[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

JP2007242449A - Fuel cell system - Google Patents

Fuel cell system Download PDF

Info

Publication number
JP2007242449A
JP2007242449A JP2006064055A JP2006064055A JP2007242449A JP 2007242449 A JP2007242449 A JP 2007242449A JP 2006064055 A JP2006064055 A JP 2006064055A JP 2006064055 A JP2006064055 A JP 2006064055A JP 2007242449 A JP2007242449 A JP 2007242449A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
fuel cell
fuel
wet state
electrode
temperature
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.)
Pending
Application number
JP2006064055A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Shinichi Miyazaki
真一 宮崎
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nissan Motor Co Ltd filed Critical Nissan Motor Co Ltd
Priority to JP2006064055A priority Critical patent/JP2007242449A/en
Publication of JP2007242449A publication Critical patent/JP2007242449A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system capable of starting up stably in a shorter time even in the atmosphere below freezing point. <P>SOLUTION: In the fuel cell system which has a membrane electrode structure including a solid polymer electrolyte membrane, and an electrode catalyst layer and a gas diffusion layer to pinch the solid polymer electrolyte membrane, and which has separators provided with flow passages to respectively supply a fuel gas containing hydrogen to a fuel electrode of the electrode catalyst layer and an oxidizer gas containing oxygen to an oxygen electrode of the electrode catalyst layer, and which is provided with a fuel cell stack 111 wherein cells pinching the membrane electrode structure by the separators are laminated by the number necessary to obtain a prescribed output, and wherein power generation is carried out by electrochemical reaction of the fuel gas (hydrogen) and the oxidizer gas (oxygen) to be respectively supplied to the fuel electrode (anode) and the oxidizer electrode (cathode), provided with a hydrogen supply system to supply hydrogen to the anode, and provided with an oxygen supply system to supply air to the cathode, the gas containing oxygen is mixed by an anode oxygen supply pump 151 and supplied to the fuel electrode. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は燃料電池システムに係り、特に、零下雰囲気においてもより短い時間で安定して起動可能な燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system that can be stably started in a shorter time even in a sub-zero atmosphere.

燃料電池システムは、燃料電池の燃料極に燃料ガスとして水素を供給し、燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスとして空気を供給し、これら水素と空気中の酸素とを電気化学的に反応させて発電電力を得るものである。このような燃料電池システムは、例えば自動車の動力源等として実用化に大きな期待が寄せられており、現在、実用化に向けての研究開発が盛んに行われている。   The fuel cell system supplies hydrogen as a fuel gas to the fuel electrode of the fuel cell, supplies air as the oxidant gas to the oxidant electrode of the fuel cell, and causes the hydrogen and oxygen in the air to react electrochemically. To obtain generated power. Such a fuel cell system is highly expected to be put into practical use, for example, as a power source for automobiles, and research and development for practical use are being actively carried out.

燃料電池システムに用いられる燃料電池としては。例えば自動車に搭載する上で好適なものとして、固体高分子タイプの燃料電池が知られている。固体高分子タイプの燃料電池は、燃料極と酸化剤極との間に電解質膜として固体高分子膜が設けられたものである。この固体高分子タイプの燃料電池では、固体高分子膜がイオン伝導体として機能し、燃料極で燃料ガスの水素が水素イオンと電子とに分離される反応が起き、酸化剤極で酸化剤ガス(空気)中の酸素と水素イオンと電子とから水を生成する反応が行われる。   As a fuel cell used in a fuel cell system. For example, a solid polymer type fuel cell is known as being suitable for mounting in an automobile. A solid polymer type fuel cell is provided with a solid polymer membrane as an electrolyte membrane between a fuel electrode and an oxidant electrode. In this solid polymer type fuel cell, the solid polymer membrane functions as an ionic conductor, a reaction occurs in which the fuel gas hydrogen is separated into hydrogen ions and electrons at the fuel electrode, and an oxidant gas is generated at the oxidant electrode. A reaction for generating water from oxygen, hydrogen ions and electrons in (air) is performed.

このような燃料電池システムを搭載した車両においては、車両を低温環境下で停止したとき、燃料電池内や反応ガス経路内に存在している水分が凍結する場合があり、凍結による電解質膜への反応ガスの進行・到達の阻害、反応ガス経路の目詰まりおよび循環手段のロック等により燃料電池システムを起動できないという問題がある。なお、零下発電を行うと電気化学反応によって生じた水が酸化剤ガスの触媒への供給を妨げてしまうため、発電は生成水が触媒へガス供給を遮断するまでの間だけ可能である。   In a vehicle equipped with such a fuel cell system, when the vehicle is stopped in a low temperature environment, moisture present in the fuel cell or in the reaction gas path may freeze, and the electrolyte membrane due to freezing may be frozen. There is a problem that the fuel cell system cannot be started due to inhibition of the progress and arrival of the reaction gas, clogging of the reaction gas path, and locking of the circulation means. Note that when sub-zero power generation is performed, water generated by an electrochemical reaction hinders the supply of the oxidant gas to the catalyst, and thus power generation is possible only until the generated water shuts off the gas supply to the catalyst.

そこで、このような問題に対処するべく、例えば、米国特許公報US5,798,186では、燃料電池スタックの昇温手段として外部回路(主に電気抵抗体)を設置して、該外部回路に燃料電池スタックを接続して電力を供給することで、該外部回路の発熱によって燃料電池スタックを昇温させるという手法が提案されている。
米国特許公報US5,798,186
Therefore, in order to deal with such a problem, for example, in US Pat. No. 5,798,186, an external circuit (mainly an electrical resistor) is installed as a temperature raising means of the fuel cell stack, and fuel is supplied to the external circuit. A technique has been proposed in which the temperature of the fuel cell stack is raised by the heat generation of the external circuit by connecting the battery stack and supplying power.
US Patent Publication US 5,798,186

しかしながら、上述した特許文献1に開示された技術によっても、零下雰囲気からの発電では、燃料電池スタックから電流を取り出す際に、燃料電池スタックの温度が上昇して供給ガスによる加湿および拡散移動水量が大きくなるまで、取り出し電流を制限(即ち、出力制限)する必要があり、例えば自動車に搭載する車両用燃料電池システムの場合には、十分な暖機運転を要するなどの事情があった。   However, even with the technique disclosed in Patent Document 1 described above, in power generation from a sub-zero atmosphere, the temperature of the fuel cell stack rises when the current is taken out from the fuel cell stack, and the humidification by the supply gas and the amount of diffusive moving water are reduced. Until it becomes large, it is necessary to limit the extraction current (that is, output limitation). For example, in the case of a vehicle fuel cell system mounted on an automobile, there is a situation that a sufficient warm-up operation is required.

つまり、固体高分子電解質膜は膜に十分な水を含んでいないと、プロトン伝導度が低下して、その結果燃料電池スタック性能が低下するが、零下発電において燃料極をドライアウトさせないためには電気浸透水を小さくする他に方法がなく、電気浸透水量は移動するプロトン量と比例することから、取り出し電流を非常に小さくしなくてはならないのである。   In other words, if the solid polymer electrolyte membrane does not contain sufficient water in the membrane, the proton conductivity decreases and as a result the fuel cell stack performance decreases, but in order to prevent the fuel electrode from drying out in sub-zero power generation. There is no other way to reduce electroosmotic water, and the amount of electroosmotic water is proportional to the amount of protons that move, so the extraction current must be very small.

本発明は、上記従来の事情に鑑みてなされたものであって、零下雰囲気においてもより短い時間で安定して起動可能な燃料電池システムを提供することを目的としている。   The present invention has been made in view of the above-described conventional circumstances, and an object thereof is to provide a fuel cell system that can be stably started in a shorter time even in a sub-zero atmosphere.

上記目的を解決するため、本発明は、固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜を挟む電極触媒層およびガス拡散層と、を含む膜電極構造体と、前記電極触媒層の燃料極に水素を含む燃料ガスを、前記電極触媒層の酸素極に酸素を含む酸化剤ガスをそれぞれ供給する流路を備えたセパレータと、を有し、前記膜電極構造体を前記セパレータで挟持したセルを、所定の出力が得られる数分積層し、前記燃料極および前記酸化剤極にそれぞれ供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料極に酸素を含むガスを混合して供給するアノード酸素供給手段と、を備えることを特徴とする。   In order to solve the above object, the present invention provides a membrane electrode structure including a solid polymer electrolyte membrane, an electrode catalyst layer and a gas diffusion layer sandwiching the solid polymer electrolyte membrane, and a fuel electrode of the electrode catalyst layer And a separator provided with a flow path for supplying a fuel gas containing hydrogen to the oxygen electrode of the electrode catalyst layer and an oxidant gas containing oxygen, respectively, and sandwiching the membrane electrode structure with the separator And a fuel cell that generates power by an electrochemical reaction of a fuel gas and an oxidant gas supplied to the fuel electrode and the oxidant electrode, respectively, and a fuel gas to the fuel electrode. A fuel gas supply means for supplying oxygen, an oxidant gas supply means for supplying an oxidant gas to the oxidant electrode, and an anode oxygen supply means for mixing and supplying a gas containing oxygen to the fuel electrode. Features To.

本発明に係る燃料電池システムでは、アノード酸素供給手段により燃料極に酸素を含むガスを混合して供給できるので、零下雰囲気といった膜へ水を供給しがたい条件においても固体高分子電解質膜へ水を供給することができ、相対的に取り出し電流の制限を緩和することができ、結果として零下雰囲気においてもより短い時間で安定して起動可能な燃料電池システムを実現することができる。   In the fuel cell system according to the present invention, gas containing oxygen can be mixed and supplied to the fuel electrode by the anode oxygen supply means, so that water can be supplied to the solid polymer electrolyte membrane even under conditions where it is difficult to supply water to the membrane such as a subzero atmosphere. As a result, a fuel cell system that can be stably started in a shorter time can be realized even in a sub-zero atmosphere.

以下、本発明の燃料電池システムの実施例について、図面を参照して詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the fuel cell system of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は本発明の実施例1に係る燃料電池システムの構成図である。本実施例の燃料電池システム100は、例えば燃料電池車両の駆動動力源として用いられるものであり、図1に示すように、水素および空気の供給により発電を行う燃料電池スタック111を備える。   FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention. A fuel cell system 100 according to the present embodiment is used as a driving power source of a fuel cell vehicle, for example, and includes a fuel cell stack 111 that generates power by supplying hydrogen and air as shown in FIG.

また、水素供給系(水素供給手段)として、水素高圧タンク115、水素調圧弁128、水素供給経路、三方弁117、酸素濃度センサ152、水素循環流路、燃料循環ポンプ116および出口配管125を備え、空気供給系(空気供給手段)として、エアフィルタ112、エアコンプレッサ113、空気供給経路126、加湿器114およびバイパスライン127を備え(ライン切替バルブは図示を省略)、冷却系200として、冷媒循環経路、冷媒循環ポンプ119、冷却ファン122、冷媒熱交換器123、冷媒入口温度センサ(温度検知手段)120および冷媒出口温度センサ(温度検知手段)121を備えている。   As a hydrogen supply system (hydrogen supply means), a hydrogen high pressure tank 115, a hydrogen pressure regulating valve 128, a hydrogen supply path, a three-way valve 117, an oxygen concentration sensor 152, a hydrogen circulation channel, a fuel circulation pump 116, and an outlet pipe 125 are provided. The air supply system (air supply means) includes an air filter 112, an air compressor 113, an air supply path 126, a humidifier 114, and a bypass line 127 (the line switching valve is not shown). A path, a refrigerant circulation pump 119, a cooling fan 122, a refrigerant heat exchanger 123, a refrigerant inlet temperature sensor (temperature detecting means) 120, and a refrigerant outlet temperature sensor (temperature detecting means) 121 are provided.

なお、アノード(燃料極)に酸素を含むガスを混合して供給するアノード酸素供給手段としてアノード酸素供給ポンプ151を備えており、アノード酸素供給ポンプ151の供給配管は水素供給系の水素供給経路に連通している。   An anode oxygen supply pump 151 is provided as anode oxygen supply means for supplying a mixture of oxygen-containing gas to the anode (fuel electrode), and the supply pipe of the anode oxygen supply pump 151 is connected to the hydrogen supply path of the hydrogen supply system. Communicate.

また、燃料電池スタック111には燃料電池温度センサ(温度検知手段)124が付設されており、燃料電池スタック111から取り出される電流は外部回路131へ供給される。さらに、本実施例の燃料電池システム100は、水素供給系、空気供給系、冷却系200および外部回路131の各種センサや他の各種センサからの検知信号に基づき水素供給系、空気供給系、冷却系200および外部回路131の各構成要素の制御を行うシステム制御装置141を備えた構成である。   Further, the fuel cell stack 111 is provided with a fuel cell temperature sensor (temperature detection means) 124, and current taken from the fuel cell stack 111 is supplied to the external circuit 131. Further, the fuel cell system 100 of the present embodiment includes a hydrogen supply system, an air supply system, a cooling system 200, and a hydrogen supply system, an air supply system, a cooling system based on detection signals from various sensors of the external circuit 131 and other various sensors. This is a configuration including a system control device 141 that controls each component of the system 200 and the external circuit 131.

燃料電池スタック111は、燃料ガスである水素が供給されるアノード(燃料極)と酸化剤ガスである空気が供給されるカソード(酸化剤極)とが電解質を挟んで重ね合わされて発電セルが構成されると共に、複数の発電セルが多段積層されたスタック構造を有しており、水素と空気中の酸素とを基にした電気化学反応により化学エネルギを電気エネルギに変換するものである。この燃料電池スタック111の各発電セルでは、アノードに供給された水素が水素イオンと電子とに分離される反応が起き、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、カソードにそれぞれ移動する。カソードでは、供給された空気中の酸素と電解質を通って移動した水素イオンおよび電子が反応して水が生成され、外部に排出される。   In the fuel cell stack 111, an anode (fuel electrode) supplied with hydrogen as a fuel gas and a cathode (oxidant electrode) supplied with air as an oxidant gas are overlapped with an electrolyte interposed therebetween to form a power generation cell. In addition, it has a stack structure in which a plurality of power generation cells are stacked in multiple stages, and converts chemical energy into electrical energy by an electrochemical reaction based on hydrogen and oxygen in the air. In each power generation cell of the fuel cell stack 111, a reaction occurs in which hydrogen supplied to the anode is separated into hydrogen ions and electrons, the hydrogen ions pass through the electrolyte, and the electrons generate power through an external circuit, Each moves to the cathode. At the cathode, oxygen in the supplied air reacts with hydrogen ions and electrons that have moved through the electrolyte to produce water, which is discharged to the outside.

燃料電池スタック111の電解質としては、高エネルギ密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、例えば固体高分子電解質膜が用いられる。固体高分子電解質膜は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン(プロトン)伝導性の高分子膜からなるものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。   As the electrolyte of the fuel cell stack 111, for example, a solid polymer electrolyte membrane is used in consideration of high energy density, low cost, light weight, and the like. The solid polymer electrolyte membrane is made of an ion (proton) conductive polymer membrane such as a fluororesin ion exchange membrane, and functions as an ion conductive electrolyte when saturated with water.

本実施例の燃料電池スタック111の燃料電池単セル10の構成の概略を図2に示す。 固体高分子電解質膜12を電極触媒層(アノード触媒層13およびカソード触媒層14)ではさんで、さらに外側からガス拡散層(アノードガス拡散層15およびカソードガス拡散層16)ではさみ、膜電極接合体(MEA)11を形成し、アノード(燃料極)側には水素(燃料ガス)供給用のガス流路を表面に設けたアノードセパレータ17、カソード(酸化剤極)側には空気(酸化剤ガス)供給用のガス流路を表面に設けたカソードセパレータ18が取り付けられている。   An outline of the configuration of the single fuel cell 10 of the fuel cell stack 111 of this embodiment is shown in FIG. The solid polymer electrolyte membrane 12 is sandwiched between the electrode catalyst layers (the anode catalyst layer 13 and the cathode catalyst layer 14) and further sandwiched between the gas diffusion layers (the anode gas diffusion layer 15 and the cathode gas diffusion layer 16) from the outside, and membrane electrode bonding is performed. A body (MEA) 11 is formed, a gas flow path for supplying hydrogen (fuel gas) is provided on the anode (fuel electrode) side, and an air separator (oxidant electrode) side is provided with air (oxidant electrode). A cathode separator 18 having a gas flow path for supplying gas is provided on the surface.

なお本実施例では燃料ガスとして水素、酸化剤ガスとして空気を使用した。また、固体高分子電解質膜12としてパーフルオロスルホン酸膜を使用しているため、接合性を考慮し残留水保持機構においてもパーフルオロスルホン酸ポリマーを使用した。   In this embodiment, hydrogen is used as the fuel gas and air is used as the oxidant gas. In addition, since a perfluorosulfonic acid membrane is used as the solid polymer electrolyte membrane 12, a perfluorosulfonic acid polymer was also used in the residual water retention mechanism in consideration of bonding properties.

また、燃料電池スタック111の各発電セルの電圧は、セル電圧モニタ(図示せず)によってモニタリングされており、その情報が燃料電池システム100全体の動作制御を司るシステム制御装置141に送られている。また、燃料電池スタック111には、当該燃料電池スタック111の温度を検出する燃料電池温度センサ124が設置されており、その出力がシステム制御装置141に送られている。システム制御装置141は、これらセル電圧モニタからの情報や燃料電池温度センサ124からの出力により、燃料電池スタック111の発電状態や温度状態を監視している。   The voltage of each power generation cell of the fuel cell stack 111 is monitored by a cell voltage monitor (not shown), and the information is sent to the system control device 141 that controls the operation of the entire fuel cell system 100. . The fuel cell stack 111 is provided with a fuel cell temperature sensor 124 that detects the temperature of the fuel cell stack 111, and its output is sent to the system control device 141. The system control device 141 monitors the power generation state and temperature state of the fuel cell stack 111 based on information from the cell voltage monitor and output from the fuel cell temperature sensor 124.

燃料電池スタック111で発電を行うには、燃料ガスである水素や酸化剤ガスである空気をそれぞれ各発電セルのアノード(燃料極)やカソード(酸化剤極)に供給する必要があり、燃料電池システム100では、そのための機構として水素供給系および空気供給系が設けられている。   In order to generate power in the fuel cell stack 111, it is necessary to supply hydrogen as fuel gas and air as oxidant gas to the anode (fuel electrode) and cathode (oxidant electrode) of each power generation cell. In the system 100, a hydrogen supply system and an air supply system are provided as mechanisms for that purpose.

空気供給系では、燃料電池スタック111からの電力供給によって駆動されている電気モータおよびエアコンプレッサ113によって圧縮された空気は、空気供給経路126を介して加湿装置114に送られ、加湿装置114によって加湿された後、燃料電池スタック111のカソードに送られる。なお、加湿装置114は、排気中の水分を利用する水蒸気交換膜を用いたものや、外部から純水を供給するものなどを用いることができる。   In the air supply system, the electric motor driven by the power supply from the fuel cell stack 111 and the air compressed by the air compressor 113 are sent to the humidifier 114 via the air supply path 126 and humidified by the humidifier 114. Then, it is sent to the cathode of the fuel cell stack 111. As the humidifier 114, a device using a water vapor exchange membrane that uses moisture in the exhaust or a device that supplies pure water from the outside can be used.

また、水素供給系では、高圧水素タンク115によって供給された水素は、水素供給経路を通り、水素調圧弁128で所望の圧力に調圧され、水素循環ポンプ116により循環している排水素と合流した後、燃料電池スタック111のアノードに送られる。   In the hydrogen supply system, the hydrogen supplied from the high-pressure hydrogen tank 115 passes through the hydrogen supply path, is regulated to a desired pressure by the hydrogen pressure regulating valve 128, and joins the exhaust hydrogen circulated by the hydrogen circulation pump 116. After that, the fuel cell stack 111 is sent to the anode.

特に本実施例では、所定の条件下(燃料電池数タック111の温度が所定温度未満の場合)に、燃料電池スタック111のアノードへ供給する水素に、アノード酸素供給ポンプ151による適量の酸素を混合させて燃料電池スタック111に供給する。このとき、燃料電池スタック111のアノード触媒層13では、混合した酸素と水素とが反応して水を生成し、固体高分子電解質膜12へ吸収される。つまり、アノード側での膜の水収支のバランスがとられるように酸素が供給される。   In particular, in the present embodiment, an appropriate amount of oxygen by the anode oxygen supply pump 151 is mixed with hydrogen supplied to the anode of the fuel cell stack 111 under predetermined conditions (when the temperature of the fuel cell number tack 111 is lower than the predetermined temperature). And supplied to the fuel cell stack 111. At this time, in the anode catalyst layer 13 of the fuel cell stack 111, the mixed oxygen and hydrogen react to generate water, which is absorbed into the solid polymer electrolyte membrane 12. That is, oxygen is supplied so that the water balance of the membrane on the anode side is balanced.

また、冷却系200では、燃料電池スタック111の発電によって発生した熱を除去し、燃料電池スタック111を適温に保つ。 冷媒循環ポンプ119によって圧送された冷却水(冷媒)は、燃料電池スタック111を通って熱を吸収した後、冷却水循環経路を通り、冷媒熱交換器123でシステム外部へ熱を排熱して、再び冷却水循環ポンプ119で燃料電池スタック111へ圧送される。また冷媒入口温度センサ120や冷媒出口温度センサ121等で冷却水温度をモニタしながら、冷却水循環ポンプ119により冷媒循環流量を制御して、燃料電池スタック111の発電に適正な温度に調整される。   Further, the cooling system 200 removes the heat generated by the power generation of the fuel cell stack 111 and keeps the fuel cell stack 111 at an appropriate temperature. The cooling water (refrigerant) pumped by the refrigerant circulation pump 119 absorbs heat through the fuel cell stack 111, passes through the cooling water circulation path, exhausts heat to the outside of the system by the refrigerant heat exchanger 123, and again It is pumped to the fuel cell stack 111 by the cooling water circulation pump 119. Further, while monitoring the coolant temperature with the coolant inlet temperature sensor 120, the coolant outlet temperature sensor 121, etc., the coolant circulation flow rate is controlled by the coolant circulation pump 119, and the temperature is adjusted to an appropriate temperature for power generation of the fuel cell stack 111.

さらに、システム制御装置141は、例えばCPUやROM、PROM、RAM、周辺インターフェース等を有するマイクロコンピュータとして構成されており、水素供給系、空気供給系、冷却機構および外部回路131の各種センサや他の各種センサからの検知信号を読み込んで、その検出値に対する判断、演算結果により、各種制御信号を出力して、燃料電池システム100の各部における動作を制御する。   Further, the system control device 141 is configured as a microcomputer having, for example, a CPU, ROM, PROM, RAM, peripheral interface, etc., and includes various sensors for the hydrogen supply system, air supply system, cooling mechanism, external circuit 131, and other The detection signals from the various sensors are read, and various control signals are output according to the judgments on the detected values and the calculation results, thereby controlling the operation of each part of the fuel cell system 100.

システム制御装置141は、構成要素として温度判定手段、第1の膜湿潤状態検知手段、第2の膜湿潤状態検知手段およびガス供給制御手段を備えているが、これらはCPU上で実行されるプログラムの機能的なまとまりを表したものである。また、燃料電池システム100の運転停止時における停止運転条件を記録する記録手段は、PROM等(書き込み可能な不揮発性記録媒体であれば何でもよい)で実現されている。   The system control device 141 includes a temperature determination unit, a first film wet state detection unit, a second film wet state detection unit, and a gas supply control unit as components, which are programs executed on the CPU. It represents the functional unit of. Further, the recording means for recording the stop operation condition when the fuel cell system 100 is stopped is realized by a PROM or the like (any writable nonvolatile recording medium may be used).

温度判定手段は、温度検知手段(燃料電池温度センサ124または冷媒入口温度センサ120および冷媒出口温度センサ121)により検知した燃料電池スタック111の温度が所定温度以下であるか否かを判定する。なお、燃料電池スタック111の温度検知は、本実施例のように、燃料電池温度センサ124による実際の温度の検出、或いは、冷媒入口温度センサ120およびまたは冷媒出口温度センサ121による温度の推定によってもよいし、これらのセンサが設置されていない場合には外気温センサにより推定してもよい。ここで、推定温度は、燃料電池スタック111の構造仕様や前回運転時の運転時間および前回運転終了時から現在までの経過時間等に基づく補正式により算出可能である。   The temperature determination unit determines whether or not the temperature of the fuel cell stack 111 detected by the temperature detection unit (the fuel cell temperature sensor 124 or the refrigerant inlet temperature sensor 120 and the refrigerant outlet temperature sensor 121) is equal to or lower than a predetermined temperature. Note that the temperature detection of the fuel cell stack 111 can also be performed by detecting the actual temperature by the fuel cell temperature sensor 124 or by estimating the temperature by the refrigerant inlet temperature sensor 120 and / or the refrigerant outlet temperature sensor 121 as in this embodiment. Alternatively, when these sensors are not installed, it may be estimated by an outside air temperature sensor. Here, the estimated temperature can be calculated by a correction formula based on the structural specifications of the fuel cell stack 111, the operation time at the previous operation, the elapsed time from the end of the previous operation to the present, and the like.

また、第1の膜湿潤状態検知手段および第2の膜湿潤状態検知手段は、それぞれ固体高分子電解質膜の湿潤状態を検知する。   The first membrane wet state detection means and the second membrane wet state detection means detect the wet state of the solid polymer electrolyte membrane, respectively.

また、ガス供給制御手段は、燃料電池から負荷を取り出す前に、温度判定手段により所定温度以下であると判定されたとき、アノード酸素供給ポンプ151(アノード酸素供給手段)により、アノード(燃料極)に第1の膜湿潤状態検知手段により検知した膜湿潤状態に応じた酸素量を含むガスを混合して供給させ、また、燃料電池スタック111の発電中に、温度判定手段により所定温度以下であると判定されたとき、アノード酸素供給ポンプ151(アノード酸素供給手段)により、アノード(燃料極)に第2の膜湿潤状態検知手段により検知した膜湿潤状態に応じた酸素を含むガスを混合して供給させる。   Further, the gas supply control means, when it is determined by the temperature determination means that the temperature is equal to or lower than the predetermined temperature before taking out the load from the fuel cell, the anode (fuel electrode) is detected by the anode oxygen supply pump 151 (anode oxygen supply means). Gas containing an oxygen amount corresponding to the film wet state detected by the first film wet state detection means is mixed and supplied, and during power generation of the fuel cell stack 111, the temperature is determined to be lower than a predetermined temperature by the temperature determination means. Is determined, the anode oxygen supply pump 151 (anode oxygen supply means) mixes a gas containing oxygen corresponding to the film wet state detected by the second film wet state detection means into the anode (fuel electrode). Supply.

次に、本実施例の燃料電池システムの起動時の動作説明を行う前に、図3および図4を参照して、従来の課題と本発明による対処法について原理的な説明をしておく。ここで、図3は従来の燃料電池単セルにおける水挙動を模式的に説明する説明図であり、図4は本発明の燃料電池単セルにおける水挙動を模式的に説明する説明図である。   Next, before explaining the operation at the start of the fuel cell system of the present embodiment, the principle of the conventional problem and the countermeasures according to the present invention will be described with reference to FIGS. Here, FIG. 3 is an explanatory view for schematically explaining the water behavior in the conventional single fuel cell, and FIG. 4 is an explanatory view for schematically explaining the water behavior in the single fuel cell of the present invention.

固体高分子電解質膜12は膜に十分な水を含んでいないと、プロトン伝導度が低下してその結果燃料電池スタック性能が低下する。従って、固体高分子電解質膜12の中の水をコントロールすることが燃料電池スタック設計として肝要である。   If the solid polymer electrolyte membrane 12 does not contain sufficient water, the proton conductivity is lowered and, as a result, the fuel cell stack performance is lowered. Therefore, it is important as a fuel cell stack design to control the water in the solid polymer electrolyte membrane 12.

図3に示すように、固体高分子電解質膜12内の水移動現象は、大別すると以下の2つである。すなわち、第1に、水濃度勾配による拡散移動(流束Qr)であり、第2に、プロトン移動時にプロトンが引き連れていくために起こる電気浸透(流束Qd)である。また、この他にも、アノードガスと膜との移動(流束Qa)およびカソードガスと膜との移動(流束Qc)があり、これらが合わさって水バランスが取られている。   As shown in FIG. 3, the water movement phenomenon in the solid polymer electrolyte membrane 12 is roughly divided into the following two. That is, the first is diffusion movement (flux Qr) due to a water concentration gradient, and the second is electroosmosis (flux Qd) that occurs because protons are attracted during proton movement. In addition to this, there is a movement between the anode gas and the membrane (flux Qa) and a movement between the cathode gas and the membrane (flux Qc), and these are combined to achieve water balance.

常温運転時には、固体高分子電解質膜12中の水拡散量(流束Qr)が比較的多く、また、アノードに加湿した水素(燃料ガス)を供給することも可能であるため、電気浸透によってアノードから失われる水量(流束Qd)を、カソードからアノードへの拡散水量(流束Qr)、加湿ガスによる加湿水量(流束Qa)を釣り合わせることで、発電を行うことができる。   During normal temperature operation, the amount of water diffusion (flux Qr) in the solid polymer electrolyte membrane 12 is relatively large, and humidified hydrogen (fuel gas) can be supplied to the anode. The amount of water lost from the water (flux Qd) can be generated by balancing the amount of diffusion water (flux Qr) from the cathode to the anode and the amount of humidified water (flux Qa) from the humidified gas.

しかしながら、零下発電時(例えば−30℃といった場合)には、本実施例で使用するパーフルオロスルホン酸ポリマー膜で膜中の拡散係数を測定したところ、常温に比べて著しく拡散水量(流束Qr)が低下することが分かっている。 また供給するガス温度が低いので飽和蒸気圧が低く、アノードへ加湿ガスによって供給する水量はほとんど期待できない。すなわち、零下発電においては、アノードをドライアウトさせないためには電気浸透水を小さくする他に方法がなく、電気浸透水量(流束Qd)は移動するプロトン量と比例することから、取り出し電流を非常に小さくしなくてはならないことと同意である。   However, during sub-zero power generation (for example, at −30 ° C.), when the diffusion coefficient in the membrane was measured with the perfluorosulfonic acid polymer membrane used in this example, the amount of diffusion water (flux Qr) was significantly higher than that at room temperature. ) Is known to decrease. Further, since the gas temperature to be supplied is low, the saturated vapor pressure is low, and the amount of water supplied to the anode by the humidified gas can hardly be expected. That is, in sub-zero power generation, there is no other way to reduce the electroosmotic water in order to prevent the anode from being dried out, and the amount of electroosmotic water (flux Qd) is proportional to the amount of protons that move, so the extraction current is very I agree that it must be small.

このため、零下雰囲気からの発電においては、燃料電池スタック111の温度が上昇して、供給ガスによる加湿(流束Qa)および拡散移動水量(流束Qr)が大きくなるまで、取り出し電流を制限(即ち、出力制限)しなくてはならず、自動車向けに搭載した場合、十分な暖機運転を要するなどの事情があった。   Therefore, in power generation from a sub-zero atmosphere, the extraction current is limited until the temperature of the fuel cell stack 111 rises and the humidification (flux Qa) and the amount of diffusion movement water (flux Qr) by the supply gas increase ( That is, there is a circumstance that a sufficient warm-up operation is required when mounted for automobiles.

そこで、本発明では、所定の条件下で、燃料電池スタック111のアノードへ供給する水素に、アノード酸素供給ポンプ151による適量の酸素を混合させて燃料電池スタック111に供給するようにし、図4に示すように、燃料電池スタック111のアノード触媒層13では、混合した酸素と水素とが反応して水を生成し、固体高分子電解質膜12へ吸収されるようにしている。つまり、アノード触媒層13での水生成反応によって生成された水量(流束Qp)により、アノード側での膜の水収支のバランスがとられることとなり、零下雰囲気といった膜へ水を供給しがたい条件においても固体高分子電解質膜へ水を供給して、相対的に取り出し電流の制限(即ち、出力制限)を緩和することができる。   Therefore, in the present invention, under a predetermined condition, hydrogen supplied to the anode of the fuel cell stack 111 is mixed with an appropriate amount of oxygen by the anode oxygen supply pump 151 and supplied to the fuel cell stack 111. FIG. As shown, in the anode catalyst layer 13 of the fuel cell stack 111, the mixed oxygen and hydrogen react to generate water, which is absorbed by the solid polymer electrolyte membrane 12. That is, the amount of water (flux Qp) generated by the water generation reaction in the anode catalyst layer 13 balances the water balance of the membrane on the anode side, making it difficult to supply water to a membrane such as a sub-zero atmosphere. Even under the conditions, water can be supplied to the solid polymer electrolyte membrane, and the restriction on the extraction current (that is, the output restriction) can be relaxed relatively.

次に、以上のように構成される本実施例の燃料電池システムの起動時の動作について、図5を参照しながら説明する。ここで、図5は、本実施例の燃料電池システムにおける起動制御を説明するフローチャートである。   Next, the operation at the start-up of the fuel cell system of the present embodiment configured as described above will be described with reference to FIG. Here, FIG. 5 is a flowchart for explaining start-up control in the fuel cell system of the present embodiment.

図5に示す制御フローは負荷取り出しの前後で2つに大別することができる。1つは、起動前に固体高分子電解質膜12の含水状態から、そのままでは所望の電流を取り出すことが出来ないほど乾燥している場合に、負荷を取り出す前にアノードへ所定量の酸素を含んだ水素(燃料ガス)を供給してアノードを加湿するアノード加湿シーケンス(ステップS101〜S107)であり、もう1つは、燃料電池スタック111の温度が所定温度未満(零下)の状態で発電を継続的に行っているときに、アノード側がドライアウトしそうな場合に、負荷に応じた酸素をアノードへ供給するドライアウト防止シーケンス(ステップS108〜S113)である。   The control flow shown in FIG. 5 can be roughly divided into two types before and after taking out the load. One is that when the solid polymer electrolyte membrane 12 is dried so that a desired current cannot be taken out as it is before the start-up, a predetermined amount of oxygen is contained in the anode before taking out the load. This is an anode humidification sequence (steps S101 to S107) for supplying hydrogen (fuel gas) to humidify the anode, and the other is to continue power generation with the temperature of the fuel cell stack 111 being lower than a predetermined temperature (below zero). This is a dry-out prevention sequence (steps S108 to S113) in which oxygen corresponding to the load is supplied to the anode when the anode side is likely to dry out.

まず、燃料電池スタック111が起動されると、起動開始シーケンスを実行する(ステップS101)。   First, when the fuel cell stack 111 is activated, an activation start sequence is executed (step S101).

次に、温度判定手段により燃料電池スタック111の温度が所定温度未満かどうかを判定する(ステップS102)。 ここで、燃料電池スタック111の温度は、燃料電池温度センサ124による実際の温度検出、或いは冷媒出口温度センサ121の検出値に基づく推定により得る。燃料電池スタック111の温度が所定温度を超えている場合は通常起動シーケンス(ステップS103)に移行し。 所定温度未満の場合はステップS104に進む。   Next, it is determined by the temperature determination means whether the temperature of the fuel cell stack 111 is lower than a predetermined temperature (step S102). Here, the temperature of the fuel cell stack 111 is obtained by actual temperature detection by the fuel cell temperature sensor 124 or estimation based on a detection value of the refrigerant outlet temperature sensor 121. When the temperature of the fuel cell stack 111 exceeds the predetermined temperature, the process proceeds to a normal activation sequence (step S103). If the temperature is lower than the predetermined temperature, the process proceeds to step S104.

燃料電池スタック111の温度が所定温度未満の場合は、第1の膜湿潤状態検知手段により固体高分子電解質膜12の湿潤状態を検知して、膜がそのまま所望の負荷電流を取り出せるだけ湿潤しているかどうかを判定する(ステップS104)。固体高分子電解質膜12の湿潤状態に応じて、予め実測によって求めた湿潤状態閾値を超える乾燥状態と判定されたならステップS105へ進み、湿潤状態閾値未満の十分に湿っている湿潤状態と判定されたなら負荷の取り出しを開始する零下起動シーケンス(ステップS108)へ進む。   When the temperature of the fuel cell stack 111 is lower than the predetermined temperature, the first membrane wet state detection means detects the wet state of the solid polymer electrolyte membrane 12, and the membrane is wet enough to take out a desired load current. It is determined whether or not (step S104). If it is determined that the dry state exceeds the wet state threshold determined in advance by actual measurement in accordance with the wet state of the solid polymer electrolyte membrane 12, the process proceeds to step S105, where it is determined that the wet state is sufficiently wet below the wet state threshold. If so, the process proceeds to a below-zero activation sequence (step S108) for starting to take out the load.

ここで、第1の膜湿潤状態検知手段による固体高分子電解質膜12の湿潤状態の検知方法としては、以下の方法がある。   Here, as a method for detecting the wet state of the solid polymer electrolyte membrane 12 by the first membrane wet state detecting means, there are the following methods.

第1の方法は、PROM等(書き込み可能な不揮発性記憶媒体)に記録した前回運転停止時のオペレーション条件や停止期間中の外気温の温度履歴などから固体高分子電解質膜12の湿潤状態を推定する方法である。   In the first method, the wet state of the solid polymer electrolyte membrane 12 is estimated from the operation conditions at the time of the previous operation stop recorded in a PROM or the like (a writable non-volatile storage medium) or the temperature history of the outside air temperature during the stop period. It is a method to do.

第2の方法は、アノードに水素(燃料ガス)、カソードに空気(酸化剤ガス)をそれぞれ供給させて燃料電池スタック111の開放端電圧をモニタし、該開放端電圧と固体高分子電解質膜12のガス透過係数および含水率の関係に基づき固体高分子電解質膜12の湿潤状態を推定する方法である。つまり、固体高分子電解質膜12はガスの透過と膜含水率(湿潤状態)と比例関係があることから、ガス供給を行って、開放端電圧値(OCV)の高さから検知するものである。例えば、開放端電圧値(OCV)が低い場合は、ガスの透過量が多いため膜は湿潤状態であり、開放端電圧値(OCV)が高い場合は、相対的に膜は乾燥状態にあると判断できる。   In the second method, hydrogen (fuel gas) is supplied to the anode and air (oxidant gas) is supplied to the anode to monitor the open end voltage of the fuel cell stack 111, and the open end voltage and the solid polymer electrolyte membrane 12 are monitored. This is a method for estimating the wet state of the solid polymer electrolyte membrane 12 based on the relationship between the gas permeability coefficient and the water content. That is, since the solid polymer electrolyte membrane 12 has a proportional relationship between gas permeation and membrane moisture content (wet state), gas is supplied to detect from the level of the open-circuit voltage value (OCV). . For example, when the open-circuit voltage value (OCV) is low, the amount of gas permeation is large and the membrane is in a wet state. When the open-circuit voltage value (OCV) is high, the membrane is relatively dry. I can judge.

第3の方法は、固体高分子電解質膜12の電気抵抗の変化を測定または推定することにより固体高分子電解質膜の湿潤状態を推定する方法である。固体高分子電解質12の電気抵抗の変化から膜の湿潤状態を検知するもので、例えば、固体高分子電解質膜12の電気抵抗が低い場合には膜は湿潤状態であり、電気抵抗が高い場合は、相対的に膜は乾燥状態にあると判断できる。   The third method is a method of estimating the wet state of the solid polymer electrolyte membrane by measuring or estimating the change in the electrical resistance of the solid polymer electrolyte membrane 12. For example, when the electric resistance of the solid polymer electrolyte membrane 12 is low, the membrane is in a wet state, and when the electric resistance is high. It can be judged that the film is relatively dry.

ステップS104において、第1の膜湿潤状態検知手段により固体高分子電解質膜12が湿潤状態閾値を超える乾燥状態と判定された場合には、負荷取り出し前に該湿潤状態閾値に達するまで固体高分子電解質膜12をぬらすために、ガス供給制御手段によりアノード酸素供給ポンプ151を作動して、乾燥状態に応じた時間だけアノードへ水素(燃料ガス)に酸素を混合して供給する(ステップS105〜S107)。   In step S104, if the first membrane wet state detection means determines that the solid polymer electrolyte membrane 12 is in a dry state exceeding the wet state threshold, the solid polymer electrolyte is reached until the wet state threshold is reached before the load is taken out. In order to wet the membrane 12, the anode oxygen supply pump 151 is operated by the gas supply control means, and oxygen (hydrogen gas) is mixed and supplied to the anode for a time corresponding to the dry state (steps S105 to S107). .

ここで、酸素の混合供給時間は、第1の湿潤状態検知手段によって検知された値に応じて決める。つまり、アノード酸素供給ポンプ151(ポンプの駆動動力=単位時間あたり供給量が既知)を供給時間だけ作動して、検知した膜湿潤状態に応じた酸素量分を供給するようにする。なお、固体高分子電解質膜12の湿潤状態推定方法として、第2の方法(開放端電圧値から推定)または第3の方法(電気抵抗の変化から推定)を用いる場合には、混合供給しながら固体高分子電解質膜12の湿潤状態の変化を検知できるので、湿潤状態の検知毎に供給時間をカウントダウンさせるようにしてもよい。   Here, the mixed supply time of oxygen is determined according to the value detected by the first wet state detecting means. That is, the anode oxygen supply pump 151 (pump driving power = a supply amount per unit time is known) is operated for a supply time so as to supply an oxygen amount corresponding to the detected film wet state. When the second method (estimated from the open-circuit voltage value) or the third method (estimated from the change in electrical resistance) is used as the wet state estimation method of the solid polymer electrolyte membrane 12, while supplying the mixture Since the change in the wet state of the solid polymer electrolyte membrane 12 can be detected, the supply time may be counted down every time the wet state is detected.

図5では、まず、乾燥状態に応じた供給時間t1を設定し(ステップS105)、アノードへの酸素混合供給する(ステップS106)。次に、アノードへの酸素混合供給を開始して(供給開始時刻t0)から供給時間t1に達したか否かを判断し(ステップS107)、供給時間t1に達していれば、負荷の取り出しを開始する零下起動シーケンス(ステップS108)に進み、供給時間t1に達していなければ、ステップS106に戻ってアノードへの酸素混合供給を継続するようにしている。   In FIG. 5, first, the supply time t1 corresponding to the dry state is set (step S105), and the oxygen mixture is supplied to the anode (step S106). Next, it is determined whether or not the supply time t1 has been reached since the oxygen mixed supply to the anode is started (supply start time t0) (step S107). If the supply time t1 has been reached, the load is taken out. The process proceeds to the starting below zero sequence (step S108) to start, and if the supply time t1 has not been reached, the process returns to step S106 to continue the oxygen mixture supply to the anode.

なお、酸素の混合供給量を増やすことで供給時間を短縮してもよく、その場合は(酸素濃度センサ152で確認しながら)酸素濃度を増やすか、或いはアノードへの供給量を増やすかすると良い。また、酸素の混合供給量を、上述のようにアノード酸素供給ポンプ151の駆動動力から決めても良いし、酸素濃度センサ152を水素供給経路に設けて、所望の濃度になるようにアノード酸素供給ポンプ151を制御しても良い。   Note that the supply time may be shortened by increasing the mixed supply amount of oxygen. In this case, it is preferable to increase the oxygen concentration or increase the supply amount to the anode (checking with the oxygen concentration sensor 152). . Further, the mixed supply amount of oxygen may be determined from the driving power of the anode oxygen supply pump 151 as described above, or the oxygen concentration sensor 152 is provided in the hydrogen supply path to supply the anode oxygen so as to obtain a desired concentration. The pump 151 may be controlled.

以上のシーケンス(ステップS101〜S107)によって、固体高分子電解質膜12の乾燥しすぎによる、負荷取り出し時の大幅なセル電圧低下によるフェールを防ぐことができる。   By the above sequence (steps S101 to S107), it is possible to prevent a failure due to a significant cell voltage drop at the time of load removal due to excessive drying of the solid polymer electrolyte membrane 12.

次に零下起動シーケンスの説明に移る。負荷取り出し前にアノードを湿潤状態にしておいても、固体高分子電解質膜12の水移動特性(零下での水拡散係数や電気浸透係数)、取り出し電流密度、所定温度に達するまでの時間、或いは電極面内での発電分布によっては、アノード触媒層13近傍の固体高分子電解質膜12がドライアウトすることは十分に考えられる。   Next, a description will be given of the below-zero startup sequence. Even if the anode is in a wet state before the load is taken out, the water movement characteristics (water diffusion coefficient and electroosmosis coefficient under zero) of the solid polymer electrolyte membrane 12, take-out current density, time to reach a predetermined temperature, or Depending on the power generation distribution in the electrode plane, the solid polymer electrolyte membrane 12 in the vicinity of the anode catalyst layer 13 is considered to dry out.

したがって、本実施例では、負荷取り出し開始後の発電中においても、固体高分子電解質膜12の湿潤状態を検知することにより、アノードでのドライアウト傾向を判断し、ドライアウト傾向にあると判断されるときには酸素の供給を行うこととしている。   Therefore, in the present embodiment, even during power generation after the start of taking out the load, by detecting the wet state of the solid polymer electrolyte membrane 12, the tendency to dry out at the anode is determined, and it is determined that there is a tendency to dry out. It is supposed to supply oxygen when

まず、第2の膜湿潤状態検知手段により固体高分子電解質膜12の湿潤状態を検知して、膜がそのまま所望の負荷電流を取り出せるだけ湿潤しているかどうかを判定する(ステップS109)。固体高分子電解質膜12の湿潤状態に応じて、予め実測によって求めた湿潤状態閾値を超える乾燥状態と判定されたならステップS111へ進み、湿潤状態閾値未満の十分に湿っている湿潤状態と判定されたならステップS110へ進む。   First, the wet state of the solid polymer electrolyte membrane 12 is detected by the second membrane wet state detection means, and it is determined whether or not the membrane is wet enough to extract a desired load current (step S109). If it is determined that the dry state exceeds the wet state threshold determined in advance by actual measurement according to the wet state of the solid polymer electrolyte membrane 12, the process proceeds to step S111, and the wet state is determined to be sufficiently wet below the wet state threshold. If so, go to Step S110.

ここで、第2の膜湿潤状態検知手段による固体高分子電解質膜12の湿潤状態の検知方法としては、第1の膜湿潤状態検知手段における第2または第3の方法を用いることができる。   Here, as the method for detecting the wet state of the solid polymer electrolyte membrane 12 by the second membrane wet state detecting means, the second or third method in the first membrane wet state detecting means can be used.

ステップS109において、第2の膜湿潤状態検知手段により固体高分子電解質膜12が湿潤状態閾値を超える乾燥状態と判定された場合には、ガス供給制御手段によりアノード酸素供給ポンプ151を作動して、乾燥状態に応じた時間だけアノードへ水素(燃料ガス)に酸素を混合して供給する(ステップS110)。なお、ステップS110の酸素の混合供給は、フィードバック制御により湿潤状態閾値未満の十分に湿っている湿潤状態と判定されるまで継続される。   In step S109, when the second membrane wet state detection means determines that the solid polymer electrolyte membrane 12 is in a dry state exceeding the wet state threshold, the gas supply control means operates the anode oxygen supply pump 151, Oxygen is mixed with hydrogen (fuel gas) and supplied to the anode for a time corresponding to the dry state (step S110). Note that the mixed supply of oxygen in step S110 is continued until it is determined by the feedback control that the wet state is sufficiently wet below the wet state threshold.

ステップS109において、第2の膜湿潤状態検知手段により固体高分子電解質膜12が湿潤状態閾値未満の十分に湿っている湿潤状態と判定された場合には、ガス供給制御手段により、アノード酸素供給ポンプ151による酸素混合供給を停止する(ステップS111)。   In step S109, if the second membrane wet state detection means determines that the solid polymer electrolyte membrane 12 is sufficiently wet below the wet state threshold, the gas supply control means causes the anode oxygen supply pump to The oxygen mixture supply by 151 is stopped (step S111).

次に、温度判定手段により燃料電池スタック111の温度が所定温度未満かどうかを判定する(ステップS112)。燃料電池スタック111の温度が所定温度を超えている場合は零下起動を終了(ステップS113)して、通常運転(ステップS114)に移行し。 所定温度未満の場合はステップS109に戻り、暖機運転により燃料電池スタック111の温度が所定温度に達するのを待つ。   Next, it is determined by the temperature determination means whether the temperature of the fuel cell stack 111 is lower than a predetermined temperature (step S112). If the temperature of the fuel cell stack 111 exceeds the predetermined temperature, the start-up below zero is terminated (step S113), and the routine proceeds to normal operation (step S114). If the temperature is lower than the predetermined temperature, the process returns to step S109 and waits for the temperature of the fuel cell stack 111 to reach the predetermined temperature by the warm-up operation.

なお、ステップS110の酸素の混合供給における供給量は、上述のように第1の膜湿潤状態検知手段における第2または第3の方法を用いたフィードバック制御によれば精度よく供給制御可能であるが、より簡便に行う場合には、外部回路131に取り出している電流値に比例した供給量を供給するようにしてもよい。   The supply amount in the mixed supply of oxygen in step S110 can be accurately controlled by feedback control using the second or third method in the first film wet state detection means as described above. In the case of performing more simply, a supply amount proportional to the current value taken out to the external circuit 131 may be supplied.

以上のシーケンス(ステップS108〜S113)により、固体高分子電解質膜12のドライアウトを防ぎながら発電を継続していくことで、発電による発熱によって燃料電池スタック111は昇温されて通常運転に移行することができる。   With the above sequence (steps S108 to S113), by continuing power generation while preventing dry-out of the solid polymer electrolyte membrane 12, the temperature of the fuel cell stack 111 is raised due to heat generated by the power generation and shifts to normal operation. be able to.

以上説明したように、本実施例の燃料電池システムでは、固体高分子電解質膜12と、固体高分子電解質膜12を挟む電極触媒層13,14およびガス拡散層15,16と、を含む膜電極構造体11と、電極触媒層の燃料極13に水素を含む燃料ガスを、電極触媒層の酸素極14に酸素を含む酸化剤ガスをそれぞれ供給する流路を備えたセパレータ17,18と、を有し、膜電極構造体11をセパレータ17,18で挟持したセル10を、所定の出力が得られる数分積層し、燃料極(アノード)および酸化剤極(カソード)にそれぞれ供給される燃料ガス(水素)および酸化剤ガス(酸素)の電気化学反応により発電を行う燃料電池スタック111と、アノード(燃料極)に水素(燃料ガス)を供給する水素供給系(燃料ガス供給手段)と、カソード(酸化剤極)に空気(酸化剤ガス)を供給する空気供給系(酸化剤ガス供給手段)と、を備える燃料電池システムにおいて、アノード酸素供給ポンプ(アノード酸素供給手段)151により、アノード触媒層(電極触媒層の燃料極)13に酸素を含むガスを混合して供給するようにしている。   As described above, in the fuel cell system of this embodiment, the membrane electrode including the solid polymer electrolyte membrane 12, the electrode catalyst layers 13 and 14 and the gas diffusion layers 15 and 16 sandwiching the solid polymer electrolyte membrane 12 is used. And separators 17 and 18 each having a flow path for supplying a fuel gas containing hydrogen to the fuel electrode 13 of the electrode catalyst layer and an oxidant gas containing oxygen to the oxygen electrode 14 of the electrode catalyst layer. The cell 10 having the membrane electrode structure 11 sandwiched between the separators 17 and 18 is stacked for several times to obtain a predetermined output, and supplied to the fuel electrode (anode) and the oxidant electrode (cathode), respectively. A fuel cell stack 111 that generates electricity by an electrochemical reaction between (hydrogen) and an oxidant gas (oxygen); a hydrogen supply system (fuel gas supply means) that supplies hydrogen (fuel gas) to the anode (fuel electrode); In a fuel cell system comprising an air supply system (oxidant gas supply means) for supplying air (oxidant gas) to a sword (oxidant electrode), an anode oxygen supply pump (anode oxygen supply means) 151 causes an anode catalyst A gas containing oxygen is mixed and supplied to the layer (fuel electrode of the electrode catalyst layer) 13.

このように、アノード酸素供給ポンプ(アノード酸素供給手段)151により燃料極に酸素を含むガスを混合して供給できるので、零下雰囲気といった固体高分子電解質膜12へ水を供給しがたい条件においても固体高分子電解質膜12へ水を供給することができ、相対的に取り出し電流の制限を緩和することができ、結果として零下雰囲気においてもより短い時間で安定して起動可能な燃料電池システムを実現することができる。   As described above, the anode oxygen supply pump (anode oxygen supply means) 151 can mix and supply oxygen-containing gas to the fuel electrode, so even under conditions where it is difficult to supply water to the solid polymer electrolyte membrane 12 such as a subzero atmosphere. Water can be supplied to the solid polymer electrolyte membrane 12 and the restriction on the extraction current can be relatively relaxed. As a result, a fuel cell system that can be stably started in a shorter time in a sub-zero atmosphere is realized. can do.

また、本実施例の燃料電池システムでは、燃料電池スタック111の温度を、燃料電池温度センサ124または冷媒入口温度センサ120および冷媒出口温度センサ121(温度検知手段)により検出または推定し、システム制御装置141において、温度判定手段により、温度検知手段による検知温度が所定温度以下であるか否かを判定し、第1の膜湿潤状態検知手段により、固体高分子電解質膜12の湿潤状態を検知し、ガス供給制御手段では、燃料電池スタック111から負荷を取り出す前に、温度判定手段により所定温度以下であると判定されたとき、アノード酸素供給ポンプ(アノード酸素供給手段)151により、アノード触媒層(電極触媒層の燃料極)13に第1の膜湿潤状態検知手段により検知した膜湿潤状態に応じた酸素量を含むガスを混合して供給させる。   Further, in the fuel cell system of the present embodiment, the temperature of the fuel cell stack 111 is detected or estimated by the fuel cell temperature sensor 124 or the refrigerant inlet temperature sensor 120 and the refrigerant outlet temperature sensor 121 (temperature detection means), and the system control device 141, the temperature determination means determines whether or not the temperature detected by the temperature detection means is equal to or lower than a predetermined temperature, and the first membrane wet state detection means detects the wet state of the solid polymer electrolyte membrane 12. In the gas supply control means, when the temperature determination means determines that the temperature is equal to or lower than the predetermined temperature before the load is taken out from the fuel cell stack 111, the anode oxygen supply pump (anode oxygen supply means) 151 causes the anode catalyst layer (electrode) Oxygen corresponding to the membrane wet state detected by the first membrane wet state detecting means on the fuel electrode 13 of the catalyst layer) Mixing the gas containing it is supplied.

このように、アノード触媒層13へ固体高分子電解質膜12の湿潤状態に応じた酸素を含むガスを混合して供給するので、アノードへ過剰に酸素を供給してアノードフラッディングさせたりすることがなく、またフラッディングに至らなくても必要以上に酸素供給してしまうことによる燃費の悪化を防ぐことができる。   As described above, since the gas containing oxygen corresponding to the wet state of the solid polymer electrolyte membrane 12 is mixed and supplied to the anode catalyst layer 13, oxygen is not excessively supplied to the anode to cause anode flooding. In addition, it is possible to prevent deterioration in fuel consumption due to supplying oxygen more than necessary even without flooding.

また、本実施例の燃料電池システムでは、燃料電池スタック111の温度を、燃料電池温度センサ124または冷媒入口温度センサ120および冷媒出口温度センサ121(温度検知手段)により検出または推定し、システム制御装置141において、温度判定手段により、温度検知手段による検知温度が所定温度以下であるか否かを判定し、第2の膜湿潤状態検知手段により、固体高分子電解質膜12の湿潤状態を検知し、ガス供給制御手段では、燃料電池スタック111が発電中に、温度判定手段により所定温度以下であると判定されたとき、アノード酸素供給ポンプ(アノード酸素供給手段)151により、アノード触媒層(電極触媒層の燃料極)13に第2の膜湿潤状態検知手段により検知した膜湿潤状態に応じた酸素量を含むガスを混合して供給させる。   Further, in the fuel cell system of the present embodiment, the temperature of the fuel cell stack 111 is detected or estimated by the fuel cell temperature sensor 124 or the refrigerant inlet temperature sensor 120 and the refrigerant outlet temperature sensor 121 (temperature detection means), and the system control device 141, the temperature determination means determines whether or not the temperature detected by the temperature detection means is equal to or lower than a predetermined temperature, and the second membrane wet state detection means detects the wet state of the solid polymer electrolyte membrane 12, In the gas supply control means, when the fuel cell stack 111 is determined to be below a predetermined temperature by the temperature determination means during power generation, the anode oxygen supply pump (anode oxygen supply means) 151 causes the anode catalyst layer (electrode catalyst layer). Gas containing an oxygen amount corresponding to the film wet state detected by the second film wet state detection means. Mixture to be supplied.

このように、第2の膜湿潤状態検知手段によって固体高分子電解質膜12が乾燥傾向にあると判断されたときに、アノード触媒層13へ固体高分子電解質膜12の湿潤状態に応じた酸素を含むガスを混合して供給するので、発電中にドライアウトして出力低下してしまうことを防ぐことができる。   Thus, when it is determined by the second membrane wet state detection means that the solid polymer electrolyte membrane 12 has a tendency to dry, oxygen corresponding to the wet state of the solid polymer electrolyte membrane 12 is supplied to the anode catalyst layer 13. Since the gas to be mixed is supplied, it is possible to prevent the output from decreasing due to dryout during power generation.

また、本実施例の燃料電池システムでは、システム制御装置141において、膜湿潤状態判定手段により、第1の膜湿潤状態検知手段または第2の膜湿潤状態検知手段によって検知された膜湿潤状態が予め設定された閾値に基づく乾燥状態であるか否かを判定し、ガス供給制御手段においては、膜湿潤状態判定手段により乾燥状態であると判定された場合にのみ、アノード酸素供給ポンプ(アノード酸素供給手段)151により、アノード触媒層(電極触媒層の燃料極)13に酸素を含むガスを混合して供給させる。   Further, in the fuel cell system of the present embodiment, in the system controller 141, the film wet state detected by the first film wet state detection unit or the second film wet state detection unit is previously determined by the film wet state determination unit. It is determined whether or not the dry state is based on the set threshold value, and the gas supply control means determines that the anode oxygen supply pump (anode oxygen supply) only when the film wet state determination means determines that it is in the dry state. Means) 151 mixes and supplies oxygen-containing gas to anode catalyst layer (fuel electrode of electrode catalyst layer) 13.

このように、膜湿潤状態判定手段によって予め設定された閾値よりも乾燥している場合のみアノード触媒層へ酸素を含むガスを混合して供給するので、固体高分子電解質膜12へ水を供給する必要がないような場合には、酸素の混合供給のためのシーケンスを省略することができ、起動時間をより短くすることができる。 また必要のない酸素供給を行わないので燃費の悪化を防ぐことができる。   As described above, the oxygen-containing gas is mixed and supplied to the anode catalyst layer only when it is dryer than the threshold set in advance by the membrane wet state determination means, so that water is supplied to the solid polymer electrolyte membrane 12. In the case where it is not necessary, the sequence for supplying oxygen can be omitted, and the start-up time can be shortened. Further, since unnecessary oxygen supply is not performed, deterioration of fuel consumption can be prevented.

また、本実施例の燃料電池システムでは、システム制御装置141において、記録手段(PROM等)に、燃料電池システムの運転停止時における停止運転条件を記録しておき、第1の膜湿潤状態検知手段により、記録手段に記録された前回の停止運転条件に基づき固体高分子電解質膜12の湿潤状態を推定する。このように、前回の燃料電池システム停止時の運転条件から固体高分子電解質膜12の湿潤状態/乾燥状態を推定するので、乾燥状態に応じた供給量を決めることができ、結果としてアノードフラッディングさせたりすることがなく、また、フラッディングに至らなくても必要以上に酸素供給してしまうことによる燃費の悪化を防ぐことができる。   In the fuel cell system of this embodiment, in the system control device 141, the stop operation condition at the time of stopping the operation of the fuel cell system is recorded in the recording means (PROM or the like), and the first membrane wet state detecting means is recorded. Thus, the wet state of the solid polymer electrolyte membrane 12 is estimated based on the previous stop operation condition recorded in the recording means. Thus, since the wet state / dry state of the solid polymer electrolyte membrane 12 is estimated from the operating conditions at the time of the previous stop of the fuel cell system, the supply amount according to the dry state can be determined, and as a result, anode flooding is performed. In addition, it is possible to prevent deterioration of fuel consumption caused by supplying oxygen more than necessary even without flooding.

また、本実施例の燃料電池システムでは、システム制御装置141において、第1の膜湿潤状態検知手段または第2の膜湿潤状態検知手段では、アノード(燃料極)に水素(燃料ガス)、カソード(酸化剤極)に空気(酸化剤ガス)をそれぞれ供給させて燃料電池スタック111の開放端電圧をモニタし、該開放端電圧と固体高分子電解質膜12のガス透過係数および含水率の関係に基づき固体高分子電解質膜12の湿潤状態を推定する。これにより、検知精度が高くなり、そのため酸素の供給可否判断や供給量も適切に判断することができる。   Further, in the fuel cell system of the present embodiment, in the system controller 141, the first membrane wet state detecting means or the second film wet state detecting means uses hydrogen (fuel gas), cathode ( Air (oxidant gas) is supplied to each of the oxidant electrodes to monitor the open end voltage of the fuel cell stack 111, and based on the relationship between the open end voltage and the gas permeability coefficient and water content of the solid polymer electrolyte membrane 12. The wet state of the solid polymer electrolyte membrane 12 is estimated. As a result, the detection accuracy is improved, so that it is possible to appropriately determine whether or not oxygen can be supplied and the supply amount.

また、本実施例の燃料電池システムでは、システム制御装置141において、第1の膜湿潤状態検知手段または第2の膜湿潤状態検知手段では、固体高分子電解質膜12の電気抵抗の変化を測定または推定することにより固体高分子電解質膜12の湿潤状態を推定する。これにより、発電中の固体高分子電解質膜12の湿潤状態/乾燥状態をリアルタイムに検知することができ、負荷取り出し量が変動するなど、動的な要因があっても未然にドライアウトを確実に防ぐことができる。   In the fuel cell system of the present embodiment, the system controller 141 uses the first membrane wet state detection unit or the second membrane wet state detection unit to measure a change in the electrical resistance of the solid polymer electrolyte membrane 12 or By estimating, the wet state of the solid polymer electrolyte membrane 12 is estimated. As a result, the wet / dry state of the solid polymer electrolyte membrane 12 during power generation can be detected in real time, and the dry out can be ensured in advance even if there are dynamic factors such as fluctuations in the amount of load taken out. Can be prevented.

また、本実施例の燃料電池システムでは、システム制御装置141において、ガス供給制御手段では、温度判定手段により所定温度を超えたと判定されたとき、アノード酸素供給ポンプ(アノード酸素供給手段)151によるアノード触媒層(電極触媒層の燃料極)13への酸素を含むガスの混合供給を停止させる。これにより、アノードを加湿する必要のない場合に無駄な燃料を消費して燃費を悪化させることがない。   Further, in the fuel cell system of this embodiment, in the system controller 141, when the gas supply control unit determines that the temperature determination unit has exceeded the predetermined temperature, the anode by the anode oxygen supply pump (anode oxygen supply unit) 151 is used. The mixed supply of the gas containing oxygen to the catalyst layer (fuel electrode of the electrode catalyst layer) 13 is stopped. Thereby, when it is not necessary to humidify the anode, wasteful fuel is not consumed and fuel consumption is not deteriorated.

次に、図6は本発明の実施例2に係る燃料電池システムの構成図である。本実施例の燃料電池システム101は、例えば燃料電池車両の駆動動力源として用いられるものであり、図6に示すように、水素および空気の供給により発電を行う燃料電池スタック111を備える。   Next, FIG. 6 is a configuration diagram of a fuel cell system according to Embodiment 2 of the present invention. The fuel cell system 101 of this embodiment is used as a driving power source of a fuel cell vehicle, for example, and includes a fuel cell stack 111 that generates power by supplying hydrogen and air as shown in FIG.

また、水素供給系(水素供給手段)として、水素高圧タンク115、水素供給経路、三方弁117、圧力センサ204、水素循環流路、燃料循環ポンプ116および出口配管125を備え、空気供給系(空気供給手段)として、エアフィルタ112、エアコンプレッサ113、空気供給経路126、圧力センサ205、加湿器114およびバイパスライン127を備え(ライン切替バルブは図示を省略)、冷却系200(詳細は実施例1と同等であり、図示せず)を備えている。   The hydrogen supply system (hydrogen supply means) includes a hydrogen high-pressure tank 115, a hydrogen supply path, a three-way valve 117, a pressure sensor 204, a hydrogen circulation passage, a fuel circulation pump 116, and an outlet pipe 125, and an air supply system (air As a supply means, an air filter 112, an air compressor 113, an air supply path 126, a pressure sensor 205, a humidifier 114, and a bypass line 127 are provided (the line switching valve is not shown), and a cooling system 200 (details in the first embodiment) (Not shown).

なお、アノード(燃料極)に酸素を含むガスを混合して供給するアノード酸素供給手段として、空気供給系のエアコンプレッサ113を兼用し、水素供給系の水素供給経路と空気供給系の(エアコンプレッサ113下流の)空気供給経路126とを連通する連通経路203に、調圧弁201と、水素供給経路から空気供給経路126への逆流を防ぐ逆止弁202と、が設置されている。   In addition, as an anode oxygen supply means for mixing and supplying a gas containing oxygen to the anode (fuel electrode), the air compressor 113 of the air supply system is also used, and the hydrogen supply path of the hydrogen supply system and the (air compressor of the air supply system) A pressure regulating valve 201 and a check valve 202 for preventing a back flow from the hydrogen supply path to the air supply path 126 are installed in the communication path 203 that communicates with the air supply path 126 (downstream of 113).

また、燃料電池スタック111には燃料電池温度センサ(温度検知手段)124が付設されており、燃料電池スタック111から取り出される電流は外部回路131へ供給される。さらに、本実施例の燃料電池システム100は、水素供給系、空気供給系、冷却系200および外部回路131の各種センサや他の各種センサからの検知信号に基づき水素供給系、空気供給系、冷却系200および外部回路131の各構成要素の制御を行うシステム制御装置142を備えた構成である。   Further, the fuel cell stack 111 is provided with a fuel cell temperature sensor (temperature detection means) 124, and current taken from the fuel cell stack 111 is supplied to the external circuit 131. Further, the fuel cell system 100 of the present embodiment includes a hydrogen supply system, an air supply system, a cooling system 200, and a hydrogen supply system, an air supply system, a cooling system based on detection signals from various sensors of the external circuit 131 and other various sensors. This is a configuration including a system control device 142 that controls each component of the system 200 and the external circuit 131.

実施例2の燃料電池システムの構成が実施例1(図1参照)と異なる点は、アノード酸素供給手段の構成(連通経路203、調圧弁201および逆止弁202)と、水素供給経路に設置された圧力センサ204と、空気供給経路126に設置された圧力センサ205と、システム制御装置142である。   The difference of the configuration of the fuel cell system of Example 2 from Example 1 (see FIG. 1) is that the anode oxygen supply means (communication path 203, pressure regulating valve 201 and check valve 202) and the hydrogen supply path are installed. The pressure sensor 204, the pressure sensor 205 installed in the air supply path 126, and the system controller 142.

システム制御装置142は、実施例1と同様に、例えばCPUやROM、PROM、RAM、周辺インターフェース等を有するマイクロコンピュータとして構成され、構成要素として温度判定手段、第1の膜湿潤状態検知手段、第2の膜湿潤状態検知手段およびガス供給制御手段を備え(これらはCPU上で実行されるプログラムの機能的なまとまりを表したもの)ており、また、記録手段をPROM等(書き込み可能な不揮発性記録媒体であれば何でもよい)で実現する点も同様である。   The system controller 142 is configured as a microcomputer having, for example, a CPU, a ROM, a PROM, a RAM, a peripheral interface, and the like as in the first embodiment, and includes temperature determination means, first film wet state detection means, 2 includes a film wet state detection means and a gas supply control means (these represent functional groups of programs executed on the CPU), and the recording means is a PROM or the like (a writable non-volatile memory). This is the same as the point realized by any recording medium.

本実施例の燃料電池システムの起動時の動作手順についても、実施例1(図5参照)と同様であるが、システム制御装置142において、ガス供給制御手段が、燃料電池から負荷を取り出す前に、或いは燃料電池スタック111の発電中に、温度判定手段により所定温度以下であると判定されたとき、エアコンプレッサ113の出口圧が水素供給系の水素供給経路の圧力よりも高くなるようエアコンプレッサ113を運転制御し、201調圧弁の開度を調整することにより、アノード触媒層(電極触媒層の燃料極)13への酸素を含むガスの混合供給を制御する点が異なる。   The operation procedure at the time of starting the fuel cell system of the present embodiment is the same as that of the first embodiment (see FIG. 5). However, in the system controller 142, before the gas supply control means takes out the load from the fuel cell. Alternatively, when it is determined by the temperature determination means that the temperature is lower than the predetermined temperature during power generation of the fuel cell stack 111, the air compressor 113 is configured such that the outlet pressure of the air compressor 113 is higher than the pressure of the hydrogen supply path of the hydrogen supply system. And controlling the mixed supply of oxygen-containing gas to the anode catalyst layer (fuel electrode of the electrode catalyst layer) 13 by adjusting the opening of the 201 pressure regulating valve.

つまり、本実施例では、アノード触媒層(電極触媒層の燃料極)13へ供給する酸素は、空気供給系のエアコンプレッサ113によって加圧・圧縮された外気エアを、空気供給経路126と水素供給経路との間の差圧を利用して供給している。 なお、酸素供給量は、圧力センサ204,205から得られる空気供給経路126−水素供給経路間差圧と調圧弁201の開度によって制御する。   In other words, in this embodiment, oxygen supplied to the anode catalyst layer (fuel electrode of the electrode catalyst layer) 13 is supplied from outside air compressed and compressed by the air compressor 113 of the air supply system to the air supply path 126 and the hydrogen supply. Supply is made using the pressure difference between the path. The oxygen supply amount is controlled by the differential pressure between the air supply path 126 and the hydrogen supply path obtained from the pressure sensors 204 and 205 and the opening degree of the pressure regulating valve 201.

以上説明したように本実施例の燃料電池システムでは、水素供給系(燃料ガス供給手段)の水素供給経路と空気供給系(酸化剤ガス供給手段)の空気供給経路126とを連通する連通経路203を設置して、アノード酸素供給手段を、空気供給系(酸化剤ガス供給手段)のエアコンプレッサ113で兼用する。これにより、新たにアノード酸素供給ポンプ151を必要とせず、また複雑な配管も必要としないので、より簡単な構成でかつ低コストで実現できる。また、システム制御装置142において、供給量の制御も容易である。   As described above, in the fuel cell system of the present embodiment, the communication path 203 that connects the hydrogen supply path of the hydrogen supply system (fuel gas supply means) and the air supply path 126 of the air supply system (oxidant gas supply means). The anode oxygen supply means is also used as the air compressor 113 of the air supply system (oxidant gas supply means). This eliminates the need for a new anode oxygen supply pump 151 and does not require complicated piping, and thus can be realized with a simpler configuration and at a lower cost. In addition, the supply amount can be easily controlled in the system controller 142.

また、本実施例の燃料電池システムでは、連通経203に調圧弁201を設置した構成とし、システム制御装置142において、ガス供給制御手段は、エアコンプレッサ113の出口圧が水素供給系(燃料ガス供給手段)の水素供給経路の圧力よりも高くなるようエアコンプレッサ113を運転制御し、調圧弁201の開度を調整することにより、アノード触媒層(電極触媒層の燃料極)13への酸素を含むガスの混合供給を制御する。これにより、アノード触媒層(電極触媒層の燃料極)13へ酸素を供給するためだけの動力(アノード酸素供給ポンプ151)を必要とせず、より簡単な構成でかつ低コストで実現できると共に、燃費の悪化を防ぐことができる。   In the fuel cell system of the present embodiment, the pressure regulating valve 201 is installed in the communication line 203. In the system controller 142, the gas supply control means is configured such that the outlet pressure of the air compressor 113 is a hydrogen supply system (fuel gas supply). The air compressor 113 is operated and controlled so as to be higher than the pressure of the hydrogen supply path of the means), and the opening of the pressure regulating valve 201 is adjusted to include oxygen to the anode catalyst layer (fuel electrode of the electrode catalyst layer) 13. Control gas mixing supply. This eliminates the need for power (anode oxygen supply pump 151) for supplying oxygen only to the anode catalyst layer (fuel electrode of the electrode catalyst layer) 13, allows a simpler configuration and lower costs, and provides fuel efficiency. Can be prevented.

本発明の実施例1に係る燃料電池システムの構成図である。1 is a configuration diagram of a fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 燃料電池スタック111の燃料電池単セル10の概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram of a single fuel cell 10 of a fuel cell stack 111. FIG. 従来の燃料電池単セルにおける水挙動を模式的に説明する説明図である。It is explanatory drawing which illustrates typically the water behavior in the conventional fuel cell single cell. 本発明の燃料電池単セルにおける水挙動を模式的に説明する説明図である。It is explanatory drawing which illustrates typically the water behavior in the fuel cell single cell of this invention. 実施例の燃料電池システムにおける起動制御を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the starting control in the fuel cell system of an Example. 本発明の実施例2に係る燃料電池システムの構成図である。It is a block diagram of the fuel cell system which concerns on Example 2 of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

100,101 燃料電池システム
111 燃料電池スタック
112 エアフィルタ
113 エアコンプレッサ
114 加湿器
115 水素高圧タンク
116 燃料循環ポンプ
117 三方弁
119 冷媒循環ポンプ
120 冷媒入口温度センサ(温度検知手段)
121 冷媒出口温度センサ(温度検知手段)
122 冷却ファン
123 冷媒熱交換器
124 燃料電池温度センサ(温度検知手段)
125 出口配管
126 空気供給経路
127 バイパスライン
128 水素調圧弁
131 外部回路
141,142 システム制御装置
151 アノード酸素供給ポンプ(アノード酸素供給手段)
152 酸素濃度センサ
200 冷却系
201 調圧弁
202 逆止弁
203 連通経路
204,205 圧力センサ
10 燃料電池単セル
11 膜電極接合体(MEA)
12 固体高分子電解質膜
13 アノード触媒層(電極触媒層)
14 カソード触媒層(電極触媒層)
15 アノードガス拡散層(ガス拡散層)
16 カソードガス拡散層(ガス拡散層)
17 アノードセパレータ
18 カソードセパレータ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100,101 Fuel cell system 111 Fuel cell stack 112 Air filter 113 Air compressor 114 Humidifier 115 Hydrogen high-pressure tank 116 Fuel circulation pump 117 Three-way valve 119 Refrigerant circulation pump 120 Refrigerant inlet temperature sensor (temperature detection means)
121 Refrigerant outlet temperature sensor (temperature detection means)
122 Cooling fan 123 Refrigerant heat exchanger 124 Fuel cell temperature sensor (temperature detection means)
125 Outlet piping 126 Air supply path 127 Bypass line 128 Hydrogen pressure regulating valve 131 External circuit 141, 142 System control device 151 Anode oxygen supply pump (anode oxygen supply means)
152 Oxygen concentration sensor 200 Cooling system 201 Pressure regulating valve 202 Check valve 203 Communication path 204, 205 Pressure sensor 10 Fuel cell single cell 11 Membrane electrode assembly (MEA)
12 Solid polymer electrolyte membrane 13 Anode catalyst layer (electrode catalyst layer)
14 Cathode catalyst layer (electrode catalyst layer)
15 Anode gas diffusion layer (gas diffusion layer)
16 Cathode gas diffusion layer (gas diffusion layer)
17 Anode separator 18 Cathode separator

Claims (10)

固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜を挟む電極触媒層およびガス拡散層と、を含む膜電極構造体と、
前記電極触媒層の燃料極に水素を含む燃料ガスを、前記電極触媒層の酸素極に酸素を含む酸化剤ガスをそれぞれ供給する流路を備えたセパレータと、を有し、
前記膜電極構造体を前記セパレータで挟持したセルを、所定の出力が得られる数分積層し、前記燃料極および前記酸化剤極にそれぞれ供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、
前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料極に酸素を含むガスを混合して供給するアノード酸素供給手段と、
を有することを特徴とする燃料電池システム。
A membrane electrode structure comprising a solid polymer electrolyte membrane, and an electrode catalyst layer and a gas diffusion layer sandwiching the solid polymer electrolyte membrane;
A separator provided with a flow path for supplying a fuel gas containing hydrogen to the fuel electrode of the electrode catalyst layer and an oxidant gas containing oxygen to the oxygen electrode of the electrode catalyst layer,
The cells sandwiching the membrane electrode structure between the separators are stacked for several times to obtain a predetermined output, and power is generated by an electrochemical reaction of the fuel gas and the oxidant gas supplied to the fuel electrode and the oxidant electrode, respectively. A fuel cell,
Fuel gas supply means for supplying fuel gas to the fuel electrode;
An oxidant gas supply means for supplying an oxidant gas to the oxidant electrode;
Anode oxygen supply means for mixing and supplying a gas containing oxygen to the fuel electrode;
A fuel cell system comprising:
前記燃料電池の温度を検出または推定する温度検知手段と、
前記温度検知手段による検知温度が所定温度以下であるか否かを判定する温度判定手段と、
前記固体高分子電解質膜の湿潤状態を検知する第1の膜湿潤状態検知手段と、
前記燃料電池から負荷を取り出す前に、前記温度判定手段により所定温度以下であると判定されたとき、前記アノード酸素供給手段により、前記燃料極に前記第1の膜湿潤状態検知手段により検知した膜湿潤状態に応じた酸素量を含むガスを混合して供給させるガス供給制御手段と、
を有することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
Temperature detecting means for detecting or estimating the temperature of the fuel cell;
Temperature determining means for determining whether the temperature detected by the temperature detecting means is equal to or lower than a predetermined temperature;
First membrane wet state detection means for detecting the wet state of the solid polymer electrolyte membrane;
The film detected by the anode oxygen supply means by the first film wet state detection means by the anode oxygen supply means when the temperature determination means determines that the temperature is equal to or lower than a predetermined temperature before taking out the load from the fuel cell. Gas supply control means for mixing and supplying a gas containing an oxygen amount according to the wet state;
The fuel cell system according to claim 1, comprising:
前記燃料電池の温度を検出または推定する温度検知手段と、
前記温度検知手段による検知温度が所定温度以下であるか否かを判定する温度判定手段と、
前記固体高分子電解質膜の湿潤状態を検知する第2の膜湿潤状態検知手段と、
前記燃料電池が発電中に、前記温度判定手段により所定温度以下であると判定されたとき、前記アノード酸素供給手段により、前記燃料極に前記第2の膜湿潤状態検知手段により検知した膜湿潤状態に応じた酸素を含むガスを混合して供給させるガス供給制御手段と、
を有することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
Temperature detecting means for detecting or estimating the temperature of the fuel cell;
Temperature determining means for determining whether the temperature detected by the temperature detecting means is equal to or lower than a predetermined temperature;
Second membrane wet state detection means for detecting the wet state of the solid polymer electrolyte membrane;
The membrane wet state detected by the anode oxygen supply unit by the second membrane wet state detection unit by the anode oxygen supply unit when the temperature determination unit determines that the temperature is lower than a predetermined temperature during the power generation of the fuel cell. Gas supply control means for mixing and supplying a gas containing oxygen according to
The fuel cell system according to claim 1, comprising:
前記第1の膜湿潤状態検知手段または前記第2の膜湿潤状態検知手段により検知された膜湿潤状態が予め設定された閾値に基づく乾燥状態であるか否かを判定する膜湿潤状態判定手段を有し、
前記ガス供給制御手段は、前記膜湿潤状態判定手段により乾燥状態であると判定された場合にのみ、前記アノード酸素供給手段により、前記燃料極に酸素を含むガスを混合して供給させることを特徴とする請求項2または請求項3の何れか1項に記載の燃料電池システム。
A film wet state determination unit for determining whether the film wet state detected by the first film wet state detection unit or the second film wet state detection unit is a dry state based on a preset threshold; Have
The gas supply control means causes the anode oxygen supply means to mix and supply a gas containing oxygen to the fuel electrode only when it is determined that the film wet state determination means is in a dry state. The fuel cell system according to any one of claims 2 and 3.
前記燃料電池の運転停止時における停止運転条件を記録する記録手段を有し、
前記第1の膜湿潤状態検知手段は、前記記録手段に記録された前回の停止運転条件に基づき前記固体高分子電解質膜の湿潤状態を推定することを特徴とする請求項2または請求項4の何れか1項に記載の燃料電池システム。
Recording means for recording stop operation conditions when the fuel cell is stopped;
The first membrane wet state detection means estimates the wet state of the solid polymer electrolyte membrane based on the previous stop operation condition recorded in the recording means. The fuel cell system according to any one of claims.
前記第1の膜湿潤状態検知手段または前記第2の膜湿潤状態検知手段は、前記燃料極に燃料ガス、前記酸化剤極に酸化剤ガスをそれぞれ供給させて前記燃料電池の開放端電圧をモニタし、該開放端電圧と前記固体高分子電解質膜のガス透過係数および含水率の関係に基づき前記固体高分子電解質膜の湿潤状態を推定することを特徴とする請求項2〜請求項4の何れか1項に記載の燃料電池システム。   The first film wet state detection means or the second film wet state detection means monitors the open-circuit voltage of the fuel cell by supplying fuel gas to the fuel electrode and oxidant gas to the oxidant electrode, respectively. The wet state of the solid polymer electrolyte membrane is estimated based on the relationship between the open-end voltage and the gas permeability coefficient and moisture content of the solid polymer electrolyte membrane. The fuel cell system according to claim 1. 前記第1の膜湿潤状態検知手段または前記第2の膜湿潤状態検知手段は、前記固体高分子電解質膜の電気抵抗の変化を測定または推定することにより前記固体高分子電解質膜の湿潤状態を推定することを特徴とする請求項2〜請求項4の何れか1項に記載の燃料電池システム。   The first membrane wet state detection unit or the second membrane wet state detection unit estimates the wet state of the solid polymer electrolyte membrane by measuring or estimating a change in electrical resistance of the solid polymer electrolyte membrane. The fuel cell system according to any one of claims 2 to 4, wherein the fuel cell system is provided. 前記ガス供給制御手段は、前記温度判定手段により所定温度を超えたと判定されたとき、前記アノード酸素供給手段による前記燃料極への酸素を含むガスの混合供給を停止させることを特徴とする請求項2〜請求項7の何れか1項に記載の燃料電池システム。   The gas supply control means stops the mixed supply of gas containing oxygen to the fuel electrode by the anode oxygen supply means when the temperature determination means determines that the predetermined temperature is exceeded. The fuel cell system according to any one of claims 2 to 7. 前記燃料ガス供給手段の燃料ガス供給経路と前記酸化剤ガス供給手段の酸化剤ガス供給経路とを連通する連通経路を有し、
前記アノード酸素供給手段は、前記酸化剤ガス供給手段のエアコンプレッサであることを特徴とする請求項1〜請求項8の何れか1項に記載の燃料電池システム。
A communication path connecting the fuel gas supply path of the fuel gas supply means and the oxidant gas supply path of the oxidant gas supply means;
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 8, wherein the anode oxygen supply means is an air compressor of the oxidant gas supply means.
前記連通経路に設置される調圧弁を有し、
前記ガス供給制御手段は、前記エアコンプレッサの出口圧が前記燃料ガス供給手段の燃料ガス供給経路の圧力よりも高くなるよう前記エアコンプレッサを運転制御し、前記調圧弁の開度を調整することにより、前記燃料極への酸素を含むガスの混合供給を制御することを特徴とする請求項9に記載の燃料電池システム。
Having a pressure regulating valve installed in the communication path;
The gas supply control means controls the air compressor so that the outlet pressure of the air compressor is higher than the pressure of the fuel gas supply path of the fuel gas supply means, and adjusts the opening of the pressure regulating valve. The fuel cell system according to claim 9, wherein a mixed supply of a gas containing oxygen to the fuel electrode is controlled.
JP2006064055A 2006-03-09 2006-03-09 Fuel cell system Pending JP2007242449A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006064055A JP2007242449A (en) 2006-03-09 2006-03-09 Fuel cell system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006064055A JP2007242449A (en) 2006-03-09 2006-03-09 Fuel cell system

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2007242449A true JP2007242449A (en) 2007-09-20

Family

ID=38587773

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2006064055A Pending JP2007242449A (en) 2006-03-09 2006-03-09 Fuel cell system

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2007242449A (en)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008010419A1 (en) * 2006-07-18 2008-01-24 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell system
WO2010035580A1 (en) * 2008-09-26 2010-04-01 日産自動車株式会社 Fuel cell system and fuel cell system control method
JP2012038434A (en) * 2010-08-03 2012-02-23 Toyota Motor Corp Method of evaluating inter-electrode water movement of fuel battery
JP2012048834A (en) * 2010-08-24 2012-03-08 Toyota Motor Corp Fuel cell system and control method of fuel cell system
WO2012063414A1 (en) * 2010-11-12 2012-05-18 パナソニック株式会社 Method for operating solid polymer fuel cell system, and solid polymer fuel cell system
US9362579B2 (en) 2011-06-30 2016-06-07 Samsung Sdi Co., Ltd. Fuel cell system and driving method thereof
JP2017152113A (en) * 2016-02-23 2017-08-31 本田技研工業株式会社 Low-temperature startup method of fuel cell system

Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008010419A1 (en) * 2006-07-18 2008-01-24 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell system
WO2010035580A1 (en) * 2008-09-26 2010-04-01 日産自動車株式会社 Fuel cell system and fuel cell system control method
JP2010080287A (en) * 2008-09-26 2010-04-08 Nissan Motor Co Ltd Fuel cell system, and method of controlling fuel cell system
US8748049B2 (en) 2008-09-26 2014-06-10 Nissan Motor Co., Ltd. Fuel cell system and method of controlling fuel cell system
JP2012038434A (en) * 2010-08-03 2012-02-23 Toyota Motor Corp Method of evaluating inter-electrode water movement of fuel battery
JP2012048834A (en) * 2010-08-24 2012-03-08 Toyota Motor Corp Fuel cell system and control method of fuel cell system
CN103329324A (en) * 2010-11-12 2013-09-25 松下电器产业株式会社 Method for operating solid polymer fuel cell system, and solid polymer fuel cell system
WO2012063414A1 (en) * 2010-11-12 2012-05-18 パナソニック株式会社 Method for operating solid polymer fuel cell system, and solid polymer fuel cell system
JP5807207B2 (en) * 2010-11-12 2015-11-10 パナソニックIpマネジメント株式会社 Method of operating polymer electrolyte fuel cell system and polymer electrolyte fuel cell system
US9472821B2 (en) 2010-11-12 2016-10-18 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Operation method of polymer electrolyte fuel cell system and polymer electrolyte fuel cell system
US9362579B2 (en) 2011-06-30 2016-06-07 Samsung Sdi Co., Ltd. Fuel cell system and driving method thereof
JP2017152113A (en) * 2016-02-23 2017-08-31 本田技研工業株式会社 Low-temperature startup method of fuel cell system
US10333161B2 (en) 2016-02-23 2019-06-25 Honda Motor Co., Ltd. Low-temperature startup method for fuel cell system

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8168343B2 (en) Humidification control during shutdown of a fuel cell system
US8206856B2 (en) Fuel cell system
JP4300346B2 (en) Fuel cell system
JP5324522B2 (en) Fuel cell system
JP2009117384A (en) Fuel cell system
US8580447B2 (en) Fuel cell system and control method for the same
JP2013258111A (en) Fuel cell system
WO2008142564A1 (en) Control device and control method for fuel cell system
JP6325013B2 (en) Low temperature startup method for fuel cell system
JP2007242449A (en) Fuel cell system
JP2008198439A (en) Fuel cell system
US20070042235A1 (en) Fuel cell system
JP2006210004A (en) Fuel cell system
JP5168859B2 (en) Fuel cell system
JP5414225B2 (en) Fuel cell system
JP4328324B2 (en) Fuel cell system
JP2006351506A (en) Fuel cell system
JP2004311277A (en) Fuel cell system
JP4956567B2 (en) FUEL CELL SYSTEM AND CONTROL METHOD FOR FUEL CELL SYSTEM
CN102193030A (en) Auto-learning of base stack resistance for HFR based RH control
US7662494B2 (en) Fuel cell system
JP5050342B2 (en) Fuel cell system and starting method thereof
JP5109284B2 (en) Fuel cell system
JP2006092801A (en) Fuel cell system
JP7435504B2 (en) fuel cell system