JP2008077884A - Fuel cell system and its operation control method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system capable of suppressing drop in cell performance caused by dissolution or elution of platinum contained in an electrode catalyst layer and enhancing durability; and to provide the operation control method of the fuel cell system. <P>SOLUTION: The operation control method of the fuel cell system 1 containing a fuel cell 10 equipped with a fuel electrode 12 and an oxidant electrode 10 on each side of an electrolyte membrane 11 and generating electric power by supplying fuel gas from a fuel gas supply line 30 to the fuel electrode 12 and oxidant gas from an oxidant supply line 50 to the oxidant electrode 13 is that the load conversion of the fuel cell 10 is detected, and in the load conversion during power generation, or in starting up or stop of the fuel cell 10, when the unit cell voltage of the fuel cell 10 before the load conversion is 0.85 V or higher and steady power generation exceeds 10 seconds, the load conversion is conducted so that the unit cell voltage after the load conversion exceeds 0.75 V. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、自動車等の移動体用動力源として用いられる固体高分子型の燃料電池システム、および所定の単位セル電圧、所定時間範囲での負荷変動時において、白金溶出を抑えることができる燃料電池システムの運転制御方法に関する。     The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell system used as a power source for a mobile object such as an automobile, and a fuel cell capable of suppressing platinum elution when a load varies in a predetermined unit cell voltage and a predetermined time range. The present invention relates to a system operation control method.

燃料電池は、電極反応による生成物が水であり、地球環境への悪影響が殆どないクリーンな発電システムである。特に固体高分子型の燃料電池は、他と比較して低温で動作することから、自動車等の移動体用動力源として期待されている。   A fuel cell is a clean power generation system in which the product of the electrode reaction is water and has almost no adverse effect on the global environment. In particular, a polymer electrolyte fuel cell is expected to be used as a power source for a moving body such as an automobile because it operates at a lower temperature than others.

固体高分子型燃料電池の電極触媒には白金を含む貴金属をカーボンに担持した触媒が用いられているが、燃料電池の起動・停止時および保管時に高電位環境に曝されることで、白金の溶解・溶出が発生し、電池性能が低下する要因となっている。   Catalysts in which noble metals containing platinum are supported on carbon are used as electrode catalysts for polymer electrolyte fuel cells. However, when the fuel cells are exposed to a high potential environment during start-up / stop and storage, Dissolution / elution occurs, which is a cause of battery performance degradation.

たとえば特許文献1には、燃料電池の停止時において、セル電圧が0.9V以上となる時間を10分以内に制御して、電極触媒層の劣化を抑制する技術が開示されている。
特開2004−172106号公報
For example, Patent Document 1 discloses a technique for suppressing the deterioration of the electrode catalyst layer by controlling the time during which the cell voltage is 0.9 V or more within 10 minutes when the fuel cell is stopped.
JP 2004-172106 A

しかしながら、特許文献1の制御方法を実施しても、白金の溶解・溶出は依然として進行する。すなわち、特許文献1では燃料電池が無負荷になる際の過渡時について何ら考慮されていないため、良好な電池性能を長期間に亘って維持できず、耐久性に劣っている。   However, even if the control method of Patent Document 1 is implemented, the dissolution and elution of platinum still proceeds. That is, in Patent Document 1, no consideration is given to the transient state when the fuel cell becomes unloaded, and therefore, good battery performance cannot be maintained over a long period of time, resulting in poor durability.

また、燃料電池自動車などにおいては、負荷サイクル(負荷変動)を伴う燃料電池の運転が行われている。かかる負荷変動を伴う運転モードでは、酸化剤極の電位が大きく変化するため、条件によっては電極触媒層に含まれる白金の溶解・溶出が発生し、燃料電池の性能が低下する要因となっている。   Further, in a fuel cell vehicle or the like, the fuel cell is operated with a duty cycle (load fluctuation). In the operation mode with such load fluctuations, the potential of the oxidant electrode changes greatly, so that depending on the conditions, platinum contained in the electrode catalyst layer may be dissolved and eluted, which is a factor in reducing the performance of the fuel cell. .

本発明は、上記の課題に鑑みて創案されたものであり、電極触媒層に含まれる白金の溶解・溶出による電池性能の低下を抑えることができ、高耐久性を有する燃料電池を備えた燃料電池システムおよびその運転制御方法を提供することを目的とする。   The present invention was devised in view of the above-described problems, and can provide a fuel cell having a highly durable fuel cell that can suppress a decrease in cell performance due to dissolution and elution of platinum contained in an electrode catalyst layer. It is an object of the present invention to provide a battery system and an operation control method thereof.

上記目的を達成するための本発明に係る燃料電池システムの運転制御方法は、電解質膜の両面に、電極触媒層として燃料極と酸化剤極とを備えた燃料電池を有し、該燃料電池の燃料極に燃料ガス供給系から燃料ガスを供給すると共に、酸化剤極に酸化剤ガス供給系から酸化剤ガスを供給して電気化学反応により発電を行う燃料電池システムの運転制御方法であって、前記燃料電池の負荷移行を検知し、該燃料電池の発電中あるいは起動・停止のいずれかの負荷移行時において、負荷移行前の前記燃料電池の単位セル電圧が0.85V(v.s.RHE)以上で、かつ10秒を超えて定常発電されている場合に、負荷移行後の単位セル電圧が0.75Vを超えるように負荷移行を行うことを特徴とする。   In order to achieve the above object, an operation control method for a fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell having a fuel electrode and an oxidant electrode as electrode catalyst layers on both surfaces of an electrolyte membrane. An operation control method for a fuel cell system that supplies fuel gas from a fuel gas supply system to a fuel electrode and supplies oxidant gas from an oxidant gas supply system to an oxidant electrode to generate power by an electrochemical reaction, When the load shift of the fuel cell is detected, and when the fuel cell is generating power or at the load shift of starting / stopping, the unit cell voltage of the fuel cell before the load shift is 0.85 V (vs RHE). ) When the power generation is steady for more than 10 seconds, the load shift is performed so that the unit cell voltage after the load shift exceeds 0.75V.

以上のように構成された本発明に係る燃料電池システムの運転制御方法によれば、白金溶出の駆動力となる酸化白金の還元電位(0.75V)までセル電圧を下げないで酸化白金の還元を抑えることにより、負荷変動時の電極触媒層に含まれる白金の溶解・溶出による電池性能の低下を抑えることができ、高耐久性を有する燃料電池を備えた燃料電池システムを提供することができる。   According to the operation control method of the fuel cell system according to the present invention configured as described above, the reduction of platinum oxide without lowering the cell voltage to the reduction potential (0.75 V) of platinum oxide, which is the driving force for elution of platinum. By suppressing the decrease in battery performance due to dissolution / elution of platinum contained in the electrode catalyst layer during load fluctuations, a fuel cell system including a highly durable fuel cell can be provided. .

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、本発明に係る燃料電池システムの基本構成を示す概略図である。   FIG. 1 is a schematic diagram showing a basic configuration of a fuel cell system according to the present invention.

図1を参照して、本発明に係る燃料電池システム1は、燃料極12と酸化剤極13とを備えた燃料電池(燃料電池スタック)10と、該燃料電池10の燃料極12の一方に接続された燃料ガス供給系30と、上記燃料極12の他方に接続された燃料ガス排出系40と、上記燃料電池10の酸化剤極13の一方に接続された酸化剤ガス供給系50と、上記酸化剤極13の他方に接続された酸化剤ガス排出系60と、から概ね構成されている。   Referring to FIG. 1, a fuel cell system 1 according to the present invention includes a fuel cell (fuel cell stack) 10 having a fuel electrode 12 and an oxidant electrode 13, and one of the fuel electrodes 12 of the fuel cell 10. A connected fuel gas supply system 30, a fuel gas discharge system 40 connected to the other of the fuel electrodes 12, an oxidant gas supply system 50 connected to one of the oxidant electrodes 13 of the fuel cell 10, and An oxidant gas discharge system 60 connected to the other of the oxidant electrodes 13 is generally configured.

燃料電池10は、電解質膜11を挟んで両面に、電解触媒層として燃料極12と酸化剤極13とが積層されている。この燃料電池10には、該燃料電池10の負荷移行を検知する負荷移行検出手段21、前記燃料電池10の負荷サイクル運転時間を検出する運転時間計測手段22、前記燃料電池10の単位セル抵抗値を検出するセル抵抗検出手段23および前記燃料電池10の単位セル電圧を検出するセル電圧検出手段24が備えられている。   In the fuel cell 10, a fuel electrode 12 and an oxidant electrode 13 are stacked as an electrolytic catalyst layer on both sides of the electrolyte membrane 11. The fuel cell 10 includes a load transition detecting unit 21 that detects a load transition of the fuel cell 10, an operation time measuring unit 22 that detects a duty cycle operation time of the fuel cell 10, and a unit cell resistance value of the fuel cell 10. Cell resistance detecting means 23 for detecting the unit cell voltage and cell voltage detecting means 24 for detecting the unit cell voltage of the fuel cell 10 are provided.

また、燃料電池10の燃料極12および酸化剤極13間には、二次電池25が並列接続されている。要求負荷に対して燃料電池10の電力が不足した場合には、燃料電池10に並列に接続した二次電池25から電力供給を行うことによって、不足する電力分を供給することが可能となる。   A secondary battery 25 is connected in parallel between the fuel electrode 12 and the oxidant electrode 13 of the fuel cell 10. When the power of the fuel cell 10 is insufficient with respect to the required load, by supplying power from the secondary battery 25 connected in parallel to the fuel cell 10, it is possible to supply the insufficient power.

燃料ガス供給系30は、たとえば、燃料ガスとして水素を供給する流路であって、その上流側から順に水素ボンベ31および該水素ボンベ31の水素供給量を調節する流量制御弁32が配設されている。   The fuel gas supply system 30 is, for example, a flow path for supplying hydrogen as a fuel gas, and is provided with a hydrogen cylinder 31 and a flow rate control valve 32 for adjusting the hydrogen supply amount of the hydrogen cylinder 31 in order from the upstream side. ing.

燃料ガス排出系40は、上記燃料極12を通過した排出水素を循環、または外部へ排出する流路であって、その上流側から順にコンプレッサ41、逆止弁42および切替え弁43が配設されている。この燃料ガス排出系40のコンプレッサ41と逆止弁42との間には循環流路44が分岐接続されており、該循環流路44は上記燃料ガス供給系30における流量制御弁32の下流側に接続されている。この循環流路44には逆止弁45が介設され、上記切替え弁43を閉成してコンプレッサ41を運転することにより、循環流路44を介して排出水素を燃料ガス排出系40から燃料ガス供給系30へと循環させるようになっている。すなわち、燃料電池10で発電反応に利用されずに燃料極12を通過した排出水素は循環流路44を通り、再び燃料ガス供給路10へと供給されることになる。排出水素中にたとえば窒素などの水素以外の物質が多く含まれ場合には、燃料ガス排出系40の上記切替え弁43を開放することにより、排出水素をシステム外部へと排出する。   The fuel gas discharge system 40 is a flow path for circulating or discharging the discharged hydrogen that has passed through the fuel electrode 12, and is provided with a compressor 41, a check valve 42, and a switching valve 43 in order from the upstream side. ing. A circulation passage 44 is branchedly connected between the compressor 41 and the check valve 42 of the fuel gas discharge system 40, and the circulation passage 44 is downstream of the flow rate control valve 32 in the fuel gas supply system 30. It is connected to the. A check valve 45 is provided in the circulation channel 44, and the switching valve 43 is closed and the compressor 41 is operated, so that the discharged hydrogen is supplied from the fuel gas discharge system 40 to the fuel via the circulation channel 44. It is circulated to the gas supply system 30. That is, the exhausted hydrogen that has passed through the fuel electrode 12 without being used for the power generation reaction in the fuel cell 10 passes through the circulation passage 44 and is supplied again to the fuel gas supply passage 10. When the exhausted hydrogen contains a large amount of substances other than hydrogen, such as nitrogen, the switching valve 43 of the fuel gas exhaust system 40 is opened to discharge the exhausted hydrogen to the outside of the system.

酸化剤ガス供給系50は、たとえば、酸化剤ガスとして空気を供給する流路であって、その上流側から順にコンプレッサ51、上流側三方弁52、ガス加湿制御手段としての加湿装置53および下流側三方弁54が配設されている。上流側三方弁52と下流側三方弁54との間には酸化剤ガスバイパス流路55が接続されている。コンプレッサ51を運転することにより外気から導入される空気は、酸化剤ガス供給系50を介して酸化剤極13に供給される。酸化剤ガス供給系50に介設された加湿装置53は、酸化剤極13に供給される空気を加湿する。加湿装置53により供給ガス湿度を所定値に調整することにより、負荷変動時における電極触媒層に含まれる白金の溶解・溶出を抑えることが可能となる。特に、本実施形態のように、酸化剤ガス供給系50側に供給ガス湿度を調整できる加湿装置53を介設することが効果的であった。また、三方弁52、53を切り替えて空気をバイパス流路55に導入することにより、加湿装置53を通過させないで酸化剤極13に供給することも可能である。   The oxidant gas supply system 50 is, for example, a flow path for supplying air as an oxidant gas. The compressor 51, the upstream three-way valve 52, a humidifier 53 as a gas humidification control unit, and a downstream side in that order from the upstream side. A three-way valve 54 is provided. An oxidant gas bypass passage 55 is connected between the upstream three-way valve 52 and the downstream three-way valve 54. Air introduced from outside air by operating the compressor 51 is supplied to the oxidant electrode 13 via the oxidant gas supply system 50. The humidifier 53 provided in the oxidant gas supply system 50 humidifies the air supplied to the oxidant electrode 13. By adjusting the supply gas humidity to a predetermined value by the humidifier 53, it becomes possible to suppress dissolution / elution of platinum contained in the electrode catalyst layer when the load fluctuates. In particular, as in this embodiment, it is effective to provide a humidifier 53 that can adjust the supply gas humidity on the oxidant gas supply system 50 side. It is also possible to supply the oxidant electrode 13 without passing through the humidifier 53 by switching the three-way valves 52 and 53 and introducing air into the bypass flow passage 55.

なお、本実施形態では、酸化剤ガス供給系50に加湿装置53を介設しているが、これに限るものではなく、燃料ガス供給系30に介設してもよく、搭載スペースが許容されるならば、酸化剤ガス供給系50および燃料ガス供給系30の双方に介設してもよい。   In the present embodiment, the humidifier 53 is provided in the oxidant gas supply system 50. However, the present invention is not limited to this, and may be provided in the fuel gas supply system 30 and allows a mounting space. If desired, the oxidant gas supply system 50 and the fuel gas supply system 30 may be interposed.

酸化剤ガス排出系60は、上記酸化剤極13を通過した排出空気を外部へ排出する流路であって、大気開放されている。すなわち、燃料電池10で発電反応に使用されなかった排出空気は、酸化剤ガス排出系60を介してシステム外部へと排出される。   The oxidant gas discharge system 60 is a flow path for discharging discharged air that has passed through the oxidant electrode 13 to the outside, and is open to the atmosphere. That is, the exhaust air that has not been used for the power generation reaction in the fuel cell 10 is exhausted to the outside of the system via the oxidant gas exhaust system 60.

次に、以上の如く構成された燃料電池システム1の運転制御方法について説明する。   Next, an operation control method of the fuel cell system 1 configured as described above will be described.

燃料電池10の電気化学反応において、燃料極(アノード極)12の電極触媒層上で燃料の酸化により生成したプロトンは、電極触媒層内に分散された固体高分子電解質ポリマーを介して電解質膜11に到達し、さらに該電解質膜11内を通過して酸化剤極(カソード極)13側に移行する。その後、同じく酸化剤極13の電極触媒層に分散された固体高分子電解質ポリマーを通って酸化剤極13の電極触媒上に達し、酸素ガスおよび外部回路を通ってきた電子と反応して水を生成する。   In the electrochemical reaction of the fuel cell 10, protons generated by the oxidation of the fuel on the electrode catalyst layer of the fuel electrode (anode electrode) 12 pass through the solid polymer electrolyte polymer dispersed in the electrode catalyst layer to the electrolyte membrane 11. , Further passes through the electrolyte membrane 11 and moves to the oxidant electrode (cathode electrode) 13 side. Thereafter, it passes through the solid polymer electrolyte polymer dispersed in the electrode catalyst layer of the oxidant electrode 13 and reaches the electrode catalyst of the oxidant electrode 13, and reacts with oxygen gas and electrons that have passed through the external circuit to react with water. Generate.

既述したように、燃料電池10の運転中、特に負荷変動を伴う運転モードにおいて電極触媒層に含まれる白金(Pt)が溶出し易い。これは、特に負荷変動時(燃料電池10の単位セル電圧の変化時)の白金の酸化反応(Pt→PtO)、および酸化白金の還元反応(PtO→Pt)による白金の電子状態変化が白金の溶解・溶出現象の主要因として関わっていると考えられる。特に、0.85V以上のセル電圧で10秒を超える時間だけ一定保持運転を行った場合に、酸化白金(PtO)の形成量が多くなり、これが白金(Pt)に還元される際に電極触媒層に含まれる白金(Pt)の溶解・溶出が進行し易くなる。   As described above, during operation of the fuel cell 10, platinum (Pt) contained in the electrode catalyst layer is likely to elute, particularly in an operation mode with load fluctuation. This is because the change in the electronic state of platinum due to the platinum oxidation reaction (Pt → PtO) and the platinum oxide reduction reaction (PtO → Pt) particularly when the load fluctuates (when the unit cell voltage of the fuel cell 10 changes). It is thought that it is related as a main factor of dissolution / elution phenomenon. In particular, when a constant holding operation is performed for a time exceeding 10 seconds at a cell voltage of 0.85 V or higher, the amount of platinum oxide (PtO) formed increases, and the electrode catalyst is reduced when this is reduced to platinum (Pt). Dissolution / elution of platinum (Pt) contained in the layer easily proceeds.

以上の知見に基づいて、本発明に係る燃料電池システム1の第1から第3の運転制御方法を説明する。   Based on the above knowledge, the first to third operation control methods of the fuel cell system 1 according to the present invention will be described.

上述したように、本実施形態の燃料電池10は、負荷移行検出手段21、セル電圧計測手段24および運転時間計測手段22を備えている。これらの検出手段を用いて、第1の運転制御方法は、燃料電池10の発電中あるいは起動・停止のいずれかの負荷移行時において、負荷変動前の単位セル電圧が所定値(0.85V)以上で、かつ一定時間(10秒)を超える運転を検知した場合に、負荷移行後の単位セル電圧を白金溶出の駆動力となる酸化白金の還元電位(PtO→Ptの還元電位0.75V)まで電位を下げないでPtOを還元させないように運転制御を行う。このような運転制御を行うことにより、負荷サイクルに伴う燃料電池10の電極触媒層に含まれる白金の溶解・溶出を抑制することができ、高耐久性を有する燃料電池10を備えた燃料電池システム1を実現することができる。
〔第1の運転制御方法〕
図2は、第1の運転制御方法を具体的に示すフローチャートである。
As described above, the fuel cell 10 of the present embodiment includes the load transition detection unit 21, the cell voltage measurement unit 24, and the operation time measurement unit 22. Using these detection means, the first operation control method is such that the unit cell voltage before the load change is a predetermined value (0.85 V) when the fuel cell 10 is generating power or at the time of starting or stopping the load transition. When the operation exceeding the fixed time (10 seconds) is detected as described above, the reduction potential of platinum oxide (PtO → Pt reduction potential of 0.75 V) is used as the driving force for elution of the unit cell voltage after the load shift. Operation control is performed so that the PtO is not reduced without lowering the potential. By performing such operation control, the dissolution and elution of platinum contained in the electrode catalyst layer of the fuel cell 10 accompanying the duty cycle can be suppressed, and the fuel cell system including the fuel cell 10 having high durability 1 can be realized.
[First operation control method]
FIG. 2 is a flowchart specifically showing the first operation control method.

図1および図2を参照して第1の運転制御方法を説明する。負荷移行検出手段21は、常に燃料電池10の負荷状態を検知している。負荷移行したかどうかはセル電圧検出手段24により検出されていた電圧が変化したか否かによって判断している。この負荷移行検出手段21が負荷移行を検知すると(ステップ1;以下、「S1」のように表記する。)、セル電圧検出手段24により負荷移行前の単位セル電圧(V1)が所定値(0.85V)以上であるか否かを検出する(S2)。   The first operation control method will be described with reference to FIGS. 1 and 2. The load transition detection means 21 always detects the load state of the fuel cell 10. Whether or not the load has been shifted is determined by whether or not the voltage detected by the cell voltage detecting means 24 has changed. When the load transition detection means 21 detects a load transition (step 1; hereinafter referred to as “S1”), the cell voltage detection means 24 sets the unit cell voltage (V1) before the load transition to a predetermined value (0). .85V) or more is detected (S2).

ステップ2において、負荷移行前の単位セル電圧(V1)が所定値(0.85V)未満である場合(V1<0.85V)(S2:NO)には、そのまま負荷移行させて処理を終了する(S3)。他方、ステップ2において、負荷移行前の単位セル電圧(V1)が所定値(0.85V)以上である場合(V1≧0.85V)(S2:YES)には、運転時間計測手段22により単位セル電圧(V1≧0.85V)が所定時間(10秒)を超えるか否かを検出する(S4)。   In step 2, when the unit cell voltage (V1) before the load shift is less than the predetermined value (0.85V) (V1 <0.85V) (S2: NO), the load shift is performed as it is and the process is terminated. (S3). On the other hand, in step 2, when the unit cell voltage (V1) before the load shift is equal to or higher than the predetermined value (0.85V) (V1 ≧ 0.85V) (S2: YES), the operation time measuring means 22 uses the unit cell voltage (V1). It is detected whether the cell voltage (V1 ≧ 0.85V) exceeds a predetermined time (10 seconds) (S4).

ステップ4において、負荷移行前の単位セル電圧(V1≧0.85V)が所定時間(10秒)以下である場合(T1≦10sec.)(S4:NO)には、そのまま負荷移行して処理を終了する(S5)。他方、ステップ4(S4)において、負荷移行前の単位セル電圧(V1≧0.85V)が所定時間(10秒)を超える場合(T1>10sec.)(S4:YES)には、セル電圧検出手段24により負荷移行後の単位セル電圧(V2)が所定値(0.75V)を超えるか否かを検出する(S6)。   In step 4, when the unit cell voltage (V1 ≧ 0.85V) before the load shift is equal to or less than the predetermined time (10 seconds) (T1 ≦ 10 sec.) (S4: NO), the load shift is performed as it is. The process ends (S5). On the other hand, in step 4 (S4), when the unit cell voltage (V1 ≧ 0.85V) before the load shift exceeds a predetermined time (10 seconds) (T1> 10 sec.) (S4: YES), the cell voltage detection is performed. The means 24 detects whether or not the unit cell voltage (V2) after the load shift exceeds a predetermined value (0.75V) (S6).

ステップ6において、負荷移行後の単位セル電圧(V2)が所定値(0.75V)を超える場合(V2>0.75V)には、そのまま負荷移行して処理を終了する(S7)。他方、ステップ6において、負荷移行後の単位セル電圧(V2)が所定値(0.75V)以下である場合(V2≦0.75V)には(S6:NO)、ステップ6(S6)へと戻り、負荷移行後の単位セル電圧が酸化白金の還元電位(0.75V)を超えるように運転制御を行う。   In step 6, when the unit cell voltage (V2) after the load shift exceeds the predetermined value (0.75V) (V2> 0.75V), the load shift is performed as it is and the process is terminated (S7). On the other hand, when the unit cell voltage (V2) after the load shift is not more than the predetermined value (0.75V) in step 6 (V2 ≦ 0.75V) (S6: NO), the process proceeds to step 6 (S6). Returning, operation control is performed so that the unit cell voltage after load transfer exceeds the reduction potential (0.75 V) of platinum oxide.

すなわち、第1の運転制御方法によれば、白金溶出の駆動力となる酸化白金の還元電位(0.75V)までセル電圧を下げないで、酸化白金の還元を抑えることにより、負荷変動時の電極触媒層に含まれる白金の溶解・溶出による電池性能の低下を抑えることができ、高耐久性を有する燃料電池10を備えた燃料電池システム1を提供することができる。
〔第2の運転制御方法〕
車両からの要求負荷が大きい場合、たとえば、燃料電池10の発電中あるいは起動・停止のいずれかの負荷移行時において、負荷変動前の単位セル電圧が所定値(0.85V)以上で、かつ一定時間(10秒)を超える運転をした後、負荷移行後に求められる単位セル電圧が白金溶出の駆動力となる酸化白金の還元電位(0.75V)まで下げるような負荷が求められた場合には、次のような運転制御が効果的である。
That is, according to the first operation control method, by suppressing the reduction of platinum oxide without reducing the cell voltage to the reduction potential (0.75 V) of platinum oxide, which is the driving force for elution of platinum, A decrease in battery performance due to dissolution and elution of platinum contained in the electrode catalyst layer can be suppressed, and the fuel cell system 1 including the fuel cell 10 having high durability can be provided.
[Second operation control method]
When the required load from the vehicle is large, for example, when the fuel cell 10 is generating power or at the time of starting / stopping the load, the unit cell voltage before the load change is a predetermined value (0.85 V) or more and constant. When a load that lowers the unit cell voltage obtained after the transition to the load to the reduction potential of platinum oxide (0.75 V), which is the driving force for platinum elution, is required after driving for more than 10 seconds. The following operation control is effective.

すなわち、第2の運転制御方法は、負荷移行直前に0.75V以上0.85V未満の電位範囲で、かつ10秒未満の一定保持運転することにより、酸化白金(PtO)の形成量を少なくして、白金(Pt)に還元される量を少なくすることにより、その直後における負荷移行が、負荷サイクルに伴う電極触媒層に含まれる白金の溶解・溶出を抑制する上で効果を奏し、白金の溶解・溶出が進行し易い条件における運転制御方法として有効である。   That is, the second operation control method reduces the amount of platinum oxide (PtO) formed by performing a constant holding operation in a potential range of 0.75 V or more and less than 0.85 V immediately before the load shift and for less than 10 seconds. By reducing the amount reduced to platinum (Pt), the load transfer immediately after that is effective in suppressing the dissolution and elution of platinum contained in the electrode catalyst layer accompanying the duty cycle. It is effective as an operation control method under conditions where dissolution and elution are likely to proceed.

図3は、第2の運転制御方法を具体的に示すフローチャートである。   FIG. 3 is a flowchart specifically showing the second operation control method.

図1および図3を参照して第2の運転制御方法を説明する。負荷移行検出手段21は、常に燃料電池10の負荷状態を検知しており、この負荷移行検出手段21が負荷移行を検知すると(S11)、セル電圧検出手段24により負荷移行前の単位セル電圧(V1)が所定値(0.85V)以上であるか否かを検出する(S12)。   The second operation control method will be described with reference to FIGS. 1 and 3. The load transition detection means 21 always detects the load state of the fuel cell 10, and when this load transition detection means 21 detects a load transition (S11), the cell voltage detection means 24 causes the unit cell voltage (before the load transition) ( It is detected whether or not (V1) is a predetermined value (0.85V) or more (S12).

ステップ12において、負荷移行前の単位セル電圧(V1)が所定値(0.85V)未満である場合(V1<0.85V)(S12:NO)には、そのまま負荷移行して処理を終了する(S13)。他方、ステップ12において、負荷移行前の単位セル電圧(V1)が所定値(0.85V)以上である場合(V1≧0.85V)(S12:YES)には、運転時間計測手段22により単位セル電圧(V1≧0.85V)が所定時間(10秒)を超えるか否かを検出する(S14)。   In step 12, when the unit cell voltage (V1) before the load shift is less than the predetermined value (0.85V) (V1 <0.85V) (S12: NO), the load shift is performed as it is and the process is terminated. (S13). On the other hand, when the unit cell voltage (V1) before the load transition is equal to or higher than the predetermined value (0.85V) in step 12 (V1 ≧ 0.85V) (S12: YES), the operation time measuring means 22 performs the unit. It is detected whether the cell voltage (V1 ≧ 0.85V) exceeds a predetermined time (10 seconds) (S14).

ステップ14において、負荷移行前の単位セル電圧(V1≧0.85V)が所定時間(10秒)以下である場合(T1≦10sec.)には(S14:NO)、そのまま負荷移行して処理を終了する(S15)。他方、ステップ14において、負荷移行前の単位セル電圧(V1≧0.85V)が所定時間(10秒)を超える場合(T1>10sec.)には(S14:YES)、セル電圧検出手段24により負荷移行後の単位セル電圧(V2)が所定値(0.75V)を超えるか否かを検出する(S16)。   In step 14, if the unit cell voltage (V1 ≧ 0.85V) before the load shift is equal to or shorter than the predetermined time (10 seconds) (T1 ≦ 10 sec.) (S14: NO), the load shift is performed as it is and the process is performed. The process ends (S15). On the other hand, when the unit cell voltage (V1 ≧ 0.85 V) before the load shift exceeds the predetermined time (10 seconds) in step 14 (T1> 10 sec.) (S14: YES), the cell voltage detecting means 24 It is detected whether the unit cell voltage (V2) after the load shift exceeds a predetermined value (0.75V) (S16).

ステップ16において、負荷移行後の単位セル電圧(V2)が所定値(0.75V)を超える場合(V2>0.75V)には(S16:YES)、そのまま負荷移行して処理を終了する(S17)。他方、ステップ16において、負荷移行後の単位セル電圧(V2)が所定値(0.75V)以下である場合(V2≦0.75V)には(S16:NO)、所定時間(T2;T2<10sec.)の発電を行い、単位セル電圧(V2)が0.75V≦単位セル電圧<0.85Vの範囲に達した後(S18)、負荷移行し(S19)、処理を終了する。   If the unit cell voltage (V2) after the load shift exceeds the predetermined value (0.75V) in step 16 (V2> 0.75V) (S16: YES), the load shift is performed as it is and the process is terminated (S16: YES). S17). On the other hand, when the unit cell voltage (V2) after the load shift is equal to or less than the predetermined value (0.75V) in step 16 (V2 ≦ 0.75V) (S16: NO), the predetermined time (T2; T2 < 10 sec.) And the unit cell voltage (V2) reaches the range of 0.75 V ≦ unit cell voltage <0.85 V (S18), the load is shifted (S19), and the process is terminated.

すなわち、第2の運転制御方法によれば、単位セル電圧が0.75V以上0.85V未満の範囲で、かつ10秒未満の一定保持運転することにより、酸化白金の形成量を少なくして、白金に還元される量を少なくするため、負荷変動時の電極触媒層に含まれる白金の溶解・溶出による電池性能の低下を抑えることができ、高耐久性を有する燃料電池10を備えた燃料電池システム1を提供することができる。
〔第1および第2の運転制御方法の作用〕
次に、図5から図8を参照して、第1の運転制御方法および第2の運転制御方法の作用を考察する。
That is, according to the second operation control method, the unit cell voltage is in the range of 0.75 V or more and less than 0.85 V, and the constant holding operation of less than 10 seconds, the amount of platinum oxide formed is reduced, In order to reduce the amount reduced to platinum, it is possible to suppress a decrease in battery performance due to dissolution and elution of platinum contained in the electrode catalyst layer at the time of load change, and a fuel cell including a highly durable fuel cell 10 A system 1 can be provided.
[Operation of the first and second operation control methods]
Next, the operation of the first operation control method and the second operation control method will be considered with reference to FIGS.

セル電圧のサイクル周期によってPt溶出量が異なっており、たとえば、図5を用いてこの現象を説明する。   The amount of Pt elution varies depending on the cycle period of the cell voltage. For example, this phenomenon will be described with reference to FIG.

図5は負荷サイクルと白金溶出割合との関係を示す説明図である。図5は0.6Vから0.95Vの範囲で単位セル電圧が変動する場合であり、(a)に示すAは10sec/cycleで変動する場合、(b)に示すBは60sec/cycleで変動する場合である。   FIG. 5 is an explanatory diagram showing the relationship between the duty cycle and the platinum elution ratio. FIG. 5 shows the case where the unit cell voltage fluctuates in the range of 0.6 V to 0.95 V. When A shown in (a) fluctuates at 10 sec / cycle, B shown in (b) fluctuates at 60 sec / cycle. This is the case.

図5(c)に示すように、Bの60sec/cycleの場合は、白金溶出割合が急激に上昇し、2000サイクル程度で白金溶出割合が40%を超えている。他方、Aの10sec/cycleの場合は、白金溶出割合が緩やかに上昇し、5000サイクル程度で白金溶出割合が40%を超え、10000サイクルに至っても白金溶出割合が50%を超えていない。これにより、負荷サイクルが10sec/cycle以下である場合には、白金溶出割合が少ないことが分かる。   As shown in FIG. 5C, in the case of B of 60 sec / cycle, the platinum elution ratio increases rapidly, and the platinum elution ratio exceeds 40% in about 2000 cycles. On the other hand, in the case of 10 sec / cycle of A, the platinum elution rate rises slowly, the platinum elution rate exceeds 40% at about 5000 cycles, and the platinum elution rate does not exceed 50% even after reaching 10,000 cycles. This shows that the platinum elution ratio is small when the duty cycle is 10 sec / cycle or less.

また、カソード極の高電位時における保持時間が酸化白金(PtO)の形成量に影響しており、カソード極の電位によってPtOの形成量が変わる。   In addition, the holding time of the cathode electrode at a high potential affects the amount of platinum oxide (PtO) formed, and the amount of PtO formed varies depending on the potential of the cathode electrode.

PtOの形成量が多い場合には、PtOの還元電位(0.75V)より高い電位(>0.75V)でサイクルした方がPt溶解量は小さくなっており、たとえば、図6を用いてこの現象を説明する。図6は電圧変動幅と白金溶出割合との関係を示す説明図である。   When the amount of PtO formation is large, the amount of Pt dissolution is smaller when cycling at a higher potential (> 0.75 V) than the reduction potential of PtO (0.75 V). For example, FIG. Explain the phenomenon. FIG. 6 is an explanatory diagram showing the relationship between the voltage fluctuation range and the platinum elution ratio.

図6は60sec/cycleで単位セル電圧が変動する場合であり、(a)に示すCは0.80Vから0.95Vの範囲で電圧変動する場合、(b)に示すDは0.60Vから0.95Vの範囲で電圧変動する場合である。   FIG. 6 shows the case where the unit cell voltage fluctuates at 60 sec / cycle. When C shown in (a) fluctuates in the range of 0.80V to 0.95V, D shown in (b) starts from 0.60V. This is a case where the voltage fluctuates in the range of 0.95V.

図6(c)に示すように、Dの0.60Vから0.95Vの範囲で電圧変動する場合に比して、Cの0.80Vから0.95Vの範囲で電圧変動する場合の方が緩やかに白金溶出割合が上昇している。これにより、単位セル電圧が0.75Vより高い電位であるには、白金溶出割合が少ないことが分かる。   As shown in FIG. 6C, when the voltage fluctuates in the range of 0.80V to 0.95V of C, the voltage fluctuates in the range of 0.80V to 0.95V of C, as compared with the case where the voltage fluctuates in the range of 0.60V to 0.95V. The platinum elution rate is rising slowly. Accordingly, it can be seen that the platinum elution ratio is small for the unit cell voltage to be higher than 0.75V.

図7および図8は電圧変動幅と白金溶出割合との関係を示す説明図である。
図7は60sec/cycleで単位セル電圧が変動する場合であり、(a)に示すEは0.80Vから0.95Vの範囲で電圧変動する場合、(b)に示すFは0.60Vから0.80Vと、0.80Vから0.95Vとの範囲で二段階に電圧変動する場合、(c)に示すGは0.60Vから0.95Vの範囲で電圧変動する場合である。なお、(a)に示すEは請求項1および第1の運転制御方法に相当し、(b)に示すFは請求項2および第2の運転制御方法に相当し、(c)に示すGは従来の運転方法に相当する。
7 and 8 are explanatory diagrams showing the relationship between the voltage fluctuation range and the platinum elution ratio.
FIG. 7 shows the case where the unit cell voltage fluctuates at 60 sec / cycle, and E shown in (a) changes when the voltage fluctuates in the range of 0.80 V to 0.95 V, and F shown in (b) starts from 0.60 V. When the voltage fluctuates in two steps in the range of 0.80 V and 0.80 V to 0.95 V, G shown in (c) is the case in which the voltage fluctuates in the range of 0.60 V to 0.95 V. Note that E shown in (a) corresponds to claim 1 and the first operation control method, F shown in (b) corresponds to claim 2 and second operation control method, and G shown in (c). Corresponds to the conventional driving method.

図8に示すように、Gの0.60Vから0.95Vの範囲で電圧変動する場合に比して、Eの0.80Vから0.95Vの範囲で電圧変動する場合、およびFの0.60Vから0.80Vと、0.80Vから0.95Vとの範囲で二段階に電圧変動する場合の方が緩やかに白金溶出割合が上昇している。さらに、Fの0.60Vから0.80Vと、0.80Vから0.95Vとの範囲で二段階に電圧変動する場合よりも、Eの0.80Vから0.95Vの範囲で電圧変動する場合の方がさらに緩やかに白金溶出割合が上昇している。これにより、セル電圧が0.80Vを下回らない場合には、白金溶出割合が少ないことが分かる。
〔第3の運転制御方法〕
第3の運転制御方法は、燃料電池10の発電あるいは停止のいずれかの高負荷から低負荷への負荷移行時において、負荷移行前の高負荷時の単位セル電圧が0.85V以上で、かつ負荷移行後の低負荷時の単位セル電圧が0.75未満の条件となる場合に、供給ガス湿度を所定の条件に設定する。この所定の条件は、負荷移行後の供給ガス湿度が負荷移行前の供給ガス湿度よりも低くなるように湿度調整して、該湿度調整したガスを燃料電池10に供給する。
As shown in FIG. 8, when the voltage fluctuates in the range of 0.80 V to 0.95 V of E, as compared to the case of the voltage fluctuating in the range of 0.60 V to 0.95 V of G, and 0. When the voltage fluctuates in two steps in the range of 60 V to 0.80 V and 0.80 V to 0.95 V, the platinum elution ratio increases more slowly. Further, when the voltage fluctuates in the range of 0.80V to 0.95V of E, compared to the case of voltage fluctuation in two steps in the range of F from 0.60V to 0.80V and 0.80V to 0.95V. In this case, the platinum elution ratio increases more gradually. This shows that the platinum elution ratio is small when the cell voltage does not fall below 0.80V.
[Third operation control method]
In the third operation control method, the unit cell voltage at the time of the high load before the load shift is 0.85 V or more at the time of the load shift from the high load of the power generation or the stop of the fuel cell 10 to the low load, and When the unit cell voltage at the time of low load after the load shift is less than 0.75, the supply gas humidity is set to a predetermined condition. The predetermined condition is that the humidity is adjusted such that the supply gas humidity after the load shift is lower than the supply gas humidity before the load shift, and the humidity adjusted gas is supplied to the fuel cell 10.

また、上記負荷移行後の供給ガス湿度をY(%R.H.)とし、上記負荷移行前の供給ガス湿度をX(%R.H.)とした場合に、供給ガス湿度X,Yが1<X/Y<20の関係を有することが好ましい。これは、X/Yが1より小さくなると、電極触媒層に含まれる白金の酸化電流が大きくなるため、白金の溶解・溶出が進行し易くなり、耐久性が低下する可能性があるからである。他方、X/Yが20より大きくなると、白金の溶解・溶出耐性は優れるものの、電極触媒層が低含水状態を継続することにより、電極触媒層内の固体高分子電解質ポリマー(アイオノマー)あるいは電解質膜11が乾燥するため、良好な電池性能が得られ難くなる可能性があるからである。   Further, when the supply gas humidity after the load shift is Y (% RH) and the supply gas humidity before the load shift is X (% RH), the supply gas humidity X and Y are It is preferable to have a relationship of 1 <X / Y <20. This is because, when X / Y is smaller than 1, the oxidation current of platinum contained in the electrode catalyst layer increases, so that the dissolution / elution of platinum is likely to proceed and the durability may be lowered. . On the other hand, when X / Y is greater than 20, although the dissolution and elution resistance of platinum is excellent, the electrode catalyst layer continues to be in a low water content state, so that the solid polymer electrolyte polymer (ionomer) or the electrolyte membrane in the electrode catalyst layer This is because the battery 11 may be dried and it may be difficult to obtain good battery performance.

さらに、本実施形態の燃料電池システム1はセル抵抗検出手段23を備えており、該セル抵抗検出手段23による検出抵抗値が所定の値以上となった場合に、加湿制御を停止する。このような運転制御により、電極触媒層が低含水状態を継続することによる該触媒層内の固体高分子電解質ポリマー(アイオノマー)あるいは電解質膜11の回復不可能な劣化を前もって回避することができる。そして、仮に燃料電池10の電力が要求負荷に対して不足した場合には、燃料電池10に並列接続された二次電池25によって、不足する電力分を供給することができる。   Furthermore, the fuel cell system 1 according to the present embodiment includes the cell resistance detection unit 23, and stops the humidification control when the detected resistance value by the cell resistance detection unit 23 is equal to or greater than a predetermined value. By such operation control, it is possible to avoid in advance the irrecoverable deterioration of the solid polymer electrolyte polymer (ionomer) or the electrolyte membrane 11 in the catalyst layer due to the electrode catalyst layer being kept in a low water content state. If the power of the fuel cell 10 is insufficient with respect to the required load, the insufficient power can be supplied by the secondary battery 25 connected in parallel to the fuel cell 10.

以上のような運転制御を行うことにより、白金の酸化電流を抑えて、酸化白金(PtO)の形成を抑えることができるため、負荷サイクルに伴う電極触媒層に含まれる白金の溶解・溶出を抑制する上で効果を示し、白金の溶解・溶出が進行し易い条件における運転制御方法として有効である。   By controlling the operation as described above, the oxidation current of platinum can be suppressed and the formation of platinum oxide (PtO) can be suppressed, so that the dissolution / elution of platinum contained in the electrode catalyst layer accompanying the duty cycle is suppressed. It is effective as an operation control method under conditions where platinum dissolution / elution is likely to proceed.

図4は、第3の運転制御方法を具体的に示すフローチャートである。   FIG. 4 is a flowchart specifically showing the third operation control method.

図1および図4を参照して第3の運転制御方法を説明する。負荷移行検出手段21は、常に燃料電池10の負荷状態を検知しており、この負荷移行検出手段21が負荷移行を検知すると(S21)、セル電圧検出手段24により負荷移行前の単位セル電圧(V1)が所定値(0.85V)以上であるか否かを検出する(S22)。   A third operation control method will be described with reference to FIGS. 1 and 4. The load transition detection means 21 always detects the load state of the fuel cell 10, and when this load transition detection means 21 detects a load transition (S21), the cell voltage detection means 24 causes the unit cell voltage (before the load transition) ( It is detected whether or not (V1) is a predetermined value (0.85V) or more (S22).

ステップ22において、負荷移行前の単位セル電圧(V1)が所定値(0.85V)未満である場合(V1<0.85V)には(S22:NO)、処理を終了する。他方、ステップ22において、負荷移行前の単位セル電圧(V1)が所定値(0.85V)以上である場合(V1≧0.85V)には(S22:YES)、加湿装置53により供給空気への加湿制御を開始する(S23)。   In step 22, when the unit cell voltage (V1) before the load shift is less than the predetermined value (0.85V) (V1 <0.85V) (S22: NO), the process is terminated. On the other hand, when the unit cell voltage (V1) before the load shift is equal to or higher than the predetermined value (0.85V) in step 22 (V1 ≧ 0.85V) (S22: YES), the humidifier 53 supplies the supplied air. The humidification control is started (S23).

この加湿制御は供給空気の加湿量が所定値になるまで続けられ、ステップ24において加湿量が所定値に達すると、燃料電池10に加湿空気の供給を開始する(S25)。   This humidification control is continued until the humidification amount of the supply air reaches a predetermined value. When the humidification amount reaches the predetermined value in step 24, supply of the humidification air to the fuel cell 10 is started (S25).

そして、セル抵抗検出手段23により単位セル抵抗が所定値にあるか否かを検出する(S26)。ステップ26において、単位セル抵抗が所定値にない場合には、加湿装置53の加湿制御を停止する(S27)。他方、単位セル抵抗が所定値に達している場合には、負荷移行後の単位セル電圧が0.75V以上となるように負荷移行し(S28)、処理を終了する。   Then, it is detected by the cell resistance detection means 23 whether or not the unit cell resistance is at a predetermined value (S26). If the unit cell resistance is not at the predetermined value in step 26, the humidification control of the humidifier 53 is stopped (S27). On the other hand, when the unit cell resistance has reached a predetermined value, the load is shifted so that the unit cell voltage after the load shift becomes 0.75 V or more (S28), and the process is terminated.

次に、図9を参照して、第3の運転制御方法の作用を考察する。図9は、ガス加湿量と白金溶出割合の関係を示す説明図である。   Next, the operation of the third operation control method will be considered with reference to FIG. FIG. 9 is an explanatory diagram showing the relationship between the gas humidification amount and the platinum elution ratio.

図9において、Hは100%R.H.の加湿量の白金溶出割合、Iは70%R.H.の加湿量の白金溶出割合、およびJは50%R.H.の加湿量の白金溶出割合を示している。図示するように、供給ガスの加湿量が少なくなるにつれて、白金溶出割合がより緩やかに上昇している。これにより、供給ガスの加湿量を50%R.H.に近づけて少なくした方が白金溶出割合も少なくなることが分かる。   In FIG. 9, H is 100% R.D. H. The platinum elution ratio of the humidification amount of I, I is 70% R.D. H. The platinum elution ratio of the amount of humidification, and J is 50% R.D. H. It shows the platinum elution ratio of the amount of humidification. As shown in the figure, the platinum elution ratio increases more gradually as the humidification amount of the supply gas decreases. As a result, the humidification amount of the supply gas is reduced to 50% R.D. H. It can be seen that the platinum elution ratio decreases as the amount decreases closer to.

すなわち、第3の運転制御方法によれば、電極触媒層への供給ガス湿度を所定の湿度に設定することにより、白金の酸化電流を抑えて、酸化白金の形成を抑えることができるため、負荷変動時の電極触媒層に含まれる白金の溶解・溶出による電池性能の低下を抑えることができ、高耐久性を有する燃料電池10を備えた燃料電池システム1を提供することができる。   That is, according to the third operation control method, by setting the supply gas humidity to the electrode catalyst layer to a predetermined humidity, it is possible to suppress platinum oxidation current and suppress formation of platinum oxide. It is possible to provide a fuel cell system 1 including a fuel cell 10 having high durability, which can suppress a decrease in battery performance due to dissolution / elution of platinum contained in the electrode catalyst layer during fluctuation.

以上説明したように、本発明に係る燃料電池システム1およびその運転制御方法によれば、従来よりも優れた耐久性を得ることができるため、車両などの移動体用電源の他、定置用電源として、信頼性の高い燃料電池システム1を実現することができるものである。   As described above, according to the fuel cell system 1 and the operation control method thereof according to the present invention, durability superior to the conventional one can be obtained. As a result, a highly reliable fuel cell system 1 can be realized.

本発明は燃料電池システムに適用することができる。   The present invention can be applied to a fuel cell system.

本発明に係る燃料電池システムの基本構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the basic composition of the fuel cell system concerning the present invention. 第1の運転制御方法を具体的に示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the 1st driving | operation control method concretely. 第2の運転制御方法を具体的に示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the 2nd driving | operation control method concretely. 第3の運転制御方法を具体的に示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the 3rd driving | running control method concretely. 負荷サイクルと白金溶出割合との関係を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the relationship between a duty cycle and a platinum elution ratio. 電圧変動幅と白金溶出割合との関係を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the relationship between a voltage fluctuation range and a platinum elution ratio. 60sec/cycleでの単位セル電圧の変動を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the fluctuation | variation of the unit cell voltage in 60 sec / cycle. 電圧変動幅と白金溶出割合との関係を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the relationship between a voltage fluctuation range and a platinum elution ratio. ガス加湿量と白金溶出割合の関係を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the relationship between gas humidification amount and a platinum elution ratio.

符号の説明Explanation of symbols

1 燃料電池システム、
10 燃料電池、
11 電解質膜、
12 燃料極、
13 酸化剤極、
21 負荷移行検出手段、
22 運転時間計測手段、
23 セル抵抗検出手段、
24 セル電圧検出手段、
25 二次電池、
30 燃料ガス供給系、
31 水素ボンベ、
32 流量制御弁、
40 燃料ガス排出系、
41 コンプレッサ、
42 逆止弁、
43 切替え弁、
44 循環流路、
45 逆止弁、
50 酸化剤ガス供給系、
51 コンプレッサ、
52 上流側三方弁、
53 加湿装置、
54 下流側三方弁、
55 バイパス流路、
60 酸化剤ガス排出系。
1 Fuel cell system,
10 Fuel cell,
11 electrolyte membrane,
12 Fuel electrode,
13 Oxidant electrode,
21 load transition detection means,
22 Operating time measuring means,
23 Cell resistance detection means,
24 cell voltage detection means,
25 Secondary battery,
30 Fuel gas supply system,
31 Hydrogen cylinder,
32 Flow control valve,
40 Fuel gas discharge system,
41 compressor,
42 check valve,
43 switching valve,
44 circulation channel,
45 check valve,
50 oxidant gas supply system,
51 compressor,
52 upstream three-way valve,
53 Humidifier,
54 Three-way valve on the downstream side,
55 Bypass channel,
60 Oxidant gas discharge system.

Claims (10)

電解質膜の両面に、電極触媒層として燃料極と酸化剤極とを備えた燃料電池を有し、該燃料電池の燃料極に燃料ガス供給系から燃料ガスを供給すると共に、酸化剤極に酸化剤ガス供給系から酸化剤ガスを供給して電気化学反応により発電を行う燃料電池システムの運転制御方法であって、
前記燃料電池の負荷移行を検知し、該燃料電池の発電中あるいは起動・停止のいずれかの負荷移行時において、負荷移行前の前記燃料電池の単位セル電圧が0.85V以上で、かつ10秒を超えて定常発電されている場合に、負荷移行後の単位セル電圧が0.75Vを超えるように負荷移行を行うことを特徴とする燃料電池システムの運転制御方法。
A fuel cell having a fuel electrode and an oxidant electrode as electrode catalyst layers on both surfaces of the electrolyte membrane is provided. Fuel gas is supplied from the fuel gas supply system to the fuel electrode of the fuel cell and oxidized to the oxidant electrode. An operation control method for a fuel cell system in which an oxidant gas is supplied from an agent gas supply system to generate power by an electrochemical reaction,
The fuel cell load transition is detected, and the unit cell voltage of the fuel cell before the load transition is 0.85 V or more and 10 seconds when the fuel cell is generating power, or at the time of starting or stopping the load. The operation control method for a fuel cell system is characterized in that the load shift is performed so that the unit cell voltage after the load shift exceeds 0.75 V when the stationary power generation exceeds the threshold.
電解質膜の両面に、電極触媒層として燃料極と酸化剤極とを備えた燃料電池を有し、該燃料電池の燃料極に燃料ガス供給系から燃料ガスを供給すると共に、酸化剤極に酸化剤ガス供給系から酸化剤ガスを供給して電気化学反応により発電を行う燃料電池システムの運転制御方法であって、
前記燃料電池の負荷移行を検知し、該燃料電池の発電中あるいは起動・停止のいずれかの負荷移行時において、負荷移行前の前記燃料電池の単位セル電圧が0.85V以上で、かつ10秒を超えて定常発電されている場合に、負荷移行前の単位セル電圧を0.75V以上0.85V未満に設定し、かつ10秒未満の定常発電を行った後に、負荷移行を行うことを特徴とする燃料電池システムの運転制御方法。
A fuel cell having a fuel electrode and an oxidant electrode as electrode catalyst layers on both surfaces of the electrolyte membrane is provided. Fuel gas is supplied from the fuel gas supply system to the fuel electrode of the fuel cell and oxidized to the oxidant electrode. An operation control method for a fuel cell system in which an oxidant gas is supplied from an agent gas supply system to generate power by an electrochemical reaction,
The fuel cell load transition is detected, and the unit cell voltage of the fuel cell before the load transition is 0.85 V or more and 10 seconds when the fuel cell is generating power, or at the time of starting or stopping the load. If the unit cell voltage before load transition is set to 0.75 V or more and less than 0.85 V and steady power generation is performed for less than 10 seconds, the load transition is performed. A fuel cell system operation control method.
電解質膜の両面に、電極触媒層として燃料極と酸化剤極とを備えた燃料電池を有し、該燃料電池の燃料極に燃料ガス供給系から燃料ガスを供給すると共に、酸化剤極に酸化剤ガス供給系から酸化剤ガスを供給して電気化学反応により発電を行う燃料電池システムの運転制御方法であって、
前記燃料電池の発電あるいは停止のいずれかの高負荷から低負荷への負荷移行時において、負荷移行前の高負荷時の単位セル電圧が0.75V未満で、かつ負荷移行後の低負荷時の単位セル電圧が0.85V以上の条件となる場合に、少なくとも前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスのいずれか一方の供給ガス湿度を所定の条件に設定した後、負荷移行を行うことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
A fuel cell having a fuel electrode and an oxidant electrode as electrode catalyst layers on both surfaces of the electrolyte membrane is provided. Fuel gas is supplied from the fuel gas supply system to the fuel electrode of the fuel cell and oxidized to the oxidant electrode. An operation control method for a fuel cell system in which an oxidant gas is supplied from an agent gas supply system to generate power by an electrochemical reaction,
The unit cell voltage at the time of high load before the load shift is less than 0.75 V at the time of the load shift from the high load to either the power generation or the stop of the fuel cell, and at the time of the low load after the load shift When the unit cell voltage is 0.85 V or more, at least one of the supply gas humidity of the fuel gas and the oxidant gas is set to a predetermined condition, and then load transfer is performed. Control method of fuel cell system.
前記所定の条件は、負荷移行後の供給ガス湿度が負荷移行前の供給ガス湿度よりも低くなるように供給ガスの湿度を調整して、該湿度調整したガスを前記燃料電池に供給することを特徴とする請求項3に記載の燃料電池システムの運転制御方法。   The predetermined condition is that the humidity of the supply gas is adjusted so that the supply gas humidity after the load shift is lower than the supply gas humidity before the load shift, and the humidity adjusted gas is supplied to the fuel cell. The operation control method for a fuel cell system according to claim 3, wherein 前記負荷移行後の供給ガス湿度をY(%R.H.)とし、負荷移行前の供給ガス湿度をX(%R.H.)とした場合に、供給ガス湿度X,Yが1<X/Y<20の関係を有することを特徴とする請求項4に記載の燃料電池システムの制御方法。   When the supply gas humidity after the load shift is Y (% RH) and the supply gas humidity before the load shift is X (% RH), the supply gas humidity X, Y is 1 <X The fuel cell system control method according to claim 4, wherein a relationship of / Y <20 is satisfied. 前記燃料電池の単位セル抵抗値を検出し、該抵抗値が所定の値以上となった場合に、加湿制御を停止することを特徴とする請求項3から請求項5のいずれか1項に記載の燃料電池システムの制御方法。   The unit cell resistance value of the fuel cell is detected, and the humidification control is stopped when the resistance value exceeds a predetermined value. Control method for the fuel cell system of the present invention. 電解質膜の両面に、電極触媒層として燃料極と酸化剤極とを備えた燃料電池と、前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給系と、前記燃料極を通過した燃料ガスを排出する燃料ガス排出系と、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給系と、前記酸化剤極を通過した酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出系と、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池に、該燃料電池の発電中あるいは起動・停止のいずれかにおいて負荷移行を検知する負荷移行検出手段と、前記燃料電池の単位セル電圧を検出するセル電圧検出手段と、前記燃料電池の負荷サイクル運転時間を計測する運転時間計測手段と、が備えられていることを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell having a fuel electrode and an oxidant electrode as electrode catalyst layers on both surfaces of the electrolyte membrane, a fuel gas supply system that supplies fuel gas to the fuel electrode, and a fuel gas that has passed through the fuel electrode is discharged. A fuel cell system comprising: a fuel gas discharge system; an oxidant gas supply system that supplies an oxidant gas to the oxidant electrode; and an oxidant gas discharge system that discharges the oxidant gas that has passed through the oxidant electrode. In
A load transition detecting means for detecting a load transition either during power generation of the fuel cell or starting / stopping; a cell voltage detecting means for detecting a unit cell voltage of the fuel cell; An operating time measuring means for measuring a duty cycle operating time is provided.
前記燃料電池に、前記燃料ガス供給系または前記酸化剤ガス供給系の少なくともいずれか一方にガス加湿制御手段が配設されていることを特徴とする請求項7に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 7, wherein a gas humidification control unit is disposed in at least one of the fuel gas supply system and the oxidant gas supply system in the fuel cell. 前記燃料電池に、該燃料電池の単位セル抵抗値を検出するセル抵抗検出手段が備えられていることを特徴とする請求項8に記載の燃料電池システム。   9. The fuel cell system according to claim 8, wherein the fuel cell is provided with cell resistance detection means for detecting a unit cell resistance value of the fuel cell. 前記燃料電池と並列に二次電池が備えられ、燃料電池システムの運転制御時に二次電池により電力供給を行うことを特徴とする請求項7から請求項9のいずれか1項に記載の燃料電池システム。   10. The fuel cell according to claim 7, wherein a secondary battery is provided in parallel with the fuel cell, and power is supplied by the secondary battery during operation control of the fuel cell system. 11. system.
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