JP4608250B2 - Fuel cell system and starting method thereof - Google Patents
Fuel cell system and starting method thereof Download PDFInfo
- Publication number
- JP4608250B2 JP4608250B2 JP2004196345A JP2004196345A JP4608250B2 JP 4608250 B2 JP4608250 B2 JP 4608250B2 JP 2004196345 A JP2004196345 A JP 2004196345A JP 2004196345 A JP2004196345 A JP 2004196345A JP 4608250 B2 JP4608250 B2 JP 4608250B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- fuel cell
- fuel
- load
- anode electrode
- supplied
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 175
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 72
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 description 64
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 59
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 59
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 44
- 238000010926 purge Methods 0.000 description 41
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 38
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 description 36
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 17
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 15
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 14
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 14
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 14
- 230000002000 scavenging effect Effects 0.000 description 14
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 11
- 238000010790 dilution Methods 0.000 description 10
- 239000012895 dilution Substances 0.000 description 10
- 230000006870 function Effects 0.000 description 10
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 8
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 8
- 238000007865 diluting Methods 0.000 description 7
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 7
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 6
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 6
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 6
- 230000002950 deficient Effects 0.000 description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 description 5
- 239000005518 polymer electrolyte Substances 0.000 description 5
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 4
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 4
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 3
- 239000012495 reaction gas Substances 0.000 description 3
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 230000002040 relaxant effect Effects 0.000 description 2
- 206010021143 Hypoxia Diseases 0.000 description 1
- 241000255777 Lepidoptera Species 0.000 description 1
- 230000006399 behavior Effects 0.000 description 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 1
- 238000010030 laminating Methods 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 239000012466 permeate Substances 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 230000002265 prevention Effects 0.000 description 1
- 238000006722 reduction reaction Methods 0.000 description 1
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 1
- 238000004904 shortening Methods 0.000 description 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 1
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Description
本発明は、燃料電池システムおよびその起動方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell system and a startup method thereof.
一般に、燃料電池は、プロトン導電性の高分子電解質膜(PEM膜)を挟んで一側にカソード極を区画し、他側にアノード極を区画して構成されており、カソード極に供給される空気中の酸素と、アノード極に供給される水素との電気化学反応によって発電するものである。このような燃料電池としては、前記した高分子電解質膜をカソード極とアノード極で挟んだものを良好な導電性を有するセパレータで挟持してなるセル(単セル)を複数積層された燃料電池が知られており、この燃料電池では、各セルにおいて良好に水素と酸素とが反応することで良好な発電を行うことが可能となっている。 In general, a fuel cell is configured such that a cathode electrode is defined on one side with a proton conductive polymer electrolyte membrane (PEM membrane) interposed therebetween, and an anode electrode is defined on the other side, and is supplied to the cathode electrode. Electricity is generated by an electrochemical reaction between oxygen in the air and hydrogen supplied to the anode electrode. As such a fuel cell, a fuel cell in which a plurality of cells (single cells) in which a polymer electrolyte membrane is sandwiched between a cathode electrode and an anode electrode and sandwiched between separators having good conductivity is laminated. It is known that in this fuel cell, it is possible to perform good power generation by allowing hydrogen and oxygen to react well in each cell.
ところで、燃料電池は、燃料と酸素があれば電圧が発生するが、燃料電池の触媒は、高電圧(例えば0.8V/単電池以上)に長時間放置されると活性が低下する(特許文献1の段落0003)。また、積層された燃料電池の場合、反応ガスが燃料電池の各単電池に行き渡る前に燃料電池から電流を抜き出すと、単電池を積層している関係から、反応ガスが行き渡っていない単電池にも電流が流れることとなり、これにより単電池の構造体であるカーボンが腐食することがある(特許文献1の段落0004)。 By the way, although a fuel cell generates a voltage if there is fuel and oxygen, the activity of the catalyst of the fuel cell is lowered when left at a high voltage (for example, 0.8 V / unit cell or more) for a long time (Patent Document). 1 paragraph 0003). Also, in the case of stacked fuel cells, if the current is extracted from the fuel cell before the reaction gas reaches each unit cell of the fuel cell, the unit cell does not reach the reaction gas because the cells are stacked. As a result, a current flows, and the carbon which is the structure of the unit cell may corrode (paragraph 0004 of Patent Document 1).
ところで、この問題(起動時に単電池が高電圧状態になること、起動時に反応ガスが供給されないうちに外部負荷との接続により燃料不足の単電池にも大きな電流が流れてしまうこと)に対しては、従来は、(1)「単電池の開回路電圧が所定の電圧になったのを確認してから、外部負荷を接続する」ことや、(2)「燃料電池の両極間にその途中に抵抗器と開閉器を有する外部接続回路を設け、外部負荷接続までこの外部接続回路に微小な電流を流し、単電池の電圧を下げつつ所定時間経過後に外部負荷を接続する」ことが行われていた(特許文献1の段落0005)。 By the way, for this problem (the unit cell is in a high voltage state at the start-up, and a large current flows through the fuel-deficient unit cell due to connection to an external load before the reaction gas is supplied at the start-up) Conventionally, (1) “Check that the open circuit voltage of the unit cell has reached a predetermined voltage and then connect an external load” or (2) “Between the two poles of the fuel cell Is provided with an external connection circuit having a resistor and a switch, and a small amount of current is passed through the external connection circuit until the external load is connected, and the external load is connected after a predetermined time while lowering the voltage of the unit cell. (Patent Document 1, paragraph 0005).
しかし、前記した(1)では、依然として単電池の電圧が高電圧になり、前記した(2)では、外部接続回路に微小な電流が流れていて、スタックの開回路の検知が容易でないので、外部負荷接続のタイミングが取りにくいという問題があった(特許文献1の段落0006)。このため、特許文献1の技術では、燃料電池の起動時に、少なくとも抵抗からなる補助回路を接続することで単電池の電圧が高くなることと大きな電流が流れることを防止しすることとし、また、補助回路を流れている電流や電圧を検知し、所定の電流値や電圧値に達したときに外部負荷を接続して燃料電池を起動することで外部負荷接続のタイミングを決めることとしている(特許文献1の請求項1、2、段落0006、0007)。
しかしながら、前記した特許文献1の技術においては、アノード極に供給した燃料ガスは、カソード極に供給した空気中の酸素(酸化剤)と反応することになるので、燃料ガスが消費され、アノード極を燃料ガスで満たすまでに時間がかかることになる。また、アノード極に供給した燃料ガスが、併せてカソード極に供給される空気中の酸素と反応することで、補助回路に大きな電流が流れることとなる。また、起動時、空気により掃気されたアノード極に燃料を供給すると、同極(1つの極)に燃料と空気とが共存することとなり、いわゆる同極発電という現象を生じて燃料電池の構成材料を劣化(セパレータや膜電極構造体等を腐食)させるおそれがある。 However, in the technique of Patent Document 1 described above, the fuel gas supplied to the anode electrode reacts with oxygen (oxidant) in the air supplied to the cathode electrode, so the fuel gas is consumed and the anode electrode It takes time to fill the gas with fuel gas. Further, the fuel gas supplied to the anode electrode reacts with oxygen in the air supplied to the cathode electrode together, so that a large current flows through the auxiliary circuit. In addition, when fuel is supplied to the anode electrode scavenged by air at the start-up, the fuel and air coexist on the same electrode (one electrode), and a so-called homopolar power generation phenomenon occurs, and the constituent material of the fuel cell May be deteriorated (a separator, a membrane electrode structure or the like is corroded).
そこで、本発明では、かかる課題を解決し、燃料電池の起動を良好に行うことができる燃料電池システムおよびその起動方法を提供することを主たる目的とする。 Therefore, the main object of the present invention is to solve this problem and to provide a fuel cell system and a method for starting the fuel cell that can favorably start the fuel cell.
本発明者らは、前記した課題に鑑み、アノード極に燃料ガスを供給した後、カソード極に酸化剤ガスを供給することにより、燃料電池の起動を良好に行うことができることを見出し、本発明を完成するに至った。
即ち、前記課題を解決する本発明のうち請求項1に記載の発明は、燃料ガス供給手段からアノード極に供給される燃料ガスと酸化剤ガス供給手段からカソード極に供給される酸化剤ガスとの反応により、負荷に供給する電力を発電する単セルが積層された燃料電池と、前記燃料電池に電気的に接続され、前記負荷よりも消費電力が小さな第2の負荷と、前記第2の負荷の断接を行う負荷断接手段と、前記燃料電池の起動に際して、前記燃料電池から前記負荷に電力を供給する前に、前記負荷断接手段によって前記第2の負荷を前記燃料電池に電気的に接続してから前記燃料ガス供給手段によって前記燃料ガスを前記アノード極に供給し、その後、前記酸化剤ガス供給手段によって前記酸化剤ガスを前記カソード極に供給させる制御手段と、前記燃料電池の前記アノード極側の出口に接続される燃料排出路に設けられ、前記制御手段によって開閉制御されるパージ弁と、前記燃料排出路から排出される燃料ガスを内部で希釈して外部に排出する希釈手段と、を備え、前記制御手段は、前記燃料ガス供給手段によって前記燃料ガスを前記アノード極に供給する際、前記パージ弁を開いて前記燃料電池の前記アノード極内の酸化剤ガスを前記希釈手段にパージして排出した後、前記パージ弁を開いたままの状態で当該アノード極内の前記燃料ガスの量が所定値以上になったか否かを判断し、所定値以上になったと判断した後、前記パージ弁を閉じ、その後、前記負荷断接手段によって前記第2の負荷を、前記酸化剤ガスの前記カソード極への供給前に切断することを特徴とする。
In view of the above problems, the present inventors have found that the fuel cell can be favorably started by supplying the fuel gas to the anode electrode and then supplying the oxidant gas to the cathode electrode. It came to complete.
That is, the invention according to claim 1 of the present invention that solves the above-mentioned problems includes a fuel gas supplied from the fuel gas supply means to the anode electrode and an oxidant gas supplied from the oxidant gas supply means to the cathode electrode. As a result of the reaction, a fuel cell in which single cells that generate power to be supplied to the load are stacked, a second load that is electrically connected to the fuel cell and consumes less power than the load, and the second Load connecting / disconnecting means for connecting / disconnecting the load, and before starting the fuel cell, before supplying electric power from the fuel cell to the load, the load connecting / disconnecting means electrically connects the second load to the fuel cell. Control means for supplying the fuel gas to the anode electrode by the fuel gas supply means after the connection, and then supplying the oxidant gas to the cathode electrode by the oxidant gas supply means; A purge valve provided in a fuel discharge path connected to an outlet of the anode side of the fuel cell and controlled to be opened and closed by the control means, and a fuel gas discharged from the fuel discharge path are internally diluted to the outside A diluting means for discharging, and when the fuel gas is supplied to the anode electrode by the fuel gas supply means, the control means opens the purge valve to oxidant gas in the anode electrode of the fuel cell. After the dilution means is purged and discharged, it is determined whether or not the amount of the fuel gas in the anode electrode exceeds a predetermined value while the purge valve remains open. After the determination, the purge valve is closed, and then the second load is disconnected by the load connecting / disconnecting means before the oxidant gas is supplied to the cathode electrode .
この請求項1に記載の発明によれば、制御手段は、燃料電池の起動の際、負荷断接手段によって第2の負荷を燃料電池に接続させ、その後燃料ガス供給手段によって燃料ガスをアノード極に供給させる。燃料ガス供給手段によって燃料ガスをアノード極に供給するときにパージ弁を開き、燃料電池のアノード極内に既に存在する酸化剤ガスを希釈手段にパージして排出している。従って、本発明では、システム起動前にアノード極に満たされていた酸化剤ガスがアノード極からパージされて希釈手段へ排出されるため、アノード極において酸化剤ガスと燃料ガスとが共存して同極発電による燃料電池の構成材料の劣化が防止される。また、この場合、アノード極に供給された燃料ガスとカソード極に既に存在する酸化剤ガスとが反応する。この結果として発生した電力は第2の負荷に供給されるので、燃料電池の単セルの高電圧化が防止される。また、第2の負荷を接続することにより、同極発電による燃料電池の構成材料の劣化が防止される。
According to the first aspect of the present invention, the control means connects the second load to the fuel cell by the load connecting / disconnecting means when starting the fuel cell, and then the fuel gas is supplied to the anode electrode by the fuel gas supply means. To supply. When the fuel gas is supplied to the anode electrode by the fuel gas supply means, the purge valve is opened, and the oxidant gas already present in the anode electrode of the fuel cell is purged to the dilution means and discharged. Therefore, in the present invention, the oxidant gas filled in the anode electrode before the system is started is purged from the anode electrode and discharged to the diluting means. Therefore, the oxidant gas and the fuel gas coexist in the anode electrode. Deterioration of the constituent materials of the fuel cell due to polar power generation is prevented. In this case, the fuel gas supplied to the anode electrode reacts with the oxidant gas already present at the cathode electrode. Since the electric power generated as a result is supplied to the second load, the high voltage of the single cell of the fuel cell is prevented. Further, by connecting the second load, deterioration of the constituent material of the fuel cell due to homopolar power generation is prevented.
ところで、酸化剤ガスを供給していない状況で第2の負荷が電力を消費すると、アノード極に供給している燃料ガスと反応すべきカソード極の酸化剤ガスは欠乏する。これにより反応が抑制され、アノード極の燃料ガスの消費が抑えられる。この結果、アノード極を燃料ガスで満たす時間を短縮することが可能となる。また、反応が抑制されることにより、単セルに大きな電流が流れることも抑制される。よって、燃料ガスが不足している単セル(全体として不足している単セル/部分的に不足している単セル)に大きな電流が流れることによる燃料電池の構成材料の腐食といった問題を抑制することができる。また、高電圧化も抑制される。
そして、制御手段は、前記パージ弁を開いたままの状態で当該アノード極内の燃料ガスの量が所定値以上になったか否かを判断し、所定値以上になったと判断した後、前記パージ弁を閉じ、その後、負荷断接手段によって前記第2の負荷を切断し、酸化剤ガス供給手段によって酸化剤ガスをカソード極に供給させる。
By the way, when the second load consumes electric power in a state where the oxidant gas is not supplied, the cathode oxidant gas to be reacted with the fuel gas supplied to the anode electrode is deficient. Thus the reaction is suppressed, suppression Erareru the consumption of fuel gas in the anode electrode. As a result, it is possible to shorten the time for filling the anode electrode with the fuel gas. Moreover, it is suppressed that a big electric current flows into a single cell by suppressing reaction. Therefore, the problem of corrosion of the constituent material of the fuel cell due to a large current flowing through the single cell (fuel cell that is insufficient as a whole / single cell that is partially insufficient) that is short of fuel gas is suppressed. be able to. Moreover, the increase in voltage is also suppressed.
Then, the control means determines whether or not the amount of the fuel gas in the anode electrode has become a predetermined value or more with the purge valve kept open , and after determining that the amount has exceeded the predetermined value, The valve is closed, and then the second load is disconnected by the load connecting / disconnecting means, and the oxidizing gas is supplied to the cathode electrode by the oxidizing gas supply means.
また、前記課題を解決する本発明のうち請求項2に記載の発明は、燃料ガス供給手段からアノード極に供給される燃料ガスと酸化剤ガス供給手段からカソード極に供給される酸化剤ガスとの反応により、負荷に供給する電力を発電する単セルが積層された燃料電池と、前記燃料電池に電気的に接続され、前記燃料電池から取り出す電力を制限する取出し電力制限手段と、前記燃料電池の起動に際して、前記取出し電力制限手段によって前記燃料電池から前記負荷に向けて取り出す電力を小さく制限しつつ、前記燃料ガス供給手段によって前記燃料ガスを前記アノード極に供給し、その後、前記酸化剤ガス供給手段によって前記酸化剤ガスを前記カソード極に供給させる制御手段と、前記燃料電池の前記アノード極側の出口に接続される燃料排出路に設けられ、前記制御手段によって開閉制御されるパージ弁と、前記燃料排出路から排出される燃料ガスを内部で希釈して外部に排出する希釈手段と、を備え、前記制御手段は、前記燃料ガス供給手段によって前記燃料ガスを前記アノード極に供給する際、前記パージ弁を開いて前記燃料電池の前記アノード極内の酸化剤ガスを前記希釈手段にパージして排出した後、前記パージ弁を開いたままの状態で当該アノード極内の前記燃料ガスの量が所定値以上になったか否かを判断し、所定値以上になったと判断した後、前記パージ弁を閉じ、その後、前記取出し電力制限手段による制限を解除又は緩和することを特徴とする。
Further, the invention according to claim 2 of the present invention for solving the above-mentioned problems is that the fuel gas supplied from the fuel gas supply means to the anode electrode, and the oxidant gas supplied from the oxidant gas supply means to the cathode electrode, A fuel cell in which unit cells for generating electric power to be supplied to a load are stacked by the reaction, an extraction power limiting means that is electrically connected to the fuel cell and limits the electric power extracted from the fuel cell, and the fuel cell At the time of start-up, the fuel gas is supplied to the anode electrode by the fuel gas supply means while the power taken out from the fuel cell toward the load is restricted to be small by the take-out power restriction means, and then the oxidant gas and control means for supplying the oxidant gas to the cathode electrode by the supply means, the fuel is connected to the anode side of the outlet of the fuel cell exhaust Provided the road, a purge valve which is opened and closed controlled by the control means, and a dilution means for discharging to the outside by diluting a fuel gas discharged from the fuel discharge passage inside, wherein, the When the fuel gas is supplied to the anode electrode by the fuel gas supply means, the purge valve is opened, the oxidant gas in the anode electrode of the fuel cell is purged and discharged to the dilution means, and then the purge valve In a state where the fuel gas amount in the anode electrode is kept at a predetermined value or more with the valve kept open, the purge valve is closed after the judgment is made that the fuel gas amount in the anode electrode has become a predetermined value or more. The restriction by the power restriction means is released or relaxed .
この請求項2に記載の発明では、請求項1が第2の負荷で行っていたことを、取出し電力制限手段により行う。この取出し電力制限手段は、燃料電池から取り出して負荷に与える電力が起動時に小さくなるように制御される。 In the second aspect of the present invention, what is performed by the second load in the first aspect is performed by the extraction power limiting means. The take-out power limiting means is controlled so that the power taken out from the fuel cell and applied to the load is reduced at the time of startup.
請求項3に記載の発明は、前記制御手段における、アノード極内の燃料ガスの量が所定値以上になったか否かの判断は、アノード極内の燃料ガス濃度と、タイマで計測される燃料ガスの供給時間とのマップに基づいて行われることを特徴とする。
According to a third aspect of the present invention, in the control means, whether or not the amount of the fuel gas in the anode electrode exceeds a predetermined value is determined by determining the fuel gas concentration in the anode electrode and the fuel measured by a timer. It performed based on a map of the supply time of the gas, characterized in Rukoto.
この請求項3に記載の発明によれば、アノード極内の燃料ガスの量(濃度・圧力)が所定値以上になったか否かの判断は、アノード極内の燃料ガス濃度と、タイマで計測される燃料ガスの供給時間とのマップに基づいて求められるので、アノード極内が燃料ガスで満たされたか否かを正確に知ることができる。また、酸化剤ガスを燃料電池へ供給する前に、第2の負荷を切断するので、カソード極内に供給した酸化剤ガスとアノード極内に供給した燃料ガスとが反応することで生ずる大きな電流が第2の負荷に流れるのを防止できる。そのため、第2の負荷に設ける抵抗を小型にすることができる。なお、前記したように燃料電池に燃料ガスを供給する際は、第2の負荷には小さな電流しか流れないので、この小さな電流に対応する程度の大きさの抵抗を設ければよいことになり、その分コストを下げることができる。さらに、アノード極内が燃料ガスで満たされたか否かを正確に知ることができるので、燃料電池が制限なしに電力を負荷に供給できる時期や、制限を緩和して電力を負荷に供給できるタイミングを、客観的に、かつ再現性よく決定することができる。
According to the third aspect of the present invention, whether or not the amount (concentration / pressure) of the fuel gas in the anode electrode has exceeded a predetermined value is determined by the fuel gas concentration in the anode electrode and a timer. since determined based on a map of the supply time of the fuel gas, it is possible to know whether the anode is filled with the fuel gas accurately. In addition, since the second load is disconnected before supplying the oxidant gas to the fuel cell, a large current is generated by the reaction between the oxidant gas supplied into the cathode electrode and the fuel gas supplied into the anode electrode. Can be prevented from flowing to the second load. Therefore, the resistance provided in the second load can be reduced. As described above, when supplying the fuel gas to the fuel cell, only a small current flows through the second load. Therefore, it is sufficient to provide a resistor having a magnitude corresponding to the small current. The cost can be reduced accordingly. In addition, since it is possible to accurately know whether the anode electrode is filled with fuel gas, when the fuel cell can supply power to the load without restrictions, or when the power can be supplied to the loads with relaxed restrictions Can be determined objectively and with good reproducibility.
請求項4に記載の発明は、燃料ガス供給手段からアノード極に供給される燃料ガスと酸化剤ガス供給手段からカソード極に供給される酸化剤ガスとの反応により、負荷に供給する電力を発電する単セルが積層された燃料電池と、前記燃料電池に電気的に接続され、前記負荷よりも消費電力が小さな第2の負荷と、前記第2の負荷の断接を行う負荷断接手段と、前記燃料電池の前記アノード極側の出口に接続される燃料排出路に設けられ、前記燃料排出路を開閉するパージ弁と、前記燃料排出路から排出される燃料ガスを内部で希釈して外部に排出する希釈手段と、を備えた燃料電池システムの起動方法であって、前記燃料電池システムの起動を制御する制御手段が、前記燃料電池の起動に際して、前記燃料電池から前記負荷に電力を供給する前に、前記負荷断接手段によって前記第2の負荷を前記燃料電池に接続する接続工程と、前記燃料ガス供給手段から前記燃料ガスを前記アノード極に供給するとともに、前記パージ弁を開いて前記燃料電池の前記アノード極内の酸化剤ガスを前記希釈手段にパージして排出する工程と、前記パージ弁を開いたままの状態で当該アノード極内の前記燃料ガスの量が所定値以上になったか否かを判断する工程と、当該アノード極内の前記燃料ガスの量が所定値以上になったと判断した後、前記パージ弁を閉じ、その後、前記負荷断接手段によって前記第2の負荷を、前記酸化剤ガスの前記カソード極への供給前に切断する工程と、前記酸化剤ガス供給手段から前記酸化剤ガスを前記カソード極に供給する酸化剤ガス供給工程と、を実行することを特徴とする。
According to a fourth aspect of the present invention, the power supplied to the load is generated by the reaction between the fuel gas supplied from the fuel gas supply means to the anode electrode and the oxidant gas supplied from the oxidant gas supply means to the cathode electrode. A fuel cell in which single cells are stacked, a second load that is electrically connected to the fuel cell and that consumes less power than the load, and a load connection / disconnection means for connecting / disconnecting the second load A purge valve that is provided in a fuel discharge path connected to an outlet on the anode side of the fuel cell, opens and closes the fuel discharge path, and internally dilutes fuel gas discharged from the fuel discharge path. And a diluting means for discharging the fuel cell system, wherein the control means for controlling the start of the fuel cell system supplies power from the fuel cell to the load when the fuel cell is activated. Do To the load and connecting step of connecting the second load to the fuel cell by disengaging means, together with supplying the fuel gas to the anode from the fuel gas supply means, said fuel opening the purge valve Purging and discharging the oxidant gas in the anode electrode of the battery to the diluting means, and whether the amount of the fuel gas in the anode electrode has reached a predetermined value or more with the purge valve open Determining whether or not, and after determining that the amount of the fuel gas in the anode electrode has reached a predetermined value or more, the purge valve is closed, and then the second load is connected by the load connecting / disconnecting means. and cutting prior to supply to the cathode of the oxidant gas, to run and a oxidant gas supply step of supplying the oxygen-containing gas to the cathode from the oxidant gas supply means And butterflies.
この請求項4に記載の発明によれば、燃料電池を起動させると、接続工程において第2の負荷が燃料電池に接続され、その後、燃料ガスをアノード極に供給すると共に、パージ弁を開いてアノード極内の酸化剤ガスをパージして排出し、前記パージ弁を開いたままの状態でアノード極内の燃料ガスの量が所定値以上になったか否かを判断する。この際、アノード極に供給された燃料ガスとカソード極に既に存在する酸化剤ガスとが反応する。しかし、この反応は、カソード極に酸化剤ガスが供給されていないことから限定的なものになり、高電圧化や燃料ガスの消費が抑制される。そして、アノード極内に供給された燃料ガスの量が所定値以上になったと判断したときに前記パージ弁を閉じ、負荷断接手段によって第2の負荷を切断した後、酸化剤ガスをカソード極に供給する。
According to the fourth aspect of the present invention, when the fuel cell is started, the second load is connected to the fuel cell in the connection step, and then the fuel gas is supplied to the anode electrode and the purge valve is opened. The oxidant gas in the anode electrode is purged and discharged, and it is determined whether or not the amount of the fuel gas in the anode electrode exceeds a predetermined value with the purge valve kept open. At this time, the fuel gas supplied to the anode electrode reacts with the oxidant gas already present at the cathode electrode. However, this reaction is limited because no oxidant gas is supplied to the cathode electrode, and high voltage and fuel gas consumption are suppressed. When it is determined that the amount of fuel gas supplied into the anode electrode has reached a predetermined value or more, the purge valve is closed and the second load is disconnected by the load connecting / disconnecting means, and then the oxidant gas is supplied to the cathode electrode. To supply.
請求項1、2、4に記載の発明によれば、燃料電池の起動を良好に行うことができる。
According to the first, second, and fourth aspects of the invention, the fuel cell can be favorably started.
請求項3に記載の発明によれば、酸化剤ガスを燃料電池へ供給することで燃料電池から大きな起電力が発生する前に、第2の負荷を切断するので、第2の負荷に設ける抵抗を小型にすることができ、その分コストを下げることができる。 According to the third aspect of the present invention, the second load is disconnected before the large electromotive force is generated from the fuel cell by supplying the oxidant gas to the fuel cell. Can be reduced in size, and the cost can be reduced accordingly.
請求項4に記載の発明によれば、電力制限の解除又は緩和のタイミング(発電タイミング)を燃料検知手段により適切に決定することができる。 According to the fourth aspect of the present invention, the timing for canceling or relaxing the power limit (power generation timing) can be appropriately determined by the fuel detection means.
[システム構成]
次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。参照する図面において、図1は本実施形態に係る燃料電池システムを示す構成図である。
[System configuration]
Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings as appropriate. In the drawings to be referred to, FIG. 1 is a configuration diagram showing a fuel cell system according to the present embodiment.
図1に示すように、燃料電池システム1は、高圧水素タンク(燃料ガス供給手段)11、コンプレッサ(酸化剤ガス供給手段)12、燃料電池13、遮断弁14、切替弁15、パージ弁16および制御部(制御手段)17を主に備えている。さらに、この燃料電池システム1には、燃料電池13で発電された電力をモータ等の負荷31に供給するための主回路30と、燃料電池13の起動時に利用される補助外部回路40と、燃料電池13内での反応に寄与しなかった水素ガスを希釈して外部に排出するための希釈ボックス50とが設けられている。なお、本実施形態では、高圧水素タンク11とコンプレッサ12も燃料電池システム1の構成要素に含めることとして説明する。
As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 includes a high-pressure hydrogen tank (fuel gas supply means) 11, a compressor (oxidant gas supply means) 12, a
高圧水素タンク11内には、数十MPaの高圧の水素ガス(燃料ガス)が貯蔵されており、この水素ガスは遮断弁14が開かれることで燃料電池13のアノード極(燃料極)へ供給されるようになっている。なお、この高圧水素タンク11と燃料電池13との間には、水素ガスの通り道となる管状の燃料ガス供給路21が設けられており、この燃料ガス供給路21には、高圧水素タンク11側から燃料電池13側に向けて順に、遮断弁14、エゼクタ21A、圧力センサ21Bが設けられている。この圧力センサ21Bは、燃料電池13の上流側(アノード極の入口)ではなく、下流側(アノード極の出口)に設けてもよい。
In the high-
なお、エゼクタ21Aは、高圧水素タンク11から送られてくる水素ガスと燃料電池13のアノード極側の排出口から循環流路RP(図示せぬ循環ポンプ等を含む)を介して戻ってくる水素ガスとを混合させて燃料電池13に再供給して水素ガスを循環させるものである。また、圧力センサ21Bは、常時燃料ガス供給路21内の圧力(燃料電池13のアノード極内の圧力)を検出しており、その圧力値を示す信号を制御部17に出力している。ここで、圧力センサ21Bは、アノード極内(アノード極入口)の圧力を検出するものであるが、圧力と水素ガスの量とは比例の関係にあるので、間接的に水素ガスの量の検出に寄与することとなる。
The
コンプレッサ12は、空気(酸化剤ガス)を圧縮して燃料電池13のカソード極(空気極)に供給するものである。そして、コンプレッサ12と燃料電池13との間には、空気の通り道となる管状の空気供給路22が設けられている。
The
燃料電池13は、図示せぬ高分子電解質膜、カソード極、アノード極およびセパレータ等によって構成される単セル13aが複数積層(例えば数百枚積層)されて構成されており、高圧水素タンク11から供給される水素ガスと、コンプレッサ12から供給される空気中の酸素とを各単セル13aにおいて電気化学反応させることにより発電するものである。具体的には、この燃料電池13においては、高圧水素タンク11やコンプレッサ12から送られてくる水素ガスや空気が、燃料電池13の入口側に位置する単セル13aから出口側に位置する単セル13aへと順に送られるようになっている。
The
また、燃料電池13には、負荷31が主回路30を介して接続されており、この負荷31を制御部17でON・OFF(駆動・停止)することにより、燃料電池13が稼動・停止されるように(燃料電池13からの電流の取り出し・取り出しの停止がされるように)なっている。ちなみに、燃料電池システム1は、負荷31で消費される消費電力に見合う電力を燃料電池13から取り出せるように(発電できるように)、消費電力に応じた量の空気、つまり消費電力が多い場合は多い量の空気を、消費電力が少ない場合は少ない量の空気を、コンプレッサ12から燃料電池13に供給しているものとする。また、水素は、燃料電池13による水素の消費量が多くなるとそれに付随して多く供給されるように構成されているものとする。なお、燃料電池13の性質上、燃料電池13に豊富な空気および水素が供給されていても、負荷31が電力を消費しなければ燃料電池13は発電しない(酸素も水素も消費しない)。
Further, a
次に、本実施形態では、燃料電池13には、前記した主回路30の他に、補助外部回路40が接続されている。ここで、この補助外部回路40は、主に、負荷31よりも消費電力の小さな抵抗(第2の負荷)41とスイッチ(負荷断接手段)42とを有する回路である。そして、スイッチ42を制御部17によってON・OFFすることによって、燃料電池13と補助外部回路40とが電気的に接続・切断(断接)されるようになっている。
Next, in this embodiment, in addition to the
遮断弁14は、制御部17によって適宜開閉されることによって、高圧水素タンク11から燃料電池13への水素ガスの供給・停止を切り替えている。
The shut-off
切替弁15は、制御部17によって適宜開閉される弁であり、燃料ガス供給路21における遮断弁14の下流側部分と空気供給路22とに跨るように接続される掃気用流路23に設けられている。そして、この切替弁15が閉じられた状態では、コンプレッサ12からの空気は空気供給路22を介して燃料電池13のカソード極側のみに供給され、切替弁15が開かれた状態では、コンプレッサ12からの空気は、燃料電池13のカソード極側に供給される他、掃気用流路23および燃料ガス供給路21を介して燃料電池13のアノード極側にも供給されるようになっている。
The switching
パージ弁16は、制御部17によって適宜開閉される弁であり、燃料電池13のアノード極側の出口に接続される燃料ガス排出路24に設けられている。そして、このパージ弁16と前記した切替弁15をともに開くことによって、アノード極側の掃気が行われるようになっている。
The
希釈ボックス(希釈手段)50は、前記した燃料ガス排出路24から排出されてくる水素ガスと、燃料電池13のカソード極側の出口に接続される空気排出路25から排出されてくる空気とを、その内部で混合させることにより、水素ガスを希釈して外部へ排出するための装置である。
The dilution box (dilution means) 50 combines the hydrogen gas discharged from the fuel
制御部17は、CPU、メモリ(ROM・RAM)、入出力インタフェイス、各種電子回路等を含んで構成され、コンプレッサ12の駆動・停止またはその回転速度を変更させる機能や、遮断弁14、切替弁15およびパージ弁16を開閉させる機能や、スイッチ42および負荷31をON・OFFさせる機能を主に有しており、燃料電池システム1の起動時または停止時等においてこれらの各機器を適宜制御している。システムの起動時における制御部17の機能を簡単に説明すると、制御部17は、図示しないイグニッションスイッチのON(IG−ON)により前記した各種機能を準備する。準備後は、最初にスイッチ42をONにするとともに遮断弁14を開き、アノード極に水素の供給を行い、水素の濃度が所定値以上になるとスイッチ42をOFFにし、その後コンプレッサ12を駆動させてカソード極に空気を供給する機能を有している。具体的には、システムの起動時において、制御部17は図2に示すフローチャートに基づいて動作している。
The
[起動時の動作]
以下に、システムの起動時における制御部17の動作について、図2に示すフローチャートや図1を参照して説明する。参照する図面において、図2はシステムの起動時における制御部の動作を示すフローチャートであり、図3はパージ時間から水素濃度を導出するために利用するマップである。
[Startup behavior]
The operation of the
制御部17は、例えば運転者がイグニッションスイッチ(図示せず)をONにすることによって各種機能を準備する(ステップS1)。具体的には、制御部17のROMに書き込まれているプログラムやマップ等をCPUに読み込み、前記した各機能を準備する。なお、この段階では、主回路30は燃料電池13には電気的に接続されていない。ステップS1により各機能を準備すると、次に、制御部17は、スイッチ42をONにし、補助外部回路40を燃料電池13に電気的に接続させる(ステップS2)。ステップS2の後、制御部17は、遮断弁14を開き、これによって高圧水素タンク11から燃料電池13のアノード極へ水素ガスを供給させる(ステップS3)。併せて、制御部17は、パージ弁16を開き、燃料電池13のアノード極内の空気を希釈ボックス50にパージして排出する(ステップS4)。これにより、起動前にアノード極に満たされていた空気(或いは不活性ガス)がアノード極から排出され水素濃度が上昇する(アノード極に水素が行き渡って満たされていく)。
The
ステップ4でパージを行いつつ、制御部17は、図示しないタイマで水素の供給時間を計測しており、この供給時間と図3に示すマップとに基づいて、燃料電池13におけるアノード極内の水素ガスの量(濃度)が所定値以上になったか否かを判断する(ステップS5)。つまり、ステップS5では、各単セル13aが水素で満たされたか否かを判断する。なお、水素で満たされたか否かの判断値である所定値は、燃料電池13の寿命を短縮化させない等の観点に基づき、実験等により予め定められている。このステップS5において、制御部17は、水素ガスの濃度が所定値未満であると判断すると(No)、再度ステップS5の処理を繰り返す。そして、水素ガスの濃度が所定値以上になったと判断すると(Yes)、制御部17はパージ弁16を閉じる。なお、供給時間からアノード極内の水素の量を決定する図3のマップは、実験等の結果に基づいて予め作成されるものであり、制御部17内の図示しないメモリに予め記憶されている。ここで、タイマと図3のマップとが燃料ガスの量を検知する燃料検知手段に相当する。ちなみに、図2のフローチャートのステップS3とステップS4は順序が逆でもよい。また、ステップS4〜ステップS6は、「水素濃度が所定値以上となる所定時間だけパージ弁を開く」というものでもよい。この場合における所定時間は、燃料電池13の内部にあるガス流路の体積や供給されるガスの流量等により計算することができるし、予め実験により定めることもできる。
While purging in step 4, the
ところで、ステップS3で水素がアノード極に供給されると、この水素は、カソード極に既に存在する空気との間で電気化学反応を起こし、電圧を生じる。しかし、ステップS2で燃料電池13には電気的に補助外部回路40が接続されているので、この補助外部回路40に電流が流れ、単セル13aの電圧が高くなることが抑制される。また、ステップS3で水素がアノード極に供給されると、アノード極に水素と酸素とが双方とも濃い状態で存在することとなり、同極発電による燃料電池13の構成材料の劣化が心配される。しかし、ステップS2で燃料電池13には電気的に補助外部回路40が接続されているので、同極発電によるアノード極の劣化は防止される。つまり、補助外部回路40により、セパレータや膜電極構造体等の腐食が防止される。
By the way, when hydrogen is supplied to the anode electrode in step S3, this hydrogen causes an electrochemical reaction with the air already existing in the cathode electrode, thereby generating a voltage. However, since the auxiliary
ちなみに、補助外部回路40が接続されていると燃料電池13は発電を継続するが、ステップS4とステップS5が実行されている段階では、カソード極にコンプレッサ12から空気が供給されていない。このため、カソード極は直ぐに酸素不足の状況となり、電気化学反応は抑制される(収束する)。これにより、水素の消費が抑制され、アノード極を水素で満たすまでにかかる時間を短縮することが可能となる。また、反応が抑制されることで、電圧の上昇も抑制され、さらに、補助外部回路40に流れる電流も抑制される。
Incidentally, although the
なお、燃料電池13の電圧と補助外部回路40を流れる電流について説明すると、アノード極が水素で満たされていくと、燃料電池13の電圧は上昇する方向に向かうと共に、補助外部回路40に流れる電流も上昇する方向に向かう。一方、カソード極の酸素が消費されていくと、燃料電池13の電圧は低下する方向に向かうと共に、補助外部回路40に流れる電流も低下する方向に向かう。このため、本実施形態のステップS3〜ステップS5では、全体として電圧・電流とも上昇が抑制される。
The voltage of the
この結果、触媒が高電圧に長時間放置されることによって触媒の活性が低下したり、燃料電池13に水素が不足する状況で強制的に大きな電流が流れることにより、燃料電池13の構造体が腐食したりするといった問題を抑制することができる。しかも、供給された水素は消費が抑制されるので、迅速にアノード極に水素を供給することができる。
As a result, when the catalyst is left at a high voltage for a long time, the activity of the catalyst is reduced, or a large current is forced to flow in a situation where hydrogen is insufficient in the
ステップS5において、水素濃度が所定値以上になると、制御部17は、パージ弁16を閉じ(ステップS6)、その後、スイッチ42をOFFにして補助外部回路40を燃料電池13から電気的に切断させる(ステップS7)。
In step S5, when the hydrogen concentration becomes a predetermined value or more, the
ステップS7の後、制御部17は、コンプレッサ12を駆動させて空気を燃料電池13に供給する(ステップS8)。そして、二つの回路30,40がともに接続されていない状態の燃料電池13の開放セル電圧(OCV;Open Circuit Voltage)が所定値以上になったか否かを判断する(ステップS9)。つまり、ステップS9では、空気が各単セル13aに行き渡ったか否か(空気で満たされたか否か)を判断する。そして、このステップS9において、制御部17は、開放セル電圧が所定値未満であると判断すると(No)、再度ステップS9の処理を繰り返し、開放セル電圧が所定値以上になったと判断すると(Yes)、負荷31をONにすることで発電を開始させる。なお、開放セル電圧は、図示せぬ電圧計等によって検出されている。これによれば、燃料電池13の発電のタイミングを適切に決定することができる。
After step S7, the
ところで、前記したとおり、アノード極が燃料不足の状態で大きな電流が燃料電池13に流れるとカーボンの腐食等の問題が生じる。しかし、カソード極が酸化剤ガス不足(酸素不足)の状態で大きな電流が流れても、燃料電池13の構成部材には酸素に代わる酸化剤がないことから、カソード極が酸素不足になることによる燃料電池13の構成部材の腐食反応(還元反応)は生じない。よって、本実施形態の場合、喩え各単セル13aが新鮮な空気(コンプレッサ12で供給された空気)で満たされる前に、或いは単セル13a内が新鮮な空気で満たされる前に大きな電流が流れたとしても、アノード極が水素で満たされている状態では、カーボンの腐食やその他の燃料電池13の構成部材の腐食は発生しづらいものと考えられる。この点を考慮すると、各単セル13aが水素で満たされたところで、カソード極に空気の供給を開始すると共に、主回路30を燃料電池13に電気的に接続して、負荷31に電力を供給するようにしてもよい。
By the way, as described above, when a large current flows through the
[停止時の動作]
続いて、システムの停止時における制御部17の動作について、図4に示すフローチャートや図1を参照して説明する。なお、停止時における制御部17の動作は、本発明とは間接的に関係があるだけなので、あくまでも一例として簡単に説明することとする。参照する図面において、図4は燃料電池システムの停止時における制御部の動作を示すフローチャートである。
[Operation when stopped]
Next, the operation of the
制御部17は、システムの停止要求を入力すると(ステップS11:Yes)、遮断弁14を閉じ(遮断弁OFF、ステップS12)、燃料電池13のアノード極内の掃気を行うか否かを判断する(ステップS13)。なお、掃気を行うか否かの判断は、例えば図示しない温度センサで検出する外気温が所定値以下であるか否か(燃料電池システム1の流路内に残存する水が凍る可能性があるか否か)を判断することにより行うことができる。また、ネットワークを通じて外部から気象予報データを取得して、このデータに基づいて掃気を行うか否かの判断を行うことができる。
When the
制御部17は、ステップS13においてアノード掃気を行わないと判断すると(No)、アノード極内の圧力PH(図示しない圧力センサでアノード極の出口の圧力検出)が所定値P1になるまで燃料電池13による発電を続行させ(ステップS14)水素を消費し、圧力が所定値P1になったら負荷31をOFFにすることで(ステップS15)、燃料電池13による発電を停止させる。なお、この間発電した電力を負荷31で消費するのではなく、図示いない蓄電手段に蓄電することができる。ステップS15の後において、制御部17は、所定時間T1が経過したと判断すると(ステップS16:Yes)、コンプレッサ12によるカソード側の掃気が完了したと判断して、パージ弁16を開く(パージ弁ON、ステップS17)。これにより、アノード極内の水素ガスの残圧(所定値P1)によってアノード極内のガスが希釈ボックス50に排出される。
If the
一方、前記したステップS13において、制御部17は、気温が低い等により、アノード極内の掃気を行うと判断すると(Yes)、アノード極内の圧力PHが前記所定値P1よりも低い圧力となる所定値P2になるまで燃料電池13による発電を続行させ(ステップS18)、所定値P2になったら負荷31をOFFにすることで(ステップS19)、燃料電池13による発電を停止させる。ステップS19の後、制御部17は、切替弁15およびパージ弁16をともに開らくことで(切替弁・パージ弁ON、ステップS20)、コンプレッサ12からの空気をアノード極およびカソード極の両方に供給させる。これにより、これらの系内がともに掃気されることとなる。
On the other hand, when the
ステップS20の後において、制御部17は、所定時間T2が経過したと判断すると(ステップS21:Yes)、アノード極およびカソード極の掃気が完了したと判断して、切替弁15を閉じる(切替弁OFF、ステップS22)。これにより、コンプレッサ12からアノード極への空気の供給が止められることとなる。
After step S20, when the
そして、ステップS22の後や、前記したステップS17の後、制御部17は、アノード極の圧力PHが前記した所定値P1,P2より低く大気圧より高い値となる所定値P3以下であるか否かを判断する(ステップS23)。ステップS23において、圧力PHが所定値P3以下であると判断されると(Yes)、制御部17はパージ弁16を閉じた後(パージ弁OFF、ステップS24)、コンプレッサ12による空気の供給を停止させ(エア供給OFF、ステップS25)、このフローチャートによる動作を終了させる。
After step S22 or after step S17, the
以上によれば、本実施形態において、燃料電池システム1(燃料電池13)の起動を次のように良好に行うことができる。
燃料電池13の起動時において、補助外部回路40を燃料電池13に接続した後、水素ガスを燃料電池13に供給することによって、水素ガスとカソード極側の空気中の酸素との反応を抑えることができるので、アノード極を水素ガスで満たすまでにかかる時間を短縮させることができる。
水素を供給した後、空気を燃料電池13へ供給すると、燃料電池13から大きな起電力が発生するが、本実施形態では、空気を燃料電池13へ供給する前に補助外部回路40を燃料電池13から電気的に切断するので、補助外部回路40に設ける抵抗41を小型にすることができ、その分コストを下げることができる。
また、水素濃度を検出することで、起動時における燃料電池13の発電タイミング(補助外部回路40を切断するタイミングや後記する電流の制限を解除又は緩和するタイミング)をより適切に決定することができる。
According to the above, in the present embodiment, the fuel cell system 1 (fuel cell 13) can be favorably started as follows.
When the
When air is supplied to the
Further, by detecting the hydrogen concentration, it is possible to more appropriately determine the power generation timing of the
また、燃料電池13による発電開始前に補助外部回路40を切断することで、開放セル電圧をチェックすることが可能となるので、これにより、燃料電池13の発電のタイミング(負荷31への電力の供給のタイミング)を適切に決定することができる。また、開放セル電圧をチェックすることで、クロスリーク(水素や空気が薄い高分子電解質膜を透過して相互に行き来すること)の発生等、高分子電解質膜の劣化やその他の理由によるリークを確認することができる。
また、本発明では、空気を供給しない状態で先に水素を燃料電池13に供給することから、本質的に燃料不足になりづらく、かつ本質的に高電圧になりづらい構成をしているといえる。このため、燃料電池13の起動を良好に行うことができる。また、本質的に燃料不足になりづらく、かつ本質的に高電圧になりづらい構成をしていることから、補助外部回路40を切断するタイミングを早くすることもできる。
In addition, by disconnecting the auxiliary
Further, in the present invention, since hydrogen is supplied to the
なお、本発明は、前記した実施形態に限定されることなく、様々な形態で実施される。
例えば、前記した実施形態では、アノード極内の水素濃度を知るために、換言すると、アノード極が水素で満たされたかどうかを知るために(ステップS7/ステップS8の開始タイミングを知るために)、タイマと図3のマップとを用いたが、圧力センサ21Bとマップとにより、水素濃度(水素の量)を検出するようにしてもよい。圧力により水素濃度を検出できるのは、燃料電池13のアノード極の圧力と水素の量とは関連性があるからである。また、図2のステップS4でパージ弁14を所定時間開いてパージを行い、パージ弁14を閉じてパージを終了した後、圧力センサ21Bによりアノード極の圧力の上昇を検知し、水素濃度を検出するようにしてもよい。また、間接的に水素の量(濃度)を検出するのではなく、水素濃度センサにより水素の量(濃度)を直接的に検出するようにしてもよい。また、マップは、関数やテーブルに置き換えることもできる。
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be implemented in various forms.
For example, in the above-described embodiment, in order to know the hydrogen concentration in the anode electrode, in other words, to know whether the anode electrode is filled with hydrogen (in order to know the start timing of step S7 / step S8), Although the timer and the map of FIG. 3 are used, the hydrogen concentration (amount of hydrogen) may be detected by the
また、本実施形態では、アノード極が掃気してあって、アノード極が空気で満たされている状態から燃料電池13を起動することを説明したが、アノード極が掃気されていない場合に本発明を適用してもよい。すなわち、前記した図4のフローチャートのステップS13でアノード掃気を行わない場合について、本発明を適用してもよい。この場合でも、アノード極が所定の圧力に上昇するまでの間、空気を供給しないことから水素の消費を抑制でき、迅速にアノード極の圧力上昇を図ることができる。
Further, in the present embodiment, it has been described that the
また、第2の負荷としての抵抗41は、単純な抵抗ではなく、照明のランプといったように熱以外のもの(光・振動・回転力)を発生させるようなものでもよい。また、第2の負荷が起動時に燃料電池13が発電した電力を蓄える蓄電手段のようなものでもよい。
Further, the
また、図1に示したような補助外部回路40を備えた構成の代わりに(或いは併せて)、図5に示すように、主回路30に燃料電池13から取り出す電力(電流)を制限する取出し電流制限手段(取り出し電力制限手段)32を備えた構成にし、起動時に、この取出し電流制限手段32により負荷31に供給する電流を小さく制限する構成としてもよい。この場合、図2のステップS2の「補助外部回路接続」は、「取出し電流制限手段により燃料電池から取り出す電力を小さく制限」というように読み替えるとよい。また、ステップS7の「補助外部回路切断」は、「取出し電流制限手段による制限を解除(緩和)」というように読み替えるとよい。ちなみに、制限して取り出した電流は、キャパシタとか二次電池のような蓄電手段等に蓄えたりする構成としたり、負荷31を構成する各種電力消費機器のうち、消費電力の小さな機器で消費する構成としたりすることができる。ここで、取出し電流(電力)の制限量は、起動時における単セル13aの高電圧化の防止、水素をアノード極に満たす際における水素の消費を低く押さえる等の点を考慮しつつ設定される。
なお、図5は、常に取出し電流制限手段32を介して燃料電池13から電流を取り出して負荷31に供給する構成を示しているが、スイッチによる切換え等により、起動時にだけ取出し電流制限手段32を負荷31と燃料電池13との間に介在させるようにしてもよい。
Further, in place of (or in combination with) the configuration including the auxiliary
FIG. 5 shows a configuration in which current is always taken out from the
また、図4のフローチャートについて、アノード掃気を行う場合に、ステップS19の後に補助外部回路40を燃料電池13に電気的に接続するようにして、アノード掃気の際の同極発電による問題を防止するようにしてもよい。なお、接続した補助外部回路40の切断は、例えばアノード極が空気により置換された後に行うようにするとよい(例えばステップS21の後)。もちろん、図5に示した取出し電流制限手段32を備えた構成の場合も、補助外部回路40を備えた構成の場合と同様に、取出し電流制限手段32によりアノード掃気時の同極発電による問題を防止することができる。
Further, in the flowchart of FIG. 4, when anode scavenging is performed, the auxiliary
1 燃料電池システム
11 高圧水素タンク
12 コンプレッサ
13 燃料電池
13a セル
14 遮断弁
15 切替弁
16 パージ弁
17 制御部
21B 圧力センサ
30 主回路
31 負荷
32 取出し電流制限手段(取出し電力制限手段)
40 補助外部回路
41 抵抗(第2の負荷)
42 スイッチ
50 希釈ボックス
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
40 Auxiliary
42
Claims (4)
前記燃料電池に電気的に接続され、前記負荷よりも消費電力が小さな第2の負荷と、
前記第2の負荷の断接を行う負荷断接手段と、
前記燃料電池の起動に際して、前記燃料電池から前記負荷に電力を供給する前に、前記負荷断接手段によって前記第2の負荷を前記燃料電池に電気的に接続してから前記燃料ガス供給手段によって前記燃料ガスを前記アノード極に供給し、その後、前記酸化剤ガス供給手段によって前記酸化剤ガスを前記カソード極に供給させる制御手段と、
前記燃料電池の前記アノード極側の出口に接続される燃料排出路に設けられ、前記制御手段によって開閉制御されるパージ弁と、
前記燃料排出路から排出される燃料ガスを内部で希釈して外部に排出する希釈手段と、
を備え、
前記制御手段は、
前記燃料ガス供給手段によって前記燃料ガスを前記アノード極に供給する際、前記パージ弁を開いて前記燃料電池の前記アノード極内の酸化剤ガスを前記希釈手段にパージして排出した後、前記パージ弁を開いたままの状態で当該アノード極内の前記燃料ガスの量が所定値以上になったか否かを判断し、所定値以上になったと判断した後、前記パージ弁を閉じ、その後、前記負荷断接手段によって前記第2の負荷を、前記酸化剤ガスの前記カソード極への供給前に切断することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell in which single cells for generating electric power to be supplied to a load are stacked by a reaction between a fuel gas supplied from the fuel gas supply means to the anode electrode and an oxidant gas supplied from the oxidant gas supply means to the cathode electrode When,
A second load electrically connected to the fuel cell and consuming less power than the load;
Load connecting / disconnecting means for connecting / disconnecting the second load;
When starting the fuel cell, before supplying electric power from the fuel cell to the load, the fuel cell supplying unit connects the second load electrically to the fuel cell by the load connecting / disconnecting unit. Control means for supplying the fuel gas to the anode electrode and then supplying the oxidant gas to the cathode electrode by the oxidant gas supply means;
A purge valve provided in a fuel discharge path connected to an outlet on the anode electrode side of the fuel cell and controlled to be opened and closed by the control means;
Dilution means for diluting the fuel gas discharged from the fuel discharge passage inside and discharging it outside,
Equipped with a,
The control means includes
When supplying the fuel gas to the anode electrode by the fuel gas supply means, the purge valve is opened, and the oxidant gas in the anode electrode of the fuel cell is purged and discharged to the dilution means, and then the purge is performed. It is determined whether or not the amount of the fuel gas in the anode electrode has reached a predetermined value or more with the valve kept open.After determining that the amount has exceeded the predetermined value, the purge valve is closed, and then the The fuel cell system , wherein the second load is disconnected by a load connecting / disconnecting means before the oxidant gas is supplied to the cathode electrode .
前記燃料電池に電気的に接続され、前記燃料電池から取り出す電力を制限する取出し電力制限手段と、
前記燃料電池の起動に際して、前記取出し電力制限手段によって前記燃料電池から前記負荷に向けて取り出す電力を小さく制限しつつ、前記燃料ガス供給手段によって前記燃料ガスを前記アノード極に供給し、その後、前記酸化剤ガス供給手段によって前記酸化剤ガスを前記カソード極に供給させる制御手段と、
前記燃料電池の前記アノード極側の出口に接続される燃料排出路に設けられ、前記制御手段によって開閉制御されるパージ弁と、
前記燃料排出路から排出される燃料ガスを内部で希釈して外部に排出する希釈手段と、
を備え、
前記制御手段は、
前記燃料ガス供給手段によって前記燃料ガスを前記アノード極に供給する際、前記パージ弁を開いて前記燃料電池の前記アノード極内の酸化剤ガスを前記希釈手段にパージして排出した後、前記パージ弁を開いたままの状態で当該アノード極内の前記燃料ガスの量が所定値以上になったか否かを判断し、所定値以上になったと判断した後、前記パージ弁を閉じ、その後、前記取出し電力制限手段による制限を解除又は緩和することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell in which single cells for generating electric power to be supplied to a load are stacked by a reaction between a fuel gas supplied from the fuel gas supply means to the anode electrode and an oxidant gas supplied from the oxidant gas supply means to the cathode electrode When,
Extracted power limiting means that is electrically connected to the fuel cell and limits the power extracted from the fuel cell;
When the fuel cell is started, the fuel gas is supplied to the anode electrode by the fuel gas supply unit while the power extracted from the fuel cell toward the load is limited to be small by the extraction power limiting unit, and then the fuel cell is supplied. Control means for supplying the oxidant gas to the cathode electrode by an oxidant gas supply means ;
A purge valve provided in a fuel discharge path connected to an outlet on the anode electrode side of the fuel cell and controlled to be opened and closed by the control means;
Dilution means for diluting the fuel gas discharged from the fuel discharge passage inside and discharging it outside,
Equipped with a,
The control means includes
When supplying the fuel gas to the anode electrode by the fuel gas supply means, the purge valve is opened, and the oxidant gas in the anode electrode of the fuel cell is purged and discharged to the dilution means, and then the purge is performed. It is determined whether or not the amount of the fuel gas in the anode electrode has reached a predetermined value or more with the valve kept open.After determining that the amount has exceeded the predetermined value, the purge valve is closed, and then the A fuel cell system, wherein the restriction by the extracted power restriction means is released or relaxed .
前記制御手段における、アノード極内の燃料ガスの量が所定値以上になったか否かの判断は、アノード極内の燃料ガス濃度と、タイマで計測される燃料ガスの供給時間とのマップに基づいて行われることを特徴とする燃料電池システム。 According to claim 1 or 2 fuel cell system according,
The control means determines whether or not the amount of fuel gas in the anode electrode exceeds a predetermined value based on a map of the fuel gas concentration in the anode electrode and the fuel gas supply time measured by a timer. the fuel cell system according to claim Rukoto performed Te.
前記燃料電池に電気的に接続され、前記負荷よりも消費電力が小さな第2の負荷と、
前記第2の負荷の断接を行う負荷断接手段と、
前記燃料電池の前記アノード極側の出口に接続される燃料排出路に設けられ、前記燃料排出路を開閉するパージ弁と、
前記燃料排出路から排出される燃料ガスを内部で希釈して外部に排出する希釈手段と、を備えた燃料電池システムの起動方法であって、
前記燃料電池システムの起動を制御する制御手段が、前記燃料電池の起動に際して、前記燃料電池から前記負荷に電力を供給する前に、
前記負荷断接手段によって前記第2の負荷を前記燃料電池に接続する接続工程と、
前記燃料ガス供給手段から前記燃料ガスを前記アノード極に供給するとともに、前記パージ弁を開いて前記燃料電池の前記アノード極内の酸化剤ガスを前記希釈手段にパージして排出する工程と、
前記パージ弁を開いたままの状態で当該アノード極内の前記燃料ガスの量が所定値以上になったか否かを判断する工程と、
当該アノード極内の前記燃料ガスの量が所定値以上になったと判断した後、前記パージ弁を閉じ、その後、前記負荷断接手段によって前記第2の負荷を、前記酸化剤ガスの前記カソード極への供給前に切断する工程と、
前記酸化剤ガス供給手段から前記酸化剤ガスを前記カソード極に供給する酸化剤ガス供給工程と、を実行することを特徴とする燃料電池システムの起動方法。 A fuel cell in which single cells for generating electric power to be supplied to a load are stacked by a reaction between a fuel gas supplied from the fuel gas supply means to the anode electrode and an oxidant gas supplied from the oxidant gas supply means to the cathode electrode When,
A second load electrically connected to the fuel cell and consuming less power than the load;
Load connecting / disconnecting means for connecting / disconnecting the second load;
A purge valve that is provided in a fuel discharge path connected to an outlet of the fuel cell on the anode electrode side and opens and closes the fuel discharge path;
A dilution means for diluting the fuel gas discharged from the fuel discharge path and discharging it to the outside, and a starting method of the fuel cell system comprising:
The control means for controlling the start of the fuel cell system, before supplying power from the fuel cell to the load at the start of the fuel cell,
A connecting step of connecting the second load to the fuel cell by the load connecting / disconnecting means;
Supplying the fuel gas from the fuel gas supply means to the anode electrode, and opening the purge valve to purge and dilute the oxidant gas in the anode electrode of the fuel cell to the dilution means;
Determining whether the amount of the fuel gas in the anode electrode is equal to or greater than a predetermined value while the purge valve remains open;
After determining that the amount of the fuel gas in the anode electrode has reached a predetermined value or more, the purge valve is closed, and then the second load is applied by the load connecting / disconnecting means to the cathode electrode of the oxidant gas. Cutting before supplying to
An oxidant gas supply step of supplying the oxidant gas from the oxidant gas supply means to the cathode electrode.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004196345A JP4608250B2 (en) | 2004-07-02 | 2004-07-02 | Fuel cell system and starting method thereof |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004196345A JP4608250B2 (en) | 2004-07-02 | 2004-07-02 | Fuel cell system and starting method thereof |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2006019153A JP2006019153A (en) | 2006-01-19 |
JP4608250B2 true JP4608250B2 (en) | 2011-01-12 |
Family
ID=35793226
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2004196345A Expired - Fee Related JP4608250B2 (en) | 2004-07-02 | 2004-07-02 | Fuel cell system and starting method thereof |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP4608250B2 (en) |
Families Citing this family (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP4852241B2 (en) * | 2004-12-27 | 2012-01-11 | 東芝燃料電池システム株式会社 | Operation method of fuel cell power generation system |
JP2006228553A (en) * | 2005-02-17 | 2006-08-31 | Mitsubishi Electric Corp | Operation method for fuel cell |
JP5185504B2 (en) * | 2006-03-03 | 2013-04-17 | 本田技研工業株式会社 | Fuel cell system and operation method thereof |
JP5073446B2 (en) * | 2007-10-24 | 2012-11-14 | 本田技研工業株式会社 | Aging apparatus and operation method for polymer electrolyte fuel cell |
JP5073447B2 (en) * | 2007-10-24 | 2012-11-14 | 本田技研工業株式会社 | Operation method of polymer electrolyte fuel cell |
KR100893431B1 (en) | 2007-12-13 | 2009-04-17 | 현대자동차주식회사 | Fuel cell device for improving low temperature start-up and its control method |
JP4831437B2 (en) * | 2008-01-30 | 2011-12-07 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel cell system and control method thereof |
JP5711010B2 (en) * | 2011-03-04 | 2015-04-30 | 本田技研工業株式会社 | Method for stopping operation of fuel cell system |
JP5665628B2 (en) * | 2011-03-31 | 2015-02-04 | 本田技研工業株式会社 | Start-up control method for fuel cell system |
Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS63181269A (en) * | 1987-01-23 | 1988-07-26 | Mitsubishi Electric Corp | Fuel cell power generation system |
JPH0763020B2 (en) * | 1983-02-14 | 1995-07-05 | 株式会社東芝 | Fuel cell start / stop device |
JP2002280040A (en) * | 2001-03-15 | 2002-09-27 | Nissan Motor Co Ltd | Electric power source supply device |
JP2003157875A (en) * | 2001-11-21 | 2003-05-30 | Nissan Motor Co Ltd | Fuel cell system |
WO2003061040A1 (en) * | 2002-01-04 | 2003-07-24 | International Fuel Cells, Llc | Procedure for starting up a fuel cell system having an anode exhaust recycle loop |
JP2005183354A (en) * | 2003-11-27 | 2005-07-07 | Nissan Motor Co Ltd | Fuel cell system |
JP2005531916A (en) * | 2002-05-01 | 2005-10-20 | ユーティーシー フューエル セルズ,エルエルシー | Battery-accelerated quick start of a frozen fuel cell |
JP2006512734A (en) * | 2002-12-26 | 2006-04-13 | ユーティーシー フューエル セルズ,エルエルシー | Startup system and method for a fuel cell power plant using cathode electrode fuel purge |
-
2004
- 2004-07-02 JP JP2004196345A patent/JP4608250B2/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0763020B2 (en) * | 1983-02-14 | 1995-07-05 | 株式会社東芝 | Fuel cell start / stop device |
JPS63181269A (en) * | 1987-01-23 | 1988-07-26 | Mitsubishi Electric Corp | Fuel cell power generation system |
JP2002280040A (en) * | 2001-03-15 | 2002-09-27 | Nissan Motor Co Ltd | Electric power source supply device |
JP2003157875A (en) * | 2001-11-21 | 2003-05-30 | Nissan Motor Co Ltd | Fuel cell system |
WO2003061040A1 (en) * | 2002-01-04 | 2003-07-24 | International Fuel Cells, Llc | Procedure for starting up a fuel cell system having an anode exhaust recycle loop |
JP2005531916A (en) * | 2002-05-01 | 2005-10-20 | ユーティーシー フューエル セルズ,エルエルシー | Battery-accelerated quick start of a frozen fuel cell |
JP2006512734A (en) * | 2002-12-26 | 2006-04-13 | ユーティーシー フューエル セルズ,エルエルシー | Startup system and method for a fuel cell power plant using cathode electrode fuel purge |
JP2005183354A (en) * | 2003-11-27 | 2005-07-07 | Nissan Motor Co Ltd | Fuel cell system |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2006019153A (en) | 2006-01-19 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5435320B2 (en) | FUEL CELL SYSTEM AND CONTROL METHOD FOR FUEL CELL SYSTEM | |
JP5155734B2 (en) | Fuel cell system and operation method thereof | |
JP4644064B2 (en) | Fuel cell system | |
JP4786438B2 (en) | Fuel cell system | |
JP4608250B2 (en) | Fuel cell system and starting method thereof | |
JP5113634B2 (en) | Fuel cell system | |
JP2005032652A (en) | Fuel cell system | |
JP2019129062A (en) | Device and method for controlling fuel battery | |
JP4603427B2 (en) | Fuel cell system | |
JP5098191B2 (en) | Fuel cell system | |
JP5783974B2 (en) | Method for starting fuel cell system and fuel cell system | |
JP4681250B2 (en) | Fuel cell system | |
JP4773711B2 (en) | Fuel cell system | |
JP2008181768A (en) | Fuel cell system | |
JP4332101B2 (en) | Fuel cell system and control method thereof | |
JP2014063664A (en) | Method of starting fuel cell system | |
EP2056387B1 (en) | Fuel cell system and scavenging method therefor | |
JP5260839B2 (en) | Fuel cell system | |
JP2010118289A (en) | Fuel cell system | |
JP4504896B2 (en) | Fuel cell system | |
JP2005129243A (en) | Fuel cell system and fuel cell operating method | |
JP4739938B2 (en) | Fuel cell system | |
JP5502955B2 (en) | Fuel cell system and control method thereof | |
JP2011014339A (en) | Fuel cell system, and method of controlling fuel cell system | |
JP2012209154A (en) | Control device for controlling fuel cell system |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20061128 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20100617 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20100629 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20100826 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20101005 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20101008 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20131015 Year of fee payment: 3 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |