JP5559002B2 - 燃料電池システム及びその起動方法 - Google Patents
燃料電池システム及びその起動方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP5559002B2 JP5559002B2 JP2010233903A JP2010233903A JP5559002B2 JP 5559002 B2 JP5559002 B2 JP 5559002B2 JP 2010233903 A JP2010233903 A JP 2010233903A JP 2010233903 A JP2010233903 A JP 2010233903A JP 5559002 B2 JP5559002 B2 JP 5559002B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- fuel gas
- fuel cell
- fuel
- anode side
- hydrogen concentration
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims description 117
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 14
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 99
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 claims description 93
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims description 82
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims description 82
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 52
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 claims description 36
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 claims description 36
- 230000007423 decrease Effects 0.000 claims description 13
- 230000005611 electricity Effects 0.000 claims description 4
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 claims description 4
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 claims description 3
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 12
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 8
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 8
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 8
- 230000009471 action Effects 0.000 description 7
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 7
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 7
- 238000010926 purge Methods 0.000 description 7
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 6
- 239000005518 polymer electrolyte Substances 0.000 description 5
- 230000008859 change Effects 0.000 description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 4
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 4
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 4
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 3
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- -1 for example Substances 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 229910001260 Pt alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- UQSQSQZYBQSBJZ-UHFFFAOYSA-N fluorosulfonic acid Chemical compound OS(F)(=O)=O UQSQSQZYBQSBJZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 1
- 125000004435 hydrogen atom Chemical group [H]* 0.000 description 1
- 239000003014 ion exchange membrane Substances 0.000 description 1
- 238000010030 laminating Methods 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Description
本発明は、酸化剤ガス及び燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池を備える燃料電池システム及びその起動方法に関する。
燃料電池は、燃料ガス（主に水素を含有するガス、例えば、水素ガス）及び酸化剤ガス（主に酸素を含有するガス、例えば、空気）をアノード電極及びカソード電極に供給して電気化学的に反応させることにより、直流の電気エネルギを得るシステムである。このシステムは、定置用の他、車載用として燃料電池車両に組み込まれている。
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード電極及びカソード電極を設けた電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の発電セルは、通常、電解質膜・電極構造体及びセパレータを所定数だけ交互に積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
この種の燃料電池スタックでは、発電（運転）が停止される際、前記燃料電池スタック内に残存する燃料ガスを空気（酸化剤ガス）と置換する処理が行われている。このため、燃料電池スタックを起動させると、アノード電極に燃料ガスの供給を開始する際に水素と空気とが混在してしまう。これにより、カソード電極が高電位となり易く、前記カソード電極の電極触媒層の性能劣化による発電性能の低下が惹起されるという問題がある。
そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムでは、図７に示すように、燃料電池スタック１、起電力を得る駆動時に前記燃料電池スタック１内の燃料室に燃料ガスを導入するための燃料導入手段２、及び停止時に前記燃料室内に残留する燃料ガスを空気と置換する燃料置換手段３を備えている。
燃料導入手段２は、水素ボンベ４、調圧弁５ａ、５ｂ、電磁弁６ａ、６ｂ、圧力計Ｓ１、Ｓ２及び配管７ａ、７ｂ、７ｃにより構成されている。燃料置換手段３は、逆止弁８、電磁弁６ｃ、６ｄ、６ｅ、６ｆ、ポンプ９及び配管７ｄ、７ｅ、７ｆ、７ｃにより構成されている。
制御手段では、停止時に燃料室内に置換された空気を始動によって再度燃料ガスとしての水素で置換する前記燃料室の置換率（％）と、初期性能からの出力変化（％）との関係を測定している。その際、燃料置換手段３により、停止時に燃料室内に残留する水素を空気と置換している。そして、制御手段によって所定時間（０．６秒）の間に置換率が８０％、８５％又は９５％以上になるように制御している。
しかしながら、上記の特許文献１では、燃料導入手段２及び燃料置換手段３が相当に大型で且つ複雑化している。このため、燃料電池システム全体の容積が増大するとともに、製造コストが高騰するという問題がある。
本発明はこの種の問題を解決するものであり、コンパクト且つ経済的な構成で、燃料電池の劣化を可及的に抑制することが可能な燃料電池システム及びその起動方法を提供することを目的とする。
本発明は、カソード側に供給される酸化剤ガス及びアノード側に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置とを設ける燃料電池システム及びその起動方法に関するものである。
この燃料電池システムでは、アノード側の単極電位と水素濃度との関係から、前記単極電位が急激に低下する基準水素濃度を設定するコントローラを備えている。
燃料ガス供給装置は、燃料ガス供給源から燃料電池の燃料ガス入口連通孔に燃料ガスを供給する燃料ガス供給路と、前記燃料電池の燃料ガス出口連通孔から排出される前記燃料ガスを前記燃料ガス供給路に戻す第１リターン流路と、前記第１リターン流路とは個別に前記燃料ガス供給路に連通するとともに、ポンプを介して前記燃料ガス出口連通孔から前記燃料ガス入口連通孔に前記燃料ガスを流通させる第２リターン流路と、前記燃料ガス供給路に、前記第１リターン流路の連結部及び前記第２リターン流路の連結部を跨いで接続されるバイパス流路と、前記バイパス流路に配設され、アノード側の水素濃度が基準水素濃度の直前から直後である際に、前記燃料ガス供給路を介して前記燃料電池に供給される燃料ガス供給量に比べて少量の前記燃料ガスを前記燃料ガス入口連通孔に供給する燃料ガス流量制御部と、前記バイパス流路の上流側端部に配設される三方弁とを備えている。
また、この燃料電池システムの起動方法では、アノード側の単極電位と水素濃度との関係から、前記単極電位が急激に低下する基準水素濃度を設定する工程と、前記基準水素濃度に至る直前まで、前記アノード側に燃料ガスを第１流量で供給する工程と、前記基準水素濃度の直前から直後まで、前記アノード側に前記燃料ガスを前記第１流量よりも少量な第２流量で供給する工程と、前記基準水素濃度の直後から、前記アノード側に前記燃料ガスを前記第２流量よりも多量な第３流量で供給する工程とを有している。
さらに、この起動方法では、起動前の燃料電池のカソード側及びアノード側には、酸化剤ガスが充填されていることが好ましい。
本発明では、アノード側の単極電位と水素濃度との関係から、前記単極電位が急激に低下する基準水素濃度を設定している。そして、単極電位が急激に低下する基準水素濃度に至る直前まで、及び前記基準水素濃度の直後から、アノード側に多量の燃料ガスが供給される一方、前記基準水素濃度の直前から直後までの間、前記アノード側に少量の前記燃料ガスが供給されている。
このため、アノード側に燃料ガスを迅速に供給することができ、前記アノード側の面内に発生する水素の濃度差が良好に減少される。
しかも、アノード側の水素濃度が所定の領域（基準水素濃度）に至ると、前記アノード側の単極電位が急激に低下することを見出した。そして、基準水素濃度の直前から直後までの間は、アノード側に少量の燃料ガスを供給することにより、水素濃度変化を最小にして前記アノード側の単極電位が急激に低下することを良好に抑制することができる。従って、燃料電池内に高電位が発生することを確実に阻止することが可能になり、特にカソード電極の電極触媒層の性能劣化による発電性能の低下が可及的に抑制される。
これにより、コンパクト且つ経済的な構成で、燃料電池の劣化を可及的に抑制することが可能になる。
図１に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２と、前記燃料電池スタック１２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１４と、前記燃料電池スタック１２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１６と、前記燃料電池システム１０全体の制御を行うコントローラ１８とを備える。燃料電池システム１０は、燃料電池自動車等の燃料電池車両に搭載される。
燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池２０を積層して構成される。各燃料電池２０は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜２２をカソード電極２４とアノード電極２６とで挟持した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）２８を備える。
カソード電極２４及びアノード電極２６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金（又はＲｕ等）が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成された電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜２２の両面に形成される。
電解質膜・電極構造体２８をカソード側セパレータ３０及びアノード側セパレータ３２で挟持する。カソード側セパレータ３０及びアノード側セパレータ３２は、例えば、カーボンセパレータ又は金属セパレータで構成される。
カソード側セパレータ３０と電解質膜・電極構造体２８との間には、酸化剤ガス流路３４が設けられるとともに、アノード側セパレータ３２と前記電解質膜・電極構造体２８との間には、燃料ガス流路３６が設けられる。
燃料電池スタック１２には、各燃料電池２０の積層方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガス（以下、空気ともいう）を供給する酸化剤ガス入口連通孔３８ａ、燃料ガス、例えば、水素含有ガス（以下、水素ガスともいう）を供給する燃料ガス入口連通孔４０ａ、冷却媒体を供給する冷却媒体入口連通孔（図示せず）、前記酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口連通孔３８ｂ、前記燃料ガスを排出する燃料ガス出口連通孔４０ｂ、及び前記冷却媒体を排出する冷却媒体出口連通孔（図示せず）が設けられる。
酸化剤ガス供給装置１４は、大気からの空気を圧縮して供給するエアポンプ（コンプレッサ）４２を備え、前記エアポンプ４２が空気供給流路４４に配設される。空気供給流路４４には、加湿器４６が配設されるとともに、前記空気供給流路４４は、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口連通孔３８ａに連通する。加湿器４６は、オフガス（使用済み空気）と供給空気との間で水分及び熱の交換を行う。
酸化剤ガス供給装置１４は、酸化剤ガス出口連通孔３８ｂに連通する空気排出流路４８を備える。空気排出流路４８は、加湿器４６の加湿媒体通路（図示せず）に連通するとともに、この空気排出流路４８には、エアポンプ４２から空気供給流路４４を通って燃料電池スタック１２に供給される空気の圧力を調整するための開度調整可能な背圧制御弁５０が設けられる。
燃料ガス供給装置１６は、高圧水素を貯留する水素タンク（燃料ガス供給源）５２を備え、この水素タンク５２は、水素供給流路（燃料ガス供給路）５４を介して燃料電池スタック１２の燃料ガス入口連通孔４０ａに連通する。この水素供給流路５４には、遮断弁５６、レギュレータ５８及びエゼクタ６０が設けられる。エゼクタ６０は、水素タンク５２から供給される水素ガスを、水素供給流路５４を通って燃料電池スタック１２に供給するとともに、燃料電池スタック１２で使用されなかった未使用の水素ガスを含む排ガスを、第１リターン流路６２から吸引して、再度、前記燃料電池スタック１２に燃料ガスとして供給する。
燃料ガス出口連通孔４０ｂには、オフガス流路６４が連通する。オフガス流路６４は、パージ弁６６を介して、例えば、図示しない希釈器に連通する。オフガス流路６４の途上には、第１リターン流路６２の一端と第２リターン流路６８の一端とが個別に連通する。第１リターン流路６２の他端は、エゼクタ６０に接続される一方、第２リターン流路６８の他端は、ポンプ７０を介装して水素供給流路５４に接続される。
水素供給流路５４には、第１リターン流路６２の連結部（エゼクタ６０）及び第２リターン流路６８の連結部を跨いでバイパス流路７２の両端が接続される。バイパス流路７２の上流側端部は、レギュレータ５８とエゼクタ６０との間に位置して三方弁７４に接続される。バイパス流路７２には、流量制御部（燃料ガス流量制御部）７６が配設される。流量制御部７６には、例えば、マスフローコントローラやインジェクタ等が採用される。
水素供給流路５４の燃料ガス入口連通孔４０ａに近接する位置と、空気供給流路４４の酸化剤ガス入口連通孔３８ａに近接する位置とには、空気パージ流路７８の両端が接続される。空気パージ流路７８には、開閉弁８０が介装される。
燃料電池スタック１２には、アノード側の水素濃度を検出するために、例えば、水素供給流路５４に燃料ガス入口連通孔４０ａに近接して水素濃度センサ８２が設けられる。
このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。
先ず、燃料電池システム１０の運転時には、酸化剤ガス供給装置１４を構成するエアポンプ４２を介して、空気供給流路４４に空気が送られる。この空気は、加湿器４６を通って加湿された後、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口連通孔３８ａに供給される。この空気は、燃料電池スタック１２内の各燃料電池２０に設けられている酸化剤ガス流路３４に沿って移動することにより、カソード電極２４に供給される。
使用済みの空気は、酸化剤ガス出口連通孔３８ｂから空気排出流路４８に排出され、加湿器４６に送られることによって新たに供給される空気を加湿した後、背圧制御弁５０を介して排出される。
一方、燃料ガス供給装置１６では、遮断弁５６が開放されることにより、水素タンク５２から水素供給流路５４に水素ガスが供給される。この水素ガスは、レギュレータ５８により降圧された後、エゼクタ６０を通って燃料電池スタック１２の燃料ガス入口連通孔４０ａに供給される。燃料電池スタック１２内に供給された水素ガスは、各燃料電池２０の燃料ガス流路３６に沿って移動することにより、アノード電極２６に供給される。
使用済みの水素ガスは、燃料ガス出口連通孔４０ｂからオフガス流路６４に排出され、第１リターン流路６２を介してエゼクタ６０に吸引され、燃料ガスとして、再度、燃料電池スタック１２に供給される。従って、カソード電極２４に供給される空気とアノード電極２６に供給される水素ガスとが電気化学的に反応して発電が行われる。
燃料電池システム１０の運転が停止される際には、各燃料電池２０の燃料ガス流路３６を含むアノード側経路が、空気によりパージされる。具体的には、燃料ガス供給装置１６では、遮断弁５６が閉塞されて燃料電池スタック１２に燃料ガスの供給が停止される一方、開閉弁８０が開放されて空気パージ流路７８が、空気供給流路４４と水素供給流路５４とに連通する。
このため、エアポンプ４２の作用下に、空気供給流路４４に導出される空気は、酸化剤ガス入口連通孔３８ａから酸化剤ガス流路３４に供給されるとともに、前記空気の一部が空気パージ流路７８を通って燃料ガス入口連通孔４０ａから燃料ガス流路３６に供給される。これにより、燃料電池スタック１２では、空気によるパージが行われ、カソード側経路及びアノード側経路が空気により満たされている。
次いで、燃料電池システム１０の起動方法について、図２に示すタイミングチャートに沿って、以下に説明する。
先ず、実際に使用される燃料電池システム１０を用いて、アノード側の単極電位と水素濃度との関係が検出される。図３に示すように、燃料電池システム１０では、水素濃度が上昇する際に、単極電位が急激に低下する濃度Ｔが検出され、この濃度Ｔが基準水素濃度に設定される。
濃度Ｔは、電極触媒の活性により変化する値である。システム停止時には、アノード側には、大量の窒素、酸素及び水素が残存している。濃度Ｔは、窒素濃度が高い場合に、ほぼ一定値であるが、窒素濃度が低い場合に、燃料電池スタック１２のアノード入口側（燃料ガス入口連通孔４０ａ）に設けられた酸素センサ（図示せず）を介して供給される酸素濃度を検出し、その結果により補正することが好ましい。
例えば、通常使用されている固体高分子電解質膜２２では、濃度Ｔが、水素のアノード側供給ガス中の酸素濃度に対して５０％〜７０％である。濃度による単極電位の急峻な変化は、電極触媒上を被覆している分子、すなわち、水素と酸素のいずれが支配的になるかによって決定される。
そこで、図示しない燃料電池自動車のイグニッションスイッチがオンされると、燃料電池システム１０の起動処理が開始される（図２参照）。この起動処理では、ポンプ７０がオンされるため、図１に示すように、水素ガスが、第２リターン流路６８を介して燃料電池スタック１２内に強制的に循環される。一方、エアポンプ４２がオンされて、燃料電池スタック１２内に空気が供給される。
ポンプ７０がオンされた後、又は前記ポンプ７０がオンされると同時に、遮断弁５６がオンされる（図２参照）。従って、燃料電池スタック１２内の各燃料電池２０には、水素タンク５２から供給される水素ガスが、ポンプ７０の付勢作用下に多量（第１流量）に供給される。
ここで、アノード側経路の残留酸素の圧力値から、アノード側経路の開時間がマップ（図示せず）により設定される。そして、図４中、（ａ）に示すように、濃度Ｔよりも低い値、例えば、濃度Ｔの４０％程度まで、上記のポンプ７０の付勢作用下に多量の水素を供給して水素濃度を急激に上昇させる。
次いで、図２及び図５に示すように、遮断弁５６が閉塞されるとともに、三方弁７４の切り替え作用下に、水素供給流路５４とバイパス流路７２とが連通する。このため、図４中、（ｂ）に示すように、流量制御部７６の作用下に、燃料電池スタック１２に供給される水素ガスの流量が低下され（第２流量）、アノード側では、濃度Ｔが時間をかけてゆっくりと超えられる。
そして、燃料電池２０のセル電圧の上昇が確認された後、遮断弁５６を開放する一方、三方弁７４の切り替え作用下に、水素供給流路５４からバイパス流路７２が閉塞される（図１及び図２参照）。これにより、図４中、（ｃ）に示すように、燃料電池スタック１２に供給される水素ガスの流量が増加され（第３流量）、例えば、第１流量と同量に調整され、アノード側に多量の水素ガスが供給される。その後、燃料電池スタック１２は、発電可能な状態に移行する（図２参照）。
この場合、本実施形態では、図３に示すように、アノード側の単極電位と水素濃度との関係から、前記単極電位が急激に低下する基準水素濃度（濃度Ｔ）を設定している。そして、図４に示すように、単極電位が急激に低下する基準水素濃度に至る直前まで、及び基準水素濃度の直後から、アノード側に多量の水素ガスが供給される一方、前記基準水素濃度の直前から直後までの間、前記アノード側に少量の前記水素ガスが供給されている。
このため、アノード側に水素ガスを迅速に供給することができ、前記アノード側の面内に発生する水素の濃度差が良好に減少される。従って、燃料電池２０内に高電位が発生することを確実に阻止することが可能になり、特にカソード電極２４の電極触媒層の性能劣化による発電性能の低下が可及的に抑制される。
具体的には、図６に示すように、燃料電池２０の停止時には、カソード側及びアノード側に空気が充填されている。そして、燃料電池システム１０の起動時には、アノード側において、Ｈ２→２Ｈ+＋２ｅ−の反応を生じ、カソード側において、Ｏ２＋４Ｈ+＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏの反応が発生し、水素極と空気極との間に起電力が生じる。
その際、アノード側における水素で満たされている面において、Ｈ２→２Ｈ+＋２ｅ−の反応が生じる一方、アノード側における水素で満たされておらず、空気が残留している面において、Ｏ２＋４Ｈ+＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏの反応が惹起される。これにより、アノード側の面内に発生する水素の濃度差により、カソード側に高電位が発生する。
そこで、本実施形態では、水素タンク５２から供給される水素ガスが、ポンプ７０の付勢作用下にバイパス流路７２を介して少量の供給がなされることにより、アノード側の面内に発生する水素の濃度差が良好に減少される。このため、燃料電池２０内に高電位が発生することを確実に阻止することが可能になるという効果が得られる。
しかも、アノード側の水素濃度が所定の濃度Ｔ（基準水素濃度）に至ると、前記アノード側の単極電位が急激に低下することを見出した（図３参照）。そして、基準水素濃度の直前から直後までの間は、バイパス流路７２を介してアノード側に少量の燃料ガスを供給している（図５参照）。
従って、水素濃度変化を最小にして、アノード側の単極電位が急激に低下することを良好に抑制することができるという利点が得られる。これにより、コンパクト且つ経済的な構成で、燃料電池２０の劣化を可及的に抑制することが可能になる。
さらに、図４中、（ａ）及び（ｃ）では、アノード側に多量の水素ガスが供給されている。このため、燃料電池システム１０の起動時間を良好に短縮することができるという利点がある。
なお、本実施形態では、燃料電池２０の停止時に、カソード側及びアノード側に空気が充填されているが、これに代えて、空気によるパージを行ってもよい。また、停止時には、背圧制御弁５０を開放して空気排出流路４８により外気を自然導入してもよい。
１０…燃料電池システム １２…燃料電池スタック
１４…酸化剤ガス供給装置 １６…燃料ガス供給装置
１８…コントローラ ２０…燃料電池
２２…固体高分子電解質膜 ２４…カソード電極
２６…アノード電極 ２８…電解質膜・電極構造体
３０、３２…セパレータ ３４…酸化剤ガス流路
３６…燃料ガス流路 ３８ａ…酸化剤ガス入口連通孔
３８ｂ…酸化剤ガス出口連通孔 ４０ａ…燃料ガス入口連通孔
４０ｂ…燃料ガス出口連通孔 ４２…エアポンプ
４４…空気供給流路 ４６…加湿器
４８…空気排出流路 ５０…背圧制御弁
５２…水素タンク ５４…水素供給流路
５６…遮断弁 ５８…レギュレータ
６０…エゼクタ ６２、６８…リターン流路
６４…オフガス流路 ７０…ポンプ
７２…バイパス流路 ７４…三方弁
７６…流量制御部 ７８…空気パージ流路
８０…開閉弁 ８２…水素濃度センサ
１４…酸化剤ガス供給装置 １６…燃料ガス供給装置
１８…コントローラ ２０…燃料電池
２２…固体高分子電解質膜 ２４…カソード電極
２６…アノード電極 ２８…電解質膜・電極構造体
３０、３２…セパレータ ３４…酸化剤ガス流路
３６…燃料ガス流路 ３８ａ…酸化剤ガス入口連通孔
３８ｂ…酸化剤ガス出口連通孔 ４０ａ…燃料ガス入口連通孔
４０ｂ…燃料ガス出口連通孔 ４２…エアポンプ
４４…空気供給流路 ４６…加湿器
４８…空気排出流路 ５０…背圧制御弁
５２…水素タンク ５４…水素供給流路
５６…遮断弁 ５８…レギュレータ
６０…エゼクタ ６２、６８…リターン流路
６４…オフガス流路 ７０…ポンプ
７２…バイパス流路 ７４…三方弁
７６…流量制御部 ７８…空気パージ流路
８０…開閉弁 ８２…水素濃度センサ
Claims (3)
- カソード側に供給される酸化剤ガス及びアノード側に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
を設ける燃料電池システムであって、
前記アノード側の単極電位と水素濃度との関係から、前記単極電位が急激に低下する基準水素濃度を設定するコントローラを備えるとともに、
前記燃料ガス供給装置は、燃料ガス供給源から前記燃料電池の燃料ガス入口連通孔に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給路と、
前記燃料電池の燃料ガス出口連通孔から排出される前記燃料ガスを前記燃料ガス供給路に戻す第１リターン流路と、
前記第１リターン流路とは個別に前記燃料ガス供給路に連通するとともに、ポンプを介して前記燃料ガス出口連通孔から前記燃料ガス入口連通孔に前記燃料ガスを流通させる第２リターン流路と、
前記燃料ガス供給路に、前記第１リターン流路の連結部及び前記第２リターン流路の連結部を跨いで接続されるバイパス流路と、
前記バイパス流路に配設され、前記アノード側の水素濃度が前記基準水素濃度の直前から直後である際に、前記燃料ガス供給路を介して前記燃料電池に供給される燃料ガス供給量に比べて少量の前記燃料ガスを前記燃料ガス入口連通孔に供給する燃料ガス流量制御部と、
前記バイパス流路の上流側端部に配設される三方弁と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。 - カソード側に供給される酸化剤ガス及びアノード側に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
を設ける燃料電池システムの起動方法であって、
前記アノード側の単極電位と水素濃度との関係から、前記単極電位が急激に低下する基準水素濃度を設定する工程と、
前記基準水素濃度に至る直前まで、前記アノード側に前記燃料ガスを第１流量で供給する工程と、
前記基準水素濃度の直前から直後まで、前記アノード側に前記燃料ガスを前記第１流量よりも少量な第２流量で供給する工程と、
前記基準水素濃度の直後から、前記アノード側に前記燃料ガスを前記第２流量よりも多量な第３流量で供給する工程と、
を有することを特徴とする燃料電池システムの起動方法。 - 請求項２記載の起動方法において、起動前の前記燃料電池の前記カソード側及び前記アノード側には、酸化剤ガスが充填されていることを特徴とする燃料電池システムの起動方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2010233903A JP5559002B2 (ja) | 2010-10-18 | 2010-10-18 | 燃料電池システム及びその起動方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2010233903A JP5559002B2 (ja) | 2010-10-18 | 2010-10-18 | 燃料電池システム及びその起動方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2012089307A JP2012089307A (ja) | 2012-05-10 |
| JP5559002B2 true JP5559002B2 (ja) | 2014-07-23 |
Family
ID=46260739
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2010233903A Expired - Fee Related JP5559002B2 (ja) | 2010-10-18 | 2010-10-18 | 燃料電池システム及びその起動方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP5559002B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11362349B2 (en) | 2016-12-21 | 2022-06-14 | Hydrogenics Corporation | Closed anode fuel cell startup method |
| JP7327254B2 (ja) * | 2020-04-07 | 2023-08-16 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料電池システム |
Family Cites Families (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS56114287A (en) * | 1980-02-14 | 1981-09-08 | Central Res Inst Of Electric Power Ind | Gas circuit for fuel cell |
| JP4679701B2 (ja) * | 2000-08-10 | 2011-04-27 | 本田技研工業株式会社 | 燃料電池の流体供給装置と燃料供給システム |
| JP3620437B2 (ja) * | 2000-11-09 | 2005-02-16 | 日産自動車株式会社 | 燃料電池システム |
| JP4799751B2 (ja) * | 2001-04-10 | 2011-10-26 | 本田技研工業株式会社 | 燃料電池の始動制御装置 |
| JP3671898B2 (ja) * | 2001-11-16 | 2005-07-13 | 日産自動車株式会社 | 燃料電池システム |
| JP4599796B2 (ja) * | 2002-12-24 | 2010-12-15 | 株式会社エクォス・リサーチ | 燃料電池システム |
| JP2005116402A (ja) * | 2003-10-09 | 2005-04-28 | Nissan Motor Co Ltd | 燃料電池システムの起動方法 |
| JP4581382B2 (ja) * | 2003-11-27 | 2010-11-17 | 日産自動車株式会社 | 燃料電池システム |
| JP2005183354A (ja) * | 2003-11-27 | 2005-07-07 | Nissan Motor Co Ltd | 燃料電池システム |
| JP2009059669A (ja) * | 2007-09-03 | 2009-03-19 | Aisin Seiki Co Ltd | 燃料電池の運転方法 |
| JP5347253B2 (ja) * | 2007-09-06 | 2013-11-20 | 日産自動車株式会社 | 燃料電池の起動方法、燃料電池の起動装置およびその起動装置を搭載した車両 |
| JP5404214B2 (ja) * | 2009-06-30 | 2014-01-29 | 本田技研工業株式会社 | 燃料電池システム |
-
2010
- 2010-10-18 JP JP2010233903A patent/JP5559002B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2012089307A (ja) | 2012-05-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5596758B2 (ja) | 燃料電池システム及びその制御方法 | |
| WO2005071781A1 (ja) | 燃料電池システム | |
| JP6133365B2 (ja) | 燃料電池システムの運転方法 | |
| JP6326439B2 (ja) | 燃料電池システムの制御方法 | |
| JP6313347B2 (ja) | 燃料電池システムの制御方法 | |
| JP6639972B2 (ja) | 燃料電池システムの氷点下始動方法 | |
| US20100081016A1 (en) | Fuel cell system and method for shutting down the system | |
| US9373858B2 (en) | Method for starting fuel cell system and starting apparatus for fuel cell system | |
| JP5559002B2 (ja) | 燃料電池システム及びその起動方法 | |
| JP2014063664A (ja) | 燃料電池システムの起動方法 | |
| JP2010061981A (ja) | 燃料電池システムの始動方法 | |
| JP6389835B2 (ja) | 燃料電池システムの出力加速時における圧力制御方法 | |
| JP4755171B2 (ja) | 燃料電池システム、その運転停止方法 | |
| JP2021166152A (ja) | 燃料電池システム | |
| JP5415025B2 (ja) | 燃料電池システムの起動方法 | |
| JP2017152174A (ja) | 燃料電池システムの停止制御方法 | |
| JP5650919B2 (ja) | 燃料電池システム | |
| JP6315714B2 (ja) | 燃料電池システムの運転制御方法 | |
| JP2009193855A (ja) | 固体高分子型燃料電池の運転方法及び燃料電池エージングシステム | |
| JP2006190571A (ja) | 燃料電池の制御装置 | |
| JP2005251483A (ja) | 燃料電池システム | |
| JP2012009182A (ja) | 燃料電池システム、燃料電池の発電方法およびフラッディング判断方法 | |
| JP5480086B2 (ja) | 燃料電池システムの運転停止方法 | |
| JP5480085B2 (ja) | 燃料電池システムの運転停止方法 | |
| JP2012129081A (ja) | 燃料電池システムの運転方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20121128 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20131120 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20131126 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20140127 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20140507 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20140605 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 5559002 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |