JP2015204253A - Control method of fuel battery system - Google Patents

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Shuya Kawahara
周也 川原
茂樹 長谷川
Shigeki Hasegawa
茂樹 長谷川
慶大 山上
Yoshihiro Yamagami
慶大 山上
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a control method of a fuel battery system for improving a discharge performance by resolving a dried state of a fuel battery.SOLUTION: This method of controlling a fuel battery system is to control the fuel battery system including a fuel cell assembly formed by a plurality of fuel battery cells, a fuel gas passage for supplying a fuel gas to an anode electrode, a fuel gas pressure adjusting device disposed on the fuel gas passage for pulsating the pressure of the fuel gas, and a resistance measuring apparatus for measuring the resistance value of either one of the fuel battery cell and the fuel cell assembly, and carrying ouf no circulation of the fuel gass. The pulsation width of the fuel gas is set at a prescribed value ΔPby the fuel gas pressure adjusting device and the fuel battery assembly is operated, and during operation, when the resistance value of at least either one of the fuel battery cell and the fuel battery assembly, that is measured by the resistance measuring device, is higher than a prescribed reference value, the pulsation width of the fuel gas pressure is increased from ΔP, and when the resistance value is not more than the reference value R, the operation of the fuel battery system is continued.

Description

本発明は、燃料電池の乾燥状態を解消し放電性能を向上させる燃料電池システムの制御方法に関する。   The present invention relates to a control method for a fuel cell system that eliminates the dry state of the fuel cell and improves discharge performance.

ガス流路内の乾燥及び湿潤状態を制御する燃料電池システムの技術はこれまでにも知られている。特許文献1には、アノード流路内の液水量が少ない場合に、燃料電池に対する要求出力に応じて設定する増減圧差を小さくする増減圧差設定手段を備える燃料電池システムが開示されている。   The technology of the fuel cell system for controlling the dry and wet state in the gas flow path has been known so far. Patent Document 1 discloses a fuel cell system provided with an increase / decrease difference setting means for reducing an increase / decrease difference set according to a required output to the fuel cell when the amount of liquid water in the anode flow path is small.

特開2013−191370号公報JP 2013-191370 A

特許文献1の発明においては、増減圧差を小さくすることによってアノード流路内の液水量を増やすことを狙いとしている。しかし、本発明者らの検討により、増減圧差を小さくすることにより却ってガス流路内の乾燥状態が進行する場合のあることが明らかとなった。
本発明は、上記実状を鑑みて成し遂げられたものであり、燃料電池の乾燥状態を解消し放電性能を向上させる燃料電池システムの制御方法を提供することを目的とする。
In the invention of Patent Document 1, the aim is to increase the amount of liquid water in the anode flow path by reducing the pressure increase / decrease difference. However, as a result of the study by the present inventors, it has been clarified that the dry state in the gas flow path may advance by reducing the pressure increase / decrease difference.
The present invention has been accomplished in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a control method of a fuel cell system that eliminates the dry state of the fuel cell and improves the discharge performance.

本発明の燃料電池システムの制御方法は、電解質膜の一面側にアノード電極を備え、他面側にカソード電極を備える膜・電極接合体を備える燃料電池セルが、複数集まり構成される燃料電池集合体と、前記膜・電極接合体の一面側に配置されかつ前記アノード電極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、前記燃料ガス流路上に配置されかつ燃料ガスの圧力を脈動させる燃料ガス圧力調整装置と、燃料電池セル及び燃料電池集合体の少なくともいずれか一方の抵抗値を測定する抵抗測定装置と、を備え、かつ、燃料ガスの循環を行わない燃料電池システムを制御する方法であって、燃料ガス圧力調整装置により燃料ガス圧力の脈動幅を所定値ΔPとして燃料電池集合体を運転し、前記運転中、前記抵抗測定装置により燃料電池セル及び燃料電池集合体の少なくともいずれか一方の第1の抵抗値を測定し、前記第1の抵抗値が所定の基準値Rよりも高い場合に、燃料ガス圧力調整装置により、燃料ガス圧力の脈動幅を、前記脈動幅ΔPよりも増やし、前記第1の抵抗値が前記基準値R以下の場合に、燃料電池システムの運転を続行することを特徴とする。 A control method for a fuel cell system according to the present invention is a fuel cell assembly in which a plurality of fuel cell cells each including a membrane / electrode assembly including an anode electrode on one surface side and a cathode electrode on the other surface side are assembled. A fuel gas passage disposed on one side of the membrane-electrode assembly and supplying fuel gas to the anode electrode, and a fuel gas pressure disposed on the fuel gas passage and pulsating the pressure of the fuel gas A method for controlling a fuel cell system, comprising: an adjustment device; and a resistance measurement device that measures a resistance value of at least one of a fuel cell and a fuel cell assembly, and does not circulate fuel gas. , pulsation width of the fuel gas pressure to operate the fuel cell assembly as the predetermined value [Delta] P 0 by the fuel gas pressure regulating device, in the operation, fuel cell and the fuel collector by the resistance measuring device A first resistance value of at least one of the assemblies is measured, when the first resistance value is higher than a predetermined reference value R 0, the fuel gas pressure regulating device, the pulsation width of the fuel gas pressure The pulsation width ΔP 0 is increased, and when the first resistance value is equal to or less than the reference value R 0 , the operation of the fuel cell system is continued.

本発明において、前記燃料電池システムが、燃料電池セル及び燃料電池集合体の少なくともいずれか一方の抵抗値の時間に対する変化率を測定する抵抗変化率測定装置を備え、かつ、燃料ガス圧力の脈動幅を増やした場合であって、前記抵抗変化率測定装置により脈動幅増大後の抵抗変化率を測定し、脈動幅増大後の抵抗変化率が所定の基準値α(<0)未満の場合に、燃料ガス圧力の脈動幅を所定の時間維持し、脈動幅増大後の抵抗変化率が前記基準値α以上かつ0未満の場合に、燃料ガス圧力調整装置により燃料ガス圧力の脈動幅をさらに増やし、脈動幅増大後の抵抗変化率が0以上の場合に、燃料ガス圧力の脈動幅を前記ΔPよりも減らすことが好ましい。 In the present invention, the fuel cell system includes a resistance change rate measuring device that measures a change rate with respect to time of the resistance value of at least one of the fuel cell and the fuel cell assembly, and the pulsation width of the fuel gas pressure When the resistance change rate after increasing the pulsation width is measured by the resistance change rate measuring device and the resistance change rate after increasing the pulsation width is less than a predetermined reference value α 0 (<0). The pulsation width of the fuel gas pressure is maintained for a predetermined time, and the pulsation width of the fuel gas pressure is further increased by the fuel gas pressure adjustment device when the resistance change rate after the pulsation width increase is not less than the reference value α 0 and less than 0. When the resistance change rate after increasing and increasing the pulsation width is 0 or more, it is preferable to reduce the pulsation width of the fuel gas pressure below the ΔP 0 .

本発明において、脈動幅増大後の抵抗変化率の測定値に基づき燃料ガス圧力の脈動幅を所定の時間維持した場合であって、前記抵抗測定装置により燃料電池セル及び燃料電池集合体の少なくともいずれか一方の第2の抵抗値を測定し、前記第2の抵抗値が前記基準値Rよりも高い場合に、前記抵抗変化率測定装置により抵抗変化率を再度測定し、前記第2の抵抗値が前記基準値R以下の場合に、燃料電池システムの運転を続行することが好ましい。 In the present invention, the pulsation width of the fuel gas pressure is maintained for a predetermined time based on the measured value of the resistance change rate after the increase of the pulsation width, and at least one of the fuel cell and the fuel cell assembly is obtained by the resistance measurement device. One of the second resistance values is measured, and when the second resistance value is higher than the reference value R0 , the resistance change rate is measured again by the resistance change rate measuring device, and the second resistance value is measured. When the value is less than or equal to the reference value R 0, it is preferable to continue the operation of the fuel cell system.

本発明において、燃料ガス圧力の脈動幅を減らした場合であって、前記抵抗変化率測定装置により脈動幅減少後の抵抗変化率を測定し、脈動幅減少後の抵抗変化率が前記基準値α未満の場合に、燃料ガス圧力の脈動幅を所定の時間維持し、脈動幅減少後の抵抗変化率が前記基準値α以上かつ0未満の場合に、燃料ガス圧力調整装置により燃料ガス圧力の脈動幅をさらに減らし、脈動幅減少後の抵抗変化率が0以上の場合に、燃料電池システムの運転を続行することが好ましい。 In the present invention, when the pulsation width of the fuel gas pressure is reduced, the resistance change rate after the reduction of the pulsation width is measured by the resistance change rate measuring device, and the resistance change rate after the reduction of the pulsation width is the reference value α. When it is less than 0, the pulsation width of the fuel gas pressure is maintained for a predetermined time, and when the resistance change rate after the pulsation width is reduced is equal to or more than the reference value α 0 and less than 0, the fuel gas pressure is adjusted by the fuel gas pressure adjusting device. It is preferable to continue the operation of the fuel cell system when the pulsation width is further reduced and the resistance change rate after the pulsation width reduction is 0 or more.

本発明において、脈動幅減少後の抵抗変化率の測定値に基づき燃料ガス圧力の脈動幅を所定の時間維持した場合であって、前記抵抗測定装置により燃料電池セル及び燃料電池集合体の少なくともいずれか一方の第3の抵抗値を測定し、前記第3の抵抗値が前記基準値Rよりも高い場合に、前記抵抗変化率測定装置により抵抗変化率を再度測定し、前記第3の抵抗値が前記基準値R以下の場合に、燃料電池システムの運転を続行することが好ましい。 In the present invention, when the pulsation width of the fuel gas pressure is maintained for a predetermined time based on the measured value of the resistance change rate after the pulsation width is reduced, at least one of the fuel cell and the fuel cell assembly is obtained by the resistance measurement device. One of the third resistance values is measured, and when the third resistance value is higher than the reference value R 0 , the resistance change rate is measured again by the resistance change rate measuring device, and the third resistance value is measured. When the value is less than or equal to the reference value R 0, it is preferable to continue the operation of the fuel cell system.

本発明において、前記燃料電池システムが、前記膜・電極接合体の他の一面側に配置されかつ前記カソード電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路をさらに備え、前記燃料ガス流路及び前記酸化剤ガス流路は、燃料ガスの流れ方向と酸化剤ガスの流れ方向とが互いに対向するようにそれぞれ配置され、さらに前記燃料電池システムが加湿制御を行わないことが好ましい。   In the present invention, the fuel cell system further includes an oxidant gas channel disposed on the other surface side of the membrane-electrode assembly and supplying an oxidant gas to the cathode electrode, and the fuel gas channel and Preferably, the oxidant gas flow path is disposed so that the flow direction of the fuel gas and the flow direction of the oxidant gas face each other, and the fuel cell system does not perform humidification control.

本発明によれば、燃料ガス圧力の脈動幅を増やすことにより、乾燥状態を解消し、かつ燃料電池システムの放電特性を向上させることができる。   According to the present invention, by increasing the pulsation width of the fuel gas pressure, the dry state can be eliminated and the discharge characteristics of the fuel cell system can be improved.

本発明に使用される燃料電池セルの一例を示す図であって、積層方向に切断した断面を模式的に示した図である。It is a figure which shows an example of the fuel cell used for this invention, Comprising: It is the figure which showed typically the cross section cut | disconnected in the lamination direction. 本発明において制御される燃料電池システムの一例を示す回路の模式図である。It is a schematic diagram of a circuit showing an example of a fuel cell system controlled in the present invention. 水素圧力脈動幅と燃料電池セル電圧との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between a hydrogen pressure pulsation width and a fuel cell voltage. 本発明の制御方法における、燃料ガス圧力、燃料ガス圧力の脈動幅、抵抗の時間変化率、及び抵抗の各時間変化を模式的に表した4つのグラフを並べて示したものである。In the control method of this invention, the fuel gas pressure, the pulsation width | variety of fuel gas pressure, the time change rate of resistance, and four graphs showing each time change of resistance typically were shown side by side. 本発明の制御方法の第1の実施形態を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows 1st Embodiment of the control method of this invention. 本発明の制御方法の第2の実施形態を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows 2nd Embodiment of the control method of this invention. 本発明の制御方法の第3の実施形態を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows 3rd Embodiment of the control method of this invention. 本発明の制御方法の第4の実施形態の一部を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows a part of 4th Embodiment of the control method of this invention. 本発明の制御方法の第5の実施形態の一部を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows a part of 5th Embodiment of the control method of this invention.

本発明の燃料電池システムの制御方法は、電解質膜の一面側にアノード電極を備え、他面側にカソード電極を備える膜・電極接合体を備える燃料電池セルが、複数集まり構成される燃料電池集合体と、前記膜・電極接合体の一面側に配置されかつ前記アノード電極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、前記燃料ガス流路上に配置されかつ燃料ガスの圧力を脈動させる燃料ガス圧力調整装置と、燃料電池セル及び燃料電池集合体の少なくともいずれか一方の抵抗値を測定する抵抗測定装置と、を備え、かつ、燃料ガスの循環を行わない燃料電池システムを制御する方法であって、燃料ガス圧力調整装置により燃料ガス圧力の脈動幅を所定値ΔPとして燃料電池集合体を運転し、前記運転中、前記抵抗測定装置により燃料電池セル及び燃料電池集合体の少なくともいずれか一方の第1の抵抗値を測定し、前記第1の抵抗値が所定の基準値Rよりも高い場合に、燃料ガス圧力調整装置により、燃料ガス圧力の脈動幅を、前記脈動幅ΔPよりも増やし、前記第1の抵抗値が前記基準値R以下の場合に、燃料電池システムの運転を続行することを特徴とする。 A control method for a fuel cell system according to the present invention is a fuel cell assembly in which a plurality of fuel cell cells each including a membrane / electrode assembly including an anode electrode on one surface side and a cathode electrode on the other surface side are assembled. A fuel gas passage disposed on one side of the membrane-electrode assembly and supplying fuel gas to the anode electrode, and a fuel gas pressure disposed on the fuel gas passage and pulsating the pressure of the fuel gas A method for controlling a fuel cell system, comprising: an adjustment device; and a resistance measurement device that measures a resistance value of at least one of a fuel cell and a fuel cell assembly, and does not circulate fuel gas. , pulsation width of the fuel gas pressure to operate the fuel cell assembly as the predetermined value [Delta] P 0 by the fuel gas pressure regulating device, in the operation, fuel cell and the fuel collector by the resistance measuring device A first resistance value of at least one of the assemblies is measured, when the first resistance value is higher than a predetermined reference value R 0, the fuel gas pressure regulating device, the pulsation width of the fuel gas pressure The pulsation width ΔP 0 is increased, and when the first resistance value is equal to or less than the reference value R 0 , the operation of the fuel cell system is continued.

燃料電池の放電状態は、電池内の含水量に大きく左右される。特に70℃以上の高温運転時には、乾燥による電圧低下が生じやすい。また、供給ガスを循環させないいわゆる循環レスシステムにおいては、カウンターフロー効果が低減することにより、60℃程度の温度であったり低負荷であったりしても、乾燥による電圧低下が生じることがある。
カウンターフロー効果の低減を緩和させる方法として、燃料ガスの圧力を一定の振幅で脈動させる技術が知られている。燃料ガスの圧力を脈動させ、瞬間的に燃料ガス流量を増やすことにより、燃料ガス流路全体に燃料ガスを行き渡らせることができ、電極反応が燃料電池セル内部で満遍なく進行する結果、生成する水により燃料ガス流路全体を十分湿潤させることができ、乾燥を抑えることができる。また、燃料ガスの圧力が常に高い状態である場合よりも燃料ガスの供給量を抑えることができるため、燃料ガスが再利用されない循環レスシステムにおいて燃費を節約することができる。
The discharge state of the fuel cell depends greatly on the water content in the cell. In particular, during a high temperature operation of 70 ° C. or higher, a voltage drop due to drying tends to occur. In a so-called circulation-less system in which the supply gas is not circulated, the counterflow effect is reduced, so that a voltage drop due to drying may occur even at a temperature of about 60 ° C. or at a low load.
As a method for mitigating the reduction of the counterflow effect, a technique of pulsating the pressure of the fuel gas with a constant amplitude is known. By pulsating the pressure of the fuel gas and instantaneously increasing the fuel gas flow rate, the fuel gas can be spread over the entire fuel gas flow path, and as a result of the electrode reaction proceeding evenly inside the fuel cell, water generated As a result, the entire fuel gas channel can be sufficiently moistened, and drying can be suppressed. Further, since the supply amount of the fuel gas can be suppressed as compared with the case where the pressure of the fuel gas is always high, the fuel consumption can be saved in the circulation-less system in which the fuel gas is not reused.

上述したように、本発明者らは、燃料ガスの圧力を脈動させる燃料電池において、当該脈動の幅を小さくすることで、乾燥状態がより進行することを見出した。図3は、水素圧力脈動幅と燃料電池セル電圧との関係を示すグラフである。このグラフは、60℃の温度条件かつ0.2A/cmの電流密度条件下で得られたものである。図3から分かるように、脈動幅が30kPaを超える場合には、セル電圧は緩やかに低減する。しかし、脈動幅が20kPaよりも小さい場合には、セル電圧は急激に低下する。すなわち、ある脈動幅から脈動幅を小さくしてしまうと、セル電圧が大きく低下する可能性の方が高いことが分かる。この温度及び電流密度条件下においては、脈動幅を20kPa以上30kPa以下とすることによりセル電圧を高く維持することができ、この脈動幅の範囲を外れた場合には、高いセル電圧は期待できないこととなる。このように、燃料ガスの脈動幅には、セル電圧を高く保つことができる最適値又は最適範囲が存在する。 As described above, the present inventors have found that in a fuel cell that pulsates the pressure of fuel gas, the dry state further proceeds by reducing the width of the pulsation. FIG. 3 is a graph showing the relationship between the hydrogen pressure pulsation width and the fuel cell voltage. This graph was obtained under a temperature condition of 60 ° C. and a current density condition of 0.2 A / cm 2 . As can be seen from FIG. 3, when the pulsation width exceeds 30 kPa, the cell voltage gradually decreases. However, when the pulsation width is smaller than 20 kPa, the cell voltage rapidly decreases. That is, it can be seen that if the pulsation width is reduced from a certain pulsation width, the possibility that the cell voltage is greatly reduced is higher. Under these temperature and current density conditions, the cell voltage can be maintained high by setting the pulsation width to 20 kPa or more and 30 kPa or less, and if the pulsation width is out of the range, a high cell voltage cannot be expected. It becomes. As described above, the pulsation width of the fuel gas has an optimum value or optimum range in which the cell voltage can be kept high.

本発明者らは、鋭意努力の結果、燃料ガス圧力の脈動幅とセル電圧との関係を示すマップに基づき、当該脈動幅の最適値又は最適範囲を維持することにより、循環レスシステムにおいても乾燥を抑え電圧低減を防止することが可能となり、さらに燃費も向上することを見出し、本発明を完成させた。   As a result of diligent efforts, the present inventors have maintained the optimum value or optimum range of the pulsation width on the basis of a map showing the relationship between the pulsation width of the fuel gas pressure and the cell voltage. It was possible to suppress the voltage reduction and to further improve the fuel consumption, and the present invention was completed.

図1は、本発明に使用される燃料電池セルの一例を示す図であって、積層方向に切断した断面を模式的に示した図である。膜・電極接合体8は、水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜(以下、単に電解質膜ということがある)1、並びに、当該電解質膜1を挟む一対のカソード電極6及びアノード電極7を備える。燃料電池セル(単セル)100は、膜・電極接合体8、並びに、当該膜・電極接合体8を電極の外側から挟む一対のセパレータ9及び10を備える。セパレータと電極との境界には酸化剤ガス流路11及び燃料ガス流路12が確保されている。通常は電極として、電解質膜側から順に触媒層及びガス拡散層の積層体が用いられる。すなわち、カソード電極6はカソード触媒層2及びガス拡散層4の積層体を備え、アノード電極7はアノード触媒層3及びガス拡散層5の積層体を備える。   FIG. 1 is a view showing an example of a fuel cell used in the present invention, and is a view schematically showing a cross section cut in the stacking direction. The membrane / electrode assembly 8 includes a polymer electrolyte membrane (hereinafter sometimes simply referred to as an electrolyte membrane) 1 having hydrogen ion conductivity, and a pair of cathode electrode 6 and anode electrode 7 sandwiching the electrolyte membrane 1. . The fuel cell (single cell) 100 includes a membrane / electrode assembly 8 and a pair of separators 9 and 10 that sandwich the membrane / electrode assembly 8 from the outside of the electrode. An oxidant gas passage 11 and a fuel gas passage 12 are secured at the boundary between the separator and the electrode. Usually, a laminated body of a catalyst layer and a gas diffusion layer is used as an electrode in order from the electrolyte membrane side. That is, the cathode electrode 6 includes a stacked body of the cathode catalyst layer 2 and the gas diffusion layer 4, and the anode electrode 7 includes a stacked body of the anode catalyst layer 3 and the gas diffusion layer 5.

高分子電解質膜とは、燃料電池において用いられる高分子電解質膜であり、ナフィオン(商品名)に代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂のようなフッ素系高分子電解質を含むフッ素系高分子電解質膜の他、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンエーテル、ポリパラフェニレン等のエンジニアリングプラスチックや、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン等の汎用プラスチック等の炭化水素系高分子にスルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基、ボロン酸基等のプロトン酸基(プロトン伝導性基)を導入した炭化水素系高分子電解質を含む炭化水素系高分子電解質膜等が挙げられる。   The polymer electrolyte membrane is a polymer electrolyte membrane used in a fuel cell, and is a fluorine polymer electrolyte membrane containing a fluorine polymer electrolyte such as perfluorocarbon sulfonic acid resin represented by Nafion (trade name). In addition, sulfonic acid groups are used in hydrocarbon polymers such as engineering plastics such as polyether ether ketone, polyether ketone, polyether sulfone, polyphenylene sulfide, polyphenylene ether, and polyparaphenylene, and general-purpose plastics such as polyethylene, polypropylene, and polystyrene. And a hydrocarbon polymer electrolyte membrane including a hydrocarbon polymer electrolyte into which a protonic acid group (proton conductive group) such as a carboxylic acid group, a phosphoric acid group, or a boronic acid group is introduced.

電極は、触媒層及びガス拡散層を備えることが好ましい。
アノード触媒層及びカソード触媒層はいずれも、触媒、導電性材料及び高分子電解質を含有する触媒インクを用いて形成することができる。
高分子電解質としては、上述した高分子電解質膜同様の材料を用いることができる。
触媒としては、通常、触媒成分を導電性粒子に担持させたものが用いられる。触媒成分としては、アノード電極に供給される燃料の酸化反応又はカソード電極に供給される酸化剤の還元反応に対して触媒活性を有しているものであれば、特に限定されず、固体高分子型燃料電池に一般的に用いられているものを使用することができる。例えば、白金、又はルテニウム、鉄、ニッケル、マンガン、コバルト、銅等の金属と白金との合金等を用いることができる。触媒担体である導電性粒子としては、カーボンブラック等の炭素粒子や炭素繊維のような導電性炭素材料、金属粒子や金属繊維等の金属材料も用いることができる。導電性材料は、触媒層に導電性を付与する役割も担っている。
The electrode preferably includes a catalyst layer and a gas diffusion layer.
Both the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer can be formed using a catalyst ink containing a catalyst, a conductive material, and a polymer electrolyte.
As the polymer electrolyte, the same material as the polymer electrolyte membrane described above can be used.
As the catalyst, usually, a catalyst component supported on conductive particles is used. The catalyst component is not particularly limited as long as it has catalytic activity for the oxidation reaction of the fuel supplied to the anode electrode or the reduction reaction of the oxidant supplied to the cathode electrode. What is generally used for the fuel cell can be used. For example, platinum or an alloy of platinum and a metal such as ruthenium, iron, nickel, manganese, cobalt, and copper can be used. As the conductive particles as the catalyst carrier, carbon particles such as carbon black, conductive carbon materials such as carbon fibers, and metal materials such as metal particles and metal fibers can also be used. The conductive material also plays a role of imparting conductivity to the catalyst layer.

触媒層の形成方法は特に限定されず、例えば、触媒インクをガス拡散シートの表面に塗布、乾燥することによって、ガス拡散シート表面に触媒層を形成してもよいし、或いは、高分子電解質膜表面に触媒インクを塗布、乾燥することによって、高分子電解質膜表面に触媒層を形成してもよい。或いは、転写用基材表面に触媒インクを塗布、乾燥することによって、転写シートを作製し、該転写シートを、高分子電解質膜又はガス拡散シートと熱圧着等により接合した後、転写シートの基材フィルムを剥離する方法で、高分子電解質膜表面上に触媒層を形成するか、ガス拡散シート表面に触媒層を形成してもよい。   The method for forming the catalyst layer is not particularly limited. For example, the catalyst layer may be formed on the surface of the gas diffusion sheet by applying catalyst ink to the surface of the gas diffusion sheet and drying, or the polymer electrolyte membrane. A catalyst layer may be formed on the surface of the polymer electrolyte membrane by applying a catalyst ink on the surface and drying. Alternatively, a transfer sheet is prepared by applying a catalyst ink to the surface of the transfer substrate and drying, and the transfer sheet is bonded to the polymer electrolyte membrane or the gas diffusion sheet by thermocompression bonding or the like. A catalyst layer may be formed on the surface of the polymer electrolyte membrane or a catalyst layer may be formed on the surface of the gas diffusion sheet by a method of peeling the material film.

触媒インクは上記のような触媒及び電極用電解質等を、溶媒に分散させて得られる。触媒インクの溶媒は、適宜選択すればよく、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール等のアルコール類、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、ジメチルスルホキシド(DMSO)等の有機溶媒、又はこれら有機溶媒の混合物やこれら有機溶媒と水との混合物を用いることができる。触媒インクには、触媒及び電解質以外にも、必要に応じて結着剤や撥水性樹脂等のその他の成分を含有させてもよい。   The catalyst ink is obtained by dispersing the above catalyst, electrode electrolyte, and the like in a solvent. The solvent of the catalyst ink may be appropriately selected. For example, alcohols such as methanol, ethanol and propanol, organic solvents such as N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) and dimethyl sulfoxide (DMSO), or organic solvents such as these Mixtures and mixtures of these organic solvents and water can be used. In addition to the catalyst and the electrolyte, the catalyst ink may contain other components such as a binder and a water repellent resin as necessary.

触媒インクの塗布方法、乾燥方法等は適宜選択することができる。例えば、塗布方法としては、スプレー法、スクリーン印刷法、ドクターブレード法、グラビア印刷法、ダイコート法等が挙げられる。また、乾燥方法としては、例えば、減圧乾燥、加熱乾燥、減圧加熱乾燥等が挙げられる。減圧乾燥、加熱乾燥における具体的な条件に制限はなく、適宜設定すればよい。また、触媒層の膜厚は、特に限定されないが、1〜50μm程度とすればよい。   The method for applying the catalyst ink, the drying method, and the like can be selected as appropriate. For example, examples of the coating method include a spray method, a screen printing method, a doctor blade method, a gravure printing method, a die coating method, and the like. Examples of the drying method include reduced pressure drying, heat drying, and reduced pressure heat drying. There is no restriction | limiting in the specific conditions in reduced pressure drying and heat drying, What is necessary is just to set suitably. The thickness of the catalyst layer is not particularly limited, but may be about 1 to 50 μm.

ガス拡散層を形成するガス拡散シートとしては、触媒層に効率良く燃料を供給することができるガス拡散性、導電性、及びガス拡散層を構成する材料として要求される強度を有するもの、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルト等の炭素質多孔質体や、チタン、アルミニウム及びその合金、ニッケル、ニッケル−クロム合金、銅及びその合金、銀、亜鉛合金、鉛合金、ニオブ、タンタル、鉄、ステンレス、金、白金等の金属から構成される金属メッシュ又は金属多孔質体等の導電性多孔質体からなるものが挙げられる。導電性多孔質体の厚さは、50〜500μm程度であることが好ましい。   As the gas diffusion sheet for forming the gas diffusion layer, a gas diffusion property capable of efficiently supplying fuel to the catalyst layer, conductivity, and a strength required as a material constituting the gas diffusion layer, for example, Carbonaceous porous bodies such as carbon paper, carbon cloth, carbon felt, titanium, aluminum and alloys thereof, nickel, nickel-chromium alloy, copper and alloys thereof, silver, zinc alloy, lead alloy, niobium, tantalum, iron, Examples thereof include a metal mesh composed of a metal such as stainless steel, gold or platinum, or a conductive porous material such as a metal porous material. The thickness of the conductive porous body is preferably about 50 to 500 μm.

ガス拡散シートは、上記導電性多孔質体の単層からなるものであってもよいが、触媒層に面する側に撥水層を設けることもできる。撥水層は、通常、炭素粒子や炭素繊維等の導電性粉粒体、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等の撥水性樹脂等を含む多孔質構造を有するものである。撥水層は、必ずしも必要なものではないが、触媒層及び高分子電解質膜内の液水量を適度に保持しつつ、ガス拡散層の排水性を高めることができる上に、触媒層とガス拡散層間の電気的接触を改善できるという利点がある。
上記方法によって触媒層を形成した高分子電解質膜及びガス拡散シートは、適宜、重ね合わせて熱圧着等し、互いに接合することで、膜・電極接合体が得られる。
The gas diffusion sheet may be composed of a single layer of the conductive porous material, but a water repellent layer may be provided on the side facing the catalyst layer. The water-repellent layer usually has a porous structure containing conductive particles such as carbon particles and carbon fibers, water-repellent resin such as polytetrafluoroethylene (PTFE), and the like. The water-repellent layer is not always necessary, but it can improve the drainage of the gas diffusion layer while maintaining an appropriate amount of liquid water in the catalyst layer and the polymer electrolyte membrane. There is an advantage that the electrical contact between the layers can be improved.
The polymer electrolyte membrane and the gas diffusion sheet on which the catalyst layer is formed by the above-described method are appropriately overlapped and subjected to thermocompression bonding or the like, and bonded together to obtain a membrane / electrode assembly.

作製された膜・電極接合体は、好ましくは、反応ガス流路を有するセパレータで狭持され、単セルを形成する。セパレータとしては、導電性及びガスシール性を有し、集電体及びガスシール体として機能しうるもの、例えば、炭素繊維を高濃度に含有し、樹脂との複合材からなるカーボンセパレータや、金属材料を用いた金属セパレータ等を用いることができる。金属セパレータとしては、耐腐食性に優れた金属材料からなるものや、表面をカーボンや耐腐食性に優れた金属材料等で被覆し、耐腐食性を高めるコーティングが施されたもの等が挙げられる。このようなセパレータを、適切に圧縮成形又は切削加工等することによって、上述した反応ガス流路を形成することができる。   The produced membrane / electrode assembly is preferably held by a separator having a reaction gas flow path to form a single cell. The separator has conductivity and gas sealing properties, and can function as a current collector and gas sealing body, for example, a carbon separator containing a high concentration of carbon fiber and made of a composite material with resin, metal A metal separator using a material can be used. Examples of the metal separator include those made of a metal material excellent in corrosion resistance, and those coated with a coating that enhances the corrosion resistance by coating the surface with carbon or a metal material excellent in corrosion resistance. . The reaction gas flow path described above can be formed by appropriately compression molding or cutting such a separator.

図2は、本発明において制御される燃料電池システムの一例を示す回路の模式図である。図2中の矢印は、ガス流路及び当該流路中のガス流れ方向の両方を示す。また、図2中の二重波線は図の省略を示す。
図2における燃料電池集合体とは、例えば、燃料電池セルに図1に示したような平型形状のセルを採用した場合には、燃料電池スタックを示す。また、燃料電池セルに中空糸状のセルを採用した場合には、燃料電池集合体とは当該中空糸状セルを撚り合わせた束を指す。
FIG. 2 is a schematic diagram of a circuit showing an example of a fuel cell system controlled in the present invention. The arrows in FIG. 2 indicate both the gas flow path and the gas flow direction in the flow path. Moreover, the double wavy line in FIG.
The fuel cell assembly in FIG. 2 indicates, for example, a fuel cell stack when a flat cell as shown in FIG. 1 is adopted as the fuel cell. Further, when a hollow fiber cell is adopted as the fuel cell, the fuel cell assembly refers to a bundle of the hollow fiber cells twisted together.

図2中の酸化剤ガス流路11及び燃料ガス流路12は、図1に示した酸化剤ガス流路11又は燃料ガス流路12にそれぞれ対応する。図2に示す通り、酸化剤ガス流路11及び燃料ガス流路12は、酸化剤ガスの流れ方向と燃料ガスの流れ方向とが互いに対向するようにそれぞれ配置されていることが好ましい。このようにガス流れ方向を対向させる(いわゆるカウンターフローとする)ことにより、酸化剤ガス流路の出口近傍で生成した水を、電解質膜を介して燃料ガス流路の入口近傍に運ぶことができ、ガス流路全体を適度に湿潤させることができる。したがって、カウンターフローの構成を採用する場合、燃料電池集合体の加湿制御を行わなくてもよいものとする。   The oxidant gas flow path 11 and the fuel gas flow path 12 in FIG. 2 correspond to the oxidant gas flow path 11 or the fuel gas flow path 12 shown in FIG. As shown in FIG. 2, the oxidant gas flow path 11 and the fuel gas flow path 12 are preferably arranged so that the flow direction of the oxidant gas and the flow direction of the fuel gas face each other. By facing the gas flow directions in this way (so-called counter flow), water generated near the outlet of the oxidant gas flow path can be transported to the vicinity of the fuel gas flow path through the electrolyte membrane. The entire gas flow path can be appropriately moistened. Therefore, when adopting the counter flow configuration, it is not necessary to perform the humidification control of the fuel cell assembly.

図2中の抵抗測定装置21は、燃料電池集合体、及び当該集合体を構成する燃料電池セルの少なくともいずれか一方の抵抗値を測定する装置である。抵抗測定装置21は、図2に示す通り燃料電池集合体の外部に設けられていてもよいし、燃料電池集合体に内蔵されていてもよい。抵抗測定装置により測定される抵抗は、燃料電池セルが良好に作動しているか否か、具体的には、燃料電池セル内が湿潤状態又は乾燥状態にあるか否かを示す指標となる。
抵抗測定装置の具体例としては、抵抗計、及びインピーダンス測定装置等が挙げられる。
本発明における燃料電池システムは、抵抗変化率測定装置を備えていてもよい。当該測定装置が測定する抵抗変化率とは、燃料電池集合体、及び当該集合体を構成する燃料電池セルの少なくともいずれか一方の抵抗値の時間に対する変化率を指す。
抵抗測定装置及び抵抗変化率測定装置は、同一の装置であってもよいし、異なる装置であってもよい。また、抵抗変化率測定装置は、抵抗測定装置により測定される抵抗値に基づき抵抗変化率を算出する装置であってもよい。
The resistance measuring device 21 in FIG. 2 is a device that measures the resistance value of at least one of the fuel cell assembly and the fuel cells constituting the assembly. The resistance measuring device 21 may be provided outside the fuel cell assembly as shown in FIG. 2 or may be incorporated in the fuel cell assembly. The resistance measured by the resistance measuring device is an index indicating whether or not the fuel cell is operating well, specifically, whether or not the inside of the fuel cell is wet or dry.
Specific examples of the resistance measuring device include an ohmmeter and an impedance measuring device.
The fuel cell system according to the present invention may include a resistance change rate measuring device. The resistance change rate measured by the measuring device refers to the change rate with respect to time of the resistance value of at least one of the fuel cell assembly and the fuel cell constituting the assembly.
The resistance measuring device and the resistance change rate measuring device may be the same device or different devices. Further, the resistance change rate measuring device may be a device that calculates a resistance change rate based on a resistance value measured by the resistance measuring device.

本発明において制御される燃料電池システムにおいては、燃料ガスの循環を行わない、いわゆる燃料ガス循環レスシステムが採用される。燃料ガス循環レスシステムにおいては、燃料ガス流量が減ることに起因するカウンターフロー効果低減のため、燃料電池セルが乾燥に曝される頻度が高くなる。したがって、乾燥抑制のための制御は、燃料ガス循環レスシステムにおいては特に効果がある。   In the fuel cell system controlled in the present invention, a so-called fuel gas circulation-less system that does not circulate the fuel gas is employed. In the fuel gas circulation-less system, the frequency of the fuel cell is exposed to drying to reduce the counter flow effect due to the decrease in the fuel gas flow rate. Therefore, the control for drying suppression is particularly effective in the fuel gas circulation-less system.

図2中の燃料ガス圧力調整装置は、燃料ガス流路上に配置され、燃料電池集合体に供給される燃料ガスの圧力を脈動させる装置である。
本発明において「燃料ガスの圧力を脈動させる」とは、燃料ガスの圧力を一定の幅で周期的に増圧及び減圧させることを意味する。脈動の周期としては、燃料電池集合体の規模によっても異なるが、おおよそ1〜10Hzの範囲内である。
本発明に使用される燃料ガス圧力調整装置は、燃料ガス供給装置そのものであってもよいし、燃料ガス供給装置に付属した装置であってもよいし、燃料ガス供給装置とは異なる装置であってもよい。燃料ガス圧力調整装置の具体例としては、インジェクタ等が挙げられる。
本発明に使用される燃料ガスは、燃料電池に通常使用されるものであれば特に限定されず、例えば水素ガス等が挙げられる。
The fuel gas pressure adjusting device in FIG. 2 is a device that is arranged on the fuel gas flow path and pulsates the pressure of the fuel gas supplied to the fuel cell assembly.
In the present invention, “pulsating the pressure of the fuel gas” means that the pressure of the fuel gas is periodically increased and decreased within a certain width. The period of pulsation is approximately in the range of 1 to 10 Hz, although it varies depending on the scale of the fuel cell assembly.
The fuel gas pressure adjusting device used in the present invention may be the fuel gas supply device itself, a device attached to the fuel gas supply device, or a device different from the fuel gas supply device. May be. Specific examples of the fuel gas pressure adjusting device include an injector.
The fuel gas used for this invention will not be specifically limited if it is normally used for a fuel cell, For example, hydrogen gas etc. are mentioned.

燃料電池システムは、上記図3に示すような燃料ガス圧力の脈動幅と燃料電池セル電圧との関係を、予めマップとして保有しているのが好ましい。この場合のマップは、燃料電池セルの構造によって異なるものであり、また、電流や温度等の作動条件によって逐一変化するものである。
燃料ガス圧力の脈動幅と燃料電池セル電圧との関係を示すマップは、記憶手段に予め格納されていてもよい。この場合には、燃料電池の運転環境によって最適なマップを記憶手段から選び出すことができる。
なお、記憶手段は、後述する制御の各工程からフィードバックされた最適と考えられる脈動幅を、新たにマップとして読み込むものであってもよい。このようにマップを逐一更新することにより、燃料電池の経時変化データを取得できる。
マップを格納する記憶手段の具体例としては、メモリ等の半導体記憶装置や、ハードディスク等の磁気記憶装置等が挙げられる。
The fuel cell system preferably has in advance a map of the relationship between the pulsation width of the fuel gas pressure and the fuel cell voltage as shown in FIG. The map in this case varies depending on the structure of the fuel battery cell, and changes one by one depending on operating conditions such as current and temperature.
A map showing the relationship between the pulsation width of the fuel gas pressure and the fuel cell voltage may be stored in advance in the storage means. In this case, an optimal map can be selected from the storage means depending on the operating environment of the fuel cell.
Note that the storage unit may newly read a pulsation width considered to be optimum fed back from each step of control described later as a map. By updating the map one by one in this way, it is possible to acquire fuel cell aging data.
Specific examples of the storage means for storing the map include a semiconductor storage device such as a memory and a magnetic storage device such as a hard disk.

燃料電池システムは、基本的に上記マップに従い、マップ上の最適な燃料ガス圧力の脈動幅を選択しながら運転される。しかし、燃料電池システムを車に搭載するなど、燃料電池システムを実用に供する場合(いわゆるONボードの場合)には、燃料電池セル及び/又は燃料電池集合体の抵抗値の上昇が検知された際に、マップとは独立した制御方法に基づき、燃料ガス圧力の脈動幅を最適化することが望ましい。これは、車に搭載された燃料電池システムについて、道路状況等の環境変化に合わせて、後述する制御方法により臨機応変に脈動幅を調整することにより、燃料電池のより効率のよい運転が可能となるためである。
燃料電池セル及び/又は燃料電池集合体の抵抗値が十分に下がり、通常運転に戻った場合には、本発明による制御を終了し、再度マップを呼び出して燃料ガス圧力の脈動幅を選択しつつ、燃料電池システムの運転を続行してもよい。
The fuel cell system is basically operated according to the above map while selecting the optimum pulsation width of the fuel gas pressure on the map. However, when the fuel cell system is put to practical use (for example, in the case of a so-called ON board), such as when the fuel cell system is mounted on a car, an increase in the resistance value of the fuel cell and / or the fuel cell assembly is detected. In addition, it is desirable to optimize the pulsation width of the fuel gas pressure based on a control method independent of the map. This is because the fuel cell system installed in the vehicle can be operated more efficiently by adjusting the pulsation width in a flexible manner according to the control method described later according to environmental changes such as road conditions. It is to become.
When the resistance value of the fuel cell and / or the fuel cell assembly is sufficiently lowered and the normal operation is resumed, the control according to the present invention is terminated and the map is called again to select the pulsation width of the fuel gas pressure. The operation of the fuel cell system may be continued.

上述した燃料電池システムを用いた制御の概要について、図4を用いながら説明する。図4は、本発明の制御方法における、燃料ガス圧力、燃料ガス圧力の脈動幅、抵抗の時間変化率、及び抵抗の各時間変化を模式的に表した4つのグラフを並べて示したものである。図4の上のグラフから、燃料ガス圧力の時間変化を示すグラフ、燃料ガス圧力の脈動幅の時間変化を示すグラフ、抵抗の時間変化率と時間との関係を示すグラフ、及び抵抗と時間との関係を示すグラフである。
図4においては、燃料ガス圧力及びその脈動幅はいわば燃料電池システムに対する入力であるのに対し、抵抗及びその時間変化率は燃料電池システムの出力に相当する。
An outline of control using the fuel cell system described above will be described with reference to FIG. FIG. 4 shows four graphs schematically showing the fuel gas pressure, the pulsation width of the fuel gas pressure, the time change rate of the resistance, and each time change of the resistance in the control method of the present invention. . From the upper graph of FIG. 4, a graph showing the time change of the fuel gas pressure, a graph showing the time change of the pulsation width of the fuel gas pressure, a graph showing the relationship between the time change rate of resistance and time, and the resistance and time It is a graph which shows the relationship.
In FIG. 4, the fuel gas pressure and its pulsation width are so-called inputs to the fuel cell system, whereas the resistance and its rate of change with time correspond to the output of the fuel cell system.

図4において、時間0からtまでは、燃料ガス圧力の脈動幅を初期値ΔPとして燃料電池集合体を運転する。初期値ΔPは、上述したようにマップに適合する値である。しかし図4においては、燃料電池セルの抵抗値Rが所望の抵抗値Rよりも高い。したがって、抵抗値を低減させるため、マップとは独立に脈動幅を調整する制御を行う。
時間tにおいて、燃料ガス圧力の脈動幅を初期値ΔPよりも少し増やす。このように、燃料ガス圧力の脈動幅を増やすことにより、燃料ガスの瞬間ストイキ比を上げることができる。その結果、時間tよりも前の状態と比較して、燃料ガス流路全体に燃料ガスを行き渡らせることができ、その結果燃料ガス流路が若干湿潤する。その湿潤状態の指標となるのが抵抗値Rである。燃料ガス圧力の脈動幅を増やした時間tにおいて、抵抗値は下がり始めるが、時間経過とともに一定となり、目的とする抵抗値Rを下回るまでには至らない。
In FIG. 4, from time 0 to t 1 , the fuel cell assembly is operated with the pulsation width of the fuel gas pressure as the initial value ΔP 0 . The initial value ΔP 0 is a value that matches the map as described above. However, in FIG. 4, the resistance value R 1 of the fuel cell is higher than a desired resistance value R 0. Therefore, in order to reduce the resistance value, control for adjusting the pulsation width is performed independently of the map.
At time t 1 , the pulsation width of the fuel gas pressure is slightly increased from the initial value ΔP 0 . Thus, the instantaneous stoichiometric ratio of the fuel gas can be increased by increasing the pulsation width of the fuel gas pressure. As a result, compared also with its state prior to time t 1, the entire fuel gas flow field can be spread to the fuel gas, so that the fuel gas flow path slightly wet. The resistance value R is an indicator of the wet state. At the time t 1 when the pulsation width of the fuel gas pressure is increased, the resistance value starts to decrease, but becomes constant with the passage of time and does not reach the target resistance value R 0 .

そこで、時間tにおいて燃料ガス圧力の脈動幅をより増やすことにより、燃料ガスの瞬間ストイキ比をさらに上げる。その結果、時間tよりも前の状態と比較して、燃料ガス流路全体に燃料ガスをさらに供給でき、その結果燃料ガス流路が十分湿潤する。燃料ガス流路の湿潤状態については引き続き抵抗値より確認できる。燃料ガス圧力の脈動幅を増やした時間tにおいて、抵抗値はさらに下がり始め、一定の時間が経過した後、抵抗値はR未満となる。この結果から、時間tにおいて燃料ガス圧力の脈動幅を一定以上増やしたことが、燃料ガス流路の乾燥状態の是正に効果的であることが分かる。
このように抵抗値が目的とするR未満となった以降は、燃料ガス圧力の脈動幅をマップに沿って制御し、燃料電池システムの運転を続行する。
Therefore, by increasing more the pulsation width of the fuel gas pressure at the time t 2, further increase the instantaneous stoichiometric ratio of the fuel gas. As a result, compared to the prior time t 2 state, further it can supply fuel gas to the entire fuel gas flow path, so that the fuel gas flow passage is sufficiently wetted. The wet state of the fuel gas channel can be confirmed from the resistance value. At time t 2 with increased pulsation width of the fuel gas pressure, the resistance value begins further down, after a set time has elapsed, the resistance value is less than R 0. From this result, it was increased pulsation width of the fuel gas constant pressure or more at time t 2, it can be seen effective to correct the dryness of the fuel gas passage.
Thus, after the resistance value becomes less than the target R 0 , the pulsation width of the fuel gas pressure is controlled along the map, and the operation of the fuel cell system is continued.

燃料ガス流路の湿潤状態は、抵抗の時間変化率(dR/dt)からも推測が可能である。燃料ガス圧力の脈動幅を増やした時間tから一定の時間、抵抗の時間変化率は0未満となる。抵抗値は時間経過とともに一定となるため、抵抗の時間変化率は0に戻る。
燃料ガス圧力の脈動幅を増やした際、抵抗の時間変化率が所定の値α未満となった場合に、抵抗そのものが十分減ったと判断することもできる。例えば、図4より、時間tにおいて燃料ガス圧力の脈動幅を増やした際には、抵抗の時間変化率が所定の値αを超えているため、抵抗の低減が未だ不十分であると判断できる。一方、燃料ガス圧力の脈動幅をより増やした時間tから一定の時間、抵抗の時間変化率は所定の値α未満となる。この結果から、時間tにおいて燃料ガス圧力の脈動幅を増やしたことにより、抵抗が十分に下がったと判断してもよい。
The wet state of the fuel gas channel can also be estimated from the time rate of change of resistance (dR / dt). Fixed time from the time t 1 with increased pulsation width of the fuel gas pressure, the time rate of change of resistance is less than 0. Since the resistance value becomes constant over time, the time change rate of resistance returns to zero.
When increasing the pulse width of the fuel gas pressure, when the time rate of change of resistance is less than the predetermined value alpha 0, the resistance itself may be determined that sufficient Decreased. For example, as shown in FIG. 4, when the pulsation width of the fuel gas pressure is increased at time t 1 , the resistance time change rate exceeds a predetermined value α 0 , and therefore the resistance reduction is still insufficient. I can judge. On the other hand, the time change rate of the resistance is less than the predetermined value α 0 for a certain time from time t 2 when the pulsation width of the fuel gas pressure is further increased. From this result, by increasing the pulse width of the fuel gas pressure at the time t 2, it may be determined that the resistance is sufficiently lowered.

燃料ガス圧力の脈動幅の初期値ΔPは、所定の温度下及び電流密度下における、図3に示したような燃料ガス圧力脈動幅とセル電圧との関係をまとめてマップ化しておき、制御定数として用いることが好ましい。また、初期値ΔPは燃料電池セルの構造によっても異なるため、燃料電池セルの構造ごとにマップ化することがより好ましい。 The initial value ΔP 0 of the pulsation width of the fuel gas pressure is obtained by mapping the relationship between the fuel gas pulsation width and the cell voltage as shown in FIG. 3 under a predetermined temperature and current density. It is preferable to use it as a constant. Further, since the initial value ΔP 0 varies depending on the structure of the fuel cell, it is more preferable to map it for each structure of the fuel cell.

図5は、本発明の制御方法の第1の実施形態を示すフローチャートである。以下、図2及び図5を用いて、当該第1の実施形態について説明する。
まず、燃料ガス圧力調整装置により、燃料ガス圧力の脈動幅を所定値ΔPとして燃料電池集合体を運転する(S1)。次に、運転中、抵抗測定装置により燃料電池セル及び/又は燃料電池集合体の抵抗値R(第1の抵抗値)を測定する(S2、S3)。抵抗値Rが基準値R以下の場合には、制御を終了し、燃料電池システムの運転を続行する。一方、抵抗値Rが基準値Rよりも高い場合には、燃料ガス圧力調整装置により、燃料ガス圧力の脈動幅を、ΔPよりも大きいΔPに増やし(S4)、制御を終了し、燃料電池システムの運転を続行する。
燃料ガス圧力の脈動幅の増加回数は、図4に示したように2回としてもよいし、それ以上でもよい。
FIG. 5 is a flowchart showing the first embodiment of the control method of the present invention. Hereinafter, the first embodiment will be described with reference to FIGS. 2 and 5.
First, the fuel cell assembly is operated by the fuel gas pressure adjusting device with the pulsation width of the fuel gas pressure set to a predetermined value ΔP 0 (S1). Next, during operation, the resistance value R 1 (first resistance value) of the fuel cell and / or the fuel cell assembly is measured by the resistance measurement device (S2, S3). Resistance R 1 is in the case of less than the reference value R 0 is completed the control, to continue the operation of the fuel cell system. On the other hand, when the resistance value R 1 is greater than the reference value R 0 is the fuel gas pressure regulating device, the pulsation width of the fuel gas pressure, increased to greater [Delta] P 1 than the [Delta] P 0 (S4), and ends the control Continue the operation of the fuel cell system.
The number of increases in the pulsation width of the fuel gas pressure may be two as shown in FIG. 4 or more.

図6は、本発明の制御方法の第2の実施形態を示すフローチャートである。以下、図2及び図6を用いて、当該第2の実施形態について説明する。なお、第2〜第5の実施形態においては、燃料電池システムが、上記抵抗変化率測定装置をさらに備えるものとする。
S11〜S14までは、上述した第1の実施形態のS1〜S4と同様である。ただし、第2の実施形態においては、燃料ガス圧力の脈動幅をΔPに増やした後(S14)、抵抗変化率測定装置により抵抗変化率を測定する(S15)。以下、脈動幅を増加させた後に測定する抵抗変化率を、脈動幅増大後の抵抗変化率と称する場合がある。
脈動幅増大後の抵抗変化率が所定の基準値α(<0)未満の場合には(S16)、燃料ガス圧力の脈動幅を所定の時間維持し(S17)、制御を終了する。一方、脈動幅増大後の抵抗変化率が基準値α以上かつ0未満の場合には(S18)、燃料ガス圧力調整装置により燃料ガス圧力の脈動幅をΔP(>ΔP)にさらに増やし(S19)、制御を終了する。脈動幅増大後の抵抗変化率が0以上の場合には、燃料ガス圧力の脈動幅をΔPよりも小さいΔPとし(S20)、制御を終了する。
FIG. 6 is a flowchart showing a second embodiment of the control method of the present invention. Hereinafter, the second embodiment will be described with reference to FIGS. 2 and 6. In the second to fifth embodiments, the fuel cell system further includes the resistance change rate measuring device.
Steps S11 to S14 are the same as S1 to S4 of the first embodiment described above. However, in the second embodiment, after increasing the pulsation width of the fuel gas pressure to ΔP 1 (S14), the resistance change rate is measured by the resistance change rate measuring device (S15). Hereinafter, the resistance change rate measured after increasing the pulsation width may be referred to as the resistance change rate after increasing the pulsation width.
When the resistance change rate after the pulsation width increase is less than the predetermined reference value α 0 (<0) (S16), the pulsation width of the fuel gas pressure is maintained for a predetermined time (S17), and the control is terminated. On the other hand, when the rate of change in resistance after increasing the pulsation width is greater than or equal to the reference value α 0 and less than 0 (S18), the pulsation width of the fuel gas pressure is further increased to ΔP 2 (> ΔP 1 ) by the fuel gas pressure adjusting device. (S19), the control is terminated. When the resistance change rate after the pulsation width increase is 0 or more, the pulsation width of the fuel gas pressure is set to ΔP 3 smaller than ΔP 0 (S20), and the control is terminated.

図7は、本発明の制御方法の第3の実施形態を示すフローチャートである。以下、図2及び図7を用いて、当該第3の実施形態について説明する。なお、図7中の三点リーダは、フローチャートの省略を意味する。
S31〜S40までは、上述した第2の実施形態のS11〜S20と同様である。ただし、第3の実施形態においては、燃料ガス圧力の脈動幅を所定の時間維持した後(S37)、抵抗測定装置により燃料電池セル及び/又は燃料電池集合体の抵抗値R(第2の抵抗値)を測定する(S41)。抵抗値Rが基準値R以下の場合には、制御を終了し、燃料電池システムの運転を続行する。一方、抵抗値Rが基準値Rよりも高い場合には、抵抗変化率測定装置により抵抗変化率を再度測定し(S35)、当該抵抗変化率と基準値αとを比較して燃料ガス圧力の脈動幅を再度決定する(S36〜S40)。
FIG. 7 is a flowchart showing a third embodiment of the control method of the present invention. Hereinafter, the third embodiment will be described with reference to FIGS. 2 and 7. The three-point reader in FIG. 7 means that the flowchart is omitted.
S31 to S40 are the same as S11 to S20 of the second embodiment described above. However, in the third embodiment, after maintaining the pulsation width of the fuel gas pressure for a predetermined time (S37), the resistance value R 2 of the fuel cell and / or fuel cell assembly is measured by the resistance measurement device (second Resistance value) is measured (S41). Resistance R 2 is in the case of less than the reference value R 0 is completed the control, to continue the operation of the fuel cell system. On the other hand, when the resistance value R 2 is higher than the reference value R 0 is the resistance variation rate measuring device measures the resistance change rate again (S35), by comparing the said rate of change in resistance and the reference value alpha 0 Fuel The pulsation width of the gas pressure is determined again (S36 to S40).

なお、第3の実施形態において、燃料ガス圧力の脈動幅をΔP(>ΔP)に増やした場合には(S39)、抵抗変化率測定装置により抵抗変化率を再度測定し(S35’)、当該抵抗変化率と基準値αとを比較して燃料ガス圧力の脈動幅を再度決定する(S36’)。S35’及びS36’は、S35及びS36に対応する。また、三点リーダに示す省略部分においては、S37〜S42と同様のS37’〜S42’を行う。このように、燃料ガス圧力の脈動幅を増やした後、抵抗変化率を測定し、さらに当該抵抗変化率と基準値αとを比較して燃料ガス圧力の脈動幅を決定することを繰り返し行うこともできる。 In the third embodiment, when the pulsation width of the fuel gas pressure is increased to ΔP 2 (> ΔP 1 ) (S39), the resistance change rate is measured again by the resistance change rate measuring device (S35 ′). Then, the resistance change rate is compared with the reference value α 0 to determine the pulsation width of the fuel gas pressure again (S36 ′). S35 ′ and S36 ′ correspond to S35 and S36. Further, in the omitted portion shown in the three-point reader, S37 ′ to S42 ′ similar to S37 to S42 are performed. In this way, after increasing the pulsation width of the fuel gas pressure, the resistance change rate is measured, and the resistance change rate is compared with the reference value α 0 to repeatedly determine the pulsation width of the fuel gas pressure. You can also.

図8は、本発明の制御方法の第4の実施形態の一部(第4の実施形態の後半)を示すフローチャートである。なお、第4の実施形態の前半は、上記第2及び第3の実施形態と同様である。第2の実施形態のS20、及び第3の実施形態のS40が、第4の実施形態のS50に対応する。以下、図2及び図8を用いて、当該第4の実施形態の後半について説明する。
第4の実施形態においては、燃料ガス圧力の脈動幅をΔPからΔPに減らした後(S50)、抵抗変化率測定装置により抵抗変化率を測定する(S51)。以下、脈動幅を減らした後に測定する抵抗変化率を、脈動幅減少後の抵抗変化率と称する場合がある。
脈動幅減少後の抵抗変化率が基準値α(<0)未満の場合には(S52)、燃料ガス圧力の脈動幅を所定の時間維持し(S53)、制御を終了する。一方、脈動幅減少後の抵抗変化率が基準値α以上かつ0未満の場合には(S54)、燃料ガス圧力調整装置により燃料ガス圧力の脈動幅をΔP(<ΔP)にさらに減らし(S55)、制御を終了する。脈動幅増大後の抵抗変化率が0以上の場合には、抵抗が減らない原因が少なくとも脈動幅にはないと考えられるため、そのまま制御を終了する。
FIG. 8 is a flowchart showing a part of the fourth embodiment of the control method of the present invention (the second half of the fourth embodiment). The first half of the fourth embodiment is the same as the second and third embodiments. S20 of the second embodiment and S40 of the third embodiment correspond to S50 of the fourth embodiment. Hereinafter, the second half of the fourth embodiment will be described with reference to FIGS. 2 and 8.
In the fourth embodiment, after reducing the pulsation width of the fuel gas pressure from ΔP 1 to ΔP 3 (S50), the resistance change rate is measured by the resistance change rate measuring device (S51). Hereinafter, the resistance change rate measured after reducing the pulsation width may be referred to as the resistance change rate after the pulsation width reduction.
When the resistance change rate after the pulsation width reduction is less than the reference value α 0 (<0) (S52), the pulsation width of the fuel gas pressure is maintained for a predetermined time (S53), and the control is terminated. On the other hand, when the rate of change in resistance after the reduction of the pulsation width is greater than or equal to the reference value α 0 and less than 0 (S54), the pulsation width of the fuel gas pressure is further reduced to ΔP 4 (<ΔP 3 ) by the fuel gas pressure regulator. (S55), the control is terminated. If the rate of change in resistance after increasing the pulsation width is 0 or more, it is considered that at least the pulsation width is not the cause of the decrease in resistance.

図9は、本発明の制御方法の第5の実施形態の一部(第5の実施形態の後半)を示すフローチャートである。なお、第5の実施形態の前半は、上記第2及び第3の実施形態と同様である。第2の実施形態のS20、及び第3の実施形態のS40が、第5の実施形態のS60に対応する。以下、図2及び図9を用いて、当該第5の実施形態の後半について説明する。なお、図9中の三点リーダは、フローチャートの省略を意味する。
S60〜S65までは、上述した第4の実施形態のS50〜S55と同様である。ただし、第5の実施形態においては、燃料ガス圧力の脈動幅を所定の時間維持した後(S63)、抵抗測定装置により燃料電池セル及び/又は燃料電池集合体の抵抗値R(第3の抵抗値)を測定する(S66)。抵抗値Rが基準値R以下の場合には、制御を終了し、燃料電池システムの運転を続行する。一方、抵抗値Rが基準値Rよりも高い場合には、抵抗変化率測定装置により抵抗変化率を再度測定し(S61)、当該抵抗変化率と基準値αとを比較して燃料ガス圧力の脈動幅を再度決定する(S62〜S65)。
FIG. 9 is a flowchart showing a part of the fifth embodiment of the control method of the present invention (the second half of the fifth embodiment). Note that the first half of the fifth embodiment is the same as the second and third embodiments. S20 of the second embodiment and S40 of the third embodiment correspond to S60 of the fifth embodiment. Hereinafter, the second half of the fifth embodiment will be described with reference to FIGS. 2 and 9. The three-point reader in FIG. 9 means that the flowchart is omitted.
S60 to S65 are the same as S50 to S55 of the fourth embodiment described above. However, in the fifth embodiment, after maintaining the pulsation width of the fuel gas pressure for a predetermined time (S63), the resistance value R 3 (third value of the fuel cell assembly and / or the fuel cell assembly is measured by the resistance measurement device. Resistance value) is measured (S66). The resistance value R 3 in the case of less than the reference value R 0 is completed the control, to continue the operation of the fuel cell system. On the other hand, when the resistance value R 3 greater than the reference value R 0 is the resistance variation rate measuring device measures the resistance change rate again (S61), by comparing the said rate of change in resistance and the reference value alpha 0 Fuel The pulsation width of the gas pressure is determined again (S62 to S65).

なお、第5の実施形態において、燃料ガス圧力の脈動幅をΔP(<ΔP)に減らした場合には(S65)、抵抗変化率測定装置により抵抗変化率を再度測定し(S61’)、当該抵抗変化率と基準値αとを比較して燃料ガス圧力の脈動幅を再度決定する(S62’)。S61’及びS62’は、S61及びS62に対応する。また、三点リーダに示す省略部分においては、S63〜S67と同様のS63’〜S67’を行う。このように、燃料ガス圧力の脈動幅を減らした後、抵抗変化率を測定し、さらに当該抵抗変化率と基準値αとを比較して燃料ガス圧力の脈動幅を決定することを繰り返し行うこともできる。
なお、本発明の制御方法は、必ずしも上記第1〜第5の実施形態のみに限定されるものではない。
In the fifth embodiment, when the pulsation width of the fuel gas pressure is reduced to ΔP 4 (<ΔP 3 ) (S65), the resistance change rate is measured again by the resistance change rate measuring device (S61 ′). Then, the resistance change rate is compared with the reference value α 0 to determine the pulsation width of the fuel gas pressure again (S62 ′). S61 ′ and S62 ′ correspond to S61 and S62. Further, in the omitted portion shown in the three-point reader, S63 ′ to S67 ′ similar to S63 to S67 are performed. In this way, after reducing the pulsation width of the fuel gas pressure, the resistance change rate is measured, and the resistance change rate and the reference value α 0 are compared to determine the pulsation width of the fuel gas pressure repeatedly. You can also.
In addition, the control method of this invention is not necessarily limited only to the said 1st-5th embodiment.

1 高分子電解質膜
2 カソード触媒層
3 アノード触媒層
4,5 ガス拡散層
6 カソード電極
7 アノード電極
8 膜・電極接合体
9,10 セパレータ
11 酸化剤ガス流路
12 燃料ガス流路
21 抵抗測定装置
100 燃料電池の単セル
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Polymer electrolyte membrane 2 Cathode catalyst layer 3 Anode catalyst layer 4, 5 Gas diffusion layer 6 Cathode electrode 7 Anode electrode 8 Membrane / electrode assembly 9, 10 Separator 11 Oxidant gas flow channel 12 Fuel gas flow channel 21 Resistance measuring device 100 Fuel cell single cell

Claims (6)

電解質膜の一面側にアノード電極を備え、他面側にカソード電極を備える膜・電極接合体を備える燃料電池セルが、複数集まり構成される燃料電池集合体と、
前記膜・電極接合体の一面側に配置されかつ前記アノード電極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、
前記燃料ガス流路上に配置されかつ燃料ガスの圧力を脈動させる燃料ガス圧力調整装置と、
燃料電池セル及び燃料電池集合体の少なくともいずれか一方の抵抗値を測定する抵抗測定装置と、を備え、かつ、
燃料ガスの循環を行わない燃料電池システムを制御する方法であって、
燃料ガス圧力調整装置により燃料ガス圧力の脈動幅を所定値ΔPとして燃料電池集合体を運転し、
前記運転中、前記抵抗測定装置により燃料電池セル及び燃料電池集合体の少なくともいずれか一方の第1の抵抗値を測定し、
前記第1の抵抗値が所定の基準値Rよりも高い場合に、燃料ガス圧力調整装置により、燃料ガス圧力の脈動幅を、前記脈動幅ΔPよりも増やし、
前記第1の抵抗値が前記基準値R以下の場合に、燃料電池システムの運転を続行することを特徴とする、燃料電池システムの制御方法。
A fuel cell assembly comprising a plurality of fuel cell units each including a membrane / electrode assembly including an anode electrode on one side of the electrolyte membrane and a cathode electrode on the other side;
A fuel gas flow path disposed on one side of the membrane-electrode assembly and supplying fuel gas to the anode electrode;
A fuel gas pressure adjusting device disposed on the fuel gas flow path and pulsating the pressure of the fuel gas;
A resistance measuring device that measures the resistance value of at least one of the fuel cell and the fuel cell assembly, and
A method of controlling a fuel cell system that does not circulate fuel gas,
The fuel cell assembly is operated with the pulsation width of the fuel gas pressure set to a predetermined value ΔP 0 by the fuel gas pressure adjusting device,
During the operation, the resistance measuring device measures a first resistance value of at least one of the fuel cell and the fuel cell assembly,
When the first resistance value is higher than a predetermined reference value R 0 , the pulsation width of the fuel gas pressure is increased from the pulsation width ΔP 0 by the fuel gas pressure adjusting device,
The method of controlling a fuel cell system, wherein the operation of the fuel cell system is continued when the first resistance value is equal to or less than the reference value R0 .
前記燃料電池システムが、燃料電池セル及び燃料電池集合体の少なくともいずれか一方の抵抗値の時間に対する変化率を測定する抵抗変化率測定装置を備え、かつ、
燃料ガス圧力の脈動幅を増やした場合であって、
前記抵抗変化率測定装置により脈動幅増大後の抵抗変化率を測定し、
脈動幅増大後の抵抗変化率が所定の基準値α(<0)未満の場合に、燃料ガス圧力の脈動幅を所定の時間維持し、
脈動幅増大後の抵抗変化率が前記基準値α以上かつ0未満の場合に、燃料ガス圧力調整装置により燃料ガス圧力の脈動幅をさらに増やし、
脈動幅増大後の抵抗変化率が0以上の場合に、燃料ガス圧力の脈動幅を前記ΔPよりも減らす、請求項1に記載の燃料電池システムの制御方法。
The fuel cell system includes a resistance change rate measuring device that measures a change rate with respect to time of the resistance value of at least one of the fuel cell and the fuel cell assembly, and
When the pulsation width of the fuel gas pressure is increased,
Measure the resistance change rate after the pulsation width increase by the resistance change rate measuring device,
When the resistance change rate after the pulsation width increase is less than a predetermined reference value α 0 (<0), the pulsation width of the fuel gas pressure is maintained for a predetermined time,
When the rate of change in resistance after increasing the pulsation width is not less than the reference value α 0 and less than 0, the pulsation width of the fuel gas pressure is further increased by the fuel gas pressure adjusting device,
2. The method of controlling a fuel cell system according to claim 1, wherein the pulsation width of the fuel gas pressure is reduced from the ΔP 0 when the resistance change rate after the pulsation width increase is 0 or more.
脈動幅増大後の抵抗変化率の測定値に基づき燃料ガス圧力の脈動幅を所定の時間維持した場合であって、
前記抵抗測定装置により燃料電池セル及び燃料電池集合体の少なくともいずれか一方の第2の抵抗値を測定し、
前記第2の抵抗値が前記基準値Rよりも高い場合に、前記抵抗変化率測定装置により抵抗変化率を再度測定し、
前記第2の抵抗値が前記基準値R以下の場合に、燃料電池システムの運転を続行する、請求項2に記載の燃料電池システムの制御方法。
When the pulsation width of the fuel gas pressure is maintained for a predetermined time based on the measured value of the resistance change rate after the pulsation width increase,
Measuring the second resistance value of at least one of the fuel cell and the fuel cell assembly by the resistance measuring device;
When the second resistance value is higher than the reference value R0 , the resistance change rate is measured again by the resistance change rate measuring device,
The control method of a fuel cell system according to claim 2, wherein the operation of the fuel cell system is continued when the second resistance value is equal to or less than the reference value R0 .
燃料ガス圧力の脈動幅を減らした場合であって、
前記抵抗変化率測定装置により脈動幅減少後の抵抗変化率を測定し、
脈動幅減少後の抵抗変化率が前記基準値α未満の場合に、燃料ガス圧力の脈動幅を所定の時間維持し、
脈動幅減少後の抵抗変化率が前記基準値α以上かつ0未満の場合に、燃料ガス圧力調整装置により燃料ガス圧力の脈動幅をさらに減らし、
脈動幅減少後の抵抗変化率が0以上の場合に、燃料電池システムの運転を続行する、請求項2又は3に記載の燃料電池システムの制御方法。
When the pulsation width of the fuel gas pressure is reduced,
Measure the rate of resistance change after pulsation width reduction by the resistance change rate measuring device,
When the resistance change rate after the pulsation width reduction is less than the reference value α 0 , the pulsation width of the fuel gas pressure is maintained for a predetermined time,
When the resistance change rate after the pulsation width reduction is not less than the reference value α 0 and less than 0, the pulsation width of the fuel gas pressure is further reduced by the fuel gas pressure adjusting device,
The method for controlling a fuel cell system according to claim 2 or 3, wherein the operation of the fuel cell system is continued when the rate of change in resistance after the reduction of the pulsation width is 0 or more.
脈動幅減少後の抵抗変化率の測定値に基づき燃料ガス圧力の脈動幅を所定の時間維持した場合であって、
前記抵抗測定装置により燃料電池セル及び燃料電池集合体の少なくともいずれか一方の第3の抵抗値を測定し、
前記第3の抵抗値が前記基準値Rよりも高い場合に、前記抵抗変化率測定装置により抵抗変化率を再度測定し、
前記第3の抵抗値が前記基準値R以下の場合に、燃料電池システムの運転を続行する、請求項4に記載の燃料電池システムの制御方法。
When the pulsation width of the fuel gas pressure is maintained for a predetermined time based on the measured value of the rate of change in resistance after the pulsation width reduction,
A third resistance value of at least one of the fuel cell and the fuel cell assembly is measured by the resistance measuring device;
When the third resistance value is higher than the reference value R 0 , the resistance change rate is measured again by the resistance change rate measuring device,
The method of controlling a fuel cell system according to claim 4, wherein the operation of the fuel cell system is continued when the third resistance value is equal to or less than the reference value R0 .
前記燃料電池システムが、前記膜・電極接合体の他の一面側に配置されかつ前記カソード電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路をさらに備え、
前記燃料ガス流路及び前記酸化剤ガス流路は、燃料ガスの流れ方向と酸化剤ガスの流れ方向とが互いに対向するようにそれぞれ配置され、
さらに前記燃料電池システムが加湿制御を行わない、請求項1乃至5のいずれか一項に記載の燃料電池システムの制御方法。
The fuel cell system further includes an oxidant gas channel disposed on the other surface side of the membrane-electrode assembly and supplying an oxidant gas to the cathode electrode,
The fuel gas flow path and the oxidant gas flow path are respectively arranged such that the flow direction of the fuel gas and the flow direction of the oxidant gas face each other,
Furthermore, the fuel cell system control method according to any one of claims 1 to 5, wherein the fuel cell system does not perform humidification control.
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