JP5480085B2 - Method for stopping operation of fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、酸化剤ガス及び燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池を備える燃料電池システムの運転停止方法に関する。 The present invention relates to a method for shutting down a fuel cell system including a fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between an oxidant gas and a fuel gas.
燃料電池は、燃料ガス（主に水素を含有するガス、例えば、水素ガス）及び酸化剤ガス（主に酸素を含有するガス、例えば、空気）をアノード電極及びカソード電極に供給して電気化学的に反応させることにより、直流の電気エネルギを得るシステムである。このシステムは、定置用の他、車載用として燃料電池車両に組み込まれている。 In a fuel cell, a fuel gas (a gas mainly containing hydrogen, for example, hydrogen gas) and an oxidant gas (a gas mainly containing oxygen, for example, air) are supplied to an anode electrode and a cathode electrode to be electrochemical. It is a system that obtains direct-current electric energy by reacting with. This system is incorporated in a fuel cell vehicle for in-vehicle use as well as stationary use.
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード電極及びカソード電極を設けた電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、一対のセパレータによって挟持している。一方のセパレータと電解質膜・電極接合体との間には、アノード電極に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路が形成されるとともに、他方のセパレータと前記電解質膜・電極構造体との間には、カソード電極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路が形成されている。 For example, in a polymer electrolyte fuel cell, an electrolyte membrane / electrode structure (MEA) provided with an anode electrode and a cathode electrode on both sides of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane is sandwiched between a pair of separators. Yes. A fuel gas passage for supplying fuel gas to the anode electrode is formed between one separator and the electrolyte membrane / electrode assembly, and between the other separator and the electrolyte membrane / electrode structure. Is formed with an oxidant gas flow path for supplying an oxidant gas to the cathode electrode.
ところで、燃料電池の停止時には、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給が停止されるものの、燃料ガス流路内に前記燃料ガスが残留する一方、酸化剤ガス流路内に前記酸化剤ガスが残留している。従って、特に燃料電池の停止期間が長くなると、燃料ガスや酸化剤ガスが電解質膜を透過し、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとが混在するおそれがある。 By the way, when the fuel cell is stopped, the supply of the fuel gas and the oxidant gas is stopped, but the fuel gas remains in the fuel gas flow channel, while the oxidant gas remains in the oxidant gas flow channel. ing. Therefore, especially when the stop period of the fuel cell becomes long, the fuel gas and the oxidant gas may permeate the electrolyte membrane, and the fuel gas and the oxidant gas may be mixed.
そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムは、図９に示すように、燃料電池１と、前記燃料電池１に水素ガス及び空気を供給するアノードガス供給ライン２及びカソードガス供給ライン３と、前記燃料電池１のアノード出口ガス及びカソード出口ガスを、それぞれ上流側に循環させるアノード循環ライン２ａ及びカソード循環ライン３ａと、前記燃料電池１及び各ライン２、２ａ、３及び３ａを不活性ガスによりパージするパージライン４と、前記燃料電池１の出力電路を運転停止時に遮断する遮断手段５と、を備えている。
Thus, for example, a fuel cell system disclosed in Patent Document 1 is known. As shown in FIG. 9, the fuel cell system includes a fuel cell 1, an anode
アノードガス供給ライン２は、水素貯蔵装置である図示しない水素タンクから燃料電池１のアノード側入口に接続される入口管路Ａ１中に、入口遮断弁６ａ、ブロア７ａを、この順に配置して備えている。また、燃料電池１のアノード側出口から図示しない燃料再生装置に接続される出口管路Ａ２中に、パージ弁６ｂ及び出口遮断弁６ｃを、この順に直列に配置して備えている。
The anode
アノードガス供給ライン２は、燃料電池１の運転中、入口遮断弁６ａ、出口遮断弁６ｃ及びパージ弁６ｂを開放させており、水素タンクから送られる水素ガスをブロア７ａを介して前記燃料電池１のアノード極１Ａに供給している。
The anode
カソードガス供給ライン３は、圧縮空気を充填した図示しない空気タンクから燃料電池１のカソード側入口に接続される入口管路Ｃ１中に、入口遮断弁６ｄ、ブロア７ｂを、この順に配置して備えている。また、燃料電池１のカソード側出口から図示しない生成水分離装置に接続される出口管路Ｃ２中に、出口遮断弁６ｅを配置して備えている。
The cathode
カソードガス供給ライン３は、燃料電池１の運転中、入口遮断弁６ｄ及び出口遮断弁６ｅを開放させており、空気タンクから送られる空気をブロア７ｂを介して前記燃料電池１のカソード極１Ｃに供給している。
The cathode
そして、アノード循環ライン２ａは、アノードガス供給ライン２の入口遮断弁６ａ及び出口遮断弁６ｃが、燃料電池１の運転停止により閉じられた時、循環遮断弁６ｆを開放して、前記燃料電池１のアノード出口ガスをブロア７ａにより吸引して前記燃料電池１の上流側に循環させるように機能している。
The
一方、カソード循環ライン３ａは、カソード供給ライン３の入口遮断弁６ｄ及び出口遮断弁６ｅが、燃料電池１の運転停止により閉じられた時、循環遮断弁６ｇを開放して、前記燃料電池１のカソード出口ガスをブロア７ｂにより吸引して前記燃料電池１の上流側に循環させるように機能している。
On the other hand, the
この特許文献１では、運転停止時に、カソード側への反応ガスの供給を入口遮断弁で遮断し、カソード側排ガスを循環ラインを介して上流側に循環させ、燃料電池内の電池反応を継続させてカソード側排ガス中の酸素を消費することで、窒素ガスの不活性ガスを燃料電池内のカソード側及びアノード側のパージに利用する、としている。 In this Patent Document 1, when the operation is stopped, the supply of the reaction gas to the cathode side is shut off by the inlet shut-off valve, the cathode side exhaust gas is circulated upstream via the circulation line, and the cell reaction in the fuel cell is continued. By consuming oxygen in the cathode side exhaust gas, an inert gas of nitrogen gas is used for purging the cathode side and the anode side in the fuel cell.
上記の特許文献１では、アノードガス供給ライン２及びカソードガス供給ライン３に、燃料電池１のアノード出口ガスとカソード出口ガスを、それぞれ上流側に循環させるアノード循環ライン２ａ及びカソード循環ライン３ａが設けられている。さらに、カソード循環ライン３ａには、不活性ガスである窒素ガスを蓄積するために、ガス容積部であるタンク８が配設されている。
In the above-mentioned Patent Document 1, the anode
そして、燃料電池１内の電池反応を継続させてカソード側排ガス中の酸素を消費することで、窒素ガス等の不活性ガスを前記燃料電池１内のカソード側及びアノード側のパージに利用している。このため、燃料電池システム全体の構成が複雑化且つ大型化するとともに、コストが高騰するという問題がある。 Then, by continuing the cell reaction in the fuel cell 1 and consuming oxygen in the cathode side exhaust gas, an inert gas such as nitrogen gas is used for the cathode side and anode side purge in the fuel cell 1. Yes. For this reason, there exists a problem that the structure of the whole fuel cell system becomes complicated and enlarged, and cost increases.
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つコンパクトな構成で、燃料電池の劣化を可及的に抑制することが可能な燃料電池システムの運転停止方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to solve this type of problem, and to provide a method for stopping the operation of a fuel cell system that can suppress deterioration of the fuel cell as much as possible with a simple and compact configuration. To do.
本発明は、カソード側に供給される酸化剤ガス及びアノード側に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置とを備える燃料電池システムの運転停止方法に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between an oxidant gas supplied to the cathode side and a fuel gas supplied to the anode side, and an oxidant gas supply device that supplies the oxidant gas to the fuel cell. The present invention relates to a method for stopping operation of a fuel cell system comprising a fuel gas supply device for supplying the fuel gas to the fuel cell.
この運転停止方法は、燃料電池に酸化剤ガス及び燃料ガスを供給しながら、前記燃料電池を発電させる第１の工程と、前記燃料電池の停止指令を検出した際、前記燃料ガスの供給を停止する一方、前記酸化剤ガスを、通常発電時の酸素ストイキよりも低い低酸素ストイキで前記燃料電池に供給しながら、前記低酸素ストイキの前記酸化剤ガスと前記燃料電池内に残存する前記燃料ガスとにより該燃料電池を発電させる第２の工程とを有している。 In this operation stop method, the supply of the fuel gas is stopped when the first step of generating the fuel cell while supplying the oxidant gas and the fuel gas to the fuel cell and the stop command of the fuel cell is detected. On the other hand, while supplying the oxidant gas to the fuel cell with a low oxygen stoichiometry lower than that during normal power generation, the low-oxygen stoichiometric oxidant gas and the fuel gas remaining in the fuel cell And a second step of generating power from the fuel cell .
そして、第２の工程が終了した後、酸化剤ガスの供給を停止し、残存する前記酸化剤ガス及び残存する燃料ガスにより発電する際、残存する前記酸化剤ガスのモル数に対して残存する前記燃料ガスのモル数に不足又は過剰が発生しないように、燃料ガスの供給を停止する前に前記燃料ガスの供給圧力を上昇又は低下させている。 Then, after the second step is completed , the supply of the oxidant gas is stopped, and when power is generated with the remaining oxidant gas and the remaining fuel gas , the remaining number of moles of the remaining oxidant gas remains. wherein such deficiency or excess does not occur on the number of moles of the fuel gas, and increase or decrease the supply pressure of the fuel gas before stopping the supply of the fuel gas.
また、この運転停止方法は、第２の工程では、停止指令を検出した後、低酸素ストイキによる発電を開始する前に、燃料電池内の燃料ガス圧力が一定圧力以下になった際、燃料ガスの供給を行うことが好ましい。 In addition, in the second step, the operation stop method is performed when the fuel gas pressure in the fuel cell becomes equal to or lower than a certain pressure after the stop command is detected and before power generation by low oxygen stoichiometry is started. Is preferably supplied.
さらに、この運転停止方法は、第２の工程では、低酸素ストイキによる発電時に、発電電圧が逆転しないように、燃料ガスの供給を行うことが好ましい。 Furthermore, in this second method, in the second step, it is preferable to supply the fuel gas so that the generated voltage does not reverse during power generation by low oxygen stoichiometry.
さらにまた、この運転停止方法では、低酸素ストイキの酸化剤ガスは、低酸素ストイキが１前後に設定されることが好ましい。 Furthermore, in this operation stop method, it is preferable that the low oxygen stoichiometric oxidant gas is set to about 1.
本発明では、燃料電池内に残存する燃料ガスと低酸素ストイキの酸化剤ガスとにより発電されるため、排ガスとして窒素濃度の高い不活性ガスが発生する一方、燃料電池内の前記燃料ガスの水素濃度が低下する。従って、カソード側には、窒素ガスが充満して酸素濃度が低下し、燃料電池及びガス配管内を前記窒素ガスにより満たすことができる。 In the present invention, power is generated by the fuel gas remaining in the fuel cell and the low-oxygen stoichiometric oxidant gas, so that an inert gas having a high nitrogen concentration is generated as exhaust gas, while the hydrogen of the fuel gas in the fuel cell is generated. The concentration decreases. Therefore, the cathode side is filled with nitrogen gas to reduce the oxygen concentration, and the fuel cell and the gas pipe can be filled with the nitrogen gas.
しかも、燃料ガスの供給を停止する前に、前記燃料ガスの供給圧力が上昇又は低下されるため、燃料電池内に適正な量の水素が充填された状態で、低酸素ストイキによる発電が良好に遂行される。これにより、低酸素ストイキによる発電時に、水素量が不足したり、該水素量が過剰になったりすることがなく、簡単且つコンパクトな構成で、燃料電池の劣化を可及的に抑制することが可能になる。 Moreover, since the supply pressure of the fuel gas is increased or decreased before the supply of the fuel gas is stopped, the power generation by the low oxygen stoichiometry can be satisfactorily performed in a state where an appropriate amount of hydrogen is filled in the fuel cell. Carried out. As a result, during power generation with low oxygen stoichiometry, the amount of hydrogen is not deficient or excessive, and the deterioration of the fuel cell can be suppressed as much as possible with a simple and compact configuration. It becomes possible.
図１に示すように、本発明の実施形態に係る運転停止方法が実施される燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２と、前記燃料電池スタック１２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１４と、前記燃料電池スタック１２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１６と、前記燃料電池スタック１２に接続自在なバッテリ（蓄電装置）１７と、前記燃料電池システム１０全体の制御を行うコントローラ１８とを備える。燃料電池システム１０は、燃料電池自動車等の燃料電池車両に搭載される。バッテリ１７は、燃料電池車両を通常走行可能であり、例えば、２０Ａ、〜５００Ｖ程度であるとともに、後述する１２Ｖ電源９８よりも高電圧且つ高電力容量である。
As shown in FIG. 1, a
燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池２０を積層して構成される。各燃料電池２０は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜２２をカソード電極２４とアノード電極２６とで挟持した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）２８を備える。
The
カソード電極２４及びアノード電極２６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金（又はＲｕ等）が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成された電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜２２の両面に形成される。
The
電解質膜・電極構造体２８をカソード側セパレータ３０及びアノード側セパレータ３２で挟持する。カソード側セパレータ３０及びアノード側セパレータ３２は、例えば、カーボンセパレータ又は金属セパレータで構成される。
The electrolyte membrane /
カソード側セパレータ３０と電解質膜・電極構造体２８との間には、酸化剤ガス流路３４が設けられるとともに、アノード側セパレータ３２と前記電解質膜・電極構造体２８との間には、燃料ガス流路３６が設けられる。
An oxidant
燃料電池スタック１２には、各燃料電池２０の積層方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガス（以下、空気ともいう）を供給する酸化剤ガス入口連通孔３８ａ、燃料ガス、例えば、水素含有ガス（以下、水素ガスともいう）を供給する燃料ガス入口連通孔４０ａ、冷却媒体を供給する冷却媒体入口連通孔（図示せず）、前記酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口連通孔３８ｂ、前記燃料ガスを排出する燃料ガス出口連通孔４０ｂ、及び前記冷却媒体を排出する冷却媒体出口連通孔（図示せず）が設けられる。
The
酸化剤ガス供給装置１４は、大気からの空気を圧縮して供給するエアポンプ５０を備え、前記エアポンプ５０が空気供給流路５２に配設される。空気供給流路５２には、供給ガスと排出ガスとの間で水分と熱を交換する加湿器５４が配設されるとともに、前記空気供給流路５２は、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口連通孔３８ａに連通する。
The oxidant
酸化剤ガス供給装置１４は、酸化剤ガス出口連通孔３８ｂに連通する空気排出流路５６を備える。空気排出流路５６は、加湿器５４の加湿媒体通路（図示せず）に連通するとともに、この空気排出流路５６には、エアポンプ５０から空気供給流路５２を通って燃料電池スタック１２に供給される空気の圧力を調整するための開度調整可能な背圧制御弁５８が設けられる。背圧制御弁５８は、ノーマルクローズ型（通電されない時に閉塞される）背圧弁により構成されることが好ましい。
The oxidant
空気排出流路５６は、希釈ボックス６０に連通する。空気供給流路５２及び空気排出流路５６には、酸化剤ガス入口連通孔３８ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３８ｂに近接して開閉弁６１ａ、６１ｂが配設される。
The
燃料ガス供給装置１６は、高圧水素を貯留する水素タンク６２を備え、この水素タンク６２は、水素供給流路６４を介して燃料電池スタック１２の燃料ガス入口連通孔４０ａに連通する。この水素供給流路６４には、遮断弁６５及びエゼクタ６６が設けられる。エゼクタ６６は、水素タンク６２から供給される水素ガスを、水素供給流路６４を通って燃料電池スタック１２に供給するとともに、燃料電池スタック１２で使用されなかった未使用の水素ガスを含む排ガスを、水素循環路６８から吸引して、再度、前記燃料電池スタック１２に燃料ガスとして供給する。
The fuel
燃料ガス出口連通孔４０ｂには、オフガス流路７０が連通する。オフガス流路７０の途上には、水素循環路６８が連通するとともに、前記オフガス流路７０には、パージ弁７２を介して希釈ボックス６０が接続される。希釈ボックス６０の排出口側には、排出流路７４が接続され、前記排出流路７４に貯蔵バッファ７６が配設される。貯蔵バッファ７６には、排気流路７８が接続される。
The off
図２に示すように、燃料電池スタック１２には、バスライン８０の一端が接続されるとともに、前記バスライン８０の他端がインバータ８２に接続される。インバータ８２には、三相の車両走行用の駆動モータ８４が接続される。なお、バスライン８０は、実質的には、２本用いられているが、説明の簡素化を図るために、１本の前記バスライン８０で記載する。以下に説明する他のラインにおいても、同様である。
As shown in FIG. 2, one end of a
バスライン８０には、ＦＣコンタクタ８６が配設されるとともに、エアポンプ５０が接続される。バスライン８０には、電力線８８の一端が接続され、前記電力線８８には、ＤＣ／ＤＣコンバータ９０及びバッテリコンダクタ９２を介装してバッテリ１７が接続される。電力線８８には、分岐電力線９４が設けられ、前記分岐電力線９４には、ダウンバータ（ＤＣ／ＤＣコンバータ）９６を介装して１２Ｖ電源９８が接続される。なお、１２Ｖ電源９８は、バッテリ１７よりも低い電圧であればよく、１２Ｖに限定されるものではない。
An
このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。
The operation of the
先ず、燃料電池システム１０の運転時には、酸化剤ガス供給装置１４を構成するエアポンプ５０を介して、空気供給流路５２に空気が送られる。この空気は、加湿器５４を通って加湿された後、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口連通孔３８ａに供給される。この空気は、燃料電池スタック１２内の各燃料電池２０に設けられている酸化剤ガス流路３４に沿って移動することにより、カソード電極２４に供給される。
First, during operation of the
使用済みの空気は、酸化剤ガス出口連通孔３８ｂから空気排出流路５６に排出され、加湿器５４に送られることによって新たに供給される空気を加湿した後、背圧制御弁５８を介して希釈ボックス６０に導入される。
The used air is exhausted from the oxidant gas
一方、燃料ガス供給装置１６では、遮断弁６５が開放されることにより、水素タンク６２から減圧弁（図示せず）により減圧された後、水素供給流路６４に水素ガスが供給される。この水素ガスは、水素供給流路６４を通って燃料電池スタック１２の燃料ガス入口連通孔４０ａに供給される。燃料電池スタック１２内に供給された水素ガスは、各燃料電池２０の燃料ガス流路３６に沿って移動することにより、アノード電極２６に供給される。
On the other hand, in the fuel
使用済みの水素ガスは、燃料ガス出口連通孔４０ｂから水素循環路６８を介してエゼクタ６６に吸引され、燃料ガスとして、再度、燃料電池スタック１２に供給される。従って、カソード電極２４に供給される空気とアノード電極２６に供給される水素ガスとが電気化学的に反応して発電が行われる。
The used hydrogen gas is sucked into the
一方、水素循環路６８を循環する水素ガスには、不純物が混在し易い。このため、不純物を混在する水素ガスは、パージ弁７２が開放されることによって希釈ボックス６０に導入される。この水素ガスは、空気オフガスと混合されることにより水素濃度が低下された後、貯蔵バッファ７６に排出される。
On the other hand, the hydrogen gas circulating in the
次いで、燃料電池システム１０の運転停止方法について、図３に示すタイミングチャートに沿って、以下に説明する。
Next, a method for stopping operation of the
図示しない燃料電池自動車に搭載された燃料電池システム１０は、上記のように、通常運転を行うことにより、所望の走行が行われている。そして、図示しないイグニッションスイッチがオフされると、燃料電池システム１０の運転停止処理が開始される。
As described above, the
先ず、後述するディスチャージ処理後に、燃料電池スタック１２内の燃料ガス圧力が設定圧力に維持されるように、水素ガス（燃料ガス）の供給圧力が、予め、設定される。具体的には、図４に示すように、水素ガスが充填されて閉塞される水素ガス系容積部１００は、燃料電池スタック１２内の燃料ガス流路３６、燃料ガス入口連通孔４０ａ及び燃料ガス出口連通孔４０ｂと、水素供給流路６４のエゼクタ６６よりも下流領域と、水素循環路６８と、オフガス流路７０のパージ弁７２よりも上流領域とにより構成される。
First, the supply pressure of hydrogen gas (fuel gas) is set in advance so that the fuel gas pressure in the
空気雰囲気を窒素雰囲気に置換したい空気系容積部１０２は、燃料電池スタック１２内の酸化剤ガス流路３４、酸化剤ガス入口連通孔３８ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３８ｂと、空気供給流路５２と、空気排出流路５６と、加湿器５４と、希釈ボックス６０と、貯蔵バッファ７６とにより構成される。
The
ディスチャージ処理時には、空気は、酸素ストイキを、通常発電時の酸素ストイキよりも低い低酸素ストイキで供給する。具体的には、低酸素ストイキは、１前後に設定される。一方、水素ガスは、供給が停止される。 During the discharge process, air supplies oxygen stoichiometry at a low oxygen stoichiometry lower than that during normal power generation. Specifically, the low oxygen stoichiometry is set to around 1. On the other hand, supply of hydrogen gas is stopped.
このため、空気系容積部１０２における燃料電池スタック１２で窒素雰囲気にしたい残存酸素のモル数ＮO2及びエアポンプ５０により供給される低酸素ストイキにより窒素雰囲気にしたい加湿器５４、希釈ボックス６０及び貯蔵バッファ７６の酸素のモル数Ｎ’O2と、水素ガス系容積部１００における残存水素のモル数ＮH2とは、２（ＮO2＋Ｎ’O2）＝ＮH2の関係を有する状態に設定される。
For this reason, the
そして、設定された残存水素のモル数ＮH2から、Ｎ（モル数）＝Ｐ（圧力）×Ｖ（体積）／Ｒ（気体常数）×Ｔ（絶対温度）の式を用いて、水素ガスの供給圧力（アノード圧力）Ｐａが算出される（図３参照）。アノード圧力Ｐａは、残存する酸化剤ガスのモル数に対して残存する燃料ガスのモル数に不足又は過剰が発生しない圧力に設定される。後述するディスチャージ処理が正常に終了した後に、アノード圧力Ｐａは、一定圧力Ｐｂ以上に維持される。 Then, from the set number of moles of residual hydrogen NH2, the supply of hydrogen gas using the formula N (number of moles) = P (pressure) × V (volume) / R (gas constant) × T (absolute temperature) The pressure (anode pressure) Pa is calculated (see FIG. 3) . A node pressure Pa is insufficient or excess is set to a pressure which does not occur in the number of moles of the fuel gas remaining number of moles of oxidant gas remaining. After the discharge process described later is normally completed , the anode pressure Pa is maintained at a certain pressure Pb or higher .
ここで、空気系容積部１０２の容量≫水素ガス系容積部１００の容量の関係を有する場合には、前記水素ガス系容積部１００の容量を増加させるために、アノード圧力Ｐａまで増圧させる方法（第１の実施形態）と、不足する水素の供給を行う方法（第２の実施形態）とが採用される。
Here, in a case where the relationship of the capacity of the air
一方、水素ガス系容積部１００の容量≫空気系容積部１０２の容量の関係を有する場合には、前記水素ガス系容積部１００の容量を減少させるために、アノード圧力Ｐａまで減圧させる方法が採用される。
On the other hand, when the relationship of the capacity of the hydrogen gas
次いで、図３に示すように、イグニッションスイッチがオフされると、遮断弁６５の開放作用下に燃料電池スタック１２に水素ガスが供給され、前記燃料電池スタック１２内の圧力がアノード圧力Ｐａまで上昇する（昇圧処理）。このアノード圧力Ｐａは、上記の計算式より算出される。
Next, as shown in FIG. 3, when the ignition switch is turned off, hydrogen gas is supplied to the
昇圧処理が終了すると、停止処理に移行する。この停止処理では、遮断弁６５が閉塞される一方、例えば、カソード側の空気による掃気処理（カソード掃気）が行われる。停止処理後には、背圧制御弁５８は、開度制御が停止されて閉塞される（図５参照）。さらに、酸化剤ガス供給装置１４を構成するエアポンプ５０は、通常運転時に比べて相当に回転数が減速され、酸化剤ガス中の酸素ストイキを、通常発電時の酸素ストイキよりも低い低酸素ストイキで供給する。具体的には、低酸素ストイキは、１前後に設定される。
When the boosting process ends, the process proceeds to a stop process. In this stop process, the
一方、燃料電池スタック１２は、発電が継続され、発電電圧（ＦＣ電圧）は、通常発電時よりも高圧に設定されるとともに、前記燃料電池スタック１２から取り出される電流（ＦＣ電流）は、固体高分子電解質膜２２を透過してアノード側からカソード側に燃料ガスである水素ガスが移動することを阻止する値に設定される。その際、図２において、ＦＣコンタクタ８６及びバッテリコンダクタ９２がオンされており、燃料電池スタック１２の発電時に得られる電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ９０により電圧を降圧させた後、バッテリ１７に充電される。
On the other hand, the
上記のように、燃料電池スタック１２では、低酸素ストイキの空気が供給される一方、遮断弁６５の閉塞により水素ガスの供給が停止した状態で、発電が行われている。そして、燃料電池スタック１２による発電電力は、バッテリ１７に供給されることにより、ディスチャージ（図３中、バッテリ ＤＣＨＧ）されている。従って、燃料電池スタック１２の発電電圧が所定の電圧、すなわち、バッテリ１７に供給不能な電圧Ｎ１（Ｖ）（バッテリ１７の電圧とほぼ同じ電圧）まで低下すると、エアポンプ５０にのみ発電電力が供給される。
As described above, in the
これにより、燃料電池スタック１２内では、アノード側の水素濃度が低下する一方、カソード側の酸素濃度が低下していく。そこで、例えば、アノード側の水素圧力が所定の圧力以下となった際に、エアポンプ５０がオフされるとともに、バッテリコンダクタ９２がオフされる。
Thereby, in the
このため、図６に示すように、燃料電池スタック１２は、内部に残存する水素ガスと空気とにより発電される。この燃料電池スタック１２の発電により発生する電力は、ダウンバータ９６を介して降圧された後、１２Ｖ電源９８に充電（Ｄ／Ｖ ＤＣＨＧ）されるとともに、必要に応じて図示しないラジエータファン等に電力が供給される。さらに、燃料電池スタック１２の発電電圧が、ダウンバータ９６の作動限界電圧の近傍まで低下すると、背圧制御弁５８が一旦開放（大気圧）されるとともに、ＦＣコンタクタ８６がオフされる。
For this reason, as shown in FIG. 6, the
この場合、第１の実施形態では、イグニッションスイッチがオフされると、水素ガスの供給を停止する前に、燃料電池スタック１２内の圧力がアノード圧力Ｐａまで上昇された後、背圧制御弁５８、エアポンプ５０及び遮断弁６５が操作されている。従って、燃料電池スタック１２では、この燃料電池スタック１２内に残存する水素ガスと低酸素ストイキの空気とにより発電が行われ、発電電力がバッテリ１７に供給されてディスチャージされている。
In this case, in the first embodiment, when the ignition switch is turned off, the back
これにより、燃料電池スタック１２内のアノード側では、水素濃度が減少するとともに、カソード側では、酸素濃度が減少して窒素濃度が上昇している。このため、カソード側には、排ガスとして高濃度の窒素ガスが発生し、前記窒素ガスが希釈ボックス６０及び貯蔵バッファ７６に供給される。一方、アノード側では、水素濃度の低下により負圧状態となり、カソード側からアノード側に窒素ガスの透過が行われる。
As a result, the hydrogen concentration decreases on the anode side in the
従って、図４に示すように、燃料電池スタック１２を含む水素ガス系容積部１００及び空気系容積部１０２内には、不活性ガスである窒素ガスを満たすことができ、簡単且つコンパクトな構成で、燃料電池２０の劣化を可及的に抑制することが可能になるという効果が得られる。
Therefore, as shown in FIG. 4, the
しかも、第１の実施形態では、水素ガスの供給を停止する前に、燃料電池スタック１２に供給される水素ガスの供給圧力を、アノード圧力Ｐａまで上昇させている。このため、燃料電池スタック１２内に適正な量の水素が充填された状態で、低酸素ストイキによる発電が良好に遂行され、ディスチャージ完了後に、燃料電池スタック１２内に過剰な水素ガスが残存したり、水素ガス不足によるアノード負圧が発生したりすることを、確実に阻止することができるという効果が得られる。
Moreover, in the first embodiment, the supply pressure of the hydrogen gas supplied to the
さらに、第１の実施形態では、エアポンプ５０をオフすることにより、空気の供給を停止した状態で、すなわち、燃料電池スタック１２内に残存する水素及び酸素のみで、前記燃料電池スタック１２が発電されている（図３中、Ｄ/Ｖ ＤＣＨＧ）。
Further, in the first embodiment, the
このため、図７に示すように、エアポンプ５０を介して空気の供給を行いながら、燃料電池スタック１２の発電を行った場合、システム内の窒素置換範囲が、範囲Ｂ及び範囲Ｃまでであるのに対し、前記エアポンプ５０を停止した後、前記燃料電池スタック１２の発電を行うと、該燃料電池スタック１２の入口側である範囲Ａまで窒素ガスによる置換範囲が拡大している。これにより、燃料電池システム１０は、比較的長期間にわたって停止されても、燃料電池２０の劣化を可及的に阻止することができるという利点がある。
For this reason, as shown in FIG. 7, when the
図８は、本発明の第２の実施形態に係る運転停止方法を説明するタイミングチャートである。 FIG. 8 is a timing chart for explaining the operation stop method according to the second embodiment of the present invention.
燃料電池システム１０では、燃料電池スタック１２内の水素圧力が、所望のアノード圧力Ｐａまで昇圧された後、ディスチャージ処理前に、降圧する場合がある（図８中、二点鎖線参照）。例えば、燃料電池２０の性能劣化により燃料ガス流路３６から酸化剤ガス流路３４に水素ガスが透過し、水素圧力が低下するからである。従って、ディスチャージ処理後に、水素圧力が一定圧力Ｐｂ以下に低下するおそれがある。
In the
一方、燃料電池２０の性能劣化により、電圧（ＦＣ電圧）が低下し易くなる（図８中、二点鎖線参照）。これにより、ディスチャージ処理中に、ＦＣ電圧が０Ｖ以下の負電圧に低下する場合がある。 On the other hand, the voltage (FC voltage) is likely to decrease due to performance deterioration of the fuel cell 20 (see the two-dot chain line in FIG. 8). As a result, the FC voltage may drop to a negative voltage of 0 V or less during the discharge process.
このため、第２の実施形態では、コントローラ１８によりアノード圧力Ｐａの降圧が検出されると、遮断弁６５が間欠的に開閉制御される。従って、燃料電池スタック１２には、水素タンク６２から水素ガスが間欠的に補充され、アノード圧力Ｐａを維持することが可能になる。これにより、第２の実施形態では、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
For this reason, in the second embodiment, when the
１０…燃料電池システム １２…燃料電池スタック
１４…酸化剤ガス供給装置 １６…燃料ガス供給装置
１７…バッテリ １８…コントローラ
２０…燃料電池 ２２…固体高分子電解質膜
２４…カソード電極 ２６…アノード電極
２８…電解質膜・電極構造体 ３０、３２…セパレータ
３４…酸化剤ガス流路 ３６…燃料ガス流路
３８ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ３８ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
４０ａ…燃料ガス入口連通孔 ４０ｂ…燃料ガス出口連通孔
５０…エアポンプ ５２…空気供給流路
５４…加湿器 ５６…空気排出流路
５８…背圧制御弁 ６０…希釈ボックス
６１ａ、６１ｂ…開閉弁 ６２…水素タンク
６４…水素供給路 ６５…遮断弁
６６…エゼクタ ６８…水素循環路
７０…オフガス流路 ７２…パージ弁
７４…排出流路 ７６…貯蔵バッファ
７８…排気流路 ８６…ＦＣコンタクタ
９０…ＤＣ／ＤＣコンバータ ９２…バッテリコンダクタ
９６…ダウンバータ ９８…１２Ｖ電源
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
を備える燃料電池システムの運転停止方法であって、
前記燃料電池に前記酸化剤ガス及び前記燃料ガスを供給しながら、前記燃料電池を発電させる第１の工程と、
前記燃料電池の停止指令を検出した際、前記燃料ガスの供給を停止する一方、前記酸化剤ガスを、通常発電時の酸素ストイキよりも低い低酸素ストイキで前記燃料電池に供給しながら、前記低酸素ストイキの前記酸化剤ガスと前記燃料電池内に残存する前記燃料ガスとにより該燃料電池を発電させる第２の工程と、
を有するとともに、
前記第２の工程が終了した後、前記酸化剤ガスの供給を停止し、残存する前記酸化剤ガス及び残存する前記燃料ガスにより発電する際、残存する前記酸化剤ガスのモル数に対して残存する前記燃料ガスのモル数に不足又は過剰が発生しないように、前記燃料ガスの供給を停止する前に前記燃料ガスの供給圧力を上昇又は低下させることを特徴とする燃料電池システムの運転停止方法。 A fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction of an oxidant gas supplied to the cathode side and a fuel gas supplied to the anode side;
An oxidant gas supply device for supplying the oxidant gas to the fuel cell;
A fuel gas supply device for supplying the fuel gas to the fuel cell;
A method for stopping operation of a fuel cell system comprising:
A first step of generating electricity in the fuel cell while supplying the oxidant gas and the fuel gas to the fuel cell;
When the fuel cell stop command is detected, the supply of the fuel gas is stopped, while the oxidant gas is supplied to the fuel cell with a low oxygen stoichiometry lower than the oxygen stoichiometry during normal power generation. A second step of generating power from the oxidant gas of oxygen stoichiometry and the fuel gas remaining in the fuel cell;
And having
After the second step is completed, the supply of the oxidant gas is stopped, and when power is generated with the remaining oxidant gas and the remaining fuel gas , the remaining amount with respect to the number of moles of the remaining oxidant gas. A fuel cell system shutdown method comprising: raising or lowering the supply pressure of the fuel gas before stopping the supply of the fuel gas so that a shortage or excess of the number of moles of the fuel gas does not occur .
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