JP2000106206A - Fuel cell system - Google Patents

Fuel cell system

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JP2000106206A
JP2000106206A JP10278608A JP27860898A JP2000106206A JP 2000106206 A JP2000106206 A JP 2000106206A JP 10278608 A JP10278608 A JP 10278608A JP 27860898 A JP27860898 A JP 27860898A JP 2000106206 A JP2000106206 A JP 2000106206A
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JP
Japan
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fuel cell
cell system
gas
output
electrolyte membrane
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Application number
JP10278608A
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Japanese (ja)
Inventor
Shinichi Hirano
伸一 平野
Kenichiro Ekusa
憲一郎 江草
Tsutomu Iname
力 稲目
Shogo Watanabe
正五 渡辺
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Mazda Motor Corp
Original Assignee
Mazda Motor Corp
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Publication date
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system, capable of rapidly and smoothly starting the output of a fuel cell by solving the problem of the decrease in output due to a sudden flooding phenomenon at a cathode that occurs at relatively early stages after the start of operation. SOLUTION: Accelerator opening α, stack temperature Ts, and the like are read. From the accelerator opening α, the output required is estimated, and the corresponding amount T0 of hydrogen gas to be introduced into a fuel cell is calculated. Whether or not the stack temperature is higher than a predetermined value Ts0 is determined. Whether or not the accelerator opening αis greater than a predetermined value α0, and whether or not a variation (increase) Δα in accelerator opening is greater than a prescribed value Δα0 are determined. A threshold T1 for hydrogen gas introduction limit that corresponds to the output limit value of the fuel cell under the current condition is calculated. When the threshold T1 is smaller than the amount T0 of hydrogen gas corresponding to the required output, the threshold T1 is used as the amount T0 of hydrogen gas to be actually introduced into the fuel cell and a control signal is outputted, so that a valve 28 attains a prescribed opening.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池に関し、
特に、燃料電池の電界質膜に対して適正かつ効率的な水
分供給制御に関する。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a fuel cell,
In particular, it relates to appropriate and efficient water supply control for an electrolyte membrane of a fuel cell.

【0002】[0002]

【従来の技術】燃料電池は、高いエネルギー変換効率及
び高い出力効率を達成することができる。このため燃料
電池は、移動用電源あるいは電気自動車の動力源として
注目されている。燃料電池は、水素イオン伝導性の電解
質膜を白金触媒を担持したカーボン電極で挟み込んで構
成される発電素子、すなわち電解質膜−電極接合体及び
各電極面にそれぞれの反応ガスを供給するためのガス通
路を画成するとともに、発電素子を両側から支持するガ
ス分離部材とを積層した構造を有する。そして、一方の
電極に水素ガスすなわち燃料ガスを供給し、他方の電極
に酸素あるいは空気すなわち酸化ガスを供給して、反応
ガスの酸化還元反応にかかる化学エネルギーを直接電気
エネルギーとして抽出するようになっている。すなわ
ち、アノード側では水素ガスがイオン化して電解質中を
移動し、電子は、外部負荷を通ってカソード側に移動
し、酸素と反応して水を生成する一連の電気化学反応に
よる電気エネルギーを取り出すことができる。
2. Description of the Related Art A fuel cell can achieve high energy conversion efficiency and high output efficiency. For this reason, fuel cells are receiving attention as a power source for mobile use or a power source for electric vehicles. A fuel cell is a power generating element in which a hydrogen ion conductive electrolyte membrane is sandwiched between carbon electrodes supporting a platinum catalyst, that is, a gas for supplying each reaction gas to the electrolyte membrane-electrode assembly and each electrode surface. It has a structure in which a passage is defined and a gas separating member that supports the power generating element from both sides is laminated. Then, a hydrogen gas, that is, a fuel gas is supplied to one electrode, and oxygen or air, that is, an oxidizing gas is supplied to the other electrode, so that chemical energy involved in a redox reaction of a reaction gas is directly extracted as electric energy. ing. That is, on the anode side, hydrogen gas is ionized and moves through the electrolyte, and electrons move to the cathode side through an external load, and take out electric energy by a series of electrochemical reactions that react with oxygen to produce water. be able to.

【0003】電解質膜中を水素イオンは水分子を伴い移
動するため電解質膜が乾燥してしまうと、イオン伝導率
が低下し、エネルギー変換効率が低下するという現象が
生じる。このため、良好なイオン伝導を保つために電解
質膜が一定の水分量を保有するように制御する必要があ
る。電解質膜中を水素イオンは水分子を伴い移動するた
め電解質膜が乾燥してしまうと、イオン伝導率が低下
し、エネルギー変換効率が低下してしまう。電解質膜へ
の水分の供給のために、従来の構造では、燃料ガス及び
酸化ガスを加湿するための加湿装置が設けられていた。
また、特別に加湿装置を設置することなく、ガスの水分
量を調整して、電解質膜に導くようにした燃料電池も知
られている。
[0003] Since hydrogen ions move along with water molecules in the electrolyte membrane, when the electrolyte membrane is dried, a phenomenon occurs in which ionic conductivity is reduced and energy conversion efficiency is reduced. For this reason, it is necessary to control the electrolyte membrane to have a constant water content in order to maintain good ion conduction. Since hydrogen ions move along with water molecules in the electrolyte membrane, if the electrolyte membrane is dried, the ionic conductivity is reduced and the energy conversion efficiency is reduced. In order to supply moisture to the electrolyte membrane, in the conventional structure, a humidifier for humidifying the fuel gas and the oxidizing gas is provided.
There is also known a fuel cell in which the amount of gas in the gas is adjusted to guide the gas to the electrolyte membrane without installing a special humidifier.

【0004】特開平9−63620号公報には、空気ガ
スのCOを低減した後、エアーコンプレッサーによりこ
れを加圧して、空気ガスを高温にした後圧縮してインタ
ークーラーで冷却し、その後、空気極に導入するように
した燃料電池が開示されている。このように、加湿装置
を設けない燃料電池システムは、システムのコンパクト
化を促進する上で好ましい。しかし、電解質膜の水分量
が過剰となると却って、燃料ガスと酸化ガスの反応効率
が低下し、燃料電池の出力電力が低下することも知られ
ている。したがって、運転中の燃料電池システムの水分
量の制御は適正に行う必要がある。
Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-63620 discloses that after reducing the CO of air gas, the air gas is pressurized by an air compressor, the air gas is heated to a high temperature, compressed, cooled by an intercooler, and then cooled by an air electrode. There is disclosed a fuel cell adapted to be used in a fuel cell. As described above, the fuel cell system without the humidifier is preferable in promoting the compactness of the system. However, it is also known that, when the amount of water in the electrolyte membrane becomes excessive, the reaction efficiency between the fuel gas and the oxidizing gas decreases, and the output power of the fuel cell decreases. Therefore, it is necessary to appropriately control the water content of the fuel cell system during operation.

【0005】[0005]

【本発明が解決しようとする課題】燃料電池システムを
搭載した車両の場合、運転を開始直後では、電解質膜の
温度が低く、循環するガス量および温度が低いために反
応効率も低い。特に、冷間時等の運転初期においては、
燃料電池システムの温度は全体として低くなっている。
その後、電解質の温度、循環ガス量、ガス温が上昇する
のに応じて、反応効率が向上し、電流が増大するととも
に、燃料電池の出力も増大する。本発明者らの研究によ
れば、燃料電池の運転の開始から運転を継続すると電流
と出力はほぼ比例して増大するが、電解質膜の雰囲気温
度すなわち、燃料電池の温度が低い場合には、通常の温
度状態に比べて電流値が所定値(たとえば40アンペア
程度)に到達すると図1ないし図2に示すように電圧お
よび出力が急激に低下する現象が生じることが判明し
た。
In the case of a vehicle equipped with a fuel cell system, the reaction efficiency is low immediately after the start of operation because the temperature of the electrolyte membrane is low and the amount and temperature of the circulating gas are low. In particular, at the beginning of operation such as when cold,
The temperature of the fuel cell system is low overall.
Thereafter, as the temperature of the electrolyte, the amount of circulating gas, and the gas temperature increase, the reaction efficiency increases, the current increases, and the output of the fuel cell also increases. According to the study of the present inventors, when the operation is continued from the start of the operation of the fuel cell, the current and the output increase almost in proportion, but when the ambient temperature of the electrolyte membrane, that is, the temperature of the fuel cell is low, It has been found that when the current value reaches a predetermined value (for example, about 40 amperes) as compared with a normal temperature state, a phenomenon occurs in which the voltage and output sharply decrease as shown in FIGS.

【0006】しかし、燃料電池システムを自動車に搭載
する場合、このように運転開始後に出力低下が生じるこ
とは自動車の動力源としては極めて不便である。また、
いったん出力低下が生じるとその後出力を回復するの
に、かなりの時間を要することも発明者らの研究によっ
てわかっている。この出力低下の現象が生じる原因は、
燃料ガス(水素ガス)と酸化ガス(空気)との反応によ
って生成する生成水に起因するフラッディングに原因す
ると見られている。すなわち、上記したように、アノー
ド側では水素ガスがイオン化して電解質中をカソード側
に移動し、カソード側で酸素と反応して水を生成する。
この場合水素イオンは電解質膜中を水素イオンは水分子
を伴って移動する。したがって、電解質膜が保有する水
分量が多くなると、イオン伝導率は向上し、水素イオン
の循環量が増大し、燃料電池の出力もこれに対応して増
大する。
However, when the fuel cell system is mounted on an automobile, such a decrease in output after the start of operation is extremely inconvenient as a power source of the automobile. Also,
The inventors have also found that once a power drop occurs, it takes a considerable amount of time to recover the output thereafter. The cause of this output drop phenomenon is
It is believed to be caused by flooding caused by water generated by the reaction between the fuel gas (hydrogen gas) and the oxidizing gas (air). That is, as described above, hydrogen gas is ionized on the anode side and moves in the electrolyte to the cathode side, and reacts with oxygen on the cathode side to generate water.
In this case, hydrogen ions move in the electrolyte membrane together with water molecules. Therefore, when the amount of water contained in the electrolyte membrane increases, the ionic conductivity increases, the amount of circulating hydrogen ions increases, and the output of the fuel cell increases accordingly.

【0007】一方、カソード電極側では、水素イオンと
酸素イオンと結合して生成水を生じるとともに、アノー
ド電極側からの水素イオンとともに同伴水も持ち込まれ
ることこととなる。この結果、カソード電極側では水素
イオンの増大とともに、カソード電極側での水分量が過
剰となり、カソード電極側において水素イオンと酸素と
の接触を阻害し、反応効率を低下させる。そして、発明
者らの研究によれば、燃料電池の電流および出力の増大
が急激になるほど、カソード電極での水分の過剰化現象
が急激に発生し、これに原因する出力の落ち込みも急激
に生じる傾向がある。
On the other hand, on the cathode electrode side, hydrogen ions and oxygen ions are combined to generate water, and entrained water is also brought in along with hydrogen ions from the anode electrode side. As a result, the amount of water on the cathode electrode side becomes excessive along with the increase of hydrogen ions on the cathode electrode side, and the contact between hydrogen ions and oxygen on the cathode electrode side is inhibited, and the reaction efficiency is reduced. According to the research by the inventors, as the current and output of the fuel cell increase more rapidly, the phenomenon of excessive water content at the cathode electrode occurs more rapidly, and the output drops due to this more rapidly. Tend.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明は、燃料電池シス
テムの運転開始後の比較的早期の段階で生じるカソード
電極側での急激なフラッディング現象に基づく出力低下
の問題を解消し、燃料電池の出力の立ち上がりを速やか
にかつスムーズに行うことができる燃料電池システムを
提供することを目的とする。本発明の燃料電池システム
は、電解質膜の一方の側に配置され燃料ガスが供給され
るアノード触媒電極と、電解質膜の他方の側に配置さ
れ、酸化ガスが供給されるカソード触媒電極と、燃料ガ
スを前記アノード触媒電極に供給する燃料ガス供給手段
と、前記カソード触媒電極に酸化ガスを供給する酸化ガ
ス供給手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、前
記電解質膜の雰囲気温度が所定温度より低い状態にある
とき、前記燃料ガスまたは酸化ガスの反応を制限する反
応制限手段が設けられていることを特徴とする。電解質
膜の雰囲気温度は、燃料電池の積層構造すなわちスタッ
クの温度に対応する。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention solves the problem of output decrease due to a sudden flooding phenomenon on the cathode electrode side which occurs at a relatively early stage after the start of operation of a fuel cell system. It is an object of the present invention to provide a fuel cell system capable of quickly and smoothly increasing the output. The fuel cell system according to the present invention includes an anode catalyst electrode provided on one side of the electrolyte membrane and supplied with a fuel gas, a cathode catalyst electrode provided on the other side of the electrolyte membrane and supplied with an oxidizing gas, In a fuel cell system including: a fuel gas supply unit that supplies a gas to the anode catalyst electrode; and an oxidizing gas supply unit that supplies an oxidizing gas to the cathode catalyst electrode, an ambient temperature of the electrolyte membrane is lower than a predetermined temperature. In the state, a reaction restricting means for restricting a reaction of the fuel gas or the oxidizing gas is provided. The ambient temperature of the electrolyte membrane corresponds to the temperature of the fuel cell stack or stack.

【0009】本件発明は、主として、例えば冷間運転開
始時等のシステム全体の温度が低く燃料ガスと酸化ガス
との反応条件が良好でない状態から、温度が上昇し反応
効率の良好な状態への過渡期に有効に機能するものであ
る。好ましい態様では、電解質膜の雰囲気温度が低く、
かつ燃料電池に対する出力要求が所定より大きいとき
に、前記反応制限手段が前記燃料ガスと酸化ガスとの反
応を制限するようになっている。典型的な反応制限手段
は、燃料ガスの供給量を制限するように構成される。こ
の場合、前記電解質の膜厚が所定値、たとえば20ミク
ロン以下に設定されている。発明者らの研究により電解
質膜は極力薄く形成することが反応効率の面からは好ま
しい。しかし、膜厚を薄くすると、電解質膜が保有でき
る水分容量が減少するため、僅かな水分量の変化が燃料
電池の反応メカニズムに影響を与える。このため、上記
運転開始後の電流変化、出力変化に伴う水分量変化によ
り上記のカソード電極側でのフラッディング現象が生じ
易くなる。
[0009] The present invention mainly shifts from a state in which the temperature of the entire system is low and the reaction conditions between the fuel gas and the oxidizing gas are not good, for example, at the start of cold operation, to a state in which the temperature rises and the reaction efficiency is good. It functions effectively in the transition period. In a preferred embodiment, the ambient temperature of the electrolyte membrane is low,
When the output demand for the fuel cell is larger than a predetermined value, the reaction limiting means limits the reaction between the fuel gas and the oxidizing gas. Typical reaction limiting means are configured to limit the supply of fuel gas. In this case, the thickness of the electrolyte is set to a predetermined value, for example, 20 microns or less. According to the study by the inventors, it is preferable from the viewpoint of reaction efficiency that the electrolyte membrane be formed as thin as possible. However, when the film thickness is reduced, the water capacity that the electrolyte membrane can hold decreases, so that a slight change in the water content affects the reaction mechanism of the fuel cell. For this reason, the flooding phenomenon on the cathode electrode side easily occurs due to a change in the amount of water accompanying a change in current and a change in output after the start of the operation.

【0010】本件発明の反応制限手段は、このような反
応効率の向上を狙って極力電解質膜の膜厚を薄く設定し
た場合に特に有効に機能する。またこの場合、酸化ガス
は加湿器を経由せず、燃料電池システムに導入されるよ
うになっており、前記電解質膜は、燃料ガスによっても
たらされる水分により加湿されるようになっている。こ
のように構成することにより、燃料電池システムをコン
パクトを推進しつつ、かつ、上記カソード電極側での運
転開始後の出力立ち上がり段階でのフラッディング現象
を抑制することによって、出力性能のスムーズな増大を
図ることができる。本発明の好ましい態様では、電解質
膜の雰囲気温度が低く、かつ燃料電池に対する要求出力
が所定値以上であるときは、電解質膜の雰囲気温度を上
昇させるための昇温手段を備えている。
The reaction limiting means of the present invention functions particularly effectively when the thickness of the electrolyte membrane is set as small as possible in order to improve the reaction efficiency. Further, in this case, the oxidizing gas is introduced into the fuel cell system without passing through the humidifier, and the electrolyte membrane is humidified by the moisture provided by the fuel gas. With this configuration, it is possible to increase the output performance smoothly by promoting the compactness of the fuel cell system and suppressing the flooding phenomenon at the output rising stage after the start of operation on the cathode electrode side. Can be planned. In a preferred embodiment of the present invention, a temperature raising means is provided for raising the ambient temperature of the electrolyte membrane when the ambient temperature of the electrolyte membrane is low and the required output for the fuel cell is equal to or higher than a predetermined value.

【0011】昇温手段はたとえば、酸化ガスの圧縮のた
めのコンプレッサーなどの加圧手段を過回転させて、酸
化ガスの断熱圧縮を促進し、ガスを加熱するように構成
することができる。また、昇温手段にガスを直接加熱す
るヒータを用いても良い。さらに別の好ましい態様で
は、前記燃料電池システムに対する要求出力を推定する
要求出力推定手段を備えている。出力要求は、たとえ
ば、アクセル開度から推定することができる。さらに好
ましくは、燃料電池システムが実際に発生する実際出
力、たとえば、電力、電流、電圧等に関する値を検出す
る実際出力検出手段をさらに備え、燃料電池システムに
対する要求出力の変化に対応する前記実際出力の変化が
所定値以下であるとき、前記反応制限手段が燃料ガスと
酸化ガスとの反応を制限するようになっている。
[0011] The temperature raising means may be constituted so as to promote adiabatic compression of the oxidizing gas and heat the gas by, for example, excessively rotating a pressurizing means such as a compressor for compressing the oxidizing gas. Further, a heater for directly heating the gas may be used as the temperature raising means. In still another preferred aspect, there is provided a required output estimating means for estimating a required output for the fuel cell system. The output request can be estimated, for example, from the accelerator opening. More preferably, the fuel cell system further includes an actual output actually detected by the fuel cell system, for example, a value relating to power, current, voltage, etc., and the actual output corresponding to a change in required output to the fuel cell system. When the change is less than a predetermined value, the reaction limiting means limits the reaction between the fuel gas and the oxidizing gas.

【0012】この場合、上記の要求出力変化に対する実
際出力の変化が所定値以下であることに加えて、さら
に、電解質膜の雰囲気温度が所定値より低いとき燃料ガ
スと酸化ガスとの反応を制限するのが好ましい。
In this case, in addition to the change in the actual output with respect to the required output change being equal to or less than a predetermined value, the reaction between the fuel gas and the oxidizing gas is restricted when the ambient temperature of the electrolyte membrane is lower than the predetermined value. Is preferred.

【0013】[0013]

【発明の実施の形態】上記したように電解質膜は、含水
状態でプロトンすなわち水素イオンの移動を可能とする
ことによって、電流回路を外部に形成することができ、
これによって外部仕事を行う燃料電池が形成される。そ
して電解質膜のカソード触媒電極側では酸化反応によっ
て水が生成するが、この生成水がカソード触媒電極側で
過剰になると、燃料電池の出力性能は低下する。したが
って、出力性能を維持するためには燃料電池反応による
生成水が過剰にならないように制御する必要がある。図
3には、本発明を適用することができる燃料電池の水分
移動モデルが示されている。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS As described above, the electrolyte membrane enables the transfer of protons, that is, hydrogen ions in a water-containing state, thereby forming a current circuit outside.
This forms a fuel cell that performs external work. Then, water is generated by the oxidation reaction on the cathode catalyst electrode side of the electrolyte membrane. If the generated water becomes excessive on the cathode catalyst electrode side, the output performance of the fuel cell is reduced. Therefore, in order to maintain the output performance, it is necessary to control so that water generated by the fuel cell reaction does not become excessive. FIG. 3 shows a moisture transfer model of a fuel cell to which the present invention can be applied.

【0014】固体高分子電解質膜の水分移動は上記から
明らかのように電気浸透流と逆拡散流との差が固体高分
子電解質膜における見かけの水和量を用いて以下の式で
表される。 JM =Si/F (1) ここで、JM :固体高分子電解質膜中の水分移動量 S :見かけの水和量 i :電流密度(A/cm2) またカソード側で反応により生成する水分量JW は、 JW =i/2F (2) であらわされる。
As is clear from the above, the difference between the electroosmotic flow and the reverse diffusion flow is represented by the following equation using the apparent hydration amount of the solid polymer electrolyte membrane. . J M = Si / F (1) where J M : moisture transfer amount in the solid polymer electrolyte membrane S: apparent hydration amount i: current density (A / cm 2 ) Also generated by reaction on the cathode side The water content J W is represented by J W = i / 2F (2).

【0015】アノード側の加湿による水分供給量
(JA )の最大値JA(MAX)は、以下のように表される。 JA(MAX)=(PW(T)/(PA −PW(T)))i/2aF (3) ここで、a:水素ガスの利用率 PA :水素の供給圧 PW(T):温度T(℃)における飽和水蒸気分圧 カソード側において空気に同伴して排出される水分量
(JC )の最大値JC(MA X)は、 JC(MAX)=(PW(T)/(PC −PW(T)))5i/4cF (4) ここで、c:空気の利用率 PC :空気の供給圧 で表される。
The maximum value J A (MAX) of the water supply amount (J A ) by humidification on the anode side is expressed as follows. J A (MAX) = (P W (T) / (P A -P W (T))) i / 2aF (3) where, a: utilization of hydrogen gas P A: supply pressure of hydrogen P W ( T): the maximum value J C (MA X amount of water to be discharged with entrained in air at saturated water vapor pressure cathode side at a temperature T (℃) (J C) ) is, J C (MAX) = ( P W (T) / (P C -P W (T))) 5i / 4cF (4) where, c: utilization of air P C: represented by the supply pressure of air.

【0016】燃料電池における酸化還元反応の反応中に
おいて、上記から固体高分子電解質膜をアノード側から
カソード側に移動する水分移動量JM と酸化反応によっ
て生成する水分量JW との合計量と、カソード側から空
気と同伴して系外に持ち出される水分量JC とが釣り合
うこと、及び電解質膜中を移動する水分量JM とアノー
ド側に供給される水分量JA とが釣り合うことが重要で
ある。もし、カソード側から空気と同伴して系外に持ち
出される水分量JC が、電解質膜をアノード側からカソ
ード側に移動する水分移動量JM と酸化反応によって生
成する水分量JW との合計量よりも多いと、カソード側
において所望の水分量が確保出来なくなる。また、アノ
ード側に供給される水分量JA が電解質膜中を移動する
水分量JM よりも少ない場合はアノード側がドライアウ
トを生じ、いずれの場合にも、全体として燃料電池の出
力性能を低下させる。
During the oxidation-reduction reaction in the fuel cell, the total amount of the amount of water movement J M for moving the solid polymer electrolyte membrane from the anode side to the cathode side and the amount of water J W generated by the oxidation reaction is as follows. , the a water content J C from the cathode side is brought out of the system entrains air are balanced, and the water content J a to be supplied to the water content J M and the anode side to move the electrolyte membrane that are balanced is important. If the amount of water J C taken out of the system together with air from the cathode side is the sum of the amount of water movement J M that moves the electrolyte membrane from the anode side to the cathode side and the amount of water J W generated by the oxidation reaction. If the amount is larger than the amount, the desired water amount cannot be secured on the cathode side. When the amount of water J A supplied to the anode side is smaller than the amount of water J M moving in the electrolyte membrane, dry out occurs on the anode side, and in any case, the output performance of the fuel cell is reduced as a whole. Let it.

【0017】カソード側において空気の同伴して排出さ
れる水分量(JC )の最大値JC(MA X)及びアノード側の
加湿による水分供給量(JA )の最大値JA(MAX)は、そ
れぞれ当該温度における飽和水蒸気量である。この最大
値JC(MAX)及びJA(MAX)は、温度に依存し、温度が上昇
すると急激に増大する。アノード側の水分供給量JA
びカソード側の水分同伴量JC も同様に温度が上昇する
と増大する。ところで、電解質膜の膜厚を薄くすること
によって逆拡散流が増大するため全体として電解質膜中
の水分移動量JM が減少する。この理由は、電解質膜中
の水分の濃度勾配がアノード側とカソード側との間で急
激になることによる、と考えられる。したがって、低い
温度での運転する場合には、アノード側において水分供
給量JA が減少するので、アノード側でドライアウトの
問題が生じるのを防止するためには、電解質膜の厚さを
薄くするのが望ましい。
The cathode of the air at the side entrained amount of water discharged (J C) maximum J C of (MA X) and water supply amount of humidification of the anode-side maximum value J A of (J A) (MAX) Is the amount of saturated steam at that temperature. The maximum values J C (MAX) and J A (MAX) depend on the temperature, and increase rapidly as the temperature rises. Similarly, the water supply amount J A on the anode side and the water entrainment amount J C on the cathode side increase as the temperature rises. By the way, when the thickness of the electrolyte membrane is reduced, the reverse diffusion flow increases, so that the amount of water movement J M in the electrolyte membrane decreases as a whole. It is considered that the reason for this is that the concentration gradient of water in the electrolyte membrane becomes sharp between the anode side and the cathode side. Therefore, when operating at low temperatures, since the water supply amount J A at the anode side is reduced, in order to prevent the dry-out problems at the anode side, to reduce the thickness of the electrolyte membrane It is desirable.

【0018】しかし、燃料電池システムの運転温度がさ
らに低くなると、上記の現象とは逆に、カソード側にお
ける酸化反応で生じた生成水を適正に排出することがで
きなくなり、カソード側で水分の過剰状態が発生し、電
解膜の全体の反応効率が低下する。本発明では、運転温
度が低い場合には、燃料ガスと酸化ガスとの間の燃料電
池反応を抑制し、カソード電極側でのフラッディング現
象を有効に抑制し、運転温度が適正な温度に上昇するま
での間の、燃料電池システムの出力の落ち込み減少を解
消するようにしている。これによって、燃料電池の運転
開始後の立ち上がり状態での出力性能を良好に推移させ
ることができる。なお、燃料電池システムの運転中にお
いて、水素ガスが欠乏すると、酸化反応の進行に伴っ
て、電極の炭素等の酸化反応が発生し、燃料電池の電極
が燃焼して破損するという問題が生じる可能性がある。
However, when the operating temperature of the fuel cell system further decreases, contrary to the above phenomenon, it becomes impossible to properly discharge water generated by the oxidation reaction on the cathode side, and excess water on the cathode side. A state occurs, and the overall reaction efficiency of the electrolytic membrane decreases. In the present invention, when the operating temperature is low, the fuel cell reaction between the fuel gas and the oxidizing gas is suppressed, the flooding phenomenon on the cathode electrode side is effectively suppressed, and the operating temperature rises to an appropriate temperature. In the meantime, the decrease in the output of the fuel cell system is reduced. As a result, the output performance in the startup state after the start of operation of the fuel cell can be favorably changed. During the operation of the fuel cell system, if hydrogen gas is depleted, the oxidation reaction of carbon or the like of the electrode may occur with the progress of the oxidation reaction, which may cause a problem that the fuel cell electrode is burned and damaged. There is.

【0019】これに対処するために水素の予備のタンク
(供給手段)を設け、メインタンクの供給圧が所定値以
下に低下した場合には、予備タンク(供給手段)に切り
換える機構を備えることが望ましい。あるいは、水素の
供給圧が所定値以下に下がった場合には、外部負荷電流
を少なくし、さらに燃料電池システムの運転を停止する
ように制御することが望ましい。
To cope with this, a spare tank (supply means) for hydrogen is provided, and a mechanism for switching to the spare tank (supply means) when the supply pressure of the main tank falls below a predetermined value is provided. desirable. Alternatively, when the supply pressure of hydrogen drops below a predetermined value, it is desirable to reduce the external load current and control to stop the operation of the fuel cell system.

【0020】[0020]

【実施例】図4を参照すると、本発明の1実施例に従う
燃料電池システム1の概略図が示されている。このシス
テム1では、上記の固体高分子燃料電池を積層した燃料
電池スタック2が設けられ、該燃料電池スタック2に
は、燃料ガスとしての水素が供給管3を介して供給され
る。水素ガスの供給系は、水素ガス発生源としてのMH
水素吸蔵合金4を備えており、本例の水素吸蔵合金4
は、加圧によって水素ガスを発生する。発生した高圧
(5気圧程度の)水素ガスは供給管3の配管上に設けら
れた水素ガス調整弁5により供給圧力が調整されるよう
になっている(約1.5〜3.0気圧程度)。そして、
所定量に調整された水素ガスは燃料スタック2に隣接し
て設置された水素ガス加湿器6に導かれる。燃料電池ス
タック2からの水素ガスは、水素ガス排出管7を介して
燃料電池スタック2から排出され、水分凝縮器8を経て
水素ガス戻り管9に導入され、水素循環ポンプ10に導
入される。水素ガス戻り管11は、上記の水素ガス圧力
調整弁5の下流側で水素ガス供給管3合流して循環経路
を構成する。
Referring to FIG. 4, there is shown a schematic diagram of a fuel cell system 1 according to one embodiment of the present invention. In this system 1, a fuel cell stack 2 in which the above-mentioned solid polymer fuel cells are stacked is provided, and hydrogen as a fuel gas is supplied to the fuel cell stack 2 through a supply pipe 3. The supply system of hydrogen gas is MH as a hydrogen gas generation source.
The hydrogen storage alloy 4 is provided.
Generates hydrogen gas by pressurization. The supply pressure of the generated high-pressure (about 5 atm) hydrogen gas is adjusted by a hydrogen gas regulating valve 5 provided on the supply pipe 3 (about 1.5 to 3.0 atm). ). And
The hydrogen gas adjusted to a predetermined amount is guided to a hydrogen gas humidifier 6 installed adjacent to the fuel stack 2. Hydrogen gas from the fuel cell stack 2 is discharged from the fuel cell stack 2 via a hydrogen gas discharge pipe 7, introduced into a hydrogen gas return pipe 9 via a moisture condenser 8, and introduced into a hydrogen circulation pump 10. The hydrogen gas return pipe 11 joins the hydrogen gas supply pipe 3 downstream of the hydrogen gas pressure regulating valve 5 to form a circulation path.

【0021】また、酸化剤ガスとしての空気が供給管1
2を介して該燃料電池スタック2のそれぞれのカソード
側に供給される。空気の供給系は、加圧するためのエア
ーコンプレッサー13を備えており、これによって1.
5ないし3.0気圧に昇圧されて、燃料電池スタック2
に導入される。燃料電池からの余剰の空気は、空気排出
管から水分凝縮器14を経由して大気に開放される。本
例の燃料電池システム1は、水素ガスが電解質に持ち込
む水分量を調節するためおよび、水素ガスおよび空気が
電解質膜から同伴する水分を処理するための水分循環系
を備えている。この水分循環系は水の循環エネルギーを
与えるための循環水ポンプ15を備えている循環水ポン
プ15から吐出された水は配管16aを介してて水素加
湿器6内に導入されて水素ガスと半透膜を介して接触し
て水素ガスを加湿する。そして、本例の水循環系では加
湿器6からの配管16bは、酸化ガスの水分凝縮器14
に接続されており、ここを介して循環水ポンプ15の吸
入側に戻されるようになっている。また、循環水ポンプ
15の吸入側の配管16cには、水素ガス用水分凝縮器
8からの配管も接続されており、両方の水分凝縮器8、
14からの水が加湿器用循環水系に組み込まれるように
なっている。
Air as oxidant gas is supplied to the supply pipe 1.
The fuel is supplied to the respective cathode sides of the fuel cell stack 2 via the fuel cell stack 2. The air supply system is provided with an air compressor 13 for pressurization.
The pressure is increased to 5 to 3.0 atm, and the fuel cell stack 2
Will be introduced. Excess air from the fuel cell is released from the air discharge pipe to the atmosphere via the moisture condenser 14. The fuel cell system 1 of the present example includes a moisture circulation system for adjusting the amount of moisture brought by the hydrogen gas into the electrolyte and for treating the moisture entrained by the hydrogen gas and the air from the electrolyte membrane. In this water circulation system, water discharged from a circulating water pump 15 provided with a circulating water pump 15 for providing circulating energy of water is introduced into a hydrogen humidifier 6 through a pipe 16a, and a half of the hydrogen gas is removed. The hydrogen gas is humidified by contact through a permeable membrane. In the water circulation system of the present embodiment, the pipe 16b from the humidifier 6 is connected to the oxidizing gas moisture condenser 14.
And is returned to the suction side of the circulating water pump 15 via this. In addition, a pipe from the hydrogen gas moisture condenser 8 is also connected to a pipe 16c on the suction side of the circulating water pump 15, and both moisture condensers 8,
The water from 14 is adapted to be incorporated into the humidifier circulating water system.

【0022】また、本例の燃料電池システム1は、冷却
水循環配管の経路に一部に組み込まれており、これによ
って冷却水による所定の冷却効果を得るようになってい
る。本例の冷却水循環系は、冷却水ポンプ17を備えて
おり、冷却水ポンプ17からの吐出側配管18には、ラ
ジエータ19が配置されており、冷却水はラジエータ1
9に冷却された後、エアーコンプレッサー13の吐出側
の熱交換器20に通され、エアーコンプレッサー13に
よって断熱圧縮されて温度上昇した圧縮空気を冷却す
る。そして、熱交換器20を経た冷却水は、水素ガス用
加湿器を通って燃料電池スタック2に通され燃料電池ス
タック2を所定の温度範囲内に調整するようになってい
る。すなわち、燃料電池の冷間運転においては、ヒータ
として機能し、所定温度に達した後は、クーラーとして
機能する。
Further, the fuel cell system 1 of the present embodiment is partially incorporated in the path of the cooling water circulation pipe, so that a predetermined cooling effect by the cooling water can be obtained. The cooling water circulation system of the present example includes a cooling water pump 17, and a radiator 19 is disposed on a discharge-side pipe 18 from the cooling water pump 17, and the cooling water is supplied to the radiator 1.
After being cooled to 9, it is passed through a heat exchanger 20 on the discharge side of the air compressor 13 to cool the compressed air that has been adiabatically compressed by the air compressor 13 and raised in temperature. Then, the cooling water that has passed through the heat exchanger 20 passes through the humidifier for hydrogen gas, passes through the fuel cell stack 2, and adjusts the fuel cell stack 2 within a predetermined temperature range. That is, in cold operation of the fuel cell, it functions as a heater, and after reaching a predetermined temperature, functions as a cooler.

【0023】なお、エアーコンプレッサー13の吐出側
の配管は、熱交換器20を経由する配管12aと、経由
しない配管12bとに分岐しており、これらの熱交換器
20を通過する空気量を調整することにより、燃料電池
スタック2に導入される空気の温度を制御することがで
きるようになっている。なおこの目的のために燃料スタ
ック2に導入される空気の配管には空気温度をはかる温
度センサ21が設けられている。また、水素ガスの温度
を図る温度センサ22も水素ガス循環系に設けられる。
なおこれらの水素及び空気の圧力を計測するために圧力
計23、24がそれぞれ設けられる。なお、本例の燃料
電池システム1は、空気側の加湿装置は備えていない。
The pipe on the discharge side of the air compressor 13 is branched into a pipe 12a that passes through the heat exchanger 20 and a pipe 12b that does not pass through, and regulates the amount of air passing through the heat exchanger 20. By doing so, the temperature of the air introduced into the fuel cell stack 2 can be controlled. For this purpose, a temperature sensor 21 for measuring the air temperature is provided in a pipe for air introduced into the fuel stack 2. A temperature sensor 22 for measuring the temperature of the hydrogen gas is also provided in the hydrogen gas circulation system.
Pressure gauges 23 and 24 are provided to measure the pressures of the hydrogen and the air. Note that the fuel cell system 1 of the present example does not include a humidifier on the air side.

【0024】さらに、本例の燃料電池システム1は、水
素ガスを所定の運転状態において加熱するためのヒータ
25を備えるとともに、このヒータ25および水素ガス
コンプレッサ10の電力量を制御するために好ましく
は、マイクロコンピュータを含んで構成される電子制御
装置(ECU)26を備えている。さらにエアーコンプ
レッサー13の吐出側において、熱交換器20をバイパ
スするバイパス通路12bには、流量を調整する流量調
整弁27が設けられ、熱交換器20への圧縮空気量を調
整できるようになっている。これによって、必要に応じ
て燃料電池スタック2に供給される空気温度を冷却制御
することができる。この目的のためにECU26は、流
量調整弁の開度調整を行う制御信号を出力する。
Further, the fuel cell system 1 of the present embodiment is preferably provided with a heater 25 for heating the hydrogen gas in a predetermined operation state, and for controlling the electric energy of the heater 25 and the hydrogen gas compressor 10. , An electronic control unit (ECU) 26 including a microcomputer. Further, on the discharge side of the air compressor 13, a flow rate adjusting valve 27 for adjusting the flow rate is provided in the bypass passage 12b that bypasses the heat exchanger 20, so that the amount of compressed air to the heat exchanger 20 can be adjusted. I have. Thereby, the cooling of the temperature of the air supplied to the fuel cell stack 2 can be controlled as needed. For this purpose, the ECU 26 outputs a control signal for adjusting the opening of the flow control valve.

【0025】燃料電池の運転温度において、約50℃を
下回るとアノード側の水分供給量(最大値)JA(MAX)
上記水分移動量JM に及ばなくなり、アノード側のドラ
イアウトの問題が生じる。このようなドライアウトを防
止し、高効率で電解反応を生じさせるためには、約50
℃から70℃の範囲で運転するのが望ましい。逆に、カ
ソード側では、生成水が生じる。運転温度の低い状態で
は、アノード側の上記ドライアウトの問題を解消するた
めに、水素ガスガスを加湿することととあいまってカソ
ード側における水分の過剰状態が加速される。特に、特
に外気温が所定温度たとえば、約5℃よりも低い温度で
始動するような場合には、過剰水分が電解質膜上に残っ
て電解反応を阻害する。上記のように運転開始直後は、
燃料電池システムは外気温とほぼ同じ温度になってい
る。運転開始後、空気は、エアーコンプレッサーによっ
て断熱圧縮されるので、温度が上昇する。これにともな
って、スタック温度および水素ガス温度も温度上昇す
る。この場合、スタックおよび水素ガスはほぼ同じ傾向
で温度上昇する。運転開始後、一定時間経過すると空
気、スタック、水素ガスの温度上昇はなくなり温度は定
常となる。
When the operating temperature of the fuel cell falls below about 50 ° C., the amount of water supply (maximum) J A (MAX) on the anode side does not reach the above-mentioned amount of water transfer J M, and the problem of dry-out on the anode side is reduced. Occurs. In order to prevent such dryout and to cause an electrolytic reaction with high efficiency, about 50
It is desirable to operate in the range of from 70 ° C to 70 ° C. Conversely, generated water is generated on the cathode side. In a state where the operating temperature is low, in order to solve the problem of the dryout on the anode side, the excess state of water on the cathode side is accelerated together with the humidification of the hydrogen gas gas. In particular, particularly when the ambient temperature starts at a predetermined temperature, for example, a temperature lower than about 5 ° C., excess moisture remains on the electrolyte membrane and inhibits the electrolytic reaction. Immediately after starting operation as described above,
The temperature of the fuel cell system is almost the same as the outside temperature. After the start of the operation, the temperature rises because the air is adiabatically compressed by the air compressor. Accordingly, the stack temperature and the hydrogen gas temperature also increase. In this case, the temperature of the stack and the temperature of the hydrogen gas rise with almost the same tendency. After a certain period of time has passed since the start of the operation, the temperatures of the air, the stack, and the hydrogen gas did not rise, and the temperature became steady.

【0026】燃料電池システムの温度が低い状態で運転
を開始すると、温度が上昇して定常状態となるまでの
間、特に、運転当初は、電解質膜中を移動する水素イオ
ンすなわちプロトンの量も少なく良好に反応して、出力
を向上させるが、この状態が進行すると生成水が増大し
て、カソード側の水分過剰状態が発生する。そして、電
流が所定値まで上昇したとき、カソード電極側がフラッ
ディング現象を生じ、電流および出力の急激な低下が生
じる。本発明では、このような事態を解消するため電解
質膜の周囲温度が低い場合であって、適正な電解反応条
件を損なう恐れがある場合には、燃料電池スタックに供
給される水素ガスと、酸素との反応を抑制するようにし
て、カソード側でのフラッディング現象を防止し、上記
のような運転開始後の立ち上がり段階での出力低下の減
少を回避するようにしている。
When the operation of the fuel cell system is started in a low temperature state, the amount of hydrogen ions, that is, protons, moving in the electrolyte membrane is small until the temperature rises to a steady state, particularly at the beginning of the operation. Although the reaction is satisfactorily performed and the output is improved, when this state progresses, the generated water increases and an excess water state on the cathode side occurs. Then, when the current rises to a predetermined value, a flooding phenomenon occurs on the cathode electrode side, and a sharp decrease in current and output occurs. In the present invention, when the ambient temperature of the electrolyte membrane is low in order to solve such a situation and there is a possibility that appropriate electrolytic reaction conditions may be impaired, hydrogen gas supplied to the fuel cell stack and oxygen , The flooding phenomenon on the cathode side is prevented, and the decrease in the output decrease at the start-up stage after the start of operation as described above is avoided.

【0027】ECU26には、水素ガス温度、空気温
度、湿度、スタック温度、水素ガス供給量、空気供給
量、水素ガス供給圧力、空気供給圧力、およびアクセル
開度等の本燃料電池システムを搭載した、車両の運転条
件および燃料電池システムの運転条件を物理量を表す信
号が入力される。そして、ECU26は、これらの入力
信号に基づいて水素ガスの循環量を制御するようになっ
ている。具体的には、水素ガス用流量調整弁28および
水素ガス循環ポンプすなわちコンプレッサ10への電力
量を制御する。これによって、燃料電池スタック2に導
入される水素ガス量を制御する。また、熱交換器20の
バイパス通路12bには、流量調整弁27が設けられて
おり、ECUは、この流量調整弁27の流量を調整する
ことによって、熱交換器20を通過する空気量を制御す
るようになっており、これによってスタック2への供給
空気の温度を制御する。
The ECU 26 is equipped with the present fuel cell system such as hydrogen gas temperature, air temperature, humidity, stack temperature, hydrogen gas supply amount, air supply amount, hydrogen gas supply pressure, air supply pressure, and accelerator opening. Signals representing physical quantities of the vehicle operating conditions and the fuel cell system operating conditions are input. The ECU 26 controls the amount of circulating hydrogen gas based on these input signals. Specifically, the amount of power to the hydrogen gas flow control valve 28 and the hydrogen gas circulation pump, that is, the compressor 10 is controlled. Thereby, the amount of hydrogen gas introduced into the fuel cell stack 2 is controlled. A flow control valve 27 is provided in the bypass passage 12b of the heat exchanger 20, and the ECU controls the amount of air passing through the heat exchanger 20 by adjusting the flow rate of the flow control valve 27. Thus, the temperature of the air supplied to the stack 2 is controlled.

【0028】本発明は、上記のように、燃料電池システ
ムを動力源として搭載した車両の運転開始後の比較的早
い段階で生じるカソード電極側でのフラッディング現象
に起因する燃料電池の急激な出力低下の問題に対処する
ためのものである。このために本発明では、スタック温
度が所定値以下の場合には、燃料電池反応を抑制し、カ
ソード電極側でのフラッディング現象が生じないように
生成水の量を制御する。特に、スタック2に導入される
水素ガスの量を制限して、反応を抑制し、生成水の量を
制限してカソード電極側のフラッディングが生じないよ
うにする。具体的には、水素ガス量と燃料電池の出力と
はほぼ一義的な対応関係が存在することに着目して、フ
ラッディングが生じない範囲で可能な燃料電池の最大出
力を設定し、この出力範囲内になるように水素ガス供給
量を制御する。
According to the present invention, as described above, a sudden decrease in the output of a fuel cell caused by a flooding phenomenon on the cathode electrode side which occurs relatively early after the start of operation of a vehicle equipped with a fuel cell system as a power source. It is for dealing with the problem. Therefore, in the present invention, when the stack temperature is equal to or lower than a predetermined value, the fuel cell reaction is suppressed, and the amount of generated water is controlled so that the flooding phenomenon does not occur on the cathode electrode side. In particular, the amount of hydrogen gas introduced into the stack 2 is limited to suppress the reaction, and the amount of generated water is limited to prevent flooding on the cathode electrode side. Specifically, paying attention to the fact that there is almost a unique correspondence between the amount of hydrogen gas and the output of the fuel cell, the maximum output of the fuel cell is set within a range where flooding does not occur, and this output range is set. The supply amount of hydrogen gas is controlled so as to be within.

【0029】図5のフローチャートを参照して、本発明
にしたがう燃料電池システムの運転例について説明す
る。ECU26は、まず、さまざまな検出データを入力
する、すなわち、空気温度湿度、アクセル開度α、スタ
ック温度Ts等を読み込む(ステップS1)。次にECU
は、アクセル開度αから、要求出力を推定するとともに
にこれる対応する、燃料電池に導入すべき水素ガス量To
を算出する(ステップS2)。そしてECUはスタック
温度が所定値Tso 以下かどうかを判断する(ステップS
3)。スタック温度Tsが所定値Tso より低い場合には、
ECU26は、さらに、アクセル開度αが所定値αo よ
り大きいかどうか判断する(ステップS4)。ステップ
S4において、アクセル開度αが所定値αo よりも小さ
い場合には、さらに、アクセル開度増大側変化量Δαが
所定値Δαo より大きいかどうかを判断する(ステップ
S5)。そして、アクセル開度αが所定値αo より大き
い場合、およびアクセル開度増大側変化量Δαが所定値
Δαo より大きい場合には、昇温手段により、本例で
は、空気のコンプレッサの回転数を増大し、空気温度を
上昇させる(ステップS6)。あるいはヒーターによっ
て空気を昇温しても良い。そして、所定の時間経過をタ
イマーで確保する(ステップS7)。次に、ECUは、
燃料電池の現状での出力限界値に対応する水素ガス導入
限界値Tl を算出する(ステップS8)。この限界値T
l は、この値に基づいて設定される水素ガス量を燃料電
池に導入しても、カソード電極側でフラッディングを生
じるおそれのない値である。この限界値Tl は、経験則
により設定することができる。
An example of operation of the fuel cell system according to the present invention will be described with reference to the flowchart of FIG. First, the ECU 26 inputs various detection data, that is, reads the air temperature and humidity, the accelerator opening α, the stack temperature Ts, and the like (step S1). Next, ECU
Is the required amount of hydrogen gas to be introduced into the fuel cell, while estimating the required output from the accelerator opening α.
Is calculated (step S2). Then, the ECU determines whether the stack temperature is equal to or lower than a predetermined value Tso (step S
3). When the stack temperature Ts is lower than the predetermined value Tso,
The ECU 26 further determines whether the accelerator opening α is larger than a predetermined value αo (step S4). If the accelerator opening α is smaller than the predetermined value αo in step S4, it is further determined whether the accelerator opening increasing side change amount Δα is larger than a predetermined value Δαo (step S5). When the accelerator opening α is larger than the predetermined value αo, and when the accelerator opening increasing side change amount Δα is larger than the predetermined value Δαo, in this example, the rotation speed of the air compressor is increased by the temperature raising means. Then, the air temperature is increased (step S6). Alternatively, the air may be heated by a heater. Then, a predetermined time elapse is secured by a timer (step S7). Next, the ECU
A hydrogen gas introduction limit value Tl corresponding to the current output limit value of the fuel cell is calculated (step S8). This limit value T
l is a value that does not cause flooding on the cathode electrode side even when the amount of hydrogen gas set based on this value is introduced into the fuel cell. This limit value Tl can be set by an empirical rule.

【0030】そして、限界値Tl がステップS2で設定
した要求出力対応水素ガス量Toよりも小さい場合には
(ステップS9)、この限界値Tl を実際に燃料電池に
導入すべき水素ガス量Toとして(ステップS10)、弁
28が所定の開度を達成するように制御信号を出力する
(ステップS11)。なお、図6および図7に示すよう
に水素ガス量Toは、アクセル開度αにより設定される基
本水素ガス量Tbおよびアクセル開度増加率Δαにより設
定される水素ガス補正量TcとからTo=Tb+Tcとして設定
される。また、水素ガス量限界値Tl は、図8および図
9に示すような関係でそれぞれ与えられる、スタック温
度Tsに対応する基本限界値Tl b および空気の湿度に対
応する補正値Tl c とからTl =Tl b +Tl c として
与えられる。
[0030] Then, when the limit value T l is smaller than the required output corresponding amount of hydrogen gas To set in step S2, (step S9), and the amount of hydrogen gas to be introduced into actual fuel cell this limit T l As To (step S10), a control signal is output so that the valve 28 achieves a predetermined opening (step S11). As shown in FIGS. 6 and 7, the hydrogen gas amount To is calculated from the basic hydrogen gas amount Tb set by the accelerator opening α and the hydrogen gas correction amount Tc set by the accelerator opening increasing rate Δα. Set as Tb + Tc. The hydrogen gas amount limit value T l are given respectively by the relationship shown in FIGS. 8 and 9, the correction value T l c corresponding to the basic limit value T l b and humidity of the air corresponding to the stack temperature Ts From this, it is given as Tl = Tlb + Tlc .

【0031】すなわち、水素ガス量限界値Tl は,スタ
ック温度Tsが増大するのに対応して増大するように設定
されている。図10のフローチャートを参照して本発明
の他の実施例について説明する。ECUは、前例と同様
にさまざまな検出データを入力する、すなわち、空気温
度湿度、アクセル開度α、スタック温度Tsおよび、燃料
電池の現在の運転状態、すなわち、発生電流A、電力W
等を読み込む(ステップS1)。次にECUは、アクセ
ル開度αから、要求出力を推定するとともににこれる対
応する、燃料電池に導入すべき水素ガス量Toを算出する
(ステップS2)。そしてECUはスタック温度が所定
値Tso 以下かどうかを判断する(ステップS3)。スタ
ック温度Tsが所定値Tso より低い場合には、ECU26
は、さらに、アクセル開度αが所定値αo より大きいか
どうか判断する(ステップS4)。ステップS4におい
て、アクセル開度αが所定値αo よりも小さい場合に
は、さらに、実際に燃料電池に導入されている水素ガス
量の増加率ΔTが所定値ΔToより大きいかどうかを判
定する。(ステップS5)。そして、アクセル開度αが
所定値αo より大きい場合、であって、実際の水素ガス
量の増加率ΔTが所定値ΔToより大きい場合には、さ
らに、燃料電池の発生電流の増加率ΔAが所定値ΔAo
より小さいかどうかを判定する(ステップS6)。この
場合前例のように、アクセル開度増加率Δαに着目した
制御を行っても良い。
[0031] That is, hydrogen gas amount limit value T l is set as the stack temperature Ts is increased in response to increase. Another embodiment of the present invention will be described with reference to the flowchart of FIG. The ECU inputs various detection data as in the previous example, that is, the air temperature and humidity, the accelerator opening α, the stack temperature Ts, and the current operating state of the fuel cell, that is, the generated current A and the power W
Are read (step S1). Next, the ECU estimates the required output from the accelerator opening α and calculates the corresponding hydrogen gas amount To to be introduced into the fuel cell (step S2). Then, the ECU determines whether the stack temperature is equal to or lower than a predetermined value Tso (step S3). If the stack temperature Ts is lower than the predetermined value Tso, the ECU 26
Determines whether the accelerator opening α is larger than a predetermined value αo (step S4). In step S4, when the accelerator opening α is smaller than the predetermined value αo, it is further determined whether the increase rate ΔT of the amount of hydrogen gas actually introduced into the fuel cell is larger than the predetermined value ΔTo. (Step S5). If the accelerator opening α is larger than the predetermined value αo, and if the actual increase rate ΔT of the hydrogen gas amount is larger than the predetermined value ΔTo, the increase rate ΔA of the current generated by the fuel cell is further increased. Value ΔAo
It is determined whether it is smaller than (Step S6). In this case, as in the previous example, control may be performed focusing on the accelerator opening increase rate Δα.

【0032】そして、このステップS6における判定が
Noの場合には、さらに、燃料電池の出力電力の変化率Δ
W(負の値)が所定値ΔWoよりも小さいかどうかを判
定する(ステップS7)。そして、小さい場合には、実
際の水素ガス量Tを所定値tだけ減少して設定し(ステ
ップS8)、弁28が所定の開度を達成するように制御
信号を出力する(ステップS9)。このように本例で
は、燃料電池の実際の出力状態を監視し、この変化状態
に基づいて水素ガス量を制御するようにしたので、燃料
電池の上記のカソード電極側のフラッディング現象が有
効に防止する上で、余裕のある運転が可能となる。
The determination in step S6 is
In the case of No, the rate of change of the output power of the fuel cell Δ
It is determined whether W (negative value) is smaller than a predetermined value ΔWo (step S7). If it is smaller, the actual hydrogen gas amount T is reduced by a predetermined value t and set (step S8), and a control signal is output so that the valve 28 achieves a predetermined opening (step S9). As described above, in this example, the actual output state of the fuel cell is monitored, and the amount of hydrogen gas is controlled based on this change state, so that the above-described flooding phenomenon on the cathode electrode side of the fuel cell is effectively prevented. In doing so, a marginal operation is possible.

【0033】[0033]

【発明の効果】本発明によれば、システムが低温の場合
の運転の立ち上げ状態において燃料電池反応を的確に制
限して、生成水の発生を抑制しつつ、無理なく出力増加
を図るようにしている。したがって、低い温度状態で燃
料電池システムの運転を開始しても、カソード電極側の
フラッディング現象の問題を有効に回避しつつ、したが
って、フラッディングに基づく出力低下の問題を解消す
ることができる。これによって、冷間運転からの燃料電
池システムの立ち上げをスムーズに行うことができ、出
力性能を極力出力要求に合わせることができる。特に、
本発明は、酸化ガスを加湿することなく燃料電池システ
ムに導入する構成を取る場合あるいは、薄い電解質膜を
使用する燃料電池システムにおいて有効である。
According to the present invention, the fuel cell reaction is properly limited in the start-up state of the system when the system is at a low temperature, so that the output can be reasonably increased while suppressing the generation of generated water. ing. Therefore, even when the operation of the fuel cell system is started at a low temperature, the problem of the flooding phenomenon on the cathode electrode side can be effectively avoided, and the problem of the output decrease due to the flooding can be solved. As a result, the fuel cell system can be started up from the cold operation smoothly, and the output performance can be matched to the output demand as much as possible. In particular,
The present invention is effective in a case where the oxidizing gas is introduced into the fuel cell system without humidification, or in a fuel cell system using a thin electrolyte membrane.

【0034】なお、上記立ち上がり状態において出力不
足が生じる場合には、キャパシタ二次電池などの補助電
源ユニットからの電力を供給するように構成しても良
い。
In the case where output shortage occurs in the rising state, power may be supplied from an auxiliary power supply unit such as a capacitor secondary battery.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】低温状態および通常温度での燃料電池の発生電
圧および電流との関係を示すグラフ、
FIG. 1 is a graph showing a relationship between a generated voltage and a current of a fuel cell in a low temperature state and a normal temperature;

【図2】低温状態および通常温度での燃料電池の発生電
力および電流との関係を示すグラフ、
FIG. 2 is a graph showing a relationship between a generated power and a current of a fuel cell in a low temperature state and a normal temperature;

【図3】燃料電池における水分移動モデルを示す説明
図、
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a moisture transfer model in a fuel cell;

【図4】本発明の1実施例にかかる燃料電池システムの
全体概略構成図、
FIG. 4 is an overall schematic configuration diagram of a fuel cell system according to one embodiment of the present invention;

【図5】本発明の1実施例にかかる燃料電池システムの
運転の1例を示すフローチャート、
FIG. 5 is a flowchart showing an example of operation of the fuel cell system according to one embodiment of the present invention;

【図6】基本水素ガス量とアクセル開度との関係を示す
グラフ、
FIG. 6 is a graph showing a relationship between a basic hydrogen gas amount and an accelerator opening,

【図7】水素ガス補正量とアクセル開度増加率との関係
を示すグラフ、
FIG. 7 is a graph showing a relationship between a hydrogen gas correction amount and an accelerator opening increase rate,

【図8】基本水素ガス量とスタック温度との関係を示す
グラフ、
FIG. 8 is a graph showing a relationship between a basic hydrogen gas amount and a stack temperature;

【図9】水素ガス補正値と空気湿度との関係を示すグラ
フ、
FIG. 9 is a graph showing a relationship between a hydrogen gas correction value and air humidity.

【図10】本発明の他の実施例にかかる燃料電池システ
ムの制御のフローチャートである。
FIG. 10 is a flowchart of control of a fuel cell system according to another embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 燃料電池システム 2 燃料電池スタック 3 供給管 4 水素吸蔵合金 5 水素ガス量調整弁 6 水素加湿器 20 熱交換器 17 循環ポンプ 18 循環水配管。 28 水素ガス量調整弁。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell system 2 Fuel cell stack 3 Supply pipe 4 Hydrogen storage alloy 5 Hydrogen gas amount adjustment valve 6 Hydrogen humidifier 20 Heat exchanger 17 Circulation pump 18 Circulating water pipe. 28 Hydrogen gas control valve.

フロントページの続き (72)発明者 稲目 力 広島県安芸郡府中町新地3番1号 マツダ 株式会社内 (72)発明者 渡辺 正五 広島県安芸郡府中町新地3番1号 マツダ 株式会社内 Fターム(参考) 5H026 AA06 5H027 AA06 BA14 BA19 CC06 KK00 KK22 KK25 KK44 KK46 KK51 KK56 MM04 MM08 MM09 Continuing from the front page (72) Inventor Riki Iname 3-1 Shinchi, Fuchu-cho, Aki-gun, Hiroshima Mazda Co., Ltd. (72) Shogo Watanabe 3-1 Shinchi, Fuchu-cho, Aki-gun, Hiroshima Mazda F Terms (reference) 5H026 AA06 5H027 AA06 BA14 BA19 CC06 KK00 KK22 KK25 KK44 KK46 KK51 KK56 MM04 MM08 MM09

Claims (11)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】電解質膜の一方の側に配置され燃料ガスが
供給されるアノード触媒電極と、 電解質膜の他方の側に配置され、酸化ガスが供給される
カソード触媒電極と、 燃料ガスを前記アノード触媒電極に供給する燃料ガス供
給手段と、 前記カソード触媒電極に酸化ガスを供給する酸化ガス供
給手段と、 を備えた燃料電池システムにおいて、 前記電解質膜の雰囲気の温度が所定温度より低い状態に
あるとき、前記燃料ガスまたは酸化ガスの反応を制限す
る反応制限手段が設けられていることを特徴とする燃料
電池システム。
An anode catalyst electrode provided on one side of the electrolyte membrane and supplied with a fuel gas; a cathode catalyst electrode provided on the other side of the electrolyte membrane and supplied with an oxidizing gas; In a fuel cell system comprising: a fuel gas supply unit for supplying an anode catalyst electrode; and an oxidizing gas supply unit for supplying an oxidizing gas to the cathode catalyst electrode, wherein the temperature of the atmosphere of the electrolyte membrane is lower than a predetermined temperature. The fuel cell system further comprises a reaction restricting means for restricting a reaction of the fuel gas or the oxidizing gas.
【請求項2】請求項1において、 前記電解質膜の雰囲気温度が低く、かつ燃料電池に対す
る出力要求が所定より大きいときに、前記反応制限手段
が前記燃料ガスと酸化ガスとの反応を制限するようにな
ったことを特徴とする燃料電池システム。
2. The method according to claim 1, wherein the reaction restricting means restricts a reaction between the fuel gas and the oxidizing gas when an ambient temperature of the electrolyte membrane is low and an output demand for the fuel cell is larger than a predetermined value. A fuel cell system characterized in that:
【請求項3】請求項2において、燃料ガスの供給量を制
限することを特徴とする燃料電池システム。
3. The fuel cell system according to claim 2, wherein a supply amount of the fuel gas is limited.
【請求項4】請求項2において、前記電解質の膜厚が所
定値以下であることを特徴とする燃料電池システム。
4. The fuel cell system according to claim 2, wherein the thickness of the electrolyte is equal to or less than a predetermined value.
【請求項5】請求項4において、酸化ガスは加湿器を経
由せず、燃料電池システムに導入されるようになってお
り、前記電解質膜は、燃料ガスによってもたらされる水
分により、加湿されるようになっていることを特徴とす
る燃料電池システム。
5. The fuel cell system according to claim 4, wherein the oxidizing gas is introduced into the fuel cell system without passing through the humidifier, and the electrolyte membrane is humidified by the moisture provided by the fuel gas. A fuel cell system comprising:
【請求項6】請求項1において、電解質膜の雰囲気温度
が低く、かつ燃料電池に対する要求出力が所定値以上で
あるときは、電解質膜の雰囲気温度を上昇させるための
昇温手段を備えていることを特徴とする燃料電池システ
ム。
6. A fuel cell system according to claim 1, further comprising a temperature raising means for raising the ambient temperature of the electrolyte membrane when the ambient temperature of the electrolyte membrane is low and the required output for the fuel cell is equal to or higher than a predetermined value. A fuel cell system, characterized in that:
【請求項7】請求項6において、前記燃料電池システム
に対する要求出力を推定する要求出力推定手段を備えて
いることを特徴とする燃料電池システム。
7. The fuel cell system according to claim 6, further comprising a required output estimating means for estimating a required output for the fuel cell system.
【請求項8】請求項6において、前記昇温手段が燃料ガ
スまたは酸化ガスの加圧手段であることを特徴とする燃
料電池システム。
8. The fuel cell system according to claim 6, wherein said temperature raising means is a fuel gas or oxidizing gas pressurizing means.
【請求項9】請求項6において、前記昇温手段が燃料電
池システムによる発電出力により燃料電池システムの循
環水を加熱するヒータであることを特徴とする燃料電池
システム。
9. A fuel cell system according to claim 6, wherein said temperature raising means is a heater for heating circulating water of the fuel cell system by an output of power generation by the fuel cell system.
【請求項10】請求項1において、燃料電池システムが
実際に発生する実際出力に関する値を検出する実際出力
検出手段をさらに備えており、 燃料電池システムに対する要求出力の変化に対応する前
記実際出力の変化が所定値以下であるとき、前記反応制
限手段が燃料ガスと酸化ガスとの反応を制限するように
なったことを特徴とする燃料電池システム。
10. The fuel cell system according to claim 1, further comprising an actual output detecting means for detecting a value relating to an actual output actually generated by said fuel cell system, wherein said actual output corresponding to a change in required output for said fuel cell system is provided. The fuel cell system according to claim 1, wherein when the change is equal to or less than a predetermined value, the reaction restricting means restricts a reaction between the fuel gas and the oxidizing gas.
【請求項11】請求項10において、電解質膜の雰囲気
温度が所定値より低いとき燃料ガスと酸化ガスとの反応
を制限することを特徴とする燃料電池システム。
11. The fuel cell system according to claim 10, wherein the reaction between the fuel gas and the oxidizing gas is restricted when the ambient temperature of the electrolyte membrane is lower than a predetermined value.
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