JP2007035516A - Fuel cell system - Google Patents

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Fumio Kagami
文雄 各務
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system capable of preventing a voltage of at least one cell in a fuel cell stack from becoming ≤0 V, and of preventing performance deterioration of the fuel cell. <P>SOLUTION: The fuel cell system 1 includes the fuel cell stack 10 and a control unit 20 to detect the voltage of the fuel cell stack 10 and to control an output current of the fuel cell stack 10 according to the detected voltage value. The control unit 20 makes an output electric current value smaller than a normal electric current value output when the detected voltage value is not a first prescribed voltage value or more when the detected voltage value becomes the first prescribed voltage value or more in the case the fuel gas and an oxidizer gas are supplied to the fuel cell stack 10. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system.

一般に、燃料電池は、反応ガスである水素などの燃料と空気などの酸化剤を電気化学的に反応させることにより、燃料が有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置である。この燃料電池は、電解質の違いなどによりさまざまなタイプのものに分類されるが、その一つとして、電解質に固体高分子電解質を用いる固体高分子電解質形燃料電池が知られている。   In general, a fuel cell is a device that directly converts chemical energy of a fuel into electrical energy by electrochemically reacting a reaction gas such as hydrogen with an oxidant such as air. The fuel cells are classified into various types depending on the difference in electrolytes, and one of them is a solid polymer electrolyte fuel cell using a solid polymer electrolyte as an electrolyte.

この固体高分子型燃料電池の燃料極、酸化剤極の両電極において進行する電極反応は、
以下の通りである。
燃料極 ： ２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ− …（１）
酸化剤極 ： ４Ｈ＋＋４ｅ−＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ …（２） The electrode reaction that proceeds at both the fuel electrode and oxidant electrode of this polymer electrolyte fuel cell is:
It is as follows.
Fuel electrode: 2H 2 → 4H + + 4e − (1)
Oxidant electrode: 4H + + 4e − + O 2 → 2H 2 O (2)

燃料極に燃料が供給されると、燃料極では（１）式の反応式が進行して水素イ
オンが生成する。この生成した水素イオンが水和状態で電解質（固体高分子電解質型燃料電池であれば固体高分子電解質膜）を透過（拡散）して酸化剤極に至り、この酸化剤極に酸素含有ガス、例えば空気が供給されていると、酸化剤極では（２）式の反応式が進行する。この（１）及び（２）式の電極反応が各極で進行することで、燃料電池は起電力を生じることとなる。 When fuel is supplied to the fuel electrode, the reaction formula (1) proceeds and hydrogen ions are generated at the fuel electrode. The generated hydrogen ions permeate (diffuse) the electrolyte (solid polymer electrolyte membrane in the case of a solid polymer electrolyte fuel cell) in a hydrated state to reach the oxidant electrode, and the oxygen-containing gas, For example, when air is supplied, the reaction formula (2) proceeds at the oxidizer electrode. The fuel cell generates an electromotive force when the electrode reactions of the formulas (1) and (2) proceed at each electrode.

ここで、燃料電池を自動車の動力源として使用する場合や、寒冷地での定置用として使用する場合には、燃料電池が０度以下の雰囲気にさらされることがあり、このような状況下でも燃料電池が起動でき、通常に発電できることが望まれている。しかし、０度以下の低温状態では、セルの中に残留した水分が凍結して、反応ガス流路が閉塞したり、電極近傍に残留している水分が凍結して反応ガスの拡散を阻害したりして、発電性能が低下してしまうという問題がある。   Here, when the fuel cell is used as a power source of an automobile or used for stationary use in a cold region, the fuel cell may be exposed to an atmosphere of 0 ° C. or less. It is desired that the fuel cell can be started and can generate electricity normally. However, in a low temperature state of 0 ° C or less, moisture remaining in the cell is frozen and the reaction gas flow path is blocked, or moisture remaining in the vicinity of the electrode is frozen and hinders diffusion of the reaction gas. As a result, there is a problem that the power generation performance decreases.

そこで、燃料電池スタックに残留した水分を除去する燃料電池システムが提案されている。この燃料電池システムによれば、燃料電池の運転終了時後に乾燥空気を供給すると共に加熱した冷却水を導入するので、効果的に燃料電池スタック内に残留した水分を除去することができる（例えば特許文献１参照）。
特開２００２−２４６０５４号公報 Therefore, a fuel cell system that removes water remaining in the fuel cell stack has been proposed. According to this fuel cell system, since dry air is supplied and heated cooling water is introduced after the operation of the fuel cell is completed, water remaining in the fuel cell stack can be effectively removed (for example, a patent) Reference 1).
JP 2002-246054 A

しかしながら、従来の燃料電池システムでは、燃料電池スタック内の水分を過剰に除去してしまうことがある。この場合、電解質膜が乾燥して抵抗値が上昇してしまうため、次回発電時には電流取り出し直後に、抵抗分極が過大となって燃料電池スタック内の少なくとも一つのセルの電圧が０Ｖ以下となり、燃料電池の性能劣化を招く可能性があった。   However, in the conventional fuel cell system, water in the fuel cell stack may be excessively removed. In this case, since the electrolyte membrane dries and the resistance value increases, the resistance polarization becomes excessive immediately after the current is taken out at the next power generation, and the voltage of at least one cell in the fuel cell stack becomes 0 V or less, and the fuel The battery performance could be degraded.

本発明はこのような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、燃料電池スタック内の少なくとも一つのセルの電圧が０Ｖ以下となることを防止して、燃料電池の性能劣化を防止することが可能な燃料電池システムを提供することにある。   The present invention has been made to solve such a conventional problem, and an object of the present invention is to prevent the voltage of at least one cell in the fuel cell stack from becoming 0 V or less and It is an object of the present invention to provide a fuel cell system capable of preventing battery performance deterioration.

本発明の燃料電池システムは、高分子電解質膜とこの電解質膜を挟持する燃料極及び酸化剤極とからなる膜電極接合体、並びに、膜電極接合体に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給する流路が形成されたセパレータを有する燃料電池が複数積層された燃料電池スタックと、燃料電池スタックの電圧を検出する電圧検出手段と、電圧検出手段により検出された電圧値に応じて燃料電池スタックの出力電流を制御する電流制御手段とを備えている。また、電流制御手段は、燃料電池スタックに燃料ガス及び酸化剤ガスが供給された場合、電圧検出手段により検出された電圧値が第１所定電圧値以上となるときには、電圧検出手段により検出された電圧値が第１所定電圧値以上でないときにおいて出力される通常電流値よりも、出力電流値を小さくする。   The fuel cell system of the present invention includes a membrane electrode assembly comprising a polymer electrolyte membrane and a fuel electrode and an oxidant electrode sandwiching the electrolyte membrane, and a flow for supplying fuel gas and oxidant gas to the membrane electrode assembly. A fuel cell stack in which a plurality of fuel cells each having a separator with a path formed thereon are stacked; a voltage detection means for detecting a voltage of the fuel cell stack; and an output of the fuel cell stack according to a voltage value detected by the voltage detection means Current control means for controlling the current. The current control means is detected by the voltage detection means when the fuel gas and the oxidant gas are supplied to the fuel cell stack, and the voltage value detected by the voltage detection means is equal to or higher than the first predetermined voltage value. The output current value is made smaller than the normal current value output when the voltage value is not equal to or higher than the first predetermined voltage value.

本発明によれば、燃料電池スタックの電圧を検出し、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給された場合に、検出した電圧値が第１所定電圧値以上である場合には、検出した電圧値が第１所定電圧値以上でないときにおいて出力される通常電流値よりも、出力電流値を小さくする。ここで、電解質膜が乾燥すると水素が酸化剤極へ透過する（クロスオーバー）量の減少により反応ガス導入後の燃料電池スタックの電圧が高くなる。このため、反応ガス導入後の燃料電池スタックの電圧を検知することにより電解質膜の含水状態を検知することができる。そして、検出した電圧値が第１所定電圧値以上である場合、すなわち、電解質膜が乾燥している場合は、出力電流値を小さくすることで、抵抗分極により燃料電池スタック内の少なくとも一つのセルの電圧が０Ｖ以下となることを防止する。従って、燃料電池の性能劣化を防止することができる。   According to the present invention, when the voltage of the fuel cell stack is detected and the fuel gas and the oxidant gas are supplied and the detected voltage value is equal to or higher than the first predetermined voltage value, the detected voltage value is The output current value is made smaller than the normal current value output when it is not equal to or higher than the first predetermined voltage value. Here, when the electrolyte membrane is dried, the voltage of the fuel cell stack after the introduction of the reaction gas is increased due to a decrease in the amount of hydrogen passing through the oxidant electrode (crossover). For this reason, the moisture state of the electrolyte membrane can be detected by detecting the voltage of the fuel cell stack after introduction of the reaction gas. When the detected voltage value is equal to or higher than the first predetermined voltage value, that is, when the electrolyte membrane is dry, the output current value is reduced to reduce at least one cell in the fuel cell stack by resistance polarization. Is prevented from becoming 0 V or less. Therefore, the performance deterioration of the fuel cell can be prevented.

以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において、同一又は同様の要素には同一の符号を付して説明を省略するものとする。   DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the invention will be described with reference to the drawings. In addition, in each figure, the same code | symbol shall be attached | subjected to the same or similar element, and description shall be abbreviate | omitted.

図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。同図に示すように、燃料電池システム１は、概略的に説明すると、燃料電池スタック１０と、コントロールユニット（電圧検出手段、電流制御手段）２０と、負荷制御ユニット３０とからなっている。   FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention. As schematically shown, the fuel cell system 1 includes a fuel cell stack 10, a control unit (voltage detection means, current control means) 20, and a load control unit 30.

燃料電池スタック１０は、燃料供給配管４１から送り込まれた燃料ガスである水素と酸化剤供給配管４２から送り込まれた酸化剤ガスである空気との電気化学反応によって発電し、発電によって消費されなかった残余ガスを燃料排出配管４３及び酸化剤排出配管４４から排出する構成となっている。また、燃料電池スタック１０は、発電機能を有する単位セル（燃料電池）が複数積層された構成となっている。   The fuel cell stack 10 generates power by an electrochemical reaction between hydrogen, which is fuel gas sent from the fuel supply pipe 41, and air, which is oxidant gas sent from the oxidant supply pipe 42, and is not consumed by power generation. The remaining gas is discharged from the fuel discharge pipe 43 and the oxidant discharge pipe 44. The fuel cell stack 10 has a structure in which a plurality of unit cells (fuel cells) having a power generation function are stacked.

図２は、図１に示した燃料電池スタック１０を構成する固体高分子電解質型燃料電池のセル構造を示す模式断面図である。同図に示すように、燃料電池スタック１０の一単位であるセルは、固体高分子膜からなる高分子電解質膜１０１と高分子電解質膜１０１を挟持するように電解質膜の両面に配設される燃料極１０２及び酸化剤極１０３とからなる膜電極接合体１１０、並びに、これら両電極の外側に配置された燃料極拡散層１０４、酸化剤極拡散層１０５、燃料ガス流路１０６、及び酸化剤ガス流路１０７より構成される。   FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the cell structure of the solid polymer electrolyte fuel cell constituting the fuel cell stack 10 shown in FIG. As shown in the figure, a cell as a unit of the fuel cell stack 10 is disposed on both surfaces of the electrolyte membrane so as to sandwich the polymer electrolyte membrane 101 made of a solid polymer membrane and the polymer electrolyte membrane 101. Membrane electrode assembly 110 comprising a fuel electrode 102 and an oxidant electrode 103, and a fuel electrode diffusion layer 104, an oxidant electrode diffusion layer 105, a fuel gas flow path 106, and an oxidant disposed outside these electrodes. The gas channel 107 is configured.

高分子電解質膜１０１は、フッ素系樹脂等の固体高分子材料によりプロトン伝導性の膜として形成されている。この高分子電解質膜１０１の両面に配設される燃料極１０２及び酸化剤極１０３は、白金又は白金及びその他の金属からなる触媒層と、ガス拡散層とからなり、触媒の存在する面が電解質膜１０１と接触するように形成されている．
燃料ガス流路１０６及び酸化剤ガス流路１０７は、ガス不透過である緻密性カーボン材等による燃料極セパレータ１０８及び酸化剤極セパレータ１０９の片面又は両面に配置されたに多数のリブにより形成され、酸化剤ガス及び燃料ガスはそれぞれの図示しないガス入口から供給され、図示しないガス出口から排出される。 The polymer electrolyte membrane 101 is formed as a proton conductive membrane from a solid polymer material such as a fluorine-based resin. The fuel electrode 102 and the oxidant electrode 103 disposed on both surfaces of the polymer electrolyte membrane 101 are composed of a catalyst layer made of platinum or platinum and other metals and a gas diffusion layer, and the surface on which the catalyst exists is an electrolyte. It is formed so as to be in contact with the film 101.
The fuel gas channel 106 and the oxidant gas channel 107 are formed by a large number of ribs arranged on one or both sides of the fuel electrode separator 108 and the oxidant electrode separator 109 made of a dense carbon material that is impermeable to gas. The oxidant gas and the fuel gas are supplied from a gas inlet (not shown) and discharged from a gas outlet (not shown).

再度、図１を参照する。コントロールユニット２０は、燃料電池システム１を制御するものである。また、コントロールユニット２０は、燃料電池スタック１０の電圧を検出し、検出した電圧値に応じて燃料電池スタック１０の出力電流を負荷制御ユニット３０を介して制御する機能を有している。   Reference is again made to FIG. The control unit 20 controls the fuel cell system 1. The control unit 20 has a function of detecting the voltage of the fuel cell stack 10 and controlling the output current of the fuel cell stack 10 via the load control unit 30 according to the detected voltage value.

このような燃料電池システム１においては、まず、供給配管４１，４２を通じて燃料電池スタック１０に反応ガスが導入される。このとき、コントロールユニット２０は、燃料電池スタック１０の電圧値を検出する。そして、検出した電圧値が第１所定電圧値以上であるか否かを判断する。   In such a fuel cell system 1, first, a reaction gas is introduced into the fuel cell stack 10 through the supply pipes 41 and 42. At this time, the control unit 20 detects the voltage value of the fuel cell stack 10. And it is judged whether the detected voltage value is more than a 1st predetermined voltage value.

ここで、コントロールユニット２０は、検出した電圧値が第１所定電圧値以上であるか否かを判断することにより、燃料電池スタック１０の電解質膜１０１の含水状態を判断している。すなわち、電解質膜１０１が乾燥すると水素が酸化剤極１０３へ透過する（クロスオーバー）量の減少により反応ガス導入後の燃料電池スタック１０の電圧が高くなる。このため、反応ガス導入後の燃料電池スタック１０の電圧を検知することにより電解質膜１０１の含水状態を検出することができる。また、電解質膜１０１が乾燥して抵抗値が上昇してしまうと、抵抗分極が過大となってしまう。このように抵抗分極が過大となると次回発電時に燃料電池スタック１０の少なくとも一つのセルの電圧が０Ｖ以下となり、燃料電池の性能劣化を招く可能性がある。そこで、コントロールユニット２０は、検出した電圧値が第１所定電圧値以上である場合、燃料電池スタック１０の出力電流を小さくする。   Here, the control unit 20 determines the moisture content of the electrolyte membrane 101 of the fuel cell stack 10 by determining whether or not the detected voltage value is greater than or equal to the first predetermined voltage value. That is, when the electrolyte membrane 101 is dried, the voltage of the fuel cell stack 10 after introduction of the reaction gas is increased due to a decrease in the amount of hydrogen permeating to the oxidant electrode 103 (crossover). For this reason, the water content state of the electrolyte membrane 101 can be detected by detecting the voltage of the fuel cell stack 10 after introduction of the reaction gas. Further, when the electrolyte membrane 101 is dried and the resistance value is increased, the resistance polarization becomes excessive. Thus, if the resistance polarization becomes excessive, the voltage of at least one cell of the fuel cell stack 10 becomes 0 V or less at the next power generation, which may cause deterioration of the performance of the fuel cell. Therefore, when the detected voltage value is equal to or higher than the first predetermined voltage value, the control unit 20 decreases the output current of the fuel cell stack 10.

図３は、第１実施形態に係る燃料電池システム１の動作を示すグラフであり、（ａ）は検出した電圧値が第１所定電圧値以上でない場合の電圧状態を示し、（ｂ）は検出した電圧値が第１所定電圧値以上でない場合の電流状態を示している。また、（ｃ）は検出した電圧値が第１所定電圧値以上である場合の電圧状態を示し、（ｄ）は検出した電圧値が第１所定電圧値以上である場合の電流状態を示している。   FIG. 3 is a graph showing the operation of the fuel cell system 1 according to the first embodiment, where (a) shows the voltage state when the detected voltage value is not equal to or higher than the first predetermined voltage value, and (b) shows the detection. The current state when the measured voltage value is not equal to or higher than the first predetermined voltage value is shown. (C) shows the voltage state when the detected voltage value is greater than or equal to the first predetermined voltage value, and (d) shows the current state when the detected voltage value is greater than or equal to the first predetermined voltage value. Yes.

まず、図３（ａ）に示す例では、時刻ｔ１において反応ガスを導入した後の電圧値Ｖｓｔａｃｋは第１所定電圧値Ｖ１以上となっていない。このとき、電解質膜１０１は適度な含水状態にあると考えられ、コントロールユニット２０は通常の処理を行う。すなわち、図３（ｂ）に示すように、時刻ｔ２から出力電流を通常の電流値とする。   First, in the example shown in FIG. 3A, the voltage value Vstack after introducing the reactive gas at time t1 is not equal to or higher than the first predetermined voltage value V1. At this time, the electrolyte membrane 101 is considered to be in an appropriate water-containing state, and the control unit 20 performs normal processing. That is, as shown in FIG. 3B, the output current is set to a normal current value from time t2.

一方、図３（ｃ）に示す例では、時刻ｔ１において反応ガスを導入した後の電圧値Ｖｓｔａｃｋは第１所定電圧値Ｖ１以上となっている。このとき、電解質膜１０１は乾燥状態にあると考えられ、コントロールユニット２０は、少なくとも一つのセルの電圧が０Ｖ以下とならないように出力電流を抑える。すなわち、図３（ｄ）に示すように、出力電流を通常電流値よりも小さい電流値Ｉ１に制御する。このように、出力電流値を小さくすることで、抵抗分極により燃料電池スタック内の少なくとも一つのセルの電圧が０Ｖ以下となることを防止している。   On the other hand, in the example shown in FIG. 3C, the voltage value Vstack after introducing the reaction gas at time t1 is equal to or higher than the first predetermined voltage value V1. At this time, the electrolyte membrane 101 is considered to be in a dry state, and the control unit 20 suppresses the output current so that the voltage of at least one cell does not become 0 V or less. That is, as shown in FIG. 3D, the output current is controlled to a current value I1 smaller than the normal current value. Thus, by reducing the output current value, the voltage of at least one cell in the fuel cell stack is prevented from becoming 0 V or less due to resistance polarization.

次に、第１実施形態に係る燃料電池システム１の詳細動作を説明する。図４は、第１実施形態に係る燃料電池システム１の詳細動作を示すフローチャートである。図４に示すように、まず、燃料電池システム１を起動すると、燃料電池スタック１０に反応ガスが導入される（ＳＴ１）。そして、コントロールユニット２０は、燃料電池スタック１０の電圧値を検出する（ＳＴ２）。次いで、コントロールユニット２０は、検出した電圧値Ｖｓｔａｃｋが第１所定電圧値Ｖ１以上であるか否かを判断する（ＳＴ３）。   Next, detailed operation of the fuel cell system 1 according to the first embodiment will be described. FIG. 4 is a flowchart showing a detailed operation of the fuel cell system 1 according to the first embodiment. As shown in FIG. 4, first, when the fuel cell system 1 is started, a reaction gas is introduced into the fuel cell stack 10 (ST1). Then, the control unit 20 detects the voltage value of the fuel cell stack 10 (ST2). Next, the control unit 20 determines whether or not the detected voltage value Vstack is greater than or equal to the first predetermined voltage value V1 (ST3).

ここで、検出した電圧値Ｖｓｔａｃｋが第１所定電圧値Ｖ１以上でないと判断した場合（ＳＴ３：ＮＯ）、図４に示す処理は終了し、その後、燃料電池システム１は通常の発電を行っていく。一方、検出した電圧値Ｖｓｔａｃｋが第１所定電圧値Ｖ１以上であると判断した場合（ＳＴ３：ＹＥＳ）、コントロールユニット２０は低負荷電流を取り出す（ＳＴ４）。すなわち、図３（ｄ）に示したように、コントロールユニット２０は出力電流を通常電流値よりも小さい電流値Ｉ１に制御する。   Here, when it is determined that the detected voltage value Vstack is not equal to or greater than the first predetermined voltage value V1 (ST3: NO), the processing shown in FIG. 4 is terminated, and then the fuel cell system 1 performs normal power generation. . On the other hand, when it is determined that the detected voltage value Vstack is equal to or higher than the first predetermined voltage value V1 (ST3: YES), the control unit 20 extracts a low load current (ST4). That is, as shown in FIG. 3D, the control unit 20 controls the output current to a current value I1 smaller than the normal current value.

図５は、電圧値Ｖｓｔａｃｋが第１所定電圧値Ｖ１以上となる場合における電圧値及び電流値を示すグラフであって、（ａ）は出力電流を通常電流とした場合における電圧状態を示し、（ｂ）は出力電流を通常電流とした場合における電流状態を示している。また、（ｃ）は出力電流を電流Ｉ１とした場合における電圧状態を示し（ｄ）は出力電流を電流Ｉ１とした場合における電流状態を示している。   FIG. 5 is a graph showing a voltage value and a current value when the voltage value Vstack is equal to or higher than the first predetermined voltage value V1, and (a) shows a voltage state when the output current is a normal current. b) shows the current state when the output current is a normal current. (C) shows the voltage state when the output current is the current I1, and (d) shows the current state when the output current is the current I1.

まず、図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、時刻ｔ１において電圧値Ｖｓｔａｃｋが第１所定電圧値Ｖ１以上となり、時刻ｔ２において出力電流を通常電流値としたとする。このとき、図５（ａ）に示すように、燃料電池スタック１０の電圧値Ｖｓｔａｃｋは０Ｖを下回ることがあり、燃料電池の性能劣化を招くこととなる。   First, as shown in FIGS. 5A and 5B, it is assumed that the voltage value Vstack becomes equal to or higher than the first predetermined voltage value V1 at time t1, and the output current is set to the normal current value at time t2. At this time, as shown in FIG. 5A, the voltage value Vstack of the fuel cell stack 10 may be lower than 0 V, which causes the performance deterioration of the fuel cell.

これに対し、図５（ｃ）及び（ｄ）に示すように、時刻ｔ１において電圧値Ｖｓｔａｃｋが第１所定電圧値Ｖ１以上となり、時刻ｔ２において出力電流を通常電流値よりも低い電流値Ｉ１としたとする。このとき、図５（ｃ）に示すように、燃料電池スタック１０の電圧値Ｖｓｔａｃｋは０Ｖを下回らず、燃料電池の性能劣化を防止することとなる。   On the other hand, as shown in FIGS. 5C and 5D, the voltage value Vstack becomes equal to or higher than the first predetermined voltage value V1 at time t1, and the output current is changed to a current value I1 lower than the normal current value at time t2. Suppose that At this time, as shown in FIG. 5 (c), the voltage value Vstack of the fuel cell stack 10 does not fall below 0V, thereby preventing the performance deterioration of the fuel cell.

再度、図４を参照する。低負荷電流を取り出した後（ＳＴ４の後）、コントロールユニット２０は、電圧値Ｖｓｔａｃｋの微分値が正となっているか否かを判断する（ＳＴ５）。電圧値Ｖｓｔａｃｋの微分値が正となっていないと判断した場合（ＳＴ５：ＮＯ）、正となったと判断されるまで、この処理が繰り返される。他方、電圧値Ｖｓｔａｃｋの微分値が正となったと判断した場合（ＳＴ５：ＹＥＳ）、コントロールユニット２０は負荷電流を増大させる（ＳＴ６）。すなわち、コントロールユニット２０は出力電流を通常電流値に戻す。その後、図４に示す処理は終了して、燃料電池システム１は通常の発電を行っていくこととなる。   Reference is again made to FIG. After extracting the low load current (after ST4), the control unit 20 determines whether or not the differential value of the voltage value Vstack is positive (ST5). When it is determined that the differential value of the voltage value Vstack is not positive (ST5: NO), this process is repeated until it is determined that the differential value is positive. On the other hand, when it is determined that the differential value of the voltage value Vstack is positive (ST5: YES), the control unit 20 increases the load current (ST6). That is, the control unit 20 returns the output current to the normal current value. Thereafter, the processing shown in FIG. 4 ends, and the fuel cell system 1 performs normal power generation.

図６は、出力電流を電流Ｉ１とした場合における電圧状態を示すグラフである。同図に示すように、時刻ｔ１〜ｔ２の期間において電圧値Ｖｓｔａｃｋの微分値は負であるか「０」である。ところが、時刻ｔ２において出力電流を電流値Ｉ１とした後、電圧値Ｖｓｔａｃｋは少しずつ上昇していく。このため、電圧変化の微分値が正となる。ここで、電流値Ｖｓｔａｃｋの微分値が正となる場合、電解質膜１０１が徐々に含水することにより抵抗値が低下しているといえる。このため、出力電流値を大きくしても燃料電池スタック内の少なくとも一つのセルの電圧が０Ｖ以下となり難くなっている。よって、コントロールユニット２０は、電圧値Ｖｓｔａｃｋの微分値が正となったと判断した場合、負荷電流を増大させることとしている。   FIG. 6 is a graph showing a voltage state when the output current is the current I1. As shown in the figure, the differential value of the voltage value Vstack is negative or “0” in the period from time t1 to time t2. However, after the output current is set to the current value I1 at time t2, the voltage value Vstack gradually increases. For this reason, the differential value of the voltage change becomes positive. Here, when the differential value of the current value Vstack is positive, it can be said that the resistance value is lowered due to the electrolyte membrane 101 gradually containing water. For this reason, even if the output current value is increased, it is difficult for the voltage of at least one cell in the fuel cell stack to become 0 V or less. Therefore, when the control unit 20 determines that the differential value of the voltage value Vstack is positive, the control unit 20 increases the load current.

このようにして、第１実施形態に係る燃料電池システム１によれば、燃料電池スタック１０の電圧を検出し、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給された場合に、検出した電圧値Ｖｓｔａｃｋが第１所定電圧値Ｖ１以上であるときには、検出した電圧値Ｖｓｔａｃｋが第１所定電圧値Ｖ１以上でないときにおいて出力される通常電流値よりも、出力電流値を小さくする。ここで、電解質膜１０１が乾燥すると水素が酸化剤極へ透過する（クロスオーバー）量の減少により反応ガス導入後の燃料電池スタック１０の電圧が高くなる。このため、反応ガス導入後の燃料電池スタック１０の電圧を検知することにより電解質膜１０１の含水状態を検知することができる。そして、検出した電圧値Ｖｓｔａｃｋが第１所定電圧値Ｖ１以上である場合、すなわち、電解質膜１０１が乾燥している場合は、出力電流値を小さくすることで、抵抗分極により燃料電池スタック内の少なくとも一つのセルの電圧が０Ｖ以下となることを防止する。従って、燃料電池の性能劣化を防止することができる。   Thus, according to the fuel cell system 1 according to the first embodiment, when the voltage of the fuel cell stack 10 is detected and the fuel gas and the oxidant gas are supplied, the detected voltage value Vstack is the first. When the voltage value is equal to or higher than the predetermined voltage value V1, the output current value is made smaller than the normal current value output when the detected voltage value Vstack is not equal to or higher than the first predetermined voltage value V1. Here, when the electrolyte membrane 101 is dried, the voltage of the fuel cell stack 10 after the introduction of the reaction gas is increased due to a decrease in the amount of hydrogen passing through the oxidant electrode (crossover). For this reason, the moisture state of the electrolyte membrane 101 can be detected by detecting the voltage of the fuel cell stack 10 after introduction of the reaction gas. When the detected voltage value Vstack is equal to or higher than the first predetermined voltage value V1, that is, when the electrolyte membrane 101 is dry, by reducing the output current value, at least in the fuel cell stack due to resistance polarization. The voltage of one cell is prevented from becoming 0V or less. Therefore, the performance deterioration of the fuel cell can be prevented.

また、出力電流値を小さく制御した後に、燃料電池スタック１０の電圧変化の微分値が正となった場合、出力電流値を通常電流値に戻すこととしている。ここで、電圧変化の微分値が正となった場合とは、電解質膜１０１が徐々に含水して抵抗値が低下した場合と言える。このため、出力電流値を大きくしても燃料電池スタック内の少なくとも一つのセルの電圧が０Ｖ以下とならず、燃料電池の性能劣化を防止しつつも、零下時における使用においては電流値を素早く増大させて昇温を速やかに行うことができる。   Further, after the output current value is controlled to be small, when the differential value of the voltage change of the fuel cell stack 10 becomes positive, the output current value is returned to the normal current value. Here, the case where the differential value of the voltage change becomes positive can be said to be a case where the electrolyte membrane 101 gradually contains water and the resistance value decreases. For this reason, even if the output current value is increased, the voltage of at least one cell in the fuel cell stack does not become 0 V or less, and the current value can be quickly increased in use at subzero while preventing the deterioration of the performance of the fuel cell. The temperature can be increased quickly by increasing the temperature.

次に、本発明の第２実施形態を説明する。第２実施形態に係る燃料電池システム２は、第１実施形態のものと同様であるが、処理内容が異なっている。以下、第１実施形態との相違点を説明する。   Next, a second embodiment of the present invention will be described. The fuel cell system 2 according to the second embodiment is the same as that of the first embodiment, but the processing content is different. Hereinafter, differences from the first embodiment will be described.

図７は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システム２の詳細動作を示すフローチャートである。なお、図７に示すステップＳＴ１１〜ＳＴ１４の処理は図４に示すステップＳＴ１〜ＳＴ４の処理と同様であるため、説明を省略する。出力電流を小さくする制御をした後（ＳＴ４の後）、コントロールユニット２０は、通常電流値に達するまで、出力電流を徐々に大きくしていく（ＳＴ１５）。そして、電流値が通常電流値に達すると図７に示す処理は終了して、燃料電池システム２は通常の発電を行っていくこととなる。   FIG. 7 is a flowchart showing a detailed operation of the fuel cell system 2 according to the second embodiment of the present invention. Note that the processing in steps ST11 to ST14 shown in FIG. 7 is the same as the processing in steps ST1 to ST4 shown in FIG. After controlling to reduce the output current (after ST4), the control unit 20 gradually increases the output current until the normal current value is reached (ST15). Then, when the current value reaches the normal current value, the processing shown in FIG. 7 ends, and the fuel cell system 2 performs normal power generation.

ここで、ステップＳＴ１５のように出力電流値を徐々に大きくしていった場合、上記（２）式の反応によって生成される水の量が多くなっていく。このため、生成される水によって電解質膜１０１を湿潤とすることができ、電解質膜１０１の抵抗を下げることとなる。よって、燃料電池スタック内の少なくとも一つのセルの電圧が０Ｖ以下とならないようにして燃料電池の性能劣化を防止しつつも、燃料電池スタックの昇温を速やかに行うこととなる。   Here, when the output current value is gradually increased as in step ST15, the amount of water generated by the reaction of the above equation (2) increases. For this reason, the electrolyte membrane 101 can be wetted by the generated water, and the resistance of the electrolyte membrane 101 is lowered. Therefore, the temperature of the fuel cell stack is rapidly increased while preventing the deterioration of the performance of the fuel cell by preventing the voltage of at least one cell in the fuel cell stack from becoming 0 V or less.

このようにして、第２実施形態に係る燃料電池システム２によれば、第１実施形態と同様に、燃料電池の性能劣化を防止することができる。   Thus, according to the fuel cell system 2 according to the second embodiment, the performance deterioration of the fuel cell can be prevented as in the first embodiment.

さらに、第２実施形態によれば、出力電流値を小さく制御した後には、通常電流値に達するまで出力電流値を徐々に大きくしていくこととしている。ここで、出力電流値を徐々に大きくしていった場合、上記（２）式の反応によって生成される水の量が多くなっていく。このため、生成される水によって電解質膜１０１を湿潤とすることができ、電解質膜１０１の抵抗を下げることとなる。よって、燃料電池スタック内の少なくとも一つのセルの電圧が０Ｖ以下とならないようにして燃料電池の性能劣化を防止しつつも、燃料電池スタックの昇温を速やかに行うことができる。   Furthermore, according to the second embodiment, after the output current value is controlled to be small, the output current value is gradually increased until the normal current value is reached. Here, when the output current value is gradually increased, the amount of water generated by the reaction of the above formula (2) increases. For this reason, the electrolyte membrane 101 can be wetted by the generated water, and the resistance of the electrolyte membrane 101 is lowered. Therefore, it is possible to quickly raise the temperature of the fuel cell stack while preventing the deterioration of the performance of the fuel cell by preventing the voltage of at least one cell in the fuel cell stack from becoming 0 V or less.

次に、本発明の第３実施形態を説明する。第３実施形態に係る燃料電池システム３は、第１実施形態のものと同様であるが、構成及び処理内容が異なっている。以下、第１実施形態との相違点を説明する。   Next, a third embodiment of the present invention will be described. The fuel cell system 3 according to the third embodiment is the same as that of the first embodiment, but the configuration and processing contents are different. Hereinafter, differences from the first embodiment will be described.

図８は、本発明の第３実施形態に係る燃料電池システム３の構成図である。同図に示すように、燃料電池システム３は、新たに温度センサ（温度検出手段）５０を備えている。温度センサ５０は、燃料電池スタック１０の温度を検出するものであって、コントロールユニット２０に接続されている。このため、本実施形態のコントロールユニット２０は、温度センサ５０からの信号に基づいて、燃料電池システム３の制御を行うようになっている。   FIG. 8 is a configuration diagram of the fuel cell system 3 according to the third embodiment of the present invention. As shown in the figure, the fuel cell system 3 is newly provided with a temperature sensor (temperature detection means) 50. The temperature sensor 50 detects the temperature of the fuel cell stack 10 and is connected to the control unit 20. For this reason, the control unit 20 of the present embodiment controls the fuel cell system 3 based on a signal from the temperature sensor 50.

図９は、第３実施形態に係る燃料電池システム３の詳細動作を示すフローチャートである。なお、図９に示すステップＳＴ２１〜ＳＴ２４の処理は図４に示すステップＳＴ１〜ＳＴ４の処理と同様であるため、説明を省略する。   FIG. 9 is a flowchart showing a detailed operation of the fuel cell system 3 according to the third embodiment. Note that the processing in steps ST21 to ST24 shown in FIG. 9 is the same as the processing in steps ST1 to ST4 shown in FIG.

出力電流を小さくする制御をした後（ＳＴ２４の後）、コントロールユニット２０は、温度センサ５０から信号を読み込んで、燃料電池スタック１０の温度Ｔｓｔａｃｋを検出する（ＳＴ２５）。次いで、コントロールユニット２０は、温度センサ５０により検出された燃料電池スタック１０の温度Ｔｓｔａｃｋが第１所定温度Ｔ１以上であるか否かを判断する（ＳＴ２６）。   After controlling to reduce the output current (after ST24), the control unit 20 reads a signal from the temperature sensor 50 and detects the temperature Tstack of the fuel cell stack 10 (ST25). Next, the control unit 20 determines whether or not the temperature Tstack of the fuel cell stack 10 detected by the temperature sensor 50 is equal to or higher than the first predetermined temperature T1 (ST26).

ここで、燃料電池スタック１０の温度Ｔｓｔａｃｋが第１所定温度Ｔ１以上でないと判断した場合（ＳＴ２６：ＮＯ）、第１所定温度Ｔ１以上であると判断されるまで、この処理が繰り返される。他方、燃料電池スタック１０の温度Ｔｓｔａｃｋが第１所定温度Ｔ１以上であると判断した場合（ＳＴ２６：ＹＥＳ）、コントロールユニット２０は出力電流を通常電流値に戻す（ＳＴ２７）。その後、図９に示す処理は終了して、燃料電池システム３は通常の発電を継続していくこととなる。   Here, when it is determined that the temperature Tstack of the fuel cell stack 10 is not equal to or higher than the first predetermined temperature T1 (ST26: NO), this process is repeated until it is determined that the temperature Tstack is equal to or higher than the first predetermined temperature T1. On the other hand, when it is determined that the temperature Tstack of the fuel cell stack 10 is equal to or higher than the first predetermined temperature T1 (ST26: YES), the control unit 20 returns the output current to the normal current value (ST27). Thereafter, the processing shown in FIG. 9 ends, and the fuel cell system 3 continues normal power generation.

このようにして、第３実施形態に係る燃料電池システム３によれば、第１実施形態と同様に、燃料電池の性能劣化を防止することができる。   Thus, according to the fuel cell system 3 according to the third embodiment, the performance deterioration of the fuel cell can be prevented as in the first embodiment.

さらに、第３実施形態によれば、出力電流値を小さく制御した後に、燃料電池スタック１０の温度Ｔｓｔａｃｋが第１所定温度Ｔ１以上となった場合、出力電流値を通常電流値に戻すこととしている。ここで、温度が高くなると電解質膜１０１は抵抗が小さくなる傾向がある。このため、燃料電池スタック１０の電圧Ｖｓｔａｃｋを一定時間監視してその微分値を求めることなく、燃料電池スタック１０の温度Ｔｓｔａｃｋを基準とすることで、燃料電池の性能劣化を防止しつつも、より簡素な構成で燃料電池スタック１０の昇温を速やかに行うことができる。   Furthermore, according to the third embodiment, after the output current value is controlled to be small, when the temperature Tstack of the fuel cell stack 10 becomes equal to or higher than the first predetermined temperature T1, the output current value is returned to the normal current value. . Here, as the temperature increases, the resistance of the electrolyte membrane 101 tends to decrease. Therefore, by monitoring the voltage Vstack of the fuel cell stack 10 for a certain period of time and obtaining a differential value thereof, the temperature Tstack of the fuel cell stack 10 is used as a reference, while preventing deterioration of the performance of the fuel cell. The temperature of the fuel cell stack 10 can be quickly increased with a simple configuration.

次に、本発明の第４実施形態を説明する。第４実施形態に係る燃料電池システム４は、第１実施形態のものと同様であるが、構成及び処理内容が異なっている。以下、第１実施形態との相違点を説明する。   Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. The fuel cell system 4 according to the fourth embodiment is the same as that of the first embodiment, but the configuration and processing contents are different. Hereinafter, differences from the first embodiment will be described.

図１０は、本発明の第４実施形態に係る燃料電池システム４の構成図である。同図に示すように、燃料電池システム４は、新たにコンプレッサ６１，６２及び圧力制御弁６３，６４を備えている。   FIG. 10 is a configuration diagram of the fuel cell system 4 according to the fourth embodiment of the present invention. As shown in the figure, the fuel cell system 4 newly includes compressors 61 and 62 and pressure control valves 63 and 64.

コンプレッサ６１，６２は、燃料供給配管４１及び酸化剤供給配管４２にそれぞれ設けられ、水素及び空気を圧縮して燃料電池スタック１０に送り込むものである。圧力制御弁６３，６４は、燃料排出配管４３及び酸化剤排出配管４４にそれぞれ設けられ、燃料電池スタック１０からの水素及び空気の排出量を調整する構成となっている。この圧力制御弁６３，６４の排出量の調整によって、燃料電池スタック１０のガス圧力が制御されることとなる。なお、コンプレッサ６１，６２及び圧力制御弁６３，６４の制御は、コントロールユニット２０によって行われるようになっている。このため、本実施形態においてコントロールユニット２０は圧力を制御する手段として機能することとなる。   The compressors 61 and 62 are provided in the fuel supply pipe 41 and the oxidant supply pipe 42, respectively, and compress hydrogen and air and send them to the fuel cell stack 10. The pressure control valves 63 and 64 are provided in the fuel discharge pipe 43 and the oxidant discharge pipe 44, respectively, and are configured to adjust the discharge amounts of hydrogen and air from the fuel cell stack 10. The gas pressure of the fuel cell stack 10 is controlled by adjusting the discharge amounts of the pressure control valves 63 and 64. The compressors 61 and 62 and the pressure control valves 63 and 64 are controlled by the control unit 20. For this reason, in this embodiment, the control unit 20 functions as a means for controlling the pressure.

図１１は、第４実施形態に係る燃料電池システム４の詳細動作を示すフローチャートである。なお、図１１に示すステップＳＴ３１〜ＳＴ３３の処理は図４に示すステップＳＴ１〜ＳＴ３の処理と同様であるため、説明を省略する。   FIG. 11 is a flowchart showing a detailed operation of the fuel cell system 4 according to the fourth embodiment. Note that the processing in steps ST31 to ST33 shown in FIG. 11 is the same as the processing in steps ST1 to ST3 shown in FIG.

電圧値Ｖｓｔａｃｋが第１所定電圧値Ｖ１以上であると判断した後（ＳＴ３３にて「ＹＥＳ」と判断した後）、コントロールユニット２０は燃料電池スタック１０に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスのガス圧力を増大させる（ＳＴ３４）。すなわち、コントロールユニット２０は、検出された電圧値Ｖｓｔａｃｋが第１所定電圧値Ｖ１以上でないときにおける通常のガス圧力よりも、ガス圧力を高くする。   After determining that the voltage value Vstack is equal to or higher than the first predetermined voltage value V1 (after determining “YES” in ST33), the control unit 20 supplies the fuel gas and the oxidant gas supplied to the fuel cell stack 10. The pressure is increased (ST34). That is, the control unit 20 makes the gas pressure higher than the normal gas pressure when the detected voltage value Vstack is not equal to or higher than the first predetermined voltage value V1.

ここで、ガス圧力を高くすると拡散分極を低減することができる。このため、拡散分極を小さくして燃料電池スタック１０のセル電圧が０Ｖ以下となること一層防止することができる。   Here, when the gas pressure is increased, diffusion polarization can be reduced. For this reason, it is possible to further reduce the diffusion polarization and further prevent the cell voltage of the fuel cell stack 10 from becoming 0 V or less.

次いで、コントロールユニット２０は出力電流を通常電流値よりも小さい電流値Ｉ１に制御する（ＳＴ３５）。その後、コントロールユニット２０は、電圧値Ｖｓｔａｃｋの微分値が正となっているか否かを判断する（ＳＴ３６）。電圧値Ｖｓｔａｃｋの微分値が正となっていないと判断した場合（ＳＴ３６：ＮＯ）、正となったと判断されるまで、この処理が繰り返される。他方、電圧値Ｖｓｔａｃｋの微分値が正となったと判断した場合（ＳＴ３６：ＹＥＳ）、コントロールユニット２０は、ガス圧力を通常のガス圧力に戻す（ＳＴ３７）。   Next, the control unit 20 controls the output current to a current value I1 smaller than the normal current value (ST35). Thereafter, the control unit 20 determines whether or not the differential value of the voltage value Vstack is positive (ST36). When it is determined that the differential value of the voltage value Vstack is not positive (ST36: NO), this process is repeated until it is determined that the differential value is positive. On the other hand, when it is determined that the differential value of the voltage value Vstack has become positive (ST36: YES), the control unit 20 returns the gas pressure to the normal gas pressure (ST37).

そして、コントロールユニット２０は、負荷電流を増大させる（ＳＴ３８）。すなわち、コントロールユニット２０は出力電流を通常電流値に戻す。その後、図１１に示す処理は終了して、燃料電池システム４は通常の発電を継続していくこととなる。   Then, the control unit 20 increases the load current (ST38). That is, the control unit 20 returns the output current to the normal current value. Thereafter, the processing shown in FIG. 11 is finished, and the fuel cell system 4 continues normal power generation.

このようにして、第４実施形態に係る燃料電池システム４によれば、第１実施形態と同様に、燃料電池の性能劣化を防止することができ、燃料電池の性能劣化を防止しつつも、零下時における使用においては電流値を素早く増大させて昇温を速やかに行うことができる。   Thus, according to the fuel cell system 4 according to the fourth embodiment, as in the first embodiment, it is possible to prevent the deterioration of the performance of the fuel cell, while preventing the deterioration of the performance of the fuel cell, In use at below zero, the current value can be quickly increased to quickly raise the temperature.

さらに、第４実施形態によれば、検出した電圧値Ｖｓｔａｃｋが第１所定電圧値Ｖ１以上である場合には出力電流値を小さくするだけでなく、ガス圧力を高くすることとしている。ここで、ガス圧力を高くすると拡散分極を低減することができる。このため、拡散分極を小さくして燃料電池スタック１０のセル電圧が０Ｖ以下となること一層防止することができる。従って、燃料電池の性能劣化を一層防止することができる。   Furthermore, according to the fourth embodiment, when the detected voltage value Vstack is equal to or higher than the first predetermined voltage value V1, not only the output current value is reduced but also the gas pressure is increased. Here, when the gas pressure is increased, diffusion polarization can be reduced. For this reason, it is possible to further reduce the diffusion polarization and further prevent the cell voltage of the fuel cell stack 10 from becoming 0 V or less. Therefore, the performance deterioration of the fuel cell can be further prevented.

また、ガス圧力を高く制御した後に、燃料電池スタック１０の電圧変化の微分値が正となった場合、ガス圧力を通常のガス圧力に戻すこととしている。ここで、微分値が正である場合、電解質膜１０１が徐々に湿潤状態となっており、抵抗分極は低下している。このため、ガス圧力を戻しても燃料電池スタック１０の少なくとも一つのセルの電圧が０Ｖ以下とならず、燃料電池の性能劣化を防止しつつも昇温を速やかに行うことができる。また反応ガスの圧力を下げるため、ガス圧力を上昇させるのに必要となるエネルギーを節約することができる。   In addition, when the differential value of the voltage change of the fuel cell stack 10 becomes positive after controlling the gas pressure high, the gas pressure is returned to the normal gas pressure. Here, when the differential value is positive, the electrolyte membrane 101 is gradually wetted, and the resistance polarization is reduced. For this reason, even if the gas pressure is returned, the voltage of at least one cell of the fuel cell stack 10 does not become 0 V or less, and the temperature can be raised quickly while preventing the performance deterioration of the fuel cell. In addition, since the pressure of the reaction gas is lowered, energy required to increase the gas pressure can be saved.

次に、本発明の第５実施形態を説明する。第５実施形態に係る燃料電池システム５は、上記実施形態のものと同様であるが、構成及び処理内容が異なっている。以下、上記実施形態との相違点を説明する。   Next, a fifth embodiment of the present invention will be described. The fuel cell system 5 according to the fifth embodiment is the same as that of the above embodiment, but the configuration and processing contents are different. Hereinafter, differences from the above embodiment will be described.

図１２は、本発明の第５実施形態に係る燃料電池システム５の構成図である。同図に示すように、燃料電池システム５は、加熱部（加熱手段）７０を備えている。加熱部７０は、燃料電池スタック１０を加熱するものであり、コントロールユニット２０によって制御されるようになっている。このため、本実施形態においてコントロールユニット２０は、加熱を制御する手段として機能することとなる。   FIG. 12 is a configuration diagram of the fuel cell system 5 according to the fifth embodiment of the present invention. As shown in the figure, the fuel cell system 5 includes a heating unit (heating means) 70. The heating unit 70 heats the fuel cell stack 10 and is controlled by the control unit 20. For this reason, in this embodiment, the control unit 20 functions as a means for controlling heating.

図１３は、第５実施形態に係る燃料電池システム５の詳細動作を示すフローチャートである。図１３に示すように、まず、コントロールユニット２０は、温度センサ５０からの信号を読み込んで、燃料電池スタック１０の温度Ｔｓｔａｃｋが水分凍結温度（例えば０度）以下であるか否かを判断する（ＳＴ４１）。燃料電池スタック１０の温度Ｔｓｔａｃｋが水分凍結温度以下でないと判断した場合（ＳＴ４１：ＮＯ）、図１３に示す処理は終了し、燃料電池システム５は通常の発電を行っていく。   FIG. 13 is a flowchart showing a detailed operation of the fuel cell system 5 according to the fifth embodiment. As shown in FIG. 13, first, the control unit 20 reads a signal from the temperature sensor 50, and determines whether or not the temperature Tstack of the fuel cell stack 10 is equal to or lower than the water freezing temperature (for example, 0 degrees) ( ST41). When it is determined that the temperature Tstack of the fuel cell stack 10 is not equal to or lower than the water freezing temperature (ST41: NO), the process shown in FIG. 13 is terminated, and the fuel cell system 5 performs normal power generation.

一方、燃料電池スタック１０の温度Ｔｓｔａｃｋが水分凍結温度以下であると判断した場合（ＳＴ４１：ＹＥＳ）、ステップＳＴ４２，ＳＴ４３において図４のステップＳＴ１，ＳＴ２と同様の処理が実行される。そして、コントロールユニット２０は、燃料電池スタック１０の電圧値Ｖｓｔａｃｋが第１所定電圧値Ｖ１よりも小さい第２所定電圧値Ｖ２未満であるか否かを判断する（ＳＴ４４）。   On the other hand, when it is determined that the temperature Tstack of the fuel cell stack 10 is equal to or lower than the water freezing temperature (ST41: YES), the same processing as steps ST1 and ST2 of FIG. 4 is executed in steps ST42 and ST43. Then, the control unit 20 determines whether or not the voltage value Vstack of the fuel cell stack 10 is less than a second predetermined voltage value V2 that is smaller than the first predetermined voltage value V1 (ST44).

ここで、燃料電池スタック１０の電圧値Ｖｓｔａｃｋが第２所定電圧値Ｖ２未満であると判断した場合（Ｓ４４：ＹＥＳ）、ステップＳＴ４５〜ＳＴ４７において図１１のステップＳＴ３３〜ＳＴ３５と同様の処理が実行される。   Here, when it is determined that the voltage value Vstack of the fuel cell stack 10 is less than the second predetermined voltage value V2 (S44: YES), the same processing as in steps ST33 to ST35 of FIG. 11 is performed in steps ST45 to ST47. The

次いで、コントロールユニット２０は、燃料電池スタック１０の温度Ｔｓｔａｃｋを検出し、検出した燃料電池スタック１０の温度Ｔｓｔａｃｋが第１所定温度Ｔ１以上であるか否かを判断する（ＳＴ４８）。燃料電池スタック１０の温度Ｔｓｔａｃｋが第１所定温度Ｔ１以上でないと判断した場合（ＳＴ４８：ＮＯ）、第１所定温度Ｔ１以上であると判断されるまで、この処理が繰り返される。   Next, the control unit 20 detects the temperature Tstack of the fuel cell stack 10, and determines whether or not the detected temperature Tstack of the fuel cell stack 10 is equal to or higher than the first predetermined temperature T1 (ST48). When it is determined that the temperature Tstack of the fuel cell stack 10 is not equal to or higher than the first predetermined temperature T1 (ST48: NO), this process is repeated until it is determined that the temperature Tstack is equal to or higher than the first predetermined temperature T1.

他方、燃料電池スタック１０の温度Ｔｓｔａｃｋが第１所定温度Ｔ１以上であると判断した場合（ＳＴ４８：ＹＥＳ）、コントロールユニット２０はガス圧力を低下させ（ＳＴ４９）、出力電流を通常電流値に戻し（ＳＴ５０）、その後、図１３に示す処理は終了する。これにより、燃料電池システム５は通常の発電処理を行っていくこととなる。   On the other hand, when it is determined that the temperature Tstack of the fuel cell stack 10 is equal to or higher than the first predetermined temperature T1 (ST48: YES), the control unit 20 decreases the gas pressure (ST49) and returns the output current to the normal current value ( After that, the process shown in FIG. 13 ends. As a result, the fuel cell system 5 performs normal power generation processing.

ところで、燃料電池スタック１０の電圧値Ｖｓｔａｃｋが第２所定電圧値Ｖ２未満でないと判断した場合（Ｓ４４：ＮＯ）、コントロールユニット２０は、加熱部７０によって燃料電池スタック１０を加熱させる（ＳＴ５１）。ここで、零下時（水分凍結温度以下の状況下）において電圧値Ｖｓｔａｃｋが第２所定電圧値Ｖ２未満である場合、触媒層の反応サイトが凍結した水分で覆われて電圧が低下していると考えられる。このため、コントロールユニット２０は、燃料電池スタック１０を加熱し、凍結した水分を溶かすこととしている。これにより、凍結水分による発電性能の低下を防止している。また、加熱部７０による加熱によって、燃料電池スタックを昇温させてから電流を取り出すことにより、電流取り出し直後に燃料電池スタック内の少なくとも一つのセルの電圧が０Ｖ以下となることを防止している。   Meanwhile, when it is determined that the voltage value Vstack of the fuel cell stack 10 is not less than the second predetermined voltage value V2 (S44: NO), the control unit 20 heats the fuel cell stack 10 by the heating unit 70 (ST51). Here, when the voltage value Vstack is less than the second predetermined voltage value V2 at zero (under the water freezing temperature or lower), the reaction site of the catalyst layer is covered with frozen water and the voltage is reduced. Conceivable. For this reason, the control unit 20 heats the fuel cell stack 10 and melts the frozen water. Thereby, the fall of the power generation performance by frozen moisture is prevented. Further, by heating the fuel cell stack to raise the temperature of the fuel cell stack and then taking out the current, the voltage of at least one cell in the fuel cell stack is prevented from becoming 0 V or less immediately after taking out the current. .

次いで、コントロールユニット２０は、燃料電池スタック１０の温度Ｔｓｔａｃｋが第２所定温度Ｔ２を超えるか否かを判断する（ＳＴ５２）。ここで、第２所定温度Ｔ２は、凍結水分が充分に溶ける温度である。   Next, the control unit 20 determines whether or not the temperature Tstack of the fuel cell stack 10 exceeds the second predetermined temperature T2 (ST52). Here, the second predetermined temperature T2 is a temperature at which the frozen moisture is sufficiently dissolved.

燃料電池スタック１０の温度Ｔｓｔａｃｋが第２所定温度Ｔ２を超えないと判断した場合（ＳＴ５２：ＮＯ）、超えると判断されるまで、この処理が繰り返される。一方、燃料電池スタック１０の温度Ｔｓｔａｃｋが第２所定温度Ｔ２を超えると判断した場合（ＳＴ５２：ＹＥＳ）、コントロールユニット２０は、加熱部７０による加熱を停止する（ＳＴ５３）。そして、図１３に示す処理は終了し、燃料電池システム５は通常の発電処理を行っていくこととなる。   When it is determined that the temperature Tstack of the fuel cell stack 10 does not exceed the second predetermined temperature T2 (ST52: NO), this process is repeated until it is determined that it exceeds. On the other hand, when it is determined that the temperature Tstack of the fuel cell stack 10 exceeds the second predetermined temperature T2 (ST52: YES), the control unit 20 stops heating by the heating unit 70 (ST53). And the process shown in FIG. 13 is complete | finished and the fuel cell system 5 will perform a normal electric power generation process.

このようにして、第５実施形態に係る燃料電池システム５によれば、上記実施形態と同様に、燃料電池の性能劣化を防止することができ、燃料電池の性能劣化を防止しつつも、より簡素な構成で燃料電池スタック１０の昇温を速やかに行うことができる。また、燃料電池の性能劣化を一層防止することができる。   Thus, according to the fuel cell system 5 according to the fifth embodiment, as in the above embodiment, it is possible to prevent the deterioration of the performance of the fuel cell, while preventing the deterioration of the performance of the fuel cell. The temperature of the fuel cell stack 10 can be quickly increased with a simple configuration. Moreover, the performance deterioration of the fuel cell can be further prevented.

さらに、第５実施形態によれば、ガス圧力を高く制御した後に、燃料電池スタック１０の温度Ｔｓｔａｃｋが第１所定温度Ｔ１以上となった場合、ガス圧力を通常のガス圧力に戻すこととしている。ここで、温度が高くなると電解質膜１０１は抵抗が小さくなる傾向がある。このため、燃料電池スタック１０の電圧Ｖｓｔａｃｋを一定時間監視してその微分値を求めることなく、燃料電池スタック１０の温度Ｔｓｔａｃｋを基準とすることで、燃料電池の性能劣化を防止しつつも、より簡素な構成で燃料電池スタックの昇温を速やかに行うことができる。また反応ガスの圧力を下げるため、ガス圧力を上昇させるのに必要となるエネルギーを節約することができる。   Furthermore, according to the fifth embodiment, after the gas pressure is controlled to be high, when the temperature Tstack of the fuel cell stack 10 becomes equal to or higher than the first predetermined temperature T1, the gas pressure is returned to the normal gas pressure. Here, as the temperature increases, the resistance of the electrolyte membrane 101 tends to decrease. Therefore, by monitoring the voltage Vstack of the fuel cell stack 10 for a certain period of time and obtaining a differential value thereof, the temperature Tstack of the fuel cell stack 10 is used as a reference, while preventing deterioration of the performance of the fuel cell. The temperature of the fuel cell stack can be quickly increased with a simple configuration. In addition, since the pressure of the reaction gas is lowered, energy required to increase the gas pressure can be saved.

また、燃料電池スタック１０が零下時において起動されて燃料電池スタック１０に燃料ガス及び酸化剤ガスが供給された場合、検出した電圧値Ｖｓｔａｃｋが第１所定電圧値Ｖ１よりも小さい第２所定電圧値Ｖ２未満であるときには、燃料電池スタック１０を加熱することとしている。ここで、零下時において電圧値Ｖｓｔａｃｋが第２所定電圧値Ｖ２未満である場合、触媒層の反応サイトが凍結した水分で覆われて電圧が低下していると考えられる。このため、燃料電池スタックを加熱することで、凍結した水分を溶かして、凍結水分による発電性能の低下を防止することができる。また、加熱部７０による加熱によって、燃料電池スタック１０を昇温させてから電流を取り出すことにより、電流取り出し直後に燃料電池スタック１０の少なくとも一つのセルの電圧が０Ｖ以下となることを防止することができる。従って、発電性能の低下を防止しつつ、燃料電池の性能劣化を防止することができる。   In addition, when the fuel cell stack 10 is started at zero and fuel gas and oxidant gas are supplied to the fuel cell stack 10, the detected voltage value Vstack is a second predetermined voltage value that is smaller than the first predetermined voltage value V1. When it is less than V2, the fuel cell stack 10 is heated. Here, when the voltage value Vstack is lower than the second predetermined voltage value V2 at zero, it is considered that the reaction site of the catalyst layer is covered with frozen moisture and the voltage is lowered. For this reason, by heating the fuel cell stack, it is possible to melt the frozen water and prevent the power generation performance from being reduced by the frozen water. In addition, the temperature of the fuel cell stack 10 is raised by heating by the heating unit 70 and then the current is taken out to prevent the voltage of at least one cell of the fuel cell stack 10 from becoming 0 V or less immediately after the current is taken out. Can do. Therefore, it is possible to prevent deterioration of the performance of the fuel cell while preventing a decrease in power generation performance.

また、燃料電池スタック１０の温度Ｔｓｔａｃｋが第２所定温度Ｔ２を超えた場合、加熱を停止することとしている。このため、凍結した水分を溶かした後に加熱を行わないこととし、加熱に必要となるエネルギーを節約することができる。   When the temperature Tstack of the fuel cell stack 10 exceeds the second predetermined temperature T2, the heating is stopped. For this reason, it is assumed that heating is not performed after melting frozen water, and energy required for heating can be saved.

以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよいし、各実施形態を組み合わせるようにしてもよい。   As described above, the present invention has been described based on the embodiments. However, the present invention is not limited to the above embodiments, and modifications may be made without departing from the spirit of the present invention, and the embodiments may be combined. It may be.

本発明の第１実施形態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 a first embodiment of the present invention. 図１に示した燃料電池スタックを構成する固体高分子電解質型燃料電池のセル構造を示す模式断面図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing a cell structure of a solid polymer electrolyte fuel cell constituting the fuel cell stack shown in FIG. 1. 第１実施形態に係る燃料電池システム１の動作を示すグラフであり、（ａ）は検出した電圧値が第１所定電圧値以上でない場合の電圧状態を示し、（ｂ）は検出した電圧値が第１所定電圧値以上でない場合の電流状態を示し、（ｃ）は検出した電圧値が第１所定電圧値以上である場合の電圧状態を示し、（ｄ）は検出した電圧値が第１所定電圧値以上である場合の電流状態を示している。It is a graph which shows operation | movement of the fuel cell system 1 which concerns on 1st Embodiment, (a) shows the voltage state when the detected voltage value is not more than a 1st predetermined voltage value, (b) shows the detected voltage value. The current state when not exceeding the first predetermined voltage value is shown, (c) shows the voltage state when the detected voltage value is more than the first predetermined voltage value, and (d) shows the detected voltage value being the first predetermined voltage value. The current state in the case of being equal to or higher than the voltage value is shown. 第１実施形態に係る燃料電池システム１の詳細動作を示すフローチャートである。3 is a flowchart showing a detailed operation of the fuel cell system 1 according to the first embodiment. 電圧値Ｖｓｔａｃｋが第１所定電圧値Ｖ１以上となる場合における電圧値及び電流値を示すグラフであって、（ａ）は出力電流を通常電流とした場合における電圧状態を示し、（ｂ）は出力電流を通常電流とした場合における電流状態を示し、（ｃ）は出力電流を電流Ｉ１とした場合における電圧状態を示し（ｄ）は出力電流を電流Ｉ１とした場合における電流状態を示している。FIG. 6 is a graph showing a voltage value and a current value when the voltage value Vstack is equal to or higher than a first predetermined voltage value V1, where (a) shows a voltage state when an output current is a normal current, and (b) shows an output. The current state when the current is the normal current is shown, (c) shows the voltage state when the output current is the current I1, and (d) shows the current state when the output current is the current I1. 出力電流を電流Ｉ１とした場合における電圧状態を示すグラフである。It is a graph which shows a voltage state at the time of making output current into electric current I1. 本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの詳細動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows detailed operation | movement of the fuel cell system which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第３実施形態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 3rd Embodiment of this invention. 第３実施形態に係る燃料電池システムの詳細動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the detailed operation | movement of the fuel cell system which concerns on 3rd Embodiment. 本発明の第４実施形態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 4th Embodiment of this invention. 第４実施形態に係る燃料電池システムの詳細動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the detailed operation | movement of the fuel cell system which concerns on 4th Embodiment. 本発明の第５実施形態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 5th Embodiment of this invention. 第５実施形態に係る燃料電池システムの詳細動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows detailed operation | movement of the fuel cell system which concerns on 5th Embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

１〜５…燃料電池システム
１０…燃料電池スタック
２０…コントロールユニット（電流制御手段、圧力制御手段、加熱制御手段）
３０…負荷制御ユニット
４１…燃料供給配管
４２…酸化剤供給配管
４３…燃料排出配管
４４…酸化剤排出配管
５０…温度センサ（温度検出手段）
６１，６２…コンプレッサ
６３，６４…圧力制御弁
７０…加熱部（加熱手段）
１０１…高分子電解質膜
１０２…燃料極
１０３…酸化剤極
１１０…膜電極接合体 1 to 5 ... Fuel cell system 10 ... Fuel cell stack 20 ... Control unit (current control means, pressure control means, heating control means)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 30 ... Load control unit 41 ... Fuel supply piping 42 ... Oxidant supply piping 43 ... Fuel discharge piping 44 ... Oxidant discharge piping 50 ... Temperature sensor (temperature detection means)
61, 62 ... compressor 63, 64 ... pressure control valve 70 ... heating section (heating means)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Polymer electrolyte membrane 102 ... Fuel electrode 103 ... Oxidant electrode 110 ... Membrane electrode assembly

Claims (9)

高分子電解質膜とこの電解質膜を挟持する燃料極及び酸化剤極とからなる膜電極接合体、並びに、該膜電極接合体に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給する流路が形成されたセパレータを有する燃料電池が複数積層された燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの電圧を検出する電圧検出手段と、
前記電圧検出手段により検出された電圧値に応じて燃料電池スタックの出力電流を制御する電流制御手段と、を備え、
前記電流制御手段は、該燃料電池スタックに燃料ガス及び酸化剤ガスが供給された場合、前記電圧検出手段により検出された電圧値が第１所定電圧値以上となるときには、前記電圧検出手段により検出された電圧値が第１所定電圧値以上でないときにおいて出力される通常電流値よりも、出力電流値を小さくする
ことを特徴とする燃料電池システム。 A membrane electrode assembly comprising a polymer electrolyte membrane and a fuel electrode and an oxidant electrode sandwiching the electrolyte membrane, and a separator having a flow path for supplying fuel gas and oxidant gas to the membrane electrode assembly A fuel cell stack in which a plurality of fuel cells are stacked;
Voltage detection means for detecting the voltage of the fuel cell stack;
Current control means for controlling the output current of the fuel cell stack according to the voltage value detected by the voltage detection means,
The current control means is detected by the voltage detection means when a fuel gas and an oxidant gas are supplied to the fuel cell stack, and the voltage value detected by the voltage detection means exceeds a first predetermined voltage value. A fuel cell system, wherein the output current value is made smaller than the normal current value that is output when the measured voltage value is not equal to or greater than the first predetermined voltage value. 前記電流制御手段は、出力電流値を小さく制御した後に、前記燃料電池スタックの電圧変化の微分値が正となった場合、出力電流値を前記通常電流値に戻すことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。   2. The current control means returns the output current value to the normal current value when the differential value of the voltage change of the fuel cell stack becomes positive after controlling the output current value to be small. The fuel cell system described in 1. 前記燃料電池スタックの温度を検出する温度検出手段をさらに備え、
前記電流制御手段は、出力電流値を小さく制御した後に、前記温度検出手段により検出された前記燃料電池スタックの温度が第１所定温度以上となった場合、出力電流値を前記通常電流値に戻す
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 the temperature of the fuel cell stack,
The current control means returns the output current value to the normal current value when the temperature of the fuel cell stack detected by the temperature detection means becomes equal to or higher than a first predetermined temperature after controlling the output current value to be small. The fuel cell system according to claim 1. 前記電流制御手段は、出力電流値を小さく制御した後に、前記通常電流値に達するまで出力電流値を徐々に大きくしていくことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。   2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the current control unit gradually increases the output current value until the normal current value is reached after controlling the output current value to be small. 前記燃料電池スタックに供給される燃料ガス及び酸化剤ガスのガス圧力を制御する圧力制御手段をさらに備え、
前記圧力制御手段は、該燃料電池スタックに燃料ガス及び酸化剤ガスが供給された場合、前記電圧検出手段により検出された電圧値が第１所定電圧値以上となるときには、前記電圧検出手段により検出された電圧値が第１所定電圧値以上でないときにおける通常のガス圧力よりも、ガス圧力を高くする
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。 Pressure control means for controlling the gas pressure of the fuel gas and the oxidant gas supplied to the fuel cell stack;
When the fuel gas and oxidant gas are supplied to the fuel cell stack, the pressure control means detects when the voltage value detected by the voltage detection means is equal to or higher than a first predetermined voltage value. 2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the gas pressure is set higher than a normal gas pressure when the measured voltage value is not equal to or higher than the first predetermined voltage value. 前記圧力制御手段は、ガス圧力を高く制御した後に、前記燃料電池スタックの電圧変化の微分値が正となった場合、ガス圧力を前記通常のガス圧力に戻すことを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。   6. The pressure control unit according to claim 5, wherein after the gas pressure is controlled to be high, if the differential value of the voltage change of the fuel cell stack becomes positive, the pressure control unit returns the gas pressure to the normal gas pressure. Fuel cell system. 前記燃料電池スタックの温度を検出する温度検出手段をさらに備え、
前記圧力制御手段は、ガス圧力を高く制御した後に、前記温度検出手段により検出された前記燃料電池スタックの温度が第１所定温度以上となった場合、ガス圧力を前記通常のガス圧力に戻す
ことを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。 Temperature detecting means for detecting the temperature of the fuel cell stack,
The pressure control means returns the gas pressure to the normal gas pressure when the temperature of the fuel cell stack detected by the temperature detection means becomes equal to or higher than a first predetermined temperature after controlling the gas pressure high. The fuel cell system according to claim 5. 前記燃料電池スタックを加熱する加熱手段と、
前記加熱手段の作動を制御する加熱制御手段とをさらに備え、
前記加熱制御手段は、前記燃料電池スタックが零下時において起動されて前記燃料電池スタックに燃料ガス及び酸化剤ガスが供給された場合、前記電圧検出手段により検出された電圧値が第１所定電圧値よりも小さい第２所定電圧値未満であるときには、前記加熱手段によって燃料電池スタックを加熱する
ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。 Heating means for heating the fuel cell stack;
Heating control means for controlling the operation of the heating means,
When the fuel cell stack is started when the fuel cell stack is below zero and fuel gas and oxidant gas are supplied to the fuel cell stack, the voltage value detected by the voltage detection means is a first predetermined voltage value. 2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel cell stack is heated by the heating means when the voltage is less than a second predetermined voltage value smaller than the second predetermined voltage value. 前記燃料電池スタックの温度を検出する温度検出手段をさらに備え、
前記加熱制御手段は、前記温度検出手段により検出された燃料電池スタックの温度が、凍結した水分が溶けるとして予め設定された第２所定温度を超えた場合、前記加熱手段による加熱を停止する
ことを特徴とする請求項８記載の燃料電池システム。 Temperature detecting means for detecting the temperature of the fuel cell stack,
The heating control means stops heating by the heating means when the temperature of the fuel cell stack detected by the temperature detection means exceeds a second predetermined temperature set in advance as the frozen water is melted. 9. The fuel cell system according to claim 8, wherein
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