JP2008004337A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムに係り、特に、システムの停止時に実行される停止制御に関する。 The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to stop control executed when the system is stopped.
従来より、燃料極に燃料ガス（例えば、水素）を供給し、酸化剤極に酸化剤ガス（例えば、空気）を供給することにより、これらのガスを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池を備える燃料電池システムが知られている。この類の燃料電池システムでは、システム起動時に、酸化剤極および燃料極の両者に空気が存在している場合、燃料極側に存在する空気と新たに供給される水素との境界面である水素フロントの存在によって燃料電池が劣化してしまう可能性がある。具体的には、燃料極側において水素フロントが存在する場合、燃料極側のうち水素が存在しない領域と対峙する酸化剤極側において、以下の反応が生じる。 Conventionally, a fuel gas (for example, hydrogen) is supplied to the fuel electrode, and an oxidant gas (for example, air) is supplied to the oxidant electrode, whereby these gases are reacted electrochemically to generate power. A fuel cell system including a battery is known. In this type of fuel cell system, when air is present in both the oxidant electrode and the fuel electrode at the time of system startup, the hydrogen that is the interface between the air present on the fuel electrode side and newly supplied hydrogen The presence of the front may cause the fuel cell to deteriorate. Specifically, when the hydrogen front exists on the fuel electrode side, the following reaction occurs on the oxidant electrode side facing the region where no hydrogen exists on the fuel electrode side.
Ｃ＋２Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−
この反応により、白金等の触媒を担持しているカーボン担体の腐食が起こり、燃料電池を劣化させてしまう。そのため、このような劣化を抑制した種々の起動手法が開発されているが、起動時の劣化の原因が酸化剤極および燃料極の両者に空気が存在していることという点に鑑みれば、停止時に何らかの処置を行うことにより、起動時の劣化を抑制することも考えられる。
C + 2H 2 O → CO 2 + 4H + + 4e −
This reaction causes corrosion of the carbon carrier carrying a catalyst such as platinum, thereby deteriorating the fuel cell. For this reason, various start-up methods that suppress such deterioration have been developed. However, in view of the fact that the cause of deterioration during start-up is air in both the oxidizer electrode and the fuel electrode, stop It is also conceivable to suppress deterioration at startup by taking some measures at times.
例えば、特許文献１には、燃料電池の停止方法が開示されている。かかる方法では、燃料電池と接続する負荷の接続を解除し、酸化剤極への空気の流れを停止し、燃料電池内の酸素と水素を反応させることにより、酸素が燃料極と酸化剤極の中に残らなくなり、かつ、燃料極と酸化剤極の中の気体組成が少なくとも０．０００１％の水素と残部の燃料電池不活性ガスとから成る平衡気体組成に達するまで、酸化剤極の中に残っている酸素の濃度を低下させ、かつ、燃料電池内の水素の濃度を上昇させる。そして、平衡気体組成に到達すると、システムが停止されている間、少なくとも０．０００１％の水素と残部の燃料電池不活性ガスとから成る気体組成が維持される。
しかしながら特許文献１に開示された手法によれば、停止中に燃料電池を所定の水素濃度に維持する必要があるため、停止時に煩雑な処理が必要となる。また、負荷の接続を解除した後に、補助負荷を接続することにより、酸素と水素との消費を行っているため、補助負荷に接続するまでに電流を取り出さない期間が生じる。そのため、燃料電池の電圧が上昇し、高電位による燃料電池の劣化が懸念される。 However, according to the method disclosed in Patent Document 1, since it is necessary to maintain the fuel cell at a predetermined hydrogen concentration during the stop, complicated processing is required during the stop. Further, since oxygen and hydrogen are consumed by connecting the auxiliary load after the connection of the load is disconnected, a period in which no current is taken out before connection to the auxiliary load occurs. Therefore, the voltage of the fuel cell rises, and there is a concern that the fuel cell is deteriorated due to a high potential.
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、システムの停止時に停止制御を行うことにより、起動時に生じる劣化を抑制することである。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to suppress deterioration that occurs at startup by performing stop control when the system is stopped.
かかる課題を解決するために、本発明は、燃料電池と、酸化剤ガス系と、燃料ガス系と、酸化剤系規制手段と、燃料系規制手段と、電流取出手段と、制御手段とを有する燃料電池システムを提供する。ここで、燃料電池は、燃料極に燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤極に酸化剤ガスが供給されることにより、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて電力を発生する。酸化剤ガス系は、燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給流路と、酸化剤極から酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出流路とを含む。燃料ガス系は、燃料電池の燃料極から燃料ガスを排出する燃料ガス排出流路を含む。酸化剤系規制手段は、酸化剤ガス系に設けられており、自己の動作状態に応じて、酸化剤ガス系から燃料電池への外気の進入を規制する。燃料系規制手段は、燃料ガス系に設けられており、自己の動作状態に応じて、燃料ガス系から燃料電池への外気の進入を規制する。電流取出手段は、燃料電池から電流を取り出す。制御手段は、システムの停止時に実行する停止制御として、電流取出手段によって取り出す電流を制御することにより、燃料電池の酸化剤極に存在する酸化剤ガスを消費し、酸化剤系規制手段の動作状態を制御することにより、酸化剤ガス系から燃料電池への外気の進入を規制し、燃料系規制手段の動作状態を制御することにより、燃料ガス系から燃料電池への外気の進入を規制する。 In order to solve such a problem, the present invention includes a fuel cell, an oxidant gas system, a fuel gas system, an oxidant system regulation unit, a fuel system regulation unit, a current extraction unit, and a control unit. A fuel cell system is provided. Here, in the fuel cell, fuel gas is supplied to the fuel electrode, and oxidant gas is supplied to the oxidant electrode, whereby the fuel gas and the oxidant gas are reacted electrochemically to generate electric power. To do. The oxidant gas system includes an oxidant gas supply channel that supplies oxidant gas to the oxidant electrode of the fuel cell, and an oxidant gas discharge channel that discharges oxidant gas from the oxidant electrode. The fuel gas system includes a fuel gas discharge passage for discharging fuel gas from the fuel electrode of the fuel cell. The oxidant system restricting means is provided in the oxidant gas system, and restricts the entry of outside air from the oxidant gas system to the fuel cell according to its own operating state. The fuel system regulating means is provided in the fuel gas system and regulates the entry of outside air from the fuel gas system to the fuel cell according to its own operating state. The current extraction means extracts current from the fuel cell. The control means consumes the oxidant gas present in the oxidant electrode of the fuel cell by controlling the current taken out by the current extraction means as the stop control executed when the system is stopped, and the operating state of the oxidant system restriction means By controlling the entry of outside air from the oxidant gas system to the fuel cell, and by controlling the operating state of the fuel system regulating means, the entry of outside air from the fuel gas system to the fuel cell is regulated.
本発明によれば、停止制御を行うことにより、燃料電池から電流が取り出され、これにより酸化剤極に存在する酸化剤ガスが消費される。これにより、酸化剤極の酸化剤ガス濃度が次第に減するので、これをゼロに近づけることができる。また、燃料系規制手段および酸化剤系規制手段によって、外部から燃料電池へと進入する酸化剤ガスを規制することで、停止期間中に、酸化剤極へと流入する酸化剤ガスを低減することができる。これにより、酸化剤極に酸化剤ガスが混入し始める時間を遅らせることができ、また、混入した酸化剤ガスの濃度が上昇する速度を遅くすることができる。その結果、起動時、酸化剤極に存在する酸化剤ガスが少ない状態で起動を行うことができるので、燃料電池に生じる劣化を抑制することができる。また、電力取出手段によって連続的に負荷に対する電流が取り出すことができるので、停止制御に移行した場合であっても、電流を取り出さないといった状況を抑制することができ、高電位による燃料電池の劣化を抑制することができる。 According to the present invention, by performing stop control, an electric current is taken out from the fuel cell, whereby the oxidant gas present in the oxidant electrode is consumed. As a result, the oxidant gas concentration at the oxidant electrode gradually decreases, and this can be brought close to zero. In addition, the oxidant gas flowing into the oxidant electrode during the stop period can be reduced by regulating the oxidant gas entering the fuel cell from the outside by the fuel system regulation unit and the oxidant system regulation unit. Can do. Thereby, the time when the oxidant gas starts to be mixed into the oxidant electrode can be delayed, and the rate at which the concentration of the mixed oxidant gas increases can be delayed. As a result, since startup can be performed with a small amount of oxidant gas present at the oxidant electrode at the time of startup, deterioration that occurs in the fuel cell can be suppressed. In addition, since the current for the load can be continuously taken out by the power take-out means, it is possible to suppress the situation in which the current is not taken out even when shifting to the stop control, and the deterioration of the fuel cell due to the high potential. Can be suppressed.
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる燃料電池システムの全体構成を示すブロック図である。燃料電池システムは、固体高分子電解質膜を挟んで酸化剤極と燃料極とを対設した燃料電池構造体（燃料電池セル）をセパレータで挟持して、これを複数積層して構成される燃料電池スタック１を備える。この燃料電池スタック１は、燃料極に燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤極に酸化剤ガスが供給されることにより、これらのガスを電気化学的に反応させて電力を発生する。本実施形態では、燃料ガスとして水素を、酸化剤ガスとして酸素（具体的には、酸素を含む空気）を用いるケースについて説明する。この燃料電池システムは、例えば、車両を駆動する電動モータの電源として、車両に搭載して使用される。
(First embodiment)
FIG. 1 is a block diagram showing the overall configuration of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention. A fuel cell system comprises a fuel cell structure (fuel cell) in which a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between an oxidant electrode and a fuel electrode, sandwiched by separators, and a fuel that is formed by stacking a plurality of fuel cells. A battery stack 1 is provided. In the fuel cell stack 1, fuel gas is supplied to the fuel electrode, and oxidant gas is supplied to the oxidant electrode, whereby these gases are reacted electrochemically to generate electric power. In the present embodiment, a case will be described in which hydrogen is used as the fuel gas and oxygen (specifically, air containing oxygen) is used as the oxidant gas. This fuel cell system is mounted on a vehicle and used as a power source for an electric motor that drives the vehicle, for example.
燃料電池システムには、燃料電池スタック１に水素を供給するための水素系１０と、燃料電池スタック１に空気を供給するための空気系２０とが備えられている。
The fuel cell system includes a
水素系１０において、燃料ガスである水素は、燃料供給装置（例えば、高圧水素ボンベである燃料タンク１１）から、水素供給流路Ｌ10を介して燃料電池スタック１に供給される。具体的には、燃料タンク１１の下流の水素供給流路Ｌ10には水素供給弁１２が設けられており、この水素供給弁１２が開状態となると、燃料タンク１１からの高圧水素ガスは、その下流に設けられた減圧弁（図示せず）によって機械的に所定の圧力まで減圧される。減圧された水素は、減圧弁よりも下流に設けられた水素調圧弁１３によって更に減圧された後に、燃料電池スタック１に供給される。水素供給弁１２は、燃料電池スタック１への水素供給の必要性に応じて、後述する制御装置３によってその開閉状態が制御され、また、水素調圧弁１３は、燃料電池スタック１へ供給される水素圧力が所望の値となるように、制御装置３によってその開度が制御される。
In the
燃料電池スタック１の燃料極側から排出されるガス（未使用の水素を含む排出ガス）は、水素循環流路Ｌ11へと排出される。この水素循環流路Ｌ11は、他方の端部が水素調圧弁１３よりも下流側の水素供給流路Ｌ10に接続されている。水素循環流路Ｌ11には、例えば、水素循環ポンプ１４およびエゼクタ１５といった水素循環手段が設けられている。この水素循環手段により、燃料極の排出側から排出された水素はその供給側へと循環され、水素の燃費向上を図ることができる。
Gas discharged from the fuel electrode side of the fuel cell stack 1 (exhaust gas containing unused hydrogen) is discharged to the hydrogen circulation passage L11. The other end of the hydrogen circulation flow path L11 is connected to the hydrogen supply flow path L10 on the downstream side of the hydrogen
ところで、酸化剤ガスとして空気を用いた場合、空気中の窒素が酸化剤極から燃料極に透過するため、水素系１０におけるガスの窒素濃度が増加し、水素分圧が減少する傾向となる。そのため、水素循環流路Ｌ11には、水素系１０内のガスを外部に排出する水素排出流路Ｌ12が接続されている（換言すれば、水素循環流路Ｌ11の一部は、燃料極から水素を排出する水素排出流路Ｌ12としても機能する）。水素排出流路Ｌ12には、パージ弁１６が設けられており、このパージ弁１６の開閉状態を切り替えることにより、水素循環流路Ｌ11を流れる排出ガス（窒素、未使用な水素等を含むガス）が外部に排出される。パージ弁１６の開閉状態は、制御装置３によって、燃料電池スタック１の運転状態に応じて制御される。例えば、パージ弁１６は、基本的に閉状態に制御されているが、燃料極における窒素濃度を推定して、或いは、所定の周期毎に、必要に応じて閉状態から開状態へと切り替えられるといった如くである。これにより、未反応な水素とともに窒素が水素系からパージされ、水素分圧の減少を抑制することができる。
By the way, when air is used as the oxidant gas, since nitrogen in the air permeates from the oxidant electrode to the fuel electrode, the nitrogen concentration of the gas in the
また、本実施形態の特徴の一つとして、このパージ弁１６は、自己の動作状態、すなわち、その開閉状態に応じて流路を開閉することにより、水素排出流路Ｌ12から燃料電池スタック１への外気（空気）の進入を規制する機能を担っている。ここで、パージ弁１６が、水素循環流路Ｌ11との接続部よりも下流側の水素排出流路Ｌ12に設けられていること、および、水素供給流路Ｌ10の上流側には水素供給装置が存在していることを鑑みると、水素系１０から燃料電池スタック１へと進入する空気の要因は、水素排出流路Ｌ12の開放端のみとなる。換言すれば、パージ弁１６は、水素系１０から燃料電池スタック１への外気の進入を規制する水素系規制手段として機能することとなる。なお、本実施形態では、このパージ弁１６を以下「水素系出口弁１６」という。
Further, as one of the features of this embodiment, the
空気系２０において、酸化剤ガスである空気は、例えば、大気がコンプレッサ２１によって取り込まれて加圧されると、この加圧状態の空気が、空気供給流路Ｌ20を介して燃料電池スタック１に供給される。燃料電池スタック１の酸化剤極側から排出されるガス（酸素の一部が消費された空気）は、空気排出流路Ｌ21を介して外部（大気）に排出される。この空気排出流路Ｌ21には、空気調圧弁２２が設けられている。空気調圧弁２２は、燃料電池スタック１に供給される空気圧力と空気流量とが所望の値となるように、その開度が、コンプレッサ２１の駆動量（回転数）とともに制御装置３によって制御される。
In the
本実施形態の特徴の一つとして、空気系２０には、この空気系２０から燃料電池スタック１への外気の進入を規制する酸化剤系規制手段が設けられており、この酸化剤系規制手段は、空気系入口弁２３と空気系出口弁２４とで構成される。
As one of the features of the present embodiment, the
空気系入口弁２３は、空気供給流路Ｌ20に設けられており、自己の開閉状態に応じて流路を開閉することにより、空気供給流路Ｌ20から燃料電池スタック１への外気の進入を規制する。また、空気系出口弁２４は、空気排出流路Ｌ21に設けられており、自己の開閉状態に応じて流路を開閉することにより、空気排出流路Ｌ21から燃料電池スタック１への外気の進入を規制する。酸化剤極を含む空気系入口弁２３と空気系出口弁２４との間における空間の体積が最小となるようにとの観点から、空気系入口弁２３は、空気供給流路Ｌ20において燃料電池スタック１の直上に設けられており、空気系出口弁２４は、空気排出流路Ｌ21において燃料電池スタック１の直下に設けられている。そのため、空気供給流路Ｌ20に備えられている種々の要素のうち、空気系入口弁２３が最も燃料電池スタック１に近い位置にレイアウトされることとなり、この空気供給流路Ｌ20は空気系入口弁２３と燃料電池スタック１との間に配管以外の部品を備えていない。また、空気排出流路Ｌ21に備えられている種々の要素のうち、空気系出口弁２４が最も燃料電池スタック１に近い位置にレイアウトされることとなり、この空気排出流路Ｌ21は空気系出口弁２４と燃料電池スタック１との間に配管以外の部品を備えていない。
The air
制御装置３は、電流取出部３０と、制御部３１とを主体に構成されている。電流取出部３０は、制御部３１によって制御され、燃料電池スタック１から電流を取り出す。制御部３１は、システム全体を統合的に制御する機能を担っており、制御プログラムに従ってシステムの各部を制御することにより、燃料電池スタック１の運転状態を制御する。本実施形態の関係において、制御部３１は、システムの停止時に実行する停止制御として、電流取出部３０によって取り出す電流を制御し、また、水素系出口弁１６、空気系入口弁２３および空気系出口弁２４の開閉状態を制御する。制御部３１には、燃料電池システムの運転状態を検出するために、各種センサからの検出信号が入力されている。
The
図２，３は、電圧センサ３２の説明図である。電圧センサ３２は、燃料電池スタック１の電圧を検出するセンサである。図２（ａ）に示すように、電圧センサ３２は、燃料電池スタック１を構成する個々の発電セル１ａの電圧をそれぞれ検出する。ただし、電圧センサ３２としては、図２（ｂ）に示すように、複数の発電セル１ａからなるセルユニットを検出単位として、それぞれのセルユニットの電圧を検出してもよい。さらに、個々の発電セル１ａの電圧状態を正確にモニタリングするために、図３（ａ）に示すように、個々の発電セル１ａの複数箇所、例えば、燃料ガスである水素の流れに対向する両端（すなわち、水素の供給側と排出側）に電圧センサ３２をそれぞれ設けてもよい。また、この場合、電圧センサ３２としては、図３（ｂ）に示すように、セルユニットを検出単位として、それぞれのセルユニットの複数箇所に電圧センサ３２を設けてもよい。
2 and 3 are explanatory diagrams of the
水素圧力センサ３３は、水素供給流路Ｌ10に設けられており、燃料電池スタック１の燃料極に供給される水素の圧力を検出するセンサである。空気圧力センサ３４は、空気供給流路Ｌ20に設けられており、燃料電池スタック１の酸化剤極に供給される空気の圧力を検出するセンサである。空気流量センサ３５は、空気供給流路Ｌ20を流れる空気の流量を検出するセンサである。
The
以下、このような構成を有する燃料電池システムにおいて実行される停止制御について説明する。図４は、本発明の第１の実施形態にかかる停止制御の手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、車両のイグニッションスイッチのオフといったように、システムの停止を指示する信号の入力に対応して制御部３１によって実行される。停止制御を開始する前提として、燃料電池スタック１に対する水素供給および空気供給は継続されている。そのため、水素循環ポンプ１４、コンプレッサ２１といった水素・空気供給に必要な各種機器は動作したままの状態となっている。
Hereinafter, stop control executed in the fuel cell system having such a configuration will be described. FIG. 4 is a flowchart showing a stop control procedure according to the first embodiment of the present invention. The process shown in this flowchart is executed by the
まず、ステップ１（Ｓ１）において、制御部３１は、燃料電池スタック１の酸化剤極への空気供給を停止する。具体的には、制御部３１は、コンプレッサ２１の運転を停止する。
First, in step 1 (S1), the
ステップ２（Ｓ２）において、制御部３１は、水素系出口弁１６を閉じる。このステップ２の処理を実行した以降は、この水素系出口弁１６の閉弁に伴って、水素排出流路Ｌ12から燃料電池スタック１への外気（空気）の進入が規制される。ただし、水素系１０の圧力が高く、素早く減圧を行いたい場合には、制御部３１は、例外的に、このステップ２以降において水素系出口弁１６の開閉制御を行ってもよい。
In step 2 (S2), the
ステップ３（Ｓ３）において、制御部３１は、電流取出部３０によって電流を取り出す際の電流値または電圧値を制御する負荷取出制御を開始し、これにより、燃料電池スタック１の酸化剤極に存在する空気（酸素）を消費させる。このステップ３の処理では、水素供給弁１２および水素調圧弁１３が開状態のままとなっているため、負荷取出制御は、燃料電池スタック１に対する水素供給が継続された状態において実行される。本実施形態において、制御部３１は、電流取出部３０が燃料電池スタック１から取り出す電流の目標値である電流設定値を適宜決定し、この電流設定値に基づいて電流取出部３０を制御することにより、燃料電池スタック１から電流を取り出す。負荷取出制御は、後述するステップ４において肯定判定されるまで、制御部３１によって実行される。
In step 3 (S3), the
この負荷取出制御において、酸化剤極に存在する酸素を短時間で消費させるという点に鑑みれば、電流設定値は大きな値に設定することが好ましい。ただし、燃料電池スタック１から大量の電流を取り出した場合には、水素の供給遅れや個々の発電セル１ａへの供給バラツキ等によって、燃料電池スタック１の燃料極側において反応に必要な水素が不足し、燃料電池スタック１を劣化させてしまう可能性がある。そこで、制御部３１は、酸素の消費に要する時間短縮と、燃料極における水素不足の抑制との両方の観点から、例えば、以下に示す手法によって電流量の制御を行う。
In this load extraction control, the current set value is preferably set to a large value in view of the fact that oxygen present in the oxidizer electrode is consumed in a short time. However, when a large amount of current is taken out from the fuel cell stack 1, there is a shortage of hydrogen necessary for the reaction on the fuel electrode side of the fuel cell stack 1 due to a delay in the supply of hydrogen or variations in supply to the individual
第１の手法としては、制御部３１は、電圧センサ３２からの検出値に基づいて、複数の発電セル１ａのうちの最低電圧をモニタリングし、この最低電圧が０Ｖに近づくように、電流取出部３０によって取り出す電流を制御する。燃料極における水素が不足した状態の発電セルでは電圧が立たなくなるため、最低電圧をモニタリングすることにより、燃料極における水素が不足しないような状態で電流を取り出すことができ、また、その時点に取り出しうる最大量の電流を燃料電池スタック１から取り出すことができるので、酸素の消費時間の短縮を図ることができる。
As a first method, the
また、第１の手法のような電圧監視による水素不足の抑制といった観点からすると、以下に示す第２の手法も有効である。具体的には、制御部３１は、電圧センサ３２によって検出される電圧が負とならない範囲において、電流設定値を一定の割合で経時的に増加させる。そして、電流取出部３０は、電流設定値に応じた電流を燃料電池スタック１より取り出す。この際、制御部３１は、電圧センサ３２によって検出される電圧の推移に基づいて、所定時間あたりの電圧の降下量（以下「電圧変化速度」という）を特定する。特定された電圧変化速度が、所定の判定値よりも大きい場合、制御部３１は、電圧変化速度が判定値以下となるように、電流設定値を減少させる。このように、電流設定値を必要に応じて減少させることにより、水素の供給遅れや個々の発電セル１ａへの供給バラツキ等が抑制される傾向となるので、燃料極における水素不足を抑制することができる。また、その時点に取り出しうる最大量の電流を燃料電池スタック１から取り出すことができるので、燃料電池スタック１の劣化抑制と酸素の消費時間の短縮との両立を図ることができる。ここで、電圧変化速度と比較される判定値は、電流取出部３０によって取り出す電流が過大であることに起因する燃料極での水素不足を抑制するとの観点から、実験やシミュレーションを通じてその最適値が予め設定されている。制御部３１は、これらの一連の処理を、負荷取出制御として行う。
From the viewpoint of suppressing hydrogen shortage by voltage monitoring as in the first method, the second method described below is also effective. Specifically, the
第３の手法としては、上述した第２の手法と基本的に同じであるが、制御部３１は、特定された電圧変化速度が、所定の判定値よりも大きい場合には、電圧変化速度が判定値以下となるように、水素循環ポンプ１４の回転数を増加させてもよい。このように、水素循環ポンプ１４の回転数を増加させることにより、水素の供給遅れや個々の発電セル１ａへの供給バラツキ等が抑制される傾向となるので、燃料極における水素不足を抑制することができる。また、その時点に取り出しうる最大量の電流を燃料電池スタック１から取り出すことができるので、燃料電池スタック１の劣化抑制と酸素の消費時間の短縮との両立を図ることができる。
The third method is basically the same as the second method described above, but the
第４の手法としては、上述した第２の手法と基本的に同じであるが、制御部３１は、特定された電圧変化速度が、所定の判定値よりも大きい場合には、電圧変化速度が判定値以下となるように、燃料電池スタック１に供給される水素圧力を増加させてもよい。このように、水素圧力を増加させることにより、水素の供給遅れや個々の発電セル１ａへの供給バラツキ等が抑制される傾向となるので、燃料極における水素不足を抑制することができる。また、その時点に取り出しうる最大量の電流を燃料電池スタック１から取り出すことができるので、燃料電池スタック１の劣化抑制と酸素の消費時間の短縮との両立を図ることができる。
The fourth method is basically the same as the second method described above, but the
また、電圧監視以外にも、実際に燃料極に供給される水素の状態を監視することにより、水素不足を抑制する手法も考えられる。第５の手法としては、燃料極における水素の圧力状態から、その水素不足を判定する。具体的には、制御部３１は、電圧センサ３２によって検出される電圧が負とならない範囲において、電流設定値を一定の割合で経時的に増加させる。また、制御部３１は、燃料電池スタック１へ供給する水素の流量を一定に制御した状態において、燃料電池スタック１における燃料極の発電面を基準として、その上流側（マニホールド、或いは、水素供給流路Ｌ10）の水素圧力と、その下流側（マニホールド、或いは、水素排出流路Ｌ12）の水素圧力とを取得する。そして、制御部３１は、上流側の水素圧力と、下流側の水素圧力との圧力差を算出し、この圧力差が所定の判定値よりも大きい場合には、電流取出部３０によって取り出す電流の目標値である電流設定値を減少させる。このように、電流設定値を必要に応じて減少させることにより、水素の供給遅れや個々の発電セル１ａへの供給バラツキ等が抑制される傾向となるので、燃料極における水素不足を抑制することができる。また、その時点に取り出しうる最大量の電流を燃料電池スタック１から取り出すことができるので、燃料電池スタック１の劣化抑制と酸素の消費時間の短縮との両立を図ることができる。ここで、上下流の圧力差と比較される判定値は、電流取出部３０によって取り出す電流が過大であることに起因する燃料極における水素不足を抑制するとの観点から、実験やシミュレーションを通じてその最適値が予め設定されている。制御部３１は、これらの一連の処理を、負荷取出制御として行う。
In addition to voltage monitoring, a method of suppressing hydrogen shortage by monitoring the state of hydrogen actually supplied to the fuel electrode is also conceivable. As a fifth method, the lack of hydrogen is determined from the hydrogen pressure state at the fuel electrode. Specifically, the
さらに、第６の手法としては、燃料極における水素の流量状態から、その水素不足を判定する。制御部３１は、電圧センサ３２によって検出される電圧が負とならない範囲において、電流設定値を一定の割合で経時的に増加させる。また、制御部３１は、燃料電池スタック１における燃料極の発電面を基準として、その上流側（マニホールド、或いは、水素供給流路Ｌ10）の水素流量と、その下流側（マニホールド、或いは、水素排出流路Ｌ12）における水素流量とを取得する。そして、制御部３１は、上流側の水素流量と、下流側の水素流量との流量差を算出し、この流量差が所定の判定値よりも大きい場合には、電流取出部３０によって取り出す電流の目標値である電流設定値を減少させる。このように、電流設定値を必要に応じて減少させることにより、水素の供給遅れや個々の発電セル１ａへの供給バラツキ等が抑制される傾向となるので、燃料極における水素不足を抑制することができる。また、その時点に取り出しうる最大量の電流を燃料電池スタック１から取り出すことができるので、燃料電池スタック１の劣化抑制と酸素の消費時間の短縮との両立を図ることができる。ここで、上下流の流量差と比較される判定値は、電流取出部３０によって取り出す電流が過大であることに起因する燃料極における水素不足を抑制するとの観点から、実験やシミュレーションを通じてその最適値が予め設定されている。制御部３１は、これらの一連の処理を、負荷取出制御として行う。
Further, as a sixth method, the lack of hydrogen is determined from the flow rate state of hydrogen in the fuel electrode. The
ステップ４（Ｓ４）において、制御部３１は、酸化剤極に存在する空気（酸素）が消費されたか否かを判定する。ステップ１において空気供給が停止されると、負荷取出制御を行うことによって、酸化剤極における酸素量は減少する傾向を示す。そこで、このステップ４では、空気系２０（主として、酸化剤極）に存在する酸素が消費されたか否かを判定することにより、負荷取出制御の終了タイミングを判定する。このステップ４において肯定判定された場合、すなわち、酸化剤極における酸素が消費された場合には、ステップ５（Ｓ５）に進む。一方、ステップ４において否定判定された場合、すなわち、酸化剤極の酸素が消費されていない場合には、負荷取出制御を継続し、所定時間後に再度同様の判断を行う。
In step 4 (S4), the
ここで、酸化剤極における酸素が消費されたか否かの判定手法について説明する。制御部３１は、例えば、以下の示す手法によって酸素消費の判定を行う。
Here, a method for determining whether or not oxygen in the oxidizer electrode has been consumed will be described. For example, the
まず、第１の手法としては、制御部３１は、燃料電池スタック１より得られる電圧値が判定値以下となった場合に、空気系２０における酸素が消費されたとの判定を行う。酸素が消費された場合には、発電に必要な反応が生じないため、燃料電池スタック１の電圧はゼロとなる。そこで、燃料電池スタック１の電圧が概ねゼロであること見なせる程度の値を、実験やシミュレーションと通じて判定値に予め設定することにより、酸素の消費を判定することができる。
First, as a first method, the
なお、判定値の比較対象となる電圧としては、図２（ａ）に示すように、個々の発電セル１ａにおける全ての電圧を対象としてもよいし、図２（ｂ）に示すように、個々のセルユニットの全てを対象としてもよい。また、判定値の比較対象となる電圧値としては、図３（ａ），（ｂ）に示すように、個々の発電セル１ａ、或いは、セルユニットにおいて検出される複数箇所の電圧であってもよい。
Note that, as shown in FIG. 2A, all voltages in the individual
第２の手法としては、制御部３１は、負荷取出制御の開始に対応して、電流取出部３０によって取り出される電流量を積分し、これにより得られる電荷量を随時算出する。また、制御部３１は、空気系２０の流路Ｌ20，21の容量、空気の圧力および温度から酸素のモル数を算出するとともに、先に算出された電荷量に基づいて、この酸素のモル数が、十分に電圧を低下させる濃度となるまで電荷が消費されたことを判断することにより、空気系２０における酸素が消費されたとの判定を行う。
As a second method, the
また、第３の手法としては、制御部３１は、電流取出部３０によって実際に取り出される電流の時間的な変化量（以下「電流変化速度」という）に基づいて、空気系２０の酸素が消費されたか否かを判定してもよい。酸化剤極における酸素が消費されると、燃料電池スタック１から実際に取り出される電流は急激に低下し、その後、一定の値に収束する傾向を示す。そこで、制御部３１は、電流変化速度をモニタリングし、電流変化速度が所定時間経過しても安定している（具体的には、ほぼ「０」）場合には、空気系２０の酸素が消費されたことを判定する。
As a third technique, the
第４の手法としては、制御部３１は、負荷取出制御の開始に対応して、燃料極に対する水素の供給指令の頻度（単位時間あたりの水素供給指令回数）を演算する。そして、制御部３１は、この供給指令の頻度が、所定の判定回数以下となった場合に、酸化剤極の酸素が消費されたのとの判定を行う。例えば、負荷取出制御の前提として、燃料極における水素圧力を一定に制御しているケースでは、酸化剤極に酸素が存在しなくなると、これに対応して燃料極において消費される水素も減少するため、水素の供給指令の頻度も低下する。そこで、実験やシミュレーションを通じて判定値を適切に設定することにより、水素の供給指令の頻度から、空気系２０の酸素が消費されたことを判定することができる。
As a fourth method, the
第５の手法としては、燃料電池スタック１の入口側と出口側とに水素の流量を検出する流量センサを備えることを前提に、制御部３１は、入口側と出口側との水素の流量差（以下「入出口流量差」という）に基づいて、空気系２０の酸素が消費されたか否かを判定してもよい。一般に、負荷取出制御によって酸化剤極に酸素が存在しなくなると、これに対応して燃料極において消費される水素も減少するため、入出口流量差はほぼ「０」となる。そのため、実験やシミュレーションを通じて判定値を適切に設定することにより、入出口流量差と判定値との比較から、空気系２０の酸素が消費されことを判定することができる。
As a fifth method, on the premise that a flow rate sensor for detecting the flow rate of hydrogen is provided on the inlet side and the outlet side of the fuel cell stack 1, the
なお、流量から空気系２０の酸素が消費されたか否かを判定するとの観点によれば、空気流量センサ３５の検出値をモニタリングし、空気系２０における空気の流量がほぼ「０」となることを条件に、空気系２０の酸素が消費されたことを判定してもよい。
From the viewpoint of determining whether or not oxygen in the
さらに、第６の手法としては、燃料電池スタック１内を循環する冷却水流路において、発電セル１ａの入口側と出口側とに温度センサを備えることを前提に、制御部３１は、それぞれの温度センサによって検出される温度の差に基づいて、空気系２０の酸素が消費されたか否かを判定してもよい。一般に、負荷取出制御によって酸化剤極に酸素が存在しなくなると、これに対応して発電セル１ａにおける酸化還元反応は生じない。そのため、発電セル１ａからの反応熱が無くなるため、入口側と出口側との間の冷却水に温度差が無くなり、センサによって検出される温度差はほぼ「０」となる。そのため、実験やシミュレーションを通じて判定値を適切に設定することにより、入出口の温度差と判定値との比較から、空気系２０の酸素が消費されことを判定することができる。
Furthermore, as a sixth method, on the assumption that the cooling water flow path circulating in the fuel cell stack 1 is provided with temperature sensors on the inlet side and the outlet side of the
ステップ５（Ｓ５）において、制御部３１は、負荷取出制御を停止する。すなわち、電流取出部３０による電流の取り出しが停止される。ステップ５に続くステップ６（Ｓ６）において、制御部３１は、水素供給を停止すべく、水素循環ポンプ１４を停止し、水素供給弁１２を閉じるとともに、水素調圧弁１３を全閉する。
In step 5 (S5), the
ステップ７（Ｓ７）において、制御部３１は、空気系入口弁２３および空気系出口弁２４を閉じる。これにより、空気供給流路Ｌ20および空気排出流路Ｌ21から燃料電池スタック１への外気（空気）の進入が規制される。
In step 7 (S7), the
このように本実施形態において、燃料電池システムは、燃料電池スタック１と、水素系１０と、空気系２０と、酸化剤系規制手段と、燃料系規制手段と、電流取出部３０と、制御部３１とを主体に構成されている。ここで、燃料電池スタック１は、燃料極に水素が供給されるとともに、酸化剤極に酸素を含む空気が供給されることにより、水素と酸素とを電気化学的に反応させて電力を発生する。水素系１０は、燃料電池スタック１の燃料極から水素を排出する水素排出流路Ｌ12を含む。空気系２０は、燃料電池スタック１の酸化剤極に空気を供給する空気供給流路Ｌ20と、酸化剤極から空気を排出する空気排出流路Ｌ21とを含む。酸化剤系規制手段は、空気系２０に設けられており、自己の動作状態に応じて、空気系２０から燃料電池スタック１への外気の進入を規制する。燃料系規制手段は、水素系１０に設けられており、自己の動作状態に応じて、水素系１０から燃料電池スタック１への外気の進入を規制する。電流取出部３０は、燃料電池スタック１から電流を取り出す。制御部３１は、システムの停止時に実行する停止制御として、以下の処理を行う。第１の処理として、制御部３１は、電流取出部３０によって取り出す電流を制御することにより、燃料電池スタック１の酸化剤極に存在する酸素を消費する。第２の処理として、制御部３１は、酸化剤系規制手段の動作状態を制御することにより、空気系２０から燃料電池スタック１への外気の進入を規制する。第３の処理として、制御部３１は、燃料系規制手段の動作状態を制御することにより、水素系１０から燃料電池スタック１への外気の進入を規制する。
Thus, in the present embodiment, the fuel cell system includes the fuel cell stack 1, the
かかる構成によれば、燃料電池システムのシステム停止時に停止制御を行うことで、燃料電池スタック１から電流が取り出され、これにより酸化剤極に存在する酸素が消費される。この際、燃料電池スタック１に対する空気供給は停止されているため、酸化剤極の酸素濃度は次第に減少し、これをゼロに近づけることができる。また、燃料系および酸化剤系規制手段によって、外部から燃料電池スタック１へと進入する酸素を規制することで、停止期間中に、酸化剤極へと流入する酸素を抑制することができる。また、停止制御時にも、電流取出部３０によって連続的に負荷に対する電流を取り出すことができるので、燃料電池スタック１の劣化を抑制することができる。
According to this configuration, by performing stop control when the system of the fuel cell system is stopped, current is extracted from the fuel cell stack 1, thereby consuming oxygen present in the oxidizer electrode. At this time, since the air supply to the fuel cell stack 1 is stopped, the oxygen concentration of the oxidant electrode gradually decreases and can be made close to zero. Further, by restricting the oxygen that enters the fuel cell stack 1 from the outside by the fuel system and the oxidant system regulating means, it is possible to suppress oxygen flowing into the oxidizer electrode during the stop period. Moreover, since the current with respect to the load can be continuously extracted by the
図５は、停止期間中の酸素濃度の推移を示す説明図であり、点線は、本実施形態の停止制御を行わなかった場合の推移を示し、実線は、本実施形態の停止制御を行った場合の推移を示す。同図に示すように、本実施形態の停止制御を実行することにより、この停止制御を行わなかった場合と比較して、酸化剤極に酸素が混入し始める時間を遅らせることができ、また、混入した酸素の濃度が上昇する速度を遅くすることができる。その結果、起動時、酸化剤極に存在する酸素量が少ない状態で起動を行うことができるので、燃料電池スタック１に生じる劣化を有効に抑制することができる。 FIG. 5 is an explanatory diagram showing the transition of the oxygen concentration during the stop period. The dotted line shows the transition when the stop control of the present embodiment is not performed, and the solid line shows the stop control of the present embodiment. The transition of the case is shown. As shown in the figure, by executing the stop control of the present embodiment, compared with the case where this stop control is not performed, the time when oxygen starts to be mixed into the oxidizer electrode can be delayed, The rate at which the concentration of the mixed oxygen increases can be reduced. As a result, since startup can be performed with a small amount of oxygen present in the oxidizer electrode at startup, deterioration that occurs in the fuel cell stack 1 can be effectively suppressed.
ここで、本実施形態における酸化剤系規制手段は、空気供給流路Ｌ20に設けられており、自己の開閉状態に応じて流路を開閉する空気系入口弁（第１の弁）２３と、空気排出流路Ｌ21に設けられており、自己の開閉状態に応じて流路を開閉する空気系出口弁（第２の弁）２４とで構成されている。空気系２０において、燃料電池スタック１へと進入する空気の要因は、空気供給流路Ｌ20の開放端（コンプレッサ２１側）と、空気排出流路Ｌ21の開放端であるが、空気系入口弁２３と空気系出口弁２４とを閉じることにより、空気供給流路Ｌ20および空気排出流路Ｌ21の開放端から酸化剤極へと流入する空気（酸素）を規制することが可能となる。これにより、停止期間中に酸化剤極に酸素が混入し始める時間を遅らせることができ、混入した酸素の濃度が上昇する速度を遅くすることができる。そのため、起動時、酸化剤極に存在する酸素が少ない状態で起動を開始することができるので、燃料電池スタック１に生じる劣化を有効に抑制することができる。
Here, the oxidant system regulating means in the present embodiment is provided in the air supply flow path L20, and an air system inlet valve (first valve) 23 that opens and closes the flow path according to its open / closed state; The air outlet passage L21 is provided with an air system outlet valve (second valve) 24 that opens and closes the passage according to its open / closed state. In the
また、本実施形態において、空気系入口弁２３および空気系出口弁２４は、燃料電池スタック１の酸化剤極を含む空気系入口弁２３と空気系出口弁２４との間の空間の体積が最小となるように配置されている。具体的には、空気系入口弁２３は、空気供給流路Ｌ20において燃料電池スタック１の直上に設けられており、空気系出口弁２４は、空気排出流路Ｌ21において燃料電池スタック１の直下に設けられている。空気系入口弁２３および空気系出口弁２４が最終的に閉じられることを考慮すると、停止制御として消費すべき酸素は、酸化剤極を含む空気系入口弁２３および空気系出口弁２４との間に存在する酸素で足りする。そのため、この酸素を消費すべき空間の体積を最小とすることにより、消費する酸素を少なくすることができるので、停止制御に要する時間の短縮を図ることができる。
In the present embodiment, the air
また、本実施形態において、燃料系規制手段は、水素循環流路Ｌ11との接続部よりも下流側の水素排出流路Ｌ12に設けられており、自己の開閉状態に応じて流路を開閉する水素系出口弁１６で構成されている。かかる構成によれば、水素系出口弁１６を閉じることにより、停止期間中に、水素排出流路Ｌ12の開放端から水素極へと流入する酸素を規制することができる。これにより、燃料極から酸化剤極への酸素のリークが抑制される。その結果、酸化剤極に酸素が混入し始める時間を遅らせることができ、混入した酸素の濃度が上昇する速度を遅くすることができる。
Further, in the present embodiment, the fuel system regulating means is provided in the hydrogen discharge flow path L12 on the downstream side of the connection portion with the hydrogen circulation flow path L11, and opens and closes the flow path according to its open / closed state. It is composed of a hydrogen-based
また、本実施形態において、制御部３１は、停止制御として、以下の処理を行う。まず、第１のステップとして、燃料電池スタック１の酸化剤極への空気の供給が停止される。そして、第１のステップに続く第２のステップとして、燃料電池スタック１の燃料極への水素の供給を継続した状態において電流取出部３０によって取り出す電流が制御される。第２のステップに続く第３のステップとして、酸化剤極における酸素を消費したことを判断した場合に、電流取出部３０による電流の取り出しが停止されるとともに燃料電池スタックの燃料極への燃料ガスの供給が停止される。
Moreover, in this embodiment, the
かかる構成によれば、燃料電池スタック１に対する空気供給を停止した後に、燃料電池スタック１から電流が取り出され、これにより酸化剤極に存在する酸素が消費される。そのため、酸化剤極の酸素濃度は次第に減少し、これをゼロに近づけることができる。よって、停止時に酸化剤極に存在する酸素を消費することにより、起動時、酸化剤極に存在する酸素量が少ない状態で起動を行うことができる。これにより、燃料電池スタック１に生じる劣化を有効に抑制することができる。 According to this configuration, after the air supply to the fuel cell stack 1 is stopped, current is taken out from the fuel cell stack 1, thereby consuming oxygen present in the oxidizer electrode. Therefore, the oxygen concentration of the oxidizer electrode gradually decreases and can be made close to zero. Therefore, by consuming oxygen present in the oxidizer electrode at the time of stoppage, it is possible to perform startup with a small amount of oxygen present in the oxidizer electrode during startup. Thereby, the deterioration which arises in the fuel cell stack 1 can be suppressed effectively.
また、制御部３１は、上述した第３のステップを行った後に、酸化剤系規制手段の動作状態を制御することにより、空気系２０から燃料電池スタックへの外気の進入を規制する処理を行う。かかる構成によれば、燃料電池スタック１の酸化剤極内の酸素が消費された状態において、空気系２０から燃料電池スタック１への外気の進入が規制される。そのため、停止期間中に酸化剤極に酸素が混入し始める時間を遅らせることができ、また、混入した酸素の濃度が上昇する速度を遅くすることができる。その結果、起動時、酸化剤極に存在する酸素量が少ない状態で起動を行うことができるので、燃料電池スタック１に生じる劣化を有効に抑制することができる。
Further, after performing the above-described third step, the
本実施形態において、制御部３１は、停止制御の開始とともに、燃料系規制手段の動作状態を制御することにより、水素系１０から燃料電池スタック１への外気の進入を規制する処理を行う。かかる構成によれば、水素系１０から燃料電池スタック１への外気の進入を規制することにより、水素系１０から外部へと排出される水素も規制される。酸化剤極における酸素消費に伴い、燃料極では水素が消費されることとなるが、水素の外部への排出を規制することにより、停止制御において効率的に水素を使用することができる。
In the present embodiment, the
また、本実施形態において、制御部３１は、燃料電池スタック１の酸化剤極に存在する酸素の濃度と、燃料電池スタック１の燃料極に供給される水素の状態とに基づいて、前記電流取出手段によって取り出す電流を制御している。酸化剤極における酸素の消費は、取り出す電流量に依存するため、酸素の濃度に応じて取り出す電流を制御することにより、停止制御に要する時間の短縮を図ることができる。また、水素の供給遅れや個々の発電セルへの供給バラツキ等によって、燃料電池スタック１の燃料極側において反応に必要な水素が不足し、燃料電池スタック１を劣化させるという問題があるが、燃料電池スタック１の燃料極に供給される水素の状態を考慮することにより、酸素の消費に要する時間短縮と、燃料極における水素不足の抑制との両立を図ることができる。
Further, in the present embodiment, the
さらに、本実施形態において、制御部３１は、酸化剤極における酸素が消費されたことを条件として、電流取出部３０による電流の取り出しを停止する。かかる構成によれば、酸化剤極の酸素が消費された状態において、不必要に電流の取り出しを継続する必要がなくなる。これにより、燃料電池スタック１の劣化防止と、停止制御に要する時間の短縮を図ることができる。
Further, in the present embodiment, the
図６は、本実施形態にかかる停止制御の変形例としての制御手順を示すフローチャートである。上述した実施形態では、空気系２０における酸素を消費した後に、空気系入口弁２３および空気系出口弁２４が閉じられる。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、停止制御によって、空気系入口弁２３および空気系出口弁２４が閉じられていること、空気系２０（具体的には、酸化剤極を含む空気系入口弁２３から空気系出口弁２４の系）内の酸素が消費されていることの２つの条件が成立していればよく、個々の動作の先後に限定を有するものはない。そのため、図６に示すように、上述したステップ１の後、すなわち、空気供給を停止した後に、空気系入口弁２３および空気系出口弁２４を閉じる処理（上述したステップ７の処理）を行ってもよい。換言すれば、制御部３１は、空気系入口弁２３および空気系出口弁２４を閉じた後に、負荷取出制御を行ってもよい。
FIG. 6 is a flowchart showing a control procedure as a modified example of the stop control according to the present embodiment. In the embodiment described above, after the oxygen in the
なお、負荷取出制御に先だって、空気系入口弁２３および空気系出口弁２４を閉じるケースでは、以下の手法を用いて、空気系２０の酸素が消費されたことを判定してもよい。具体的には、燃料電池スタック１の酸化剤極の圧力をモニタリングし、停止制御を開始した初期の圧力から約８０％まで低下した場合に、酸化剤極に存在する酸素が消費されたことを判定してもよい。このように、空気系入口弁２３および空気系出口弁２４を閉じることによって系が密閉されている状態では、その圧力の減少程度に応じて、酸素が消費されたか否かを判定することができる。なお、低下を判定するための判定値として８０％を挙げたが、この数値は単に例示したに過ぎず、実験やシミュレーションを通じて、空気系２０の酸素が消費されたことを判定しうる値を適切に設定することができる。
In the case where the air
図７は、本実施形態にかかる燃料電池システムの変形例としての燃料電池システムの構成を示すブロック図である。上述した形態では、燃料電池スタック１の燃料極から排出されたガスを循環させる構成であったが、本発明はこれに限定されず、水素循環流路Ｌ11を備えない構成であってもよい。 FIG. 7 is a block diagram showing a configuration of a fuel cell system as a modification of the fuel cell system according to the present embodiment. In the embodiment described above, the gas discharged from the fuel electrode of the fuel cell stack 1 is circulated. However, the present invention is not limited to this, and the hydrogen circulation channel L11 may not be provided.
（第２の実施形態）
図８は、本発明の第２の実施形態にかかる燃料電池システムの構成を示すブロック図である。この第２の実施形態にかかる燃料電池システムが第１の実施形態のそれと相違する点は、燃料電池スタック１を構成する発電セル１ａが抵抗体４を備えた点にある。この抵抗体４は、燃料極と酸化剤極との間に接続されており、両極間において電気的な抵抗要素として機能する。なお、本実施形態にかかる燃料電池システムの構成は、第１の実施形態のそれと基本的に同じであるため、同一の構成要件には、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
(Second Embodiment)
FIG. 8 is a block diagram showing the configuration of the fuel cell system according to the second embodiment of the present invention. The fuel cell system according to the second embodiment is different from that of the first embodiment in that the
図９は、燃料電池スタック１における抵抗体４の説明図である。抵抗体４は、同図（ａ）に示すように、燃料電池スタック１を構成する個々の発電セル１ａに設けられている。ただし、これ以外にも、同図（ｂ）に示すように、複数の発電セル１ａからなるセルユニットを取付単位として、抵抗体４を設けてもよい。この抵抗体４は、停止制御を終了した後に、燃料電池の電圧がゼロとなるような抵抗値を備えている点に本実施形態の特徴の一つが挙げられる。
FIG. 9 is an explanatory diagram of the
図１０は、抵抗体４の抵抗値の説明図である。同図において、（ａ）は、抵抗体４の抵抗と、放置中の発電セル１ａ（或いは、セルユニット）の最大電圧との関係を示す。同図の実線Iに示すように、発電セル１ａの最大電圧は、抵抗体４の抵抗が小さい範囲では概ねゼロとなっており、図中点線との交点となる値を境に、抵抗の増加ととともに、発電セル１ａの最大電圧が増加する傾向を示している。すなわち、停止制御を終了した後に、発電セル１ａの電圧がゼロとなるためには、抵抗体４の抵抗値を、図中の点線よりも小さな値に設定すればよいこととなる。
FIG. 10 is an explanatory diagram of the resistance value of the
同図（ｂ）は、抵抗体４の抵抗と、この抵抗体４の発熱量との関係を示す。ところで、同図（ｂ）に示すように、抵抗体４の発熱量は、抵抗体４の抵抗が小さくなる程、その値が大きくなる傾向を示す。すなわち、抵抗体４の抵抗値が小さい程、その発熱を処理する量が増加してしまうため、発熱量との観点からいえば、その抵抗値は大きい方が好ましい。そこで、本実施形態では、このような両者の視点を考慮して、抵抗体４の抵抗値として、発電セル１ａの最大電圧の立ち上がりとなる値（点線との交点となる値）を設定する。これにより、停止制御を終了した後に、発電セル１ａの電圧をゼロとしつつも、抵抗体４の発熱量を最も抑えることが可能となる。
FIG. 2B shows the relationship between the resistance of the
図１１は、燃料電池スタック１と、空気供給流路Ｌ20および空気排出流路Ｌ21との関係を示す説明図である。同図に示すように、燃料電池スタック１を構成する発電セル１ａの中には、空気供給流路Ｌ20および空気排出流路Ｌ21のレイアウトに起因して、空気供給流路Ｌ20および空気排出流路Ｌ21から近い位置に存在する発電セル１ａと、空気供給流路Ｌ20および空気排出流路Ｌ21から遠い位置に存在する発電セル１ａとが存在する。ここで、空気供給流路Ｌ20および空気排出流路Ｌ21から近い位置に存在する発電セル１ａは、空気供給流路Ｌ20および空気排出流路Ｌ21から遠い位置に存在する発電セル１ａと比較して、空気が混入しやすくなる。
FIG. 11 is an explanatory diagram showing the relationship between the fuel cell stack 1 and the air supply flow path L20 and the air discharge flow path L21. As shown in the figure, in the
ここで、再び図１０（ａ）を参照するに、放置中の発電セル１ａ（或いは、セルユニット）の最大電圧は、空気の混入しにくい箇所と比較して、それよりも発電セル１ａに対する空気の混入しやすい箇所の方が相対的に高い値を示す傾向となる。同図において、実線Iは、空気が混入しやすい箇所の発電セル１ａの最大電圧の推移を示し、点線IIは、空気が混入しにくい箇所の発電セル１ａの最大電圧の推移を示している。このような傾向を考慮して、本実施形態では、複数の発電セル１ａに対応して設けられた抵抗体４は、外気が進入し難い箇所に設けられた抵抗体４が、この抵抗体４よりも外気（空気）が進入しやすい箇所に設けられた抵抗体４よりも抵抗値が高く設定されている。換言すれば、これらの抵抗体４は、空気供給流路Ｌ20および空気排出流路Ｌ21から遠い箇所に設けられた抵抗体４が、この抵抗体４よりも空気供給流路Ｌ20および空気排出流路Ｌ21から近い箇所に設けられた抵抗体４よりも抵抗値が高く設定されている。なお、抵抗体４の抵抗と、個々の発電セル１ａ（或いは、セルユニット）の最大電圧との関係は、実験やシミュレーションを予め通じて取得することがきるので、この結果に基づいて、個々の抵抗体４の抵抗値を設定することが好ましい。
Here, referring again to FIG. 10 (a), the maximum voltage of the
このように本実施形態において、燃料電池スタック１は、燃料極と酸化剤極との間を電気的に接続するとともに、この極間において電気的な抵抗要素となる抵抗体４をさらに有している。この場合、抵抗体４は、停止制御を終了した後に、燃料電池スタックの電圧がゼロとなるような抵抗値に設定されている。かかる構成によれば、抵抗体４により、停止制御後における燃料電池スタック１の電圧上昇を抑制することができる。これにより、停止制御の終了後から次の起動までの間に、燃料電池スタック１が劣化する状況を抑制することができる。
As described above, in the present embodiment, the fuel cell stack 1 electrically connects the fuel electrode and the oxidant electrode, and further includes the
また、本実施形態において、燃料電池スタック１は、一対の燃料極と酸化剤極とで構成される発電セル１ａを複数積層したスタック構造を有している。この場合、抵抗体４は、個々の発電セル１ａに対応して、或いは、複数の発電セル１ａに対応して複数設けられており、それぞれの抵抗体４は、第１の抵抗体４よりも外気が進入し易い箇所に設けられた第２の抵抗体４の方が、第１の抵抗体４よりも抵抗値が低く設定されている。換言すれば、それぞれの抵抗体４は、第１の抵抗体４よりも空気供給流路Ｌ20および空気排出流路Ｌ21から近い箇所に設けられた第２の抵抗体４の方が、第１の抵抗体よりも抵抗値が低く設定されている。かかる構成によれば、空気供給流路Ｌ20および空気排出流路Ｌ21に近い場所、すなわち、外気が進入しやすい場所では多くの電流が流れるようになり、また、空気供給流路Ｌ20および空気排出流路Ｌ21から遠い場所、すなわち、外気が進入しにくい場所では少ない電流が流れるようになる。これにより、個々の発電セル１ａに対する酸素の混入し易さの程度に応じて、電圧上昇を適切に抑制することができる。
In the present embodiment, the fuel cell stack 1 has a stack structure in which a plurality of
１ 燃料電池スタック
１ａ 発電セル
３ 制御装置
４ 抵抗体
１０ 水素系
１１ 燃料タンク
１２ 水素供給弁
１３ 水素調圧弁
１４ 水素循環ポンプ
１５ エゼクタ
１６ 水素系出口弁（パージ弁）
２０ 空気系
２１ コンプレッサ
２２ 空気調圧弁
２３ 空気系入口弁
２４ 空気系出口弁
３０ 電流取出部
３１ 制御部
３２ 電圧センサ
３３ 水素圧力センサ
３４ 空気圧力センサ
３５ 空気流量センサ
Ｌ10 水素供給流路
Ｌ11 水素循環流路
Ｌ12 水素排出流路
Ｌ20 空気供給流路
Ｌ21 空気排出流路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
20
Claims (15)
燃料極に燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤極に酸化剤ガスが供給されることにより、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて電力を発生する燃料電池と、
前記燃料電池の酸化剤極に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給流路と、前記酸化剤極から前記酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出流路とを含む酸化剤ガス系と、
前記燃料電池の燃料極から前記燃料ガスを排出する燃料ガス排出流路を含む燃料ガス系と、
前記酸化剤ガス系に設けられており、自己の動作状態に応じて、前記酸化剤ガス系から前記燃料電池への外気の進入を規制する酸化剤系規制手段と、
前記燃料ガス系に設けられており、自己の動作状態に応じて、前記燃料ガス系から前記燃料電池への外気の進入を規制する燃料系規制手段と、
前記燃料電池から電流を取り出す電流取出手段と、
システムの停止時に実行する停止制御として、前記電流取出手段によって取り出す電流を制御することにより、前記燃料電池の酸化剤極に存在する前記酸化剤ガスを消費し、前記酸化剤系規制手段の動作状態を制御することにより、前記酸化剤ガス系から前記燃料電池への外気の進入を規制し、前記燃料系規制手段の動作状態を制御することにより、前記燃料ガス系から前記燃料電池への外気の進入を規制する制御手段と
を有することを特徴とする燃料電池システム。 In the fuel cell system,
A fuel cell that generates electric power by electrochemically reacting the fuel gas and the oxidant gas by supplying a fuel gas to the fuel electrode and supplying an oxidant gas to the oxidant electrode;
An oxidant gas system including an oxidant gas supply channel for supplying the oxidant gas to the oxidant electrode of the fuel cell; and an oxidant gas discharge channel for discharging the oxidant gas from the oxidant electrode;
A fuel gas system including a fuel gas discharge passage for discharging the fuel gas from the fuel electrode of the fuel cell;
An oxidant system regulating means provided in the oxidant gas system, for regulating the entry of outside air from the oxidant gas system to the fuel cell according to its own operating state;
A fuel system regulating means that is provided in the fuel gas system and regulates the entry of outside air from the fuel gas system to the fuel cell according to its own operating state;
Current extraction means for extracting current from the fuel cell;
As the stop control executed when the system is stopped, by controlling the current taken out by the current take-out means, the oxidant gas existing in the oxidant electrode of the fuel cell is consumed, and the operating state of the oxidant system restricting means By controlling the entry of outside air from the oxidant gas system to the fuel cell, and controlling the operating state of the fuel system regulating means, thereby controlling the outside air from the fuel gas system to the fuel cell. And a control means for restricting entry.
前記第２の弁は、前記酸化剤ガス排出流路において前記燃料電池の直下に設けられていることを特徴とする請求項２に記載された燃料電池システム。 The first valve is provided immediately above the fuel cell in the oxidant gas supply channel,
3. The fuel cell system according to claim 2, wherein the second valve is provided immediately below the fuel cell in the oxidant gas discharge channel.
前記酸化剤ガス排出流路は、前記第２の弁と前記燃料電池との間に配管以外の部品を備えていないことを特徴とする請求項２に記載された燃料電池システム。 The oxidant gas supply flow path does not include any parts other than piping between the first valve and the fuel cell,
3. The fuel cell system according to claim 2, wherein the oxidant gas discharge channel does not include any parts other than piping between the second valve and the fuel cell.
燃料ガス供給手段から前記燃料電池の燃料極に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路と、
前記燃料ガス排出流路と前記燃料ガス供給流路とを連通し、前記燃料電池の燃料極から排出される前記燃料ガスを、前記燃料極の供給側へと循環させる燃料ガス循環流路とをさらに有し、
前記燃料系規制手段は、前記燃料ガス循環流路との接続部よりも下流側の前記燃料ガス排出流路に設けられており、自己の開閉状態に応じて流路を開閉する第３の弁で構成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載された燃料電池システム。 The fuel gas system is
A fuel gas supply channel for supplying the fuel gas from the fuel gas supply means to the fuel electrode of the fuel cell;
A fuel gas circulation flow path that connects the fuel gas discharge flow path and the fuel gas supply flow path, and circulates the fuel gas discharged from the fuel electrode of the fuel cell to the supply side of the fuel electrode; In addition,
The fuel system regulating means is provided in the fuel gas discharge channel downstream of the connection with the fuel gas circulation channel, and a third valve that opens and closes the channel according to its own open / closed state The fuel cell system according to any one of claims 1 to 5, wherein the fuel cell system is configured as follows.
前記抵抗体は、前記停止制御を終了した後に、前記燃料電池の電圧がゼロとなるような抵抗値に設定されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載された燃料電池システム。 The fuel cell further includes a resistor that electrically connects between the fuel electrode and the oxidant electrode and serves as an electrical resistance element between the electrodes,
7. The resistor according to claim 1, wherein the resistor is set to have a resistance value such that the voltage of the fuel cell becomes zero after the stop control is finished. 8. Fuel cell system.
前記抵抗体は、個々の発電セルに対応して、或いは、複数の発電セルに対応して複数設けられており、
前記抵抗体のそれぞれは、第１の抵抗体よりも外気が進入し易い箇所に設けられた第２の抵抗体の方が、前記第１の抵抗体よりも抵抗値が低く設定されることを特徴とする請求項７に記載された燃料電池システム。 The fuel cell has a stack structure in which a plurality of power generation cells composed of a pair of fuel electrodes and an oxidant electrode are stacked,
The resistor is provided corresponding to each power generation cell, or a plurality corresponding to a plurality of power generation cells,
Each of the resistors is set to have a resistance value lower than that of the first resistor in the second resistor provided in a place where outside air is more likely to enter than in the first resistor. 8. The fuel cell system according to claim 7, wherein
前記抵抗体は、個々の発電セルに対応して、或いは、複数の発電セルに対応して複数設けられており、
前記抵抗体のそれぞれは、第１の抵抗体よりも前記酸化剤ガス供給流路および前記酸化剤ガス排出流路から近い箇所に設けられた第２の抵抗体の方が、前記第１の抵抗体よりも抵抗値が低く設定されることを特徴とする請求項７に記載された燃料電池システム。 The fuel cell has a stack structure in which a plurality of power generation cells composed of a pair of fuel electrodes and an oxidant electrode are stacked,
The resistor is provided corresponding to each power generation cell, or a plurality corresponding to a plurality of power generation cells,
Each of the resistors is a second resistor provided closer to the oxidant gas supply channel and the oxidant gas discharge channel than the first resistor. 8. The fuel cell system according to claim 7, wherein the resistance value is set lower than that of the body.
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