JP2015064935A - Fuel cell system - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system capable of suppressing deterioration in and damage to an oxygen side electrode.SOLUTION: A fuel cell system 2 comprises: an electrolyte membrane 16; a fuel cell 3 with an anode electrode 17 and a cathode electrode 18; an air supply line 41 which supplies air to the fuel cell 3; an air exhaust line 42 which exhausts air from the fuel cell 3 to the outside; an air supply valve 44 interposed in the air supply line 41; an air exhaust valve 45 interposed in the air exhaust line; an air humidifier 46 which wets the cathode electrode 18 when operation of the fuel cell 3 stops; and an ECU 51 which determines whether to stop power generation in the fuel cell 3 and controls the operation of the air humidifier 46, the air supply valve 44, and the air exhaust valve 45. When it determines to stop the power generation in the fuel cell 3, the ECU 51 wets the cathode electrode 18 by the air humidifier 46 and displaces the air supply valve 44 and the air exhaust valve 45 to a closed state.

Description

本発明は、車両などに搭載される燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system mounted on a vehicle or the like.

従来、車両などに搭載される燃料電池システムとして、メタノール、ジメチルエーテル、ヒドラジンなどの液体燃料を使用する固体高分子形の燃料電池を備える燃料電池システムが知られている。   Conventionally, as a fuel cell system mounted on a vehicle or the like, a fuel cell system including a polymer electrolyte fuel cell using a liquid fuel such as methanol, dimethyl ether, and hydrazine is known.

より具体的には、例えば、アノード電極（燃料側電極）およびカソード電極（酸素側電極）を備える燃料電池と、燃料を燃料電池に供給するとともに、その燃料電池から排出される燃料を燃料電池に還流するための燃料給排部と、空気を燃料電池に供給し、また、燃料電池から排出される空気を外部に排出するための空気給排部と、燃料電池から出力される電気エネルギを電動車両の動力とするための動力部とを備える燃料電池システムが、提案されている（例えば、特許文献１参照。）。   More specifically, for example, a fuel cell including an anode electrode (fuel side electrode) and a cathode electrode (oxygen side electrode), and supplying fuel to the fuel cell and fuel discharged from the fuel cell to the fuel cell The fuel supply / discharge part for recirculation, the air supply / discharge part for supplying air to the fuel cell, and the air discharged from the fuel cell to the outside, and the electric energy output from the fuel cell are electrically operated There has been proposed a fuel cell system including a power unit for driving a vehicle (see, for example, Patent Document 1).

また、このような燃料電池システムにおいて、燃料として、ヒドラジンを含む液体燃料を用いる場合、電気特性の向上を図るため、燃料に水酸化カリウムなどのアルカリ金属含有成分を添加することも知られている。   In such a fuel cell system, when a liquid fuel containing hydrazine is used as a fuel, it is also known to add an alkali metal-containing component such as potassium hydroxide to the fuel in order to improve electrical characteristics. .

特開２０１０−１２９３０４号公報JP 2010-129304 A

一方、特許文献１に記載されるような燃料電池システムでは、燃料電池に供給された燃料が、アノード電極において反応することなく電解質膜を透過し、カソード電極側に漏出する場合がある（クロスリーク現象）。このような場合、漏出した燃料によって、カソード電極に劣化、損傷などを生じる場合がある。   On the other hand, in the fuel cell system described in Patent Document 1, the fuel supplied to the fuel cell may pass through the electrolyte membrane without reacting at the anode electrode and leak to the cathode electrode side (cross leak). phenomenon). In such a case, the cathode electrode may be deteriorated or damaged by the leaked fuel.

具体的には、例えば、燃料としてヒドラジンを含む液体燃料を用い、また、液体燃料中に水酸化カリウムなどのカリウム含有成分が添加される場合には、カソード電極側に燃料が漏出すると、その燃料とともに、カリウム含有成分がカソード電極側に漏出される。   Specifically, for example, when a liquid fuel containing hydrazine is used as the fuel, and when a potassium-containing component such as potassium hydroxide is added to the liquid fuel, if the fuel leaks to the cathode electrode side, the fuel At the same time, the potassium-containing component is leaked to the cathode electrode side.

このような場合において、燃料電池が停止され、時間の経過に伴ってカソード電極が乾燥されると、カソード電極の表面にカリウム塩（例えば、水酸化カリウムと二酸化炭素との反応により生成する炭酸カリウムなど）などの塩が析出し、その塩によってカソード電極が劣化、損傷する場合がある。   In such a case, when the fuel cell is stopped and the cathode electrode is dried over time, a potassium salt (for example, potassium carbonate generated by a reaction between potassium hydroxide and carbon dioxide) is formed on the surface of the cathode electrode. In some cases, and the cathode electrode may deteriorate or be damaged by the salt.

そこで、本発明の目的は、酸素側電極の劣化、損傷を抑制できる燃料電池システムを提供することにある。   Therefore, an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of suppressing deterioration and damage of the oxygen side electrode.

上記目的を達成するため、本発明の燃料電池システムは、電解質膜と、前記電解質膜を挟んで対向配置される燃料側電極および酸素側電極とを備える燃料電池と、前記燃料電池に対して空気を供給する空気供給経路と、前記燃料電池から排出される空気を外部に排出するための空気排出経路と、前記空気供給経路に介在される空気供給弁と、前記空気排出経路に介在される空気排出弁と、前記燃料電池の作動停止時において、前記酸素側電極を湿潤させるための湿潤手段と、前記燃料電池における発電を停止させるか否かを判断し、前記湿潤手段、前記空気供給弁および前記空気排出弁の動作を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記燃料電池における発電を停止すると判断した場合に、前記湿潤手段によって前記酸素側電極を湿潤させ、前記空気供給弁および前記空気排出弁を閉状態に変位させることを特徴としている。   In order to achieve the above object, a fuel cell system according to the present invention includes an electrolyte membrane, a fuel cell including a fuel side electrode and an oxygen side electrode arranged to face each other with the electrolyte membrane interposed therebetween, and air to the fuel cell. An air supply path for supplying air, an air discharge path for discharging air discharged from the fuel cell to the outside, an air supply valve interposed in the air supply path, and air interposed in the air discharge path A discharge valve, a wetting unit for wetting the oxygen-side electrode when the fuel cell is stopped, and whether to stop power generation in the fuel cell; and the wetting unit, the air supply valve, Control means for controlling the operation of the air discharge valve, and the control means wets the oxygen side electrode by the wetting means when it is determined to stop power generation in the fuel cell. It is, and the air supply valve and the air discharge valve characterized by displacing the closed state.

本発明の燃料電池システムでは、燃料電池における発電が停止される場合に、湿潤手段によって酸素側電極が湿潤され、空気供給弁および空気排出弁を閉塞させる。すなわち、燃料電池の停止時には、酸素側電極が湿潤状態で保持される。   In the fuel cell system of the present invention, when power generation in the fuel cell is stopped, the oxygen-side electrode is wetted by the wet means, and the air supply valve and the air discharge valve are closed. That is, when the fuel cell is stopped, the oxygen side electrode is held in a wet state.

そのため、本発明の燃料電池システムでは、酸素側電極の乾燥を抑制することにより、塩の析出を抑制でき、その結果、酸素側電極の劣化、損傷を抑制することができる。   Therefore, in the fuel cell system of the present invention, salt precipitation can be suppressed by suppressing drying of the oxygen side electrode, and as a result, deterioration and damage of the oxygen side electrode can be suppressed.

図１は、本発明の一実施形態としての燃料電池システムを搭載した電動車両の概略構成図である。FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an electric vehicle equipped with a fuel cell system as an embodiment of the present invention. 図２は、図１に示す燃料電池システムの停止動作を説明するフロー図である。FIG. 2 is a flowchart illustrating a stop operation of the fuel cell system shown in FIG.

１．電動車両の全体構成
図１は、本発明の一実施形態としての燃料電池システムを搭載した電動車両の概略構成図である。 1. Overall Configuration of Electric Vehicle FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an electric vehicle equipped with a fuel cell system as one embodiment of the present invention.

図１において、電動車両１は、燃料電池を動力源とする車両である。電動車両１は、燃料電池システム２を搭載している。   In FIG. 1, an electric vehicle 1 is a vehicle using a fuel cell as a power source. The electric vehicle 1 is equipped with a fuel cell system 2.

燃料電池システム２は、燃料電池３と、燃料給排部４と、空気給排部５と、制御部６と、動力部７とを備えている。
（１）燃料電池
燃料電池３は、液体燃料が直接供給されるアニオン交換形燃料電池である。燃料電池３は、電動車両１の中央下側に配置されている。燃料電池３は、複数の単位セル１１と、１対のエンドプレート１２とを備えている。 The fuel cell system 2 includes a fuel cell 3, a fuel supply / exhaust unit 4, an air supply / exhaust unit 5, a control unit 6, and a power unit 7.
(1) Fuel cell The fuel cell 3 is an anion exchange type fuel cell to which liquid fuel is directly supplied. The fuel cell 3 is disposed on the lower center side of the electric vehicle 1. The fuel cell 3 includes a plurality of unit cells 11 and a pair of end plates 12.

各単位セル１１は、略平板形状に形成されている。各単位セル１１は、その厚み方向（図１の紙面左右方向）において互いに積層され、セルスタック１０を構成している。以下、燃料電池３の説明において、単位セル１１の積層方向を、積層方向と記載する。各単位セル１１は、図１中の拡大図に示すように、膜電極接合体１３と、アノード側セパレータ１４と、カソード側セパレータ１５とを備えている。   Each unit cell 11 is formed in a substantially flat plate shape. The unit cells 11 are stacked on each other in the thickness direction (the left-right direction in FIG. 1) to form a cell stack 10. Hereinafter, in the description of the fuel cell 3, the stacking direction of the unit cells 11 is referred to as a stacking direction. As shown in the enlarged view in FIG. 1, each unit cell 11 includes a membrane electrode assembly 13, an anode side separator 14, and a cathode side separator 15.

膜電極接合体１３は、略平板形状に形成されており、電解質膜１６と、電解質膜１６を挟んで対向配置される燃料側電極としてのアノード電極１７、および、酸素側電極としてのカソード電極１８とを備えている。   The membrane electrode assembly 13 is formed in a substantially flat plate shape, and includes an electrolyte membrane 16, an anode electrode 17 serving as a fuel-side electrode disposed so as to sandwich the electrolyte membrane 16, and a cathode electrode 18 serving as an oxygen-side electrode. And.

電解質膜１６は、アニオン交換形の高分子電解質膜から形成されている。   The electrolyte membrane 16 is formed of an anion exchange type polymer electrolyte membrane.

アノード電極１７は、電解質膜１６の積層方向一方側（図１の紙面右側）の表面に、薄層として積層されている。アノード電極１７は、例えば、触媒を担持した触媒担体により形成されている。なお、アノード電極１７は、触媒担体を用いずに、触媒から、直接形成することもできる。   The anode electrode 17 is laminated as a thin layer on the surface of the electrolyte membrane 16 on one side in the lamination direction (the right side in FIG. 1). The anode electrode 17 is formed of, for example, a catalyst carrier that supports a catalyst. The anode electrode 17 can also be formed directly from a catalyst without using a catalyst carrier.

カソード電極１８は、電解質膜１６の積層方向他方側（図１の紙面左側）の表面に、薄層として積層されている。カソード電極１８は、例えば、触媒を担持した触媒担体により形成されている。なお、カソード電極１８は、触媒担体を用いずに、触媒から、直接形成することもできる。   The cathode electrode 18 is stacked as a thin layer on the surface of the electrolyte membrane 16 on the other side in the stacking direction (left side in FIG. 1). The cathode electrode 18 is formed of, for example, a catalyst carrier that supports a catalyst. The cathode electrode 18 can also be formed directly from a catalyst without using a catalyst carrier.

アノード側セパレータ１４は、膜電極接合体１３の積層方向一方側に配置されている。アノード側セパレータ１４は、ガス不透過性の導電性材料から略平板形状に形成されている。アノード側セパレータ１４の積層方向他方面には、積層方向一方に凹む葛折状の凹溝が形成されている。アノード側セパレータ１４の積層方向他方面は、アノード電極１７に接触している。アノード側セパレータ１４の凹溝は、アノード電極１７の積層方向一方面とともに、燃料流路１９を形成する。燃料流路１９は、エンドプレート１２の後述する燃料供給口１２Ａおよび燃料排出口１２Ｂに連続している。   The anode side separator 14 is disposed on one side of the membrane electrode assembly 13 in the stacking direction. The anode side separator 14 is formed in a substantially flat plate shape from a gas impermeable conductive material. On the other side of the anode-side separator 14 in the stacking direction, a fold-like concave groove that is recessed in one of the stacking directions is formed. The other side in the stacking direction of the anode separator 14 is in contact with the anode electrode 17. The concave groove of the anode side separator 14 forms a fuel flow path 19 together with one surface in the stacking direction of the anode electrode 17. The fuel flow path 19 is continuous with a fuel supply port 12A and a fuel discharge port 12B, which will be described later, of the end plate 12.

カソード側セパレータ１５は、膜電極接合体１３の積層方向他方側に配置されている。カソード側セパレータ１５は、ガス不透過性の導電性材料から略平板形状に形成されている。カソード側セパレータ１５の積層方向一方面には、積層方向他方に凹む葛折状の凹溝が形成されている。カソード側セパレータ１５の積層方向一方面は、カソード電極１８に接触している。カソード側セパレータ１５の凹溝は、カソード電極１８の積層方向他方面とともに、空気流路２０を形成する。空気流路２０は、エンドプレート１２の後述する空気供給口１２Ｃおよび空気排出口１２Ｄに連続している。   The cathode-side separator 15 is disposed on the other side in the stacking direction of the membrane electrode assembly 13. The cathode-side separator 15 is formed in a substantially flat plate shape from a gas impermeable conductive material. On one side of the cathode-side separator 15 in the stacking direction, a fold-like concave groove that is recessed in the other side of the stacking direction is formed. One surface in the stacking direction of the cathode separator 15 is in contact with the cathode electrode 18. The concave groove of the cathode side separator 15 forms an air flow path 20 together with the other surface in the stacking direction of the cathode electrode 18. The air flow path 20 is continuous with an air supply port 12C and an air discharge port 12D (described later) of the end plate 12.

各エンドプレート１２は、絶縁性の樹脂などから略平板形状に形成されている。各エンドプレート１２は、セルスタック１０を挟むように、燃料電池３の積層方向両側に配置されている。積層方向一方側のエンドプレート１２には、その下端部に貫通形成される燃料供給口１２Ａと、その上端部に貫通形成される燃料排出口１２Ｂとが形成されている。積層方向他方側のエンドプレート１２には、その上端部に貫通形成される空気供給口１２Ｃと、その下端部に貫通形成される空気排出口１２Ｄとが形成されている。
（２）燃料給排部
燃料給排部４は、電動車両１において燃料電池３の後側に配置されている。燃料給排部４は、燃料タンク２１と、燃料供給ライン２３と、燃料還流ライン２４と、排気ライン２５とを備えている。 Each end plate 12 is formed in a substantially flat plate shape from an insulating resin or the like. Each end plate 12 is arranged on both sides of the fuel cell 3 in the stacking direction so as to sandwich the cell stack 10. The end plate 12 on one side in the stacking direction is formed with a fuel supply port 12A penetratingly formed at its lower end and a fuel outlet 12B penetratingly formed at its upper end. The end plate 12 on the other side in the stacking direction is formed with an air supply port 12 </ b> C formed through the upper end portion and an air discharge port 12 </ b> D formed through the lower end portion.
(2) Fuel Supply / Discharge Unit The fuel supply / discharge unit 4 is disposed on the rear side of the fuel cell 3 in the electric vehicle 1. The fuel supply / discharge unit 4 includes a fuel tank 21, a fuel supply line 23, a fuel recirculation line 24, and an exhaust line 25.

燃料タンク２１は、燃料成分を含む液体燃料を貯蔵する。なお、燃料タンク２１内の液体燃料の水位は、燃料電池３よりも下側に位置している。   The fuel tank 21 stores liquid fuel containing fuel components. Note that the water level of the liquid fuel in the fuel tank 21 is located below the fuel cell 3.

燃料成分としては、例えば、ヒドラジン（ＮＨ２ＮＨ２）、水加ヒドラジン（ＮＨ２ＮＨ２・Ｈ２Ｏ）、炭酸ヒドラジン（（ＮＨ２ＮＨ２）２ＣＯ２）、塩酸ヒドラジン（ＮＨ２ＮＨ２・ＨＣｌ）、硫酸ヒドラジン（ＮＨ２ＮＨ２・Ｈ２ＳＯ４）、モノメチルヒドラジン（ＣＨ３ＮＨＮＨ２）、ジメチルヒドラジン（（ＣＨ３）２ＮＮＨ２、ＣＨ３ＮＨＮＨＣＨ３）、カルボンヒドラジド（（ＮＨＮＨ２）２ＣＯ）などのヒドラジン類が挙げられる。これらの燃料成分は、単独または２種類以上組み合わせて用いることができる。これらの燃料成分のうち、好ましくは、炭素を含まない化合物、すなわち、ヒドラジン、水加ヒドラジン、硫酸ヒドラジンなどが挙げられる。ヒドラジン、水加ヒドラジン、硫酸ヒドラジンなどは、ＣＯおよびＣＯ２の生成がなく、触媒の被毒が生じないことから、耐久性の向上を図ることができ、実質的なゼロエミッションを実現することができる。 Examples of the fuel component include hydrazine (NH 2 NH 2 ), hydrazine hydrate (NH 2 NH 2 .H 2 O), hydrazine carbonate ((NH 2 NH 2 ) 2 CO 2 ), and hydrazine hydrochloride (NH 2 NH 2). HCl), hydrazine sulfate (NH 2 NH 2 .H 2 SO 4 ), monomethyl hydrazine (CH 3 NHNH 2 ), dimethyl hydrazine ((CH 3 ) 2 NNH 2 , CH 3 NHNHCH 3 ), carboxylic hydrazide ((NHNH 2 ) 2 CO) include hydrazines such as is. These fuel components can be used alone or in combination of two or more. Among these fuel components, preferably, a compound not containing carbon, that is, hydrazine, hydrazine hydrate, hydrazine sulfate and the like can be mentioned. Hydrazine, hydrated hydrazine, hydrazine sulfate, etc. do not generate CO and CO 2 and do not cause poisoning of the catalyst. Therefore, durability can be improved and substantially zero emission can be realized. it can.

また、燃料成分としてヒドラジン、水加ヒドラジン、硫酸ヒドラジンなどが用いられる場合、電池性能の向上を図る観点から、好ましくは、添加剤として、アルカリ金属含有成分（例えば、水酸化カリウムなどのアルカリ金属水酸化物など）などが、適宜の割合で添加される。   When hydrazine, hydrazine hydrazine, hydrazine sulfate or the like is used as a fuel component, from the viewpoint of improving battery performance, an alkali metal-containing component (for example, alkali metal water such as potassium hydroxide is preferably used as an additive. Oxide) and the like are added at an appropriate ratio.

燃料供給ライン２３は、燃料タンク２１から燃料電池３へ液体燃料を供給するための配管である。燃料供給ライン２３の供給方向上流端は、燃料タンク２１の下端部に接続されている。燃料供給ライン２３の供給方向下流端は、燃料電池３の燃料供給口１２Ａに接続されている。燃料供給ライン２３は、送液ポンプ２６と、バルブ２８とを備えている。   The fuel supply line 23 is a pipe for supplying liquid fuel from the fuel tank 21 to the fuel cell 3. The supply direction upstream end of the fuel supply line 23 is connected to the lower end of the fuel tank 21. The downstream end of the fuel supply line 23 in the supply direction is connected to the fuel supply port 12 </ b> A of the fuel cell 3. The fuel supply line 23 includes a liquid feed pump 26 and a valve 28.

送液ポンプ２６は、燃料供給ライン２３の途中に介在されている。送液ポンプ２６としては、例えば、ロータリーポンプ、ギヤポンプなどの回転式ポンプ、ピストンポンプ、ダイヤフラムポンプなどの往復式ポンプなどが挙げられる。送液ポンプ２６は、燃料タンク２１内の液体燃料を燃料電池３に供給する。送液ポンプ２６は、ＥＣＵ５１（後述）に電気的に接続されている。   The liquid feed pump 26 is interposed in the middle of the fuel supply line 23. Examples of the liquid feed pump 26 include a rotary pump such as a rotary pump and a gear pump, and a reciprocating pump such as a piston pump and a diaphragm pump. The liquid feed pump 26 supplies the liquid fuel in the fuel tank 21 to the fuel cell 3. The liquid feed pump 26 is electrically connected to an ECU 51 (described later).

バルブ２８は、送液ポンプ２６と燃料電池３との間に配置されている。すなわち、送液ポンプ２６の供給方向下流側において、燃料供給ライン２３の途中に介在されている。バルブ２８は、電磁バルブであり、ＥＣＵ５１（後述）に電気的に接続されている。バルブ２８は、液体燃料の通過を許容する開状態と、液体燃料の通過を許容しない閉状態とに変位する。   The valve 28 is disposed between the liquid feed pump 26 and the fuel cell 3. That is, it is interposed in the middle of the fuel supply line 23 on the downstream side in the supply direction of the liquid feed pump 26. The valve 28 is an electromagnetic valve and is electrically connected to an ECU 51 (described later). The valve 28 is displaced between an open state that allows passage of liquid fuel and a closed state that does not allow passage of liquid fuel.

燃料還流ライン２４は、燃料電池３から燃料タンク２１へ液体燃料を還流するための配管である。燃料還流ライン２４の還流方向上流端は、燃料電池３の燃料排出口１２Ｂに接続されている。燃料還流ライン２４の還流方向下流端は、燃料タンク２１の上端部に接続されている。燃料還流ライン２４は、気液分離器２７を備えている。   The fuel return line 24 is a pipe for returning liquid fuel from the fuel cell 3 to the fuel tank 21. The upstream end of the fuel return line 24 in the return direction is connected to the fuel discharge port 12 </ b> B of the fuel cell 3. The downstream end of the fuel return line 24 in the return direction is connected to the upper end of the fuel tank 21. The fuel return line 24 includes a gas-liquid separator 27.

気液分離器２７は、燃料還流ライン２４の途中に介在されている。気液分離器２７は、液体燃料とガス（気体）とを分離する。   The gas-liquid separator 27 is interposed in the middle of the fuel recirculation line 24. The gas-liquid separator 27 separates liquid fuel and gas (gas).

排気ライン２５は、気液分離器２７で分離されたガスを電動車両１から外へ排気するための配管である。排気ライン２５の排気方向上流端は、気液分離器２７に接続されている。排気ライン２５の排気方向下流端は、大気開放されている。なお、排気ライン２５の途中には、ガスを無害化および無臭化するための図示しない浄化装置が介在されている。
（３）空気給排部
空気給排部５は、燃料電池３に対して空気を供給する空気供給経路としての空気供給ライン４１と、燃料電池３から排出される空気を外部に排出するための空気排出経路としての空気排出ライン４２とを備えている。 The exhaust line 25 is a pipe for exhausting the gas separated by the gas-liquid separator 27 from the electric vehicle 1 to the outside. The upstream end of the exhaust line 25 in the exhaust direction is connected to the gas-liquid separator 27. The downstream end of the exhaust line 25 in the exhaust direction is open to the atmosphere. In the middle of the exhaust line 25, a purification device (not shown) for detoxifying and debromating the gas is interposed.
(3) Air supply / exhaust unit The air supply / exhaust unit 5 is used to discharge the air discharged from the fuel cell 3 to the outside, and an air supply line 41 as an air supply path for supplying air to the fuel cell 3. And an air discharge line 42 as an air discharge path.

空気供給ライン４１は、電動車両１の外から燃料電池３へ空気を供給するための配管である。空気供給ライン４１の供給方向上流端は、大気開放されている。空気供給ライン４１の供給方向下流端は、燃料電池３の空気供給口１２Ｃに接続されている。空気供給ライン４１は、送気ポンプ４３と、空気供給弁４４とを備えている。   The air supply line 41 is a pipe for supplying air from the outside of the electric vehicle 1 to the fuel cell 3. The upstream end of the air supply line 41 in the supply direction is open to the atmosphere. The downstream end of the air supply line 41 in the supply direction is connected to the air supply port 12 </ b> C of the fuel cell 3. The air supply line 41 includes an air supply pump 43 and an air supply valve 44.

送気ポンプ４３は、空気供給ライン４１の途中に介在されている。送気ポンプ４３としては、例えば、エアコンプレッサなどが挙げられる。   The air supply pump 43 is interposed in the air supply line 41. Examples of the air supply pump 43 include an air compressor.

空気供給弁４４は、送気ポンプ４３と燃料電池３との間に配置されている。すなわち、送気ポンプ４３の供給方向下流側において、空気供給ライン４１の途中に介在されている。空気供給弁４４は、例えば、電磁バルブであり、ＥＣＵ５１（後述）に電気的に接続されている。空気供給弁４４は、空気の通過を許容する開状態と、空気の通過を許容しない閉状態とに変位する。   The air supply valve 44 is disposed between the air supply pump 43 and the fuel cell 3. That is, it is interposed in the middle of the air supply line 41 on the downstream side in the supply direction of the air supply pump 43. The air supply valve 44 is an electromagnetic valve, for example, and is electrically connected to the ECU 51 (described later). The air supply valve 44 is displaced between an open state that allows passage of air and a closed state that does not allow passage of air.

空気排出ライン４２は、燃料電池３から電動車両１の外へ空気を排出するための配管である。空気排出ライン４２の排出方向上流端は、燃料電池３の空気排出口１２Ｄに接続されている。空気排出ライン４２の排出方向下流端は、大気開放されている。空気排出ライン４２は、空気排出弁４５を備えている。   The air discharge line 42 is a pipe for discharging air from the fuel cell 3 to the outside of the electric vehicle 1. The upstream end of the air discharge line 42 in the discharge direction is connected to the air discharge port 12 </ b> D of the fuel cell 3. The downstream end of the air discharge line 42 in the discharge direction is open to the atmosphere. The air discharge line 42 includes an air discharge valve 45.

空気排出弁４５は、空気排出ライン４２の途中に介在されている。空気排出弁４５は、例えば、電磁バルブであり、ＥＣＵ５１（後述）に電気的に接続されている。空気排出弁４５は、空気の通過を許容する開状態と、空気の通過を許容しない閉状態とに変位する。   The air discharge valve 45 is interposed in the middle of the air discharge line 42. The air discharge valve 45 is, for example, an electromagnetic valve, and is electrically connected to the ECU 51 (described later). The air discharge valve 45 is displaced between an open state that allows passage of air and a closed state that does not allow passage of air.

また、空気給排部５は、さらに、燃料電池３の作動停止時（後述）において、カソード電極１８を湿潤させるための湿潤手段としての空気加湿器４６を備えている。   In addition, the air supply / discharge unit 5 further includes an air humidifier 46 as a moistening means for moistening the cathode electrode 18 when the operation of the fuel cell 3 is stopped (described later).

空気加湿器４６は、送気ポンプ４３と空気供給弁４４との間に配置されている。すなわち、送気ポンプ４３の供給方向下流側、かつ、空気供給弁４４の上流側において、空気供給ライン４１の途中に介在されている。空気加湿器４６は、特に制限されず、公知の加湿装置を用いることができる。   The air humidifier 46 is disposed between the air supply pump 43 and the air supply valve 44. That is, it is interposed in the middle of the air supply line 41 on the downstream side in the supply direction of the air supply pump 43 and on the upstream side of the air supply valve 44. The air humidifier 46 is not particularly limited, and a known humidifier can be used.

空気加湿器４６として、具体的には、例えば、水を貯留する水タンク（図示せず）と、その水を加熱するヒータ（図示せず）とを備え、水を所定温度に加熱して蒸気を発生させる加湿器などが挙げられる。   Specifically, the air humidifier 46 includes, for example, a water tank (not shown) that stores water and a heater (not shown) that heats the water, and heats the water to a predetermined temperature to generate steam. Humidifiers that generate water.

このような空気加湿器４６は、空気供給ライン４１を通過する空気を加湿可能としており、また、その加湿された空気によりカソード電極１８を湿潤可能としている。また、このような空気加湿器４６は、ＥＣＵ５１（後述）に電気的に接続されており、その作動および停止が、ＥＣＵ５１（後述）によって制御されている。
（４）制御部
制御部６は、制御手段としてのＥＣＵ５１と、速度計５０とを備えている。 Such an air humidifier 46 can humidify the air passing through the air supply line 41, and can wet the cathode electrode 18 with the humidified air. Such an air humidifier 46 is electrically connected to an ECU 51 (described later), and its operation and stop are controlled by the ECU 51 (described later).
(4) Control Unit The control unit 6 includes an ECU 51 as a control unit and a speedometer 50.

ＥＣＵ５１は、電動車両１における電気的な制御を実行するコントロールユニット（すなわち、Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）であり、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭなどを備えるマイクロコンピュータから構成されている。   The ECU 51 is a control unit (i.e., Electronic Control Unit) that executes electrical control in the electric vehicle 1, and includes a microcomputer including a CPU, a ROM, a RAM, and the like.

速度計５０は、ＥＣＵ５１に電気的に接続されている。速度計５０は、電動車両１の速度を計測し、計測した速度をＥＣＵ５１に送信する。
（５）動力部
動力部７は、電動車両１の前端部において、いわゆるエンジンルーム内に配置されている。動力部７は、モータ５２と、バッテリー５３とを備えている。 The speedometer 50 is electrically connected to the ECU 51. The speedometer 50 measures the speed of the electric vehicle 1 and transmits the measured speed to the ECU 51.
(5) Power unit The power unit 7 is disposed in a so-called engine room at the front end of the electric vehicle 1. The power unit 7 includes a motor 52 and a battery 53.

モータ５２は、燃料電池３に電気的に接続されている。モータ５２は、燃料電池３から出力される電気エネルギーを電動車両１の駆動力として機械エネルギーに変換する。モータ５２としては、例えば、三相誘導電動機、三相同期電動機などの公知の三相電動機などが挙げられる。   The motor 52 is electrically connected to the fuel cell 3. The motor 52 converts electrical energy output from the fuel cell 3 into mechanical energy as the driving force of the electric vehicle 1. Examples of the motor 52 include known three-phase motors such as a three-phase induction motor and a three-phase synchronous motor.

バッテリー５３は、燃料電池３とモータ５２との間の配線に電気的に接続されている。バッテリー５３としては、例えば、ニッケル水素電池や、リチウムイオン電池などの公知の二次電池などが挙げられる。
２．燃料電池システムの発電動作
次いで、燃料電池システム２の発電動作について説明する。 The battery 53 is electrically connected to the wiring between the fuel cell 3 and the motor 52. Examples of the battery 53 include a known secondary battery such as a nickel metal hydride battery or a lithium ion battery.
2. Next, the power generation operation of the fuel cell system 2 will be described.

電動車両１が作動されると、ＥＣＵ５１の制御により、バルブ２８が開状態に変位され、燃料供給ライン２３の送液ポンプ２６が駆動される。また、これとともに、ＥＣＵ５１の制御により、空気供給弁４４および空気排出弁４５が開状態に変位され、空気供給ライン４１の送気ポンプ４３が駆動される。   When the electric vehicle 1 is operated, the valve 28 is displaced to the open state under the control of the ECU 51, and the liquid feed pump 26 of the fuel supply line 23 is driven. At the same time, under the control of the ECU 51, the air supply valve 44 and the air discharge valve 45 are displaced to the open state, and the air supply pump 43 of the air supply line 41 is driven.

燃料供給ライン２３の送液ポンプ２６が駆動すると、燃料タンク２１内の液体燃料は、燃料供給ライン２３を介して燃料電池３の燃料供給口１２Ａに供給される。燃料供給口１２Ａに供給された液体燃料は、アノード電極１７の積層方向一方面と接触しながら燃料流路１９内を流れ、燃料排出口１２Ｂから燃料還流ライン２４へ排出される。   When the liquid feed pump 26 of the fuel supply line 23 is driven, the liquid fuel in the fuel tank 21 is supplied to the fuel supply port 12 </ b> A of the fuel cell 3 through the fuel supply line 23. The liquid fuel supplied to the fuel supply port 12A flows through the fuel flow path 19 while being in contact with one surface of the anode electrode 17 in the stacking direction, and is discharged from the fuel discharge port 12B to the fuel return line 24.

また、空気供給ライン４１の送気ポンプ４３が駆動すると、電動車両１の外部から空気が取り込まれ、空気供給ライン４１を介して燃料電池３の空気供給口１２Ｃに供給される。空気供給口１２Ｃに供給された空気は、カソード電極１８の積層方向他方面と接触しながら空気流路２０内を流れ、空気排出口１２Ｄから空気排出ライン４２へ排出される。   Further, when the air supply pump 43 of the air supply line 41 is driven, air is taken from the outside of the electric vehicle 1 and supplied to the air supply port 12 </ b> C of the fuel cell 3 through the air supply line 41. The air supplied to the air supply port 12C flows through the air flow path 20 while being in contact with the other side of the cathode electrode 18 in the stacking direction, and is discharged from the air discharge port 12D to the air discharge line 42.

このとき、各単位セル１１では、燃料成分が、例えば、ヒドラジンである場合には、下記反応式（１）〜（３）で表される反応が生じ、燃料電池３の発電が行なわれる。
（１） Ｎ２Ｈ４＋４ＯＨ−→Ｎ２＋４Ｈ２Ｏ＋４ｅ− （アノード電極１７での反応）
（２） Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−→４ＯＨ− （カソード電極１８での反応）
（３） Ｎ２Ｈ４＋Ｏ２→Ｎ２＋２Ｈ２Ｏ （単位セル１１全体での反応）
これらの反応により、ヒドラジン（Ｎ２Ｈ４）が消費されるとともに、水（Ｈ２Ｏ）および窒素ガス（Ｎ２）が生成され、起電力（４ｅ−）が発生される。発生した起電力は、図示しないインバータにより三相交流電力に変換された後、モータ５２に供給され、電動車両１の車輪を駆動させる機械エネルギーに変換される。なお、機械エネルギーに変換されなかった余剰の電力は、バッテリー５３に蓄電される。 At this time, in each unit cell 11, when the fuel component is, for example, hydrazine, reactions represented by the following reaction formulas (1) to (3) occur, and power generation of the fuel cell 3 is performed.
(1) N 2 H 4 + 4OH − → N 2 + 4H 2 O + 4e − (reaction at the anode electrode 17)
(2) O 2 + 2H 2 O + 4e − → 4OH − (reaction at the cathode electrode 18)
(3) N 2 H 4 + O 2 → N 2 + 2H 2 O (reaction in the entire unit cell 11)
By these reactions, hydrazine (N 2 H 4 ) is consumed, water (H 2 O) and nitrogen gas (N 2 ) are generated, and an electromotive force (4e − ) is generated. The generated electromotive force is converted into three-phase AC power by an inverter (not shown), and then supplied to the motor 52 to be converted into mechanical energy for driving the wheels of the electric vehicle 1. The surplus power that has not been converted into mechanical energy is stored in the battery 53.

燃料排出口１２Ｂから燃料還流ライン２４に排出された液体燃料は、気液分離器２７において、ガス（上記式（１）の反応において生成する窒素ガス（Ｎ２）や、副生するアンモニア（ＮＨ３）など）と分離されて、燃料タンク２１に還流される。
３．燃料電池システムの停止
図２は、図１に示す燃料電池システムの停止動作を説明するフロー図である。 The liquid fuel discharged from the fuel discharge port 12B to the fuel return line 24 is gas (liquid nitrogen gas generated in the reaction of the above formula (1) (N 2 ) or by-product ammonia (NH) in the gas-liquid separator 27. 3 ) and the like, and returned to the fuel tank 21.
3. Stop of Fuel Cell System FIG. 2 is a flowchart illustrating a stop operation of the fuel cell system shown in FIG.

図２を参照しながら、燃料電池システム２の停止について説明する。この燃料電池システム２の停止は、ＥＣＵのメモリに記憶されている発電停止制御処理に基づいて実施（スタート）される。   The stop of the fuel cell system 2 will be described with reference to FIG. The stop of the fuel cell system 2 is performed (started) based on the power generation stop control process stored in the memory of the ECU.

電動車両１が走行しているときには、上記した発電動作により発電される。そして、電動車両１が停車すると、すなわち、速度計５０の計測に基づいて、ＥＣＵ５１が、電動車両１の速度が０ｋｍ／時であると判断したときには、ＥＣＵ５１は、燃料電池３における発電を停止すると判断する（Ｓ１：ＹＥＳ）。   When the electric vehicle 1 is traveling, power is generated by the above-described power generation operation. When the electric vehicle 1 stops, that is, when the ECU 51 determines that the speed of the electric vehicle 1 is 0 km / hour based on the measurement of the speedometer 50, the ECU 51 stops the power generation in the fuel cell 3. Judgment is made (S1: YES).

すると、ＥＣＵ５１は、送気ポンプ４３を駆動させた状態で、送液ポンプ２６を停止させ、また、これとともに、空気加湿器４６を作動させる。なお、このとき、上記の発電動作から引き続いて、空気供給弁４４および空気排出弁４５は開状態とされる（Ｓ２）。   Then, the ECU 51 stops the liquid feeding pump 26 in a state where the air feeding pump 43 is driven, and operates the air humidifier 46 at the same time. At this time, following the power generation operation, the air supply valve 44 and the air discharge valve 45 are opened (S2).

そして、これにより燃料の供給が停止され、燃料電池３が作動停止する。   As a result, the supply of fuel is stopped, and the fuel cell 3 stops operating.

一方、空気加湿器４６の作動により、空気供給ライン４１を通過する空気が加湿され、その加湿された空気が、カソード電極１８に供給される。その結果、カソード電極１８が湿潤状態とされる。   On the other hand, by the operation of the air humidifier 46, the air passing through the air supply line 41 is humidified, and the humidified air is supplied to the cathode electrode 18. As a result, the cathode electrode 18 is in a wet state.

また、これとともに、カソード電極１８が湿潤状態であるか否かが、例えば、送気ポンプ４３および空気加湿器４６の作動時間などから、ＥＣＵ５１によって判断される（Ｓ３）。   At the same time, the ECU 51 determines whether or not the cathode electrode 18 is in a wet state, for example, from the operating time of the air feed pump 43 and the air humidifier 46 (S3).

そして、カソード電極１８が湿潤状態でないと判断される場合（Ｓ３：ＮＯ）には、カソード電極１８が湿潤状態に至るまで、送気ポンプ４３および空気加湿器４６を作動させる。   When it is determined that the cathode electrode 18 is not wet (S3: NO), the air supply pump 43 and the air humidifier 46 are operated until the cathode electrode 18 reaches the wet state.

一方、カソード電極１８が湿潤状態であると判断される場合（Ｓ３：ＹＥＳ）には、ＥＣＵ５１の制御によって、空気供給弁４４および空気排出弁４５を閉状態に変位させる。また、これとともに、送気ポンプ４３および空気加湿器４６が停止される（Ｓ４）。   On the other hand, when it is determined that the cathode electrode 18 is in a wet state (S3: YES), the air supply valve 44 and the air discharge valve 45 are displaced to the closed state under the control of the ECU 51. At the same time, the air supply pump 43 and the air humidifier 46 are stopped (S4).

これにより、燃料電池システム２における発電が停止される。
４．作用効果
このような燃料電池システム２では、燃料電池３に供給された燃料が、アノード電極１７において反応することなく電解質膜１６を透過し、カソード電極１８側に漏出する場合がある（クロスリーク現象）。このような場合、漏出した燃料によって、カソード電極１８に劣化、損傷などを生じる場合がある。 Thereby, the power generation in the fuel cell system 2 is stopped.
4). In the fuel cell system 2 as described above, the fuel supplied to the fuel cell 3 may pass through the electrolyte membrane 16 without reacting at the anode electrode 17 and leak to the cathode electrode 18 side (cross-leak phenomenon). ). In such a case, the leaked fuel may cause deterioration or damage to the cathode electrode 18.

具体的には、例えば、燃料としてヒドラジンを含む液体燃料を用い、また、液体燃料中に水酸化カリウムなどのカリウム含有成分が添加される場合には、カソード電極１８側に燃料が漏出すると、その燃料とともに、カリウム含有成分がカソード電極１８側に漏出される。   Specifically, for example, when a liquid fuel containing hydrazine is used as the fuel, and a potassium-containing component such as potassium hydroxide is added to the liquid fuel, if the fuel leaks to the cathode electrode 18 side, Along with the fuel, potassium-containing components are leaked to the cathode electrode 18 side.

このような場合、燃料電池３が停止され、時間の経過に伴ってカソード電極１８が乾燥されると、その表面にカリウム塩（例えば、水酸化カリウムと二酸化炭素との反応により生成する炭酸カリウムなど）などの塩が析出し、塩によってカソード電極１８が劣化、損傷する場合がある。   In such a case, when the fuel cell 3 is stopped and the cathode electrode 18 is dried over time, a potassium salt (for example, potassium carbonate generated by a reaction between potassium hydroxide and carbon dioxide or the like) is formed on the surface thereof. ) Or the like may be deposited, and the cathode electrode 18 may be deteriorated or damaged by the salt.

一方、上記の燃料電池システム２では、燃料電池３における発電が停止される場合に、空気加湿器４６によってカソード電極１８が湿潤され、空気供給弁４４および空気排出弁４５が閉塞される。すなわち、燃料電池３の停止時には、カソード電極１８が湿潤状態で保持される。   On the other hand, in the fuel cell system 2 described above, when power generation in the fuel cell 3 is stopped, the cathode electrode 18 is wetted by the air humidifier 46 and the air supply valve 44 and the air discharge valve 45 are closed. That is, when the fuel cell 3 is stopped, the cathode electrode 18 is held in a wet state.

そのため、上記の燃料電池システム２では、カソード電極１８の乾燥を抑制することにより、塩の析出を抑制でき、その結果、カソード電極１８の劣化、損傷を抑制することができる。   Therefore, in the fuel cell system 2 described above, salt precipitation can be suppressed by suppressing drying of the cathode electrode 18, and as a result, deterioration and damage of the cathode electrode 18 can be suppressed.

なお、上記した説明では、燃料電池３による発電が停止される場合に、空気加湿器４６が作動されるが、必要により、燃料電池３の発電時に、空気加湿器４６が作動されてもよい。   In the above description, the air humidifier 46 is operated when power generation by the fuel cell 3 is stopped. However, the air humidifier 46 may be operated when the fuel cell 3 generates power if necessary.

燃料電池３の発電時に空気加湿器４６が作動されると、空気供給ライン４１を通過する空気が加湿され、その加湿された空気がカソード電極１８に供給される。そのため、カソード電極１８が湿潤状態とされ、そのカソード電極１８を介して、電解質膜５が湿潤状態とされる。これにより、電解質膜５の導電性の向上を図ることができ、燃料電池３の発電効率の向上を図ることができる。   When the air humidifier 46 is activated during power generation of the fuel cell 3, the air passing through the air supply line 41 is humidified, and the humidified air is supplied to the cathode electrode 18. Therefore, the cathode electrode 18 is in a wet state, and the electrolyte membrane 5 is in a wet state through the cathode electrode 18. Thereby, the electroconductivity of the electrolyte membrane 5 can be improved, and the power generation efficiency of the fuel cell 3 can be improved.

また、このような場合において、燃料電池３による発電の停止時に、カソード電極１８が湿潤状態である場合には、燃料電池３による発電の停止とともに、空気加湿器４６が停止され、また、空気供給弁４４および空気排出弁４５が閉状態に変位されてもよい。   In such a case, when the cathode electrode 18 is in a wet state when the power generation by the fuel cell 3 is stopped, the air humidifier 46 is stopped and the air supply is stopped along with the stop of the power generation by the fuel cell 3. The valve 44 and the air discharge valve 45 may be displaced to a closed state.

このような処理によっても、カソード電極１８の乾燥を抑制することにより、塩の析出を抑制でき、その結果、カソード電極１８の劣化、損傷を抑制することができる。   Even by such treatment, salt precipitation can be suppressed by suppressing drying of the cathode electrode 18, and as a result, deterioration and damage of the cathode electrode 18 can be suppressed.

また、上記した説明では、空気供給ライン４１を通過する空気が加湿されることによって、カソード電極１８が湿潤状態とされたが、例えば、湿潤手段としてカソード電極１８を洗浄するための洗浄装置を用いて、燃料電池３による発電の停止時に、カソード電極１８を洗浄し、湿潤状態とさせてもよい。   In the above description, the cathode electrode 18 is brought into a wet state by humidifying the air passing through the air supply line 41. For example, a cleaning device for cleaning the cathode electrode 18 is used as a wet means. Thus, when power generation by the fuel cell 3 is stopped, the cathode electrode 18 may be washed to be in a wet state.

さらには、湿潤手段として燃料給排部４を用い、上記のクロスリーク現象によりカソード電極１８側に漏出する液体燃料によって、カソード電極１８を湿潤状態とさせてもよい。   Furthermore, the fuel supply / discharge part 4 may be used as a wet means, and the cathode electrode 18 may be wetted by the liquid fuel leaking to the cathode electrode 18 side due to the cross leak phenomenon.

２ 燃料電池システム
３ 燃料電池
６ 制御部
１６ 電解質膜
１７ アノード電極
１８ カソード電極
４１ 空気供給ライン
４２ 空気排出ライン
４４ 空気供給弁
４５ 空気排出弁
４６ 空気加湿器
５１ ＥＣＵ DESCRIPTION OF SYMBOLS 2 Fuel cell system 3 Fuel cell 6 Control part 16 Electrolyte membrane 17 Anode electrode 18 Cathode electrode 41 Air supply line 42 Air exhaust line 44 Air supply valve 45 Air exhaust valve 46 Air humidifier 51 ECU

Claims (1)

電解質膜と、前記電解質膜を挟んで対向配置される燃料側電極および酸素側電極とを備える燃料電池と、
前記燃料電池に対して空気を供給する空気供給経路と、
前記燃料電池から排出される空気を外部に排出するための空気排出経路と、
前記空気供給経路に介在される空気供給弁と、
前記空気排出経路に介在される空気排出弁と、
前記燃料電池の作動停止時において、前記酸素側電極を湿潤させるための湿潤手段と、 前記燃料電池における発電を停止させるか否かを判断し、前記湿潤手段、前記空気供給弁および前記空気排出弁の動作を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、
前記燃料電池における発電を停止すると判断した場合に、前記湿潤手段によって前記酸素側電極を湿潤させ、前記空気供給弁および前記空気排出弁を閉状態に変位させる
ことを特徴とする、燃料電池システム。 A fuel cell comprising an electrolyte membrane, and a fuel-side electrode and an oxygen-side electrode arranged to face each other across the electrolyte membrane;
An air supply path for supplying air to the fuel cell;
An air discharge path for discharging the air discharged from the fuel cell to the outside;
An air supply valve interposed in the air supply path;
An air discharge valve interposed in the air discharge path;
Wetting means for wetting the oxygen-side electrode at the time of stopping the operation of the fuel cell; determining whether to stop power generation in the fuel cell; and the wetting means, the air supply valve, and the air discharge valve Control means for controlling the operation of
The control means includes
When it is determined that power generation in the fuel cell is to be stopped, the oxygen electrode is wetted by the wetting means, and the air supply valve and the air discharge valve are displaced to a closed state.
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