JP4432312B2

JP4432312B2 - Fuel cell device

Info

Publication number: JP4432312B2
Application number: JP2002267411A
Authority: JP
Inventors: 康二小林; 憲二加藤; 宗久堀口; 義宏田村
Original assignee: Equos Research Co Ltd
Current assignee: Equos Research Co Ltd
Priority date: 2002-08-09
Filing date: 2002-08-09
Publication date: 2010-03-17
Anticipated expiration: 2022-08-09
Also published as: JP2004079490A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は燃料電池装置にかかり、詳しくは発電停止直後の燃料室内の燃料ガス置換方法に特徴を有する燃料電池装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、高分子電解質膜を使用した燃料電池では、電解質膜を挟んだ両側での燃料ガス或いは酸化ガスの濃度差に起因して燃料ガス或いは酸化ガスがイオン化し、そのイオンが電解質膜を透過して電気化学的な反応を生じるものであるから、電解質膜を挟んで燃料ガスと酸化ガスが存在していれば、両者の電気化学的な反応が継続する。従来では、燃料電池の運転を停止するためには、燃料電池への燃料ガスおよび酸化ガスの供給を停止する。この場合、燃料電池内には、燃料ガスと酸化ガスが残存しているから、一方の残存ガスがなくなるまで両者の電気化学的な反応が継続する。燃料ガスや酸化ガスの供給を止めた後、残存ガスが燃料電池の内部で反応すると、その体積が減少し、燃料室（燃料ガス流路）側の圧力が次第に低下する。燃料室内の内部圧力が低下すると、酸化ガス流路から電解質膜を透過して燃料ガス流路内に酸化ガスが侵入する。その結果、燃料室内では、燃料ガスの濃度が特に濃い領域と、酸化ガスの濃度が特に濃い領域が併存する状態、即ち、同一の燃料室内で、燃料ガスと酸化ガスが局部的に偏在した状態が発生することとなる。このガスの偏在が増大していくと、燃料ガスと酸化ガスの間で、通常の発電反応とは異なる位置で反応が起こり、電極触媒や高分子電解質膜が劣化する。
【０００３】
従来、このような異常反応による電極等の劣化を防止するため、燃料ガスや酸化ガスの供給を停止した際には、窒素等の不活性ガスを燃料室に供給し、燃料室内の雰囲気を不活性ガスに置換している。また、特開昭６０−２４１６６２や特開平８−１２４５８８に記載されているように、燃料電池内の残存水素ガスを、吸引して圧力調整用の別のガスを導入するものも提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のように燃料室に他のガスを置換するする構成では、燃料電池を停止する度にガスの置換を行うため、かえって不都合な場合がある。例えば、燃料電池を停止した後、直ぐに再起動する場合には、置換されたガスを再度燃料ガスに置き換える必要があり、置換ガスや燃料ガスを無駄に使用しなければならないという問題がある。
【０００５】
また、燃料ガスを再度供給して、燃料室に燃料ガスを満たすための準備動作が必要となり、再始動までに時間が掛かるといった問題もある。
この発明は、燃料ガスや酸化ガスの偏在を減少させて、電解質膜の劣化を抑制しつつ、停止直後の再始動が容易である燃料電池装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
以上のような目的を達成する本発明は以下の構成を有する。
（１）酸素極と燃料極とで固体高分子電解質膜を挟持した燃料電池と、
燃料極とセパレータによって形成される燃料室と、
前記燃料室に燃料ガスを導く燃料導入手段と、
前記燃料室内の燃料ガス圧又は燃料ガス濃度が、異常反応を発生する偏在の割合以上になるまで低下したこと、或いは前記燃料電池の電位が、異常反応を発生する燃料ガスの局所的な偏在の割合以上になるまで上昇したことを検出するガス偏在検出手段と、
前記燃料室から燃料ガスを排出する燃料導出手段と、
前記燃料導入手段を介して、前記燃料室に燃料ガスを供給する燃料供給手段と、
前記燃料電池への燃料ガス供給を停止している状態で、前記ガス偏在検出手段によって前記燃料室内のガスの偏在が検出された場合には、燃料ガスを前記燃料室内に供給するガス供給手段とを備えた燃料電池装置。
【０００７】
（２）酸素極と燃料極とで固体高分子電解質膜を挟持した燃料電池と、
燃料極とセパレータによって形成される燃料室と、
前記燃料室に燃料ガスを導く燃料導入手段と、
前記燃料室内の燃料ガス圧又は燃料ガス濃度が、異常反応を発生する偏在の割合以上になるまで低下したこと、或いは前記燃料電池の電位が、異常反応を発生する燃料ガスの局所的な偏在の割合以上になるまで上昇したことを検出するガス偏在検出手段と、
前記燃料室から燃料ガスを排出する燃料導出手段と、
前記燃料導入手段を介して、前記燃料室に燃料ガスを供給する燃料供給手段と、
前記燃料電池への燃料ガス供給を停止している状態で、前記ガス偏在検出手段によって前記燃料室内のガスの偏在が検出された場合には、置換ガスを前記燃料室内に供給するガス供給手段とを備えた燃料電池装置。
【０００８】
（３）前記置換ガスは、空気であり、
前記ガス供給手段は、前記燃料導出手段に設けられた排出ポンプと、一端には燃料導入手段が接続され、他端には外気に連通する開口部が設けられた空気導入手段とを備えており、
前記ガス供給手段は、前記排出ポンプが燃料室内のガスを吸引することにより前記空気導入手段を経て空気を燃料室に導入する上記（２）に記載の燃料電池装置。
【０００９】
（４）さらに、前記空気導入手段は、前記空気導入手段の外気に連通する開口部に設けられ、空気を燃料導入手段側へ強制的に送り込む空気導入ファンを有する上記（３）に記載の燃料電池装置。
【００１０】
（５）置換ガスは、空気であり、
前記ガス供給手段は、一端には燃料導入手段が接続され、他端には燃料導入手段側へ強制的に空気を送り込む空気導入ファンが設けられた空気導入手段を備えている上記（２）に記載の燃料電池装置。
【００１１】
（６）ガス偏在検出手段は、前記燃料室内のガス圧を検出する圧力検出手段と、圧力検出手段の検出値が所定値以下となった場合に、ガス偏在が生じていると判定する判定手段とを備えた上記（１）〜（５）のいずれか１つに記載の燃料電池装置。
【００１２】
（７）ガス偏在検出手段は、前記燃料室内の燃料ガス濃度を検出する濃度検出手段と、濃度検出手段の検出値が所定値以下となった場合に、ガス偏在が生じていると判定する判定手段とを備えた上記（１）〜（５）のいずれか１つに記載の燃料電池装置。
【００１３】
（８）ガス偏在検出手段は、特定の燃料電池の電位を検出する電位検出手段と、電位検出手段の検出値が所定値以上となった場合に、ガス偏在が生じていると判定する判定手段とを備えた上記（１）〜（５）のいずれか１つに記載の燃料電池装置。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の燃料電池の燃料供給装置１について、添付図面に基づき詳細に説明する。図１は、本発明の燃料電池装置１を備えた燃料電池システム１００の構成を示すブロック図である。
燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０と燃料電池スタック１０へ燃料ガスである水素ガスを供給する燃料供給装置１１とを備えた燃料電池装置１を有し、さらに、燃料電池スタック１０へ空気を供給する空気供給系４０と、水循環系５０と、負荷系７とを備えている。
【００１５】
図２は、燃料電池スタック１０の部分断面側面図、図３は、燃料電池スタックの部分断面斜視図である。
燃料電池スタック１０は、単位セル２と、セパレータ３とを備えている。単位セル２は、酸素極２１と燃料極２２とで固体高分子電解質２３を挟持した構成となっている。セパレータ３は、酸素極２１と燃料極２２にそれぞれ接触して電流を外部に取り出すための集電部材３１と、集電部材３１と単位セル２との間に介挿され、単位セル２の周端部に重ねられる介挿部材３３とを有している。
【００１６】
集電部材３１は、導電性と耐蝕性を備えた材料で構成されている。集電部材３１としては、例えば、カーボンブラック、金属等の材料で構成されている。金属で構成した場合には、例えば、ステンレス、ニッケル合金、チタン合金等の材料に耐蝕導電処理を施したものを用いることができる。ここで、耐蝕導電処理とは、例えば、金メッキ等が挙げられる。
集電部材３１の、燃料極２２に接触する面には、直線状に連続して***した凸部３１１が等間隔で複数形成され、該凸部３１１の間には、溝３１２がそれぞれ形成される。つまり、凸部３１１と溝３１２は、交互に配置された形状となっている。凸部３１１は、最も突出した峰の平面部が燃料極２２に接触する接触部３１３となっており、この接触部３１３を介して燃料極２２と通電可能となる。溝３１２と、燃料極２２の表面とによって、水素ガスが流通する燃料ガス流通路３１５が形成される。
【００１７】
凸部３１１の両端には、凸部３１１に直交する方向に溝３１４、３１４が形成され、この溝３１４と燃料極２２の表面とによって、燃料ガス流路３１６が形成される。複数の燃料ガス流通路３１５は、両端部で燃料ガス流路３１６にそれぞれ連通した構成となっており、複数の燃料ガス流通路３１５と一対の燃料ガス流路３１６とによって、燃料極２２へ水素ガスを供給する燃料室３０が構成される。
【００１８】
燃料室３０には、燃料ガス供給孔３１８と燃料ガス排出孔３１７とが形成され、水素ガスは燃料ガス供給孔３１８から燃料室３０内に流入し、燃料極２２に水素を供給しつつ、燃料ガス排出孔３１７から流出する。この実施形態では、集電部材３１は、矩形であり、燃料ガス供給孔３１８と燃料ガス排出孔３１７は、集電部材３１の平面視における図心を中心として点対称の位置に（対角線方向）に、それぞれ配置されている。図２には、燃料ガス供給孔３１８が示されている。以上のように、燃料室３０は、各セパレータ３と単位セル２の間にそれぞれ形成されている。
【００１９】
各燃料室３０の燃料ガス供給孔３１８は、燃料電池スタック１０内の一方の端部において、集電部材３１の積層方向に形成されている燃料ガス供給通路３１９ａにそれぞれ連通しており、燃料ガス排出孔３１７は、燃料電池スタック１０内の他方の端部において、集電部材３１の積層方向に形成されている燃料ガス排出通路３１９ｂにそれぞれ連通している。燃料ガス供給通路３１９ａと各燃料ガス供給孔３１８によって、燃料ガスを各燃料室３０に分配する燃料ガスマニホールド３４が構成される。
【００２０】
集電部材３１の、酸素極２１に接触する面には、直線状に連続して***した凸部３２１が等間隔で複数形成され、該凸部３２１の間には、溝３２２がそれぞれ形成される。つまり、凸部３２１と溝３２２は、交互に配置された形状となっている。凸部３２１は、最も突出した峰の平面部が酸素極２１に接触する接触部３２３となっており、この接触部３２３を介して酸素極２１と通電可能となる。溝３２２と、酸素極２１の表面とによって、空気が流通する空気流通路３２５が形成される。溝３２２は、集電部材３１の両端部に達しており、空気流通路３２５の上下端は、燃料電池スタック１０の外側に連通する開口部と連通している。両端の開口部の一方は、空気が流入する空気流入部３２６を形成し、他方の開口部は、空気が流出する空気流出部３２７を形成している。空気流入部３２６から流入した空気は、空気流通路３２５において、酸素極２２と接触し、酸素極に酸素を供給しつつ、空気流出部３２７へ導かれる。
【００２１】
次に、燃料供給装置１について説明する。図４は、燃料供給装置１の構成を示すブロック図である。図１及び図４に示されているように、燃料供給装置１は、燃料供給手段としての高圧水素ボンベ１１０と、燃料導入手段としての水素導入路１２と、燃料導出手段としての水素導出路１３と、循環路１４と、水素充填路１５と、空気導入路１６と、流量制御手段としての制御装置１７とを備えている。
【００２２】
高圧水素ボンベ１１０は、高圧の水素を収納しており、水素排出口には、水素導入路１２の一端が接続されている。水素導入路１２の他端は、燃料電池スタック１０の燃料ガス供給通路３１９ａに接続されている。水素導入路１２には、高圧水素ボンベ１１０からの水素ガスの排出を制御する開閉弁（元栓）Ｖ２が設けられ、開閉弁Ｖ２から燃料電池スタック１０へ向けて、水素一次圧センサＳ１、水素調圧弁Ｖ３、水素供給電磁弁Ｖ４、水素二次圧センサＳ２の順に設けられている。
【００２３】
水素一次圧センサＳ１は、高圧水素ボンベ１１０から供給される水素ガス圧力を検出し、制御装置１７へ検出値を供給する。水素調圧弁Ｖ３は、高圧水素ボンベ１１０の圧力を、燃料電池スタック１０へ供給する水素ガス圧に調整する。水素供給電磁弁Ｖ４は、開閉によって、燃料電池スタック１０への水素ガスの供給を制御する。水素二次圧センサＳ２は、水素調圧弁Ｖ３によって調整された、燃料電池スタック１０へ供給されるガス圧を検出し、制御装置１７へ検出値を供給する。
【００２４】
水素導出路１３の一端は、燃料電池スタック１０の燃料ガス排出通路３１９ｂに接続され、他端は外気に連通した排出端となっている。この水素導出路１３を介して、燃料電池スタック１０内を通過した水素ガスは、外部に排出される。水素導出路１３には、燃料電池スタック１０側から、排出端へ向けて、順に、循環ポンプＰ１、水素停止排気電磁弁Ｖ７、逆止弁１３３、水素消音機１３４が設けられている。水素停止排気電磁弁Ｖ７は、燃料電池の発電停止時に開放され、残留水素ガスや生成水等を排出する弁である。逆止弁１３３は、水素や外気の逆流を防止する弁である。水素消音器１３４は、水素排出時の音を抑制する。
【００２５】
循環路１４は、一端は、水素導出路１３の循環ポンプＰ１と水素停止排気電磁弁Ｖ７の間に接続され、他端は、水素導入路１２の水素二次圧センサＳ２の下流側に接続されている。循環路１４には、水素循環電磁弁Ｖ８が設けられている。水素導入路１２と、水素導出路１３と、循環路１４と、燃料電池スタック１０とによって、循環回路が構成され、水素循環電磁弁Ｖ８が開状態の場合には、循環ポンプＰ１の駆動によって、該循環回路を水素ガスが循環する。
【００２６】
水素充填路１５の一端は、水素導入路１２において、開閉弁Ｖ２の下流側に接続されている。水素充填路１５の他端には、外部充填手段に接続するための、水素充填バルブ１５１が接続されている。また、水素導入路１２には、開閉弁Ｖ２と水素調圧弁Ｖ３の間に、水素パージバルブ１５２が接続されている。高圧水素ガスボンベ１１０に外部から水素ガスを充填する際に、水素充填バルブ１５１が開かれ、ここに外部充填手段の接続口が接続される。水素ガス充填時には、充填開始時において、水素パージバルブ１５２が開放され、経路内の残留ガスが排出され、その後水素パージバルブ１５２は閉じられる。
【００２７】
さらに、水素導入路１２には、水素二次圧センサＳ２の下流側に、空気導入路１６の一端が接続されている。空気導入路１６の他端には、空気導入フィルタ１６１が接続され、さらに、空気導入路１６には空気導入電磁弁Ｖ９が設けられている。空気導入電磁弁Ｖ９は、燃料電池の停止動作時において、燃料室３０に外気を導入する際に、開放される。
なお、燃料電池スタック１０には、燃料電池スタック１０の電圧を検出する電圧センサＳ６と、特定の単位セル２において、酸素の電位を検出する電位センサＳ７と、燃料室３０の燃料ガス濃度を検出する濃度センサＳ５とが設けられている。検出された電圧値、電位値、濃度値は、制御装置１７に供給される。
【００２８】
図５は流量制御手段である制御装置１７の構成を示すブロック図である。制御装置１７は、制御部１７０と、制御部１７０等に電力を供給する電源回路１７４と、出力インターフェース回路１７６と、入力インターフェース回路１７５とを備えている。
出力インターフェース回路１７６には、水素供給電磁弁Ｖ４、水素停止排気電磁弁Ｖ７、水素循環ポンプＰ１、水素循環電磁弁Ｖ８、空気導入電磁弁Ｖ９が接続されており、これらの電磁弁の開閉や、ポンプの駆動と停止は、出力インターフェース回路１７６を介して、制御部１７０によって制御される。
【００２９】
入力インターフェース回路１７５には、水素一次圧センサＳ１と、水素二次圧センサＳ２と、水素濃度センサＳ５と、電圧センサＳ６と、電位センサＳ７とが接続されており、これらのセンサによって検出された各検出値は、入力インターフェース回路１７５を介して、制御部１７０に供給される。
電圧センサＳ６は、燃料電池スタック１０の出力電圧を検出する。水素濃度センサＳ５は、燃料室３０内の水素ガス濃度を検出する。水素濃度センサＳ５の設置位置は、燃料室３０内の他、水素導出路１３に設けられていてもよい。電位センサＳ７は、例えば、特定の単位セル２において、酸素極の表面に設置されている。
【００３０】
次に空気供給系４０について説明する。空気供給系４０は、空気入口フィルタ４１と、外気から空気を導入する空気供給ファン４２と、空気供給ファン４２で取り入れた空気を、燃料電池スタック１０へ導く空気導通路４３と、空気導通路４３によって導かれた外気を、燃料電池スタック１０に形成されている空気流入部３２６に分配する空気マニホールド４４と、燃料電池スタック１０の空気流通路３２５と、燃料電池スタック１０の空気流出部３２７に一端が接続された凝縮器ダクト４５と、凝縮器ダクト４５の他端排出口に接続された凝縮器５４と、凝縮器５４の空気排出口に設けられた空気出口フィルタ４６と、空気排出路４７とで構成されており、空気は、上記順番で空気供給系４０内を流れる。上記空気流通路３２５を空気が流通する際に、酸素極２１に酸素を供給する。
【００３１】
水循環系５０は、水タンク５１と、水タンク５１に一端が接続されている水供給路５２と、水供給路５２の他端が接続され、空気マニホールド４４内に水を噴射する噴射ノズル５３と、水蒸気又は霧状となって空気とともに通過する空気流通路３２５と、凝縮器ダクト４５と、凝縮器５４と、凝縮器５４で回収された水を、水回収ポンプＰ３により水タンク５１へ導く回収路５５とから構成されている。そして、水供給路５２には、水タンク５１から噴射ノズル５３に向けて順に、水フィルター５６、直噴ポンプＰ２、直噴水供給電磁弁Ｖ１が設けられている。水タンク５１には、給水口５１１と、水位センサＳ３が設けられている。水タンク５１の水は、直噴ポンプＰ２によって吸い上げられ、噴射ノズル４５から空気マニホールド４４内に噴射され、空気とともに、空気流通路３２５内を通過する。この際、酸素極２１に付着して、酸素極２１を湿潤状態に保つ働きがあり、また、燃料電池スタック１０を冷やし、発電時の反応熱による過熱を抑制する。また、凝縮器５４にはファン５４１が設けられている。
【００３２】
負荷系７は、燃料電池スタック１０が電力を取り出し、インバータ７２を介して、モータ７３等の負荷を駆動させる。この負荷系７には、スイッチのためのリレー７１と、補助出力源となる二次電池であるキャパシタ７４が設けられている。
【００３３】
次に、本発明の燃料供給装置１の作動について説明する。図６は、燃料電池システム１００の発電停止処理動作を示すメインフローチャートである。イグニッションキーがオンであるかモニターし（ステップＳ１０１）、オンでない場合には、発電停止の指示があったものと判断し、発電停止処理動作が開始される。最初に、水素ガスの循環を止めるため、水素循環ポンプＰ１が停止される（ステップＳ１０３）。そして、水素循環電磁弁Ｖ８が閉じられる（ステップＳ１０５）。次にリレー７１がオフに切り換えられる（ステップＳ１０７）。これにより、燃料電池スタック１０から負荷系７への電力の出力は遮断される。そして、燃料電池スタック１０への水素ガスの供給を止めるために、水素供給電磁弁Ｖ４が閉じられ（ステップＳ１０９）、水素停止排気電磁弁（ステップＳ１１１）が閉じられる。
【００３４】
続いて水ポンプＰ２が停止され（ステップＳ１１３）、空気マニホールド４４への水の噴射が停止される。さらに、空気供給ファン４２が停止され（ステップＳ１１５）、燃料電池スタック１０への空気の供給も停止される。そして、凝縮器５４、水回収ポンプＰ３等の発電用補機が停止され（ステップＳ１１７）、発電停止後の制御動作に移行する。
【００３５】
発電停止後は、燃料室３０内に水素ガスが残留した状態となっており、この状態では、残留した水素ガスと空気流通路３２５内の空気との反応が続いており、水素ガスは消費され、燃料室３０内の圧力が下がるとともに、水素ガスの濃度が減少する。燃料室３０の圧力の低下によって、空気流通路３２５側から高分子電解質膜２３を透過して空気が燃料室３０内に侵入し、燃料室３０内に水素ガスと空気とが、均一に混合されない状態で偏在する結果となる。この偏在が一定の割合以上に存在すると、偏在している水素ガスと空気との間で、電気化学反応を起こし、単位セル２の電位が上がるなどの現象が発生する。以下に説明する構成は、上記のようなガスの偏在が起きる予兆である、燃料室３０内の水素濃度の低下やガス圧の低下、或いはガス偏在の結果生じる現象である単位セル２の電位の上昇などを検出することによって、ガスの偏在を解消し、ガス偏在の結果発生する異常反応による電極の劣化を抑制する。
【００３６】
以下、燃料室３０内におけるガスの偏在を抑制するための、発電停止後の制御動作について説明する。図７は、発電停止後の制御動作を示すフローチャートである。発電停止後、電位センサＳ７によって、単位セル２の酸素極側の電位を監視する（ステップＳ２０１）。そして、イグニッションキーがオン操作されたか判断する（ステップＳ２０３）。オン操作された場合には、発電起動処理ルーチンが開始される。
【００３７】
イグニッションキーがオフの状態である場合には、燃料電池電位が設定電位１以上であるか判断する（ステップＳ２０５）。ガス偏在が生じると、電極の電位が上昇るので、電位上昇を検出した場合には、ガス偏在が生じると判断することができる。従って、この設定電位１は、ガスの偏在の結果発生する電位上昇に相当する値に設定されている。設定電位１に満たない場合には、ガスの偏在は生じていないので、ステップＳ２０１からステップＳ２０５を繰り返す。この間に、イグニッションキーがオン操作された場合には、燃料室３０に水素ガスが残留しているので、水素ガスの再供給量が少量で済み、容易に十分な出力が得られる。
【００３８】
燃料電池電位が設定電位１以上となった場合には、ガスの偏在が生じ、異常反応が生じる可能性が高くなったことを意味するので、燃料室３０から強制的に水素ガスを除去する。即ち、空気導入電磁弁Ｖ９を開き（ステップＳ２０７）、水素排気電磁弁Ｖ７を開き（ステップＳ２０９）、水素循環ポンプＰ１を駆動させる（ステップＳ２１１）。これらの動作により、燃料室３０内の水素ガスは排出され、空気が送り込まれる。つまり、送り込まれた空気によって、燃料室３０内の水素ガスは空気に置換され、ガスの偏在が抑制される。
【００３９】
燃料電池電位が設定電位２以下となったか判断する（ステップＳ２１３）。設定電位１＞設定電位２の関係となっている。燃料電池電位が設定電位２以下でない場合には、十分にガスの偏在が解消されてないことを意味するので、ステップＳ２０７〜２１１を繰り返す。燃料電池電位が設定電位２以下となった場合には、ガスの偏在は十分に解消されたことを意味するので、水素循環ポンプＰ１は停止され（ステップＳ２１５）、水素排気電磁弁Ｖ７を閉じ（ステップＳ２１７）、空気導入電磁弁Ｖ９を閉じる（ステップＳ２１９）。最後に、全補機を停止する（ステップＳ２２１）。
【００４０】
以上のような制御動作の他、燃料電池の電位ではなく、燃料室３０内のガス圧の変化を監視することによって、ガスの偏在を検出する方法であってもよい。以下、ガス圧を監視する動作を図８に示されているフローチャートに基づいて説明する。
水素２次圧センサＳ２によって、燃料室３０内のガス圧を監視する（ステップＳ３０１）。イグニッションキーがオン操作されたか判断する（ステップＳ３０３）。オン操作された場合には、発電起動処理ルーチンが開始される。
【００４１】
イグニッションキーがオフの状態である場合には、水素２次圧ｐ２が設定圧力１以下であるか判断する（ステップＳ３０５）。設定圧力１は、ガスの偏在が生じうる圧力に設定されている。水素２次圧ｐ２が設定圧力１以下でない場合には、ガスの偏在は生じていないと判断されるので、ステップＳ３０３〜３０５を繰り返す。この間に、イグニッションキーがオン操作された場合には、燃料室３０に水素ガスが残留しているので、水素ガスの再供給量が少量で済み、容易に十分な出力が得られる。
【００４２】
水素２次圧ｐ２が設定圧力１以下となった場合には、水素循環ポンプＰ１を駆動させ（ステップＳ３０７）、水素排気電磁弁Ｖ７を開く（ステップＳ３０９）。これらの動作により、燃料室３０内の水素ガスは強制的に排出されていく。そして、ステップＳ３０７〜３０９の状態を６０秒間維持する（ステップＳ３１１）。ステップＳ３０７〜３１１の動作によって、燃料室３０内のガス圧は、負圧となる。ここで、空気導入電磁弁Ｖ９を開放する（ステップＳ３１３）。燃料室３０内のガス圧は負圧であるため、空気は急激に流入し、燃料室３０内のガスは攪拌されガスの偏在は解消される。
【００４３】
水素２次圧ｐ２が設定圧力２以上となったか判断する（ステップＳ３１５）。設定圧力２＞設定圧力１となっており、設定圧力２は、１気圧（絶対圧）に設定されている。
【００４４】
水素２次圧ｐ２が設定圧力２以上となるまで、ステップＳ３１３〜３１５が実行される。水素２次圧ｐ２が設定圧力２以上となった場合には、ガスの偏在が解消されたものと判断し、全補機が停止される（ステップＳ３１７）。
【００４５】
他の実施形態の構成について説明する。図９は、他の実施形態の燃料供給装置１１Ａを示すブロック図である。この構成では、空気導入路１６が省略されており、他の構成は、図１に示されている構成と同様であるので、他の構成については、説明を省略する。このような構成における、発電停止後の制御動作は以下のように行われる。図１０は、発電停止後の制御動作を示すフローチャートである。
【００４６】
水素２次圧センサＳ２にて、燃料室３０の圧力が監視される（ステップＳ４０１）。イグニッションキーがオン操作されたか判断する（ステップＳ４０３）。オン操作された場合には、発電起動処理ルーチンが開始される。
イグニッションキーがオフの状態である場合には、水素２次圧ｐ２が設定圧力以上であるか判断する（ステップＳ４０５）。この設定圧力は、通常の発電開始に必要な圧力に設定されている。水素２次圧ｐ２が設定圧力以上でない場合には、水素供給電磁弁Ｖ４が開かれ水素ガスが供給される（ステップＳ４０９）。また、水素２次圧ｐ２が設定圧力以上である場合には、水素ガス圧は十分なので、水素供給電磁弁Ｖ４は閉じられる（ステップＳ４０７）。
【００４７】
この構成では、燃料室３０に常時、水素ガスが充填された状態となるので、始動時に直ちに発電運転が可能となる。この実施形態では、空気流通路３２５側に透過した水素ガスが偏在しないように、空気供給ファン４２を作動させる構成とすることができる。また、燃料室３０内に他のガスの混入を防止するため、一時的に水素排気電磁弁Ｖ７を開放する構成としてもよい。
【００４８】
図１１には、他の実施形態の燃料供給装置１１Ｂを示すブロック図である。この構成では、空気導入路１６に空気導入ファン１６２が設けられ、水素導出路１３には、水素排出路１３１が接続され、水素排出路１３１には、水素停止排気電磁弁Ｖ５が設けられている。他の構成は、図１に示されている構成と同様であるので、他の構成については、説明を省略する。このような構成における、発電停止後の制御動作は以下のように行われる。図１２は、発電停止後の制御動作を示すフローチャートである。
【００４９】
水素２次圧センサＳ２によって、燃料室３０内のガス圧を監視する（ステップＳ５０１）。イグニッションキーがオン操作されたか判断する（ステップＳ５０３）。オン操作された場合には、発電起動処理ルーチンが開始される。
イグニッションキーがオフの状態である場合には、水素２次圧ｐ２が設定圧力１以下であるか判断する（ステップＳ５０５）。設定圧力１は、ガスの偏在が生じうる圧力に設定されている。水素２次圧ｐ２が設定圧力１以下でない場合には、ガスの偏在は生じていないと判断されるので、ステップＳ５０３〜５０５を繰り返す。この間に、イグニッションキーがオン操作された場合には、燃料室３０に水素ガスが残留しているので、水素ガスの再供給量が少量で済み、容易に十分な出力が得られる。
【００５０】
水素２次圧ｐ２が設定圧力１以下となった場合には、水素循環ポンプＰ１を駆動させ（ステップＳ５０７）、水素排気電磁弁Ｖ７を開く（ステップＳ５０９）。これらの動作により、燃料室３０内の水素ガスは強制的に排出されていく。同時に、燃料室３０内のガス圧は低下していく。水素２次圧ｐ２が設定圧力２以下となったか判断する（ステップＳ５１１）。設定圧力１＞設定圧力２という関係になっている。つまり、設定圧力１よりも設定圧力２が、より負圧が強くなった状態を示している。
【００５１】
水素２次圧ｐ２が設定圧力２以下となるまで、ステップＳ５０７〜５０９を継続する。そして、水素２次圧ｐ２が設定圧力２以下となった場合には、空気導入ファン１６２を駆動させ（ステップＳ５１３）、空気導入電磁弁Ｖ９を開く（ステップＳ５１５）。これにより、負圧となっている燃料室３０内に急激に空気が流入し、ガスの偏在が解消される。さらに、水素停止排気電磁弁Ｖ５が開放されると（ステップＳ５１７）、空気導入ファン１６２によって燃料室３０に送り込まれた空気は、水素導出路１３の末端と、水素排出路１３１から水素ガスを押し出し、燃料室３０内のガス偏在を一層迅速に解消する。
燃料電池スタック電圧が設定電圧以下となったか判断する（ステップＳ５１９）。電圧が下がったことで、水素濃度が十分下がったものと判断し、全補機を停止する（ステップＳ５２１）。
【００５２】
図１３は、上記構成において、水素ガス濃度によりガスの偏在を検出する構成とした場合の制御動作を示すフローチャートである。
濃度センサＳ５によって、燃料室３０内の水素ガス濃度を監視する（ステップＳ６０１）。イグニッションキーがオン操作されたか判断する（ステップＳ６０３）。オン操作された場合には、発電起動処理ルーチンが開始される。
【００５３】
イグニッションキーがオフの状態である場合には、水素濃度が設定濃度１以下であるか判断する（ステップＳ６０５）。発電停止後、燃料室３０に残留する水素ガスは、さらに発電反応を続け、燃料室３０内の水素ガス濃度が減少する。その結果、ガス圧が低下し、酸素の進入が発生するので、水素ガス濃度の低下、ガス偏在の予兆と判断できる。設定濃度１は、ガスの偏在が生じうる濃度に設定されている。水素濃度が設定濃度１以下でない場合には、ガスの偏在は生じていないと判断されるので、ステップＳ６０３〜６０５を繰り返す。この間に、イグニッションキーがオン操作された場合には、燃料室３０に水素ガスが残留しているので、水素ガスの再供給量が少量で済み、容易に十分な出力が得られる。
【００５４】
水素濃度が設定濃度１以下となった場合には、水素循環ポンプＰ１を駆動させ（ステップＳ６０７）、水素排気電磁弁Ｖ７を開く（ステップＳ６０９）。これらの動作により、燃料室３０内の水素ガスは強制的に排出されていく。同時に、燃料室３０内のガス圧は低下していく。ステップＳ６０７〜６０９を６０秒間維持する（ステップＳ６１１）。この間に、燃料室３０内のガス圧は十分に低下し、負圧となっている。
【００５５】
６０秒経過後、空気導入ファン１６２を駆動させ（ステップＳ６１３）、空気導入電磁弁Ｖ９を開く（ステップＳ６１５）。これにより、負圧となっている燃料室３０内に急激に空気が流入し、ガスの偏在が解消される。さらに、水素停止排気電磁弁Ｖ５が開放されると（ステップＳ６１７）、空気導入ファン１６２によって燃料室３０に送り込まれた空気は、水素導出路１３の末端と、水素排出路１３１から水素ガスを押し出し、燃料室３０内のガス偏在を一層迅速に解消する。
燃料電池スタック電圧が設定電圧以下となったか判断する（ステップＳ６１９）。電圧が下がったことで、水素濃度が十分下がったものと判断し、全補機を停止する（ステップＳ６２１）。
【００５６】
図１４は、他の実施形態の燃料供給装置１１Ｃを示すブロック図である。この構成では、空気導入路１６ａが燃料電池スタック１０に直接接続され、フィルタ１６１ａと、空気導入電磁弁Ｖ９ａが設けられている。また、水素導出路１３には、真空バッファタンク１３２が設けられている。他の構成は、図１に示されている構成と同様であるので、他の構成については、説明を省略する。このような構成における、発電停止後の制御動作は以下のように行われる。図１５は、発電停止後の制御動作を示すフローチャートである。
【００５７】
単位セル２の電位を監視する（ステップＳ７０１）。そして、イグニッションキーがオン操作されたか判断する（ステップＳ７０３）。オン操作された場合には、発電起動処理ルーチンが開始される。
イグニッションキーがオフの状態である場合には、燃料電池電位が設定電位１以上であるか判断する（ステップＳ７０５）。この設定電位１は、ガスの偏在の結果発生する電位差に相当する値に設定されている。設定電位１に満たない場合には、ガスの偏在は生じていないので、ステップＳ７０１からステップＳ７０５を繰り返す。この間に、イグニッションキーがオン操作された場合には、燃料室３０に水素ガスが残留しているので、水素ガスの再供給量が少量で済み、容易に十分な出力が得られる。
【００５８】
燃料電池電位が設定電位１以上となった場合には、ガスの偏在が生じ、異常反応が生じる可能性が高くなったことを意味するので、水素循環ポンプＰ１を駆動させ（ステップＳ７０９）、水素排気電磁弁Ｖ７を開く（ステップＳ７１１）。水素２次圧ｐ２が設定圧力２以下であるか判断する（ステップＳ７１３）。水素２次圧ｐ２が設定圧力２以下でない場合には、燃料室３０内が十分な負圧となっていないと判断し、ステップＳ７０９〜７１１を繰り返す。
【００５９】
水素２次圧ｐ２が設定圧力２以下となった場合には、空気導入電磁弁Ｖ９ａを開く（ステップＳ７１５）。真空バッファタンク１３２によって、水素導出路１３の全体の容積が増加し、空気導入電磁弁Ｖ９ａの開放時に、外気を吸い込む吸引力が高まる。これにより、燃料室３０への空気の流入速度が高まり、より迅速確実にガスの偏在を解消することができる。燃料電池スタック電圧が設定電圧以下となったか判断する（ステップＳ７１７）。電圧が下がったことで、水素濃度が十分下がったものと判断し、全補機を停止する（ステップＳ７１９）。
【００６０】
上記説明した構成においては、発電停止操作をした後において、水素ガス濃度、水素ガス圧、単位セルの電極の電位等、所定のパラメータをモニターしなければならない。また、ガス偏在の予兆等が確認された段階で、空気ファンの駆動や、水素循環ポンプＰ１の駆動、電磁弁の開閉など、補機を駆動させる必要がある。従って、停止操作時に、キャパシタ等の補助電源の蓄電量を検出し、所定値に達していない場合には、停止操作であっても、発電状態を維持して補助電源に充電する構成とすることが好ましい。この場合、補助電源の蓄電量が所定値に達した時点で、発電状態を停止する。
【００６１】
さらに、上記構成では外部から水素ガス、空気等の気体を送り込むことによりガスの偏在を解消する構成したが、水素循環ポンプＰ１を駆動させ、水素ガスを循環させることによりガスの偏在を抑制する構成とすることもできる。或いは、同時に負荷に通電させた状態（リレー７１をオンにした状態）としてもよい。このような構成とすると、水素ガスの循環によって、水素と酸素の偏在が抑制され、さらに水の生成が促されるとともに、負荷と通電させることによって、水素が消費され早急に空気への置換が可能となる。
【００６２】
なお、この実施形態の燃料電池スタック１０では、燃料室３０は、複数の燃料ガス流通路３１５で構成された構成となっている。このような構成は、燃料ガスが細長い流路で分割されているため、電極平面に沿った二次元方向のガスの対流は生じにくい。したがって、水素ガスと酸素ガスの偏在が生じると、偏在を解消することが難しくなるが、本発明のように、外部から気体を送り込む方法を取ることによって、有効にガスの偏在を解消させることができる。
【００６３】
【発明の効果】
以上説明した本発明によれば、燃料室内における燃料ガスと酸素ガスの偏在が抑制され、両者の異常反応による電極の劣化を防止することができる。また、ガスの偏在が生じる予兆を検出することによって、発電停止後も、ガスの偏在が生じるまでの間、燃料ガスを燃料室に残留させておくことができる。このため、発電停止直後の再起動も容易に可能となる。さらに、ガス偏在を解消するために燃料ガスを供給する構成とすることによって、燃料ガスの供給時間を待たずに再起動が可能となり、再起動のための時間を短縮することができる。
また、ガスの偏在を検出した際に、ポンプによって、燃料ガスを吸引する構成とした場合には、ガスの偏在を確実に解消することができる。さらに、空気導入手段によって空気を燃焼室に送り込む構成を加えることで、一層確実にガスの偏在を解消することができる。ポンプを設けず、空気導入手段のみによって空気を送り込む構成としても、ガスの偏在を確実に解消することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池装置を備えた燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】燃料電池スタックの部分断面側面図である。
【図３】燃料電池スタックの部分断面斜視図である。
【図４】燃料電池装置の構成を示すブロック図である。
【図５】燃料電池装置の制御置の構成を示すブロック図である。
【図６】停止処理を示すフローチャートである。
【図７】停止後処理を示すフローチャートである。
【図８】停止後処理を示すフローチャートである。
【図９】他の燃料電池装置の構成を示すブロック図である。
【図１０】停止後処理を示すフローチャートである。
【図１１】他の燃料電池装置の構成を示すブロック図である。
【図１２】停止後処理を示すフローチャートである。
【図１３】停止後処理を示すフローチャートである。
【図１４】他の燃料電池装置の構成を示すブロック図である。
【図１５】他の燃料電池装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１燃料電池装置
１００燃料電池システム
２単位セル
３セパレータ
３０燃料室[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell device, and more particularly to a fuel cell device characterized by a method for replacing a fuel gas in a fuel chamber immediately after stopping power generation.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in a fuel cell using a polymer electrolyte membrane, the fuel gas or the oxidizing gas is ionized due to the difference in concentration of the fuel gas or the oxidizing gas on both sides of the electrolyte membrane, and the ions pass through the electrolyte membrane. Therefore, if the fuel gas and the oxidizing gas exist with the electrolyte membrane in between, the electrochemical reaction between the two continues. Conventionally, in order to stop the operation of the fuel cell, the supply of the fuel gas and the oxidizing gas to the fuel cell is stopped. In this case, since the fuel gas and the oxidizing gas remain in the fuel cell, the electrochemical reaction between the two continues until one of the remaining gases disappears. After the supply of the fuel gas or the oxidizing gas is stopped, when the residual gas reacts inside the fuel cell, its volume decreases and the pressure on the fuel chamber (fuel gas flow path) side gradually decreases. When the internal pressure in the fuel chamber decreases, the oxidizing gas penetrates the electrolyte membrane from the oxidizing gas passage and enters the fuel gas passage. As a result, in the fuel chamber, a region where the concentration of the fuel gas is particularly high and a region where the concentration of the oxidizing gas is particularly high coexist, that is, a state where the fuel gas and the oxidizing gas are locally unevenly distributed in the same fuel chamber. Will occur. As the uneven distribution of gas increases, a reaction occurs between the fuel gas and the oxidizing gas at a position different from the normal power generation reaction, and the electrode catalyst and the polymer electrolyte membrane deteriorate.
[0003]
Conventionally, in order to prevent the deterioration of electrodes and the like due to such an abnormal reaction, when the supply of fuel gas or oxidizing gas is stopped, an inert gas such as nitrogen is supplied to the fuel chamber so that the atmosphere in the fuel chamber is not affected. Replaced with active gas. In addition, as described in Japanese Patent Laid-Open Nos. 60-241661 and 8-124588, there has been proposed a method in which the residual hydrogen gas in the fuel cell is sucked and another gas for pressure adjustment is introduced. .
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the configuration in which another gas is replaced in the fuel chamber as in the conventional case, gas replacement is performed every time the fuel cell is stopped, which may be inconvenient. For example, when restarting immediately after stopping the fuel cell, it is necessary to replace the replaced gas with the fuel gas again, and there is a problem that the replacement gas or the fuel gas must be used wastefully.
[0005]
In addition, a preparation operation for supplying the fuel gas again and filling the fuel chamber with the fuel gas is required, and there is a problem that it takes time to restart.
An object of the present invention is to provide a fuel cell device that can be easily restarted immediately after being stopped while reducing the uneven distribution of the fuel gas and the oxidizing gas to suppress the deterioration of the electrolyte membrane.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The present invention that achieves the above object has the following configuration.
 (1) Solid polymer electrolyte with oxygen electrode and fuel electrodefilmA fuel cell sandwiched between
A fuel chamber formed by a fuel electrode and a separator;
Fuel introduction means for introducing fuel gas into the fuel chamber;
In the fuel chamberThe fuel gas pressure or the fuel gas concentration has decreased until it becomes equal to or greater than the proportion of uneven distribution that causes an abnormal reaction, or the potential of the fuel cell is equal to or greater than the proportion of local uneven distribution of the fuel gas that causes an abnormal reaction. Has risen toGas uneven distribution detecting means for detecting
Fuel deriving means for discharging fuel gas from the fuel chamber;
Fuel supply means for supplying fuel gas to the fuel chamber via the fuel introduction means;
Gas supply means for supplying fuel gas into the fuel chamber when the gas distribution detection means detects the uneven distribution of gas in the fuel chamber in a state in which the supply of fuel gas to the fuel cell is stopped; A fuel cell device comprising:
[0007]
 (2) Solid polymer electrolyte with oxygen electrode and fuel electrodefilmA fuel cell sandwiched between
A fuel chamber formed by a fuel electrode and a separator;
Fuel introduction means for introducing fuel gas into the fuel chamber;
In the fuel chamberThe fuel gas pressure or the fuel gas concentration has decreased until it becomes equal to or greater than the proportion of uneven distribution that causes an abnormal reaction, or the potential of the fuel cell is equal to or greater than the proportion of local uneven distribution of the fuel gas that causes an abnormal reaction. Has risen toGas uneven distribution detecting means for detecting
Fuel deriving means for discharging fuel gas from the fuel chamber;
Fuel supply means for supplying fuel gas to the fuel chamber via the fuel introduction means;
A gas supply means for supplying a replacement gas into the fuel chamber when the gas unevenness detection means detects an uneven distribution of the gas in the fuel chamber while the supply of fuel gas to the fuel cell is stopped; A fuel cell device comprising:
[0008]
 (3) The replacement gas is air,
The gas supply means includes a discharge pump provided in the fuel lead-out means, and an air introduction means having one end connected to the fuel introduction means and the other end provided with an opening communicating with the outside air.And
The gas supply means introduces air into the fuel chamber through the air introduction means when the discharge pump sucks the gas in the fuel chamber.The fuel cell device according to 2).
[0009]
 (4) Further, the air introducing means includesCommunicates with the outside air of the air introduction meansThe fuel cell device according to (3), further including an air introduction fan provided in the opening and forcibly sending air to the fuel introduction means side.
[0010]
(5) The replacement gas is air,
The gas supply means includes an air introduction means provided with an air introduction fan having one end connected to the fuel introduction means and the other end provided with an air introduction fan for forcibly sending air to the fuel introduction means side. The fuel cell device according to the description.
[0011]
(6) A gas unevenness detecting means is a pressure detecting means for detecting a gas pressure in the fuel chamber, and a determining means for determining that the gas is unevenly distributed when a detection value of the pressure detecting means is a predetermined value or less. The fuel cell device according to any one of (1) to (5), comprising:
[0012]
(7) The gas unevenness detecting means is a concentration detecting means for detecting the fuel gas concentration in the fuel chamber, and a determination for determining that the gas is unevenly distributed when the detection value of the concentration detecting means is a predetermined value or less. The fuel cell device according to any one of (1) to (5), comprising: means.
[0013]
 (8) Gas unevenness detection meansspecificFuel cellPower ofAny one of the above (1) to (5), comprising: a potential detection means for detecting the position; and a determination means for determining that the gas is unevenly distributed when the detection value of the potential detection means exceeds a predetermined value. The fuel cell device according to claim 1.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a fuel supply device 1 for a fuel cell according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a fuel cell system 100 including a fuel cell device 1 of the present invention.
The fuel cell system 100 includes a fuel cell device 1 that includes a fuel cell stack 10 and a fuel supply device 11 that supplies hydrogen gas as a fuel gas to the fuel cell stack 10, and further supplies air to the fuel cell stack 10. An air supply system 40 to be supplied, a water circulation system 50, and a load system 7 are provided.
[0015]
2 is a partial sectional side view of the fuel cell stack 10, and FIG. 3 is a partial sectional perspective view of the fuel cell stack.
The fuel cell stack 10 includes a unit cell 2 and a separator 3. The unit cell 2 has a configuration in which a solid polymer electrolyte 23 is sandwiched between an oxygen electrode 21 and a fuel electrode 22. The separator 3 is inserted between the current collecting member 31 and the unit cell 2 for contacting the oxygen electrode 21 and the fuel electrode 22 and taking out current to the outside. It has the insertion member 33 overlapped with an edge part.
[0016]
The current collecting member 31 is made of a material having conductivity and corrosion resistance. The current collecting member 31 is made of, for example, a material such as carbon black or metal. In the case of being made of metal, for example, a material such as stainless steel, nickel alloy, titanium alloy or the like that has been subjected to corrosion-resistant conductive treatment can be used. Here, the corrosion-resistant conductive treatment includes, for example, gold plating.
On the surface of the current collecting member 31 that is in contact with the fuel electrode 22, a plurality of convex portions 311 bulging continuously in a straight line are formed at equal intervals, and grooves 312 are formed between the convex portions 311. The That is, the convex part 311 and the groove | channel 312 are the shapes arrange | positioned alternately. The convex portion 311 is a contact portion 313 in which the flat portion of the peak that protrudes most is in contact with the fuel electrode 22, and the fuel electrode 22 can be energized through the contact portion 313. A fuel gas flow passage 315 through which hydrogen gas flows is formed by the groove 312 and the surface of the fuel electrode 22.
[0017]
Grooves 314 and 314 are formed at both ends of the convex portion 311 in a direction orthogonal to the convex portion 311, and a fuel gas flow path 316 is formed by the groove 314 and the surface of the fuel electrode 22. The plurality of fuel gas flow paths 315 communicate with the fuel gas flow path 316 at both ends, and the plurality of fuel gas flow paths 315 and the pair of fuel gas flow paths 316 provide hydrogen to the fuel electrode 22. A fuel chamber 30 for supplying gas is configured.
[0018]
A fuel gas supply hole 318 and a fuel gas discharge hole 317 are formed in the fuel chamber 30, and hydrogen gas flows into the fuel chamber 30 from the fuel gas supply hole 318, supplying hydrogen to the fuel electrode 22, It flows out from the gas discharge hole 317. In this embodiment, the current collecting member 31 has a rectangular shape, and the fuel gas supply hole 318 and the fuel gas discharge hole 317 are positioned symmetrically with respect to the centroid in a plan view of the current collecting member 31 (in the diagonal direction). Are arranged respectively. FIG. 2 shows a fuel gas supply hole 318. As described above, the fuel chamber 30 is formed between each separator 3 and the unit cell 2.
[0019]
The fuel gas supply hole 318 of each fuel chamber 30 communicates with a fuel gas supply passage 319a formed in the stacking direction of the current collecting member 31 at one end in the fuel cell stack 10, respectively. The discharge holes 317 communicate with the fuel gas discharge passages 319b formed in the stacking direction of the current collecting members 31 at the other end in the fuel cell stack 10, respectively. A fuel gas manifold 34 that distributes the fuel gas to each fuel chamber 30 is constituted by the fuel gas supply passage 319 a and each fuel gas supply hole 318.
[0020]
On the surface of the current collecting member 31 that comes into contact with the oxygen electrode 21, a plurality of convex portions 321 bulging continuously in a straight line are formed at equal intervals, and grooves 322 are formed between the convex portions 321. The That is, the convex part 321 and the groove | channel 322 are the shapes arrange | positioned alternately. The convex portion 321 is a contact portion 323 in which the flat portion of the peak that protrudes most is in contact with the oxygen electrode 21, and the oxygen electrode 21 can be energized through the contact portion 323. An air flow passage 325 through which air flows is formed by the groove 322 and the surface of the oxygen electrode 21. The groove 322 reaches both ends of the current collecting member 31, and the upper and lower ends of the air flow passage 325 communicate with an opening that communicates with the outside of the fuel cell stack 10. One of the opening portions at both ends forms an air inflow portion 326 through which air flows, and the other opening forms an air outflow portion 327 through which air flows out. The air flowing in from the air inflow portion 326 is guided to the air outflow portion 327 while contacting the oxygen electrode 22 in the air flow passage 325 and supplying oxygen to the oxygen electrode.
[0021]
Next, the fuel supply device 1 will be described. FIG. 4 is a block diagram showing the configuration of the fuel supply device 1. As shown in FIGS. 1 and 4, the fuel supply apparatus 1 includes a high-pressure hydrogen cylinder 110 as fuel supply means, a hydrogen introduction path 12 as fuel introduction means, and a hydrogen lead-out path 13 as fuel lead-out means. A circulation path 14, a hydrogen filling path 15, an air introduction path 16, and a control device 17 as flow rate control means.
[0022]
The high-pressure hydrogen cylinder 110 stores high-pressure hydrogen, and one end of the hydrogen introduction path 12 is connected to the hydrogen discharge port. The other end of the hydrogen introduction path 12 is connected to a fuel gas supply path 319 a of the fuel cell stack 10. The hydrogen introduction path 12 is provided with an on-off valve (main plug) V2 that controls the discharge of hydrogen gas from the high-pressure hydrogen cylinder 110. A hydrogen primary pressure sensor S1 and a hydrogen control valve V2 are provided from the on-off valve V2 toward the fuel cell stack 10. The pressure valve V3, the hydrogen supply electromagnetic valve V4, and the hydrogen secondary pressure sensor S2 are provided in this order.
[0023]
The hydrogen primary pressure sensor S 1 detects the hydrogen gas pressure supplied from the high-pressure hydrogen cylinder 110 and supplies the detected value to the control device 17. The hydrogen pressure regulating valve V 3 adjusts the pressure of the high-pressure hydrogen cylinder 110 to the hydrogen gas pressure supplied to the fuel cell stack 10. The hydrogen supply electromagnetic valve V4 controls the supply of hydrogen gas to the fuel cell stack 10 by opening and closing. The hydrogen secondary pressure sensor S 2 detects the gas pressure supplied to the fuel cell stack 10, which is adjusted by the hydrogen pressure regulating valve V 3, and supplies the detected value to the control device 17.
[0024]
One end of the hydrogen lead-out path 13 is connected to the fuel gas discharge path 319b of the fuel cell stack 10, and the other end is a discharge end communicating with the outside air. The hydrogen gas that has passed through the fuel cell stack 10 is discharged to the outside through the hydrogen lead-out path 13. A circulation pump P1, a hydrogen stop exhaust electromagnetic valve V7, a check valve 133, and a hydrogen silencer 134 are provided in this order from the fuel cell stack 10 side toward the discharge end in the hydrogen lead-out path 13. The hydrogen stop exhaust solenoid valve V7 is a valve that is opened when power generation of the fuel cell is stopped, and discharges residual hydrogen gas, generated water, and the like. The check valve 133 is a valve that prevents the backflow of hydrogen and outside air. The hydrogen silencer 134 suppresses the sound when hydrogen is discharged.
[0025]
One end of the circulation path 14 is connected between the circulation pump P1 of the hydrogen lead-out path 13 and the hydrogen stop exhaust electromagnetic valve V7, and the other end is connected to the downstream side of the hydrogen secondary pressure sensor S2 in the hydrogen introduction path 12. ing. The circulation path 14 is provided with a hydrogen circulation electromagnetic valve V8. When the hydrogen introduction path 12, the hydrogen lead-out path 13, the circulation path 14, and the fuel cell stack 10 form a circulation circuit, and the hydrogen circulation electromagnetic valve V8 is open, the circulation pump P1 is driven to Hydrogen gas circulates in the circulation circuit.
[0026]
One end of the hydrogen filling path 15 is connected to the downstream side of the on-off valve V2 in the hydrogen introduction path 12. The other end of the hydrogen filling path 15 is connected with a hydrogen filling valve 151 for connection to an external filling means. In addition, a hydrogen purge valve 152 is connected to the hydrogen introduction path 12 between the on-off valve V2 and the hydrogen pressure regulating valve V3. When the high-pressure hydrogen gas cylinder 110 is filled with hydrogen gas from the outside, the hydrogen filling valve 151 is opened, and the connection port of the external filling means is connected thereto. When filling with hydrogen gas, the hydrogen purge valve 152 is opened at the start of filling, and the residual gas in the path is discharged, and then the hydrogen purge valve 152 is closed.
[0027]
Furthermore, one end of an air introduction path 16 is connected to the hydrogen introduction path 12 on the downstream side of the hydrogen secondary pressure sensor S2. An air introduction filter 161 is connected to the other end of the air introduction path 16, and an air introduction electromagnetic valve V 9 is provided in the air introduction path 16. The air introduction solenoid valve V9 is opened when the outside air is introduced into the fuel chamber 30 during the stop operation of the fuel cell.
The fuel cell stack 10 includes a voltage sensor S6 that detects the voltage of the fuel cell stack 10, a potential sensor S7 that detects the potential of oxygen in a specific unit cell 2, and a fuel gas concentration in the fuel chamber 30. Concentration sensor S5 is provided. The detected voltage value, potential value, and concentration value are supplied to the control device 17.
[0028]
FIG. 5 is a block diagram showing the configuration of the control device 17 which is a flow rate control means. The control device 17 includes a control unit 170, a power supply circuit 174 that supplies power to the control unit 170, an output interface circuit 176, and an input interface circuit 175.
The output interface circuit 176 is connected with a hydrogen supply solenoid valve V4, a hydrogen stop exhaust solenoid valve V7, a hydrogen circulation pump P1, a hydrogen circulation solenoid valve V8, and an air introduction solenoid valve V9. The driving and stopping of the pump is controlled by the control unit 170 via the output interface circuit 176.
[0029]
A hydrogen primary pressure sensor S1, a hydrogen secondary pressure sensor S2, a hydrogen concentration sensor S5, a voltage sensor S6, and a potential sensor S7 are connected to the input interface circuit 175, and are detected by these sensors. Each detection value is supplied to the control unit 170 via the input interface circuit 175.
The voltage sensor S6 detects the output voltage of the fuel cell stack 10. The hydrogen concentration sensor S5 detects the hydrogen gas concentration in the fuel chamber 30. The installation position of the hydrogen concentration sensor S5 may be provided in the hydrogen lead-out path 13 as well as in the fuel chamber 30. For example, in the specific unit cell 2, the potential sensor S7 is installed on the surface of the oxygen electrode.
[0030]
Next, the air supply system 40 will be described. The air supply system 40 includes an air inlet filter 41, an air supply fan 42 that introduces air from outside air, an air conduction path 43 that guides the air taken in by the air supply fan 42 to the fuel cell stack 10, and an air conduction path 43. The air manifold 44 that distributes the outside air led to the air inflow portion 326 formed in the fuel cell stack 10, the air flow passage 325 of the fuel cell stack 10, and the air outflow portion 327 of the fuel cell stack 10 at one end. Are connected to the condenser duct 45, the condenser 54 connected to the outlet of the condenser duct 45, the air outlet filter 46 provided at the air outlet of the condenser 54, and the air outlet 47. The air flows in the air supply system 40 in the above order. Oxygen is supplied to the oxygen electrode 21 when air flows through the air flow passage 325.
[0031]
The water circulation system 50 includes a water tank 51, a water supply path 52 having one end connected to the water tank 51, and an injection nozzle 53 that is connected to the other end of the water supply path 52 and injects water into the air manifold 44. The water flow path 325 passing through the air in the form of water vapor or mist, the condenser duct 45, the condenser 54, and the water recovered by the condenser 54 is guided to the water tank 51 by the water recovery pump P3. And a path 55. In the water supply path 52, a water filter 56, a direct injection pump P2, and a direct injection water supply electromagnetic valve V1 are provided in order from the water tank 51 to the injection nozzle 53. The water tank 51 is provided with a water supply port 511 and a water level sensor S3. The water in the water tank 51 is sucked up by the direct injection pump P2, is injected from the injection nozzle 45 into the air manifold 44, and passes through the air flow passage 325 together with the air. At this time, it adheres to the oxygen electrode 21 and functions to keep the oxygen electrode 21 in a wet state, and also cools the fuel cell stack 10 to suppress overheating due to reaction heat during power generation. The condenser 54 is provided with a fan 541.
[0032]
In the load system 7, the fuel cell stack 10 extracts electric power, and drives a load such as a motor 73 via the inverter 72. The load system 7 is provided with a relay 71 for a switch and a capacitor 74 which is a secondary battery serving as an auxiliary output source.
[0033]
Next, the operation of the fuel supply device 1 of the present invention will be described. FIG. 6 is a main flowchart showing the power generation stop processing operation of the fuel cell system 100. Whether or not the ignition key is on is monitored (step S101). If the ignition key is not on, it is determined that a power generation stop instruction has been issued, and a power generation stop processing operation is started. First, in order to stop the circulation of hydrogen gas, the hydrogen circulation pump P1 is stopped (step S103). Then, the hydrogen circulation solenoid valve V8 is closed (step S105). Next, the relay 71 is switched off (step S107). Thereby, the output of electric power from the fuel cell stack 10 to the load system 7 is cut off. Then, in order to stop the supply of hydrogen gas to the fuel cell stack 10, the hydrogen supply electromagnetic valve V4 is closed (step S109), and the hydrogen stop exhaust electromagnetic valve (step S111) is closed.
[0034]
Subsequently, the water pump P2 is stopped (step S113), and water injection to the air manifold 44 is stopped. Further, the air supply fan 42 is stopped (step S115), and the supply of air to the fuel cell stack 10 is also stopped. Then, the power generation auxiliary machines such as the condenser 54 and the water recovery pump P3 are stopped (step S117), and the control operation after the power generation stop is started.
[0035]
After power generation is stopped, hydrogen gas remains in the fuel chamber 30. In this state, the reaction between the remaining hydrogen gas and the air in the air flow passage 325 continues, and the hydrogen gas is consumed. As the pressure in the fuel chamber 30 decreases, the concentration of hydrogen gas decreases. Due to the pressure drop in the fuel chamber 30, the air permeates the polymer electrolyte membrane 23 from the air flow passage 325 side and enters the fuel chamber 30, and hydrogen gas and air are not uniformly mixed in the fuel chamber 30. The result is uneven distribution in the state. If this uneven distribution is present at a certain ratio or more, a phenomenon such as an electrochemical reaction between the unevenly distributed hydrogen gas and the air and an increase in the potential of the unit cell 2 occurs. In the configuration described below, the potential of the unit cell 2 is a sign of occurrence of the uneven distribution of gas as described above, which is a decrease in the hydrogen concentration in the fuel chamber 30, a decrease in gas pressure, or a phenomenon resulting from the uneven distribution of gas. By detecting a rise or the like, the uneven distribution of gas is eliminated, and deterioration of the electrode due to an abnormal reaction that occurs as a result of the uneven distribution of gas is suppressed.
[0036]
Hereinafter, a control operation after stopping power generation for suppressing the uneven distribution of gas in the fuel chamber 30 will be described. FIG. 7 is a flowchart showing a control operation after power generation is stopped. After the power generation is stopped, the potential on the oxygen electrode side of the unit cell 2 is monitored by the potential sensor S7 (step S201). Then, it is determined whether the ignition key has been turned on (step S203). When the operation is turned on, the power generation start processing routine is started.
[0037]
If the ignition key is off, it is determined whether the fuel cell potential is equal to or higher than the set potential 1 (step S205). When the gas is unevenly distributed, the potential of the electrode is increased. Therefore, when the potential increase is detected, it can be determined that the gas is unevenly distributed. Therefore, the set potential 1 is set to a value corresponding to a potential increase that occurs as a result of the uneven distribution of gas. If it is less than the set potential 1, no gas is unevenly distributed, so steps S201 to S205 are repeated. During this time, when the ignition key is turned on, the hydrogen gas remains in the fuel chamber 30, so that the amount of resupply of the hydrogen gas is small and a sufficient output can be easily obtained.
[0038]
When the fuel cell potential becomes equal to or higher than the set potential 1, it means that the gas is unevenly distributed and the possibility of an abnormal reaction is increased, so that the hydrogen gas is forcibly removed from the fuel chamber 30. That is, the air introduction solenoid valve V9 is opened (step S207), the hydrogen exhaust solenoid valve V7 is opened (step S209), and the hydrogen circulation pump P1 is driven (step S211). By these operations, the hydrogen gas in the fuel chamber 30 is discharged and air is sent. That is, the hydrogen gas in the fuel chamber 30 is replaced with air by the sent air, and the uneven distribution of the gas is suppressed.
[0039]
It is determined whether the fuel cell potential is equal to or lower than the set potential 2 (step S213). The relationship is set potential 1> set potential 2. If the fuel cell potential is not less than or equal to the set potential 2, it means that the uneven distribution of gas has not been sufficiently eliminated, so steps S207 to 211 are repeated. When the fuel cell potential becomes equal to or lower than the set potential 2, it means that the uneven distribution of gas has been sufficiently eliminated, so the hydrogen circulation pump P1 is stopped (step S215), and the hydrogen exhaust solenoid valve V7 is closed ( Step S217), the air introduction electromagnetic valve V9 is closed (Step S219). Finally, all the auxiliary machines are stopped (step S221).
[0040]
In addition to the control operation as described above, a method of detecting the uneven distribution of gas by monitoring the change in the gas pressure in the fuel chamber 30 instead of the potential of the fuel cell may be used. Hereinafter, the operation for monitoring the gas pressure will be described with reference to the flowchart shown in FIG.
The gas pressure in the fuel chamber 30 is monitored by the hydrogen secondary pressure sensor S2 (step S301). It is determined whether the ignition key is turned on (step S303). When the operation is turned on, the power generation start processing routine is started.
[0041]
If the ignition key is off, it is determined whether the hydrogen secondary pressure p2 is equal to or lower than the set pressure 1 (step S305). The set pressure 1 is set to a pressure at which the uneven distribution of gas can occur. If the hydrogen secondary pressure p2 is not less than or equal to the set pressure 1, it is determined that no gas is unevenly distributed, so steps S303 to S305 are repeated. During this time, when the ignition key is turned on, the hydrogen gas remains in the fuel chamber 30, so that the amount of resupply of the hydrogen gas is small and a sufficient output can be easily obtained.
[0042]
When the hydrogen secondary pressure p2 becomes equal to or lower than the set pressure 1, the hydrogen circulation pump P1 is driven (step S307), and the hydrogen exhaust solenoid valve V7 is opened (step S309). By these operations, the hydrogen gas in the fuel chamber 30 is forcibly discharged. And the state of step S307-309 is maintained for 60 second (step S311). The gas pressure in the fuel chamber 30 becomes a negative pressure by the operations in steps S307 to S311. Here, the air introduction solenoid valve V9 is opened (step S313). Since the gas pressure in the fuel chamber 30 is negative, air flows in rapidly, the gas in the fuel chamber 30 is agitated, and the uneven distribution of gas is eliminated.
[0043]
It is determined whether the hydrogen secondary pressure p2 is equal to or higher than the set pressure 2 (step S315). The set pressure 2 is greater than the set pressure 1, and the set pressure 2 is set to 1 atmosphere (absolute pressure).
[0044]
Steps S313 to 315 are executed until the hydrogen secondary pressure p2 becomes equal to or higher than the set pressure 2. When the hydrogen secondary pressure p2 becomes equal to or higher than the set pressure 2, it is determined that the uneven distribution of gas has been eliminated, and all the auxiliary machines are stopped (step S317).
[0045]
The configuration of another embodiment will be described. FIG. 9 is a block diagram showing a fuel supply apparatus 11A according to another embodiment. In this configuration, the air introduction path 16 is omitted, and the other configuration is the same as the configuration shown in FIG. 1, and thus the description of the other configuration is omitted. In such a configuration, the control operation after power generation is stopped is performed as follows. FIG. 10 is a flowchart showing a control operation after power generation is stopped.
[0046]
The hydrogen secondary pressure sensor S2 monitors the pressure in the fuel chamber 30 (step S401). It is determined whether the ignition key is turned on (step S403). When the operation is turned on, the power generation start processing routine is started.
If the ignition key is off, it is determined whether the hydrogen secondary pressure p2 is equal to or higher than the set pressure (step S405). This set pressure is set to a pressure necessary for starting normal power generation. If the hydrogen secondary pressure p2 is not equal to or higher than the set pressure, the hydrogen supply electromagnetic valve V4 is opened and hydrogen gas is supplied (step S409). When the hydrogen secondary pressure p2 is equal to or higher than the set pressure, the hydrogen gas pressure is sufficient, and the hydrogen supply electromagnetic valve V4 is closed (step S407).
[0047]
In this configuration, since the fuel chamber 30 is always filled with hydrogen gas, the power generation operation can be performed immediately at the start. In this embodiment, the air supply fan 42 can be operated so that the hydrogen gas permeated to the air flow passage 325 side is not unevenly distributed. Further, the hydrogen exhaust electromagnetic valve V7 may be temporarily opened in order to prevent other gases from entering the fuel chamber 30.
[0048]
FIG. 11 is a block diagram showing a fuel supply device 11B according to another embodiment. In this configuration, an air introduction fan 162 is provided in the air introduction path 16, a hydrogen discharge path 131 is connected to the hydrogen outlet path 13, and a hydrogen stop exhaust solenoid valve V 5 is provided in the hydrogen discharge path 131. . The other configuration is the same as the configuration shown in FIG. 1, and thus the description of the other configuration is omitted. In such a configuration, the control operation after power generation is stopped is performed as follows. FIG. 12 is a flowchart showing a control operation after power generation is stopped.
[0049]
The gas pressure in the fuel chamber 30 is monitored by the hydrogen secondary pressure sensor S2 (step S501). It is determined whether the ignition key has been turned on (step S503). When the operation is turned on, the power generation start processing routine is started.
If the ignition key is off, it is determined whether the hydrogen secondary pressure p2 is equal to or lower than the set pressure 1 (step S505). The set pressure 1 is set to a pressure at which the uneven distribution of gas can occur. If the hydrogen secondary pressure p2 is not less than or equal to the set pressure 1, it is determined that no gas is unevenly distributed, so steps S503 to 505 are repeated. During this time, when the ignition key is turned on, the hydrogen gas remains in the fuel chamber 30, so that the amount of resupply of the hydrogen gas is small and a sufficient output can be easily obtained.
[0050]
When the hydrogen secondary pressure p2 becomes equal to or lower than the set pressure 1, the hydrogen circulation pump P1 is driven (step S507), and the hydrogen exhaust solenoid valve V7 is opened (step S509). By these operations, the hydrogen gas in the fuel chamber 30 is forcibly discharged. At the same time, the gas pressure in the fuel chamber 30 decreases. It is determined whether the hydrogen secondary pressure p2 is equal to or lower than the set pressure 2 (step S511). The relationship is set pressure 1> set pressure 2. That is, the set pressure 2 shows a state in which the negative pressure becomes stronger than the set pressure 1.
[0051]
Steps S507 to S509 are continued until the hydrogen secondary pressure p2 becomes equal to or lower than the set pressure 2. When the hydrogen secondary pressure p2 becomes equal to or lower than the set pressure 2, the air introduction fan 162 is driven (step S513), and the air introduction electromagnetic valve V9 is opened (step S515). As a result, air suddenly flows into the fuel chamber 30 that is at a negative pressure, and the uneven distribution of gas is eliminated. Further, when the hydrogen stop exhaust solenoid valve V5 is opened (step S517), the air fed into the fuel chamber 30 by the air introduction fan 162 pushes out hydrogen gas from the end of the hydrogen lead-out path 13 and the hydrogen discharge path 131. The gas uneven distribution in the fuel chamber 30 is eliminated more quickly.
It is determined whether the fuel cell stack voltage has become equal to or lower than the set voltage (step S519). It is determined that the hydrogen concentration has sufficiently decreased due to the voltage drop, and all the auxiliary machines are stopped (step S521).
[0052]
FIG. 13 is a flowchart showing a control operation in the case where the configuration described above is configured to detect the uneven distribution of gas based on the hydrogen gas concentration.
The concentration sensor S5 monitors the hydrogen gas concentration in the fuel chamber 30 (step S601). It is determined whether the ignition key has been turned on (step S603). When the operation is turned on, the power generation start processing routine is started.
[0053]
If the ignition key is off, it is determined whether the hydrogen concentration is less than or equal to the set concentration 1 (step S605). After the power generation is stopped, the hydrogen gas remaining in the fuel chamber 30 continues the power generation reaction, and the hydrogen gas concentration in the fuel chamber 30 decreases. As a result, the gas pressure decreases and oxygen enters, so that it can be determined that the hydrogen gas concentration is decreased and gas is unevenly distributed. The set concentration 1 is set to a concentration at which the uneven distribution of gas can occur. If the hydrogen concentration is not less than or equal to the set concentration 1, it is determined that no gas is unevenly distributed, so steps S603 to S605 are repeated. During this time, when the ignition key is turned on, the hydrogen gas remains in the fuel chamber 30, so that the amount of resupply of the hydrogen gas is small and a sufficient output can be easily obtained.
[0054]
When the hydrogen concentration becomes equal to or lower than the set concentration 1, the hydrogen circulation pump P1 is driven (step S607), and the hydrogen exhaust solenoid valve V7 is opened (step S609). By these operations, the hydrogen gas in the fuel chamber 30 is forcibly discharged. At the same time, the gas pressure in the fuel chamber 30 decreases. Steps S607 to 609 are maintained for 60 seconds (step S611). During this time, the gas pressure in the fuel chamber 30 is sufficiently reduced to a negative pressure.
[0055]
After 60 seconds, the air introduction fan 162 is driven (step S613), and the air introduction electromagnetic valve V9 is opened (step S615). As a result, air suddenly flows into the fuel chamber 30 that is at a negative pressure, and the uneven distribution of gas is eliminated. Further, when the hydrogen stop exhaust solenoid valve V5 is opened (step S617), the air sent into the fuel chamber 30 by the air introduction fan 162 pushes out hydrogen gas from the end of the hydrogen lead-out path 13 and the hydrogen discharge path 131. The gas uneven distribution in the fuel chamber 30 is eliminated more quickly.
It is determined whether the fuel cell stack voltage has become equal to or lower than the set voltage (step S619). It is determined that the hydrogen concentration has sufficiently decreased due to the voltage drop, and all the auxiliary machines are stopped (step S621).
[0056]
FIG. 14 is a block diagram showing a fuel supply apparatus 11C according to another embodiment. In this configuration, the air introduction path 16a is directly connected to the fuel cell stack 10, and a filter 161a and an air introduction electromagnetic valve V9a are provided. Further, a vacuum buffer tank 132 is provided in the hydrogen outlet passage 13. The other configuration is the same as the configuration shown in FIG. 1, and thus the description of the other configuration is omitted. In such a configuration, the control operation after power generation is stopped is performed as follows. FIG. 15 is a flowchart showing a control operation after power generation is stopped.
[0057]
The potential of the unit cell 2 is monitored (step S701). Then, it is determined whether the ignition key has been turned on (step S703). When the operation is turned on, the power generation start processing routine is started.
If the ignition key is off, it is determined whether the fuel cell potential is equal to or higher than the set potential 1 (step S705). This set potential 1 is set to a value corresponding to a potential difference generated as a result of the uneven distribution of gas. If it is less than the set potential 1, no gas is unevenly distributed, so steps S701 to S705 are repeated. During this time, when the ignition key is turned on, the hydrogen gas remains in the fuel chamber 30, so that the amount of resupply of the hydrogen gas is small and a sufficient output can be easily obtained.
[0058]
When the fuel cell potential is equal to or higher than the set potential 1, it means that the gas is unevenly distributed and the possibility of an abnormal reaction is increased. Therefore, the hydrogen circulation pump P1 is driven (step S709), The exhaust solenoid valve V7 is opened (step S711). It is determined whether the hydrogen secondary pressure p2 is equal to or lower than the set pressure 2 (step S713). If the hydrogen secondary pressure p2 is not less than or equal to the set pressure 2, it is determined that the inside of the fuel chamber 30 is not sufficiently negative pressure, and steps S709 to 711 are repeated.
[0059]
When the hydrogen secondary pressure p2 becomes equal to or lower than the set pressure 2, the air introduction solenoid valve V9a is opened (step S715). The vacuum buffer tank 132 increases the entire volume of the hydrogen lead-out path 13 and increases the suction force for sucking outside air when the air introduction electromagnetic valve V9a is opened. Thereby, the inflow speed of the air into the fuel chamber 30 increases, and the uneven distribution of gas can be eliminated more quickly and reliably. It is determined whether the fuel cell stack voltage has become equal to or lower than the set voltage (step S717). It is determined that the hydrogen concentration has sufficiently decreased due to the voltage drop, and all the auxiliary machines are stopped (step S719).
[0060]
In the configuration described above, it is necessary to monitor predetermined parameters such as the hydrogen gas concentration, the hydrogen gas pressure, and the potential of the electrode of the unit cell after the power generation stop operation. In addition, it is necessary to drive auxiliary equipment such as driving of an air fan, driving of a hydrogen circulation pump P1, opening and closing of an electromagnetic valve, etc., at the stage when a sign of gas uneven distribution is confirmed. Therefore, during the stop operation, the storage amount of the auxiliary power source such as a capacitor is detected, and if the predetermined value is not reached, the power generation state is maintained and the auxiliary power source is charged even in the stop operation. Is preferred. In this case, the power generation state is stopped when the storage amount of the auxiliary power source reaches a predetermined value.
[0061]
Further, in the above-described configuration, the gas is unevenly distributed by sending a gas such as hydrogen gas or air from the outside. However, the hydrogen circulation pump P1 is driven and the hydrogen gas is circulated to suppress the gas uneven distribution. It can also be. Or it is good also as a state (state which turned on the relay 71) to which electricity was supplied to load simultaneously. With such a configuration, the hydrogen gas circulation suppresses the uneven distribution of hydrogen and oxygen, further promotes the generation of water, and when the load is energized, the hydrogen is consumed and can be quickly replaced with air. It becomes.
[0062]
In the fuel cell stack 10 of this embodiment, the fuel chamber 30 is configured by a plurality of fuel gas flow passages 315. In such a configuration, since the fuel gas is divided by the elongated channels, gas convection in the two-dimensional direction along the electrode plane hardly occurs. Therefore, if the hydrogen gas and oxygen gas are unevenly distributed, it is difficult to eliminate the uneven distribution. However, as in the present invention, by using a method of sending gas from the outside, it is possible to effectively eliminate the uneven distribution of gas. it can.
[0063]
【The invention's effect】
According to the present invention described above, uneven distribution of the fuel gas and oxygen gas in the fuel chamber is suppressed, and deterioration of the electrode due to an abnormal reaction of both can be prevented. Further, by detecting a sign that the gas is unevenly distributed, the fuel gas can remain in the fuel chamber after the power generation is stopped until the gas is unevenly distributed. For this reason, the restart immediately after a power generation stop is also possible easily. Further, by adopting a configuration in which fuel gas is supplied to eliminate the uneven distribution of gas, it is possible to restart without waiting for the supply time of the fuel gas, and the time for restart can be shortened.
In addition, when the fuel gas is sucked by the pump when the uneven gas distribution is detected, the uneven gas distribution can be reliably eliminated. Furthermore, by adding a configuration in which air is sent into the combustion chamber by the air introduction means, the uneven distribution of gas can be more reliably eliminated. Even if a configuration is adopted in which air is sent only by the air introduction means without providing a pump, the uneven distribution of gas can be reliably eliminated.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a fuel cell system including a fuel cell device of the present invention.
FIG. 2 is a partial cross-sectional side view of a fuel cell stack.
FIG. 3 is a partial cross-sectional perspective view of a fuel cell stack.
FIG. 4 is a block diagram showing a configuration of a fuel cell device.
FIG. 5 is a block diagram showing a configuration of a control unit of the fuel cell device.
FIG. 6 is a flowchart showing stop processing.
FIG. 7 is a flowchart showing post-stop processing.
FIG. 8 is a flowchart showing post-stop processing.
FIG. 9 is a block diagram showing the configuration of another fuel cell device.
FIG. 10 is a flowchart showing post-stop processing.
FIG. 11 is a block diagram showing the configuration of another fuel cell device.
FIG. 12 is a flowchart showing post-stop processing.
FIG. 13 is a flowchart showing post-stop processing.
FIG. 14 is a block diagram showing the configuration of another fuel cell device.
FIG. 15 is a block diagram showing a configuration of another fuel cell device.
[Explanation of symbols]
1 Fuel cell device
100 Fuel cell system
2 unit cell
3 Separator
30 Fuel chamber

Claims

酸素極と燃料極とで固体高分子電解質膜を挟持した燃料電池と、
燃料極とセパレータによって形成される燃料室と、
前記燃料室に燃料ガスを導く燃料導入手段と、
前記燃料室内の燃料ガス圧又は燃料ガス濃度が、異常反応を発生する偏在の割合以上になるまで低下したこと、或いは前記燃料電池の電位が、異常反応を発生する燃料ガスの局所的な偏在の割合以上になるまで上昇したことを検出するガス偏在検出手段と、
前記燃料室から燃料ガスを排出する燃料導出手段と、
前記燃料導入手段を介して、前記燃料室に燃料ガスを供給する燃料供給手段と、
前記燃料電池への燃料ガス供給を停止している状態で、前記ガス偏在検出手段によって前記燃料室内のガスの偏在が検出された場合には、燃料ガスを前記燃料室内に供給するガス供給手段とを備えた燃料電池装置。A fuel cell having a solid polymer electrolyte membrane sandwiched between an oxygen electrode and a fuel electrode;
A fuel chamber formed by a fuel electrode and a separator;
Fuel introduction means for introducing fuel gas into the fuel chamber;
The fuel gas pressure or the fuel gas concentration in the fuel chamber has decreased until the ratio of the uneven distribution that causes an abnormal reaction has been exceeded or the potential of the fuel cell is a local uneven distribution of the fuel gas that generates an abnormal reaction. Gas uneven distribution detecting means for detecting that it has risen to a ratio or more ,
Fuel deriving means for discharging fuel gas from the fuel chamber;
Fuel supply means for supplying fuel gas to the fuel chamber via the fuel introduction means;
Gas supply means for supplying fuel gas into the fuel chamber when the gas distribution detection means detects the uneven distribution of gas in the fuel chamber in a state in which the supply of fuel gas to the fuel cell is stopped; A fuel cell device comprising:

酸素極と燃料極とで固体高分子電解質膜を挟持した燃料電池と、
燃料極とセパレータによって形成される燃料室と、
前記燃料室に燃料ガスを導く燃料導入手段と、
前記燃料室内の燃料ガス圧又は燃料ガス濃度が、異常反応を発生する偏在の割合以上になるまで低下したこと、或いは前記燃料電池の電位が、異常反応を発生する燃料ガスの局所的な偏在の割合以上になるまで上昇したことを検出するガス偏在検出手段と、
前記燃料室から燃料ガスを排出する燃料導出手段と、
前記燃料導入手段を介して、前記燃料室に燃料ガスを供給する燃料供給手段と、
前記燃料電池への燃料ガス供給を停止している状態で、前記ガス偏在検出手段によって前記燃料室内のガスの偏在が検出された場合には、置換ガスを前記燃料室内に供給するガス供給手段とを備えた燃料電池装置。A fuel cell having a solid polymer electrolyte membrane sandwiched between an oxygen electrode and a fuel electrode;
A fuel chamber formed by a fuel electrode and a separator;
Fuel introduction means for introducing fuel gas into the fuel chamber;
The fuel gas pressure or the fuel gas concentration in the fuel chamber has decreased until the ratio of the uneven distribution causing the abnormal reaction is exceeded or the potential of the fuel cell is a local uneven distribution of the fuel gas generating the abnormal reaction. Gas uneven distribution detecting means for detecting that it has risen to a ratio or more ,
Fuel deriving means for discharging fuel gas from the fuel chamber;
Fuel supply means for supplying fuel gas to the fuel chamber via the fuel introduction means;
A gas supply means for supplying replacement gas into the fuel chamber when the gas unevenness detection means detects the uneven distribution of the gas in the fuel chamber while the supply of fuel gas to the fuel cell is stopped; A fuel cell device comprising:

前記置換ガスは、空気であり、
前記ガス供給手段は、前記燃料導出手段に設けられた排出ポンプと、一端には燃料導入手段が接続され、他端には外気に連通する開口部が設けられた空気導入手段とを備えており、
前記ガス供給手段は、前記排出ポンプが燃料室内のガスを吸引することにより前記空気導入手段を経て空気を燃料室に導入する請求項２に記載の燃料電池装置。The replacement gas is air;
The gas supply means includes a discharge pump provided in the fuel outlet means, the fuel introduction means is connected to one end, the other end provided with an air introduction means having an opening provided in communication with the outside air ,
The fuel cell apparatus according to claim 2, wherein the gas supply means introduces air into the fuel chamber through the air introduction means when the discharge pump sucks gas in the fuel chamber .

さらに、前記空気導入手段は、前記空気導入手段の外気に連通する開口部に設けられ、空気を燃料導入手段側へ強制的に送り込む空気導入ファンを有する請求項３に記載の燃料電池装置。4. The fuel cell device according to claim 3, wherein the air introduction means includes an air introduction fan provided in an opening communicating with the outside air of the air introduction means and forcibly sending air to the fuel introduction means side.

置換ガスは、空気であり、
前記ガス供給手段は、一端には燃料導入手段が接続され、他端には燃料導入手段側へ強制的に空気を送り込む空気導入ファンが設けられた空気導入手段を備えている請求項２に記載の燃料電池装置。The replacement gas is air,
The said gas supply means is equipped with the air introduction means with which the fuel introduction means was connected to one end, and the other end was provided with the air introduction fan which forcibly sends air to the fuel introduction means side. Fuel cell device.

ガス偏在検出手段は、前記燃料室内のガス圧を検出する圧力検出手段と、圧力検出手段の検出値が所定値以下となった場合に、ガス偏在が生じていると判定する判定手段とを備えた請求項１〜５のいずれか１つに記載の燃料電池装置。The gas unevenness detecting means includes a pressure detecting means for detecting a gas pressure in the fuel chamber, and a determining means for determining that the gas is unevenly distributed when a detection value of the pressure detecting means becomes a predetermined value or less. The fuel cell device according to any one of claims 1 to 5.

ガス偏在検出手段は、前記燃料室内の燃料ガス濃度を検出する濃度検出手段と、濃度検出手段の検出値が所定値以下となった場合に、ガス偏在が生じていると判定する判定手段とを備えた請求項１〜５のいずれか１つに記載の燃料電池装置。The gas unevenness detection means includes a concentration detection means for detecting the fuel gas concentration in the fuel chamber, and a determination means for determining that the gas is unevenly distributed when a detection value of the concentration detection means is a predetermined value or less. The fuel cell device according to any one of claims 1 to 5, which is provided.

ガス偏在検出手段は、特定の燃料電池の電位を検出する電位検出手段と、電位検出手段の検出値が所定値以上となった場合に、ガス偏在が生じていると判定する判定手段とを備えた請求項１〜５のいずれか１つに記載の燃料電池装置。Gas uneven distribution detection means, a potential detection means for detecting the electric level of the particular fuel cell, when the detected value of the potential detecting means exceeds a predetermined value, and a determination unit gas uneven distribution occurs The fuel cell device according to any one of claims 1 to 5, which is provided.