JP5167660B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
この発明は、燃料電池システムに関し、特に、燃料電池の劣化を抑制することのでき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 capable of suppressing deterioration of a fuel cell.
燃料電池は、電解質膜を挟んでアノードとカソードが配置された構造を有している。アノードに水素を含むアノードガスが接触し、カソードに酸素を含むカソードガスが接触することによって、両電極で電気化学反応が起こり、両電極間に電圧が発生する仕組みになっている。 The fuel cell has a structure in which an anode and a cathode are arranged with an electrolyte membrane interposed therebetween. When the anode gas containing hydrogen is in contact with the anode and the cathode gas containing oxygen is in contact with the cathode, an electrochemical reaction occurs at both electrodes, and a voltage is generated between the electrodes.
このような燃料電池においては、システムの要求出力に応じて、必要な量のアノードガスおよびカソードガスが供給される。しかしながら、燃料電池に接続された負荷装置の負荷上昇が急激である場合においては、ガス供給量を急激な負荷上昇に追従させて増加させることが困難となり、一時的に水素不足となるセルが発生する場合がある。このような状態を放置すると、水素不足となったセル内では電極の腐食反応等が生じ、燃料電池に不可逆な劣化が発生する事態が考えられる。 In such a fuel cell, necessary amounts of anode gas and cathode gas are supplied in accordance with the required output of the system. However, when the load increase of the load device connected to the fuel cell is abrupt, it is difficult to increase the gas supply amount by following the sudden load increase, and a cell that temporarily becomes short of hydrogen is generated. There is a case. If such a state is left unattended, an electrode corrosion reaction or the like may occur in a cell that has become deficient in hydrogen, resulting in irreversible deterioration of the fuel cell.
このような事態を防止するため、従来、例えば特開平6−243882号公報に開示されるように、水素不足の状態を検出し、水素不足が検出された場合には、一時的に燃料電池の発電を停止して燃料電池の保護を図るシステムが開示されている。このシステムによれば、より具体的には、燃料電池に積層されたセルを所定のセル区間ごとに区分して、各セル区間のセル電圧を検出する。その後、該セル電圧の最低値が判定電圧よりも低下している場合に、何れかのセルで水素不足状態が発生しているものとして、燃料電池の発電を停止することとしている。これにより、水素不足状態による電極および触媒の劣化等を抑制することができる。 In order to prevent such a situation, conventionally, as disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-243882, a state of hydrogen shortage is detected. A system for stopping power generation and protecting a fuel cell is disclosed. More specifically, according to this system, the cells stacked in the fuel cell are divided into predetermined cell sections, and the cell voltage in each cell section is detected. Thereafter, when the minimum value of the cell voltage is lower than the determination voltage, the power generation of the fuel cell is stopped assuming that a hydrogen shortage state has occurred in any cell. Thereby, deterioration of the electrode and the catalyst due to a hydrogen shortage state can be suppressed.
しかしながら、燃料電池に水素不足が発生した場合、水素不足となったセルのアノードでは、水素の代わりにプロトンを生成するための水の電気分解反応が進行し、酸素が多く存在する状態となっている。このような水素不足状態の燃料電池に、水素不足を解消するための処理として水素燃料の拡散や強制流入処理等の処理(以下、「復帰処理」と称す)が行われ、アノードに水素が到達すると、カソードにおいて電位が上昇し、その結果、カソード拡散層の炭素や触媒における腐食反応が開始される可能性があった。 However, when hydrogen shortage occurs in the fuel cell, the electrolysis reaction of water to generate protons instead of hydrogen proceeds at the anode of the cell that has become hydrogen deficient, and there is a large amount of oxygen. Yes. In such a hydrogen-deficient fuel cell, processing such as hydrogen fuel diffusion or forced inflow processing (hereinafter referred to as “recovery processing”) is performed as a process for eliminating the hydrogen shortage, and hydrogen reaches the anode. Then, the potential rose at the cathode, and as a result, there was a possibility that the corrosion reaction in the carbon and catalyst of the cathode diffusion layer might be started.
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、燃料電池の水素不足時において、燃料電池の劣化を抑制することのできる燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of suppressing deterioration of the fuel cell when the fuel cell is short of hydrogen.
第1の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
燃料電池のアノードにおいて燃料不足が発生している場合に、燃料不足を解消するための復帰処理を行う燃料電池システムにおいて、
前記アノードにおける燃料不足を検知する燃料不足検知手段と、
前記燃料不足が検知された場合に、前記復帰処理に先立って前記燃料電池のカソードへの酸化ガスの供給を停止する供給停止手段と、
前記燃料不足が検知された場合に、前記復帰処理に先立って前記カソードに滞留する滞留酸化ガスを減量する減量手段と、を備え、
前記減量手段は、
前記燃料不足が検知された場合に、前記滞留酸化ガスを前記燃料電池外部に排出する排出手段を含み、
前記排出手段は、
前記カソードの圧力を調整する圧力調整装置と、
前記燃料不足が検知された場合に、前記カソードの出口圧力を低下させるように前記圧力調整装置を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする。
In order to achieve the above object, a first invention is a fuel cell system,
In a fuel cell system that performs a return process to eliminate fuel shortage when fuel shortage occurs at the anode of the fuel cell,
A fuel shortage detecting means for detecting a fuel shortage in the anode;
Supply stop means for stopping supply of oxidizing gas to the cathode of the fuel cell prior to the return processing when the fuel shortage is detected;
A reduction means for reducing the amount of oxidative gas remaining in the cathode prior to the return process when the fuel shortage is detected ,
The weight loss means is
A discharge means for discharging the staying oxidizing gas to the outside of the fuel cell when the fuel shortage is detected;
The discharging means is
A pressure adjusting device for adjusting the pressure of the cathode;
Control means for controlling the pressure adjusting device so as to decrease the outlet pressure of the cathode when the fuel shortage is detected;
It is characterized by providing.
また、第2の発明は、第1の発明において、
前記減量手段は、
前記燃料不足が検知された場合に、前記滞留酸化ガスを消費する消費手段を含むことを特徴とする。
The second invention is the first invention, wherein
The weight loss means is
It includes consumption means for consuming the staying oxidizing gas when the fuel shortage is detected.
また、第3の発明は、第2の発明において、
前記消費手段は、
前記滞留酸化ガスを前記燃料電池の発電反応により消費することを特徴とする。
The third invention is the second invention, wherein
The consumption means is
The staying oxidizing gas is consumed by a power generation reaction of the fuel cell.
また、第4の発明は、第1乃至第3の何れか1つの発明において、
前記圧力調整装置は、前記カソードから排出されたガスが流通する流路に配置された調圧弁であることを特徴とする。
In addition, a fourth invention is any one of the first to third inventions,
The pressure adjusting device is a pressure regulating valve disposed in a flow path through which the gas discharged from the cathode flows.
また、第5の発明は、第1乃至第4の何れか1つの発明において、
酸化ガスが流通する流路に配置されたコンプレッサの下流側から分岐して、前記カソードから排出されたガスが流通する流路に接続された分岐流路を更に備え、
前記供給停止手段は、前記燃料不足が検知された場合に、酸化ガスの流通先を前記分岐流路に切り替えることを特徴とする。
The fifth invention is the invention according to any one of the first to fourth inventions,
Branching from the downstream side of the compressor disposed in the flow path through which the oxidizing gas flows, further comprising a branch flow path connected to the flow path through which the gas discharged from the cathode flows,
The supply stop means switches the oxidant gas distribution destination to the branch flow path when the fuel shortage is detected.
第1の発明によれば、燃料電池において、燃料不足が検知された場合に、復帰処理に先立って燃料電池へのカソードガスの供給が停止されると共に、カソードに滞留する滞留酸素が減量される。アノードにおける燃料不足の復帰処理を行う際に起きるカソードの腐食反応は、カソードの電位に依存する。本発明によれば、滞留酸素が減量されることにより、アノードにおける燃料不足の復帰処理を行う際に起きるカソードの電位上昇を効果的に抑制することができるので、カソードの腐食反応を効果的に抑制することができる。
また、本発明によれば、燃料不足が検知された場合に、カソードに滞留する酸素を排出ことにより減量することができ、アノードにおける燃料不足の復帰処理を行う際に起きるカソードの腐食反応を効果的に抑制することができる。
更に、本発明によれば、燃料不足が検知された場合に、カソードの出口圧力を低下させることができるので、カソードに滞留する酸素を効果的に排出することができ、アノードにおける燃料不足の復帰処理を行う際に起きるカソードの腐食反応を効果的に抑制することができる。
According to the first invention, when fuel shortage is detected in the fuel cell, the supply of the cathode gas to the fuel cell is stopped prior to the return process, and the retained oxygen remaining in the cathode is reduced. . The corrosion reaction of the cathode that occurs when the fuel shortage recovery process at the anode is performed depends on the potential of the cathode. According to the present invention, since the retained oxygen is reduced, the cathode potential increase that occurs when the fuel shortage recovery process at the anode is performed can be effectively suppressed. Can be suppressed.
In addition, according to the present invention, when fuel shortage is detected, the amount of oxygen staying at the cathode can be reduced by discharging, and the corrosion reaction of the cathode that occurs when performing the fuel shortage recovery process at the anode is effective. Can be suppressed.
Furthermore, according to the present invention, when the fuel shortage is detected, the cathode outlet pressure can be reduced, so that the oxygen staying at the cathode can be effectively discharged, and the fuel shortage at the anode is restored. The corrosion reaction of the cathode that occurs during the treatment can be effectively suppressed.
第2の発明によれば、燃料不足が検知された場合に、カソードに滞留する酸化ガスを消費することにより減量することができ、アノードにおける燃料不足の復帰処理を行う際に起きるカソードの腐食反応を効果的に抑制することができる。 According to the second aspect of the present invention, when fuel shortage is detected, it can be reduced by consuming the oxidizing gas staying at the cathode, and the corrosion reaction of the cathode that occurs when the fuel shortage recovery process at the anode is performed. Can be effectively suppressed.
第3の発明によれば、復帰処理に先立って、カソードに滞留する酸化ガスが発電反応により消費される。このため、本発明によれば、復帰処理時に発電反応が抑制されるので、カソードにおける腐食反応を確実に抑制することができる。 According to the third aspect of the invention, the oxidizing gas staying at the cathode is consumed by the power generation reaction prior to the return process. For this reason, according to the present invention, since the power generation reaction is suppressed during the recovery process, the corrosion reaction at the cathode can be reliably suppressed.
第4の発明によれば、カソードから排出されるガスが流通する流路に設けられた調圧弁を制御することにより、カソードの出口圧力を効果的に低下させることができる。 According to the fourth invention, the outlet pressure of the cathode can be effectively reduced by controlling the pressure regulating valve provided in the flow path through which the gas discharged from the cathode flows.
第5の発明によれば、酸化ガスが流通する流路に配置されたコンプレッサの下流側から分岐して、カソードから排出されたガスが流通する流路に接続された分岐流路を備え、燃料不足が検知された場合に、酸化ガスの流通先が当該分岐流路に切り替えられる。このため、本発明によれば、燃料電池への酸化ガスの供給を瞬時に停止することができ、カソードに滞留する酸素が増大する事態を効果的に回避することができる。 According to the fifth aspect of the present invention, the fuel cell further includes a branch channel that branches from the downstream side of the compressor disposed in the channel through which the oxidizing gas flows and is connected to the channel through which the gas discharged from the cathode flows. When the shortage is detected, the flow destination of the oxidizing gas is switched to the branch flow path. For this reason, according to the present invention, the supply of the oxidizing gas to the fuel cell can be stopped instantaneously, and the situation in which the oxygen staying at the cathode increases can be effectively avoided.
以下、図面に基づいてこの発明の幾つかの実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。 Several embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the element which is common in each figure, and the overlapping description is abbreviate | omitted. The present invention is not limited to the following embodiments.
実施の形態1.
[実施の形態1の構成]
図1は、本発明の実施の形態1の燃料電池システムの構成を説明するための図である。図1に示すとおり、燃料電池システムは、燃料電池スタック10を備えている。燃料電池スタック10は複数枚の燃料電池セルを積層されて構成されている。各燃料電池セルは、図示しないプロトン伝導性の電解質膜の両側をアノードおよびカソードで挟まれ、更にその両側を導電性のセパレータによって挟まれて構成されている。
Embodiment 1 FIG.
[Configuration of Embodiment 1]
FIG. 1 is a diagram for explaining a configuration of a fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention. As shown in FIG. 1, the fuel cell system includes a
燃料電池スタック10には、発電した電力を取り出す端子が配置されている(図示せず)。燃料電池スタック10の端子にはインバータ42を介して負荷44が接続されている。燃料電池スタック10にて発電された電力は、インバータ42に取り出されて負荷44に供給されるようになっている。
The
燃料電池スタック10には、アノードガスを供給するためのアノードガス流路12と、アノードオフガス流路14が接続されている。アノードガス流路12の上流端は、アノードガス供給源(高圧水素タンクや改質器等) 16に接続され、その下流には調圧弁18が配置されている。アノードガスは調圧弁18で減圧され、所望の圧力に減圧されてから燃料電池スタック10に供給される。燃料電池スタック10内を通ったアノードガスは、アノードオフガスとしてアノードオフガス流路14に排気される。アノードオフガス流路14の下流には、図示しない希釈器が接続されている。アノードオフガス中に残存している水素は、希釈器内で十分に低い濃度まで希釈された後、システム外部に放出される。
Connected to the
また、燃料電池スタック10には、カソードガスを供給するためのカソードガス流路20と、カソードオフガスを排出するためのカソードオフガス流路22が接続されている。カソードガス流路20の入口には、外部から取り込まれた空気に含まれている粉塵等を除去するエアクリーナ24が配置されている。また、その下流にはコンプレッサ26が配置されている。コンプレッサ26の作動によって吸入された空気は、カソードガス流路20を介して燃料電池スタック10に供給される。また、カソードオフガス流路22には、調圧弁28が配置されている。調圧弁28は、燃料電池スタック10内のカソードガスを所望の圧力に調圧することができる。燃料電池スタック10内を通ったカソードガスは、カソードオフガスとしてカソードオフガス流路22に排気される。
Further, the
カソードガス流路20における燃料電池スタック10との接続部近傍には、カソードガス流路20と燃料電池スタック10との連通を制御する開閉弁32が配置されている。また、カソードオフガス流路22における燃料電池スタック10との接続部近傍には、カソードオフガス流路22と燃料電池スタック10との連通を制御する開閉弁34が配置されている。
An open /
さらに、燃料電池スタック10には、電圧計46が接続されている。電圧計46は、後述するように、燃料電池スタック10の燃料電池セル毎の発電電圧に応じた出力を発する。また、この燃料電池システムは制御装置40を備えている。制御装置40には、インバータ42、負荷44、調圧弁18、28、開閉弁32、34および電圧計46のそれぞれが接続されている。制御装置40は、負荷44、電圧系46などからの情報を受け、或いは必要に応じてインバータ42、調圧弁18、28、開閉弁32、34などを制御する。
Further, a voltmeter 46 is connected to the
[燃料電池の発電中における水素欠の発生について]
次に、図2を参照して、燃料電池の発電中における水素欠の発生時の反応について説明する。図2の燃料電池セル50は、プロトン伝導性の電解質膜52の両側をアノード54およびカソード56で挟まれた構造を有している。尚、燃料電池セル50は、燃料電池スタック10に積層されている複数枚の燃料電池セルの中の一枚を示している。
[About generation of hydrogen deficit during fuel cell power generation]
Next, with reference to FIG. 2, the reaction at the time of occurrence of a hydrogen deficit during power generation of the fuel cell will be described. The
図2に示すとおり、燃料電池スタック10において発電が行われる場合、水素を含むアノードガスが燃料電池セル50のアノード54に供給され、酸素を含む空気が燃料電池セル50のカソード56に供給される。燃料電池セル50に水素と酸素とが供給されると、アノード54付近では次式(1)、およびカソード46付近では次式(2)に示す電気化学反応(発電反応)が起きる。
(アノード) :H2→2H++2e− ・・・(1)
(カソード) :1/2O2+2H++2e−→H2O ・・・(2)
As shown in FIG. 2, when power generation is performed in the
(Anode): H 2 → 2H + + 2e − (1)
(Cathode): 1 / 2O 2 + 2H + + 2e − → H 2 O (2)
上記(1)式に示すとおり、アノード54に供給された水素(H2)は、アノード54の触媒作用によって、プロトン(H+)と電子(e−)に分離される。プロトンは電解質膜52内部をカソード56に向かって移動し、電子は図示しない負荷を通ってカソード56に向かって移動する。そして、上記(2)式に示すとおり、カソード56に供給される空気に含まれる酸素(O2)、負荷を通った電子、及び電解質膜52内部を移動したプロトンは、カソード56の触媒作用によって水分子(H2O)を生成する。燃料電池では、このような一連の反応が行われ、空気、及び水素が連続的に供給されることによって発電を行い、負荷44で電力が取り出される。 As shown in the above formula (1), hydrogen (H 2 ) supplied to the anode 54 is separated into protons (H + ) and electrons (e − ) by the catalytic action of the anode 54. Protons move inside the electrolyte membrane 52 toward the cathode 56, and electrons move toward the cathode 56 through a load (not shown). Then, as shown in the above equation ( 2 ), oxygen (O 2 ) contained in the air supplied to the cathode 56, electrons passing through the load, and protons moving inside the electrolyte membrane 52 are caused by the catalytic action of the cathode 56. Water molecules (H 2 O) are generated. In the fuel cell, such a series of reactions are performed, and electric power is generated by continuously supplying air and hydrogen, and electric power is taken out by the load 44.
燃料電池スタック10へのアノードガス供給量は、上述した発電反応によって要求された出力が得られるように設定される。しかしながら、急な高出力要求が出された場合においては、該出力要求に応じてアノードガス供給量を直ちに増減させることは困難である。また、アノードガス流路の凍結、或いは閉塞等によりアノードガスがアノード54へ供給されない場合も想定される。このように、燃料電池スタック10の発電中には、何れかの燃料電池セルにおいて、水素不足の状態(以下、「水素欠」と称す)が発生する場合がある。
The anode gas supply amount to the
[水素欠状態におけるアノード腐食反応について]
水素欠が発生した燃料電池セル(以下、「水素欠セル」と称す)50では、アノード54の触媒付近において水素が不足している。ここで、燃料電池スタック10への負荷が継続され、水素欠セル50に強制的に電流が流れると、水素欠セル50のアノード54では、不足している水素を補うために触媒作用により次式(3)に示す水の電気分解反応(水分解反応)が開始される。
(アノード) :H2O→1/2O2+2H++2e− ・・・(3)
[Anodic corrosion reaction in the absence of hydrogen]
In the fuel cell (hereinafter referred to as “hydrogen-deficient cell”) 50 in which hydrogen deficiency has occurred, hydrogen is deficient near the catalyst of the anode 54. Here, when the load on the
(Anode): H 2 O → 1/2 O 2 + 2H + + 2e − (3)
ここで、上述した式(3)に示すアノード54での水分解反応には、アノード54の触媒付近の水が使用される。このため、アノード54の水分が消費され、或いは、触媒上が水分解反応により発生する酸素により覆われると、触媒上の水分が不足し上記水分解反応を継続することが困難となる。このような状態となると、水素欠セルのアノード54の電位は上昇し、次に、次式(4)に示すアノード44中の炭素の反応(アノード腐食反応)が開始されてしまう。
(アノード) :1/2C+H2O→1/2CO2+2H++2e− ・・・(4)
Here, the water in the vicinity of the catalyst of the anode 54 is used for the water splitting reaction at the anode 54 shown in the above formula (3). For this reason, if the moisture of the anode 54 is consumed or the catalyst is covered with oxygen generated by the water splitting reaction, the water on the catalyst is insufficient and it is difficult to continue the water splitting reaction. In such a state, the potential of the anode 54 of the hydrogen-deficient cell rises, and then the carbon reaction (anodic corrosion reaction) in the anode 44 shown in the following formula (4) starts.
(Anode): 1 / 2C + H 2 O → 1 / 2CO 2 + 2H + + 2e − (4)
以上説明したとおり、水素欠状態を放置すると、上式(4)に示すアノード54の不可逆な腐食反応が水素欠セル50において進行する。そこで、本実施の形態においては、燃料電池スタック10の水素欠を検知した場合にアノードに再び水素を充填させる復帰処理が行われる。これにより、アノード54の水素欠を解消し、上式(4)に示すアノード腐食反応を抑制することができる。尚、復帰処理の手法は本発明の本質的部分ではなく、また公知の手法であるため、その詳細な説明を省略することとする。
As described above, when the hydrogen deficient state is left as it is, the irreversible corrosion reaction of the anode 54 shown in the above formula (4) proceeds in the hydrogen
[復帰処理に伴うカソード腐食反応の抑制について]
次に、図3を参照して、水素欠状態からの復帰処理に伴うカソード腐食反応について説明する。図3は、アノード54に水素欠が発生した燃料電池セル60の状態を示す模式図である。
[Suppression of cathodic corrosion reaction due to return treatment]
Next, with reference to FIG. 3, the cathode corrosion reaction associated with the recovery process from the hydrogen deficient state will be described. FIG. 3 is a schematic diagram showing a state of the
図3に示すとおり、水素欠状態においては、アノード54の触媒付近において、不足した水素を生成するために水の電気分解反応が進行するため、酸素が多量に存在する状態となっている。このため、復帰処理により水素欠セルに再び水素が流入し始めた場合、アノード54には、触媒上に水素が存在する範囲と酸素が存在する範囲とが一時的に形成されることとなる。 As shown in FIG. 3, in the hydrogen deficient state, the electrolysis reaction of water proceeds in the vicinity of the catalyst of the anode 54 to generate the deficient hydrogen, so that a large amount of oxygen exists. For this reason, when hydrogen begins to flow again into the hydrogen-deficient cell due to the return processing, a range in which hydrogen exists and a range in which oxygen exists on the catalyst are temporarily formed on the anode 54.
ここで、アノード54の触媒上に水素が存在する範囲では、アノード54とカソード56との間で上式(1)および(2)に示す通常の発電反応が起きる。一方、酸素が存在する範囲においては、次式(5)に示すとおり、アノード54に滞留する酸素と、電解質膜52を移動して供給されるプロトンと、上式(1)にて発生した電子とが反応して水を生成する反応がアノード54で起きると共に、カソード56では、次式(6)に示す水の分解反応が起きる。つまり、次式(5)および(6)の反応により、水素欠セルの一部に部分電池が形成される。また、上記反応が進行しカソード56の電位が更に上昇すると、次式(7)に示すカソード56に含まれる炭素の腐食反応、および(8)に示す触媒の溶出反応が起きる。
(アノード) :2H++1/2O2+2e−→H2O ・・・(5)
(カソード) :H2O→2H++1/2O2+2e− ・・・(6)
:1/2C+H2O→2H++1/2CO2+2e− ・・・(7)
:Pt→Pt2++2e− ・・・(8)
Here, in the range where hydrogen is present on the catalyst of the anode 54, the normal power generation reaction represented by the above formulas (1) and (2) occurs between the anode 54 and the cathode 56. On the other hand, in the range where oxygen exists, as shown in the following formula (5), oxygen staying at the anode 54, protons that are supplied by moving through the electrolyte membrane 52, and electrons generated by the above formula (1) Reacts with each other to form water at the anode 54, and at the cathode 56, a water decomposition reaction represented by the following formula (6) occurs. That is, a partial battery is formed in a part of the hydrogen-deficient cell by the reactions of the following formulas (5) and (6). Further, when the above reaction proceeds and the potential of the cathode 56 further increases, a corrosion reaction of carbon contained in the cathode 56 represented by the following formula (7) and an elution reaction of the catalyst represented by (8) occur.
(Anode): 2H + + 1 / 2O 2 + 2e − → H 2 O (5)
(Cathode): H 2 O → 2H + + 1 / 2O 2 + 2e − (6)
: 1 / 2C + H 2 O → 2H + + 1 / 2CO 2 + 2e − (7)
: Pt → Pt 2+ + 2e − (8)
このように、水素欠からの復帰処理を行う際に、上述した一連の反応が起きると、カソード56が腐食してしまう。そこで、本実施の形態においては、復帰処理を実行する前に、カソード56の酸素成分を極力減少させ、カソード56を酸素欠の状態にすることとする。カソード56が酸素欠の状態であれば、上式(2)に示す発電反応が抑制されるため、水素欠からの復帰処理を行ったとしても水素欠セルに部分電池が形成されない。このため、水素欠からの復帰処理によりカソードの腐食反応が進行する事態を効果的に抑制することができる。 As described above, when the above-described series of reactions occur during the recovery process from the lack of hydrogen, the cathode 56 is corroded. Therefore, in the present embodiment, the oxygen component of the cathode 56 is reduced as much as possible before the return process is executed, so that the cathode 56 is in an oxygen-deficient state. If the cathode 56 is in an oxygen-deficient state, the power generation reaction shown in the above formula (2) is suppressed, so that a partial battery is not formed in the hydrogen-deficient cell even if the recovery process from the hydrogen deficiency is performed. For this reason, the situation where the corrosion reaction of the cathode proceeds due to the recovery process from the lack of hydrogen can be effectively suppressed.
カソード56における酸素成分減量処理は、より具体的には、先ず、カソード56へのカソードガスの供給を停止する処理が行われる。これにより、カソード56に酸素が導入される事態を回避することができる。また、これと並行して、上式(2)に示す発電反応によりカソード56に滞留する酸素を消費させる処理が行われる。上式(7)、(8)に示すカソード腐食反応を抑制するためには、カソード56における酸素を略0まで減らすことが望ましい。このため、燃料電池スタック10の発電反応を可能な限り継続させ、カソード56における酸素をできる限り消費させることとする。
More specifically, the oxygen component reduction process at the cathode 56 is performed by first stopping the supply of the cathode gas to the cathode 56. Thereby, the situation where oxygen is introduced into the cathode 56 can be avoided. In parallel with this, a process of consuming oxygen staying at the cathode 56 by the power generation reaction shown in the above equation (2) is performed. In order to suppress the cathode corrosion reaction represented by the above formulas (7) and (8), it is desirable to reduce the oxygen at the cathode 56 to substantially zero. For this reason, the power generation reaction of the
尚、上式(5)に示す水生成反応の反応電位は0.7〜0.8Vであり、また、上式(7)、(8)に示すカソード腐食反応の反応電位は1.2V以上である。このため、水素欠からの復帰処理時のセル電圧が0.5V以下となるレベルまで酸素が減量されていれば、カソード56において上式(6)に示す水分解反応が支配的に行われるため、上式(7)、(8)に示す反応を効果的に抑制することができる。 The reaction potential of the water generation reaction shown in the above formula (5) is 0.7 to 0.8 V, and the reaction potential of the cathodic corrosion reaction shown in the above formulas (7) and (8) is 1.2 V or more. It is. For this reason, if the amount of oxygen is reduced to a level at which the cell voltage at the time of the recovery process from the lack of hydrogen is 0.5 V or less, the water decomposition reaction shown in the above equation (6) is predominantly performed at the cathode 56. The reactions shown in the above formulas (7) and (8) can be effectively suppressed.
[実施の形態1における具体的処理]
図4は、この発明の実施の形態1において、システムが燃料電池セルのカソード腐食反応を抑制するために実行するルーチンを示すフローチャートである。図4のルーチンは、燃料電池スタック10の発電中に繰り返し実行されるルーチンである。図4に示すルーチンでは、先ず、燃料電池セルの電圧が検出される(ステップ100)。ここでは、具体的には、燃料電池システムに配置された電圧計46の出力信号に基づいて、燃料電池セル毎に検出される。
[Specific Processing in Embodiment 1]
FIG. 4 is a flowchart showing a routine executed by the system to suppress the cathodic corrosion reaction of the fuel battery cell in the first embodiment of the present invention. The routine of FIG. 4 is a routine that is repeatedly executed during the power generation of the
次に、最小セル電圧が算出される(ステップ102)。ここでは、具体的には、上記ステップ100にて検出された各燃料電池セルの電圧値が比較され、最小の最小セル電圧が求められる。次に、燃料電池スタック10において水素欠が発生しているセルがあるか否かが判定される(ステップ104)。水素欠が発生している燃料電池セルにおいては、セル電圧が低下する。このため、燃料電池セルの電圧が所定の閾値よりも小さい場合には,水素欠が発生していると判断することができる。ここでは、具体的には、上記ステップ102において求められた最小セル電圧が基準電圧(閾値)よりも小さいか否かが判定される。
Next, the minimum cell voltage is calculated (step 102). Here, specifically, the voltage values of the respective fuel cells detected in
上記ステップ104において、セル電圧<基準電圧の成立が認められた場合、水素欠が発生しているものと判断され、カソードガスの供給が停止される(ステップ106)。ここでは、具体的には、カソードガスを供給するコンプレッサ26の駆動が停止される。ここで、コンプレッサ26は、その構造上停止要求に応じて即座に停止することができない。また、カソードガス流路20、およびカソードオフガス流路22の内部に滞留する酸素が徐々に燃料電池スタック10内に流入する可能性がある。このため、上記ステップ106においては、開閉弁32、34を閉弁することとする。これにより、燃料電池スタック10内への酸素の流入を効果的に抑制することができる。
If it is determined in
次に、燃料電池スタック10の燃料電池スタック10の内部に滞留する酸素を消費する処理が実行される(ステップ108)。ここでは、具体的には、負荷44により燃料電池スタック10における発電反応が継続され、スタック内部に滞留する酸素が略ゼロとなるまで消費される。
Next, a process of consuming oxygen staying inside the
次に、水素欠からの復帰処理が実行される(ステップ110)。ここでは、具体的には、水素欠セルのアノード54に再び水素を充填させる処理が実行される。上記ステップ108の後においては、燃料電池スタック10内部の酸素が減量され、カソード56が酸素欠状態となっている。このため、上記の処理によりカソードの腐食反応を抑制しつつ、水素欠からの復帰処理を行うことができる。一方、上記ステップ104において、セル電圧<基準電圧の成立が認められない場合、水素欠が発生していないものと判断され、本ルーチンは速やかに終了される。
Next, a recovery process from the lack of hydrogen is executed (step 110). Here, specifically, a process of filling the anode 54 of the hydrogen-deficient cell with hydrogen again is executed. After
以上説明したとおり、実施の形態1のシステムでは、燃料電池スタック10内に水素欠セルが存在すると判定された場合に、カソードの腐食反応が進行しないレベルまで燃料電池スタック10内部の酸素が消費される。これにより、水素欠からの復帰処理時に生じるカソード腐食反応を効果的に抑制することができる。
As described above, in the system of the first embodiment, when it is determined that there are hydrogen-deficient cells in the
ところで、上述した実施の形態1においては、カソードガスの供給を停止するために、コンプレッサ26の駆動が停止されることとしているが、カソードガスの供給停止手法はこれに限られない。すなわち、カソードガス流路20のコンプレッサ26の下流からカソードオフガス流路22へのバイパス流路を配置し、カソードガスの供給停止要求時に、カソードガスがバイパス流路を介してカソードオフガス流路22に流れるように流路を切り替えることとしてもよい。また、上記流路の切り替え制御に、更に開閉弁32、34の閉弁制御を組み合わせることとしてもよい。
By the way, in Embodiment 1 mentioned above, in order to stop supply of cathode gas, the drive of the
また、上述した実施の形態1においては、燃料電池スタック10のスタック内部に滞留する酸素が略ゼロとなるまで発電反応を継続させることとしているが、酸素消費量はこれに限られない。すなわち、復帰処理時において、カソードの酸素量が少ないほどカソードの電位上昇が抑制される。このため、カソードの電位が、上式(7)、(8)に示すカソード腐食反応の反応電位以上に上昇しないレベルまで酸素を消費させることにより、カソード腐食反応を効果的に抑制することができる。
In the first embodiment described above, the power generation reaction is continued until the oxygen staying inside the
尚、上述した実施の形態1においては、制御装置40が、上記ステップ104の処理を実行することにより、前記第1の発明における「燃料不足検知手段」が、上記ステップ106の処理を実行することにより、前記第1の発明における「供給停止手段」が、上記ステップ108の処理を実行することにより、前記第1の発明における「減量手段」が、それぞれ実現されている。
In the first embodiment described above, the
また、上述した実施の形態1においては、制御装置40が、上記ステップ108の処理を実行することにより、前記第2または3の発明における「消費手段」が、実現されている。
In the first embodiment described above, the “consumption means” according to the second or third aspect of the invention is realized by the
また、上述した実施の形態1においては、制御装置40が、上記ステップ106の処理を実行することにより、前記第5の発明における「供給停止手段」が、実現されている。
In the first embodiment described above, the “supply stop unit” according to the fifth aspect of the present invention is realized by the
実施の形態2.
[実施の形態2の特徴]
実施の形態2のシステムは、図1に示すハードウェア構成を用いて、システムに、後述する図7に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。
Embodiment 2. FIG.
[Features of Embodiment 2]
The system of the second embodiment can be realized by causing the system to execute a routine shown in FIG. 7 to be described later using the hardware configuration shown in FIG.
上述した実施の形態1においては、水素欠からの復帰処理を行う際に、カソード56への酸素の供給が停止され、燃料電池スタック10の内部の酸素が消費される。これにより、カソード56の酸素を減少させ、水素欠からの復帰処理によるカソードの腐食反応を効果的に抑制することとしている。
In the first embodiment described above, when the recovery process from the lack of hydrogen is performed, the supply of oxygen to the cathode 56 is stopped, and oxygen in the
本実施の形態2においては、カソード56の酸素を減少させるために、カソード56の酸素の排出を促進させることとする。より具体的には、カソード56への酸素の供給が停止される。また、同時にカソードオフガス流路22に設けられた調圧弁28が全開にされる。これにより、カソード56の出口圧力を瞬時に低下させることができるので、カソード56の酸素分圧を低下させ、水素欠からの復帰処理によるカソードの腐食反応を効果的に抑制するができる。
In the second embodiment, in order to reduce the oxygen at the cathode 56, the discharge of oxygen from the cathode 56 is promoted. More specifically, the supply of oxygen to the cathode 56 is stopped. At the same time, the
[実施の形態2における具体的処理]
図5は、この発明の実施の形態2において、システムが燃料電池セルのカソード腐食反応を抑制するために実行するルーチンを示すフローチャートである。図5のルーチンは、燃料電池スタック10の発電中に繰り返し実行されるルーチンである。図5に示すルーチンでは、先ず、燃料電池セルの電圧が検出される(ステップ200)。次に、最小セル電圧が算出される(ステップ202)。次に、燃料電池スタック10において水素欠が発生しているセルがあるか否かが判定される(ステップ204)。ここでは、具体的には、図4に示すステップ100乃至104と同様の処理が実行される。
[Specific Processing in Second Embodiment]
FIG. 5 is a flowchart showing a routine executed by the system to suppress the cathodic corrosion reaction of the fuel cell in the second embodiment of the present invention. The routine of FIG. 5 is a routine that is repeatedly executed during the power generation of the
上記ステップ204において、セル電圧<基準電圧の成立が認められた場合、水素欠が発生しているものと判断され、カソードガスの供給が停止される(ステップ206)。ここでは、具体的には、図4に示すステップ106と同様の処理が実行される。
If it is determined in
次に、燃料電池スタック10の燃料電池スタック10の内部に滞留する酸素を排出する処理が実行される(ステップ208)。ここでは、具体的には、上記ステップ206においてカソードガスの供給が停止されたと同時にカソードオフガス流路22に設けられた調圧弁が全開に制御される。これにより、カソードオフガス流路22の圧力が大気圧まで瞬時に下降し、カソード56に滞留していた酸素が排出される。
Next, a process of discharging oxygen staying inside the
次に、水素欠からの復帰処理が実行される(ステップ210)。ここでは、具体的には、図4に示すステップ110と同様の処理が実行される。これにより本ルーチンは終了される。一方、上記ステップ204において、セル電圧<基準電圧の成立が認められない場合、水素欠が発生していないものと判断され、本ルーチンは速やかに終了される。
Next, a recovery process from the lack of hydrogen is executed (step 210). Here, specifically, the same processing as
以上説明したとおり、実施の形態2のシステムでは、燃料電池スタック10内に水素欠セルが存在すると判定された場合に、カソードガスの供給が停止され、また、カソードオフガス流路22の圧力が大気圧まで瞬時に下げられる。これにより、カソード56に滞留する酸素を効果的に排出することができ、水素欠からの復帰処理時に生じるカソード腐食反応を抑制することができる。
As described above, in the system of the second embodiment, when it is determined that there are hydrogen-deficient cells in the
ところで、上述した実施の形態2においては、カソードガスの供給を停止するために、コンプレッサ26の駆動が停止されることとしているが、カソードガスの供給停止手法はこれに限られない。すなわち、カソードガス流路20のコンプレッサ26の下流からカソードオフガス流路22へのバイパス流路を配置し、カソードガスの供給停止要求時に、カソードガスがバイパス流路を介してカソードオフガス流路22に流れるように流路を切り替えることとしてもよい。
By the way, in Embodiment 2 mentioned above, in order to stop supply of cathode gas, the drive of the
尚、上述した実施の形態2においては、制御装置40が、上記ステップ204の処理を実行することにより、前記第1の発明における「燃料不足検知手段」が、上記ステップ206の処理を実行することにより、前記第1の発明における「供給停止手段」が、上記ステップ208の処理を実行することにより、前記第1の発明における「減量手段」が、それぞれ実現されている。
In the second embodiment described above, the
また、上述した実施の形態2においては、制御装置40が、上記ステップ208の処理を実行することにより、前記第1の発明における「排出手段」が、実現されている。
In the second embodiment described above, the “discharge means” in the first aspect of the present invention is realized by the
また、上述した実施の形態2においては、制御装置40が、上記ステップ208の処理を実行することにより、前記第1の発明における「制御手段」が、実現されている。
In the second embodiment described above, the “control means” according to the first aspect of the present invention is realized by the
また、上述した実施の形態2においては、調圧弁28が、前記第4の発明における「調圧弁」に相当している。
In the second embodiment described above, the
また、上述した実施の形態2においては、制御装置40が、上記ステップ106の処理を実行することにより、前記第5の発明における「供給停止手段」が、実現されている。
In the second embodiment described above, the “supply stop unit” according to the fifth aspect of the present invention is realized by the
10 燃料電池スタック
12 アノードガス流路
14 アノードオフガス流路
16 アノードガス供給源
18 調圧弁
20 カソードガス流路
22 カソードオフガス流路
24 エアクリーナ
26 コンプレッサ
28 調圧弁
40 制御装置
42 インバータ
44 負荷
46 電圧計
50、60 燃料電池セル
52 電解質膜
54 アノード
56 カソード
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記アノードにおける燃料不足を検知する燃料不足検知手段と、
前記燃料不足が検知された場合に、前記復帰処理に先立って前記燃料電池のカソードへの酸化ガスの供給を停止する供給停止手段と、
前記燃料不足が検知された場合に、前記復帰処理に先立って前記カソードに滞留する滞留酸化ガスを減量する減量手段と、を備え、
前記減量手段は、
前記燃料不足が検知された場合に、前記滞留酸化ガスを前記燃料電池外部に排出する排出手段を含み、
前記排出手段は、
前記カソードの圧力を調整する圧力調整装置と、
前記燃料不足が検知された場合に、前記カソードの出口圧力を低下させるように前記圧力調整装置を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。 In a fuel cell system that performs a return process to eliminate fuel shortage when fuel shortage occurs at the anode of the fuel cell,
A fuel shortage detecting means for detecting a fuel shortage in the anode;
Supply stop means for stopping supply of oxidizing gas to the cathode of the fuel cell prior to the return processing when the fuel shortage is detected;
A reduction means for reducing the amount of oxidative gas remaining in the cathode prior to the return process when the fuel shortage is detected ,
The weight loss means is
A discharge means for discharging the staying oxidizing gas to the outside of the fuel cell when the fuel shortage is detected;
The discharging means is
A pressure adjusting device for adjusting the pressure of the cathode;
Control means for controlling the pressure adjusting device so as to decrease the outlet pressure of the cathode when the fuel shortage is detected;
A fuel cell system comprising:
前記燃料不足が検知された場合に、前記滞留酸化ガスを消費する消費手段を含むことを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。 The weight loss means is
2. The fuel cell system according to claim 1, further comprising a consumption means for consuming the staying oxidizing gas when the fuel shortage is detected.
前記滞留酸化ガスを前記燃料電池の発電反応により消費することを特徴とする請求項2記載の燃料電池システム。 The consumption means is
The fuel cell system according to claim 2, wherein the staying oxidizing gas is consumed by a power generation reaction of the fuel cell.
前記供給停止手段は、前記燃料不足が検知された場合に、酸化ガスの流通先を前記分岐流路に切り替えることを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項記載の燃料電池システム。 Branching from the downstream side of the compressor disposed in the flow path through which the oxidizing gas flows, further comprising a branch flow path connected to the flow path through which the gas discharged from the cathode flows,
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4 , wherein the supply stop unit switches the flow destination of the oxidizing gas to the branch flow path when the fuel shortage is detected.
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