JP2019129062A - Device and method for controlling fuel battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、車両の動力源や家庭用電力源として利用可能な燃料電池の制御装置及び制御方法に関する。 The present invention relates to a control device and a control method for a fuel cell that can be used as a power source for a vehicle or a household power source.
従来、水素(水素ガス)と酸素(空気)との燃焼反応を利用した燃料電池で発電を実施し、その電力を用いて電動機を作動させる燃料電池自動車(FCV;Fuel Cell Vehicle)が開発されている。燃料電池は、化学反応や電解質の種類によって、固体高分子型燃料電池,溶融炭酸塩型燃料電池,固体酸化物型燃料電池といったさまざまなタイプに分類される。なかでも、固体高分子型燃料電池(PEFC;Polymer Electrolyte Fuel Cell)は、常温から100℃以下の作動温度で発電が可能であることから、車両用動力源や家庭用発電装置としての用途が期待されている。 In the past, a fuel cell vehicle (FCV; Fuel Cell Vehicle) has been developed that uses a fuel cell to generate electricity using the combustion reaction between hydrogen (hydrogen gas) and oxygen (air) and operates the motor using that power. Yes. Fuel cells are classified into various types such as polymer electrolyte fuel cells, molten carbonate fuel cells, and solid oxide fuel cells depending on the chemical reaction and the type of electrolyte. Above all, polymer electrolyte fuel cells (PEFCs) are capable of generating electricity at operating temperatures from normal temperature to 100 ° C. or less, and are expected to be used as power sources for vehicles and household power generators Has been.
固体高分子型燃料電池(燃料電池)は内部に設けられた燃料電池スタックの内部に、水素(水素ガス)が流通するアノードと、酸素(空気)が流通するカソードと、アノード及びカソードの間に設けられた膜電極接合体(MEA;Membrane Electrode Assembly)とを備え、アノード内の水素が触媒層と反応してプロトン(水素イオン)と電子とを生成し、プロトンが電解質媒体を透過し、カソード内の酸素と結合して水を生成する一方で、生成された電子が外部出力回路に送られることによって発電する。 A polymer electrolyte fuel cell (fuel cell) has an anode through which hydrogen (hydrogen gas) flows, a cathode through which oxygen (air) flows, and an anode and a cathode inside a fuel cell stack provided inside. The hydrogen in the anode reacts with the catalyst layer to generate protons (hydrogen ions) and electrons, and the protons permeate the electrolyte medium, and the cathode is provided with the membrane electrode assembly (MEA; Membrane Electrode Assembly). The generated electrons are generated by being sent to an external output circuit while generating water by combining with the oxygen in the interior.
ところで、燃料電池の発電に使用する水素は可燃性ガスであるため、燃料電池の停止状態でアノード内に水素を残留させることは好ましくない。また、燃料電池の停止時(発電停止時)に、カソード内に空気が残留するとともにアノード内に水素が残留すると、カソード内の空気に含まれる酸素とアノード内の水素とが結合して電位を生じさせる。その結果、触媒及び触媒支持体の酸化や腐食を招き、ひいては燃料電池の性能劣化を引き起こすことが知られている。 By the way, since hydrogen used for power generation of a fuel cell is a flammable gas, it is not preferable to leave hydrogen in the anode while the fuel cell is stopped. Also, when the fuel cell is stopped (when power generation is stopped), if air remains in the cathode and hydrogen remains in the anode, oxygen contained in the air in the cathode and hydrogen in the anode combine to generate a potential. Make it happen. As a result, it is known that the catalyst and the catalyst support are oxidized and corroded, and consequently the performance of the fuel cell is deteriorated.
これらの課題に対し、燃料電池の停止時に停止処理として、アノードへの水素の供給を停止したのち、アノードに空気を供給し、アノード内の水素を空気に置換す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)。このシステムでは、燃料電池のアノード内に存在する水素を空気に置換することによって、発電停止状態で、アノード内にもカソード内にも空気を残留させる。これにより、発電停止状態で燃料電池内に水素が残留することを防ぐとともに、燃料電池内の残留ガスの反応による触媒及び触媒支持体の酸化や腐食を抑制し、電池性能の劣化抑制を図っている。 In response to these problems, a fuel cell system has been proposed in which the supply of hydrogen to the anode is stopped, the air is supplied to the anode, and the hydrogen in the anode is replaced with air as a stop process when the fuel cell is stopped. (See, for example, Patent Document 1). In this system, by replacing hydrogen existing in the anode of the fuel cell with air, air is left in the anode and in the cathode in the power generation stop state. This prevents hydrogen from remaining in the fuel cell when power generation is stopped, and suppresses oxidation and corrosion of the catalyst and catalyst support due to the reaction of residual gas in the fuel cell, thereby suppressing deterioration in cell performance. Yes.
しかしながら、上記の特許文献1のシステムでは、停止処理としてアノード内の水素を空気に置換している際に、カソード内には酸素を含有する空気が存在し、アノード内には酸素を含有する空気と水素との両方が共存する状態となる。このように、カソード内に酸素を含有する空気が存在し、アノード内に酸素を含有する空気と水素との両方が共存する状態では、カソードが高電圧になり、燃料電池内の触媒及び触媒支持体が酸化劣化するという課題がある。つまり、この状態になることで、燃料電池の劣化を引き起こす。 However, in the system of Patent Document 1 described above, when hydrogen in the anode is replaced with air as stop processing, air containing oxygen is present in the cathode, and air containing oxygen is present in the anode. And hydrogen coexist. Thus, when air containing oxygen is present in the cathode and both the air containing oxygen and hydrogen coexist in the anode, the cathode is at a high voltage, and the catalyst and catalyst support in the fuel cell are present. There is a problem of oxidative degradation of the body. That is, this state causes deterioration of the fuel cell.
また、上記の特許文献1のシステムでは、燃料電池の起動時に、アノード及びカソード内に空気が残留していることから、アノード内の空気を水素に置換する必要があるが、この際にも、カソード内に酸素を含有する空気が存在し、アノード内に酸素を含有する空気と水素との両方が共存する状態となる。このため、燃料電池の起動時にも、停止時と同様に、カソードが高電圧になり、燃料電池内の触媒及び触媒支持体の酸化劣化を招き、燃料電池の劣化を引き起こすという課題がある。 Further, in the system of Patent Document 1 described above, since air remains in the anode and the cathode at the start of the fuel cell, it is necessary to replace the air in the anode with hydrogen. There is air containing oxygen in the cathode, and both the air containing oxygen and hydrogen coexist in the anode. For this reason, also at the start of the fuel cell, the cathode has a high voltage as in the stop, causing oxidation deterioration of the catalyst and the catalyst support in the fuel cell, leading to deterioration of the fuel cell.
本件の燃料電池の制御装置及び制御方法は、このような課題に鑑み案出されたもので、燃料電池の劣化を抑制することを目的の一つとする。なお、この目的に限らず、後述する「発明を実施するための形態」に示す各構成から導き出される作用効果であって、従来の技術では得られない作用効果を奏することも、本件の他の目的として位置付けることができる。 The control device and control method of the fuel cell of the present invention have been devised in view of such problems, and one object thereof is to suppress the deterioration of the fuel cell. The present invention is not limited to this object, and it is an operation and effect derived from each configuration shown in the “embodiments to be described later”, and it is also possible to exert an operation and effect that can not be obtained by the prior art. Can be positioned as a purpose.
(1)開示の燃料電池の制御装置は、アノードとカソードと前記アノード及び前記カソードの間に配置される電解質媒体とを備え、出力回路に接続されるとともに、前記アノード内を第一反応ガスが流動し前記カソード内を第二反応ガス及び非反応ガスを含有する混合ガスが流動することによって発電する燃料電池の制御装置であって、前記アノードに前記第一反応ガス又は前記混合ガスを供給するアノード側制御部と、前記カソードに前記混合ガスを供給するカソード側制御部と、を備える。 (1) A control device of a fuel cell disclosed includes an anode, a cathode, and an electrolyte medium disposed between the anode and the cathode, and is connected to an output circuit, and the first reaction gas in the anode is A control device for a fuel cell that generates power by flowing and flowing a mixed gas containing a second reactive gas and a non-reactive gas in the cathode, and supplying the first reactive gas or the mixed gas to the anode An anode-side control unit; and a cathode-side control unit that supplies the mixed gas to the cathode.
前記カソード側制御部は、前記燃料電池と前記出力回路との接続を遮断して前記燃料電池を停止させる停止制御時において、前記混合ガスの供給を停止し、前記アノード側制御部は、前記カソード側制御部による前記混合ガスの供給停止後に前記カソードに前記非反応ガスが充満したら、前記第一反応ガスに代えて前記混合ガスを、発電時に前記アノードに供給される前記第一反応ガスの速度よりも低速である所定供給速度で前記アノードに供給する。 The cathode-side control unit stops the supply of the mixed gas at the time of stop control for stopping the fuel cell by cutting off the connection between the fuel cell and the output circuit, and the anode-side control unit When the cathode is filled with the non-reactive gas after the supply of the mixed gas by the side controller is stopped, the mixed gas is used instead of the first reactive gas, and the speed of the first reactive gas supplied to the anode during power generation The anode is fed at a predetermined feed rate which is lower than that of the anode.
(2)前記制御装置は、前記燃料電池の温度を取得する取得部と、前記燃料電池への冷却媒体の供給を制御する冷却制御部と、を備えることが好ましい。また、前記冷却制御部は、前記停止制御時に、少なくとも前記温度が所定温度以下になるまで前記冷却媒体を供給することが好ましい。 (2) The control device preferably includes an acquisition unit that acquires the temperature of the fuel cell, and a cooling control unit that controls supply of a cooling medium to the fuel cell. Further, it is preferable that the cooling control unit supplies the cooling medium at least until the temperature becomes equal to or lower than a predetermined temperature during the stop control.
(3)前記カソード側制御部は、前記温度が前記所定温度以下になったら前記混合ガスの供給を停止することが好ましい。
(4)或いは、前記冷却制御部は、前記アノード側制御部による混合ガスの供給停止後に前記温度が所定温度以下になるまで前記冷却媒体を供給することが好ましい。
(3) It is preferable that the cathode side control unit stops the supply of the mixed gas when the temperature becomes equal to or less than the predetermined temperature.
(4) Alternatively, it is preferable that the cooling control unit supply the cooling medium until the temperature becomes equal to or lower than a predetermined temperature after the supply control of the mixed gas by the anode control unit is stopped.
(5)前記制御装置は、前記燃料電池を起動させる起動制御時において、前記アノード側制御部は、前記アノードに前記第一反応ガスを供給して前記アノード内の前記非反応ガスを前記第一反応ガスに置換し、前記カソード側制御部は、前記アノードに前記第一反応ガスが充満したら前記カソードに前記混合ガスを供給することが好ましい。 (5) In the start-up control for starting up the fuel cell, the control device supplies the first reactive gas to the anode and supplies the non-reactive gas in the anode to the first. Preferably, the cathode side control unit supplies the mixed gas to the cathode when the anode is filled with the first reaction gas.
(6)前記制御装置は、前記燃料電池には、前記燃料電池の電圧を検出する電圧センサが設けられ、前記アノード側制御部は、前記停止制御時において、前記カソード制御部による前記混合ガスの供給停止後の前記電圧が所定値未満になったら前記カソードに前記非反応ガスが充満したと判断することが好ましい。 (6) In the control device, the fuel cell is provided with a voltage sensor that detects a voltage of the fuel cell, and the anode-side control unit is configured to control the mixed gas by the cathode control unit during the stop control. It is preferable to determine that the non-reactive gas is filled in the cathode when the voltage after supply stoppage is less than a predetermined value.
(7)開示の燃料電池の制御方法は、アノードとカソードと前記アノード及び前記カソードの間に配置される電解質媒体とを備え、出力回路に接続されるとともに、前記アノード内を第一反応ガスが流動し前記カソード内を第二反応ガス及び非反応ガスを含有する混合ガスが流動することによって発電する燃料電池の制御方法であって、前記燃料電池と前記出力回路との接続を遮断して前記燃料電池を停止させる停止制御時に、前記カソードへの前記混合ガスの供給を停止する第1ステップと、前記第1ステップ後、前記カソードに前記非反応ガスが充満したら、前記アノードへの前記第一反応ガスの供給を停止する第2ステップと、前記第2ステップ後、前記第一反応ガスに代えて前記混合ガスを、発電時に前記アノードに供給される前記第一反応ガスの速度よりも低速である所定供給速度で前記アノードに供給する第3ステップと、を備える。 (7) A control method of a fuel cell according to the disclosure includes an anode, a cathode, and an electrolyte medium disposed between the anode and the cathode, and is connected to an output circuit, and the first reaction gas in the anode is A fuel cell control method for generating power by flowing and flowing a mixed gas containing a second reactive gas and a non-reactive gas in the cathode, wherein the connection between the fuel cell and the output circuit is cut off, and A first step of stopping the supply of the mixed gas to the cathode during stop control for stopping the fuel cell; and after the first step, when the cathode is filled with the non-reactive gas, the first to the anode The second step of stopping the supply of the reaction gas, and after the second step, the mixed gas is supplied to the anode at the time of power generation instead of the first reaction gas. And a third step of supplying to said anode at a predetermined feed speed is slower than the speed of the first reaction gas.
(8)前記制御方法は、前記停止制御時に少なくとも前記燃料電池の温度が所定温度以下になるまで前記燃料電池へ冷却水を供給する冷却ステップを備えることが好ましい。 (8) The control method preferably includes a cooling step of supplying cooling water to the fuel cell at least until the temperature of the fuel cell falls below a predetermined temperature at the time of the stop control.
(9)前記第1ステップでは、前記冷却ステップの実施により、前記燃料電池の温度が前記所定温度以下になったら前記供給を停止することが好ましい。
(10)或いは、前記第3ステップ後、前記冷却ステップを実施することが好ましい。
(9) In the first step, preferably, the supply is stopped when the temperature of the fuel cell becomes equal to or lower than the predetermined temperature by performing the cooling step.
(10) Alternatively, the cooling step is preferably performed after the third step.
(11)前記制御方法は、前記停止制御が実施された前記燃料電池を起動させる起動制御時に、前記アノードに前記第一反応ガスを供給し、前記アノード内の前記非反応ガスを前記第一反応ガスに置換した後、前記カソードに前記混合ガスを供給することが好ましい。 (11) In the control method, the first reactive gas is supplied to the anode during start control for starting the fuel cell in which the stop control is performed, and the non-reactive gas in the anode is converted into the first reaction. It is preferable to supply the mixed gas to the cathode after gas substitution.
開示の燃料電池の制御装置及び制御方法によれば、燃料電池の停止制御として、カソード内の酸素を含有する空気を窒素(酸素が消費された空気)に置換した後に、所定供給速度でアノードに空気を供給することによって、アノードを窒素(酸素が消費された空気)に置換する。これにより、燃料電池の停止制御中に、カソードに酸素を含有する空気が存在するとともにアノード内に酸素を含有する空気と水素との両方が共存する状態にはならず、燃料電池の高電圧化を抑制することができる。延いては、燃料電池を構成する要素の劣化を抑制することが可能となる。 According to the disclosed fuel cell control device and control method, as fuel cell stop control, air containing oxygen in the cathode is replaced with nitrogen (air in which oxygen has been consumed), and then supplied to the anode at a predetermined supply rate. By supplying air, the anode is replaced with nitrogen (air in which oxygen has been consumed). As a result, during stop control of the fuel cell, oxygen-containing air is present in the cathode and both oxygen-containing air and hydrogen do not co-exist in the anode. Can be suppressed. As a result, it is possible to suppress the deterioration of the elements constituting the fuel cell.
また、開示の燃料電池の制御装置及び制御方法によれば、燃料電池が完全に停止した際に、アノード及びカソードには窒素(酸素が消費された空気)が残留した状態となる。これにより、燃料電池内での電位の発生を防止できるうえに、アノード及びカソードには酸素が残留しないため、燃料電池の要素が酸化劣化されない。したがって、燃料電池の要素の劣化を抑制することが可能となる。 Further, according to the disclosed fuel cell control device and control method, when the fuel cell is completely stopped, nitrogen (air in which oxygen is consumed) remains in the anode and the cathode. This can prevent the generation of a potential in the fuel cell, and oxygen does not remain in the anode and the cathode, so the elements of the fuel cell are not oxidized and degraded. Therefore, it is possible to suppress the deterioration of the elements of the fuel cell.
以下、図面を参照して実施形態としての燃料電池の制御装置及び制御方法について説明する。本実施形態の制御装置で制御される燃料電池は、例えば電気自動車やハイブリッド自動車,家庭用電気製品などに適用される発電システムである。燃料電池の種類は、固体高分子型燃料電池(PEFC)である。ただし、本件の燃料電池は、固体酸化物型燃料電池(SOFC;Solid Oxide Fuel Cell)や溶融炭酸塩型燃料電池(MCFC;Molten Carbonate Fuel Cell),リン酸型燃料電池(PAFC;Phosphoric Acid Fuel Cell),アルカリ電解質型燃料電池(AFC;Alkaline Fuel Cell)などを用いて構成することも可能である。 Hereinafter, a control device and a control method of a fuel cell as an embodiment will be described with reference to the drawings. The fuel cell controlled by the control device of the present embodiment is a power generation system applied to, for example, an electric vehicle, a hybrid vehicle, and a household electric product. The type of fuel cell is a polymer electrolyte fuel cell (PEFC). However, the fuel cell in this case is a solid oxide fuel cell (SOFC), a molten carbonate fuel cell (MCFC), a phosphoric acid fuel cell (PAFC). ), An alkaline electrolyte fuel cell (AFC) can be used.
以下に示す実施形態はあくまでも例示に過ぎず、以下の実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。本実施形態の各構成は、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。また、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせることができる。 The embodiments shown below are merely illustrative, and there is no intention to exclude the application of various modifications and techniques that are not specified in the following embodiments. Each structure of this embodiment can be variously modified and implemented in the range which does not deviate from those meaning. Also, they can be selected as needed or can be combined as appropriate.
[1.装置構成]
[1−1.全体構成]
図1は、本実施形態に係る制御装置2を燃料電池1の構成と併せて示す概略図である。図1に示すように、燃料電池1は、発電要素である燃料電池スタック10にガスを供給するための水素供給装置7,空気供給装置8,流路31〜35及び弁42〜44と、燃料電池スタック10から流出したガスを外部へ排出するための流路36,37及び弁45,46とを備える。本実施形態の燃料電池1には、流出したガスのうち、燃料である水素ガスを回収して循環させるための水素貯留部11,流路38,39及び弁47〜49が設けられる。
[1. Device configuration]
[1-1. overall structure]
FIG. 1 is a schematic view showing a
また、燃料電池1には、燃料電池スタック10で発電された電力を取り出すための出力端子3A及び出力スイッチ3Bと、出力端子3A及び出力スイッチ3Bに対し並列に配置された放電端子4A及び放電スイッチ4Bとを備える。更に、燃料電池1は、燃料電池スタック10を冷却するための冷却装置9及び流路40を備える。また、燃料電池スタック10の温度を検出する温度センサ15と、燃料電池スタック10の各セルの電圧(以下、セル電圧という)を検出する電圧センサ16とを備える。燃料電池1に設けられた各装置7〜9,11の作動状態と各弁42〜49の開閉状態と各スイッチ3B,4Bの断接状態とは、制御装置2で制御される。また、各センサ15,16で検出された情報は、制御装置2に伝達される。
Further, in the fuel cell 1, an output terminal 3A and an
図2に示すように、燃料電池スタック10は、水素ガス(第一反応ガス,以下、単に「水素」という)が流通するアノード12と、おもに酸素(第二反応ガス)及び窒素(非反応ガス)を含有する空気(混合ガス)が流通するカソード13と、アノード12及びカソード13の間に配置される電解質媒体とを備える。アノード12内の水素が触媒層と反応してプロトン(水素イオン)と電子とを生成し、プロトンが電解質媒体を透過し、カソード13内の酸素と結合し水を生成する一方で、生成された電子が出力回路3に送られることによって発電する。
As shown in FIG. 2, the
図1に示すように、出力端子3Aは燃料電池1の外部にある出力回路3に接続される端子であり、燃料電池1で発電した電力を出力回路3に送電する。出力スイッチ3Bは燃料電池1と出力回路3とを断接する開閉器であり、出力端子3Aと直列配置される。また、放電端子4Aは燃料電池1の外部において燃料電池1に対し出力回路3と並列に配置された放電回路4に接続される端子であり、燃料電池1が出力回路3に接続されていない状態で燃料電池1に接続されると、燃料電池1に溜まった電力を放電回路4に送電する。放電スイッチ4Bは燃料電池1と放電回路4とを断接する開閉器であり、放電端子4Bと直列配置される。
As shown in FIG. 1, the output terminal 3 A is a terminal connected to the
水素供給装置7は、燃料電池スタック10に水素を供給するための装置であり、例えば水素を圧縮して貯蔵するタンクや、タンクに貯蔵された水素を送り出すポンプ(いずれも図示略)を備える。空気供給装置8は、燃料電池スタック10に空気を供給するための装置であり、燃料電池1の外部から空気を取り込んで送風する周知のブロアなどによって構成される。水素供給装置7及び空気供給装置8の各作動状態は、後述するアノード側制御部2C又は後述するカソード側制御部2Dによって制御される。
The hydrogen supply device 7 is a device for supplying hydrogen to the
水素供給装置7及び空気供給装置8のそれぞれには、水素供給装置7,空気供給装置8から送り出された水素,空気を流通させる水素供給路31,空気供給路32が接続される。水素供給路31と燃料電池スタック10のアノード12との間には、これらを連通するアノード側供給路33が接続される。アノード側供給路33には、アノード12へのガスの供給を継続又は停止させるための弁42が介装される。弁42の開閉状態は、アノード側制御部2Cによって制御される。
Connected to each of the hydrogen supply device 7 and the air supply device 8 are a
空気供給路32と燃料電池スタック10のカソード13との間には、これらを連通するカソード側供給路34が接続される。カソード側供給路34には、カソード13へのガスの供給を継続又は停止させるための弁43が介装される。弁43の開閉状態は、カソード側制御部2Dによって制御される。
Between the
本実施形態の燃料電池1には、空気供給路32に送り出された空気を、アノード側供給路33を介してアノード12に供給するための連通路35が設けられる。連通路35の上流端は空気供給路32に接続され、下流端は水素供給路31に接続される。連通路35には、ガスの流通方向を一方通行とする弁44が介装されており、空気供給路32から供給された空気のみが流通する。すなわち、弁44は逆止弁である。なお、弁44の閉鎖状態では、空気の流通が遮断される。弁44の開閉状態(連通路35内のガス流通状態)は、アノード側制御部2C又はカソード側制御部2Dによって制御される。
The fuel cell 1 of the present embodiment is provided with a
詳述すれば、連通路35の弁44の閉弁時には、水素供給装置7から送り出された水素が水素供給路31及びアノード側供給路33を経由して、燃料電池スタック10のアノード12に供給される。また、弁44の閉弁時に空気供給装置8から送り出された空気は、空気供給路32及びカソード側供給路34を経由して、燃料電池スタック10のカソード13に供給される。対して、連通路35の弁44の開弁時には、空気供給装置8から送り出された空気の一部が空気供給路32,連結路35及びアノード側供給路33を経由して、燃料電池スタック10のアノード12に供給される。
More specifically, when the
燃料電池スタック10のアノード12及びカソード13のそれぞれに接続されたアノード側排出路36及びカソード側排出路37は、燃料電池スタック10のアノード12,カソード13から送り出されたガスを燃料電池1の外部に排出する流路である。アノード側排出路36及びカソード側排出路37のそれぞれには、アノード12,カソード13から送り出されたガスを燃料電池1の外部に排出させるか否かを切り替えるための弁45,46が介装される。各弁45,46の開閉状態(外部へのガス排出状態)は、アノード側制御部2C,カソード側制御部2Dによって制御される。
The anode
アノード側排出路36の弁45よりも上流側には、燃料電池スタック10のアノード12を流動した水素を再循環させるための水素再循環路38の一端(上流端)が接続される。水素再循環路38の他端(下流端)は、水素供給路31に接続される。水素再循環路38の下流部(下流端の直上流部)には、アノード側排出路36から水素再循環路38に流入した水素が水素供給路31へ流入することを遮断するための弁47が介装される。更に、水素再循環路38の上流部(上流端の直下流部)には、水素再循環路38からアノード側排出路36への水素の流出を遮断する弁49が介装される。各弁47,49の開閉状態は、アノード側制御部2Cによって制御される。
One end (upstream end) of a
水素再循環路38における、弁49の下流側かつ弁47の上流側の部分には、貯留部連結路39の一端が接続される。貯留部連結路39の他端は水素貯留部11に接続される。水素貯留部11は、燃料電池1と出力回路3との接続を遮断して燃料電池1を停止させる場合(燃料電池スタック10の発電を停止させる場合)に、アノード12から送り出された水素を一時的に貯留するとともに、燃料電池スタック10の起動時に貯留した水素を放出する機能を持つ。貯留部連結路39には、この流路39内のガスの流通を継続又は停止させる弁48が介装される。貯留部連結路39のガス放出状態及び弁48の開閉状態は、アノード側制御部2Cによって制御される。また、水素貯留部11内のガス(水素)の容量は、アノード側制御部2C又はカソード制御部2Dによって検知される。
One end of the
冷却装置9は、燃料電池スタック10に接続された冷却水循環路40に、燃料電池スタック10を冷却するための冷却媒体(以下、冷却水という)を循環(流通)させるための装置であり、例えば、冷却水を貯留するタンクと、冷却水を循環させるポンプと、冷却水を放熱するラジエータ(いずれも図示略)とを備える。燃料電池スタック10には、冷却水循環路40と連通する後述の冷却水流路14(図2参照)が設けられる。冷却装置9から供給された冷却水は、冷却水循環路40及び燃料電池スタック10の冷却水流路14を経由して冷却装置9に戻ることで、燃料電池スタック10を冷却する。冷却装置9の作動状態は、後述する冷却制御部2Bによって制御される。
The
[1−2.燃料電池スタックの構成]
図2は、燃料電池スタック10の概略を示す断面図である。
燃料電池スタック10は、図2に示すように、アノードセパレータ21と、カソードセパレータ22と、膜電極接合体24が介装されたガスケット23と、集電板25とを備える。本実施形態の燃料電池スタック10は、複数のアノードセパレータ21と、複数のカソードセパレータ22と、膜電極接合体24が介装された複数のガスケット23とを板厚方向に重ね合わせたスタックアッセンブリ構造を有する。図2には、板厚方向の両端部のそれぞれに配置された集電板25の間にアノードセパレータ21,ガスケット23,カソードセパレータ22がこの順に積層状態で配置された燃料電池スタック10を例示する。
[1-2. Configuration of fuel cell stack]
FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing the
As shown in FIG. 2, the
ここで、1枚のアノードセパレータ21と1枚のカソードセパレータ22との間に、膜電極接合体24が介装された1枚のガスケット23を配置することによって構成されたものを「セル」と呼ぶ。すなわち、燃料電池スタック10は、板厚方向の両端部のそれぞれに配置された一対の集電板25の間に、複数のセルを積層することによって構成されたものであるとも言える。
Here, a “cell” is configured by disposing a
燃料電池スタック10の両端に配置された集電板25は、銅やステンレスで形成された導電部品である。集電板25には、例えば燃料電池スタック10の発電電力を取り出すための端子が設けられ、出力端子3A,出力スイッチ3B,放電端子4A,放電スイッチ4Bが設けられる回路と接続される。
The
ガスケット23は、ゴムや合成樹脂などで形成された薄板状の弾性部材であり、水素や空気,冷却水などの漏洩を防止する封止機能を担う。
膜電極接合体24は、図示しない電解質媒体と、図示しないアノード電極と、図示しないカソード電極とによって構成される。アノード電極及びカソード電極は、例えば、カーボンペーパーなどからなる拡散層(GDL;Gas Diffusion Layer)と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が拡散層の表面に一様に塗布されて形勢される触媒層とによって構成される。電解質媒体は、例えばプロトン交換膜やアニオン交換膜などの固体高分子膜である。膜電極接合体24は電解質媒体の片面にアノード電極を配置し、反対側の面にカソード電極を配置した構造を持つ。
The
The
アノードセパレータ21及びカソードセパレータ22はいずれも、導電性のセパレータである。アノードセパレータ21及びカソードセパレータ22の膜電極接合体24に接触する各面には溝が形成されており、これらの溝がアノード12及びカソード13を形成する。また、アノードセパレータ21及びカソードセパレータ22の膜電極接合体24に接触しない側の各面にも溝が形成されており、これらの溝が冷却水通路14を形成する。なお、隣り合うアノードセパレータ21とカソードセパレータ22とに設けられた冷却水通路14を形成する各溝は互いに対向するように形成される。これにより、流路を重ねることができるため、冷却水の流路面積を倍増させることが可能である。
The
アノード12は、アノードセパレータ21に設けられた溝と、アノードセパレータ21,カソードセパレータ22,ガスケット23及び集電板25のそれぞれに穿設された孔とが連通することによって形成される。このように構成されたアノード12(流路)には、アノード側供給路33から供給されたガスが流通する。
The
同様に、カソード13は、カソードセパレータ22に設けられた溝と、アノードセパレータ21,カソードセパレータ22,ガスケット23及び集電板25のそれぞれに穿設された孔とが連通することによって形成される。このように構成されたカソード13(流路)には、カソード側供給路34から供給されたガスが流通する。
Similarly, the
冷却水通路14は、アノードセパレータ21及びカソードセパレータ22のそれぞれに設けられた溝と、アノードセパレータ21,カソードセパレータ22,ガスケット23及び集電板25のそれぞれに穿設された孔とが連通することによって形成される。このように構成された冷却水通路14には、冷却装置9から供給された冷却水が流通する。
なお、アノード12,カソード13及び冷却水通路14はいずれも独立した流路であり、燃料電池スタック10内で互いに交わることはない。
The cooling
The
[2.制御構成]
本実施形態の制御装置2は、燃料電池1と出力回路3との接続を遮断して燃料電池1を停止させる場合に、燃料電池1の劣化抑制を図るための制御を実施する。このとき実施される制御を「停止制御」と呼ぶ。停止制御は、例えば、本実施形態の燃料電池1を搭載した車両の図示しないイグニッションスイッチがIG−OFFとされた信号(停止信号)を制御装置2が受信した場合(家庭用電気製品などにおいては、主電源がOFFとされた信号を制御装置2が受信した場合)などに実施される。
[2. Control configuration]
The
また、本実施形態の制御装置2は、停止制御を実施したのち燃料電池1を起動させる場合にも、燃料電池1の劣化抑制を図るための制御を実施する。このとき実施される制御を「起動制御」と呼ぶ。起動制御は、例えば、本実施形態の燃料電池1を搭載した車両の図示しないイグニッションスイッチがIG−ONとされた信号(起動信号)を制御装置2が受信した場合(家庭用電気製品などにおいては、主電源がONとされた信号を制御装置2が受信した場合)などに実施される。
Further, even when the fuel cell 1 is started after the stop control is performed, the
図1に示すように、制御装置2には、上記の停止制御及び起動制御を実施するための要素として、取得部2A,冷却制御部2B,アノード側制御部2C及びカソード側制御部2Dが設けられる。これらの各要素は電子回路(ハードウェア)によって実現してもよく、ソフトウェアとしてプログラミングされたものとしても良いし、あるいはこれらの機能のうちの一部をハードウェアとして設け、他部をソフトウェアとしたものであっても良い。
As shown in FIG. 1, the
[2−1.取得部]
取得部2Aは、燃料電池スタック10の温度を燃料電池1の温度として取得するものである。燃料電池スタック10の温度(以下、電池温度という)は、例えば燃料電池スタック10に設けられた温度センサ15で検出される。取得部2Aは、温度センサ15から伝達された電池温度を取得し、冷却制御部2Bに伝達する。また、本実施形態の取得部2Aは、燃料電池1と出力回路3との接続を遮断して燃料電池1を停止させる場合(すなわち、停止制御時)に電池温度を取得し、その電池温度が所定温度以下になったか否かを判断する。電池温度が所定温度以下になったと判断した場合には、その判定結果をカソード側制御部2Dに伝達する。
[2-1. Acquisition Department]
The acquiring
燃料電池スタック10の温度が低下すると、燃料電池スタック10内で化学反応して生成された水が凝縮し、凝縮水が燃料電池スタック10内に残留する。燃料電池スタック10内に凝縮水が残留することで、発電停止時に燃料電池スタック10を構成する各要素(触媒や触媒支持体など)の劣化を抑制しうる。このため、上記の「所定温度」は、燃料電池スタック10を構成する要素の劣化を極力抑制し得る温度に設定されることが好ましい。例えば、この所定温度は、燃料電池1を構成する触媒の材質や特性などによって予め設定される。
When the temperature of the
[2−2.冷却制御部]
冷却制御部2Bは、燃料電池スタック10への冷却水の供給を制御するものである。冷却制御部2Bは、冷却装置9の作動状態を制御することによって冷却水を燃料電池スタック10へ供給する。
[2-2. Cooling control unit]
The cooling
本実施形態の冷却制御部2Bは、燃料電池1を発電させる場合には、冷却装置9から送り出される冷却水の流量を制御することによって、燃料電池スタック10を適切な温度に保つ。詳述すれば、冷却制御部2Bは、燃料電池1が発電している最中に、取得部2Aから伝達された電池温度に基づいて冷却装置9を制御する。例えば、燃料電池スタック10の温度が高すぎる場合には、冷却装置9から送り出される冷却水の流量を増加させるように冷却装置9を制御する。また、燃料電池スタック10の温度が低すぎる場合には、冷却水の流量を減らすように冷却装置9を制御する。
When the fuel cell 1 is caused to generate power, the cooling
また、本実施形態の冷却制御部2Bは、燃料電池1の発電を停止させる場合(すなわち停止制御時)には、少なくとも電池温度が前述の所定温度以下になるまで冷却水を供給する。なお、冷却制御部2Bは、電池温度が所定温度以下になったら冷却水の供給を停止させても良いし、冷却水の供給を継続しつつその流量を絞っても良い。
Further, when the power generation of the fuel cell 1 is stopped (that is, at the time of stop control), the cooling
[2−3.アノード側制御部]
アノード側制御部2Cは、アノード12に水素(第一反応ガス)又は空気(混合ガス)を供給するものであり、水素供給装置7及び空気供給装置8の各作動状態と、弁42,44,45,47〜49の各開閉状態とを制御する。
[2-3. Anode control unit]
The anode
詳述すれば、アノード側制御部2Cは、燃料電池1を発電させる場合には、水素供給装置7を作動させる。更に、アノード側供給路33の弁42と水素再循環路38の弁47及び弁49とを開弁し、連通路35の弁44とアノード側排出路36の弁45と貯留部連結路39の弁48とを閉弁する。これにより、アノード12内を水素が流動する。なお、アノード側制御部2Cは、必要に応じてアノード側排出路36の弁45を開弁し、アノード12から排出された水素に含まれる不純物を燃料電池1の外部に排出する。
Specifically, the anode-
アノード側制御部2Cは、燃料電池1を停止させる場合(停止制御時)には、カソード13への空気の供給が停止した後で、カソード13に窒素が充満したら、水素に代えて空気をアノード12に供給する。本実施形態のアノード側制御部2Cは、電圧センサ16からセル電圧を取得して、そのセル電圧が所定値未満であるか否かによって、カソード13に窒素が充満したか否かを判定する。セル電圧が所定値以上であれば、アノード12への水素の供給を継続する。一方、セル電圧が所定値未満になったら、カソード13に窒素が充満したと判断して、アノード12への水素の供給を停止するとともに、水素に代えて空気をアノード12に供給する。
When stopping the fuel cell 1 (during stop control), the anode-
本実施形態の停止制御では、上述の通り、アノード12への水素の供給が停止されるよりも前に、カソード13への空気の供給が停止される。このように、カソード13への空気の供給が停止し、アノード12への水素の供給が継続している状態では、カソード13内の空気に含まれる酸素がアノード12内の水素と反応し徐々に消費されていくため、セル電圧はカソード13内の酸素が減少するにつれて低下する。すなわち、セル電圧とカソード13内において酸素が占める割合とは比例関係にあるため、カソード13内の窒素の割合(充満したか否か)をセル電圧に基づいて判断できる。
In the stop control of the present embodiment, as described above, the supply of air to the
セル電圧が所定値未満になった後のアノード側制御部2Cが実施する制御内容について詳述する。
アノード側制御部2Cは、セル電圧が所定値未満になったら水素供給装置7を停止させるとともに、後述するカソード側制御部2Dによって停止させられた空気供給装置8を起動させる。また、アノード側制御部2Cは、連通路35の弁44と貯留部連結路39の弁48とを開弁し、水素再循環路38の弁47を閉弁する。そして、アノード側制御部2Cは、水素に代えて空気をアノード12に供給する際に、その供給速度が所定供給速度となるように空気供給装置8を制御する。ここでいう所定供給速度は、発電時にアノード12へ供給される水素の速度(水素供給速度)よりも低くされる。すなわち、アノード12へのガス供給速度は、発電中の水素供給速度よりも、停止制御時の空気の供給速度(所定供給速度)の方が低速とされる。
The control content implemented by the anode-
The anode
本実施形態の所定供給速度は、空気供給装置8からアノード12に空気が供給されている間に、アノード12内の空気中に含まれる酸素がアノード12内に存在する水素と反応して消失し得る速度とされる。この所定供給速度は、燃料電池1を構成する触媒の材質や特性,アノード12の構造などによって予め設定される。なお、所定供給速度は、燃料電池スタック10の温度などによって変化する可変値として設けても良い。
The predetermined supply rate of the present embodiment disappears when oxygen contained in the air in the
また、アノード側制御部2Cは、水素に代えて空気をアノード12に供給している際に水素貯留部11に蓄えられたガス(水素)の量を取得する。本実施形態のアノード側制御部2Cは、水素貯留部11に蓄えられたガスの量がアノード12の容量と等しくなったことを検知すると、アノード12に窒素が充満したと判断して、アノード12への空気の供給を停止する。具体的には、空気供給装置8を停止させるとともに、アノード側供給路33の弁42と連通路35の弁44と貯留部連結路39の弁48と水素再循環路38の弁49とを閉弁する。このようにして、アノード12及びカソード13には窒素が充満する。
The anode-
停止制御が実施された燃料電池1を起動させる場合(すなわち起動制御時)には、アノード側制御部2Cは、アノード12に水素を供給して、アノード12内の窒素を水素に置換する必要がある。本実施形態のアノード側制御部2Cは、水素貯留部11に蓄えられたガスを全て水素貯留部11の外部に送り出したあとで、水素供給装置7からアノード12へ水素を供給する。
When the fuel cell 1 that has been subjected to stop control is started (that is, during start-up control), the anode-
具体的には、アノード側制御部2Cは、アノード側供給路33の弁42とアノード側排出路36の弁45と水素再循環路38の弁47と貯留部連結路39の弁48とを開弁するとともに、水素再循環路38の弁49を閉鎖状態としつつ水素貯留部11に貯蔵されたガス(水素)を排出するよう水素貯留部11を制御する。その後、アノード側制御部2Cは、水素貯留部11内のガスの残量を検知し、水素貯留部11内のガスが全て排出されたことを検知したら、アノード側供給路33の弁42及び水素再循環路38の弁47を開放状態としつつ、アノード側排出路36の弁45と貯留部連結路39の弁48とを閉弁し、水素再循環路38の弁49を開弁して、水素供給装置7を起動させる。
Specifically, the anode
[2−4.カソード側制御部]
カソード側制御部2Dは、カソード13に空気(混合ガス)を供給するものであり、空気供給装置8の作動状態と、弁43,46の各開閉状態とを制御する。
[2-4. Cathode side control unit]
The cathode-
詳述すれば、カソード側制御部2Dは、燃料電池1を発電させる場合には、空気供給装置8を作動させるとともに、カソード側供給路34の弁43とカソード側排出路37の弁46とを開弁する。これにより、カソード13内を空気が流動する。
More specifically, when the fuel cell 1 is to generate power, the cathode
カソード側制御部2Dは、燃料電池1を停止させる場合(停止制御時)には、カソード13への空気の供給を停止する。本実施形態のカソード側制御部2Dは、温度センサ15から電池温度を取得して、その電池温度が上記の所定温度以下であるか否かを判定する。電池温度が所定温度以上であれば、カソード13への空気の供給を継続する。一方、電池温度が所定温度以下になったら、カソード13への空気の供給を停止する。
The cathode-
具体的には、カソード側制御部2Dは、取得部2Aから電池温度が所定温度以下であるという判定結果が伝達された場合に空気供給装置8を停止させ、カソード側供給路34の弁43とカソード側排出路37の弁46とを閉弁する。なお、カソード13への空気の供給が停止された時点では、アノード12への水素の供給は継続しており、これにより、セル電圧が低下し始める。すなわち、カソード13への空気の供給が停止されるタイミングは、アノード側制御部2Cにより水素の供給が停止されるタイミングよりも前である。
Specifically, the cathode-
カソード側制御部2Dは、停止制御が実施された燃料電池1を起動させる場合(起動制御時)には、アノード12に水素が充満したらカソード13に空気を供給する。
具体的には、カソード側制御部2Dは、水素貯留部11内のガスの残量を検知し、水素貯留部11内のガスが全て排出されたことを検知したら、アノード12に水素が充満したものと判断し、カソード側供給路34の弁43とカソード側排出路37の弁46とを開弁して、空気供給装置8を起動させることで、カソード13に空気を供給する。
When starting the fuel cell 1 that has been subjected to stop control (during start-up control), the cathode-
Specifically, when the cathode
[3.燃料電池の作動]
[3−1.燃料電池の発電方法]
上述した燃料電池1を発電させる場合には、アノード側制御部2Cは、水素供給装置7を作動させるとともに、アノード側供給路33の弁42と水素再循環路38の弁47及び弁49とを開弁し、連通路35の弁44とアノード側排出路36の弁45と貯留部連結路39の弁48とを閉弁する。また、カソード側制御部2Dは、空気供給装置8を作動させるとともに、カソード側供給路34の弁43とカソード側排出路37の弁46とを開弁する。更に、制御装置2は、出力スイッチ3Aを接続状態とすることにより、燃料電池1と出力回路3とを接続する。
[3. Operation of fuel cell]
[3-1. Fuel Cell Power Generation Method]
When the fuel cell 1 described above is to generate power, the anode
これにより、燃料電池1は、出力回路3に接続された状態で、アノード12内を水素が流動するとともにカソード13内を空気が流動することによって発電する。
アノード12を流動する水素は膜電極接合体24のアノード電極を構成する触媒層と反応してプロトン(水素イオン)と電子とを生成する。生成されたプロトンは膜電極接合体24の電解質媒体を透過し、カソード13を流動する酸素と結合し水を生成する。一方で、生成された電子が出力回路3に送られる。このようにして燃料電池1は発電する。
また、燃料電池1の発電時には、冷却制御部2Bは、取得部2Aから伝達された電池温度に応じて、冷却装置9から送り出される冷却水の流量を制御する。
Thus, the fuel cell 1 generates electric power by flowing hydrogen through the
The hydrogen flowing in the
Further, at the time of power generation of the fuel cell 1, the cooling
[3−2.燃料電池の停止方法]
本実施形態に係る燃料電池1の制御方法のうち、停止方法について図3を参照して説明する。図3は、燃料電池1の停止制御時における、図2に示される燃料電池スタック10のアノード12及びカソード13内に存在する気体の組成を示すチャートである。また、図3中の白抜き矢印は水素が供給されている状態を示し、図3中の黒塗り矢印は空気が供給されている状態を示す。
[3-2. How to stop the fuel cell]
Among the control methods of the fuel cell 1 according to the present embodiment, a stop method will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a chart showing the composition of the gas present in the
制御装置2が停止信号を受信すると、制御装置2は出力スイッチ3Bを切断するとともに、放電スイッチ4Bを接続状態とすることで、出力回路3と燃料電池1との接続を遮断し、放電回路4と燃料電池1とを接続する。
この状態において、燃料電池スタック10への水素,空気,冷却水の供給は継続されている。すなわち、図3中の(3−I)に示すように、アノード12には水素が供給され、カソード13には空気が供給され、冷却水通路14には冷却水が供給され続けている。
When the
In this state, the supply of hydrogen, air and cooling water to the
また、この状態では、取得部2Aが燃料電池スタック10の温度(電池温度)を取得する。冷却制御部2Bは、電池温度が所定温度以下になったことを取得部2Aが取得するまで、冷却水の供給を継続する(冷却ステップ)。
In this state, the
電池温度が所定温度以下になったことを取得部2Aが取得すると、図3中の(3−II)に示すように、カソード側制御部2Dはカソード13への空気の供給を停止する(第1ステップ)。具体的には、カソード側制御部2Dは、空気供給装置8を停止し、カソード側供給路34の弁43及びカソード側排出路37の弁46を閉鎖して空気の流通を遮断する。これにより、カソード13への空気の供給が停止するとともに、カソード13は出入口の弁43,37が閉弁したことで密封状態となる。
When the acquiring
カソード13への空気の供給が停止した状態において、アノード12への水素の供給は継続している。このため、カソード13内に存在する空気に含まれる酸素がアノード12を流動する水素と反応し消費され、カソード13内には酸素が消失した空気、すなわち窒素が充満する。一方で、カソード13は密封状態であるため、カソード13とアノード12との間でカソード13の酸素が消失した分の圧力差が生じ、アノード12を流動する水素の一部がカソード13内に透過する。このため、図3中の(3−III)に示すように、カソード13内には窒素(酸素が消失した空気)と微量の水素とが残留することとなる。
In the state where the supply of air to the
上記の(3−III)の状態では、カソード13内の空気に含まれる酸素がアノード12内の水素と反応し徐々に消費されていくため、セル電圧はカソード13内の酸素が減少するにつれて低下する。なお、この状態において、放電回路4と燃料電池1とが接続状態であるため、燃料電池1内での化学反応がより促進される。すなわち、放電回路4が燃料電池1から積極的に電力を取り出すことで、カソード13内に存在する酸素がより消費されることとなる。
In the above state (3-III), since the oxygen contained in the air in the
カソード13への空気の供給を停止した後、カソード13に窒素(非反応ガス)が充満したら、アノード側制御部2Cはアノード12への水素の供給を停止する(第2ステップ)。本実施形態のアノード側制御部2Cは、カソード13への空気の供給停止後におけるセル電圧が所定値未満になったら、カソード13に窒素が充満したと判断し、水素供給装置7を停止させることで、アノード12への水素の供給を停止する。
After the supply of air to the
その後、アノード側制御部2Cは、水素に代えて空気をアノード12に供給する(第3ステップ)。このとき、アノード側制御部2Cは、発電時にアノード12に供給される水素の供給速度よりも低速である所定供給速度でアノード12に空気を供給する。
Thereafter, the anode-
具体的には、アノード側制御部2Cは、連通路35に設けられた弁44と貯留部連通路39の弁48とを開弁するとともに、水素再循環路38に設けられた弁47を閉弁し、空気供給装置8を起動する。これにより、空気供給装置8から流出した空気は、空気供給路32,連通路35,アノード側供給路33をこの順に経由してアノード12に供給される。また、アノード側制御部2Cは、前述の所定供給速度で空気を供給するように空気供給装置8を制御する。
Specifically, the anode
詳述すれば、図3中の(3−IV)に示すように、アノード12内の空気の割合は、アノード12に対して所定供給速度で空気が供給されるにつれて増加する。アノード12に供給される空気の速度は、発電時にアノード12に供給される水素の供給速度よりもゆっくりと供給される。すなわち、空気供給装置8からアノード12に空気が供給されている間に、アノード12内の空気中に含まれる酸素がアノード12内に存在する水素と反応して消失し得る速度(所定供給速度)で、アノード12に空気が供給される。
More specifically, as indicated by (3-IV) in FIG. 3, the proportion of air in the
このため、図3中の(3−IV′)に示すように、アノード12に空気が流入している間に、アノード12に供給された空気中の酸素がアノード12内に存在する水素と反応し消費され、アノード12には、水素と、酸素が消失した空気(すなわち窒素)とが存在した状態となる。このように、アノード12に対し、所定供給速度で空気が供給され続けることで水素が窒素で置換され、図3中の(3−V)に示すように、最終的にはアノード12内には窒素が充満する。なお、(3−V)の状態で微少の水素が残留していても良い。すなわち、ここでいう「窒素が充満する」とは、アノード12に存在する気体の全て(100%)が窒素である状態だけを意味するのではなく、無視できる程度の微少な水素が含まれる状態を含む。
Therefore, as indicated by (3-IV ′) in FIG. 3, oxygen in the air supplied to the
また、所定供給速度で空気が供給されるにつれて、アノード12内に存在する水素は供給された空気に押し出される形でアノード側排出路36に送り出される。アノード側排出路36に送り出された水素は、水素再循環路38,貯留部連結路39を経由して、水素貯留部11に蓄えられる。
Further, as air is supplied at a predetermined supply rate, hydrogen present in the
アノード側制御部2Cは、水素貯留部11に蓄えられたガスの容量がアノード12の容量と等しくなると、アノード12に窒素が充満したと判断して、アノード12への空気の供給を停止する。すなわち、空気供給装置8を停止させ、アノード側供給路33の弁42と連通路35の弁44と貯留部連結路39の弁48と水素再循環路38の弁49とを閉弁する。これによって、燃料電池1は、アノード12及びカソード13内に窒素が充満された状態で、完全に停止する。
When the volume of the gas stored in the hydrogen storage unit 11 becomes equal to the volume of the
[3−3.燃料電池の起動方法]
本実施形態に係る燃料電池1の制御装置のうち、起動方法について図4を参照して説明する。図4は、停止制御が実施された燃料電池1の起動制御時における、図2に示される燃料電池スタック10のアノード12及びカソード13内に存在する気体の組成を示すチャートである。図4中の白抜き矢印及び黒塗り矢印は、図3中の矢印と同様の状態を示す。
[3-3. Starting method of fuel cell]
The control method of the fuel cell 1 according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a chart showing the composition of the gas present in the
図4中の(4−I)に示すように、制御装置2が起動信号を受信した時点では、燃料電池1は停止制御終了後の状態であるため、アノード12及びカソード13には窒素と微少の水素とが存在している。
制御装置2が起動信号を受信すると、アノード側制御部2Cは、図4中の(4−II)に示すように、アノード12に水素を供給してアノード12内の窒素を水素に置換する。具体的には、アノード側制御部2Cは、アノード側供給路33の弁42とアノード側排出路36の弁45と水素再循環路38の弁47と貯留部連結路39の弁48とを開弁するとともに、水素貯留部11に貯蔵されたガス(水素)を排出するよう水素貯留部11を制御する。
As indicated by (4-I) in FIG. 4, when the
When the
アノード12内の窒素を水素に置換した後、カソード側制御部2Dはカソード13に空気を供給する。
ここで、停止制御時に、アノード側制御部2Cは、水素貯留部11に蓄えられたガスの容量がアノード12の容量と等しくなると、アノード12に窒素が充満したと判断して、アノード12への空気の供給を停止させていたため、起動制御の開始時の水素貯留部11には、アノード12の容量と同量の水素が貯留されている。このため、アノード側制御部2C及びカソード側制御部2Dは、水素貯留部11内のガスの残量に基づき水素貯留部11内のガスが全て排出されたことを検知したら、アノード12に水素が充満したものと判断する。
After replacing nitrogen in the
Here, at the time of stop control, when the volume of the gas stored in the hydrogen storage unit 11 becomes equal to the volume of the
カソード側制御部2Dは、アノード12に水素が充満したらカソード13への空気の供給を開始する。具体的には、空気供給装置8を起動させるとともに、カソード側供給路34の弁43とカソード側排出路37の弁46とを開弁する。
また、アノード側制御部2Cは、水素再循環路38の弁49を開弁するとともに、アノード側排出路36の弁45と貯留部連結路39の弁48とを閉弁し、水素供給装置7を起動させる。
The
In addition, the anode
図4中の(4−III)に示すように、制御装置2は、空気供給装置8が作動されてから所定時間経過後に、カソード13内に空気が充満したものと判断し、出力スイッチ3Bを接続状態とすることで、出力回路3と燃料電池1とを接続する。これにより、燃料電池1が起動する。
As shown in (4-III) in FIG. 4, the
[4.作用,効果]
(1)上述した燃料電池1の制御装置2によれば、燃料電池1の停止制御として、カソード13内の酸素を含有する空気を窒素(酸素が消費された空気)に置換した後に、アノード12に空気を所定供給速度で供給することによって、アノード12を窒素に置換する。これにより、燃料電池1の停止制御中に、カソード13に酸素を含有する空気が存在するとともに、アノード12に水素と酸素を含有する空気との両方が共存する状態にはならず、燃料電池1の高電圧化を抑制することができる。延いては、燃料電池1を構成する要素の劣化を抑制することが可能となる。
[4. Action, effect]
(1) According to the
また、上述した停止制御が実施されることで、燃料電池1が完全に停止したとき(全てのガスの供給を停止したとき)には、アノード12及びカソード13の両方に窒素が残留した状態となる。これにより、燃料電池1内での電位の発生を防止できるうえに、アノード12及びカソード13には酸素が残留しないため、燃料電池1の要素が酸化劣化されない。したがって、燃料電池の要素の劣化を抑制することができる。
In addition, when the above-described stop control is performed, when the fuel cell 1 is completely stopped (when supply of all the gases is stopped), a state in which nitrogen remains in both the
(2)上述した燃料電池1の停止制御では、冷却ステップの実施によって、電池温度が所定温度以下になるまで冷却が継続されることから、燃料電池スタック10内で化学反応して生成された水が凝縮して燃料電池スタック10内に残留する。これによっても、発電停止時に燃料電池スタック10を構成する各要素の劣化を抑制することができる。
(3)特に、上述したカソード側制御部2Dは、冷却ステップの実施により電池温度が所定温度以下になったら空気の供給を停止する。これにより、停止制御中に生成された水が凝縮水として燃料電池スタック10内に残留するため、より効果的に燃料電池スタック10を構成する各要素の劣化を抑制することができる。
(2) In the stop control of the fuel cell 1 described above, the cooling is continued until the battery temperature becomes equal to or lower than the predetermined temperature by performing the cooling step, so that water generated by a chemical reaction in the
(3) In particular, the cathode
(4)上述した燃料電池1の制御装置2によれば、燃料電池1の起動制御として、アノード12内の窒素を水素に置換した後に、カソード13の窒素を空気に置換してから燃料電池1と出力回路3とを接続する。これにより、燃料電池1の起動制御時においても、カソード13に酸素を含有する空気が存在するとともにアノード12に水素と酸素を含有する空気との両方が存在する状態にはならず、燃料電池1のセルの高電位化を抑制することが可能となる。延いては、燃料電池1を構成する要素の劣化を抑制することができる。
(4) According to the
(5)上述した燃料電池1の制御装置2によれば、燃料電池1の停止制御時に、アノード側制御部2Cが電圧センサ16からセル電圧を取得し、このセル電圧が所定値以下となったか否かを判断することによって、カソード13内に窒素が充満したか否かを判断する。このように、電圧センサ16で検出された電圧値を用いることで、簡単かつ正確にカソード13内の窒素の充満を判断でき、制御構成を簡素化することができる。
(5) According to the
[5.その他]
上述した燃料電池1の制御装置2の構成や燃料電池1の構成は一例であって上述した構成に限られない。また、停止制御及び起動制御の内容も一例であって、上述した制御内容に限られない。
[5. Others]
The configuration of the
上述した実施形態の停止制御において、カソード側制御部2Dは、冷却ステップの実施により電池温度が所定温度以下になったら空気の供給を停止する(すなわち、第1ステップを実施する)ものとしたが、異なるタイミングで冷却ステップを実施しても良い。また、停止制御において、冷却ステップは必須ではなく省略しても良い。この場合、冷却に関する制御構成(すなわち取得部2A,冷却制御部2B)は必須ではなく、省略しても良い。
In the stop control of the embodiment described above, the cathode
冷却ステップを実施するタイミングとしては、例えば、冷却制御部2Bが、アノード側制御部2Cによる空気の供給停止後に、電池温度が所定温度以下になるまで冷却水を供給しても良い。言い換えれば、第3ステップ後、冷却ステップを実施する構成としても良い。
アノード12及びカソード13へのガスの供給が停止すると、燃料電池スタック10内での化学反応が起こらないため、発電による発熱がない。このため、アノード側制御部2Cによる空気の供給停止後に、電池温度が所定温度以下になるまで冷却水を供給することによって、より小さいエネルギーで燃料電池1を所定温度まで冷却することができる。
As a timing for performing the cooling step, for example, the cooling
When the gas supply to the
また、上述した実施形態において、アノード側制御部2Cは、停止制御中に水素貯留部11に蓄えられたガスの容量がアノード12の容量と等しくなると、アノード12に窒素が充満したと判断して、アノード12への空気の供給を停止するものとして説明したが、水素貯留部11に蓄えられたガスの容量以外のパラメータに基づいて、アノード12に窒素が充満したか否かを判断する構成としても良い。
In the embodiment described above, the
例えば、アノード12とアノード側排出路36とが連通する部分に水素センサを設け、水素センサによって検出された水素濃度に基づいて判断するものとしても良い。この場合、例えばアノード側制御部2Cは、水素センサで検出された水素濃度が所定濃度以下となった際に、アノード12に窒素が充満したと判断することができる。また、燃料電池1の起動制御中には、アノード側制御部2C及びカソード側制御部2Dが、水素センサで検出された水素濃度が所定濃度以上となった場合に、アノード12内に水素が充満したと判断することができる。
For example, a hydrogen sensor may be provided in a portion where the
また、水素センサに代えて又は加えて、流量センサを設け、流量センサによって検出された流量に基づきアノード12の窒素の充満を判断しても良い。
燃料電池1に水素センサや流量センサ等を設ける場合、水素貯留部11は必須ではなく、燃料電池1は水素貯留部11を備えない構成とすることも可能である。
Also, instead of or in addition to the hydrogen sensor, a flow rate sensor may be provided to determine the nitrogen filling of the
When the fuel cell 1 is provided with a hydrogen sensor, a flow rate sensor or the like, the hydrogen storage portion 11 is not essential, and the fuel cell 1 may be configured without the hydrogen storage portion 11.
上述した実施形態において、燃料電池スタック10内を流動する第一反応ガスは水素ガスであり、第二反応ガスは酸素であるものとして説明したが、第一反応ガス,第二反応ガスはそれぞれ水素ガス,酸素以外のガスとしても良い。
例えば、本実施形態の制御装置2が制御する燃料電池1が固体酸化物型燃料電池である場合には、第一反応ガスを天然ガスとし、第二反応ガスを酸素などとしても良い。
また、本実施形態の制御装置2が制御する燃料電池1が溶融炭酸塩型燃料電池である場合には、第一反応ガスを水素ガスとし、第二反応ガスを酸素と炭酸ガスとの混合ガスなどとしても良い。
In the embodiment described above, the first reaction gas flowing in the
For example, when the fuel cell 1 controlled by the
When the fuel cell 1 controlled by the
1 燃料電池
2 制御装置
2A 取得部
2B 冷却制御部
2C アノード側制御部
2D カソード側制御部
3 出力回路
4 放電回路
7 水素供給装置(第一反応ガス供給装置)
8 空気供給装置(混合ガス供給装置)
10 燃料電池スタック
12 アノード
13 カソード
16 電圧センサ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
8 Air supply device (mixed gas supply device)
10
Claims (11)
前記アノードに前記第一反応ガス又は前記混合ガスを供給するアノード側制御部と、
前記カソードに前記混合ガスを供給するカソード側制御部と、を備え、
前記カソード側制御部は、前記燃料電池と前記出力回路との接続を遮断して前記燃料電池を停止させる停止制御時において、前記混合ガスの供給を停止し、
前記アノード側制御部は、前記カソード側制御部による前記混合ガスの供給停止後に前記カソードに前記非反応ガスが充満したら、前記第一反応ガスに代えて前記混合ガスを、発電時に前記アノードに供給される前記第一反応ガスの速度よりも低速である所定供給速度で前記アノードに供給する
ことを特徴とする、燃料電池の制御装置。 An anode, a cathode, and an electrolyte medium disposed between the anode and the cathode, connected to an output circuit, and a first reaction gas flows in the anode, and a second reaction gas and non-reactant in the cathode A control device of a fuel cell that generates electricity by flowing mixed gas containing gas,
An anode side control unit for supplying the first reaction gas or the mixed gas to the anode;
A cathode control unit that supplies the mixed gas to the cathode;
The cathode side control unit stops the supply of the mixed gas at the time of stop control for shutting off the connection between the fuel cell and the output circuit to stop the fuel cell,
The anode side control unit supplies the mixed gas to the anode at the time of power generation instead of the first reaction gas when the non-reactive gas fills the cathode after the supply control of the mixed gas by the cathode side control unit is stopped. A control device for a fuel cell, comprising: supplying to the anode at a predetermined supply rate which is lower than the rate of the first reaction gas.
前記燃料電池への冷却媒体の供給を制御する冷却制御部と、を備え、
前記冷却制御部は、前記停止制御時に、少なくとも前記温度が所定温度以下になるまで前記冷却媒体を供給する
ことを特徴とする、請求項1記載の燃料電池の制御装置。 An acquisition unit for acquiring the temperature of the fuel cell;
A cooling control unit that controls supply of a cooling medium to the fuel cell;
The fuel cell control apparatus according to claim 1, wherein the cooling control unit supplies the cooling medium at least until the temperature falls below a predetermined temperature during the stop control.
ことを特徴とする、請求項2記載の燃料電池の制御装置。 3. The fuel cell control device according to claim 2, wherein the cathode side control unit stops the supply of the mixed gas when the temperature becomes equal to or lower than the predetermined temperature. 4.
ことを特徴とする、請求項2記載の燃料電池の制御装置。 3. The fuel cell control device according to claim 2, wherein the cooling control unit supplies the cooling medium until the temperature becomes equal to or lower than a predetermined temperature after the supply of the mixed gas by the anode-side control unit is stopped. .
前記アノード側制御部は、前記アノードに前記第一反応ガスを供給して前記アノード内の前記非反応ガスを前記第一反応ガスに置換し、
前記カソード側制御部は、前記アノードに前記第一反応ガスが充満したら前記カソードに前記混合ガスを供給する
ことを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載の燃料電池の制御装置。 At the time of starting control for starting the fuel cell,
The anode control unit supplies the first reaction gas to the anode to replace the non-reaction gas in the anode with the first reaction gas.
The fuel cell control according to any one of claims 1 to 4, wherein the cathode side control unit supplies the mixed gas to the cathode when the anode is filled with the first reaction gas. apparatus.
前記アノード側制御部は、前記停止制御時において、前記カソード制御部による前記混合ガスの供給停止後の前記電圧が所定値未満になったら前記カソードに前記非反応ガスが充満したと判断する
ことを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載の燃料電池の制御装置。 The fuel cell is provided with a voltage sensor for detecting the voltage of the fuel cell,
The anode-side control unit determines that the cathode is filled with the non-reactive gas when the voltage after the supply of the mixed gas by the cathode control unit is less than a predetermined value during the stop control. The control device of a fuel cell according to any one of claims 1 to 5, which is characterized.
前記燃料電池と前記出力回路との接続を遮断して前記燃料電池を停止させる停止制御時に、
前記カソードへの前記混合ガスの供給を停止する第1ステップと、
前記第1ステップ後、前記カソードに前記非反応ガスが充満したら、前記アノードへの前記第一反応ガスの供給を停止する第2ステップと、
前記第2ステップ後、前記第一反応ガスに代えて前記混合ガスを、発電時に前記アノードに供給される前記第一反応ガスの速度よりも低速である所定供給速度で前記アノードに供給する第3ステップと、を備えた
ことを特徴とする、燃料電池の制御方法。 An anode, a cathode, and an electrolyte medium disposed between the anode and the cathode are connected to an output circuit, and a first reaction gas flows through the anode and a second reaction gas and non-flow through the cathode. A control method of a fuel cell, which generates electric power by flowing mixed gas containing reactive gas,
At the time of stop control for interrupting the connection between the fuel cell and the output circuit to stop the fuel cell,
A first step of stopping supply of the mixed gas to the cathode;
A second step of stopping the supply of the first reaction gas to the anode when the cathode is filled with the non-reaction gas after the first step;
After the second step, instead of the first reaction gas, the mixed gas is supplied to the anode at a predetermined supply rate lower than that of the first reaction gas supplied to the anode during power generation. A method of controlling a fuel cell, comprising the steps of:
ことを特徴とする、請求項7記載の燃料電池の制御方法。 8. The method according to claim 7, further comprising a cooling step of supplying cooling water to the fuel cell at least until the temperature of the fuel cell falls below a predetermined temperature.
ことを特徴とする、請求項8記載の燃料電池の制御方法。 9. The method of controlling a fuel cell according to claim 8, wherein, in the first step, the supply is stopped when the temperature of the fuel cell becomes equal to or lower than the predetermined temperature by performing the cooling step.
ことを特徴とする、請求項8記載の燃料電池の制御方法。 The fuel cell control method according to claim 8, wherein the cooling step is performed after the third step.
ことを特徴とする、請求項7〜10いずれか1項に記載の燃料電池の制御方法。 The first reactive gas is supplied to the anode and the non-reactive gas in the anode is replaced with the first reactive gas during start control for starting the fuel cell in which the stop control is performed, and then the cathode The control method of a fuel cell according to any one of claims 7 to 10, wherein the mixed gas is supplied to the fuel cell.
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