen flow rate and a concentration for explaining the starting method. 前記燃料電池システムの動作説明図である。It is operation | movement explanatory drawing of the said fuel cell system. 燃料電池内の高電位発生の説明図である。It is explanatory drawing of high electric potential generation | occurrence | production in a fuel cell. 特許文献1に開示されている燃料電池システムの説明図である。2 is an explanatory diagram of a fuel cell system disclosed in Patent Document 1. FIG.
図1に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池システム10は、燃料電池スタック12と、前記燃料電池スタック12に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置14と、前記燃料電池スタック12に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置16と、前記燃料電池システム10全体の制御を行うコントローラ18とを備える。燃料電池システム10は、燃料電池自動車等の燃料電池車両に搭載される。   As shown in FIG. 1, a fuel cell system 10 according to an embodiment of the present invention includes a fuel cell stack 12, an oxidant gas supply device 14 for supplying an oxidant gas to the fuel cell stack 12, and the fuel cell stack. 12, a fuel gas supply device 16 for supplying fuel gas to the fuel cell 12 and a controller 18 for controlling the entire fuel cell system 10. The fuel cell system 10 is mounted on a fuel cell vehicle such as a fuel cell vehicle.
燃料電池スタック12は、複数の燃料電池20を積層して構成される。各燃料電池20は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜22をカソード電極24とアノード電極26とで挟持した電解質膜・電極構造体(MEA)28を備える。   The fuel cell stack 12 is configured by stacking a plurality of fuel cells 20. Each fuel cell 20 includes, for example, an electrolyte membrane / electrode structure (MEA) 28 in which a solid polymer electrolyte membrane 22 in which a perfluorosulfonic acid thin film is impregnated with water is sandwiched between a cathode electrode 24 and an anode electrode 26. .
カソード電極24及びアノード電極26は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金(又はRu等)が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成された電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜22の両面に形成される。   The cathode electrode 24 and the anode electrode 26 have a gas diffusion layer made of carbon paper or the like, and porous carbon particles carrying platinum alloy (or Ru or the like) on the surface are uniformly applied to the surface of the gas diffusion layer. And an electrode catalyst layer formed. The electrode catalyst layers are formed on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 22.
電解質膜・電極構造体28をカソード側セパレータ30及びアノード側セパレータ32で挟持する。カソード側セパレータ30及びアノード側セパレータ32は、例えば、カーボンセパレータ又は金属セパレータで構成される。   The electrolyte membrane / electrode structure 28 is sandwiched between the cathode side separator 30 and the anode side separator 32. The cathode side separator 30 and the anode side separator 32 are comprised by a carbon separator or a metal separator, for example.
カソード側セパレータ30と電解質膜・電極構造体28との間には、酸化剤ガス流路34が設けられるとともに、アノード側セパレータ32と前記電解質膜・電極構造体28との間には、燃料ガス流路36が設けられる。   An oxidant gas flow path 34 is provided between the cathode side separator 30 and the electrolyte membrane / electrode structure 28, and a fuel gas is provided between the anode side separator 32 and the electrolyte membrane / electrode structure 28. A flow path 36 is provided.
燃料電池スタック12には、各燃料電池20の積層方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガス(以下、空気ともいう)を供給する酸化剤ガス入口連通孔38a、燃料ガス、例えば、水素含有ガス(以下、水素ガスともいう)を供給する燃料ガス入口連通孔40a、冷却媒体を供給する冷却媒体入口連通孔(図示せず)、前記酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口連通孔38b、前記燃料ガスを排出する燃料ガス出口連通孔40b、及び前記冷却媒体を排出する冷却媒体出口連通孔(図示せず)が設けられる。   The fuel cell stack 12 communicates with each other in the stacking direction of the fuel cells 20 to supply an oxidant gas, for example, an oxidant gas inlet communication hole 38a for supplying an oxygen-containing gas (hereinafter also referred to as air), a fuel gas, For example, a fuel gas inlet communication hole 40a for supplying a hydrogen-containing gas (hereinafter also referred to as hydrogen gas), a cooling medium inlet communication hole (not shown) for supplying a cooling medium, and an oxidant gas outlet for discharging the oxidant gas A communication hole 38b, a fuel gas outlet communication hole 40b for discharging the fuel gas, and a cooling medium outlet communication hole (not shown) for discharging the cooling medium are provided.
酸化剤ガス供給装置14は、大気からの空気を圧縮して供給するエアポンプ(コンプレッサ)42を備え、前記エアポンプ42が空気供給流路44に配設される。空気供給流路44には、加湿器46が配設されるとともに、前記空気供給流路44は、燃料電池スタック12の酸化剤ガス入口連通孔38aに連通する。加湿器46は、オフガス(使用済み空気)と供給空気との間で水分及び熱の交換を行う。   The oxidant gas supply device 14 includes an air pump (compressor) 42 that compresses and supplies air from the atmosphere, and the air pump 42 is disposed in the air supply flow path 44. A humidifier 46 is disposed in the air supply channel 44, and the air supply channel 44 communicates with the oxidant gas inlet communication hole 38 a of the fuel cell stack 12. The humidifier 46 exchanges moisture and heat between off-gas (used air) and supply air.
酸化剤ガス供給装置14は、酸化剤ガス出口連通孔38bに連通する空気排出流路48を備える。空気排出流路48は、加湿器46の加湿媒体通路(図示せず)に連通するとともに、この空気排出流路48には、エアポンプ42から空気供給流路44を通って燃料電池スタック12に供給される空気の圧力を調整するための開度調整可能な背圧制御弁50が設けられる。   The oxidant gas supply device 14 includes an air discharge channel 48 that communicates with the oxidant gas outlet communication hole 38b. The air discharge channel 48 communicates with a humidification medium passage (not shown) of the humidifier 46, and is supplied to the fuel cell stack 12 from the air pump 42 through the air supply channel 44. A back pressure control valve 50 with an adjustable opening is provided for adjusting the pressure of the air to be adjusted.
燃料ガス供給装置16は、高圧水素を貯留する水素タンク(燃料ガス供給源)52を備え、この水素タンク52は、水素供給流路(燃料ガス供給路)54を介して燃料電池スタック12の燃料ガス入口連通孔40aに連通する。この水素供給流路54には、遮断弁56、レギュレータ58及びエゼクタ60が設けられる。エゼクタ60は、水素タンク52から供給される水素ガスを、水素供給流路54を通って燃料電池スタック12に供給するとともに、燃料電池スタック12で使用されなかった未使用の水素ガスを含む排ガスを、第1リターン流路62から吸引して、再度、前記燃料電池スタック12に燃料ガスとして供給する。   The fuel gas supply device 16 includes a hydrogen tank (fuel gas supply source) 52 that stores high-pressure hydrogen. The hydrogen tank 52 is a fuel for the fuel cell stack 12 via a hydrogen supply channel (fuel gas supply channel) 54. It communicates with the gas inlet communication hole 40a. The hydrogen supply channel 54 is provided with a shutoff valve 56, a regulator 58, and an ejector 60. The ejector 60 supplies the hydrogen gas supplied from the hydrogen tank 52 to the fuel cell stack 12 through the hydrogen supply flow path 54, and exhaust gas containing unused hydrogen gas that has not been used in the fuel cell stack 12. Then, the air is sucked from the first return flow path 62 and supplied again as fuel gas to the fuel cell stack 12.
燃料ガス出口連通孔40bには、オフガス流路64が連通する。オフガス流路64は、パージ弁66を介して、例えば、図示しない希釈器に連通する。オフガス流路64の途上には、第1リターン流路62の一端と第2リターン流路68の一端とが個別に連通する。第1リターン流路62の他端は、エゼクタ60に接続される一方、第2リターン流路68の他端は、ポンプ70を介装して水素供給流路54に接続される。   An off gas passage 64 communicates with the fuel gas outlet communication hole 40b. The off gas passage 64 communicates with, for example, a diluter (not shown) via the purge valve 66. One end of the first return flow path 62 and one end of the second return flow path 68 are individually communicated with each other along the off gas flow path 64. The other end of the first return flow path 62 is connected to the ejector 60, while the other end of the second return flow path 68 is connected to the hydrogen supply flow path 54 via a pump 70.
水素供給流路54には、第1リターン流路62の連結部(エゼクタ60)及び第2リターン流路68の連結部を跨いでバイパス流路72の両端が接続される。バイパス流路72の上流側端部は、レギュレータ58とエゼクタ60との間に位置して三方弁74に接続される。バイパス流路72には、流量制御部(燃料ガス流量制御部)76が配設される。流量制御部76には、例えば、マスフローコントローラやインジェクタ等が採用される。   Both ends of the bypass flow path 72 are connected to the hydrogen supply flow path 54 across the connection portion (ejector 60) of the first return flow path 62 and the connection portion of the second return flow path 68. The upstream end portion of the bypass flow path 72 is located between the regulator 58 and the ejector 60 and connected to the three-way valve 74. A flow rate control unit (fuel gas flow rate control unit) 76 is disposed in the bypass flow path 72. For the flow rate control unit 76, for example, a mass flow controller, an injector, or the like is employed.
水素供給流路54の燃料ガス入口連通孔40aに近接する位置と、空気供給流路44の酸化剤ガス入口連通孔38aに近接する位置とには、空気パージ流路78の両端が接続される。空気パージ流路78には、開閉弁80が介装される。   Both ends of the air purge channel 78 are connected to a position of the hydrogen supply channel 54 close to the fuel gas inlet communication hole 40a and a position of the air supply channel 44 close to the oxidant gas inlet communication hole 38a. . An open / close valve 80 is interposed in the air purge flow path 78.
燃料電池スタック12には、アノード側の水素濃度を検出するために、例えば、水素供給流路54に燃料ガス入口連通孔40aに近接して水素濃度センサ82が設けられる。   In the fuel cell stack 12, in order to detect the hydrogen concentration on the anode side, for example, a hydrogen concentration sensor 82 is provided in the hydrogen supply channel 54 in the vicinity of the fuel gas inlet communication hole 40a.
このように構成される燃料電池システム10の動作について、以下に説明する。   The operation of the fuel cell system 10 configured as described above will be described below.
先ず、燃料電池システム10の運転時には、酸化剤ガス供給装置14を構成するエアポンプ42を介して、空気供給流路44に空気が送られる。この空気は、加湿器46を通って加湿された後、燃料電池スタック12の酸化剤ガス入口連通孔38aに供給される。この空気は、燃料電池スタック12内の各燃料電池20に設けられている酸化剤ガス流路34に沿って移動することにより、カソード電極24に供給される。   First, during operation of the fuel cell system 10, air is sent to the air supply passage 44 via the air pump 42 that constitutes the oxidant gas supply device 14. The air is humidified through the humidifier 46 and then supplied to the oxidant gas inlet communication hole 38 a of the fuel cell stack 12. This air is supplied to the cathode electrode 24 by moving along the oxidant gas flow path 34 provided in each fuel cell 20 in the fuel cell stack 12.
使用済みの空気は、酸化剤ガス出口連通孔38bから空気排出流路48に排出され、加湿器46に送られることによって新たに供給される空気を加湿した後、背圧制御弁50を介して排出される。   The used air is discharged from the oxidant gas outlet communication hole 38 b to the air discharge flow path 48, and is sent to the humidifier 46 to humidify newly supplied air, and then through the back pressure control valve 50. Discharged.
一方、燃料ガス供給装置16では、遮断弁56が開放されることにより、水素タンク52から水素供給流路54に水素ガスが供給される。この水素ガスは、レギュレータ58により降圧された後、エゼクタ60を通って燃料電池スタック12の燃料ガス入口連通孔40aに供給される。燃料電池スタック12内に供給された水素ガスは、各燃料電池20の燃料ガス流路36に沿って移動することにより、アノード電極26に供給される。   On the other hand, in the fuel gas supply device 16, hydrogen gas is supplied from the hydrogen tank 52 to the hydrogen supply passage 54 by opening the shutoff valve 56. The hydrogen gas is stepped down by the regulator 58 and then supplied to the fuel gas inlet communication hole 40 a of the fuel cell stack 12 through the ejector 60. The hydrogen gas supplied into the fuel cell stack 12 is supplied to the anode electrode 26 by moving along the fuel gas flow path 36 of each fuel cell 20.
使用済みの水素ガスは、燃料ガス出口連通孔40bからオフガス流路64に排出され、第1リターン流路62を介してエゼクタ60に吸引され、燃料ガスとして、再度、燃料電池スタック12に供給される。従って、カソード電極24に供給される空気とアノード電極26に供給される水素ガスとが電気化学的に反応して発電が行われる。   The used hydrogen gas is discharged from the fuel gas outlet communication hole 40b to the off-gas flow path 64, sucked into the ejector 60 through the first return flow path 62, and supplied again to the fuel cell stack 12 as fuel gas. The Accordingly, the air supplied to the cathode electrode 24 and the hydrogen gas supplied to the anode electrode 26 react electrochemically to generate power.
燃料電池システム10の運転が停止される際には、各燃料電池20の燃料ガス流路36を含むアノード側経路が、空気によりパージされる。具体的には、燃料ガス供給装置16では、遮断弁56が閉塞されて燃料電池スタック12に燃料ガスの供給が停止される一方、開閉弁80が開放されて空気パージ流路78が、空気供給流路44と水素供給流路54とに連通する。   When the operation of the fuel cell system 10 is stopped, the anode side path including the fuel gas flow path 36 of each fuel cell 20 is purged with air. Specifically, in the fuel gas supply device 16, the shutoff valve 56 is closed to stop the supply of fuel gas to the fuel cell stack 12, while the on / off valve 80 is opened and the air purge flow path 78 serves as an air supply. The channel 44 communicates with the hydrogen supply channel 54.
このため、エアポンプ42の作用下に、空気供給流路44に導出される空気は、酸化剤ガス入口連通孔38aから酸化剤ガス流路34に供給されるとともに、前記空気の一部が空気パージ流路78を通って燃料ガス入口連通孔40aから燃料ガス流路36に供給される。これにより、燃料電池スタック12では、空気によるパージが行われ、カソード側経路及びアノード側経路が空気により満たされている。   Therefore, under the action of the air pump 42, the air led out to the air supply flow path 44 is supplied to the oxidant gas flow path 34 from the oxidant gas inlet communication hole 38a, and part of the air is purged with air. The fuel gas is supplied to the fuel gas passage 36 from the fuel gas inlet communication hole 40 a through the passage 78. Thereby, in the fuel cell stack 12, purging with air is performed, and the cathode side path and the anode side path are filled with air.
次いで、燃料電池システム10の起動方法について、図2に示すタイミングチャートに沿って、以下に説明する。   Next, a method for starting the fuel cell system 10 will be described below along the timing chart shown in FIG.
先ず、実際に使用される燃料電池システム10を用いて、アノード側の単極電位と水素濃度との関係が検出される。図3に示すように、燃料電池システム10では、水素濃度が上昇する際に、単極電位が急激に低下する濃度Tが検出され、この濃度Tが基準水素濃度に設定される。   First, the relationship between the anode-side monopolar potential and the hydrogen concentration is detected using the fuel cell system 10 that is actually used. As shown in FIG. 3, in the fuel cell system 10, when the hydrogen concentration increases, the concentration T at which the unipolar potential rapidly decreases is detected, and this concentration T is set to the reference hydrogen concentration.
濃度Tは、電極触媒の活性により変化する値である。システム停止時には、アノード側には、大量の窒素、酸素及び水素が残存している。濃度Tは、窒素濃度が高い場合に、ほぼ一定値であるが、窒素濃度が低い場合に、燃料電池スタック12のアノード入口側(燃料ガス入口連通孔40a)に設けられた酸素センサ(図示せず)を介して供給される酸素濃度を検出し、その結果により補正することが好ましい。   The concentration T is a value that varies depending on the activity of the electrode catalyst. When the system is stopped, a large amount of nitrogen, oxygen, and hydrogen remain on the anode side. The concentration T is substantially constant when the nitrogen concentration is high, but when the nitrogen concentration is low, an oxygen sensor (not shown) provided on the anode inlet side (fuel gas inlet communication hole 40a) of the fuel cell stack 12 is shown. It is preferable to detect the oxygen concentration supplied through the control and correct the result.
例えば、通常使用されている固体高分子電解質膜22では、濃度Tが、水素のアノード側供給ガス中の酸素濃度に対して50%〜70%である。濃度による単極電位の急峻な変化は、電極触媒上を被覆している分子、すなわち、水素と酸素のいずれが支配的になるかによって決定される。   For example, in the normally used solid polymer electrolyte membrane 22, the concentration T is 50% to 70% with respect to the oxygen concentration in the anode supply gas of hydrogen. The steep change of the unipolar potential depending on the concentration is determined by whether the molecule covering the electrode catalyst, that is, hydrogen or oxygen becomes dominant.
そこで、図示しない燃料電池自動車のイグニッションスイッチがオンされると、燃料電池システム10の起動処理が開始される(図2参照)。この起動処理では、ポンプ70がオンされるため、図1に示すように、水素ガスが、第2リターン流路68を介して燃料電池スタック12内に強制的に循環される。一方、エアポンプ42がオンされて、燃料電池スタック12内に空気が供給される。   Therefore, when an ignition switch of a fuel cell vehicle (not shown) is turned on, the startup process of the fuel cell system 10 is started (see FIG. 2). In this startup process, since the pump 70 is turned on, hydrogen gas is forcibly circulated into the fuel cell stack 12 via the second return flow path 68 as shown in FIG. On the other hand, the air pump 42 is turned on and air is supplied into the fuel cell stack 12.
ポンプ70がオンされた後、又は前記ポンプ70がオンされると同時に、遮断弁56がオンされる(図2参照)。従って、燃料電池スタック12内の各燃料電池20には、水素タンク52から供給される水素ガスが、ポンプ70の付勢作用下に多量(第1流量)に供給される。   After the pump 70 is turned on or simultaneously with the pump 70 being turned on, the shutoff valve 56 is turned on (see FIG. 2). Accordingly, a large amount (first flow rate) of hydrogen gas supplied from the hydrogen tank 52 is supplied to each fuel cell 20 in the fuel cell stack 12 under the urging action of the pump 70.
ここで、アノード側経路の残留酸素の圧力値から、アノード側経路の開時間がマップ(図示せず)により設定される。そして、図4中、(a)に示すように、濃度Tよりも低い値、例えば、濃度Tの40%程度まで、上記のポンプ70の付勢作用下に多量の水素を供給して水素濃度を急激に上昇させる。   Here, the open time of the anode side path is set by a map (not shown) from the pressure value of the residual oxygen in the anode side path. Then, as shown in FIG. 4A, a large amount of hydrogen is supplied under the urging action of the pump 70 to a value lower than the concentration T, for example, about 40% of the concentration T, and the hydrogen concentration Is raised rapidly.
次いで、図2及び図5に示すように、遮断弁56が閉塞されるとともに、三方弁74の切り替え作用下に、水素供給流路54とバイパス流路72とが連通する。このため、図4中、(b)に示すように、流量制御部76の作用下に、燃料電池スタック12に供給される水素ガスの流量が低下され(第2流量)、アノード側では、濃度Tが時間をかけてゆっくりと超えられる。   Next, as shown in FIGS. 2 and 5, the shutoff valve 56 is closed, and the hydrogen supply channel 54 and the bypass channel 72 communicate with each other under the switching action of the three-way valve 74. For this reason, as shown in FIG. 4B, the flow rate of the hydrogen gas supplied to the fuel cell stack 12 is lowered under the action of the flow rate control unit 76 (second flow rate), and the concentration is increased on the anode side. T is slowly exceeded over time.
そして、燃料電池20のセル電圧の上昇が確認された後、遮断弁56を開放する一方、三方弁74の切り替え作用下に、水素供給流路54からバイパス流路72が閉塞される(図1及び図2参照)。これにより、図4中、(c)に示すように、燃料電池スタック12に供給される水素ガスの流量が増加され(第3流量)、例えば、第1流量と同量に調整され、アノード側に多量の水素ガスが供給される。その後、燃料電池スタック12は、発電可能な状態に移行する(図2参照)。   After the increase in the cell voltage of the fuel cell 20 is confirmed, the shutoff valve 56 is opened, while the bypass flow path 72 is closed from the hydrogen supply flow path 54 under the switching action of the three-way valve 74 (FIG. 1). And FIG. 2). Thereby, as shown in FIG. 4C, the flow rate of the hydrogen gas supplied to the fuel cell stack 12 is increased (third flow rate), for example, adjusted to the same amount as the first flow rate, and the anode side A large amount of hydrogen gas is supplied. Thereafter, the fuel cell stack 12 shifts to a state where power generation is possible (see FIG. 2).
この場合、本実施形態では、図3に示すように、アノード側の単極電位と水素濃度との関係から、前記単極電位が急激に低下する基準水素濃度(濃度T)を設定している。そして、図4に示すように、単極電位が急激に低下する基準水素濃度に至る直前まで、及び基準水素濃度の直後から、アノード側に多量の水素ガスが供給される一方、前記基準水素濃度の直前から直後までの間、前記アノード側に少量の前記水素ガスが供給されている。   In this case, in this embodiment, as shown in FIG. 3, a reference hydrogen concentration (concentration T) at which the unipolar potential rapidly decreases is set from the relationship between the unipolar potential on the anode side and the hydrogen concentration. . Then, as shown in FIG. 4, a large amount of hydrogen gas is supplied to the anode side immediately before reaching the reference hydrogen concentration at which the unipolar potential rapidly decreases and immediately after the reference hydrogen concentration, while the reference hydrogen concentration A small amount of the hydrogen gas is supplied to the anode side from immediately before to immediately after.
このため、アノード側に水素ガスを迅速に供給することができ、前記アノード側の面内に発生する水素の濃度差が良好に減少される。従って、燃料電池20内に高電位が発生することを確実に阻止することが可能になり、特にカソード電極24の電極触媒層の性能劣化による発電性能の低下が可及的に抑制される。   For this reason, hydrogen gas can be rapidly supplied to the anode side, and the concentration difference of hydrogen generated in the surface on the anode side can be satisfactorily reduced. Accordingly, it is possible to reliably prevent a high potential from being generated in the fuel cell 20, and in particular, a reduction in power generation performance due to performance deterioration of the electrode catalyst layer of the cathode electrode 24 is suppressed as much as possible.
具体的には、図6に示すように、燃料電池20の停止時には、カソード側及びアノード側に空気が充填されている。そして、燃料電池システム10の起動時には、アノード側において、H→2H++2eの反応を生じ、カソード側において、O+4H++4e→2HOの反応が発生し、水素極と空気極との間に起電力が生じる。 Specifically, as shown in FIG. 6, when the fuel cell 20 is stopped, the cathode side and the anode side are filled with air. When the fuel cell system 10 is started, a reaction of H 2 → 2H + + 2e occurs on the anode side, and a reaction of O 2 + 4H + + 4e → 2H 2 O occurs on the cathode side, and the hydrogen electrode and air An electromotive force is generated between the poles.
その際、アノード側における水素で満たされている面において、H→2H++2eの反応が生じる一方、アノード側における水素で満たされておらず、空気が残留している面において、O+4H++4e→2HOの反応が惹起される。これにより、アノード側の面内に発生する水素の濃度差により、カソード側に高電位が発生する。 At that time, the reaction of H 2 → 2H + + 2e occurs on the surface filled with hydrogen on the anode side, while O 2 on the surface that is not filled with hydrogen and air remains on the anode side. A reaction of + 4H + + 4e → 2H 2 O is induced. As a result, a high potential is generated on the cathode side due to a difference in concentration of hydrogen generated in the surface on the anode side.
そこで、本実施形態では、水素タンク52から供給される水素ガスが、ポンプ70の付勢作用下にバイパス流路72を介して少量の供給がなされることにより、アノード側の面内に発生する水素の濃度差が良好に減少される。このため、燃料電池20内に高電位が発生することを確実に阻止することが可能になるという効果が得られる。   Therefore, in this embodiment, the hydrogen gas supplied from the hydrogen tank 52 is generated in the surface on the anode side by being supplied in a small amount via the bypass flow path 72 under the urging action of the pump 70. The concentration difference of hydrogen is reduced well. For this reason, the effect that it becomes possible to prevent reliably that a high electric potential generate | occur | produces in the fuel cell 20 is acquired.
しかも、アノード側の水素濃度が所定の濃度T(基準水素濃度)に至ると、前記アノード側の単極電位が急激に低下することを見出した(図3参照)。そして、基準水素濃度の直前から直後までの間は、バイパス流路72を介してアノード側に少量の燃料ガスを供給している(図5参照)。   Moreover, it has been found that when the hydrogen concentration on the anode side reaches a predetermined concentration T (reference hydrogen concentration), the unipolar potential on the anode side rapidly decreases (see FIG. 3). A small amount of fuel gas is supplied to the anode side via the bypass flow path 72 immediately before and immediately after the reference hydrogen concentration (see FIG. 5).
従って、水素濃度変化を最小にして、アノード側の単極電位が急激に低下することを良好に抑制することができるという利点が得られる。これにより、コンパクト且つ経済的な構成で、燃料電池20の劣化を可及的に抑制することが可能になる。   Accordingly, there is an advantage that it is possible to satisfactorily suppress a sudden decrease in the anode-side monopolar potential by minimizing the change in hydrogen concentration. Thereby, it becomes possible to suppress deterioration of the fuel cell 20 as much as possible with a compact and economical configuration.
さらに、図4中、(a)及び(c)では、アノード側に多量の水素ガスが供給されている。このため、燃料電池システム10の起動時間を良好に短縮することができるという利点がある。   Further, in FIGS. 4A and 4C, a large amount of hydrogen gas is supplied to the anode side. For this reason, there exists an advantage that the starting time of the fuel cell system 10 can be shortened favorably.
なお、本実施形態では、燃料電池20の停止時に、カソード側及びアノード側に空気が充填されているが、これに代えて、空気によるパージを行ってもよい。また、停止時には、背圧制御弁50を開放して空気排出流路48により外気を自然導入してもよい。   In this embodiment, when the fuel cell 20 is stopped, the cathode side and the anode side are filled with air, but instead of this, purging with air may be performed. Further, when stopping, the back pressure control valve 50 may be opened and the outside air may be naturally introduced through the air discharge channel 48.
10…燃料電池システム 12…燃料電池スタック
14…酸化剤ガス供給装置 16…燃料ガス供給装置
18…コントローラ 20…燃料電池
22…固体高分子電解質膜 24…カソード電極
26…アノード電極 28…電解質膜・電極構造体
30、32…セパレータ 34…酸化剤ガス流路
36…燃料ガス流路 38a…酸化剤ガス入口連通孔
38b…酸化剤ガス出口連通孔 40a…燃料ガス入口連通孔
40b…燃料ガス出口連通孔 42…エアポンプ
44…空気供給流路 46…加湿器
48…空気排出流路 50…背圧制御弁
52…水素タンク 54…水素供給流路
56…遮断弁 58…レギュレータ
60…エゼクタ 62、68…リターン流路
64…オフガス流路 70…ポンプ
72…バイパス流路 74…三方弁
76…流量制御部 78…空気パージ流路
80…開閉弁 82…水素濃度センサ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell system 12 ... Fuel cell stack 14 ... Oxidant gas supply device 16 ... Fuel gas supply device 18 ... Controller 20 ... Fuel cell 22 ... Solid polymer electrolyte membrane 24 ... Cathode electrode 26 ... Anode electrode 28 ... Electrolyte membrane Electrode structures 30, 32 ... Separator 34 ... Oxidant gas flow path 36 ... Fuel gas flow path 38a ... Oxidant gas inlet communication hole 38b ... Oxidant gas outlet communication hole 40a ... Fuel gas inlet communication hole 40b ... Fuel gas outlet communication Hole 42 ... Air pump 44 ... Air supply channel 46 ... Humidifier 48 ... Air discharge channel 50 ... Back pressure control valve 52 ... Hydrogen tank 54 ... Hydrogen supply channel 56 ... Shutoff valve 58 ... Regulator 60 ... Ejectors 62, 68 ... Return flow path 64 ... Off gas flow path 70 ... Pump 72 ... Bypass flow path 74 ... Three-way valve 76 ... Flow rate control unit 78 ... Air purge flow path 0 ... off valve 82 ... hydrogen concentration sensor

Claims (3)

  1. カソード側に供給される酸化剤ガス及びアノード側に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、
    前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
    前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
    を設ける燃料電池システムであって、
    前記アノード側の単極電位と水素濃度との関係から、前記単極電位が急激に低下する基準水素濃度を設定するコントローラを備えるとともに、
    前記燃料ガス供給装置は、燃料ガス供給源から前記燃料電池の燃料ガス入口連通孔に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給路と、
    前記燃料電池の燃料ガス出口連通孔から排出される前記燃料ガスを前記燃料ガス供給路に戻す第1リターン流路と、
    前記第1リターン流路とは個別に前記燃料ガス供給路に連通するとともに、ポンプを介して前記燃料ガス出口連通孔から前記燃料ガス入口連通孔に前記燃料ガスを流通させる第2リターン流路と、
    前記燃料ガス供給路に、前記第1リターン流路の連結部及び前記第2リターン流路の連結部を跨いで接続され、前記アノード側の水素濃度が前記基準水素濃度の直前から直後である際に、前記燃料ガス供給路を介して前記燃料電池に供給される燃料ガス供給量に比べて少量の前記燃料ガスを前記燃料ガス入口連通孔に供給する燃料ガス流量制御部と、
    を備えることを特徴とする燃料電池システム。
    A fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction of an oxidant gas supplied to the cathode side and a fuel gas supplied to the anode side;
    An oxidant gas supply device for supplying the oxidant gas to the fuel cell;
    A fuel gas supply device for supplying the fuel gas to the fuel cell;
    A fuel cell system comprising:
    From the relationship between the unipolar potential on the anode side and the hydrogen concentration, a controller for setting a reference hydrogen concentration at which the unipolar potential rapidly decreases,
    The fuel gas supply device includes a fuel gas supply path for supplying the fuel gas from a fuel gas supply source to a fuel gas inlet communication hole of the fuel cell;
    A first return flow path for returning the fuel gas discharged from the fuel gas outlet communication hole of the fuel cell to the fuel gas supply path;
    A second return flow path that communicates with the fuel gas supply path separately from the first return flow path and that causes the fuel gas to flow from the fuel gas outlet communication hole to the fuel gas inlet communication hole via a pump; ,
    When the fuel gas supply path is connected across the connecting part of the first return channel and the connecting part of the second return channel, and the hydrogen concentration on the anode side is immediately before and after the reference hydrogen concentration In addition, a fuel gas flow rate control unit that supplies a small amount of the fuel gas to the fuel gas inlet communication hole as compared to a fuel gas supply amount supplied to the fuel cell via the fuel gas supply path;
    A fuel cell system comprising:
  2. カソード側に供給される酸化剤ガス及びアノード側に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、
    前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
    前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
    を設ける燃料電池システムの起動方法であって、
    前記アノード側の単極電位と水素濃度との関係から、前記単極電位が急激に低下する基準水素濃度を設定する工程と、
    前記基準水素濃度に至る直前まで、前記アノード側に前記燃料ガスを第1流量で供給する工程と、
    前記基準水素濃度の直前から直後まで、前記アノード側に前記燃料ガスを前記第1流量よりも少量な第2流量で供給する工程と、
    前記基準水素濃度の直後から、前記アノード側に前記燃料ガスを前記第2流量よりも多量な第3流量で供給する工程と、
    を有することを特徴とする燃料電池システムの起動方法。
    A fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction of an oxidant gas supplied to the cathode side and a fuel gas supplied to the anode side;
    An oxidant gas supply device for supplying the oxidant gas to the fuel cell;
    A fuel gas supply device for supplying the fuel gas to the fuel cell;
    A fuel cell system startup method comprising:
    From the relationship between the unipolar potential on the anode side and the hydrogen concentration, setting a reference hydrogen concentration at which the unipolar potential rapidly decreases;
    Supplying the fuel gas to the anode side at a first flow rate until just before reaching the reference hydrogen concentration;
    Supplying the fuel gas to the anode side at a second flow rate smaller than the first flow rate from immediately before to immediately after the reference hydrogen concentration;
    Supplying the fuel gas to the anode side at a third flow rate larger than the second flow rate immediately after the reference hydrogen concentration;
    A starting method for a fuel cell system, comprising:
  3. 請求項2記載の起動方法において、起動前の前記燃料電池の前記カソード側及び前記アノード側には、酸化剤ガスが充填されていることを特徴とする燃料電池システムの起動方法。   3. The startup method according to claim 2, wherein the cathode side and the anode side of the fuel cell before startup are filled with an oxidant gas.
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