JP2010140871A - Fuel cell system - Google Patents

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順司 上原
Kenichiro Ueda
健一郎 上田
Hirotsugu Matsumoto
裕嗣 松本
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system capable of controlling an electrolyte film in a proper wet state when restarting a fuel cell. <P>SOLUTION: A voltage in each cell of the fuel cell 1 is detected by a voltage sensor 15, the inside of the fuel cell 1 is determined to be in a more humidified state than usual when only the voltages of a part of cells drop, and the inside of the fuel cell 1 is in more dry state than usual when the voltages of all cells similarly drop. When the fuel cell 1 stops, before stopping supply of a fuel gas, the fuel gas pressure of an anode pole 3 is adjusted to a value corresponding to a wet state in the fuel cell 1. When the fuel cell 1 stops, water is generated correspondingly to the fuel gas pressure in the anode pole 3 to adjust the wet state. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

この発明は、燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応によって発電を行う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 that generates power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas.

この種の燃料電池システムで用いられる燃料電池では、アノード極とカソード極の間に固体電解質膜を挟んだものが知られている。この燃料電池システムにおいては、出力を効率良く取り出すために電解質膜を適度な湿潤状態に維持することが重要となる。即ち、電解質膜の含水量が低すぎる場合には電解質膜の導電率が低下して抵抗の増大を招き、逆に、電解質膜の周囲が過剰な水分によって覆われている場合には電極表面での電気化学反応が阻害されてしまう。   A fuel cell used in this type of fuel cell system is known in which a solid electrolyte membrane is sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode. In this fuel cell system, it is important to maintain the electrolyte membrane in an appropriate wet state in order to efficiently extract the output. That is, when the water content of the electrolyte membrane is too low, the conductivity of the electrolyte membrane decreases, leading to an increase in resistance. Conversely, when the periphery of the electrolyte membrane is covered with excess moisture, The electrochemical reaction is inhibited.

このため、これに対処するシステムとして、電解質膜の湿潤状態を検出する検出手段と、システムの作動中に、検出手段の検出結果に応じて水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスの分圧差を制御する制御手段を設けたものが案出されている（例えば、特許文献１，２参照）。
この燃料電池システムは、運転されている最中に、燃料ガスと酸化剤ガスの分圧差を制御することにより、電極上での生成水の発生量を増減調整する。
特開２００４−１２７９１４号公報 特開２００８−１５３０３２号公報 For this reason, as a system to cope with this, a detection means for detecting the wet state of the electrolyte membrane, and a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas containing oxygen according to the detection result of the detection means during the operation of the system. A device having a control means for controlling the pressure difference has been devised (see, for example, Patent Documents 1 and 2).
While this fuel cell system is in operation, it controls the partial pressure difference between the fuel gas and the oxidant gas to increase or decrease the amount of generated water on the electrode.
JP 2004-127914 A JP 2008-153032 A

しかし、この従来の燃料電池システムは、システムが運転されている最中に電解質膜の湿潤状態を検出し、その検出状態に応じて現在の燃料ガスと酸化剤ガスの分圧差を制御するものであるため、燃料電池を停止後に再起動する際には電解質膜を迅速に適切な湿潤状態にすることが難しい。
即ち、燃料電池を再起動する際には、ガス圧力が適正圧力に調整されるまでにタイムラグを生じ易いうえ、電極の周囲に生じた生成水がシステム作動に伴うガスの流れによって電解質膜の周囲から離散し易く、充分な加湿を効率良く得ることが難しい。 However, this conventional fuel cell system detects the wet state of the electrolyte membrane while the system is in operation, and controls the partial pressure difference between the current fuel gas and oxidant gas according to the detected state. For this reason, it is difficult to quickly bring the electrolyte membrane into an appropriate wet state when the fuel cell is restarted after being stopped.
That is, when the fuel cell is restarted, a time lag is likely to occur until the gas pressure is adjusted to an appropriate pressure, and the generated water around the electrode is surrounded by the gas flow accompanying the system operation. Therefore, it is difficult to obtain sufficient humidification efficiently.

そこで、この発明は、燃料電池の再起動時に、電解質膜を適切な湿潤状態に制御することのできる燃料電池システムを提供しようとするものである。   Therefore, the present invention is intended to provide a fuel cell system capable of controlling the electrolyte membrane to an appropriate wet state when the fuel cell is restarted.

上記の課題を解決する請求項１に記載の発明は、アノード極（例えば、後述の実施形態におけるアノード極３）とカソード極（例えば、後述の実施形態におけるカソード極４）が電解質膜（例えば、後述の実施形態における電解質膜２）を挟んで設けられたセルを複数積層した燃料電池（例えば、後述の実施形態における燃料電池１）と、水素を含む燃料ガスを前記アノード極に供給する燃料ガス供給手段（例えば、後述の実施形態における水素タンク７）と、酸素を含む酸化剤ガスを前記カソード極に供給する酸化剤ガス供給手段（例えば、後述の実施形態におけるエアコンプレッサ５）と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池内の湿潤状態を判定する湿潤状態判定手段（例えば、後述の実施形態における電圧センサー１５及び制御装置１２）と、前記燃料ガス供給手段からアノード極に供給する燃料ガスの圧力を調整する燃料圧力調整手段（例えば、後述の実施形態における圧力制御弁９）と、を設け、燃料電池の停止時に、燃料ガスの供給停止に先立ち、前記燃料圧力調整手段によって前記アノード極の燃料ガス圧力を前記湿潤状態判定手段の判定結果に応じた値に調整することを特徴とする。
これにより、燃料電池を停止する場合には、最初に、燃料圧力調整手段によってアノード極内の燃料圧力が燃料電池内の湿潤状態に応じた値に調整され、その後に、アノード極に対する燃料供給が停止される。この結果、燃料電池が停止した後には、アノード極の燃料ガス圧力が湿潤状態に応じた値となり、ガスの流れのない状態において適量の生成水が生じることになる。燃料電池が再起動されるときには、電解質膜が生成水によって最適な湿潤状態に維持され、その状態においてアノード極とカソード極の間で電気化学反応が行われる。 The invention according to claim 1, which solves the above problem, includes an anode electrode (for example, an anode electrode 3 in an embodiment described later) and a cathode electrode (for example, a cathode electrode 4 in an embodiment described later) having an electrolyte membrane (for example, A fuel cell (for example, a fuel cell 1 in an embodiment described later) in which a plurality of cells provided with an electrolyte membrane 2) sandwiched therebetween are stacked, and a fuel gas that supplies a hydrogen-containing fuel gas to the anode electrode Supply means (for example, a hydrogen tank 7 in an embodiment described later) and oxidant gas supply means (for example, an air compressor 5 in an embodiment described later) for supplying an oxidant gas containing oxygen to the cathode electrode. In the fuel cell system, the wet state determination means for determining the wet state in the fuel cell (for example, the voltage sensor 15 in the embodiment described later). And a control device 12) and a fuel pressure adjusting means (for example, a pressure control valve 9 in an embodiment described later) for adjusting the pressure of the fuel gas supplied from the fuel gas supply means to the anode electrode, When stopping, prior to stopping the supply of fuel gas, the fuel pressure adjusting means adjusts the fuel gas pressure of the anode electrode to a value corresponding to the determination result of the wet state determining means.
Thereby, when stopping the fuel cell, first, the fuel pressure in the anode electrode is adjusted to a value corresponding to the wet state in the fuel cell by the fuel pressure adjusting means, and then the fuel supply to the anode electrode is performed. Stopped. As a result, after the fuel cell is stopped, the fuel gas pressure at the anode electrode becomes a value corresponding to the wet state, and an appropriate amount of generated water is generated in a state where there is no gas flow. When the fuel cell is restarted, the electrolyte membrane is maintained in an optimal wet state by the generated water, and an electrochemical reaction is performed between the anode and the cathode in this state.

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、前記湿潤状態判定手段は、前記燃料電池内の複数のセルの電圧状態に応じて湿潤状態を判定することを特徴とする。
燃料電池内が乾燥状態にあるときには、総てのセルの導電抵抗が増加するために全セルの電圧が同様に低下し、逆に電解質膜が通常よりも過加湿状態にあるときには、一部のセルの電極の周囲が生成水によって覆われ、そのセルの電圧のみが低下する。このため、湿潤状態判定手段は、総てのセルの電圧が低下しているときには燃料電池内が乾燥状態であるものと判定し、一部のセルの電圧だけが低下しているときには燃料電池内が通常よりも過加湿状態であるものと判定することができる。 The invention according to claim 2 is the fuel cell system according to claim 1, wherein the wet state determination means determines the wet state according to the voltage state of a plurality of cells in the fuel cell. To do.
When the inside of the fuel cell is in a dry state, the conductive resistance of all the cells increases, so that the voltage of all the cells similarly decreases, and conversely, when the electrolyte membrane is in an excessively humidified state, some The periphery of the cell electrode is covered with the generated water, and only the voltage of the cell is lowered. For this reason, the wet state determination means determines that the inside of the fuel cell is in a dry state when the voltages of all the cells are reduced, and the inside of the fuel cell when only the voltages of some cells are reduced. Can be determined to be an excessively humidified state.

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の燃料電池システムにおいて、前記湿潤状態判定手段が通常よりも乾燥状態であると判定した場合には、前記燃料圧力調整手段は、燃料ガスの供給停止に先立って前記アノード極の燃料ガス圧力を通常よりも高い値に調整することを特徴とする。
これにより、燃料電池内が通常よりも乾燥状態であるときには、アノード極の燃料ガス圧力を通常よりも高い値に調整した後に、燃料ガスのガス供給が停止される。したがって、燃料電池の停止後には、アノード極の燃料ガス圧力が高く維持され、電解質膜を通してアノード極からカソード極側に移動する水素量が増大して燃料電池の停止中に生じる生成水の量が増大する。この結果、燃料電池の再起動時には内部が生成水によって適度な湿潤状態に維持される。 According to a third aspect of the present invention, in the fuel cell system according to the first or second aspect, when the wet state determining unit determines that the dry state is dryer than usual, the fuel pressure adjusting unit Prior to the stop of gas supply, the fuel gas pressure at the anode electrode is adjusted to a value higher than usual.
Thereby, when the inside of the fuel cell is in a dry state than usual, the fuel gas supply is stopped after adjusting the fuel gas pressure at the anode electrode to a value higher than usual. Therefore, after the fuel cell is stopped, the fuel gas pressure at the anode electrode is maintained high, and the amount of hydrogen that moves from the anode electrode to the cathode electrode through the electrolyte membrane increases, resulting in the amount of generated water generated while the fuel cell is stopped. Increase. As a result, when the fuel cell is restarted, the inside is maintained in a moderately wet state by the generated water.

請求項４に記載の発明は、請求項１または２に記載の燃料電池システムにおいて、前記湿潤状態判定手段が通常よりも乾燥状態であると判定した場合には、前記燃料圧力調整手段は、燃料ガスの供給停止に先立って前記アノード極の燃料ガス圧力を通常よりも高く、かつ前記燃料電池内の極間差圧が制限値内に収まる範囲の値に調整することを特徴とする。
これにより、燃料電池の停止時には、アノード極の燃料ガス圧力が高くなるように調整されるが、このときのガス圧力は燃料電池内の極間差圧が制限値を超えないように制限される。したがって、アノード極とカソード極の極間差圧に起因する電解質膜の劣化を招くことがなくなる。 According to a fourth aspect of the present invention, in the fuel cell system according to the first or second aspect, when the wet state determining unit determines that the dry state is dryer than usual, the fuel pressure adjusting unit Prior to the stop of gas supply, the fuel gas pressure at the anode electrode is adjusted to a value higher than usual and the pressure difference between the electrodes in the fuel cell is within a limit value.
As a result, when the fuel cell is stopped, the fuel gas pressure at the anode electrode is adjusted to be high, but the gas pressure at this time is limited so that the pressure difference between the electrodes in the fuel cell does not exceed the limit value. . Accordingly, the electrolyte membrane is not deteriorated due to the differential pressure between the anode and the cathode.

請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記湿潤状態判定手段が通常よりも過加湿状態であると判定した場合には、前記燃料圧力調整手段は、燃料ガスの供給停止に先立って前記アノード極の燃料ガス圧力を通常よりも低い値に調整することを特徴とする。
これにより、燃料電池内が通常よりも過加湿状態であるときには、アノード極の燃料ガス圧力を通常よりも低い値に調整した後に、燃料ガスのガス供給が停止される。したがって、燃料電池の停止後には、アノード極の燃料ガス圧力が低く維持され、電解質膜を通してアノード極からカソード極側に移動する水素量が減少し、燃料電池の停止中に生じる生成水の量が減少する。この結果、燃料電池の再起動時には生成水による加湿が抑制され、適切な湿潤状態に維持される。 According to a fifth aspect of the present invention, in the fuel cell system according to any one of the first to fourth aspects, when the wet state determining means determines that the humidified state is more excessive than normal, the fuel The pressure adjusting means adjusts the fuel gas pressure at the anode electrode to a value lower than usual before stopping the supply of the fuel gas.
As a result, when the fuel cell is in an excessively humidified state, the fuel gas supply is stopped after the fuel gas pressure at the anode electrode is adjusted to a value lower than normal. Therefore, after the fuel cell is stopped, the fuel gas pressure at the anode electrode is kept low, the amount of hydrogen moving from the anode electrode to the cathode electrode through the electrolyte membrane is reduced, and the amount of produced water generated during the stop of the fuel cell is reduced. Decrease. As a result, when the fuel cell is restarted, humidification by the generated water is suppressed, and an appropriate wet state is maintained.

請求項１に記載の発明によれば、燃料電池を停止する場合に、アノード極の燃料圧力を燃料電池内の湿潤状態に応じた値に調整した後に、アノード極に対する燃料供給を停止するため、ガスの流れのない燃料電池の停止中に適量の生成水を効率良く作り、燃料電池の再起動時における内部の湿潤状態を適切に維持することができる。したがって、この発明によれば、燃料電池の再起動時に効率良く発電出力を得ることができる   According to the first aspect of the present invention, when stopping the fuel cell, after adjusting the fuel pressure of the anode electrode to a value corresponding to the wet state in the fuel cell, the fuel supply to the anode electrode is stopped. An appropriate amount of generated water can be efficiently produced while the fuel cell without gas flow is stopped, and the internal wet state can be properly maintained when the fuel cell is restarted. Therefore, according to the present invention, a power generation output can be obtained efficiently when the fuel cell is restarted.

請求項２に記載の発明によれば、燃料電池内の複数のセルの電圧状態に応じて燃料電池内の湿潤状態を判定するため、専用のセンサーを設けることなく燃料電池内の湿潤状態を正確に判定することができる。したがって、この発明によれば、製品コストの低減を図ることができる。   According to the second aspect of the present invention, since the wet state in the fuel cell is determined according to the voltage state of a plurality of cells in the fuel cell, the wet state in the fuel cell is accurately determined without providing a dedicated sensor. Can be determined. Therefore, according to the present invention, the product cost can be reduced.

請求項３に記載の発明によれば、燃料電池内が通常よりも乾燥状態であるときには、燃料ガスの供給停止に先立ってアノード極の燃料ガス圧力を通常よりも高い値に調整するため、燃料電池の停止中に作られる生成水を増大させ、再起動時における燃料電池内の湿潤状態を適切に調整することができる。   According to the third aspect of the present invention, when the inside of the fuel cell is in a dry state than usual, the fuel gas pressure at the anode electrode is adjusted to a value higher than usual before stopping the supply of the fuel gas. It is possible to increase the amount of water produced while the battery is stopped and appropriately adjust the wet state in the fuel cell at the time of restart.

請求項４に記載の発明によれば、燃料電池内が通常よりも乾燥状態であるときには、燃料ガスの供給停止に先立ってアノード極の燃料ガス圧力を通常よりも高く、かつ燃料電池内の極間差圧が制限値内に収まる範囲の値に調整するため、電解質膜の劣化を招かない範囲で、燃料電池の停止中に作られる生成水量を増大させることができる。   According to the fourth aspect of the present invention, when the inside of the fuel cell is in a dry state than usual, the fuel gas pressure at the anode electrode is made higher than usual before stopping the supply of the fuel gas, and the electrode in the fuel cell is Since the differential pressure is adjusted to a value that falls within the limit value, the amount of water produced while the fuel cell is stopped can be increased within a range that does not cause deterioration of the electrolyte membrane.

請求項５に記載の発明によれば、燃料電池内が通常よりも過加湿状態であるときには、燃料ガスの供給停止に先立ってアノード極の燃料ガス圧力を通常よりも低い値に調整するため、燃料電池の停止中における生成水の発生を抑制し、再起動時における燃料電池内の湿潤状態を適切に調整することができる。   According to the fifth aspect of the present invention, when the fuel cell is in an excessively humid state than normal, the fuel gas pressure at the anode electrode is adjusted to a value lower than normal before stopping the supply of fuel gas. It is possible to suppress generation of generated water while the fuel cell is stopped and appropriately adjust the wet state in the fuel cell at the time of restart.

以下、この発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。なお、この実施形態における燃料電池システムは燃料電池車両に搭載される態様である。
図１は、燃料電池システムの概略構成図である。燃料電池１は、複数の電池セル（以下「セル」と呼ぶ）が積層されて成り、各セルは、固体高分子電解質膜２（以下、「電解質膜２」と呼ぶ）の両側にアノード極３とカソード極４が設けられ、アノード極３とカソード極４の外側に反応ガスを供給するためのガス通路（図示せず）が設けられている。なお、図１においては、セル内部の構造を把握できるように一つのセルのイメージを模式的に示している。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the fuel cell system in this embodiment is an aspect mounted in a fuel cell vehicle.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system. The fuel cell 1 is formed by stacking a plurality of battery cells (hereinafter referred to as “cells”), and each cell has an anode electrode 3 on both sides of a solid polymer electrolyte membrane 2 (hereinafter referred to as “electrolyte membrane 2”). And a cathode electrode 4, and a gas passage (not shown) for supplying a reaction gas to the outside of the anode electrode 3 and the cathode electrode 4. In FIG. 1, an image of one cell is schematically shown so that the internal structure of the cell can be grasped.

燃料電池１は、アノード極３に水素ガスを主成分とする燃料ガスが供給されるとともに、カソード極４に酸素を含む空気が供給される。燃料電池１のアノード極３では、触媒反応によって水素イオンが発生し、その水素イオンが電解質膜２を透過してカソード極４まで移動する。カソード極４では、水素イオンが酸素と電気化学反応を起こすことで電力を発生する。   In the fuel cell 1, a fuel gas containing hydrogen gas as a main component is supplied to the anode electrode 3, and air containing oxygen is supplied to the cathode electrode 4. In the anode electrode 3 of the fuel cell 1, hydrogen ions are generated by a catalytic reaction, and the hydrogen ions pass through the electrolyte membrane 2 and move to the cathode electrode 4. At the cathode 4, hydrogen ions generate an electric power by causing an electrochemical reaction with oxygen.

空気は、酸化剤ガス供給手段であるエアコンプレッサ５からエア供給路６を通して燃料電池１のカソード極４に供給される。カソード極４に供給された空気は、該空気中の酸素が酸化剤として供された後、燃料電池１からカソードオフガスとして排出される。   Air is supplied to the cathode electrode 4 of the fuel cell 1 through an air supply path 6 from an air compressor 5 which is an oxidant gas supply means. The air supplied to the cathode electrode 4 is discharged from the fuel cell 1 as a cathode off gas after oxygen in the air is supplied as an oxidant.

一方、燃料ガスは、燃料ガス供給手段である水素タンク７から燃料ガス供給路８を通して燃料電池１のアノード極３に供給される。燃料ガス供給路８には、水素タンク７から吐出された水素ガスを任意のガス圧に調整する電磁式の圧力制御弁９（燃料圧力調整手段）と、燃料ガスの供給を遮断する電磁式の遮断弁１０と、アノードカオフガスを燃料ガス供給路８に合流させるエゼクタ１１と、が設けられている。圧力制御弁９と遮断弁１０は、エアコンプレッサ５や他の弁類とともに制御装置１２によって制御される。   On the other hand, the fuel gas is supplied to the anode electrode 3 of the fuel cell 1 through the fuel gas supply path 8 from the hydrogen tank 7 which is a fuel gas supply means. The fuel gas supply path 8 has an electromagnetic pressure control valve 9 (fuel pressure adjusting means) that adjusts the hydrogen gas discharged from the hydrogen tank 7 to an arbitrary gas pressure, and an electromagnetic type that shuts off the supply of fuel gas. A shut-off valve 10 and an ejector 11 for joining the anode coff gas to the fuel gas supply path 8 are provided. The pressure control valve 9 and the shutoff valve 10 are controlled by the control device 12 together with the air compressor 5 and other valves.

また、エア供給路６と燃料ガス供給路８の燃料電池１の近傍部分には、アノード極３とカソード極４の各内部の圧力をそれぞれ検出するための圧力センサー１３，１４が設けられている。圧力センサー１３，１４の検出信号は制御装置１２に入力される。   Pressure sensors 13 and 14 for detecting the internal pressures of the anode electrode 3 and the cathode electrode 4 are provided in the vicinity of the fuel cell 1 in the air supply channel 6 and the fuel gas supply channel 8. . Detection signals from the pressure sensors 13 and 14 are input to the control device 12.

また、燃料電池１の各セル（若しくは、任意の組のセル）には、各セル内の電圧を検出するための電圧センサー１５が接続されている。この各電圧センサー１５の検出信号は制御装置１２に入力される。   In addition, each cell (or any set of cells) of the fuel cell 1 is connected to a voltage sensor 15 for detecting the voltage in each cell. The detection signal of each voltage sensor 15 is input to the control device 12.

制御装置１２では、各電圧センサー１５で検出されるセル電圧を予め設定した閾値電圧（通常運転時の平均的な電圧に対してある幅をもたせた値）と比較し、セル電圧が閾値電圧を下回っている場合には、セル電圧の低下が一部のセルだけに見られるのか、全セルに見られるのかを調べる。制御装置１２は、セル電圧の低下が一部のセルだけに見られる場合には、燃料電池１内が通常よりも加湿状態であるものと判定し、セル電圧の低下が全セルに同様に見られる場合には、燃料電池１内が通常よりも乾燥状態にあるものと判定する。この実施形態においては、電圧センサー１５と制御装置１２が湿潤状態判定手段を構成している。   In the control device 12, the cell voltage detected by each voltage sensor 15 is compared with a preset threshold voltage (a value having a certain width with respect to an average voltage during normal operation), and the cell voltage determines the threshold voltage. If it is lower, it is checked whether a drop in cell voltage is seen only in some cells or in all cells. The control device 12 determines that the fuel cell 1 is humidified more than usual when the cell voltage decrease is observed only in some cells, and the cell voltage decrease is similarly observed in all cells. If it is determined, the inside of the fuel cell 1 is determined to be in a dry state than usual. In this embodiment, the voltage sensor 15 and the control device 12 constitute wet state determination means.

なお、セル電圧の低下が一部のセルだけに見られる場合に燃料電池１内が通常よりも過加湿状態であるものと判定するのは、燃料電池１内の水分が過多になると、一部のセルの電極の周囲が生成水によって覆われ、生成水によって覆われたセルの電圧のみが低下するためである。
また、セル電圧の低下が全セルに同様に見られる場合に燃料電池１内が通常よりも乾燥状態にあるものと判定するのは、燃料電池１内が乾燥すると、総てのセルの電解質膜２の導電率が低下して全セルの電圧が同様に低下するためである。 In addition, when the drop in cell voltage is seen only in some cells, it is determined that the inside of the fuel cell 1 is in an excessively humid state than usual when the moisture in the fuel cell 1 is excessive. This is because the periphery of the electrode of the cell is covered with the generated water, and only the voltage of the cell covered with the generated water is lowered.
Further, when the cell voltage drop is similarly observed in all cells, it is determined that the inside of the fuel cell 1 is in a dry state than usual when the inside of the fuel cell 1 is dried. This is because the electrical conductivity of 2 is lowered and the voltages of all the cells are similarly lowered.

また、制御装置１２は、圧力センサー１３，１４によって検出されるアノード極極３とカソード極４のガス圧力を基にしてアノード極極３とカソード極４の極間差圧、つまり、燃料電池１内の電解質膜２に作用する燃料ガスと酸化剤ガスの圧力差を求める。そして、制御装置１２は、極間差圧が、電解質膜２の材質や膜圧によって決まる制限値（保護閾値）の範囲内にあるか否かを判定し、制限値の範囲を超える場合には、それ以上の燃料ガスの供給量の増大を制限する。   Further, the control device 12 determines the pressure difference between the anode electrode 3 and the cathode electrode 4 based on the gas pressures of the anode electrode 3 and the cathode electrode 4 detected by the pressure sensors 13 and 14, that is, in the fuel cell 1. The pressure difference between the fuel gas and the oxidant gas acting on the electrolyte membrane 2 is obtained. Then, the control device 12 determines whether or not the inter-electrode differential pressure is within a limit value (protection threshold) range determined by the material and the membrane pressure of the electrolyte membrane 2, and if it exceeds the limit value range , Limit the increase in the supply amount of fuel gas beyond that.

ところで、制御装置１２は、イグニッションスイッチをＯＦＦしたり、アイドル停止をするとき（燃料電池１を停止するとき）には、燃料電池１へのガス供給を完全に停止する前に、圧力制御弁９を制御してアノード極極３の燃料ガス圧力を燃料電池１内の湿潤状態に応じた値に調整する。このときの制御装置１２の水素圧指令値（圧力制御弁９の開弁指令値）は、図２に示すように、燃料電池１内が乾燥状態である程大きく、過加湿状態である程小さくなるように設定されている。したがって、アノード極極３の燃料ガス圧力は、燃料電池１内が乾燥状態の場合には通所よりも高く調整され、逆に過加湿状態の場合には通常よりも低く調整される。   By the way, the control device 12 turns off the pressure control valve 9 before completely stopping the gas supply to the fuel cell 1 when the ignition switch is turned off or when idling is stopped (when the fuel cell 1 is stopped). And the fuel gas pressure of the anode electrode 3 is adjusted to a value corresponding to the wet state in the fuel cell 1. At this time, the hydrogen pressure command value of the control device 12 (the valve opening command value of the pressure control valve 9) is larger as the inside of the fuel cell 1 is in a dry state and smaller as it is in an excessively humidified state, as shown in FIG. It is set to be. Therefore, the fuel gas pressure of the anode electrode 3 is adjusted to be higher than that when the fuel cell 1 is in a dry state, and conversely, it is adjusted to be lower than normal when the fuel cell 1 is in an excessively humidified state.

つづいて、この燃料電池システムの制御を図３のフローチャートに沿って説明する。
ステップＳ１０１においては、イグニッションスイッチがＯＦＦであるか否かを判定し、ＹＥＳの場合には、ステップＳ１０４に進み、ＮＯの場合には、ステップＳ１０２に進む。
ステップＳ１０２においては、グニッションスイッチをＯＮのままアイドル停止をするか否かを判定し、ＹＥＳの場合には、ステップＳ１０４に進み、ＮＯの場合には、ステップＳ１０３に進んで通常通りの発電を継続する。
即ち、イグニッションスイッチのＯＦＦ操作やアイドル停止によって燃料電池１を停止する場合には、ステップＳ１０４へと進み、その他の場合には、ステップＳ１０３に進んで通常通りの発電を継続する。 Next, the control of the fuel cell system will be described with reference to the flowchart of FIG.
In step S101, it is determined whether or not the ignition switch is OFF. If YES, the process proceeds to step S104. If NO, the process proceeds to step S102.
In step S102, it is determined whether or not to stop idling while the ignition switch is ON. If YES, the process proceeds to step S104. If NO, the process proceeds to step S103 and normal power generation is performed. continue.
That is, when the fuel cell 1 is stopped by the ignition switch OFF operation or idling stop, the process proceeds to step S104. In other cases, the process proceeds to step S103, and normal power generation is continued.

ステップＳ１０４においては、燃料電池１内の各セルの電圧を電圧センサー１５によって検出し、各電圧センサー１５の検出値に基づいて燃料電池１内の湿潤状態を判定するとともに、例えば、図２に示すような関係マップを参照して燃料電池１内の湿潤状態に応じた水素指令値（圧力制御弁９の開弁指令値）を求める。   In step S104, the voltage of each cell in the fuel cell 1 is detected by the voltage sensor 15, and the wet state in the fuel cell 1 is determined based on the detection value of each voltage sensor 15. For example, as shown in FIG. By referring to such a relationship map, a hydrogen command value (a valve opening command value of the pressure control valve 9) corresponding to the wet state in the fuel cell 1 is obtained.

次のステップＳ１０５においては、燃料電池１内の極間差圧による制限値（電解質膜２の保護閾値）を上限値として、水素指令値を制限する。つづくステップＳ１０６においては、ステップＳ１０５，Ｓ１０６で演算され、若しくは，制限された水素指令値にすべく圧力制御弁９によって燃料ガス圧力を制御する。   In the next step S105, the hydrogen command value is limited with the limit value (protection threshold value of the electrolyte membrane 2) due to the differential pressure between the electrodes in the fuel cell 1 as the upper limit value. In the subsequent step S106, the fuel gas pressure is controlled by the pressure control valve 9 so as to obtain a hydrogen command value calculated in steps S105 and S106 or limited.

ステップＳ１０７においては、水素圧指令値と、圧力センサー１５によって検出される実際の検出値との差が所定の許容範囲内にあるか否かを判定し、ここでＹＥＳの場合には、ステップＳ１０８に進み、ＮＯの場合には、ステップＳ１０６に戻って燃料ガス圧力の制御を継続する。
ステップＳ１０８においては、遮断弁１０を閉じるとともにコンプレッサ５を停止し、燃料電池１に対する燃料ガスと空気の供給を停止する。 In step S107, it is determined whether or not the difference between the hydrogen pressure command value and the actual detection value detected by the pressure sensor 15 is within a predetermined allowable range. If YES in this case, step S108 is determined. If NO, the process returns to step S106 to continue the control of the fuel gas pressure.
In step S108, the shutoff valve 10 is closed, the compressor 5 is stopped, and the supply of fuel gas and air to the fuel cell 1 is stopped.

図４は、アイドル停止によって燃料電池１を停止するときに、燃料電池１の内部が乾燥状態であった場合のアノード極極３とカソード極４の内圧の変化の様子を示すタイミングチャートである。
同図に示すようにアイドル停止指令が入ると、極間差圧による制限値（保護閾値）を上限値としてアノード極極３の燃料ガス圧力が増加方向に制御され、実際の燃料ガス圧力が制限値に達すると、その時点で燃料ガスと空気の供給が停止してアイドル停止状態となる。 FIG. 4 is a timing chart showing how the internal pressures of the anode electrode 3 and the cathode electrode 4 change when the fuel cell 1 is in a dry state when the fuel cell 1 is stopped by idling.
As shown in the figure, when an idle stop command is input, the fuel gas pressure at the anode electrode pole 3 is controlled in an increasing direction with the limit value (protection threshold value) due to the differential pressure between the electrodes as the upper limit value, and the actual fuel gas pressure becomes the limit value. At this point, the supply of fuel gas and air is stopped and the engine is in an idle stop state.

こうして、燃料電池１が停止すると、アノード極極３内の燃料ガスの流動が停止して、前段で昇圧された燃料ガス中の水素が電解質膜２を透過してカソード極４に移動し、そこで酸素と反応して生成水が作られる。この反応によりアノード極極内の燃料ガス圧力は図４に示すように漸減する。   Thus, when the fuel cell 1 is stopped, the flow of the fuel gas in the anode electrode 3 stops, and hydrogen in the fuel gas whose pressure has been increased in the previous stage passes through the electrolyte membrane 2 and moves to the cathode electrode 4, where oxygen To produce water. By this reaction, the fuel gas pressure in the anode electrode gradually decreases as shown in FIG.

以上のように、この燃料電池システムにおいては、燃料電池１を停止する際に、燃料電池１内の湿潤状態に応じてアノード極極３の燃料ガス圧力を調整し、調整後に燃料ガスの供給を停止するため、燃料電池１を停止した後には、電解質膜２を通したアノード極極３内の水素の移動によってガス圧力に応じた生成水を作ることができる。   As described above, in this fuel cell system, when the fuel cell 1 is stopped, the fuel gas pressure of the anode electrode 3 is adjusted according to the wet state in the fuel cell 1, and the supply of the fuel gas is stopped after the adjustment. Therefore, after the fuel cell 1 is stopped, generated water corresponding to the gas pressure can be produced by the movement of hydrogen in the anode electrode 3 through the electrolyte membrane 2.

即ち、燃料電池１内が乾燥状態の場合には、アノード極３内の燃料ガスの圧力を上昇させることによって停止時における生成水の発生量を増大させ、逆に、過加湿過多の状態の場合には、アノード極３内の燃料ガスの圧力を低下させることによって停止時における生成水の発生量を抑制することができる。   That is, when the fuel cell 1 is in a dry state, the amount of generated water at the time of stopping is increased by increasing the pressure of the fuel gas in the anode electrode 3. In this case, the amount of generated water at the time of stoppage can be suppressed by lowering the pressure of the fuel gas in the anode 3.

したがって、燃料電池１の再起動時には即時に高効率の発電出力を得ることができる。つまり、この燃料電池システムにおいては、再起動の直後に燃料電池１内の湿潤状態を調整するのではなく、燃料電池１の停止時に次の再起動に備えて湿潤状態の調整に移行するため、再起動時に適切な湿潤状態が得られるまでに大きなタイムラグが生じることがない。また、この燃料電池システムでは、燃料電池１が停止して内部のガス流動がない状態で水素と酸素の反応によって生成水が作られるため、燃料電池１の運転中に比較して効率良く高い湿潤状態を得ることができる。このため、特に、停止時に燃料電池１の内部が乾燥状態の場合には、効率良く性能を回復することができる。   Therefore, when the fuel cell 1 is restarted, a highly efficient power generation output can be obtained immediately. That is, in this fuel cell system, instead of adjusting the wet state in the fuel cell 1 immediately after restarting, the fuel cell system shifts to adjustment of the wet state in preparation for the next restart when the fuel cell 1 is stopped. There is no significant time lag before a suitable wet state is obtained at restart. Further, in this fuel cell system, the generated water is produced by the reaction of hydrogen and oxygen in a state where the fuel cell 1 is stopped and there is no gas flow inside. The state can be obtained. For this reason, especially when the inside of the fuel cell 1 is in a dry state at the time of stopping, the performance can be efficiently recovered.

また、この燃料電池システムにおいては、燃料電池１の内部の湿潤状態を判定するのに、専用のセンサーを設けるのではなく、電池１内のセル電圧をチェックするための電圧センサー１５を利用し、各電圧センサー１５の検出電圧の低下状態（ばらつきの有無）から判定するようにしているため、部品点数の削減によって製品コストの低減を図ることができる。   Further, in this fuel cell system, in order to determine the wet state inside the fuel cell 1, a voltage sensor 15 for checking the cell voltage in the battery 1 is used instead of providing a dedicated sensor. Since the determination is based on the state of decrease in the detection voltage of each voltage sensor 15 (presence or absence of variation), the product cost can be reduced by reducing the number of parts.

さらに、この燃料電池システムの場合、燃料電池１が乾燥状態で停止するときには、電解質膜２が劣化しない極間差圧に制限されるように燃料ガスの供給圧力を制御するため、電解質膜２の劣化を招くことなく、燃料電池１の停止中に作られる生成水量を増大させることができる。   Further, in the case of this fuel cell system, when the fuel cell 1 stops in a dry state, the supply pressure of the fuel gas is controlled so as to be limited to the differential pressure between the electrodes where the electrolyte membrane 2 does not deteriorate. The amount of water produced during the stop of the fuel cell 1 can be increased without causing deterioration.

なお、この発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更が可能である。   In addition, this invention is not limited to said embodiment, A various design change is possible in the range which does not deviate from the summary.

この発明の一実施形態の燃料電池システムの概略構成図。1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. この発明の一実施形態の燃料電池システムで採用する水素圧指令値―加湿度合いの関係マップ。The hydrogen pressure command value-humidification degree relationship map employed in the fuel cell system of one embodiment of the present invention. この発明の一実施形態の燃料電池システムの制御を示すフローチャート。The flowchart which shows control of the fuel cell system of one Embodiment of this invention. この発明の一実施形態の燃料電池システムの制御を示すタイムチャート。The time chart which shows control of the fuel cell system of one Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

１…燃料電池
２…電解質膜
３…アノード極
４…カソード極
５…エアコンプレッサ（酸化剤ガス供給手段）
７…水素タンク（燃料ガス供給手段）
９…圧力制御弁（燃料圧力調整手段）
１２…制御装置（湿潤状態判定手段）
１５…電圧センサー（湿潤状態判定手段） DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell 2 ... Electrolyte membrane 3 ... Anode electrode 4 ... Cathode electrode 5 ... Air compressor (oxidant gas supply means)
7 ... Hydrogen tank (fuel gas supply means)
9 ... Pressure control valve (fuel pressure adjusting means)
12 ... Control device (wet state determination means)
15 ... Voltage sensor (wet state determination means)

Claims (5)

アノード極とカソード極が電解質膜を挟んで設けられたセルを複数積層した燃料電池と、
水素を含む燃料ガスを前記アノード極に供給する燃料ガス供給手段と、
酸素を含む酸化剤ガスを前記カソード極に供給する酸化剤ガス供給手段と、
を備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池内の湿潤状態を判定する湿潤状態判定手段と、
前記燃料ガス供給手段からアノード極に供給する燃料ガスの圧力を調整する燃料圧力調整手段と、を設け、
燃料電池の停止時に、前記燃料ガスの供給停止に先立ち、前記燃料圧力調整手段によって前記アノード極の燃料ガス圧力を前記湿潤状態判定手段の判定結果に応じた値に調整することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell in which a plurality of cells each having an anode electrode and a cathode electrode sandwiched between electrolyte membranes are stacked;
Fuel gas supply means for supplying a fuel gas containing hydrogen to the anode electrode;
An oxidant gas supply means for supplying an oxidant gas containing oxygen to the cathode electrode;
In a fuel cell system comprising:
Wet state determination means for determining a wet state in the fuel cell;
A fuel pressure adjusting means for adjusting the pressure of the fuel gas supplied from the fuel gas supplying means to the anode electrode,
When stopping the fuel cell, prior to stopping the supply of the fuel gas, the fuel pressure adjusting means adjusts the fuel gas pressure at the anode electrode to a value according to the determination result of the wet state determining means. Battery system. 前記湿潤状態判定手段は、前記燃料電池内の複数のセルの電圧状態に応じて湿潤状態を判定す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。   2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the wet state determination unit determines the wet state in accordance with voltage states of a plurality of cells in the fuel cell. 前記湿潤状態判定手段が通常よりも乾燥状態であると判定した場合には、
前記燃料圧力調整手段は、燃料ガスの供給停止に先立って前記アノード極の燃料ガス圧力を通常よりも高い値に調整することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。 If it is determined that the wet state determination means is more dry than normal,
3. The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel pressure adjusting unit adjusts the fuel gas pressure at the anode electrode to a value higher than normal before stopping the supply of fuel gas. 4. 前記湿潤状態判定手段が通常よりも乾燥状態であると判定した場合には、
前記燃料圧力調整手段は、燃料ガスの供給停止に先立って前記アノード極の燃料ガス圧力を通常よりも高く、かつ前記燃料電池内の極間差圧が制限値内に収まる範囲の値に調整することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。 If it is determined that the wet state determination means is more dry than normal,
The fuel pressure adjusting means adjusts the fuel gas pressure at the anode electrode higher than usual before stopping the supply of fuel gas, and adjusts the pressure difference between the electrodes in the fuel cell within a limit value. The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein 前記湿潤状態判定手段が通常よりも過加湿状態であると判定した場合には、
前記燃料圧力調整手段は、燃料ガスの供給停止に先立って前記アノード極の燃料ガス圧力を通常よりも低い値に調整することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。 When it is determined that the wet state determination means is an excessively humidified state than usual,
The fuel according to any one of claims 1 to 4, wherein the fuel pressure adjusting means adjusts the fuel gas pressure at the anode electrode to a value lower than normal before stopping the supply of fuel gas. Battery system.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016091697A (en) * 2014-10-31 2016-05-23 日産自動車株式会社 Fuel cell system

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