JP4629986B2 - Fuel cell system - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システムに関し、詳しくは、電解質膜の耐久性を向上させる燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system that improves the durability of an electrolyte membrane.

近年、電気自動車の動力源等として固体高分子型の燃料電池が注目されている。固体高分子型の燃料電池(PEFC)は、常温でも発電することが可能であり、自動車以外にも様々な用途に実用化されつつある。   In recent years, solid polymer fuel cells have attracted attention as power sources for electric vehicles. A polymer electrolyte fuel cell (PEFC) can generate power even at room temperature, and is being put into practical use for various purposes other than automobiles.

一般に燃料電池システムは、固体高分子電解質膜を挟んで一面側にカソードを配置し、他面側にアノードを配置した燃料電池において、カソードガス流路内に供給される空気中の酸素(酸化剤ガス)と、アノードガス流路内に供給される水素(燃料ガス)とによって水を生成する電気化学反応で電力を発生させる仕組みになっている。
そして、燃料電池の運転においては、外気温などの環境温度等により、発電時と発電停止時とで、燃料電池内の環境が大きく変化(氷点下〜80度付近)する。
In general, a fuel cell system is a fuel cell in which a cathode is disposed on one side of a solid polymer electrolyte membrane and an anode is disposed on the other side, and oxygen in air (oxidant) supplied into a cathode gas flow path. Gas) and hydrogen (fuel gas) supplied into the anode gas flow path generate electric power through an electrochemical reaction that generates water.
In the operation of the fuel cell, the environment in the fuel cell changes greatly (below the freezing point to about 80 degrees) between power generation and when power generation is stopped due to an environmental temperature such as an outside air temperature.

ところで、通常、燃料電池システムでは、燃料電池の停止時、カソードガス流路は大気開放し、アノードガス流路は閉鎖系とすることで、燃料ガスの流出、または、酸化剤ガスとの混合を防止している。しかし、アノードガス流路を閉鎖系とすると、ガス中に含まれている水蒸気の温度低下に伴う凝縮によって、アノードガス流路内のガス圧がカソードガス流路内のガス圧より小さくなり、アノードガス流路内のガス圧とカソードガス流路内のガス圧に差圧(以下、「極間差圧」という。)が生じる。   By the way, normally, in a fuel cell system, when the fuel cell is stopped, the cathode gas channel is opened to the atmosphere, and the anode gas channel is closed, so that the fuel gas flows out or is mixed with the oxidant gas. It is preventing. However, when the anode gas flow path is a closed system, the gas pressure in the anode gas flow path becomes smaller than the gas pressure in the cathode gas flow path due to condensation accompanying the temperature drop of the water vapor contained in the gas. A differential pressure (hereinafter referred to as “electrode pressure difference”) is generated between the gas pressure in the gas channel and the gas pressure in the cathode gas channel.

また、燃料電池の停止時、カソードガス流路およびアノードガス流路をともに閉鎖系とした場合(双方水蒸気を同じ量含むものとする。)も、前記極間差圧が生じることがある。つまり、水素の体積収縮率よりも空気の体積収縮率の方が大きいため、アラスカ等の極寒地では、カソードガス流路内のガス圧がアノードガス流路内のガス圧より小さくなり、極間差圧が生じる。   In addition, when the fuel cell is stopped, the inter-electrode differential pressure may also occur when both the cathode gas channel and the anode gas channel are closed (both include the same amount of water vapor). In other words, since the volumetric contraction rate of air is larger than the volumetric contraction rate of hydrogen, the gas pressure in the cathode gas channel is smaller than the gas pressure in the anode gas channel in extremely cold regions such as Alaska. Differential pressure is generated.

このような極間差圧の発生は、前記した固体高分子電解質膜に負荷をかけて、固体高分子電解質膜を劣化させるため望ましいものではない。   The generation of such an inter-electrode differential pressure is undesirable because it imposes a load on the solid polymer electrolyte membrane and degrades the solid polymer electrolyte membrane.

従来、燃料電池の極間差圧を防止するための差圧防止装置がある(例えば、特許文献1参照)。図5は、従来の極間差圧防止装置の全体構成図である。
図5に示すように、従来の極間差圧防止装置100は、燃料電池101の燃料ガス供給通路102と連通するアノード水封器103と、燃料電池101の酸化剤ガス供給通路104と連通するカソード水封器105とを備え、アノード水封器103とカソード水封器105の下端部は連通路106で連通するように構成されている。そして、アノード水封器103とカソード水封器105の内部には水、水銀等の液体が充填されている。
Conventionally, there is a differential pressure prevention device for preventing a differential pressure between electrodes of a fuel cell (see, for example, Patent Document 1). FIG. 5 is an overall configuration diagram of a conventional inter-electrode differential pressure preventing device.
As shown in FIG. 5, the conventional inter-electrode differential pressure prevention device 100 communicates with an anode water seal 103 that communicates with the fuel gas supply passage 102 of the fuel cell 101 and an oxidant gas supply passage 104 of the fuel cell 101. A cathode water seal 105 is provided, and the anode water seal 103 and the lower end of the cathode water seal 105 are configured to communicate with each other through a communication path 106. The anode water seal 103 and the cathode water seal 105 are filled with a liquid such as water or mercury.

この極間差圧防止装置100の構成によれば、極間差圧が発生すると、燃料ガスの圧力がアノード水封器103内に伝えられるとともに、酸化剤ガスの圧力がカソード水封器105内に伝えられる。例えば、アノードガス流路101a内のガス圧がカソードガス流路101b内のガス圧より小さくなり、極間差圧が生じている場合、カソード水封器105内の液面が下がると同時に、アノード水封器103内の液面が上がり、それぞれの液面の位置に差が生じる。そして、液面の位置は、その差に相当する圧力が前記極間差圧に一致すると、バランスがとれて安定する。かかる液面の変化により、酸化剤ガスの一部がカソード水封器105内に抜かれ、燃料ガスの一部がアノード水封器103から戻される。これにより、差圧が減少して極間差圧を解消・低減できるようになっている。
特開平6−36785号公報(請求項1、段落0011,0017,0018、図1)
According to the configuration of the inter-electrode differential pressure preventing device 100, when the inter-electrode differential pressure is generated, the pressure of the fuel gas is transmitted to the anode water seal 103 and the pressure of the oxidant gas is transferred to the cathode water seal 105. To be told. For example, when the gas pressure in the anode gas flow channel 101a is smaller than the gas pressure in the cathode gas flow channel 101b and an inter-electrode differential pressure is generated, the liquid level in the cathode water sealer 105 is lowered at the same time as the anode The liquid level in the water sealer 103 rises and a difference occurs between the positions of the liquid levels. The position of the liquid level is balanced and stable when the pressure corresponding to the difference coincides with the inter-electrode differential pressure. Due to the change in the liquid level, a part of the oxidant gas is extracted into the cathode water seal 105 and a part of the fuel gas is returned from the anode water seal 103. As a result, the differential pressure is reduced and the differential pressure between the electrodes can be eliminated / reduced.
JP-A-6-36785 (Claim 1, paragraphs 0011, 0017, 0018, FIG. 1)

しかしながら、アノード水封器103およびカソード水封器105内の液体として水を用いた場合、燃料電池101の停止時に燃料電池101内が氷点下になると、アノード水封器103およびカソード水封器105内が凍結してしまい、機能しなくなるといった問題があった。
また、前記した極間差圧防止装置100では、アノード水封器103およびカソード水封器105といった新たな種々のデバイスを設けるため、燃料電池システムが全体として大型化してしまうという問題があった。
However, when water is used as the liquid in the anode water seal 103 and the cathode water seal 105, when the fuel cell 101 becomes below freezing when the fuel cell 101 is stopped, the inside of the anode water seal 103 and the cathode water seal 105 There was a problem that would freeze and stop functioning.
Further, since the above-described inter-electrode differential pressure prevention device 100 is provided with various new devices such as the anode water seal 103 and the cathode water seal 105, there is a problem that the fuel cell system is enlarged as a whole.

そこで、本発明は、主に、燃料電池の停止時に生じる極間差圧を確実に解消・低減し、さらに、簡易な構成を実現する燃料電池システムを提供することを課題とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a fuel cell system that reliably eliminates and reduces the inter-electrode differential pressure that occurs when the fuel cell is stopped, and that realizes a simple configuration.

前記課題を解決するための手段として、発明は、アノードとカソードの間に電解質膜が配設され、前記アノードに供給される燃料ガスと前記カソードに供給される酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池と、前記アノードを経由する燃料ガスが通流するアノードガス流路と、前記カソードを経由する酸化剤ガスが通流するカソードガス流路と、前記アノードの上流の前記アノードガス流路に設けられた第1バルブと、前記アノードの下流の前記アノードガス流路に設けられた第2バルブと、前記カソードの上流の前記カソードガス流路に設けられた第3バルブと、前記カソードの下流の前記カソードガス流路に設けられた第4バルブと、前記第1バルブ及び前記第2バルブの間の前記アノードガス流路内の燃料ガス圧を検出する第1の圧力検出手段と、前記第3バルブ及び前記第4バルブの間の前記カソードガス流路内の酸化剤ガス圧を検出する第2の圧力検出手段と、を備え、前記燃料電池の発電を停止させる発電停止時に、前記第1バルブ及び前記第2バルブが閉じられ前記第1バルブ及び前記第2バルブの間の前記アノードガス流路は大気から閉鎖状態とされ、前記第3バルブ及び前記第4バルブが開かれ前記第3バルブ及び前記第4バルブの間の前記カソードガス流路は大気に開放状態とされる燃料電池システムであって、前記燃料電池の発電停止前記第1の圧力検出手段の検出する燃料ガス圧が前記第2の圧力検出手段の検出する酸化剤ガス圧よりも低い場合、前記圧力検出手段の検出値に基づき、前記アノードガス流路内の燃料ガス圧と前記カソードガス流路内の酸化剤ガス圧の差圧を検出する差圧検出手段と、前記差圧検出手段の検出した差圧が、所定値以下であるか否かを判定する差圧判定手段と、を備え、前記差圧判定手段が前記差圧は所定値を超えると判定した場合、前記第2バルブは開き、前記第1バルブ及び前記第2バルブの間の前記アノードガス流路を大気に開放させることを特徴とする燃料電池システムである。 As means for solving the above-mentioned problems, the present invention provides an electrolyte membrane disposed between an anode and a cathode, and reacts a fuel gas supplied to the anode and an oxidant gas supplied to the cathode. A fuel cell for generating electricity; an anode gas flow path through which fuel gas flows through the anode; a cathode gas flow path through which oxidant gas flows through the cathode; and the anode gas flow upstream of the anode. A first valve provided in a path; a second valve provided in the anode gas flow path downstream of the anode; a third valve provided in the cathode gas flow path upstream of the cathode; and the cathode downstream of the fourth valve provided in the cathode gas passage, a first detecting a fuel gas pressure of the anode gas flow path between the first valve and the second valve Comprises a force detecting unit, and a second pressure detecting means for detecting an oxidant gas pressure of the cathode gas flow path between the third valve and the fourth valve to stop the power generation of the fuel cell When power generation is stopped, the first valve and the second valve are closed, and the anode gas flow path between the first valve and the second valve is closed from the atmosphere, and the third valve and the fourth valve Is opened and the cathode gas flow path between the third valve and the fourth valve is opened to the atmosphere, and after the power generation of the fuel cell is stopped, the first pressure detecting means When the fuel gas pressure detected by the second pressure detection means is lower than the oxidant gas pressure detected by the second pressure detection means , the fuel gas pressure in the anode gas flow path and the cathode gas are determined based on the detection value of the pressure detection means. Flow Comprising a differential pressure detecting means for detecting a differential pressure between the oxidant gas pressure inside the detected differential pressure of the differential pressure detecting means, a differential pressure determining means for determining whether a predetermined value or less, the When the differential pressure determining means determines that the differential pressure exceeds a predetermined value, the second valve is opened, and the anode gas flow path between the first valve and the second valve is opened to the atmosphere. A fuel cell system characterized by

このような燃料電池システムによれば、燃料電池の発電停止、差圧検出手段が、アノードガス流路内のガス圧(燃料ガス圧)とカソードガス流路内のガス圧(酸化剤ガス圧)の差圧を検出し、差圧判定手段が、その検出値が所定値以下であるか否かを判定する。そして、差圧解消手段(第2バルブ)が、その判定結果(所定値を超えるとの判定結果)に応じて差圧を所定値以下にする。このように、アノードガス流路内のガス圧とカソードガス流路内のガス圧の差圧(極間差圧)を解消・低減することで、電解質膜への負荷を低減することができる。そのため、電解質膜の劣化を抑制して、耐久性を向上させることができる。 According to such a fuel cell system, after the power generation of the fuel cell is stopped, the differential pressure detection means is configured such that the gas pressure in the anode gas channel (fuel gas pressure) and the gas pressure in the cathode gas channel (oxidant gas pressure) ), And the differential pressure determination means determines whether or not the detected value is equal to or less than a predetermined value. And a differential pressure elimination means (2nd valve) makes a differential pressure below a predetermined value according to the determination result (determination result that exceeds predetermined value). Thus, the load on the electrolyte membrane can be reduced by eliminating / reducing the differential pressure between the gas pressure in the anode gas passage and the gas pressure in the cathode gas passage (inter-electrode differential pressure). Therefore, it is possible to suppress the deterioration of the electrolyte membrane and improve the durability.

また、このような燃料電池システムによれば、前記開放手段(第2バルブ)が、アノードガス流路を大気開放する。こうすることで、極間差圧を解消・低減することができる。
すなわち、このような燃料電池システムによれば、特別な部品を増設することなく、既存のデバイスのみで極間差圧を解消・低減することができる。また、極間差圧を解消・低減するために、ガスを供給することもないので、燃費を向上させることができる。
Further , according to such a fuel cell system, the opening means (second valve) opens the anode gas flow path to the atmosphere. By doing so, the pressure difference between the electrodes can be eliminated / reduced.
That is, according to the fuel cell system such as this, without adding a special component, it can be eliminated, reducing the inter-electrode differential pressure only in existing devices. In addition, since no gas is supplied in order to eliminate or reduce the differential pressure between the electrodes , the fuel consumption can be improved.

前記燃料電池システムにおいて、前記第2バルブが開いたことにより、前記差圧検出手段の検出する差圧が低減し、前記第1の圧力検出手段の検出する前記アノードガス流路内の燃料ガス圧と前記第2の圧力検出手段の検出する前記カソードガス流路内の酸化剤ガス圧とが等しくなった後、前記第2バルブは閉じて前記第1バルブ及び前記第2バルブの間の前記アノードガス流路を閉鎖し、前記第3バルブ及び前記第4バルブは閉じて前記第3バルブ及び前記第4バルブの間の前記カソードガス流路を閉鎖することが好ましい。  In the fuel cell system, when the second valve is opened, the differential pressure detected by the differential pressure detecting means is reduced, and the fuel gas pressure in the anode gas flow path detected by the first pressure detecting means is reduced. And the oxidant gas pressure in the cathode gas flow path detected by the second pressure detecting means becomes equal, the second valve is closed and the anode between the first valve and the second valve is closed. Preferably, the gas flow path is closed, the third valve and the fourth valve are closed, and the cathode gas flow path between the third valve and the fourth valve is closed.

本発明によれば、極間差圧を解消・低減することができる。そして、極間差圧を解消・低減することで、電解質膜への負荷を低減することができる。そのため、電解質膜の劣化を抑制して、耐久性を向上させることができる。 According to the present invention , the pressure difference between the electrodes can be eliminated / reduced. And the load to an electrolyte membrane can be reduced by eliminating and reducing the pressure difference between electrodes. Therefore, it is possible to suppress the deterioration of the electrolyte membrane and improve the durability.

次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。図1は、本実施の形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
燃料電池システム1は、燃料電池2のアノード21に接続されるアノードガス流路3内に供給される燃料ガスとしての水素ガスと、カソード22に接続されるカソードガス流路5内に供給される酸化剤ガスとしての空気とによって水を生成する電気化学反応で電力を発生させる仕組みになっている。本発明では、特に、燃料電池2の停止後、アノードガス流路3内の燃料ガスの圧力とカソードガス流路5内の酸化剤ガスの圧力の差圧(極間差圧)を解消・低減することを目的とする。
Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings as appropriate. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system according to the present embodiment.
The fuel cell system 1 is supplied into a hydrogen gas as a fuel gas supplied into an anode gas flow path 3 connected to an anode 21 of a fuel cell 2 and into a cathode gas flow path 5 connected to a cathode 22. Electricity is generated by an electrochemical reaction that generates water with air as an oxidant gas. In the present invention, in particular, after the fuel cell 2 is stopped, the pressure difference between the pressure of the fuel gas in the anode gas channel 3 and the pressure of the oxidant gas in the cathode gas channel 5 is eliminated / reduced. The purpose is to do.

図1に示すように、燃料電池システム1は、燃料電池2と、この燃料電池2のアノード21に接続されるアノードガス流路3に設けられる圧力センサ4(第1の圧力検出手段)と、燃料電池2のカソード22に接続されるカソードガス流路5に設けられる圧力センサ6(第2の圧力センサ)と、アノードガス流路3内を通流する燃料ガスの圧力(以下、「燃料ガス圧」という。)を調整するバルブV1,V2と、カソードガス流路5内を通流する酸化剤ガスの圧力(以下、「酸化剤ガス圧」という。)を調整するバルブV3,V4と、このバルブV1〜V4の開閉等を制御するECU7を備えている。   As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 includes a fuel cell 2, a pressure sensor 4 (first pressure detection means) provided in an anode gas flow path 3 connected to an anode 21 of the fuel cell 2, The pressure sensor 6 (second pressure sensor) provided in the cathode gas passage 5 connected to the cathode 22 of the fuel cell 2 and the pressure of the fuel gas flowing in the anode gas passage 3 (hereinafter referred to as “fuel gas”) Valves V1 and V2 for adjusting the pressure, and valves V3 and V4 for adjusting the pressure of the oxidant gas flowing through the cathode gas flow path 5 (hereinafter referred to as “oxidant gas pressure”); An ECU 7 that controls opening and closing of the valves V1 to V4 is provided.

燃料電池2は、固体高分子電解質膜23の一面側にアノード21、他面側にカソード22を配置して構成される膜電極接合体を、セパレータを介して積層させてなるものであるが、図1では簡略化して示している。   The fuel cell 2 is formed by laminating a membrane electrode assembly formed by disposing an anode 21 on one side of a solid polymer electrolyte membrane 23 and a cathode 22 on the other side through a separator. In FIG. 1, it is shown in a simplified manner.

燃料電池2のアノード21には、燃料ガスが通流するアノードガス流路3が接続されている。アノード21より上流側に位置するアノードガス流路3の端部には、高圧水素のタンク31が配設され、このタンク31からアノードガス流路3内に燃料ガスが供給される。   An anode gas flow path 3 through which fuel gas flows is connected to the anode 21 of the fuel cell 2. A high-pressure hydrogen tank 31 is disposed at the end of the anode gas passage 3 located upstream of the anode 21, and fuel gas is supplied from the tank 31 into the anode gas passage 3.

また、アノード21より上流側に位置するアノードガス流路3には、前記したバルブV1、圧力センサ4、および燃料電池2から排出されたオフガスを吸引するエゼクタ32が設けられている。圧力センサ4は、アノードガス流路3内を通流する燃料ガスの圧力を検出し、その検出値をECU7に送信する。また、バルブV1は、ECU7から送信される信号に基づき、その開閉を制御されている。
アノード21より下流側に位置するアノードガス流路3(オフガス流路)には、前記したバルブV2が設けられている。このバルブV2は、燃料電池2のアノード21側から排出された燃料ガスを外部に排出するためのパージ弁であり、ECU7から送信される信号に基づき、その開閉を制御されている。なお、タンク31、バルブV1、エゼクタ32等が、「ガス供給手段」に、また、バルブV2が、「開放手段」に相当する。
The anode gas flow path 3 located upstream from the anode 21 is provided with the valve V1, the pressure sensor 4, and the ejector 32 that sucks off-gas discharged from the fuel cell 2. The pressure sensor 4 detects the pressure of the fuel gas flowing through the anode gas flow path 3 and transmits the detected value to the ECU 7. The valve V1 is controlled to open and close based on a signal transmitted from the ECU 7.
The above-described valve V2 is provided in the anode gas flow path 3 (off-gas flow path) located on the downstream side of the anode 21. This valve V2 is a purge valve for discharging the fuel gas discharged from the anode 21 side of the fuel cell 2 to the outside, and its opening and closing is controlled based on a signal transmitted from the ECU 7. The tank 31, the valve V1, the ejector 32, and the like correspond to gas supply means”, and the valve V2 corresponds to opening means”.

燃料電池2のカソード22には、酸化剤ガスが通流するカソードガス流路5が接続されている。カソード22より上流側に位置するカソードガス流路5の端部には、コンプレッサ51が配設されている。このコンプレッサ51は、大気を圧縮して、その大気を酸化剤ガスとしてカソードガス流路5内に供給するものであり、その駆動をECU7によって制御されている。   A cathode gas flow path 5 through which an oxidant gas flows is connected to the cathode 22 of the fuel cell 2. A compressor 51 is disposed at the end of the cathode gas flow path 5 located on the upstream side of the cathode 22. The compressor 51 compresses the atmosphere and supplies the atmosphere as an oxidant gas into the cathode gas flow path 5, and its drive is controlled by the ECU 7.

また、カソード22より上流側に位置するカソードガス流路5には、前記したバルブV3、圧力センサ6が設けられている。圧力センサ6は、カソードガス流路5内を通流する燃料ガスの圧力を検出し、その検出値をECU7に送信する。また、バルブV3は、ECU7から送信される信号に基づき、その開閉を制御されている。
カソード22より下流側に位置するカソードガス流路5(オフガス流路)には、前記したバルブV4が設けられている。このバルブV4は、燃料電池2のカソード22側から排出された酸化剤ガスを外部に排出するためのパージ弁であり、ECU7から送信される信号に基づき、その開閉を制御されている。なお、コンプレッサ51、バルブV3等が、「ガス供給手段」に、また、バルブV4が、「開放手段」に相当する。
Further, the valve V3 and the pressure sensor 6 described above are provided in the cathode gas flow path 5 located on the upstream side of the cathode 22. The pressure sensor 6 detects the pressure of the fuel gas flowing through the cathode gas flow path 5 and transmits the detected value to the ECU 7. The valve V3 is controlled to open and close based on a signal transmitted from the ECU 7.
The cathode gas flow path 5 (off-gas flow path) located downstream from the cathode 22 is provided with the valve V4. This valve V4 is a purge valve for discharging the oxidant gas discharged from the cathode 22 side of the fuel cell 2 to the outside, and its opening and closing is controlled based on a signal transmitted from the ECU 7. The compressor 51, the valve V3, and the like correspond to gas supply means”, and the valve V4 corresponds to opening means”.

次に、ECU7の内部構成について説明する。図2は、ECUの概略構成図である。
図2に示すように、ECU7は、圧力センサ4,6から送信された各検出値に基づいて極間差圧を検出する差圧検出手段71と、圧力センサ4による検出値が圧力センサ6による検出値よりも小さい場合に、その極間差圧が所定値以下であるか否かを判定する第1の差圧判定手段72と、圧力センサ6の検出値が圧力センサ4の検出値よりも小さい場合に、その極間差圧が所定値以下であるか否かを判定する第2の差圧判定手段73と、第1の差圧判定手段72の判定結果に基づいて、バルブV1を駆動するV1駆動回路81、または、バルブV2を駆動するV2駆動回路82に送信する信号を生成する信号生成回路74と、第2の差圧判定手段73の判定結果に基づいて、コンプレッサ51を駆動するコンプレッサ駆動回路83、バルブV3を駆動するV3駆動回路84、または、バルブV4を駆動するV4駆動回路85に送信する信号を生成する信号生成手段75を含んで構成されている。なお、各所定値は、各差圧判定手段72,73の記憶装置に予め記憶されているものであり、この所定値は適宜設定を変更できるものとする。ちなみに、第1・第2の差圧判定手段72,73は一つの差圧判定手段として構成することもできる。
Next, the internal configuration of the ECU 7 will be described. FIG. 2 is a schematic configuration diagram of the ECU.
As shown in FIG. 2, the ECU 7 includes differential pressure detection means 71 that detects the inter-electrode differential pressure based on the detected values transmitted from the pressure sensors 4 and 6, and the detected value by the pressure sensor 4 is detected by the pressure sensor 6. When the pressure difference is smaller than the detection value, the first differential pressure determination means 72 for determining whether or not the pressure difference between the electrodes is equal to or less than a predetermined value; When the pressure difference is small, the valve V1 is driven based on the determination result of the second differential pressure determination means 73 for determining whether or not the pressure difference between the electrodes is equal to or less than a predetermined value and the first differential pressure determination means 72. The compressor 51 is driven based on the determination result of the second differential pressure determination means 73 and the signal generation circuit 74 that generates a signal to be transmitted to the V1 drive circuit 81 or the V2 drive circuit 82 that drives the valve V2. Compressor drive circuit 83, valve V V3 driving circuit 84 for driving the or,, is configured to include a signal generation unit 75 for generating a signal to be transmitted to V4 drive circuit 85 for driving the valve V4. Each predetermined value is stored in advance in the storage device of each differential pressure determination means 72, 73, and this predetermined value can be appropriately changed. Incidentally, the first and second differential pressure determination means 72 and 73 can be configured as one differential pressure determination means.

このように構成された燃料電池システム1の動作について説明する。図3は、燃料電池システムのフローチャートであり、(a)はアノードガス流路内圧力がカソードガス流路内圧力より小さい場合であり、(b)はカソードガス流路内圧力がアノードガス流路内圧力より小さい場合である。
燃料電池システム1は、燃料電池2の停止後は、基本的には、燃料ガスのアノードガス流路3を閉鎖系とするため、バルブV1,V2を閉じており、酸化剤ガスのカソードガス流路5は開放するため、バルブV3,V4を開いているものとする。
The operation of the fuel cell system 1 configured as described above will be described. FIG. 3 is a flowchart of the fuel cell system, where (a) shows a case where the pressure in the anode gas flow path is smaller than the pressure in the cathode gas flow path, and (b) shows that the pressure in the cathode gas flow path is the anode gas flow path. This is the case when the internal pressure is smaller.
In the fuel cell system 1, after the fuel cell 2 is stopped, the valves V1 and V2 are basically closed so that the anode gas flow path 3 of the fuel gas is closed, and the cathode gas flow of the oxidant gas Since the path 5 is opened, it is assumed that the valves V3 and V4 are opened.

まず、アノードガス流路3内圧力がカソードガス流路5内圧力より小さい場合(A<C)について説明する。このような状態になるのは、前記したように、アノードガス流路内を閉鎖系にし、カソードガス流路内を開放するという条件下、燃料ガス中に含まれる水蒸気が、燃料電池2の停止による温度低下に伴って凝縮するからである。   First, the case where the pressure in the anode gas flow path 3 is smaller than the pressure in the cathode gas flow path 5 (A <C) will be described. As described above, this state is caused by the fact that the water vapor contained in the fuel gas stops the fuel cell 2 under the condition that the anode gas flow path is closed and the cathode gas flow path is opened. It is because it condenses with the temperature fall by.

図3(a)に示すように、燃料電池システム1は、燃料電池2が停止し、イグニッションがオフされると(ステップS1)、図1に示す圧力センサ4,6で、アノードガス流路3内、および、カソードガス流路5内に供給される各ガスの圧力を検出しながら監視する(ステップS2)。なお、その際の電源は、図示しない車載のバッテリが用いられる。そして、その各検出値から図2に示すECU7の差圧検出手段71で極間差圧を検出し、第1の差圧判定手段72で極間差圧が所定値以下であるか否かを判定する(ステップS3)。その結果、極間差圧の検出値が所定値以下であれば(ステップS3でYesの場合)、ステップS2に戻って、各ガスの圧力の監視を継続する。一方、極間差圧の検出値が所定値を超える場合(ステップS3でNoの場合)、ECU7は、図1に示すバルブV1を開いて燃料ガスをアノードガス流路3内に供給し(ステップS4)、または、バルブV2を開いて、アノードガス流路3の下流側(オフガス流路)を大気開放する(ステップS4’)。ステップS4で示すように、燃料ガスを新たに供給すれば、アノードガス流路3内に供給される燃料ガスの圧力を高めることができるので、極間差圧を解消・低減することができる。また、ステップS4’で示すように、バルブV2を開いて大気開放することで、カソードガス流路5内のガス圧と等しくし、極間差圧を解消・低減することができる。   As shown in FIG. 3A, in the fuel cell system 1, when the fuel cell 2 is stopped and the ignition is turned off (step S1), the pressure sensor 4 or 6 shown in FIG. Monitoring is performed while detecting the pressure of each gas supplied to the inside and the cathode gas flow path 5 (step S2). Note that an on-vehicle battery (not shown) is used as the power source at that time. Then, the differential pressure detecting means 71 of the ECU 7 shown in FIG. 2 detects the inter-electrode differential pressure from each detected value, and the first differential pressure determining means 72 determines whether or not the inter-electrode differential pressure is not more than a predetermined value. Determine (step S3). As a result, if the detected value of the inter-electrode differential pressure is equal to or less than the predetermined value (Yes in step S3), the process returns to step S2 and the monitoring of the pressure of each gas is continued. On the other hand, when the detected value of the inter-electrode differential pressure exceeds the predetermined value (No in step S3), the ECU 7 opens the valve V1 shown in FIG. 1 and supplies the fuel gas into the anode gas flow path 3 (step). S4) Or, the valve V2 is opened, and the downstream side (off-gas channel) of the anode gas channel 3 is opened to the atmosphere (step S4 ′). As shown in step S4, if the fuel gas is newly supplied, the pressure of the fuel gas supplied into the anode gas flow path 3 can be increased, so that the differential pressure between the electrodes can be eliminated / reduced. Further, as shown in step S4 ', by opening the valve V2 and releasing it to the atmosphere, the gas pressure in the cathode gas flow path 5 can be made equal, and the differential pressure between the electrodes can be eliminated / reduced.

次に、カソードガス流路5内圧力がアノードガス流路3内圧力より小さい場合(C<A)について説明する。なお、自然状態では、このような状態になることはないが、前記ステップS4で燃料ガスを大量に供給した場合などを想定して、カソードガス流路5内圧力がアノードガス流路3内圧力より小さい場合を説明するものである。   Next, a case where the internal pressure of the cathode gas channel 5 is smaller than the internal pressure of the anode gas channel 3 (C <A) will be described. In the natural state, such a state does not occur. However, assuming that a large amount of fuel gas is supplied in step S4, the internal pressure of the cathode gas passage 5 is the internal pressure of the anode gas passage 3. The case where it is smaller is described.

図3(b)に示すように、燃料電池システム1は、燃料電池2が停止し、イグニッションがオフされると(ステップS5)、図1に示す圧力センサ4,6で、アノードガス流路3内、および、カソードガス流路5内に供給される各ガスの圧力を検出しながら監視する(ステップS6)。そして、その各検出値から図2に示すECU7の差圧検出手段71で極間差圧を検出し、第2の差圧判定手段73で極間差圧の検出値が所定値以下であるか否かを判定する(ステップS7)。その結果、極間差圧の検出値が所定値以下であれば(ステップS7でYesの場合)、ステップS6に戻って、各ガスの圧力の監視を継続する。一方、極間差圧の検出値が所定値を超える場合(ステップS7でNoの場合)、ECU7は、図1に示すコンプレッサ51を駆動し、または、バルブV3を開くことで、酸化剤ガスをカソードガス流路5内に大気を導入する(ステップS8)。ステップS8で示すように、大気を導入すれば、カソードガス流路5内に供給される酸化剤ガスの圧力を高めることができるので、極間差圧を解消・低減することができる。なお、燃料電池2の停止時は、バルブV4は開かれているのが基本であるが、これが閉じられているときは、バルブV4を開くことで極間差圧を解消・低減することもできる。   As shown in FIG. 3B, in the fuel cell system 1, when the fuel cell 2 is stopped and the ignition is turned off (step S5), the pressure sensor 4 or 6 shown in FIG. Monitoring is performed while detecting the pressure of each gas supplied to the inside and the cathode gas flow path 5 (step S6). Then, the differential pressure detecting means 71 of the ECU 7 shown in FIG. 2 detects the inter-electrode differential pressure from each detected value, and the second differential pressure determining means 73 determines whether the detected inter-electrode differential pressure is equal to or less than a predetermined value. It is determined whether or not (step S7). As a result, if the detected value of the differential pressure between the electrodes is equal to or smaller than the predetermined value (Yes in step S7), the process returns to step S6 and the monitoring of the pressure of each gas is continued. On the other hand, when the detected value of the inter-electrode differential pressure exceeds a predetermined value (No in step S7), the ECU 7 drives the compressor 51 shown in FIG. Air is introduced into the cathode gas channel 5 (step S8). As shown in step S8, if the atmosphere is introduced, the pressure of the oxidant gas supplied into the cathode gas flow path 5 can be increased, so that the pressure difference between the electrodes can be eliminated / reduced. When the fuel cell 2 is stopped, the valve V4 is basically opened. However, when the fuel cell 2 is closed, the pressure difference between the electrodes can be eliminated or reduced by opening the valve V4. .

なお、燃料電池2の停止後に発生する極間差圧を解消・低減した後は、例えば、燃料ガスのアノードガス流路3および酸化剤ガスのカソードガス流路5をいずれも閉鎖系にするとよい。燃料電池停止後は、発電時から常温時までのような大きな温度差がないため、一旦極間差圧を解消・低減した後であれば、大きな差圧を生じないからである。このようにすることで、圧力センサで常時圧力を監視する必要もなく、燃費を向上させることができる。   After eliminating or reducing the inter-electrode differential pressure generated after the fuel cell 2 is stopped, for example, both the anode gas passage 3 for the fuel gas and the cathode gas passage 5 for the oxidant gas may be closed. . This is because, after the fuel cell is stopped, there is no large temperature difference between power generation and room temperature, and therefore, once the inter-electrode differential pressure is eliminated / reduced, a large differential pressure does not occur. By doing in this way, it is not necessary to always monitor a pressure with a pressure sensor, and a fuel consumption can be improved.

以上によれば、本実施形態に係る燃料電池システム1において、以下の効果を得ることができる。
燃料電池システム1では、ガス圧が低い方のガス流路(アノードガス流路3またはカソードガス流路5)内に新たにガスを供給するため、ガスを供給されたガス流路内のガス圧が高くなり、極間差圧が解消・低減され、固体高分子電解質膜23への負荷を低減することができる。そのため、固体高分子電解質膜23の劣化を抑制して、耐久性を向上させることができる。
また、燃料電池システム1は、燃料ガスまたは酸化剤ガスを新たに供給し、または、オフガス流路を大気開放するだけなので、特別な部品を増設することなく、既存のシステムで極間差圧を解消・低減することができる。特に、大気開放するだけであれば、余計なガスを使用せず、燃費を向上させることができる。
According to the above, the following effects can be obtained in the fuel cell system 1 according to the present embodiment.
In the fuel cell system 1, since a new gas is supplied into the gas flow path (the anode gas flow path 3 or the cathode gas flow path 5) having the lower gas pressure, the gas pressure in the gas flow path to which the gas has been supplied. , The inter-electrode differential pressure is eliminated / reduced, and the load on the solid polymer electrolyte membrane 23 can be reduced. Therefore, it is possible to improve the durability by suppressing the deterioration of the solid polymer electrolyte membrane 23.
In addition, since the fuel cell system 1 newly supplies fuel gas or oxidant gas, or only opens the off-gas flow path to the atmosphere, the differential pressure between the electrodes can be reduced with an existing system without adding special parts. Can be eliminated / reduced. In particular, if it is only opened to the atmosphere, unnecessary gas is not used, and fuel consumption can be improved.

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではない。
た、以下のような参考例とすることもできる。図4は、参考例に係る燃料電池システムの概略構成図である。
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the said embodiment .
Also, it may be a less of such a reference example. FIG. 4 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system according to a reference example.

図4に示す燃料電池システム1’は、前記した燃料電池システム1に、さらに、専用ガス供給源9と、この専用ガス供給源9からアノードガス流路3の上流側(燃料電池2の上流側)に連通するガス流路10Aと、専用ガス供給源9からカソードガス流路5の上流側(燃料電池2の上流側)に連通するガス流路10Bとを備え、ガス流路10A,10BにはそれぞれバルブV5,V6が設けられて構成されている。なお、専用ガス供給源9の専用ガスとしては、例えば、窒素、圧縮空気、ヘリウムガス、アルゴンガス等のドライガスがあげられる。   4 further includes a dedicated gas supply source 9 and an upstream side of the anode gas flow path 3 from the dedicated gas supply source 9 (upstream side of the fuel cell 2). ) And a gas flow path 10B communicating from the dedicated gas supply source 9 to the upstream side of the cathode gas flow path 5 (upstream side of the fuel cell 2), the gas flow paths 10A and 10B include Are provided with valves V5 and V6, respectively. In addition, as exclusive gas of the exclusive gas supply source 9, dry gas, such as nitrogen, compressed air, helium gas, argon gas, is mention | raise | lifted, for example.

この燃料電池システム1’においては、極間差圧が所定値以下であるか否かの判定までは、前記実施形態と同様であるのでその説明を省略し、ECU7の第1の差圧判定手段72,73(図2参照)が、極間差圧が所定値を超えると判定した後の動作について、以下説明する。   In this fuel cell system 1 ′, the process up to the determination as to whether or not the inter-electrode differential pressure is equal to or less than a predetermined value is the same as in the above-described embodiment, so that the description thereof is omitted, and first differential pressure determination means of the ECU The operation after 72 and 73 (see FIG. 2) determine that the inter-electrode differential pressure exceeds a predetermined value will be described below.

図4に示す燃料電池システム1’は、アノードガス流路3内圧力がカソードガス流路5内圧力より小さい場合、ECU7で、バルブV5を開くように制御して、ガス流路10Aを介して、アノードガス流路3に専用ガスを供給する。このように新たに専用ガスを供給することで、アノードガス流路3内のガス圧を高め、極間差圧を解消・低減することができる。   In the fuel cell system 1 ′ shown in FIG. 4, when the pressure in the anode gas flow path 3 is smaller than the pressure in the cathode gas flow path 5, the ECU 7 controls the valve V5 to be opened via the gas flow path 10 </ b> A. The special gas is supplied to the anode gas flow path 3. By newly supplying the dedicated gas in this way, the gas pressure in the anode gas flow path 3 can be increased, and the inter-electrode differential pressure can be eliminated / reduced.

一方、アノードガス流路3内に専用ガスを供給しすぎた結果、カソードガス流路5内圧力がアノードガス流路3内圧力より小さくなった場合、ECU7で、バルブV6を開くように制御する。そして、ガス流路10Bを介して、カソードガス流路5に専用ガスを供給する。このように新たに専用ガスを供給することで、カソードガス流路5内のガス圧を高め、極間差圧を解消・低減することができる。   On the other hand, when the pressure in the cathode gas flow path 5 becomes smaller than the pressure in the anode gas flow path 3 as a result of excessive supply of the dedicated gas into the anode gas flow path 3, the ECU 7 controls to open the valve V6. . Then, a dedicated gas is supplied to the cathode gas channel 5 through the gas channel 10B. By newly supplying the dedicated gas in this way, the gas pressure in the cathode gas flow path 5 can be increased, and the inter-electrode differential pressure can be eliminated / reduced.

このように、変形例に係る燃料電池システム1’においては、アノードガス流路3とカソードガス流路5にそれぞれ専用ガスが供給される手段を設けるだけでよいので、簡易な構成で極間差圧を解消・低減することができる。   As described above, in the fuel cell system 1 ′ according to the modified example, it is only necessary to provide means for supplying the dedicated gas to the anode gas channel 3 and the cathode gas channel 5, respectively. Pressure can be eliminated / reduced.

また、前記実施形態では、アノードガス流路3を閉鎖し、カソードガス流路5を開放しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、アノードガス流路3を開放し、カソードガス流路5を閉鎖し、あるいは、両流路(アノードガス流路3,カソードガス流路5)を閉鎖した状態であってもよい。   In the above embodiment, the anode gas flow path 3 is closed and the cathode gas flow path 5 is opened. However, the present invention is not limited to this. For example, the anode gas flow path 3 is opened. The cathode gas channel 5 may be closed, or both channels (the anode gas channel 3 and the cathode gas channel 5) may be closed.

本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. 本実施形態に係るECUの概略構成図である。It is a schematic block diagram of ECU which concerns on this embodiment. 燃料電池システムのフローチャートであり、(a)はアノードガス流路内圧力がカソードガス流路内圧力より小さい場合であり、(b)はカソードガス流路内圧力がアノードガス流路内圧力より小さい場合である。4 is a flowchart of a fuel cell system, where (a) is a case where the pressure in the anode gas flow path is smaller than the pressure in the cathode gas flow path, and (b) is a pressure in the cathode gas flow path smaller than the pressure in the anode gas flow path. Is the case. 参考例に係る燃料電池システムの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the fuel cell system which concerns on a reference example. 従来の極間差圧防止装置の全体構成図である。It is a whole block diagram of the conventional inter-electrode differential pressure preventing device.

符号の説明Explanation of symbols

1 燃料電池システム
2 燃料電池
3 ガス流路
4 圧力センサ
5 ガス流路
6 圧力センサ
7 ECU
9 専用ガス供給源
10A ガス流路
10B ガス流路
21 アノードガス流路内
22 カソードガス流路内
23 固体高分子電解質膜
31 高圧水素タンク
32 エゼクタ
51 コンプレッサ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell system 2 Fuel cell 3 Gas flow path 4 Pressure sensor 5 Gas flow path 6 Pressure sensor 7 ECU
9 Dedicated gas supply source 10A Gas flow path 10B Gas flow path 21 Inside the anode gas flow path 22 Inside the cathode gas flow path 23 Solid polymer electrolyte membrane 31 High pressure hydrogen tank 32 Ejector 51 Compressor

Claims (2)

アノードとカソードの間に電解質膜が配設され、前記アノードに供給される燃料ガスと前記カソードに供給される酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池と、
前記アノードを経由する燃料ガスが通流するアノードガス流路と、
前記カソードを経由する酸化剤ガスが通流するカソードガス流路と、
前記アノードの上流の前記アノードガス流路に設けられた第1バルブと、
前記アノードの下流の前記アノードガス流路に設けられた第2バルブと、
前記カソードの上流の前記カソードガス流路に設けられた第3バルブと、
前記カソードの下流の前記カソードガス流路に設けられた第4バルブと、
前記第1バルブ及び前記第2バルブの間の前記アノードガス流路内の燃料ガス圧を検出する第1の圧力検出手段と、
前記第3バルブ及び前記第4バルブの間の前記カソードガス流路内の酸化剤ガス圧を検出する第2の圧力検出手段と、
を備え、
前記燃料電池の発電を停止させる発電停止時に、前記第1バルブ及び前記第2バルブが閉じられ前記第1バルブ及び前記第2バルブの間の前記アノードガス流路は大気から閉鎖状態とされ、前記第3バルブ及び前記第4バルブが開かれ前記第3バルブ及び前記第4バルブの間の前記カソードガス流路は大気に開放状態とされる燃料電池システムであって、
前記燃料電池の発電停止前記第1の圧力検出手段の検出する燃料ガス圧が前記第2の圧力検出手段の検出する酸化剤ガス圧よりも低い場合、
前記圧力検出手段の検出値に基づき、前記アノードガス流路内の燃料ガス圧と前記カソードガス流路内の酸化剤ガス圧の差圧を検出する差圧検出手段と、
前記差圧検出手段の検出した差圧が、所定値以下であるか否かを判定する差圧判定手段と、
を備え、
前記差圧判定手段が前記差圧は所定値を超えると判定した場合、前記第2バルブは開き、前記第1バルブ及び前記第2バルブの間の前記アノードガス流路を大気に開放させる
とを特徴とする燃料電池システム。
An electrolyte membrane is disposed between the anode and the cathode, and a fuel cell that generates electricity by reacting a fuel gas supplied to the anode and an oxidant gas supplied to the cathode ; and
An anode gas flow path through which fuel gas passes through the anode;
A cathode gas passage through which an oxidant gas passing through the cathode flows;
A first valve provided in the anode gas flow path upstream of the anode;
A second valve provided in the anode gas flow path downstream of the anode;
A third valve provided in the cathode gas flow path upstream of the cathode;
A fourth valve provided in the cathode gas flow path downstream of the cathode;
First pressure detecting means for detecting a fuel gas pressure in the anode gas flow path between the first valve and the second valve ;
Second pressure detecting means for detecting an oxidant gas pressure in the cathode gas flow path between the third valve and the fourth valve ;
With
When power generation is stopped to stop power generation of the fuel cell, the first valve and the second valve are closed, and the anode gas flow path between the first valve and the second valve is closed from the atmosphere, A fuel cell system in which a third valve and the fourth valve are opened and the cathode gas flow path between the third valve and the fourth valve is opened to the atmosphere ;
When the fuel gas pressure detected by the first pressure detection means is lower than the oxidant gas pressure detected by the second pressure detection means after stopping the power generation of the fuel cell ,
Based on the detection value of the pressure detecting means, a differential pressure detecting means for detecting a differential pressure between the fuel gas pressure and the oxidizing gas pressure in the cathode gas flow path of the anode gas flow channel,
Differential pressure determination means for determining whether or not the differential pressure detected by the differential pressure detection means is a predetermined value or less;
With
When the differential pressure determining means determines that the differential pressure exceeds a predetermined value, the second valve is opened, and the anode gas flow path between the first valve and the second valve is opened to the atmosphere.
The fuel cell system which is characterized a call.
前記第2バルブが開いたことにより、前記差圧検出手段の検出する差圧が低減し、前記第1の圧力検出手段の検出する前記アノードガス流路内の燃料ガス圧と前記第2の圧力検出手段の検出する前記カソードガス流路内の酸化剤ガス圧とが等しくなった後、前記第2バルブは閉じて前記第1バルブ及び前記第2バルブの間の前記アノードガス流路を閉鎖し、前記第3バルブ及び前記第4バルブは閉じて前記第3バルブ及び前記第4バルブの間の前記カソードガス流路を閉鎖する  When the second valve is opened, the differential pressure detected by the differential pressure detecting means is reduced, and the fuel gas pressure and the second pressure in the anode gas flow path detected by the first pressure detecting means are reduced. After the oxidant gas pressure in the cathode gas flow path detected by the detection means becomes equal, the second valve is closed to close the anode gas flow path between the first valve and the second valve. The third valve and the fourth valve are closed to close the cathode gas flow path between the third valve and the fourth valve.
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。  The fuel cell system according to claim 1.
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