JP5557579B2 - Fuel cell system - Google Patents
Fuel cell system Download PDFInfo
- Publication number
- JP5557579B2 JP5557579B2 JP2010086133A JP2010086133A JP5557579B2 JP 5557579 B2 JP5557579 B2 JP 5557579B2 JP 2010086133 A JP2010086133 A JP 2010086133A JP 2010086133 A JP2010086133 A JP 2010086133A JP 5557579 B2 JP5557579 B2 JP 5557579B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- gas
- cathode
- anode
- anode gas
- sealing
- 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.)
- Active
Links
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、燃料電池システムに関するものである。 The present invention relates to a fuel cell system.
従来から、例えば車両に搭載される燃料電池として、固体高分子電解質膜をアノード電極およびカソード電極で両側から挟んで膜電極構造体を形成し、この膜電極構造体の両側に一対のセパレータを配置して平板状の単位燃料電池(以下、単位セルという。)を構成し、この単位セルを複数積層して燃料電池スタック(以下、燃料電池という。)としたものが知られている。燃料電池自動車では、この燃料電池にアノードガスおよびカソードガスからなる反応ガスを供給することにより発電することができ、この電力により車輪の駆動軸を回転させるためのモータを駆動することができるように構成されている。 Conventionally, as a fuel cell mounted on a vehicle, for example, a membrane electrode structure is formed by sandwiching a solid polymer electrolyte membrane from both sides with an anode electrode and a cathode electrode, and a pair of separators are arranged on both sides of the membrane electrode structure. A flat unit fuel cell (hereinafter referred to as a unit cell) is configured, and a plurality of unit cells are stacked to form a fuel cell stack (hereinafter referred to as a fuel cell). In a fuel cell vehicle, power can be generated by supplying a reaction gas comprising anode gas and cathode gas to the fuel cell, and a motor for rotating the drive shaft of the wheel can be driven by this electric power. It is configured.
具体的には、上述した燃料電池におけるアノード電極とセパレータとの間にアノードガス(燃料ガス)として水素ガスを供給するとともに、カソード電極とセパレータとの間にカソードガス(酸化剤ガス)として空気を供給する。これにより、アノード電極で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を透過してカソード電極まで移動し、カソード電極で空気中の酸素と電気化学反応を起こし、発電が行われる。なお、この発電に伴って、燃料電池内部で水が生成される。 Specifically, hydrogen gas is supplied as an anode gas (fuel gas) between the anode electrode and the separator in the fuel cell described above, and air is supplied as a cathode gas (oxidant gas) between the cathode electrode and the separator. Supply. As a result, hydrogen ions generated by the catalytic reaction at the anode electrode pass through the solid polymer electrolyte membrane and move to the cathode electrode, causing an electrochemical reaction with oxygen in the air at the cathode electrode, thereby generating power. It should be noted that water is generated inside the fuel cell with this power generation.
このような燃料電池を備える燃料電池システムでは、システムの停止中において、カソードガス(酸素)が流路内に残存していると、次回システム起動時にアノード側の電位(面内電流)が上昇し、起動時の発電安定性が低下するとともに、燃料電池が劣化するという問題がある。 In a fuel cell system equipped with such a fuel cell, if the cathode gas (oxygen) remains in the flow path while the system is stopped, the potential on the anode side (in-plane current) increases at the next system startup. There are problems that the power generation stability at the time of start-up is lowered and the fuel cell is deteriorated.
そこで、上述したような問題を解消するために、特許文献1では、セル内部のアノードガスとカソードガスの圧力差を制限する制御器と外部短絡回路によって水素を除去し、電池性能の低下を防止することを目的として、燃料電池の停止にあたり、アノードガスの供給バルブを閉じ、電解質膜により分離されたアノードガスとカソードガスに含まれる水素/酸素のモル比が2/1もしくはそれ以下になったときに、燃料電池への空気の供給バルブを閉じるようにしたものが提案されている。
Therefore, in order to solve the above-described problems, in
また、特許文献2では、システム放置時において、カソード側触媒における坦持カーボンが酸化されて発電性能が低下するに至るのを抑制することを目的として、燃料電池に対する燃料ガス給排系および酸化ガス給排系における水素および酸素のモル量を算出し、燃料電池の停止時における燃料ガス中および酸化ガス中の化学反応可能な水素と酸素のモル比が2またはそれ以上になるように制御するものが提案されている。 Further, in Patent Document 2, the fuel gas supply / discharge system and the oxidizing gas for the fuel cell are suppressed for the purpose of suppressing the power generation performance from being reduced due to oxidation of the supported carbon in the cathode side catalyst when the system is left standing. Calculate the molar amount of hydrogen and oxygen in the supply / exhaust system, and control the molar ratio of chemically reactive hydrogen and oxygen in the fuel gas and oxidizing gas to 2 or more when the fuel cell is stopped Has been proposed.
ところで、特許文献1,2の燃料電池システムにおいては、システム停止時または停止後にアノードガスおよびカソードガスの供給を遮断するように構成されているが、これら従来の燃料電池システムでは、水素と酸素のモル比のみが所望の条件を満たしたときに反応ガス(アノードガスおよびカソードガス)の供給を遮断するようになっている。
しかしながら、アノードガスの圧力の大きさによって、反応ガスの供給を遮断した後、アノードガス流通路に生じる負圧の大きさが変化する。したがって、カソードガスを封止するタイミングを決定する際にアノードガス圧力を考慮しないと、水素と酸素のモル比が所望の条件を満たしていても、その後圧力バランスが崩れ、次回システム起動時の発電安定性が低下する虞がある。
Incidentally, the fuel cell systems of
However, the magnitude of the negative pressure generated in the anode gas flow path after the supply of the reaction gas is interrupted depends on the magnitude of the pressure of the anode gas. Therefore, if the anode gas pressure is not taken into account when determining the timing for sealing the cathode gas, even if the molar ratio of hydrogen to oxygen meets the desired conditions, the pressure balance will be lost and power generation will be There is a risk that stability will be reduced.
そこで、本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、システム起動時の発電安定性を向上することができるとともに、燃料電池の劣化を抑制することができる燃料電池システムを提供するものである。 Therefore, the present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a fuel cell system that can improve power generation stability at the time of system startup and can suppress deterioration of the fuel cell. is there.
上記の課題を解決するために、請求項1に記載した発明は、アノードガスの供給を受けるアノード電極およびカソードガスの供給を受けるカソード電極を有し、前記アノードガスおよび前記カソードガスの供給により発電を行う燃料電池(例えば、実施形態における燃料電池11)と、前記カソードガスが流通するカソードガス流通路(例えば、実施形態におけるカソードガス流通路47)に設けられ、前記カソード電極への前記カソードガスの流入を封止可能なカソードガス封止手段(例えば、実施形態における封止弁56,57)と、前記カソードガス封止手段を制御する制御装置(例えば、実施形態における制御装置45)と、を備えた燃料電池システム(例えば、実施形態における燃料電池システム10)において、前記制御装置は、前記カソードガス流通路内の圧力が大気圧である場合に、前記アノードガスが流通するアノードガス流通路(例えば、実施形態におけるアノードガス流通路46)および前記カソードガス流通路における前記アノードガスに含まれる水素と、前記カソードガスに含まれる酸素と、のモル比(水素/酸素)が2またはそれ以上になる前記アノードガス流通路におけるアノードガス圧力を算出するアノードガス圧力算出部(例えば、実施形態におけるアノードガス圧力算出部62)と、該アノードガス圧力算出部により算出された前記アノードガス圧力に基づいて、前記カソードガス封止手段による前記カソードガスの封止タイミングを算出するカソードガス封止タイミング算出部(例えば、実施形態におけるカソードガス封止タイミング算出部64)と、を備え、前記封止タイミングは、前記アノードガス圧力が高くなるにつれて遅くなるように構成され、前記燃料電池の発電を停止するときに、前記アノードガス圧力算出部において算出された前記アノードガス圧力となるように、前記アノードガス流通路の圧力を調整するとともに、前記カソードガス封止タイミング算出部において算出された前記封止タイミングにて前記カソードガス封止手段を封止し、前記カソードガス封止手段の封止後、前記アノードガス圧力及びカソードガス圧力が共に負圧に保持されることを特徴としている。
In order to solve the above problems, the invention described in
請求項2に記載した発明は、前記制御装置は、前記アノードガス流通路の湿潤状態を検出する湿潤状態検出部(例えば、実施形態における湿潤状態検出部63)をさらに備え、前記カソードガス封止タイミング算出部は、前記湿潤状態検出部において検出された前記アノードガス流通路の湿潤状態に基づいて、前記カソードガス封止手段による前記カソードガスの前記封止タイミングを算出し、該封止タイミングは、前記アノードガスの湿度が低くなるにつれて遅くなるように構成されていることを特徴としている。
According to a second aspect of the present invention, the control device further includes a wet state detection unit (for example, a wet
請求項1に記載した発明によれば、水素と酸素のモル比が2以上となる水素圧力を有した状態でカソードガスの流入を封止したため、短時間でアノード側およびカソード側の両極に活性ガスとして水素のみが存在する環境を形成することができ、次回システム起動時の電位上昇を抑制することができる。また、カソードガス封止手段の作動タイミングをアノードガス圧力に基づいて算出するようにしたため、燃料電池システムの構成部材への負担を軽減することができる。したがって、システム起動時の発電安定性を向上することができるとともに、燃料電池の劣化を抑制することができる。さらに、アノード側およびカソード側の両極に水素が残っている状態で封止することが可能となり、システム起動時に投入するアノードガス量を大幅に削減することができ、アノード側の水素置換完了時間の短縮を図ることができる。 According to the first aspect of the present invention, since the cathode gas inflow is sealed in a state where the hydrogen pressure is such that the molar ratio of hydrogen to oxygen is 2 or more, it is active in both the anode side and the cathode side in a short time. An environment in which only hydrogen is present as a gas can be formed, and a potential increase at the next system startup can be suppressed. In addition, since the operation timing of the cathode gas sealing means is calculated based on the anode gas pressure, the burden on the constituent members of the fuel cell system can be reduced. Therefore, it is possible to improve the power generation stability at the time of starting the system and to suppress the deterioration of the fuel cell. Furthermore, sealing can be performed with hydrogen remaining on both the anode and cathode sides, and the amount of anode gas input at system startup can be greatly reduced. Shortening can be achieved.
請求項2に記載した発明によれば、アノードガス流通路がWET状態の場合は、水素がカソード側へ拡散するのに抵抗となるため、アノードガス圧力が大気圧に低下するまでの時間が遅くなる。また、WET状態では、水素の拡散が鈍くなるため、アノード側の水素が全量カソード側に拡散されない場合にはそもそもアノードガス圧力の低下が少ない。すなわち、カソード側封止後のアノード側の負圧はDRY状態に比較して小さくなる。したがって、カソードガス封止手段の封止を早く行うことができる。カソードガス封止手段を早く封止することで、水素と酸素のモル比が所望の条件(2またはそれ以上のモル比)を満たしているタイミングに反応ガス(アノードガスおよびカソードガス)の供給を遮断することに近づけることが可能となり、両極に水素が残っている状態で封止することが可能となり、システム起動時の発電安定性を向上することができるとともに、燃料電池の劣化を抑制することができる。また、アノードガス流通路の湿潤状態に基づいてカソードガス封止手段の封止タイミングを算出するように構成したため、より最適なタイミングでカソードガスを封止することができる。 According to the second aspect of the present invention, when the anode gas flow passage is in the WET state, it becomes a resistance to diffusion of hydrogen to the cathode side, so that the time until the anode gas pressure decreases to the atmospheric pressure is slow. Become. Further, in the WET state, hydrogen diffusion becomes dull, so that when the entire amount of hydrogen on the anode side is not diffused to the cathode side, the decrease in the anode gas pressure is small in the first place. That is, the negative pressure on the anode side after the cathode side sealing is smaller than that in the DRY state. Therefore, the cathode gas sealing means can be sealed quickly. By quickly sealing the cathode gas sealing means, the reaction gas (anode gas and cathode gas) can be supplied at a timing when the molar ratio of hydrogen to oxygen satisfies the desired condition (molar ratio of 2 or more). It is possible to approach shut off, sealing with hydrogen remaining on both electrodes, improving power generation stability at system startup, and suppressing deterioration of the fuel cell Can do. Further, since the sealing timing of the cathode gas sealing means is calculated based on the wet state of the anode gas flow passage, the cathode gas can be sealed at a more optimal timing.
次に、本発明に係る燃料電池システムの実施形態を図1〜図5に基づいて説明する。なお、本実施形態では燃料電池システムを車両に搭載した場合の説明をする。 Next, an embodiment of a fuel cell system according to the present invention will be described with reference to FIGS. In the present embodiment, a case where the fuel cell system is mounted on a vehicle will be described.
(燃料電池システム)
図1は燃料電池システムの概略構成図である。
図1に示すように、燃料電池システム10の燃料電池11は、水素ガスなどのアノードガスと空気などのカソードガスとの電気化学反応により発電を行う固体高分子膜型燃料電池である。具体的に、燃料電池11は、固体高分子電解質膜をアノード電極およびカソード電極で両側から挟んで膜電極構造体を形成し、この膜電極構造体の両側に一対のセパレータを配置して平板状の単位セルを構成し、この単位セルを複数積層したものである。また、燃料電池11に形成されたアノードガス供給用連通孔13(アノードガス流路21の入口側)にはアノードガス供給配管23が連結され、その上流端部には水素タンク30が接続されている。また、燃料電池11に形成されたカソードガス供給用連通孔15(カソードガス流路22の入口側)にはカソードガス供給配管24が連結され、その上流端部にはエアコンプレッサ33が接続されている。また、燃料電池11に形成されたアノードオフガス排出用連通孔14(アノードガス流路21の出口側)にはアノードオフガス排出配管35が連結され、カソードオフガス排出用連通孔16(カソードガス流路22の出口側)にはカソードオフガス排出配管38が連結されている。ここで、本実施形態では、アノードガス流路21、アノードガス供給配管23、およびアノードオフガス排出配管35がアノードガス流通路46を構成し、カソードガス流路22、カソードガス供給配管24、およびカソードオフガス排出配管38がカソードガス流通路47を構成している。
(Fuel cell system)
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system.
As shown in FIG. 1, the
また、水素タンク30からアノードガス供給配管23に供給された水素ガスは、レギュレータ(不図示)により減圧された後、エゼクタ26を通り、燃料電池11のアノードガス流路21に供給される。また、水素タンク30の下流側近傍には、電磁駆動式の電磁弁25が設けられており、水素タンク30からの水素ガスの供給を遮断することができるように構成されている。
Further, the hydrogen gas supplied from the
また、アノードオフガス排出配管35は、エゼクタ26に接続され、燃料電池11を通過し排出されたアノードオフガスを再度燃料電池11のアノードガスとして再利用できるように構成されている。さらに、アノードオフガス排出配管35には、途中で2本の配管が分岐して設けられており、ドレイン排出配管36およびパージガス排出配管37が接続されている。ドレイン排出配管36およびパージガス排出配管37は、それらの下流でともに希釈ボックス31に接続されている。そして、ドレイン排出配管36には電磁駆動式のドレイン弁51が設けられており、パージガス排出配管37には電磁駆動式のパージ弁52が設けられている。また、アノードオフガス排出配管35とドレイン排出配管36との分岐地点には気液分離器としてキャッチタンク53が設けられている。
The anode off
次に、空気(カソードガス)はエアコンプレッサ33によって加圧され、カソードガス供給配管24を通過した後、燃料電池11のカソードガス流路22に供給される。この空気中の酸素が酸化剤として発電に供された後、燃料電池11からカソードオフガスとしてカソードオフガス排出配管38に排出される。カソードオフガス排出配管38は希釈ボックス31に接続され、その後、車外へと排気される。なお、カソードオフガス排出配管38には背圧弁34が設けられている。また、カソードガス供給配管24とカソードオフガス排出配管38との間には加湿器39が架け渡して設けられている。加湿器39によりカソードガスはカソードオフガスに含まれる水分の移動により加湿されるようになっている。さらに、カソードガス供給配管24およびカソードオフガス排出配管38には、それぞれ電磁駆動式の封止弁56,57が設けられており、カソードガス流通路47内にカソードガスを封入することができるように構成されている。
Next, air (cathode gas) is pressurized by the
また、エアコンプレッサ33と燃料電池11との間を繋ぐカソードガス供給配管24において、配管が分岐され掃気ガス導入配管54の一端が接続されている。掃気ガス導入配管54は、アノードガス供給配管23におけるエゼクタ26と燃料電池11との間に他端が接続されている。つまり、エアコンプレッサ33にて加圧された空気を燃料電池11のアノードガス流路21に供給できるようになっている。なお、掃気ガス導入配管54には電磁駆動式の電磁弁55が設けられており、エアコンプレッサ33からの空気の供給を遮断できるように構成されている。
Further, in the cathode
さらに、アノードガス供給配管23にはアノードガス流通路46内のアノードガス圧力を検出可能な圧力センサ41が設けられている。また、カソードガス供給配管24にはカソードガス流通路47内のカソードガス圧力を検出可能な圧力センサ42が設けられている。さらに、燃料電池11には、発電電圧(出力)を検出可能な電圧センサ43が設けられている。
Further, the anode
この圧力センサ41,42および電圧センサ43からの検出結果(センサ出力)は、制御装置(ECU)45へ伝達され、その検出結果に基づいて、燃料電池システム10のアノードガスおよびカソードガスの封止タイミングを設定する制御(後に詳述する。)を行うことができるように構成されている。
Detection results (sensor output) from the
図2は制御装置45の概略ブロック図である。図2に示すように、制御装置45は、アノードガス流通路46内の湿度を算出する湿度算出部61と、アノードガスに含まれる水素とカソードガスに含まれる酸素とのモル比(水素/酸素)が2またはそれ以上になるアノードガス流通路46におけるアノードガス圧力を算出するアノードガス圧力算出部62と、アノードガス流通路46内の湿度が予め設定された所定湿度よりも大きいか否かを判定する湿潤状態判定部63と、算出されたアノードガス圧力に基づいて、封止弁56,57の封止タイミングを算出するカソードガス封止タイミング算出部64と、封止弁56,57の封止タイミングを計時する計時部65と、を有している。
FIG. 2 is a schematic block diagram of the
なお、制御装置45は、燃料電池11に要求される出力に応じて、レギュレータや電磁弁25を制御して水素タンク30から所定の状態量(流量、圧力)の水素ガスを燃料電池11に供給することができるようになっている。また、制御装置45は、燃料電池11に要求される出力に応じて、エアコンプレッサ33を駆動して所定量の空気を燃料電池11に供給するとともに、背圧弁34を制御してカソードガス流路22への空気の状態量(流量、圧力)を調整できるように構成されている。
The
(カソードガス封止方法)
次に、本実施形態における燃料電池システム10のカソードガス封止方法について説明する。
図3は燃料電池システム10のカソードガス封止方法を示すフローチャートである。このフローチャートは、イグニッションスイッチがオフされた時点からスタートする。
(Cathode gas sealing method)
Next, a cathode gas sealing method of the
FIG. 3 is a flowchart showing a cathode gas sealing method of the
ステップS11では、湿度算出部61において、アノードガス流通路46内の湿度を算出し、ステップS12へ進む。なお、アノードガス流通路46内の湿度を算出するには、例えば、露点計および温度計(ともに不図示)をアノードガス流通路46の所定の位置に取り付けて、該露点計および温度計の検出値から湿度を算出するようにすればよい。
In step S11, the
ステップS12では、アノードガス圧力算出部62において、アノードガスに含まれる水素とカソードガスに含まれる酸素とのモル比(水素/酸素)が2またはそれ以上になるときのアノードガス流通路46内のアノードガス圧力を算出し、ステップS13へ進む。
In step S12, in the anode gas
ステップS13では、湿潤状態判定部63において、ステップS11で算出されたアノードガス流通路46内の湿度が、予め設定された所定湿度(所定閾値)よりも大きいか否かを判定し、所定閾値よりも大きい場合(WET環境の場合)はステップS14へ進み、所定閾値以下の場合(DRY環境の場合)はステップS16へ進む。
In step S13, the wet
ステップS14では、カソードガス封止タイミング算出部64において、算出されたアノードガス圧力に基づいて、封止弁56,57の封止タイミングを算出してステップS15へ進む。ここで、カソードガス封止タイミング算出部64には、例えば図4のグラフが記憶されている。図4に示すように、WET環境の場合およびDRY環境の場合のそれぞれのアノードガス圧力とカソード側の封止タイミングとの関係が線図として記憶されている。ステップS14では、WET環境の場合の線図を用いて、封止弁56,57の封止タイミングを算出する。
In step S14, the cathode gas sealing
なお、封止弁56,57を封止すると、化学反応により水素と酸素が消費され、アノード側に負圧が生じる。モル比を2またはそれ以上とするためにアノードガス圧力を上げて封止弁56,57を封止した場合には、カソード側封止中に両極内には化学反応により水素と酸素が無くなるか、酸素がなくなり水素のみが残る状態を作ることができる。余剰の水素分子が多ければ多いほど、すなわちアノードガス圧力を上げれば上げるほど水素が残る状態を作ることができる。しかしながら、封止された空気中の酸素がなくなるまで水素は化学反応をするために負圧は生じてしまう。
If the sealing
この負圧が燃料電池システム10の燃料電池11やその他の構成部品の耐久性に影響を与えない範囲であれば、早く封止弁56,57を封止した方がカソード側封止中に両極に水素を残した状態を形成することが可能となる。
If the negative pressure is within a range that does not affect the durability of the
一方、この負圧に対して封止弁56,57の封止タイミングを遅くすることで、負圧の影響を低減することができる。これは、カソード側への空気の導入量が多くなることで、アノード側へ拡散する酸素が多くなるとともに、カソード側の窒素の残存量が多くなるためである。これにより両極に封止される余剰水素分子の残る量は減少するが、その量がカソード側封止中および次回起動時のアノード側の電位として劣化に効果的である電位の範囲内であれば、許容することができる。
On the other hand, the influence of the negative pressure can be reduced by delaying the sealing timing of the sealing
図4のアノードガス圧力とカソード封止タイミングは、アノードガス圧力が高ければ高いほど、カソード封止タイミングが遅くなる傾向を示す一例であるが、上述の封止による負圧が構成部品の耐久性に影響する観点、封止される余剰水素分子により生じるアノード電位の観点から任意に定めることができる。 The anode gas pressure and the cathode sealing timing in FIG. 4 are examples in which the higher the anode gas pressure, the slower the cathode sealing timing tends to be, but the negative pressure due to the sealing described above is the durability of the components. It can be arbitrarily determined from the viewpoint of influence on the anode potential and the anode potential generated by the surplus hydrogen molecules to be sealed.
ステップS15では、計時部65において、ステップS14で算出した封止タイミングを計時し、所定時間が経過したら封止弁56,57を封止して、処理を終了する。
In step S15, the
一方、ステップS16では、アノードガス流通路46内の湿度が所定閾値以下であるため、DRY環境であると判定し、DRY環境フラグを立ててステップS17へ進む。
On the other hand, in step S16, since the humidity in the anode
ステップS17では、カソードガス封止タイミング算出部64において、算出されたアノードガス圧力に基づいて、封止弁56,57の封止タイミングを算出してステップS18へ進む。なお、ステップS16でDRY環境フラグが立っているため、図4のDRY環境の場合の線図を利用して封止タイミングを算出する。
In step S17, the cathode gas sealing
ステップS18では、計時部65において、ステップS17で算出した封止タイミングを計時し、所定時間が経過したら封止弁56,57を封止して、処理を終了する。
In step S18, the
図5は、図3のフローチャートの流れをタイムチャートにしたものである。図5に示すように、イグニッションスイッチをオフにした後、アノードガス流通路46内のアノードガス圧力が、アノードガス圧力算出部62において算出されたアノードガス圧力になるように調整し、所望の圧力になった時点(カソード封止タイミングの基点)で電磁弁25を閉弁し、当該アノードガス圧力のまま保持する。その状態で、コンプレッサ33を停止し、カソードガス封止タイミング算出部64において算出された封止タイミングで封止弁56,57を封止する。このように構成することにより、短時間でアノード側およびカソード側の両極に活性ガスとして水素のみが存在する環境を形成することができ、次回システム起動時の電位上昇を抑制することができる。
FIG. 5 is a time chart showing the flow of the flowchart of FIG. As shown in FIG. 5, after the ignition switch is turned off, the anode gas pressure in the anode
具体的には、イグニッションスイッチオフ後、コンプレッサ33を停止するまでに、様々な停止処理を行い、システム停止のタイミングでコンプレッサ33を停止する。カソードガス圧力はコンプレッサ33の停止と略同時に大気圧となる。システム停止のタイミングの少し前(コンプレッサ33の駆動中)であって、アノードガス圧力が所望の圧力になった時点で、まずアノード側の電磁弁25、ドレイン弁51およびパージ弁52を閉弁する。
Specifically, after the ignition switch is turned off, various stop processes are performed before the
その後、数分程度で、アノードガス圧力は大気圧まで低下する。初期段階では、アノードガス圧力がカソードガス圧力(大気圧)よりも高いため、アノード側からカソード側への反応ガスの拡散が支配的になり、拡散層または電極部において化学反応により反応ガスが消費される。 Thereafter, in a few minutes, the anode gas pressure decreases to atmospheric pressure. In the initial stage, since the anode gas pressure is higher than the cathode gas pressure (atmospheric pressure), the diffusion of the reaction gas from the anode side to the cathode side becomes dominant, and the reaction gas is consumed by the chemical reaction in the diffusion layer or electrode part. Is done.
アノードガス圧力が大気圧(カソードガスとアノードガスの圧力平衡状態)となった後、アノード側の水素は化学反応で消費し、カソード側で水となるが、水素の化学反応と、カソード側からの空気の拡散の速度が異なる、すなわち、水素の化学反応の方が速いため、アノード側は一時負圧になる。 After the anode gas pressure reaches atmospheric pressure (the cathode gas and anode gas pressure equilibrium state), the hydrogen on the anode side is consumed by a chemical reaction and becomes water on the cathode side. Since the speed of air diffusion is different, that is, the chemical reaction of hydrogen is faster, the anode side is temporarily under negative pressure.
その後、カソード側を封止しない場合は、カソード側からの空気の拡散により、アノード側およびカソード側の圧力は共に上昇し大気圧まで復帰するが、本実施形態のように、カソード側の封止弁56,57を閉弁することにより、カソード側への新たな空気の導入はないため、大気圧への復帰はなく、負圧状態のまま保持される。つまり、アノード側およびカソード側は共に負圧となる。なお、封止弁56,57を封止するタイミングが遅ければ遅いほど、封止後の負圧は小さくなる。
Thereafter, when the cathode side is not sealed, the pressure on the anode side and the cathode side both rises and returns to atmospheric pressure due to the diffusion of air from the cathode side, but the cathode side sealing is performed as in this embodiment. By closing the
ここで、アノードガス圧力を上げて、理想のモル比(水素:酸素=2:1)とした場合、アノードガス圧力が高く、カソードガス圧力は大気圧で閉鎖空間になる。この閉鎖空間では、アノードガス(水素)とカソードガス(酸素)との化学反応によりそれぞれのガスが消費されるとともに、水が生成される。結果として、アノードガス圧力およびカソードガス圧力が低下し、アノード側およびカソード側はともに負圧になる。モル比が2:1であれば、全ての水素と酸素が化学反応により水になるため、閉鎖空間には水と窒素ガスのみが残っている状態となる。封止弁56,57を封止することで、外部から反応ガス(空気)の流入がないため、負圧の状態が継続される。
Here, when the anode gas pressure is increased to an ideal molar ratio (hydrogen: oxygen = 2: 1), the anode gas pressure is high, and the cathode gas pressure becomes atmospheric pressure and becomes a closed space. In this closed space, each gas is consumed and water is generated by a chemical reaction between the anode gas (hydrogen) and the cathode gas (oxygen). As a result, the anode gas pressure and the cathode gas pressure are reduced, and both the anode side and the cathode side become negative pressures. If the molar ratio is 2: 1, all hydrogen and oxygen become water by chemical reaction, so that only water and nitrogen gas remain in the closed space. By sealing the sealing
なお、水素と酸素のモル比が2以上になるようにアノードガス圧力を上昇させた場合は、カソードガスのすべての酸素が化学反応により水になり、余剰の水素は閉鎖空間内に残る。この結果、閉鎖空間内には、水、窒素および水素が残り、拡散により両極に水素が分配された状態となる。 When the anode gas pressure is increased so that the molar ratio of hydrogen to oxygen becomes 2 or more, all oxygen in the cathode gas becomes water by a chemical reaction, and excess hydrogen remains in the closed space. As a result, water, nitrogen, and hydrogen remain in the closed space, and hydrogen is distributed to both electrodes by diffusion.
一方、モル比が2未満の場合は、アノードガスのすべての水素が化学反応により水になり、余剰のカソードガス(酸素)は閉鎖空間内に残る。この結果、閉鎖空間内には、水、窒素および酸素が残り、拡散により両極に酸素が分配された状態となる。 On the other hand, when the molar ratio is less than 2, all hydrogen of the anode gas becomes water by chemical reaction, and excess cathode gas (oxygen) remains in the closed space. As a result, water, nitrogen, and oxygen remain in the closed space, and oxygen is distributed to both electrodes by diffusion.
本実施形態によれば、アノードガス(水素)とカソードガス(酸素)のモル比が2以上となるアノードガス圧力を有した状態でカソードガスの流入を封止するため、短時間でアノード側およびカソード側の両極に活性ガスとして水素のみが存在する環境を形成することができ、次回システム起動時の電位上昇を抑制することができる。また、封止弁56,57の封止タイミングをアノードガス圧力に基づいて算出するようにしたため、燃料電池システム10の構成部材への負担を軽減することができる。したがって、システム起動時の発電安定性を向上することができるとともに、燃料電池11の劣化を抑制することができる。
According to the present embodiment, in order to seal the inflow of the cathode gas with an anode gas pressure at which the molar ratio of the anode gas (hydrogen) to the cathode gas (oxygen) is 2 or more, It is possible to form an environment in which only hydrogen is present as an active gas at both electrodes on the cathode side, and an increase in potential at the next system startup can be suppressed. In addition, since the sealing timing of the sealing
また、アノードガス流通路46の湿潤状態に基づいて、封止弁56,57の封止タイミングを算出するように構成したため、より最適なタイミングでカソードガスを封止することができる。
In addition, since the sealing timing of the sealing
さらに、アノードガスの湿度が低くなるにつれて、封止弁56,57の封止タイミングが遅くなるように構成したため、システム起動時に投入するアノードガス量を大幅に削減することができ、アノード側の水素置換完了時間の短縮を図ることができるとともに、システム起動時の発電安定性を向上することができる。
Further, since the sealing timing of the sealing
なお、水素と酸素が理想のモル比になるように調整すれば、燃料電池システム10のソーク中やシステム起動時の電位抑制、劣化防止に効果的であるが、例えば、ソーク中やシステム起動時のアノード電位を0.6V未満に抑えることで、劣化防止に効果的であれば、モル比の代わりに理想の電位として、予めソーク中の電位とシステム停止時のアノードガス圧力との関係を実験的に求めておいて、そのアノードガス圧力でシステムを停止し、カソードガスを封止することが可能となる。
It should be noted that adjusting the hydrogen and oxygen so as to have an ideal molar ratio is effective for suppressing potential and preventing deterioration during soaking of the
また、理想の電位とアノードガス圧力が算出された後、そのアノードガス圧力から予測される負圧の状態も予め実験などにより求めて、その負圧に対して、許容負圧となるように、封止弁56,57を封止する封止タイミングを定めることが可能である。
In addition, after the ideal potential and anode gas pressure are calculated, the negative pressure state predicted from the anode gas pressure is also obtained in advance by experiments or the like, so that the negative pressure is an allowable negative pressure. It is possible to determine the sealing timing for sealing the sealing
尚、本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、実施形態で挙げた具体的な構造や構成などはほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and includes various modifications made to the above-described embodiment without departing from the spirit of the present invention. That is, the specific structure and configuration described in the embodiment are merely examples, and can be changed as appropriate.
例えば、本実施形態においては、アノードガス流通路の湿潤状態を検出するように構成したが、必ずしも設ける必要はない。
また、本実施形態においては、アノードガスの湿度が所定閾値以下の場合に、DRY環境フラグを立てるように構成したが、湿度が所定閾値より大きい場合にWET環境フラグを立てるように構成してもよい。
For example, in the present embodiment, the wet state of the anode gas flow passage is detected, but it is not always necessary to provide it.
In the present embodiment, the DRY environment flag is set when the humidity of the anode gas is equal to or lower than the predetermined threshold. However, the WET environment flag may be set when the humidity is higher than the predetermined threshold. Good.
10…燃料電池システム 11…燃料電池 45…制御装置 46…アノードガス流通路 47…カソードガス流通路 56…封止弁(カソードガス封止手段) 57…封止弁(カソードガス封止手段) 62…アノードガス圧力算出部 63…湿潤状態検出部 64…カソードガス封止タイミング算出部
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記カソードガスが流通するカソードガス流通路に設けられ、前記カソード電極への前記カソードガスの流入を封止可能なカソードガス封止手段と、
前記カソードガス封止手段を制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記制御装置は、
前記カソードガス流通路内の圧力が大気圧である場合に、前記アノードガスが流通するアノードガス流通路および前記カソードガス流通路における前記アノードガスに含まれる水素と、前記カソードガスに含まれる酸素と、のモル比(水素/酸素)が2またはそれ以上になる前記アノードガス流通路におけるアノードガス圧力を算出するアノードガス圧力算出部と、
該アノードガス圧力算出部により算出された前記アノードガス圧力に基づいて、前記カソードガス封止手段による前記カソードガスの封止タイミングを算出するカソードガス封止タイミング算出部と、を備え、
前記封止タイミングは、前記アノードガス圧力が高くなるにつれて遅くなるように構成され、
前記燃料電池の発電を停止するときに、前記アノードガス圧力算出部において算出された前記アノードガス圧力となるように、前記アノードガス流通路の圧力を調整するとともに、前記カソードガス封止タイミング算出部において算出された前記封止タイミングにて前記カソードガス封止手段を封止し、
前記カソードガス封止手段の封止後、前記アノードガス圧力及びカソードガス圧力が共に負圧に保持されることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell having an anode electrode supplied with an anode gas and a cathode electrode supplied with a cathode gas, and generating power by supplying the anode gas and the cathode gas;
A cathode gas sealing means provided in a cathode gas flow passage through which the cathode gas flows, and capable of sealing the inflow of the cathode gas to the cathode electrode;
In a fuel cell system comprising a control device for controlling the cathode gas sealing means,
The control device includes:
When the pressure in the cathode gas flow passage is atmospheric pressure, the anode gas flow passage through which the anode gas flows, the hydrogen contained in the anode gas in the cathode gas flow passage, the oxygen contained in the cathode gas, An anode gas pressure calculation unit for calculating an anode gas pressure in the anode gas flow passage where the molar ratio (hydrogen / oxygen) is 2 or more;
A cathode gas sealing timing calculation unit that calculates a sealing timing of the cathode gas by the cathode gas sealing means based on the anode gas pressure calculated by the anode gas pressure calculation unit,
The sealing timing is configured to be delayed as the anode gas pressure increases,
When stopping the power generation of the fuel cell, so that the anode gas pressure calculated in the previous SL anode gas pressure calculating unit, thereby adjusting the pressure of the anode gas circulation path, before Symbol cathode gas sealing timing wherein at the sealing timing calculated in the calculation unit to seal the cathode gas sealing means,
After the cathode gas sealing means is sealed, the anode gas pressure and the cathode gas pressure are both held at negative pressure .
前記カソードガス封止タイミング算出部は、前記湿潤状態検出部において検出された前記アノードガス流通路の湿潤状態に基づいて、前記カソードガス封止手段による前記カソードガスの前記封止タイミングを算出し、
該封止タイミングは、前記アノードガスの湿度が低くなるにつれて遅くなるように構成されていることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 The control device further includes a wet state detection unit that detects a wet state of the anode gas flow passage,
The cathode gas sealing timing calculation unit calculates the sealing timing of the cathode gas by the cathode gas sealing means based on the wet state of the anode gas flow path detected by the wet state detection unit,
The fuel cell system according to claim 1, wherein the sealing timing is configured to be delayed as the humidity of the anode gas decreases.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2010086133A JP5557579B2 (en) | 2010-04-02 | 2010-04-02 | Fuel cell system |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2010086133A JP5557579B2 (en) | 2010-04-02 | 2010-04-02 | Fuel cell system |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2011216445A JP2011216445A (en) | 2011-10-27 |
JP5557579B2 true JP5557579B2 (en) | 2014-07-23 |
Family
ID=44945957
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2010086133A Active JP5557579B2 (en) | 2010-04-02 | 2010-04-02 | Fuel cell system |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP5557579B2 (en) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP5925076B2 (en) * | 2012-07-30 | 2016-05-25 | 本田技研工業株式会社 | Stop control method for fuel cell system |
Family Cites Families (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP4629351B2 (en) * | 2004-03-19 | 2011-02-09 | 株式会社日立製作所 | Polymer electrolyte fuel cell system |
CN101322274B (en) * | 2005-12-02 | 2010-11-10 | 松下电器产业株式会社 | Fuel cell system |
JP5164014B2 (en) * | 2006-03-28 | 2013-03-13 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel cell system and control method thereof |
JP5169056B2 (en) * | 2007-07-31 | 2013-03-27 | 日産自動車株式会社 | Fuel cell system and its operation stop method |
-
2010
- 2010-04-02 JP JP2010086133A patent/JP5557579B2/en active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2011216445A (en) | 2011-10-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5596758B2 (en) | Fuel cell system and control method thereof | |
US8691460B2 (en) | Method of stopping operation of fuel cell system | |
US9070916B2 (en) | Method for controlling fuel cell system | |
JP5665628B2 (en) | Start-up control method for fuel cell system | |
JP5186794B2 (en) | Fuel cell system and gas pressure adjustment method in fuel cell system | |
CN101467295B (en) | Fuel cell system | |
JP2005032652A (en) | Fuel cell system | |
JP5239201B2 (en) | Fuel cell system and impurity discharge method in fuel cell system | |
JP2010108756A (en) | Fuel cell system and purge control method of fuel cell system | |
US8241804B1 (en) | Method for controlling fuel cell system | |
JP2007103172A (en) | Fuel cell system and its gas discharge method | |
JP5872315B2 (en) | Method and apparatus for starting fuel cell system | |
JP5082790B2 (en) | Fuel cell system | |
JP4876593B2 (en) | Fuel cell system | |
JP2014150036A (en) | Method for controlling fuel cell system | |
JP5557579B2 (en) | Fuel cell system | |
JP4831938B2 (en) | Fuel cell system | |
JP2012209154A (en) | Control device for controlling fuel cell system | |
JP2012059557A (en) | Fuel cell system | |
JP2006040610A (en) | Fuel cell system | |
JP5410766B2 (en) | Fuel cell system and cathode pressure control method for fuel cell system | |
JP5485930B2 (en) | Control method of fuel cell system | |
JP2011204447A (en) | Fuel cell system | |
JP2007213827A (en) | Fuel cell system, and method for controlling the same | |
JP5460639B2 (en) | Method for stopping operation of fuel cell system |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20121128 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20131118 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20131126 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20140127 |
|
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: 20140507 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20140603 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 5557579 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |