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JP2006128030A - Fuel cell system - Google Patents

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JP2006128030A
JP2006128030A JP2004317926A JP2004317926A JP2006128030A JP 2006128030 A JP2006128030 A JP 2006128030A JP 2004317926 A JP2004317926 A JP 2004317926A JP 2004317926 A JP2004317926 A JP 2004317926A JP 2006128030 A JP2006128030 A JP 2006128030A
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JP
Japan
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fuel cell
fuel
electrode
cell system
electrode side
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Pending
Application number
JP2004317926A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yukio Fujiwara
幸雄 藤原
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
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Publication date
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent a catalyst layer on a side of an oxidant electrode of a membrane electrode assembly from deteriorating by a carbon corrosion reaction without requiring an additional device when starting a system. <P>SOLUTION: A control unit 19 determines whether oxygen exists in a fuel electrode 1a side and the inside of a fuel cell stack 1 is wet when starting the system. When it is determined that oxygen exists in the fuel electrode 1a side and the inside of the fuel cell stack 1 is wet, the inside of the fuel cell stack 1 is dried before supplying the fuel gas to the fuel electrode 1b side. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、より詳しくは、コンプレッサ等の追加装置を必要とすることなく、システム起動時に膜電極接合体の酸化剤極側の触媒層がカーボン腐蝕反応によって劣化することを防止するための技術に係わる。   The present invention relates to a fuel cell system, and more specifically, prevents a catalyst layer on the oxidizer electrode side of a membrane electrode assembly from being deteriorated by a carbon corrosion reaction at the time of system startup without requiring an additional device such as a compressor. It is related to the technology to do.

従来より、膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly;MEA)を挟持する燃料極及び酸化剤極を有し、燃料極及び酸化剤極にそれぞれ水素及び空気の供給を受けて発電する燃料電池を備える燃料電池システムが知られている。ところで、一般に、このような燃料電池システムは、システムが停止している際、酸化剤極側から燃料極側に空気が侵入することによって、燃料極側と酸化剤極側の双方に空気が存在する状態になる。そして、このような状態でシステムを再起動して燃料極側に水素を供給した場合、燃料極側の空気存在領域に対向する酸化剤極側において、MEAの触媒層を担持しているカーボン担体の酸化反応(以下、カーボン腐蝕反応と表記)が生じることにより、膜電極接合体の酸化剤極側の触媒層が劣化する。このような背景から、従来までの燃料電池システムでは、カーボン腐蝕反応の進行を抑えるために、システム起動時、1秒以下の短時間で水素を燃料極ガス流路に供給することにより、短時間のうちに燃料極側の空気を系外に排出するようにしている(例えば、特許文献1を参照)。
米国特許出願公開第2002/0076582号明細書
Conventionally, a fuel having a fuel electrode and an oxidant electrode that sandwich a membrane electrode assembly (MEA), and having a fuel cell that generates electricity by receiving supply of hydrogen and air to the fuel electrode and the oxidant electrode, respectively. Battery systems are known. By the way, in general, in such a fuel cell system, when the system is stopped, air enters the fuel electrode side from the oxidant electrode side, so that air exists on both the fuel electrode side and the oxidant electrode side. It becomes a state to do. When the system is restarted in such a state and hydrogen is supplied to the fuel electrode side, the carbon carrier carrying the MEA catalyst layer on the oxidant electrode side facing the air existence region on the fuel electrode side As a result of this oxidation reaction (hereinafter referred to as carbon corrosion reaction), the catalyst layer on the oxidant electrode side of the membrane electrode assembly deteriorates. From such a background, in the conventional fuel cell system, in order to suppress the progress of the carbon corrosion reaction, when the system is started, hydrogen is supplied to the fuel electrode gas flow path in a short time of 1 second or less. Among them, the air on the fuel electrode side is discharged out of the system (for example, see Patent Document 1).
US Patent Application Publication No. 2002/0076582

しかしながら、従来までの燃料電池システムによれば、カーボン腐蝕反応が完全に防げるわけではなく、また、燃料極側ガス流路に水素を短時間で供給するためには、燃料極側ガス流路に水素を供給する配管にコンプレッサ等の追加装置を設ける必要がある。また、従来までの燃料電池システムによれば、水素供給時、燃料極側と酸化剤極側のガス圧力を調整しないと、燃料極と酸化剤極の差圧が大きくなることによって、MEAが破損する等の不具合が発生する可能性がある。   However, according to the conventional fuel cell system, the carbon corrosion reaction is not completely prevented, and in order to supply hydrogen to the fuel electrode side gas flow path in a short time, the fuel electrode side gas flow path It is necessary to provide an additional device such as a compressor in the pipe for supplying hydrogen. Further, according to the conventional fuel cell system, when hydrogen gas is supplied, if the gas pressure on the fuel electrode side and the oxidant electrode side is not adjusted, the differential pressure between the fuel electrode and the oxidant electrode increases and the MEA is damaged. There is a possibility that a malfunction will occur.

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、追加装置を必要とすることなく、システム起動時に膜電極接合体の酸化剤極側の触媒層がカーボン腐蝕反応によって劣化することを防止可能な燃料電池システムを提供することにある。   The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and the object of the present invention is to prevent the catalyst layer on the oxidant electrode side of the membrane electrode assembly from undergoing a carbon corrosion reaction when the system is started up without requiring an additional device. It is an object of the present invention to provide a fuel cell system that can be prevented from being deteriorated by the above.

本発明に係る燃料電池システムは、システム起動時、前回運転を停止した際の停止操作履歴、及び運転停止後から起動時までの燃料電池温度と外気湿度履歴に基づいて、燃料極側に酸素が存在し、且つ、燃料電池内部が湿潤状態にあるか否かを判別し、燃料極側に酸素が存在し、且つ、燃料電池内部が湿潤状態にあると判別された場合、燃料極側に燃料ガスを供給する前に燃料電池内部を乾燥させることを特徴とする。   In the fuel cell system according to the present invention, when the system is started, oxygen is present on the fuel electrode side based on the stop operation history when the previous operation was stopped, and the fuel cell temperature and the outside air humidity history from the stop to the start. It is determined whether or not the fuel cell interior is in a wet state, oxygen is present on the fuel electrode side, and if it is determined that the fuel cell interior is in a wet state, fuel on the fuel electrode side is determined. Before supplying gas, the inside of the fuel cell is dried.

本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池内部が湿潤状態にあると判別された場合、燃料電池内部を乾燥させた後に燃料極側に燃料ガスを供給するので、追加装置を必要とすることなく、システム起動時に膜電極接合体の酸化剤極側の触媒層がカーボン腐蝕反応によって劣化することを防止できる。   According to the fuel cell system of the present invention, when it is determined that the inside of the fuel cell is in a wet state, the fuel gas is supplied to the fuel electrode side after the inside of the fuel cell is dried, so an additional device is required. Therefore, it is possible to prevent the catalyst layer on the oxidant electrode side of the membrane electrode assembly from deteriorating due to the carbon corrosion reaction when the system is started.

以下、図面を参照して、本発明の第1及び第2の実施形態となる燃料電池システムの構成について説明する。   Hereinafter, the configuration of the fuel cell system according to the first and second embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

〔燃料電池システムの構成〕
本発明の第1の実施形態となる燃料電池システムは、図1に示すように、燃料極1a及び酸化剤極1bにそれぞれ水素及び空気の供給を受けて発電する燃料電池が複数積層された燃料電池スタック1を備える。なお、この実施形態では、燃料電池は固体高分子型燃料電池により構成され、燃料極1a及び酸化剤極1bにおける電気化学反応及び燃料電池全体としての電気化学反応は以下に示す化学反応式(1)〜(3)による。また、図示しないが、燃料極1a及び酸化剤極1bが挟持するプロトン伝導性を有する固体電解質膜表面には、化学反応を促進するために、Pt等の貴金属を主成分とする触媒層が形成され、膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly;MEA)を形成している。
[Configuration of fuel cell system]
As shown in FIG. 1, the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention is a fuel in which a plurality of fuel cells that generate power by supplying hydrogen and air to the fuel electrode 1 a and the oxidant electrode 1 b are stacked. A battery stack 1 is provided. In this embodiment, the fuel cell is composed of a polymer electrolyte fuel cell, and the electrochemical reaction in the fuel electrode 1a and the oxidant electrode 1b and the electrochemical reaction as the whole fuel cell are represented by the following chemical reaction formula (1 ) To (3). Although not shown, a catalyst layer mainly composed of a noble metal such as Pt is formed on the surface of the proton conductive solid electrolyte membrane sandwiched between the fuel electrode 1a and the oxidant electrode 1b in order to promote a chemical reaction. Thus, a membrane electrode assembly (MEA) is formed.

〔燃料極〕 H2 → 2H+ +2e- …(1)
〔酸化剤極〕 1/2 O2 +2H+ +2e- → H2O …(2)
〔全体〕 H2 +1/2 O2 → H2O …(3)
〔燃料ガス系の構成〕
上記燃料電池システムは、燃料タンク2及び燃料供給量調節弁3を備え、燃料供給量調節弁3によって燃料ガスの供給量を調節して燃料供給配管4を介して燃料電池スタック1の燃料極1aに燃料ガスを供給する。また、燃料電池スタック1の燃料極1aから排出された燃料ガスは、安全な範囲まで濃度が低下された後、燃料排気配管5を介して系外に排出される。また、燃料供給配管4には、燃料供給量調節弁3からの燃料ガスを直接燃料極1aに供給する燃料ガス流路と、燃料供給量調節弁3からの燃料ガスを燃料ガス加湿器6を介して燃料極1aに供給する燃料ガス流路との間で燃料ガスの流路を切り替える切替弁7が設けられ、切替弁7を制御することにより燃料極1aに供給される燃料ガスの加湿/無加湿を切り替え可能なように構成されている。
[Fuel electrode] H 2 → 2H + + 2e (1)
[Oxidant electrode] 1/2 O 2 + 2H + + 2e → H 2 O (2)
[Overall] H 2 +1/2 O 2 → H 2 O (3)
[Configuration of fuel gas system]
The fuel cell system includes a fuel tank 2 and a fuel supply amount adjustment valve 3. The fuel supply amount adjustment valve 3 adjusts the supply amount of the fuel gas and the fuel electrode 1 a of the fuel cell stack 1 through the fuel supply pipe 4. To supply fuel gas. Further, the concentration of the fuel gas discharged from the fuel electrode 1 a of the fuel cell stack 1 is reduced to a safe range and then discharged out of the system through the fuel exhaust pipe 5. The fuel supply pipe 4 includes a fuel gas flow path for supplying the fuel gas from the fuel supply amount adjusting valve 3 directly to the fuel electrode 1a, and a fuel gas humidifier 6 for supplying the fuel gas from the fuel supply amount adjusting valve 3 to the fuel electrode 1a. A switching valve 7 for switching the flow path of the fuel gas to and from the fuel gas flow path supplied to the fuel electrode 1a is provided, and the humidification / humidification of the fuel gas supplied to the fuel electrode 1a by controlling the switching valve 7 is provided. It is configured to switch between non-humidification.

〔酸化剤ガス系の構成〕
上記燃料電池システムは、ブロアー8を備え、ブロアー8は酸化剤ガス供給配管9を介して燃料電池スタック1の酸化剤極1bに酸化剤ガスを供給する。また、燃料電池スタック1の酸化剤極1bから排出された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排気配管10を介して系外へ排出される。また、酸化剤ガス供給配管9には、ブロアー8からの酸化剤ガスを直接酸化剤極1bに供給する酸化剤ガス流路と、ブロアー8からの酸化剤ガスを酸化剤ガス加湿器11を介して酸化剤極1bに供給する酸化剤ガス流路との間で酸化剤ガスの流路を切り替える切替弁12が設けられ、切替弁12を制御することにより酸化剤極1bに供給される酸化剤ガスの加湿/無加湿を切り替え可能なように構成されている。
[Configuration of oxidant gas system]
The fuel cell system includes a blower 8, and the blower 8 supplies an oxidant gas to the oxidant electrode 1 b of the fuel cell stack 1 through an oxidant gas supply pipe 9. Further, the oxidant gas discharged from the oxidant electrode 1 b of the fuel cell stack 1 is discharged out of the system through the oxidant gas exhaust pipe 10. The oxidant gas supply pipe 9 has an oxidant gas flow path for directly supplying the oxidant gas from the blower 8 to the oxidant electrode 1 b, and the oxidant gas from the blower 8 via the oxidant gas humidifier 11. A switching valve 12 for switching the flow path of the oxidant gas to and from the oxidant gas flow path supplied to the oxidant electrode 1b is provided, and the oxidant supplied to the oxidant electrode 1b by controlling the switching valve 12 Gas humidification / non-humidification can be switched.

また、切替弁12の入口側の酸化剤ガス供給配管9と燃料極1aの入口側の燃料ガス供給配管4は、燃料極用酸化剤ガス供給配管13を介して接続され、燃料極用酸化剤ガス供給配管13には、燃料極1bへの酸化剤ガスの供給量を制御するための配管弁14が設けられている。なお、ブロアー8からの酸化剤ガスの供給量を調整する調節弁を酸化剤ガス供給配管9に設けるようにしてもよい。   Further, the oxidant gas supply pipe 9 on the inlet side of the switching valve 12 and the fuel gas supply pipe 4 on the inlet side of the fuel electrode 1a are connected via an oxidant gas supply pipe 13 for the fuel electrode, and the oxidant for the fuel electrode. The gas supply pipe 13 is provided with a pipe valve 14 for controlling the supply amount of the oxidant gas to the fuel electrode 1b. A control valve that adjusts the supply amount of the oxidant gas from the blower 8 may be provided in the oxidant gas supply pipe 9.

〔制御系の構成〕
上記燃料電池システムにおける制御系は、システム停止中の際に燃料電池スタック1内部の燃料ガスを消費する電荷消費部15と、燃料電池スタック1の温度として燃料電池のMEAの温度を検出する温度センサ16と、燃料電池スタック1内部の湿度として燃料電池のMEAの交流抵抗を検出する検出する抵抗センサ17と、燃料極1a側の酸素濃度として燃料極1aのガス配管中の湿度を検出する酸素濃度センサ18と、燃料電池システムの動作を制御するコントロールユニット19とを備える。
[Control system configuration]
The control system in the fuel cell system includes a charge consuming unit 15 that consumes fuel gas inside the fuel cell stack 1 when the system is stopped, and a temperature sensor that detects the temperature of the MEA of the fuel cell as the temperature of the fuel cell stack 1. 16, a resistance sensor 17 that detects the AC resistance of the MEA of the fuel cell as the humidity inside the fuel cell stack 1, and an oxygen concentration that detects the humidity in the gas pipe of the fuel electrode 1a as the oxygen concentration on the fuel electrode 1a side A sensor 18 and a control unit 19 for controlling the operation of the fuel cell system are provided.

なお、この実施形態では、燃料電池スタック1の温度として燃料電池のMEAの温度を検出するが、燃料電池スタック1内部の循環水の温度を燃料電池スタック1の温度として検出してもよい。また、燃料電池スタック1内部の湿度としてMEAの交流抵抗を検出するが、MEAの酸化剤極1b側の触媒層又はガス配管中の湿度を燃料電池スタック1内部の湿度として検出してもよい。また、コントロールユニット19は、CPUと、プログラムROMと、作業用RAMと、入出力インタフェースとを備えたマイクロプロセッサで構成されている。   In this embodiment, the temperature of the MEA of the fuel cell is detected as the temperature of the fuel cell stack 1, but the temperature of circulating water inside the fuel cell stack 1 may be detected as the temperature of the fuel cell stack 1. Further, the AC resistance of the MEA is detected as the humidity inside the fuel cell stack 1, but the humidity in the catalyst layer or gas pipe on the oxidant electrode 1b side of the MEA may be detected as the humidity inside the fuel cell stack 1. The control unit 19 is composed of a microprocessor having a CPU, a program ROM, a working RAM, and an input / output interface.

そして、このような構成を有する燃料電池システムでは、システム起動時、コントロールユニット19が以下に示す起動制御処理を実行することにより、コンプレッサ等の追加装置を必要とすることなく、カーボン腐蝕反応によってMEAの酸化剤極1b側の触媒層が劣化することを防止する。以下、図2に示すフローチャートを参照して、この起動制御処理を実行する際のコントロールユニット19の動作について詳しく説明する。   In the fuel cell system having such a configuration, when the system is started, the control unit 19 executes the start control process shown below, thereby eliminating the need for an additional device such as a compressor and performing MEA by the carbon corrosion reaction. This prevents the catalyst layer on the oxidant electrode 1b side from deteriorating. Hereinafter, the operation of the control unit 19 when executing the activation control process will be described in detail with reference to the flowchart shown in FIG.

[起動制御処理]
図2に示すフローチャートは、コントロールユニット19に起動命令信号が入力されるのに応じて開始となり、起動制御処理はステップS1の処理に進む。
[Startup control processing]
The flowchart shown in FIG. 2 starts in response to the activation command signal being input to the control unit 19, and the activation control process proceeds to step S1.

ステップS1の処理では、コントロールユニット19が、起動操作判断として、温度センサ16,抵抗センサ17,及び酸素濃度センサ18の検出結果を参照して、燃料電池スタック1の温度が所定温度以上、MEAの交流抵抗が所定値以下、且つ、燃料極1a側の酸素濃度が所定濃度以上であるか否かを判別する。   In the process of step S1, the control unit 19 refers to the detection results of the temperature sensor 16, the resistance sensor 17, and the oxygen concentration sensor 18 as a startup operation determination, and the temperature of the fuel cell stack 1 is equal to or higher than a predetermined temperature and the MEA It is determined whether or not the AC resistance is a predetermined value or less and the oxygen concentration on the fuel electrode 1a side is a predetermined concentration or more.

そして、判別の結果、燃料電池の温度が所定温度以上、MEAの交流抵抗が所定値以下、且つ、燃料極1a側の酸素濃度が所定濃度以上である場合、コントロールユニット19は、起動制御処理をステップS5の処理に進める。一方、燃料電池の温度が所定温度以上、MEAの交流抵抗が所定値以下、且つ、燃料極1a側の酸素濃度が所定濃度以上でない場合には、コントロールユニット19は起動制御処理をステップS2の処理に進める。   As a result of the determination, when the temperature of the fuel cell is equal to or higher than the predetermined temperature, the AC resistance of the MEA is equal to or lower than the predetermined value, and the oxygen concentration on the fuel electrode 1a side is equal to or higher than the predetermined concentration, the control unit 19 performs the start control process. The process proceeds to step S5. On the other hand, when the temperature of the fuel cell is equal to or higher than the predetermined temperature, the AC resistance of the MEA is equal to or lower than the predetermined value, and the oxygen concentration on the fuel electrode 1a side is not equal to or higher than the predetermined concentration, the control unit 19 performs the startup control process in step S2. Proceed to

ステップ2の処理では、コントロールユニット19が、切替弁12を制御することにより、酸化剤極1bにブロアー8からの乾燥した酸化剤ガスを供給することにより酸化剤極1bをパージ(乾燥)する。また、コントロールユニット19は、配管弁14を開くことにより、燃料極1a側に乾燥した酸化剤ガスを供給することにより燃料極1aをパージする。これにより、このステップS2の処理は完了し、起動制御処理はステップS2の処理からステップ3の処理に進む。   In step 2, the control unit 19 controls the switching valve 12 to purge (dry) the oxidant electrode 1b by supplying the dried oxidant gas from the blower 8 to the oxidant electrode 1b. Further, the control unit 19 purges the fuel electrode 1a by opening the piping valve 14 and supplying the dried oxidant gas to the fuel electrode 1a side. Thereby, the process of step S2 is completed, and the activation control process proceeds from the process of step S2 to the process of step 3.

ステップS3の処理では、コントロールユニット19が、抵抗センサ17の検出結果を参照して、MEAの交流抵抗が所定値以上になったか否かを判別する。そして、判別の結果、MEAの交流抵抗が所定値以上になるのに応じて、コントロールユニット19は、燃料電池スタック1が乾燥したと判断し、起動制御処理をステップS4の処理に進める。なお、コントロールユニット19は、MEAが所定の交流抵抗になる時間を実験によって予め算出しておき、算出された時間が経過するのに応じて起動制御処理をステップS4の処理に進めるようにしてもよい。   In the process of step S3, the control unit 19 refers to the detection result of the resistance sensor 17, and determines whether or not the AC resistance of the MEA has become a predetermined value or more. As a result of the determination, the control unit 19 determines that the fuel cell stack 1 has been dried in response to the MEA AC resistance becoming a predetermined value or more, and advances the activation control process to the process of step S4. Note that the control unit 19 calculates in advance the time during which the MEA has a predetermined AC resistance by experiment, and advances the activation control process to the process of step S4 as the calculated time elapses. Good.

ステップS4の処理では、コントロールユニット19が、配管弁14を閉じることにより燃料極1aへの酸化剤ガスの供給を停止する。これにより、このステップS4の処理は完了し、起動制御処理はステップS4の処理からステップS5の処理に進む。   In the process of step S4, the control unit 19 stops the supply of the oxidant gas to the fuel electrode 1a by closing the piping valve 14. Thereby, the process of step S4 is completed, and the activation control process proceeds from the process of step S4 to the process of step S5.

ステップS5の処理では、コントロールユニット19が、切替弁7を制御することにより、燃料極1aに乾燥した燃料ガスを供給する。なお、この処理の際、コントロールユニット19は、電荷消費部15を動作状態にし、燃料ガスを消費させることが望ましい。これにより、このステップS5の処理は完了し、一連の起動制御処理は終了する。   In the process of step S5, the control unit 19 controls the switching valve 7 to supply the dried fuel gas to the fuel electrode 1a. In this process, it is preferable that the control unit 19 puts the charge consuming unit 15 into an operating state and consumes the fuel gas. Thereby, the process of this step S5 is completed and a series of starting control processes are complete | finished.

一般に、図3(a)に示すように、燃料極側ガス流路1cと酸化剤極側ガス流路1dの双方に空気が存在する状態でシステムを起動し、燃料極1a側に水素を供給した場合には、燃料電池システムは、一時的に図3(b)に示すように状態になる。すなわち、燃料極1aの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1b側には1[V]程度の電位が生じる。   In general, as shown in FIG. 3A, the system is started in a state where air exists in both the fuel electrode side gas flow path 1c and the oxidant electrode side gas flow path 1d, and hydrogen is supplied to the fuel electrode 1a side. In such a case, the fuel cell system temporarily enters a state as shown in FIG. That is, in the region where hydrogen is supplied to the fuel electrode 1a, a reaction similar to that in the normal operation state occurs, and a potential of about 1 [V] is generated on the oxidant electrode 1b side.

一方、燃料極1a側の水素と空気の界面(以下、水素フロントと表記)Fを境として、燃料極1a側の空気存在領域に対向する酸化剤極1bにおいては、以下に示す化学反応式(4)のカーボン腐蝕反応が生じる。なお、この時、燃料極1a側の空気が存在する領域においては、以下に示す化学反応式(5)のカーボン腐蝕反応によって水が生成される。従って、図3(b)に示す状態では、MEAの触媒層を担持しているカーボン担体の酸化反応が生じることにより、酸化剤極1b側の触媒層1fが劣化し、燃料電池性能が低下する等の不具合が発生する可能性がある。   On the other hand, at the oxidant electrode 1b facing the air existing region on the fuel electrode 1a side with the interface (hereinafter referred to as hydrogen front) F between the hydrogen and air on the fuel electrode 1a side, the chemical reaction formula ( The carbon corrosion reaction of 4) occurs. At this time, in the region where the air on the fuel electrode 1a side exists, water is generated by the carbon corrosion reaction of the chemical reaction formula (5) shown below. Therefore, in the state shown in FIG. 3B, the oxidation reaction of the carbon support carrying the MEA catalyst layer occurs, so that the catalyst layer 1f on the oxidant electrode 1b side is deteriorated and the fuel cell performance is lowered. Such problems may occur.

〔カーボン腐蝕反応〕 C+2H2O→ CO2+4H+ +4e- …(4)
〔燃料極側の反応〕 O2+4H++4e-→ 2H2O …(5)
そこで、本願発明の発明者は、精力的な研究を重ねてきた結果、水素フロントFに起因するカーボン腐蝕反応は燃料電池内部の含水量が低い程抑制されるという知見を得るに至った。より具体的には、発明者は、燃料極側及び酸化剤極側の双方を空気で置換した状態から燃料極に水素を導入し、その際に排出される二酸化炭素量をガス分析器により測定した結果、図4に示すように、燃料極に水素(アノードガス)を導入する直前に燃料電池の抵抗(セル抵抗)が高くなる、換言すれば、燃料電池内部が乾燥している程、二酸化炭素排出量、すなわちカーボン腐蝕量が少ないことを知見した。そして、発明者はこのような知見に基づき上述の燃料電池システムを想到するに至った。
[Carbon corrosion reaction] C + 2H 2 O → CO 2 + 4H + + 4e (4)
[Fuel electrode side reaction] O 2 + 4H + + 4e → 2H 2 O (5)
Thus, as a result of intensive research, the inventors of the present invention have come to the knowledge that the carbon corrosion reaction caused by the hydrogen front F is suppressed as the water content inside the fuel cell is lower. More specifically, the inventor introduced hydrogen into the fuel electrode from a state where both the fuel electrode side and the oxidant electrode side were replaced with air, and measured the amount of carbon dioxide discharged at that time with a gas analyzer. As a result, as shown in FIG. 4, the resistance (cell resistance) of the fuel cell increases immediately before hydrogen (anode gas) is introduced into the fuel electrode. It was found that the amount of carbon emissions, that is, the amount of carbon corrosion was small. And the inventor came up with the above-mentioned fuel cell system based on such knowledge.

以上の説明から明らかなように、本発明の第1の実施形態となる燃料電池システムでは、システムを起動する際、コントロールユニット19が、燃料極1a側に酸素が存在し、且つ、燃料電池スタック1内部が湿潤状態にあるか否かを判別し、燃料極1a側に酸素が存在し、且つ、燃料電池スタック1内部が湿潤状態にあると判別された場合、燃料極1a側に燃料ガスを供給する前に燃料電池スタック1内部を乾燥させる。   As is apparent from the above description, in the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention, when the system is started, the control unit 19 has oxygen on the fuel electrode 1a side, and the fuel cell stack. 1 is determined whether or not the inside is in a wet state, and when it is determined that oxygen is present on the fuel electrode 1a side and the inside of the fuel cell stack 1 is in a wet state, fuel gas is supplied to the fuel electrode 1a side. Before supplying, the inside of the fuel cell stack 1 is dried.

このような構成によれば、燃料電池スタック1内部が湿潤状態にあると判別された場合、燃料電池スタック1内部を乾燥させた後に燃料極1a側に燃料ガスが供給されるので、コンプレッサ等の追加装置を必要とすることなく、システム起動時にMEAの酸化剤極1b側の触媒層がカーボン腐蝕反応によって劣化することを抑制できる。   According to such a configuration, when it is determined that the inside of the fuel cell stack 1 is wet, the fuel gas is supplied to the fuel electrode 1a after the inside of the fuel cell stack 1 is dried. Without requiring an additional device, it is possible to suppress deterioration of the catalyst layer on the oxidant electrode 1b side of the MEA due to the carbon corrosion reaction when the system is started.

また、このような構成によれば、燃料電池システムの停止時間が極めて短時間で燃料極1a側に酸素が混入していない場合や、停止時間が長時間で燃料電池スタック1内部が乾燥状態にある場合には、コントロールユニット19は、燃料電池スタック1内部を乾燥させる動作を行わないので、無駄のない適切な起動処理を行うことができる。   Further, according to such a configuration, when the stop time of the fuel cell system is extremely short and oxygen is not mixed in the fuel electrode 1a side, or when the stop time is long and the inside of the fuel cell stack 1 is in a dry state. In some cases, the control unit 19 does not perform an operation of drying the inside of the fuel cell stack 1, and therefore can perform an appropriate startup process without waste.

なお、コントロールユニット19は、温度センサ16及び抵抗センサ17の検出値が所定値以上である場合、前回運転を停止した際の停止操作履歴に基づいて燃料極1a側に酸素が存在するか否かを判別し、燃料極1a側に酸素が存在すると判別された場合、燃料極1a側に燃料ガスを供給する前に燃料電池スタック1内部を乾燥させてもよい。このような構成によれば、乾燥操作の時間や手段を的確に、且つ、必要十分に行うことができるので、MEAの酸化剤極1b側の触媒層の劣化をより効果的に抑制できる。   Note that when the detected values of the temperature sensor 16 and the resistance sensor 17 are equal to or greater than a predetermined value, the control unit 19 determines whether oxygen is present on the fuel electrode 1a side based on the stop operation history when the previous operation was stopped. If it is determined that oxygen is present on the fuel electrode 1a side, the inside of the fuel cell stack 1 may be dried before supplying the fuel gas to the fuel electrode 1a side. According to such a configuration, the time and means of the drying operation can be accurately and sufficiently performed, and therefore, deterioration of the catalyst layer on the oxidant electrode 1b side of the MEA can be more effectively suppressed.

また、コントロールユニット19は、温度センサ16,抵抗センサ17,及び酸素濃度センサ18の検出値が所定値以上である場合、燃料極1a側に燃料ガスを供給する前に燃料電池スタック1内部を乾燥させてもよい。このような構成によれば、起動操作を行うか否かの判断を的確に行うことができるので、無駄のない適切な起動操作を行うことができる。   In addition, when the detected values of the temperature sensor 16, the resistance sensor 17, and the oxygen concentration sensor 18 are equal to or greater than a predetermined value, the control unit 19 dries the inside of the fuel cell stack 1 before supplying the fuel gas to the fuel electrode 1a side. You may let them. According to such a configuration, since it is possible to accurately determine whether or not to perform the activation operation, it is possible to perform an appropriate activation operation without waste.

本発明の第2の実施形態となる燃料電池システムは、図5に示すように、上記第1の実施形態となる燃料電池システムの構成に加えて、燃料電池スタック1に循環水を供給する循環水供給配管21と、循環水を加熱するための循環水加熱部22と、酸化剤ガスを加熱するための酸化剤ガス加熱部23とを備える。そして、この燃料電池システムでは、上記ステップS2の処理の際、コントロールユニット19が、乾燥し、且つ、酸化剤ガス加熱部23により加熱された酸化剤ガスを燃料極1aと酸化剤極1bに供給すると共に、循環水加熱部22により加熱された循環水を循環水供給配管21を介して燃料電池スタック1に供給する。このような構成によれば、燃料電池スタック1内部、特に、酸化剤極1b側の触媒層をより短時間で乾燥させることができるので、起動時に燃料電池を劣化させることなく、より短時間で起動可能な燃料電池システムを実現することができる。   As shown in FIG. 5, in the fuel cell system according to the second embodiment of the present invention, in addition to the configuration of the fuel cell system according to the first embodiment, circulation for supplying circulating water to the fuel cell stack 1 is performed. A water supply pipe 21, a circulating water heating unit 22 for heating the circulating water, and an oxidant gas heating unit 23 for heating the oxidant gas are provided. In this fuel cell system, the control unit 19 supplies the oxidant gas that has been dried and heated by the oxidant gas heating unit 23 to the fuel electrode 1a and the oxidant electrode 1b in the process of step S2. At the same time, the circulating water heated by the circulating water heating unit 22 is supplied to the fuel cell stack 1 via the circulating water supply pipe 21. According to such a configuration, the inside of the fuel cell stack 1, in particular, the catalyst layer on the oxidant electrode 1b side can be dried in a shorter time, so that the fuel cell is not deteriorated at the time of startup, and in a shorter time. A startable fuel cell system can be realized.

以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論であることを付け加えておく。   As mentioned above, although the embodiment to which the invention made by the present inventor is applied has been described, the present invention is not limited by the description and the drawings that form part of the disclosure of the present invention according to this embodiment. That is, it should be added that other embodiments, examples, operation techniques, and the like made by those skilled in the art based on the above embodiments are all included in the scope of the present invention.

本発明の第1の実施形態となる燃料電池システムの構成を示す模式図である。1 is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態となる起動制御処理の流れを示すフローチャート図である。It is a flowchart figure which shows the flow of the starting control process used as one Embodiment of this invention. 従来までの燃料電池システムの構成を説明するための燃料電池の断面構成図である。It is a section lineblock diagram of a fuel cell for explaining composition of a conventional fuel cell system. ガス置換後のカソード二酸化炭素排出量とガス置換直前のセル抵抗の関係を示すグラフ図である。It is a graph which shows the relationship between the cathode carbon dioxide discharge | emission amount after gas substitution, and the cell resistance just before gas substitution. 本発明の第2の実施形態となる燃料電池システムの構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the fuel cell system used as the 2nd Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1:燃料電池スタック
1a:燃料極
1b:酸化剤極
2:燃料タンク
3:燃料供給量調節弁
4:燃料供給配管
5:燃料排気配管
6:燃料ガス加湿器
7,12:切替弁
8:ブロアー
9:酸化剤ガス供給配管
10:酸化剤ガス排気配管
11:酸化剤ガス加湿器
13:燃料極用酸化剤ガス供給配管
14:配管弁
15:電荷消費部
16:温度センサ
17:抵抗センサ
18:酸素濃度センサ
19:コントロールユニット
1: Fuel cell stack 1a: Fuel electrode 1b: Oxidant electrode 2: Fuel tank 3: Fuel supply amount adjustment valve 4: Fuel supply pipe 5: Fuel exhaust pipe 6: Fuel gas humidifier 7, 12: Switching valve 8: Blower 9: Oxidant gas supply pipe 10: Oxidant gas exhaust pipe 11: Oxidant gas humidifier 13: Oxidant gas supply pipe for fuel electrode 14: Pipe valve 15: Charge consuming part 16: Temperature sensor 17: Resistance sensor 18: Oxygen concentration sensor 19: Control unit

Claims (8)

膜電極接合体を挟持する燃料極及び酸化剤極とを有し、当該燃料極及び酸化剤極にそれぞれ水素及び空気の供給を受けて発電する燃料電池を備える燃料電池システムであって、
システム起動時、前回運転を停止した際の停止操作履歴、及び運転停止後から再起動時までの燃料電池温度と外気湿度履歴に基づいて、前記燃料極側に酸素が存在し、且つ、燃料電池内部が湿潤状態にあるか否かを判別し、燃料極側に酸素が存在し、且つ、燃料電池内部が湿潤状態にあると判別された場合、燃料極側に燃料ガスを供給する前に燃料電池内部を乾燥させる制御部を備えること
を特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell system having a fuel electrode and an oxidant electrode that sandwich a membrane electrode assembly, and comprising a fuel cell that generates power by receiving supply of hydrogen and air to the fuel electrode and the oxidant electrode, respectively,
Oxygen is present on the fuel electrode side on the basis of the stop operation history when the system was started, the stop operation history when the previous operation was stopped, and the fuel cell temperature and outside air humidity history from the stop to the restart, and the fuel cell It is determined whether or not the inside is in a wet state. If it is determined that oxygen is present on the fuel electrode side and the inside of the fuel cell is in a wet state, the fuel is supplied before supplying fuel gas to the fuel electrode side. A fuel cell system comprising a control unit for drying the inside of the battery.
請求項1に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池の温度を検出するための温度検出部と、
前記燃料電池内部の湿度を検出するための湿度検出部とを備え、
前記制御部は、前記温度検出部及び前記湿度検出部の検出値が所定値以上である場合、前回運転を停止した際の停止操作履歴に基づいて前記燃料極側に酸素が存在するか否かを判別し、当該燃料極に酸素が存在すると判別された場合、燃料極側に燃料ガスを供給する前に燃料電池内部を乾燥させること
を特徴とする燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 1,
A temperature detector for detecting the temperature of the fuel cell;
A humidity detector for detecting the humidity inside the fuel cell;
The control unit determines whether oxygen is present on the fuel electrode side based on a stop operation history when the previous operation was stopped when detection values of the temperature detection unit and the humidity detection unit are equal to or greater than a predetermined value. And when it is determined that oxygen is present in the fuel electrode, the inside of the fuel cell is dried before the fuel gas is supplied to the fuel electrode side.
請求項2に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料極側の酸素濃度を検出するための酸素濃度検出部を備え、
前記制御部は、前記温度検出部、前記湿度検出部、及び前記酸素濃度検出部の検出値が所定値以上である場合、燃料極側に燃料ガスを供給する前に燃料電池内部を乾燥させること
を特徴とする燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 2, wherein
An oxygen concentration detector for detecting the oxygen concentration on the fuel electrode side;
When the detection values of the temperature detection unit, the humidity detection unit, and the oxygen concentration detection unit are equal to or greater than a predetermined value, the control unit dries the inside of the fuel cell before supplying the fuel gas to the fuel electrode side. A fuel cell system.
請求項2又は請求項3に記載の燃料電池システムであって、
前記湿度検出部は、前記燃料電池内部の湿度として、前記膜電極接合体の酸化剤極側の触媒層内部の湿度を検出することを特徴とする燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 2 or 3, wherein
The said humidity detection part detects the humidity inside the catalyst layer of the oxidant electrode side of the said membrane electrode assembly as humidity inside the said fuel cell, The fuel cell system characterized by the above-mentioned.
請求項2又は請求項3に記載の燃料電池システムであって、
前記湿度検出部は、前記燃料電池内部の湿度として、前記膜電極接合体の交流抵抗を検出することを特徴とする燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 2 or 3, wherein
The said humidity detection part detects the alternating current resistance of the said membrane electrode assembly as humidity inside the said fuel cell, The fuel cell system characterized by the above-mentioned.
請求項1乃至請求項5のうち、いずれか1項に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記燃料極側及び前記酸化剤極側の少なくとも一方から乾燥した酸化剤ガスを供給することにより、前記燃料電池内部を乾燥させることを特徴とする燃料電池システム。
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 5, wherein
The control unit dries the inside of the fuel cell by supplying a dried oxidant gas from at least one of the fuel electrode side and the oxidant electrode side.
請求項6に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、乾燥した酸化剤ガスを加熱して前記燃料極側及び酸化剤極側の少なくとも一方に供給することを特徴とする燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 6,
The control unit heats and supplies the dried oxidant gas to at least one of the fuel electrode side and the oxidant electrode side.
請求項1乃至請求項7のうち、いずれか1項に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記燃料電池の温度を高めることにより、前記燃料電池内部を乾燥させることを特徴とする燃料電池システム。
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 7,
The fuel cell system, wherein the control unit dries the inside of the fuel cell by increasing the temperature of the fuel cell.
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