JP2007323863A - Fuel cell system and shutdown method of fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、車両等に搭載される燃料電池システム及び燃料電池の停止方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell system mounted on a vehicle or the like and a fuel cell stopping method.
環境問題や資源問題への対策の一つとして、酸素や空気等の酸化性ガスと、水素やメタン等の還元性ガス(燃料ガス)等とを原料として電気化学反応により化学エネルギーを電気エネルギーに変換して発電する燃料電池が注目されている。燃料電池は、電解質膜の一方の面にアノード(アノード触媒層)と、もう一方の面にカソード(カソード触媒層)とが電解質膜を挟んで対向するように設けられ、電解質膜を挟持した各触媒層の外側に拡散層がさらに設けられ、これらが原料供給用の通路が設けられたセパレータで挟まれて電池が構成され、各触媒層に水素、酸素等の原料が供給されて発電する。各触媒層には白金(Pt)等の触媒をカーボン等の担体に担持した触媒担持粒子が含まれる。 As one of the countermeasures against environmental problems and resource problems, chemical energy is converted into electric energy by electrochemical reaction using oxidizing gas such as oxygen and air and reducing gas (fuel gas) such as hydrogen and methane as raw materials. Fuel cells that generate electricity by conversion are drawing attention. The fuel cell is provided with an anode (anode catalyst layer) on one surface of the electrolyte membrane and a cathode (cathode catalyst layer) on the other surface with the electrolyte membrane sandwiched therebetween, and each of the electrolyte membranes sandwiched between them. A diffusion layer is further provided outside the catalyst layer, and these are sandwiched by separators provided with a raw material supply passage to form a battery. A raw material such as hydrogen or oxygen is supplied to each catalyst layer to generate electricity. Each catalyst layer includes catalyst-carrying particles in which a catalyst such as platinum (Pt) is supported on a carrier such as carbon.
燃料電池の発電時には、アノードに供給する原料を水素ガス、カソードに供給する原料を空気とした場合、アノードにおいて、水素ガスから水素イオンと電子とが発生する。電子は外部端子から外部回路を通じてカソードに到達する。カソードにおいて、供給される空気中の酸素と、電解質膜を通過した水素イオンと、外部回路を通じてカソードに到達した電子により、水が生成する。このようにカソード及びアノードにおいて化学反応が起こり、電荷が発生して電池として機能することになる。この燃料電池は、発電に使用される原料のガスや液体燃料が豊富に存在すること、また、その発電原理より排出される物質が水であること等より、クリーンなエネルギー源として様々な検討がされている。 At the time of power generation of the fuel cell, when the raw material supplied to the anode is hydrogen gas and the raw material supplied to the cathode is air, hydrogen ions and electrons are generated from the hydrogen gas at the anode. Electrons reach the cathode from an external terminal through an external circuit. At the cathode, water is generated by oxygen in the supplied air, hydrogen ions that have passed through the electrolyte membrane, and electrons that have reached the cathode through an external circuit. In this way, a chemical reaction occurs at the cathode and the anode, and charges are generated to function as a battery. This fuel cell has been studied in various ways as a clean energy source due to the abundance of raw material gas and liquid fuel used for power generation and the fact that the substance discharged from the power generation principle is water. Has been.
このような燃料電池を停止する際、燃料電池内部に水素ガス、空気等を残しておくと、アノードまたはカソードに水素ガスと空気とが混在する状態になり、異常電位が発生し、アノード及びカソードの触媒あるいは触媒担体の酸化腐食が発生する。このような触媒あるいは触媒担体の酸化腐食が発生すると、燃料電池の寿命が短くなってしまう。また、カソード側を閉塞させて放置した場合、カソードに残留した水蒸気が凝縮液化し、いわゆるフラッディング現象により次回の電池の起動が困難となる。 When stopping such a fuel cell, if hydrogen gas, air, or the like is left inside the fuel cell, hydrogen gas and air are mixed in the anode or cathode, an abnormal potential is generated, and the anode and cathode Oxidative corrosion of the catalyst or catalyst carrier occurs. When oxidative corrosion of such a catalyst or catalyst carrier occurs, the life of the fuel cell is shortened. Further, when the cathode side is closed and left, the water vapor remaining on the cathode condenses and becomes difficult to start the next battery due to a so-called flooding phenomenon.
そこで、例えば、特許文献1には、燃料電池の停止時に燃料電池のアノード及びカソードに不活性ガスを供給してパージすることが記載されている。また、特許文献2には、燃料電池の停止時に、カソードへの酸素含有ガスの供給を停止した状態でカソードを密閉してセルを発電させ、カソードの酸素を消費させた後、パージ用ガスでパージすることが記載されている。
Thus, for example,
また、特許文献3には、燃料電池の停止時に閉止したカソードガス循環系にてカソードガスを循環、発電させて生成した不活性ガスによりパージすることが記載されている。 Patent Document 3 describes purging with an inert gas generated by circulating and generating power in a cathode gas circulation system that is closed when the fuel cell is stopped.
しかし、特許文献1,2のような方法では、不活性ガスが必要であり、不活性ガス供給設備を備えるとシステムが大きくなってしまう。
However, the methods as disclosed in
また、特許文献3の方法では、カソードガス循環系に凝縮器が設置され、これにより循環ガス中の水分が凝縮除去されているが、燃料電池の停止制御時に循環ガス中の残留水分量が考慮されていないので、燃料電池内部の水分が十分に除去されない可能性がある。 Further, in the method of Patent Document 3, a condenser is installed in the cathode gas circulation system, whereby moisture in the circulation gas is condensed and removed. However, the amount of residual moisture in the circulation gas is taken into account when stopping control of the fuel cell. Therefore, there is a possibility that the water inside the fuel cell is not sufficiently removed.
本発明は、燃料電池停止時における、触媒層の触媒あるいは触媒担体の酸化腐食を抑制し、かつ燃料電池内部の水分量を効率的に減少させることができる燃料電池システム及び燃料電池の停止方法である。 The present invention provides a fuel cell system and a fuel cell stop method that can suppress oxidative corrosion of a catalyst or catalyst support of a catalyst layer and efficiently reduce the amount of water inside the fuel cell when the fuel cell is stopped. is there.
本発明は、アノードガスがアノードに、及び酸素を含有するカソードガスがカソードに供給されて発電する燃料電池と、前記燃料電池のカソード側を密閉する密閉手段と、前記燃料電池から排出されるカソードガスを前記燃料電池のカソード側へカソード循環ガスとして循環させる循環手段と、前記カソード循環ガス中の水分を除去する水分除去手段と、前記カソード循環ガス中の水分量を検知する水分量検知手段と、前記カソード循環ガスの循環を制御する制御手段と、を備え、前記燃料電池の停止時に、前記アノードガス及びカソードガスの供給が停止され、前記燃料電池のカソード側が密閉された後、前記制御手段は、前記カソード循環ガス中の水分を除去しながら前記カソード循環ガスを循環させ、前記検知した水分量に基づいて前記カソード循環ガスの循環を制御する。 The present invention includes a fuel cell that generates electricity by supplying an anode gas to the anode and a cathode gas containing oxygen to the cathode, a sealing means for sealing the cathode side of the fuel cell, and a cathode discharged from the fuel cell. A circulation means for circulating gas as a cathode circulation gas to the cathode side of the fuel cell; a moisture removal means for removing moisture in the cathode circulation gas; and a moisture amount detection means for detecting the moisture content in the cathode circulation gas. Control means for controlling the circulation of the cathode circulation gas, and when the fuel cell is stopped, the supply of the anode gas and the cathode gas is stopped, and the cathode side of the fuel cell is sealed, and then the control means Circulates the cathode circulation gas while removing moisture in the cathode circulation gas, and performs the previous operation based on the detected amount of moisture. Controlling the circulation of the cathode circulating gas.
また、前記燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記燃料電池の停止時に、前記検知した水分量が予め設定した基準水分量以下となったときに前記カソード循環ガスの循環を停止することが好ましい。 In the fuel cell system, it is preferable that the control means stops the circulation of the cathode circulation gas when the detected moisture amount is equal to or less than a preset reference moisture amount when the fuel cell is stopped. .
また、前記燃料電池システムにおいて、前記カソード循環ガス中の酸素量を検知する酸素量検知手段をさらに備え、前記制御手段は、前記燃料電池の停止時に、前記検知した水分量及び酸素量に基づいて前記カソード循環ガスの循環を制御することが好ましい。 The fuel cell system further includes oxygen amount detection means for detecting an oxygen amount in the cathode circulation gas, and the control means is based on the detected water amount and oxygen amount when the fuel cell is stopped. It is preferable to control the circulation of the cathode circulation gas.
また、前記燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記燃料電池の停止時に、前記検知した水分量及び酸素量がそれぞれ予め設定した基準水分量以下及び基準酸素量以下となったときに前記カソード循環ガスの循環を停止することが好ましい。 In the fuel cell system, the control means may be configured such that, when the fuel cell is stopped, the cathode circulation is performed when the detected water amount and oxygen amount are equal to or less than a predetermined reference moisture amount and a reference oxygen amount, respectively. It is preferable to stop the gas circulation.
また、本発明は、アノードガスがアノードに、及び酸素を含有するカソードガスがカソードに供給されて発電する燃料電池の停止方法であって、前記カソードガス及びアノードガスの供給を停止するステップと、前記燃料電池のカソード側を密閉するステップと、前記燃料電池から排出されるカソードガスを前記燃料電池のカソード側へカソード循環ガスとして循環させながら、前記カソード循環ガス中の水分を除去するステップと、前記カソード循環ガス中の水分量を検知し、前記検知した水分量に基づいて前記カソード循環ガスの循環を制御するステップと、を含む。 Further, the present invention is a fuel cell stopping method for generating electricity by supplying anode gas to the anode and cathode gas containing oxygen to the cathode, the step of stopping the supply of the cathode gas and anode gas, Sealing the cathode side of the fuel cell; removing the moisture in the cathode circulation gas while circulating the cathode gas discharged from the fuel cell as the cathode circulation gas to the cathode side of the fuel cell; Detecting the amount of moisture in the cathode circulation gas, and controlling the circulation of the cathode circulation gas based on the detected amount of moisture.
また、前記燃料電池の停止方法の制御するステップにおいて、前記検知した水分量が予め設定した基準水分量以下となったときに前記カソード循環ガスの循環を停止することが好ましい。 Further, in the step of controlling the fuel cell stopping method, it is preferable to stop the circulation of the cathode circulation gas when the detected moisture amount becomes equal to or less than a preset reference moisture amount.
また、前記燃料電池の停止方法の制御するステップにおいて、前記カソード循環ガス中の酸素量を検知し、前記検知した水分量及び酸素量に基づいて前記カソード循環ガスの循環を制御することが好ましい。 Preferably, in the step of controlling the fuel cell stopping method, the amount of oxygen in the cathode circulation gas is detected, and the circulation of the cathode circulation gas is controlled based on the detected amount of water and oxygen.
また、前記燃料電池の停止方法の制御するステップにおいて、前記検知した水分量及び酸素量がそれぞれ予め設定した基準水分量以下及び基準酸素量以下となったときに前記カソード循環ガスの循環を停止することが好ましい。 Further, in the step of controlling the fuel cell stopping method, the circulation of the cathode circulation gas is stopped when the detected water amount and oxygen amount are less than or equal to a preset reference moisture amount and reference oxygen amount, respectively. It is preferable.
本発明では、燃料電池の停止時に、カソードガス及びアノードガスの供給を停止し、カソード側を密閉した後、燃料電池から排出されるカソードガスをカソード循環ガスとして燃料電池内部を循環させ、循環経路において循環ガス中の水分を除去し、カソード循環ガス中の水分量に基づいて循環を制御することにより、燃料電池停止時における、触媒層の触媒あるいは触媒担体の酸化腐食を抑制し、かつ燃料電池内部の水分量を効率的に減少させることができる。 In the present invention, when the fuel cell is stopped, the supply of the cathode gas and the anode gas is stopped, the cathode side is sealed, the cathode gas discharged from the fuel cell is circulated inside the fuel cell as the cathode circulation gas, and the circulation path The water in the circulating gas is removed and the circulation is controlled based on the amount of water in the cathode circulating gas, thereby suppressing the oxidative corrosion of the catalyst in the catalyst layer or the catalyst carrier when the fuel cell is stopped, and the fuel cell The amount of water inside can be reduced efficiently.
本発明の実施の形態について以下説明する。 Embodiments of the present invention will be described below.
本発明の実施形態に係る燃料電池システムの一例の概略を図1に示し、その構成について説明する。燃料電池システム1は、燃料電池10と、カソードガス供給流路12と、カソードガス排出流路14と、密閉手段である閉塞バルブ16と、循環手段であるガス循環流路18及びポンプ20と、水分除去手段である凝縮器22と、水分量検知手段である湿度センサ24と、流路切替手段である流路切替バルブ26と、制御手段である制御部28と、酸素量検知手段である酸素センサ42とを備える。
An example of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention is schematically shown in FIG. The
図1の燃料電池システム1において、カソードガス供給手段であるカソードガス供給部30がカソードガス供給流路12により流路切替バルブ26を介してポンプ20の吸入側に接続され、ポンプ20の吐出側がカソードガス供給流路12により燃料電池10のカソードガス入口32に接続されている。また、燃料電池10のカソードガス出口34には閉塞バルブ16がカソードガス排出流路14により接続されている。これにより、カソードガス供給部30からカソードガス供給流路12を通してカソードガスが燃料電池10のカソード側に供給され、発電に使用されたカソードガスはカソードガス排出流路14を通し閉塞バルブ16を介して外部に排出されるようになっている。なお、図1においては省略してあるが、同様に燃料電池10のアノードガス入口には、アノードガス供給手段であるアノードガス供給部がアノードガス供給流路により接続され、燃料電池10のアノードガス出口にはアノードガス排出流路が接続されている。これにより、アノードガス供給部からアノードガス供給流路を通してアノードガスが燃料電池10のアノード側に供給され、発電に使用されたアノードガスはアノードガス排出流路を通して排出されるようになっている。
In the
一方、燃料電池10のカソードガス出口34と閉塞バルブ16との間のカソードガス排出流路14と、流路切替バルブ26とがガス循環流路18により接続され、その間に凝縮器22が設置されている。カソードガス排出流路14とガス循環流路18との接続部と、凝縮器22の入口側との間にはバルブ36が設置されている。また、カソードガス排出流路14のカソードガス出口34付近には湿度センサ24が、燃料電池10には酸素センサ42が設置されている。凝縮器22には貯水タンク38が接続されている。
On the other hand, the cathode
さらに、制御部28は、閉塞バルブ16、ポンプ20、湿度センサ24、流路切替バルブ26、バルブ36、酸素センサ42に接続されている。燃料電池システム1が車両等に搭載される場合は、制御部28は例えばECU等である。
Further, the
次に、本実施形態に係る燃料電池の停止方法及び燃料電池システム1の動作について、以下説明する。
Next, the fuel cell stopping method and the operation of the
燃料電池システム1において燃料電池10の通常の動作時には、流路切替バルブ26は図1のようにB側に接続され、閉塞バルブ16が開、バルブ36が閉の状態で、ポンプ20によりカソードガス供給部30からカソードガスが燃料電池10のカソード側に供給される。また、図示しないアノードガス供給部からアノードガスが燃料電池10のアノード側に供給され、燃料電池10において電池反応が行われる。燃料電池10のカソード側で使用されたカソードガスは、カソードガス排出流路14を通し、閉塞バルブ16を介して外部に排出される。
During normal operation of the
本実施形態で使用される燃料電池10は、酸素や空気等の酸化性ガスをカソードガスとして、水素やメタン等の還元性ガス(燃料ガス)をアノードガスとして電気化学反応により化学エネルギーを電気エネルギーに変換して発電するものであり、特に制限されない。図2に燃料電池10を構成する単セルの一例の概略断面図を示す。燃料電池セル50において、例えば、パーフルオロスルホン酸系等の固体高分子型の電解質膜52の一方の面に、白金(Pt)等を担持したカーボン等の触媒担持粒子を含む触媒層がアノード(燃料極)54として、もう一方の面に白金(Pt)等を担持したカーボン等の触媒担持粒子を含む触媒層がカソード(空気極)56として電解質膜52を挟んで対向するように設けられている。また、電解質膜52を挟持した各触媒層(アノード54及びカソード56)の外側に、カーボン材料等の多孔質導電体材料を含む拡散層58がさらに設けられ、これらが原料供給用の通路を設けたセパレータ60により挟まれて電池が構成され、各触媒層に水素、酸素等の原料ガスが供給され発電する。断面が櫛型状のセパレータ60の空洞部は、アノード54及びカソード56にそれぞれ水素ガス等のアノードガス及び空気等のカソードガスを供給するための原料供給路62,64となっている。
The
燃料電池セル50において、例えば、アノード(燃料極)54に供給するアノードガスを水素ガス、カソード(空気極)56に供給するカソードガスを空気として運転した場合、アノード54において、
2H2 → 4H++4e−
で示される反応式(水素酸化反応)を経て、水素ガス(H2)から水素イオン(H+)と電子(e−)とが発生する。電子(e−)は拡散層58から図示しない外部回路を通り、もう一方の拡散層58からカソード56側に到達する。カソード56において、供給される空気中の酸素(O2)と、電解質膜52を通過した水素イオン(H+)と、外部回路を通じてカソード56側に到達した電子(e−)とにより、
4H++O2+4e− → 2H2O
で示される反応式(酸素還元反応)を経て、水が生成する。このようにアノード54及びカソード56において化学反応が起こり、電荷が発生して電池として機能することになる。そして、一連の反応において排出される成分は水であるので、クリーンな電池が構成されることになる。
In the
2H 2 → 4H + + 4e −
Through the reaction formula (hydrogen oxidation reaction) shown in FIG. 2 , hydrogen ions (H + ) and electrons (e − ) are generated from hydrogen gas (H 2 ). Electrons (e − ) pass through an external circuit (not shown) from the
4H + + O 2 + 4e − → 2H 2 O
Water is produced through the reaction formula (oxygen reduction reaction) shown in FIG. In this way, a chemical reaction occurs in the
このような燃料電池10の通常の動作から停止動作を行うときの停止方法のフローチャートを図3に示す。まず、ステップS10で、制御部28により流路切替バルブ26が図4のようにA側に接続され、カソードガスの燃料電池10への供給が停止される。また、アノードガスの燃料電池10への供給も停止される。
FIG. 3 shows a flowchart of a stopping method when the
次に、ステップS12で、制御部28により閉塞バルブ16が閉、バルブ36が開とされる。これにより、カソードガス排出流路14は閉塞され、燃料電池10のカソード側は密閉系とされる。
Next, in step S12, the
ステップS14では、制御部28によりポンプ20の運転が継続され、密閉系とされた燃料電池10のカソード内をカソードガス(空気等)がカソード循環ガスとしてガス循環流路18を通って循環することになる。カソード循環ガスは、燃料電池10のカソード部を通過したときに上記のように電池反応により生成した生成水を同伴して、凝縮器22に流入する。凝縮器22では、カソード循環ガスに含まれる生成水が凝縮、除去される。凝縮器22において分離された水は貯水タンク38に貯留され、所定量溜ったところで排水バルブ40が開状態とされ、外部に排出される。一方、凝縮器22において含有される水が分離されたカソード循環ガスは、ドライカソードガスとして再び燃料電池10のカソード部に流入され、カソード部の生成水がさらに除去される。
In step S14, the operation of the
水分除去手段である凝縮器22としては公知の凝縮器を用いることができる。凝縮器22には、冷却水等の冷媒が通されており、熱交換によりカソード循環ガスが冷却され、含まれる水分が凝縮される。凝縮器22における冷却温度は、カソード循環ガス中の水分を凝縮することができればよく特に制限はない。燃料電池の通常の動作温度が80℃程度であることから、例えば40℃〜50℃程度に冷却すれば、カソード循環ガス中の水分を凝縮することができる。水分除去手段としては、ガス中の水分を除去することができるものであれば良く、凝縮器に限定されない。
A known condenser can be used as the
このようにアノード側への水素ガス及びカソード側への空気の供給を停止し、カソード側にカソード循環ガスとして空気を循環させた状態では、燃料電池10において、空気中の酸素の一部がカソード側からアノード側へ電解質膜を透過する。電解質膜を透過した酸素は、アノード側で残留した水素と反応し電流が発生する。したがって、カソード循環ガス中の酸素は徐々に消費されていき、カソード循環ガスは大部分が窒素、すなわち不活性ガスとなる。そこで、ステップS16では、酸素センサ42により燃料電池10の酸素量が計測される。酸素センサ42の信号が制御部28に送信され、酸素量(酸素濃度)が予め設定した基準酸素量(基準酸素濃度)以下(例えば検出限界以下)、すなわちカソード側の酸素が消失したと判断したときには、ステップS18で燃料電池の電流が停止される。電流値が上記基準酸素量以下にならない場合は、ステップS14で燃料電池の発電が継続される。
Thus, in the state where supply of hydrogen gas to the anode side and air to the cathode side is stopped and air is circulated as the cathode circulation gas to the cathode side, in the
ここでは酸素量検知手段として、酸素センサ42を使用しているが、これに限定されない。
Here, the
次に、ステップS20で、燃料電池10のカソードガス出口34付近の湿度センサ24により、カソード循環ガスの湿度が検知される。湿度値の信号が制御部28に送信され、カソード循環ガスの湿度が予め設定した値(基準湿度値)以下、すなわちカソード側の生成水が消失したと判断したときには、ステップS22で制御部28によりポンプ20が停止され、燃料電池システム1の停止が完了する。湿度が上記基準湿度値以下にならない場合は、ステップS14でカソード循環ガスの循環が継続される。基準湿度値は、燃料電池10の電池構成、燃料電池10内部の容積等に応じて決めればよい。
Next, in step S20, the humidity of the cathode circulation gas is detected by the
ここでは、燃料電池10から排出されるカソード循環ガスの湿度を検知する湿度センサにより検知した湿度に基づいて制御部28によりカソード循環ガスの循環を制御しているが、水分量検知手段としてはこれに限定されない。水分量検知手段の代わりに、カソード循環ガスを循環させた時間に基づいてカソード循環ガスの循環を制御してもよい。
Here, the circulation of the cathode circulation gas is controlled by the
燃料電池10を再び起動する場合は、制御部28により、流路切替バルブ26が図1のようにB側に接続され、閉塞バルブ16が開、バルブ36が閉の状態とされ、ポンプ20によりカソードガス供給部30からカソードガスが燃料電池10のカソード側に供給される。また、アノードガスもアノード側に供給され、電池反応が行われる。起動時には、貯水タンク38内の水がなくなるまで、排水バルブ40が開状態とされ、水が外部に排出される。貯水タンク38内の水がなくなったら、排水バルブ40が閉状態とされる。
When the
カソードにおいて生成した生成水が触媒層内部または触媒層/拡散層界面等に停滞すると、拡散層を透過して来たカソードガスの触媒への供給が妨げられる、いわゆるフラッディング現象が起こり、燃料電池の出力が低下してしまう。本実施形態では、燃料電池の停止制御時にカソード側を密閉してカソード循環ガスによりカソード側をパージし、カソードガス循環系に凝縮器を設置してカソード循環ガス中の水分を除去することにより、さらにカソード循環ガス中の残留水分量を検知してカソード循環ガスの循環を制御することにより、燃料電池内部の水分を効率的に十分に除去することができる。したがって、フラッディング現象の発生を抑制することができる。また、内部に生成水が残留したまま燃料電池を停止することがほとんどなくなるため、次回の燃料電池の起動を問題なく行うことができる。 When the produced water generated at the cathode stagnates in the catalyst layer or at the catalyst layer / diffusion layer interface, the so-called flooding phenomenon occurs in which the supply of cathode gas that has permeated the diffusion layer to the catalyst occurs. The output will drop. In this embodiment, the cathode side is sealed at the time of stop control of the fuel cell, the cathode side is purged with the cathode circulation gas, and a condenser is installed in the cathode gas circulation system to remove moisture in the cathode circulation gas, Furthermore, by detecting the amount of residual water in the cathode circulation gas and controlling the circulation of the cathode circulation gas, the water inside the fuel cell can be efficiently and sufficiently removed. Therefore, the occurrence of flooding can be suppressed. Further, since the fuel cell is hardly stopped while the generated water remains inside, the next fuel cell can be started without any problem.
また、本実施形態に係る燃料電池の停止方法では、カソードガスを循環させて燃料電池において発電させることによりカソード循環ガス中の酸素が消費され、カソード循環ガスは大部分が窒素、すなわち不活性ガスとなる。したがって、新たに不活性ガス供給手段等の設備を設けなくても燃料電池10内部を酸素をほとんど含まない不活性ガスでパージすることができる。また、カソード循環ガス中の残留酸素量を検知してカソード循環ガスの循環を制御することにより、燃料電池の触媒層の触媒あるいは触媒担体の酸化腐食を防止することができる。
Further, in the fuel cell stopping method according to this embodiment, oxygen in the cathode circulation gas is consumed by circulating the cathode gas and generating power in the fuel cell, and the cathode circulation gas is mostly nitrogen, that is, an inert gas. It becomes. Therefore, the interior of the
従来、燃料電池の停止時に、生成水を除去するためにアノードガスの供給を停止した状態で数分〜数十分間カソード側へカソードガスを供給してカソード側を乾燥させる必要があった。このとき、酸素がわずかにカソード側からアノード側へ電解質膜を透過するが、アノード側に残留水素ガスが存在する状態では酸素は即座に還元されて水となるが、水素が供給されない状態であるため水素は徐々に消費され、部分的に酸素が存在してしまう箇所が生じる。このため、アノードの電位が上昇し異常電位となりカーボンの酸化電位(約1.2mV)を超え、アノード触媒層の触媒担持体であるカーボンが酸化されCO2となり、さらに触媒が酸化腐食あるいは脱離を起こし、触媒層の劣化が生じていた。本実施形態に係る燃料電池の停止方法によれば、カソード循環ガス中の残留酸素量を検知してカソード循環ガスの循環を制御して、酸素をほとんど含まない不活性ガスでカソード側をパージするため、このような触媒層の劣化、すなわち触媒層の触媒あるいは触媒担体の酸化腐食を防止することができる。 Conventionally, when the fuel cell is stopped, it has been necessary to supply the cathode gas to the cathode side for several minutes to several tens of minutes to dry the cathode side while the supply of the anode gas is stopped in order to remove the generated water. At this time, oxygen slightly permeates the electrolyte membrane from the cathode side to the anode side, but in the state where residual hydrogen gas exists on the anode side, oxygen is immediately reduced to water, but hydrogen is not supplied. Therefore, hydrogen is gradually consumed, and a part where oxygen exists partially occurs. As a result, the anode potential rises and becomes an abnormal potential that exceeds the oxidation potential of carbon (about 1.2 mV), the carbon that is the catalyst support of the anode catalyst layer is oxidized to CO 2 , and the catalyst is oxidized or desorbed. As a result, the catalyst layer deteriorated. According to the method for stopping a fuel cell according to the present embodiment, the amount of residual oxygen in the cathode circulation gas is detected, the circulation of the cathode circulation gas is controlled, and the cathode side is purged with an inert gas containing almost no oxygen. Therefore, such deterioration of the catalyst layer, that is, oxidative corrosion of the catalyst of the catalyst layer or the catalyst carrier can be prevented.
図1及び図4に示した上記燃料電池システム1の構成は一例であり、各構成機器、例えば、各バルブ16,26,36、ポンプ20、湿度センサ34、酸素センサ42等の配置等はこれらに限定されない。また、燃料電池システム1の構成機器、すなわち、カソードガス供給流路12、カソードガス排出流路14、閉塞バルブ16、ガス循環流路18、凝縮器22、ポンプ20、湿度センサ24、流路切替バルブ26、制御部28、カソードガス供給部30、バルブ36、貯水タンク38、排水バルブ40、酸素センサ42等について、それぞれ各種の既知のタイプの装置が使用可能であり、それらのタイプ等を限定するものではない。
The configuration of the
本発明の実施形態に係る燃料電池システムの他の例の概略を図5に示し、その構成について説明する。燃料電池システム3は、図1及び図3の燃料電池システム1の構成に加えて、膨張弁44を備える。膨張弁44については、各種の既知のタイプのものが使用可能であり、それらのタイプ等を限定するものではない。
An outline of another example of the fuel cell system according to the embodiment of the present invention is shown in FIG. The fuel cell system 3 includes an
図5の燃料電池システム3において、カソードガス排出流路14により燃料電池10のカソードガス出口34にポンプ20の吸入側が接続され、ポンプ20の吐出側が閉塞バルブ16に接続されている。また、ガス循環流路18において、凝縮器22の出口側に膨張弁44が設置されている。
In the fuel cell system 3 of FIG. 5, the cathode
燃料電池システム3において、燃料電池の停止の際に、上記ステップS14でポンプ20により燃料電池10の出口側から吸引する形で、密閉系とされた燃料電池システム3内のカソードガス(空気等)がカソード循環ガスとしてガス循環流路18を通って循環されることになる。カソード循環ガスは、燃料電池10のカソード部を通過したときに電池反応により生成した生成水を同伴して、凝縮器22に流入する。凝縮器22では、カソード循環ガスに含まれる生成水が凝縮、除去される。凝縮器22において含有される水が分離されたカソード循環ガスは、膨張弁44により膨張され、減圧状態となってドライカソードガスとして再び燃料電池10のカソード部に流入される。すなわち、膨張弁44〜燃料電池10〜ポンプ20入口の間のガス循環流路18は減圧状態となっている。これにより、カソード循環ガスによるカソード部の生成水の除去をより速やかに、効率的に行うことができる。
In the fuel cell system 3, when the fuel cell is stopped, the cathode gas (air or the like) in the fuel cell system 3 in a sealed system is sucked from the outlet side of the
一方、ポンプ20出口〜凝縮器22入口の間のガス循環流路18は加圧状態となっている。これにより、この間のカソード循環ガスは温度が高くなっており、凝縮器22による冷却がされやすく、水の凝縮、除去をより効率的に行うことができる。
On the other hand, the
本実施形態に係る燃料電池システムは、例えば、携帯電話、携帯用パソコン等のモバイル機器用小型電源、自動車用電源、家庭用電源等として、特に自動車用電源、家庭用電源として好適に用いることができる。 The fuel cell system according to the present embodiment is preferably used as, for example, a small power source for mobile devices such as a mobile phone and a portable personal computer, a power source for automobiles, a household power source, etc., particularly as a power source for automobiles and a household power source. it can.
また、本実施形態に係る燃料電池の停止方法は、特に自動車用電源、家庭用電源用の燃料電池システムにおいて好適に用いることができる。 In addition, the fuel cell stopping method according to the present embodiment can be suitably used particularly in a fuel cell system for automobile power sources and household power sources.
1,3 燃料電池システム、10 燃料電池、12 カソードガス供給流路、14 カソードガス排出流路、16 閉塞バルブ、18 ガス循環流路、20 ポンプ、22 凝縮器、24 湿度センサ、26 流路切替バルブ、28 制御部、30 カソードガス供給部、32 カソードガス入口、34 カソードガス出口、36 バルブ、38 貯水タンク、40 排水バルブ、42 酸素センサ、44 膨張弁、50 燃料電池セル、52 電解質膜、54 アノード(燃料極)、56 カソード(空気極)、58 拡散層、60 セパレータ、62,64 原料供給路。
1,3 Fuel cell system, 10 Fuel cell, 12 Cathode gas supply channel, 14 Cathode gas discharge channel, 16 Block valve, 18 Gas circulation channel, 20 Pump, 22 Condenser, 24 Humidity sensor, 26
Claims (8)
前記燃料電池のカソード側を密閉する密閉手段と、
前記燃料電池から排出されるカソードガスを前記燃料電池のカソード側へカソード循環ガスとして循環させる循環手段と、
前記カソード循環ガス中の水分を除去する水分除去手段と、
前記カソード循環ガス中の水分量を検知する水分量検知手段と、
前記カソード循環ガスの循環を制御する制御手段と、
を備え、
前記燃料電池の停止時に、前記アノードガス及びカソードガスの供給が停止され、前記燃料電池のカソード側が密閉された後、前記制御手段は、前記カソード循環ガス中の水分を除去しながら前記カソード循環ガスを循環させ、前記検知した水分量に基づいて前記カソード循環ガスの循環を制御することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell that generates electricity by supplying an anode gas to the anode and a cathode gas containing oxygen to the cathode; and
Sealing means for sealing the cathode side of the fuel cell;
A circulation means for circulating the cathode gas discharged from the fuel cell as a cathode circulation gas to the cathode side of the fuel cell;
Moisture removing means for removing moisture in the cathode circulation gas;
Water content detection means for detecting the water content in the cathode circulation gas;
Control means for controlling circulation of the cathode circulation gas;
With
When the supply of the anode gas and the cathode gas is stopped when the fuel cell is stopped and the cathode side of the fuel cell is sealed, the control means removes the water in the cathode circulation gas while the cathode circulation gas is removed. And the circulation of the cathode circulation gas is controlled based on the detected water content.
前記制御手段は、前記燃料電池の停止時に、前記検知した水分量が予め設定した基準水分量以下となったときに前記カソード循環ガスの循環を停止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 1,
The control means stops the circulation of the cathode circulation gas when the detected moisture amount becomes equal to or less than a preset reference moisture amount when the fuel cell is stopped.
前記カソード循環ガス中の酸素量を検知する酸素量検知手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記燃料電池の停止時に、前記検知した水分量及び酸素量に基づいて前記カソード循環ガスの循環を制御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 1,
An oxygen amount detecting means for detecting the amount of oxygen in the cathode circulation gas;
The control means controls the circulation of the cathode circulation gas based on the detected water content and oxygen content when the fuel cell is stopped.
前記制御手段は、前記燃料電池の停止時に、前記検知した水分量及び酸素量がそれぞれ予め設定した基準水分量以下及び基準酸素量以下となったときに前記カソード循環ガスの循環を停止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 3,
The control means stops the circulation of the cathode circulation gas when the detected water amount and oxygen amount are equal to or less than a preset reference moisture amount and a reference oxygen amount, respectively, when the fuel cell is stopped. A fuel cell system.
前記カソードガス及びアノードガスの供給を停止するステップと、
前記燃料電池のカソード側を密閉するステップと、
前記燃料電池から排出されるカソードガスを前記燃料電池のカソード側へカソード循環ガスとして循環させながら、前記カソード循環ガス中の水分を除去するステップと、
前記カソード循環ガス中の水分量を検知し、前記検知した水分量に基づいて前記カソード循環ガスの循環を制御するステップと、
を含むことを特徴とする燃料電池の停止方法。 A method for stopping a fuel cell that generates electricity by supplying an anode gas to an anode and a cathode gas containing oxygen to the cathode,
Stopping the supply of the cathode gas and the anode gas;
Sealing the cathode side of the fuel cell;
Removing the moisture in the cathode circulation gas while circulating the cathode gas discharged from the fuel cell as a cathode circulation gas to the cathode side of the fuel cell;
Detecting the amount of water in the cathode circulation gas, and controlling the circulation of the cathode circulation gas based on the detected amount of water;
A method for stopping a fuel cell, comprising:
前記制御するステップにおいて、前記検知した水分量が予め設定した基準水分量以下となったときに前記カソード循環ガスの循環を停止することを特徴とする燃料電池の停止方法。 A fuel cell stopping method according to claim 5,
The method of stopping a fuel cell, wherein, in the controlling step, the circulation of the cathode circulation gas is stopped when the detected moisture amount becomes equal to or less than a preset reference moisture amount.
前記制御するステップにおいて、前記カソード循環ガス中の酸素量を検知し、前記検知した水分量及び酸素量に基づいて前記カソード循環ガスの循環を制御することを特徴とする燃料電池の停止方法。 A fuel cell stopping method according to claim 5,
In the controlling step, the amount of oxygen in the cathode circulation gas is detected, and the circulation of the cathode circulation gas is controlled based on the detected moisture amount and oxygen amount.
前記制御するステップにおいて、前記検知した水分量及び酸素量がそれぞれ予め設定した基準水分量以下及び基準酸素量以下となったときに前記カソード循環ガスの循環を停止することを特徴とする燃料電池の停止方法。 A method for stopping a fuel cell according to claim 7,
In the control step, the cathode circulation gas circulation is stopped when the detected water amount and oxygen amount are equal to or less than a preset reference moisture amount and a reference oxygen amount, respectively. How to stop.
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