JP4742444B2

JP4742444B2 - Fuel cell device

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Publication number: JP4742444B2
Application number: JP2001128535A
Authority: JP
Inventors: 宗久堀口; 秀人宮崎; 正隆上野
Original assignee: Equos Research Co Ltd
Current assignee: Equos Research Co Ltd
Priority date: 2001-04-26
Filing date: 2001-04-26
Publication date: 2011-08-10
Anticipated expiration: 2021-04-26
Also published as: JP2002324564A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、燃料電池は発電効率が高く、有害物質を排出しないので、産業用、家庭用の発電装置として、又は人工衛星や宇宙船などの動力源として実用化されてきたが、近年は、乗用車、バス、トラック等の車両用の動力源として開発が進んでいる。
【０００３】
図２は従来の燃料電池装置を示す図である。
【０００４】
図において、１０１は燃料電池であり、アルカリ水溶液型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、直接型メタノール等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池が一般的である。
【０００５】
この場合、固体高分子電解質膜を２枚のガス拡散電極で挟み、一体化させて接合する。そして、該ガス拡散電極の一方をアノード極とし、その表面に燃料ガスとして水素ガスを供給すると、水素が水素イオン（プロトン）と電子に分解され、水素イオンが固体高分子電解質膜を透過する。また、前記ガス拡散電極の他方をカソード極とし、その表面に酸化剤として空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子が結合して、水が生成される。このような電気化学反応によって起電力が生じるようになっている。
【０００６】
また、１０２は凝縮器であり、燃料電池１０１の酸化剤排出口に配設され、排出される空気に含まれる水分が凝縮して除去され、排水管路１０８を通って図示されない水タンクに流入する。
【０００７】
そして、１０３は燃料としての水素ガスが貯蔵される水素吸蔵合金、水素ガスボンベ等の燃料貯蔵手段であり、水素ガスは、前記燃料貯蔵手段１０３から燃料供給管路１１１を通って、前記燃料電池１０１に供給される。なお、１１２は、外部から水素ガスを燃料貯蔵手段１０３に充填（てん）するための燃料充填管路であり、前記燃料供給管路１１１に接続される。ここで、前記燃料供給管路１１１には、供給される水素ガスの圧力を調節する燃料圧力調整弁１２０、供給される水素ガスの圧力を計測する圧力センサ１１９、及び、前記燃料供給管路１１１を開閉する燃料供給電磁弁１１５が配設される。
【０００８】
また、１１３は前記燃料電池１０１から排出された水素ガスを大気中に排出するための燃料排出管路である。そして、該燃料排出管路１１３には、水素ガスの逆流を防止する逆止弁１１６、及び、前記燃料排出管路１１３を開閉する燃料排出電磁弁１１７が配設される。
【０００９】
一方、１０５は、酸化剤供給管路１０７に配設された酸化剤供給源としての空気供給ファンであり、空気を燃料電池１０１の空気マニホールド１０４に供給する。また、１０６は、前記空気マニホールド１０４内に水をスプレーして、燃料電池１０１のカソード極である空気極を湿潤な状態に維持するための水供給ノズルである。
【００１０】
そして、前記構成の燃料電池装置においては、燃料電池１０１に供給される水素ガスの圧力があらかじめ設定した一定の圧力に維持されるように、圧力センサ１１９で燃料供給管路１１１内の水素ガスの圧力をモニターしながら、燃料圧力調整弁１２０を調節して、水素ガスを燃料貯蔵手段１０３から供給する。なお、燃料供給管１１１内の水素ガスの圧力があらかじめ設定した一定の圧力になるように燃料圧力調整弁１２０調整した後、該燃料圧力調整弁１２０は燃料電池１０１の運転中は調整されることがなく、そのままの状態が保持される。
【００１１】
また、空気供給ファン１０５は必要量に応じて十分な量の空気を燃料電池１０１の空気極に供給するように作動する。この場合、供給される空気の量は、燃料電池１０１の出力が最大となるために必要な空気の量よりも十分に多い量である。
【００１２】
このように、前記燃料電池装置においては、常に必要かつ十分な量の水素ガスが燃料電池１０１に供給されるので、燃料電池１０１の構成部材が焼損してしまうことがなく、燃料電池１０１の出力が安定し、燃費も良く、燃料電池装置にかかるコストを低減させることができる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の燃料電池装置においては、起動及び停止を繰り返す運転状況において、長期間が経過すると、燃料電池１０１の触媒が溶出したり、該触媒を担持するカーボンが腐食したり、触媒がシンタリングして、触媒の有効面積が減少して、燃料電池１０１の出力電圧が低下してしまう。
【００１４】
図３は従来の燃料電池装置を停止させる動作を示すフローチャートである。
【００１５】
従来、燃料電池装置を停止させる場合、まず、空気供給ファン１０５が停止している時には、該空気供給ファン１０５作動させる（ステップＳ１）。なお、空気供給ファン１０５が作動している時は、作動を継続させる。
【００１６】
次に、燃料供給電磁弁１１５を閉じて、燃料電池１０１への水素ガスの供給を遮断する（ステップＳ２）。そして、燃料排出電磁弁１１７を開けて、燃料電池１０１内の水素ガスを燃料排出管路１１３から大気中に排出させる（ステップＳ３）。
【００１７】
そして、この状態で燃料電池１０１内の水素ガスが所定の圧力（例えば、１．１〔Ｐａ〕）以下となるまで待機する（ステップＳ４）。続いて、前記燃料排出電磁弁１１７を閉じ（ステップＳ５）、空気供給ファン１０５を停止させる（ステップＳ６）。
【００１８】
これにより、燃料電池１０１内の水素ガスが大気圧レベルまで下がった状態となり、前述された燃料電池１０１の電気化学反応は停止する。
【００１９】
この場合、燃料電池１０１内の水素ガスが大気圧レベルまで下がるまでに時間がかかってしまう。しかも、水素ガスは、燃料電池１０１から完全には排出されず、わずかではあるが、流路内及び触媒層内部に残留してしまう。
【００２０】
燃料電池１０１のアノード極である水素極に水素ガスが残留し、カソード極である酸素極に酸素を含む空気が残留した状態で、外部の負荷との電気的接続が遮断されると、水素極と酸素極との間に電位差が生じる。そして、該電位差によって、触媒が溶出したり、該触媒を担持するカーボンが腐食したり、触媒がシンタリングするので、触媒の有効面積が減少してしまう。
【００２１】
また、前記水素極と酸素極とは極めて薄い固体高分子電解質膜によって隔てられているだけなので、水素極に残留する水素ガスが電解質を透過して酸素極に移動し、該酸素極に残留する空気中の酸素と混合し、爆発する危険性もある。
【００２２】
したがって、燃料電池装置を停止させる場合、燃料電池１０１から水素ガスを速やかに、かつ、確実に排出する必要がある。
【００２３】
このため、燃料電池装置を停止させた後に、燃料電池内の水素極及び酸素極の反応ガス通路に不活性ガスを導入して、反応性ガスをパージすることによって、水素極及び酸素極を不活性雰囲気とする方法が提案されている（特開平２−３３８６６号公報参照）。
【００２４】
しかし、前述された方法のように不活性ガスを導入しても、水素極と酸素極との間に生じた電位差は速やかに低下することがない。これは、燃料電池の触媒に付着した水素及び酸素は、不活性ガスを導入しても速やかにパージされないためと考えられる。さらに、車両用の燃料電池装置の場合、不活性ガスを貯留するタンクやボンベを車両に収納する必要があるが、スペースやコストの観点から、前記タンクやボンベを車両に収納することは困難である。
【００２５】
また、燃料電池装置を停止させた後に、燃料電池内の水素極の反応ガス通路に冷却水を導入して、水素ガスをパージした後、前記反応ガス通路に空気を導入することによって、水素極と酸素極との間の電位差を低下させる装置が提案されている（特開平７−２７２７３７号公報参照）。
【００２６】
しかし、車両用の燃料電池装置の場合、冷却水を導入するために配管や制御弁の配置が複雑となり、コストが高くなってしまう。しかも、車両用の冷却水には、通常、不凍液のような燃料電池の構成部材に影響を及ぼす不純物が含まれているので、燃料電池の構成部材が変質する危険性がある。
【００２７】
本発明は、前記従来の問題点を解決して、燃料電池装置を停止させる際、水素極側に残留する水素ガスを速やかに排出するとともに、水素極側に空気を導入することによって、水素極と酸素極との間に生じる電位差を急速に低下させ、触媒が溶出したり、該触媒を担持するカーボンが腐食したり、触媒がシンタリングしたりせず、そのため、触媒の有効面積が減少せず、起動及び停止を繰り返す運転状況においても、長期間にわたり高い性能を維持することができる燃料電池装置を提供することを目的とする。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
そのために、本発明の燃料電池装置においては、燃料極と接する燃料室と、酸素極と接する酸素室とを備えた燃料電池と、前記燃料室に接続され、該燃料室に燃料を供給する燃料供給管路と、該燃料供給管路に配設された空気導入装置と、前記燃料室を介して前記燃料供給管路と接続され、前記燃料室の燃料を排出する燃料排出管路と、該燃料排出管路に配設された燃料強制排出装置と、該燃料強制排出装置と並列となるように前記燃料排出管路に接続された燃料排出弁と、該燃料排出弁を開放して前記燃料電池内の燃料を排出し、前記燃料室内の圧力が負圧になる前に前記燃料排出弁を閉止するとともに前記燃料強制排出装置を作動させて前記燃料電池内の燃料を排出し、その後、前記空気導入装置を作動させて前記燃料電池内に空気を導入する制御手段とを有する。
【００２９】
本発明の他の燃料電池装置においては、さらに、前記燃料強制排出装置の位置は、前記燃料排出管路の最も低い位置よりも高い位置にある。
【００３１】
本発明の更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記制御手段は、前記燃料電池の出力を停止する指示を受けた時、前記燃料電池内の燃料を排出させ、その後、前記空気導入装置を作動させて前記燃料電池内に空気を導入する。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００３５】
図１は本発明の実施の形態における燃料電池装置の概念図、図４は本発明の実施の形態における燃料電池の単位ユニットの構成を示す断面図である。
【００３６】
図１において、１１は燃料電池（ＦＣ）であり、乗用車、バス、トラック等の車両用の動力源として使用される。ここで、前記車両は、照明装置、ラジオ、パワーウインドウ等の車両の停車中にも使用される電気を消費する補機類を多数備えており、また、走行パターンが多様であり動力源に要求される出力範囲が極めて広いので、動力源として燃料電池１１と図示されない蓄電手段としての２次電池とを併用して使用することが望ましい。
【００３７】
そして、燃料電池１１は、アルカリ水溶液型（ＡＦＣ）、リン酸型（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型（ＳＯＦＣ）、直接型メタノール（ＤＭＦＣ）等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）であることが望ましい。
【００３８】
なお、更に望ましくは、水素ガスを燃料とし、酸素又は空気を酸化剤とするＰＥＭＦＣ（ｐｒｏｔｏｎｅｘｃｈａｎｇｅｍｅｍｂｒａｎｃｅｆｕｅｌｃｅｌｌ）型燃料電池、又は、ＰＥＭ（ｐｒｏｔｏｎｅｘｃｈａｎｇｅｍｅｍｂｒａｎｃｅ）型燃料電池と呼ばれるものである。ここで、該ＰＥＭ型燃料電池は、一般的に、プロトン等のイオンを透過する固体高分子電解質膜の両側に触媒、電極及びセパレータを結合したセル（ｆｕｅｌｃｅｌｌ）を複数及び直列に結合したスタック（ｓｔａｃｋ）から成る（特開平１１−３１７２３５号公報参照）。
【００３９】
本実施の形態において、セル４０は、図４に示されるように、固体高分子電解質膜４５を２枚のガス拡散電極４３、４４で挟み、カーボンブラック等から成るセパレータ４６、４７で狭持して、接合する。また、該セパレータの一方４６には、複数の燃料室４８が、図において紙面に垂直方向に延在するように形成され、前記セパレータの他方４７には、複数の酸素室４９が、図において上下方向に延在するように形成される。なお、前記燃料室４８及び酸素室４９の一面は、ガス拡散電極４３、４４と接している。そして、該ガス拡散電極の一方４３を燃料極（アノード極）とし、前記燃料室４８内に燃料ガスとして水素ガスを供給すると、水素が水素イオン（プロトン）と電子に分解され、水素イオンが固体高分子電解質膜４５を透過する。また、前記ガス拡散電極の他方４４を酸素極（カソード極）とし、前記酸素室４９内に酸化ガスとして空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子が結合して、水が生成される。このような電気化学反応によって起電力が生じるようになっている。
【００４０】
例えば、本実施の形態においては、１例として、ＰＥＭ型燃料電池であり、４００枚のセルを直列に接続したスタックを使用する。この場合、総電極面積は３００〔ｃｍ²〕であり、開放端子電圧は約３５０〔Ｖ〕、出力は約５０〔ｋＷ〕である。そして、定常動作時の温度は５０〜９０〔℃〕程度である。
【００４１】
なお、図示されない改質装置によってメタノール、ガソリン等を改質して取り出した燃料である水素ガスを燃料電池１１に直接供給することもできるが、車両の高負荷運転時にも安定して十分な量の水素を供給することができるようにするためには、水素吸蔵合金、水素ガスボンベ等の燃料貯蔵手段１３に貯蔵した水素ガスを供給することが望ましい。これにより、水素ガスがほぼ一定の圧力で常に十分に供給されるので、前記燃料電池１１は車両の負荷の変動に遅れることなく追随して、必要な電流を供給することができる。
【００４２】
この場合、前記燃料電池１１の出力インピーダンスは極めて低く、０に近似することが可能である。
【００４３】
図１において、燃料電池１１に燃料としての水素ガス及び酸化剤としての空気を供給する装置が示される。水素ガスは、水素吸蔵合金、水素ガスボンベ等の燃料貯蔵手段１３から、燃料供給管路２１を通って、燃料電池１１の燃料室４８（図４）に供給される。また、２２は外部から水素ガスを燃料貯蔵手段１３に充填するための燃料充填管路であり、前記燃料供給管路２１に接続される。そして、前記燃料供給管路２１には、燃料圧力調整弁２５、燃料供給電磁弁２６、逆止弁２４及び圧力センサ２７が配設される。なお、前記燃料貯蔵手段１３は、十分に大きな容量を有し、常に、十分に高い圧力の水素ガスを供給できる能力を有するものである。
【００４４】
そして、燃料電池１１の燃料室４８から排出される水素ガスは、燃料排出管路３１を通って大気中へ排出される。なお、前記水素ガスをそのまま大気中へ排出せずに、酸素と結合させて水にした後で、排出させるようにしてもよい。また、前記燃料排出管路３１には、フィルタ３３、燃料排出電磁弁３４及び逆止弁３５が配設されるとともに、前記燃料排出電磁弁３４をバイパスするバイパス管路３２が接続される。そして、該バイパス管路３２には、燃料強制排出装置としての減圧ポンプ３６、及び、漏れ防止電磁弁３７が配設される。
【００４５】
なお、前記減圧ポンプ３６の位置は、燃料排出管３１の最も低い位置、すなわち、該燃料排出管３１を前記燃料室４８の出口に接続した位置、よりも高い位置にある。これによって、前記車両が走行中に傾いた時でも、燃料極（アノード極）４３において生成された水が減圧ポンプ３６内に進入して、水詰まりが発生するようなことがない。
【００４６】
ここで、前記燃料圧力調整弁２５は、バタフライバルブ、レギュレータバルブ、ダイヤフラム式バルブ、マスフローコントローラ、シーケンスバルブ等のものであるが、前記燃料圧力調整弁２５の出口から流出する水素ガスの圧力をあらかじめ設定した圧力に調整できるものであれば、いかなる種類のものであってもよい。なお、前記圧力の調整は、手動によってなされてもよいが、電気モータ、パルスモータ、電磁石等のアクチュエータによってなされることが望ましい。
【００４７】
また、前記燃料供給電磁弁２６、燃料排出電磁弁３４及び漏れ防止電磁弁３７はいわゆるオン−オフ式のものであり、電気モータ、パルスモータ、電磁石等からなるアクチュエータによって、作動させられる。そして、前記逆止弁２４、３５は、通常の構造を有するものである。さらに、前記減圧ポンプ３６は、水素ガスを強制的に排出し、燃料室４８内を負圧の状態にすることができるポンプであれば、いかなる種類のものであってもよい。
【００４８】
そして、前記圧力センサ２７は後述される燃料電池装置の制御手段に通信可能に接続され、前記燃料供給管路２１内を流れる水素ガスの圧力検出信号を前記制御手段に送信する。なお、前記圧力センサ２７は、燃料室４８、燃料排出管路３１等に配設されてもよい。この場合、水素ガスが流れる経路である燃料供給管路２１、燃料室４８及び燃料排出管路３１の中で、前記燃料供給電磁弁２６から燃料排出電磁弁３４又は減圧ポンプ３６までの範囲であれば、水素ガスの圧力は同一であると考えることができる。
【００４９】
また、前記燃料供給管路２１には、空気導入装置としての空気導入電磁弁２８が配設される。該空気導入電磁弁２８は、基本的に前記燃料供給電磁弁２６、燃料排出電磁弁３４及び漏れ防止電磁弁３７と同様の構成を有し、一端が前記燃料供給管路２１に接続され、他端がフィルタ２９を介して、大気に開放されている。なお、前記フィルタ２９及び３３は基本的に同様の構成を有し、空気に含まれる塵埃（じんあい）、不純物、有害ガス等を除去する。
【００５０】
一方、酸化剤としての空気は、空気供給ファン、空気ボンベ、空気タンク等の酸化剤供給源１５から、酸化剤供給管路１７及び、マニホールド１４を通って、燃料電池１１の酸素室４９（図４）に供給される。なお、酸化剤として、空気に代えて酸素を使用することもできる。そして、酸素室４９から排出される空気は、酸化剤排出管路１８を通って大気中へ排出される。また、前記マニホールド１４内には、水をスプレーして、燃料電池１１の酸素極（カソード極）４４を湿潤な状態に維持するための水供給ノズル１６が配設される。さらに、前記燃料電池１１の酸化剤排出管路１８側には、排出される空気に含まれる水分を凝縮して除去するための凝縮器１２が配設され、水分は排水管路１９を通って図示されない水タンクに回収される。
【００５１】
なお、前記蓄電手段としての２次電池は、いわゆる、バッテリ（蓄電池）であり、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池等が一般的であるが、電気自動車等に使用される高性能鉛蓄電池、リチウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池、ニッケル水素電池等が望ましい。
【００５２】
例えば、本実施の形態においては、１例として、高性能鉛蓄電池を使用する。
この場合、開放端子電圧は約２１０〔Ｖ〕であり、約１０〔ｋＷ〕の電流を５〜２０分程度供給することができる程度の容量を有する。
【００５３】
なお、前記蓄電手段は、必ずしもバッテリでなくてもよく、電気二重層コンデンサのようなコンデンサ（キャパシタ）、フライホイール、超伝導コイル、畜圧器等のように、エネルギーを電気的に蓄積し放出する機能を有するものであれば、いかなる形態のものであってもよい。さらに、これらの中のいずれかを単独で使用してもよいし、複数のものを組み合わせて使用してもよい。
【００５４】
また、前記燃料電池１１は図示されない負荷に接続され、発生した電流を前記負荷に供給する。ここで、該負荷は、一般的には、駆動制御装置であるインバータ装置であり、前記燃料電池１１又はバッテリからの直流電流を交流電流に変換して、車両の車輪を回転させる駆動モータに供給する。ここで、該駆動モータは発電機としても機能するものであり、車両の減速運転時には、いわゆる回生電流を発生する。この場合、前記駆動モータは車輪によって回転させられて発電するので、前記車輪にブレーキをかける、すなわち、車両の制動装置（ブレーキ）として機能する。そして、前記回生電流がバッテリに供給されて該バッテリが充電される。
【００５５】
なお、本実施の形態において、燃料電池装置は図示されない制御手段を有する。該制御手段は、ＣＰＵ、ＭＰＵ等の演算手段、半導体メモリ等の記憶手段、入出力インターフェイス等を備え、圧力センサ２７、その他のセンサから燃料電池１１の燃料室４８及び酸素室４９に供給される水素、酸素、空気等の流量、温度、出力電圧等を検出して、前記酸化剤供給源１５、燃料圧力調整弁２５、燃料供給電磁弁２６、空気導入電磁弁２８、燃料排出電磁弁３４、減圧ポンプ３６及び漏れ防止電磁弁３７の動作を制御する。さらに、前記制御手段は、他のセンサ及び他の制御装置と連携して、燃料電池１１に燃料及び酸化剤を供給する装置の動作を統括的に制御する。
【００５６】
次に、前記構成の燃料電池装置の動作について説明する。
【００５７】
図５は本実施の形態における燃料電池の出力を停止する時の燃料電池の特性を従来例との比較において示す図、図６は本実施の形態における燃料電池の出力の経時変化を従来例との比較において示す図、図７は本実施の形態における燃料電池装置の動作を示す第１のフローチャート、図８は本実施の形態における燃料電池装置の動作を示す第２のフローチャートである。
【００５８】
本実施の形態の燃料電池装置においては、燃料圧力調整弁２５の出口から流出する水素ガスの圧力をあらかじめ設定した一定の圧力に調整した後、前記燃料圧力調整弁２５は車両の運転中は調整されることがなく、そのままの状態が保持される。
【００５９】
また、酸化剤供給源１５は常に一定量の空気を燃料電池１１の酸素室４９に供給するように作動する。この場合、供給される空気の量は、燃料電池１１の出力が最大となるために必要な空気の量よりも十分に多い量である。
【００６０】
そして、運転者が車両を停止させ、該車両の動力源のスイッチをオフにすると、燃料電池１１の出力を停止する指示が、車両の制御装置から出され、燃料電池装置の制御手段に送信される。すると、前記制御手段は、酸化剤供給源１５である空気供給ファンを作動させる、すなわち、オンにする（ステップＳ１１）。なお、空気供給ファンが既に作動している時は、作動を継続させる。
【００６１】
これにより、水素ガスが燃料極（アノード極）４３から固体高分子電解質膜４５を透過して拡散してきても、酸素極（カソード極）４４に滞留することなく空気とともに排出される。このため、燃料室４８から拡散してきた水素ガスが空気極に局所的に滞留して、燃焼爆発することがない。
【００６２】
続いて、水供給ノズル１６からの水のスプレーを開始する（ステップＳ１２）。これにより、燃料極４３も冷却されるので、燃料室４８に残留する水素ガスが空気中の酸素と反応して燃焼しても、燃焼の発熱による前記燃料極４３の劣化を防止することができる。
【００６３】
次に、前記制御手段は、燃料供給電磁弁２６を閉じて、燃料室４８への水素ガスの供給を遮断する（ステップＳ１３）。そして、燃料排出電磁弁３４を開けて、燃料室４８内の水素ガスを燃料排出管路３１から大気中に排出させる（ステップＳ１４）。なお、大気中に排出される水素ガスは、酸素と結合させて水にしてから排出するようにしてもよい。
【００６４】
そして、この状態で燃料室４８内の水素ガスの圧力が所定圧力、例えば１．１〔Ｐａ〕以下となるか、または、所定時間、例えば３〔秒〕、が経過するまで、待機する（ステップＳ１５）。ただし、燃料室４８内の水素ガスの圧力が負圧となることがないようにする。ここで、前記燃料室４８内の水素ガスの圧力は、圧力センサ２７によって検出される。この場合、水素ガスの流れる経路において燃料供給電磁弁２６から燃料排出電磁弁３４又は減圧ポンプ３６までの範囲では水素ガスの圧力は同一であると考えることができるので、圧力センサ２７が前記範囲内に配設されていれば、該圧力センサ２７の検出する圧力は、燃料電池１１の燃料室４８の圧力に等しい。
【００６５】
なお、前記所定時間は、燃料室４８内の水素ガスの圧力が前記所定圧力となるまでの時間であって、あらかじめ、実験によって求められる。
【００６６】
そして、燃料室４８内の水素ガスの圧力が前記所定圧力以下となるか、または、前記所定時間が経過すると、前記制御手段は、燃料排出電磁弁３４を閉じて燃料排出管路３１を遮断し（ステップＳ１６）、減圧ポンプ３６を作動させる（ステップＳ１７）とともに、漏れ防止電磁弁３７を開ける（ステップＳ１８）。
【００６７】
これにより、バイパス管路３２が開放され、前記燃料室４８内の水素ガスは、減圧ポンプ３６に吸引され、前記バイパス管路３２を経由して大気中に強制的に排出される。この場合、燃料室４８の内部が負圧となるので、燃料室４８内から水素ガスが確実に速やかに除去されて排出される。
【００６８】
続いて、この状態で燃料室４８内の水素ガスの圧力が所定圧力、例えば０．１〔ＭＰａ〕以下となるか、前記圧力が所定圧力となるまでの時間である所定時間、例えば４０〔秒〕、が経過するか、または、燃料電池の出力が所定電圧、例えば、３０〔Ｖ〕となるまで待機する（ステップＳ１９）。この場合、前記所定圧力は、相当の負圧であるので、前記燃料室４８内の燃料通路に水素ガスが実質的に残留していない状態である。
【００６９】
なお、前記所定時間は、燃料室４８内の水素ガスの圧力が前記所定圧力となるまでの時間であり、前記所定電圧は前記水素ガスの圧力が前記所定圧力である時の燃料電池１１の出力電圧である。そして、前記所定時間及び所定電圧は、あらかじめ、実験によって求められる。
【００７０】
そして、燃料室４８内の水素ガスの圧力が前記所定圧力以下となるか、または、前記所定時間が経過すると、前記制御手段は空気導入電磁弁２８を開き、空気を燃料室４８内へ導入する（ステップＳ２０）。この場合、燃料供給電磁弁２６は閉じた状態であるので、導入された空気が燃料貯蔵手段１３の方へ流入することはない。これにより、前記燃料室４８内には空気が充満する。なお、前記空気はフィルタ２９を通過して濾過された空気なので、大気中に存在する塵埃、不純物、有害ガス等を含んでいない。したがって、前記燃料室４８における触媒等の部材が前記塵埃、不純物、有害ガス等によって汚染されたり変質させられることがない。
【００７１】
また、空気を導入することによって、触媒上において残留水素が空気中の酸素と反応して燃焼する。そのため、電位差がなくなって、燃料電池１１の出力電圧が低下する。その時、燃焼によって一時的に熱が発生するが、燃料電池１１の熱容量が十分に大きく、かつ、水供給ノズル１６から酸素室４９内に水をスプレーしているので、温度の急激な上昇を抑制することができる。
【００７２】
続いて、この状態で燃料電池１１の出力が所定電圧、例えば５〔Ｖ〕以下となるか、または、前記出力が所定電圧となるまでの時間である所定時間、例えば１０〔秒〕、が経過するまで、待機する（ステップＳ２１）。ここで、前記所定電圧は、燃料室４８に水素ガスが残留しておらず、空気が充満しており、燃料極４３と酸素極４４との間に実質的に電位差が生じていない状態に対応する出力電圧である。
【００７３】
そして、燃料電池１１の出力が前記所定電圧以下となるか、または、前記所定時間が経過すると、前記水供給ノズル１６からの水のスプレーを停止させ（ステップＳ２２）、前記制御手段は減圧ポンプ３６を停止させ（ステップＳ２３）、空気導入電磁弁２８を閉じ（ステップＳ２４）、漏れ防止電磁弁３７を閉じ（ステップＳ２５）、最後に酸化剤供給源１５を停止させる（ステップＳ２６）。
【００７４】
これにより、燃料電池１１の出力が停止された状態となる。
【００７５】
この場合、燃料電池１１の出力を停止する指示が出されると、該燃料電池１１の出力は速やかに低下する。
【００７６】
図５において、４１は、本実施の形態の燃料電池装置における燃料電池１１を構成する多数のセル４０の中の１つのセル４０の出力電圧の変化を示す線であり、４２は、「従来の技術」において説明した従来の燃料電池装置における燃料電池１０１を構成する多数のセルの中の１つのセルの出力電圧の変化を示す線である。
【００７７】
図に示されるように、本実施の形態の燃料電池装置においては、燃料電池１１の出力を停止する指示が出されて２０〔秒〕経過せずに、セルの出力電圧が低下し始める。これに対し、従来の燃料電池装置における燃料電池１０１のセルの出力電圧は、前記指示が出されてから４０分、すなわち、２４００〔秒〕経過した時点で、低下し始める。また、セルの出力電圧が低下し始めてからも、本実施の形態の燃料電池装置においては急速に低下するのに対して、従来の燃料電池装置においてはゆっくりと低下する。
【００７８】
このため、前記従来の燃料電池装置においては、燃料電池１０１の出力を停止する度に、外部の負荷との電気的接続が遮断された後、燃料室に水素ガスが残留し、酸素室に酸素を含む空気が残留して、燃料極と酸素極との間に電位差が生じる状態が長時間継続してしまう。そして、該電位差によって、触媒が溶出したり、該触媒を担持するカーボンが腐食したり、触媒がシンタリングするので、触媒の有効面積が減少してしまう。したがって、燃料電池装置の起動及び停止を繰り返すと、燃料電池１０１の性能が劣化して、出力電圧が低下してしまう。
【００７９】
これに対し、本実施の形態の燃料電池装置においては、燃料電池１１の出力を停止する際に、外部の負荷との電気的接続が遮断された後、燃料室４８に水素ガスが残留し、酸素室４９に酸素を含む空気が残留して、燃料極４３と酸素極４４との間に電位差が生じる状態が極めて短時間で終了する。そのため、該電位差により、触媒が溶出したり、該触媒を担持するカーボンが腐食したり、触媒がシンタリングすることがないので、触媒の有効面積が減少しない。したがって、燃料電池装置の起動及び停止を繰り返しても、燃料電池１１の性能が劣化せず、出力電圧が低下することがない。
【００８０】
図６において、５１は、本実施の形態の燃料電池装置における燃料電池１１を構成する多数のセル４０の平均出力電圧の変化を示す線であり、５２は、「従来の技術」において説明した従来の燃料電池装置における燃料電池１０１を構成する多数のセルの平均出力電圧の変化を示す線である。
【００８１】
図に示されるように、従来の燃料電池装置における燃料電池１０１のセルの平均出力電圧は、停止回数の増加に伴って低下していくのに対して、本実施の形態の燃料電池装置においては、燃料電池１１の平均出力電圧は、停止回数が増加してもほぼ一定に維持されることが分かる。
【００８２】
なお、前記燃料電池１１を起動させる場合には、まず、燃料排出電磁弁３４を開けて、燃料室４８内の空気が燃料排出管路３１を通って排出されるようにする。続いて、燃料供給電磁弁２６をオンして燃料貯蔵手段１３からの水素ガスが燃料供給管路２１を通って燃料室４８に供給されるようにする。この時、燃料排出電磁弁３４が開いているので、前記燃料室４８内の圧力が衝撃的に上昇することがなく、電解質膜等に損傷を与える恐れがない。また、燃料室４８内に残留する空気が供給された水素ガスによってパージされる（特開平１１−３１７２３５号公報参照）。
【００８３】
その後、燃料電池１１が定常運転になると、燃料排出電磁弁３４は間欠的にオン−オフを繰り返す。例えば、２秒間オンした後５８秒間オフするというサイクルを繰り返す。一方、燃料供給電磁弁２６はオンの状態を維持する。
【００８４】
このように、本実施の形態においては、燃料電池１１を停止させる指示が出されると、減圧ポンプ３６が作動して、燃料室４８内の水素ガスを吸引して燃料排出管路３１から強制的に排出する。その後、空気導入電磁弁２８が開き、空気が燃料供給管路２１から燃料室４８内に導入される。
【００８５】
したがって、燃料電池１１の出力を停止する際に、外部の負荷との電気的接続が遮断された後、燃料室４８に水素ガスが残留し、酸素室４９に酸素を含む空気が残留して、燃料極４３と酸素極４４との間に電位差が生じる状態が極めて短時間で終了する。そのため、該電位差により、触媒が溶出したり、該触媒を担持するカーボンが腐食したり、触媒がシンタリングすることがないので、触媒の有効面積が減少しない。したがって、燃料電池装置の起動及び停止を繰り返しても、燃料電池１１の性能が劣化せず、出力電圧が低下することがなく、長期間にわたり高い性能を維持することができる。
【００８６】
また、本実施の形態においては、燃料室４８内の水素ガスを吸引して燃料排出管路３１から強制的に排出するためには、燃料排出管路３１に減圧ポンプ３６及び漏れ防止電磁弁３７が配設されたバイパス管路３２を接続し、空気を燃料供給管路２１から燃料室４８内に導入するために、空気導入電磁弁２８を燃料供給管路２１に接続しただけである。
【００８７】
そのため、管路や弁の配置が簡素であり、製造コスト及びメンテナンスコストを低くすることができる。
【００８８】
さらに、燃料室４８内に導入する空気は、フィルタ２９を通過して濾過された空気なので、大気中に存在する塵埃、不純物、有害ガス等を含んでいない。
【００８９】
したがって、前記燃料室４８における触媒等の部材が前記塵埃、不純物、有害ガス等によって汚染されたり変質させられることがない。
【００９０】
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００９１】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、燃料電池装置においては、燃料極と接する燃料室と、酸素極と接する酸素室とを備えた燃料電池と、前記燃料室に接続され、該燃料室に燃料を供給する燃料供給管路と、該燃料供給管路に配設された空気導入装置と、前記燃料室を介して前記燃料供給管路と接続され、前記燃料室の燃料を排出する燃料排出管路と、該燃料排出管路に配設された燃料強制排出装置と、該燃料強制排出装置と並列となるように前記燃料排出管路に接続された燃料排出弁と、該燃料排出弁を開放して前記燃料電池内の燃料を排出し、前記燃料室内の圧力が負圧になる前に前記燃料排出弁を閉止するとともに前記燃料強制排出装置を作動させて前記燃料電池内の燃料を排出し、その後、前記空気導入装置を作動させて前記燃料電池内に空気を導入する制御手段とを有する。
【００９３】
この場合、燃料電池装置を停止させる際に、燃料室に残留する水素ガスを速やかに排出するとともに、燃料室に空気を導入するので、燃料極と酸素極との間に生じる電位差を急速に低下させることができる。したがって、触媒が溶出したり、該触媒を担持するカーボンが腐食したり、触媒がシンタリングしたりせず、触媒の有効面積が減少しないので、起動及び停止を繰り返す運転状況においても、長期間にわたり高い性能を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における燃料電池装置の概念図である。
【図２】従来の燃料電池装置を示す図である。
【図３】従来の燃料電池装置を停止させる動作を示すフローチャートである。
【図４】本発明の実施の形態における燃料電池の単位ユニットの構成を示す断面図である。
【図５】本実施の形態における燃料電池の出力を停止する時の燃料電池の特性を従来例との比較において示す図である。
【図６】本実施の形態における燃料電池の出力の経時変化を従来例との比較において示す図である。
【図７】本実施の形態における燃料電池装置の動作を示す第２のフローチャートである。
【図８】本実施の形態における燃料電池装置の動作を示す第２のフローチャートである。
【符号の説明】
１１燃料電池
２１燃料供給管路
２８空気導入電磁源
３６燃料排出ポンプ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention relates to a fuel cell device.In placeIt is related.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, since fuel cells have high power generation efficiency and do not emit harmful substances, they have been put into practical use as power generators for industrial and household use, or as power sources for artificial satellites and spacecrafts. Development is progressing as a power source for vehicles such as buses and trucks.
[0003]
FIG. 2 shows a conventional fuel cell device.
[0004]
In the figure, 101 is a fuel cell, which may be of an alkaline aqueous solution type, phosphoric acid type, molten carbonate type, solid oxide type, direct type methanol, etc., but a solid polymer type fuel cell is generally used. It is.
[0005]
In this case, the solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between two gas diffusion electrodes and integrated to join. When one of the gas diffusion electrodes is used as an anode electrode and hydrogen gas is supplied as a fuel gas to the surface thereof, hydrogen is decomposed into hydrogen ions (protons) and electrons, and the hydrogen ions permeate the solid polymer electrolyte membrane. Further, when the other of the gas diffusion electrodes is a cathode electrode and air is supplied to the surface thereof as an oxidant, oxygen in the air is combined with the hydrogen ions and electrons to generate water. An electromotive force is generated by such an electrochemical reaction.
[0006]
Reference numeral 102 denotes a condenser, which is disposed at the oxidant discharge port of the fuel cell 101 to condense and remove moisture contained in the discharged air, and flows into a water tank (not shown) through the drain line 108. To do.
[0007]
Reference numeral 103 denotes a fuel storage means such as a hydrogen storage alloy or a hydrogen gas cylinder for storing hydrogen gas as fuel. The hydrogen gas passes from the fuel storage means 103 through the fuel supply line 111 to the fuel cell 101. To be supplied. Reference numeral 112 denotes a fuel filling line for filling the fuel storage means 103 with hydrogen gas from the outside, and is connected to the fuel supply line 111. Here, the fuel supply line 111 includes a fuel pressure adjustment valve 120 that adjusts the pressure of the supplied hydrogen gas, a pressure sensor 119 that measures the pressure of the supplied hydrogen gas, and the fuel supply line 111. A fuel supply electromagnetic valve 115 for opening and closing the valve is disposed.
[0008]
Reference numeral 113 denotes a fuel discharge conduit for discharging the hydrogen gas discharged from the fuel cell 101 into the atmosphere. The fuel discharge pipe 113 is provided with a check valve 116 for preventing the backflow of hydrogen gas and a fuel discharge electromagnetic valve 117 for opening and closing the fuel discharge pipe 113.
[0009]
On the other hand, 105 is an air supply fan as an oxidant supply source disposed in the oxidant supply pipe 107, and supplies air to the air manifold 104 of the fuel cell 101. Reference numeral 106 denotes a water supply nozzle for spraying water into the air manifold 104 to keep the air electrode, which is the cathode electrode of the fuel cell 101, in a wet state.
[0010]
In the fuel cell apparatus having the above-described configuration, the pressure sensor 119 maintains the hydrogen gas pressure in the fuel supply line 111 so that the pressure of the hydrogen gas supplied to the fuel cell 101 is maintained at a predetermined pressure. While monitoring the pressure, the fuel pressure adjusting valve 120 is adjusted to supply hydrogen gas from the fuel storage means 103. In addition, after adjusting the fuel pressure adjustment valve 120 so that the pressure of the hydrogen gas in the fuel supply pipe 111 becomes a predetermined constant pressure, the fuel pressure adjustment valve 120 is adjusted during the operation of the fuel cell 101. There is no, and the state is maintained as it is.
[0011]
The air supply fan 105 operates to supply a sufficient amount of air to the air electrode of the fuel cell 101 according to the required amount. In this case, the amount of air supplied is an amount sufficiently larger than the amount of air necessary for the output of the fuel cell 101 to be maximized.
[0012]
As described above, in the fuel cell device, since a necessary and sufficient amount of hydrogen gas is always supplied to the fuel cell 101, the constituent members of the fuel cell 101 are not burned out, and the output of the fuel cell 101 is reduced. Is stable, fuel consumption is good, and the cost of the fuel cell device can be reduced.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-described conventional fuel cell apparatus, when a long period of time elapses in an operation state in which starting and stopping are repeated, the catalyst of the fuel cell 101 is eluted, the carbon carrying the catalyst is corroded, or the catalyst is sintered. As a result, the effective area of the catalyst decreases, and the output voltage of the fuel cell 101 decreases.
[0014]
FIG. 3 is a flowchart showing the operation of stopping the conventional fuel cell device.
[0015]
Conventionally, when stopping the fuel cell device, first, when the air supply fan 105 is stopped, the air supply fan 105 is operated (step S1). When the air supply fan 105 is operating, the operation is continued.
[0016]
Next, the fuel supply electromagnetic valve 115 is closed to shut off the supply of hydrogen gas to the fuel cell 101 (step S2). Then, the fuel discharge electromagnetic valve 117 is opened, and the hydrogen gas in the fuel cell 101 is discharged from the fuel discharge pipe 113 into the atmosphere (step S3).
[0017]
In this state, the process waits until the hydrogen gas in the fuel cell 101 becomes a predetermined pressure (eg, 1.1 [Pa]) or less (step S4). Subsequently, the fuel discharge electromagnetic valve 117 is closed (step S5), and the air supply fan 105 is stopped (step S6).
[0018]
As a result, the hydrogen gas in the fuel cell 101 is lowered to the atmospheric pressure level, and the above-described electrochemical reaction of the fuel cell 101 is stopped.
[0019]
In this case, it takes time for the hydrogen gas in the fuel cell 101 to drop to the atmospheric pressure level. In addition, the hydrogen gas is not completely discharged from the fuel cell 101 and remains in the flow path and the catalyst layer, though slightly.
[0020]
When the hydrogen gas remains in the hydrogen electrode that is the anode electrode of the fuel cell 101 and the air containing oxygen remains in the oxygen electrode that is the cathode electrode, the electrical connection with the external load is interrupted. A potential difference is generated between the oxygen electrode and the oxygen electrode. Due to the potential difference, the catalyst is eluted, the carbon supporting the catalyst is corroded, and the catalyst is sintered, so that the effective area of the catalyst is reduced.
[0021]
Further, since the hydrogen electrode and the oxygen electrode are only separated by a very thin solid polymer electrolyte membrane, hydrogen gas remaining in the hydrogen electrode permeates the electrolyte and moves to the oxygen electrode, and remains in the oxygen electrode. There is also a risk of explosion when mixed with oxygen in the air.
[0022]
Therefore, when stopping the fuel cell device, it is necessary to quickly and reliably discharge hydrogen gas from the fuel cell 101.
[0023]
For this reason, after stopping the fuel cell device, the inert gas is introduced into the reaction gas passages of the hydrogen electrode and oxygen electrode in the fuel cell, and the reactive gas is purged, whereby the hydrogen electrode and oxygen electrode are inactivated. A method for forming an active atmosphere has been proposed (see JP-A-2-33866).
[0024]
However, even if an inert gas is introduced as in the above-described method, the potential difference generated between the hydrogen electrode and the oxygen electrode does not quickly decrease. This is presumably because hydrogen and oxygen attached to the catalyst of the fuel cell are not quickly purged even when an inert gas is introduced. Furthermore, in the case of a fuel cell device for a vehicle, it is necessary to store a tank or a cylinder for storing an inert gas in the vehicle, but it is difficult to store the tank or the cylinder in the vehicle from the viewpoint of space and cost. is there.
[0025]
In addition, after stopping the fuel cell device, by introducing cooling water into the reaction gas passage of the hydrogen electrode in the fuel cell, purging the hydrogen gas, and then introducing air into the reaction gas passage, An apparatus for reducing the potential difference between the oxygen electrode and the oxygen electrode has been proposed (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-272737).
[0026]
However, in the case of a fuel cell device for a vehicle, the arrangement of piping and control valves is complicated to introduce cooling water, and the cost increases. In addition, since the coolant for vehicles usually contains impurities that affect the constituent members of the fuel cell, such as antifreeze, there is a risk that the constituent members of the fuel cell may be altered.
[0027]
  The present invention solves the above-mentioned conventional problems and, when stopping the fuel cell device, quickly discharges hydrogen gas remaining on the hydrogen electrode side and introduces air to the hydrogen electrode side, thereby The potential difference generated between the oxygen electrode and the oxygen electrode is rapidly reduced, so that the catalyst does not elute, the carbon supporting the catalyst does not corrode, and the catalyst does not sinter, so the effective area of the catalyst is reduced. In addition, even in an operating situation in which start and stop are repeated, a fuel cell device that can maintain high performance over a long period of timePlaceThe purpose is to provide.
[0028]
[Means for Solving the Problems]
  Therefore, in the fuel cell device of the present invention, a fuel cell including a fuel chamber in contact with the fuel electrode and an oxygen chamber in contact with the oxygen electrode, and a fuel connected to the fuel chamber and supplying fuel to the fuel chamber A supply line, an air introduction device disposed in the fuel supply line, a fuel discharge line connected to the fuel supply line via the fuel chamber, and discharging the fuel in the fuel chamber; A fuel forced discharge device disposed in the fuel discharge line; a fuel discharge valve connected to the fuel discharge line in parallel with the fuel forced discharge device; and the fuel discharge valve is opened to open the fuel The fuel in the battery is discharged, and before the pressure in the fuel chamber becomes negative, the fuel discharge valve is closed and the fuel forced discharge device is operated to discharge the fuel in the fuel cell. Air is introduced into the fuel cell by operating the air introduction device. And a control means for.
[0029]
  In another fuel cell device of the present invention, the position of the fuel forced discharge device is the fuel discharge pipe.RoadIs higher than the lowest position.
[0031]
  In still another fuel cell device of the present invention, the control means further receives an instruction to stop the output of the fuel cell.,in frontThe fuel in the fuel cell is discharged.Let thatThereafter, the air introduction device is operated to introduce air into the fuel cell.
[0034]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0035]
FIG. 1 is a conceptual diagram of a fuel cell device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a cross-sectional view showing a configuration of a unit unit of a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
[0036]
In FIG. 1, 11 is a fuel cell (FC), which is used as a power source for vehicles such as passenger cars, buses and trucks. Here, the vehicle is equipped with a large number of auxiliary devices that consume electricity, such as lighting devices, radios, and power windows, and also has various driving patterns and requires a power source. Since the output range is extremely wide, it is desirable to use the fuel cell 11 as a power source and a secondary battery as a power storage means (not shown) in combination.
[0037]
The fuel cell 11 may be of an alkaline aqueous solution type (AFC), phosphoric acid type (PAFC), molten carbonate type (MCFC), solid oxide type (SOFC), direct methanol (DMFC), or the like. A solid polymer type fuel cell (PEMFC) is preferable.
[0038]
It is more desirable to use a PEMFC (proton exchange fuel cell) type fuel cell or a PEM (proton exchange membrane) type fuel cell that uses hydrogen gas as fuel and oxygen or air as oxidant. Here, the PEM type fuel cell is generally a stack in which a plurality of cells (fuel cells) in which a catalyst, an electrode, and a separator are combined on both sides of a solid polymer electrolyte membrane that transmits ions such as protons are connected in series. (Stack) (see JP-A-11-317235).
[0039]
In the present embodiment, as shown in FIG. 4, the cell 40 sandwiches a solid polymer electrolyte membrane 45 between two gas diffusion electrodes 43, 44, and is sandwiched between separators 46, 47 made of carbon black or the like. And join. A plurality of fuel chambers 48 are formed in one of the separators 46 so as to extend in a direction perpendicular to the paper surface in the figure, and a plurality of oxygen chambers 49 are provided in the other 47 of the separator in the figure. It is formed to extend in the direction. One surface of the fuel chamber 48 and the oxygen chamber 49 is in contact with the gas diffusion electrodes 43 and 44. When one of the gas diffusion electrodes 43 is a fuel electrode (anode electrode) and hydrogen gas is supplied as fuel gas into the fuel chamber 48, hydrogen is decomposed into hydrogen ions (protons) and electrons, and the hydrogen ions are solid. It passes through the polymer electrolyte membrane 45. When the other 44 of the gas diffusion electrode is an oxygen electrode (cathode electrode) and air is supplied as an oxidizing gas into the oxygen chamber 49, oxygen in the air is combined with the hydrogen ions and electrons, and water is Generated. An electromotive force is generated by such an electrochemical reaction.
[0040]
For example, in the present embodiment, as an example, a PEM type fuel cell is used, and a stack in which 400 cells are connected in series is used. In this case, the total electrode area is 300 cm.²The open terminal voltage is about 350 [V], and the output is about 50 [kW]. And the temperature at the time of a steady operation is about 50-90 [degreeC].
[0041]
It is possible to directly supply hydrogen gas, which is a fuel taken out by reforming methanol, gasoline, or the like by a reformer (not shown) to the fuel cell 11, but a stable and sufficient amount even during high-load operation of the vehicle. In order to be able to supply hydrogen, it is desirable to supply hydrogen gas stored in the fuel storage means 13 such as a hydrogen storage alloy or a hydrogen gas cylinder. Thereby, hydrogen gas is always sufficiently supplied at a substantially constant pressure, so that the fuel cell 11 can follow the fluctuation of the load of the vehicle and supply a necessary current.
[0042]
In this case, the output impedance of the fuel cell 11 is extremely low and can be approximated to zero.
[0043]
In FIG. 1, an apparatus for supplying hydrogen gas as a fuel and air as an oxidant to a fuel cell 11 is shown. The hydrogen gas is supplied from the fuel storage means 13 such as a hydrogen storage alloy or a hydrogen gas cylinder through the fuel supply line 21 to the fuel chamber 48 (FIG. 4) of the fuel cell 11. Reference numeral 22 denotes a fuel filling line for filling the fuel storage means 13 with hydrogen gas from the outside, and is connected to the fuel supply line 21. A fuel pressure adjustment valve 25, a fuel supply electromagnetic valve 26, a check valve 24, and a pressure sensor 27 are disposed in the fuel supply line 21. The fuel storage means 13 has a sufficiently large capacity and always has a capability of supplying hydrogen gas at a sufficiently high pressure.
[0044]
The hydrogen gas discharged from the fuel chamber 48 of the fuel cell 11 passes through the fuel discharge pipe 31 and is discharged into the atmosphere. The hydrogen gas may be discharged after being combined with oxygen to form water without being discharged into the atmosphere as it is. Further, a filter 33, a fuel discharge electromagnetic valve 34 and a check valve 35 are disposed in the fuel discharge pipe 31, and a bypass pipe 32 that bypasses the fuel discharge electromagnetic valve 34 is connected. The bypass pipe 32 is provided with a decompression pump 36 as a forced fuel discharge device and a leakage prevention electromagnetic valve 37.
[0045]
The position of the pressure reducing pump 36 is at the lowest position of the fuel discharge pipe 31, that is, higher than the position where the fuel discharge pipe 31 is connected to the outlet of the fuel chamber 48. As a result, even when the vehicle is tilted while traveling, water generated in the fuel electrode (anode electrode) 43 does not enter the pressure reducing pump 36 and clogging occurs.
[0046]
Here, the fuel pressure adjusting valve 25 is a butterfly valve, a regulator valve, a diaphragm valve, a mass flow controller, a sequence valve, or the like. The pressure of the hydrogen gas flowing out from the outlet of the fuel pressure adjusting valve 25 is set in advance. Any type may be used as long as it can be adjusted to the set pressure. The pressure may be adjusted manually, but it is preferable that the pressure be adjusted by an actuator such as an electric motor, a pulse motor, or an electromagnet.
[0047]
The fuel supply solenoid valve 26, the fuel discharge solenoid valve 34, and the leakage prevention solenoid valve 37 are so-called on-off types, and are operated by an actuator including an electric motor, a pulse motor, an electromagnet, and the like. The check valves 24 and 35 have a normal structure. Further, the decompression pump 36 may be of any type as long as it can forcibly discharge hydrogen gas and bring the inside of the fuel chamber 48 into a negative pressure state.
[0048]
The pressure sensor 27 is communicably connected to a control unit of a fuel cell device, which will be described later, and transmits a pressure detection signal of hydrogen gas flowing in the fuel supply pipe 21 to the control unit. The pressure sensor 27 may be disposed in the fuel chamber 48, the fuel discharge conduit 31, and the like. In this case, the range from the fuel supply electromagnetic valve 26 to the fuel discharge electromagnetic valve 34 or the pressure reducing pump 36 in the fuel supply pipe 21, the fuel chamber 48, and the fuel discharge pipe 31 through which hydrogen gas flows is provided. For example, the pressure of hydrogen gas can be considered to be the same.
[0049]
The fuel supply pipe 21 is provided with an air introduction electromagnetic valve 28 as an air introduction device. The air introduction solenoid valve 28 basically has the same configuration as the fuel supply solenoid valve 26, the fuel discharge solenoid valve 34, and the leakage prevention solenoid valve 37, one end of which is connected to the fuel supply conduit 21, The end is open to the atmosphere via the filter 29. The filters 29 and 33 basically have the same configuration, and remove dust (dust), impurities, harmful gases and the like contained in the air.
[0050]
On the other hand, air as an oxidant is supplied from an oxidant supply source 15 such as an air supply fan, an air cylinder, or an air tank, through an oxidant supply line 17 and a manifold 14 to an oxygen chamber 49 (see FIG. 4). Note that oxygen can be used as the oxidizing agent instead of air. Then, the air discharged from the oxygen chamber 49 is discharged into the atmosphere through the oxidant discharge pipe 18. A water supply nozzle 16 for spraying water and maintaining the oxygen electrode (cathode electrode) 44 of the fuel cell 11 in a wet state is disposed in the manifold 14. Further, a condenser 12 for condensing and removing water contained in the discharged air is disposed on the oxidant discharge pipe 18 side of the fuel cell 11, and the water passes through the drain pipe 19. It is collected in a water tank (not shown).
[0051]
The secondary battery as the power storage means is a so-called battery (storage battery), and a lead storage battery, a nickel cadmium battery, a nickel metal hydride battery, a lithium ion battery, a sodium sulfur battery, and the like are generally used. High performance lead acid batteries, lithium ion batteries, sodium sulfur batteries, nickel metal hydride batteries, etc. used in the present invention are desirable.
[0052]
For example, in this embodiment, a high performance lead acid battery is used as an example.
In this case, the open terminal voltage is about 210 [V], and has a capacity capable of supplying a current of about 10 [kW] for about 5 to 20 minutes.
[0053]
The power storage means does not necessarily have to be a battery, and electrically stores and discharges energy, such as a capacitor (capacitor) such as an electric double layer capacitor, a flywheel, a superconducting coil, and a storable pressure device. Any form may be used as long as it has a function. Furthermore, any of these may be used alone, or a plurality of them may be used in combination.
[0054]
The fuel cell 11 is connected to a load (not shown) and supplies the generated current to the load. Here, the load is generally an inverter device that is a drive control device, which converts a direct current from the fuel cell 11 or the battery into an alternating current and supplies it to a drive motor that rotates the wheels of the vehicle. To do. Here, the drive motor also functions as a generator, and generates a so-called regenerative current when the vehicle is decelerated. In this case, since the drive motor is rotated by the wheel to generate electric power, the wheel is braked, that is, functions as a vehicle braking device (brake). The regenerative current is supplied to the battery to charge the battery.
[0055]
In the present embodiment, the fuel cell device has control means (not shown). The control means includes arithmetic means such as a CPU and MPU, storage means such as a semiconductor memory, an input / output interface and the like, and is supplied from the pressure sensor 27 and other sensors to the fuel chamber 48 and the oxygen chamber 49 of the fuel cell 11. By detecting the flow rate, temperature, output voltage, etc. of hydrogen, oxygen, air, etc., the oxidant supply source 15, the fuel pressure adjustment valve 25, the fuel supply solenoid valve 26, the air introduction solenoid valve 28, the fuel discharge solenoid valve 34, The operations of the decompression pump 36 and the leakage prevention solenoid valve 37 are controlled. Further, the control means controls the operation of the apparatus for supplying fuel and oxidant to the fuel cell 11 in cooperation with other sensors and other control devices.
[0056]
Next, the operation of the fuel cell apparatus having the above configuration will be described.
[0057]
FIG. 5 is a diagram showing the characteristics of the fuel cell when the output of the fuel cell according to the present embodiment is stopped in comparison with the conventional example, and FIG. 6 is a graph showing the change with time in the output of the fuel cell according to the present embodiment. FIG. 7 is a first flowchart showing the operation of the fuel cell device according to the present embodiment, and FIG. 8 is a second flowchart showing the operation of the fuel cell device according to the present embodiment.
[0058]
In the fuel cell device of the present embodiment, after adjusting the pressure of the hydrogen gas flowing out from the outlet of the fuel pressure adjustment valve 25 to a predetermined constant pressure, the fuel pressure adjustment valve 25 is adjusted during the operation of the vehicle. It is not performed and the state as it is is maintained.
[0059]
Further, the oxidant supply source 15 always operates so as to supply a constant amount of air to the oxygen chamber 49 of the fuel cell 11. In this case, the amount of air supplied is an amount sufficiently larger than the amount of air necessary for the output of the fuel cell 11 to be maximized.
[0060]
When the driver stops the vehicle and turns off the power source switch of the vehicle, an instruction to stop the output of the fuel cell 11 is issued from the vehicle control device and transmitted to the control means of the fuel cell device. The Then, the said control means operates the air supply fan which is the oxidizing agent supply source 15, ie, turns it on (step S11). When the air supply fan is already operating, the operation is continued.
[0061]
Thereby, even if hydrogen gas permeates through the solid polymer electrolyte membrane 45 from the fuel electrode (anode electrode) 43 and diffuses, it is discharged together with air without staying in the oxygen electrode (cathode electrode) 44. For this reason, the hydrogen gas diffused from the fuel chamber 48 does not stay locally in the air electrode and cause combustion explosion.
[0062]
Subsequently, spraying of water from the water supply nozzle 16 is started (step S12). As a result, the fuel electrode 43 is also cooled. Therefore, even if hydrogen gas remaining in the fuel chamber 48 reacts with oxygen in the air and burns, it is possible to prevent the deterioration of the fuel electrode 43 due to heat generated by combustion. .
[0063]
Next, the control means closes the fuel supply electromagnetic valve 26 and shuts off the supply of hydrogen gas to the fuel chamber 48 (step S13). Then, the fuel discharge electromagnetic valve 34 is opened, and the hydrogen gas in the fuel chamber 48 is discharged from the fuel discharge pipe 31 to the atmosphere (step S14). Note that the hydrogen gas discharged into the atmosphere may be discharged after being combined with oxygen to form water.
[0064]
In this state, the process waits until the pressure of the hydrogen gas in the fuel chamber 48 becomes a predetermined pressure, for example, 1.1 [Pa] or less, or a predetermined time, for example, 3 [second] elapses (step). S15). However, the pressure of the hydrogen gas in the fuel chamber 48 is prevented from becoming a negative pressure. Here, the pressure of the hydrogen gas in the fuel chamber 48 is detected by the pressure sensor 27. In this case, it can be considered that the pressure of the hydrogen gas is the same in the range from the fuel supply solenoid valve 26 to the fuel discharge solenoid valve 34 or the pressure reducing pump 36 in the path through which the hydrogen gas flows. The pressure detected by the pressure sensor 27 is equal to the pressure in the fuel chamber 48 of the fuel cell 11.
[0065]
The predetermined time is a time until the pressure of the hydrogen gas in the fuel chamber 48 reaches the predetermined pressure, and is obtained in advance by an experiment.
[0066]
When the pressure of the hydrogen gas in the fuel chamber 48 becomes equal to or lower than the predetermined pressure or when the predetermined time has elapsed, the control means closes the fuel discharge electromagnetic valve 34 and shuts off the fuel discharge pipe 31. (Step S16), the decompression pump 36 is operated (Step S17), and the leakage prevention electromagnetic valve 37 is opened (Step S18).
[0067]
As a result, the bypass line 32 is opened, and the hydrogen gas in the fuel chamber 48 is sucked into the decompression pump 36 and forcibly discharged into the atmosphere via the bypass line 32. In this case, since the inside of the fuel chamber 48 has a negative pressure, the hydrogen gas is reliably removed from the fuel chamber 48 and discharged.
[0068]
Subsequently, in this state, the pressure of the hydrogen gas in the fuel chamber 48 becomes a predetermined pressure, for example, 0.1 [MPa] or less, or a predetermined time that is a time until the pressure becomes the predetermined pressure, for example, 40 [seconds]. ] Or until the output of the fuel cell reaches a predetermined voltage, for example, 30 [V] (step S19). In this case, since the predetermined pressure is a considerable negative pressure, hydrogen gas does not substantially remain in the fuel passage in the fuel chamber 48.
[0069]
The predetermined time is a time until the pressure of the hydrogen gas in the fuel chamber 48 becomes the predetermined pressure, and the predetermined voltage is an output of the fuel cell 11 when the pressure of the hydrogen gas is the predetermined pressure. Voltage. The predetermined time and the predetermined voltage are obtained in advance by experiments.
[0070]
Then, when the pressure of the hydrogen gas in the fuel chamber 48 becomes equal to or lower than the predetermined pressure or when the predetermined time has elapsed, the control means opens the air introduction electromagnetic valve 28 and introduces air into the fuel chamber 48. (Step S20). In this case, since the fuel supply electromagnetic valve 26 is in a closed state, the introduced air does not flow toward the fuel storage means 13. As a result, the fuel chamber 48 is filled with air. In addition, since the said air is the air filtered through the filter 29, it does not contain the dust, impurity, harmful gas, etc. which exist in air | atmosphere. Therefore, a member such as a catalyst in the fuel chamber 48 is not contaminated or altered by the dust, impurities, harmful gas, or the like.
[0071]
Moreover, by introducing air, residual hydrogen reacts with oxygen in the air and burns on the catalyst. Therefore, the potential difference disappears and the output voltage of the fuel cell 11 decreases. At that time, heat is temporarily generated by combustion, but since the heat capacity of the fuel cell 11 is sufficiently large and water is sprayed from the water supply nozzle 16 into the oxygen chamber 49, a rapid rise in temperature is suppressed. can do.
[0072]
Subsequently, in this state, the output of the fuel cell 11 becomes a predetermined voltage, for example, 5 [V] or less, or a predetermined time, for example, 10 [second], which is a time until the output becomes the predetermined voltage, elapses. It waits until it does (step S21). Here, the predetermined voltage corresponds to a state in which no hydrogen gas remains in the fuel chamber 48 and the air is filled, and there is substantially no potential difference between the fuel electrode 43 and the oxygen electrode 44. Output voltage.
[0073]
Then, when the output of the fuel cell 11 becomes equal to or lower than the predetermined voltage or when the predetermined time has elapsed, the spraying of water from the water supply nozzle 16 is stopped (step S22), and the control means performs the decompression pump 36. (Step S23), the air introduction electromagnetic valve 28 is closed (step S24), the leakage prevention electromagnetic valve 37 is closed (step S25), and finally the oxidant supply source 15 is stopped (step S26).
[0074]
As a result, the output of the fuel cell 11 is stopped.
[0075]
In this case, when an instruction to stop the output of the fuel cell 11 is issued, the output of the fuel cell 11 quickly decreases.
[0076]
In FIG. 5, reference numeral 41 denotes a line indicating a change in the output voltage of one cell 40 among many cells 40 constituting the fuel cell 11 in the fuel cell device of the present embodiment. It is a line which shows the change of the output voltage of one cell in many cells which comprise the fuel cell 101 in the conventional fuel cell apparatus demonstrated in the technique.
[0077]
As shown in the figure, in the fuel cell device of the present embodiment, the output voltage of the cell starts to decrease without an elapse of 20 [seconds] from the instruction to stop the output of the fuel cell 11. On the other hand, the output voltage of the cell of the fuel cell 101 in the conventional fuel cell device starts to decrease after 40 minutes from the issuing of the instruction, that is, when 2400 seconds have elapsed. Further, even after the cell output voltage starts to decrease, the fuel cell device of the present embodiment rapidly decreases, whereas the conventional fuel cell device slowly decreases.
[0078]
For this reason, in the conventional fuel cell device, every time the output of the fuel cell 101 is stopped, after the electrical connection with the external load is cut off, hydrogen gas remains in the fuel chamber and oxygen in the oxygen chamber. The state in which air containing oxygen remains and a potential difference occurs between the fuel electrode and the oxygen electrode continues for a long time. Due to the potential difference, the catalyst is eluted, the carbon supporting the catalyst is corroded, and the catalyst is sintered, so that the effective area of the catalyst is reduced. Therefore, when the start and stop of the fuel cell device are repeated, the performance of the fuel cell 101 deteriorates and the output voltage decreases.
[0079]
On the other hand, in the fuel cell device of the present embodiment, when the output of the fuel cell 11 is stopped, after the electrical connection with the external load is interrupted, hydrogen gas remains in the fuel chamber 48, The state in which oxygen-containing air remains in the oxygen chamber 49 and a potential difference occurs between the fuel electrode 43 and the oxygen electrode 44 is completed in a very short time. Therefore, the effective area of the catalyst does not decrease because the potential difference does not cause the catalyst to elute, the carbon supporting the catalyst does not corrode, or the catalyst does not sinter. Therefore, even if the fuel cell device is repeatedly started and stopped, the performance of the fuel cell 11 does not deteriorate and the output voltage does not decrease.
[0080]
In FIG. 6, 51 is a line showing a change in average output voltage of a large number of cells 40 constituting the fuel cell 11 in the fuel cell device of the present embodiment, and 52 is a conventional one described in “Prior Art”. 6 is a line showing a change in average output voltage of a large number of cells constituting the fuel cell 101 in the fuel cell device of FIG.
[0081]
As shown in the figure, the average output voltage of the cells of the fuel cell 101 in the conventional fuel cell device decreases as the number of stops increases, whereas in the fuel cell device of the present embodiment, It can be seen that the average output voltage of the fuel cell 11 is maintained substantially constant even when the number of stops increases.
[0082]
When starting the fuel cell 11, first, the fuel discharge electromagnetic valve 34 is opened so that the air in the fuel chamber 48 is discharged through the fuel discharge pipe 31. Subsequently, the fuel supply electromagnetic valve 26 is turned on so that the hydrogen gas from the fuel storage means 13 is supplied to the fuel chamber 48 through the fuel supply line 21. At this time, since the fuel discharge electromagnetic valve 34 is open, the pressure in the fuel chamber 48 does not rise shockfully, and there is no possibility of damaging the electrolyte membrane or the like. Further, the air remaining in the fuel chamber 48 is purged by the supplied hydrogen gas (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-317235).
[0083]
Thereafter, when the fuel cell 11 is in a steady operation, the fuel discharge electromagnetic valve 34 is repeatedly turned on and off intermittently. For example, a cycle of turning on for 2 seconds and then turning off for 58 seconds is repeated. On the other hand, the fuel supply electromagnetic valve 26 remains on.
[0084]
As described above, in this embodiment, when an instruction to stop the fuel cell 11 is issued, the decompression pump 36 is operated to suck the hydrogen gas in the fuel chamber 48 and forcibly from the fuel discharge line 31. To discharge. Thereafter, the air introduction electromagnetic valve 28 is opened, and air is introduced into the fuel chamber 48 from the fuel supply line 21.
[0085]
Therefore, when the output of the fuel cell 11 is stopped, after the electrical connection with the external load is interrupted, hydrogen gas remains in the fuel chamber 48, and air containing oxygen remains in the oxygen chamber 49, The state in which a potential difference is generated between the fuel electrode 43 and the oxygen electrode 44 is completed in a very short time. Therefore, the effective area of the catalyst does not decrease because the potential difference does not cause the catalyst to elute, the carbon supporting the catalyst does not corrode, or the catalyst does not sinter. Therefore, even if the fuel cell device is repeatedly started and stopped, the performance of the fuel cell 11 does not deteriorate, the output voltage does not decrease, and high performance can be maintained over a long period of time.
[0086]
In the present embodiment, in order to suck the hydrogen gas in the fuel chamber 48 and forcibly discharge it from the fuel discharge line 31, the decompression pump 36 and the leakage prevention solenoid valve 37 are connected to the fuel discharge line 31. The air introduction electromagnetic valve 28 is merely connected to the fuel supply line 21 in order to connect the bypass pipe line 32 in which is disposed and to introduce air into the fuel chamber 48 from the fuel supply line 21.
[0087]
Therefore, the arrangement of pipes and valves is simple, and manufacturing costs and maintenance costs can be reduced.
[0088]
Furthermore, since the air introduced into the fuel chamber 48 is air filtered through the filter 29, it does not contain dust, impurities, harmful gases, etc. present in the atmosphere.
[0089]
Therefore, a member such as a catalyst in the fuel chamber 48 is not contaminated or altered by the dust, impurities, harmful gas, or the like.
[0090]
In addition, this invention is not limited to the said embodiment, It can change variously based on the meaning of this invention, and does not exclude them from the scope of the present invention.
[0091]
【The invention's effect】
  As described above in detail, according to the present invention, in the fuel cell device, a fuel cell including a fuel chamber in contact with the fuel electrode and an oxygen chamber in contact with the oxygen electrode is connected to the fuel chamber, A fuel supply line for supplying fuel to the fuel chamber; an air introduction device disposed in the fuel supply line; and the fuel supply line connected to the fuel supply line via the fuel chamber to discharge the fuel in the fuel chamber And a fuel forced discharge device disposed in the fuel discharge line.A fuel discharge valve connected to the fuel discharge line so as to be in parallel with the fuel forced discharge device, and the fuel discharge valve is opened to discharge the fuel in the fuel cell. Before the negative pressure is reached, the fuel discharge valve is closed and the fuel forced discharge device is operated to discharge the fuel in the fuel cell, and then the air introduction device is operated to discharge air into the fuel cell. Control means to be introduced andHave
[0093]
In this case, when stopping the fuel cell device, the hydrogen gas remaining in the fuel chamber is quickly discharged and air is introduced into the fuel chamber, so that the potential difference generated between the fuel electrode and the oxygen electrode is rapidly reduced. Can be made. Therefore, the catalyst does not elute, the carbon supporting the catalyst does not corrode, the catalyst does not sinter, and the effective area of the catalyst does not decrease. High performance can be maintained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram of a fuel cell device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a view showing a conventional fuel cell device.
FIG. 3 is a flowchart showing an operation of stopping a conventional fuel cell device.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a configuration of a unit unit of a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing the characteristics of a fuel cell when the output of the fuel cell in the present embodiment is stopped in comparison with a conventional example.
FIG. 6 is a diagram showing a change with time of the output of the fuel cell in the present embodiment in comparison with a conventional example.
FIG. 7 is a second flowchart showing the operation of the fuel cell device according to the present embodiment.
FIG. 8 is a second flowchart showing the operation of the fuel cell device according to the present embodiment.
[Explanation of symbols]
11 Fuel cell
21 Fuel supply line
28 Air introduction electromagnetic source
36 Fuel pump

Claims

A fuel cell comprising a fuel chamber in contact with the fuel electrode and an oxygen chamber in contact with the oxygen electrode;
A fuel supply line connected to the fuel chamber and supplying fuel to the fuel chamber;
An air introduction device disposed in the fuel supply line;
A fuel discharge line connected to the fuel supply line via the fuel chamber and discharging fuel in the fuel chamber;
A forced fuel discharge device disposed in the fuel discharge line;
A fuel discharge valve connected to the fuel discharge line so as to be in parallel with the fuel forced discharge device;
The fuel discharge valve is opened to discharge the fuel in the fuel cell, and the fuel discharge valve is closed and the fuel forced discharge device is operated before the pressure in the fuel chamber becomes negative. And a control means for operating the air introduction device and then introducing air into the fuel cell.

The position of the fuel forcibly ejected apparatus, a fuel cell system according to claim 1 which is in a position higher than the lowest position of the fuel discharge line.

The control means, when receiving an instruction to stop the output of the fuel cell, discharges fuel in the fuel cell, and then operates the air introduction device to introduce air into the fuel cell. 2. The fuel cell device according to 1.