JP2007157604A - Fuel cell system and movable body - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system which can accelerate the performance recovery of a catalyst layer for a fuel cell, while suppressing increase in the fuel consumption. <P>SOLUTION: A fuel cell system 1 incorporates a fuel cell 10 having a catalyst layer 13, and a fuel supply source 30 for supplying a fuel gas to the fuel cell 10. The fuel cell system 1 includes a pressure control means 5 which sets up the pressure value of a fuel gas to be supplied from the fuel supply source 30 to the fuel cell 10 during the intermittent operation, depending on a catalyst state of the catalyst layer 13. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池システム及び移動体に関する。   The present invention relates to a fuel cell system and a moving body.

現在、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の供給を受けて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが提案され、実用化されている。燃料電池システムの燃料電池には、電極として機能する触媒層が設けられている。かかる触媒層には白金等の触媒が含まれているが、燃料電池システムの運転を継続すると触媒層中の触媒の酸化が進み、発電効率が低下する。   Currently, a fuel cell system including a fuel cell that receives a supply of reaction gas (fuel gas and oxidizing gas) and generates electric power has been proposed and put into practical use. The fuel cell of the fuel cell system is provided with a catalyst layer that functions as an electrode. Such a catalyst layer contains a catalyst such as platinum. However, if the operation of the fuel cell system is continued, oxidation of the catalyst in the catalyst layer proceeds and power generation efficiency decreases.

このため、近年においては、燃料電池システムの間欠運転中に燃料電池のアノード側の圧力が低下した場合に、アノード側に水素ガスを補給することにより、発電効率の低下を抑制する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００４−１７２０２８号公報 For this reason, in recent years, there has been proposed a technique for suppressing a decrease in power generation efficiency by supplying hydrogen gas to the anode side when the pressure on the anode side of the fuel cell decreases during intermittent operation of the fuel cell system. (For example, refer to Patent Document 1).
JP 2004-172028 A

特許文献１に記載されたような技術を採用すると、間欠運転中に水素ガスをカソード側に透過させ、触媒を還元させて発電効率を回復させることは可能である。しかし、触媒状態が良好な場合にアノード側に水素ガスを補給すると、水素ガスが必要以上に消費されてしまうという問題があった。   When a technique such as that described in Patent Document 1 is employed, it is possible to restore power generation efficiency by allowing hydrogen gas to permeate the cathode during intermittent operation and reducing the catalyst. However, when hydrogen gas is supplied to the anode side when the catalyst state is good, there is a problem that hydrogen gas is consumed more than necessary.

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池の触媒層の特性回復を促進させるとともに、燃料消費量の増大を抑制することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of promoting the recovery of the characteristics of the catalyst layer of the fuel cell and suppressing the increase in fuel consumption. To do.

前記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、触媒層を有する燃料電池と、燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料供給源と、を備える燃料電池システムにおいて、触媒層の触媒状態に応じて、間欠運転時における燃料供給源から燃料電池への燃料ガスの供給圧力値を設定する圧力制御手段を備えるものである。   To achieve the above object, a fuel cell system according to the present invention is a fuel cell system comprising a fuel cell having a catalyst layer and a fuel supply source for supplying fuel gas to the fuel cell. Pressure control means for setting the supply pressure value of the fuel gas from the fuel supply source to the fuel cell during intermittent operation according to the state is provided.

かかる構成によれば、触媒層の触媒状態（例えば触媒劣化度）に応じて、間欠運転時における燃料供給源から燃料電池への燃料ガスの供給圧力値を設定することができる。例えば、触媒層の触媒状態が劣化している場合に、燃料ガスの供給圧力を高く設定することができる。これにより、触媒の還元を促進させて発電効率を回復させることが可能となる。一方、触媒層の触媒状態が劣化していない場合に、燃料ガスの供給圧力値を低く設定することができる。これにより、燃料消費量を低減することが可能となる。   According to this configuration, the supply pressure value of the fuel gas from the fuel supply source to the fuel cell during the intermittent operation can be set according to the catalyst state of the catalyst layer (for example, the degree of catalyst deterioration). For example, when the catalyst state of the catalyst layer is deteriorated, the fuel gas supply pressure can be set high. Thereby, it is possible to promote the reduction of the catalyst and restore the power generation efficiency. On the other hand, when the catalyst state of the catalyst layer is not deteriorated, the supply pressure value of the fuel gas can be set low. Thereby, it becomes possible to reduce fuel consumption.

前記燃料電池システムにおいて、圧力制御手段は、触媒層の触媒が劣化状態にある場合に、間欠運転時における燃料供給源から燃料電池への燃料ガスの供給圧力値を触媒還元可能な所定値以上に設定することが好ましい。   In the fuel cell system, when the catalyst of the catalyst layer is in a deteriorated state, the pressure control means increases the supply pressure value of the fuel gas from the fuel supply source to the fuel cell during the intermittent operation to a predetermined value or more that can be catalytically reduced. It is preferable to set.

このようにすることにより、間欠運転時に燃料電池の触媒層に含まれる触媒の還元を促進させて、触媒層の特性を効果的に回復させることができる。この結果、間欠運転時に発電効率を回復させることができる。   By doing in this way, the reduction | restoration of the catalyst contained in the catalyst layer of a fuel cell can be accelerated | stimulated at the time of an intermittent operation, and the characteristic of a catalyst layer can be recovered | restored effectively. As a result, the power generation efficiency can be recovered during intermittent operation.

また、前記燃料電池システムにおいて、圧力制御手段は、触媒層の温度に基づいて燃料電池のＩ−Ｖ特性を算出し、算出したＩ−Ｖ特性が標準レベル未満である場合に触媒層の触媒が劣化状態にあると判定することができる。   Further, in the fuel cell system, the pressure control means calculates the IV characteristic of the fuel cell based on the temperature of the catalyst layer, and when the calculated IV characteristic is less than the standard level, the catalyst of the catalyst layer It can be determined that the battery is in a degraded state.

また、本発明に係る移動体は、前記燃料電池システムを備えるものである。   Moreover, the mobile body which concerns on this invention is provided with the said fuel cell system.

かかる構成によれば、間欠運転時における触媒特性の回復が可能であって燃料消費量の低減が可能な燃料電池システムを備えているため、安定した駆動性能を有するとともに高い航続性能を有する移動体を提供することが可能となる。   According to such a configuration, since the fuel cell system capable of recovering the catalyst characteristics during the intermittent operation and capable of reducing the fuel consumption is provided, the moving body has a stable driving performance and a high cruising performance. Can be provided.

本発明によれば、燃料電池の触媒層の特性回復を促進させるとともに、燃料消費量の増大を抑制することが可能な燃料電池システムを提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a fuel cell system capable of promoting the recovery of the characteristics of the catalyst layer of the fuel cell and suppressing an increase in fuel consumption.

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１について説明する。本実施形態においては、本発明を燃料電池車両（移動体）の車載発電システムに適用した例について説明することとする。   Hereinafter, a fuel cell system 1 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the present embodiment, an example in which the present invention is applied to an on-vehicle power generation system of a fuel cell vehicle (moving body) will be described.

まず、図１を用いて、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１の構成について説明する。本実施形態に係る燃料電池システム１は、図１に示すように、反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて電力を発生する燃料電池１０を備えるとともに、燃料電池１０に酸化ガスとしての空気を供給する酸化ガス配管系２、燃料電池１０に燃料ガスとしての水素ガスを供給する水素ガス配管系３、燃料電池１０を冷却する冷却配管系４、システム全体を統合制御する制御装置５等を備えている。   First, the configuration of the fuel cell system 1 according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 according to the present embodiment includes a fuel cell 10 that generates electric power upon receiving a supply of reaction gas (oxidation gas and fuel gas), and the fuel cell 10 has an oxidant gas. An oxidizing gas piping system 2 for supplying the air, a hydrogen gas piping system 3 for supplying hydrogen gas as a fuel gas to the fuel cell 10, a cooling piping system 4 for cooling the fuel cell 10, and a control device 5 for integrated control of the entire system. Etc.

燃料電池１０は、反応ガスの供給を受けて発電する単電池を所要数積層して構成したスタック構造を有している。燃料電池１０を構成する単電池は、図２に示したＭＥＧＡ（Membrane-Electrode-Gas diffusion layer Assembly：膜・電極・拡散層接合体）１１、ＭＥＧＡ１１に隣接配置されるセパレータ、ＭＥＧＡ１１とセパレータとの間をシールするシール部材等から構成されている。   The fuel cell 10 has a stack structure in which a required number of unit cells that generate power upon receiving a reaction gas are stacked. The unit cell constituting the fuel cell 10 includes a MEGA (Membrane-Electrode-Gas diffusion layer Assembly) 11 shown in FIG. 2, a separator disposed adjacent to the MEGA 11, and the MEGA 11 and separator. It is comprised from the sealing member etc. which seal a space | interval.

燃料電池１０の各単電池を構成するＭＥＧＡ１１は、図２に示すように、電解質膜１２と、電解質膜１２の両面に設けられた電極用の触媒層１３と、触媒層１３の外側に配設される拡散層１４と、から構成されている。   As shown in FIG. 2, the MEGA 11 constituting each unit cell of the fuel cell 10 is disposed outside the catalyst layer 13, the electrolyte membrane 12, the electrode catalyst layer 13 provided on both surfaces of the electrolyte membrane 12, and the catalyst layer 13. And a diffusion layer 14 to be formed.

電解質膜１２は、固体高分子材料のイオン交換膜から構成され、水素ガスから供給された水素イオンをアノード側電極からカソード側電極に移動させる機能を有する。触媒層１３は、白金や白金合金等の触媒が担持されたシート状成形体であって、電解質膜１２に接合されてアノード電極とカソード電極とを構成する。水素ガスから供給された水素（Ｈ2）は、触媒層１３に到達すると、触媒の表面で活性な２個の水素原子（水素活性種：Ｈ*）に解離する。さらに、触媒表面では酸化反応が進行して水素活性種から水素イオン（Ｈ+）と電子（ｅ-）とが生じ、これらのうち水素イオンは電解質膜１２中に移入する。触媒層１３では、触媒と固体電解質との配合割合を適宜設定することにより、触媒利用効率の低下を抑えて電池性能を向上させることができる。 The electrolyte membrane 12 is composed of an ion exchange membrane made of a solid polymer material, and has a function of moving hydrogen ions supplied from hydrogen gas from the anode side electrode to the cathode side electrode. The catalyst layer 13 is a sheet-like molded body on which a catalyst such as platinum or a platinum alloy is supported, and is joined to the electrolyte membrane 12 to constitute an anode electrode and a cathode electrode. When hydrogen (H 2 ) supplied from the hydrogen gas reaches the catalyst layer 13, it dissociates into two hydrogen atoms (hydrogen active species: H * ) that are active on the surface of the catalyst. Furthermore, an oxidation reaction proceeds on the catalyst surface, and hydrogen ions (H + ) and electrons (e − ) are generated from the hydrogen active species. Among these, hydrogen ions are transferred into the electrolyte membrane 12. In the catalyst layer 13, by appropriately setting the blending ratio of the catalyst and the solid electrolyte, it is possible to improve the battery performance while suppressing a decrease in catalyst utilization efficiency.

拡散層１４は、カーボン布やカーボンペーパ等の多孔質の素材から構成され、燃料電池１０の外部からセパレータを介して触媒層１３側に供給された反応ガスを拡散させて触媒層１３に流す機能を有している。また、拡散層１４は、触媒層１３とセパレータとを導通させる導電機能をも有している。   The diffusion layer 14 is made of a porous material such as carbon cloth or carbon paper, and has a function of diffusing the reaction gas supplied from the outside of the fuel cell 10 to the catalyst layer 13 side through the separator and flowing it to the catalyst layer 13. have. Moreover, the diffusion layer 14 also has a conductive function for conducting the catalyst layer 13 and the separator.

単電池を構成するセパレータは、積層される各単電池同士を区切る境界であり、隣接する単電池間でアノード電極とカソード電極とが接触することによるその単電池同士の短絡を防止する機能と、隣接する単電池同士を導通させる機能と、を有する。   The separator constituting the unit cell is a boundary that separates the unit cells to be stacked, and a function of preventing short circuit between the unit cells due to contact between the anode electrode and the cathode electrode between adjacent unit cells, And a function of electrically connecting adjacent unit cells.

なお、燃料電池１０により発生した電力は、図示していないＰＣＵ（Power Control Unit）に供給される。ＰＣＵは、燃料電池車両のトラクションモータに電力を供給するインバータ、コンプレッサモータや水素ポンプ用モータなどの各種補機類に電力を供給するインバータ、二次バッテリへの充電や二次バッテリからのモータ類に電力を供給するＤＣ‐ＤＣコンバータ等を備えている。   The electric power generated by the fuel cell 10 is supplied to a PCU (Power Control Unit) (not shown). The PCU is an inverter that supplies electric power to a traction motor of a fuel cell vehicle, an inverter that supplies electric power to various auxiliary machines such as a compressor motor and a hydrogen pump motor, motors from a secondary battery and a secondary battery. DC-DC converter etc. which supplies electric power to.

酸化ガス配管系２は、加湿器２０により加湿された酸化ガス（空気）を燃料電池１０に供給する空気供給流路２１と、燃料電池１０から排出された酸化オフガスを加湿器２０に導く空気排出流路２２と、加湿器２１から外部に酸化オフガスを導くための排気流路２３と、を備えている。空気供給流路２１には、大気中の酸化ガスを取り込んで加湿器２０に圧送するコンプレッサ２４が設けられている。コンプレッサ２４の動作は、制御装置５により制御される。   The oxidizing gas piping system 2 includes an air supply passage 21 that supplies the fuel cell 10 with the oxidizing gas (air) humidified by the humidifier 20, and an air exhaust that guides the oxidizing off-gas discharged from the fuel cell 10 to the humidifier 20. A flow path 22 and an exhaust flow path 23 for guiding the oxidizing off gas from the humidifier 21 to the outside are provided. The air supply passage 21 is provided with a compressor 24 that takes in the oxidizing gas in the atmosphere and pumps it to the humidifier 20. The operation of the compressor 24 is controlled by the control device 5.

水素ガス配管系３は、高圧の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素タンク３０と、水素タンク３０の水素ガスを燃料電池１０に供給するための水素供給流路３１と、燃料電池１０から排出された水素オフガスを水素供給流路３１に戻すための循環流路３２と、を備えている。   The hydrogen gas piping system 3 includes a hydrogen tank 30 as a fuel supply source storing high-pressure hydrogen gas, a hydrogen supply flow path 31 for supplying the hydrogen gas in the hydrogen tank 30 to the fuel cell 10, and the fuel cell 10. A circulation flow path 32 for returning the discharged hydrogen off-gas to the hydrogen supply flow path 31.

水素供給流路３１には、水素タンク３０からの水素ガスの供給を遮断又は許容する主止弁３３と、水素ガスの圧力を調整するレギュレータ３４と、燃料電池１０の近傍に配置され水素タンク３０からの水素ガスの供給を一時的に遮断又は許容する遮断弁３５と、が設けられている。本実施形態においては、ステップモータにより供給圧力の目標値を変更することができる可変調圧式のレギュレータ３４を採用している。主止弁３３、レギュレータ３４及び遮断弁３５の動作は制御装置５により制御される。   In the hydrogen supply flow path 31, a main stop valve 33 that shuts off or allows the supply of hydrogen gas from the hydrogen tank 30, a regulator 34 that adjusts the pressure of the hydrogen gas, and the hydrogen tank 30 disposed in the vicinity of the fuel cell 10. And a shut-off valve 35 for temporarily shutting off or allowing the supply of hydrogen gas from. In the present embodiment, a modulatable pressure regulator 34 that can change the target value of the supply pressure by a step motor is employed. The operations of the main stop valve 33, the regulator 34 and the shutoff valve 35 are controlled by the control device 5.

循環流路３２には、気液分離器３６及び排気排水弁３７を介して、排出流路３８が接続されている。気液分離器３６は、水素オフガスから水分を回収するものである。排気排水弁３７は、制御装置５からの指令によって作動することにより、気液分離器３６で回収した水分と、循環流路３２内の不純物を含む水素オフガスと、を外部に排出（パージ）するものである。また、循環流路３２には、循環流路３２内の水素オフガスを加圧して水素供給流路３１側へ送り出す水素ポンプ３９が設けられている。なお、排出流路３８内のガスは、図示されていない希釈器によって希釈されて、排気流路２３内のガスと合流するようになっている。   A discharge flow path 38 is connected to the circulation flow path 32 via a gas-liquid separator 36 and an exhaust drain valve 37. The gas-liquid separator 36 collects moisture from the hydrogen off gas. The exhaust / drain valve 37 operates according to a command from the control device 5 to discharge (purge) moisture collected by the gas-liquid separator 36 and hydrogen off-gas containing impurities in the circulation flow path 32 to the outside. Is. In addition, the circulation channel 32 is provided with a hydrogen pump 39 that pressurizes the hydrogen off gas in the circulation channel 32 and sends it to the hydrogen supply channel 31 side. Note that the gas in the discharge flow path 38 is diluted by a diluter (not shown), and merges with the gas in the exhaust flow path 23.

冷却配管系４は、燃料電池１０の冷却水供給口に接続された冷却水供給用配管４１と、燃料電池１０の冷却水排出口に接続された冷却水排出用配管４２と、を備えており、冷却水供給用配管４１を介して燃料電池１０に冷却水が供給される一方、冷却水排出用配管４２を介して燃料電池１０から冷却水が外部に排出される。冷却水供給用配管４１と冷却水排出用配管４２とは冷却ファン４３を有するラジエータ４４を介して接続されている。冷却水供給用配管４１には、冷却水を加圧して循環させるポンプ４５が設けられている。また、冷却水排出用配管４２には、燃料電池１０から排出される冷却水の温度を検出する図示されていない温度センサ４６が設けられている。温度センサ４６で検出された温度に係る情報は、制御装置５に伝送されて、水素ガスの供給圧力制御に用いられる。   The cooling pipe system 4 includes a cooling water supply pipe 41 connected to the cooling water supply port of the fuel cell 10 and a cooling water discharge pipe 42 connected to the cooling water discharge port of the fuel cell 10. Cooling water is supplied to the fuel cell 10 via the cooling water supply pipe 41, while cooling water is discharged from the fuel cell 10 to the outside via the cooling water discharge pipe 42. The cooling water supply pipe 41 and the cooling water discharge pipe 42 are connected via a radiator 44 having a cooling fan 43. The cooling water supply pipe 41 is provided with a pump 45 that pressurizes and circulates the cooling water. The cooling water discharge pipe 42 is provided with a temperature sensor 46 (not shown) that detects the temperature of the cooling water discharged from the fuel cell 10. Information on the temperature detected by the temperature sensor 46 is transmitted to the control device 5 and used for hydrogen gas supply pressure control.

制御装置５は、図示していない車両のアクセル信号（要求負荷）等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、制御装置５は、図示していないコンピュータシステムによって構成されている。かかるコンピュータシステムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイ等を備えるものであり、ＲＯＭに記録された各種制御プログラムをＣＰＵが読み込んで実行することにより、各種制御動作が実現されるようになっている。   The control device 5 receives control information such as an accelerator signal (required load) of a vehicle (not shown) and controls operations of various devices in the system. The control device 5 is configured by a computer system (not shown). Such a computer system includes a CPU, ROM, RAM, HDD, input / output interface, display, and the like, and various control operations are realized by the CPU reading and executing various control programs recorded in the ROM. It is like that.

具体的には、制御装置５は、燃料電池１０の触媒層１３の触媒状態（触媒劣化度）に応じて、間欠運転時における水素タンク３０から燃料電池１０への水素ガスの供給圧力値を設定する。すなわち、制御装置５は、燃料電池１０の触媒層１３に含まれる触媒の酸化が進み触媒が劣化状態にある場合に、間欠運転時における燃料電池１０への水素ガスの供給圧力値を触媒還元可能な所定値以上に設定する。これにより、燃料電池１０のアノード電極側から電解質膜１２を介してカソード電極側へ水素ガスの透過を促進させて触媒還元を可能とし、触媒の特性回復を実現させる。一方、制御装置５は、燃料電池１０の触媒層１３の触媒が劣化状態にない場合には、間欠運転時における燃料電池１０への水素ガスの供給圧力値の上昇を抑制して、水素ガスの消費量の増大を抑制する。制御装置５は、本発明における圧力制御手段の一実施形態として機能する。   Specifically, the control device 5 sets the supply pressure value of hydrogen gas from the hydrogen tank 30 to the fuel cell 10 during intermittent operation according to the catalyst state (catalyst deterioration degree) of the catalyst layer 13 of the fuel cell 10. To do. That is, the control device 5 can catalytically reduce the supply pressure value of the hydrogen gas to the fuel cell 10 during intermittent operation when the oxidation of the catalyst contained in the catalyst layer 13 of the fuel cell 10 progresses and the catalyst is in a deteriorated state. Set to a predetermined value or higher. Thereby, the permeation of hydrogen gas is promoted from the anode electrode side of the fuel cell 10 to the cathode electrode side through the electrolyte membrane 12 to enable catalytic reduction, thereby realizing recovery of the characteristics of the catalyst. On the other hand, when the catalyst of the catalyst layer 13 of the fuel cell 10 is not in a deteriorated state, the control device 5 suppresses an increase in the supply pressure value of the hydrogen gas to the fuel cell 10 during intermittent operation, Suppress consumption increase. The control device 5 functions as an embodiment of the pressure control means in the present invention.

ここで、間欠運転とは、例えばアイドリング時、低速走行時、回生制動時等のような低負荷運転時に燃料電池１０の発電を一時休止し、二次バッテリからトラクションモータや各種補機類への電力供給を行い、燃料電池１０には開放端電圧を維持し得る程度の水素ガス及び空気の供給を間欠的に行う運転モードをいう。かかる間欠運転時において、制御装置５は、水素タンク３０から燃料電池１０への水素ガスの供給を遮断する際に、水素タンク３０に近い主止弁３０を開けたまま、燃料電池１０に近い遮断弁３５を閉じるようにする。これにより、遮断弁３５よりも上流側の圧力を維持することができるので、低負荷運転から高負荷運転に復帰する際の応答性を高めることができる。   Here, intermittent operation refers to, for example, temporarily stopping power generation of the fuel cell 10 during low load operation such as idling, low speed traveling, regenerative braking, etc., from the secondary battery to the traction motor and various auxiliary devices. This is an operation mode in which electric power is supplied and hydrogen gas and air are supplied intermittently to the fuel cell 10 to maintain an open-ended voltage. During such intermittent operation, when the control device 5 shuts off the supply of hydrogen gas from the hydrogen tank 30 to the fuel cell 10, the control device 5 shuts off near the fuel cell 10 with the main stop valve 30 close to the hydrogen tank 30 open. The valve 35 is closed. Thereby, since the pressure upstream from the shutoff valve 35 can be maintained, the responsiveness when returning from the low load operation to the high load operation can be enhanced.

本実施形態において、制御装置５は、冷却配管系４の温度センサ４６で検出された冷却水の温度（すなわち燃料電池１０の触媒層１３の温度）に基づいて、燃料電池１０のＩ−Ｖ特性を算出する。この際、冷却水温度とＩ−Ｖ特性との関係を表すマップを用いる。そして、制御装置５は、算出したＩ−Ｖ特性が標準レベル未満であるか否かを判定し、Ｉ−Ｖ特性が標準レベル未満である場合に、燃料電池１０の触媒層１３の触媒が劣化状態にあると判定して、間欠運転時における水素ガスの目標調圧値（供給圧力値の目標値）を触媒還元可能な所定値以上まで上昇させるように遮断弁３５を制御する。一方、制御装置５は、Ｉ−Ｖ特性が標準レベル以上であると判定した場合に、燃料電池１０の触媒層１３の触媒が劣化状態にないと判定して、間欠運転時における水素ガスの目標調圧値の上昇を抑制するように遮断弁３５を制御する。   In the present embodiment, the control device 5 determines the IV characteristics of the fuel cell 10 based on the temperature of the cooling water detected by the temperature sensor 46 of the cooling piping system 4 (that is, the temperature of the catalyst layer 13 of the fuel cell 10). Is calculated. At this time, a map representing the relationship between the cooling water temperature and the IV characteristic is used. And the control apparatus 5 determines whether the calculated IV characteristic is less than a standard level, and when the IV characteristic is less than a standard level, the catalyst of the catalyst layer 13 of the fuel cell 10 deteriorates. The shutoff valve 35 is controlled so as to increase the target pressure regulation value (target value of the supply pressure value) of the hydrogen gas during intermittent operation to a predetermined value or more that can be catalytically reduced. On the other hand, when the control device 5 determines that the IV characteristic is equal to or higher than the standard level, the control device 5 determines that the catalyst of the catalyst layer 13 of the fuel cell 10 is not in a deteriorated state, and targets hydrogen gas during intermittent operation. The shutoff valve 35 is controlled so as to suppress an increase in the pressure regulation value.

続いて、図３のフローチャートを用いて、本実施形態に係る燃料電池システム１の触媒還元動作について説明する。   Next, the catalyst reduction operation of the fuel cell system 1 according to this embodiment will be described using the flowchart of FIG.

燃料電池システム１の通常運転時においては、水素タンク３０から水素ガスが水素供給流路３１を介して燃料電池１０の燃料極に供給されるとともに、加湿調整された空気が空気供給流路２１を介して燃料電池１０の酸化極に供給されることにより、発電が行われる。この際、燃料電池１０から引き出すべき電力（要求電力）が制御装置５で演算され、その発電量に応じた量の水素ガス及び空気が燃料電池１０内に供給されるようになっている。通常運転時においては、燃料電池１０の触媒層１３に含まれる触媒の酸化が進み、経時的に発電効率が低下する。本実施形態においては、かかる発電効率の低下を抑制するために、間欠運転時に触媒の還元を実施して触媒の特性回復を実現させる。   During normal operation of the fuel cell system 1, hydrogen gas is supplied from the hydrogen tank 30 to the fuel electrode of the fuel cell 10 through the hydrogen supply channel 31, and the air that has been subjected to humidification adjustment passes through the air supply channel 21. Then, power is generated by being supplied to the oxidation electrode of the fuel cell 10. At this time, the power (required power) to be drawn from the fuel cell 10 is calculated by the control device 5, and hydrogen gas and air in an amount corresponding to the amount of power generation are supplied into the fuel cell 10. During normal operation, the oxidation of the catalyst contained in the catalyst layer 13 of the fuel cell 10 proceeds and the power generation efficiency decreases with time. In the present embodiment, in order to suppress such a decrease in power generation efficiency, the catalyst characteristics are recovered by reducing the catalyst during intermittent operation.

すなわち、まず、燃料電池システム１の制御装置５は、冷却配管系４の温度センサ４６を用いて、通常運転中における冷却水の温度を検出する（温度検出工程：Ｓ１）。次いで、制御装置５は、温度検出工程Ｓ１で検出した温度（すなわち燃料電池１０の触媒層１３の温度）と所定のマップとに基づいて、燃料電池１０のＩ−Ｖ特性を算出する（Ｉ−Ｖ特性算出工程：Ｓ２）。   That is, first, the control device 5 of the fuel cell system 1 detects the temperature of the cooling water during normal operation using the temperature sensor 46 of the cooling piping system 4 (temperature detection step: S1). Next, the control device 5 calculates the IV characteristic of the fuel cell 10 based on the temperature detected in the temperature detection step S1 (that is, the temperature of the catalyst layer 13 of the fuel cell 10) and a predetermined map (I− V characteristic calculation process: S2).

次いで、制御装置５は、Ｉ−Ｖ特性算出工程Ｓ２で算出したＩ−Ｖ特性が標準レベル未満か否かを判定する（特性判定工程：Ｓ３）。制御装置５は、特性判定工程Ｓ３でＩ−Ｖ特性が標準レベル未満である場合に、燃料電池１０の触媒層１３の触媒が劣化状態にあると判定し、燃料電池システム１が間欠運転を行っているか否かを判定する（間欠判定工程：Ｓ４）。   Next, the control device 5 determines whether or not the IV characteristic calculated in the IV characteristic calculation step S2 is less than the standard level (characteristic determination step: S3). The control device 5 determines that the catalyst of the catalyst layer 13 of the fuel cell 10 is in a deteriorated state when the IV characteristic is less than the standard level in the characteristic determination step S3, and the fuel cell system 1 performs intermittent operation. It is determined whether or not (intermittent determination step: S4).

そして、制御装置５は、燃料電池システム１が間欠運転を行っていると判定した場合にのみ、水素ガスの目標調圧値を触媒還元可能な所定値以上に上昇させるように遮断弁３５を制御する（圧力上昇工程：Ｓ５）。その後、制御装置５は、温度検出工程Ｓ１に戻って制御を続行する。なお、圧力上昇工程Ｓ５における「所定値」は、燃料電池１０のアノード電極側から電解質膜１２を介してカソード電極側へ水素ガスの透過を促進させて触媒還元を可能とするのに必要な圧力値とする。   Then, only when it is determined that the fuel cell system 1 is intermittently operated, the control device 5 controls the shutoff valve 35 so as to increase the target pressure regulation value of hydrogen gas to a predetermined value or higher that can be catalytically reduced. (Pressure increase step: S5). Then, the control apparatus 5 returns to temperature detection process S1, and continues control. Note that the “predetermined value” in the pressure increasing step S5 is a pressure required to promote catalytic permeation by promoting the permeation of hydrogen gas from the anode electrode side of the fuel cell 10 to the cathode electrode side through the electrolyte membrane 12. Value.

一方、制御装置５は、特性判定工程Ｓ３においてＩ−Ｖ特性が標準レベル以上である場合に、燃料電池１０の触媒層１３の触媒が劣化状態にないものと判定し、水素ガスの目標調圧値を上昇させるような制御を行うことなく、温度検出工程Ｓ１に戻って制御を続行する。   On the other hand, the control device 5 determines that the catalyst of the catalyst layer 13 of the fuel cell 10 is not in the deteriorated state when the IV characteristic is equal to or higher than the standard level in the characteristic determination step S3, and the target pressure adjustment of the hydrogen gas Without performing control to increase the value, the process returns to the temperature detection step S1 and continues control.

以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、燃料電池１０の触媒層１３の触媒状態（触媒劣化度）に応じて、間欠運転時における燃料電池１０への水素ガスの供給圧力を設定することができる。すなわち、触媒層１３の触媒が劣化状態にある場合に、水素ガスの供給圧力値を触媒還元可能な所定値以上に上昇させることができる。これにより、間欠運転時に触媒の還元を促進させて触媒層１３の特性を効果的に回復させることができ、燃料電池１０の発電効率を回復させることができる。また、触媒層１３の触媒が劣化状態にない場合には、水素ガスの供給圧力値の上昇を抑制することができる。これにより、間欠運転時に水素ガスが必要以上に消費されることを抑制することができる。   In the fuel cell system 1 according to the embodiment described above, the supply pressure of hydrogen gas to the fuel cell 10 during intermittent operation is set according to the catalyst state (catalyst deterioration degree) of the catalyst layer 13 of the fuel cell 10. be able to. That is, when the catalyst of the catalyst layer 13 is in a deteriorated state, the supply pressure value of the hydrogen gas can be increased to a predetermined value or higher that can be catalytically reduced. Thereby, the reduction | restoration of a catalyst is accelerated | stimulated at the time of intermittent operation, the characteristic of the catalyst layer 13 can be recovered effectively, and the power generation efficiency of the fuel cell 10 can be recovered. Moreover, when the catalyst of the catalyst layer 13 is not in a deteriorated state, an increase in the supply pressure value of the hydrogen gas can be suppressed. Thereby, it can suppress that hydrogen gas is consumed more than necessary at the time of intermittent operation.

また、以上説明した実施形態に係る燃料電池車両（移動体）は、間欠運転時における触媒特性の回復が可能であって燃料消費量の増大を抑制することが可能な燃料電池システム１を備えているため、安定した駆動性能を有するとともに高い航続性能を有するものとなる。   Moreover, the fuel cell vehicle (moving body) according to the embodiment described above includes the fuel cell system 1 that can recover the catalyst characteristics during intermittent operation and can suppress an increase in fuel consumption. Therefore, it has stable driving performance and high cruising performance.

なお、以上の実施形態においては、冷却配管系４の温度センサ４６で検出した冷却水の温度（すなわち燃料電池１０の触媒層１３の温度）に基づいて燃料電池１０のＩ−Ｖ特性を算出し、このＩ−Ｖ特性が標準レベル未満であるか否かを判定することにより触媒状態を判定した例を示したが、他の判定方法を採用して燃料電池１０の触媒層１３の触媒状態を判定することもできる。   In the above embodiment, the IV characteristic of the fuel cell 10 is calculated based on the temperature of the cooling water detected by the temperature sensor 46 of the cooling piping system 4 (that is, the temperature of the catalyst layer 13 of the fuel cell 10). Although the example in which the catalyst state is determined by determining whether or not the IV characteristic is less than the standard level has been shown, the catalyst state of the catalyst layer 13 of the fuel cell 10 is determined by using another determination method. It can also be determined.

また、以上の各実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した例を示したが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）に本発明に係る燃料電池システムを搭載することもできる。また、本発明に係る燃料電池システムを、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用してもよい。   Further, in each of the above embodiments, the example in which the fuel cell system according to the present invention is mounted on the fuel cell vehicle has been shown. However, the present invention is applied to various moving bodies (robots, ships, aircrafts, etc.) other than the fuel cell vehicle. Such a fuel cell system can also be mounted. Further, the fuel cell system according to the present invention may be applied to a stationary power generation system used as a power generation facility for a building (house, building, etc.).

本発明の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 an embodiment of the present invention. 図１に示した燃料電池システムの燃料電池のＭＥＧＡの断面図である。It is sectional drawing of MEGA of the fuel cell of the fuel cell system shown in FIG. 図１に示した燃料電池システムの触媒還元動作を説明するためのフローチャートである。2 is a flowchart for explaining a catalyst reduction operation of the fuel cell system shown in FIG. 1.

符号の説明Explanation of symbols

１…燃料電池システム、５…制御装置（圧力制御手段）、１０…燃料電池、１３…触媒層、３０…水素タンク（燃料供給源）

DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell system, 5 ... Control apparatus (pressure control means), 10 ... Fuel cell, 13 ... Catalyst layer, 30 ... Hydrogen tank (fuel supply source)

Claims (5)

触媒層を有する燃料電池と、この燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料供給源と、を備える燃料電池システムにおいて、
前記触媒層の触媒状態に応じて、間欠運転時における前記燃料供給源から前記燃料電池への燃料ガスの供給圧力値を設定する圧力制御手段を備える燃料電池システム。 In a fuel cell system comprising a fuel cell having a catalyst layer and a fuel supply source for supplying fuel gas to the fuel cell,
A fuel cell system comprising pressure control means for setting a supply pressure value of fuel gas from the fuel supply source to the fuel cell during intermittent operation according to the catalyst state of the catalyst layer. 前記圧力制御手段は、前記触媒層の触媒劣化度に応じて、間欠運転時における前記燃料供給源から前記燃料電池への燃料ガスの供給圧力値を設定する請求項１に記載の燃料電池システム。   2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the pressure control unit sets a supply pressure value of fuel gas from the fuel supply source to the fuel cell during intermittent operation according to a degree of catalyst deterioration of the catalyst layer. 前記圧力制御手段は、前記触媒層の触媒が劣化状態にあると判定した場合に、間欠運転時における前記燃料供給源から前記燃料電池への燃料ガスの供給圧力値を触媒還元可能な所定値以上に設定する請求項２に記載の燃料電池システム。   When it is determined that the catalyst of the catalyst layer is in a deteriorated state, the pressure control unit is configured to set a fuel gas supply pressure value from the fuel supply source to the fuel cell during intermittent operation to a predetermined value or more that can be catalytically reduced. The fuel cell system according to claim 2, wherein 前記圧力制御手段は、前記触媒層の温度に基づいて前記燃料電池のＩ−Ｖ特性を算出し、算出したＩ−Ｖ特性が標準レベル未満である場合に前記触媒層の触媒が劣化状態にあると判定する請求項３に記載の燃料電池システム。   The pressure control means calculates an IV characteristic of the fuel cell based on the temperature of the catalyst layer, and the catalyst of the catalyst layer is in a deteriorated state when the calculated IV characteristic is less than a standard level. The fuel cell system according to claim 3, which is determined as follows. 請求項１から４の何れか一項に記載の燃料電池システムを備えた移動体。

A moving body comprising the fuel cell system according to any one of claims 1 to 4.

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