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JP2004179054A - Method of stopping power generation in fuel cell system - Google Patents

Method of stopping power generation in fuel cell system Download PDF

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JP2004179054A
JP2004179054A JP2002345751A JP2002345751A JP2004179054A JP 2004179054 A JP2004179054 A JP 2004179054A JP 2002345751 A JP2002345751 A JP 2002345751A JP 2002345751 A JP2002345751 A JP 2002345751A JP 2004179054 A JP2004179054 A JP 2004179054A
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fuel cell
fuel
power generation
anode
supply
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Tomoki Kobayashi
知樹 小林
Minoru Uoshima
稔 魚嶋
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Honda Motor Co Ltd
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Abstract

【課題】燃料電池システムの始動性を向上する。
【解決手段】アノードに水素を供給されカソードに酸素を供給されて発電する固体高分子電解質膜型の燃料電池2を備えた燃料電池システム1を停止する方法において、燃料電池2の発電停止時にアノードに連通する水素供給通路21に水素ガスを再供給する。
【選択図】 図1
An object of the present invention is to improve startability of a fuel cell system.
Kind Code: A1 A method of stopping a fuel cell system provided with a fuel cell of a solid polymer electrolyte membrane type for generating electricity by supplying hydrogen to an anode and supplying oxygen to a cathode. The hydrogen gas is resupplied to the hydrogen supply passage 21 communicating with.
[Selection diagram] Fig. 1

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池システムの発電停止方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池自動車等に搭載される燃料電池には、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜の両側にアノードとカソードとを備え、アノードに燃料(例えば水素ガス)を供給し、カソードに酸化剤(例えば空気中の酸素)を供給して、これらガスの酸化還元反応にかかる化学エネルギを直接電気エネルギとして抽出するようにしたものがある。なお、以下の説明では燃料として水素ガスを用い、酸化剤として空気中の酸素を用いた場合の例で説明する。
この固体高分子電解質膜型の燃料電池を備えた燃料電池システムでは、発電を停止するときに、コンプレッサを停止して燃料電池への酸素供給を停止し、水素供給遮断弁を閉じて燃料電池への水素供給を停止するのが一般的である。
また、発電停止後の極間電位差の解消やセパレータの腐食防止を目的として、発電を停止する時に、燃料電池への酸素供給を停止した後、カソードの酸素分圧が所定値まで低下するのを待ってから水素供給を停止する方法も知られている(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
【特許文献1】
米国特許第6068942号明細書
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の方法で燃料電池システムの発電停止を行い、そのまま放置していると、燃料電池の固体高分子電解質膜上で局所的に水素と酸素の反応が起こり、水素よりも酸素の量が多い場合は、アノード側の水素がカソード側の酸素と反応して水となり、燃料電池内に水素ガスが大幅に減少してしまう。その結果、燃料電池内に残留するガスは空気が殆どとなり、固体高分子電解質膜は酸素と窒素が主となる状態で放置されることとなる。
【0005】
ところが、この状態になった後に、アノードに再び水素ガスを供給して燃料電池を再起動させると、固体高分子電解質膜の触媒には酸素が優先的に吸着されていて水素がきてもプロトンになりにくい状態のため、始動直後は燃料電池の発電できる電力量が制限され、本来必要な電力が発電することができず、始動性が悪くなる場合があった。
そこで、この発明は、始動後速やかに必要な電力を安定して発電することができる燃料電池システムの発電停止方法提供するものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項1に係る発明は、アノードに燃料(例えば、後述する実施の形態における水素(水素ガス))を供給されカソードに酸化剤(例えば、後述する実施の形態における空気中の酸素)を供給されて発電する固体高分子電解質膜型の燃料電池(例えば、後述する実施の形態における燃料電池2)を備えた燃料電池システム(例えば、後述する実施の形態における燃料電池システム1)を停止する方法において、前記燃料電池の発電停止時に前記アノードに連通する通路(例えば、後述する実施の形態における水素供給通路21)へ燃料を再供給することを特徴とする。
このように構成することにより、発電停止後に燃料電池のアノードに燃料が不存在となるのを防止することができ、燃料電池システムの停止期間中もアノードに燃料を存在させることが可能になる。その結果、燃料電池システムの停止中も燃料電池の固体高分子電解質膜の触媒に水素を拡散・浸透させておくことが可能になる。
【0007】
請求項2に係る発明は、請求項1に記載の発明において、前記通路への燃料の再供給は、前記アノードのガス圧力が所定値以下に低下したときに行うことを特徴とする。
このように構成することにより、発電停止後にアノードの燃料が所定に減少したときに限って、アノードに燃料を再供給することができる。
【0008】
請求項3に係る発明は、請求項1に記載の発明において、前記通路への燃料の再供給は、発電停止後所定時間が経過したときに行うことを特徴とする。
発電停止後所定時間が経過するまでに消費される燃料の量は予め予測することが可能であり、したがって、前記所定時間経過後に前記通路への燃料の再供給を開始することが可能である。前述のように構成することにより、発電停止後所定時間が経過する前は燃料の再供給を行わないので、発電停止後の燃料の再供給量を必要最小限に抑えることができる。
【0009】
請求項4に係る発明は、請求項1から請求項3のいずれかに記載の発明において、前記通路への燃料の再供給は、前記燃料電池の発電電圧が所定値以下になったときに終了することを特徴とする。
発電停止後に燃料電池内に残留する燃料と酸化剤が反応している間は前記所定値を越える大きさの発電電圧が認められるが、燃料電池内の酸化剤が消費されてその残量が減り、燃料電池内の燃料との反応が収まってくると、発電電圧は前記所定値以下に低下してくる。したがって、発電電圧が前記所定値以下になったときには燃料電池内における燃料と酸化剤との反応がほぼ終了したと判定して、燃料の再供給を停止することができる。これにより、燃料の再供給量を必要最小限に抑えることができる。
【0010】
請求項5に係る発明は、請求項1から請求項4のいずれかに記載の発明において、前記燃料は燃料供給手段(例えば、後述する実施の形態における高圧水素タンク3)から前記通路を介して前記燃料電池に供給され、前記通路には前記燃料供給手段に近い側から順に一次遮断弁(例えば、後述する実施の形態における一次遮断弁4)、圧力調整手段(例えば、後述する実施の形態における圧力制御弁9)、二次遮断弁(例えば、後述する実施の形態における二次遮断弁6)が設けられており、前記通路への燃料の再供給は、前記一次遮断弁を閉じた状態で前記二次遮断弁を開いて行うことを特徴とする。
このように構成することにより、発電停止後の前記通路への燃料の再供給を行っているときにも前記一次遮断弁が閉じているので、発電停止後の燃料供給手段の遮断状態を確実に保持することができる。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る燃料電池システムの発電停止方法の実施の形態を図1から図3の図面を参照して説明する。
図1は、この発明に係る発電停止方法の実施に好適な燃料電池システムの構成図である。この実施の形態において、燃料電池システム1は燃料電池自動車に搭載されており、固体高分子電解質膜型の燃料電池2を備えている。
燃料電池2は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されたスタックからなり、アノードに燃料として水素ガスを供給し、カソードに酸化剤として酸素を含む空気を供給すると、アノードで触媒作用により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。燃料電池2は、各セルの電圧を検出するセル電圧検出手段12を備えている。
【0012】
高圧水素タンク(燃料供給手段)3に収容された水素ガスは、水素供給通路21を流通して燃料電池2の各セルのアノードに供給される。水素供給通路21には、高圧水素タンク3に近い側から順に、一次遮断弁4、圧力調整弁(圧力調整手段)5、二次遮断弁6、エゼクタ7が設けられている。
圧力調整弁5は、高圧水素タンク3の水素ガスを減圧して所定圧力に調圧するものである。エゼクタ7は燃料電池2のアノードから排出される後述するアノードオフガスを水素供給通路21に戻すためのものである。なお、エゼクタ7に代えてポンプを用いたり、あるいは、エゼクタ7とポンプを併用する場合もある。また、エゼクタ7よりも下流の水素供給通路21であって燃料電池2のアノード入口に近い部位には、アノード入口の水素圧力(以下、アノード入口圧という)を検出する圧力センサ11が設置されている。
【0013】
燃料電池2のアノードに供給された水素ガスのうち発電に供されなかった水素ガス、すなわち未反応の水素は、燃料電池1からアノードオフガスとして排出され、アノードオフガス通路22を通ってエゼクタ7に吸引され、高圧水素タンク3から供給される新鮮な水素ガスと合流して再び燃料電池2のアノードに供給される。すなわち、燃料電池2から排出される水素ガスは、アノードオフガス通路22を通って二次遮断弁6よりも下流の水素供給通路21に戻され、燃料電池2に循環せしめられる。
アノードオフガス通路22から分岐された排出通路23には排出弁24が設けられている。この排出弁24は通常は閉じており、燃料電池2のアノードに水分等が溜まって発電状態に影響を及ぼす時などに開いて、水分等を排出するためのものである。
【0014】
一方、空気はエアコンプレッサ8により所定圧力に加圧され、空気通路31を通って燃料電池2のカソードに供給される。燃料電池2に供給された空気は発電に供された後、燃料電池2からカソードオフガスとしてカソードオフガス通路32に排出され、圧力制御弁9を介して排出される。
また、燃料電池システム1は制御装置(ECU)10を備え、圧力センサ11およびセル電圧検出手段12からの出力信号や、車両のイグニッションスイッチ13からの出力信号、アクセル開度センサ14からの出力信号がECU10に入力される。ECU10はこれら出力信号等に基づいて、一次遮断弁4、二次遮断弁6、エアコンプレッサ8、圧力制御弁9、排出弁24を制御する。
【0015】
このように構成された燃料電池システム1においては、車両のイグニッションスイッチ13がONされると、ECU10は、一次遮断弁4および二次遮断弁6を開いて燃料電池2のアノードへの水素ガス供給を開始するとともに、エアコンプレッサ8を起動し圧力制御弁9の開度制御を行ってカソードへの空気供給を開始し、さらに排出弁24の開閉制御を開始して、燃料電池2を発電可能にする。また、イグニッションスイッチ13がOFFされると、ECU10は、一次遮断弁4、二次遮断弁6、圧力制御弁9、排出弁24を閉じ、エアコンプレッサ8を停止して、燃料電池2への水素ガス供給および空気供給を停止し、これにより燃料電池システムを停止して、発電を停止させる。
【0016】
しかしながら、このように燃料電池システム1を停止し発電を停止して、そのままの状態で放置すると、前述したように、燃料電池2の固体高分子電解質膜上で局所的に水素と酸素の反応が起こり、その結果、アノード側の水素ガスが減少し、固体高分子電解質膜の触媒には酸素が主に吸着した状態になる。電極触媒材料としてよく知られている白金は、水素よりも酸素と吸着し易い性質を持つことが知られており、燃料電池の再始動時にアノードに水素ガスを供給しても、触媒が酸素を吸着した状態であった場合は水素イオン(プロトン)となりにくく、発電できる電力量が制限され始動性が悪くなる。
【0017】
そこで、この燃料電池システム1では、イグニッションスイッチ13がOFFされた場合には、一旦、前述と同様な動作で燃料電池2への水素ガス供給および空気供給を停止し発電を停止させるが、その後、燃料電池2のアノードの水素が消費されて燃料電池2内の水素量が減少してきた場合には、アノードに水素ガスを再供給することによって、発電停止後も常に固体高分子電解質膜の触媒に水素が拡散・浸透した状態となるようにし、これによって燃料電池システム1を再始動させる時の始動性を向上させ、始動後速やかに必要な電力を燃料電池2で発電することができるようにした。
なお、この実施の形態では、アノード入口圧が所定圧力(例えば、大気圧)以下に低下したときに、燃料電池2内の水素ガスが減少したと判断して、アノードに水素ガスの再供給を行うようにした。このようにすると、発電停止後にアノードの水素ガスが所定に減少したときに限ってアノードに水素ガスを再供給することができるので、水素ガスの再供給量を必要最小限に抑えることができる。さらに、アノードの水素圧力を前記所定圧力よりも低下しないように保持することができる。
【0018】
また、発電停止時のアノードへの水素ガスの再供給は、一次遮断弁4は閉じたまま保持し二次遮断弁6だけを開くことによって、一次遮断弁4と二次遮断弁6の間の水素供給通路21内に残留していた水素ガスを、二次遮断弁6よりも下流の水素供給通路21、すなわち、アノードに連通する通路に供給するようにした。なお、この場合、発電停止後にアノードに再供給すべき水素ガスの量は予め実験等により予測可能であるので、その水素ガス量を供給可能なように、一次遮断弁4と二次遮断弁6の間における水素供給通路21の内容積を予め設定しておく。
【0019】
また、この実施の形態では、発電停止時のアノードへの水素ガスの再供給は、燃料電池2のセル電圧が所定電圧以下に低下したときに、あるいは、発電停止後所定時間が経過したときに、終了するようにした。これは以下の理由による。
発電停止後に燃料電池2内に残留する水素と酸素が固体高分子電解質膜上で反応している間は前記所定電圧を越える大きさのセル電圧が生じる。これに対して、燃料電池2内の酸素が消費されてその残量が減っていき、水素との反応が収まってくると、セル電圧は前記所定電圧以下に低下してくる。したがって、セル電圧が前記所定電圧以下になったときには燃料電池2内における水素と酸素の反応がほぼ終了したと判断して、水素ガスの再供給を停止することができる。これにより、水素ガスの再供給量を必要最小限に抑えることができ、燃料電池自動車の燃費が向上する。
【0020】
なお、燃料電池2はセル積層構造上、エアコンプレッサ8を停止して空気の循環を停止すると、燃料電池2のカソード側は密閉空間に近い状態となり、空気循環を行わない限りカソード側に新たに酸素が供給されることは殆どない。したがって、エアコンプレッサ8を停止して発電停止した後に、アノード側に常に水素ガスが存在する状態にしておくと、カソード側の酸素は固体高分子電解質膜上で水素との反応に消費される結果、漸次減少していき、ついにはカソード側に酸素は殆どなくなり窒素が主となる。
【0021】
また、燃料電池システム1が再始動されるまで圧力センサ11でアノード入口圧を監視し続けるのは、無駄な電力を消費することとなるので、発電停止後所定時間が経過したときにはアノードへの水素ガスの再供給を終了する。
【0022】
次に、この実施の形態における燃料電池システム1の発電停止制御について、図2のフローチャートに従って説明する。図2のフローチャートに示す発電停止制御ルーチンは、ECU10が停止されるまでECU10によって一定時間毎に実行される。
まず、ステップS101においてイグニッションスイッチ13がOFFされると、ステップS102に進み、エアコンプレッサ8を停止し、一次遮断弁4、二次遮断弁6、圧力制御弁9、排出弁24を閉じる。これにより、燃料電池2への水素ガス供給および空気供給が停止され、燃料電池2の発電が停止される。
【0023】
次に、ステップS103に進み、圧力センサ11で検出されたアノード入口圧が所定圧力以下か否かが判定され、判定結果が「YES」(アノード入口圧≦所定圧力)である場合は、アノードの水素ガスが減少していると判断できるので、ステップS104に進んで二次遮断弁6を開くことにより、一次遮断弁4と二次遮断弁6の間の水素供給通路21内に保持されている水素をエゼクタ7を介して燃料電池2のアノード入口に供給する。一方、ステップS103における判定結果が「NO」(アノード入口圧>所定圧力)である場合は、アノードに水素ガスが十分に残留していると判断できるので、ステップS104に進むことなく、すなわち二次遮断弁6を開くことなく、ステップS107に進む。
【0024】
そして、ステップS104からステップS105に進み、セル電圧検出手段12により検出されたセル電圧が所定電圧以下か否かを判定する。ステップS105における判定結果が「YES」(セル電圧≦所定電圧)である場合は、燃料電池2における固体高分子電解質膜上での水素と酸素の反応が収まったと判断できるので、ステップS106に進んで二次遮断弁6を閉じ、アノードへの水素ガスの再供給を停止して、ステップS107に進む。
一方、ステップS105における判定結果が「NO」(セル電圧>所定電圧)である場合は、固体高分子電解質膜上での水素と酸素の反応がまだ続いていると判断できるので、ステップS106に進むことなく、二次遮断弁6の開状態を継続してステップS107に進む。
【0025】
ステップS107においては、発電停止後所定時間が経過したか否かを判定する。ステップS107における判定結果が「NO」(所定時間経過前)である場合は、ステップS108に進んでECU10を作動状態に保持し、本ルーチンを繰り返し実行する。一方、ステップS107における判定結果が「YES」(所定時間経過)である場合は、ステップS109に進んで二次遮断弁6を閉じ、さらにステップS110に進んでECU10を停止し、本ルーチンの実行を終了する。
【0026】
このように、発電停止後に二次遮断弁6を開閉制御することによって、発電停止後に燃料電池2のアノードに水素ガスが不存在となるのを防止することができ、燃料電池システム1の停止期間中もアノードに水素ガスを存在させることが可能になるので、燃料電池システム1の停止中も燃料電池2の固体高分子電解質膜の触媒に水素を拡散・浸透させておくことができる。その結果、燃料電池システム1の再始動時に一次遮断弁4と二次遮断弁6を開いてアノードへの水素ガス供給を開始し、エアコンプレッサ8を運転してカソードへの空気供給を開始すると、車両の走行等に必要な電力を速やかに安定して発電することができるようになり、始動性が向上する。
特に、燃料電池2は低温になるほど取り出せる電力が低下するという温度特性を有しているが、前述の発電停止制御を実行することにより、氷点下における低温始動性を向上させることができる。
【0027】
また、この実施の形態では、発電停止時にアノードへの水素ガスの再供給を行っているときにも、一次遮断弁4を閉じているので、発電停止後の高圧水素タンク3の遮断状態を確実に保持することができる。
【0028】
ところで、発電停止してからある時間tが経過するまでに固体高分子電解質膜上で酸素との反応により消費される水素の量は予め実験等により予測可能である。したがって、時間tを所定に設定すると、この所定時間が経過するまではアノードへの水素ガスの再供給を行わなくても、固体高分子電解質膜の触媒に水素が拡散・浸透した状態を保持することができ、前記所定時間経過後にアノードへの水素ガスの再供給を開始すれば足りることとなる。
そこで、前述した実施の形態ではアノード入口圧が所定圧力以下になったときに二次遮断弁6を開いてアノードへの水素ガスの再供給を開始するようにしているが、これに代えて、発電停止してから所定時間が経過したときに二次遮断弁6を開いてアノードへの水素ガスの再供給を開始するようにすることも可能である。この場合も、水素ガスの再供給量を必要最小限に抑えることができ、燃料電池自動車の燃費が向上する。
また、このようにする場合には、図2に示す発電停止制御ルーチンにおけるステップS103において、発電停止後所定時間が経過したか否かを判定するようにすればよい。
【0029】
また、前述した実施の形態では、圧力センサ11でアノード入口圧を検出し、アノード入口圧の大きさに基づいて二次遮断弁6の開閉を制御して、アノードへの水素ガスの再供給を制御しているが、図3に示すように、二次遮断弁6とエゼクタ7との間の水素供給通路21に、大気圧とアノード入口圧との差圧に応じて開閉するバルブ15を設置すると、アノードへの水素ガスの再供給開始および停止を機械的に制御することができる。このようにすると、発電停止後の電気的な制御がなくなるので、消費電力を低減することができる。ただし、この場合、発電停止後は二次遮断弁6が閉じた状態に保持されるので、二次遮断弁6とバルブ15との間の水素供給通路21内に残留する水素ガスをバルブ15の下流に供給することとなるため、発電停止後にアノードに再供給される水素ガス量を考慮して、二次遮断弁6とバルブ15との間の水素供給通路21の内容積を設定する必要がある。
【0030】
〔他の実施の形態〕
なお、この発明は前述した実施の形態に限られるものではない。
例えば、前述した実施の形態は、燃料電池システムが一次遮断弁4と二次遮断弁6を備え、二次遮断弁6の開閉で発電停止時の水素ガスの再供給を制御しているが、この発明は、二次遮断弁6がなく一次遮断弁4だけを備える燃料電池システムにも適用可能であり、その場合には一次遮断弁4の開閉により発電停止時の水素ガスの再供給を制御する。
【0031】
【発明の効果】
以上説明するように、請求項1に係る発明によれば、発電停止後に燃料電池のアノードに燃料が不存在となるのを防止することができ、燃料電池システムの停止期間中もアノードに燃料を存在させることが可能になるので、燃料電池システムの停止中も燃料電池の固体高分子電解質膜の触媒に水素を拡散・浸透させておくことができ、燃料電池システムの再始動時に燃料をアノードに供給した後速やかに必要な電力を安定して発電することができ、始動性が向上するという優れた効果が奏される。
【0032】
請求項2に係る発明によれば、発電停止後にアノードの燃料が所定に減少したときに限ってアノードに燃料を再供給することができるので、燃料の再供給量を必要最小限に抑えることができるという優れた効果が奏される。
請求項3に係る発明によれば、発電停止後所定時間が経過する前は燃料の再供給を行わないので、発電停止後の燃料の再供給量を必要最小限に抑えることができるという優れた効果が奏される。
【0033】
請求項4に係る発明によれば、発電停止後の燃料の再供給を、燃料電池の発電電圧が所定値以下になったときに終了するので、燃料の再供給量を必要最小限に抑えることができるという優れた効果が奏される。
請求項5に係る発明によれば、発電停止後の前記通路への燃料の再供給を行っているときにも前記一次遮断弁が閉じているので、発電停止後の燃料供給手段の遮断状態を確実に保持することができるという優れた効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明に係る発電停止方法の実施に好適な燃料電池システムの第1の実施の形態の構成図である。
【図2】前記第1の実施の形態における発電停止制御を示すフローチャートである。
【図3】この発明に係る発電停止方法の実施に好適な燃料電池システムの他の実施の形態の構成図である。
【符号の説明】
1 燃料電池システム
2 燃料電池
3 高圧水素タンク(燃料供給手段)
4 一次遮断弁
5 圧力調整弁(圧力調整手段)
6 二次遮断弁
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for stopping power generation of a fuel cell system.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art A fuel cell mounted on a fuel cell vehicle or the like is provided with an anode and a cathode on both sides of a solid polymer electrolyte membrane made of, for example, a solid polymer ion exchange membrane, and supplies fuel (for example, hydrogen gas) to the anode. An oxidizing agent (for example, oxygen in the air) is supplied to the gas, and the chemical energy involved in the oxidation-reduction reaction of these gases is directly extracted as electric energy. In the following description, an example in which hydrogen gas is used as fuel and oxygen in air is used as oxidant will be described.
In this fuel cell system equipped with a solid polymer electrolyte membrane fuel cell, when power generation is stopped, the compressor is stopped to stop the supply of oxygen to the fuel cell, and the hydrogen supply cutoff valve is closed to close the hydrogen supply to the fuel cell. Is generally stopped.
Also, in order to eliminate the potential difference between the electrodes after the power generation is stopped and to prevent corrosion of the separator, when the power generation is stopped, the supply of oxygen to the fuel cell is stopped and then the oxygen partial pressure of the cathode is reduced to a predetermined value. A method of stopping the supply of hydrogen after waiting is also known (for example, see Patent Document 1).
[0003]
[Patent Document 1]
US Pat. No. 6,068,942
[Problems to be solved by the invention]
However, when the power generation of the fuel cell system is stopped by the above-mentioned conventional method and left as it is, a reaction between hydrogen and oxygen locally occurs on the solid polymer electrolyte membrane of the fuel cell, and the amount of oxygen is smaller than hydrogen. When the amount is large, hydrogen on the anode side reacts with oxygen on the cathode side to become water, and hydrogen gas in the fuel cell is greatly reduced. As a result, most of the gas remaining in the fuel cell is air, and the solid polymer electrolyte membrane is left in a state where oxygen and nitrogen are mainly contained.
[0005]
However, after this state, when the fuel cell is restarted by supplying hydrogen gas to the anode again, oxygen is preferentially adsorbed on the catalyst of the solid polymer electrolyte membrane, and even if hydrogen comes, it becomes proton. Due to the difficulty in starting, the amount of power that can be generated by the fuel cell is limited immediately after the start, so that the originally required power cannot be generated, and the startability may deteriorate.
Therefore, the present invention provides a method for stopping power generation of a fuel cell system, which can stably generate necessary power immediately after starting.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the invention according to claim 1 is directed to a fuel (for example, hydrogen (hydrogen gas) in an embodiment described later) supplied to an anode and an oxidant (for example, an embodiment described later) to a cathode. A fuel cell system (for example, a fuel cell according to an embodiment described later) including a solid polymer electrolyte membrane type fuel cell (for example, a fuel cell 2 according to an embodiment described later) that is supplied with oxygen in the air to generate power. The method of stopping the system 1) is characterized in that fuel is resupplied to a passage (for example, a hydrogen supply passage 21 in an embodiment described later) communicating with the anode when the fuel cell stops generating power.
With this configuration, it is possible to prevent the fuel from being absent on the anode of the fuel cell after the power generation is stopped, and to allow the fuel to be present on the anode even while the fuel cell system is stopped. As a result, hydrogen can be diffused and permeated into the catalyst of the solid polymer electrolyte membrane of the fuel cell even while the fuel cell system is stopped.
[0007]
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the re-supply of the fuel to the passage is performed when the gas pressure of the anode drops below a predetermined value.
With this configuration, the fuel can be resupplied to the anode only when the fuel at the anode has been reduced to a predetermined value after the power generation is stopped.
[0008]
According to a third aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the re-supply of the fuel to the passage is performed when a predetermined time has elapsed after the power generation was stopped.
The amount of fuel consumed until the predetermined time elapses after the power generation is stopped can be predicted in advance, and therefore, it is possible to start resupplying the fuel to the passage after the predetermined time elapses. With the configuration described above, the re-supply of fuel is not performed until a predetermined time has elapsed after the stop of power generation, so that the amount of re-supply of fuel after the stop of power generation can be minimized.
[0009]
According to a fourth aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the re-supply of the fuel to the passage ends when the power generation voltage of the fuel cell becomes equal to or lower than a predetermined value. It is characterized by doing.
While the fuel remaining in the fuel cell reacts with the oxidant after the power generation is stopped, a generated voltage exceeding the predetermined value is observed, but the oxidant in the fuel cell is consumed and the remaining amount decreases. When the reaction with the fuel in the fuel cell stops, the power generation voltage drops below the predetermined value. Therefore, when the generated voltage becomes equal to or lower than the predetermined value, it is determined that the reaction between the fuel and the oxidant in the fuel cell is almost completed, and the resupply of the fuel can be stopped. Thereby, the re-supply amount of fuel can be suppressed to a necessary minimum.
[0010]
In the invention according to claim 5, in the invention according to any one of claims 1 to 4, the fuel is supplied from fuel supply means (for example, a high-pressure hydrogen tank 3 in an embodiment described later) via the passage. The fuel is supplied to the fuel cell, and the passage is provided with a primary shutoff valve (for example, a primary shutoff valve 4 in an embodiment to be described later) and a pressure adjusting unit (for example, in an embodiment to A pressure control valve 9) and a secondary shutoff valve (for example, a secondary shutoff valve 6 in an embodiment to be described later) are provided, and re-supply of fuel to the passage is performed with the primary shutoff valve closed. Opening the secondary shut-off valve is performed.
With this configuration, the primary shut-off valve is closed even when the fuel is resupplied to the passage after the power generation is stopped. Can be held.
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of a power generation stopping method for a fuel cell system according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 3.
FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell system suitable for implementing the power generation stopping method according to the present invention. In this embodiment, a fuel cell system 1 is mounted on a fuel cell vehicle and includes a fuel cell 2 of a solid polymer electrolyte membrane type.
The fuel cell 2 is a stack formed by stacking a plurality of cells formed by sandwiching a solid polymer electrolyte membrane made of, for example, a solid polymer ion exchange membrane between an anode and a cathode from both sides. When gas is supplied and air containing oxygen as an oxidant is supplied to the cathode, hydrogen ions generated by catalysis at the anode move through the solid polymer electrolyte membrane to the cathode, where oxygen and electrochemical reactions occur at the cathode. A reaction occurs to generate power and produce water. The fuel cell 2 includes cell voltage detecting means 12 for detecting the voltage of each cell.
[0012]
The hydrogen gas stored in the high-pressure hydrogen tank (fuel supply means) 3 flows through the hydrogen supply passage 21 and is supplied to the anode of each cell of the fuel cell 2. In the hydrogen supply passage 21, a primary shutoff valve 4, a pressure adjusting valve (pressure adjusting means) 5, a secondary shutoff valve 6, and an ejector 7 are provided in this order from the side close to the high-pressure hydrogen tank 3.
The pressure adjusting valve 5 is for reducing the pressure of the hydrogen gas in the high-pressure hydrogen tank 3 to a predetermined pressure. The ejector 7 is for returning the later-described anode off-gas discharged from the anode of the fuel cell 2 to the hydrogen supply passage 21. In some cases, a pump may be used instead of the ejector 7, or a combination of the ejector 7 and the pump may be used. Further, a pressure sensor 11 for detecting a hydrogen pressure at the anode inlet (hereinafter, referred to as an anode inlet pressure) is provided in a portion of the hydrogen supply passage 21 downstream of the ejector 7 and near the anode inlet of the fuel cell 2. I have.
[0013]
Of the hydrogen gas supplied to the anode of the fuel cell 2, the hydrogen gas that has not been used for power generation, ie, unreacted hydrogen, is discharged from the fuel cell 1 as an anode off-gas and is drawn into the ejector 7 through the anode off-gas passage 22. Then, it merges with fresh hydrogen gas supplied from the high-pressure hydrogen tank 3 and is supplied again to the anode of the fuel cell 2. That is, the hydrogen gas discharged from the fuel cell 2 is returned to the hydrogen supply passage 21 downstream of the secondary shut-off valve 6 through the anode off-gas passage 22 and circulated to the fuel cell 2.
A discharge valve 24 is provided in a discharge passage 23 branched from the anode off-gas passage 22. The discharge valve 24 is normally closed, and is opened when the water or the like accumulates on the anode of the fuel cell 2 to affect the power generation state, and is used to discharge the water or the like.
[0014]
On the other hand, the air is pressurized to a predetermined pressure by the air compressor 8 and supplied to the cathode of the fuel cell 2 through the air passage 31. After the air supplied to the fuel cell 2 is used for power generation, the air is discharged from the fuel cell 2 to the cathode off-gas passage 32 as a cathode off-gas and discharged through the pressure control valve 9.
Further, the fuel cell system 1 includes a control device (ECU) 10, and outputs signals from a pressure sensor 11 and a cell voltage detecting means 12, an output signal from an ignition switch 13 of the vehicle, and an output signal from an accelerator opening sensor 14. Is input to the ECU 10. The ECU 10 controls the primary shutoff valve 4, the secondary shutoff valve 6, the air compressor 8, the pressure control valve 9, and the discharge valve 24 based on these output signals and the like.
[0015]
In the fuel cell system 1 configured as described above, when the ignition switch 13 of the vehicle is turned on, the ECU 10 opens the primary shutoff valve 4 and the secondary shutoff valve 6 to supply hydrogen gas to the anode of the fuel cell 2. At the same time, the air compressor 8 is started, the opening degree of the pressure control valve 9 is controlled to start air supply to the cathode, and the opening and closing control of the discharge valve 24 is started, so that the fuel cell 2 can generate power. I do. When the ignition switch 13 is turned off, the ECU 10 closes the primary shutoff valve 4, the secondary shutoff valve 6, the pressure control valve 9, and the discharge valve 24, stops the air compressor 8, and supplies hydrogen to the fuel cell 2. The gas supply and the air supply are stopped, thereby stopping the fuel cell system and stopping the power generation.
[0016]
However, when the fuel cell system 1 is stopped to stop power generation and left as it is, the reaction between hydrogen and oxygen locally occurs on the solid polymer electrolyte membrane of the fuel cell 2 as described above. As a result, the amount of hydrogen gas on the anode side decreases, and oxygen is mainly adsorbed on the catalyst of the solid polymer electrolyte membrane. It is known that platinum, which is well-known as an electrode catalyst material, has a property of adsorbing oxygen more easily than hydrogen, and even if hydrogen gas is supplied to the anode at the time of restarting the fuel cell, the catalyst can remove oxygen. When it is in an adsorbed state, it is difficult to generate hydrogen ions (protons), the amount of power that can be generated is limited, and the startability deteriorates.
[0017]
Therefore, in the fuel cell system 1, when the ignition switch 13 is turned off, the hydrogen gas supply and the air supply to the fuel cell 2 are temporarily stopped by the same operation as described above to stop the power generation. When the hydrogen at the anode of the fuel cell 2 has been consumed and the amount of hydrogen in the fuel cell 2 has decreased, hydrogen gas is resupplied to the anode so that the catalyst of the solid polymer electrolyte membrane can be constantly used even after power generation is stopped. Hydrogen is made to diffuse and permeate, thereby improving the startability when the fuel cell system 1 is restarted, and enabling the fuel cell 2 to generate necessary power immediately after the start. .
In this embodiment, when the anode inlet pressure falls below a predetermined pressure (for example, atmospheric pressure), it is determined that the hydrogen gas in the fuel cell 2 has decreased, and the hydrogen gas is resupplied to the anode. I did it. By doing so, the hydrogen gas can be resupplied to the anode only when the hydrogen gas at the anode has decreased to a predetermined value after the power generation is stopped, so that the resupply amount of the hydrogen gas can be minimized. Further, the hydrogen pressure of the anode can be maintained so as not to drop below the predetermined pressure.
[0018]
Further, when the hydrogen gas is resupplied to the anode when the power generation is stopped, the primary shutoff valve 4 is kept closed and only the secondary shutoff valve 6 is opened, so that the primary shutoff valve 4 and the secondary shutoff valve 6 are closed. The hydrogen gas remaining in the hydrogen supply passage 21 is supplied to the hydrogen supply passage 21 downstream of the secondary shut-off valve 6, that is, a passage communicating with the anode. In this case, since the amount of hydrogen gas to be resupplied to the anode after power generation is stopped can be predicted in advance by experiments or the like, the primary shutoff valve 4 and the secondary shutoff valve 6 are supplied so that the amount of hydrogen gas can be supplied. Beforehand, the internal volume of the hydrogen supply passage 21 is set in advance.
[0019]
Further, in this embodiment, the re-supply of hydrogen gas to the anode when power generation is stopped is performed when the cell voltage of the fuel cell 2 drops below a predetermined voltage or when a predetermined time has elapsed after power generation is stopped. , To end. This is for the following reason.
While the hydrogen and oxygen remaining in the fuel cell 2 react on the solid polymer electrolyte membrane after the stop of power generation, a cell voltage exceeding the predetermined voltage is generated. On the other hand, when the oxygen in the fuel cell 2 is consumed and its remaining amount decreases, and the reaction with hydrogen stops, the cell voltage decreases to the predetermined voltage or less. Therefore, when the cell voltage becomes equal to or lower than the predetermined voltage, it is determined that the reaction between hydrogen and oxygen in the fuel cell 2 is almost completed, and the resupply of hydrogen gas can be stopped. As a result, the re-supply amount of the hydrogen gas can be suppressed to a necessary minimum, and the fuel efficiency of the fuel cell vehicle is improved.
[0020]
When the air compressor 8 is stopped and the circulation of air is stopped, the cathode side of the fuel cell 2 is in a state close to a closed space, and the fuel cell 2 is newly placed on the cathode side unless air circulation is performed. Oxygen is rarely supplied. Therefore, if hydrogen gas is always present on the anode side after stopping the air compressor 8 and stopping power generation, oxygen on the cathode side is consumed for reaction with hydrogen on the solid polymer electrolyte membrane. Then, the oxygen gradually decreases, and finally, oxygen is scarcely present on the cathode side, and nitrogen is mainly contained.
[0021]
Further, monitoring the anode inlet pressure with the pressure sensor 11 until the fuel cell system 1 is restarted consumes useless electric power. The resupply of gas is terminated.
[0022]
Next, power generation stop control of the fuel cell system 1 in this embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG. The power generation stop control routine shown in the flowchart of FIG. 2 is executed by the ECU 10 at regular intervals until the ECU 10 is stopped.
First, when the ignition switch 13 is turned off in step S101, the process proceeds to step S102, where the air compressor 8 is stopped, and the primary shutoff valve 4, the secondary shutoff valve 6, the pressure control valve 9, and the discharge valve 24 are closed. Thereby, the supply of hydrogen gas and the supply of air to the fuel cell 2 are stopped, and the power generation of the fuel cell 2 is stopped.
[0023]
Next, the process proceeds to step S103, where it is determined whether or not the anode inlet pressure detected by the pressure sensor 11 is equal to or lower than a predetermined pressure. If the determination result is “YES” (anode inlet pressure ≦ predetermined pressure), the anode Since it can be determined that the hydrogen gas has decreased, the process proceeds to step S104 and opens the secondary shut-off valve 6, so that the hydrogen gas is held in the hydrogen supply passage 21 between the primary shut-off valve 4 and the secondary shut-off valve 6. Hydrogen is supplied to the anode inlet of the fuel cell 2 via the ejector 7. On the other hand, if the result of the determination in step S103 is “NO” (anode inlet pressure> predetermined pressure), it can be determined that hydrogen gas is sufficiently remaining on the anode, and therefore, the process does not proceed to step S104, that is, the secondary The process proceeds to step S107 without opening the shutoff valve 6.
[0024]
Then, the process proceeds from step S104 to step S105, and it is determined whether or not the cell voltage detected by the cell voltage detecting means 12 is equal to or lower than a predetermined voltage. If the determination result in step S105 is “YES” (cell voltage ≦ predetermined voltage), it can be determined that the reaction between hydrogen and oxygen on the solid polymer electrolyte membrane in the fuel cell 2 has ceased, and the process proceeds to step S106. The secondary shutoff valve 6 is closed to stop re-supply of hydrogen gas to the anode, and the process proceeds to step S107.
On the other hand, if the result of the determination in step S105 is “NO” (cell voltage> predetermined voltage), it can be determined that the reaction between hydrogen and oxygen on the solid polymer electrolyte membrane is still continuing, and the process proceeds to step S106. Without continuing, the open state of the secondary shutoff valve 6 is continued, and the process proceeds to step S107.
[0025]
In step S107, it is determined whether a predetermined time has elapsed after the power generation was stopped. If the result of the determination in step S107 is "NO" (before the predetermined time has elapsed), the process proceeds to step S108, where the ECU 10 is maintained in the operating state, and this routine is repeatedly executed. On the other hand, if the result of the determination in step S107 is "YES" (the predetermined time has elapsed), the flow proceeds to step S109 to close the secondary shutoff valve 6, further proceeds to step S110 to stop the ECU 10, and executes this routine. finish.
[0026]
As described above, by controlling the opening and closing of the secondary shut-off valve 6 after the stop of the power generation, it is possible to prevent the absence of hydrogen gas at the anode of the fuel cell 2 after the stop of the power generation. Since hydrogen gas can be made to exist in the anode even during the operation, hydrogen can be diffused and permeated into the catalyst of the solid polymer electrolyte membrane of the fuel cell 2 even when the fuel cell system 1 is stopped. As a result, when the fuel cell system 1 is restarted, the primary shutoff valve 4 and the secondary shutoff valve 6 are opened to start supplying hydrogen gas to the anode, and operating the air compressor 8 to start supplying air to the cathode. Electric power required for running the vehicle can be quickly and stably generated, and startability is improved.
In particular, the fuel cell 2 has a temperature characteristic in which the power that can be taken out decreases as the temperature decreases, but by performing the above-described power generation stop control, it is possible to improve the low-temperature startability below the freezing point.
[0027]
Further, in this embodiment, the primary shut-off valve 4 is closed even when the hydrogen gas is being resupplied to the anode when the power generation is stopped, so that the shut-off state of the high-pressure hydrogen tank 3 after the power generation is stopped is ensured. Can be held.
[0028]
Incidentally, the amount of hydrogen consumed by the reaction with oxygen on the solid polymer electrolyte membrane until a certain time t elapses after the power generation is stopped can be predicted in advance by experiments or the like. Therefore, when the time t is set to a predetermined value, the state in which hydrogen diffuses and permeates the catalyst of the solid polymer electrolyte membrane is maintained without re-supplying the hydrogen gas to the anode until the predetermined time elapses. It is sufficient if the re-supply of hydrogen gas to the anode is started after the predetermined time has elapsed.
Thus, in the above-described embodiment, when the anode inlet pressure becomes equal to or lower than the predetermined pressure, the secondary shut-off valve 6 is opened to start re-supply of the hydrogen gas to the anode, but instead, It is also possible to open the secondary shut-off valve 6 and start re-supply of hydrogen gas to the anode when a predetermined time has elapsed after the power generation was stopped. Also in this case, the re-supply amount of hydrogen gas can be suppressed to a necessary minimum, and the fuel efficiency of the fuel cell vehicle is improved.
In this case, in step S103 in the power generation stop control routine shown in FIG. 2, it may be determined whether a predetermined time has elapsed after the power generation was stopped.
[0029]
Further, in the above-described embodiment, the pressure sensor 11 detects the anode inlet pressure, and controls the opening and closing of the secondary shut-off valve 6 based on the magnitude of the anode inlet pressure to resupply the hydrogen gas to the anode. As shown in FIG. 3, a valve 15 that opens and closes according to the pressure difference between the atmospheric pressure and the anode inlet pressure is installed in the hydrogen supply passage 21 between the secondary shut-off valve 6 and the ejector 7 as shown in FIG. Then, the start and stop of resupply of hydrogen gas to the anode can be mechanically controlled. This eliminates the need for electrical control after power generation is stopped, so that power consumption can be reduced. However, in this case, after the power generation is stopped, the secondary shut-off valve 6 is maintained in a closed state, so that the hydrogen gas remaining in the hydrogen supply passage 21 between the secondary shut-off valve 6 and the valve 15 is Since the gas is supplied downstream, the internal volume of the hydrogen supply passage 21 between the secondary shut-off valve 6 and the valve 15 needs to be set in consideration of the amount of hydrogen gas resupplied to the anode after power generation is stopped. is there.
[0030]
[Other embodiments]
Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment.
For example, in the above-described embodiment, the fuel cell system includes the primary shut-off valve 4 and the secondary shut-off valve 6, and controls the re-supply of hydrogen gas when power generation is stopped by opening and closing the secondary shut-off valve 6. The present invention is also applicable to a fuel cell system having only the primary shut-off valve 4 without the secondary shut-off valve 6, in which case the opening and closing of the primary shut-off valve 4 controls the resupply of hydrogen gas when power generation is stopped. I do.
[0031]
【The invention's effect】
As described above, according to the first aspect of the present invention, it is possible to prevent the fuel from being absent on the anode of the fuel cell after the power generation is stopped, and to supply the fuel to the anode even while the fuel cell system is stopped. This allows hydrogen to diffuse and permeate the catalyst of the solid polymer electrolyte membrane of the fuel cell even when the fuel cell system is stopped, and allows the fuel to reach the anode when the fuel cell system is restarted. The required electric power can be generated stably immediately after the supply, and an excellent effect that the startability is improved is exhibited.
[0032]
According to the second aspect of the invention, the fuel can be resupplied to the anode only when the fuel at the anode is reduced to a predetermined level after the power generation is stopped. Therefore, the resupply amount of the fuel can be minimized. The excellent effect that it can be performed is exhibited.
According to the third aspect of the present invention, the fuel is not resupplied until a predetermined time has elapsed after the power generation is stopped, so that the amount of fuel resupplied after the power generation is stopped can be minimized. The effect is achieved.
[0033]
According to the fourth aspect of the invention, the re-supply of the fuel after the power generation is stopped is terminated when the power generation voltage of the fuel cell becomes equal to or lower than the predetermined value. The excellent effect that it can do is produced.
According to the fifth aspect of the present invention, the primary shutoff valve is closed even when the fuel is being resupplied to the passage after the power generation is stopped. An excellent effect of being able to hold securely is achieved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a first embodiment of a fuel cell system suitable for implementing a power generation stopping method according to the present invention.
FIG. 2 is a flowchart illustrating power generation stop control according to the first embodiment.
FIG. 3 is a configuration diagram of another embodiment of a fuel cell system suitable for implementing the power generation stopping method according to the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell system 2 Fuel cell 3 High-pressure hydrogen tank (fuel supply means)
4 Primary shut-off valve 5 Pressure adjusting valve (pressure adjusting means)
6 Secondary shutoff valve

Claims (5)

アノードに燃料を供給されカソードに酸化剤を供給されて発電する固体高分子電解質膜型の燃料電池を備えた燃料電池システムを停止する方法において、
前記燃料電池の発電停止時に前記アノードに連通する通路へ燃料を再供給することを特徴とする燃料電池システムの発電停止方法。
A method for stopping a fuel cell system including a solid polymer electrolyte membrane type fuel cell that supplies fuel to an anode and supplies an oxidant to a cathode to generate power,
A method of stopping power generation of a fuel cell system, comprising re-supplying fuel to a passage communicating with the anode when power generation of the fuel cell is stopped.
前記通路への燃料の再供給は、前記アノードのガス圧力が所定値以下に低下したときに行うことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システムの発電停止方法。2. The method according to claim 1, wherein the re-supply of the fuel to the passage is performed when a gas pressure of the anode drops below a predetermined value. 前記通路への燃料の再供給は、発電停止後所定時間が経過したときに行うことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システムの発電停止方法。2. The method according to claim 1, wherein the re-supply of the fuel to the passage is performed when a predetermined time has elapsed after the stop of the power generation. 前記通路への燃料の再供給は、前記燃料電池の発電電圧が所定値以下になったときに終了することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載の燃料電池システムの発電停止方法。The power supply of the fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein the re-supply of the fuel to the passage ends when the power generation voltage of the fuel cell becomes equal to or lower than a predetermined value. How to stop. 前記燃料は燃料供給手段から前記通路を介して前記燃料電池に供給され、前記通路には前記燃料供給手段に近い側から順に一次遮断弁、圧力調整手段、二次遮断弁が設けられており、前記通路への燃料の再供給は、前記一次遮断弁を閉じた状態で前記二次遮断弁を開いて行うことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれかに記載の燃料電池システムの発電停止方法。The fuel is supplied from the fuel supply unit to the fuel cell via the passage, and the passage is provided with a primary shutoff valve, a pressure adjusting unit, and a secondary shutoff valve in order from a side closer to the fuel supply unit, 5. The fuel cell system according to claim 1, wherein the re-supply of the fuel to the passage is performed by opening the secondary shut-off valve with the primary shut-off valve closed. 6. How to stop power generation.
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