JP2009123512A - Fuel cell system and scavenging method of fuel cell stack - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池スタックの掃気方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell system and a scavenging method for a fuel cell stack.
燃料電池は、一般的には水素及び酸素を燃料として電気エネルギーを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れかつ高いエネルギー効率を実現できることから、今後のエネルギー供給システムとして広く開発が進められてきている。 A fuel cell is a device that generally obtains electric energy using hydrogen and oxygen as fuel. Since this fuel cell is excellent in terms of environment and can realize high energy efficiency, it has been widely developed as a future energy supply system.
この燃料電池においては発電に伴って水が生成されることから、燃料電池の残留水を排出するために掃気ガスを反応ガス流路に供給する技術が提案されている。しかしながら、固体高分子型の電解質膜においては、過剰な乾燥を抑制する必要がある。したがって、燃料電池の停止時に、燃料電池に所定の低負荷運転させた状態で掃気処理を行い、電解質膜の過剰な乾燥を抑制する技術が開示されている(例えば、特許文献1参照)。 In this fuel cell, since water is generated with power generation, a technique for supplying scavenging gas to the reaction gas flow path in order to discharge residual water of the fuel cell has been proposed. However, it is necessary to suppress excessive drying in the polymer electrolyte membrane. Therefore, a technique is disclosed in which scavenging treatment is performed in a state where the fuel cell is operated at a predetermined low load when the fuel cell is stopped to suppress excessive drying of the electrolyte membrane (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、特許文献1の技術では燃料電池のドライアップが検出されたときに掃気処理が終了することから、電解質膜が乾燥しすぎることがある。
However, since the scavenging process ends when the dry-up of the fuel cell is detected in the technique of
本発明は、掃気処理を行うことができるとともに電解質膜の過度の乾燥を抑制することができる燃料電池システムおよび燃料電池スタックの掃気方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a fuel cell system and a fuel cell stack scavenging method capable of performing scavenging treatment and suppressing excessive drying of an electrolyte membrane.
本発明に係る燃料電池システムは、反応ガス流路を備えたセルが1以上積層された燃料電池スタックと、反応ガス流路に掃気ガスを供給する掃気手段と、燃料電池スタックの発電電流を制御する電流制御手段と、を備え、電流制御手段は、掃気手段によって掃気ガスが反応ガス流路に供給される際にセルの電解質膜の含水率が所定値以上に保たれるように発電電流を制御することを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池システムにおいては、反応ガス流路の掃気処理を行うことができるとともに電解質膜の過度の乾燥を抑制することができる。 A fuel cell system according to the present invention controls a fuel cell stack in which one or more cells each having a reaction gas channel are stacked, a scavenging means for supplying a scavenging gas to the reaction gas channel, and a power generation current of the fuel cell stack Current control means, and when the scavenging gas is supplied to the reaction gas flow path by the scavenging means, the current control means controls the generated current so that the moisture content of the electrolyte membrane of the cell is maintained at a predetermined value or more. It is characterized by controlling. In the fuel cell system according to the present invention, it is possible to perform the scavenging process of the reaction gas flow path and suppress excessive drying of the electrolyte membrane.
電流制御手段は、電解質膜の含水率に応じて発電電流を変化させてもよい。また、掃気手段は、電解質膜の含水率に応じて掃気ガスの供給量を変化させてもよい。さらに、電流制御手段は、電解質膜の含水率が所定範囲内に収まるように発電電流を制御してもよい。この場合、電解質膜の含水率を所望値に制御することができる。 The current control means may change the generated current according to the moisture content of the electrolyte membrane. Further, the scavenging means may change the supply amount of the scavenging gas in accordance with the moisture content of the electrolyte membrane. Further, the current control means may control the generated current so that the moisture content of the electrolyte membrane is within a predetermined range. In this case, the moisture content of the electrolyte membrane can be controlled to a desired value.
電流制御手段は、掃気手段による掃気ガスの供給開始後、電解質膜の含水率が所定値以下になってから燃料電池スタックに発電させてもよい。この場合、電解質膜の乾燥が開始するまでは水分が流路へ排出されない。したがって、反応ガス流路の掃気効率が向上する。 The current control means may cause the fuel cell stack to generate electric power after the moisture content of the electrolyte membrane becomes a predetermined value or less after the supply of the scavenging gas by the scavenging means. In this case, moisture is not discharged into the flow path until the electrolyte membrane starts to dry. Therefore, the scavenging efficiency of the reaction gas channel is improved.
掃気手段は、電解質膜の含水率の低下率が所定値以下になった場合に、掃気ガスの供給を停止してもよい。この場合、水分の排出量と水分の生成量とが平衡してから掃気が終了する。したがって、電解質膜の含水率を所望値に制御することができる。 The scavenging means may stop the supply of the scavenging gas when the rate of decrease in the moisture content of the electrolyte membrane becomes a predetermined value or less. In this case, scavenging is finished after the amount of water discharged and the amount of water generated are balanced. Therefore, the moisture content of the electrolyte membrane can be controlled to a desired value.
本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池スタックの抵抗の単位時間あたりの変化量を検出する検出手段をさらに備え、掃気手段は、燃料電池スタックの抵抗の単位時間あたりの変化量が所定値以下になったときに掃気ガスの供給を停止してもよい。この場合、水分の排出量と水分の生成量とが平衡してから掃気が終了する。したがって、電解質膜の含水率を所望値に制御することができる。なお、セルは、固体高分子型燃料電池であってもよい。 The fuel cell system according to the present invention further includes detection means for detecting a change amount per unit time of the resistance of the fuel cell stack, and the scavenging means has a change amount per unit time of the resistance of the fuel cell stack equal to or less than a predetermined value. The scavenging gas supply may be stopped when In this case, scavenging is finished after the amount of water discharged and the amount of water generated are balanced. Therefore, the moisture content of the electrolyte membrane can be controlled to a desired value. The cell may be a polymer electrolyte fuel cell.
本発明に係る燃料電池スタックの掃気方法は、反応ガス流路を備えたセルが1以上積層された燃料電池スタックの反応ガス流路に掃気ガスを供給する掃気ステップと、掃気ガスが反応ガス流路に供給される際にセルの電解質膜の含水率が所定値以上に保たれるように燃料電池スタックの発電電流を制御する電流制御ステップと、を含むことを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池スタックの掃気方法においては、反応ガス流路の掃気処理を行うことができるとともに電解質膜の過度の乾燥を抑制することができる。 A scavenging method for a fuel cell stack according to the present invention includes a scavenging step for supplying a scavenging gas to a reaction gas channel of a fuel cell stack in which one or more cells each having a reaction gas channel are stacked; And a current control step of controlling the power generation current of the fuel cell stack so that the moisture content of the electrolyte membrane of the cell is maintained at a predetermined value or higher when supplied to the path. In the scavenging method for a fuel cell stack according to the present invention, it is possible to perform a scavenging process for the reaction gas flow path and to suppress excessive drying of the electrolyte membrane.
電流制御ステップにおいて、電解質膜の含水率に応じて発電電流を変化させてもよい。また、掃気ステップにおいて、電解質膜の含水率に応じて掃気ガスの供給量を変化させてもよい。さらに、電流制御ステップにおいて、電解質膜の含水率が所定範囲内に収まるように発電電流を制御してもよい。この場合、電解質膜の含水率を所望値に制御することができる。 In the current control step, the generated current may be changed according to the moisture content of the electrolyte membrane. In the scavenging step, the supply amount of the scavenging gas may be changed according to the moisture content of the electrolyte membrane. Further, in the current control step, the generated current may be controlled so that the moisture content of the electrolyte membrane is within a predetermined range. In this case, the moisture content of the electrolyte membrane can be controlled to a desired value.
電流制御ステップにおいて、掃気ガスの供給開始後、電解質膜の含水率が所定値以下になってから燃料電池スタックに発電させてもよい。この場合、電解質膜の乾燥が開始するまでは水分が生成されない。したがって、反応ガス流路の掃気効率が向上する。 In the current control step, after the supply of the scavenging gas is started, the fuel cell stack may generate power after the moisture content of the electrolyte membrane has become a predetermined value or less. In this case, moisture is not generated until the drying of the electrolyte membrane starts. Therefore, the scavenging efficiency of the reaction gas channel is improved.
本発明に係る燃料電池スタックの掃気方法は、電解質膜の含水率の低下率が所定値以下になった場合に、掃気ガスの供給を停止する停止ステップをさらに含んでいてもよい。この場合、水分の排出量と水分の生成量とが平衡してから掃気が終了する。したがって、電解質膜の含水率を所望値に制御することができる。 The scavenging method of the fuel cell stack according to the present invention may further include a stop step of stopping the supply of the scavenging gas when the rate of decrease in the moisture content of the electrolyte membrane becomes a predetermined value or less. In this case, scavenging is finished after the amount of water discharged and the amount of water generated are balanced. Therefore, the moisture content of the electrolyte membrane can be controlled to a desired value.
本発明に係る燃料電池スタックの掃気方法は、燃料電池スタックの抵抗の単位時間あたりの変化量を検出する検出ステップをさらに含み、停止ステップは、燃料電池スタックの抵抗の単位時間あたりの変化量が所定値以下になったときに掃気ガスの供給を停止するステップであってもよい。この場合、水分の排出量と水分の生成量とが平衡してから掃気が終了する。したがって、電解質膜の含水率を所望値に制御することができる。なお、セルは、固体高分子型燃料電池であってもよい。なお、セルは、固体高分子型燃料電池であってもよい。 The scavenging method of the fuel cell stack according to the present invention further includes a detection step of detecting a change amount per unit time of the resistance of the fuel cell stack, and the stop step includes a change amount per unit time of the resistance of the fuel cell stack. It may be a step of stopping the supply of the scavenging gas when it becomes a predetermined value or less. In this case, scavenging is finished after the amount of water discharged and the amount of water generated are balanced. Therefore, the moisture content of the electrolyte membrane can be controlled to a desired value. The cell may be a polymer electrolyte fuel cell. The cell may be a polymer electrolyte fuel cell.
本発明によれば、掃気処理を行うことができるとともに電解質膜の過度の乾燥を抑制することができる。 According to the present invention, scavenging treatment can be performed and excessive drying of the electrolyte membrane can be suppressed.
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described.
図1は、本発明の第1実施例に係る燃料電池システム100の全体構成を示す模式図である。図1に示すように、燃料電池システム100は、燃料ガス供給手段10、掃気手段20、酸化剤ガス供給手段30、燃料電池スタック40、負荷50、スイッチ51、電流計52、抵抗計53および制御手段60を備える。
FIG. 1 is a schematic diagram showing an overall configuration of a
燃料ガス供給手段10は、制御手段60の指示に従って、燃料電池スタック40の燃料ガス流路に燃料ガスを供給する装置である。燃料ガスとしては、例えば水素ガスを用いることができる。掃気手段20は、制御手段60の指示に従って、燃料電池スタック40の燃料ガス流路および酸化剤ガス流路に掃気ガスを供給する装置である。掃気ガスとしては、例えば不活性ガス等を用いることができる。酸化剤ガス供給手段30は、燃料電池スタック40の酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給する装置である。酸化剤ガスとしては、エア等を用いることができる。
The fuel gas supply means 10 is an apparatus that supplies fuel gas to the fuel gas flow path of the
燃料電池スタック40は、1以上のセル41が積層された構造を有する。本実施例においては、セル41は、固体高分子型の燃料電池である。セル41の詳細は後述する。負荷50は、燃料電池スタック40において発生した電力を消費する装置である。負荷50は、制御手段60の指示に従って、電力消費量を変化させる。スイッチ51は、制御手段60の指示に従って、負荷50への電力供給をオンオフさせる装置である。電流計52は、燃料電池スタック40の発電電流を検出するセンサであり、その検出結果を制御手段60に与える。抵抗計53は、燃料電池スタック40のセル抵抗を検出するセンサであり、その検出結果を制御手段60に与える。抵抗計53は、特定のセル41のセル抵抗を検出してもよく、複数のセル41の総セル抵抗を検出してもよい。
The
制御手段60は、CPU(中央演算処理装置)、ROM(リードオンリメモリ)、RAM(ランダムアクセスメモリ)等から構成される。制御手段60は、電流計52および抵抗計53の検出結果に基づいて、燃料電池システム100の各部を制御する。
The control means 60 comprises a CPU (Central Processing Unit), ROM (Read Only Memory), RAM (Random Access Memory) and the like. The control means 60 controls each part of the
次に、セル41の詳細について説明する。図2は、セル41の模式的断面図である。図2に示すように、セル41はセパレータ1、燃料極2、電解質膜3、酸素極4およびセパレータ5が順に積層された構造を有する。セパレータ1,5は、ステンレス等の導電性材料から構成される。セパレータ1の燃料極2側およびセパレータ5の酸素極4側には、溝部が設けられている。セパレータ1の溝部は、燃料ガス流路1aとして機能する。セパレータ5の溝部は、酸化剤ガス流路5aとして機能する。なお、燃料ガス流路1aおよび酸化剤ガス流路5aは、セパレータとガス拡散層との間に設けられた多孔体流路であってもよい。
Next, details of the
燃料極2は、燃料ガス拡散層2aおよびアノード触媒層2bを備える。燃料ガス拡散層2aはセパレータ1側に配置され、アノード触媒層2bは電解質膜3側に配置されている。燃料ガス拡散層2aは、燃料ガスをアノード触媒層2bへ透過させるための層であり、導電性を有する。燃料ガス拡散層2aは、例えばカーボンペーパ等からなる。アノード触媒層2bは、水素のプロトン化を促進する触媒層であり、導電性を有する。アノード触媒層2bは、例えば、白金担持カーボンからなる。
The
酸素極4は、酸化剤ガス拡散層4aおよびカソード触媒層4bを備える。酸化剤ガス拡散層4aはセパレータ5側に配置され、カソード触媒層4bは電解質膜3側に配置されている。酸化剤ガス拡散層4aは、酸化剤ガスをカソード触媒層4bへ透過させるための層であり、導電性を有する。酸化剤ガス拡散層4aは、例えばカーボンペーパ等からなる。カソード触媒層4bは、プロトンと酸素との反応を促進する触媒層であり、導電性を有する。カソード触媒層4bは、例えば、白金担持カーボンからなる。電解質膜3は、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質からなり、例えばパーフルオロスルフォン酸型ポリマーからなる。
The oxygen electrode 4 includes an oxidant
続いて、図1および図2を参照しつつ、制御手段60による燃料電池スタック40の発電制御について説明する。まず、制御手段60は、スイッチ51がオンされるようにスイッチ51を制御する。次に、制御手段60は、燃料ガス流路1aに燃料ガスが供給されるように、燃料ガス供給手段10を制御する。この燃料ガスは、燃料ガス拡散層2aを透過してアノード触媒層2bに到達する。燃料ガスに含まれる水素は、アノード触媒層2bの触媒を介してプロトンと電子とに解離する。プロトンは、電解質膜3を伝導してカソード触媒層4bに到達する。
Next, power generation control of the
また、制御手段60は、酸化剤ガス流路5aに酸化剤ガスが供給されるように、酸化剤ガス供給手段30を制御する。この酸化剤ガスは、酸化剤ガス拡散層4aを透過してカソード触媒層4bに到達する。カソード触媒層4bにおいては、触媒を介してプロトンと酸素とが反応する。それにより、電力が発生するとともに、水が生成される。発生した電力は、負荷50において消費される。
The control means 60 controls the oxidant gas supply means 30 so that the oxidant gas is supplied to the oxidant
次に、図1および図2を参照しつつ、制御手段60による掃気制御について説明する。掃気制御は、発電を停止する場合に行われる。まず、制御手段60は、燃料ガス流路1aおよび酸化剤ガス流路5aに掃気ガスが供給されるように、掃気手段20を制御する。この場合、燃料ガス流路1a、燃料ガス拡散層2a、酸化剤ガス流路5aおよび酸化剤ガス拡散層4aの水分が除去されるとともに、セル41の電解質膜3に含まれる水分が除去される。
Next, scavenging control by the control means 60 will be described with reference to FIGS. 1 and 2. Scavenging control is performed when power generation is stopped. First, the control means 60 controls the scavenging means 20 so that the scavenging gas is supplied to the fuel
一方、制御手段60は、上記発電制御に従って、燃料電池スタック40に発電を行わせる。この場合、発電によって生じた所定量の水分は、電解質膜3に供給される。したがって、掃気ガス量と発電電流値とを適切に制御することによって、燃料ガス流路1a、燃料ガス拡散層2a、酸化剤ガス流路5aおよび酸化剤ガス拡散層4aに滞留する水分を除去することができるとともに、電解質膜3の過度の乾燥を抑制することができる。その結果、氷点下等の低温起動時に酸化剤ガスおよび燃料ガスを各セル41に効率よく供給することができるとともに、起動時におけるセル41の出力を確保することができる。
On the other hand, the control means 60 causes the
本実施例においては、制御手段60は、電流計52の検出結果に基づいて、電解質膜3の含水率が所定値以上に保たれるように燃料電池スタック40の発電電流を制御する。燃料電池スタック40の発電電流は、負荷50の電力消費量を制御することによって制御することができる。また、本実施例においては、抵抗計53の検出結果に基づいて、電解質膜3の含水率を推定または算出することができる。電解質膜3の含水率とセル41のセル抵抗との間に、含水率が増加するとセル抵抗が低下しかつ含水率が低下するとセル抵抗が増加する相関関係があるからである。
In the present embodiment, the control means 60 controls the generated current of the
図3に、セル41のセル抵抗の変化について一例を示す。図3は、掃気時間とセル41のセル抵抗との関係について示す図である。図3において、横軸は掃気開始後の経過時間を示し、縦軸は燃料電池スタック40全体のセル抵抗を示す。図3に示すように、掃気開始後の所定の期間においては、セル抵抗は低い値を維持する。この期間には、燃料ガス流路1a、燃料ガス拡散層2a、酸化剤ガス流路5aおよび酸化剤ガス拡散層4aに滞留する水分が排出されていると考えられる。
FIG. 3 shows an example of the change in cell resistance of the
その後、セル抵抗は時間の経過とともに増加する。この期間においては、電解質膜3から水分が排出されて電解質膜3の含水率が低下していると考えられる。その後、燃料電池スタック40が発電をしていなければセル抵抗は継続して増加するが、本実施例においてはセル抵抗は所定値に収束する。これは、発電に伴う水の生成量と電解質膜3からの水分の排出量とが平衡するからであると考えられる。したがって、電解質膜3の含水率が所定値に保たれていると考えられる。制御手段60は、セル抵抗が収束した後にスイッチ51がオフされるようにスイッチ51を制御するとともに、掃気ガスの供給が停止されるように掃気手段20を制御してもよい。なお、制御手段60は、電解質膜3の含水率が所望の範囲内に収まるように燃料電池スタック40の発電電流を制御してもよい。この場合、電解質膜3の含水率を所望の値に制御することができる。
Thereafter, the cell resistance increases with time. In this period, it is considered that moisture is discharged from the
上記のように、発電を継続することによって、燃料電池スタック40の総セル抵抗は収束する。この場合、各セル41のセル抵抗も収束する。それにより、燃料電池スタック40にセル41が複数積層されている場合において、各セル41間のセル抵抗のばらつきを抑制することができる。なお、セル抵抗の収束値は、掃気開始前の各電解質膜3の含水率にかかわらず一定となる。また、セル抵抗の収束値は、掃気時の発電電流の大きさに応じて変化する。したがって、掃気時の発電電流を制御することによって、各セル41のセル抵抗を所望の値に制御することができる。また、各電解質膜3の各部の含水率が収束する。それにより、各セル41における抵抗分布のばらつきを抑制することができる。その結果、各セル41における発電分布にばらつきが発生することが抑制される。
As described above, the total cell resistance of the
なお、制御手段60は、掃気開始後、セル抵抗が所定値よりも大きくなるまで燃料電池スタック40の発電が停止されるようにスイッチ51を制御してもよい。この場合の所定値とは、例えば図3においてセル抵抗の増加が開始する抵抗R1あたりに設定してもよい。この場合、電解質膜3の乾燥が開始するまでは発電による水生成が行われない。したがって、燃料ガス流路1a、燃料ガス拡散層2a、酸化剤ガス流路5aおよび酸化剤ガス拡散層4aに滞留する水分の排出が効率よく行われる。したがって、掃気効率が向上する。
Note that the control means 60 may control the
また、制御手段60は、電解質膜3の含水率(セル41のセル抵抗)に応じて燃料電池スタック40の発電電流を変化させてもよい。例えば、電解質膜3の含水率が大きい場合には燃料電池スタック40の発電電流を小さく設定し、電解質膜3の含水率が小さくなった場合には燃料電池スタック40の発電電流を大きく設定してもよい。この場合、電解質膜3の含水率を大きく変化させることなく所望値に制御することができる。
Further, the control means 60 may change the generated current of the
また、制御手段60は、電解質膜3の含水率(セル41のセル抵抗)に応じて掃気手段20による掃気ガスの供給量を変化させてもよい。例えば、電解質膜3の含水率が大きい場合には掃気ガスの供給量を大きく設定し、電解質膜3の含水率が小さくなった場合には掃気ガスの供給量を小さく変化させてもよい。この場合、電解質膜3の含水率を大きく変化させることなく所望値に制御することができる。
Further, the control means 60 may change the amount of scavenging gas supplied by the scavenging means 20 in accordance with the moisture content of the electrolyte membrane 3 (cell resistance of the cell 41). For example, when the moisture content of the
さらに、制御手段60は、電解質膜3の含水率の低下率が所定値以下になった場合に掃気を終了してもよい。本実施例においては、制御手段60は、セル抵抗の単位時間あたりの増加量が所定値以下になった場合に掃気を終了する。図4は、セル抵抗の単位時間あたりの変化を示す図である。図4において、横軸は掃気開始後の経過時間を示し、左側の縦軸は燃料電池スタック40の総セル抵抗を示し、右側の縦軸は燃料電池スタック40の総セル抵抗を時間で微分した変数(dR/dt)を示す。図4に示すように、掃気開始後の所定期間においては、セル抵抗はほとんど変化しない。したがって、dR/dtはほぼゼロである。
Further, the control means 60 may end the scavenging when the rate of decrease in the moisture content of the
その後、時間の経過とともにセル抵抗が増加する。したがって、dR/dtも大きくなる。しかしながら、その後、セル抵抗の増加幅が低下する。この場合、dR/dtは小さくなる。さらにその後、セル抵抗は所定値に収束する。したがって、dR/dtは再度ほぼゼロになる。 Thereafter, the cell resistance increases with time. Therefore, dR / dt also increases. However, after that, the increase in cell resistance decreases. In this case, dR / dt becomes small. Thereafter, the cell resistance converges to a predetermined value. Therefore, dR / dt becomes almost zero again.
例えば、制御手段60は、dR/dtが所定値よりも大きくなった後に所定値よりも小さくなった際に、掃気ガスの供給を停止するように掃気手段20を制御してもよい。この場合、電解質膜3の含水率が所望値となってから掃気を終了することができる。
For example, the control means 60 may control the scavenging means 20 to stop the supply of the scavenging gas when dR / dt becomes smaller than the predetermined value after becoming larger than the predetermined value. In this case, scavenging can be terminated after the moisture content of the
なお、制御手段60は、dR/dtに応じて燃料電池スタック40の発電電流を変化させてもよい。例えば、掃気開始後、dR/dtが小さい場合には燃料電池スタック40の発電電流を小さく設定し、dR/dtが大きくなった場合には燃料電池スタック40の発電電流を大きく設定してもよい。この場合、電解質膜3の含水率を大きく変化させることなく所望値に制御することができる。
The control means 60 may change the generated current of the
続いて、図5に、制御手段60による掃気制御のフローチャートの一例を示す。制御手段60は、図5のフローチャートを所定周期で実行する。まず、制御手段60は、燃料ガス流路1aおよび酸化剤ガス流路5aに掃気ガスが供給されるように、掃気手段20を制御する。(ステップS1)。
Next, FIG. 5 shows an example of a flowchart of the scavenging control by the control means 60. The control means 60 executes the flowchart of FIG. 5 at a predetermined cycle. First, the control means 60 controls the scavenging means 20 so that the scavenging gas is supplied to the fuel
次に、制御手段60は、セル抵抗Rが抵抗R1よりも小さくかつdR/dtが所定値Aよりも大きいか否かを判定する(ステップS2)。セル抵抗Rは、抵抗計53の検出結果から得られる。抵抗R1は、例えば図3に示すR1である。所定値Aは、電解質膜3の含水率が過度に低下しない範囲で設定することができる。ステップS2においてセル抵抗Rが抵抗R1よりも小さくかつdR/dtが所定値Aよりも大きいと判定されなかった場合、制御手段60は、フローチャートの実行を終了する。この場合、掃気が継続される。なお、この場合、制御手段60は、フローチャートの実行を終了せずに再度ステップS2を実行してもよい。
Next, the control means 60 determines whether or not the cell resistance R is smaller than the resistance R1 and dR / dt is larger than a predetermined value A (step S2). The cell resistance R is obtained from the detection result of the
ステップS2においてセル抵抗Rが抵抗R1よりも小さくかつdR/dtが所定値Aよりも大きいと判定された場合、制御手段60は、燃料電池スタック40の発電電流Iが所定値Bとなるように、燃料ガス供給手段10、酸化剤ガス供給手段30、スイッチ51および負荷50を制御する(ステップS3)。この所定値Bは、電解質膜3の目標含水率に応じて設定することができる。次に、制御手段60は、掃気継続フラグFを「1」に設定する(ステップS4)。
When it is determined in step S2 that the cell resistance R is smaller than the resistance R1 and dR / dt is larger than the predetermined value A, the control means 60 makes the generated current I of the
次いで、制御手段60は、掃気継続フラグF=1かつdR/dtが所定値Cよりも小さいか否かを判定する(ステップS5)。この所定値Cは、dR/dtの最大値よりも小さい範囲で設定することができる。ステップS5において掃気継続フラグF=1かつdR/dtが所定値Cよりも小さいと判定されなかった場合、制御手段60は、ステップS4を再度実行する。それにより、掃気および発電が継続される。 Next, the control means 60 determines whether or not the scavenging continuation flag F = 1 and dR / dt is smaller than a predetermined value C (step S5). The predetermined value C can be set in a range smaller than the maximum value of dR / dt. If it is not determined in step S5 that the scavenging continuation flag F = 1 and dR / dt is smaller than the predetermined value C, the control means 60 executes step S4 again. Thereby, scavenging and power generation are continued.
ステップS5において掃気継続フラグF=1かつdR/dtが所定値Cよりも小さいと判定された場合、制御手段60は、スイッチ51がオフとなるようにスイッチ51を制御するとともに、燃料ガスの供給および酸化剤ガスの供給が停止されるように、燃料ガス供給手段10および酸化剤ガス供給手段30を制御する。また、制御手段60は、掃気ガスの供給が停止されるように、掃気手段20を制御する(ステップS6)。その後、制御手段60は、フローチャートの実行を終了する。
When it is determined in step S5 that the scavenging continuation flag F = 1 and dR / dt is smaller than the predetermined value C, the control means 60 controls the
このように図5のフローチャートを実行することにより、掃気処理を行うことができるとともに電解質膜3の過度の乾燥を抑制することができる。
Thus, by performing the flowchart of FIG. 5, scavenging processing can be performed and excessive drying of the
本実施例においては、燃料ガス流路1aおよび酸化剤ガス流路5aが反応ガス流路に相当し、燃料ガス供給手段10、酸化剤ガス供給手段30、負荷50、スイッチ51および制御手段60が電流制御手段に相当し、抵抗計53および制御手段60が検出手段に相当し、ステップS1が掃気ステップに相当し、ステップS3が電流制御ステップに相当し、ステップS6が停止ステップに相当し、ステップS2が検出ステップに相当する。
In this embodiment, the
1a 燃料ガス流路
5a 酸化剤ガス流路
3 電解質膜
10 燃料ガス供給手段
20 掃気手段
30 酸化剤ガス供給手段
40 燃料電池スタック
41 セル
50 負荷
51 スイッチ
52 電流計
53 抵抗計
60 制御手段
100 燃料電池システム
DESCRIPTION OF
Claims (16)
前記反応ガス流路に掃気ガスを供給する掃気手段と、
前記燃料電池スタックの発電電流を制御する電流制御手段と、を備え、
前記電流制御手段は、前記掃気手段によって前記掃気ガスが前記反応ガス流路に供給される際に、前記セルの電解質膜の含水率が所定値以上に保たれるように前記発電電流を制御することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell stack in which one or more cells each having a reaction gas flow path are stacked;
Scavenging means for supplying a scavenging gas to the reaction gas flow path;
Current control means for controlling the generated current of the fuel cell stack,
The current control means controls the generated current so that the moisture content of the electrolyte membrane of the cell is maintained at a predetermined value or more when the scavenging gas is supplied to the reaction gas flow path by the scavenging means. A fuel cell system.
前記掃気手段は、前記燃料電池スタックの抵抗の単位時間あたりの変化量が所定値以下になったときに、前記掃気ガスの供給を停止することを特徴とする請求項6記載の燃料電池システム。 A detecting means for detecting a change amount per unit time of the resistance of the fuel cell stack;
7. The fuel cell system according to claim 6, wherein the scavenging means stops the supply of the scavenging gas when the amount of change per unit time in resistance of the fuel cell stack becomes a predetermined value or less.
前記掃気ガスが前記反応ガス流路に供給される際に、前記セルの電解質膜の含水率が所定値以上に保たれるように前記燃料電池スタックの発電電流を制御する電流制御ステップと、を含むことを特徴とする燃料電池スタックの掃気方法。 A scavenging step of supplying a scavenging gas to the reaction gas channel of the fuel cell stack in which one or more cells having the reaction gas channel are stacked;
A current control step of controlling the power generation current of the fuel cell stack so that the moisture content of the electrolyte membrane of the cell is maintained at a predetermined value or more when the scavenging gas is supplied to the reaction gas flow path; A scavenging method for a fuel cell stack, comprising:
前記停止ステップは、前記燃料電池スタックの抵抗の単位時間あたりの変化量が所定値以下になったときに、前記掃気ガスの供給を停止するステップであることを特徴とする請求項14記載の燃料電池スタックの掃気方法。 A detection step of detecting a change amount per unit time of the resistance of the fuel cell stack;
15. The fuel according to claim 14, wherein the stopping step is a step of stopping the supply of the scavenging gas when an amount of change per unit time in resistance of the fuel cell stack becomes a predetermined value or less. Battery stack scavenging method.
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