JP2009135021A - Fuel cell system and control method of fuel cell system - Google Patents
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Abstract
【課題】膜・電極接合体の劣化を抑制しつつ燃料電池セルに付着した生成水を排除する燃料電池システム、及び燃料電池システムの制御方法を提供することを課題とする。
【解決手段】燃料電池システム1であって、電解質膜21を触媒電極22,23で挟持した膜・電極接合体24を有する燃料電池セル27と、膜・電極接合体27において生成される生成水を電気分解するのに必要な所定第一電圧以上の印加電圧を燃料電池セル27に印加する電圧印加手段8,15,17と、燃料電池セル27の開回路電圧が、燃料電池セル27に電圧を印加した場合に膜・電極接合体24が劣化し始める所定第二電圧から前記所定第一電圧を減算した電圧未満の時に、電圧印加手段8,15,17を制御して燃料電池セル27に電圧を印加する制御手段3と、を備える。
【選択図】図3An object of the present invention is to provide a fuel cell system that eliminates generated water adhering to a fuel cell while suppressing deterioration of the membrane-electrode assembly, and a control method for the fuel cell system.
A fuel cell system includes a fuel cell having a membrane / electrode assembly having an electrolyte membrane sandwiched between catalyst electrodes, and water generated in the membrane / electrode assembly. The voltage application means 8, 15, 17 for applying an applied voltage equal to or higher than a predetermined first voltage required for electrolyzing the fuel cell 27, and the open circuit voltage of the fuel cell 27 to the fuel cell 27 When the voltage is lower than the voltage obtained by subtracting the predetermined first voltage from the predetermined second voltage at which the membrane / electrode assembly 24 starts to deteriorate when the voltage is applied, the voltage applying means 8, 15, 17 are controlled to the fuel cell 27. And a control means 3 for applying a voltage.
[Selection] Figure 3
Description
本発明は、燃料電池システム、及び燃料電池システムの制御方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell system and a control method for the fuel cell system.
燃料電池は、燃料ガスである水素と酸化剤ガスである酸素とを電気化学反応させて発電を行う。水素と酸素との電気化学反応は、膜・電極接合体やガス拡散層を担持した燃料電池セルで行われる。 The fuel cell performs power generation by causing an electrochemical reaction between hydrogen as a fuel gas and oxygen as an oxidant gas. The electrochemical reaction between hydrogen and oxygen is performed in a fuel cell carrying a membrane / electrode assembly or a gas diffusion layer.
燃料電池セルには、水素と酸素とを電気化学反応させた際に生成される生成水が付着する。燃料電池セルに多量の生成水が付着したまま凍結すると、凍結した生成水がガスの拡散を阻害して燃料電池の始動を困難にしたり、凍結した生成水が燃料電池セルを破壊したりする。そこで、燃料電池セルに付着している生成水が凍る前に、この生成水の量を減らす技術が研究されている。 The water produced by the electrochemical reaction between hydrogen and oxygen adheres to the fuel cell. When the fuel cell is frozen with a large amount of produced water attached, the frozen produced water inhibits gas diffusion and makes it difficult to start the fuel cell, or the frozen produced water destroys the fuel cell. Therefore, a technique for reducing the amount of generated water before the generated water adhering to the fuel cell freezes has been studied.
特許文献1〜3には、燃料電池の停止処理時、燃料電池セルに電圧を印加して膜・電極接合体やガス拡散層に存在する水分を水素と酸素とに電気分解し、水分を除去する技術が記載されている。また、特許文献4には、燃料電池スタックが低温になると電気抵抗を接続し、低温始動時の開回路電圧を下げて各電装回路の耐電圧性能を低くする技術が記載されている。
燃料電池セルに付着した生成水を水素と酸素とに電気分解する場合、1.23V〜1.40V程度の電位差を与える必要がある。ところが、停止直後の燃料電池は、カソード電極側に酸素が、アノード電極側に水素がそれぞれ滞留している。このため、停止直後の燃料電池のカソード電極とアノード電極との間には、水素と酸素の電気化学反応によって1.0V程度の電位差が生じている。このため、燃料電池セルに付着した生成水を電気分解するには、カソード電極とアノード電極との間に、生成水を電気分解するための電位差と水素と酸素の電気化学反応によって発生する電位差とを合算した2.23V〜2.40V程度の電位差を与える必要がある。 When electrolyzing the produced water adhering to the fuel cell into hydrogen and oxygen, it is necessary to give a potential difference of about 1.23V to 1.40V. However, in the fuel cell immediately after stopping, oxygen stays on the cathode electrode side and hydrogen stays on the anode electrode side. For this reason, a potential difference of about 1.0 V is generated between the cathode electrode and the anode electrode of the fuel cell immediately after stopping due to an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. For this reason, in order to electrolyze the produced water adhering to the fuel cell, a potential difference for electrolyzing the produced water between the cathode electrode and the anode electrode and a potential difference generated by an electrochemical reaction of hydrogen and oxygen It is necessary to give a potential difference of about 2.23V to 2.40V, which is the sum of.
膜・電極接合体の触媒層は、通常、白金を担持したカーボンで構成されている。ここで、燃料電池セルに1.40V以上の電圧を印加すると、触媒層から白金が溶出したり、触媒層のカーボンが腐食して二酸化炭素を排出したりする。 The catalyst layer of the membrane / electrode assembly is usually composed of carbon carrying platinum. Here, when a voltage of 1.40 V or more is applied to the fuel cell, platinum is eluted from the catalyst layer, or carbon in the catalyst layer is corroded to discharge carbon dioxide.
本発明は、上記した問題に鑑み、膜・電極接合体の劣化を抑制しつつ燃料電池セルに付着した生成水を排除する燃料電池システム、及び燃料電池システムの制御方法を提供することを課題とする。 In view of the above problems, the present invention has an object to provide a fuel cell system that eliminates generated water adhering to a fuel cell while suppressing deterioration of the membrane-electrode assembly, and a control method for the fuel cell system. To do.
本発明は、上記の課題を解決するため、開回路電圧が低い時に生成水の電気分解を行う。 In order to solve the above problems, the present invention performs electrolysis of generated water when the open circuit voltage is low.
詳細には、燃料電池システムであって、電解質膜を触媒電極で挟持した膜・電極接合体を有する燃料電池セルと、前記膜・電極接合体において生成される生成水を電気分解するのに必要な所定第一電圧以上の印加電圧を前記燃料電池セルに印加する電圧印加手段と、前記燃料電池セルの開回路電圧が、該燃料電池セルに電圧を印加した場合に前記膜・電極接合体が劣化し始める所定第二電圧から前記所定第一電圧を減算した電圧未満の時に、前記電圧印加手段を制御して該燃料電池セルに電圧を印加する制御手段と、を備える。 Specifically, in a fuel cell system, it is necessary to electrolyze a fuel cell having a membrane / electrode assembly in which an electrolyte membrane is sandwiched between catalyst electrodes and water generated in the membrane / electrode assembly. A voltage applying means for applying an applied voltage equal to or higher than a predetermined first voltage to the fuel battery cell, and when the open circuit voltage of the fuel battery cell is applied to the fuel battery cell, the membrane-electrode assembly is Control means for controlling the voltage applying means to apply a voltage to the fuel cell when the voltage is less than a voltage obtained by subtracting the predetermined first voltage from a predetermined second voltage that starts to deteriorate.
上記燃料電池システムは、膜・電極接合体の反応面に水素と酸素とを供給することで電気化学反応を起こし、発電を行う。燃料電池セルには、電気化学反応の際に生じる生成水が付着する。本発明に係る燃料電池システムは、付着した生成水を水素と酸素とに電気分解して除去することを前提としている。 In the fuel cell system, hydrogen and oxygen are supplied to the reaction surface of the membrane / electrode assembly to cause an electrochemical reaction to generate electric power. The water produced during the electrochemical reaction adheres to the fuel cell. The fuel cell system according to the present invention is premised on electrolyzing and removing adhering product water into hydrogen and oxygen.
生成水を水素と酸素とに電気分解するには、生成水に電圧を印加する必要がある。燃料電池セルに付着した生成水を電気分解するのに必要な電圧を、本願では、所定第一電圧という。この所定第一電圧は、水の性質や燃料電池セルの構造によって理論的に予め定まる電圧である。また、燃料電池セルに印加することが可能な電圧には、上限がある。印加電圧が高すぎると、燃料電池セルの膜・電極接合体を構成する電解質膜や触媒電極等が劣化するからである。燃料電池セルの膜・電極接合体が劣化し始める印加電圧を、本願では、所定第二電圧という。 In order to electrolyze the produced water into hydrogen and oxygen, it is necessary to apply a voltage to the produced water. In the present application, the voltage required to electrolyze the produced water adhering to the fuel battery cell is referred to as a predetermined first voltage. This predetermined first voltage is a voltage theoretically determined in advance by the properties of water and the structure of the fuel cell. Moreover, there is an upper limit in the voltage that can be applied to the fuel cell. This is because if the applied voltage is too high, the electrolyte membrane, the catalyst electrode, and the like constituting the membrane / electrode assembly of the fuel battery cell deteriorate. The applied voltage at which the membrane / electrode assembly of the fuel cell starts to deteriorate is referred to as a predetermined second voltage in the present application.
停止直後の燃料電池システムは、膜・電極接合体の反応面に水素と酸素とが残存しているため、燃料電池セルの両極間に電位差が生じている。無負荷状態にある燃料電池セルの両極に発生しているこの電位差を、以下、開回路電圧という。両極間に電位差が生じた状態にある燃料電池セルに付着している生成水を電気分解するには、少なくとも所定第一電圧と開回路電圧とを足し合わせた電位差の印加電圧を与える必要がある。両極間に電位差が既に生じているため、所定第一電圧を加えても電気分解に必要な電位差が生成水に加わらないためである。ここで、燃料電池セルに付着している生成水を電気分解するにあたり、燃料電池セルの開回路電圧が高いと、生成水を電気分解するのに必要な印加電圧が所定第二電圧を必然的に超えてしまう。 In the fuel cell system immediately after the stop, hydrogen and oxygen remain on the reaction surface of the membrane-electrode assembly, so that a potential difference is generated between both electrodes of the fuel cell. Hereinafter, this potential difference generated at both electrodes of the fuel cell in the no-load state is referred to as an open circuit voltage. In order to electrolyze the generated water adhering to the fuel cell in a state where a potential difference is generated between the two electrodes, it is necessary to apply an applied voltage of a potential difference obtained by adding at least the predetermined first voltage and the open circuit voltage. . This is because a potential difference has already occurred between the two electrodes, so that a potential difference necessary for electrolysis is not added to the generated water even when a predetermined first voltage is applied. Here, in electrolyzing the produced water adhering to the fuel cell, if the open circuit voltage of the fuel cell is high, the applied voltage necessary for electrolyzing the produced water inevitably has a predetermined second voltage. It will exceed.
そこで、本発明に係る燃料電池システムは、開回路電圧が所定第二電圧から所定第一電圧を減算した電圧未満の時に燃料電池セルに電圧が印加されるように、制御手段が電圧印加手段を制御する。これにより、燃料電池セルに付着した生成水を電気分解する際、膜・電極接合体の劣化を抑制しながら燃料電池セルに付着した生成水を排除することが可能となる。 Therefore, in the fuel cell system according to the present invention, the control means includes the voltage application means so that the voltage is applied to the fuel cell when the open circuit voltage is less than the voltage obtained by subtracting the predetermined first voltage from the predetermined second voltage. Control. Thereby, when electrolyzing the produced water adhering to the fuel cell, it is possible to eliminate the produced water adhering to the fuel cell while suppressing deterioration of the membrane-electrode assembly.
なお、燃料電池セルの開回路電圧は、時間の経過とともに水素と酸素とが電解質膜を介してクロスリークするため、徐々に低下する。よって、制御手段は、開回路電圧が所定第二電圧から所定第一電圧を減算した電圧以上の場合、開回路電圧が低下するまで電圧の印加を待つという制御を行うこととなる。 Note that the open circuit voltage of the fuel cell gradually decreases with time because hydrogen and oxygen cross-leak through the electrolyte membrane. Therefore, when the open circuit voltage is equal to or higher than the voltage obtained by subtracting the predetermined first voltage from the predetermined second voltage, the control means performs control to wait for application of the voltage until the open circuit voltage decreases.
ここで、前記制御手段は、前記印加電圧が前記所定第二電圧以上になる前に前記電圧印加手段による前記燃料電池セルへの電圧の印加を停止してもよい。 Here, the control means may stop application of the voltage to the fuel cell by the voltage application means before the applied voltage becomes equal to or higher than the predetermined second voltage.
燃料電池セルに電圧を印加すると、生成水の電気分解によって水素と酸素とがカソード電極側とアノード電極側とにそれぞれ発生する。燃料電池セルの両極に水素と酸素とが生成されると、燃料電池セルの開回路電圧が高くなる。燃料電池セルの開回路電圧が高くなると、生成水を電気分解するのに必要な電圧が高くなるため、電圧印加手段が印加する電圧を高める必要がある。しかしながら、前述したように、燃料電池セルに印加する電圧を高めすぎると、膜・電極接合体等が劣化する。そこで、電圧印加手段が所定第二電圧以上
の電圧を燃料電池セルに印加しないように、制御手段が電圧印加手段を制御する。これによれば、燃料電池セルの膜・電極接合体をほとんど劣化させることなく、燃料電池セルに付着した生成水を排除することが可能となる。
When a voltage is applied to the fuel cell, hydrogen and oxygen are generated on the cathode electrode side and the anode electrode side by electrolysis of the produced water. When hydrogen and oxygen are generated at both electrodes of the fuel cell, the open circuit voltage of the fuel cell increases. When the open circuit voltage of the fuel cell increases, the voltage required to electrolyze the generated water increases, so the voltage applied by the voltage applying means needs to be increased. However, as described above, if the voltage applied to the fuel cell is too high, the membrane / electrode assembly and the like deteriorate. Therefore, the control means controls the voltage application means so that the voltage application means does not apply a voltage equal to or higher than the predetermined second voltage to the fuel cell. According to this, it becomes possible to eliminate the produced water adhering to the fuel cell without substantially deteriorating the membrane / electrode assembly of the fuel cell.
ここで、前記燃料電池システムは、前記燃料電池セルの電流を検出する電流検出手段を更に備え、前記制御手段は、前記電流検出手段によって検出される前記燃料電池セルの電流が、該燃料電池セルへの電圧の印加を停止すべき所定電流状態になると、前記電圧印加手段による該燃料電池セルへの電圧の印加を停止してもよい。 Here, the fuel cell system further includes a current detection unit that detects a current of the fuel cell, and the control unit detects that the current of the fuel cell detected by the current detection unit is the fuel cell. When a predetermined current state in which the application of the voltage to the battery is to be stopped, the application of the voltage to the fuel cell by the voltage applying means may be stopped.
燃料電池セルの開回路電圧は、水素と酸素とのクロスリークによって徐々に低下することは前述した通りである。また、燃料電池セルに付着した生成水を電気分解すると、両電極に水素と酸素とが発生し、開回路電圧が高まることは前述した通りである。そこで、開回路電圧が低下したら電気分解を開始し、開回路電圧が高くなったら電気分解を停止する、という制御を施す。これにより、燃料電池セルに膜・電極接合体を劣化させるような電圧を印加することなく、燃料電池セルに付着した生成水を排除することが可能となる。 As described above, the open circuit voltage of the fuel cell gradually decreases due to the cross leak between hydrogen and oxygen. Further, as described above, when the produced water adhering to the fuel cell is electrolyzed, hydrogen and oxygen are generated at both electrodes, and the open circuit voltage is increased. Therefore, control is performed such that electrolysis is started when the open circuit voltage decreases, and electrolysis is stopped when the open circuit voltage becomes high. Thereby, it becomes possible to eliminate the generated water adhering to the fuel cell without applying a voltage that deteriorates the membrane-electrode assembly to the fuel cell.
ここで、前記燃料電池システムは、前記燃料電池セルの電流を検出する電流検出手段を更に備え、前記制御手段は、前記電流検出手段によって検出される前記燃料電池セルの電流が、該燃料電池セルへの電圧の印加を停止すべき所定電流状態になると、該燃料電池セルへの電圧の印加を停止するように前記電圧印加手段を制御するようにしてもよい。 Here, the fuel cell system further includes a current detection unit that detects a current of the fuel cell, and the control unit detects that the current of the fuel cell detected by the current detection unit is the fuel cell. The voltage application unit may be controlled so as to stop the application of the voltage to the fuel cell when a predetermined current state in which the application of the voltage to the battery is to be stopped is reached.
電気分解の際に燃料電池セルを流れる電流は、燃料電池セルに付着している生成水の量によって変動する。燃料電池セルの両極間の電気抵抗が生成水の量によって変動するためである。例えば、燃料電池セルに付着している生成水の量が多ければ燃料電池セルの両極間の電気抵抗は小さくなるし、燃料電池セルに付着している生成水の量が少なければ燃料電池セルの両極間の電気抵抗は大きくなる。そこで、燃料電池セルに電圧を印加している時の電流を測定し、この電流が所定電流状態となったら燃料電池セルへの電圧の印加を停止する。これにより、例えば、燃料電池セルに付着していた生成水が十分に排除され次第、燃料電池セルへの電圧の印加を停止することが可能になる。ここで、所定電流状態とは、電流検出手段によって検出される燃料電池セルの電流の状態であり、例えば、電圧の印加を停止すべき状態にある燃料電池セルの電流の状態である。 The current flowing through the fuel cell during electrolysis varies depending on the amount of produced water adhering to the fuel cell. This is because the electric resistance between both electrodes of the fuel cell varies depending on the amount of generated water. For example, if the amount of produced water adhering to the fuel battery cell is large, the electrical resistance between both electrodes of the fuel battery cell becomes small, and if the amount of produced water adhering to the fuel battery cell is small, the fuel cell The electrical resistance between the two poles increases. Therefore, the current when a voltage is applied to the fuel cell is measured, and when the current reaches a predetermined current state, the application of the voltage to the fuel cell is stopped. Thereby, for example, as soon as the generated water adhering to the fuel cell is sufficiently removed, it becomes possible to stop the application of voltage to the fuel cell. Here, the predetermined current state is a current state of the fuel battery cell detected by the current detection means, for example, a current state of the fuel battery cell in a state where the application of voltage should be stopped.
ここで、前記所定電流状態は、前記燃料電池セルの電流が略一定となった後に再び変化し始めた状態であってもよい。 Here, the predetermined current state may be a state in which the current of the fuel battery cell starts to change again after becoming substantially constant.
生成水を電気分解している時の燃料電池セルの電流は、生成水の量が何らかの原因で急激に変動したり、或いは膜・電極接合体が急激に劣化したりしない限り、比較的安定した略一定状態を保つ。これに対し、例えば、付着していた生成水の電気分解が完了すると燃料電池セルの両極間の電気抵抗が増加して電流が急激に減少するし、膜・電極接合体を構成するカーボンが腐食したり白金が溶出したりすると燃料電池セルの両極間の電気抵抗が減少して電流が急激に増加する。 The current of the fuel cell when electrolyzing the generated water is relatively stable unless the amount of generated water fluctuates suddenly for some reason or the membrane / electrode assembly deteriorates rapidly. Keep almost constant. On the other hand, for example, when the electrolysis of the produced water that has adhered is completed, the electrical resistance between the two electrodes of the fuel cell increases and the current decreases rapidly, and the carbon constituting the membrane / electrode assembly corrodes. If platinum or platinum is eluted, the electric resistance between both electrodes of the fuel cell decreases and the current increases rapidly.
そこで、電圧を印加した状態にある燃料電池セルの電流を測定し、この電流が略一定の状態から変化し始めた時に、燃料電池セルに付着していた生成水の排除が完了した、或いは膜・電極接合体が劣化し始めたと判断し、電圧の印加を停止するように制御する。これにより、燃料電池セルに付着している生成水を過剰に排除したり、印加電圧によって膜・電極接合体の劣化を促進したりすることを無くすことが可能となる。 Accordingly, the current of the fuel cell in a state where a voltage is applied is measured, and when the current starts to change from a substantially constant state, the generated water adhering to the fuel cell is completely removed, or the membrane -Judge that the electrode assembly has started to deteriorate, and control to stop the application of voltage. As a result, it is possible to eliminate generation water adhering to the fuel cell excessively or promoting deterioration of the membrane-electrode assembly by the applied voltage.
ここで、前記所定電流状態は、前記燃料電池セルへの電圧の印加を開始してから所定時間が経過した後の該燃料電池セルの電流の変動が所定値以上の状態であってもよい。 Here, the predetermined current state may be a state in which a change in the current of the fuel cell after a predetermined time has elapsed since the start of application of a voltage to the fuel cell is equal to or greater than a predetermined value.
燃料電池セルに付着可能な生成水の量の上限値は、燃料電池セルを構成する膜・電極接合体の形状や大きさ等によってある程度の値に定まる。従って、燃料電池セルに付着している生成水を電気分解するために必要な時間の上限値も、燃料電池セルに応じてある程度の値に定まる。そこで、燃料電池セルに付着している生成水の電気分解を開始してから(換言すれば、燃料電池セルに電圧を印加してから。)所定時間が経過しても電流の変動が所定値以内にならないような場合に電気分解を停止することで、生成水を過剰に排除したり膜・電極接合体の劣化を促進したりすることを無くすことが可能となる。ここで、所定時間とは、燃料電池セルへの電圧の印加を開始してから停止するまでの時間であり、例えば、燃料電池セルに付着している生成水を電気分解するのに必要な時間と略同一の時間である。また、所定値とは、燃料電池セルを流れる電流の変動幅であり、例えば、生成水の電気分解が正常に行われている際の燃料電池セルを流れる電流変動の最大値である。 The upper limit value of the amount of generated water that can adhere to the fuel cell is determined to a certain value depending on the shape and size of the membrane / electrode assembly constituting the fuel cell. Therefore, the upper limit value of the time required for electrolyzing the produced water adhering to the fuel cell is also determined to a certain value according to the fuel cell. Therefore, even after a predetermined time has elapsed since the start of electrolysis of the produced water adhering to the fuel cell (in other words, after the voltage is applied to the fuel cell), the fluctuation of the current remains at the predetermined value. By stopping the electrolysis when it does not fall within the range, it is possible to eliminate the excessive elimination of generated water and the promotion of the deterioration of the membrane / electrode assembly. Here, the predetermined time is the time from the start of application of voltage to the fuel cell until it stops, for example, the time required to electrolyze the produced water adhering to the fuel cell. Is approximately the same time. Further, the predetermined value is a fluctuation range of the current flowing through the fuel battery cell, for example, a maximum value of a current fluctuation flowing through the fuel battery cell when the generated water is electrolyzed normally.
ここで、前記所定電流状態は、前記燃料電池セルの電流が所定電流値に達した状態であってもよい。 Here, the predetermined current state may be a state in which the current of the fuel cell reaches a predetermined current value.
膜・電極接合体を構成するカーボンが腐食したり白金が溶出したりすると燃料電池セルの両極間の電気抵抗が減少して電流が増加するのは前述した通りである。そこで、電圧を印加している燃料電池セルの電流を測定し、この電流が所定電流値に達したら燃料電池セルへの電圧の印加を停止するように制御することで、膜・電極接合体の劣化を防止することが可能となる。ここで、所定電流値とは、電圧印加手段が燃料電池セルに電圧を印加している際の燃料電池セルを流れる電流の電流値であり、例えば、燃料電池セルの膜・電極接合体が劣化し始めるよりもやや低い電流値である。 As described above, when the carbon constituting the membrane / electrode assembly is corroded or platinum is eluted, the electrical resistance between the two electrodes of the fuel cell decreases and the current increases. Therefore, the current of the fuel cell to which the voltage is applied is measured, and when the current reaches a predetermined current value, the application of the voltage to the fuel cell is stopped to control the membrane / electrode assembly. It becomes possible to prevent deterioration. Here, the predetermined current value is a current value of a current flowing through the fuel cell when the voltage applying unit is applying a voltage to the fuel cell, for example, a deterioration of the membrane / electrode assembly of the fuel cell. It is a slightly lower current value than starting to start.
ここで、前記制御手段は、前記燃料電池セルへの電圧の印加を停止した後、該燃料電池セルの開回路電圧が前記所定第二電圧から前記所定第一電圧を減算した電圧未満になったら、前記電圧印加手段による該燃料電池セルへの電圧の印加を再開してもよい。 Here, the control means stops the application of the voltage to the fuel cell, and then the open circuit voltage of the fuel cell becomes less than the voltage obtained by subtracting the predetermined first voltage from the predetermined second voltage. The voltage application to the fuel cell may be resumed by the voltage application means.
燃料電池セルに付着した生成水を電気分解すると、両電極に水素と酸素とが発生し、開回路電圧が高まることは前述した通りである。また、燃料電池セルの両電極に発生した水素と酸素はクロスリークするので、燃料電池セルの開回路電圧が時間の経過とともにやがて減少することも前述した通りである。そこで、燃料電池セルの開回路電圧に応じて電気分解を中断したり再開したりするように制御することで、膜・電極接合体を劣化させることなく燃料電池セルに付着した生成水の排除を完了させることが可能となる。 As described above, when the generated water adhering to the fuel cell is electrolyzed, hydrogen and oxygen are generated at both electrodes, and the open circuit voltage is increased. Further, as described above, hydrogen and oxygen generated at both electrodes of the fuel battery cell cross-leak, and the open circuit voltage of the fuel battery cell eventually decreases with time. Therefore, by controlling the electrolysis to be interrupted or restarted according to the open circuit voltage of the fuel cell, the generated water adhering to the fuel cell can be eliminated without degrading the membrane-electrode assembly. It can be completed.
ここで、前記燃料電池システムは、前記燃料電池セルを放電させる放電手段を更に備え、前記制御手段は、前記電圧印加手段が前記燃料電池セルに電圧を印加していない時に、該燃料電池セルを前記放電手段で放電してもよい。 Here, the fuel cell system further includes discharge means for discharging the fuel battery cell, and the control means causes the fuel battery cell to be discharged when the voltage application means is not applying a voltage to the fuel battery cell. You may discharge with the said discharge means.
燃料電池セルの両極間における水素と酸素とのクロスリークは、高分子電解質膜を介して行われるため、徐々に進行する。クロスリークの進行が緩やかだと開回路電圧が低下するまでに時間がかかるので、燃料電池セルの開回路電圧が所定第二電圧から所定第一電圧を減算した電圧以上の場合、電圧印加手段による燃料電池セルへの電圧の印加が実行されるまでに長時間を要する。電圧印加手段による燃料電池セルへの電圧の印加が実行されるまでに長時間を要すると、例えば、生成水が付着した状態の燃料電池セルが極低温下に晒された場合に生成水が凍結してしまう。よって、燃料電池セルの開回路電圧が高い場合に、開回路電圧を速やかに低下させることが望ましい。 Since the cross leak between hydrogen and oxygen between both electrodes of the fuel cell is performed through the polymer electrolyte membrane, it gradually proceeds. If the progress of the cross leak is slow, it takes time for the open circuit voltage to drop, so if the open circuit voltage of the fuel cell is equal to or higher than the voltage obtained by subtracting the predetermined first voltage from the predetermined second voltage, the voltage application means It takes a long time to apply a voltage to the fuel cell. If it takes a long time for the voltage application means to apply a voltage to the fuel cell, for example, the generated water freezes when the fuel cell with the generated water attached is exposed to an extremely low temperature. Resulting in. Therefore, when the open circuit voltage of the fuel cell is high, it is desirable to quickly reduce the open circuit voltage.
そこで、電圧印加手段が燃料電池セルに電圧を印加していない間に燃料電池セルを放電させる。放電によって燃料電池セルに生成水が生成されるものの、開回路電圧がすぐに低
下するため、生成水を付着させたままの状態で燃料電池セルを長時間放置させることがなくなる。これにより、燃料電池セルに付着している生成水の電気分解を促進し、生成水の凍結を抑制することが可能になる。
Therefore, the fuel cell is discharged while the voltage application means is not applying a voltage to the fuel cell. Although generated water is generated in the fuel cell by the discharge, the open circuit voltage is immediately reduced, so that the fuel cell is not allowed to stand for a long time with the generated water attached. Thereby, electrolysis of the produced water adhering to the fuel cell can be promoted, and the produced water can be prevented from freezing.
ここで、前記所定第一電圧は、1.24V以上1.40V未満の条件を満たす何れかの電圧であってもよい。また、前記所定第二電圧は、1.40Vの電圧であってもよい。 Here, the predetermined first voltage may be any voltage satisfying a condition of 1.24V or more and less than 1.40V. The predetermined second voltage may be a voltage of 1.40V.
燃料電池セルに付着している生成水を電気分解するのに必要な印加電圧は、理論的に約1.24V以上と定まっている。また、燃料電池セルの両極間に1.40V以上の電位差を与えると、膜・電極接合体が劣化(膜・電極接合体の電極を構成しているカーボンが特に腐食する。)し始める。 The applied voltage necessary for electrolyzing the produced water adhering to the fuel battery cell is theoretically determined to be about 1.24V or more. Further, when a potential difference of 1.40 V or more is applied between both electrodes of the fuel cell, the membrane / electrode assembly starts to deteriorate (carbon constituting the electrode of the membrane / electrode assembly is particularly corroded).
そこで、所定第一電圧を1.24V以上1.40V未満の条件を満たす何れかの電圧にし、あるいは所定第二電圧を1.40Vの電圧にすることで、膜・電極接合体を劣化させることなく燃料電池セルに付着した生成水を排除することが可能になる。 Therefore, the membrane / electrode assembly is deteriorated by setting the predetermined first voltage to any voltage satisfying the condition of 1.24V or more and less than 1.40V, or by setting the predetermined second voltage to 1.40V. It is possible to eliminate the generated water adhering to the fuel cell without any problem.
なお、本発明は、以上の機能の何れかを行う燃料電池システムの制御方法であってもよい。すなわち、例えば、上記の課題を解決するため、電解質膜を触媒電極で挟持した膜・電極接合体を有する燃料電池セルと、前記膜・電極接合体において生成される生成水を電気分解するのに必要な所定第一電圧以上の印加電圧を前記燃料電池セルに印加する電圧印加手段と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、前記燃料電池セルの開回路電圧が、該燃料電池セルに電圧を印加した場合に前記膜・電極接合体が劣化し始める所定第二電圧から前記所定第一電圧を減算した電圧未満の時に、前記電圧印加手段を制御して該燃料電池セルに電圧を印加する第一ステップを有するようにしてもよい。 The present invention may be a control method for a fuel cell system that performs any of the above functions. That is, for example, in order to solve the above-described problem, a fuel cell having a membrane-electrode assembly in which an electrolyte membrane is sandwiched between catalyst electrodes and electrolyzing water generated in the membrane-electrode assembly And a voltage applying means for applying an applied voltage equal to or higher than a predetermined predetermined first voltage to the fuel cell, wherein the open circuit voltage of the fuel cell is applied to the fuel cell. When the voltage is applied, when the voltage is less than the voltage obtained by subtracting the predetermined first voltage from the predetermined second voltage at which the membrane / electrode assembly begins to deteriorate, the voltage is applied to the fuel cell by controlling the voltage applying means. You may make it have the 1st step to do.
膜・電極接合体の劣化を抑制しつつ燃料電池セルに付着した生成水を排除する燃料電池システム、及び燃料電池システムの制御方法を提供することが可能になる。 It is possible to provide a fuel cell system and a control method for the fuel cell system that eliminate generated water adhering to the fuel cell while suppressing deterioration of the membrane-electrode assembly.
以下、本発明の一実施形態を例示的に説明する。以下に示す実施形態は例示であり、本発明はこれらに限定されるものではない。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be exemplarily described. Embodiment shown below is an illustration and this invention is not limited to these.
<構成>
図1は、本実施形態に係る燃料電池システム1の構成図である。本実施形態において、燃料電池システム1は、車両に搭載されることを前提としているが、本発明はこれに限定されるものでなく、地上に設置されるものであってもよい。
<Configuration>
FIG. 1 is a configuration diagram of a
図1において示すように、燃料電池システム1は、燃料電池2や制御装置3(本発明でいう、制御手段に相当する。)を備えている。燃料電池2には、発電に必要な水素を送気するための水素貯蔵タンク4や酸素を含む空気を送気するための空気圧縮機5が接続されている。また、燃料電池2には、車両を動かすためのモータ6、エアコンやラジエータファン等で構成される補機7、及び蓄電池である二次電池8が電気的に接続されている。
As shown in FIG. 1, the
水素貯蔵タンク4と燃料電池2とを繋ぐ経路の途中には水素の流れを制御するための水素入口弁9が設けられており、更に、燃料電池2の下流側には燃料電池2内で電気化学反応しなかった水素の排気を制御するための水素出口弁10が設けられている。水素入口弁9や水素出口弁10は、制御装置3から送られる制御信号に基づいて経路を開閉し、水素の流れを制御する。
A hydrogen inlet valve 9 for controlling the flow of hydrogen is provided in the middle of the path connecting the hydrogen storage tank 4 and the
空気圧縮機5と燃料電池2とを繋ぐ経路の途中には、燃料電池2に送気する空気を加湿するための加湿器11と空気の流れを制御するための空気入口弁12とが設けられている。また、燃料電池2の下流側には、燃料電池2内で電気化学反応しなかった空気の排気を制御するための空気出口弁13が設けられている。空気圧縮機5や加湿器11、空気入口弁12や空気出口弁13は、制御装置3から送られる制御信号に基づいて動作する。なお、燃料電池2内で電気化学反応しなかった空気の排気は、空気出口弁13を出てから加湿器11を経由したのち、系外に放出される。これにより、燃料電池2内の電気化学反応によって生成された生成水が、加湿器11における空気の加湿の際に有効利用される。
A
燃料電池2とモータ6とを繋ぐ回路の途中には、駆動用インバータ14が設けられている。モータ6は交流モータであるため、燃料電池2から出力される直流電気を交流電気に変換する必要があるためである。なお、駆動用インバータ14は、交流出力の周波数等を調整することにより、モータ6の回転数やトルクを制御することが可能である。なお、駆動用インバータ14は、制御装置3から送られる制御信号に基づいて交流電気の周波数や電圧を調整し、モータ6を制御する。
A
燃料電池2と補機7や二次電池8とを繋ぐ回路の途中には、DC−DCコンバータ15が設けられている。DC−DCコンバータ15は、直流電気の電圧を変換することで、定格電圧の異なる燃料電池2と二次電池8や補機7とを電気的に接続する役割を司る。DC−DCコンバータ15は、制御装置3から送られる制御信号に基づいて電路の開閉を行い、燃料電池2と二次電池8や補機7とを電気的に繋いだり切り離したりする。なお、燃料電池2とDC−DCコンバータ15との間には、モータ6の負荷変動等によって発電中の燃料電池2に逆電力が加わらないようにするため、電流方向制限器16(ダイオード)が設けられている。また、燃料電池2とDC−DCコンバータ15との間には、燃料電池2に二次電池8の電圧を印加して内部の生成水を電気分解可能にするため、電流方向制限器16をバイパスするためのバイパス回路が設けられている。このバイパス回路上には、回路を開閉するための開閉器17が設けられている。なお、二次電池8、DC−DCコンバータ15、開閉器17は、本発明でいう、電圧印加手段に相当する。
A DC-
燃料電池2は、燃料電池自動車等の移動媒体に適する高分子電解質形燃料電池(PEFC)であり、内部に複数の燃料電池セル27が積層状態で備えられている。燃料電池2には、内部に配設された燃料電池セル27の電圧を検出する電圧センサ18、燃料電池セル27の温度を検出する温度センサ19、燃料電池セルを流れる電流を検出する電流センサ20が設けられている。
The
図2は、燃料電池2の内部に配設されている燃料電池セル27の構成を示す断面図である。図2において示すように、燃料電池セル27は、高分子電解質膜21をアノード触媒電極22とカソード触媒電極23とで挟持するように接合した膜・電極接合体24(MEA)と、カソード触媒電極23に接合されたカソード触媒電極側ガス拡散層25と、アノード触媒電極22に接合されたアノード触媒電極側ガス拡散層26とによって構成されている。カソード触媒電極側ガス拡散層25とアノード触媒電極側ガス拡散層26は、内部に多数の気孔を有する通気性の素材により構成されている。よって、カソード触媒電極側ガス拡散層25の表面やその内部には、空気圧縮機5から送気される酸素(空気)が流れる。また、アノード触媒電極側ガス拡散層26の表面やその内部には、水素貯蔵タンク4から送気される水素が流れる。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the configuration of the
高分子電解質膜21は、ポリフルオロカーボンなどの固体の高分子を主鎖とし、電荷を運ぶためにスルホン基やカルボン酸基などの側鎖を付けたイオン交換能を有する導電性の物質で構成される。カソード触媒電極23やアノード触媒電極22は、白金(Pt)を担持したカーボンブラックで構成される。膜・電極接合体24は、アノード触媒電極22側
に送気される水素とカソード触媒電極23側に送気される空気中の酸素とを電気化学反応させることで発電を行い、両極間に電位差を発生させる。
The
制御装置3は、燃料電池システム1全体の制御を司るものであり、CPU(中央演算処理装置)やROM、RAM、及び入出力インターフェース等で構成される。制御装置3は、電圧センサ18や電流センサ20、温度センサ19から送られる計測信号の入力を受け付け、二次電池8やDC−DCコンバータ15、補機7、駆動用インバータ14、モータ6、開閉器17、弁9,10,12,13、加湿器11、空気圧縮機5等に対して制御信号を出力することで、燃料電池システム1を構成する各機器の制御を行う。
The
<処理フロー>
次に、本実施形態に係る燃料電池システム1の生成水の処理の制御について説明する。図3は、燃料電池システム1の制御フローを示す図である。また、図4〜6は、各工程における、燃料電池セル27に付着している生成水の分布を示す図である。以下、図3の制御フローや図4〜6を参照しながら、燃料電池システム1の排水制御を説明する。
<Processing flow>
Next, control of the generated water in the
(ステップS101)制御装置3は、燃料電池2の発電が止まると、温度センサ19で燃料電池2の温度を監視する。そして、制御装置3は、燃料電池2の温度が0℃以下であることを検知すると、次の工程に移行する。なお、本ステップにおける燃料電池セル27への生成水の付着状態を図4に示す。図4において示すように、発電停止後の燃料電池セル27の高分子電解質膜21、カソード触媒電極23、カソード触媒電極側ガス拡散層25、及びカソード触媒電極側ガス流路には、水素と酸素との電気化学反応に伴って生成された生成水が付着した状態にある。
(Step S <b> 101) When the power generation of the
(ステップS102)制御装置3は、燃料電池2の温度が0℃以下であることを確認したら、弁12,13を開いた状態で空気圧縮機5を起動し、燃料電池2に空気を送気する。燃料電池セル27のカソード触媒電極側ガス拡散層25やカソード触媒電極側ガス流路は、空気圧縮機5から送気される空気が流れるように構成されている。このため、この部分に空気を流すことで、カソード触媒電極側ガス拡散層25やカソード触媒電極側ガス流路に付着していた生成水が徐々に排水される。なお、制御装置3は、加湿器11を停止した状態で空気を送気する。これにより、燃料電池セル27のカソード側には湿り気を帯びていない乾燥空気が送られる。
(Step S102) Upon confirming that the temperature of the
(ステップS103)制御装置3は、空気圧縮機5による生成水の排水を開始したら、DC−DCコンバータ15を介して二次電池8から燃料電池2に電気を流し、燃料電池セル27の抵抗値を検出する。燃料電池セル27の抵抗値は、電圧センサ18によって検出される電圧から電流センサ20によって検出される電流を除算することにより算出される。そして、燃料電池セル27の抵抗値が、実験等によって予め取得され、ROM等に記憶された所定抵抗値、すなわち、カソード触媒電極側ガス拡散層25やカソード触媒電極側ガス流路が排水された状態の時の燃料電池セル27の抵抗値、に達したら、次のステップに移行する。制御装置3は、燃料電池セル27の抵抗値が所定抵抗値に達するまでは、空気圧縮機5による空気の送気を続ける。
(Step S <b> 103) When the
(ステップS104)制御装置3は、燃料電池セル27の抵抗値が所定抵抗値に達したら、弁9,10,12,13を閉じ、空気圧縮機5を停止する。なお、本ステップにおける燃料電池セル27への生成水の付着状態を図5に示す。図5において示すように、燃料電池セル27に付着していた生成水は、カソード触媒電極側ガス拡散層25とカソード触媒電極側ガス流路に付着していたものが除去され、高分子電解質膜21とカソード触媒電極23に付着していた生成水だけが残存している。
(Step S104) When the resistance value of the
(ステップS105)制御装置3は、空気圧縮機5を停止したら、電圧センサ18で燃料電池セル27の電圧を監視する。なお、このとき、モータ6や補機7は停止状態にあるため、検出される燃料電池セル27の電圧は開回路電圧となる。制御装置3は、電圧センサ18で検出される燃料電池セル27の開回路電圧が1.40V(本発明でいう、所定第二電圧に相当する。)から1.24V(本発明でいう、所定第一電圧に相当する。)を減算した0.16V以上の場合は、燃料電池セル27の電圧の監視を続ける。一方、制御装置3は、燃料電池セル27の開回路電圧が0.16V未満になった場合は、次の工程に移行する。なお、制御装置3は、燃料電池セル27の開回路電圧が0.16V未満になった場合、直ちに次の工程に移行する必要はなく、開回路電圧が更に低下してから次の工程に移行するようにしてもよい。
(Step S105) When the
(ステップS106)制御装置3は、燃料電池セル27の開回路電圧が0.16V未満になったら、DC−DCコンバータ15を制御して二次電池8から燃料電池2に電圧を印加する(本発明でいう、第一ステップに相当する。)。制御装置3は、燃料電池2に電圧を印加する際、DC−DCコンバータ15の出力を調整し、燃料電池2の燃料電池セル27に1.24V以上の電圧が印加されるようにする。なお、制御装置3は、DC−DCコンバータ15の出力電圧を監視し、燃料電池2に印加されている電圧が1.40V以上になる前に電圧の印加を停止するように制御してもよい(本発明でいう、第二ステップに相当する。)。
(Step S106) When the open circuit voltage of the
ここで、燃料電池2に電圧を印加して燃料電池セル27に付着している生成水を電気分解すると、燃料電池セル27のカソード触媒電極23側に酸素が発生し、燃料電池セル27のアノード触媒電極22側に水素が発生する。生成水を電気分解した際の反応は以下の通りである。
Here, when a voltage is applied to the
カソード側: 2H2O→4H++O2+4e-
アノード側: 4H++4e-→2H2
Cathode side: 2H 2 O → 4H + + O 2 + 4e −
Anode side: 4H + + 4e − → 2H 2
この電気分解によって発生した水素や酸素によって、燃料電池セル27の開回路電圧が高くなる。そこで、制御装置3は、燃料電池2への電圧の印加を開始してから一定時間(例えば、数秒。)が経過したら、燃料電池2への電圧の印加を停止し、ステップS105の制御に戻る(本発明でいう、第四ステップに相当する。)。これにより、両極に発生した水素と酸素がクロスリークして燃料電池セル27の開回路電圧が低下したら燃料電池2に再び電圧を印加するという制御が繰り返され、生成水の電気分解が徐々に進行する。なお、本ステップにおける燃料電池セル27の生成水の付着状態を図6に示す。図6において示すように、生成水の電気分解後、燃料電池セル27に付着していた生成水は高分子電解質膜21付近にのみ残る状態となっている。なお、制御装置3は、電圧の印加を開始してから一定時間経過後にこれを停止するように制御しているが、本発明はこれに限定されるものでなく、例えば、燃料電池2を流れる電流が一定の値(所定電流値)を超えたら電圧の印加を停止するようにしてもよい。
The open circuit voltage of the
ここで、制御装置3は、ステップS106の終了後にステップS105の制御に戻るようにしているが、本発明はこれに限定されるものでなく、ステップS105の制御に戻らないようにしてもよい。
Here, the
なお、制御装置3は、ユーザの操作等によって燃料電池2が起動される場合(燃料電池2の発電が開始される場合。)は、上記ステップS101〜S106の何れの処理を実行している場合であってもその処理を中断し、燃料電池2を起動するための処理に移行する。
In addition, when the
<効果>
以上により、膜・電極接合体24の劣化を抑制しつつ燃料電池セル27に付着した生成水を排除することが可能になる。また、開回路電圧を監視しながら電気分解を行っているため、電気分解の際の電圧上昇を異常電圧と誤認し、生成水が残っているにも関わらず電気分解の処理を中止してしまうということが無くなる。また、開回路電圧を監視しながら電気分解を行っているため、生成水が付着したままの状態で電気分解の処理が終了してしまうということが無くなる。燃料電池セル27に付着した生成水が確実に電気分解されるため、燃料電池2が氷点下環境に晒された際、生成水が凍結することがなく、燃料電池2の起動時に燃料ガスや酸化剤ガスの拡散が阻害されることがない。これにより、燃料電池2の起動をスムーズに行うことが可能となる。また、生成水の排除を電気分解で行っているため、燃料電池セル27をムラ無く乾燥させることができる。これにより、高分子電解質膜21の局所的なドライアップによる燃料電池セル27の出力の低下を防止することができる。
<Effect>
As described above, it is possible to eliminate the generated water adhering to the
<変形例1>
以下、上記実施形態に係る燃料電池システム1の変形例について説明する。上記実施形態に係る燃料電池システム1は、燃料電池2への電圧の印加を一定時間経過後に停止するようにしていた。しかし、本変形例に係る燃料電池システム1は、電圧印加時の電流を監視し、この電流の変化に基づいて印加電圧を制御するようにしている。なお、説明の便宜上、上記実施形態に係る燃料電池システム1と同様の構成要素および制御フローについては同一の符号を付してその説明を省略し、上記実施形態との差異点についてのみ説明する。図7において、本変形例に係る制御フローを示す。以下、図7の制御フロー図を参照しつつ、本変形例について説明する。
<
Hereinafter, modified examples of the
(ステップS201)本変形例に係る燃料電池システム1の構成は、上記実施形態と同様である。本変形例に係る制御装置3は、ステップS101〜S105までの処理を行った後、上述の実施形態と同様、DC−DCコンバータ15を制御して二次電池8から燃料電池2に電圧を印加する。ここで、上記実施形態に係る制御装置3は、燃料電池2への電圧の印加を開始してから一定時間経過後に電圧の印加を停止していた。一方、本変形例に係る制御装置3は、燃料電池2への電圧の印加を開始したら、次の工程(ステップS202)に移行する。
(Step S201) The configuration of the
(ステップS202)制御装置3は、燃料電池2への電圧の印加を開始したら、電流センサ20から燃料電池セル27の電流値を取得する。制御装置3は、取得した電流値の変化率を求め、この変化率が一旦一定となった後、再び変化し始めたら燃料電池2への電圧の印加を停止する。図8において、本ステップにおける処理の詳細なフローを示す。本ステップS202における詳細な処理フローについて、図8を参照しながら以下に説明する。
(Step S <b> 202) When the
(ステップS202−1)制御装置3は、電流センサ20から電流の時間変化率(ΔI/ΔT)を算出する。
(Step S <b> 202-1) The
(ステップS202−2)次に、制御装置3は、算出した電流の時間変化率(ΔI/ΔT)の変動幅が所定の閾値(ε)の範囲内であるか否かを確認する。電流の時間変化率(ΔI/ΔT)の変動幅が所定の閾値(ε)の範囲内であれば電流が一定に流れていることになるため、生成水の電気分解が始まっていないと判断し、ステップS201−1に戻る。一方、電流の時間変化率(ΔI/ΔT)の変動幅が所定の閾値(ε)の範囲を逸脱していれば、生成水の電気分解が始まっていると判断し、次のステップS202−3に移行する。なお、所定の閾値(ε)は、制御装置3内に予め記憶された設定値であり、例えば、燃料電池セル27に付着している生成水の電気分解が行われている際の電流の時間変化率
の最大値と略同一の時間変化率である。
(Step S202-2) Next, the
(ステップS202−3)制御装置3は、電流センサ20から電流の時間変化率(ΔI/ΔT)を再び算出する。
(Step S <b> 202-3) The
(ステップS202−4)次に、制御装置3は、電流の時間変化率(ΔI/ΔT)が所定の閾値(ε)以上であれば、膜・電極接合体が劣化するのを防止するため、燃料電池2への電圧の印加を中断してステップS105に移行する。図9において、このときの電流の変化をグラフで示す。図9において示すように、生成水を電気分解している電気の電流が一旦平坦になった後、再び上昇し始めた時点で電圧の印加を中断している。なお、制御装置3は、電流の時間変化率(ΔI/ΔT)が所定の閾値(ε)以上でなければ、次のステップS202−5に移行する。
(Step S202-4) Next, the
(ステップS202−5)次に、制御装置3は、電流の時間変化率(ΔI/ΔT)が所定の閾値(ε)を負に反転した値以下であれば、燃料電池セル27に付着している生成水の電気分解が完了したと判断し、燃料電池2への電圧の印加を停止してステップS107に移行する。図10において、このときの電流の変化をグラフで示す。図10において示すように、生成水を電気分解している電気の電流が一旦平坦になった後、再び下降し始めた時点で電圧の印加を停止している。なお、制御装置3は、電流の時間変化率(ΔI/ΔT)が所定の閾値(ε)を負に反転した値以下でなければ、次のステップS202−3に戻る。
(Step S202-5) Next, if the time change rate (ΔI / ΔT) of the current is equal to or less than a value obtained by inverting the predetermined threshold value (ε) negatively, the
ステップS202における処理フローは、以上のとおりである。なお、ステップS202は、本発明でいう第三ステップに相当する。 The processing flow in step S202 is as described above. Step S202 corresponds to the third step in the present invention.
以上により、本変形例に係る燃料電池システム1によれば、電流の変化を監視しながら燃料電池に電圧を印加しているため、膜・電極接合体24を劣化させることなく、且つ、生成水を過剰に電気分解させることなく、燃料電池セル27に付着した生成水を排除することが可能になる。
As described above, according to the
なお、制御装置3は、燃料電池2への電圧の印加を開始してから一定時間(本発明でいう、所定時間に相当する。)が経過しても電流が一定にならない場合、換言すれば、一定時間が経過してもステップS202−3が実行されない場合、燃料電池2への電圧の印加を中止するようにしてもよい。なお、電流が一定にならない場合とは、一定時間が経過しても電流の変動が予め定められた値(本発明でいう、所定値に相当する。)の範囲内にならない場合である。
In addition, the
<変形例2>
以下、上記実施形態や上記変形例に係る燃料電池システム1の変形例について説明する。上述した燃料電池システム1は、燃料電池セル27の開回路電圧が高い場合に、膜・電極接合体24を介した水素と酸素のクロスリークによって電圧が降下するのを待ち、開回路電圧が自然に低下するのを待ってから燃料電池2に電圧を印加していた。しかし、本変形例に係る燃料電池システム1は、燃料電池セル27の開回路電圧が高い場合に、燃料電池2の電力を積極的に消費させ、燃料電池セル27の開回路電圧を速やかに低下させる。なお、上記変形例と同様、説明の便宜上、上記実施形態に係る燃料電池システム1と同様の構成要素および制御フローについては同一の符号を付してその説明を省略し、上記実施形態との差異点についてのみ説明する。図11において、本変形例に係る制御フローを示す。以下、図11の制御フロー図を参照しつつ、本変形例について説明する。
<
Hereinafter, modified examples of the
(ステップS301)本変形例に係る燃料電池システム1の構成は、上記実施形態と同
様である。本変形例に係る制御装置3は、ステップS101からステップS105まで上述の実施形態と同様の処理を行う。本変形例に係る制御装置3は、ステップS105において、電圧センサ18で検出される燃料電池セル27の開回路電圧が1.40Vから1.24Vを減算した0.16V以上であることを検出した場合、開閉器17を入れてDC−DCコンバータ15を制御し、燃料電池2から補機7や二次電池8に電力を消費させる。補機7に電力を消費させる場合は、例えば、ラジエータファン等を起動して電力を消費させる。また、二次電池8に電力を消費させる場合は、DC−DCコンバータ15から二次電池8側に給電される電力の電圧が二次電池8の電圧よりも高くなるようにし、二次電池8を充電することで電力を消費させる。そして、制御装置3は、補機7や二次電池8による電力消費を開始してから一定時間が経過したら、DC−DCコンバータ15等を制御して燃料電池2から補機7等への電力の供給を停止する。そして、制御装置3は、ステップS105に制御を移行させる。なお、本ステップS301は、本発明でいう第五ステップに相当する。
(Step S301) The configuration of the
以上により、本変形例に係る燃料電池システム1によれば、開回路電圧が高い場合に電力を積極的に消費させているため、開回路電圧の低下を水素と酸素のクロスリークに依存する場合に比べ、燃料電池セル27に付着した生成水を極めて早く排除することが可能になる。
As described above, according to the
1・・・・・・・・・・・・燃料電池システム
2・・・・・・・・・・・・燃料電池
3・・・・・・・・・・・・制御装置
4・・・・・・・・・・・・水素貯蔵タンク
5・・・・・・・・・・・・空気圧縮機
6・・・・・・・・・・・・モータ
7・・・・・・・・・・・・補機
8・・・・・・・・・・・・二次電池
9・・・・・・・・・・・・水素入口弁
10・・・・・・・・・・・水素出口弁
11・・・・・・・・・・・加湿器
12・・・・・・・・・・・空気入口弁
13・・・・・・・・・・・空気出口弁
14・・・・・・・・・・・駆動用インバータ
15・・・・・・・・・・・DC−DCコンバータ
16・・・・・・・・・・・電流方向制限器
17・・・・・・・・・・・開閉器
18・・・・・・・・・・・電圧センサ
19・・・・・・・・・・・温度センサ
20・・・・・・・・・・・電流センサ
21・・・・・・・・・・・高分子電解質膜
22・・・・・・・・・・・アノード触媒電極
23・・・・・・・・・・・カソード触媒電極
24・・・・・・・・・・・膜・電極接合体
25・・・・・・・・・・・カソード触媒電極側ガス拡散層
26・・・・・・・・・・・アノード触媒電極側ガス拡散層
27・・・・・・・・・・・燃料電池セル
1 ...
Claims (22)
前記膜・電極接合体において生成される生成水を電気分解するのに必要な所定第一電圧以上の印加電圧を前記燃料電池セルに印加する電圧印加手段と、
前記燃料電池セルの開回路電圧が、該燃料電池セルに電圧を印加した場合に前記膜・電極接合体が劣化し始める所定第二電圧から前記所定第一電圧を減算した電圧未満の時に、前記電圧印加手段を制御して該燃料電池セルに電圧を印加する制御手段と、を備える
燃料電池システム。 A fuel cell having a membrane-electrode assembly in which an electrolyte membrane is sandwiched between catalyst electrodes;
Voltage applying means for applying an applied voltage equal to or higher than a predetermined first voltage necessary for electrolyzing the generated water generated in the membrane-electrode assembly to the fuel cell;
When the open circuit voltage of the fuel cell is less than a voltage obtained by subtracting the predetermined first voltage from a predetermined second voltage at which the membrane-electrode assembly starts to deteriorate when a voltage is applied to the fuel cell. Control means for controlling the voltage application means to apply a voltage to the fuel cell, a fuel cell system.
請求項1に記載の燃料電池システム。 The control means stops application of voltage to the fuel cell by the voltage application means before the applied voltage becomes equal to or higher than the predetermined second voltage.
The fuel cell system according to claim 1.
前記制御手段は、
前記電圧検出手段によって検出される前記燃料電池セルの開回路電圧が、前記所定第二電圧から前記所定第一電圧を減算した電圧未満になると、該燃料電池セルへの電圧の印加を開始するように前記電圧印加手段を制御し、
前記電圧検出手段によって検出される前記燃料電池セルの電圧が、前記所定第二電圧以上になる前に、該燃料電池セルへの電圧の印加を停止するように前記電圧印加手段を制御する、
請求項1または2に記載の燃料電池システム。 Further comprising voltage detection means for detecting the voltage of the fuel cell,
The control means includes
When the open circuit voltage of the fuel cell detected by the voltage detection means becomes less than a voltage obtained by subtracting the predetermined first voltage from the predetermined second voltage, application of the voltage to the fuel cell is started. Controlling the voltage applying means,
Controlling the voltage application means so as to stop the application of the voltage to the fuel cell before the voltage of the fuel cell detected by the voltage detection means becomes equal to or higher than the predetermined second voltage;
The fuel cell system according to claim 1 or 2.
前記制御手段は、前記電流検出手段によって検出される前記燃料電池セルの電流が、該燃料電池セルへの電圧の印加を停止すべき所定電流状態になると、前記電圧印加手段による該燃料電池セルへの電圧の印加を停止する、
請求項1から3の何れか一項に記載の燃料電池システム。 Further comprising current detection means for detecting the current of the fuel cell,
When the current of the fuel cell detected by the current detection unit reaches a predetermined current state in which the application of voltage to the fuel cell is to be stopped, the control unit supplies the fuel cell to the fuel cell by the voltage application unit. Stop applying the voltage of
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3.
請求項4に記載の燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 4, wherein the predetermined current state is a state in which the current of the fuel cell starts to change again after becoming substantially constant.
請求項4に記載の燃料電池システム。 5. The fuel according to claim 4, wherein the predetermined current state is a state in which a change in current of the fuel battery cell after a predetermined time has elapsed since the start of voltage application to the fuel battery cell is greater than or equal to a predetermined value. Battery system.
請求項4に記載の燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 4, wherein the predetermined current state is a state in which the current of the fuel battery cell has reached a predetermined current value.
請求項1から7の何れか一項に記載の燃料電池システム。 The control means stops the application of the voltage to the fuel cell, and then when the open circuit voltage of the fuel cell becomes less than the voltage obtained by subtracting the predetermined first voltage from the predetermined second voltage, the voltage Resuming the application of voltage to the fuel cell by the application means;
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 7.
前記制御手段は、前記電圧印加手段が前記燃料電池セルに電圧を印加していない時に、該燃料電池セルを前記放電手段で放電する、
請求項1から8の何れか一項に記載の燃料電池システム。 Further comprising discharge means for discharging the fuel cell,
The control means discharges the fuel cell with the discharge means when the voltage application means is not applying a voltage to the fuel cell.
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 8.
前記膜・電極接合体において生成される生成水を電気分解するのに必要な所定第一電圧以上の印加電圧を前記燃料電池セルに印加する電圧印加手段と、
を備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池セルの開回路電圧が、該燃料電池セルに電圧を印加した場合に前記膜・電極接合体が劣化し始める所定第二電圧から前記所定第一電圧を減算した電圧未満の時に、前記電圧印加手段を制御して該燃料電池セルに電圧を印加する第一ステップを有する、
燃料電池システムの制御方法。 A fuel cell having a membrane-electrode assembly in which an electrolyte membrane is sandwiched between catalyst electrodes;
Voltage applying means for applying an applied voltage equal to or higher than a predetermined first voltage necessary for electrolyzing the generated water generated in the membrane-electrode assembly to the fuel cell;
A control method for a fuel cell system comprising:
When the open circuit voltage of the fuel cell is less than a voltage obtained by subtracting the predetermined first voltage from a predetermined second voltage at which the membrane-electrode assembly starts to deteriorate when a voltage is applied to the fuel cell. Having a first step of controlling the voltage application means to apply a voltage to the fuel cell,
Control method of fuel cell system.
請求項12に記載の燃料電池システムの制御方法。 The method of controlling a fuel cell system according to claim 12, further comprising a second step of stopping application of a voltage to the fuel cell by the voltage application means before the applied voltage becomes equal to or higher than the predetermined second voltage.
前記第一ステップは、
前記電圧検出手段によって検出される前記燃料電池セルの開回路電圧が、前記所定第二電圧から前記所定第一電圧を減算した電圧未満になると、該燃料電池セルへの電圧の印加を開始するように前記電圧印加手段を制御し、
前記第二ステップは、
前記電圧検出手段によって検出される前記燃料電池セルの電圧が、前記所定第二電圧以上になる前に、該燃料電池セルへの電圧の印加を停止するように前記電圧印加手段を制御する、
請求項12または13に記載の燃料電池システムの制御方法。 The fuel cell system further comprises voltage detection means for detecting the voltage of the fuel cell,
The first step includes
When the open circuit voltage of the fuel cell detected by the voltage detection means becomes less than a voltage obtained by subtracting the predetermined first voltage from the predetermined second voltage, application of the voltage to the fuel cell is started. Controlling the voltage applying means,
The second step includes
Controlling the voltage application means so as to stop the application of the voltage to the fuel cell before the voltage of the fuel cell detected by the voltage detection means becomes equal to or higher than the predetermined second voltage;
The method for controlling a fuel cell system according to claim 12 or 13.
前記電流検出手段によって検出される前記燃料電池セルの電流が、該燃料電池セルへの電圧の印加を停止すべき所定電流状態になると、前記電圧印加手段による該燃料電池セルへの電圧の印加を停止する第三ステップを更に有する、
請求項12から14の何れか一項に記載の燃料電池システムの制御方法。 The fuel cell system further comprises current detection means for detecting a current of the fuel cell,
When the current of the fuel battery cell detected by the current detection means reaches a predetermined current state where the application of voltage to the fuel battery cell should be stopped, the voltage application means applies the voltage to the fuel battery cell. Further comprising a third step of stopping,
The method for controlling a fuel cell system according to any one of claims 12 to 14.
請求項15に記載の燃料電池システムの制御方法。 The control method for a fuel cell system according to claim 15, wherein the predetermined current state is a state in which the current of the fuel cell starts to change again after becoming substantially constant.
請求項15に記載の燃料電池システムの制御方法。 The fuel according to claim 15, wherein the predetermined current state is a state in which a change in current of the fuel battery cell after a predetermined time has elapsed after starting application of a voltage to the fuel battery cell is greater than or equal to a predetermined value. Battery system control method.
請求項15に記載の燃料電池システムの制御方法。 The control method of the fuel cell system according to claim 15, wherein the predetermined current state is a state in which the current of the fuel cell reaches a predetermined current value.
請求項12から18の何れか一項に記載の燃料電池システムの制御方法。 After stopping the application of the voltage to the fuel cell, when the open circuit voltage of the fuel cell becomes less than the voltage obtained by subtracting the predetermined first voltage from the predetermined second voltage, the fuel by the voltage applying means A fourth step of resuming the application of voltage to the battery cell;
The method for controlling a fuel cell system according to any one of claims 12 to 18.
前記電圧印加手段が前記燃料電池セルに電圧を印加していない時に、該燃料電池セルを前記放電手段で放電する第五ステップを更に有する、
請求項12から19の何れか一項に記載の燃料電池システムの制御方法。 The fuel cell system further comprises discharge means for discharging the fuel cell,
A fifth step of discharging the fuel cell by the discharging means when the voltage applying means is not applying a voltage to the fuel cell;
The method for controlling a fuel cell system according to any one of claims 12 to 19.
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|---|---|---|---|---|
| JP2015191846A (en) * | 2014-03-28 | 2015-11-02 | 高砂熱学工業株式会社 | Reversible cell operation control method |
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| JP2004311348A (en) * | 2003-04-10 | 2004-11-04 | Denso Corp | Fuel cell system |
| JP2006504246A (en) * | 2002-10-28 | 2006-02-02 | ユーティーシー フューエル セルズ,エルエルシー | Reduction of fuel cell cathode potential at startup and shutdown |
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2007
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