JP2011216307A - Starting method of fuel cell system - Google Patents

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Shingo Watanabe
真吾 渡邉
Osamu Yamazaki
修 山▲崎▼
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a starting method of a fuel cell system which can perform excellently operation under a low humidification condition while suppressing performance deterioration.SOLUTION: The starting method of the fuel cell system S having a solid polymer fuel battery cell 3 includes: an anode 3a to be supplied with a fuel gas; a cathode 3b to be supplied with an oxygen-contained gas; and an electrolyte 3c installed between the anode 3a and the cathode 3b, and has a humidification condition verification process to verify the humidification condition of the solid polymer fuel battery cell 3 when system starting and a humidification condition adjustment process when starting which includes both of an adjustment in a humidification increase direction of the humidification condition of the solid polymer fuel battery cell 3 when system starting after the humidification condition verification process and an adjustment in a humidification decrease direction, based on the verification result of the humidification condition verification process.

Description

本発明は、燃料ガスが供給されるアノードと酸素含有ガスが供給されるカソードと前記アノード及び前記カソードの間に設けられる電解質とを有する固体高分子形燃料電池セルを備える燃料電池システムの起動方法に関する。   The present invention relates to a method for starting a fuel cell system including a polymer electrolyte fuel cell having an anode to which a fuel gas is supplied, a cathode to which an oxygen-containing gas is supplied, and an electrolyte provided between the anode and the cathode. About.

固体高分子形燃料電池はセルを構成する電解質(固体高分子膜)及び電極部(アノード及びカソード)が湿潤することによって発電が可能となるため、固体高分子形燃料電池セルに供給するガスに水蒸気を混合するなど、電解質及び電極部を加湿して運転している。また、長期耐久性が求められる定置用途では、劣化抑制の観点から電池温度と固体高分子形燃料電池セルに供給するガスの露点とがほぼ同一の飽和加湿条件での運転が一般的である。   Since the polymer electrolyte fuel cell can generate power by wetting the electrolyte (solid polymer membrane) and the electrode parts (anode and cathode) that constitute the cell, the polymer electrolyte fuel cell uses the gas supplied to the polymer electrolyte fuel cell. The operation is performed by humidifying the electrolyte and the electrode part, for example, mixing water vapor. In stationary applications where long-term durability is required, operation is generally performed under saturated humidification conditions where the battery temperature and the dew point of the gas supplied to the polymer electrolyte fuel cell are substantially the same from the viewpoint of suppressing deterioration.

これに対して、燃料電池システム内の加湿機能(例えば、アノード及びカソードに供給されるガスに水蒸気を含ませるバブラー装置など)を簡略化又は削除することによって、システムのコスト低減を図ることも行われている。例えば、非特許文献1に記載のように、飽和加湿条件ではない低加湿条件でも電池の劣化が抑制されるような開発が進められている。
このような低加湿条件においては、発電による生成水を如何に電池の湿潤に効率よく利用できるかが発電性能を引き出す上で重要である。そのため、非特許文献2に記載のように、電池の構成部材の最適化が進められている。
On the other hand, the humidification function in the fuel cell system (for example, a bubbler device that includes water vapor in the gas supplied to the anode and the cathode) is simplified or eliminated, thereby reducing the cost of the system. It has been broken. For example, as described in Non-Patent Document 1, development is underway to suppress battery deterioration even under low humidification conditions that are not saturated humidification conditions.
Under such low humidification conditions, how efficiently the water generated by power generation can be efficiently used for wetting the battery is important for drawing out power generation performance. For this reason, as described in Non-Patent Document 2, optimization of battery constituent members is underway.

Eiji Endoh, ECS Transactions, 16(2), 1229 (2008)Eiji Endoh, ECS Transactions, 16 (2), 1229 (2008) 西川, 中村, 松山, 柏, 第15回燃料電池シンポジウム講演予稿集, 123 (2008)Nishikawa, Nakamura, Matsuyama, Satoshi, Proceedings of the 15th Fuel Cell Symposium, 123 (2008)

しかしながら、低加湿条件(例えば、アノード及びカソードに供給されるガスの少なくとも一方の露点が固体高分子形燃料電池セルの温度よりも10℃以上低い条件)で、生成水を効率よく利用して電池内部の湿潤を保ちながら燃料電池を運転させているとき、運転する条件や環境の変化により電池内部の湿潤状態が変わる可能性があり得る。湿潤が足りなくなれば電池の劣化は促進され、逆に湿潤が過度であれば結露が生じて水づまりによる性能低下が起こり得る。例えば、固体高分子形燃料電池セルに存在する水が必要量よりも少なくなると(即ち、水不足状態になると)、電解質における水素イオンの伝導性が悪くなる(即ち、抵抗が大きくなる)。或いは、固体高分子形燃料電池セルに存在する水が必要量以上に増えると(即ち、水過多状態になると)、アノード及びカソードを構成するガス拡散層の細孔内が水で塞がれてガスの拡散が阻害される。その結果、固体高分子形燃料電池セルの出力電圧が低下したり、固体高分子形燃料電池セルが劣化したりするなどの問題が発生する可能性がある。   However, under low humidification conditions (for example, a condition where at least one dew point of the gas supplied to the anode and the cathode is 10 ° C. or more lower than the temperature of the polymer electrolyte fuel cell) When operating the fuel cell while keeping the inside wet, there is a possibility that the wet state inside the cell may change due to changes in operating conditions and environment. Deterioration of the battery is promoted when the wetness is insufficient, and conversely, when the wetness is excessive, dew condensation occurs and the performance may be deteriorated due to water clogging. For example, when the amount of water present in the polymer electrolyte fuel cell becomes less than the required amount (that is, when water becomes insufficient), the conductivity of hydrogen ions in the electrolyte deteriorates (that is, the resistance increases). Alternatively, when the amount of water present in the polymer electrolyte fuel cell increases more than necessary (that is, when the water becomes excessive), the pores of the gas diffusion layers constituting the anode and the cathode are blocked with water. Gas diffusion is hindered. As a result, problems such as a decrease in the output voltage of the polymer electrolyte fuel cell and deterioration of the polymer electrolyte fuel cell may occur.

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、性能低下を抑制しながら低加湿条件における運転を良好に行なうことができる燃料電池システムの起動方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a method for starting a fuel cell system that can satisfactorily operate under low humidification conditions while suppressing a decrease in performance.

本発明に係る、燃料ガスが供給されるアノードと酸素含有ガスが供給されるカソードと前記アノード及び前記カソードの間に設けられる電解質とを有する固体高分子形燃料電池セルを備える燃料電池システムの起動方法の特徴構成は、システム起動時における前記固体高分子形燃料電池セルの加湿状態を検証する加湿状態検証工程と、前記加湿状態検証工程の検証結果に基づいて、当該加湿状態検証工程以降のシステム起動時における前記固体高分子形燃料電池セルの加湿状態を加湿増大方向に調節すること及び加湿減少方向に調節することの両方を含む起動時加湿状態調節工程と、を有する点にある。   Activation of a fuel cell system comprising a polymer electrolyte fuel cell having an anode supplied with a fuel gas, a cathode supplied with an oxygen-containing gas, and an electrolyte provided between the anode and the cathode according to the present invention The characteristic configuration of the method includes a humidification state verification step for verifying a humidification state of the polymer electrolyte fuel cell at the time of system startup, and a system after the humidification state verification step based on the verification result of the humidification state verification step A startup humidification state adjustment step including adjusting the humidification state of the polymer electrolyte fuel cell at startup in a humidification increasing direction and in a humidification decreasing direction.

上記の特徴構成によれば、燃料電池システムが断続運転される場合において、固体高分子形燃料電池セルの加湿状態が変化するとしても加湿状態検証工程において加湿状態が検証され、更に、加湿状態検証工程の検証結果に基づいて、当該加湿状態検証工程以降の起動時加湿状態調節工程において、固体高分子形燃料電池セルの加湿状態を加湿増大方向及び加湿減少方向の何れにも調節可能である。つまり、加湿状態検証工程及び起動時加湿状態調節工程によって、システム起動時に固体高分子形燃料電池セルの加湿状態が適宜調節されるため、固体高分子形燃料電池セルの性能が継続的に良好に維持される。特に、固体高分子形燃料電池セルに対して水分を供給するための特別な加湿機能(例えば、アノード及びカソードに供給されるガスに水蒸気を含ませるバブラー装置など)が簡略化され、又は備わっておらず、主に固体高分子形燃料電池セルでの発電時に生成される水で固体高分子形燃料電池セルの加湿が行われるような、低加湿条件で運転される燃料電池システムであっても、加湿状態検証工程及び起動時加湿状態調節工程によって、固体高分子形燃料電池セルの加湿状態を適切に調節できる。
従って、性能低下を抑制しながら低加湿条件における運転を良好に行なうことができる燃料電池システムの起動方法を提供することができる。
According to the above characteristic configuration, when the fuel cell system is intermittently operated, even if the humidification state of the polymer electrolyte fuel cell changes, the humidification state is verified in the humidification state verification step. Based on the verification result of the process, in the humidification state adjustment process at startup after the humidification state verification process, the humidification state of the polymer electrolyte fuel cell can be adjusted to either the humidification increasing direction or the humidification decreasing direction. In other words, the humidification state of the polymer electrolyte fuel cell is appropriately adjusted at the time of system start-up by the humidification state verification step and the humidification state adjustment step at start-up, so that the performance of the polymer electrolyte fuel cell is continuously improved. Maintained. In particular, a special humidifying function for supplying moisture to the polymer electrolyte fuel cell (for example, a bubbler device that includes water vapor in the gas supplied to the anode and the cathode) is simplified or provided. Even if the fuel cell system is operated under low humidification conditions such that the polymer electrolyte fuel cell is humidified with water mainly generated during power generation in the polymer electrolyte fuel cell. The humidified state of the polymer electrolyte fuel cell can be appropriately adjusted by the humidified state verification step and the startup humidified state adjusting step.
Therefore, it is possible to provide a fuel cell system start-up method that can satisfactorily operate under low humidification conditions while suppressing performance degradation.

ここで、前記加湿状態検証工程は、前記固体高分子形燃料電池セルの出力電圧を監視し、当該出力電圧に基づいて、前記固体高分子形燃料電池セルが水不足状態、水過多状態、及び適正状態のうちのいずれの状態にあるかを検証する工程であると好適である。   Here, the humidification state verification step monitors the output voltage of the polymer electrolyte fuel cell, and based on the output voltage, the polymer electrolyte fuel cell is in a water shortage state, an excessive water state, and an appropriate It is preferable that it is a step of verifying which of the states is in the state.

加湿状態検証工程が行われるシステム起動時には、固体高分子形燃料電池セルの加湿状態が水不足状態であれば、固体高分子形燃料電池セルの出力電圧は加湿状態が適正であるときの出力電圧よりも低下するという現象が認められる。また、固体高分子形燃料電池セルの加湿状態が水過多状態であれば、固体高分子形燃料電池セルの出力電圧は加湿状態が適正であるときと比較して不安定化するという現象が認められる。ここで、「不安定化する」とは、出力電圧に変動が現れることを意味する。
この構成によれば、システム起動時における固体高分子形燃料電池セルの出力電圧の変化状態に基づいて、当該固体高分子形燃料電池セルの状態が水不足状態、水過多状態、及び適正状態のうちのいずれの状態にあるかを検証することができる。
If the humidification state of the polymer electrolyte fuel cell is in a water-deficient state at the time of starting the system in which the humidification state verification process is performed, the output voltage of the polymer electrolyte fuel cell is higher than the output voltage when the humidification state is appropriate Is also observed. In addition, if the humidification state of the polymer electrolyte fuel cell is excessive, the phenomenon that the output voltage of the polymer electrolyte fuel cell becomes unstable compared to when the humidification state is appropriate is recognized. It is done. Here, “destabilize” means that the output voltage varies.
According to this configuration, based on the change state of the output voltage of the polymer electrolyte fuel cell at the time of starting the system, the state of the polymer electrolyte fuel cell is a water shortage state, an excessive water state, or an appropriate state. It is possible to verify whether the state is.

そこで、前記加湿状態検証工程では、前記固体高分子形燃料電池セルの出力電圧値が前記適正状態において期待される正常出力電圧値範囲を超えて低下している場合に、前記水不足状態と判定され、前記固体高分子形燃料電池セルの出力電圧の安定性が前記適正状態において期待される出力電圧の安定度合いを超えて不安定化している場合に、前記水過多状態と判定され、前記水不足状態及び前記水過多状態のいずれでもない場合に、前記適正状態と判定される構成とすると好適である。   Therefore, in the humidification state verification step, when the output voltage value of the polymer electrolyte fuel cell falls below the normal output voltage value range expected in the appropriate state, it is determined that the water shortage state. , When the stability of the output voltage of the polymer electrolyte fuel cell exceeds the degree of stability of the output voltage expected in the appropriate state, it is determined that the water is excessive, and the water shortage state And when it is neither of the water excess states, it is preferable that the configuration is determined as the appropriate state.

この構成によれば、システム起動時における固体高分子形燃料電池セルの状態が水不足状態、水過多状態、及び適正状態のうちのいずれの状態にあるかを適切に判定することができる。   According to this configuration, it is possible to appropriately determine whether the state of the polymer electrolyte fuel cell at the time of starting the system is in a water shortage state, an excessive water state, or an appropriate state.

また、前記起動時加湿状態調節工程は、前記加湿状態検証工程において前記固体高分子形燃料電池セルの加湿状態が前記水不足状態であるという検証結果が得られれば、前記固体高分子形燃料電池セルが発電を開始する条件を規定するために設定される発電開始温度を、前記適正状態である場合における発電開始温度よりも下げること、又は、前記固体高分子形燃料電池セルに供給する前記燃料ガス及び前記酸素含有ガスの少なくとも何れか一方の流量を前記適正状態である場合における流量よりも減少させた状態で発電を開始すること、を行う工程であると好適である。   Further, in the startup humidification state adjustment step, if the verification result that the humidification state of the polymer electrolyte fuel cell is the water-deficient state in the humidification state verification step is obtained, the polymer electrolyte fuel cell The fuel gas supplied to the polymer electrolyte fuel cell is reduced by lowering the power generation start temperature set to define the conditions for starting the power generation from the power generation start temperature in the proper state. It is preferable that the power generation be started in a state in which the flow rate of at least one of the oxygen-containing gas is reduced below the flow rate in the proper state.

加湿状態検証工程において固体高分子形燃料電池セルの加湿状態が水不足状態であるという検証結果が得られた場合には、当該加湿状態検証工程以降に実行される起動時加湿状態調節工程において、固体高分子形燃料電池セルの加湿状態を加湿増大方向(より湿潤させる方向)に移行させれば良い。
この構成によれば、固体高分子形燃料電池セルが発電を開始する条件を規定するために設定される発電開始温度を、固体高分子形燃料電池セルの状態が適正状態である場合における発電開始温度よりも下げることで、システム起動時における生成水の蒸発量をより少なくして、固体高分子形燃料電池セルの加湿状態を加湿増大方向へと移行させることができる。或いは、固体高分子形燃料電池セルに供給する燃料ガス及び酸素含有ガスの少なくとも何れか一方の流量を、固体高分子形燃料電池セルの状態が適正状態である場合における流量よりも減少させた状態で発電を開始することで、システム起動時にそれらのガスによって固体高分子形燃料電池セルの外部に持ち出される生成水の量をより少なくして、固体高分子形燃料電池セルの加湿状態を加湿増大方向へと移行させることができる。従って、システム起動時に固体高分子形燃料電池セルの加湿状態を増大させるように調節して、より適正状態に近づけることができる。
In the humidification state verification step, when a verification result is obtained that the humidification state of the polymer electrolyte fuel cell is a water shortage state, in the startup humidification state adjustment step executed after the humidification state verification step, the solid What is necessary is just to transfer the humidification state of a polymer fuel cell to the humidification increasing direction (direction to make it wet more).
According to this configuration, the power generation start temperature that is set to define the conditions under which the polymer electrolyte fuel cell starts power generation is set to start power generation when the polymer electrolyte fuel cell is in an appropriate state. By reducing the temperature below the temperature, the amount of generated water evaporated at the time of starting the system can be reduced, and the humidified state of the polymer electrolyte fuel cell can be shifted in the direction of increasing humidification. Alternatively, the flow rate of at least one of the fuel gas and the oxygen-containing gas supplied to the polymer electrolyte fuel cell is reduced from the flow rate when the polymer electrolyte fuel cell is in an appropriate state By starting power generation at, the amount of generated water brought out of the polymer electrolyte fuel cell by these gases when the system starts up is reduced, and the humidification state of the polymer electrolyte fuel cell is increased. Can be moved in the direction. Therefore, it can be adjusted to increase the humidified state of the polymer electrolyte fuel cell at the time of starting the system, and can be brought closer to an appropriate state.

また、前記起動時加湿状態調節工程は、前記加湿状態検証工程において前記固体高分子形燃料電池セルの加湿状態が前記水過多状態であるという検証結果が得られれば、前記固体高分子形燃料電池セルが発電を開始する条件を規定するために設定される発電開始温度を、前記適正状態である場合における発電開始温度よりも上げること、又は、前記固体高分子形燃料電池セルに供給する前記燃料ガス及び前記酸素含有ガスの少なくとも何れか一方の流量を前記適正状態である場合における流量よりも増加させた状態で発電を開始すること、を行う工程であると好適である。   Further, in the startup humidification state adjustment step, if the verification result that the humidification state of the polymer electrolyte fuel cell is the excessive water state is obtained in the humidification state verification step, the solid polymer fuel cell is obtained. The fuel to be supplied to the polymer electrolyte fuel cell, or a power generation start temperature set to define a condition for the cell to start power generation is set higher than the power generation start temperature when the cell is in the appropriate state. It is preferable that the power generation be started in a state where the flow rate of at least one of the gas and the oxygen-containing gas is increased from the flow rate in the proper state.

加湿状態検証工程において固体高分子形燃料電池セルの加湿状態が水過多状態であるという検証結果が得られた場合には、当該加湿状態検証工程以降に実行される起動時加湿状態調節工程において、固体高分子形燃料電池セルの加湿状態を加湿減少方向(より乾燥させる方向)に移行させれば良い。
この構成によれば、固体高分子形燃料電池セルが発電を開始する条件を規定するために設定される発電開始温度を、固体高分子形燃料電池セルの状態が適正状態である場合における発電開始温度よりも上げることで、システム起動時における生成水の蒸発量をより多くして、固体高分子形燃料電池セルの加湿状態を加湿減少方向へと移行させることができる。或いは、固体高分子形燃料電池セルに供給する燃料ガス及び酸素含有ガスの少なくとも何れか一方の流量を、固体高分子形燃料電池セルの状態が適正状態である場合における流量よりも増加させた状態で発電を開始することで、システム起動時にそれらのガスによって固体高分子形燃料電池セルの外部に持ち出される生成水の量をより多くして、固体高分子形燃料電池セルの加湿状態を加湿減少方向へと移行させることができる。従って、システム起動時に固体高分子形燃料電池セルの加湿状態を減少させるように調節して、より適正状態に近づけることができる。
In the humidification state verification step, when the verification result that the humidification state of the polymer electrolyte fuel cell is an excessive water state is obtained, in the startup humidification state adjustment step executed after the humidification state verification step, What is necessary is just to transfer the humidification state of a polymer electrolyte fuel cell to a humidification decreasing direction (direction to dry more).
According to this configuration, the power generation start temperature that is set to define the conditions under which the polymer electrolyte fuel cell starts power generation is set to start power generation when the polymer electrolyte fuel cell is in an appropriate state. By raising the temperature above the temperature, it is possible to increase the evaporation amount of the generated water at the time of starting the system and shift the humidified state of the polymer electrolyte fuel cell toward the humidification decreasing direction. Alternatively, the flow rate of at least one of the fuel gas and oxygen-containing gas supplied to the polymer electrolyte fuel cell is increased from the flow rate when the polymer electrolyte fuel cell is in an appropriate state By starting power generation at, the amount of generated water brought out of the polymer electrolyte fuel cell by these gases when the system starts up is increased, and the humidification state of the polymer electrolyte fuel cell is reduced. Can be moved in the direction. Therefore, it can be adjusted to reduce the humidification state of the polymer electrolyte fuel cell at the time of starting the system, and can be brought closer to an appropriate state.

本発明に係る、燃料ガスが供給されるアノードと酸素含有ガスが供給されるカソードと前記アノード及び前記カソードの間に設けられる電解質とを有する固体高分子形燃料電池セルを備える燃料電池システムの起動方法のもう一つの特徴構成は、前記固体高分子形燃料電池セルが発電を開始する条件を規定するために設定される発電開始温度を、前記固体高分子形燃料電池セルが適正な加湿状態に保たれた適正状態である場合における発電開始温度よりも下げること、又は、前記固体高分子形燃料電池セルに供給する前記燃料ガス及び前記酸素含有ガスの少なくとも何れか一方の流量を前記適正状態である場合における流量よりも減少させた状態で発電を開始すること、を行う起動時加湿状態増大工程を有する点にある。   Activation of a fuel cell system comprising a polymer electrolyte fuel cell having an anode supplied with a fuel gas, a cathode supplied with an oxygen-containing gas, and an electrolyte provided between the anode and the cathode according to the present invention Another characteristic configuration of the method is that the power generation start temperature set to define the conditions under which the polymer electrolyte fuel cell starts power generation is set to an appropriate humidified state. Lower than the power generation start temperature in the maintained proper state, or the flow rate of at least one of the fuel gas and the oxygen-containing gas supplied to the polymer electrolyte fuel cell in the proper state It is in the point which has a humidification state increase process at the time of starting which performs electric power generation in the state decreased rather than the flow volume in a certain case.

低加湿条件で運転される燃料電池システムにおいては、アノードに供給される燃料ガス及びカソードに供給される酸素含有ガスの少なくとも一方の露点が固体高分子形燃料電池セルの温度よりも低く設定されるため、例えば飽和加湿条件で運転される燃料電池システムと比較して、固体高分子形燃料電池セルの加湿状態は水不足状態となり易い。
この特徴構成によれば、起動時加湿状態増大工程において、固体高分子形燃料電池セルが発電を開始する条件を規定するために設定される発電開始温度を、固体高分子形燃料電池セルの状態が適正状態である場合における発電開始温度よりも下げることで、システム起動時における生成水の蒸発量をより少なくして、固体高分子形燃料電池セルの加湿状態を加湿増大方向(より湿潤させる方向)へと移行させることができる。或いは、固体高分子形燃料電池セルに供給する燃料ガス及び酸素含有ガスの少なくとも何れか一方の流量を、固体高分子形燃料電池セルの状態が適正状態である場合における流量よりも減少させた状態で発電を開始することで、システム起動時にそれらのガスによって固体高分子形燃料電池セルの外部に持ち出される生成水の量をより少なくして、固体高分子形燃料電池セルの加湿状態を加湿増大方向へと移行させることができる。よって、一般に低加湿条件で運転される場合に水不足状態となり易い固体高分子形燃料電池セルの加湿状態を、システム起動時に加湿増大方向へと移行させてより適正状態に近づけることができる。
従って、性能低下を抑制しながら低加湿条件における運転を良好に行なうことができる燃料電池システムの起動方法を提供することができる。
In a fuel cell system operated under low humidification conditions, the dew point of at least one of the fuel gas supplied to the anode and the oxygen-containing gas supplied to the cathode is set lower than the temperature of the polymer electrolyte fuel cell. Therefore, for example, as compared with a fuel cell system operated under saturated humidification conditions, the humidified state of the polymer electrolyte fuel cell tends to be in a water-deficient state.
According to this characteristic configuration, in the humidification state increase process at the time of starting, the power generation start temperature set in order to define the conditions under which the polymer electrolyte fuel cell starts power generation is set to the state of the polymer electrolyte fuel cell. Is lower than the power generation start temperature when the battery is in an appropriate state, so that the amount of water generated during system startup is reduced, and the humidification state of the polymer electrolyte fuel cell is increased (more wetted) ). Alternatively, the flow rate of at least one of the fuel gas and the oxygen-containing gas supplied to the polymer electrolyte fuel cell is reduced from the flow rate when the polymer electrolyte fuel cell is in an appropriate state By starting power generation at, the amount of generated water brought out of the polymer electrolyte fuel cell by these gases when the system starts up is reduced, and the humidification state of the polymer electrolyte fuel cell is increased. Can be moved in the direction. Therefore, in general, the humidified state of the polymer electrolyte fuel cell, which is likely to be in a water-deficient state when operated under a low humidification condition, can be shifted closer to an appropriate state when the system is started up in the direction of increasing humidification.
Therefore, it is possible to provide a fuel cell system start-up method that can satisfactorily operate under low humidification conditions while suppressing performance degradation.

本発明に係る、燃料ガスが供給されるアノードと酸素含有ガスが供給されるカソードと前記アノード及び前記カソードの間に設けられる電解質とを有する固体高分子形燃料電池セルと、冷却水循環路を循環する冷却水により前記固体高分子形燃料電池セルの冷却を行う冷却手段と、を備える燃料電池システムの起動方法の更にもう一つの特徴構成は、前記冷却水循環路を循環する冷却水の流量を、前記固体高分子形燃料電池セルが適正な加湿状態に保たれた適正状態である場合における流量よりも増加させた状態で発電を開始する起動時加湿状態増大工程を有する点にある。   A polymer electrolyte fuel cell having an anode to which a fuel gas is supplied, a cathode to which an oxygen-containing gas is supplied, and an electrolyte provided between the anode and the cathode, and a cooling water circulation path according to the present invention And cooling means for cooling the polymer electrolyte fuel cell with the cooling water that is further characterized in that the fuel cell system start-up method comprises a flow rate of the cooling water circulating through the cooling water circulation path, A starting humidification state increasing step of starting power generation in a state where the solid polymer fuel cell is in an appropriate state in which the solid polymer fuel cell is maintained in an appropriate humidification state is increased from the flow rate.

この特徴構成によれば、起動時加湿状態増大工程において、冷却水循環路を循環する冷却水の流量を、固体高分子形燃料電池セルが適正な加湿状態に保たれた適正状態である場合における流量よりも増加させた状態で発電を開始することで、システム起動時における固体高分子形燃料電池セルの温度の上昇を、より緩慢なものとすることができる。これにより、システム起動時における生成水の蒸発量をより少なくして、固体高分子形燃料電池セルの加湿状態を加湿増大方向へと移行させることができる。よって、一般に低加湿条件で運転される場合に水不足状態となり易い固体高分子形燃料電池セルの加湿状態を、システム起動時に加湿増大方向へと移行させてより適正状態に近づけることができる。
従って、性能低下を抑制しながら低加湿条件における運転を良好に行なうことができる燃料電池システムの起動方法を提供することができる。
According to this characteristic configuration, the flow rate of the cooling water circulating in the cooling water circulation path in the startup humidification state increasing step is the flow rate when the polymer electrolyte fuel cell is in an appropriate state maintained in an appropriate humidification state. By starting the power generation in a state where it is further increased, the temperature rise of the polymer electrolyte fuel cell at the time of starting the system can be made slower. Thereby, the evaporation amount of the generated water at the time of starting the system can be reduced, and the humidified state of the polymer electrolyte fuel cell can be shifted to the humidification increasing direction. Therefore, in general, the humidified state of the polymer electrolyte fuel cell, which is likely to be in a water-deficient state when operated under a low humidification condition, can be shifted closer to an appropriate state when the system is started up in the direction of increasing humidification.
Therefore, it is possible to provide a fuel cell system start-up method that can satisfactorily operate under low humidification conditions while suppressing performance degradation.

燃料電池システムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of a fuel cell system. 燃料電池システムの稼働状態を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the operating state of a fuel cell system. 標準的なシステム起動制御の説明図である。It is explanatory drawing of standard system starting control. 標準的なシステム停止制御の説明図である。It is explanatory drawing of standard system stop control. 燃料電池システムの起動時における固体高分子形燃料電池セルの出力電圧の変化状態を示すグラフである。It is a graph which shows the change state of the output voltage of a polymer electrolyte fuel cell at the time of starting of a fuel cell system. 第一の実施形態に係る起動時加湿状態調節工程の態様を示す図である。It is a figure which shows the aspect of the humidification state adjustment process at the time of starting which concerns on 1st embodiment. 第一の実施形態に係る停止時加湿状態調節工程の態様を示す図である。It is a figure which shows the aspect of the humidification state adjustment process at the time of a stop which concerns on 1st embodiment. 第二の実施形態に係る起動時加湿状態調節工程の態様を示す図である。It is a figure which shows the aspect of the humidification state adjustment process at the time of starting which concerns on 2nd embodiment. 第二の実施形態に係る停止時加湿状態調節工程の態様を示す図である。It is a figure which shows the aspect of the humidification state adjustment process at the time of a stop which concerns on 2nd embodiment.

1.第一の実施形態
本発明に係る燃料電池システムSの起動方法及び停止方法の第一の実施形態について、図面を参照して説明する。本実施形態に係る燃料電池システムSでは、システム起動時における固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を検証する加湿状態検証工程V(図2を参照)と、加湿状態検証工程Vの検証結果に基づいて、当該加湿状態検証工程V以降のシステム起動時における固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を調節する起動時加湿状態調節工程Aと、加湿状態検証工程Vの検証結果に基づいて、当該加湿状態検証工程V以降のシステム停止時における固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を調節する停止時加湿状態調節工程Bと、が行われる。起動時加湿状態調節工程A及び停止時加湿状態調節工程Bは、それぞれ固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿増大方向に調節すること及び加湿減少方向に調節することの両方を含む。制御部12は、加湿状態検証工程V及び起動時加湿状態調節工程Aを、例えば断続運転される燃料電池システムSの起動時に毎回実行し、停止時加湿状態調節工程Bを、例えば断続運転される燃料電池システムSの停止時に毎回実行する。以下、詳細に説明する。
1. First Embodiment A first embodiment of a starting method and a stopping method of a fuel cell system S according to the present invention will be described with reference to the drawings. In the fuel cell system S according to the present embodiment, the humidification state verification step V (see FIG. 2) for verifying the humidification state of the polymer electrolyte fuel cell 3 at the time of system startup, and the verification results of the humidification state verification step V Based on the verification results of the humidification state adjustment step A at startup and the humidification state verification step V for adjusting the humidification state of the polymer electrolyte fuel cell 3 at the time of system startup after the humidification state verification step V Then, when the system is stopped after the humidification state verification step V, the stop humidification state adjustment step B for adjusting the humidification state of the polymer electrolyte fuel cell 3 is performed. The startup humidification state adjustment step A and the stop humidification state adjustment step B include both adjusting the humidification state of the polymer electrolyte fuel cell 3 in the humidification increasing direction and in the humidification decreasing direction, respectively. The control unit 12 executes the humidification state verification step V and the startup humidification state adjustment step A every time the fuel cell system S that is intermittently operated, for example, is started up, and the stop humidification state adjustment step B is, for example, intermittently operated. It is executed every time when the fuel cell system S is stopped. Details will be described below.

1−1.燃料電池システムの全体構成
図1は、燃料電池システムSの構成を説明する図である。燃料電池システムSは、燃料ガスが供給されるアノード3aと、酸素含有ガスが供給されるカソード3bと、アノード3a及びカソード3bの間に設けられる電解質(固体高分子膜)3cと、を有する固体高分子形燃料電池セル3を備える。通常、複数個の固体高分子形燃料電池セル3が直列接続されてセルスタックを構成する。
1-1. 1 is a diagram illustrating the configuration of a fuel cell system S. As shown in FIG. The fuel cell system S is a solid having an anode 3a to which fuel gas is supplied, a cathode 3b to which oxygen-containing gas is supplied, and an electrolyte (solid polymer membrane) 3c provided between the anode 3a and the cathode 3b. A polymer fuel cell 3 is provided. Usually, a plurality of polymer electrolyte fuel cells 3 are connected in series to form a cell stack.

本実施形態において、アノード3aに供給される燃料ガスは燃料ガス供給部1で生成される。燃料ガス供給部1は、炭化水素(例えばメタン等)やアルコールなどの原燃料を水蒸気改質して水素を主成分とする燃料ガスを生成する装置である。尚、図1には示していないが、水蒸気改質を行うため、原燃料に対して水蒸気が添加される。燃料ガス供給部1からアノード3aに供給される燃料ガスの流量は、燃料ガス供給部1に供給される原燃料の流量に応じて変化する。つまり、アノード3aに供給する燃料ガスの流量は、燃料ガス供給部1に供給する原燃料の流量によって調節できる。本実施形態では、制御部12が、燃料ガス供給部1に供給する原燃料の流量を、ポンプなどの流量調節手段(図示せず)の動作を制御して調節する。   In the present embodiment, the fuel gas supplied to the anode 3 a is generated by the fuel gas supply unit 1. The fuel gas supply unit 1 is an apparatus that generates a fuel gas mainly composed of hydrogen by steam reforming a raw fuel such as hydrocarbon (for example, methane) or alcohol. Although not shown in FIG. 1, in order to perform steam reforming, steam is added to the raw fuel. The flow rate of the fuel gas supplied from the fuel gas supply unit 1 to the anode 3 a varies according to the flow rate of the raw fuel supplied to the fuel gas supply unit 1. That is, the flow rate of the fuel gas supplied to the anode 3 a can be adjusted by the flow rate of the raw fuel supplied to the fuel gas supply unit 1. In the present embodiment, the control unit 12 adjusts the flow rate of the raw fuel supplied to the fuel gas supply unit 1 by controlling the operation of a flow rate adjusting means (not shown) such as a pump.

本実施形態において、カソード3bに供給される酸素含有ガスは、空気である。酸素含有ガス供給部2は、空気をカソード3bに送りこむことができるポンプなどである。本実施形態では、制御部12が、カソード3bに供給する酸素含有ガス(空気)の流量を、酸素含有ガス供給部2の動作を制御して調節する。   In the present embodiment, the oxygen-containing gas supplied to the cathode 3b is air. The oxygen-containing gas supply unit 2 is a pump that can send air to the cathode 3b. In the present embodiment, the control unit 12 adjusts the flow rate of the oxygen-containing gas (air) supplied to the cathode 3 b by controlling the operation of the oxygen-containing gas supply unit 2.

固体高分子形燃料電池セル3では、通常運転時において、アノード3aに供給される水素(燃料ガス)が水素イオンとなって電解質3cを介してカソード3bに移動し、酸素含有ガス(空気)中の酸素と反応して水を生成する。このとき、アノード3aとカソード3bとを接続する電気回路中の負荷(図1では電力変換部8)に電流が流れる。電解質3cにおける水素イオンの伝導性は、電解質3cに水が存在している方が高くなる。本実施形態の燃料電池システムSには、固体高分子形燃料電池セル3を加湿する(上記の水蒸気改質のための加湿を除く)ための特別な仕組みは設けられていない。具体的には、本実施形態の燃料電池システムSには、アノード及びカソードに供給されるガスに水蒸気を含ませる特別な装置(例えば、バブラー装置)などは設けられていない。   In the solid polymer fuel cell 3, during normal operation, hydrogen (fuel gas) supplied to the anode 3 a becomes hydrogen ions and moves to the cathode 3 b through the electrolyte 3 c, and in oxygen-containing gas (air). Reacts with oxygen to produce water. At this time, a current flows through a load (the power conversion unit 8 in FIG. 1) in the electric circuit connecting the anode 3a and the cathode 3b. The conductivity of hydrogen ions in the electrolyte 3c is higher when water is present in the electrolyte 3c. The fuel cell system S of the present embodiment is not provided with a special mechanism for humidifying the polymer electrolyte fuel cell 3 (except for the humidification for the steam reforming). Specifically, the fuel cell system S of the present embodiment is not provided with a special device (for example, a bubbler device) that includes water vapor in the gas supplied to the anode and the cathode.

なお、本実施形態に係る燃料電池システムSでは、水蒸気改質後の燃料ガス(水素)の露点は30〜40℃程度となる。上記のとおり、燃料ガス(水素)はその後特に加湿されることなく固体高分子形燃料電池セル3に供給される。一方、通常運転時には、固体高分子形燃料電池セル3の温度は70〜80℃程度に維持される。そのため、本実施形態に係る燃料電池システムSは、低加湿条件で通常運転が行われている。本実施形態において、低加湿条件とは、アノード3a及びカソード3bに供給されるガスの少なくとも一方の露点が固体高分子形燃料電池セル3の温度よりも10℃以上低い条件である。このような低加湿条件下では、通常運転時(発電時)においてカソード3bで生成される水(生成水)が、固体高分子形燃料電池セル3を加湿するための主要な水となる。   In the fuel cell system S according to this embodiment, the dew point of the fuel gas (hydrogen) after steam reforming is about 30 to 40 ° C. As described above, the fuel gas (hydrogen) is thereafter supplied to the polymer electrolyte fuel cell 3 without being particularly humidified. On the other hand, during normal operation, the temperature of the polymer electrolyte fuel cell 3 is maintained at about 70 to 80 ° C. Therefore, the fuel cell system S according to the present embodiment is normally operated under low humidification conditions. In the present embodiment, the low humidification condition is a condition in which the dew point of at least one of the gases supplied to the anode 3 a and the cathode 3 b is 10 ° C. or lower than the temperature of the polymer electrolyte fuel cell 3. Under such low humidification conditions, water (generated water) generated at the cathode 3b during normal operation (power generation) becomes the main water for humidifying the polymer electrolyte fuel cell 3.

固体高分子形燃料電池セル3の直流出力は電力変換部8において適当な電力に変換されてから負荷部11に供給される。固体高分子形燃料電池セル3の出力電圧は電圧計9によって計測され、固体高分子形燃料電池セル3の出力電流は電流計10によって計測される。   The DC output of the polymer electrolyte fuel cell 3 is converted into appropriate power by the power converter 8 and then supplied to the load 11. The output voltage of the polymer electrolyte fuel cell 3 is measured by a voltmeter 9, and the output current of the polymer electrolyte fuel cell 3 is measured by an ammeter 10.

制御部12は、固体高分子形燃料電池セル3の温度を調節できる。本実施形態では、燃料電池システムSは、固体高分子形燃料電池セル3を冷却可能な冷却手段Cを備える。
冷却手段Cは、冷却水としての湯水が貯められた貯湯部6と、固体高分子形燃料電池セル3で発生される熱と湯水(冷却水)との熱交換が行われる熱交換部4と、貯湯部6に貯湯されている低温の湯水(冷却水)が熱交換部4を流通して再び貯湯部6に戻るように循環する冷却水循環路13と、冷却水循環路13における湯水の流量を調節するポンプ7と、を備える。冷却水循環路13における湯水の流量が多くなると、固体高分子形燃料電池セル3の冷却が促進されて固体高分子形燃料電池セル3の温度が低下する。逆に、冷却水循環路13における湯水の流量が少なくなると、固体高分子形燃料電池セル3の冷却が抑制されて固体高分子形燃料電池セル3の温度が上昇する。制御部12は、ポンプ7の動作を制御して、冷却水循環路13における湯水の流量を調節できる。つまり、制御部12は、ポンプ7の動作を制御して、固体高分子形燃料電池セル3の温度を調節できる。
The controller 12 can adjust the temperature of the polymer electrolyte fuel cell 3. In the present embodiment, the fuel cell system S includes a cooling means C that can cool the polymer electrolyte fuel cell 3.
The cooling means C includes a hot water storage unit 6 that stores hot water as cooling water, and a heat exchange unit 4 that performs heat exchange between the heat generated in the polymer electrolyte fuel cell 3 and hot water (cooling water). The low-temperature hot water (cooling water) stored in the hot water storage section 6 circulates so that it flows through the heat exchange section 4 and returns to the hot water storage section 6, and the flow rate of hot water in the cooling water circulation path 13 is And a pump 7 to be adjusted. When the flow rate of hot water in the cooling water circulation path 13 is increased, cooling of the polymer electrolyte fuel cell 3 is promoted, and the temperature of the polymer electrolyte fuel cell 3 is lowered. Conversely, when the flow rate of hot water in the cooling water circulation path 13 decreases, the cooling of the polymer electrolyte fuel cell 3 is suppressed and the temperature of the polymer electrolyte fuel cell 3 rises. The control unit 12 can control the operation of the pump 7 to adjust the flow rate of hot water in the cooling water circulation path 13. That is, the control unit 12 can adjust the temperature of the polymer electrolyte fuel cell 3 by controlling the operation of the pump 7.

また、燃料電池システムSは、固体高分子形燃料電池セル3を加熱可能な加熱手段Hを備えている。加熱手段Hは、固体高分子形燃料電池セル3に対して熱伝達可能に設けられている。加熱手段Hは、例えば抵抗加熱式のヒータ5である。燃料電池システムSのシステム起動時には、制御部12はヒータ5に通電して固体高分子形燃料電池セル3の温度を上昇させる。なお、本実施形態では、加熱手段Hはシステム起動時にのみ使用され、通常運転時には使用されない。   Further, the fuel cell system S includes a heating means H that can heat the polymer electrolyte fuel cell 3. The heating means H is provided so as to be able to transfer heat to the polymer electrolyte fuel cell 3. The heating means H is, for example, a resistance heating type heater 5. When the fuel cell system S is activated, the controller 12 energizes the heater 5 to increase the temperature of the polymer electrolyte fuel cell 3. In the present embodiment, the heating means H is used only when the system is started, and is not used during normal operation.

1−2.燃料電池システムの運転制御
燃料電池システムSは、当該燃料電池システムSの各部の動作を制御するための制御部12を備えている。例えば、制御部12は、燃料電池システムS全体の稼働状態を制御する。図2は、燃料電池システムSの稼働状態を模式的に示す図である。この図に示すように、燃料電池システムSは運転状態と停止状態とを断続的に繰り返して行う。そして、燃料電池システムSが運転状態となる場合には、まずシステム起動制御が実行された後に当該システム起動制御から通常運転制御に切り替わる。また、燃料電池システムSが停止状態となる場合には、まず通常運転制御からシステム停止制御に切り替わり、当該システム停止制御が実行された後に燃料電池システムSが完全に停止される。
1-2. Operation Control of Fuel Cell System The fuel cell system S includes a control unit 12 for controlling the operation of each unit of the fuel cell system S. For example, the control unit 12 controls the operating state of the entire fuel cell system S. FIG. 2 is a diagram schematically showing the operating state of the fuel cell system S. As shown in FIG. As shown in this figure, the fuel cell system S repeats the operation state and the stop state intermittently. Then, when the fuel cell system S is in the operating state, first, the system activation control is executed, and then the system activation control is switched to the normal operation control. Further, when the fuel cell system S is in a stopped state, the normal operation control is first switched to the system stop control, and after the system stop control is executed, the fuel cell system S is completely stopped.

ここで、システム起動制御及びシステム停止制御の内容について簡単に説明する。図3は、標準的な条件下におけるシステム起動制御の説明図である。
この図に示すように、システム起動制御では、まず制御部12は、固体高分子形燃料電池セル3に対して燃料ガス及び酸素含有ガスを予め設定された標準流量Fsにて供給するとともに、ヒータ5への通電量を増大させて固体高分子形燃料電池セル3の温度を徐々に上昇させる。やがて固体高分子形燃料電池セル3の温度が、当該固体高分子形燃料電池セル3が発電を開始する条件として予め設定された標準発電開始温度Tsに達すると、制御部12は発電を開始するとともに固体高分子形燃料電池セル3から取り出されて負荷部11に供給される出力電流(発電出力)を徐々に上昇させる。やがて出力電流が予め設定された標準出力電流Isに達すると、制御部12は固体高分子形燃料電池セル3に対する燃料ガス及び酸素含有ガスの供給流量を標準流量Fsから徐々に増加させる。なお、ここでは「標準流量Fs」は、燃料ガスについての標準流量と酸素含有ガスについての標準流量とを包括的に表す概念として用いている(以下、同様)。
Here, the contents of the system start control and the system stop control will be briefly described. FIG. 3 is an explanatory diagram of system activation control under standard conditions.
As shown in this figure, in the system start-up control, first, the control unit 12 supplies the fuel gas and the oxygen-containing gas to the polymer electrolyte fuel cell 3 at a preset standard flow rate Fs, and the heater. 5 is increased to gradually increase the temperature of the polymer electrolyte fuel cell 3. When the temperature of the polymer electrolyte fuel cell 3 reaches a standard power generation start temperature Ts set in advance as a condition for the polymer electrolyte fuel cell 3 to start power generation, the control unit 12 starts power generation. At the same time, the output current (power generation output) taken out from the polymer electrolyte fuel cell 3 and supplied to the load unit 11 is gradually increased. When the output current eventually reaches the preset standard output current Is, the control unit 12 gradually increases the supply flow rates of the fuel gas and the oxygen-containing gas to the polymer electrolyte fuel cell 3 from the standard flow rate Fs. Here, the “standard flow rate Fs” is used as a concept that comprehensively represents the standard flow rate for the fuel gas and the standard flow rate for the oxygen-containing gas (hereinafter the same).

システム起動制御が終了すると、通常運転制御に切り替わる。本実施形態では、通常運転制御として、エネルギ効率が最大となる状態で発電を行うように燃料電池システムSを制御する定格出力制御が行われる。本例では、このような定格出力制御は、発電出力が最大となる状態で発電を行うように燃料電池システムSを制御する最大出力制御でもある。なお、この通常運転制御時には、固体高分子形燃料電池セル3に対する燃料ガス及び酸素含有ガスの供給流量は運転時標準流量Frとなっている(図4を参照)。本例のように、定格出力制御が行われる場合には、運転時標準流量Frは定格電力を出力するだけの流量である。また、固体高分子形燃料電池セル3の温度は標準運転温度Trとなっている。なお、ここでは「運転時標準流量Fr」は、燃料ガスについての標準流量と酸素含有ガスについての標準流量とを包括的に表す概念として用いている(以下、同様)。   When the system startup control ends, the operation is switched to normal operation control. In the present embodiment, as the normal operation control, rated output control for controlling the fuel cell system S so as to generate power in a state where energy efficiency is maximized is performed. In this example, such rated output control is also maximum output control for controlling the fuel cell system S so that power generation is performed in a state where the power generation output is maximized. During the normal operation control, the supply flow rates of the fuel gas and the oxygen-containing gas to the polymer electrolyte fuel cell 3 are the normal operation flow rate Fr (see FIG. 4). When the rated output control is performed as in this example, the standard flow rate Fr during operation is a flow rate that only outputs the rated power. The temperature of the polymer electrolyte fuel cell 3 is a standard operating temperature Tr. Here, the “operational standard flow rate Fr” is used as a concept that comprehensively represents the standard flow rate for the fuel gas and the standard flow rate for the oxygen-containing gas (the same applies hereinafter).

図4は、標準的な条件下におけるシステム停止制御の説明図である。この図に示すように、システム停止制御では、まず制御部12は、固体高分子形燃料電池セル3に対する燃料ガス及び酸素含有ガスの供給流量を運転時標準流量Frから徐々に減少させるとともに、固体高分子形燃料電池セル3から取り出されて負荷部11に供給される出力電流(発電出力)を徐々に低下させる。この際、固体高分子形燃料電池セル3の温度も徐々に低下させる。やがて出力電流(発電出力)が予め設定された停止時標準電流Irに達すると、制御部12は固体高分子形燃料電池セル3に対する燃料ガス及び酸素含有ガスの供給流量を一定に維持させる。更に出力電流(発電出力)がゼロに達して発電が完全に停止すると、制御部12は燃料ガス及び酸素含有ガスの供給流量をゼロとする。   FIG. 4 is an explanatory diagram of system stop control under standard conditions. As shown in this figure, in the system stop control, first, the control unit 12 gradually decreases the supply flow rate of the fuel gas and the oxygen-containing gas to the polymer electrolyte fuel cell 3 from the standard flow rate Fr during operation, The output current (power generation output) taken out from the polymer fuel cell 3 and supplied to the load unit 11 is gradually reduced. At this time, the temperature of the polymer electrolyte fuel cell 3 is also gradually lowered. When the output current (power generation output) eventually reaches a preset stop-time standard current Ir, the control unit 12 maintains the supply flow rates of the fuel gas and the oxygen-containing gas to the polymer electrolyte fuel cell 3 constant. Further, when the output current (power generation output) reaches zero and power generation is completely stopped, the control unit 12 sets the supply flow rates of the fuel gas and the oxygen-containing gas to zero.

1−3.固体高分子形燃料電池セルの加湿状態
上述のように、燃料電池システムSでは、固体高分子形燃料電池セル3での発電による生成水で、当該固体高分子形燃料電池セル3自身の加湿を行う。そのためには、生成水が固体高分子形燃料電池セル3で有効に利用される必要がある。よって、生成水が固体高分子形燃料電池セル3の外部に持ち出されないようにすることが好ましい。固体高分子形燃料電池セル3の内部では、カソード3bで生成された生成水が、カソード3bの近傍のみに留まるのではなく、電解質3c及びアノード3aにまで浸透する。そして、燃料電池システムSが運転状態にある場合には、生成水は、アノード3aにおいて燃料ガスと常時接触し、カソード3bにおいて空気と常時接触する。その結果、アノード3aから排出されるガスによって、アノード3aの近傍に存在している生成水が固体高分子形燃料電池セル3の外部に持ち出され、カソード3bから排出されるガスによって、カソード3bの近傍に存在している生成水が固体高分子形燃料電池セル3の外部に持ち出される。
1-3. As described above, in the fuel cell system S, the polymer electrolyte fuel cell 3 itself is humidified with water generated by power generation in the polymer electrolyte fuel cell 3. Do. For this purpose, the produced water needs to be effectively used in the polymer electrolyte fuel cell 3. Therefore, it is preferable to prevent the produced water from being taken out of the polymer electrolyte fuel cell 3. Inside the polymer electrolyte fuel cell 3, the generated water generated at the cathode 3b permeates not only in the vicinity of the cathode 3b but also into the electrolyte 3c and the anode 3a. When the fuel cell system S is in an operating state, the generated water is always in contact with the fuel gas at the anode 3a and is always in contact with air at the cathode 3b. As a result, the generated water existing in the vicinity of the anode 3a is taken out of the polymer electrolyte fuel cell 3 by the gas discharged from the anode 3a, and the gas discharged from the cathode 3b The produced water present in the vicinity is taken out of the polymer electrolyte fuel cell 3.

制御部12は、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態をより加湿減少方向(より乾燥させる方向)へと移行させることができる。例えば、制御部12は、冷却手段Cの動作を制御して固体高分子形燃料電池セル3の温度を上げることで、生成水の蒸発量をより多くして、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿減少方向へと移行させることができる。或いは、制御部12は、燃料ガス供給部1及び酸素含有ガス供給部2の少なくとも何れか一方の動作を制御して固体高分子形燃料電池セル3に供給する燃料ガス及び酸素含有ガスの少なくとも何れか一方の流量を増加させることで、それらのガスによって固体高分子形燃料電池セル3の外部に持ち出される生成水の量をより多くして、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿減少方向へと移行させることができる。   The control unit 12 can shift the humidified state of the polymer electrolyte fuel cell 3 to a humidification decreasing direction (a direction of further drying). For example, the control unit 12 controls the operation of the cooling means C to raise the temperature of the polymer electrolyte fuel cell 3, thereby increasing the evaporation amount of the generated water, so that the polymer electrolyte fuel cell 3 It is possible to shift the humidified state in the direction of decreasing humidification. Alternatively, the control unit 12 controls the operation of at least one of the fuel gas supply unit 1 and the oxygen-containing gas supply unit 2 and supplies at least one of the fuel gas and the oxygen-containing gas supplied to the polymer electrolyte fuel cell 3. By increasing one of the flow rates, the amount of generated water brought out of the polymer electrolyte fuel cell 3 by those gases is increased, and the humidification state of the polymer electrolyte fuel cell 3 is humidified. It can be shifted in a decreasing direction.

或いは、制御部12は、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態をより加湿増大方向(より湿潤させる方向)へと移行させることができる。例えば、制御部12は、冷却手段Cの動作を制御して固体高分子形燃料電池セル3の温度を下げることで生成水の蒸発量をより少なくして、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿増大方向へと移行させることができる。或いは、制御部12は、燃料ガス供給部1及び酸素含有ガス供給部2の少なくとも何れか一方の動作を制御して固体高分子形燃料電池セル3に供給する燃料ガス及び酸素含有ガスの少なくとも何れか一方の流量を減少させることで、それらのガスによって固体高分子形燃料電池セル3の外部に持ち出される生成水の量をより少なくして、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿増大方向へと移行させることができる。   Or the control part 12 can transfer the humidification state of the polymer electrolyte fuel cell 3 to a humidification increasing direction (direction to make it wet more). For example, the control unit 12 controls the operation of the cooling means C to lower the temperature of the polymer electrolyte fuel cell 3 to reduce the evaporation amount of generated water, so that the polymer electrolyte fuel cell 3 The humidified state can be shifted in the direction of increasing humidification. Alternatively, the control unit 12 controls the operation of at least one of the fuel gas supply unit 1 and the oxygen-containing gas supply unit 2 and supplies at least one of the fuel gas and the oxygen-containing gas supplied to the polymer electrolyte fuel cell 3. By reducing one of the flow rates, the amount of generated water brought out of the polymer electrolyte fuel cell 3 by these gases is reduced, and the humidification state of the polymer electrolyte fuel cell 3 is humidified. It can be shifted in the increasing direction.

1−4.加湿状態検証工程
加湿状態検証工程Vは、システム起動時における固体高分子形燃料電池セル3の出力電圧を監視し、当該出力電圧に基づいて、固体高分子形燃料電池セル3が水不足状態、水過多状態、及び適正状態のうちのいずれの状態にあるかを検証する工程である。例えば固体高分子形燃料電池セル3に存在する水が増えて水過多状態になっていると、通常運転時等に、アノード3a及びカソード3bを構成するガス拡散層の細孔内が水で塞がれてガスの拡散が阻害される。また、固体高分子形燃料電池セル3に存在する水が少なくなって水不足状態になっていると、電解質3cにおける水素イオンの伝導性が悪くなる(即ち、抵抗が大きくなる)。その結果、固体高分子形燃料電池セル3の出力電圧が低下したり、固体高分子形燃料電池セル3が劣化したりするなどの問題が発生する可能性がある。
1-4. Humidification state verification process The humidification state verification process V monitors the output voltage of the polymer electrolyte fuel cell 3 at the time of starting the system, and based on the output voltage, the polymer electrolyte fuel cell 3 is in a water-deficient state, water This is a step of verifying whether the state is an excessive state or an appropriate state. For example, when the amount of water present in the polymer electrolyte fuel cell 3 is increased and the water is excessive, the pores of the gas diffusion layers constituting the anode 3a and the cathode 3b are blocked with water during normal operation. The gas diffusion is hindered. In addition, when the amount of water present in the polymer electrolyte fuel cell 3 is reduced and the water is insufficient, the conductivity of hydrogen ions in the electrolyte 3c is deteriorated (that is, the resistance is increased). As a result, problems such as a decrease in the output voltage of the polymer electrolyte fuel cell 3 and deterioration of the polymer electrolyte fuel cell 3 may occur.

そこで、この加湿状態検証工程Vでは、システム起動時における固体高分子形燃料電池セル3の出力電圧を指標として固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を検証し、当該固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態が、適正状態にあるのか、又は、水過多状態にあるのか、又は、水不足状態にあるのか、を判定する。なお、「水過多状態」は固体高分子形燃料電池セル3に存在する水が必要量以上に増えた状態であり、「水不足状態」は固体高分子形燃料電池セル3に存在する水が必要量よりも少ない状態である。また、「適正状態」は、水過多状態と水不足状態との間の、固体高分子形燃料電池セル3に必要量の水がほぼ過不足なく存在する状態である。   Therefore, in this humidified state verification step V, the humidified state of the polymer electrolyte fuel cell 3 is verified using the output voltage of the polymer electrolyte fuel cell 3 at the time of system startup as an index, and the polymer electrolyte fuel cell It is determined whether the humidified state of the cell 3 is in an appropriate state, in an excessive water state, or in a water shortage state. The “excessive water state” is a state in which the amount of water present in the polymer electrolyte fuel cell 3 has increased more than necessary, and the “water shortage state” requires the water present in the polymer electrolyte fuel cell 3. The state is less than the amount. In addition, the “appropriate state” is a state where the polymer electrolyte fuel cell 3 has a necessary amount of water between the excessive water state and the insufficient water state, and there is almost no excess or insufficient.

本実施形態において、加湿状態検証工程Vでは、固体高分子形燃料電池セル3の出力電圧の値及び安定性を指標として固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態が検証される。本例では、加湿状態検証工程Vでは、固体高分子形燃料電池セル3の出力電圧値の、適正状態において期待される出力電圧値に対する低下度合いと、固体高分子形燃料電池セル3の出力電圧の安定性の、適正状態において期待される出力電圧の安定性に対する不安定化度合いと、が監視される。そして、図5に示すように、出力電圧値の低下度合いが大きい場合に水不足状態と判定され、出力電圧の不安定化度合いが大きい場合に水過多状態と判定される。すなわち、固体高分子形燃料電池セル3の出力電圧値が適正状態において期待される正常出力電圧値範囲を超えて低下している場合に、水不足状態と判定される。より具体的には、固体高分子形燃料電池セル3の出力電圧値が、適正状態において期待される出力電圧値の例えば96%以下まで低下した場合に水不足状態と判定される。一方、固体高分子形燃料電池セル3の出力電圧の安定性が適正状態において期待される出力電圧の安定度合いを超えて不安定化している場合に、水過多状態と判定される。より具体的には、固体高分子形燃料電池セル3の出力電圧値の単位時間当たりの変動幅が、適正状態において期待される出力電圧値の単位時間当たりの変動幅の例えば5倍以上となった場合に水過多状態と判定される。なお、上記の判定基準はあくまで一例であり、固体高分子形燃料電池セル3の特性に応じて適宜設定変更が可能である。また、水不足状態及び水過多状態のいずれとも判定されない場合に適正状態と判定される。すなわち、出力電圧値が安定性を維持しており、かつ、ほとんど低下していない場合に適正状態と判定される。   In the present embodiment, in the humidified state verification step V, the humidified state of the polymer electrolyte fuel cell 3 is verified using the output voltage value and stability of the polymer electrolyte fuel cell 3 as indices. In this example, in the humidification state verification step V, the degree of decrease of the output voltage value of the polymer electrolyte fuel cell 3 with respect to the output voltage value expected in the appropriate state, and the output voltage of the polymer electrolyte fuel cell 3 The degree of instability with respect to the stability of the output voltage expected in the proper state is monitored. And as shown in FIG. 5, when the fall degree of an output voltage value is large, it determines with a water shortage state, and when the instability degree of an output voltage is large, it determines with an excessive water state. That is, when the output voltage value of the polymer electrolyte fuel cell 3 is lower than the normal output voltage value range expected in the proper state, it is determined that the water is insufficient. More specifically, when the output voltage value of the polymer electrolyte fuel cell 3 is reduced to, for example, 96% or less of the output voltage value expected in an appropriate state, it is determined that the water is insufficient. On the other hand, when the stability of the output voltage of the polymer electrolyte fuel cell 3 exceeds the degree of stability of the output voltage expected in an appropriate state, it is determined that the water is excessive. More specifically, the fluctuation width per unit time of the output voltage value of the polymer electrolyte fuel cell 3 is, for example, five times or more the fluctuation width per unit time of the output voltage value expected in an appropriate state. In the case of excessive water. Note that the above-described determination criterion is merely an example, and the setting can be appropriately changed according to the characteristics of the polymer electrolyte fuel cell 3. Moreover, when neither a water shortage state nor an excessive water state is determined, it is determined as an appropriate state. That is, when the output voltage value maintains stability and hardly decreases, it is determined as an appropriate state.

なお、本実施形態においては、固体高分子形燃料電池セル3の劣化を抑制するべく、許容される出力電圧の下限値である第一設定電圧(制限電圧)Rvが予め設定されている。例えば水不足状態にある場合には、固体高分子形燃料電池セル3の出力電圧が大きく低下し、第一設定電圧Rvに達すると、制御部12は固体高分子形燃料電池セル3の出力電流を一定に維持して出力電圧の上昇を待つ。やがて、固体高分子形燃料電池セル3の出力電圧が、第一設定電圧Rvよりも大きい値に設定された第二設定電圧(許可電圧)Pvまで上昇すると出力電流を上昇させることが許可され、制御部12は固体高分子形燃料電池セル3の出力電流を再度上昇させる。これにより固体高分子形燃料電池セル3の出力電圧は再度低下する。以上の動作が、逐次繰り返して行われる。その結果、図5に示すように、水不足状態ではシステム起動時には固体高分子形燃料電池セル3の出力電流は段階的に上昇する。一方、例えば適正状態にある場合には、固体高分子形燃料電池セル3の出力電圧は大きく低下することがないので、システム起動時には固体高分子形燃料電池セル3の出力電流は直線的(一次関数的)に上昇する。   In the present embodiment, in order to suppress the deterioration of the polymer electrolyte fuel cell 3, a first set voltage (limit voltage) Rv that is a lower limit value of an allowable output voltage is set in advance. For example, when the water shortage state occurs, the output voltage of the polymer electrolyte fuel cell 3 greatly decreases, and when the first set voltage Rv is reached, the control unit 12 changes the output current of the polymer electrolyte fuel cell 3. Keep constant and wait for output voltage to rise. Eventually, when the output voltage of the polymer electrolyte fuel cell 3 rises to the second set voltage (permitted voltage) Pv set to a value larger than the first set voltage Rv, it is allowed to increase the output current. The controller 12 increases the output current of the polymer electrolyte fuel cell 3 again. As a result, the output voltage of the polymer electrolyte fuel cell 3 decreases again. The above operation is repeated sequentially. As a result, as shown in FIG. 5, in the water shortage state, the output current of the polymer electrolyte fuel cell 3 rises step by step when the system is started. On the other hand, for example, in an appropriate state, the output voltage of the polymer electrolyte fuel cell 3 does not drop greatly, so that the output current of the polymer electrolyte fuel cell 3 is linear (primary Rises functionally).

1−5.起動時加湿状態調節工程
起動時加湿状態調節工程Aは、加湿状態検証工程Vの検証結果に基づいて、当該加湿状態検証工程V以降のシステム起動時における固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を調節する工程である。言い換えれば、起動時加湿状態調節工程Aは、それ以前に行われた一又は二以上の加湿状態検証工程Vの検証結果に基づいて、システム起動時における固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を調節する工程である。本例では、起動時加湿状態調節工程Aでは、直近の加湿状態検証工程Vの検証結果に基づいて固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態が調節される。例えば図2において、加湿状態検証工程V1の検証結果に基づいて起動時加湿状態調節工程A2が行われ、加湿状態検証工程V2の検証結果に基づいて起動時加湿状態調節工程A3が行われる。このような起動時加湿状態調節工程Aは、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿増大方向に調節すること及び加湿減少方向に調節することの両方を含む。
1-5. Humidification state adjustment process at startup The humidification state adjustment process A at startup is based on the verification result of the humidification state verification process V, and the humidification state of the polymer electrolyte fuel cell 3 at the time of system startup after the humidification state verification process V Is a step of adjusting In other words, the startup humidification state adjustment step A is based on the verification result of one or more humidification state verification steps V performed before that, and the humidification state of the polymer electrolyte fuel cell 3 at the time of system startup Is a step of adjusting In this example, in the starting humidification state adjustment step A, the humidification state of the polymer electrolyte fuel cell 3 is adjusted based on the verification result of the latest humidification state verification step V. For example, in FIG. 2, the startup humidification state adjustment step A2 is performed based on the verification result of the humidification state verification step V1, and the startup humidification state adjustment step A3 is performed based on the verification result of the humidification state verification step V2. Such start-up humidification state adjustment step A includes both adjusting the humidification state of the polymer electrolyte fuel cell 3 in the humidification increasing direction and adjusting the humidification decreasing direction.

本実施形態に係る起動時加湿状態調節工程Aでは、加湿状態検証工程Vにおいて得られた検証結果に基づき、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態に応じて、固体高分子形燃料電池セル3が発電を開始する条件を規定するために設定される発電開始温度が調節される。   In the startup humidification state adjustment step A according to the present embodiment, based on the verification result obtained in the humidification state verification step V, the solid polymer fuel cell unit according to the humidification state of the polymer electrolyte fuel cell unit 3 The power generation start temperature set in order to define the conditions under which 3 starts power generation is adjusted.

加湿状態検証工程Vにおいて固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態が水不足状態であるという検証結果が得られた場合、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿増大方向(より湿潤させる方向)に移行させれば良い。
そこで、水不足状態であるという検証結果が得られた場合、本実施形態における起動時加湿状態調節工程Aでは、固体高分子形燃料電池セル3が発電を開始する条件を規定するために設定される発電開始温度を、適正状態である場合における発電開始温度である標準発電開始温度Tsよりも低下させる。すなわち、図6に示すように、システム起動時のシステム起動制御において、固体高分子形燃料電池セル3の温度が標準発電開始温度Tsよりも低い値に設定された発電開始温度T1(T1<Ts)に達した時点で、制御部12は発電を開始するとともに固体高分子形燃料電池セル3から取り出す出力電流(発電出力)を徐々に上昇させる。このように、固体高分子形燃料電池セル3の温度が標準発電開始温度Tsよりも低い状態から発電を開始することで、システム起動時における生成水の蒸発量をより少なくして、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿増大方向へと移行させることができる。
When the verification result that the humidification state of the polymer electrolyte fuel cell 3 is a water shortage state is obtained in the humidification state verification step V, the humidification state of the polymer electrolyte fuel cell 3 is increased in the humidification direction (more wetted) Direction).
Therefore, when a verification result indicating a water shortage state is obtained, the startup humidification state adjustment step A in the present embodiment is set in order to define the conditions under which the polymer electrolyte fuel cell 3 starts power generation. The power generation start temperature is lowered below the standard power generation start temperature Ts, which is the power generation start temperature in the proper state. That is, as shown in FIG. 6, in the system start-up control at the time of system start-up, the power generation start temperature T1 (T1 <Ts) where the temperature of the polymer electrolyte fuel cell 3 is set to a value lower than the standard power generation start temperature Ts. ), The control unit 12 starts power generation and gradually increases the output current (power generation output) extracted from the polymer electrolyte fuel cell 3. Thus, by starting the power generation from a state where the temperature of the solid polymer fuel cell 3 is lower than the standard power generation start temperature Ts, the amount of generated water evaporated at the time of starting the system can be reduced, and the solid polymer The humidified state of the fuel cell 3 can be shifted in the direction of increasing humidification.

一方、加湿状態検証工程Vにおいて固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態が水過多状態であるという検証結果が得られた場合、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿減少方向(より乾燥させる方向)に移行させれば良い。
そこで、水過多状態であるという検証結果が得られた場合、本実施形態における起動時加湿状態調節工程Aでは、固体高分子形燃料電池セル3が発電を開始する条件を規定するために設定される発電開始温度を、適正状態である場合における発電開始温度である標準発電開始温度Tsよりも上昇させる。すなわち、図6に示すように、システム起動時のシステム起動制御において、固体高分子形燃料電池セル3の温度が標準発電開始温度Tsよりも高い値に設定された発電開始温度T2(T2>Ts)に達するのを待ってから、制御部12は発電を開始するとともに固体高分子形燃料電池セル3から取り出す出力電流(発電出力)を徐々に上昇させる。このように、固体高分子形燃料電池セル3の温度が標準発電開始温度Tsよりも高い状態から発電を開始することで、システム起動時における生成水の蒸発量をより多くして、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿減少方向へと移行させることができる。なお、図6のタイムチャートにおいては、視認性を考慮して発電を開始する時点を揃えて表示している。
On the other hand, when the verification result that the humidification state of the polymer electrolyte fuel cell 3 is an excessive water state is obtained in the humidification state verification step V, the humidification state of the polymer electrolyte fuel cell 3 is reduced in the humidification direction ( What is necessary is just to make it transfer to the direction of drying more.
Therefore, when a verification result indicating that the water is excessive is obtained, the start-up humidification state adjustment step A in the present embodiment is set in order to define the conditions under which the polymer electrolyte fuel cell 3 starts power generation. The power generation start temperature is raised above the standard power generation start temperature Ts, which is the power generation start temperature in the proper state. That is, as shown in FIG. 6, in the system start-up control at the time of system start-up, the power generation start temperature T2 (T2> Ts) in which the temperature of the polymer electrolyte fuel cell 3 is set to a value higher than the standard power generation start temperature Ts. ), The controller 12 starts power generation and gradually increases the output current (power generation output) taken out from the polymer electrolyte fuel cell 3. In this way, by starting power generation from a state in which the temperature of the solid polymer fuel cell 3 is higher than the standard power generation start temperature Ts, the amount of evaporation of generated water at the time of starting the system is increased, and the solid polymer The humidified state of the fuel cell 3 can be shifted in the direction of decreasing humidification. In the time chart of FIG. 6, the time points at which power generation is started are also displayed in consideration of visibility.

より具体的には、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿増大方向へと移行させるべく、発電開始温度を標準発電開始温度Tsに対して例えば5〜10℃だけ低下させてT1とする。この場合における低下幅は、加湿状態検証工程Vにおいて認められた固体高分子形燃料電池セル3の出力電圧の低下度合いに応じて可変とされても良い。すなわち、加湿状態検証工程Vにおける出力電圧の低下度合いが大きいほど、より低い発電開始温度T1を設定する構成を採用することができる。
或いは、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿減少方向へと移行させるべく、発電開始温度を標準発電開始温度Tsに対して例えば5〜10℃だけ上昇させてT2とする。この場合における上昇幅は、加湿状態検証工程Vにおいて認められた固体高分子形燃料電池セル3の出力電圧の不安定化度合いに応じて可変とされても良い。すなわち、加湿状態検証工程Vにおける出力電圧の不安定化度合いが大きいほど、より高い発電開始温度T2を設定する構成を採用することができる。
なお、上記の設定基準はあくまで一例であり、固体高分子形燃料電池セル3の特性に応じて適宜設定変更が可能である。
More specifically, in order to shift the humidification state of the polymer electrolyte fuel cell 3 to the humidification increasing direction, the power generation start temperature is decreased by, for example, 5 to 10 ° C. with respect to the standard power generation start temperature Ts, and T1 To do. The decrease width in this case may be variable according to the degree of decrease in the output voltage of the polymer electrolyte fuel cell 3 recognized in the humidified state verification step V. That is, it is possible to adopt a configuration in which the lower power generation start temperature T1 is set as the degree of decrease in the output voltage in the humidified state verification step V is larger.
Alternatively, the power generation start temperature is increased by, for example, 5 to 10 ° C. with respect to the standard power generation start temperature Ts to T2 in order to shift the humidification state of the polymer electrolyte fuel cell 3 to the humidification decreasing direction. The range of increase in this case may be made variable according to the degree of instability of the output voltage of the polymer electrolyte fuel cell 3 recognized in the humidified state verification step V. That is, it is possible to employ a configuration in which a higher power generation start temperature T2 is set as the degree of instability of the output voltage in the humidified state verification process V is larger.
In addition, said setting reference | standard is an example to the last, A setting change is possible suitably according to the characteristic of the polymer electrolyte fuel cell 3. FIG.

1−6.停止時加湿状態調節工程
停止時加湿状態調節工程Bは、加湿状態検証工程Vの検証結果に基づいて、当該加湿状態検証工程V以降のシステム停止時における固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を調節する工程である。言い換えれば、停止時加湿状態調節工程Bは、それ以前に行われた一又は二以上の加湿状態検証工程Vの検証結果に基づいて、システム停止時における固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を調節する工程である。本例では、停止時加湿状態調節工程Bでは、直近の加湿状態検証工程Vの検証結果に基づいて固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態が調節される。例えば図2において、加湿状態検証工程V1の検証結果に基づいて停止時加湿状態調節工程B1が行われ、加湿状態検証工程V2の検証結果に基づいて停止時加湿状態調節工程B2が行われ、加湿状態検証工程V3の検証結果に基づいて停止時加湿状態調節工程B3が行われる。このような停止時加湿状態調節工程Bは、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿増大方向に調節すること及び加湿減少方向に調節することの両方を含む。
1-6. Humidity state adjustment process at stop The humidification state adjustment process B at stop is based on the verification result of the humidification state verification process V, and the humidification state of the polymer electrolyte fuel cell 3 when the system is stopped after the humidification state verification process V Is a step of adjusting In other words, the humidification state adjustment process B at the time of stop is based on the verification result of one or more humidification state verification processes V performed before that, and the humidification state of the polymer electrolyte fuel cell 3 at the time of system stop Is a step of adjusting In this example, in the humidification state adjustment step B at the time of stop, the humidification state of the polymer electrolyte fuel cell 3 is adjusted based on the verification result of the latest humidification state verification step V. For example, in FIG. 2, the stop humidification state adjustment step B1 is performed based on the verification result of the humidification state verification step V1, and the stop humidification state adjustment step B2 is performed based on the verification result of the humidification state verification step V2. Based on the verification result of the state verification step V3, the stop humidification state adjustment step B3 is performed. Such a stop-time humidification state adjusting step B includes both adjusting the humidification state of the polymer electrolyte fuel cell 3 in the humidification increasing direction and adjusting the humidification decreasing direction.

本実施形態に係る停止時加湿状態調節工程Bでは、加湿状態検証工程Vにおいて得られた検証結果に基づき、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態に応じて、システム停止時に発電出力を低下させ始める際の固体高分子形燃料電池セル3の温度が調節される。   In the stop humidification state adjustment step B according to this embodiment, based on the verification result obtained in the humidification state verification step V, the power generation output is reduced when the system is stopped according to the humidification state of the polymer electrolyte fuel cell 3. The temperature of the polymer electrolyte fuel cell 3 at the start is adjusted.

加湿状態検証工程Vにおいて固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態が水不足状態であるという検証結果が得られた場合、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿増大方向(より湿潤させる方向)に移行させれば良い。
そこで、水不足状態であるという検証結果が得られた場合、本実施形態における停止時加湿状態調節工程Bでは、固体高分子形燃料電池セル3の温度を、適正状態である場合における温度(本例では、標準運転温度Trとなっている)よりも低下させる。すなわち、図7に示すように、システム停止時のシステム停止制御において、固体高分子形燃料電池セル3の温度を標準運転温度Trよりも低いT3(T3<Tr)としてから、制御部12は固体高分子形燃料電池セル3から取り出す出力電流(発電出力)を徐々に低下させて発電を停止する。このように、固体高分子形燃料電池セル3の温度が標準運転温度Trよりも低い状態から発電出力を低下させて発電を停止することで、システム停止時における生成水の蒸発量をより少なくして、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿増大方向へと移行させることができる。
When the verification result that the humidification state of the polymer electrolyte fuel cell 3 is a water shortage state is obtained in the humidification state verification step V, the humidification state of the polymer electrolyte fuel cell 3 is increased in the humidification direction (more wetted). Direction).
Therefore, when the verification result that the water is insufficient is obtained, in the stop humidification state adjustment step B in the present embodiment, the temperature of the polymer electrolyte fuel cell 3 is set to the temperature in the proper state (this example). Then, it is lower than the standard operating temperature Tr). That is, as shown in FIG. 7, in the system stop control at the time of system stop, after the temperature of the polymer electrolyte fuel cell 3 is set to T3 (T3 <Tr) lower than the standard operation temperature Tr, the control unit 12 is solid. The power generation is stopped by gradually decreasing the output current (power generation output) extracted from the polymer fuel cell 3. In this way, by reducing the power generation output from the state where the temperature of the polymer electrolyte fuel cell 3 is lower than the standard operating temperature Tr and stopping the power generation, the amount of evaporation of generated water when the system is stopped is reduced. Thus, the humidified state of the polymer electrolyte fuel cell 3 can be shifted in the direction of increasing humidification.

一方、加湿状態検証工程Vにおいて固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態が水過多状態であるという検証結果が得られた場合、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿減少方向(より乾燥させる方向)に移行させれば良い。
そこで、水過多状態であるという検証結果が得られた場合、本実施形態における停止時加湿状態調節工程Bでは、固体高分子形燃料電池セル3の温度を、適正状態である場合における標準運転温度Trよりも上昇させる。すなわち、図7に示すように、システム停止時のシステム停止制御において、固体高分子形燃料電池セル3の温度を標準運転温度Trよりも高いT4(T4>Tr)としてから、制御部12は固体高分子形燃料電池セル3から取り出す出力電流(発電出力)を徐々に低下させて発電を停止する。このように、固体高分子形燃料電池セル3の温度が標準運転温度Trよりも高い状態から発電出力を低下させて発電を停止することで、システム停止時における生成水の蒸発量をより多くして、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿減少方向へと移行させることができる。
On the other hand, when the verification result that the humidification state of the polymer electrolyte fuel cell 3 is an excessive water state is obtained in the humidification state verification step V, the humidification state of the polymer electrolyte fuel cell 3 is reduced in the humidification direction ( What is necessary is just to make it transfer to the direction of drying more.
Therefore, when the verification result that the water is excessive is obtained, in the stop humidification state adjustment step B in the present embodiment, the temperature of the polymer electrolyte fuel cell 3 is set to the standard operation temperature in the proper state. Raise than Tr. That is, as shown in FIG. 7, in the system stop control at the time of system stop, after the temperature of the polymer electrolyte fuel cell 3 is set to T4 (T4> Tr) higher than the standard operation temperature Tr, the control unit 12 is solid. The power generation is stopped by gradually decreasing the output current (power generation output) extracted from the polymer fuel cell 3. In this way, by reducing the power generation output from the state where the temperature of the polymer electrolyte fuel cell 3 is higher than the standard operating temperature Tr and stopping the power generation, the amount of generated water evaporated when the system is stopped is increased. Thus, the humidified state of the polymer electrolyte fuel cell 3 can be shifted in the direction of decreasing humidification.

より具体的には、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿増大方向へと移行させるべく、固体高分子形燃料電池セル3から取り出す出力電流(発電出力)を低下させ始める温度を標準運転温度Trに対して例えば5〜10℃だけ低下させてT3とする。この場合における低下幅は、加湿状態検証工程Vにおいて認められた固体高分子形燃料電池セル3の出力電圧の低下度合いに応じて可変とする構成としても良い。すなわち、加湿状態検証工程Vにおける出力電圧の低下度合いが大きいほど、より低い温度T3の状態から出力電流(発電出力)を低下させ始める構成を採用することができる。
或いは、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿減少方向へと移行させるべく、固体高分子形燃料電池セル3から取り出す出力電流(発電出力)を低下させ始める温度を標準運転温度Trに対して例えば5〜10℃だけ上昇させてT4とする。この場合における上昇幅は、加湿状態検証工程Vにおいて認められた固体高分子形燃料電池セル3の出力電圧の不安定化度合いに応じて可変とする構成としても良い。すなわち、加湿状態検証工程Vにおける出力電圧の不安定化度合いが大きいほど、より高い温度T4の状態から出力電流(発電出力)を低下させ始める構成を採用することができる。
なお、上記の設定基準はあくまで一例であり、固体高分子形燃料電池セル3の特性に応じて適宜設定変更が可能である。
More specifically, the temperature at which the output current (power generation output) extracted from the polymer electrolyte fuel cell 3 starts to decrease is standardized in order to shift the humidification state of the polymer electrolyte fuel cell 3 toward the direction of increasing humidification. For example, the operating temperature Tr is lowered by 5 to 10 ° C. to obtain T3. The reduction width in this case may be variable depending on the degree of reduction in the output voltage of the polymer electrolyte fuel cell 3 recognized in the humidification state verification step V. That is, it is possible to employ a configuration in which the output current (power generation output) starts to decrease from a lower temperature T3 as the degree of decrease in the output voltage in the humidified state verification step V increases.
Alternatively, the temperature at which the output current (power generation output) taken out from the polymer electrolyte fuel cell 3 starts to decrease is set to the standard operating temperature Tr in order to shift the humidification state of the polymer electrolyte fuel cell 3 to the humidification decreasing direction. In contrast, for example, the temperature is increased by 5 to 10 ° C. to T4. The increase width in this case may be variable according to the degree of instability of the output voltage of the polymer electrolyte fuel cell 3 recognized in the humidified state verification step V. That is, it is possible to employ a configuration in which the output current (power generation output) starts to decrease from a higher temperature T4 as the degree of instability of the output voltage in the humidified state verification step V increases.
In addition, said setting reference | standard is an example to the last, A setting change is possible suitably according to the characteristic of the polymer electrolyte fuel cell 3. FIG.

以上のように、制御部12は、加湿状態検証制御での検証結果に基づいて、システム起動時及びシステム停止時における固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿増大方向に調節すること及び加湿減少方向に調節することの両方を含む加湿状態調節制御を行う。従って、加湿状態検証制御及び加湿状態調節制御によって、システム起動時及びシステム停止時に固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態が適宜調節されるため、固体高分子形燃料電池セル3の性能が継続的に良好に維持される。特に、本実施形態のように固体高分子形燃料電池セル3に対して水分を供給するための特別な加湿機能(例えば、アノード3a及びカソード3bに供給されるガスに水蒸気を含ませるバブラー装置など)を備えておらず、固体高分子形燃料電池セル3での発電時の生成水で固体高分子形燃料電池セル3の加湿が行われるような、低加湿条件で運転される燃料電池システムSであっても、加湿状態検証制御及び加湿状態調節制御によって、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を適切に調節できる。   As described above, the control unit 12 adjusts the humidification state of the polymer electrolyte fuel cell 3 at the time of system start and system stop in the humidification increasing direction based on the verification result in the humidification state verification control, and Humidification state adjustment control including both adjustment in the direction of decreasing humidity is performed. Therefore, the humidification state verification control and the humidification state adjustment control appropriately adjust the humidification state of the polymer electrolyte fuel cell 3 when the system is started and when the system is stopped. Therefore, the performance of the polymer electrolyte fuel cell 3 is continued. Maintained well. In particular, a special humidification function for supplying moisture to the polymer electrolyte fuel cell 3 as in this embodiment (for example, a bubbler device that includes water vapor in the gas supplied to the anode 3a and the cathode 3b) ) And is operated under low humidification conditions such that the polymer electrolyte fuel cell 3 is humidified with water generated during power generation in the polymer electrolyte fuel cell 3 Even so, the humidification state of the polymer electrolyte fuel cell 3 can be appropriately adjusted by the humidification state verification control and the humidification state adjustment control.

2.第二の実施形態
本発明に係る燃料電池システムSの起動方法及び停止方法の第二の実施形態について、図面を参照して説明する。本実施形態に係る燃料電池システムSでは、起動時加湿状態調節工程A及び停止時加湿状態調節工程Bにおいて固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を調節するための手法が上記第一の実施形態とは相違している。以下では、本実施形態に係る燃料電池システムSの起動方法及び停止方法について、上記第一の実施形態との相違点を中心に詳細に説明する。なお、特に明記しない点については、上記第一の実施形態と同様とする。
2. Second Embodiment A second embodiment of the starting method and stopping method of the fuel cell system S according to the present invention will be described with reference to the drawings. In the fuel cell system S according to this embodiment, the method for adjusting the humidification state of the polymer electrolyte fuel cell 3 in the humidification state adjustment step A at startup and the humidification state adjustment step B at stop is the first implementation described above. It is different from the form. Below, the starting method and the stopping method of the fuel cell system S according to the present embodiment will be described in detail with a focus on differences from the first embodiment. Note that points not particularly specified are the same as those in the first embodiment.

2−1.起動時加湿状態調節工程
本実施形態に係る起動時加湿状態調節工程Aでは、加湿状態検証工程Vにおいて得られた検証結果に基づき、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態に応じて、システム起動時に固体高分子形燃料電池セル3に供給される燃料ガス及び酸素含有ガスの少なくとも何れか一方の流量が調節される。
2-1. In startup humidification state adjustment step A according to the present embodiment, based on the verification result obtained in the humidification state verification step V, the system is selected according to the humidification state of the polymer electrolyte fuel cell 3. The flow rate of at least one of the fuel gas and the oxygen-containing gas supplied to the polymer electrolyte fuel cell 3 at startup is adjusted.

加湿状態検証工程Vにおいて水不足状態であるという検証結果が得られた場合、本実施形態における起動時加湿状態調節工程Aでは、システム起動時に固体高分子形燃料電池セル3に供給する燃料ガス及び酸素含有ガスの少なくとも何れか一方の流量を、適正状態である場合における流量(本例では、標準流量Fsに設定されている)よりも減少させる。すなわち、図8に示すように、システム起動時のシステム起動制御において、固体高分子形燃料電池セル3に対して燃料ガス及び酸素含有ガスの少なくとも何れか一方を、予め設定された標準流量Fsよりも低い流量F1(F1<Fs)にて供給した状態で、制御部12は発電を開始するとともに固体高分子形燃料電池セル3から取り出す出力電流(発電出力)を徐々に上昇させる。このように、燃料ガス及び酸素含有ガスの少なくとも何れか一方の供給流量が標準流量Fsよりも低い状態で発電を開始することで、システム起動時にこれらのガスによって固体高分子形燃料電池セル3の外部に持ち出される生成水の量をより少なくして、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿増大方向へと移行させることができる。   In the humidification state verification step V, when a verification result indicating that the water is insufficient is obtained, in the startup humidification state adjustment step A in this embodiment, the fuel gas and oxygen supplied to the polymer electrolyte fuel cell 3 at the time of system startup The flow rate of at least one of the contained gases is decreased from the flow rate in the proper state (in this example, the standard flow rate Fs is set). That is, as shown in FIG. 8, in the system start-up control at the time of system start-up, at least one of fuel gas and oxygen-containing gas is supplied to the polymer electrolyte fuel cell 3 from a preset standard flow rate Fs. The control unit 12 starts power generation while supplying at a lower flow rate F1 (F1 <Fs) and gradually increases the output current (power generation output) extracted from the polymer electrolyte fuel cell 3. Thus, by starting the power generation in a state where the supply flow rate of at least one of the fuel gas and the oxygen-containing gas is lower than the standard flow rate Fs, the solid polymer fuel cell 3 of the polymer polymer fuel cell 3 is activated by these gases when the system is started. The amount of generated water taken out to the outside can be reduced, and the humidified state of the polymer electrolyte fuel cell 3 can be shifted in the direction of increasing humidification.

一方、加湿状態検証工程Vにおいて水過多状態であるという検証結果が得られた場合、本実施形態における起動時加湿状態調節工程Aでは、システム起動時に固体高分子形燃料電池セル3に供給する燃料ガス及び酸素含有ガスの少なくとも何れか一方の流量を、適正状態である場合における標準流量Fsよりも増加させる。すなわち、図8に示すように、システム起動時のシステム起動制御において、固体高分子形燃料電池セル3に対して燃料ガス及び酸素含有ガスの少なくとも何れか一方を、予め設定された標準流量Fsよりも高い流量F2(F2>Fs)にて供給した状態で、制御部12は発電を開始するとともに固体高分子形燃料電池セル3から取り出す出力電流(発電出力)を徐々に上昇させる。このように、燃料ガス及び酸素含有ガスの少なくとも何れか一方の供給流量が標準流量Fsよりも高い状態で発電を開始することで、システム起動時にこれらのガスによって固体高分子形燃料電池セル3の外部に持ち出される生成水の量をより多くして、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿減少方向へと移行させることができる。   On the other hand, in the humidified state verification step V, when a verification result indicating that there is an excessive water state is obtained, in the startup humidified state adjustment step A in this embodiment, the fuel supplied to the polymer electrolyte fuel cell 3 at the time of system startup The flow rate of at least one of the gas and the oxygen-containing gas is increased from the standard flow rate Fs in the proper state. That is, as shown in FIG. 8, in the system start-up control at the time of system start-up, at least one of fuel gas and oxygen-containing gas is supplied to the polymer electrolyte fuel cell 3 from a preset standard flow rate Fs. The control unit 12 starts power generation while supplying at a higher flow rate F2 (F2> Fs) and gradually increases the output current (power generation output) extracted from the polymer electrolyte fuel cell 3. As described above, by starting power generation in a state where the supply flow rate of at least one of the fuel gas and the oxygen-containing gas is higher than the standard flow rate Fs, the solid polymer fuel cell 3 is activated by these gases when the system is started. It is possible to increase the amount of generated water to be taken to the outside and shift the humidified state of the polymer electrolyte fuel cell 3 in the direction of decreasing humidification.

より具体的には、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿増大方向へと移行させるべく、固体高分子形燃料電池セル3に供給する燃料ガス及び酸素含有ガスの少なくとも何れか一方の流量を標準流量Fsに対して例えば5〜15%だけ低下させてF1とする。或いは、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿減少方向へと移行させるべく、固体高分子形燃料電池セル3に供給する燃料ガス及び酸素含有ガスの少なくとも何れか一方の流量を標準流量Fsに対して例えば5〜20%だけ上昇させてF2とする。これらの場合における変化幅は、加湿状態検証工程Vにおいて認められた固体高分子形燃料電池セル3の出力電圧の低下度合い又は不安定化度合いに応じて可変とされても良い。なお、上記の設定基準はあくまで一例であり、固体高分子形燃料電池セル3の特性に応じて適宜設定変更が可能である。   More specifically, at least one of a fuel gas and an oxygen-containing gas supplied to the polymer electrolyte fuel cell 3 in order to shift the humidification state of the polymer electrolyte fuel cell 3 toward the humidification increasing direction. The flow rate is reduced by, for example, 5 to 15% with respect to the standard flow rate Fs to be F1. Alternatively, the flow rate of at least one of the fuel gas and the oxygen-containing gas supplied to the solid polymer fuel cell 3 is changed to the standard flow rate in order to shift the humidification state of the solid polymer fuel cell 3 to the humidification decreasing direction. For example, F2 is raised by 5 to 20% with respect to Fs. The change width in these cases may be made variable according to the degree of decrease or instability of the output voltage of the polymer electrolyte fuel cell 3 recognized in the humidified state verification step V. In addition, said setting reference | standard is an example to the last, A setting change is possible suitably according to the characteristic of the polymer electrolyte fuel cell 3. FIG.

2−2.停止時加湿状態調節工程
本実施形態に係る停止時加湿状態調節工程Bでは、加湿状態検証工程Vにおいて得られた検証結果に基づき、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態に応じて、システム停止時に発電出力を低下させ始める際の燃料ガス及び酸素含有ガスの少なくとも何れか一方の流量が調節される。
2-2. Stop humidification state adjustment process In the stop humidification state adjustment process B according to the present embodiment, based on the verification result obtained in the humidification state verification process V, the system is selected according to the humidification state of the polymer electrolyte fuel cell 3. The flow rate of at least one of the fuel gas and the oxygen-containing gas at the time of starting to decrease the power generation output at the time of stopping is adjusted.

加湿状態検証工程Vにおいて水不足状態であるという検証結果が得られた場合、本実施形態における停止時加湿状態調節工程Bでは、システム停止前に固体高分子形燃料電池セル3に供給する燃料ガス及び酸素含有ガスの少なくとも何れか一方の流量を、適正状態である場合における流量(本例では、運転時標準流量Frとなっている)よりも減少させる。すなわち、図9に示すように、システム停止時のシステム停止制御において、固体高分子形燃料電池セル3に対して供給される燃料ガス及び酸素含有ガスの少なくとも何れか一方の供給流量を、運転時標準流量Frよりも低いF3(F3<Fr)としてから、制御部12は固体高分子形燃料電池セル3から取り出す出力電流(発電出力)を徐々に低下させて発電を停止する。このように、固体高分子形燃料電池セル3に対して供給される燃料ガス及び酸素含有ガスの少なくとも何れか一方の供給流量が運転時標準流量Frよりも低い状態から発電出力を低下させて発電を停止することで、システム停止時にこれらのガスによって固体高分子形燃料電池セル3の外部に持ち出される生成水の量をより少なくして、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿増大方向へと移行させることができる。   In the humidification state verification step V, when a verification result indicating that the water is insufficient is obtained, in the stop humidification state adjustment step B in the present embodiment, the fuel gas supplied to the polymer electrolyte fuel cell 3 before the system is stopped and The flow rate of at least one of the oxygen-containing gas is reduced from the flow rate in the proper state (in this example, the operation standard flow rate Fr). That is, as shown in FIG. 9, in the system stop control at the time of system stop, the supply flow rate of at least one of the fuel gas and the oxygen-containing gas supplied to the polymer electrolyte fuel cell 3 is set at the time of operation. After setting F3 (F3 <Fr) lower than the standard flow rate Fr, the control unit 12 gradually reduces the output current (power generation output) extracted from the polymer electrolyte fuel cell 3 and stops power generation. In this way, power generation is performed by reducing the power generation output from a state where the supply flow rate of at least one of the fuel gas and the oxygen-containing gas supplied to the polymer electrolyte fuel cell 3 is lower than the standard flow rate Fr during operation. Is stopped, the amount of generated water brought out of the polymer electrolyte fuel cell 3 by these gases when the system is stopped is reduced, and the humidification state of the polymer electrolyte fuel cell 3 is increased. Can be moved in the direction.

一方、加湿状態検証工程Vにおいて水過多状態であるという検証結果が得られた場合、本実施形態における停止時加湿状態調節工程Bでは、システム停止前に固体高分子形燃料電池セル3に供給する燃料ガス及び酸素含有ガスの少なくとも何れか一方の流量を、適正状態である場合における運転時標準流量Frよりも増加させる。すなわち、図9に示すように、システム停止時のシステム停止制御において、固体高分子形燃料電池セル3に対して供給される燃料ガス及び酸素含有ガスの少なくとも何れか一方の供給流量を、運転時標準流量Frよりも高いF4(F4>Fr)としてから、制御部12は固体高分子形燃料電池セル3から取り出す出力電流(発電出力)を徐々に低下させて発電を停止する。このように、固体高分子形燃料電池セル3に対して供給される燃料ガス及び酸素含有ガスの少なくとも何れか一方の供給流量が運転時標準流量Frよりも高い状態から発電出力を低下させて発電を停止することで、システム停止時にこれらのガスによって固体高分子形燃料電池セル3の外部に持ち出される生成水の量をより多くして、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿減少方向へと移行させることができる。   On the other hand, when a verification result indicating that there is an excessive water state is obtained in the humidification state verification step V, in the stop humidification state adjustment step B in the present embodiment, it is supplied to the polymer electrolyte fuel cell 3 before the system is stopped. The flow rate of at least one of the fuel gas and the oxygen-containing gas is increased from the operating standard flow rate Fr in an appropriate state. That is, as shown in FIG. 9, in the system stop control at the time of system stop, the supply flow rate of at least one of the fuel gas and the oxygen-containing gas supplied to the polymer electrolyte fuel cell 3 is set at the time of operation. After setting F4 (F4> Fr) higher than the standard flow rate Fr, the control unit 12 gradually reduces the output current (power generation output) extracted from the polymer electrolyte fuel cell 3 and stops power generation. As described above, the power generation output is reduced from the state in which the supply flow rate of at least one of the fuel gas and the oxygen-containing gas supplied to the polymer electrolyte fuel cell 3 is higher than the standard flow rate Fr during operation. Is stopped, the amount of generated water brought out of the polymer electrolyte fuel cell 3 by these gases when the system is stopped is increased, and the humidification state of the polymer electrolyte fuel cell 3 is reduced by humidification. Can be moved in the direction.

より具体的には、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿増大方向へと移行させるべく、固体高分子形燃料電池セル3に供給する燃料ガス及び酸素含有ガスの少なくとも何れか一方の流量を標準流量Frに対して例えば5〜15%だけ低下させてF3とする。或いは、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿減少方向へと移行させるべく、固体高分子形燃料電池セル3に供給する燃料ガス及び酸素含有ガスの少なくとも何れか一方の流量を標準流量Frに対して例えば5〜20%だけ上昇させてF4とする。これらの場合における変化幅は、加湿状態検証工程Vにおいて認められた固体高分子形燃料電池セル3の出力電圧の低下度合い又は不安定化度合いに応じて可変とされても良い。なお、上記の設定基準はあくまで一例であり、固体高分子形燃料電池セル3の特性に応じて適宜設定変更が可能である。   More specifically, at least one of a fuel gas and an oxygen-containing gas supplied to the polymer electrolyte fuel cell 3 in order to shift the humidification state of the polymer electrolyte fuel cell 3 toward the humidification increasing direction. The flow rate is decreased by, for example, 5 to 15% with respect to the standard flow rate Fr to be F3. Alternatively, the flow rate of at least one of the fuel gas and the oxygen-containing gas supplied to the solid polymer fuel cell 3 is changed to the standard flow rate in order to shift the humidification state of the solid polymer fuel cell 3 to the humidification decreasing direction. For example, F4 is raised by 5 to 20% with respect to Fr. The change width in these cases may be made variable according to the degree of decrease or instability of the output voltage of the polymer electrolyte fuel cell 3 recognized in the humidified state verification step V. In addition, said setting reference | standard is an example to the last, A setting change is possible suitably according to the characteristic of the polymer electrolyte fuel cell 3. FIG.

以上のように、本実施形態においても、加湿状態検証制御及び加湿状態調節制御によって、システム起動時及びシステム停止時に固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態が適宜調節されるため、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を適切に調節して、固体高分子形燃料電池セル3の性能を継続的に良好に維持することができる。   As described above, also in the present embodiment, the humidified state of the polymer electrolyte fuel cell 3 is appropriately adjusted by the humidified state verification control and the humidified state adjustment control when the system is started and when the system is stopped. By appropriately adjusting the humidified state of the fuel cell 3, the performance of the polymer electrolyte fuel cell 3 can be maintained continuously and satisfactorily.

〔その他の実施形態〕
(1)上記の各実施形態においては、燃料電池システムSにおいて、加湿状態検証工程Vの検証結果に基づいて起動時加湿状態調節工程A及び停止時加湿状態調節工程Bの双方が実行される場合を例として説明した。しかし、本発明の実施形態はこれに限定されない。すなわち、加湿状態検証工程Vの検証結果に基づいて少なくとも起動時加湿状態調節工程Aが実行されれば良く、停止時加湿状態調節工程Bが実行されることは必須ではない。
[Other Embodiments]
(1) In each of the above embodiments, in the fuel cell system S, both the startup humidification state adjustment step A and the stop humidification state adjustment step B are executed based on the verification result of the humidification state verification step V. Was described as an example. However, the embodiment of the present invention is not limited to this. That is, it is sufficient that at least the startup humidification state adjustment step A is executed based on the verification result of the humidification state verification step V, and it is not essential that the stop time humidification state adjustment step B is executed.

(2)上記の各実施形態においては、起動時加湿状態調節工程A及び停止時加湿状態調節工程Bでは、直近の加湿状態検証工程Vの検証結果に基づいて固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態が調節される場合を例として説明した。しかし、本発明の実施形態はこれに限定されない。すなわち、それ以前に行われた複数の加湿状態検証工程Vの検証結果の総合に基づいて固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態が調節される構成としても良い。例えば図2に示した例において、加湿状態検証工程V1及びV2の検証結果の総合に基づいて起動時加湿状態調節工程A3が行われる構成や、加湿状態検証工程V1〜V3の検証結果の総合に基づいて停止時加湿状態調節工程B3が行われる構成等を採用することができる。 (2) In each of the above embodiments, in the humidification state adjustment step A during start-up and the humidification state adjustment step B during stoppage, the polymer electrolyte fuel cell 3 The case where the humidified state is adjusted has been described as an example. However, the embodiment of the present invention is not limited to this. That is, it is good also as a structure by which the humidification state of the polymer electrolyte fuel cell 3 is adjusted based on the total of the verification result of the several humidification state verification process V performed before that. For example, in the example shown in FIG. 2, the configuration in which the startup humidification state adjustment step A3 is performed based on the overall verification results of the humidification state verification steps V1 and V2, and the verification results of the humidification state verification steps V1 to V3 Based on this, it is possible to employ a configuration in which the stop-time humidification state adjustment step B3 is performed.

(3)上記第一の実施形態においては、起動時加湿状態調節工程A及び停止時加湿状態調節工程Bにおいて、加湿状態検証工程Vにおいて得られた検証結果に基づいて、固体高分子形燃料電池セル3の温度に関する運転パラメタを調節し、上記第二の実施形態においては、固体高分子形燃料電池セル3に供給される燃料ガス及び酸素含有ガスの流量に関する運転パラメタを調節する場合を例として説明した。しかし、本発明の実施形態はこれに限定されない。すなわち、加湿状態検証工程Vにおいて得られた検証結果に基づいて、例えば冷却手段Cに備えられる冷却水循環路13を循環する湯水(冷却水)の流量に関する運転パラメタを調節するように構成しても良い。 (3) In the first embodiment, the polymer electrolyte fuel cell is based on the verification results obtained in the humidification state verification step V in the startup humidification state adjustment step A and the stop humidification state adjustment step B. The operation parameter related to the temperature of the cell 3 is adjusted. In the second embodiment, the operation parameter related to the flow rate of the fuel gas and the oxygen-containing gas supplied to the polymer electrolyte fuel cell 3 is adjusted as an example. explained. However, the embodiment of the present invention is not limited to this. That is, based on the verification result obtained in the humidified state verification step V, for example, the operation parameter relating to the flow rate of hot water (cooling water) circulating in the cooling water circulation path 13 provided in the cooling means C may be adjusted. good.

例えばシステム起動時には、冷却水の流量を増加させることにより固体高分子形燃料電池セル3の温度の上昇はより緩慢となる。よって、起動時加湿状態調節工程Aにおいて冷却水の流量を増加させてから発電を開始することで、システム起動時における生成水の蒸発量をより少なくして、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿増大方向へと移行させることができる。一方、冷却水の流量を減少させることにより固体高分子形燃料電池セル3の温度はより急速に上昇する。よって、冷却水の流量を減少させてから発電を開始することで、システム起動時における生成水の蒸発量をより多くして、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿減少方向へと移行させることができる。   For example, at the time of starting the system, the temperature of the polymer electrolyte fuel cell 3 increases more slowly by increasing the flow rate of the cooling water. Therefore, by starting the power generation after increasing the flow rate of the cooling water in the startup humidification state adjustment step A, the amount of generated water evaporated at the time of system startup is further reduced, and the solid polymer fuel cell 3 The humidified state can be shifted in the direction of increasing humidification. On the other hand, the temperature of the polymer electrolyte fuel cell 3 increases more rapidly by decreasing the flow rate of the cooling water. Therefore, by starting the power generation after reducing the flow rate of the cooling water, the amount of generated water evaporated at the time of starting the system is increased, and the humidification state of the polymer electrolyte fuel cell 3 is reduced in the humidification direction. Can be migrated.

また例えばシステム停止時には、冷却水の流量を増加させることにより固体高分子形燃料電池セル3の温度はより急速に低下する。よって、停止時加湿状態調節工程Bにおいて冷却水の流量を増加させてから発電出力を低下させ始めて発電を停止することで、システム停止時における生成水の蒸発量をより少なくして、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿増大方向へと移行させることができる。一方、冷却水の流量を減少させることにより固体高分子形燃料電池セル3の温度の低下はより緩慢となる。よって、冷却水の流量を減少させてから発電出力を低下させ始めて発電を停止することで、システム停止時における生成水の蒸発量をより多くして、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿減少方向へと移行させることができる。   For example, when the system is stopped, the temperature of the polymer electrolyte fuel cell 3 is more rapidly decreased by increasing the flow rate of the cooling water. Therefore, by increasing the flow rate of the cooling water in the stop humidified state adjusting step B and starting to decrease the power generation output and stopping the power generation, the evaporation amount of the generated water at the time of the system stop is reduced, so that the solid polymer The humidified state of the fuel cell 3 can be shifted in the direction of increasing humidification. On the other hand, by decreasing the flow rate of the cooling water, the temperature drop of the polymer electrolyte fuel cell 3 becomes slower. Therefore, by reducing the flow rate of the cooling water and then starting to reduce the power generation output and stopping the power generation, the amount of generated water evaporated when the system is stopped is increased, and the polymer electrolyte fuel cell 3 is in a humidified state. Can be shifted in the direction of decreasing humidification.

(4)上記の各実施形態においては、加湿状態検証工程Vの検証結果に基づいて、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿増大方向に調節すること及び加湿減少方向に調節することの両方を含む起動時加湿状態調節工程Aが実行される場合を例として説明した。しかし、本発明の実施形態はこれに限定されない。すなわち、そのような加湿状態検証工程Vを実行することなく無条件に、又は加湿状態検証工程Vの検証結果とは無関係に、固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を加湿増大方向へと移行させる「起動時加湿状態増大工程」を実行する構成としても良い。このような起動時加湿状態増大工程では、固体高分子形燃料電池セル3が発電を開始する条件を規定するために設定される発電開始温度を、上記第一の実施形態で説明した標準発電開始温度Tsよりも低下させること、又は、固体高分子形燃料電池セル3に供給する燃料ガス及び酸素含有ガスの少なくとも何れか一方の流量を上記第二の実施形態で説明した標準流量Fsよりも減少させた状態で発電を開始すること、又は、冷却手段Cに備えられる冷却水循環路13を循環する冷却水の流量を、適正状態である場合における流量よりも増加させた状態で発電を開始すること、を行う。 (4) In each of the above embodiments, the humidification state of the polymer electrolyte fuel cell 3 is adjusted in the humidification increasing direction and the humidification decreasing direction based on the verification result of the humidification state verification step V. The case where the startup humidification state adjustment step A including both of the above is executed has been described as an example. However, the embodiment of the present invention is not limited to this. That is, without performing such a humidification state verification step V, or regardless of the verification result of the humidification state verification step V, the humidification state of the polymer electrolyte fuel cell 3 is increased in the humidification increasing direction. It is good also as a structure which performs the "humidification state increase process at the time of starting" to transfer. In such a startup humidified state increasing step, the standard power generation start described in the first embodiment is set to the power generation start temperature set to define the conditions under which the polymer electrolyte fuel cell 3 starts power generation. Decreasing the temperature Ts or reducing the flow rate of at least one of the fuel gas and the oxygen-containing gas supplied to the polymer electrolyte fuel cell 3 from the standard flow rate Fs described in the second embodiment. Starting power generation in a state in which the cooling water is supplied, or starting power generation in a state where the flow rate of the cooling water circulating in the cooling water circulation path 13 provided in the cooling means C is increased from the flow rate in the proper state. ,I do.

(5)或いは、加湿状態検証工程Vの検証結果に基づいて、上記の起動時加湿状態増大工程を実行する構成としても良い。すなわち、加湿状態検証工程Vにおいて少なくとも固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態が水不足状態にあるか否かを検証する構成とし、水不足状態と判定された場合にのみ起動時加湿状態増大工程を実行する構成としても好適である。この場合、加湿状態検証工程Vでは、上記の各実施形態と同様に、システム起動時における固体高分子形燃料電池セル3の出力電圧に基づいて当該固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を検証する構成とすることができる。或いは、加湿状態検証工程Vにおいて、システム起動時における固体高分子形燃料電池セル3の出力電流に基づいて当該固体高分子形燃料電池セル3の加湿状態を検証する構成とすることも可能である。すなわち、固体高分子形燃料電池セル3の出力電圧に関して、上記の各実施形態で説明したような第一設定電圧(制限電圧)Rv及び第二設定電圧(許可電圧)Pvが設定された構成では、水不足状態にある場合、システム起動時には固体高分子形燃料電池セル3の出力電流は段階的に上昇するという現象を呈する。そこで、加湿状態検証工程Vにおいて、固体高分子形燃料電池セル3の出力電流が段階的に上昇することが認められた場合に水不足状態と判定される構成としても好適である。 (5) Or based on the verification result of the humidification state verification process V, it is good also as a structure which performs said humidification state increase process at the time of starting. That is, in the humidification state verification step V, it is configured to verify whether at least the humidification state of the polymer electrolyte fuel cell 3 is in a water shortage state, and the startup humidification state increase step is performed only when it is determined as a water shortage state. It is also suitable as a configuration for execution. In this case, in the humidification state verification step V, the humidification state of the polymer electrolyte fuel cell 3 is determined based on the output voltage of the polymer electrolyte fuel cell 3 at the time of starting the system, as in the above embodiments. It can be set as the structure to verify. Alternatively, the humidified state verification step V may be configured to verify the humidified state of the polymer electrolyte fuel cell 3 based on the output current of the polymer electrolyte fuel cell 3 at the time of system startup. . That is, with respect to the output voltage of the polymer electrolyte fuel cell 3, in the configuration in which the first set voltage (limit voltage) Rv and the second set voltage (allowable voltage) Pv are set as described in the above embodiments. When the system is in a water-deficient state, the output current of the polymer electrolyte fuel cell 3 increases in a stepwise manner when the system is started. Therefore, it is also suitable as a configuration in which it is determined that the water shortage state occurs when it is recognized that the output current of the polymer electrolyte fuel cell 3 increases stepwise in the humidified state verification step V.

本発明は、低加湿条件において運転されるような燃料電池システムに好適に利用することができる。   The present invention can be suitably used for a fuel cell system that is operated under low humidification conditions.

S 燃料電池システム
3 固体高分子形燃料電池セル
3a アノード
3b カソード
3c 電解質
V 加湿状態検証工程
A 起動時加湿状態調節工程(起動時加湿状態増大工程)
B 停止時加湿状態調節工程
S Fuel cell system 3 Polymer electrolyte fuel cell 3a Anode 3b Cathode 3c Electrolyte V Humidity state verification process A Humidity state adjustment process at startup (humidification state increase process at startup)
B. Humidity adjustment process during stop

Claims (7)

燃料ガスが供給されるアノードと酸素含有ガスが供給されるカソードと前記アノード及び前記カソードの間に設けられる電解質とを有する固体高分子形燃料電池セルを備える燃料電池システムの起動方法であって、
システム起動時における前記固体高分子形燃料電池セルの加湿状態を検証する加湿状態検証工程と、
前記加湿状態検証工程の検証結果に基づいて、当該加湿状態検証工程以降のシステム起動時における前記固体高分子形燃料電池セルの加湿状態を加湿増大方向に調節すること及び加湿減少方向に調節することの両方を含む起動時加湿状態調節工程と、を有する燃料電池システムの起動方法。
A starting method of a fuel cell system comprising a polymer electrolyte fuel cell having an anode to which a fuel gas is supplied, a cathode to which an oxygen-containing gas is supplied, and an electrolyte provided between the anode and the cathode,
A humidification state verification step of verifying a humidification state of the polymer electrolyte fuel cell at the time of system startup;
Based on the verification result of the humidification state verification step, adjusting the humidification state of the polymer electrolyte fuel cell at the time of system startup after the humidification state verification step and adjusting the humidification decrease direction. A start-up humidification state adjusting step including both of the steps.
前記加湿状態検証工程は、前記固体高分子形燃料電池セルの出力電圧を監視し、当該出力電圧に基づいて、前記固体高分子形燃料電池セルが水不足状態、水過多状態、及び適正状態のうちのいずれの状態にあるかを検証する工程である請求項1に記載の燃料電池システムの起動方法。   The humidification state verification step monitors the output voltage of the polymer electrolyte fuel cell, and based on the output voltage, the polymer electrolyte fuel cell is out of a water shortage state, an excessive water state, and an appropriate state. The method of starting a fuel cell system according to claim 1, which is a step of verifying which state of the fuel cell system is present. 前記加湿状態検証工程では、
前記固体高分子形燃料電池セルの出力電圧値が前記適正状態において期待される正常出力電圧値範囲を超えて低下している場合に、前記水不足状態と判定され、
前記固体高分子形燃料電池セルの出力電圧の安定性が前記適正状態において期待される出力電圧の安定度合いを超えて不安定化している場合に、前記水過多状態と判定され、
前記水不足状態及び前記水過多状態のいずれでもない場合に、前記適正状態と判定される請求項2に記載の燃料電池システムの起動方法。
In the humidified state verification step,
When the output voltage value of the polymer electrolyte fuel cell is lower than the normal output voltage value range expected in the appropriate state, it is determined as the water shortage state,
When the stability of the output voltage of the polymer electrolyte fuel cell exceeds the degree of stability of the output voltage expected in the appropriate state, it is determined as the excessive water state,
The method for starting the fuel cell system according to claim 2, wherein the appropriate state is determined when neither the water-deficient state nor the excessive water state is present.
前記起動時加湿状態調節工程は、
前記加湿状態検証工程において前記固体高分子形燃料電池セルの加湿状態が前記水不足状態であるという検証結果が得られれば、
前記固体高分子形燃料電池セルが発電を開始する条件を規定するために設定される発電開始温度を、前記適正状態である場合における発電開始温度よりも下げること、又は、前記固体高分子形燃料電池セルに供給する前記燃料ガス及び前記酸素含有ガスの少なくとも何れか一方の流量を前記適正状態である場合における流量よりも減少させた状態で発電を開始すること、を行う工程である請求項2又は3に記載の燃料電池システムの起動方法。
The startup humidification state adjustment step includes:
If the verification result that the humidification state of the polymer electrolyte fuel cell in the humidification state verification step is the water shortage state is obtained,
Lowering the power generation start temperature set to define the conditions under which the polymer electrolyte fuel cell starts power generation, lower than the power generation start temperature in the proper state, or the solid polymer fuel The power generation is started in a state where the flow rate of at least one of the fuel gas and the oxygen-containing gas supplied to the battery cell is reduced from the flow rate in the proper state. Or a starting method of the fuel cell system according to 3;
前記起動時加湿状態調節工程は、
前記加湿状態検証工程において前記固体高分子形燃料電池セルの加湿状態が前記水過多状態であるという検証結果が得られれば、
前記固体高分子形燃料電池セルが発電を開始する条件を規定するために設定される発電開始温度を、前記適正状態である場合における発電開始温度よりも上げること、又は、前記固体高分子形燃料電池セルに供給する前記燃料ガス及び前記酸素含有ガスの少なくとも何れか一方の流量を前記適正状態である場合における流量よりも増加させた状態で発電を開始すること、を行う工程である請求項2から4のいずれか一項に記載の燃料電池システムの起動方法。
The startup humidification state adjustment step includes:
If the verification result that the humidification state of the polymer electrolyte fuel cell is the excessive water state in the humidification state verification step is obtained,
Increasing the power generation start temperature set for defining the conditions under which the polymer electrolyte fuel cell starts power generation, higher than the power generation start temperature in the proper state, or the polymer electrolyte fuel The power generation is started in a state where the flow rate of at least one of the fuel gas and the oxygen-containing gas supplied to the battery cell is increased from the flow rate in the proper state. To 4. The method for starting the fuel cell system according to any one of claims 1 to 4.
燃料ガスが供給されるアノードと酸素含有ガスが供給されるカソードと前記アノード及び前記カソードの間に設けられる電解質とを有する固体高分子形燃料電池セルを備える燃料電池システムの起動方法であって、
前記固体高分子形燃料電池セルが発電を開始する条件を規定するために設定される発電開始温度を、前記固体高分子形燃料電池セルが適正な加湿状態に保たれた適正状態である場合における発電開始温度よりも下げること、又は、前記固体高分子形燃料電池セルに供給する前記燃料ガス及び前記酸素含有ガスの少なくとも何れか一方の流量を前記適正状態である場合における流量よりも減少させた状態で発電を開始すること、を行う起動時加湿状態増大工程を有する燃料電池システムの起動方法。
A starting method of a fuel cell system comprising a polymer electrolyte fuel cell having an anode to which a fuel gas is supplied, a cathode to which an oxygen-containing gas is supplied, and an electrolyte provided between the anode and the cathode,
In the case where the solid polymer fuel cell is in an appropriate state in which the solid polymer fuel cell is maintained in an appropriate humidified state, the power generation start temperature set to define the conditions under which the polymer electrolyte fuel cell starts power generation The flow rate is lower than the power generation start temperature, or the flow rate of at least one of the fuel gas and the oxygen-containing gas supplied to the polymer electrolyte fuel cell is reduced from the flow rate in the proper state. A start-up method of a fuel cell system including a start-up humidified state increasing step of starting power generation in a state.
燃料ガスが供給されるアノードと酸素含有ガスが供給されるカソードと前記アノード及び前記カソードの間に設けられる電解質とを有する固体高分子形燃料電池セルと、冷却水循環路を循環する冷却水により前記固体高分子形燃料電池セルの冷却を行う冷却手段と、を備える燃料電池システムの起動方法であって、
前記冷却水循環路を循環する冷却水の流量を、前記固体高分子形燃料電池セルが適正な加湿状態に保たれた適正状態である場合における流量よりも増加させた状態で発電を開始する起動時加湿状態増大工程を有する燃料電池システムの起動方法。
The polymer electrolyte fuel cell having an anode to which a fuel gas is supplied, a cathode to which an oxygen-containing gas is supplied, an electrolyte provided between the anode and the cathode, and the cooling water circulating through the cooling water circuit A cooling means for cooling the polymer electrolyte fuel cell, and a starting method of the fuel cell system comprising:
At the time of starting to generate power in a state where the flow rate of the cooling water circulating through the cooling water circulation path is increased from the flow rate when the polymer electrolyte fuel cell is in an appropriate state maintained in an appropriate humidified state A starting method of a fuel cell system having a humidified state increasing step.
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