WO2012140741A1 - 燃料電池システムおよびその停止方法 - Google Patents

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gas flow
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gas
cathode
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琢也 増山
前原　和巳
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株式会社Ｅｎｅｏｓセルテック
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system and a method for stopping the fuel cell system.
  • a conventional fuel cell system supplies a hydrogen-containing gas and an oxygen-containing gas to a fuel cell stack, and generates power using the fuel cell stack.
  • the battery stack includes an anode, an electrolyte, and a cathode.
  • a hydrogen-containing gas is supplied to the anode, and an oxygen-containing gas is supplied to the cathode.
  • An example of such a fuel cell system is described in Patent Document 1.
  • the cathode electrode may be deteriorated if oxygen is present on the anode side. is there. Further, if oxygen is present also on the cathode side, the electrode catalyst on the cathode side may be deteriorated.
  • hydrogen-containing gas or oxygen-containing gas remaining in the fuel cell stack when the fuel cell system is stopped is replaced with an inert gas. .
  • an object of the present invention is to provide a fuel cell system and a method for stopping the fuel cell system that suppress deterioration of fuel utilization efficiency while suppressing deterioration of electrodes of the fuel cell stack.
  • the present invention is located in a stack formed by stacking a plurality of cells each having a cathode and an anode, and a first gas supply line for supplying an oxygen-containing gas to the cathode side of the cell, and adjusts the supply gas flow rate on the cathode side
  • a second gas supply line for supplying a hydrogen-containing gas to the anode side of the second gas supply line, and a second gas discharge line for discharging a gas from the anode side of the cell, and adjusting the exhaust gas flow rate on the anode side 2 Control the at least one of the exhaust gas flow rate adjusting unit, the first supply gas flow rate adjusting unit and the first exhaust gas flow rate adjusting unit to reduce the gas flow rate on the cathode
  • the present invention is located in a stack formed by stacking a plurality of cells each having a cathode and an anode, and a first gas supply line for supplying an oxygen-containing gas to the cathode side of the cell.
  • a fuel cell system stopping method comprising: a second exhaust gas flow rate adjusting unit; and controlling at least one of the first supply gas flow rate adjusting unit and the first exhaust gas flow rate adjusting unit.
  • the flow of at least one of the gas derived from the cathode and the oxygen-containing gas introduced to the cathode is reduced (for example, the gas flow is reduced).
  • the voltage value of the fuel cell stack is lowered below the reference voltage value in the inhibited or shut-off state
  • the flow of the gas derived from the cathode and the oxygen-containing gas introduced into the cathode is shut off.
  • the cathode side becomes a closed system.
  • the cathode side when oxygen on the cathode side is consumed, the voltage value also decreases. Therefore, when the voltage value falls below the reference voltage value, the cathode side is made a closed system, so that the state in which oxygen is sufficiently reduced on the cathode side is maintained.
  • the second exhaust gas flow rate adjusting unit is controlled so that the pressure value on the anode side becomes equal to or higher than the reference pressure value.
  • the cathode side is also in the pressurized state.
  • diffusion of oxygen from the outside of the fuel cell stack into the anode and the cathode is suppressed, and deterioration of the electrodes of the fuel cell stack can be suppressed.
  • This current sweep unit can efficiently reduce the oxygen concentration of the cathode by sweeping the current until the voltage value of the fuel cell stack becomes equal to or lower than the reference voltage value.
  • the apparatus further includes a second supply gas flow rate adjustment unit that is located in the second gas supply line and adjusts the supply gas flow rate on the anode side, and the control unit controls the second exhaust gas flow rate adjustment unit to control the anode side or the cathode.
  • a second supply gas flow rate adjustment unit that is located in the second gas supply line and adjusts the supply gas flow rate on the anode side
  • the control unit controls the second exhaust gas flow rate adjustment unit to control the anode side or the cathode.
  • the hydrogen-containing gas generated by the reformer can be supplied to the anode. That is, since liquid fuel (kerosene or the like) can be used as a raw material for generating the hydrogen-containing gas, it is possible to improve the versatility of the types of raw materials used for generating the hydrogen-containing gas.
  • liquid fuel kerosene or the like
  • bypass line connecting the second gas supply line and the downstream side of the second exhaust gas flow rate adjustment unit in the second gas discharge line, and a bypass line flow rate adjustment for adjusting the gas flow rate of the hydrogen-containing gas flowing through the bypass line
  • control unit controls the bypass line flow rate adjusting unit to circulate the hydrogen-containing gas when the second exhaust gas flow rate adjusting unit is controlled to reduce the exhaust gas flow rate on the anode side.
  • the hydrogen-containing gas flowing in the bypass line is used, for example, as fuel for the burner that heats the reforming catalyst of the reformer, thereby generating a hydrogen-containing gas in the reformer while pressurizing the anode side. A sufficient temperature can be maintained.
  • the present invention it is possible to suppress a decrease in fuel utilization efficiency while suppressing deterioration of the electrodes of the fuel cell stack.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an embodiment of a fuel cell system according to the present invention. It is a flowchart which shows the flow of the control processing which a control part performs.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system 1.
  • the fuel cell system 1 generates power using a reformer 2 that generates a reformed gas as a hydrogen-containing gas from gaseous fuel or liquid fuel, and the reformed gas generated by the reformer 2.
  • a fuel cell stack 3 for performing The fuel cell system 1 is used as, for example, a household power supply source, and kerosene is used as a liquid fuel from the viewpoint that it can be easily obtained and stored independently. Yes.
  • the reformer 2 is for reforming liquid fuel to generate reformed gas, and has a reformer 21 and a burner 22.
  • the reformer 21 performs a steam reforming reaction between liquid fuel and steam with a reforming catalyst to generate a reformed gas containing hydrogen.
  • the burner 22 supplies the amount of heat necessary for the steam reforming reaction by heating the reforming catalyst of the reformer 21.
  • the liquid fuel supplied to the reformer 2 is desulfurized by a desulfurizer (not shown).
  • the fuel cell stack 3 is configured by stacking a plurality of battery cells 30 and generates power using the reformed gas obtained by the reformer 2 to output a direct current.
  • the battery cell 30 has an anode 31, a cathode 32, and an electrolyte (not shown) that is a solid polymer disposed between the anode 31 and the cathode 32, and introduces a reformed gas into the anode 31.
  • an electrochemical power generation reaction is performed in each battery cell 30.
  • the oxygen-containing gas include pure oxygen gas, oxygen-enriched air, and air. Of these, air is preferable from the viewpoint of ease of handling and cost.
  • FIG. 1 only one battery cell 30 among the battery cells 30 to be stacked is illustrated.
  • the fuel cell system 1 includes a first gas supply line L12 through which an oxygen-containing gas introduced into the cathode 32 is circulated, and a first gas discharge line L11 through which a gas derived from the cathode 32 is circulated.
  • the first gas supply line L12 includes an air blower A1 for introducing an oxygen-containing gas into the cathode 32, and a motor-operated valve B12 (first supply gas flow rate adjusting unit) that adjusts the amount of oxygen-containing gas introduced into the cathode 32. ) And are provided.
  • the motor-operated valve B12 is used as an example of the adjusting valve, but other than this, for example, an electromagnetic valve or the like can be used.
  • an electric valve since an electric valve has a small pressure loss, it is suitable as a regulating valve provided in the first gas supply line L12 having a large flow rate.
  • the first gas discharge line L11 is provided with a motor operated valve B11 (first exhaust gas flow rate adjusting unit) for adjusting the amount of gas derived from the cathode 32.
  • the motor-operated valve B11 is used as an example of the adjustment valve, but other than this, for example, an electromagnetic valve or the like can be used.
  • a motor valve since a motor valve has a small pressure loss, it is suitable as an adjustment valve provided in the 1st gas exhaust line L11 with many flows.
  • the fuel cell system 1 includes a second gas supply line L22 through which the reformed gas introduced into the anode 31 flows, and a second gas discharge line L21 through which the gas derived from the anode 31 flows.
  • the upstream side of the second gas supply line L22 is connected to the reformer 21, and the reformed gas generated by the reformer 21 is introduced into the anode 31 through the second gas supply line L22.
  • the second gas supply line L22 is provided with an electromagnetic valve B22 (second supply gas flow rate adjusting unit) that adjusts the amount of reformed gas introduced into the anode 31.
  • the electromagnetic valve B22 is used as an example of the adjustment valve. However, for example, an electric valve or the like can be used.
  • the second gas discharge line L21 is for discharging off-gas containing hydrogen that has not contributed to power generation in the fuel cell stack 3 among the reformed gases supplied to the anode 31 through the second gas supply line L22. It is.
  • the downstream side of the second gas discharge line L ⁇ b> 21 is connected to the burner 22, and off-gas can be used as fuel for the burner 22.
  • the second gas discharge line L21 is provided with an electromagnetic valve B21 (second exhaust gas flow rate adjusting unit) that adjusts the amount of gas derived from the anode 31.
  • the electromagnetic valve B21 is used as an example of the adjustment valve. However, for example, an electric valve or the like can be used.
  • the fuel cell system 1 branches from the second gas supply line L22 that connects the reformer 21 and the anode 31 on the upstream side of the electromagnetic valve B22, and the second gas discharge line that connects the anode 31 and the burner 22.
  • a bypass line L23 that joins L21 on the downstream side of the electromagnetic valve B21 is provided.
  • the bypass line L23 is provided with an electromagnetic valve B23 (bypass line flow rate adjusting unit) that adjusts the flow rate of the reformed gas flowing through the bypass line L23.
  • bypass line L23 is configured so that the solenoid 31 itself or a pipe is provided with an orifice or capillary so that the anode 31 is in a pressurized state at atmospheric pressure or higher when the solenoid valve B21 is shut off and the reformed gas is allowed to flow through the bypass line L23. Is installed and pressure loss is applied.
  • the fuel cell system 1 includes a current sweep unit 5 that sweeps the current of the fuel cell stack 3 and a voltage value detection unit 6 that detects the voltage value of the fuel cell stack 3. Further, the fuel cell system 1 includes a control unit 4 that controls the electric valves B11 and B12 and the electromagnetic valves B21 to B23, the air blower A1, and the current sweep unit 5. The voltage value of the fuel cell stack 3 detected by the voltage value detection unit 6 is input to the control unit 4.
  • FIG. 2 is a flowchart showing a control processing procedure executed by the control unit 4.
  • step S101 the control unit 4 controls the motor operated valve B11 to cut off the gas flow in the first gas discharge line L11 and stop the operation of the air blower A1.
  • step S102 the control unit 4 controls the current sweep unit 5 to sweep the current of the fuel cell stack 3.
  • oxygen is consumed on the cathode 32 side and the oxygen concentration is lowered.
  • hydrogen moves from the anode 31 side to the cathode 32 side, the hydrogen concentration on the cathode 32 side increases.
  • step S103 the control unit 4 detects a decreasing voltage value by the voltage value detection unit 6, and determines whether or not the detected voltage value is equal to or less than a predetermined reference voltage value.
  • step S103: NO the processes of steps S102 and S103 are repeated until the voltage value becomes less than or equal to the reference voltage value.
  • step S103: YES the process proceeds to step S104.
  • step S104 the control unit 4 controls the current sweep unit 5 to stop the current sweep of the fuel cell stack 3.
  • step S105 the control unit 4 controls the motor operated valve B12 to block the flow of the oxygen-containing gas in the first gas supply line L12. Thereby, the derivation of the gas from the cathode 32 via the first gas discharge line L11 and the introduction of the oxygen-containing gas to the cathode 32 via the first gas supply line L12 are blocked, and the cathode 32 side becomes a closed system. .
  • step S106 the control unit 4 controls the electromagnetic valve B21 to block the gas flow in the second gas discharge line L21. Further, the electromagnetic valve B23 is controlled to be in an open state. Thereby, the reformed gas is introduced into the anode 31 from the reformer 2 via the second gas supply line L22, whereby the pressure value in the anode 31 is increased by the reformed gas. Further, since the solenoid valve B23 is controlled to be in the open state, a part of the reformed gas introduced into the anode 31 is discharged from the second gas supply line L22 via the bypass line L23. It flows into the line L21 and is further supplied from the second gas discharge line L21 to the burner 22.
  • step S107 the control unit 4 controls whether or not a predetermined time has elapsed since the control of the electromagnetic valve B21 in step S106 to block the gas flow in the second gas discharge line L21 (the electromagnetic valve B21 is closed). to decide.
  • the pressure in the anode 31 increases as time elapses after the electromagnetic valve B21 is controlled to be closed. Therefore, by grasping in advance the relationship between the elapsed time since the solenoid valve B21 was controlled to be closed and the change in the pressure value in the anode 31, the elapsed time since the solenoid valve B21 was closed is determined. The pressure value in the anode 31 can be grasped.
  • step S107 it is determined whether or not a predetermined time corresponding to a predetermined pressure value determined in advance has elapsed. In other words, whether or not the pressure value in the anode 31 has become a predetermined pressure value from the elapsed time. Is to judge. Further, as hydrogen moves from the anode 31 side to the cathode 32 side, the pressure value in the cathode 32 also increases following the increase in the pressure value in the anode 31. For this reason, the predetermined time may be determined by grasping the relationship between the change in the pressure value of the cathode and the elapsed time.
  • step S107 If it is determined in step S107 that the predetermined time has not elapsed (step S107: NO), the process of step S107 is repeated until it is determined that the predetermined time has elapsed. On the other hand, if it is determined that the predetermined time has elapsed (step S107: YES), the process proceeds to step S108.
  • step S108 the control unit 4 controls the electromagnetic valve B22 to block the flow of the reformed gas in the second gas supply line L22 (the electromagnetic valve B22 is closed).
  • the anode side becomes a closed system
  • the anode 31 is filled with the reformed gas, and the high pressure state is maintained.
  • hydrogen actively moves from the anode 31 side to the cathode 32 side, thereby increasing the pressure value in the cathode 32.
  • the pressure value in the cathode 32 increases as the pressure value in the anode 31 increases following the movement of hydrogen. Due to the movement of hydrogen from the anode 31 side to the cathode 32 side, the pressure value of the anode 31 and the pressure value of the cathode 32 become equal, and the pressure balance to the electrolyte membrane becomes equal.
  • the operation and effect of the fuel cell system 1 according to the present embodiment will be described.
  • the fuel cell system 1 of the present embodiment when the power generation by the fuel cell stack 3 is stopped, the flow of gas derived from the cathode 32 is interrupted by controlling the motor-operated valve B11 to be closed, and the fuel cell.
  • the voltage value of the stack 3 falls below the reference voltage value, the flow of the oxygen-containing gas introduced into the cathode 32 is blocked by controlling the motor-operated valve B12 to be closed.
  • the voltage value of the fuel cell stack 3 also decreases.
  • the motor-operated valves B11 and B12 are controlled to be closed so that the cathode side is closed, thereby maintaining the state where oxygen is sufficiently reduced on the cathode 32 side. Is done.
  • the solenoid valve B22 is controlled to be closed when the anode 31 side pressure value rises to a predetermined reference pressure value, but the cathode 32 side pressure value is set to a predetermined reference pressure value.
  • the electromagnetic valve B22 may be controlled to be closed when the valve is raised to
  • the oxygen concentration on the cathode 32 side can be efficiently reduced.
  • the pressure value on the anode 31 side or the pressure value on the cathode 32 side has increased to a predetermined pressure value simply by blocking the flow of the reformed gas introduced into the anode 31. It can be easily grasped.
  • the reformer 2 can generate a reformed gas as a hydrogen-containing gas containing hydrogen. That is, since liquid fuel (kerosene or the like) can be used as a raw material for generating the hydrogen-containing gas, it is possible to improve the versatility of the types of raw materials used for generating the hydrogen-containing gas.
  • liquid fuel kerosene or the like
  • the solenoid valve B21 is closed, a part of the reformed gas supplied to the anode 31 is discharged from the second gas supply line L22 via the bypass line L23. It flows into the line L21 and is further supplied from the second gas discharge line L21 to the burner 22. In this way, a part of the reformed gas supplied to the anode 31 can be used as the fuel for the burner 22 and is sufficient to generate the reformed gas in the reformer 2 while pressurizing the anode 31 side. The temperature can be maintained.
  • the motor-operated valve B11 is controlled to be closed in step S101, and then the motor-operated valve B12 is closed in step S105.
  • the motor-operated valve B12 is closed while the motor-operated valve B11 is kept open in step S101.
  • the motor-operated valve B11 can be controlled to be closed in step S105.
  • Step S101 at least one of the motor-operated valve B11 and the motor-operated valve B12 is controlled so that the gas flow is inhibited without completely blocking the gas flow on the cathode 32 side.
  • the motor-operated valve B11 and the motor-operated valve B12 may be controlled to be closed.
  • the solenoid valve B21 is controlled so that the gas flow is inhibited without completely blocking the gas flow in the second gas discharge line L21.
  • the electromagnetic valve B21 and the electromagnetic valve B22 may be controlled to be closed.
  • the current sweep unit 5 is controlled to sweep the current of the fuel cell stack 3 in step S102, but the current sweep unit 5 does not sweep the current, and the motor-operated valve B11 is closed in step S101.
  • the motor-operated valve B12 may be controlled to be closed after a predetermined time has elapsed since the control. Even in this case, since hydrogen moves from the anode 31 side into the cathode 32, the inside of the cathode 32 is in a hydrogen atmosphere.
  • the pressure value in the anode 31 is grasped by the elapsed time after the electromagnetic valve B21 is controlled to be closed (step S107).
  • an anode-side pressure sensor that measures the pressure value in the anode 31 is used.
  • the pressure value in the anode 31 can be grasped from the pressure value measured by the anode side pressure sensor. In this case, the pressure value in the anode 31 can be measured more accurately.
  • an anode side pressure sensor for measuring the pressure value in the anode 31 and a cathode side pressure sensor for measuring the pressure value in the cathode 32 are provided, and the measured value of the anode side pressure sensor becomes a predetermined pressure value.
  • the electromagnetic valve B22 can be controlled to be closed (step S108).
  • the pressure values in the anode 31 and the cathode 32 can be accurately grasped to control the electromagnetic valve B22 (the electromagnetic valve B22 is closed).
  • the electromagnetic valve B22 is controlled to be closed ( Step S108) can also be performed.

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Abstract

　燃料電池スタック３による発電を停止させる場合に、電動弁Ｂ１１を閉状態に制御し、燃料電池スタック３の電圧値が基準電圧値以下に低下したときに、電動弁Ｂ１２を閉状態に制御する。そして、電磁弁Ｂ２１を閉状態に制御する。アノード３１側の圧力値が所定の圧力値まで上昇したときに、電磁弁Ｂ２２を閉状態に制御する。これにより、アノード３１内が改質ガスによって加圧状態となり、アノード３１側から移動した水素によってカソード３２内も加圧状態となる。このため、燃料電池スタック３の外部からアノード３１内およびカソード３２内への酸素の拡散が抑制される。

Description

燃料電池システムおよびその停止方法
　本発明は、燃料電池システムおよびその停止方法に関する。
　従来の燃料電池システムは、水素含有ガスと酸素含有ガスとを燃料電池スタックに供給し、燃料電池スタックで発電を行っている。この電池スタックは、アノードと、電解質と、カソードとが備えられており、アノードに水素含有ガスが供給され、カソードに酸素含有ガスが供給される。このような燃料電池システムとして、例えば特許文献１に記載されたものがある。
特開２００５－７１７７８号公報
　ところで、従来の燃料電池システムでは、例えば燃料電池システムの起動時等、水素含有ガスを燃料電池スタックのアノードに供給するときに、アノード側に酸素が存在しているとカソード電極が劣化する恐れがある。また、カソード側においても酸素が存在していると、カソード側の電極触媒が劣化する恐れがある。これらを防止するため、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、燃料電池システムの停止時に燃料電池スタック内に残存する水素含有ガスあるいは酸素含有ガスを、不活性ガスに置き換えることが行われている。しかしながら、電極の劣化を防止するために燃料電池システムの停止時でも不活性ガスとして原料ガスを供給し続ける必要があり、燃料の利用効率が悪いといった問題がある。
　そこで本発明は、燃料電池スタックの電極の劣化を抑制しつつ、燃料の利用効率の低下を抑制する燃料電池システムおよびその停止方法を提供することを目的とする。
　本発明は、カソードおよびアノードを有するセルを複数積層してなるスタックと、セルのカソード側に酸素含有ガスを供給するための第１ガス供給ラインに位置し、該カソード側の供給ガス流量を調整する第１供給ガス流量調整部と、セルのカソード側からガスを排出するための第１ガス排出ラインに位置し、該カソード側の排出ガス流量を調整する第１排出ガス流量調整部と、セルのアノード側に水素含有ガスを供給するための第２ガス供給ラインと、セルのアノード側からガスを排出するための第２ガス排出ラインに位置し、該アノード側の排出ガス流量を調整する第２排出ガス流量調整部と、第１供給ガス流量調整部および第１排出ガス流量調整部の少なくとも一方を制御してカソード側におけるガス流量を低減し、スタックの電圧値が基準電圧値以下になった場合に、第１供給ガス流量調整部および第１排出ガス流量調整部を制御してセルのカソード側を閉鎖系とし、且つ、第２排出ガス流量調整部を制御してアノード側における圧力値を基準圧力値以上にする制御部と、を備えることを特徴とする。
　本発明は、カソードおよびアノードを有するセルを複数積層してなるスタックと、セルの前記カソード側に酸素含有ガスを供給するための第１ガス供給ラインに位置し、該カソード側の供給ガス流量を調整する第１供給ガス流量調整部と、セルのカソード側からガスを排出するための第１ガス排出ラインに位置し、該カソード側の排出ガス流量を調整する第１排出ガス流量調整部と、セルのアノード側に水素含有ガスを供給するための第２ガス供給ラインと、セルのアノード側からガスを排出するための第２ガス排出ラインに位置し、該アノード側の排出ガス流量を調整する第２排出ガス流量調整部と、を備える燃料電池システムの停止方法であって、第１供給ガス流量調整部および第１排出ガス流量調整部の少なくとも一方を制御してカソード側におけるガス流量を低減する工程と、スタックの電圧値が基準電圧値以下になった場合に、第１供給ガス流量調整部および第１排出ガス流量調整部を制御してセルのカソード側を閉鎖系とする工程と、第２排出ガス流量調整部を制御してアノード側またはカソード側における圧力値を基準圧力値以上にする工程と、を含むことを特徴とする。
　これらの発明にあっては、燃料電池スタックによる発電を停止させる場合に、カソードから導出されるガスおよびカソードに導入される酸素含有ガスの少なくとも一方の流れを低減した状態（例えば、ガスの流れを阻害または遮断した状態）で、燃料電池スタックの電圧値が基準電圧値以下に低下したときに、カソードから導出されるガス、およびカソードに導入される酸素含有ガスの流れが遮断される。これによりカソード側が閉鎖系となる。ここで、燃料電池スタックは、カソード側の酸素が消費されると、電圧値も低下する。従って、電圧値が基準電圧値以下に低下したときに、カソード側を閉鎖系とすることにより、カソード側において酸素が十分に低減された状態が維持される。
　更に、アノード側の圧力値が基準圧力値以上になるように第２排出ガス流量調整部が制御される。このとき、水素含有ガスによって加圧状態となったアノード側からカソード側へ水素が移動するため、カソード側も加圧状態となる。このように、アノード側およびカソード側が加圧状態となるため、燃料電池スタックの外部からアノードおよびカソード内への酸素の拡散が抑制され、燃料電池スタックの電極の劣化を抑制できる。
　また、燃料電池システムの停止時にアノードおよびカソードを加圧維持することにより、燃料電池スタック内のガスを不活性ガス（原料ガス）に置き換える処理を継続して行うことが不要となり、電極の劣化を抑制しつつ、燃料の利用効率の向上を図ることができる。また、燃料電池スタック内のガスを不活性ガスに置き換える処理が不要であるため、不活性ガスをカソード等に供給するためのバイパスラインを別途設ける必要が無く、燃料電池システムの小型化を図ることができる。
　また、スタックの電流を掃引する電流掃引部を更に備えることが好適である。
　この電流掃引部によって、燃料電池スタックの電圧値が基準電圧値以下になるまで電流の掃引を行うことにより、カソードの酸素濃度を効率よく低減させることができる。
　また、第２ガス供給ラインに位置し、アノード側の供給ガス流量を調整する第２供給ガス流量調整部を更に備え、制御部は、第２排出ガス流量調整部を制御してアノード側またはカソード側における圧力値が基準圧力値以上になった場合に、第２供給ガス流量調整部および第２排出ガス流量調整部を制御してセルのアノード側を閉鎖系とすることが好適である。
　この場合には、アノード側に水素含有ガスを供給することなく、アノード側およびカソード側の双方の加圧状態を維持することができるので、電極の劣化を抑制しつつ、燃料の利用効率の低下を抑制することが可能となる。
　また、改質触媒によって原燃料を改質し、水素含有ガスを生成する改質装置を更に備えることが好適である。
　この場合には、改質装置によって生成された水素含有ガスをアノードに供給することができる。即ち、水素含有ガスを生成するための原料として液体燃料（灯油等）を用いることができるため、水素含有ガスの生成に用いられる原料の種類の汎用性を高めることが可能となる。
　また、第２ガス供給ラインと第２ガス排出ラインにおける第２排出ガス流量調整部の下流側とを連結するバイパスラインと、バイパスラインを流通する水素含有ガスのガス流量を調整するバイパスライン流量調整部と、を更に備え、制御部は、第２排出ガス流量調整部を制御してアノード側の排出ガス流量を低減する場合に、バイパスライン流量調整部を制御して水素含有ガスを流通させることが好適である。
　この場合には、バイパスラインを流れる水素含有ガスを、例えば、改質装置の改質触媒を加熱するバーナの燃料として用いることにより、アノード側を加圧しつつ、改質装置において水素含有ガスを生成するのに十分な温度を維持することができる。
　本発明によれば、燃料電池スタックの電極の劣化を抑制しつつ、燃料の利用効率の低下を抑制することができる。
本発明に係る燃料電池システムの一実施形態の概略構成図である。 制御部が行う制御処理の流れを示すフローチャートである。
　以下、図面を参照しつつ本発明に係る燃料電池システムの好適な実施形態について詳細に説明する。
　まず、本実施形態に係る燃料電池システムの全体構成について説明する。図１は、燃料電池システム１の概略構成図である。図１に示すように燃料電池システム１は、気体燃料または液体燃料から水素含有ガスとしての改質ガスを生成する改質装置２と、改質装置２によって生成された改質ガスを用いて発電を行う燃料電池スタック３と、を備えている。燃料電池システム１は、例えば、家庭用の電力供給源として利用されるものであり、容易に入手することができ且つ独立して貯蔵することができるという観点から、液体燃料として灯油が用いられている。
　改質装置２は、液体燃料を改質して改質ガスを生成するためのものであり、改質器２１およびバーナ２２を有している。改質器２１は、液体燃料と水蒸気とを改質触媒で水蒸気改質反応させて、水素を含有する改質ガスを生成する。バーナ２２は、改質器２１の改質触媒を加熱することで、水蒸気改質反応に必要な熱量を供給する。なお、改質装置２に供給される液体燃料は、図示しない脱硫器によって脱硫されている。
　燃料電池スタック３は、電池セル３０が複数積み重ねられて構成されており、改質装置２で得られた改質ガスを用いて発電して直流電流を出力する。電池セル３０は、アノード３１と、カソード３２と、アノード３１およびカソード３２間に配置された固体高分子である電解質（不図示）とを有しており、アノード３１に改質ガスを導入させると共に、カソード３２に酸素含有ガスを導入させることで、各電池セル３０において電気化学的な発電反応が行われることになる。この酸素含有ガスとしては、例えば純酸素ガス、酸素富化空気、および空気が挙げられるが、中でも取扱容易性およびコストの観点から空気が好ましい。なお、図１では、複数積み重ねられる電池セル３０のうち１つの電池セル３０のみを図示してある。
　また、燃料電池システム１は、カソード３２に導入される酸素含有ガスを流通させる第１ガス供給ラインＬ１２と、カソード３２から導出されたガスを流通させる第１ガス排出ラインＬ１１とを備えている。第１ガス供給ラインＬ１２には、カソード３２に酸素含有ガスを導入するためのエアブロワＡ１と、カソード３２に導入される酸素含有ガスの導入量を調整する電動弁Ｂ１２（第１供給ガス流量調整部）とが設けられている。本実施形態では、調整弁の一例として電動弁Ｂ１２を用いたが、これ以外にも例えば、電磁弁等を用いることができる。なお、電動弁は圧力損失が小さいため、流量の多い第一ガス供給ラインＬ１２に設ける調整弁として好適である。また、第１ガス排出ラインＬ１１には、カソード３２から導出されたガスの導出量を調整するための電動弁Ｂ１１（第１排出ガス流量調整部）が設けられている。本実施形態では、調整弁の一例として電動弁Ｂ１１を用いたが、これ以外にも例えば、電磁弁等を用いることができる。なお、電動弁は圧力損失が小さいため、流量の多い第一ガス排出ラインＬ１１に設ける調整弁として好適である。
　また、燃料電池システム１は、アノード３１に導入される改質ガスを流通させる第２ガス供給ラインＬ２２と、アノード３１から導出されたガスを流通させる第２ガス排出ラインＬ２１を備えている。第２ガス供給ラインＬ２２の上流側は改質器２１に接続され、改質器２１で生成された改質ガスが第２ガス供給ラインＬ２２を通ってアノード３１に導入される。第２ガス供給ラインＬ２２には、アノード３１に導入される改質ガスの導入量を調整する電磁弁Ｂ２２（第２供給ガス流量調整部）が設けられている。本実施形態では、調整弁の一例として電磁弁Ｂ２２を用いたが、これ以外にも例えば、電動弁等を用いることができる。また、第２ガス排出ラインＬ２１は、第２ガス供給ラインＬ２２を通じてアノード３１に供給された改質ガスのうち、燃料電池スタック３において発電に寄与しなかった水素を含むオフガスを排出させるためのものである。この第２ガス排出ラインＬ２１の下流側は、バーナ２２に接続されており、バーナ２２の燃料としてオフガスが利用可能となっている。また第２ガス排出ラインＬ２１には、アノード３１から導出されるガスの導出量を調整する電磁弁Ｂ２１（第２排出ガス流量調整部）が設けられている。本実施形態では、調整弁の一例として電磁弁Ｂ２１を用いたが、これ以外にも例えば、電動弁等を用いることができる。
　また、燃料電池システム１は、改質器２１とアノード３１とをつなぐ第２ガス供給ラインＬ２２に対して電磁弁Ｂ２２の上流側で分岐し、アノード３１とバーナ２２とをつなぐ第２ガス排出ラインＬ２１に対して電磁弁Ｂ２１の下流側で合流するバイパスラインＬ２３を備えている。バイパスラインＬ２３には、バイパスラインＬ２３を流れる改質ガスの流量を調整する電磁弁Ｂ２３（バイパスライン流量調整部）が設けられている。また、バイパスラインＬ２３は、電磁弁Ｂ２１を遮断してバイパスラインＬ２３に改質ガスを流す場合にアノード３１が大気圧以上の加圧状態となるように電磁弁自体、あるいは配管中にオリフィス、キャピラリを設置し圧力損失がつけられている。
　また、燃料電池システム１は、燃料電池スタック３の電流を掃引する電流掃引部５と、燃料電池スタック３の電圧値を検出する電圧値検出部６とを備える。更に、燃料電池システム１は、電動弁Ｂ１１，Ｂ１２および電磁弁Ｂ２１～Ｂ２３と、エアブロワＡ１と、電流掃引部５と、を制御する制御部４を備えている。電圧値検出部６によって検出された燃料電池スタック３の電圧値は、制御部４に入力される。
　次に、燃料電池スタック３による発電を停止させるときに制御部４が行う各部の制御について説明する。なお、本制御の実行は、例えば図示しない停止スイッチが操作されることで開始する。また、燃料電池スタック３によって発電が行われている状態では、電動弁Ｂ１１，Ｂ１２が開状態に制御され、更にエアブロワＡ１が作動状態に制御されることによってカソード３２に酸素含有ガスが導入されている。更に、電磁弁Ｂ２１，Ｂ２２が開状態に制御され、改質装置２から改質ガスがアノード３１に導入されている。更に、電磁弁Ｂ２３は、閉状態（バイパスラインＬ２３内において改質ガスの流通が遮断された状態）に制御されている。図２は、制御部４によって実行される制御処理手順を示すフローチャートである。
　ステップＳ１０１において制御部４は、電動弁Ｂ１１を制御して第１ガス排出ラインＬ１１におけるガスの流通を遮断し、エアブロワＡ１の作動を停止させる。
　ステップＳ１０２において制御部４は、電流掃引部５を制御して、燃料電池スタック３の電流を掃引する。これにより、カソード３２側において酸素が消費されて酸素濃度が低下する。また、アノード３１側からカソード３２側へ水素が移動するため、カソード３２側の水素濃度が上昇する。
　ステップＳ１０２で燃料電池スタック３の電流を掃引することにより、カソード３２側の酸素が効率的に消費されて酸素の濃度が低下するとともに、燃料電池スタック３の電圧値が低下する。そこでステップＳ１０３において制御部４は、低下する電圧値を電圧値検出部６によって検出し、検出される電圧値が予め定められた基準電圧値以下であるかどうかを判断する。電圧値が基準電圧値以下でない場合（ステップＳ１０３：ＮＯ）、電圧値が基準電圧値以下となるまで、ステップＳ１０２，Ｓ１０３の処理を繰り返す。電圧値が基準電圧値以下であると判断されたとき（ステップＳ１０３：ＹＥＳ）、ステップＳ１０４の処理へ進む。
　ステップＳ１０４において制御部４は、電流掃引部５を制御して燃料電池スタック３の電流の掃引を停止させる。ステップＳ１０５において制御部４は、電動弁Ｂ１２を制御して第１ガス供給ラインＬ１２における酸素含有ガスの流通を遮断する。これにより、第１ガス排出ラインＬ１１を経由したカソード３２からのガスの導出、および第１ガス供給ラインＬ１２を経由したカソード３２への酸素含有ガスの導入が遮断され、カソード３２側が閉鎖系となる。
　ステップＳ１０６において制御部４は、電磁弁Ｂ２１を制御して第２ガス排出ラインＬ２１におけるガスの流通を遮断する。更に電磁弁Ｂ２３を開状態に制御する。これにより、改質装置２から第２ガス供給ラインＬ２２を経由して改質ガスがアノード３１に導入されることにより、改質ガスによってアノード３１内の圧力値が上昇する。また、電磁弁Ｂ２３が開状態に制御されていることにより、アノード３１に導入される改質ガスのうちの一部が、第２ガス供給ラインＬ２２からバイパスラインＬ２３を経由して第２ガス排出ラインＬ２１に流れ込み、更に第２ガス排出ラインＬ２１からバーナ２２に供給される。
　ステップＳ１０７において制御部４は、ステップＳ１０６において電磁弁Ｂ２１を制御して第２ガス排出ラインＬ２１におけるガスの流通を遮断（電磁弁Ｂ２１が閉状態）してから、所定時間が経過したかどうかを判断する。ここで、アノード３１内の圧力は、電磁弁Ｂ２１が閉状態に制御されてからの時間の経過とともに上昇する。従って、電磁弁Ｂ２１を閉状態に制御してからの経過時間と、アノード３１内の圧力値の変化との関係を予め把握しておくことにより、電磁弁Ｂ２１を閉状態としてからの経過時間からアノード３１内の圧力値を把握することができる。ステップＳ１０７では、予め定められた所定の圧力値に対応する所定時間が経過したかどうかを判断するものであり、言い替えれば、経過時間よりアノード３１内の圧力値が所定の圧力値となったかどうかを判断するものである。また、アノード３１側からカソード３２側へ水素が移動することにより、アノード３１内の圧力値の上昇に追随してカソード３２内の圧力値も上昇する。このため、カソードの圧力値変化と経過時間との関係を把握し所定時間を定めてもよい。
　ステップＳ１０７において、所定時間が経過していないと判断された場合（ステップＳ１０７：ＮＯ）、所定時間が経過したと判断されるまで、ステップＳ１０７の処理を繰り返す。一方、所定時間が経過したと判断された場合（ステップＳ１０７：ＹＥＳ）、ステップＳ１０８の処理へ進む。
　ステップＳ１０８において制御部４は、電磁弁Ｂ２２を制御して第２ガス供給ラインＬ２２における改質ガスの流通を遮断する（電磁弁Ｂ２２が閉状態）。これにより、アノード側が閉鎖系となり、アノード３１内が改質ガスで満たされて圧力が高い状態が維持される。アノード３１を加圧することにより、アノード３１側からカソード３２側へ水素が積極的に移動することで、カソード３２内の圧力値が上昇する。このように、水素の移動により、アノード３１内の圧力値の上昇に追随してカソード３２内の圧力値も上昇する。アノード３１側からカソード３２側への水素の移動により、アノード３１の圧力値とカソード３２の圧力値とが等しくなり、電解質膜への圧力バランスが等しくなる。
　続いて、本実施形態にかかる燃料電池システム１の作用および効果について説明する。本実施形態の燃料電池システム１によれば、燃料電池スタック３による発電を停止させる場合に、電動弁Ｂ１１を閉状態に制御することによってカソード３２から導出されるガスの流れを遮断し、燃料電池スタック３の電圧値が基準電圧値以下に低下したときに、電動弁Ｂ１２を閉状態に制御することによってカソード３２に導入される酸素含有ガスの流れを遮断する。ここで、燃料電池スタック３は、カソード３２側の酸素が消費されると、電圧値も低下する。従って、電圧値が基準電圧値以下に低下したときに電動弁Ｂ１１，Ｂ１２を閉状態に制御してカソード側を閉鎖系とすることにより、カソード３２側において酸素が十分に低減された状態が維持される。
　そして、電磁弁Ｂ２１を閉状態に制御することによりアノード３１から導出されたガスの流れを遮断する。このとき、アノード３１には改質ガスが供給され続けているため、アノード３１側の圧力値が高くなる。アノード３１側の圧力値が予め定められた基準圧力値まで上昇したときに、電磁弁Ｂ２２を閉状態に制御することによってアノード３１に導入される改質ガスの流れを遮断する。これにより、アノード側が閉鎖系となり、アノード３１側の加圧状態が維持される。また、改質ガスによって加圧状態となったアノード３１側からカソード３２側へ水素が移動するため、カソード３２側に水素が充満することによってカソード３２側も加圧状態となる。このように、アノード３１側およびカソード３２側が加圧状態となるため、燃料電池スタック３の外部からアノード３１内およびカソード３２内への酸素の拡散が抑制され、燃料電池スタック３の電極の劣化を抑制できる。なお、アノード３１側の圧力値が予め定められた基準圧力値まで上昇したときに、電磁弁Ｂ２２を閉状態に制御するものとしたが、カソード３２側の圧力値が予め定められた基準圧力値まで上昇したときに、電磁弁Ｂ２２を閉状態に制御してもよい。
　また、燃料電池システム１の停止時にアノード３１およびカソード３２を加圧維持することにより、燃料電池スタック３内のガスを不活性ガス（原料ガス）に置き換える処理を継続して行うことが不要となり、電極の劣化を抑制しつつ、燃料の利用効率の向上を図ることができる。また、燃料電池スタック３内のガスを不活性ガスに置き換える処理が不要であるため、不活性ガスをカソード等に供給するためのバイパスラインを別途設ける必要が無く、燃料電池システム１の小型化を図ることができる。
　また、燃料電池スタック３の電圧値が基準電圧値以下になるまで電流掃引部５によって電流の掃引を行うことにより、カソード３２側の酸素濃度を効率よく低減させることができる。
　また、アノード３１から導出されるガスの流れを遮断してからの経過時間と、アノード３１側の圧力値の変化、またはカソード３２側の圧力値の変化と、の関係を予め把握しておくことにより、所定の時間の経過後に、アノード３１に導入される改質ガスの流れを遮断するだけで、アノード３１側の圧力値、またはカソード３２側の圧力値が所定の圧力値まで上昇したことを容易に把握することができる。
　また、改質装置２を備えることにより、改質装置２によって水素を含有する水素含有ガスとしての改質ガスを生成することができる。即ち、水素含有ガスを生成するための原料として液体燃料（灯油等）を用いることができるため、水素含有ガスの生成に用いられる原料の種類の汎用性を高めることが可能となる。
　また、アノード３１から導出されたガスの流れが遮断されたときに、バイパスラインＬ２３における改質ガスの流れの遮断が解除（電磁弁Ｂ２３が開状態）される。このとき、電磁弁Ｂ２１が閉状態となっていることにより、アノード３１に供給される改質ガスのうちの一部が、第２ガス供給ラインＬ２２からバイパスラインＬ２３を経由して第２ガス排出ラインＬ２１に流れ込み、更に第２ガス排出ラインＬ２１からバーナ２２に供給される。このように、アノード３１に供給される改質ガスの一部をバーナ２２の燃料として用いることができ、アノード３１側を加圧しつつ、改質装置２において改質ガスを生成するのに十分な温度を維持することができる。
　なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、ステップＳ１０１において電動弁Ｂ１１を閉状態に制御した後、ステップＳ１０５において電動弁Ｂ１２を閉状態にするものとしたが、ステップＳ１０１において電動弁Ｂ１１を開状態に維持したまま電動弁Ｂ１２を閉状態に制御した後、ステップＳ１０５において電動弁Ｂ１１を閉状態に制御することもできる。また、ステップＳ１０１では、カソード３２側においてガスの流れを完全に遮断することなくガスの流れが阻害されるように、電動弁Ｂ１１および電動弁Ｂ１２の少なくともいずれか一方を制御する。そして、ステップＳ１０５において電動弁Ｂ１１および電動弁Ｂ１２を閉状態に制御しても良い。また、ステップＳ１０６では、第２ガス排出ラインＬ２１内のガスの流れを完全に遮断することなくガスの流れが阻害されるように電磁弁Ｂ２１を制御する。そして、ステップＳ１０８において電磁弁Ｂ２１および電磁弁Ｂ２２を閉状態に制御しても良い。
　また、ステップＳ１０２において電流掃引部５を制御して燃料電池スタック３の電流を掃引するものとしたが、電流掃引部５によって電流の掃引を行わずに、ステップＳ１０１において電動弁Ｂ１１を閉状態に制御してから所定時間の経過後に、電動弁Ｂ１２を閉状態に制御してもよい。この場合であっても、アノード３１側からカソード３２内へ水素が移動するため、カソード３２内が水素雰囲気の状態となる。
　また、電磁弁Ｂ２１を閉状態に制御してからの経過時間によってアノード３１内の圧力値を把握するものとしたが（ステップＳ１０７）、例えば、アノード３１内の圧力値を計測するアノード側圧力センサを設け、アノード側圧力センサによって計測された圧力値によって、アノード３１内の圧力値を把握することもできる。この場合には、より正確にアノード３１内の圧力値を計測することができる。また、アノード３１内の圧力値を計測するアノード側圧力センサと、カソード３２内の圧力値を計測するカソード側圧力センサとを設け、アノード側圧力センサの測定値が所定の圧力値となり、更にカソード側圧力センサによって測定された圧力値がアノード側圧力センサによって測定された圧力値と等しい、またはほぼ等しくなったときに、電磁弁Ｂ２２を閉状態に制御する（ステップＳ１０８）こともできる。この場合には、アノード３１内およびカソード３２内の圧力値を正確に把握して電磁弁Ｂ２２の制御（電磁弁Ｂ２２を閉状態にする）を行うことができる。また、カソード３２内の圧力値を計測するカソード側圧力センサのみを設置し、該カソード側圧力センサの測定値が、所定の圧力値となったときに、電磁弁Ｂ２２を閉状態に制御する（ステップＳ１０８）こともできる。
　燃料電池スタックの電極の劣化を抑制しつつ、燃料の利用効率の低下を抑制することができる。
　１…燃料電池システム、２…改質装置、３…燃料電池スタック、４…制御部、５…電流掃引部、６…電圧値検出部、２１…改質器、２２…バーナ、３１…アノード、３２…カソード、Ｂ１１，Ｂ１２…電動弁、Ｂ２１～Ｂ２３…電磁弁、Ｌ１１…第１ガス排出ライン、Ｌ１２…第１ガス供給ライン、Ｌ２１…第２ガス排出ライン、Ｌ２２…第２ガス供給ライン、Ｌ２３…バイパスライン。

Claims (6)

  1. 　カソードおよびアノードを有するセルを複数積層してなるスタックと、
    　前記セルの前記カソード側に酸素含有ガスを供給するための第１ガス供給ラインに位置し、該カソード側の供給ガス流量を調整する第１供給ガス流量調整部と、
    　前記セルの前記カソード側からガスを排出するための第１ガス排出ラインに位置し、該カソード側の排出ガス流量を調整する第１排出ガス流量調整部と、
    　前記セルの前記アノード側に水素含有ガスを供給するための第２ガス供給ラインと、
    　前記セルの前記アノード側からガスを排出するための第２ガス排出ラインに位置し、該アノード側の排出ガス流量を調整する第２排出ガス流量調整部と、
    　前記第１供給ガス流量調整部および前記第１排出ガス流量調整部の少なくとも一方を制御して前記カソード側におけるガス流量を低減し、前記スタックの電圧値が基準電圧値以下になった場合に、前記第１供給ガス流量調整部および前記第１排出ガス流量調整部を制御して前記セルの前記カソード側を閉鎖系とし、且つ、前記第２排出ガス流量調整部を制御して前記アノード側における圧力値を基準圧力値以上にする制御部と、
    　を備えることを特徴とする燃料電池システム。
  2. 　前記スタックの電流を掃引する電流掃引部を更に備える、ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 　前記第２ガス供給ラインに位置し、前記アノード側の供給ガス流量を調整する第２供給ガス流量調整部を更に備え、
    　前記制御部は、前記第２排出ガス流量調整部を制御して前記アノード側または前記カソード側における圧力値が基準圧力値以上になった場合に、前記第２供給ガス流量調整部および前記第２排出ガス流量調整部を制御して前記セルの前記アノード側を閉鎖系とする、ことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
  4. 　改質触媒によって原燃料を改質し、前記水素含有ガスを生成する改質装置を更に備える、ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  5. 　前記第２ガス供給ラインと前記第２ガス排出ラインにおける前記第２排出ガス流量調整部の下流側とを連結するバイパスラインと、
    　前記バイパスラインを流通する前記水素含有ガスのガス流量を調整するバイパスライン流量調整部と、を更に備え、
    　前記制御部は、前記第２排出ガス流量調整部を制御して前記アノード側の排出ガス流量を低減する場合に、前記バイパスライン流量調整部を制御して前記水素含有ガスを流通させる、ことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
  6. 　カソードおよびアノードを有するセルを複数積層してなるスタックと、前記セルの前記カソード側に酸素含有ガスを供給するための第１ガス供給ラインに位置し、該カソード側の供給ガス流量を調整する第１供給ガス流量調整部と、前記セルの前記カソード側からガスを排出するための第１ガス排出ラインに位置し、該カソード側の排出ガス流量を調整する第１排出ガス流量調整部と、前記セルの前記アノード側に水素含有ガスを供給するための第２ガス供給ラインと、前記セルの前記アノード側からガスを排出するための第２ガス排出ラインに位置し、該アノード側の排出ガス流量を調整する第２排出ガス流量調整部と、を備える燃料電池システムの停止方法であって、
    　前記第１供給ガス流量調整部および前記第１排出ガス流量調整部の少なくとも一方を制御して前記カソード側におけるガス流量を低減する工程と、
    　前記スタックの電圧値が基準電圧値以下になった場合に、前記第１供給ガス流量調整部および前記第１排出ガス流量調整部を制御して前記セルの前記カソード側を閉鎖系とする工程と、
    　前記第２排出ガス流量調整部を制御して前記アノード側または前記カソード側における圧力値を基準圧力値以上にする工程と、を含む、
    　ことを特徴とする燃料電池システムの停止方法。
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CN112820908A (zh) * 2020-12-30 2021-05-18 武汉格罗夫氢能汽车有限公司 一种氢燃料电池系统正常关机方法
CN112820908B (zh) * 2020-12-30 2022-06-07 武汉格罗夫氢能汽车有限公司 一种氢燃料电池系统正常关机方法

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