JP2017073376A - Fuel battery system and method for enhancement in fuel battery system performance - Google Patents

Fuel battery system and method for enhancement in fuel battery system performance Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To enhance the performance of a fuel battery single cell reliably by an activation process.SOLUTION: A fuel battery system comprises: a processing part which executes an activation process for lowering a cathode potential of a fuel battery single cell to an ultimate potential over a duration temporarily at a process frequency; a cation impurity amount estimation part which estimates an amount of cation impurities included in an electrolyte membrane of the fuel battery single cell; and a processing degree-deciding part. The processing degree-deciding part decides the condition of the activation process so as to raise the degree of the activation process by any one or a combination of at least two of the following means, when the amount of cation impurities is large: making the ultimate potential lower than that when the cation impurity amount is small; making the duration longer; and increasing the process frequency. The processing part executes the activation process with a degree decided by the processing degree-deciding part.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、燃料電池システム及び燃料電池システムの性能向上方法に関する。   The present invention relates to a fuel cell system and a method for improving the performance of the fuel cell system.

燃料電池システムの少なくとも一つの燃料電池単セル中のカソード電位を一時的に継続時間にわたり、到達電位まで低下させることにより前記燃料電池単セル中の電極触媒の性能を向上させる活性化処理を実行するように構成された燃料電池システムが知られている(例えば、特許文献1参照)。   An activation process is performed to improve the performance of the electrode catalyst in the single fuel cell by temporarily reducing the cathode potential in at least one single fuel cell of the fuel cell system to the ultimate potential over a continuous period of time. A fuel cell system configured as described above is known (see, for example, Patent Document 1).

燃料電池単セルのカソード電極の電極触媒では、使用により表面に酸化被膜が形成され、それにより電極触媒の性能が低下することがある。上記の活性化処理は、燃料電池単セル中のカソード電位を一時的に低下させることにより、電極触媒を還元して、それにより電極触媒を覆う酸化被膜を除去して、低下した電極触媒の性能を向上させ、それにより燃料電池単セルの性能を向上させることができる。   In the electrode catalyst of the cathode electrode of a single fuel cell, an oxide film is formed on the surface by use, and the performance of the electrode catalyst may be lowered. The above activation treatment reduces the electrode catalyst by temporarily lowering the cathode potential in the fuel cell single cell, thereby removing the oxide film covering the electrode catalyst and reducing the performance of the electrode catalyst. Thus, the performance of the single fuel cell can be improved.

特表2003−536232号公報Special table 2003-536232 gazette

上記の活性化処理について本発明の発明者が検討したところ、燃料電池単セルに所定のカソード電位で活性化処理を実施しても、燃料電池単セルの性能が十分に向上しない場合があることが判明した。燃料電池単セルに所定のカソード電位より低いカソード電位で、すなわち活性化処理の程度を高めて活性化処理を実施すれば、燃料電池単セルがどのような状態であっても電極触媒の性能が向上するようにはできる。しかし、活性化処理の程度を高めて活性化処理を実施すると、活性化処理が過度になり、電極触媒中の金属の溶解が促進され、電極触媒の耐久性が悪化する場合がある。活性化処理を適切な程度で実施でき、燃料電池単セルの性能を確実に向上することが可能な技術が望まれる。   The inventors of the present invention have examined the above activation treatment, and it may be that the performance of the fuel cell single cell may not be sufficiently improved even if the activation treatment is performed on the single fuel cell at a predetermined cathode potential. There was found. If the activation process is performed on the single cell of the fuel cell at a cathode potential lower than the predetermined cathode potential, that is, by increasing the degree of the activation process, the performance of the electrocatalyst is improved regardless of the state of the single cell of the fuel cell. It can be improved. However, if the activation treatment is performed with the degree of the activation treatment being increased, the activation treatment becomes excessive, the dissolution of the metal in the electrode catalyst is promoted, and the durability of the electrode catalyst may deteriorate. There is a demand for a technique that can carry out the activation process to an appropriate degree and can reliably improve the performance of the single fuel cell.

本発明の一の観点によれば、燃料電池システムがアイドル運転されているときに、前記燃料電池システムの少なくとも一つの燃料電池単セルのカソード電位を一時的に処理頻度でもって、継続時間にわたり、到達電位まで低下させる活性化処理を実行するように構成された処理部と、前記燃料電池単セルの電解質膜中に含まれる陽イオン不純物量を推定するように構成された陽イオン不純物量推定部と、前記陽イオン不純物量が多いときには、前記活性化処理の条件を、前記陽イオン不純物量が少ないときと比較して、前記到達電位を低くする、前記継続時間を長くする、および、前記処理頻度を多くする、のいずれか一つまたはそれらのうちの少なくとも二つを組み合わせることにより、前記活性化処理の程度を高く決定するように構成された処理程度決定部と、を備え、前記処理部は、前記処理程度決定部により決定された程度でもって前記活性化処理を実行する、燃料電池システムが提供される。   According to one aspect of the present invention, when the fuel cell system is idling, the cathode potential of at least one fuel cell single cell of the fuel cell system is temporarily processed with a processing frequency over a continuous time period. A processing unit configured to execute an activation process for lowering to an ultimate potential, and a cationic impurity amount estimation unit configured to estimate the amount of cationic impurities contained in the electrolyte membrane of the fuel cell single cell When the amount of the cation impurity is large, the activation treatment condition is set lower than the time when the amount of the cation impurity is low, the duration is increased, and the treatment is performed. The degree of the activation process is determined to be high by combining any one of the increasing frequencies or at least two of them. A processing order determining unit has, wherein the processing unit executes the activation process with a degree determined by the processing order determining unit, the fuel cell system is provided.

本発明の他の観点によれば、燃料電池システムがアイドル運転されているときに、前記燃料電池システムの少なくとも一つの燃料電池単セルのカソード電位を一時的に処理頻度でもって、継続時間にわたり、到達電位まで低下させる活性化処理を実行するように構成された処理部と、ベース出力電流及びベース出力電圧でもって前記燃料電池システムが作動されているときに、前記燃料電池単セルの出力電流を前記ベース出力電流からあらかじめ定められた増加電流へステップ状に増加させて増加時間にわたり保持し、前記増加時間における前記燃料電池単セルの出力電圧を計測し、前記出力電流が前記増加電流までステップ状に増加され保持されると、前記出力電圧が前記ベース出力電圧から極小電圧までステップ状に低下した後に、前記ベース出力電圧よりも低い定常電圧に向かって増加するようになっているとき、前記出力電流が前記増加電流に増加されてから前記増加時間よりも短いあらかじめ定められた設定時間後の前記出力電圧に対する前記極小電圧の差が大きくなるにつれて、前記ベース出力電圧に対する前記極小電圧の差が大きくなるにつれて、又は、前記出力電流が前記増加電流に増加されてから前記出力電圧が前記定常電圧に達するまでの所要時間が長くなるにつれて、前記活性化処理の条件を、前記到逹電位を低くする、前記継続時間を長くする、および、前記処理頻度を多くする、のいずれか一つまたはそれらのうちの少なくとも二つを組み合わせることにより、前記活性化処理の程度を高くするように決定する処理程度決定部と、を備え、前記処理部は、前記処理程度決定部により決定された程度でもって前記活性化処理を実行する、燃料電池システムが提供される。   According to another aspect of the present invention, when the fuel cell system is idling, the cathode potential of at least one fuel cell single cell of the fuel cell system is temporarily processed with a processing frequency over a duration of time. A processing unit configured to execute an activation process for lowering to an ultimate potential, and when the fuel cell system is operated with a base output current and a base output voltage, the output current of the fuel cell single cell is Increase from the base output current to a predetermined increase current in a stepwise manner and hold it for an increase time, measure the output voltage of the fuel cell single cell at the increase time, and step the output current until the increase current When the output voltage decreases in a stepped manner from the base output voltage to the minimum voltage, The output voltage after a predetermined set time shorter than the increase time after the output current is increased to the increase current when the output current increases toward a steady voltage lower than the output voltage. As the difference in the minimum voltage with respect to the base voltage increases, the difference in the minimum voltage with respect to the base output voltage increases, or until the output voltage reaches the steady voltage after the output current is increased to the increased current. As the time required for the activation process becomes longer, the condition for the activation process is any one of or lowering the final potential, increasing the duration, and increasing the process frequency. A processing level determination unit that determines to increase the level of the activation processing by combining at least two, and the processing unit includes: Executing the activation process with a degree determined by the processing order determining unit, the fuel cell system is provided.

本発明の更に他の観点によれば、燃料電池システムがアイドル運転されているときに、前記燃料電池システムの少なくとも一つの燃料電池単セルのカソード電位を一時的に処理頻度でもって、継続時間にわたり、到達電位まで低下させる活性化処理を実行するように構成された処理部と、前記燃料電池単セルの出力電圧を所定時間にわたり所定電圧値に保持した後の、所定の出力電圧のときの出力電流および/または所定の出力電流のときの出力電圧を取得し、前記所定の出力電圧における前記出力電流の値および/または前記所定の出力電流における前記出力電圧の値が相対的に小さいときに、相対的に大きいときに比ベて、前記活性化処理の条件を、前記到達電位を低くする、前記継続時間を長くする、および、前記処理頻度を多くする、のいずれか一つまたはそれらのうちの少なくとも二つを組み合わせることにより、前記活性化処理の程度を高くするように決定する処理程度決定部と、を備え、前記処理部は、前記処理程度決定部により決定された程度でもって前記活性化処理を実行する、燃料電池システムが提供される。   According to still another aspect of the present invention, when the fuel cell system is idling, the cathode potential of at least one single fuel cell of the fuel cell system is temporarily processed with a processing frequency over a continuous time. A processing unit configured to execute an activation process for lowering to an ultimate potential, and an output at a predetermined output voltage after holding the output voltage of the fuel cell single cell at a predetermined voltage value for a predetermined time Obtaining an output voltage at a current and / or a predetermined output current, and when the value of the output current at the predetermined output voltage and / or the value of the output voltage at the predetermined output current are relatively small, Compared to a relatively large condition, the activation process conditions are such that the ultimate potential is lowered, the duration is increased, and the process frequency is increased. A processing degree determining unit that determines to increase the degree of the activation processing by combining at least two of them or the two of them, and the processing unit includes the processing degree determining unit A fuel cell system is provided that performs the activation process to a degree determined by

活性化処理を適切な程度で実施でき、燃料電池単セルの性能を確実に向上することができる。   The activation process can be performed to an appropriate degree, and the performance of the fuel cell single cell can be reliably improved.

燃料電池システムの構成図である。It is a block diagram of a fuel cell system. 燃料電池単セルの部分断面図である。It is a fragmentary sectional view of a fuel cell single cell. 陽イオン不純物を含まない燃料電池単セルの出力電流と出力電圧との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the output current and output voltage of a fuel cell single cell which does not contain a cation impurity. 陽イオン不純物を含む燃料電池単セルの出力電流と出力電圧との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the output current and output voltage of a fuel cell single cell containing a cation impurity. 陽イオン不純物を含まない燃料電池単セルの所定出力電圧における出力電流密度と前保持電圧との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the output current density in the predetermined output voltage of the fuel cell single cell which does not contain a cation impurity, and a pre-holding voltage. 陽イオン不純物を少し含む燃料電池単セルの所定出力電圧における出力電流密度と前保持電圧との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the output current density in the predetermined output voltage of a fuel cell single cell containing a little cationic impurities, and a pre-holding voltage. 陽イオン不純物を多く含む燃料電池単セルの所定出力電圧における出力電流密度と前保持電圧との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the output current density in the predetermined output voltage of the fuel cell single cell containing many cationic impurities, and a pre-holding voltage. 図5〜図7の現象の理由を説明する図である。It is a figure explaining the reason of the phenomenon of FIGS. 電解質膜の膜抵抗と陽イオン不純物量との関係の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the relationship between the membrane resistance of an electrolyte membrane, and the amount of cationic impurities. 活性化処理の程度を決定するためのグラフである。It is a graph for determining the grade of an activation process. 燃料電池単セルの性能向上方法を説明する図である。It is a figure explaining the performance improvement method of a fuel cell single cell. 陽イオン不純物量を推定する方法を説明する図である。It is a figure explaining the method to estimate the amount of cationic impurities. 陽イオン不純物量を推定する方法を説明する図である。It is a figure explaining the method to estimate the amount of cationic impurities. 陽イオン不純物量を推定する方法を説明する図である。It is a figure explaining the method to estimate the amount of cationic impurities. 電圧落ち込み量と陽イオン不純物量との関係の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the relationship between the amount of voltage drops, and the amount of cationic impurities. 極小値落ち込み量と陽イオン不純物量との関係の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the relationship between the amount of minimum value fall, and the amount of cationic impurities. 所要時間と陽イオン不純物量との関係の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the relationship between required time and the amount of cationic impurities. 燃料電池システムの性能向上制御のルーチンを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the routine of the performance improvement control of a fuel cell system. 燃料電池システムの陽イオン不純物量推定制御のルーチンを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the routine of the cation impurity amount estimation control of a fuel cell system. 燃料電池システムの活性化処理決定制御ルーチンを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the activation process determination control routine of a fuel cell system. 燃料電池システムの活性化処理制御ルーチンを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the activation process control routine of a fuel cell system. 別の実施例の陽イオン不純物量を推定する方法を説明する図である。It is a figure explaining the method to estimate the amount of cationic impurities of another Example. 出力電流と陽イオン不純物量との関係を示すテーブルである。It is a table which shows the relationship between an output electric current and the amount of cationic impurities. 別の実施例の陽イオン不純物量を推定する方法を説明する図である。It is a figure explaining the method to estimate the amount of cationic impurities of another Example. 出力電圧と陽イオン不純物量との関係を示すテーブルである。It is a table which shows the relationship between an output voltage and the amount of cationic impurities. 出力電圧及び出力電流と陽イオン不純物量との関係を示すテーブルである。It is a table which shows the relationship between output voltage and output current, and the amount of cationic impurities. 運転時間と陽イオン不純物量との関係を示すテーブルである。It is a table which shows the relationship between operation time and the amount of cationic impurities. 更に別の実施例の燃料電池システムの構成図である。It is a block diagram of the fuel cell system of another Example.

図1を参照すると、燃料電池システムAは燃料電池スタック10を備える。燃料電池スタック10は積層方向に互いに積層された複数の燃料電池単セル2を含む積層体を備える。積層体の各燃料電池単セル2は膜電極ガス拡散層接合体20と、膜電極ガス拡散層接合体20の両側に配置されたセパレータ(図示せず)とを含む。膜電極ガス拡散層接合体20は、電解質膜と、電解質膜の両側に設けられたアノード極及びカソード極とを備える。   Referring to FIG. 1, the fuel cell system A includes a fuel cell stack 10. The fuel cell stack 10 includes a stacked body including a plurality of single fuel cell cells 2 stacked in the stacking direction. Each fuel cell single cell 2 of the laminate includes a membrane electrode gas diffusion layer assembly 20 and separators (not shown) arranged on both sides of the membrane electrode gas diffusion layer assembly 20. The membrane electrode gas diffusion layer assembly 20 includes an electrolyte membrane and an anode electrode and a cathode electrode provided on both sides of the electrolyte membrane.

燃料電池単セル2のアノード極は一端側に隣接する他の燃料電池単セル2のカソード極に、カソード極は他端側に隣接する他の燃料電池単セル2のアノード極にそれぞれセパレータを介して電気的に接続される。積層体の一端側の燃料電池単セル2のアノード極と他端側の燃料電池単セル2のカソード極とは燃料電池スタック10の電極を構成する。燃料電池スタック10の電極はDC/DCコンバータ11を介してインバータ12に電気的に接続され、インバータ12はモータジェネレータ13に電気的に接続される。また、燃料電池システムAは蓄電器14を備えており、この蓄電器14はDC/DCコンバータ15を介して上述のインバータ12に電気的に接続される。DC/DCコンバータ11は燃料電池スタック10が出力する出力電流・出力電圧の大きさを制御すると共に、出力された出力電流・出力電圧の大きさを変換してインバータ12に供給するためのものである。インバータ12はDC/DCコンバータ11又は蓄電器14からの直流電流を交流電流に変換するためのものである。DC/DCコンバータ15は燃料電池スタック10又はモータジェネレータ13から蓄電器14への電圧を低くし、又は蓄電器14からモータジェネレータ13への電圧を高くするためのものである。なお、図1に示される燃料電池システムAでは蓄電器14はバッテリから構成される。   The anode electrode of the fuel cell single cell 2 is connected to the cathode electrode of another fuel cell single cell 2 adjacent to one end side, and the cathode electrode is connected to the anode electrode of another fuel cell single cell 2 adjacent to the other end side via a separator. Are electrically connected. The anode electrode of the fuel cell single cell 2 on one end side of the laminate and the cathode electrode of the fuel cell single cell 2 on the other end side constitute an electrode of the fuel cell stack 10. The electrode of the fuel cell stack 10 is electrically connected to the inverter 12 via the DC / DC converter 11, and the inverter 12 is electrically connected to the motor generator 13. Further, the fuel cell system A includes a capacitor 14, and this capacitor 14 is electrically connected to the above-described inverter 12 via a DC / DC converter 15. The DC / DC converter 11 controls the magnitude of the output current / output voltage output from the fuel cell stack 10 and converts the magnitude of the output current / output voltage to be supplied to the inverter 12. is there. The inverter 12 is for converting a direct current from the DC / DC converter 11 or the battery 14 into an alternating current. The DC / DC converter 15 is for reducing the voltage from the fuel cell stack 10 or the motor generator 13 to the battery 14 or increasing the voltage from the battery 14 to the motor generator 13. In the fuel cell system A shown in FIG. 1, the battery 14 is composed of a battery.

また、燃料電池単セル2内には、アノード極に燃料ガスである水素ガスを供給するための燃料ガス流通路と、カソード極に酸化剤ガスである空気を供給するための酸化剤ガス流通路と、燃料電池単セル2に冷却水を供給するための冷却水流通路とがそれぞれ形成される。複数の燃料電池単セル2の燃料ガス流通路を並列に接続し、複数の燃料電池単セル2の酸化剤ガス流通路を並列に接続し、及び、複数の燃料電池単セル2の冷却水流通路を並列に接続することにより、燃料電池スタック10には燃料ガス通路30、酸化剤ガス通路40、及び、冷却水通路50がそれぞれ形成される。燃料ガス通路30、酸化剤ガス通路40、及び、冷却水通路50は、それぞれ燃料ガス用マニホールド、酸化剤ガス用マニホールド、及び、冷却水用マニホールドを含む。   Further, in the fuel cell single cell 2, a fuel gas flow passage for supplying hydrogen gas as fuel gas to the anode electrode, and an oxidant gas flow passage for supplying air as oxidant gas to the cathode electrode And a cooling water flow passage for supplying cooling water to the single fuel cell 2 are formed. The fuel gas flow paths of the plurality of fuel cell single cells 2 are connected in parallel, the oxidant gas flow paths of the plurality of fuel cell single cells 2 are connected in parallel, and the cooling water flow paths of the plurality of fuel cell single cells 2 Are connected in parallel, the fuel cell stack 10 is formed with a fuel gas passage 30, an oxidant gas passage 40, and a cooling water passage 50, respectively. The fuel gas passage 30, the oxidant gas passage 40, and the cooling water passage 50 each include a fuel gas manifold, an oxidant gas manifold, and a cooling water manifold.

燃料ガス通路30の入口には燃料ガス供給管31が連結され、燃料ガス供給管31は燃料ガス源32に連結される。図1に示される実施例では、燃料ガス源32は水素タンクから形成される。燃料ガス供給管31内には上流側から順に、遮断弁33と、燃料ガス供給管31内の燃料ガスの圧力を調整するレギュレータ34と、燃料ガス源32からの燃料ガスを燃料電池スタック10に供給するための燃料ガスインジェクタ35と、が配置される。一方、燃料ガス通路30の出口にはアノードオフガス管36が連結される。遮断弁33が開弁されかつ燃料ガスインジェクタ35が開弁されると、燃料ガス源32内の燃料ガスが燃料ガス供給管31を介して燃料電池スタック10内の燃料ガス通路30内に供給される。このとき燃料ガス通路30から流出するガス、すなわちアノードオフガスはアノードオフガス管36内に流入する。アノードオフガス管36内には上流側から順に、アノードオフガスを気液分離する気液分離器37と、気液分離器37に蓄積された液体の排出を制御する排出制御弁38が配置される。気液分離器37の上部には燃料ガス循環管81の入口が連通され、燃料ガス供給管31における燃料ガスインジェクタ35よりも上流の箇所には燃料ガス循環管81の出口が連通される。燃料ガス循環管81内には、気液分離器37内の気体、すなわち気液分離されたアノードオフガスを圧送する燃料ガス循環ポンプ39が配置される。燃料ガス循環ポンプ39が駆動されると、気液分離器37に蓄積されたアノードオフガスが燃料ガス供給管31へ循環される。図示しない別の実施例では、アノードオフガス管36内の気液分離器37が省略される。   A fuel gas supply pipe 31 is connected to the inlet of the fuel gas passage 30, and the fuel gas supply pipe 31 is connected to a fuel gas source 32. In the embodiment shown in FIG. 1, the fuel gas source 32 is formed from a hydrogen tank. In the fuel gas supply pipe 31, in order from the upstream side, the shutoff valve 33, the regulator 34 for adjusting the pressure of the fuel gas in the fuel gas supply pipe 31, and the fuel gas from the fuel gas source 32 are supplied to the fuel cell stack 10. A fuel gas injector 35 for supply is arranged. On the other hand, an anode off gas pipe 36 is connected to the outlet of the fuel gas passage 30. When the shutoff valve 33 is opened and the fuel gas injector 35 is opened, the fuel gas in the fuel gas source 32 is supplied into the fuel gas passage 30 in the fuel cell stack 10 via the fuel gas supply pipe 31. The At this time, the gas flowing out from the fuel gas passage 30, that is, the anode off gas flows into the anode off gas pipe 36. A gas-liquid separator 37 that gas-liquid separates the anode off-gas and a discharge control valve 38 that controls the discharge of the liquid accumulated in the gas-liquid separator 37 are disposed in the anode off-gas pipe 36 in order from the upstream side. An inlet of a fuel gas circulation pipe 81 is communicated with an upper portion of the gas-liquid separator 37, and an outlet of the fuel gas circulation pipe 81 is communicated with a location upstream of the fuel gas injector 35 in the fuel gas supply pipe 31. In the fuel gas circulation pipe 81, a fuel gas circulation pump 39 for pressure-feeding the gas in the gas-liquid separator 37, that is, the gas-liquid separated anode off-gas is disposed. When the fuel gas circulation pump 39 is driven, the anode off gas accumulated in the gas-liquid separator 37 is circulated to the fuel gas supply pipe 31. In another embodiment not shown, the gas-liquid separator 37 in the anode off-gas pipe 36 is omitted.

また、酸化剤ガス通路40の入口には酸化剤ガス供給管41が連結され、酸化剤ガス供給管41は酸化剤ガス源42に連結される。図1に示される実施例では、酸化剤ガス源42は大気から形成される。酸化剤ガス供給管41内には上流側から順に、ガスクリーナ43と、酸化剤ガスを圧送する空気供給器ないしターボコンプレッサ44と、ターボコンプレッサ44から燃料電池スタック10に送られる酸化剤ガスを冷却するためのインタークーラ45と、が配置される。一方、酸化剤ガス通路40の出口にはカソードオフガス管46が連結される。カソードオフガス管46内にはカソードオフガス管46内を流れるカソードオフガスの量又は燃料電池スタック10の酸化剤ガス通路40内の圧力を制御するカソードオフガス制御弁47が配置される。更に、インタークーラ45下流の酸化剤ガス供給管41に酸化剤ガスバイパス管49の入口が連結され、酸化剤ガスバイパス管49の出口がカソードオフガス制御弁47下流のカソードオフガス管46に連結される。酸化剤ガスバイパス管49内には、酸化剤ガスバイパス制御弁48が配置される。酸化剤ガスバイパス制御弁48は、燃料電池スタック10を迂回して酸化剤ガス供給管41からカソードオフガス管46へ流れる空気の流量を制御する。図1に示される燃料電池システムAでは酸化剤ガスバイパス制御弁48は三方弁から形成される。ターボコンプレッサ44が駆動され、酸化剤ガスバイパス制御弁48が、酸化剤ガス供給管41における酸化剤ガスバイパス制御弁48よりも上流側の上流側酸化剤ガス供給管41Uに、酸化剤ガス供給管41における酸化剤ガスバイパス制御弁48よりも下流側の下流側酸化剤ガス供給管41Dを連通すると、酸化剤ガスが燃料電池スタック10内の酸化剤ガス通路40内に供給される。このとき酸化剤ガス通路40から流出するガス、すなわちカソードオフガスはカソードオフガス管46内に流入する。また、酸化剤ガスバイパス制御弁48が上流側酸化剤ガス供給管41Uに酸化剤ガスバイパス管49を連通すると、ターボコンプレッサ44から吐出された空気の一部又は全部が酸化剤ガスバイパス管49を介してカソードオフガス管46に供給される。図1に示される実施例では、ターボコンプレッサ44は遠心式又は軸流式のターボコンプレッサから構成される。小型化などの面から、遠心式のターボコンプレッサが好適に用いられる。   An oxidant gas supply pipe 41 is connected to the inlet of the oxidant gas passage 40, and the oxidant gas supply pipe 41 is connected to an oxidant gas source 42. In the embodiment shown in FIG. 1, the oxidant gas source 42 is formed from the atmosphere. In the oxidant gas supply pipe 41, in order from the upstream side, a gas cleaner 43, an air supply unit or turbo compressor 44 for pumping the oxidant gas, and an oxidant gas sent from the turbo compressor 44 to the fuel cell stack 10 are cooled. And an intercooler 45 is arranged. On the other hand, a cathode off-gas pipe 46 is connected to the outlet of the oxidant gas passage 40. A cathode offgas control valve 47 for controlling the amount of cathode offgas flowing in the cathode offgas pipe 46 or the pressure in the oxidant gas passage 40 of the fuel cell stack 10 is disposed in the cathode offgas pipe 46. Further, the inlet of the oxidant gas bypass pipe 49 is connected to the oxidant gas supply pipe 41 downstream of the intercooler 45, and the outlet of the oxidant gas bypass pipe 49 is connected to the cathode offgas pipe 46 downstream of the cathode offgas control valve 47. . An oxidant gas bypass control valve 48 is disposed in the oxidant gas bypass pipe 49. The oxidant gas bypass control valve 48 bypasses the fuel cell stack 10 and controls the flow rate of air flowing from the oxidant gas supply pipe 41 to the cathode offgas pipe 46. In the fuel cell system A shown in FIG. 1, the oxidant gas bypass control valve 48 is formed of a three-way valve. The turbo compressor 44 is driven, and the oxidant gas bypass control valve 48 is connected to the upstream oxidant gas supply pipe 41U upstream of the oxidant gas bypass control valve 48 in the oxidant gas supply pipe 41. When the downstream oxidant gas supply pipe 41 </ b> D downstream of the oxidant gas bypass control valve 48 in 41 is communicated, the oxidant gas is supplied into the oxidant gas passage 40 in the fuel cell stack 10. At this time, the gas flowing out from the oxidant gas passage 40, that is, the cathode off gas flows into the cathode off gas pipe 46. Further, when the oxidant gas bypass control valve 48 communicates the oxidant gas bypass pipe 49 with the upstream side oxidant gas supply pipe 41U, a part or all of the air discharged from the turbo compressor 44 passes through the oxidant gas bypass pipe 49. To the cathode off-gas pipe 46. In the embodiment shown in FIG. 1, the turbo compressor 44 is constituted by a centrifugal or axial flow type turbo compressor. A centrifugal turbo compressor is preferably used in terms of downsizing and the like.

酸化剤ガスバイパス管49の出口下流のカソードオフガス管46内には希釈器80が設けられる。この希釈器80にはアノードオフガス管36の出口が連結される。希釈器80では、希釈器80から大気に排出されるガス中の水素ガス濃度が許容値以下になるように、アノードオフガスに含まれる水素ガスがカソードオフガスにより希釈される。なお、希釈器80に流入するカソードオフガスには、酸化剤ガスバイパス管49からの酸化剤ガスも含まれる。   A diluter 80 is provided in the cathode offgas pipe 46 downstream of the outlet of the oxidant gas bypass pipe 49. The diluter 80 is connected to the outlet of the anode off gas pipe 36. In the diluter 80, the hydrogen gas contained in the anode off gas is diluted with the cathode off gas so that the concentration of hydrogen gas in the gas discharged from the diluter 80 to the atmosphere is below an allowable value. Note that the cathode off-gas flowing into the diluter 80 includes the oxidant gas from the oxidant gas bypass pipe 49.

また、冷却水通路50の入口には冷却水供給管51の一端が連結され、冷却水通路50の出口には冷却水供給管51の他端が連結される。冷却水供給管51内には冷却水を圧送する冷却水ポンプ52と、ラジエータ53とが配置される。ラジエータ53上流の冷却水供給管51と、ラジエータ53下流であってラジエータ53と冷却水ポンプ52間の冷却水供給管51とはラジエータバイパス管54により互いに連結される。また、ラジエータバイパス管54内を流れる冷却水量を制御するラジエータバイパス制御弁55が設けられる。図1に示される燃料電池システムAではラジエータバイパス制御弁55は三方弁から形成され、ラジエータバイパス管54の入口に配置される。冷却水ポンプ52が駆動されると、冷却水ポンプ52から吐出された冷却水は冷却水供給管51を介して燃料電池スタック10内の冷却水通路50内に流入し、次いで冷却水通路50を通って冷却水供給管51内に流入し、ラジエータ53又はラジエータバイパス管54を介して冷却水ポンプ52に戻る。   One end of the cooling water supply pipe 51 is connected to the inlet of the cooling water passage 50, and the other end of the cooling water supply pipe 51 is connected to the outlet of the cooling water passage 50. A cooling water pump 52 that pumps cooling water and a radiator 53 are disposed in the cooling water supply pipe 51. The cooling water supply pipe 51 upstream of the radiator 53 and the cooling water supply pipe 51 downstream of the radiator 53 and between the radiator 53 and the cooling water pump 52 are connected to each other by a radiator bypass pipe 54. Further, a radiator bypass control valve 55 that controls the amount of cooling water flowing in the radiator bypass pipe 54 is provided. In the fuel cell system A shown in FIG. 1, the radiator bypass control valve 55 is formed of a three-way valve and is disposed at the inlet of the radiator bypass pipe 54. When the cooling water pump 52 is driven, the cooling water discharged from the cooling water pump 52 flows into the cooling water passage 50 in the fuel cell stack 10 through the cooling water supply pipe 51, and then passes through the cooling water passage 50. Then, it flows into the cooling water supply pipe 51 and returns to the cooling water pump 52 via the radiator 53 or the radiator bypass pipe 54.

電子制御ユニット60はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス61によって互いに接続されたROM(リードオンリメモリ)62、RAM(ランダムアクセスメモリ)63、CPU(マイクロプロセッサ)64、入力ポート65及び出力ポート66を具備する。燃料電池スタック10の出力電流及び出力電圧を計測する出力センサ16の出力信号、積層体の複数の燃料電池単セル2のそれぞれの出力電流及び出力電圧を計測する出力センサ17の出力信号、燃料電池スタック10の温度を計測する温度センサ18の出力信号、車両のトランスミッションのレンジを検出するレンジセンサ19の出力信号、及び、燃料電池システムA内の圧力センサ(図示せず)等の出力信号は対応するAD変換器67を介して入力ポート65に所定時間間隔(例示:0.1ms)ごとに入力される。入力ポート65に入力された各センサ等からの出力信号は、データとしてRAM63に格納され、運転履歴として記憶される。一方、出力ポート66は対応する駆動回路68を介して遮断弁33、レギュレータ34、燃料ガスインジェクタ35、排出制御弁38、燃料ガス循環ポンプ39、ターボコンプレッサ44、カソードオフガス制御弁47、酸化剤ガスバイパス制御弁48、冷却水ポンプ52、及びラジエータバイパス制御弁55に電気的に接続される。   The electronic control unit 60 is composed of a digital computer and includes a ROM (Read Only Memory) 62, a RAM (Random Access Memory) 63, a CPU (Microprocessor) 64, an input port 65, and an output port 66 connected to each other by a bidirectional bus 61. It comprises. An output signal of an output sensor 16 that measures an output current and an output voltage of the fuel cell stack 10, an output signal of an output sensor 17 that measures an output current and an output voltage of each of the plurality of fuel cell single cells 2 in the stack, The output signal of the temperature sensor 18 that measures the temperature of the stack 10, the output signal of the range sensor 19 that detects the range of the transmission of the vehicle, and the output signal of the pressure sensor (not shown) in the fuel cell system A and the like correspond. Is input to the input port 65 via the AD converter 67 at predetermined time intervals (example: 0.1 ms). An output signal from each sensor or the like input to the input port 65 is stored as data in the RAM 63 and is stored as an operation history. On the other hand, the output port 66 is connected to the shut-off valve 33, the regulator 34, the fuel gas injector 35, the discharge control valve 38, the fuel gas circulation pump 39, the turbo compressor 44, the cathode offgas control valve 47, the oxidant gas via the corresponding drive circuit 68. The bypass control valve 48, the coolant pump 52, and the radiator bypass control valve 55 are electrically connected.

ところで、燃料電池スタック10で発電すべきときには遮断弁33及び燃料ガスインジェクタ35が開弁され、燃料ガスが燃料電池スタック10に供給される。また、ターボコンプレッサ44が駆動され、酸化剤ガスが燃料電池スタック10に供給される。その結果、燃料電池単セルにおいて電気化学反応(H→2H+2e,(1/2)O+2H+2e→HO)が起こり、電気エネルギが発生される。この発生された電気エネルギはモータジェネレータ13に送られる。その結果、モータジェネレータ13が車両駆動用の電気モータとして作動され、電動車両が駆動される。一方、例えば車両制動時にはモータジェネレータ13が回生装置として作動し、このとき回生された電気エネルギは蓄電器14に蓄えられる。 By the way, when the fuel cell stack 10 is to generate power, the shutoff valve 33 and the fuel gas injector 35 are opened, and the fuel gas is supplied to the fuel cell stack 10. Further, the turbo compressor 44 is driven, and the oxidant gas is supplied to the fuel cell stack 10. As a result, an electrochemical reaction (H 2 → 2H + + 2e , (1/2) O 2 + 2H + + 2e → H 2 O) occurs in the single fuel cell, and electric energy is generated. The generated electrical energy is sent to the motor generator 13. As a result, the motor generator 13 is operated as an electric motor for driving the vehicle, and the electric vehicle is driven. On the other hand, for example, when the vehicle is braked, the motor generator 13 operates as a regenerative device, and the electrical energy regenerated at this time is stored in the capacitor 14.

図2に示すように、燃料電池単セル2では、膜電極ガス拡散層接合体20の電解質膜5eの一側に形成されたアノード極5aはアノード電極触媒層5asとアノードガス拡散層5adとを備え、電解質膜5eの他側に形成されたカソード極5cはカソード電極触媒層5csとカソードガス拡散層5cdとを備えている。膜電極ガス拡散層接合体20のアノード極5a側にはアノードセパレータ3aが配置され、カソード極5c側にはカソードセパレータ3cが配置されている。   As shown in FIG. 2, in the fuel cell single cell 2, the anode 5a formed on one side of the electrolyte membrane 5e of the membrane electrode gas diffusion layer assembly 20 includes an anode electrode catalyst layer 5as and an anode gas diffusion layer 5ad. The cathode 5c formed on the other side of the electrolyte membrane 5e includes a cathode electrode catalyst layer 5cs and a cathode gas diffusion layer 5cd. An anode separator 3a is disposed on the anode electrode 5a side of the membrane electrode gas diffusion layer assembly 20, and a cathode separator 3c is disposed on the cathode electrode 5c side.

電解質膜5eの材料、すなわち電解質材料としては、例えばパーフルオロスルホン酸のような陽イオン伝導性を有するフッ素系の陽イオン交換樹脂が挙げられ、具体的にはナフィオン(登録商標)が例示される。アノード電極触媒層5as及びカソード電極触媒層5csの電極触媒の材料としては、例えば白金又は白金合金を担持した触媒担持カーボンが挙げられる。図示しない別の実施例では、電解質膜5eと同様の電解質材料、例えばフッ素系の陽イオン交換樹脂で形成されるアイオノマーが触媒担持カーボンに加えられる。アノードガス拡散層5ad及びカソードガス拡散層5cdの材料としては、導電性を有する多孔体、例えばカーボンペーパー、カーボンクロス、ガラス状カーボンのようなカーボン多孔体や、金属メッシュ、発泡金属のような金属多孔体が挙げられる。アノードセパレータ3a及びカソードセパレータ3cの材料としては、例えばステンレスやTiのような金属が挙げられる。   Examples of the material of the electrolyte membrane 5e, that is, the electrolyte material include a fluorine-based cation exchange resin having cation conductivity such as perfluorosulfonic acid, and specifically, Nafion (registered trademark) is exemplified. . Examples of the electrode catalyst material of the anode electrode catalyst layer 5as and the cathode electrode catalyst layer 5cs include catalyst-supported carbon supporting platinum or a platinum alloy. In another embodiment not shown, an electrolyte material similar to the electrolyte membrane 5e, for example, an ionomer formed of a fluorine-based cation exchange resin is added to the catalyst-supporting carbon. As materials for the anode gas diffusion layer 5ad and the cathode gas diffusion layer 5cd, conductive porous materials, for example, carbon porous materials such as carbon paper, carbon cloth, glassy carbon, metals such as metal mesh and foam metal A porous body is mentioned. Examples of the material of the anode separator 3a and the cathode separator 3c include metals such as stainless steel and Ti.

図1に示される燃料電池システムAでは、発電すべきときには、例えばアクセルペダルの踏み込み量により表されるモータジェネレータ13の負荷及び蓄電器14の蓄電量に応じて燃料電池スタック10の目標電流値が求められる。次いで、燃料電池スタック10の出力電流値を目標電流値にするのに必要な燃料ガス流量及び酸素ガス流量、すなわち目標燃料ガス流量及び目標酸素ガス流量が求められ、目標酸素ガス流量に基づいて目標酸化剤ガス流量が求められる。次いで、燃料電池スタック10に送られる燃料ガス流量が目標燃料ガス流量となるようにレギュレータ34及び燃料ガスインジェクタ35が制御され、燃料電池スタック10に送られる酸化剤ガス流量が目標酸化剤ガス流量となるようにターボコンプレッサ44及びカソードオフガス制御弁47が制御される。   In the fuel cell system A shown in FIG. 1, when power generation is to be performed, a target current value of the fuel cell stack 10 is obtained in accordance with, for example, the load of the motor generator 13 expressed by the amount of depression of the accelerator pedal and the charged amount of the battery 14. It is done. Next, the fuel gas flow rate and the oxygen gas flow rate necessary for setting the output current value of the fuel cell stack 10 to the target current value, that is, the target fuel gas flow rate and the target oxygen gas flow rate are obtained, and the target based on the target oxygen gas flow rate is obtained. An oxidant gas flow rate is required. Next, the regulator 34 and the fuel gas injector 35 are controlled so that the fuel gas flow rate sent to the fuel cell stack 10 becomes the target fuel gas flow rate, and the oxidant gas flow rate sent to the fuel cell stack 10 becomes the target oxidant gas flow rate. Thus, the turbo compressor 44 and the cathode offgas control valve 47 are controlled.

ところで、燃料電池システムAでは、燃料電池システムAの運転中に、燃料電池スタック10における燃料電池単セル2のカソード電極触媒層5csの電極触媒(例示:白金又は白金合金)上に酸化被膜が形成され、それにより電極触媒の性能が低下して、燃料電池単セル2の性能が低下することがある。それに対処するために、燃料電池システムAにおいて、燃料電池システムAの運転中に、カソード極5c側の空気を絞り、燃料電池単セル2のカソード電位を一時的に低下させる活性化処理を行い、電極触媒の性能を向上させることが行われる。ところが、活性化処理を行っても、原因は不明であるが燃料電池単セルの性能が十分に向上しない場合が起こることがある。そこで本発明の発明者は、活性化処理で燃料電池単セル2の性能が十分に向上しない場合の原因を解明するべく、その原因として電解質膜5e内の金属の陽イオン(カチオン)不純物の量に着目した。   By the way, in the fuel cell system A, an oxide film is formed on the electrode catalyst (eg, platinum or platinum alloy) of the cathode electrode catalyst layer 5cs of the fuel cell single cell 2 in the fuel cell stack 10 during the operation of the fuel cell system A. As a result, the performance of the electrode catalyst may be reduced, and the performance of the single fuel cell 2 may be reduced. In order to cope with this, in the fuel cell system A, during the operation of the fuel cell system A, the air on the cathode electrode 5c side is throttled, and an activation process for temporarily lowering the cathode potential of the fuel cell single cell 2 is performed. The performance of the electrode catalyst is improved. However, even if the activation process is performed, the cause may not be known, but the performance of the single fuel cell may not be sufficiently improved. Therefore, in order to elucidate the cause when the performance of the fuel cell single cell 2 is not sufficiently improved by the activation treatment, the inventor of the present invention has as its cause the amount of metal cation (cation) impurities in the electrolyte membrane 5e. Focused on.

ここで、その陽イオンは、燃料電池システムAの運転中に、燃料電池スタック10に供給される空気に同伴されることなどにより、燃料電池スタック10の燃料電池単セル2内に入り込んだ陽イオンである。この陽イオンとしては、融雪剤に含まれるCa、Naなど、及び、燃料電池システムAの部品に含まれるFe、Mo、Cr、Alなどが考えられる。燃料電池単セル2の電解質膜5eとしてはナフィオン(登録商標)に例示される陽イオン交換膜が用いられているため、この陽イオンが燃料電池単セル2内に入ると、陽イオン交換膜内に侵入してそのまま膜内に留まり、膜内のスルホン酸基を置換してしまう。そのため、膜内の陽イオンの量が増加すると、陽イオン交換膜内でHイオンの伝導に関わるスルホン酸基が減少して、Hイオンが移動し難くなり、すなわちプロトン伝導性が低下して、電池性能が劣化してしまう。したがって、陽イオン不純物の量が多い場合、活性化処理の効果が陽イオン不純物による電池性能の劣化に隠れてしまい、燃料電池単セル2の性能の向上に結び付かない可能性が考えられる。 Here, the cation enters the fuel cell unit cell 2 of the fuel cell stack 10 by being accompanied by the air supplied to the fuel cell stack 10 during the operation of the fuel cell system A. It is. As this cation, Ca, Na, etc. contained in a snow melting agent, Fe, Mo, Cr, Al, etc. contained in the components of the fuel cell system A can be considered. Since the cation exchange membrane exemplified by Nafion (registered trademark) is used as the electrolyte membrane 5e of the fuel cell single cell 2, when the cation enters the fuel cell single cell 2, the inside of the cation exchange membrane Enters the membrane and stays in the membrane as it is, replacing the sulfonic acid group in the membrane. Therefore, when the amount of cations in the membrane increases, the sulfonic acid groups involved in H + ion conduction decrease in the cation exchange membrane, making it difficult for H + ions to move, that is, proton conductivity decreases. Battery performance will deteriorate. Therefore, when the amount of the cation impurity is large, the effect of the activation treatment may be hidden in the deterioration of the battery performance due to the cation impurity, and may not lead to the improvement of the performance of the single fuel cell 2.

そして、本発明の発明者が電解質膜5e内の陽イオン不純物量と活性化処理との関係について検討した結果、以下の事実を見出した。すなわち活性化処理を行うとき、陽イオン不純物量が少ないときには、活性化処理の程度が低くても高くても燃料電池単セル2の性能向上の度合いはほぼ同じであるが、陽イオン不純物量が多いときには、活性化処理の程度が低いと燃料電池単セル2の性能向上の度合いは小さく、活性化処理の程度が高いと燃料電池単セル2の性能向上の度合いは大きくなる。すなわち、活性化処理による燃料電池単セル2の性能向上の度合いは陽イオン不純物量の大きさに依存しており、活性化処理を行ったにも拘らず燃料電池単セル2の性能の向上が十分でないのは、電解質膜5e中の陽イオン不純物が多いにも拘らず活性化処理の程度が低いこと、すなわち陽イオン不純物量を考慮した活性化処理を行っていないことが原因である。したがって、活性化処理により燃料電池単セル2の性能を確実に向上させるためには、陽イオン不純物量に応じて活性化処理の程度を変更する必要がある。以下、陽イオン不純物量に応じて活性化処理の程度を変更する、本発明の燃料電池システムAについて詳細に説明する。   As a result of examining the relationship between the amount of cationic impurities in the electrolyte membrane 5e and the activation treatment, the inventors of the present invention have found the following facts. That is, when the activation treatment is performed, when the amount of cationic impurities is small, the degree of improvement in the performance of the fuel cell single cell 2 is almost the same regardless of whether the degree of activation treatment is low or high. When the number of activation processes is low, the degree of performance improvement of the single fuel cell 2 is small, and when the degree of activation processing is high, the degree of performance improvement of the single fuel cell 2 is large. That is, the degree of performance improvement of the fuel cell single cell 2 by the activation treatment depends on the amount of the cation impurity, and the performance of the fuel cell single cell 2 is improved despite the activation treatment. The reason for not being sufficient is that the degree of the activation treatment is low despite the large amount of cationic impurities in the electrolyte membrane 5e, that is, the activation treatment in consideration of the amount of cationic impurities is not performed. Therefore, in order to reliably improve the performance of the fuel cell single cell 2 by the activation process, it is necessary to change the degree of the activation process according to the amount of cationic impurities. Hereinafter, the fuel cell system A of the present invention in which the degree of activation treatment is changed according to the amount of cationic impurities will be described in detail.

まず、燃料電池単セル2中の電解質膜5eに含まれる陽イオン不純物量と活性化処理との関係について説明する。   First, the relationship between the amount of cationic impurities contained in the electrolyte membrane 5e in the fuel cell single cell 2 and the activation treatment will be described.

図3は、電解質膜5eが陽イオン不純物を含んでいない場合での燃料電池単セル2の出力電圧と出力電流との関係、すなわちIV特性を示すグラフである。図4は、電解質膜5eが陽イオン不純物を含んでいる場合での燃料電池単セル2のIV特性を示すグラフである。両図において、横軸は出力電流密度を示し、縦軸は出力電圧を示す。本実施例では、電解質膜5eの陽イオン不純物量を表す指標の一例として、電解質膜5e中のスルホン酸基が陽イオン不純物により置換された割合、すなわちスルホン酸基置換割合を用いる。図3の場合でのスルホン酸基置換割合は0%であり、図4の場合でのスルホン酸基置換割合は30%である。また、燃料電池単セル2としては1cmセルを用い、燃料ガス/酸化剤ガスとしてはH/Air(1L/min)を用い、燃料電池単セル2の温度を83℃(相対湿度30%)として実験を行った。 FIG. 3 is a graph showing the relationship between the output voltage and the output current of the fuel cell single cell 2 when the electrolyte membrane 5e does not contain cationic impurities, that is, the IV characteristics. FIG. 4 is a graph showing the IV characteristics of the single fuel cell 2 when the electrolyte membrane 5e contains a cationic impurity. In both figures, the horizontal axis indicates the output current density, and the vertical axis indicates the output voltage. In the present embodiment, as an example of an index representing the amount of cationic impurities in the electrolyte membrane 5e, a ratio in which the sulfonic acid groups in the electrolyte membrane 5e are substituted with cationic impurities, that is, a sulfonic acid group substitution ratio is used. The sulfonic acid group substitution ratio in the case of FIG. 3 is 0%, and the sulfonic acid group substitution ratio in the case of FIG. 4 is 30%. Also, 1 cm 2 cell is used as the single fuel cell 2, H 2 / Air (1 L / min) is used as the fuel gas / oxidant gas, and the temperature of the single fuel cell 2 is 83 ° C. (relative humidity 30%). ).

図3及び図4において、曲線EI01及び曲線EI02は、このIV特性を計測する直前に、その燃料電池単セル2のカソード電位を0Vに30分間継続して保持した場合を示す。ただし、本実施例では、直前に保持するカソード電位を前保持電位と称し、したがってこの場合の前保持電位は0Vとなる。一方、図3及び図4において、曲線EI11及び曲線EI12は、このIV特性を計測する直前に、その燃料電池単セル2のカソード電位を0.6Vに30分間継続して保持した場合、すなわち前保持電位が0.6Vの場合を示す。   3 and 4, curves EI01 and EI02 show the case where the cathode potential of the single fuel cell 2 is continuously held at 0V for 30 minutes immediately before measuring the IV characteristics. However, in this embodiment, the cathode potential held immediately before is referred to as the pre-holding potential, and therefore the pre-holding potential in this case is 0V. On the other hand, in FIG. 3 and FIG. 4, curve EI11 and curve EI12 are obtained when the cathode potential of the single fuel cell 2 is continuously held at 0.6V for 30 minutes immediately before measuring the IV characteristics, The case where the holding potential is 0.6V is shown.

言い換えると、曲線EI01及び曲線EI02は、カソード極5c側の酸化剤ガス流量は絞っていないが、実質的には、燃料電池単セル2に対して到達電位が0Vで継続時間が30分である活性化処理を実行して、燃料電池単セル2の性能を向上させた後のIV特性を示している。同様に、曲線EI11及び曲線EI12は、カソード極5c側の酸化剤ガス流量は絞っていないが、実質的には、燃料電池単セル2に対して到達電位が0.6Vで継続時間が30分である活性化処理を実行し、燃料電池単セル2の性能を向上させた後のIV特性を示している。   In other words, the curve EI01 and the curve EI02 show that the flow rate of the oxidant gas on the cathode electrode 5c side is not reduced, but the actual potential is 0 V and the duration is 30 minutes with respect to the single fuel cell 2. The IV characteristic after performing the activation process and improving the performance of the fuel cell single cell 2 is shown. Similarly, in the curves EI11 and EI12, the flow rate of the oxidant gas on the cathode electrode 5c side is not reduced, but substantially, the ultimate potential is 0.6V and the duration is 30 minutes with respect to the single fuel cell 2. The IV characteristic after performing the activation process which is and improving the performance of the fuel cell single cell 2 is shown.

上記の図3に示すように、曲線EI01及び曲線EI11はほぼ重なっている。したがって、陽イオン不純物で汚染されていない燃料電池単セル2の場合、活性化処理の到達電位を0Vにしても、0.6Vにしても、性能(IV特性)の向上の度合いは変わらないことが判明した。言い換えると、燃料電池単セル2の活性化処理の効果は、活性化処理の到達電位に依らずほとんど変わらず、したがって陽イオン不純物で汚染されていない場合、活性化処理の程度が低くても(例示:0.6V)、燃料電池単セル2の性能が向上することが判明した。   As shown in FIG. 3 above, the curve EI01 and the curve EI11 substantially overlap. Therefore, in the case of a single fuel cell 2 that is not contaminated with cationic impurities, the degree of improvement in performance (IV characteristics) does not change even if the ultimate potential of the activation process is set to 0V or 0.6V. There was found. In other words, the effect of the activation process of the fuel cell single cell 2 is almost the same regardless of the ultimate potential of the activation process, and therefore, when not contaminated with cationic impurities, even if the degree of the activation process is low ( Example: 0.6V), it was found that the performance of the single fuel cell 2 was improved.

一方、上記の図4に示すように、曲線EI02と比較して曲線EI12は大きく低下している。したがって、陽イオンの不純物で汚染されている燃料電池単セル2の場合、活性化処理の到達電位を0.6Vとすると、0Vとする場合と比較して、性能(IV特性)の向上の度合は低いことが判明した。言い換えると、燃料電池単セル2の活性化処理の効果は、活性化処理の到達電位に依り大きく変わり、したがって陽イオン不純物で汚染されている場合、活性化処理の程度が高いほど(例示:0V)、燃料電池単セル2の性能が向上することが判明した。   On the other hand, as shown in FIG. 4 described above, the curve EI12 is significantly lower than the curve EI02. Therefore, in the case of the single unit fuel cell 2 that is contaminated with cation impurities, if the ultimate potential of the activation process is 0.6V, the degree of improvement in performance (IV characteristics) compared to 0V. Turned out to be low. In other words, the effect of the activation process of the fuel cell single cell 2 varies greatly depending on the ultimate potential of the activation process. Therefore, when the fuel cell unit cell 2 is contaminated with a cationic impurity, the higher the degree of the activation process (example: 0V) It has been found that the performance of the single fuel cell 2 is improved.

上記の図3及び図4のような実験結果をまとめたものが図5〜図7である。
図5は、燃料電池単セル2中の電解質膜5eのスルホン酸基置換割合が0%のときの燃料電池単セル2の所定出力電圧における出力電流密度と前保持電圧との関係を示すグラフである。横軸は前保持電位を示し、縦軸は出力電流密度を示す。図5における曲線A01、A02及びA03はカソード極5cに供給される酸化剤ガス中の酸素濃度がそれぞれ16%、5%及び1%の場合であり、曲線が2本ずつあるのは測定を2回ずつ行っていることを示す。また、図5に示す曲線A01、A02及びA03は、燃料電池単セル2のカソード電位を前保持電位で継続して30分間保持した後のIV特性を計測し、所定出力電圧での出力電流密度と前保持電位との関係を示している。なお、そのIV特性は、実質的には、燃料電池単セル2に対して到達電位が前保持電位であり継続時間が30分である活性化処理を実行して、燃料電池単セル2の性能を向上させた後のIV特性である。
FIG. 5 to FIG. 7 summarize the experimental results as shown in FIG. 3 and FIG.
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the output current density and the pre-holding voltage at a predetermined output voltage of the fuel cell single cell 2 when the sulfonic acid group substitution ratio of the electrolyte membrane 5e in the fuel cell single cell 2 is 0%. is there. The horizontal axis represents the previous holding potential, and the vertical axis represents the output current density. Curves A01, A02, and A03 in FIG. 5 are the cases where the oxygen concentration in the oxidant gas supplied to the cathode electrode 5c is 16%, 5%, and 1%, respectively. It shows that it is going once. Curves A01, A02, and A03 shown in FIG. 5 measure the IV characteristics after the cathode potential of the fuel cell unit 2 is continuously held at the previous holding potential for 30 minutes, and the output current density at a predetermined output voltage. And the pre-holding potential. In addition, the IV characteristic is substantially the performance of the fuel cell single cell 2 by executing an activation process in which the arrival potential is the previous holding potential and the duration is 30 minutes. It is IV characteristic after improving.

図5に示すように、燃料電池単セル2中の電解質膜5eのスルホン酸基置換割合が0%、すなわち陽イオン不純物で汚染されていない場合、出力電流密度は前保持電位に依存せずほぼ一定である。よって燃料電池単セル2の性能の向上の度合いは、活性化処理の到達電位に依存せずほぼ一定である。したがって、陽イオン不純物で汚染されていない場合、活性化処理の程度を相対的に低くしても、燃料電池単セル2の性能の向上には十分であると考えることができる。これは、酸素濃度が異なっても、すなわち出力電流密度が異なっていても同様である。   As shown in FIG. 5, when the sulfonic acid group substitution ratio of the electrolyte membrane 5e in the fuel cell single cell 2 is 0%, that is, when it is not contaminated with cationic impurities, the output current density is almost independent of the pre-holding potential. It is constant. Therefore, the degree of improvement in the performance of the single fuel cell 2 is substantially constant without depending on the ultimate potential of the activation process. Therefore, when not contaminated with cationic impurities, it can be considered that even if the degree of activation treatment is relatively low, the performance of the fuel cell unit cell 2 is sufficient. This is the same even if the oxygen concentration is different, that is, the output current density is different.

一方、図6及び図7は、燃料電池単セル2中の電解質膜5eのスルホン酸基置換割合が30%及び70%のときの燃料電池単セル2の所定出力電圧における出力電流密度と前保持電圧との関係を示すグラフである。各図における、横軸、縦軸、曲線A11、A12及びA13並びに曲線A21、A22及びA23については、図5の場合と同様である。   On the other hand, FIG. 6 and FIG. 7 show the output current density and the pre-holding at the predetermined output voltage of the fuel cell single cell 2 when the sulfonic acid group substitution ratio of the electrolyte membrane 5e in the fuel cell single cell 2 is 30% and 70%. It is a graph which shows the relationship with a voltage. In each figure, the horizontal axis, the vertical axis, the curves A11, A12 and A13, and the curves A21, A22 and A23 are the same as those in FIG.

図6や図7に示すように、燃料電池単セル2中の電解質膜5eのスルホン酸基置換割合が30%や70%、すなわち陽イオン不純物で汚染されている場合、同じ出力電圧でも出力電流密度は前保持電位に依存して変化し、前保持電位が小さいほど出力電流密度が高くなる。よって燃料電池単セル2の性能の向上の度合いは、活性化処理の到達電位に依存して変化し、到達電位が小さいほど性能が向上する。そして、この傾向は、陽イオン不純物量が多いほど高くなる。したがって、陽イオン不純物で汚染されている場合、陽イオン不純物量が多いときには、陽イオン不純物量が少ないときと比較して、活性化処理の程度を高くすることで、燃料電池単セル2の性能の向上を適切に行えると考えることができる。これは、酸素濃度が異なっても、すなわち出力電流密度が異なっていても同様である。   As shown in FIG. 6 and FIG. 7, when the sulfonic acid group substitution ratio of the electrolyte membrane 5e in the fuel cell single cell 2 is 30% or 70%, that is, when it is contaminated with cationic impurities, the output current is the same even at the same output voltage. The density changes depending on the previous holding potential, and the smaller the previous holding potential, the higher the output current density. Therefore, the degree of improvement in the performance of the fuel cell single cell 2 changes depending on the arrival potential of the activation process, and the performance improves as the arrival potential decreases. And this tendency becomes so high that there are many amounts of cationic impurities. Therefore, when contaminated with cationic impurities, when the amount of cationic impurities is large, the degree of activation treatment is increased as compared with when the amount of cationic impurities is small, so that the performance of the fuel cell single cell 2 is improved. It can be considered that the improvement of the above can be appropriately performed. This is the same even if the oxygen concentration is different, that is, the output current density is different.

上記図5〜図7の現象のメカニズムは、例えば以下の様に考えることができる。図8は、上記図5〜図7の現象の理由を説明する図である。図8(A)は前保持電位を低電位にした場合、すなわち活性化処理の程度を高くした場合を示し、図8(B)は前保持電位を高電位にした場合、すなわち活性化処理を弱くした場合を示し、Mは陽イオンを示し、Hはプロトン(水素イオン)を示す。上記図5〜図7の現象は、電極触媒の酸化被膜の除去だけでは説明できず、以下の様に考えられる。通常運転ではカソード電位が比較的高いため、例えば図8(B)に示されるように陽イオンが偏った状態にあるが、程度を高くして活性化処理を行うと、アノード極5aとカソード極5cとの電位差が小さくなり、陽イオンがカソード極側に偏らなくなって、図8(A)のように陽イオンが分散した状態に改善すると考えられる。一方、程度を低くして活性化処理を行うと、アノード極5aとカソード極5cとの電位差が小さくならないため、陽イオンがカソード極側に偏ったままとなり、図8(B)の状態のままあまり変わらないと考えられる。したがって、活性化処理の直後には、程度の高い場合には図8(A)の状態になり、程度の低い場合には図8(B)の状態になり、これらの状態でIV特性を調べると、図5〜図7のような特性になると考えられる。 The mechanism of the phenomenon shown in FIGS. 5 to 7 can be considered as follows, for example. FIG. 8 is a diagram for explaining the reason for the phenomenon shown in FIGS. FIG. 8A shows a case where the pre-holding potential is set to a low potential, that is, a case where the degree of the activation process is increased, and FIG. 8B shows a case where the pre-holding potential is set to a high potential, that is, the activation process is performed. In the case of weakening, M + represents a cation, and H + represents a proton (hydrogen ion). The phenomenon shown in FIGS. 5 to 7 cannot be explained only by removing the oxide film of the electrode catalyst, but is considered as follows. In normal operation, since the cathode potential is relatively high, for example, as shown in FIG. 8B, the cation is in a biased state. However, when the activation treatment is performed at a higher level, the anode 5a and the cathode It is considered that the potential difference with respect to 5c becomes small, the cations are not biased toward the cathode, and the cation is dispersed as shown in FIG. 8A. On the other hand, when the activation process is performed at a low level, the potential difference between the anode 5a and the cathode 5c does not become small, so that the cation remains biased toward the cathode and remains in the state of FIG. 8B. It seems that it does not change much. Therefore, immediately after the activation processing, the state becomes as shown in FIG. 8A when the degree is high, and the state becomes as shown in FIG. 8B when the degree is low, and the IV characteristics are examined in these states. It is considered that the characteristics are as shown in FIGS.

また、上述のように、活性化処理によりカソード電位を低電位に保持することは、陽イオンが電解質膜5eのカソード極側に偏在することを解消することになる(図8(A))。したがって、活性化処理は、カソード電極の電極触媒の酸化被膜を除去する効果に加えて、電解質膜5e中の陽イオン不純物の偏りを是正して、陽イオン不純物を均一に分布させる効果があると考えられる。言い換えると、燃料電池単セル2の性能低下の原因は、電極触媒の酸化被膜だけでなく、電解質膜5e中の陽イオン不純物の偏りであると考えられる。しかし、本実施例の活性化処理は、電極触媒の酸化被膜を除去するだけでなく、電解質膜5e中の陽イオン不純物を均一に分布させることができるので、燃料電池単セル2の性能をより向上させることができる。   Further, as described above, maintaining the cathode potential at a low potential by the activation treatment eliminates the uneven distribution of cations on the cathode electrode side of the electrolyte membrane 5e (FIG. 8A). Therefore, in addition to the effect of removing the oxide film of the electrode catalyst of the cathode electrode, the activation treatment has the effect of correcting the unevenness of the cation impurities in the electrolyte membrane 5e and uniformly distributing the cation impurities. Conceivable. In other words, it is considered that the cause of the performance deterioration of the single fuel cell 2 is not only the oxide film of the electrode catalyst but also the bias of the cation impurities in the electrolyte membrane 5e. However, the activation treatment of this embodiment not only removes the oxide film of the electrode catalyst, but also allows the cation impurities in the electrolyte membrane 5e to be uniformly distributed, so that the performance of the fuel cell single cell 2 can be further improved. Can be improved.

以上の結果から、本実施例では、カソード電位を単に所定の到達電位に低下させるだけの従来の活性化処理ではなく、陽イオン不純物量に応じて程度を変化させる新規の活性化処理を実施する。すなわち、電解質膜5eの陽イオン不純物量がゼロの場合や非常に少ない場合には、活性化処理としては主に電極触媒の酸化被膜が除去されればよいので、活性化処理の程度を相対的に低くする。この場合、陽イオン不純物の偏りを解消する必要はない。その結果、電極触媒の性能が向上し、それにより燃料電池単セル2の性能が向上する。一方、電解質膜5eの陽イオン不純物量が多い場合には、活性化処理としては電極触媒の酸化被膜が除去され、かつ陽イオン不純物の偏りが解消される必要があるので、活性化処理の程度を相対的に高くする。その結果、電極触媒の性能が向上すると共に陽イオン不純物の偏りが解消し、それにより燃料電池単セル2の性能が向上する。このように、電解質膜5e中の陽イオン不純物量が多いときには活性化処理の程度を高くし、陽イオン不純物量が少ないときには活性化処理の程度を低くすることで、電極触媒の性能が十分に向上し、且つ、電極触媒から金属が溶出する量を抑制することができる。   From the above results, in the present embodiment, a novel activation process is performed in which the degree is changed according to the amount of cationic impurities, instead of the conventional activation process in which the cathode potential is simply lowered to a predetermined ultimate potential. . That is, when the amount of cation impurities in the electrolyte membrane 5e is zero or very small, the activation treatment may be performed mainly by removing the oxide film of the electrode catalyst. To lower. In this case, it is not necessary to eliminate the bias of cation impurities. As a result, the performance of the electrode catalyst is improved, whereby the performance of the fuel cell single cell 2 is improved. On the other hand, when the amount of cation impurities in the electrolyte membrane 5e is large, as the activation process, the oxide film of the electrode catalyst needs to be removed and the unevenness of the cation impurities needs to be eliminated. Is relatively high. As a result, the performance of the electrode catalyst is improved and the unevenness of cationic impurities is eliminated, thereby improving the performance of the fuel cell single cell 2. As described above, the degree of activation treatment is increased when the amount of cationic impurities in the electrolyte membrane 5e is large, and the degree of activation treatment is decreased when the amount of cationic impurities is small. The amount of metal eluted from the electrode catalyst can be suppressed.

ここで、活性化処理の程度は、カソード電位の到達電位の高さ、カソード電位の到達電位の継続時間の長さ、又は、活性化処理の頻度で表される。活性化処理の程度の変更は、これらのうち一つの変更によってもよいし、いくつかを組み合わせて変更してもよい。ここで、カソード電位の到達電位の高さを用いる場合、活性化処理の程度を高くするときには到達電位を低く決定する。また、カソード電位の到達電位の継続時間の長さを用いる場合、活性化処理の程度を高くするときには継続時間を長く決定する。また、活性化処理の頻度を用いる場合、活性化処理の程度を高くするときには活性化処理の頻度を多く決定する。電位変化時において陽イオン不純物の移動速度が遅いが、継続時間を長くすれば、陽イオン不純物のカソード極への偏りを是正できると考えられるからである。また頻度を多くすれば、低電位に保持する積算時間が長くなるため、継続時間を長くするのと同様の効果が得られると考えられるからである。   Here, the degree of the activation process is represented by the height of the cathode potential reaching potential, the length of the duration of the cathode potential reaching potential, or the frequency of the activation process. The change in the degree of the activation process may be made by changing one of them or by combining some of them. Here, in the case where the height of the ultimate potential of the cathode potential is used, the ultimate potential is determined to be low when the degree of activation processing is increased. In addition, when the length of the duration of the arrival potential of the cathode potential is used, the duration is determined to be long when the degree of the activation process is increased. In addition, when the frequency of the activation process is used, the frequency of the activation process is frequently determined when the degree of the activation process is increased. This is because the movement speed of the cationic impurities is slow when the potential is changed, but it is considered that the bias of the cationic impurities to the cathode electrode can be corrected by increasing the duration. Further, if the frequency is increased, the integration time for holding at a low potential becomes longer, so that it is considered that the same effect as that of increasing the duration can be obtained.

本実施例では、活性化処理の程度として、カソード電位の到達電位の高さ、カソード電位の到達電位の継続時間の長さ、及び、活性化処理の頻度を組み合わせて用いる。到達電位の範囲としては、例えば0.6V〜0.05Vが挙げられる。継続時間の範囲としては、例えば1秒間〜連続が挙げられる。活性化処理の頻度を表すインターバルとしては、例えば1分毎〜連続が挙げられる。本実施例における活性化処理の程度の組み合わせの一例を下記の表1に示す。   In this embodiment, as the degree of the activation process, the height of the cathode potential reaching potential, the length of the duration of the cathode potential reaching potential, and the frequency of the activation process are used in combination. As the range of the ultimate potential, for example, 0.6V to 0.05V can be mentioned. Examples of the duration range include 1 second to continuous. Examples of the interval representing the frequency of the activation process include every minute to continuous. An example of the combination of the degree of activation processing in the present embodiment is shown in Table 1 below.

Figure 2017073376
Figure 2017073376

表1において、活性化処理の程度が四段階に分かれている。活性化処理の程度が最も低いL4の場合、到達電位は0.6V、継続時間は1秒間、及び、頻度は10分毎である。活性化処理の程度が二番目に低いL3の場合、到達電位は0.4V、継続時間は5秒間、及び、頻度は5分毎である。活性化処理の程度が二番目に高いL2の場合、到達電位は0.2V、継続時間は10秒間、及び、頻度は1分毎である。活性化処理の程度が最も高いL1の場合、到達電位は0.05V、継続時間は条件充足期間中、及び、頻度は連続である。表1で示されるデータは、例えば電子制御ユニット60のROM62に格納されている。   In Table 1, the degree of activation treatment is divided into four stages. In the case of L4 with the lowest degree of activation processing, the ultimate potential is 0.6 V, the duration is 1 second, and the frequency is every 10 minutes. In the case of L3, which has the second lowest activation level, the ultimate potential is 0.4 V, the duration is 5 seconds, and the frequency is every 5 minutes. In the case of L2 where the degree of activation processing is the second highest, the ultimate potential is 0.2V, the duration is 10 seconds, and the frequency is every minute. In the case of L1 having the highest degree of activation treatment, the ultimate potential is 0.05V, the duration is during the condition satisfaction period, and the frequency is continuous. The data shown in Table 1 is stored in the ROM 62 of the electronic control unit 60, for example.

活性化処理の程度を決定する指標として、上述の電解質膜5eの陽イオン不純物量だけでなく、それに加えて他の要素、例えば燃料電池スタック10の温度や運転出力の履歴を用いてもよい。   As an index for determining the degree of the activation treatment, not only the amount of the cation impurities of the electrolyte membrane 5e described above but also other factors such as the temperature of the fuel cell stack 10 and the history of operation output may be used.

例えば、燃料電池スタック10の温度は、電解質膜5eの相対湿度、すなわち単位体積当たりの水分濃度(含水率)に対応しており、燃料電池スタック10の温度と電解質膜5eの相対湿度とは相関がある。燃料電池スタック10の温度が相対的に高い場合、電解質膜5eの相対湿度(水分濃度)は低くなるので、電解質膜5e中の陽イオン不純物の影響が大きくなる。そのことは、図9に示すデータからも明らかである。図9は電解質膜の膜抵抗と陽イオン不純物量との関係の一例を示すグラフである。ただし、縦軸は電解質膜5eの膜抵抗、すなわち電解質膜5e中のプロトン(H)の移動抵抗を示し、横軸はスルホン酸基置換割合を示す。また、曲線B1は電解質膜5eの相対湿度が30%の場合を示し、曲線B2は電解質膜5eの相対湿度が80%の場合を示す。図に示されるように、相対湿度が低いほど(曲線B1)、膜抵抗が高くなる、すなわち電池性能が低下する傾向にあるが(プロトン移動抵抗は発電性能に相関する(負の相関がある))、それに加えてスルホン酸基置換割合(陽イオン不純物量)が高いほどその傾向強くなる。そのため、電解質膜5eの相対湿度が低い、すなわち燃料電池スタック10の温度が高い条件では、同一の陽イオン不純物量でも電池性能の低下が大きく、活性化処理のよる効果が大きくなることが分る。したがって、陽イオン不純物量が同じでも、電解質膜5eの相対湿度が低い、すなわち燃料電池スタック10の温度が相対的に高い場合には、電解質膜5eの相対湿度が高い、すなわち燃料電池スタック10の温度が低いときに比べて活性化処理の程度を高くする。例えば、燃料電池スタック10の温度でいえば、閾値温度(例示:80℃)を設定し、閾値温度以上の場合と閾値温度未満の場合とで活性化処理の程度を変更する方法が考えられる。その場合、閾値温度のデータは、例えば電子制御ユニット60のROM62に格納されている。 For example, the temperature of the fuel cell stack 10 corresponds to the relative humidity of the electrolyte membrane 5e, that is, the moisture concentration (water content) per unit volume, and the temperature of the fuel cell stack 10 and the relative humidity of the electrolyte membrane 5e are correlated. There is. When the temperature of the fuel cell stack 10 is relatively high, the relative humidity (moisture concentration) of the electrolyte membrane 5e is low, so that the influence of cation impurities in the electrolyte membrane 5e becomes large. This is clear from the data shown in FIG. FIG. 9 is a graph showing an example of the relationship between the membrane resistance of the electrolyte membrane and the amount of cationic impurities. However, the vertical axis represents the membrane resistance of the electrolyte membrane 5e, that is, the migration resistance of protons (H + ) in the electrolyte membrane 5e, and the horizontal axis represents the sulfonic acid group substitution ratio. Curve B1 shows the case where the relative humidity of the electrolyte membrane 5e is 30%, and curve B2 shows the case where the relative humidity of the electrolyte membrane 5e is 80%. As shown in the figure, the lower the relative humidity (curve B1), the higher the membrane resistance, that is, the battery performance tends to decrease (the proton transfer resistance correlates with the power generation performance (there is a negative correlation)). In addition, the higher the sulfonic acid group substitution ratio (cation impurity amount), the stronger the tendency. Therefore, it can be seen that, under the conditions where the relative humidity of the electrolyte membrane 5e is low, that is, the temperature of the fuel cell stack 10 is high, the battery performance is greatly reduced even with the same amount of cationic impurities, and the effect of the activation treatment is increased. . Therefore, even when the amount of cation impurities is the same, when the relative humidity of the electrolyte membrane 5e is low, that is, when the temperature of the fuel cell stack 10 is relatively high, the relative humidity of the electrolyte membrane 5e is high, that is, the fuel cell stack 10 The degree of activation treatment is made higher than when the temperature is low. For example, in terms of the temperature of the fuel cell stack 10, a method is conceivable in which a threshold temperature (example: 80 ° C.) is set, and the degree of activation processing is changed depending on whether the temperature is equal to or higher than the threshold temperature. In this case, threshold temperature data is stored in the ROM 62 of the electronic control unit 60, for example.

図10は、活性化処理の程度を決定するためのグラフである。このグラフは、電解質膜5eの陽イオン不純物量及び燃料電池スタック10の温度と活性化処理の程度である上記表1のL1〜L4の四段階との関係を示している。ここで、横軸は陽イオン不純物量を示し、縦軸は活性化処理の程度を示す。また、直線T01は温度センサ18で示される温度が80℃以上の場合のグラフであり、直線T02は温度センサ18で示される温度が80℃未満の場合のグラフである。グラフは、活性化の程度が高い方から順にR1領域、R2領域、R3領域及びR4領域と区画される。図10で示されるデータは、例えば電子制御ユニット60のROM62に格納されている。   FIG. 10 is a graph for determining the degree of the activation process. This graph shows the relationship between the cation impurity amount of the electrolyte membrane 5e, the temperature of the fuel cell stack 10, and the four levels L1 to L4 in Table 1 above, which are the degree of activation treatment. Here, the horizontal axis indicates the amount of cationic impurities, and the vertical axis indicates the degree of activation treatment. A straight line T01 is a graph when the temperature indicated by the temperature sensor 18 is 80 ° C. or higher, and a straight line T02 is a graph when the temperature indicated by the temperature sensor 18 is less than 80 ° C. The graph is partitioned into an R1 region, an R2 region, an R3 region, and an R4 region in order from the highest degree of activation. The data shown in FIG. 10 is stored in the ROM 62 of the electronic control unit 60, for example.

活性化処理の程度は、推定された陽イオン不純物量及び測定された燃料電池スタック10の温度に応じて定まる直線T01又は直線T02上の点で示される活性化処理の程度がR1領域、R2領域、R3領域及びR4領域のうちのどの領域にあるかで決定する。直線上の点で示される活性化処理の程度がR1領域にある場合、活性化処理の程度はL1と決定される。直線上の点で示される活性化処理の程度がR2領域にある場合、活性化処理の程度はL2と決定される。直線上の点で示される活性化処理の程度がR3領域にある場合、活性化処理の程度はL3と決定される。直線上の点で示される活性化処理の程度がR4領域にある場合、活性化処理の程度はL4と決定される。例えば、陽イオン不純物量がCAC1と推定され、燃料電池単セル2の温度が80℃未満の場合、直線T02上の点Q2が特定され、点Q2が領域R3にあるので活性化処理の程度としてL3が選択される。また、例えば、陽イオン不純物量がCAC1と推定され、燃料電池単セル2の温度が80℃以上の場合、直線T01の点Q1が特定され、点Q1が領域R1にあるので活性化処理の程度としてL1が選択される。   The degree of activation treatment is determined by the degree of activation treatment indicated by a point on the straight line T01 or straight line T02 determined according to the estimated amount of cationic impurities and the measured temperature of the fuel cell stack 10 in the R1 region and the R2 region. , R3 region and R4 region are determined. When the degree of activation processing indicated by a point on the straight line is in the R1 region, the degree of activation processing is determined as L1. When the degree of the activation process indicated by the point on the straight line is in the R2 region, the degree of the activation process is determined as L2. When the degree of the activation process indicated by the point on the straight line is in the R3 region, the degree of the activation process is determined as L3. When the degree of the activation process indicated by the point on the straight line is in the R4 region, the degree of the activation process is determined as L4. For example, when the amount of cationic impurities is estimated to be CAC1, and the temperature of the fuel cell single cell 2 is less than 80 ° C., the point Q2 on the straight line T02 is specified, and the point Q2 is in the region R3, so L3 is selected. Further, for example, when the amount of cationic impurities is estimated to be CAC1, and the temperature of the single fuel cell 2 is 80 ° C. or higher, the point Q1 of the straight line T01 is specified, and the point Q1 is in the region R1, so the degree of activation processing L1 is selected as

以上に基づいて、燃料電池システムAでは、燃料電池システムAの運転中に燃料電池単セル2の性能を向上すべきときには、以下の活性化処理を用いて燃料電池単セル2の性能向上を行う性能向上制御を行う。   Based on the above, in the fuel cell system A, when the performance of the fuel cell unit cell 2 should be improved during operation of the fuel cell system A, the performance of the fuel cell unit cell 2 is improved using the following activation process. Perform performance improvement control.

図11は、燃料電池単セルの性能向上方法を説明する図である。左縦軸は燃料電池単セル2の出力電圧VOUT、右縦軸は燃料電池単セル2の出力電流IOUT(ただし電流密度で表示)、横軸は時間である。実線の曲線は燃料電池単セル2の出力電圧VOUTを示し、破線の曲線は燃料電池単セル2の出力電流IOUTを示す。アノード電位が0Vであるため、出力電圧VOUTはカソード電位ということができる。また、燃料電池システムAは、運転中に無負荷状態、すなわちアイドル運転になったときでも、燃料電池スタック10に一定の微小な出力電流、すなわちアイドル出力電流を流すことで、アノード極5aとカソード極5cとの間に開放電圧が印加されないようにして、アノード電極触媒層5as及びカソード電極触媒層5csの劣化を防止している。そのときの出力電圧VOUTはアイドル出力電圧となる。   FIG. 11 is a diagram illustrating a method for improving the performance of a single fuel cell. The left vertical axis represents the output voltage VOUT of the single fuel cell 2, the right vertical axis represents the output current IOUT (indicated by current density) of the single fuel cell 2, and the horizontal axis represents time. The solid curve indicates the output voltage VOUT of the single fuel cell 2, and the broken curve indicates the output current IOUT of the single fuel cell 2. Since the anode potential is 0 V, the output voltage VOUT can be said to be a cathode potential. Further, the fuel cell system A allows the anode 5a and the cathode to flow by supplying a constant minute output current, i.e., idle output current, to the fuel cell stack 10 even when the fuel cell system A is in a no-load state, i.e., idle operation. The open-circuit voltage is not applied between the electrode 5c and the anode electrode catalyst layer 5as and the cathode electrode catalyst layer 5cs. The output voltage VOUT at that time is an idle output voltage.

図11に示す実施例では、アイドル出力電流IA0及びアイドル出力電圧VA0でもって燃料電池システムAがアイドル運転されているときに、燃料電池単セル2の性能向上制御が好適に行われる。その理由は、燃料電池単セルの性能向上方法において行われる活性化処理では酸化剤ガスの供給を絞ることにより、燃料電池の出力が低下するが、アイドル運転時には燃料電池に対する要求出力が小さいため、加速性能等の車両の挙動にほとんど影響を与えないからである。本実施例では、P(パーキング)レンジにありかつイグニッションスイッチがオンのときときにはアイドル運転が行われるようになっているので、Pレンジにあるか否かを判断することにより、アイドル運転が行われているか否かが判別できる。図示しない別の実施例では、電子制御ユニット60(CPU64)が、出力センサ17からの出力信号に基づいて、燃料電池スタック10がPレンジでのアイドル運転であるか否を判別する。また、本実施例では、トランスミッションがPレンジに位置するときのアイドル運転時に燃料電池単セルの性能向上方法を実施する。その理由は、トランスミッションがD(ドライブ)レンジのときのアイドル運転時には、アイドル運転から負荷に応じた出力電流及び出力電圧で作動する通常運転に直ちに移行する場合があり、活性化処理で酸化剤ガスの供給が絞られていると、その通常運転に支障がでるおそれがあるためである。あるいは、活性化処理を中断する必要があるからである。これに対し、Pレンジにあるときには、Dレンジにあるときに比べて、長時間にわたるアイドル運転が期待できる。したがって、アイドル出力電流IA0は、燃料電池単セル2の性能向上制御を行っていないPレンジでのアイドル運転時の燃料電池スタック10の目標電流値である。   In the embodiment shown in FIG. 11, when the fuel cell system A is idling with the idle output current IA0 and the idle output voltage VA0, the performance improvement control of the single fuel cell 2 is suitably performed. The reason for this is that in the activation process performed in the method for improving the performance of a single fuel cell, the output of the fuel cell is reduced by narrowing the supply of oxidant gas, but the required output for the fuel cell is low during idle operation, This is because the vehicle behavior such as acceleration performance is hardly affected. In the present embodiment, when the ignition switch is in the P (parking) range and the ignition switch is on, the idle operation is performed. Therefore, the idle operation is performed by determining whether or not the engine is in the P range. It can be determined whether or not. In another embodiment (not shown), the electronic control unit 60 (CPU 64) determines whether the fuel cell stack 10 is idling in the P range based on the output signal from the output sensor 17. Further, in this embodiment, the method for improving the performance of the single fuel cell is performed during idle operation when the transmission is in the P range. The reason for this is that during idle operation when the transmission is in the D (drive) range, there is a case where the idle operation immediately shifts to normal operation that operates at an output current and output voltage corresponding to the load, and the oxidant gas is activated during the activation process. This is because if the supply of is restricted, the normal operation may be hindered. Alternatively, it is necessary to interrupt the activation process. On the other hand, when it is in the P range, it can be expected to be idle for a longer time than when it is in the D range. Therefore, the idle output current IA0 is the target current value of the fuel cell stack 10 during the idling operation in the P range where the performance improvement control of the single fuel cell 2 is not performed.

図11を参照すると、時間ta1において、まず、電子制御ユニット60(CPU64)が、トランスミッションのレンジセンサ19からトランスミッションのレンジを示す出力信号を受信する。トランスミッションがPレンジでないときには、燃料電池単セル2の性能向上制御は終了し、通常運転が行われる。通常運転では燃料電池スタック10が車両からの負荷要求に応じた出力電流及び出力電圧により運転される。   Referring to FIG. 11, at time ta <b> 1, first, the electronic control unit 60 (CPU 64) receives an output signal indicating the transmission range from the transmission range sensor 19. When the transmission is not in the P range, the performance improvement control of the single fuel cell 2 is terminated and normal operation is performed. In normal operation, the fuel cell stack 10 is operated with an output current and an output voltage corresponding to a load request from the vehicle.

トランスミッションがPレンジになったとき、現在実行すべき燃料電池単セル2の活性化処理制御に関する活性化処理の程度が設定済みになっていないときには、電解質膜5e中の陽イオン不純物量が推定される。すなわち、時間ta1〜ta2において、電子制御ユニット60(CPU64)が、陽イオン不純物量推定制御を実行する。ただし、陽イオン不純物量推定制御については後述される。その結果、時間ta2において、電解質膜5e内の陽イオン不純物量、すなわち本実施例ではスルホン酸基置換割合が推定される。一方、活性化処理の程度が設定済みになったときには、活性化処理を実行する活性化処理制御が実施される。活性化処理制御は後述される。   When the transmission is in the P range, the amount of cation impurities in the electrolyte membrane 5e is estimated when the degree of the activation process related to the activation process control of the fuel cell single cell 2 to be executed is not set. The That is, at time ta1 to ta2, the electronic control unit 60 (CPU 64) executes the cation impurity amount estimation control. However, cationic impurity amount estimation control will be described later. As a result, at time ta2, the amount of cationic impurities in the electrolyte membrane 5e, that is, the sulfonic acid group substitution ratio in this embodiment is estimated. On the other hand, when the degree of the activation process has been set, activation process control for executing the activation process is performed. The activation process control will be described later.

続いて、電子制御ユニット60(CPU64)が、活性化処理程度決定制御を実行する。まず、燃料電池スタック10の温度が計測される。すなわち、時間ta2において、電子制御ユニット60(CPU64)が、温度センサ18から燃料電池スタック10の温度を取得する。温度センサ18は燃料電池スタック10の温度を計測するように構成された温度計測部と見ることができる。さらに、既述のように燃料電池スタック10の温度は電解質膜5eの相対湿度と相関があり、例えば燃料電池スタック10の温度が相対的に高い場合、電解質膜5eの相対湿度は低くなる。したがって、温度センサ18は、電解質膜5eの相対湿度と相関するパラメータの値を計測する相関パラメータ計測部と見ることができる。   Subsequently, the electronic control unit 60 (CPU 64) executes activation process degree determination control. First, the temperature of the fuel cell stack 10 is measured. That is, at time ta2, the electronic control unit 60 (CPU 64) acquires the temperature of the fuel cell stack 10 from the temperature sensor 18. The temperature sensor 18 can be regarded as a temperature measurement unit configured to measure the temperature of the fuel cell stack 10. Furthermore, as described above, the temperature of the fuel cell stack 10 has a correlation with the relative humidity of the electrolyte membrane 5e. For example, when the temperature of the fuel cell stack 10 is relatively high, the relative humidity of the electrolyte membrane 5e is low. Therefore, the temperature sensor 18 can be regarded as a correlation parameter measurement unit that measures a parameter value correlated with the relative humidity of the electrolyte membrane 5e.

そして、電子制御ユニット60(CPU64)が、電解質膜5eの陽イオン不純物量及び燃料電池スタック10の温度に基づいて、ROM62に格納された図10のグラフを示すデータ及び表1の内容を示すデータを参照して、活性化処理の程度をL1〜L4の中から決定する。この図の例では、活性化処理の程度は、到達電位VA1、処理頻度Δtai毎、及び、継続時間Δtapと決定される。電子制御ユニット60(CPU64)は、陽イオン不純物量等に基づいて活性化処理の程度を決定するように構成された処理程度決定部と見ることができる。   Then, the electronic control unit 60 (CPU 64) uses the cation impurity amount of the electrolyte membrane 5e and the temperature of the fuel cell stack 10 to store the data shown in the graph of FIG. Referring to FIG. 4, the degree of activation processing is determined from among L1 to L4. In the example of this figure, the degree of the activation process is determined as the reached potential VA1, the process frequency Δtai, and the duration Δtap. The electronic control unit 60 (CPU 64) can be regarded as a processing degree determination unit configured to determine the degree of activation processing based on the amount of cationic impurities and the like.

その後、電子制御ユニット60(CPU64)が、決定された活性化処理の程度に基づいて、活性化処理制御を実行する。すなわち、ターボコンプレッサ44によりカソード極5cへの酸化剤ガスの供給を所定の流量に絞りつつ、処理頻度Δtai毎に、継続時間Δtapの間、出力電圧VOUT、すなわちカソード電位を到達電位VA1に維持するという活性化処理を実行する。すなわち、まず時間ta2から時間ta3までの間、電子制御ユニット60からの指令値に基づいて、DC/DCコンバータ11は出力電圧VOUTをアイドル出力電圧VA0に、出力電流IOUTをアイドル出力電流IA0に維持する。その後、時間ta3から時間ta4までの間、電子制御ユニット60からの指令値に基づいて、DC/DCコンバータ11は出力電圧VOUTを到達電位VA1に変更し、それにより活性化処理を実施する。電子制御ユニット60(CPU64)、ターボコンプレッサ44及びDC/DCコンバータ11は、燃料電池単セル中のカソード電位を一時的に処理頻度でもって、継続時間にわたり、到達電位まで低下させる活性化処理を実行するように構成された処理部と見ることができる。   Thereafter, the electronic control unit 60 (CPU 64) executes activation process control based on the determined degree of activation process. That is, while the supply of the oxidant gas to the cathode electrode 5c is reduced to a predetermined flow rate by the turbo compressor 44, the output voltage VOUT, that is, the cathode potential is maintained at the ultimate potential VA1 for the duration Δtap for each processing frequency Δtai. The activation process is executed. That is, from time ta2 to time ta3, based on the command value from the electronic control unit 60, the DC / DC converter 11 maintains the output voltage VOUT at the idle output voltage VA0 and the output current IOUT at the idle output current IA0. To do. Thereafter, during the period from time ta3 to time ta4, based on the command value from the electronic control unit 60, the DC / DC converter 11 changes the output voltage VOUT to the ultimate potential VA1, thereby performing the activation process. The electronic control unit 60 (CPU 64), the turbo compressor 44, and the DC / DC converter 11 execute an activation process in which the cathode potential in the fuel cell single cell is temporarily reduced to the ultimate potential over a continuous time with a processing frequency. It can be seen as a processing unit configured to do this.

以後、同様にして動作し、例えば時間ta4から時間ta5までの間、出力電圧VOUTはアイドル出力電圧VA0に、出力電流IOUTはアイドル出力電流IA0に維持される。その後、時間ta5から時間ta6までの間、出力電圧VOUTは到達電位VA1に、出力電流IOUTは到達電流IA1に変更され、それにより活性化処理が実施される。なお、処理頻度が「連続」の場合には、図11における出力電圧VOUTをアイドル出力電圧VA0に保持する期間Δtaxは0(ゼロ)となる。   Thereafter, the operation is performed in the same manner. For example, from time ta4 to time ta5, the output voltage VOUT is maintained at the idle output voltage VA0 and the output current IOUT is maintained at the idle output current IA0. Thereafter, during the period from time ta5 to time ta6, the output voltage VOUT is changed to the arrival potential VA1, and the output current IOUT is changed to the arrival current IA1, thereby performing the activation process. When the processing frequency is “continuous”, the period Δtax during which the output voltage VOUT in FIG. 11 is held at the idle output voltage VA0 is 0 (zero).

その後、例えば時間ta7において、カソード電極の電極触媒の活性化処理を実行すべきでない、例えば車両のトランスミッションがD(ドライブ)レンジに移動された場合には、電子制御ユニット60(CPU64)が、活性化処理を禁止する。   After that, for example, at time ta7, the activation processing of the electrode catalyst of the cathode electrode should not be executed. For example, when the vehicle transmission is moved to the D (drive) range, the electronic control unit 60 (CPU 64) is activated. Disabling process is prohibited.

上記実施例の陽イオン不純物量推定制御はアイドル運転のときに実施されているが、図示しない別の実施例では陽イオン不純物制御はアイドル運転でないときに実施される。   Although the cationic impurity amount estimation control of the above embodiment is performed during idle operation, in another embodiment (not shown), cationic impurity control is performed when the idle operation is not performed.

また、上記実施例の活性化処理程度決定制御では、電解質膜5eの陽イオン不純物量及び燃料電池スタック10の温度を参照しているが、図示しない別の実施例では、電解質膜5eの陽イオン不純物量のみを参照する、又は、燃料電池スタック10の温度及び燃料電池スタック10の運転出力のうちの少なくとも一つと電解質膜5eの陽イオン不純物量とを参照する。   Further, in the activation processing degree determination control in the above embodiment, the amount of cation impurities in the electrolyte membrane 5e and the temperature of the fuel cell stack 10 are referred to. In another embodiment (not shown), the cation in the electrolyte membrane 5e is referred to. Only the amount of impurities is referred to, or at least one of the temperature of the fuel cell stack 10 and the operation output of the fuel cell stack 10 and the amount of cationic impurities in the electrolyte membrane 5e are referred to.

また、上記実施例では、活性化処理程度決定制御において、相対湿度と相関するパラメータとして燃料電池スタック10の温度を参照しているが、図示しない別の実施例では燃料電池スタック10の温度の代わりに、燃料電池単セル2の電解質膜5eの相対湿度を推定できる他のパラメータを用いる。相対湿度と相関する他のパラメータとしては、例えば燃料電池単セル2のインピーダンス、燃料電池単セル2の電解質膜5eの近傍のガスの湿度、燃料電池スタック10における冷却水供給管51の燃料電池単セル2近傍の温度が挙げられる。例えば、インピーダンスが高い場合、電解質膜5e中の水分が低くなり導電率が低下していると推定されるので、相対湿度が低いということができる。電解質膜5eの近傍のガスの湿度が低い場合、電解質膜5e中からも水分が蒸発して少なくなっていると推定されるので、相対湿度が低いということができる。冷却水供給管51の燃料電池単セル2近傍の温度が高い場合、電解質膜5e中の水分がより蒸発して少なくなっていると推定されるので、相対湿度が低いということができる。   In the above embodiment, the temperature of the fuel cell stack 10 is referred to as a parameter correlating with the relative humidity in the activation process degree determination control, but in another embodiment (not shown), the temperature of the fuel cell stack 10 is substituted. In addition, another parameter that can estimate the relative humidity of the electrolyte membrane 5e of the fuel cell single cell 2 is used. Other parameters that correlate with the relative humidity include, for example, the impedance of the single fuel cell 2, the humidity of the gas in the vicinity of the electrolyte membrane 5 e of the single fuel cell 2, and the single fuel cell of the cooling water supply pipe 51 in the fuel cell stack 10. The temperature in the vicinity of the cell 2 can be mentioned. For example, when the impedance is high, it is presumed that the moisture in the electrolyte membrane 5e is low and the conductivity is low, so that the relative humidity is low. When the humidity of the gas in the vicinity of the electrolyte membrane 5e is low, it can be said that the relative humidity is low because the moisture is estimated to be reduced by evaporation from the electrolyte membrane 5e. When the temperature in the vicinity of the single fuel cell 2 of the cooling water supply pipe 51 is high, it is estimated that the moisture in the electrolyte membrane 5e is evaporated and decreased, and therefore it can be said that the relative humidity is low.

次に、燃料電池スタック10の燃料電池単セル2の電解質膜5e内における陽イオン不純物量の推定方法について説明する。陽イオン不純物量の推定方法としては、本発明の発明者が開発した以下の方法を用いることができる。すなわち、燃料電池システムAの運転中に燃料電池単セル2の出力電流をステップ状に増加させて保持したときの燃料電池単セル2の出力電圧の挙動を計測する方法である。それは、本発明の発明者が発見した、燃料電池システムAの運転中に、燃料電池単セル2の出力電流をステップ状に増加させて保持したときの燃料電池単セル2の出力電圧の挙動と、電解質膜5e中の陽イオン不純物量とが相関関係を有する、という事実に基づいている。以下、図面を参照して詳細に説明する。   Next, a method for estimating the amount of cationic impurities in the electrolyte membrane 5e of the single fuel cell 2 of the fuel cell stack 10 will be described. As a method for estimating the amount of cationic impurities, the following method developed by the inventors of the present invention can be used. That is, this is a method of measuring the behavior of the output voltage of the single fuel cell 2 when the output current of the single fuel cell 2 is increased and held in steps during the operation of the fuel cell system A. This is because the inventor of the present invention discovered the behavior of the output voltage of the fuel cell unit cell 2 when the output current of the fuel cell unit cell 2 was increased and held in steps during the operation of the fuel cell system A. This is based on the fact that the amount of cationic impurities in the electrolyte membrane 5e has a correlation. Hereinafter, it will be described in detail with reference to the drawings.

図12は、陽イオン不純物量を推定する方法を説明する図である。この図は、燃料電池単セル2においてステップ状に出力電流IOUTを増加させたときの出力電圧VOUTの挙動を模式的に示している。ただし、左縦軸は燃料電池単セル2の出力電圧VOUT、右縦軸は燃料電池単セル2の出力電流IOUT(ただし電流密度で表示)、横軸は時間である。実線の曲線は燃料電池単セル2の出力電圧VOUTを示し、破線の曲線は燃料電池単セル2の出力電流IOUTを示す。   FIG. 12 is a diagram illustrating a method for estimating the amount of cationic impurities. This figure schematically shows the behavior of the output voltage VOUT when the output current IOUT is increased stepwise in the single fuel cell 2. However, the left vertical axis is the output voltage VOUT of the fuel cell single cell 2, the right vertical axis is the output current IOUT of the fuel cell single cell 2 (indicated by current density), and the horizontal axis is time. The solid curve indicates the output voltage VOUT of the single fuel cell 2, and the broken curve indicates the output current IOUT of the single fuel cell 2.

図12は、燃料電池単セルの出力電流をあらかじめ定められたパターンに従って制御して、陽イオン不純物量を推定する場合を示している。すなわち、時間t0においてベース出力電流IB及びベース出力電圧VBにて燃料電池スタック10が作動(運転)されているとき、時間t1において燃料電池単セル2の出力電流IOUTがベース出力電流IBからあらかじめ定められた増加電流IGにステップ状に増加されて、時間t3までの増加時間Δt0にわたり増加電流IGが保持される場合を示している。ここで、ベース出力電流IBは、陽イオン不純物量の推定方法を行っていない通常運転の時の燃料電池スタック10の目標電流値である。また、図12には、ベース出力電流IBがあらかじめ定められた閾値電流よりも低い出力電流、例えば無負荷状態における燃料電池スタック10の出力電流IOUTの場合が示されている。この陽イオン不純物量を推定する方法を(図12)を上記の性能向上制御(図11)に適用するときには、ベース出力電流IBはアイドル出力電流IA0に対応し、ベース出力電圧VBはアイドル出力電圧VA0に対応する。   FIG. 12 shows a case in which the amount of cationic impurities is estimated by controlling the output current of a single fuel cell according to a predetermined pattern. That is, when the fuel cell stack 10 is operated (operated) at the base output current IB and the base output voltage VB at time t0, the output current IOUT of the single fuel cell 2 is determined in advance from the base output current IB at time t1. The increase current IG is increased stepwise, and the increase current IG is maintained over the increase time Δt0 up to time t3. Here, the base output current IB is a target current value of the fuel cell stack 10 during normal operation in which the method for estimating the amount of cationic impurities is not performed. FIG. 12 shows a case where the base output current IB is lower than a predetermined threshold current, for example, the output current IOUT of the fuel cell stack 10 in a no-load state. When this method for estimating the amount of cationic impurities (FIG. 12) is applied to the above performance improvement control (FIG. 11), the base output current IB corresponds to the idle output current IA0, and the base output voltage VB is the idle output voltage. Corresponds to VA0.

この場合、出力電圧VOUTは、時間t1でベース出力電圧VBから極小電圧VMまでステップ状に低下した後に、増加に転じ、増加時間Δt0後の時間t3までにベース出力電圧VBよりも低い定常電圧VCへ増加する。ただし、図12に示す例では増加時間Δt0は、出力電圧VOUTが定常電圧になるのに十分な時間である定常化時間とし、増加時間Δt0経過後は出力電流IOUTを元のベース出力電流IBに戻すものとする。このとき、出力電圧VOUTの挙動に関わる少なくとも以下の3つの値と、電解質膜5e中の陽イオン不純物量とが相関関係を有する。すなわち、(1)時間t1からあらかじめ定められた設定時間Δt1後の時間t2の出力電圧VOUTをVEとしたとき、出力電圧VEに対する極小電圧VMの差である電圧落ち込み量ΔV、(2)ベース出力電圧VBに対する極小電圧VMの差である極小値落ち込み量ΔVm、及び、(3)出力電流IOUTが増加電流IGに増加されてから出力電圧VOUTが定常電圧VCに達する時間t22までの所要時間Δt2、である。それぞれ、電解質膜5e内の陽イオン不純物量が多くなるにつれて、(1)では電圧落ち込み量ΔVが大きくなり、(2)では極小値落ち込み量ΔVmが大きくなり、(3)では所要時間Δt2が大きくなる。本実施例では上記(1)を用いる。   In this case, the output voltage VOUT decreases in a stepwise manner from the base output voltage VB to the minimum voltage VM at time t1, then starts to increase, and the steady voltage VC lower than the base output voltage VB by time t3 after the increase time Δt0. To increase. However, in the example shown in FIG. 12, the increase time Δt0 is a stabilization time that is sufficient for the output voltage VOUT to become a steady voltage, and after the increase time Δt0 has elapsed, the output current IOUT is changed to the original base output current IB. It shall be returned. At this time, at least the following three values related to the behavior of the output voltage VOUT and the amount of cationic impurities in the electrolyte membrane 5e have a correlation. That is, (1) a voltage drop amount ΔV that is a difference between the minimum voltage VM and the output voltage VE when the output voltage VOUT at a time t2 after a predetermined set time Δt1 from the time t1 is VE, and (2) a base output A minimum value drop amount ΔVm which is a difference between the minimum voltage VM and the voltage VB, and (3) a required time Δt2 from when the output current IOUT is increased to the increased current IG until a time t22 when the output voltage VOUT reaches the steady voltage VC, It is. As the amount of cationic impurities in the electrolyte membrane 5e increases, the voltage drop amount ΔV increases in (1), the minimum drop amount ΔVm increases in (2), and the required time Δt2 increases in (3). Become. In the present embodiment, the above (1) is used.

上記(1)に関し、電解質膜5e内の陽イオン不純物量が少ない場合の出力電圧VOUTnと不純物量が多い場合の出力電圧VOUTcとの相違を図13に示し、その部分拡大図を図14に示す。左右の縦軸及び横軸は図12の場合と同様である。時間t0において燃料電池スタック10がベース出力電流IB及びベース出力電圧VBにて作動(運転)されているとき、時間t1において破線で示す燃料電池単セル2の出力電流IOUTがベース出力電流IBからあらかじめ定められた増加電流IGにステップ状に増加される。そして時間t3までの増加時間Δt0にわたり増加電流IGが保持される。ここで、電解質膜5e内の陽イオン不純物量が少ない場合の出力電圧VOUTnは、図13に一点鎖線で示すように、ベース出力電圧VBから極小電圧VMnまでステップ状に低下した後に、増加に転じ、時間t2より後の時間t21でベース出力電圧VBよりも低い定常電圧VCnに増加する。一方、電解質膜5e内の陽イオン不純物量が多い場合の出力電圧VOUTcは、図13に実線で示すように、ベース出力電圧VBから極小電圧VMcまでステップ状に低下した後に、増加に転じ、時間t2より後の時間t22でベース出力電圧VBよりも低い定常電圧VCcに増加する。   Regarding (1) above, FIG. 13 shows the difference between the output voltage VOUTn when the amount of cationic impurities in the electrolyte membrane 5e is small and the output voltage VOUTc when the amount of impurities is large, and FIG. 14 shows a partially enlarged view thereof. . The left and right vertical and horizontal axes are the same as in FIG. When the fuel cell stack 10 is operated (operated) at the base output current IB and the base output voltage VB at time t0, the output current IOUT of the single fuel cell 2 indicated by the broken line at time t1 is preliminarily determined from the base output current IB. It is increased stepwise to a predetermined increase current IG. Then, the increased current IG is held over the increase time Δt0 up to time t3. Here, the output voltage VOUTn when the amount of the cation impurity in the electrolyte membrane 5e is small decreases in a step-like manner from the base output voltage VB to the minimum voltage VMn as shown by a one-dot chain line in FIG. At time t21 after time t2, the voltage increases to a steady voltage VCn lower than the base output voltage VB. On the other hand, the output voltage VOUTc when the amount of the cation impurity in the electrolyte membrane 5e is large decreases from the base output voltage VB to the minimum voltage VMc in a stepwise manner as shown by the solid line in FIG. At time t22 after t2, the voltage increases to a steady voltage VCc lower than the base output voltage VB.

このとき、電解質膜5e内の陽イオン不純物量が多くなるにつれて、時間t1から設定時間Δt1後の時間t2の出力電圧VEに対する極小電圧VMの差である電圧落ち込み量ΔVは大きくなる。ただし、設定時間Δt1は増加時間Δt0より小さい任意の値とする。例えば、図14に示すように、電解質膜5e内の陽イオン不純物量が多い場合での出力電圧VEcに対する極小電圧VMcの差である電圧落ち込み量ΔVcは、電解質膜5e内の陽イオン不純物量が少ない場合での出力電圧VEnに対する極小電圧VMnの差である電圧落ち込み量ΔVnよりも大きくなる。   At this time, as the amount of cationic impurities in the electrolyte membrane 5e increases, the voltage drop amount ΔV, which is the difference between the minimum voltage VM and the output voltage VE at time t2 after the set time Δt1 from time t1, increases. However, the set time Δt1 is an arbitrary value smaller than the increase time Δt0. For example, as shown in FIG. 14, the voltage drop amount ΔVc, which is the difference between the minimum voltage VMc and the output voltage VEc when the amount of cationic impurities in the electrolyte membrane 5e is large, is the amount of cationic impurities in the electrolyte membrane 5e. The voltage drop amount ΔVn, which is the difference between the minimum voltage VMn and the output voltage VEn when the amount is small, is larger.

陽イオン不純物量と電圧落ち込み量ΔVとの関係との一例を図15に示す。横軸は電解質膜5e中のスルホン酸基が陽イオン不純物により置換されている割合を示す。縦軸は電圧落ち込み量ΔVを示す。この置換割合は、陽イオン不純物量を示す値の一例である。曲線CLに示されように、電解質膜5e中のスルホン酸基が陽イオン不純物に置換されている割合が増加するほど電圧落ち込み量ΔVが増加しており、スルホン酸基が陽イオンに置換されている割合は、電圧落ち込み量ΔVと相関がある。したがって、あらかじめ定められた増加電流IGおよび増加時間Δt0について、図15に示すデータをあらかじめ計測しておけば、電圧落ち込み量ΔVを計測して、そのデータを参照することで、スルホン酸基の置換割合、すなわち陽イオン不純物量を推定することができる。ここで、陽イオン不純物量の推定のための図15のグラフを示すデータは、あらかじめ求められており、ROM62内にあらかじめ記憶されている。   An example of the relationship between the amount of cationic impurities and the amount of voltage drop ΔV is shown in FIG. The horizontal axis indicates the ratio of sulfonic acid groups in the electrolyte membrane 5e being replaced by cationic impurities. The vertical axis represents the voltage drop amount ΔV. This substitution ratio is an example of a value indicating the amount of cationic impurities. As shown by the curve CL, the voltage drop amount ΔV increases as the ratio of the sulfonic acid groups in the electrolyte membrane 5e replaced by cationic impurities increases, and the sulfonic acid groups are replaced by cations. The ratio is correlated with the voltage drop amount ΔV. Therefore, if the data shown in FIG. 15 is measured in advance for the predetermined increase current IG and increase time Δt0, the voltage drop amount ΔV is measured, and the data is referred to to replace the sulfonic acid group. The ratio, that is, the amount of cationic impurities can be estimated. Here, data indicating the graph of FIG. 15 for estimating the amount of cationic impurities is obtained in advance and stored in the ROM 62 in advance.

陽イオン不純物量と電圧落ち込み量ΔVとの関係が図15に示すようになる理由は必ずしも明確ではないが以下のように考えられる。まず、燃料電池スタック10の出力電流IOUTを所定のベース出力電流IBから増加電流IGへステップ状に増加させたとき、出力電圧VOUTが急激に減少してVMになるのは、随伴水の影響でアノード極5aに乾きが生じると共に、陽イオン不純物の移動が遅く、随伴水から遅れて移動するため、一時的に内部抵抗が増加するためであると考えられる。その後、出力電圧VOUTが徐々に回復してVEになるのは、陽イオン不純物の移動がゆっくりであるため、出力電流IOUTの増加の直後には電解質膜5eのアノード極5a側にも陽イオン不純物が多く存在しているが、徐々に陽イオン不純物Qがカソード極5c側に寄り、安定化して、Hイオンの伝導を妨げなくなることで出力電圧VOUTも徐々に回復していくと考えられる。このようにVM及びVEは陽イオン不純物に影響されるため、陽イオン不純物量と電圧落ち込み量ΔV(=ME−VM)との関係が図15のようになると考えられる。 The reason why the relationship between the amount of cationic impurities and the amount of voltage drop ΔV is as shown in FIG. 15 is not necessarily clear, but is considered as follows. First, when the output current IOUT of the fuel cell stack 10 is increased in steps from the predetermined base output current IB to the increased current IG, the output voltage VOUT decreases rapidly and becomes VM due to the influence of accompanying water. This is considered to be because the anode 5a is dried and the movement of the cation impurities is slow and is delayed from the accompanying water, so that the internal resistance temporarily increases. Thereafter, the output voltage VOUT gradually recovers and becomes VE because the movement of the cation impurities is slow, and immediately after the increase of the output current IOUT, the cation impurities are also present on the anode 5a side of the electrolyte membrane 5e. However, it is considered that the output voltage VOUT is gradually recovered by gradually stabilizing the cation impurity Q toward the cathode electrode 5c and stabilizing it so that the conduction of H + ions is not hindered. Thus, since VM and VE are affected by cationic impurities, it is considered that the relationship between the amount of cationic impurities and the amount of voltage drop ΔV (= ME−VM) is as shown in FIG.

ただし、電圧落ち込み量ΔVの計測にあたっては、計測を容易とするべく電圧落ち込み量ΔVが大きくなるように増加電流IGやベース出力電流IBを設定することが好ましい。それには、ベース出力電流IBがステップ状に増加電流IGへ増加したとき、電圧落ち込み量ΔVが非常に大きくなるように増加電流IGやベース出力電流IBを設定することが考えられる。例えば、増加電流IGは燃料電池システムAの負荷状態が全負荷状態のときの出力電流IOUTに設定する。その場合、出力電流IOUTが非常に大きくなり、それに対応して出力電圧VOUTが非常に小さくなるので、電圧落ち込み量ΔVも非常に大きくすることができる。あるいは、ベース出力電流IBが所定の閾値電流よりも小さいときに、出力電流IOUTをベース出力電流IBから増加電流IGへステップ状に増加させる。その場合、ベース出力電流IBが小さいことに対応して基準となるベース出力電圧VBが大きくなるため、電圧落ち込み量ΔVを非常に大きくできる。   However, in measuring the voltage drop amount ΔV, it is preferable to set the increased current IG and the base output current IB so that the voltage drop amount ΔV is increased in order to facilitate the measurement. For this purpose, it is conceivable to set the increase current IG and the base output current IB so that the voltage drop amount ΔV becomes very large when the base output current IB increases to the increase current IG stepwise. For example, the increase current IG is set to the output current IOUT when the load state of the fuel cell system A is the full load state. In this case, the output current IOUT becomes very large, and the output voltage VOUT becomes very small correspondingly, so that the voltage drop amount ΔV can also be made very large. Alternatively, when the base output current IB is smaller than a predetermined threshold current, the output current IOUT is increased stepwise from the base output current IB to the increased current IG. In that case, since the base output voltage VB serving as a reference increases in response to the base output current IB being small, the voltage drop amount ΔV can be greatly increased.

本実施例では上記(1)を用いるが、別の実施例では上記(2)又は(3)を用いる。上記(2)については、陽イオン不純物量と極小値落ち込み量ΔVmとの関係との一例を図16に示す。横軸は電解質膜5e中のスルホン酸基置換割合を示す。縦軸は極小値落ち込み量ΔVmを示す。したがって、極小値落ち込み量ΔVmを計測し、図16を参照することにより、陽イオン不純物量を求めることができる。一方、上記(3)については、陽イオン不純物量と所要時間Δt2との関係との一例を図17に示す。横軸は電解質膜5e中のスルホン酸基置換割合を示す。縦軸は所要時間Δt2を示す。したがって、所要時間Δt2を計測し、図17を参照することにより、陽イオン不純物量を求めることができる。   In the present embodiment, the above (1) is used, but in another embodiment, the above (2) or (3) is used. FIG. 16 shows an example of the relationship between the amount of cationic impurities and the minimum value drop amount ΔVm for (2). The horizontal axis represents the sulfonic acid group substitution ratio in the electrolyte membrane 5e. The vertical axis represents the minimum value drop amount ΔVm. Therefore, the amount of cationic impurities can be determined by measuring the minimum value drop amount ΔVm and referring to FIG. On the other hand, FIG. 17 shows an example of the relationship between the amount of cationic impurities and the required time Δt2 for (3). The horizontal axis represents the sulfonic acid group substitution ratio in the electrolyte membrane 5e. The vertical axis represents the required time Δt2. Therefore, the amount of cationic impurities can be obtained by measuring the required time Δt2 and referring to FIG.

以上の事実に基づいて、燃料電池システムAでは、性能向上制御(図11)おける燃料電池システムAの電解質膜5e中の陽イオン不純物量を推定すべきときに(時間ta1)、上記(1)の方法を用いた以下の陽イオン不純物量推定制御を行う。ただし、本実施例では、ベース出力電流IBはアイドル出力電流IA0と同じであり、ベース出力電圧VBはアイドル出力電圧VAと同じである。   Based on the above fact, in the fuel cell system A, when the amount of cationic impurities in the electrolyte membrane 5e of the fuel cell system A in the performance improvement control (FIG. 11) should be estimated (time ta1), the above (1) The following cationic impurity amount estimation control using the method is performed. However, in this embodiment, the base output current IB is the same as the idle output current IA0, and the base output voltage VB is the same as the idle output voltage VA.

すなわち、電子制御ユニット60からの指令値(指示)に基づいて、DC/DCコンバータ11は燃料電池スタック10(燃料電池単セル2)が出力する出力電流IOUTを所定のベース出力電流IBから増加電流IGへステップ状に増加させて、所定の増加時間Δt0にわたり増加電流IGを保持する。その後、出力電流IOUTをベース出力電流IBに戻す。ここで、DC/DCコンバータ11は燃料電池単セル2の電流を制御する制御部と見ることができる。   That is, based on the command value (instruction) from the electronic control unit 60, the DC / DC converter 11 increases the output current IOUT output from the fuel cell stack 10 (single fuel cell 2) from the predetermined base output current IB. Increasing to IG in a stepwise manner, the increased current IG is held for a predetermined increase time Δt0. Thereafter, the output current IOUT is returned to the base output current IB. Here, the DC / DC converter 11 can be regarded as a control unit that controls the current of the single fuel cell 2.

このとき、出力センサ17は燃料電池単セル2の出力電圧VOUTについて、ベース出力電圧VBから極小電圧VMまでステップ状に低下した後に、増加に転じ、増加時間Δt0後にベース出力電圧VBよりも低い定常電圧VCに増加する挙動を計測する。ここで、出力センサ17は燃料電池単セル2の出力電圧VOUTを計測する計測部と見ることができる。計測された出力電圧VOUTの挙動は例えばRAM63に格納される。   At this time, the output sensor 17 decreases in a stepwise manner from the base output voltage VB to the minimum voltage VM with respect to the output voltage VOUT of the fuel cell single cell 2, and then increases, and after the increase time Δt0, the output voltage VOUT is lower than the base output voltage VB. The behavior of increasing to voltage VC is measured. Here, the output sensor 17 can be regarded as a measurement unit that measures the output voltage VOUT of the single fuel cell 2. The behavior of the measured output voltage VOUT is stored in the RAM 63, for example.

続いて、電子制御ユニット60は、RAM63に格納され出力電圧VOUTのデータに基づいて、出力電流IOUTが増加電流IGに増加された時からあらかじめ定められた設定時間Δt1後における電圧落ち込み量ΔVを算出する。続いてその電圧落ち込み量ΔVに基づいて、ROM62内にあらかじめ記憶された図15のグラフを示すデータを参照して、電解質膜5e中の陽イオン不純物量としてスルホン酸基の置換割合を推定する。ここで、電子制御ユニット60は、計測された燃料電池単セル2の出力電圧VOUTに基づいて、陽イオン不純物量を推定する推定部と見ることができる。   Subsequently, the electronic control unit 60 calculates a voltage drop amount ΔV after a predetermined set time Δt1 from when the output current IOUT is increased to the increased current IG based on the data of the output voltage VOUT stored in the RAM 63. To do. Subsequently, based on the voltage drop amount ΔV, the substitution ratio of the sulfonic acid group is estimated as the amount of cationic impurities in the electrolyte membrane 5 e with reference to the data shown in the graph of FIG. 15 stored in advance in the ROM 62. Here, the electronic control unit 60 can be regarded as an estimation unit that estimates the amount of cationic impurities based on the measured output voltage VOUT of the fuel cell single cell 2.

以上の陽イオン不純物量推定制御を行うことで、燃料電池システムAは燃料電池システムAの運転中に燃料電池単セル2の電解質膜5e中の陽イオン不純物量を推定することができる。なお、本実施例では陽イオン不純物量推定制御をアイドル運転時に行っているが、アイドル運転でないときに行ってもよい。この場合、陽イオン不純物量推定制御は、性能向上制御と別個に行われる。   By performing the above cationic impurity amount estimation control, the fuel cell system A can estimate the cationic impurity amount in the electrolyte membrane 5e of the fuel cell single cell 2 during the operation of the fuel cell system A. In this embodiment, the cation impurity amount estimation control is performed during the idle operation, but may be performed when the idle operation is not performed. In this case, the cationic impurity amount estimation control is performed separately from the performance improvement control.

また、燃料電池システムAは、制御部としてのDC/DCコンバータ11と、計測部としての出力センサ17と、推定部としての電子制御ユニット60とを含んでいる。したがって、燃料電池システムAは、制御部と計測部と推定部とを含み、燃料電池単セルの電解質膜中に含まれる陽イオン不純物量を推定するように構成された陽イオン不純物量推定部を備えていると見ることができる。   In addition, the fuel cell system A includes a DC / DC converter 11 as a control unit, an output sensor 17 as a measurement unit, and an electronic control unit 60 as an estimation unit. Therefore, the fuel cell system A includes a control unit, a measurement unit, and an estimation unit, and includes a cationic impurity amount estimation unit configured to estimate the amount of cationic impurities contained in the electrolyte membrane of the fuel cell single cell. You can see that it is equipped.

図18は図1の燃料電池システムAにおける燃料電池単セル2の性能向上制御のルーチンを示している。このルーチンは一定時間ごとの割り込みによって実行される。図18を参照すると、ステップ100においてトランスミッションがPレンジに移動されているか否かが判別される。トランスミッションがPレンジに設定されている場合、ステップ101において活性化処理制御の活性化処理の程度が決定済みか否かが判別される。活性化処理制御の活性化処理の程度が決定済みの場合、プロセスはステップ104に進む。DレンジからPレンジに切り換わった直後は、活性化処理の程度が決定されていないので、ステップ102に進み、ステップ102において電解質膜5e中の陽イオン不純物量を推定する陽イオン不純物量制御が実行される。次に、ステップ103において、ステップ102で推定された陽イオン不純物量に基づいて、活性化処理の程度を決定する活性化処理程度決定制御が実行される。続いて、ステップ104において、ステップ103で決定された活性化処理の程度に基づいて、活性化処理制御が実行される。なお、ステップ100においてトランスミッションがPレンジに設定されていない場合、ステップ105において燃料電池システムAにおいて、通常運転が行われる。通常運転では、負荷に応じた出力電流及び出力電圧により燃料電池スタック10が運転される。   FIG. 18 shows a routine for performance improvement control of the single fuel cell 2 in the fuel cell system A of FIG. This routine is executed by interruption at regular intervals. Referring to FIG. 18, it is determined in step 100 whether or not the transmission has been moved to the P range. If the transmission is set to the P range, it is determined in step 101 whether or not the degree of the activation process of the activation process control has been determined. If the degree of activation processing of the activation processing control has been determined, the process proceeds to step 104. Immediately after switching from the D range to the P range, the degree of activation processing has not been determined, so the process proceeds to step 102, and in step 102, cation impurity amount control for estimating the amount of cation impurities in the electrolyte membrane 5e is performed. Executed. Next, in step 103, activation processing degree determination control is executed to determine the degree of activation processing based on the amount of cationic impurities estimated in step 102. Subsequently, in step 104, activation processing control is executed based on the degree of activation processing determined in step 103. When the transmission is not set to the P range in step 100, normal operation is performed in the fuel cell system A in step 105. In normal operation, the fuel cell stack 10 is operated with an output current and an output voltage corresponding to the load.

図19は図1の燃料電池システムAにおける陽イオン不純物量推定制御ルーチンを示している。このルーチンは図18の性能向上制御ルーチンのステップ102にて実行される。ただし、本実施例ではベース出力電流IBはアイドル出力電流IA0であり、ベース出力電圧VBはアイドル出力電圧VA0である。図19を参照すると、ステップ200では燃料電池スタック10の出力電流IOUTがベース出力電流IBから増加電流IGへステップ状に増加される。増加電流IGは増加時間Δt0にわたり保持される。続くステップ201では、ベース出力電圧VBから極小電圧VMまでステップ状に低下した後にベース出力電圧VBよりも低い定常電圧VCまで増加する出力電圧VOUTの挙動が計測される。次いでステップ202では、出力電流IOUTが増加電流IGにステップ状に増加された時から増加時間Δt0経過後に出力電流IOUTがベース出力電流IBに低減される。次いでステップ203では、計測された出力電圧VOUTの挙動に基づいて、出力電流IOUTが増加電流IGにステップ状に増加された時から設定時間Δt1後の電圧落ち込み量ΔVが算出される。そして、電圧落ち込み量ΔVに基づいて、図15のグラフを示すデータが参照されて、電解質膜5e中の陽イオン不純物量が推定される。   FIG. 19 shows a control routine for estimating the amount of cationic impurities in the fuel cell system A of FIG. This routine is executed in step 102 of the performance improvement control routine of FIG. However, in this embodiment, the base output current IB is the idle output current IA0, and the base output voltage VB is the idle output voltage VA0. Referring to FIG. 19, in step 200, the output current IOUT of the fuel cell stack 10 is increased stepwise from the base output current IB to the increased current IG. The increase current IG is held for the increase time Δt0. In the subsequent step 201, the behavior of the output voltage VOUT that increases to the steady voltage VC lower than the base output voltage VB after being stepped from the base output voltage VB to the minimum voltage VM is measured. Next, at step 202, the output current IOUT is reduced to the base output current IB after the increase time Δt0 has elapsed since the output current IOUT was increased stepwise to the increase current IG. Next, at step 203, based on the measured behavior of the output voltage VOUT, the voltage drop amount ΔV after the set time Δt1 from the time when the output current IOUT is increased stepwise to the increased current IG is calculated. Then, based on the voltage drop amount ΔV, the data shown in the graph of FIG. 15 is referred to, and the amount of cationic impurities in the electrolyte membrane 5e is estimated.

図20は図1の燃料電池システムAにおける活性化処理程度決定制御のルーチンを示している。このルーチンは図18の性能向上制御ルーチンのステップ103にて実行される。図20を参照すると、ステップ300において燃料電池スタック10の温度が計測される。続いて、ステップ301において、ステップ102で推定された電解質膜5eの陽イオン不純物量と、ステップ301において計測された燃料電池スタック10の温度とに基づいて、図10のデータや表1のデータを参照して、活性化処理の程度(到達電位VA1、処理頻度Δtai毎、及び、継続時間Δtap)が決定される。   FIG. 20 shows a routine of activation processing degree determination control in the fuel cell system A of FIG. This routine is executed in step 103 of the performance improvement control routine of FIG. Referring to FIG. 20, in step 300, the temperature of the fuel cell stack 10 is measured. Subsequently, in step 301, based on the amount of cationic impurities in the electrolyte membrane 5e estimated in step 102 and the temperature of the fuel cell stack 10 measured in step 301, the data of FIG. Referring to the degree of activation processing (arrival potential VA1, processing frequency Δtai, and duration Δtap) is determined.

図21は図1の燃料電池システムAにおける活性化処理制御のルーチンを示している。このルーチンは図18の性能向上制御ルーチンのステップ104にて繰り返し実行される。図21を参照すると、ステップ400において出力電圧VOUTが到達電位VA1に低下しているか否かが判別される。出力電圧VOUTが到達電位VA1に低下している場合、ステップ401において継続時間Δtapが経過したか否かが判別される。継続時間Δtapが経過した場合、続くステップ402において出力電圧VOUTが元の電位、すなわちアイドル出力電圧VA0に復帰される。一方、継続時間Δtapが経過していない場合、プロセスは終了する。また、ステップ400において出力電圧VOUTが到達電位VA1に低下していない場合、ステップ403において処理頻度Δtai、すなわちインターバルが経過したか否かが判別される。インターバルが経過した場合、ステップ404において出力電圧VOUTが到達電位VA1に低下される。一方、インターバルが経過していない場合、プロセスは終了する。   FIG. 21 shows an activation process control routine in the fuel cell system A of FIG. This routine is repeatedly executed in step 104 of the performance improvement control routine of FIG. Referring to FIG. 21, in step 400, it is determined whether or not the output voltage VOUT has decreased to the ultimate potential VA1. If the output voltage VOUT has decreased to the ultimate potential VA1, it is determined in step 401 whether or not the duration Δtap has elapsed. When the duration Δtap has elapsed, the output voltage VOUT is returned to the original potential, that is, the idle output voltage VA0 in the subsequent step 402. On the other hand, if the duration Δtap has not elapsed, the process ends. On the other hand, if the output voltage VOUT has not decreased to the ultimate potential VA1 in step 400, it is determined in step 403 whether the processing frequency Δtai, that is, whether the interval has elapsed. When the interval has elapsed, in step 404, the output voltage VOUT is lowered to the ultimate potential VA1. On the other hand, if the interval has not elapsed, the process ends.

次に、燃料電池システムAの別の実施例について説明する。本実施例では、活性化処理の程度を決定するのに、燃料電池スタック10の運転出力(=出力電圧×出力電流)の履歴を参照する。運転出力の履歴は例えばRAM63に格納される。燃料電池スタック10の運転出力は、例えば燃料電池スタック10の直近の所定時間(例示:5分)内での運転出力であり、車両の置かれた周辺の道路状況に対応している。直近の所定時間内での運転出力が比較的小さい場合、例えば渋滞中の道路など運転出力が小さくて済む道路を車両が走行していたと推定できる。したがって、活性化処理を実施することによる性能回復の効果が少ないと予測できるため、活性化処理を行わない、又は、活性化処理の程度を低くする。逆に、直近の所定時間内での運転出力が相対的に大きい場合、高速道路など運転出力が大きくなければならない道路を車両が走行していたと推定できる。したがって、活性化処理を実施することによる性能回復の効果が大きいと予測できるため、活性化処理の程度を高くする。このとき、運転出力の履歴は、運転履歴を記憶しているRAM63から取得することができる。RAM63は燃料電池スタック10の直近の所定時間内の運転出力の履歴を記憶する直近履歴記憶部と見ることができる。   Next, another embodiment of the fuel cell system A will be described. In this embodiment, the history of the operation output (= output voltage × output current) of the fuel cell stack 10 is referred to determine the degree of the activation process. The history of operation output is stored in the RAM 63, for example. The driving output of the fuel cell stack 10 is, for example, the driving output within a predetermined time (for example, 5 minutes) most recently of the fuel cell stack 10 and corresponds to the road conditions around the vehicle. If the driving output within the most recent predetermined time is relatively small, it can be estimated that the vehicle was traveling on a road where the driving output is small, such as a road in a traffic jam. Therefore, since it can be predicted that the performance recovery effect by performing the activation process is small, the activation process is not performed or the degree of the activation process is lowered. Conversely, when the driving output within the most recent predetermined time is relatively large, it can be estimated that the vehicle was traveling on a road where the driving output must be large, such as an expressway. Accordingly, it can be predicted that the performance recovery effect by performing the activation process is large, and therefore the degree of the activation process is increased. At this time, the history of the driving output can be acquired from the RAM 63 storing the driving history. The RAM 63 can be regarded as a latest history storage unit that stores a history of operation outputs within a predetermined time period immediately before the fuel cell stack 10.

次に、燃料電池システムAの別の実施例について説明する。この別の実施例では、燃料電池単セル2の電解質膜5e内における陽イオン不純物量の推定方法が上記の実施例と相違している。以下、陽イオン不純物量の推定方法について説明する。   Next, another embodiment of the fuel cell system A will be described. In this other embodiment, the method for estimating the amount of cationic impurities in the electrolyte membrane 5e of the fuel cell single cell 2 is different from the above embodiment. Hereinafter, a method for estimating the amount of cationic impurities will be described.

図22は、陽イオン不純物量を推定する方法を説明する図であり、燃料電池単セル2のIV特性を示している。横軸は出力電流密度を示し、縦軸は出力電圧を示す。曲線ExI1及び曲線ExI2は、このIV特性を計測する直前に、その燃料電池単セル2のカソード電位を所定電圧(例示:0.6V)で所定時間(例示:1分間)継続して保持した場合を示す。ただし、曲線ExI1は電解質膜5eが陽イオン不純物を含まない場合、すなわちスルホン酸基置換割合が0%の場合を示す。曲線ExI2は電解質膜5eが陽イオン不純物を含んでいる場合、すなわちスルホン酸基置換割合が0を超える所定量(例示:30%)の場合を示す。この図の例では、所定の出力電圧Exに対して、スルホン酸基置換割合が0%の場合(曲線ExI1)には出力電流密度がIxbとなるが、スルホン酸基置換割合が所定量の場合には出力電流密度がIxaとなる。したがって、所定の出力電圧Exでの出力電流密度とスルホン酸基置換割合との関係をあらかじめ実験等により求めておけば、出力電流密度からスルホン酸基置換割合を把握することができる。具体的には、燃料電池単セル2のカソード電位を所定電圧で所定時間継続して保持した後に、所定の出力電圧Exとなるときの出力電流密度を求め、あらかじめ求めた所定の出力電圧Exでの出力電流密度とスルホン酸基置換割合との関係を参照すればよい。所定の出力電圧Exでの出力電流密度Ixとスルホン酸基置換割合SRとの関係を示す図23のようなテーブルは、ROM62内にあらかじめ記憶される。   FIG. 22 is a diagram for explaining a method of estimating the amount of cationic impurities, and shows the IV characteristics of the single fuel cell 2. The horizontal axis indicates the output current density, and the vertical axis indicates the output voltage. The curve ExI1 and the curve ExI2 are obtained when the cathode potential of the fuel cell single cell 2 is continuously held at a predetermined voltage (example: 0.6V) for a predetermined time (example: 1 minute) immediately before measuring the IV characteristic. Indicates. However, the curve ExI1 shows the case where the electrolyte membrane 5e does not contain cationic impurities, that is, the case where the sulfonic acid group substitution ratio is 0%. A curve ExI2 shows a case where the electrolyte membrane 5e contains a cationic impurity, that is, a case where the sulfonic acid group substitution ratio exceeds a predetermined amount (eg, 30%) exceeding zero. In the example of this figure, when the sulfonic acid group substitution ratio is 0% (curve ExI1) with respect to the predetermined output voltage Ex, the output current density is Ixb, but the sulfonic acid group substitution ratio is a predetermined amount. The output current density is Ixa. Therefore, if the relationship between the output current density at the predetermined output voltage Ex and the sulfonic acid group substitution ratio is obtained in advance through experiments or the like, the sulfonic acid group substitution ratio can be determined from the output current density. Specifically, after the cathode potential of the single fuel cell 2 is continuously held at a predetermined voltage for a predetermined time, the output current density when the predetermined output voltage Ex is obtained is obtained, and the predetermined output voltage Ex obtained in advance is obtained. The relationship between the output current density and the sulfonic acid group substitution ratio may be referred to. A table as shown in FIG. 23 showing the relationship between the output current density Ix at the predetermined output voltage Ex and the sulfonic acid group substitution ratio SR is stored in the ROM 62 in advance.

あるいは、出力電圧と出力電流密度とを逆にしてもよい。図24は、陽イオン不純物量を推定する方法を説明する図であり、燃料電池単セル2のIV特性を示している。横軸、縦軸、曲線ExI1及び曲線ExI2については、図22と同じである。この図の例では、所定の出力電流密度Ixに対して、スルホン酸基置換割合が0%の場合(曲線ExI1)には出力電圧がExbとなるが、スルホン酸基置換割合が所定量(例示:30%)の場合には出力電圧がExaとなる。したがって、所定の出力電流密度Ixでの出力電圧とスルホン酸基置換割合との関係をあらかじめ実験等により求めておけば、出力電圧からスルホン酸基置換割合を把握することができる。具体的には、燃料電池単セル2のカソード電位を所定電圧(例示:0.6V)で所定時間(例示:1分間)継続して保持した後に、所定の出力電流密度Ixとなるときの出力電圧を求め、あらかじめ求めた所定の出力電流密度Ixでの出力電圧とスルホン酸基置換割合との関係を参照すればよい。所定の出力電流密度Ixでの出力電圧Exとスルホン酸基置換割合SRとの関係を示す図25のようなテーブルは、ROM62内にあらかじめ記憶される。   Alternatively, the output voltage and the output current density may be reversed. FIG. 24 is a diagram for explaining a method for estimating the amount of cationic impurities, and shows the IV characteristics of the fuel cell single cell 2. The horizontal axis, vertical axis, curve ExI1 and curve ExI2 are the same as those in FIG. In the example of this figure, when the sulfonic acid group substitution ratio is 0% (curve ExI1) for a predetermined output current density Ix, the output voltage becomes Exb, but the sulfonic acid group substitution ratio is a predetermined amount (example) : 30%), the output voltage becomes Exa. Therefore, if the relationship between the output voltage at the predetermined output current density Ix and the sulfonic acid group substitution ratio is obtained in advance by experiments or the like, the sulfonic acid group substitution ratio can be grasped from the output voltage. Specifically, after the cathode potential of the single fuel cell 2 is continuously held at a predetermined voltage (for example, 0.6 V) for a predetermined time (for example, 1 minute), an output when a predetermined output current density Ix is obtained. What is necessary is just to obtain | require voltage and refer to the relationship between the output voltage in the predetermined | prescribed output current density Ix calculated | required previously, and a sulfonic acid group substitution ratio. A table as shown in FIG. 25 showing the relationship between the output voltage Ex at the predetermined output current density Ix and the sulfonic acid group substitution ratio SR is stored in the ROM 62 in advance.

あるいは、出力電圧と出力電流密度とを組み合わせてもよい。すなわち、出力電流密度Ix及び出力電圧Exとスルホン酸基置換割合SRとの関係を示す図26のようなテーブルをあらかじめ実験で求めておけば、ある任意の出力電流密度Ixのときの出力電圧Exを計測したり、ある任意の出力電圧Exのときの出力電流密度Ixを計測したりすることで、テーブルを参照してスルホン酸基置換割合SRを把握することができる。図26のようなテーブルは、ROM62内にあらかじめ記憶される。   Alternatively, the output voltage and the output current density may be combined. That is, if a table as shown in FIG. 26 showing the relationship between the output current density Ix and output voltage Ex and the sulfonic acid group substitution ratio SR is obtained in advance by experiment, the output voltage Ex at a certain arbitrary output current density Ix. Or by measuring the output current density Ix at a certain arbitrary output voltage Ex, the sulfonic acid group substitution ratio SR can be grasped by referring to the table. A table as shown in FIG. 26 is stored in the ROM 62 in advance.

次に、燃料電池システムAの更に別の実施例について説明する。この別の実施例では、燃料電池単セル2の電解質膜5e内における陽イオン不純物量の推定方法が上記の実施例と相違している。陽イオン不純物は、上述のように、融雪剤に含まれるCa、Naなど、及び、燃料電池システムAの部品に含まれるFe、Mo、Cr、Alなどが考えられる。したがって、陽イオン不純物は、燃料電池スタック10の運転時間が長くなるほど多くなると考えられる。よって燃料電池スタック10の運転時間と電解質膜5eの陽イオン不純物量(スルホン酸基置換割合)との関係をあらかじめ実験等により求めておけば、燃料電池スタック10の現在までの総運転時間を取得することで、陽イオン不純物量(スルホン酸基置換割合)を把握することが出来る。燃料電池スタック10の総運転時間tdと電解質膜5eの陽イオン不純物量(スルホン酸基置換割合)SRとの関係を示す図27のようなテーブルは、ROM62内にあらかじめ記憶される。このとき、燃料電池スタック10の現在までの総運転時間は、運転履歴を記憶しているRAM63から取得することができる。なお、陽イオン不純物量を推定するためのパラメータは、上記の燃料電池スタック10の総運転時間に限定されない。例えば燃料電池スタック10を搭載した車両の総走行距離でも良いし、燃料電池スタック10の総発電量(すなわち電力を時間で積分した値)、燃料電池スタック10の総電流量(すなわち電流を時間で積分した値)など、燃料電池スタック10の電流値及び/又は電圧値と運転時間とを組み合わせた関数値などの運転実績を示すパラメータであってもよい。また、燃料電池スタック10内に蓄積された陽イオン不純物を公知の方法により洗浄除去した場合には、燃料電池スタック10の総運転時間の替りに、洗浄除去後の運転時間などの運転実績を使用してもよい。これらのパラメータの値はRAM63に記憶されている。このようにRAM63は燃料電池スタック10の運転実績を示すパラメータを記憶する運転実績記憶部と見ることができる。   Next, still another embodiment of the fuel cell system A will be described. In this other embodiment, the method for estimating the amount of cationic impurities in the electrolyte membrane 5e of the fuel cell single cell 2 is different from the above embodiment. As described above, the cationic impurities may be Ca, Na, etc. contained in the snow melting agent, and Fe, Mo, Cr, Al, etc. contained in the parts of the fuel cell system A. Therefore, it is considered that the cation impurities increase as the operation time of the fuel cell stack 10 becomes longer. Therefore, if the relationship between the operating time of the fuel cell stack 10 and the amount of cation impurities (sulfonic acid group substitution ratio) in the electrolyte membrane 5e is obtained in advance through experiments or the like, the total operating time up to the present time of the fuel cell stack 10 is obtained. By doing so, the amount of cationic impurities (sulfonic acid group substitution ratio) can be grasped. A table as shown in FIG. 27 showing the relationship between the total operation time td of the fuel cell stack 10 and the amount of cationic impurities (sulfonic acid group substitution ratio) SR of the electrolyte membrane 5 e is stored in the ROM 62 in advance. At this time, the total operation time up to the present time of the fuel cell stack 10 can be acquired from the RAM 63 storing the operation history. Note that the parameter for estimating the amount of cationic impurities is not limited to the total operation time of the fuel cell stack 10 described above. For example, it may be the total travel distance of the vehicle on which the fuel cell stack 10 is mounted, the total power generation amount of the fuel cell stack 10 (that is, a value obtained by integrating the power with time), and the total current amount of the fuel cell stack 10 (that is, the current with time). It may be a parameter indicating an operation result such as a function value obtained by combining the current value and / or voltage value of the fuel cell stack 10 and the operation time, such as an integrated value). Further, when the cation impurities accumulated in the fuel cell stack 10 are washed and removed by a known method, the operation results such as the operation time after the washing and removal are used instead of the total operation time of the fuel cell stack 10. May be. The values of these parameters are stored in the RAM 63. Thus, the RAM 63 can be regarded as an operation result storage unit that stores parameters indicating the operation results of the fuel cell stack 10.

次に、燃料電池システムAの更に別の実施例について説明する。上記各実施例では、まず、(A)陽イオン不純物推定部が、燃料電池単セル2の電気特性や運転時間(以下「電気特性等」という。)を計測する。次に、(B)陽イオン不純物推定部が、計測された電気特性等に基づき、あらかじめ取得した電気特性等と陽イオン不純物量との関係を参照して陽イオン不純物量を推定する。そして、(C)活性化処理決定部が、推定された陽イオン不純物量に基づき、あらかじめ設定した陽イオン不純物量と活性化処理の程度との関係を参照して活性化処理の程度を決定する。しかし、本発明はこの例に限定されるものではない。   Next, still another embodiment of the fuel cell system A will be described. In each of the above embodiments, first, (A) the cation impurity estimation unit measures the electrical characteristics and the operation time (hereinafter referred to as “electrical characteristics”) of the fuel cell single cell 2. Next, (B) the cation impurity estimation unit estimates the amount of cation impurities by referring to the relationship between the electrical characteristics acquired in advance and the amount of cation impurities based on the measured electrical characteristics and the like. Then, (C) the activation process determining unit determines the degree of the activation process based on the estimated amount of the cation impurity with reference to the relationship between the preset cation impurity quantity and the level of the activation process. . However, the present invention is not limited to this example.

本実施例では、上記(A)〜(C)のうち、(B)の過程を省略して、まず、(A)陽イオン不純物推定部が、燃料電池単セル2の電気特性等を計測する。そして、(C’)活性化処理決定部が、計測された電気特性等に基づいて、あらかじめ設定しておいた電気特性等と活性化処理の程度との関係を参照して活性化処理の程度を決定する。   In the present embodiment, among the above (A) to (C), the process (B) is omitted, and first, (A) the cation impurity estimation unit measures the electrical characteristics and the like of the single fuel cell 2. . Then, (C ′) the activation process determination unit refers to the degree of the activation process with reference to the relationship between the preset electrical characteristics and the degree of the activation process based on the measured electrical characteristics and the like. To decide.

例えば、まず、(A)ベース出力電流IB及びベース出力電圧VBでもって燃料電池システムAが作動されているときに、燃料電池単セル2の出力電流IOUTをベース出力電流IBからあらかじめ定められた増加電流IGへステップ状に増加させて増加時間Δt0にわたり保持する。そして、増加時間Δt0における燃料電池単セル2の出力電圧VOUTを計測する。このとき、出力電流IOUTが増加電流IGに増加されてからあらかじめ定められた設定時間Δt1後の出力電圧VEに対する極小電圧VMの差(電圧落ち込み量)ΔV、ベース出力電圧VBに対する極小電圧VMの差(極小値落ち込み量)ΔVm、または、出力電流IOUTが増加電流IGに増加されてから出力電圧VOUTが定常電圧VCに達するまでの所要時間Δt2、が電気特性等として取得される。   For example, first, (A) when the fuel cell system A is operated with the base output current IB and the base output voltage VB, the output current IOUT of the single fuel cell 2 is increased from the base output current IB by a predetermined amount. The current IG is increased stepwise and held for an increase time Δt0. Then, the output voltage VOUT of the fuel cell single cell 2 at the increase time Δt0 is measured. At this time, a difference (minimum voltage drop) ΔV in the minimum voltage VM from the output voltage VE after a predetermined set time Δt1 after the output current IOUT is increased to the increased current IG, and a difference in the minimum voltage VM from the base output voltage VB. (Minimum value drop amount) ΔVm, or the required time Δt2 from when the output current IOUT is increased to the increased current IG until the output voltage VOUT reaches the steady voltage VC, is acquired as electrical characteristics or the like.

その後、(C’)計測された電圧落ち込み量ΔV、極小値落ち込み量ΔVm、または、所要時間Δt2に基づいて、あらかじめ設定しておいた電圧落ち込み量ΔV、極小値落ち込み量ΔVm、または、所要時間Δt2と活性化処理の程度との関係を参照して活性化処理の程度を決定する。例えば、電圧落ち込み量ΔVが大きくなるにつれて、極小値落ち込み量ΔVmが大きくなるにつれて、または、所要時間Δt2が長くなるにつれて、活性化処理の条件を、到逹電位を低くする、継続時間を長くする、および、処理頻度を多くする、のいずれか一つまたはそれらのうちの少なくとも二つを組み合わせることにより、活性化処理の程度を高くするように決定する。   Thereafter, (C ′) the voltage drop amount ΔV, the minimum value drop amount ΔVm, or the required time set in advance based on the measured voltage drop amount ΔV, the minimum value drop amount ΔVm, or the required time Δt2. The degree of the activation process is determined with reference to the relationship between Δt2 and the degree of the activation process. For example, as the voltage drop amount ΔV is increased, the minimum value drop amount ΔVm is increased, or the required time Δt2 is increased, the activation processing condition is lowered, and the duration is increased. And by increasing the frequency of processing, or by combining at least two of them, the degree of activation processing is determined to be high.

ここで、あらかじめ設定する電圧落ち込み量ΔV、極小値落ち込み量ΔVm、または、所要時間Δt2と活性化処理の程度との関係は、例えば図15のグラフ、図16のグラフ、または、図17のグラフと、図10のグラフと、を組み合わせることで容易に得ることができる。   Here, the relationship between the preset voltage drop amount ΔV, the minimum value drop amount ΔVm, or the required time Δt2 and the degree of activation processing is, for example, the graph of FIG. 15, the graph of FIG. 16, or the graph of FIG. And the graph of FIG. 10 can be easily obtained.

あるいは、例えば、まず(A)燃料電池単セル2の出力電圧VOUTを所定時間にわたり所定電圧値に保持した後の、所定の出力電圧Exのときの出力電流Ix、または、所定の出力電流Ixのときの出力電圧Exを取得する。その後、(C’)計測された出力電流Ixまたは出力電圧Exに基づいて、あらかじめ設定しておいた出力電流Ixまたは出力電圧Exと活性化処理の程度との関係を参照して活性化処理の程度を決定する。例えば、出力電流Ixまたは出力電圧Exが相対的に小さいときに、相対的に大きいときに比ベて、活性化処理の条件を、到達電位を低くする、継続時間を長くする、および、処理頻度を多くする、のいずれか一つまたはそれらのうちの少なくとも二つを組み合わせることにより、活性化処理の程度を高くするように決定する。   Alternatively, for example, (A) after the output voltage VOUT of the single fuel cell 2 is held at a predetermined voltage value for a predetermined time, the output current Ix at the predetermined output voltage Ex or the predetermined output current Ix To obtain the output voltage Ex. Thereafter, (C ′) based on the measured output current Ix or output voltage Ex, the relationship between the preset output current Ix or output voltage Ex and the degree of activation processing is referred to. Determine the degree. For example, when the output current Ix or the output voltage Ex is relatively small, the activation processing conditions are set to lower the ultimate potential, the duration is increased, and the processing frequency compared to when the output current Ix or the output voltage Ex is relatively large. The degree of the activation treatment is determined to be high by combining any one of these or at least two of them.

ここで、あらかじめ設定する出力電流Ixまたは出力電圧Exと活性化処理の程度との関係は、例えば図22のグラフと図23のテーブル、または、図24のグラフと図25のテーブルのグラフと、図10のグラフと、を組み合わせることで容易に得ることができる。   Here, the relationship between the preset output current Ix or output voltage Ex and the degree of activation processing is, for example, the graph of FIG. 22 and the table of FIG. 23, or the graph of FIG. 24 and the table of FIG. It can be easily obtained by combining the graph of FIG.

これらの場合にも、図1〜図21により説明された実施例と同様の効果を奏することができる。   In these cases, the same effects as those of the embodiment described with reference to FIGS.

次に、図28を参照して燃料電池システムAの更に別の実施例について説明する。この実施例では、燃料電池システムAが水素ガス非循環式の燃料電池システムである点が図1に示す実施例と相違する。以下相違点について主に説明する。   Next, still another embodiment of the fuel cell system A will be described with reference to FIG. This embodiment is different from the embodiment shown in FIG. 1 in that the fuel cell system A is a hydrogen gas non-circulating fuel cell system. The differences will be mainly described below.

図1に示される燃料電池システムAは、燃料ガス通路30の出口と燃料ガス供給管31とがアノードオフガス管36及び燃料ガス循環管81により接続され、燃料ガスを含むアノードオフガスが燃料ガス供給管31へ循環されるシステム、すなわち燃料ガス循環式の燃料電池システムである。一方、図28に示される燃料電池システムAは、燃料ガス循環管81及び燃料ガス循環ポンプ39が除かれている。すなわち、図28示される燃料電池システムAは、燃料ガス通路30の出口と燃料ガス供給管31とが分離され、燃料ガスを含むアノードオフガスが燃料ガス供給管31へ循環されないシステム、すなわち燃料ガス非循環式の燃料電池システムである。   In the fuel cell system A shown in FIG. 1, the outlet of the fuel gas passage 30 and the fuel gas supply pipe 31 are connected by the anode offgas pipe 36 and the fuel gas circulation pipe 81, and the anode offgas containing the fuel gas is the fuel gas supply pipe. 31 is a system that circulates to 31, that is, a fuel gas circulation type fuel cell system. On the other hand, the fuel cell system A shown in FIG. 28 excludes the fuel gas circulation pipe 81 and the fuel gas circulation pump 39. That is, the fuel cell system A shown in FIG. 28 is a system in which the outlet of the fuel gas passage 30 and the fuel gas supply pipe 31 are separated, and the anode off gas containing the fuel gas is not circulated to the fuel gas supply pipe 31, This is a circulation type fuel cell system.

この場合にも、図1に示す燃料電池システムAと同様の効果を奏することができる。   Also in this case, the same effect as the fuel cell system A shown in FIG. 1 can be obtained.

A 燃料電池システム
2 燃料電池単セル
5e 電解質膜
IA アイドル出力電流
IOUT 出力電流
VA アイドル出力電圧
VOUT 出力電圧
A Fuel cell system 2 Fuel cell single cell 5e Electrolyte membrane IA Idle output current IOUT Output current VA Idle output voltage VOUT Output voltage

Claims (12)

燃料電池システムがアイドル運転されているときに、前記燃料電池システムの少なくとも一つの燃料電池単セルのカソード電位を一時的に処理頻度でもって、継続時間にわたり、到達電位まで低下させる活性化処理を実行するように構成された処理部と、
前記燃料電池単セルの電解質膜中に含まれる陽イオン不純物量を推定するように構成された陽イオン不純物量推定部と、
前記陽イオン不純物量が多いときには、前記活性化処理の条件を、前記陽イオン不純物量が少ないときと比較して、前記到達電位を低くする、前記継続時間を長くする、および、前記処理頻度を多くする、のいずれか一つまたはそれらのうちの少なくとも二つを組み合わせることにより、前記活性化処理の程度を高くするように決定する処理程度決定部と、
を備え、
前記処理部は、前記処理程度決定部により決定された程度でもって前記活性化処理を実行する、
燃料電池システム。
When the fuel cell system is idling, an activation process is performed in which the cathode potential of at least one fuel cell single cell of the fuel cell system is temporarily reduced to the ultimate potential over the duration with a processing frequency. A processing unit configured to:
A cationic impurity amount estimation unit configured to estimate the amount of cationic impurities contained in the electrolyte membrane of the fuel cell single cell;
When the amount of the cation impurity is large, the activation treatment condition is set lower than the time when the amount of the cation impurity is small, the reaching potential is lowered, the duration is increased, and the treatment frequency is A processing degree determining unit that determines to increase the degree of the activation processing by combining any one of or at least two of them;
With
The processing unit executes the activation processing with the degree determined by the processing degree determination unit.
Fuel cell system.
前記陽イオン不純物量推定部は、
ベース出力電流及びベース出力電圧でもって前記燃料電池システムが作動されているときに、
前記燃料電池単セルの出力電流を前記ベース出力電流からあらかじめ定められた増加電流へステップ状に増加させて増加時間にわたり保持し、
前記増加時間における前記燃料電池単セルの出力電圧を計測し、
計測された前記出力電圧に基づいて、前記陽イオン不純物量を推定するように構成されている、
請求項1に記載の燃料電池システム。
The cationic impurity amount estimation unit is
When the fuel cell system is operating with a base output current and a base output voltage,
Increasing the output current of the single fuel cell from the base output current in a stepwise manner to a predetermined increase current, and maintaining the increase time,
Measure the output voltage of the fuel cell single cell in the increased time,
Based on the measured output voltage, configured to estimate the amount of cationic impurities,
The fuel cell system according to claim 1.
前記出力電流が前記増加電流までステップ状に増加され保持されると、前記出力電圧が前記ベース出力電圧から極小電圧までステップ状に低下した後に、前記ベース出力電圧よりも低い定常電圧に向かって増加するようになっており、
前記陽イオン不純物推定部は、
前記出力電流が前記増加電流に増加されてから前記増加時間よりも短いあらかじめ定められた設定時間後の前記出力電圧に対する前記極小電圧の差が大きくなるにつれて多くなるように前記陽イオン不純物量を推定する、前記ベース出力電圧に対する前記極小電圧の差が大きくなるにつれて多くなるように前記陽イオン不純物量を推定する、又は、前記出力電流が前記増加電流に増加されてから前記出力電圧が前記定常電圧に達するまでの所要時間が長くなるにつれて多くなるように前記陽イオン不純物量を推定するように構成されている、
請求項2に記載の燃料電池システム。
When the output current is increased and held stepwise up to the increased current, the output voltage decreases stepwise from the base output voltage to a minimum voltage and then increases toward a steady voltage lower than the base output voltage. Is supposed to
The cationic impurity estimator is
Estimating the amount of cationic impurities so that the difference between the minimum voltage and the output voltage after a predetermined set time shorter than the increase time after the output current is increased to the increase current increases as the difference increases. The amount of the cation impurity is estimated so as to increase as the difference between the minimum voltage and the base output voltage increases, or the output voltage is increased to the increased current and the output voltage is increased to the steady voltage. Is configured to estimate the amount of cationic impurities so as to increase as the time required to reach
The fuel cell system according to claim 2.
前記増加電流は、前記燃料電池システムの負荷が全負荷のときの前記出力電流である、
請求項2又は3に記載の燃料電池システム。
The increased current is the output current when the load of the fuel cell system is full load.
The fuel cell system according to claim 2 or 3.
前記陽イオン不純物量推定部は、前記燃料電池単セルの前記ベース出力電流が閾値電流よりも小さいときに、前記燃料電池単セルの出力電流を前記増加電流へステップ状に増加させ、このとき計測された出力電圧に基づいて、陽イオン不純物量を推定するように構成されている、
請求項2乃至4のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
When the base output current of the fuel cell single cell is smaller than a threshold current, the cation impurity amount estimation unit increases the output current of the fuel cell single cell stepwise to the increased current, and the measurement is performed at this time. Configured to estimate the amount of cationic impurities based on the output voltage
The fuel cell system according to any one of claims 2 to 4.
前記陽イオン不純物推定部は、前記燃料電池単セルの出力電圧を所定時間にわたり所定電圧値に保持した後の、所定の出力電圧のときの出力電流および/または所定の出力電流のときの出力電圧に基づいて、前記陽イオン不純物量を推定するように構成されている、
請求項1に記載の燃料電池システム。
The cation impurity estimation unit holds an output voltage at a predetermined output voltage and / or an output voltage at a predetermined output current after holding the output voltage of the single fuel cell at a predetermined voltage value for a predetermined time. Is configured to estimate the amount of cationic impurities based on
The fuel cell system according to claim 1.
前記燃料電池スタックの運転実績を記憶するように構成された運転実績記憶部を更に備え、
前記陽イオン不純物量推定部は、前記運転実績記憶部を参照して、前記燃料電池スタックの運転実績に基づいて、前記陽イオン不純物量を推定するように構成されている、
請求項1に記載の燃料電池システム。
An operation result storage unit configured to store an operation result of the fuel cell stack;
The cation impurity amount estimation unit is configured to estimate the cation impurity amount based on the operation results of the fuel cell stack with reference to the operation result storage unit.
The fuel cell system according to claim 1.
前記燃料電池スタック内の電解質膜の相対湿度に相関するパラメータの値を計測する相関パラメータ計測部を更に備え、
前記処理程度決定部は、計測された前記パラメータの値に基づいて、前記相対湿度が低いときには、前記相対湿度が高いときと比較して、前記活性化処理の程度を高くするように決定する、
請求項1乃至7のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
A correlation parameter measurement unit that measures a value of a parameter correlated with the relative humidity of the electrolyte membrane in the fuel cell stack;
The processing degree determination unit determines, based on the measured value of the parameter, that when the relative humidity is low, the degree of the activation process is increased compared to when the relative humidity is high.
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 7.
前記パラメータは、前記燃料電池スタック内または近傍の冷却水の温度、インピーダンス、または電解質膜近傍のガスの湿度である、
請求項8に記載の燃料電池システム。
The parameter is the temperature, impedance, or humidity of gas near the electrolyte membrane in or near the fuel cell stack,
The fuel cell system according to claim 8.
前記燃料電池スタックの直近の所定時間内の出力の履歴を記憶するように構成された直近履歴記憶部を更に備え、
前記処理程度決定部は、直近の所定時間内の出力が高いときには、前記出力が低いときと比較して、前記活性化処理の程度を高く決定するように構成されている、
請求項1乃至9のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
A latest history storage unit configured to store a history of output within a predetermined time period closest to the fuel cell stack;
The processing degree determination unit is configured to determine the degree of the activation process higher when the output within the most recent predetermined time is high compared to when the output is low.
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 9.
燃料電池システムがアイドル運転されているときに、前記燃料電池システムの少なくとも一つの燃料電池単セルのカソード電位を一時的に処理頻度でもって、継続時間にわたり、到達電位まで低下させる活性化処理を実行するように構成された処理部と、
ベース出力電流及びベース出力電圧でもって前記燃料電池システムが作動されているときに、前記燃料電池単セルの出力電流を前記ベース出力電流からあらかじめ定められた増加電流へステップ状に増加させて増加時間にわたり保持し、
前記増加時間における前記燃料電池単セルの出力電圧を計測し、
前記出力電流が前記増加電流までステップ状に増加され保持されると、前記出力電圧が前記ベース出力電圧から極小電圧までステップ状に低下した後に、前記ベース出力電圧よりも低い定常電圧に向かって増加するようになっているとき、前記出力電流が前記増加電流に増加されてから前記増加時間よりも短いあらかじめ定められた設定時間後の前記出力電圧に対する前記極小電圧の差が大きくなるにつれて、前記ベース出力電圧に対する前記極小電圧の差が大きくなるにつれて、又は、前記出力電流が前記増加電流に増加されてから前記出力電圧が前記定常電圧に達するまでの所要時間が長くなるにつれて、前記活性化処理の条件を、前記到逹電位を低くする、前記継続時間を長くする、および、前記処理頻度を多くする、のいずれか一つまたはそれらのうちの少なくとも二つを組み合わせることにより、前記活性化処理の程度を高くするように決定する処理程度決定部と、
を備え、
前記処理部は、前記処理程度決定部により決定された程度でもって前記活性化処理を実行する、
燃料電池システム。
When the fuel cell system is idling, an activation process is performed in which the cathode potential of at least one fuel cell single cell of the fuel cell system is temporarily reduced to the ultimate potential over the duration with a processing frequency. A processing unit configured to:
When the fuel cell system is operated with the base output current and the base output voltage, the output current of the single fuel cell is increased stepwise from the base output current to a predetermined increase current to increase the time. Hold over,
Measure the output voltage of the fuel cell single cell in the increased time,
When the output current is increased and held stepwise up to the increased current, the output voltage decreases stepwise from the base output voltage to a minimum voltage and then increases toward a steady voltage lower than the base output voltage. When the difference in the minimum voltage with respect to the output voltage after a predetermined set time shorter than the increase time after the output current is increased to the increase current is increased, the base As the difference between the minimum voltage and the output voltage increases, or as the time required for the output voltage to reach the steady voltage after the output current is increased to the increased current, the activation process increases. The condition is any one of decreasing the arrival potential, increasing the duration, and increasing the processing frequency. Other by combining at least two of them, the processing order determining unit that determines to increase the extent of the activation treatment,
With
The processing unit executes the activation processing with the degree determined by the processing degree determination unit.
Fuel cell system.
燃料電池システムがアイドル運転されているときに、前記燃料電池システムの少なくとも一つの燃料電池単セルのカソード電位を一時的に処理頻度でもって、継続時間にわたり、到達電位まで低下させる活性化処理を実行するように構成された処理部と、
前記燃料電池単セルの出力電圧を所定時間にわたり所定電圧値に保持した後の、所定の出力電圧のときの出力電流および/または所定の出力電流のときの出力電圧を取得し、前記所定の出力電圧における前記出力電流の値および/または前記所定の出力電流における前記出力電圧の値が相対的に小さいときに、相対的に大きいときに比ベて、前記活性化処理の条件を、前記到達電位を低くする、前記継続時間を長くする、および、前記処理頻度を多くする、のいずれか一つまたはそれらのうちの少なくとも二つを組み合わせることにより、前記活性化処理の程度を高くするように決定する処理程度決定部と、
を備え、
前記処理程度処理部は、前記決定部により決定された程度でもって前記活性化処理を実行する、
燃料電池システム。
When the fuel cell system is idling, an activation process is performed in which the cathode potential of at least one fuel cell single cell of the fuel cell system is temporarily reduced to the ultimate potential over the duration with a processing frequency. A processing unit configured to:
After the output voltage of the single fuel cell is held at a predetermined voltage value for a predetermined time, an output current at a predetermined output voltage and / or an output voltage at a predetermined output current is acquired, and the predetermined output When the value of the output current in voltage and / or the value of the output voltage in the predetermined output current is relatively small, the activation process condition is set to the ultimate potential compared to when the value is relatively large. , Increase the duration, and increase the processing frequency, or by combining at least two of them, the degree of the activation processing is determined to be increased A processing degree determination unit to perform,
With
The processing degree processing unit executes the activation processing with the degree determined by the determining unit.
Fuel cell system.
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