JP2006114434A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムに関する。特に、燃料電池システムの起動に係る構成に関する。 The present invention relates to a fuel cell system. In particular, the present invention relates to a configuration related to activation of a fuel cell system.
燃料電池システムにおいて、燃料極、酸化剤極共に空気が混入している状態からシステムを起動させる場合、燃料極側のガス流路に水素を供給し始めた初期には、燃料ガス流路内に水素が存在する領域と存在しない領域が形成される。燃料極に水素が供給されている領域においては、通常の動作状態と同様の反応が起こり、酸化剤極側には0.8V以上の電位が立つ。一方、燃料極に水素が存在しない領域では、これに対峙する酸化剤極で、
C+2H2O→CO2+4H++4e- ・・・(1)
という反応が生じる。その結果、Pt等の触媒を担持しているカーボン担体の腐食が起こり、酸化剤極の電極触媒が大きく劣化し、その後の燃料電池の性能を低下させる要因となる。このとき燃料極側の空気が存在する領域においては、
O2+4H++4e-→2H2O ・・・(2)
という反応が起こり、水が生成される。
In a fuel cell system, when starting the system from a state where air is mixed in both the fuel electrode and the oxidant electrode, in the initial stage when hydrogen is supplied to the gas flow channel on the fuel electrode side, A region where hydrogen exists and a region where hydrogen does not exist are formed. In a region where hydrogen is supplied to the fuel electrode, a reaction similar to that in a normal operation state occurs, and a potential of 0.8 V or more is generated on the oxidant electrode side. On the other hand, in the region where hydrogen does not exist in the fuel electrode,
C + 2H 2 O → CO 2 + 4H + + 4e − (1)
This reaction occurs. As a result, the carbon carrier carrying the catalyst such as Pt is corroded, the electrode catalyst of the oxidant electrode is greatly deteriorated, and the performance of the subsequent fuel cell is lowered. At this time, in the region where the air on the fuel electrode side exists,
O 2 + 4H + + 4e − → 2H 2 O (2)
Reaction occurs and water is generated.
従来の燃料電池システムにおいては、この現象による酸化剤極の劣化を防止するために、短時間(1秒以下)で、燃料極内の水素が存在する領域と存在しない領域の境界(以後、水素/空気フロントと呼称)が、燃料ガス流路中を通過するように水素を供給することが提案されている(例えば、特許文献1、参照)。
しかしながら、上記従来の燃料電池システムでは、燃料ガス流路の入口と出口の圧力差を大きくしなければならず、電解質膜の両極間の圧力差を制御するのが困難であり、水素/空気フロントの滞在時間の短縮には限界があった。 However, in the above conventional fuel cell system, the pressure difference between the inlet and the outlet of the fuel gas flow path must be increased, and it is difficult to control the pressure difference between the two electrodes of the electrolyte membrane. There was a limit to shortening the stay time.
また、短時間で水素/空気フロントを通過させるためには、燃料電池の流路の設計にもよるが、水素を燃料ガス流路に供給する配管流路の途中にコンプレッサ等の追加装置を配置したり、燃料ガス流路の断面積を小さくして燃料ガス流路中の流速を速める方策等が必要となる。前者においては、追加の装置が必要となり、コストが高くなるとともに、燃料電池システムが大型化するという問題や、燃料極と酸化剤極との圧力調整がうまくいかないと差圧によって高分子電解質膜が破れるなどの不具合が発生する可能性がある。後者においては、通常運転時の圧損が増加するという問題があった。 In order to pass the hydrogen / air front in a short time, depending on the design of the flow path of the fuel cell, an additional device such as a compressor is placed in the middle of the piping flow path for supplying hydrogen to the fuel gas flow path. In other words, a measure for reducing the cross-sectional area of the fuel gas channel and increasing the flow velocity in the fuel gas channel is required. In the former, an additional device is required, which increases costs and causes a problem that the fuel cell system becomes large, and if the pressure adjustment between the fuel electrode and the oxidant electrode is not successful, the polymer electrolyte membrane is broken due to the differential pressure. May cause problems. The latter has a problem that the pressure loss during normal operation increases.
また、水素/空気フロントを形成させないために、窒素等の不活性ガスを用いてパージを行う技術が知られているが、この場合もシステム中に窒素ボンベ等の不活性ガス貯蔵装置が必要となる、または、燃料器等の酸素消費装置をシステム中に持たせる必要があり、システムを複雑化および大型化してしまうという問題があった。 In order to prevent the formation of a hydrogen / air front, a technique of purging with an inert gas such as nitrogen is known. In this case, an inert gas storage device such as a nitrogen cylinder is required in the system. In other words, it is necessary to provide an oxygen consuming device such as a fuel device in the system, which causes a problem that the system becomes complicated and large.
そこで本発明は、効果的に起動時の酸化剤極の劣化を抑制できる燃料電池システムを提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a fuel cell system that can effectively suppress deterioration of an oxidizer electrode at the time of startup.
本発明は、電解質膜と、前記電解質膜を狭持する酸化剤極と燃料極と、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路と、前記燃料極に少なくとも水素を含有する燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、を備えた燃料電池を有する燃料電池スタックを備える。また、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを導入する第一酸化剤ガス供給手段と、前記燃料ガス流路に燃料ガスを導入する第一燃料ガス供給手段と、前記酸化剤ガス流路に選択的に、少なくとも水素を含有する燃料含有ガスを導入する第二燃料ガス供給手段と、を備える。システム起動時に、前記酸化剤ガス流路に、燃料含有ガスを導入してから、前記燃料ガス流路に燃料ガスを導入し、前記燃料ガス流路に燃料ガスが行き渡ったら、前記酸化剤ガス流路への燃料含有ガスの導入を終了する。 The present invention includes an electrolyte membrane, an oxidant electrode and a fuel electrode that sandwich the electrolyte membrane, an oxidant gas passage that supplies an oxidant gas to the oxidant electrode, and at least hydrogen in the fuel electrode. A fuel cell stack having a fuel cell including a fuel gas flow path for supplying fuel gas. A first oxidant gas supply means for introducing an oxidant gas into the oxidant gas flow path; a first fuel gas supply means for introducing a fuel gas into the fuel gas flow path; and the oxidant gas flow path. And a second fuel gas supply means for introducing a fuel-containing gas containing at least hydrogen. At the time of system start-up, the fuel-containing gas is introduced into the oxidant gas flow path, and then the fuel gas is introduced into the fuel gas flow path. The introduction of the fuel-containing gas to the road is terminated.
システム起動時に、酸化剤ガス流路に少なくとも水素を含有する燃料含有ガスを導入することで、酸化剤極の電位を低下させることができる。そのため、前記燃料ガス流路に燃料ガスを導入する際に、燃料極の電位が下がっても、燃料極と酸化剤極の電位差を小さくすることができ、酸化剤極の劣化反応を抑制することができる。 By introducing a fuel-containing gas containing at least hydrogen into the oxidant gas flow path when the system is activated, the potential of the oxidant electrode can be lowered. For this reason, when the fuel gas is introduced into the fuel gas flow path, the potential difference between the fuel electrode and the oxidant electrode can be reduced even if the potential of the fuel electrode decreases, and the deterioration reaction of the oxidant electrode can be suppressed. Can do.
第1の実施形態について説明する。燃料電池システムの概略を図1に示す。 A first embodiment will be described. An outline of the fuel cell system is shown in FIG.
燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を生じる燃料電池スタック1を備える。燃料電池スタック1を、単数もしくは複数の単位セル1aを積層することにより構成する。図1には、便宜上、燃料電池スタック1として一つの単位セル1aの断面を示す。
A
単位セル1aは、プロトン伝導性を有する高分子電解質膜(以下、電解質膜)10と、これを狭持する、カーボン担体にPt等の触媒を担持させることにより形成した酸化剤極触媒層11、燃料極触媒層12を備える。また、単位セル1aは、さらにその外側にカーボンペーパー等で構成する酸化剤ガス拡散層13、燃料ガス拡散層14を備える。電解質膜10と触媒層11、12とガス拡散層13と14から膜電極接合体(MEA:membrane electrode assembly)を構成する。酸化剤極触媒層11と酸化剤ガス拡散層13から酸化剤極2を構成し、燃料極触媒層12と燃料ガス拡散層14から燃料極3を構成する。
The
さらに、その外側に、酸化剤ガスセパレータ15、燃料ガスセパレータ16を備える。酸化剤ガス拡散層13と酸化剤ガスセパレータ15の間には、酸化剤ガスセパレータ15の表面に設けた溝よりなる酸化剤ガス流路17を備える。また、燃料ガス拡散層14と燃料ガスセパレータ16の間には、燃料ガスセパレータ16の表面に設けた溝よりなる燃料ガス流路18を備える。
Furthermore, an
また、燃料電池システムには、燃料電池スタック1、図1では単位セル1aの酸化剤ガス流路17に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給系20を備える。ここでは酸化剤ガスとして空気を用いる。
Further, the fuel cell system includes an
酸化剤供給系20は、大気を浄化するための空気フィルタ21と、空気フィルタ21を介して、外部の空気を吸気する空気ブロア22を備える。空気ブロア22の替わりにコンプレッサ等を用いてもよい。また、外部と酸化剤極2側との間を選択的に遮断するバルブ23を備える。さらに、空気フィルタ21を介して空気ブロア22により導入した空気を、バルブ23を介して燃料電池スタック1に供給する配管24を備える。燃料電池スタック1に導入された空気は、酸化剤ガス流路17を流通し、酸化剤ガス拡散層13を介して酸化剤極触媒層11に到達し、発電反応に用いられる。
The
また、燃料電池スタック1から排出された酸化剤排ガスを流通する配管25と、配管25に設けられ、燃料電池スタック1内の空気圧力を調整するバルブ26を備える。さらに、配管25から供給された酸化剤排ガスを用いて、後述する燃料排ガスの燃焼処理を行う燃焼触媒装置51を備える。
In addition, a
また、燃料電池システムには、燃料電池スタック1、図1では単位セル1aの燃料ガス流路18に燃料ガスを供給する燃料供給系30を備える。ここでは燃料ガスとして水素を用いる。なお、後述する水素タンク31の代わりに燃料改質システムを備え、燃料ガスとして水素リッチな改質ガスを用いてもよい。
The fuel cell system also includes a
燃料供給系30は、水素ガスを高圧状態で貯蔵する水素タンク31を備える。水素タンク31には、減圧弁や流量調整装置を備え、水素タンク31から取り出される水素ガス圧力および流量を調整可能に構成する。また、水素タンク31の取り出し口と燃料極3との間を選択的に遮断するバルブ32と、水素タンク31から取り出された水素をバルブ32を介して燃料電池スタック1に導入する配管33を備える。配管33から燃料電池スタック1に導入された水素は、燃料ガス流路18を流通し、燃料ガス拡散層14を介して燃料極触媒層12に到達し、発電反応に用いられる。また、燃料電池スタック1から排出された燃料排ガスを流通する配管34と、配管34に設けられ、燃料電池スタック1内の水素ガス圧力を調整するバルブ35を備える。燃料電池スタック1から排出された燃料排ガスは、配管34を通って燃焼触媒装置51に供給され、燃焼処理された後、システム外部に排出される。
The
なお、燃料電池スタック1を複数の単位セル1aを積層して構成する場合には、配管24、25は、各単位セル1aの酸化剤ガス流路17に連通する酸化剤ガスマニホールドに接続する。また、配管33、34は、各単位セル1aの燃料ガス流路18に連通する燃料ガスマニホールドに接続する。
When the
さらに、酸化剤供給系20の配管24と、燃料供給系30の水素を導入する配管33との間を接続する配管41を備える。配管41は、一端が、配管24のバルブ23と燃料電池スタック1との間に接続され、もう一端が、配管33の水素タンク31とバルブ32の間に接続される。また、配管41には、配管41を選択的に遮断するバルブ42を備える。バルブ42を開とすると、水素タンク31から取り出された水素は、配管41を通って配管24側に導入され、燃料電池スタック1の酸化剤ガス流路17に供給される。
Further, a
さらに、単位セル1aには、セル電圧を検出する電圧センサ52を備える。燃料電池スタック1が複数の単位セル1aを積層してなる場合には、電圧センサ52は各単位セル1a毎に設けてもよいが、複数の単位セル1aからなるユニット、または、燃料電池スタック1の電圧を検出可能に構成してもよい。この場合には、出力をセル電圧に換算する、または、後述する基準値(Va、Vb)を単位セル1aの基準値に検出の対象となったセル数を掛けた値に換算する。
Furthermore, the
このような燃料電池システムにおいて、通常運転時には、酸化剤ガス流路17に空気を、燃料ガス流路18に水素を供給し、触媒と接触させることにより以下のような電気化学反応を生じる。
In such a fuel cell system, during normal operation, air is supplied to the oxidant
燃料極側 :H2 → 2H+ + 2e- ・・・(3)
酸化剤極側:2H+ + 1/2O2 + 2e- → H2O ・・・(4)
燃料極触媒層12では(3)式に示すように、燃料としての水素がプロトンと電子に分離される。プロトンは電解質膜10の内部を拡散して酸化剤極触媒層11側に到達し、電子は図示しない外部回路を流れ、出力として取り出される。一方、酸化剤極触媒層11では、電解質膜10内を拡散してきたプロトン、図示しない外部回路を介して移動してきた電子、および空気中の酸素により形成される三相界面上で(4)式に示すような反応を生じる。
Fuel electrode side: H 2 → 2H + + 2e − (3)
Oxidant electrode side: 2H + + 1 / 2O 2 + 2e − → H 2 O (4)
In the fuel
このような燃料電池スタック1を移動体、例えば自動車用の動力源として活用した場合には、起動/停止が頻繁に繰り返されることになる。燃料電池スタック1の停止中においては、燃料電池スタック1の水素および空気の供給が停止された状態で放置される。または不活性ガス等により充満された状態で放置される。放置が長時間継続された場合には、外部より大気が浸入して燃料ガス流路14内に空気が存在する可能性がある。
When such a
燃料極3に空気が混在した状態からシステムを起動すると、起動初期に燃料電池スタック1は、以下のような状態となる。
When the system is started from a state in which air is mixed in the
酸化剤ガス流路17内には空気が充満する。水素の供給が開始された直後には、燃料ガス流路18には水素が存在する領域Aと空気が存在する領域Bが形成される。領域Aにおいては、通常の動作と同様の反応が起こり、酸化剤極2側に0.8V以上の電位が立つ。燃料ガス流路18内には、水素と空気の界面である水素/空気フロントが形成される。一方、この水素/空気フロントを境にして、燃料ガス流路18に空気が存在する領域Bにおいては、酸化剤極2側で前述した(1)式のような反応が、燃料極3側で(2)式のような反応が生じる。つまり、電位の高い酸化剤極2側で、Pt等の触媒を担持しているカーボン担体の腐食が起こる。これにより、酸化剤極触媒層11が大きく劣化し、単位セル1aの性能を劣化させる原因となる。
The oxidant
ここで、単位セル1aの両極に空気が存在している状態で、セル電圧を外部電圧で変化させた場合の、高電位側で生じた炭素酸化に伴い放出されたCO2の量とセル電圧との関係を図2に示す。
Here, when the cell voltage is changed by an external voltage in a state where air is present at both electrodes of the
図2から分かるように、起動プロセス中に両極に空気が存在する局所がある場合には、セル電圧が高いほど炭素の酸化量は大きくなる。言い換えれば、起動プロセス中にセル電圧を下げることで、炭素の酸化量を抑制することができる。 As can be seen from FIG. 2, when there is a local area where air is present in both electrodes during the starting process, the higher the cell voltage, the greater the amount of oxidation of carbon. In other words, the amount of carbon oxidation can be suppressed by lowering the cell voltage during the startup process.
そこで、ここでは、起動プロセス中にセル電圧を抑制する制御を行う。起動プロセス中の制御ルーチンを、図3のフローチャートを用いて説明する。 Therefore, here, control is performed to suppress the cell voltage during the startup process. A control routine during the startup process will be described with reference to the flowchart of FIG.
起動プロセスが開始されたら、ステップS1で、バルブ23、32を閉じた状態で、バルブ42を開く。これにより、水素ガスが、単位セル1aの酸化剤ガス流路17のみに導入される。このときに酸化剤ガス流路17に導入する水素ガス流量は通常運転時に燃料ガス流路18に導入する流量に比較して十分に小さい量に設定する。例えば、酸化剤ガス流路17内の空気中の酸素に対して、導入されるH2の比率が0.5以下となるように、水素ガス流量を設定する。
When the starting process is started, in step S1, the
次に、ステップS2において、電圧センサ52の出力を検出し、ステップS3でセル電圧が第1基準値Va以下に下がったか否かを判断する。ここでは、例えば第1基準値Vaを−0.2Vに設定する。セル電圧が第1基準値Va以下となるまで酸化剤ガス流路17のみへの水素ガスの供給を継続する。セル電圧が第1基準値Vaまで低下したら、ステップS4で、バルブ32を開いて、燃料ガス流路18への水素ガスの導入を開始する。
Next, in step S2, detects the output of the
次に、ステップS5において、電圧センサ52の出力を再度検出し、ステップS6で、セル電圧が第2基準値Vb以上となったか否かを判断する。セル電圧が第2基準値Vbに到達するまで、酸化剤ガス流路17と燃料ガス流路18への水素ガスの供給を継続する。燃料ガス流路18に水素が行き渡るにつれ、セル電圧は増大する。第2基準値Vbは、水素ガスが燃料ガス流路18に行き渡ったか否かを判断する基準値であり、予め実験等により求めておく。ここでは、例えば第2基準値Vbを0.5Vとする。
Next, in step S5, the output of the
セル電圧が第2基準値Vbに到達したら、ステップS7でバルブ42を閉じて、酸化剤ガス流路17への水素ガスの導入を終了する。次に、ステップS8で、バルブ23を開き、酸化剤ガス流路17への空気の導入を開始する。これにより起動プロセスを終了して、通常運転に移行する。
When the cell voltage reaches the second reference value Vb , the
このように、本実施形態では、起動プロセス中にセル電圧を下げる手段として、燃料極3側に水素を供給する以前に、一端、酸化剤極2側に少量の燃料ガスを供給する。これにより、酸化剤極2側に空気が存在する領域と水素ガスが存在する領域とが混在し、混成電位が発生する。
Thus, in the present embodiment, as a means for lowering the cell voltage during the start-up process, a small amount of fuel gas is supplied to the oxidant electrode 2 side before supplying hydrogen to the
ここで、混成電位の概念を、図4を用いて説明する。 Here, the concept of the mixed potential will be described with reference to FIG.
起動プロセス中は、酸化剤極2の電位は、図4に示すように、水素酸化電流と酸素還元電流とが釣り合った混成電位になる。水素酸化反応は、酸素還元反応より進行し易いので、少量の水素を導入しただけでも、混成電位は水素酸化標準電位側に偏る。そのため、酸化剤極2に空気を導入することで、酸化剤極2の混成電位は、酸化剤極2に空気が単独に存在する際の電位である酸素還元標準電位よりも遥かに小さくなる。そこで、起動時に微量の水素ガスを酸化剤ガス流路17に導入して、酸化剤極2側の電位を下げることにより、カーボン腐食反応の抑制を行う。
During the start-up process, the potential of the oxidant electrode 2 becomes a hybrid potential in which the hydrogen oxidation current and the oxygen reduction current are balanced as shown in FIG. Since the hydrogen oxidation reaction proceeds more easily than the oxygen reduction reaction, even if only a small amount of hydrogen is introduced, the hybrid potential is biased toward the hydrogen oxidation standard potential side. Therefore, by introducing air into the oxidant electrode 2, the mixed potential of the oxidant electrode 2 becomes much smaller than the oxygen reduction standard potential that is the potential when air is present alone in the oxidant electrode 2. Therefore, the carbon corrosion reaction is suppressed by introducing a small amount of hydrogen gas into the oxidant
次に、図5に空気中の水素モル分率を変化するときの混成電位の変化を示す。 Next, FIG. 5 shows the change in the hybrid potential when the hydrogen mole fraction in the air is changed.
空気中の水素のモル分率が大きくなるほど、つまり、空気中に多くの水素が導入されるほど、混成電位は水素酸化標準電位に近づき、小さくなる。 As the molar fraction of hydrogen in the air increases, that is, as more hydrogen is introduced into the air, the hybrid potential approaches the hydrogen oxidation standard potential and decreases.
燃料電池スタック1の起動開始時には、酸化剤極2および燃料極3に空気が充満しているため、水素のモル分率は0に近く、混成電位はE1となる。このとき、酸化剤極2と燃料極3の混成電位は等しいので、セル電圧は0Vとなる。
At the start of starting the
次に、従来の起動方法のように、燃料極3側に水素ガスの導入を開始すると、燃料極3の混成電位がE3まで下がる。このとき、セル電圧は、図5におけるΔV1+ΔV2となる。つまり、燃料極3に対して酸化剤極2の電位が高くなり、カーボン腐食反応が発生してしまう。
Next, when the introduction of hydrogen gas to the
これに対して、本実施形態では、起動開始後、酸化剤極2に微量な水素ガスを導入する(S1)ことにより、酸化剤極2の混成電位をE2まで下げる。このとき、燃料極3に比べて酸化剤極2の電位がΔV1(=E1−E2)だけ小さくなる。言い換えれば、セル電圧は−ΔV1となる。
In contrast, in the present embodiment, after the start of activation, by introducing a small amount of hydrogen gas (S1) to the oxidizer electrode 2, lowering the mixed potential of the oxidant electrode 2 to E 2. At this time, the potential of the oxidizer electrode 2 becomes smaller than the
次に、燃料ガス流路18へ燃料ガスの供給を開始する(S4)。燃料ガス流路18に水素ガスが導入されると、燃料極3の混成電位がE3まで低下する。このとき、燃料ガス流路18には、酸化剤ガス流路17に導入された際よりも多くの水素ガスが導入されるので、燃料極3の混成電位は酸化剤極2の混成電位よりも高くなる。図6に示すように、燃料ガス流路18に水素が行き渡った状態では、酸化剤極2は燃料極3に比較して、ΔV2(=E1−E3)だけ電位が高くなる。
Next, supply of fuel gas to the
このように、燃料ガス流路18に水素を導入した際に、セル電圧をΔV2に抑制することができるので、酸化剤極2の触媒劣化反応を抑制することができる。燃料ガス流路18に水素が行き渡ったら、酸化剤ガス流路17への水素の供給を停止して(S7)空気を導入する(S8)ことにより通常運転に移行する。
As described above, when hydrogen is introduced into the fuel
つまり、酸化剤ガス流路17に導入する水素流量は、ΔV1が燃料極3の劣化反応を生じない範囲となるように、かつ、ΔV2が酸化剤極2の劣化反応を生じない範囲となるように設定するのが好ましい。このときの−ΔV1を第1基準値Vaとし、ΔV2を第2基準値Vbとする。ここでは、第1基準値Vaを−0.2V、第2基準値Vbを0.5Vとする。
That is, the hydrogen flow rate introduced into the oxidant
なお、ここでは、酸化剤ガス流路17に水素ガスを導入したが、この限りではなく、水素含有ガスを用いても良い。
Here, hydrogen gas is introduced into the oxidant
次に、本実施形態の効果について説明する。 Next, the effect of this embodiment will be described.
電解質膜10と、電解質膜10を狭持する酸化剤極2と燃料極3と、酸化剤極2に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路17と、燃料極3に少なくとも水素を含有する燃料ガスを供給する燃料ガス流路18と、を備えた単位セル1aを有する燃料電池スタック1を備える。また、酸化剤ガス流路17に酸化剤ガスを導入する酸化剤供給系20と、燃料ガス流路18に燃料ガスを導入する燃料供給系30を備える。さらに、酸化剤ガス流路17に選択的に、少なくとも水素を含有する燃料含有ガスを導入する第二燃料ガス供給手段を備える。ここでは、第二燃料ガス供給手段を、燃料供給系30から分岐する配管41とバルブ42とから構成する。システム起動時に、酸化剤ガス流路17に、燃料含有ガスを導入してから、燃料ガス流路18に燃料ガスを導入し、燃料ガス流路18に燃料ガスが行き渡ったら、酸化剤ガス流路17への燃料含有ガスの導入を終了する。このように、酸化剤ガス流路17に燃料含有ガスを導入することにより、酸化剤極2の電位を下げた状態で、燃料ガス流路18に燃料ガスを供給するので、セル電圧を抑制し、酸化剤極2の触媒劣化反応を抑制することができる。
また、燃料含有ガスとして、燃料極3を劣化させない範囲で、水素を含有するガスを導入する。このように、酸化剤ガス流路17に燃料極3を劣化させない範囲の水素を含有するガスを導入することで、燃料含有ガスを導入することで、酸化剤極2の電位を下げることができるとともに、そのとき生じる燃料極3との電位差が、燃料極3の劣化原因となるのを避けることができる。
Further, as a fuel-containing gas, a gas containing hydrogen is introduced within a range in which the
ここでは、燃料含有ガスとして、燃料極3を劣化させない範囲の流量の燃料ガスを導入する。このように、既存する燃料ガスを燃料含有ガスとして用いることで、酸化剤ガス流路17に燃料含有ガスを導入するための構成を、配管41とバルブ42で簡単に構成することができる。
Here, a fuel gas having a flow rate in a range that does not deteriorate the
また、単位セル1aまたは燃料電池スタック1の電圧値を検出する電圧センサ52を備え、酸化剤ガス流路17に燃料含有ガスを導入してから、電圧センサ52の出力が第1基準値Va以下となったら、燃料ガス流路18への燃料ガスの導入を開始する。このように、電圧センサ52で、酸化剤極2の電位が低下したことを確認してから燃料ガス流路18への水素の供給を開始するので、より確実に酸化剤極2の劣化反応を抑制することができる。
Further, a
燃料ガス流路18に燃料ガスが行き渡ったか否かを、電圧センサ52の出力から判断する。このように、燃料ガス流路18に燃料ガスが行き渡ったか否かを、電圧センサ52で検出することができるので、他のセンサを用いることなく、酸化剤ガス流路17への燃料含有ガスの供給停止を適切に判断することができる。
It is determined from the output of the
次に、第2の実施形態について説明する。図7に、本実施形態に用いる燃料電池システムの概略を示す。以下、第1の実施形態とは異なる部分を中心に説明する。 Next, a second embodiment will be described. FIG. 7 shows an outline of the fuel cell system used in this embodiment. Hereinafter, a description will be given centering on portions different from the first embodiment.
酸化剤ガス流路17に供給される酸化剤ガス流量を制御するMFC(Main Fuel Control)27を、空気ブロア22とバルブ23の間に配置する。また、酸化剤ガス流路17に導入される燃料ガス流量を制御するMFC43を、バルブ42と配管41の配管24への接続部との間に配置する。これにより、酸化剤ガス流路17に導入される酸化剤ガス、燃料ガス流量を正確に制御可能に構成する。
An MFC (Main Fuel Control) 27 that controls the flow rate of the oxidant gas supplied to the oxidant
次に、図8を参照して、起動プロセスの制御ルーチンを説明する。 Next, referring to FIG. 8, the control routine of the activation process will be described.
ステップS11で、バルブ32、42を閉じたまま、バルブ23を開き、酸化剤ガス流路17に空気を導入する。このときの空気流量は、MFC27で調整する。ステップS12で、水素と酸素のモル比率が0.5以下となるようにMFC43を調整してバルブ42を開き、酸化剤ガス流路17に水素と空気の混合ガスを供給する。これにより、酸化剤極2側の電位を低下させる。
In step S 11, the
ステップS13において、セル電圧を検出し、ステップS14で検出したセル電圧と第1基準値Vaを比較する。ここでは第1基準値Vaを−0.2Vとする。セル電圧が−0.2V以下まで低下したら、ステップS15で、バルブ32を開き、燃料ガス流路18に水素を導入する。これにより、燃料極3に水素が供給されて、混成電位が低下する。このとき、燃料ガス流路18に導入される水素量を、酸化剤ガス流路17に導入される水素量より大きく設定するので、燃料極3は酸化剤極2より電位が低くなる。
In step S13, it detects a cell voltage, compares the cell voltage and the first reference value V a detected in step S14. Here, the first reference value V a is set to −0.2V. When the cell voltage decreases to −0.2 V or less, the
ステップS16で再度セル電圧を検出し、ステップS17で、検出したセル電圧と第2基準値Vbを比較する。ここでは、第2基準値Vbを0.5Vとする。セル電圧が第2基準値Vbまで上昇したら、燃料ガス流路18に水素が行き渡ったと判断して、ステップS18でバルブ42を閉じて、酸化剤ガス流路17への水素の導入を終了し、通常運転に移行する。
In step S16, the cell voltage is detected again. In step S17, the detected cell voltage is compared with the second reference value Vb . Here, the second reference value V b is set to 0.5V. When the cell voltage rises to the second reference value V b, it is determined that hydrogen has spread to the fuel
このように、本実施形態では、起動時に、酸化剤極2に、酸素と水素を所定の割合で混合した燃料含有ガスを供給して電位を低下させ、その後、燃料極3に水素を導入する。
Thus, in this embodiment, at the time of start-up, a fuel-containing gas in which oxygen and hydrogen are mixed at a predetermined ratio is supplied to the oxidizer electrode 2 to lower the potential, and then hydrogen is introduced into the
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第1の実施形態と異なる効果のみを説明する。 Next, the effect of this embodiment will be described. Only the effects different from those of the first embodiment will be described below.
燃料含有ガスとして、酸化剤ガスと燃料ガスの混合ガスを用い、システム起動時に、酸化剤ガス流路17への酸化剤ガスの供給を開始した後に、燃料ガスの供給を開始することで、酸化剤ガス流路17に燃料含有ガスを導入する。これにより、燃料含有ガスの体積を増大することができるので、酸化剤ガス流路17に燃料含有ガスを導入した際に、水素/空気フロントが形成される時間を短縮することができるので、燃料極3側の触媒劣化反応を抑制することができる。また、供給された水素が広範囲で反応するので、水素と酸素との反応により局所的に触媒温度が上昇するのを抑制することができる。ここでは、燃料含有ガスとして、H2のO2に対する比率が0.5以下となるように、燃料ガスと酸化剤ガスを混合した混合ガスを用いる。
As a fuel-containing gas, a mixed gas of an oxidant gas and a fuel gas is used. At the time of starting the system, the supply of the oxidant gas to the oxidant
次に、第3の実施形態について説明する。以下、第2の実施形態と異なる部分を中心に説明する。 Next, a third embodiment will be described. Hereinafter, a description will be given centering on differences from the second embodiment.
図9を参照して、燃料電池システムの構成を説明する。 The configuration of the fuel cell system will be described with reference to FIG.
配管24から分岐して、酸化剤ガス流路17下流の配管25に接続する配管28を備える。配管28は、MFC27とバルブ23の間と、燃料電池スタック1とバルブ26の間を接続する。
A
また、配管41とバルブ42、MFC43の替わりに、配管44とバルブ45、MFC46を備える。配管44は、配管33から分岐して、燃料電池スタック1の酸化剤ガス流路17下流の配管25に接続する。配管44は、水素タンク31とバルブ32との間と、燃料電池スタック1とバルブ26の間を接続する。バルブ45により、配管44を選択的に遮断可能に構成し、MFC46により、酸化剤ガス流路17へ出口側から導入する燃料ガス流量を調整可能に構成する。
Further, instead of the
さらに、配管24のバルブ23と燃料電池スタック1の間から分岐して燃焼触媒装置51に接続する配管61と、配管61を選択的に遮断するバルブ62を備える。酸化剤ガス流路17内を、出口から入口に向けて流通した燃料ガスまたは酸化剤ガスは、配管61を通って燃焼触媒装置51に導入されて燃焼処理されてから、システム外部に排出される。
Furthermore, a
また、ここでは、通常運転時には、各単位セル1a内の空気と水素の流通方向が並行となるように構成する。一方、起動運転時には、配管28を介して空気が、配管44を介して燃料ガスが供給されて、燃料含有ガスが酸化剤ガス流路17内を出口側から入口側に向かって流れるように制御する。さらに、燃料ガス流路18には、入口側から燃料ガスが導入され、起動時には、酸化剤ガス流路17中の燃料含有ガスと、燃料ガス流路18中の燃料ガスとが対向するように制御する。
Further, here, during normal operation, the flow direction of air and hydrogen in each
次に、図8を参照して、起動プロセスの制御ルーチンを説明する。 Next, referring to FIG. 8, the control routine of the activation process will be described.
ステップS21では、バルブ23、26、32、45を閉じたまま、バルブ29、62を開く。これにより、酸化剤ガス流路17に、出口から入口に向かって空気を流通させる。ステップS22で、混合ガスのH2とO2のモル比率が0.5以下となるようにMFC46を調整し、バルブ45を開いて酸化剤ガス流路17の出口側から燃料ガスを導入する。これにより、酸化剤ガス流路17では、空気と燃料ガスの混合ガスが出口から入口に向かって流通する。
In step S21, the
ステップS23で、セル電圧を検出し、ステップS24で、検出されたセル電圧と第1基準値Vaを比較する。ここで、第1基準値Vaを−0.2Vとし、セル電圧が−0.2Vに低下するまで待機し、−0.2Vまで低下したら、ステップS25で、バルブ32を開いて燃料ガス流路18に燃料ガスを供給する。
In step S23, it detects the cell voltage, in step S24, compares the detected cell voltage and the first reference value V a. Here, the first reference value V a and -0.2V, and waits until the cell voltage drops to -0.2V, Once dropped to -0.2V, in step S25, the fuel gas flow by opening the
ステップS26で、再び、セル電圧を検出し、ステップS27で検出されたセル電圧と第2基準値Vb、ここでは0.5Vを比較する。セル電圧が0.5Vに達するまでこの状態を維持し、0.5Vに達したら、燃料ガス流路18全体に水素が行き渡ったと判断してステップS28でバルブ45を閉じる。次に、ステップS29で、バルブ23、26を開いて、バルブ62、29を閉じる。これにより、空気は酸化剤ガス流路17の入口側から出口側に向かって流通する。
In step S26, the cell voltage is detected again, and the cell voltage detected in step S27 is compared with the second reference value V b , here 0.5V. This state is maintained until the cell voltage reaches 0.5V. When 0.5V is reached, it is determined that hydrogen has spread throughout the fuel
なお、本実施形態では、通常運転時に、単位セル1a内の燃料ガスと酸化剤ガスとを並行流としているが、対向流としてもよい。この場合には、ステップS29の制御を省略する。
In the present embodiment, the fuel gas and the oxidant gas in the
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第2の実施形態と異なる部分を中心に説明する。 Next, the effect of this embodiment will be described. Hereinafter, a description will be given centering on differences from the second embodiment.
システム起動時に、酸化剤ガス流路17を流通する燃料含有ガスの流れと、燃料ガス流路18を流通する燃料ガスの流れとを、互いに対向させる。これにより、燃料含有ガスが酸化剤ガス流路17全体に行き渡らないうちに燃料ガス流路18に燃料ガスが導入された場合に、酸化剤極2と燃料極3の両方に空気のみが存在する領域が発生するのをより抑制することができる。
When the system is started, the flow of the fuel-containing gas that flows through the oxidant
次に、第4の実施形態について説明する。以下、第2の実施形態と異なる部分を中心に説明する。 Next, a fourth embodiment will be described. Hereinafter, a description will be given centering on differences from the second embodiment.
図11を参照して、燃料電池システムの構成を説明する。 The configuration of the fuel cell system will be described with reference to FIG.
MFC27とバルブ23の間と、バルブ32と燃料電池スタック1との間を接続する配管47と、配管47の断面を選択的に遮断するバルブ48を備える。つまり、バルブ48を開とすることにより、酸化剤ガスを選択的に燃料ガス流路18に導入可能に構成する。また、燃料電池スタック1の抵抗値を検出する抵抗計53を備える。
A pipe 47 that connects between the
さらに、空気フィルタ21を介して導入した空気を選択的に加湿する加湿装置63と、水素タンク31から取り出した水素を選択的に加湿する加湿装置36を備える。
Furthermore, a
このような燃料電池システムの起動プロセスを、図12の制御ルーチンを用いて説明する。 The startup process of such a fuel cell system will be described using the control routine of FIG.
ステップS31で、バルブ32、42が閉じた状態で、バルブ23、48、26、35を開く。これにより、酸化剤ガス流路17、燃料ガス流路18に乾燥した空気を導入し、電解質膜10を乾燥させてイオン伝導度を低下させる。
In step S31, the
ステップS32で、セル抵抗を検出し、ステップS33で検出されたセル抵抗が規定値以上であるか否かを判断する。規定値以上となるまで電解質膜10の乾燥を継続し、セル抵抗が規定値以上となったら、ステップS34でバルブ48を閉じる。これにより、燃料ガス流路18への乾燥空気の供給を終了する。
In step S32, the cell resistance is detected, and it is determined whether or not the cell resistance detected in step S33 is a specified value or more. Drying of the
ステップS35〜S41までは、ステップS12〜S18と同様とする。ステップS41で、酸化剤ガス流路17には空気を、燃料ガス流路18には燃料ガスを供給する制御に移行したら、ステップS42で、加湿装置63の運転を開始して、酸化剤ガスを必要に応じて加湿して酸化ガス流路17に導入し、加湿装置36の運転を開始して、水素を必要に応じて加湿してから燃料ガス流路18に導入し、起動プロセスを終了する。
Steps S35 to S41 are the same as steps S12 to S18. In step S41, when the control shifts to supplying air to the oxidant
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第2の実施形態とは異なる効果のみを説明する。 Next, the effect of this embodiment will be described. Hereinafter, only effects different from those of the second embodiment will be described.
酸化剤ガス流路17と燃料ガス流路18の少なくとも一方に乾燥ガスを流通させる乾燥ガス流通手段を備える。ここでは、乾燥ガス流通手段を、酸化剤供給系20および配管47、バルブ48より構成する。システム起動時には、乾燥ガスの流通を行った後に、酸化剤ガス流路17に燃料含有ガスの導入を行う。これにより、燃料含有ガスを燃料電池に供給する前に、MEAの乾燥操作を行うので、電解質膜10のイオン伝導度が低くなり電気化学反応を遅くすることができるので、炭素の酸化反応を遅くすることができる。
Dry gas flow means for flowing dry gas through at least one of the oxidant
なお、酸化剤供給系20と燃料供給系30の構成は、上記構成に限らない。また、第二燃料供給手段は上記の構成に限らず、水素を含有するガスを酸化剤ガス流路17に供給可能な構成であればよい。
The configurations of the
このように、上記発明を実施するための最良の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で、様々な変更を為し得ることはいうまでもない。 Thus, the present invention is not limited to the best mode for carrying out the invention, and it goes without saying that various modifications can be made within the scope of the technical idea described in the claims.
本発明は、燃料電池システムに適用することができる。特に、起動/停止の切り替え頻度の大きな車両等の移動体に適用することで、適切な効果を得ることができる。 The present invention can be applied to a fuel cell system. In particular, an appropriate effect can be obtained by applying to a moving body such as a vehicle having a high start / stop switching frequency.
1 燃料電池スタック
1a 単位セル(燃料電池)
2 酸化剤極
3 燃料極
20 酸化剤供給系(第一酸化剤ガス供給手段)
30 燃料供給系(第一燃料ガス供給手段)
41、44 配管(第二燃料ガス供給手段)
42、45 バルブ(第二燃料ガス供給手段)
47 配管(乾燥ガス流通手段)
48 バルブ(乾燥ガス流通手段)
52 電圧センサ
1
2
30 Fuel supply system (first fuel gas supply means)
41, 44 Piping (second fuel gas supply means)
42, 45 Valve (second fuel gas supply means)
47 Piping (Dry gas distribution means)
48 valve (dry gas distribution means)
52 Voltage sensor
Claims (9)
前記電解質膜を狭持する酸化剤極と燃料極と、
前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路と、
前記燃料極に少なくとも水素を含有する燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、を備えた燃料電池を有する燃料電池スタックと、
前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを導入する第一酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料ガス流路に燃料ガスを導入する第一燃料ガス供給手段と、
前記酸化剤ガス流路に選択的に、少なくとも水素を含有する燃料含有ガスを導入する第二燃料ガス供給手段と、を備え、
システム起動時に、前記酸化剤ガス流路に、燃料含有ガスを導入してから、前記燃料ガス流路に燃料ガスを導入し、
前記燃料ガス流路に燃料ガスが行き渡ったら、前記酸化剤ガス流路への燃料含有ガスの導入を終了することを特徴とする燃料電池システム。 An electrolyte membrane;
An oxidant electrode and a fuel electrode that sandwich the electrolyte membrane;
An oxidant gas flow path for supplying an oxidant gas to the oxidant electrode;
A fuel cell stack having a fuel cell comprising: a fuel gas flow path for supplying a fuel gas containing at least hydrogen to the fuel electrode; and
First oxidant gas supply means for introducing an oxidant gas into the oxidant gas flow path;
First fuel gas supply means for introducing fuel gas into the fuel gas flow path;
A second fuel gas supply means for selectively introducing a fuel-containing gas containing at least hydrogen into the oxidant gas flow path;
At the time of starting the system, after introducing the fuel-containing gas into the oxidant gas flow path, the fuel gas is introduced into the fuel gas flow path,
The fuel cell system is characterized in that the introduction of the fuel-containing gas into the oxidant gas flow channel is terminated when the fuel gas is distributed to the fuel gas flow channel.
システム起動時に、前記酸化剤ガス流路への酸化剤ガスの供給を開始した後に、燃料ガスの供給を開始することで、前記酸化剤ガス流路に燃料含有ガスを導入する請求項1または2に記載の燃料電池システム。 As the fuel-containing gas, a mixed gas of oxidant gas and fuel gas is used,
3. The fuel-containing gas is introduced into the oxidant gas flow path by starting the supply of the fuel gas after starting the supply of the oxidant gas to the oxidant gas flow path at the time of starting the system. The fuel cell system described in 1.
システム起動時には、前記乾燥ガスの流通を行った後に、前記酸化剤ガス流路に燃料含有ガスの導入を行う請求項1または2に記載の燃料電池システム。 A dry gas flow means for flowing a dry gas in at least one of the oxidant gas flow path and the fuel gas flow path;
3. The fuel cell system according to claim 1, wherein when the system is started, the fuel-containing gas is introduced into the oxidant gas flow path after the dry gas is circulated.
前記酸化剤ガス流路に燃料含有ガスを導入してから、前記電圧センサの出力が所定値以下となったら、前記燃料ガス流路への燃料ガスの導入を開始する請求項1から7のいずれか一つに記載の燃料電池システム。 A voltage sensor for detecting a voltage value of the fuel cell or the fuel cell stack;
The fuel gas introduction into the fuel gas passage is started when the output of the voltage sensor becomes a predetermined value or less after the fuel-containing gas is introduced into the oxidant gas passage. The fuel cell system according to any one of the above.
前記燃料ガス流路に燃料ガスが行き渡ったか否かを、前記電圧センサの出力から判断する請求項1から7のいずれか一つに記載の燃料電池システム。 A voltage sensor for detecting a voltage value of the fuel cell or the fuel cell stack;
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 7, wherein it is determined from an output of the voltage sensor whether or not fuel gas has spread to the fuel gas flow path.
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Legal Events
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Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20070925 |
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