JP2017224575A - Fuel cell system - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system capable of suppressing an oxidation reduction reaction by reducing humidity in hydrogen gas and air using an optimal technique that matches the operating state of a fuel cell, and thus capable of reliably preventing deterioration due to the aggregation/elution of platinum in a catalyst layer.SOLUTION: In each of operating states in which a cell voltage V increases (B), is high (C), and decreases (D) and in which deterioration in a catalyst layer of a fuel electrode 10b and an air electrode 10c occurs, respective moisture reduction techniques b-d are set preliminary such that an optimal control content including control variables is provided to each operating state on the basis of conditions (reduction width of moisture, responsibility, etc.) required to moisture reduction for deterioration prevention. During operation of a fuel cell 10, in each time the operating state is switched, a corresponding moisture reduction technique is selected from among the moisture reduction techniques b-d and performed to achieve moisture reduction so that an oxidation reduction reaction on a catalyst layer is suppressed.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本発明は、触媒層を有する燃料極及び空気極を備え、燃料極に湿度調整した燃料ガスを供給すると共に空気極に湿度調整した空気を供給して発電する燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system that includes a fuel electrode having a catalyst layer and an air electrode, supplies fuel gas whose humidity is adjusted to the fuel electrode, and supplies air whose humidity is adjusted to the air electrode to generate electricity.

近年の環境意識の高まりに伴い、化石燃料に頼ることのないクリーンエネルギー発電の一つとして燃料電池システムが注目されている。例えば自動車に搭載される燃料電池システムには固体高分子型燃料電池が用いられており、固体高分子膜の両側に触媒として白金(Pt)を担持した燃料極及び空気極を貼り合わせてMEAを構成し、そのMEAをガス拡散層及びセパレータにより挟持した単セルを多数積層して製作される。   With the recent increase in environmental awareness, fuel cell systems are attracting attention as one of clean energy power generation that does not rely on fossil fuels. For example, a polymer electrolyte fuel cell is used in a fuel cell system mounted on an automobile, and an MEA is formed by bonding a fuel electrode and an air electrode carrying platinum (Pt) as a catalyst on both sides of a solid polymer film. It is manufactured by stacking a large number of single cells each having a MEA sandwiched between a gas diffusion layer and a separator.

このように構成された燃料電池は、燃料極に湿度調整した燃料ガスを供給すると共に空気極に湿度調整した空気を供給することで発電反応が開始される。発電反応は燃料極及び空気極の触媒層で進行するため、触媒層の劣化を抑制することは、燃料電池の耐久性を高める上で重要な課題となっている。
触媒層の劣化を促進する要因として、触媒層上で生じる酸化還元反応の繰り返しが挙げられる。例えば、車両の加減速に伴い燃料電池に要求される出力電力が変動すると、燃料電池の運転状態はアイドル運転と発電運転との間で変化し、それに伴い単セルの電圧(以下、セル電圧という)は、アイドル運転時の高電圧域と発電運転時の低電圧域との間で変動する。このようなセル電圧の増加及び低下に伴って触媒層上では酸化還元反応が繰り返され、これにより特に空気極側の触媒層の白金粒子はオストワルド成長による凝集や白金溶出によって発電反応比面積が減少し、これらの現象が触媒層の劣化を進行させる要因となる。
In the fuel cell configured as described above, a power generation reaction is started by supplying the fuel gas whose humidity is adjusted to the fuel electrode and the air whose humidity is adjusted to the air electrode. Since the power generation reaction proceeds in the catalyst layer of the fuel electrode and the air electrode, suppressing the deterioration of the catalyst layer is an important issue for improving the durability of the fuel cell.
As a factor for promoting the deterioration of the catalyst layer, repeated oxidation-reduction reactions occurring on the catalyst layer can be mentioned. For example, when the output power required for the fuel cell fluctuates with the acceleration / deceleration of the vehicle, the operating state of the fuel cell changes between idle operation and power generation operation, and accordingly, the voltage of a single cell (hereinafter referred to as cell voltage). ) Varies between a high voltage range during idle operation and a low voltage range during power generation operation. As the cell voltage increases and decreases, the oxidation-reduction reaction is repeated on the catalyst layer, and in particular, the platinum particles in the catalyst layer on the air electrode side reduce the power generation reaction specific area due to aggregation due to Ostwald growth and platinum elution. However, these phenomena cause the deterioration of the catalyst layer.

このような不具合への対策として、例えば特許文献1に記載の技術では、セル電圧が所定範囲(例えば0.6〜0.9V)にあるときに触媒層上で生じる酸化還元反応が白金凝集・溶出の要因になっていることに着目し、燃料電池の負荷変動が検出されたときにセル電圧を検出し、そのセル電圧が所定範囲にある場合には、燃料極に供給する水素ガスや空気極に供給する空気の湿度を低下させて酸化還元反応の抑制を図っている。湿度低下の手法としては、例えば加湿器によって行われる水素ガスや空気の加湿量を抑制することで湿度を低下させている。   As a countermeasure against such problems, for example, in the technique described in Patent Document 1, the oxidation-reduction reaction that occurs on the catalyst layer when the cell voltage is in a predetermined range (for example, 0.6 to 0.9 V) is a cause of platinum aggregation / elution. When the load fluctuation of the fuel cell is detected, the cell voltage is detected, and when the cell voltage is within the predetermined range, it is supplied to the hydrogen gas or air electrode supplied to the fuel electrode. The humidity of the air to be reduced is reduced to suppress the redox reaction. As a technique for reducing the humidity, for example, the humidity is reduced by suppressing the humidification amount of hydrogen gas or air performed by a humidifier.

特開2007−179749号公報JP 2007-179749 A

しかしながら、触媒層の白金凝集・溶出の要因になり得る酸化還元反応は燃料電池の種々の運転状態で発生し、その運転状態に応じて、例えば酸化還元反応の抑制のために要求される湿度の低下幅や湿度低下の応答性等が相違し、必然的に湿度を低下させる最適な手法も異なる。
このため特許文献1の技術のように、セル電圧が所定範囲にあることを条件として湿度低下のために単一の手法(加湿器による加湿量の抑制等)を適用するだけでは、燃料電池の運転状態に合致した最適な湿度低下を実現できない。結果として、例えば湿度の低下幅が不足した場合には酸化還元反応を十分に抑制できなくなり、また、湿度低下の応答性が悪い場合には発生直後の酸化還元反応を迅速に抑制できなくなることから、白金凝集・溶出に起因する触媒層の劣化を確実に防止できるとは言い難かった。
However, oxidation-reduction reactions that can cause platinum aggregation and elution of the catalyst layer occur in various operating states of the fuel cell. Depending on the operating conditions, for example, the humidity required for suppressing the oxidation-reduction reaction may be reduced. The range of decrease and the response of the decrease in humidity are different, and the optimum method for reducing the humidity is inevitably different.
For this reason, just by applying a single method (such as suppression of the humidification amount by a humidifier) to reduce the humidity on the condition that the cell voltage is within a predetermined range as in the technique of Patent Document 1, the fuel cell It is impossible to achieve an optimal humidity drop that matches the operating conditions. As a result, for example, when the decrease in humidity is insufficient, the oxidation-reduction reaction cannot be sufficiently suppressed, and when the responsiveness of humidity decrease is poor, the oxidation-reduction reaction immediately after occurrence cannot be suppressed quickly. It was difficult to say that the deterioration of the catalyst layer due to platinum aggregation / elution could be reliably prevented.

本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、燃料電池の運転状態に合致した最適な手法により水素ガスや空気を湿度低下させて酸化還元反応を抑制でき、これにより触媒層の白金凝集・溶出に起因する劣化を確実に防止することができる燃料電池システムを提供することにある。   The present invention has been made to solve such problems, and the object of the present invention is to reduce the humidity of hydrogen gas and air by an optimal method that matches the operating state of the fuel cell, and to perform the oxidation-reduction reaction. An object of the present invention is to provide a fuel cell system that can be suppressed and that can reliably prevent deterioration due to platinum aggregation / elution of a catalyst layer.

上記の目的を達成するため、本発明の燃料電池システムは、触媒層を有する燃料極及び空気極を備え、前記燃料極に燃料ガスを供給すると共に前記空気極に空気を供給して発電する燃料電池において、前記燃料電池の出力電力に応じて変動する前記燃料電池の電圧を検出する電圧検出手段と、前記燃料電池の稼動状態に応じて変化する複数の電圧状態に対応して選択される複数の湿度低下手法から現在の前記燃料電池の電圧状態に対応する湿度低下手法を選択して湿度低下を実行する湿度低下手段とを備えたことを特徴とする。   In order to achieve the above object, a fuel cell system of the present invention includes a fuel electrode having a catalyst layer and an air electrode, and supplies fuel gas to the fuel electrode and supplies air to the air electrode to generate power. In the battery, a voltage detection means for detecting the voltage of the fuel cell that varies according to the output power of the fuel cell, and a plurality selected in accordance with a plurality of voltage states that vary according to the operating state of the fuel cell And a humidity reduction means for performing a humidity reduction by selecting a humidity reduction method corresponding to the current voltage state of the fuel cell.

このように構成した燃料電池システムによれば、燃料電池の稼動状態に応じて変化する複数の電圧状態に対応して選択される複数の湿度低下手法から現在の電圧状態に対応する湿度低下手法が選択され、その湿度低下手法の実行により湿度低下が達成される。電圧状態に応じて湿度低下のための最適な制御内容は相違するが、電圧状態に対応する湿度低下手法が選択されるため、電圧(ひいては燃料電池の運転状態)に合致した最適な制御内容により燃料ガスや空気の湿度が低下され、燃料極や空気極の触媒層上での酸化還元反応を抑制可能となる。   According to the fuel cell system configured as described above, there is a humidity reduction method corresponding to the current voltage state from a plurality of humidity reduction methods selected corresponding to a plurality of voltage states that change according to the operating state of the fuel cell. When selected, the humidity reduction is achieved by performing the humidity reduction technique. The optimal control content for humidity reduction differs depending on the voltage state, but the humidity reduction method corresponding to the voltage state is selected, so the optimal control content that matches the voltage (and hence the operating state of the fuel cell) The humidity of the fuel gas or air is lowered, and the oxidation-reduction reaction on the catalyst layer of the fuel electrode or air electrode can be suppressed.

その他の態様として、前記複数の電圧状態として、前記電圧が低下方向に変化する第1状態、前記電圧が所定値以上となる第2状態、前記電圧が増加方向に変化する第3状態の内、少なくも2つ以上の状態を有すると共に、該2つ以上の状態のそれぞれに対応した前記湿度低下手法が予め設定され、前記湿度低下手段が、前記複数の電圧状態の内何れかの状態が発生したときに湿度低下を要すると判定し、該発生した状態に対応する湿度低下手法を選択して実行することが好ましい。   As another aspect, among the plurality of voltage states, a first state in which the voltage changes in a decreasing direction, a second state in which the voltage becomes a predetermined value or more, and a third state in which the voltage changes in an increasing direction, The humidity reduction method corresponding to each of the two or more states is set in advance, and the humidity reduction means generates any one of the plurality of voltage states. It is preferable to determine that a decrease in humidity is necessary, and select and execute a humidity decrease method corresponding to the generated state.

この態様によれば、電圧が低下方向に変化する第1状態、電圧が所定値以上となる第2状態、電圧が増加方向に変化する第3状態の内、少なくとも2つ以上の状態に対応して湿度低下手法が予め設定され、これらの複数の電圧状態の内何れかの状態が発生したときに、湿度低下を要すると判定されて対応する湿度低下手法が選択・実行される。
その他の態様として、前記湿度低下手段が、前記電圧が低下方向に変化した場合には低下率が大であるほど、前記電圧が所定値以上の場合にはアイドル相当値に接近するほど、前記電圧が増加方向に変化した場合には増加率が大であるほど、それぞれ目標湿度をより低下側に設定し、該目標湿度に基づき前記湿度低下手法を実行することが好ましい。
According to this aspect, it corresponds to at least two states among the first state in which the voltage changes in the decreasing direction, the second state in which the voltage becomes a predetermined value or more, and the third state in which the voltage changes in the increasing direction. When a humidity reduction method is set in advance and any one of the plurality of voltage states occurs, it is determined that the humidity reduction is necessary, and the corresponding humidity reduction method is selected and executed.
As another aspect, the humidity reducing means increases the decrease rate when the voltage changes in the decreasing direction, and approaches the idle equivalent value when the voltage is equal to or greater than a predetermined value. It is preferable to set the target humidity to the lower side as the increase rate increases, and to execute the humidity reduction method based on the target humidity.

この態様によれば、電圧の低下率が大であるほど、電圧がアイドル運転相当値に接近するほど、電圧の増加率が大であるほど、それぞれ触媒層上での酸化還元反応に起因する白金凝集・溶出の可能性が高まるが、それに応じて目標湿度が低下側に設定されることから酸化還元反応をより確実に抑制可能となる。
その他の態様として、前記湿度低下手段が、湿度低下を要しない場合の通常制御時の湿度を前記目標湿度の上限とし、前記電圧が低下方向に変化した場合に前記目標湿度の下限を最も低くし、前記電圧が増加方向に変化した場合には前記目標湿度の下限を最も高くし、該上限と下限との間で目標湿度を設定することが好ましい。
According to this aspect, the larger the voltage decrease rate, the closer the voltage approaches the idle operation equivalent value, and the greater the voltage increase rate, the platinum caused by the oxidation-reduction reaction on the catalyst layer. Although the possibility of aggregation / elution increases, the target humidity is set on the lower side accordingly, so that the oxidation-reduction reaction can be more reliably suppressed.
As another aspect, the humidity lowering means sets the humidity during normal control when humidity reduction is not required as the upper limit of the target humidity, and lowers the lower limit of the target humidity when the voltage changes in the decreasing direction. When the voltage changes in the increasing direction, it is preferable that the lower limit of the target humidity is made highest and the target humidity is set between the upper limit and the lower limit.

この態様によれば、触媒層上での酸化還元反応に起因する白金凝集・溶出の可能性は、電圧が低下方向に変化した場合が最も高いことから湿度低下の必要性も最も高くなるが、それに応じて目標湿度の下限が最も低くされることから、十分な湿度低下により触媒層上での酸化還元反応がより確実に抑制される。また、白金凝集・溶出の可能性は、電圧が増加方向に変化した場合が最も低いことから湿度低下の必要性も最も低くなるが、それに応じて目標湿度の下限が最も高くされることから、過剰な湿度低下による燃料電池の効率低下が未然に防止される。   According to this aspect, the possibility of platinum aggregation / elution due to the oxidation-reduction reaction on the catalyst layer is the highest when the voltage is changed in the decreasing direction, so the necessity for lowering the humidity is the highest, Accordingly, the lower limit of the target humidity is made the lowest, so that the oxidation-reduction reaction on the catalyst layer is more reliably suppressed by sufficiently reducing the humidity. In addition, the possibility of platinum aggregation / elution is the lowest when the voltage changes in the increasing direction, so the necessity for lowering the humidity is also the lowest, but the lower limit of the target humidity is correspondingly increased accordingly. A reduction in the efficiency of the fuel cell due to a significant decrease in humidity is prevented.

その他の態様として、前記複数の湿度低下手法が、湿度低下を目的としたセル温度の上昇制御、無加湿ガスの比率増加制御、セル圧力の低下制御、ガス流量の増加制御の内の互いに異なる何れかの制御内容が設定されていることが好ましい。
この態様によれば、複数の湿度低下手法として互いに異なる制御内容が設定され、現在の電圧に対応する湿度低下手法の制御内容により湿度低下がなされる。
As another aspect, the plurality of humidity reduction methods may be different from each other among cell temperature increase control, non-humidified gas ratio increase control, cell pressure decrease control, and gas flow rate increase control for the purpose of reducing humidity. It is preferable that such control content is set.
According to this aspect, different control contents are set as the plurality of humidity reduction techniques, and the humidity is reduced by the control contents of the humidity reduction technique corresponding to the current voltage.

その他の態様として、前記複数の湿度低下手法が、湿度低下を目的としたセル温度の上昇制御、無加湿ガスの比率増加制御、セル圧力の低下制御、ガス流量の増加制御の内の同一の制御内容が設定されると共に、該設定された制御内容に適用する制御量を異にすることが好ましい。
この態様によれば、複数の湿度低下手法として同一の制御内容が設定されると共に、制御内容に適用する制御量が異にされ、現在の電圧に対応する制御量により湿度低下手法の制御内容が実行されて湿度低下がなされる。
As another aspect, the plurality of humidity reduction methods may include the same control among cell temperature increase control, non-humidified gas ratio increase control, cell pressure decrease control, and gas flow rate increase control for the purpose of reducing humidity. It is preferable that the content is set and the control amount applied to the set control content is different.
According to this aspect, the same control content is set as a plurality of humidity reduction methods, the control amount applied to the control content is different, and the control content of the humidity reduction method is controlled by the control amount corresponding to the current voltage. When executed, the humidity is lowered.

本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池の運転状態に合致した最適な手法により水素ガスや空気を湿度低下させて酸化還元反応を抑制でき、これにより触媒層の白金凝集・溶出に起因する劣化を確実に防止することができる。   According to the fuel cell system of the present invention, it is possible to suppress the oxidation-reduction reaction by reducing the humidity of hydrogen gas or air by an optimal method that matches the operating state of the fuel cell, thereby causing platinum aggregation / elution of the catalyst layer. Deterioration can be reliably prevented.

実施形態の燃料電池システムを搭載した電動車両を示す全体構成図である。It is a whole lineblock diagram showing an electric vehicle carrying a fuel cell system of an embodiment. 実施形態の燃料電池システムを示す構成図である。It is a block diagram which shows the fuel cell system of embodiment. 燃料電池の運転状態がアイドル運転と発電運転との間で変化した状況を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the condition where the driving | running state of the fuel cell changed between the idle driving | operation and the electric power generation driving | operation. FC-ECUが実行する湿度低下ルーチンを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the humidity fall routine which FC-ECU performs.

以下、本発明を電動車両に搭載される燃料電池システムに具体化した一実施形態を説明する。
図1は本実施形態の燃料電池システムを搭載した電動車両を示す全体構成図である。
本実施形態の電動車両1は、モータ2を走行用動力源とすると共に、その電源として2次電池3及び燃料電池システム4を備えたハイブリッド燃料電池車両である。周知のように2次電池3は、化学反応により直流電力を充放電可能な電池であり、燃料電池システム4は、後述する燃料電池10での水素ガスを用いた電気化学反応により発電するシステムである。基本的にモータ2は2次電池3からの電力により駆動され、燃料電池システム4は主に2次電池3を充電するレンジエクステンダの機能を果たすと共に、その出力電力が補助的にモータ2の駆動にも利用される。
Hereinafter, an embodiment in which the present invention is embodied in a fuel cell system mounted on an electric vehicle will be described.
FIG. 1 is an overall configuration diagram showing an electric vehicle equipped with the fuel cell system of the present embodiment.
The electric vehicle 1 according to the present embodiment is a hybrid fuel cell vehicle including a motor 2 as a driving power source and a secondary battery 3 and a fuel cell system 4 as power sources. As is well known, the secondary battery 3 is a battery capable of charging and discharging DC power by a chemical reaction, and the fuel cell system 4 is a system that generates power by an electrochemical reaction using hydrogen gas in a fuel cell 10 to be described later. is there. Basically, the motor 2 is driven by the power from the secondary battery 3, and the fuel cell system 4 mainly functions as a range extender for charging the secondary battery 3, and its output power is used to drive the motor 2 as an auxiliary. Also used for.

モータ2にはインバータ5を介して2次電池3が接続され、インバータ5は直流・交流間の変換機能を奏する。即ち、モータ2の力行制御時には、2次電池3や燃料電池システム4からの直流電力がインバータ5により三相交流電力に変換されてモータ2を駆動し、モータ2の回生制御時には、モータ2からの三相交流電力がインバータ5により直流電力に変換されて2次電池3に充電される。   A secondary battery 3 is connected to the motor 2 via an inverter 5, and the inverter 5 performs a DC / AC conversion function. That is, during power running control of the motor 2, DC power from the secondary battery 3 and the fuel cell system 4 is converted into three-phase AC power by the inverter 5 to drive the motor 2, and during regenerative control of the motor 2, The three-phase AC power is converted to DC power by the inverter 5 and charged to the secondary battery 3.

2次電池3には、ダイオード6を介して外部電源を利用した充電用のAC-DCコンバータ7が接続されている。AC-DCコンバータ7の電源プラグ8を外部電源に接続すると、外部電源からの交流電力がAC-DCコンバータ7により直流電力に変換されて2次電池3に充電され、その際に2次電池3側からAC-DCコンバータ7への電流の逆流がダイオード6により阻止される。   An AC-DC converter 7 for charging using an external power source is connected to the secondary battery 3 via a diode 6. When the power plug 8 of the AC-DC converter 7 is connected to an external power source, AC power from the external power source is converted into DC power by the AC-DC converter 7 and charged to the secondary battery 3. A reverse current flow from the side to the AC-DC converter 7 is blocked by the diode 6.

一方、2次電池3及びインバータ5には燃料電池システム4が接続されており、その構成を図2に示す。
燃料電池システム4は、燃料電池10、水素タンク11、エアブロアー12、加湿装置13、DC-DCコンバータ14等から構成される。本実施形態の燃料電池10は固体高分子型燃料電池であり、所期の電圧が得られるように多数の単セルを積層して直列接続してなる。それぞれの単セルは、固体高分子膜10a(電解質)の両側に触媒として白金(Pt)を担持した燃料極(負極)10b及び空気極(正極)10cを貼り合わせてMEA(Membrane Electrode Assembly:膜/電極接合体)を構成し、そのMEAを多孔質のガス拡散層及びガス流路を有するセパレータにより挟持してなる。このような構成は典型的な燃料電池10の構成に倣うため、図2では図示を省略する。
On the other hand, a fuel cell system 4 is connected to the secondary battery 3 and the inverter 5, and its configuration is shown in FIG. 2.
The fuel cell system 4 includes a fuel cell 10, a hydrogen tank 11, an air blower 12, a humidifier 13, a DC-DC converter 14, and the like. The fuel cell 10 of this embodiment is a polymer electrolyte fuel cell, and is formed by stacking a large number of single cells and connecting them in series so that a desired voltage can be obtained. In each single cell, a fuel electrode (negative electrode) 10b and an air electrode (positive electrode) 10c carrying platinum (Pt) as a catalyst are bonded to both sides of a solid polymer membrane 10a (electrolyte), and a MEA (Membrane Electrode Assembly: membrane). / Electrode assembly), and the MEA is sandwiched by a separator having a porous gas diffusion layer and a gas flow path. Since such a configuration follows the configuration of a typical fuel cell 10, the illustration thereof is omitted in FIG.

燃料電池10の燃料極10bの上流側には燃料ガスである水素ガスを供給する水素供給ライン15が接続され、水素供給ライン15の上流側は高圧の水素ガスを貯蔵する水素タンク11に接続されている。水素タンク11の吐出口近傍には水素ガスを供給・停止するための元弁17が設けられ、元弁17の下流側で水素供給ライン15は加湿水素ライン15aと無加湿水素ライン15bとに分岐されている。加湿水素ライン15a上には流量調整弁18及び加湿装置13が設けられ、加湿水素ライン15aを流通する水素ガスが加湿装置13により加湿されて加湿水素ガスが生成されるようになっている。   A hydrogen supply line 15 that supplies hydrogen gas as a fuel gas is connected to the upstream side of the fuel electrode 10b of the fuel cell 10, and an upstream side of the hydrogen supply line 15 is connected to a hydrogen tank 11 that stores high-pressure hydrogen gas. ing. A main valve 17 for supplying and stopping hydrogen gas is provided in the vicinity of the discharge port of the hydrogen tank 11, and the hydrogen supply line 15 is branched into a humidified hydrogen line 15a and a non-humidified hydrogen line 15b on the downstream side of the main valve 17. Has been. A flow control valve 18 and a humidifier 13 are provided on the humidified hydrogen line 15a, and the hydrogen gas flowing through the humidified hydrogen line 15a is humidified by the humidifier 13 to generate humidified hydrogen gas.

無加湿水素ライン15b上には流量調整弁20が設けられ、この無加湿水素ライン15bは加湿装置13を迂回することで水素タンク11から吐出されたままの低湿度の水素ガスが無加湿水素ガスとして流通している。加湿水素ライン15aと無加湿水素ライン15bとは下流側で互いに合流して燃料電池10の燃料極10bに接続されている。このため、それぞれの流量調整弁18,20の開度に対応して加湿水素ライン15a及び無加湿水素ライン15bのガス流通量が変化し、それに応じて燃料極10bに供給される水素ガスの湿度を加湿水素ガスと無加湿水素ガスとの間で任意に調整可能となっている。   A flow rate adjusting valve 20 is provided on the non-humidified hydrogen line 15b, and the non-humidified hydrogen line 15b bypasses the humidifier 13 so that the low-humidity hydrogen gas discharged from the hydrogen tank 11 is unhumidified hydrogen gas. It is distributed as. The humidified hydrogen line 15a and the non-humidified hydrogen line 15b join together on the downstream side and are connected to the fuel electrode 10b of the fuel cell 10. For this reason, the gas flow rate of the humidified hydrogen line 15a and the non-humidified hydrogen line 15b changes corresponding to the opening degree of the respective flow control valves 18, 20, and the humidity of the hydrogen gas supplied to the fuel electrode 10b accordingly. Can be arbitrarily adjusted between humidified hydrogen gas and non-humidified hydrogen gas.

燃料電池10の燃料極10bには水素戻しライン21の一端が接続され、水素戻しライン21の他端は水素供給ライン15の元弁17の下流側に接続されている。水素戻しライン21上には背圧弁22及びポンプ23が設けられ、背圧弁22の開閉に応じて燃料極10bから水素ガスが適宜排出されることで燃料極10bが所期の圧力に保たれると共に、背圧弁22から排出された水素ガスがポンプ23により水素戻しライン21を経て水素供給ライン15側に戻されるようになっている。   One end of a hydrogen return line 21 is connected to the fuel electrode 10 b of the fuel cell 10, and the other end of the hydrogen return line 21 is connected to the downstream side of the main valve 17 of the hydrogen supply line 15. A back pressure valve 22 and a pump 23 are provided on the hydrogen return line 21, and hydrogen gas is appropriately discharged from the fuel electrode 10 b according to the opening and closing of the back pressure valve 22, so that the fuel electrode 10 b is maintained at a desired pressure. At the same time, the hydrogen gas discharged from the back pressure valve 22 is returned to the hydrogen supply line 15 side by the pump 23 via the hydrogen return line 21.

一方、燃料電池10の空気極10cの上流側には空気を供給する空気供給ライン25が接続され、空気供給ライン25の上流側は大気を圧縮・供給するエアブロアー12に接続されている。エアブロアー12の吐出口近傍には空気を供給・停止するための元弁27が設けられ、元弁27の下流側で空気供給ライン25は加湿空気ライン25aと無加湿空気ライン25bとに分岐されている。加湿空気ライン25a上には流量調整弁28及び上記した加湿装置13が設けられ、加湿空気ライン25aを流通する空気が加湿装置13により加湿されて加湿空気が生成されるようになっている。   On the other hand, an air supply line 25 that supplies air is connected to the upstream side of the air electrode 10c of the fuel cell 10, and an upstream side of the air supply line 25 is connected to an air blower 12 that compresses and supplies the atmosphere. A main valve 27 for supplying and stopping air is provided in the vicinity of the discharge port of the air blower 12, and the air supply line 25 is branched into a humidified air line 25a and a non-humidified air line 25b on the downstream side of the main valve 27. ing. On the humidified air line 25a, the flow rate adjusting valve 28 and the humidifier 13 are provided, and the air flowing through the humidified air line 25a is humidified by the humidifier 13 to generate humidified air.

無加湿空気ライン25b上には流量調整弁29が設けられ、この無加湿空気ライン25bは加湿装置13を迂回することでエアブロアー12から吐出されたままの低湿度の空気が無加湿空気として流通している。加湿空気ライン25aと無加湿空気ライン25bとは下流側で互いに合流して燃料電池10の空気極10cに接続されている。このため、それぞれの流量調整弁28,29の開度に対応して加湿空気ライン25a及び無加湿空気ライン25bでの空気の流量が変化し、それに応じて空気極10cに供給される空気の湿度を加湿空気と無加湿空気との間で任意に調整可能となっている。   A flow control valve 29 is provided on the non-humidified air line 25b, and the non-humidified air line 25b bypasses the humidifier 13 so that low-humidity air discharged from the air blower 12 flows as non-humidified air. doing. The humidified air line 25a and the non-humidified air line 25b join together on the downstream side and are connected to the air electrode 10c of the fuel cell 10. For this reason, the flow rate of the air in the humidified air line 25a and the non-humidified air line 25b changes corresponding to the opening degree of each flow rate adjusting valve 28, 29, and the humidity of the air supplied to the air electrode 10c accordingly. Can be arbitrarily adjusted between humidified air and non-humidified air.

燃料電池10の燃料極10bには空気戻しライン30の一端が接続され、空気戻しライン30の他端はエアブロアー12の吸込口に接続されている。空気戻しライン30上には背圧弁31が設けられ、背圧弁31の開閉に応じて空気極10cから空気が適宜排出されることで空気極10cが所期の圧力に保たれると共に、背圧弁31から排出された空気が空気戻しライン30を経てエアブロアー12側に戻されるようになっている。   One end of an air return line 30 is connected to the fuel electrode 10 b of the fuel cell 10, and the other end of the air return line 30 is connected to a suction port of the air blower 12. A back pressure valve 31 is provided on the air return line 30, and air is appropriately discharged from the air electrode 10 c according to opening and closing of the back pressure valve 31, whereby the air electrode 10 c is maintained at a desired pressure, and the back pressure valve The air discharged from 31 is returned to the air blower 12 side through the air return line 30.

なお、燃料極10bで発電に利用されなかった残留水素ガスは外部に排出または水素供給ライン15側に回収され、同じく空気極10cで発電に利用されなかった空気は外部に排出されるが、その構成は本発明の要旨とは関係ないため説明及び図示を省略する。
一方、燃料電池10は一対の冷却ライン32,33を介してラジエータ34と接続され、一方の冷却ライン32にはウォータポンプ35が介装されている。結果として燃料電池10、一方の冷却ライン32、ラジエータ34、他方の冷却ライン33からなる環状の冷却回路36が形成され、内部に充填された冷却水がウォータポンプ35の駆動により循環する。
Residual hydrogen gas that was not used for power generation at the fuel electrode 10b is discharged to the outside or collected on the hydrogen supply line 15 side, and air that is not used for power generation at the air electrode 10c is also discharged to the outside. Since the configuration is not related to the gist of the present invention, explanation and illustration are omitted.
On the other hand, the fuel cell 10 is connected to a radiator 34 through a pair of cooling lines 32 and 33, and a water pump 35 is interposed in the one cooling line 32. As a result, an annular cooling circuit 36 composed of the fuel cell 10, one cooling line 32, the radiator 34, and the other cooling line 33 is formed, and the cooling water filled therein is circulated by driving the water pump 35.

燃料電池10の出力端子にはDC-DCコンバータ14が接続され、DC-DCコンバータ14はダイオード37を介して2次電池3及びインバータ5に接続されている。これにより燃料電池10の出力電力が2次電池3の充電やモータ2の駆動に利用されると共に、その際に2次電池3やモータ2から燃料電池10への電流の逆流がダイオード37により阻止される。   A DC-DC converter 14 is connected to the output terminal of the fuel cell 10, and the DC-DC converter 14 is connected to the secondary battery 3 and the inverter 5 via a diode 37. As a result, the output power of the fuel cell 10 is used for charging the secondary battery 3 and driving the motor 2, and at this time, a reverse flow of current from the secondary battery 3 or the motor 2 to the fuel cell 10 is blocked by the diode 37. Is done.

以上のように構成された燃料電池10の運転中には、水素供給ライン15を経て燃料極10bに供給された水素が触媒作用により水素イオンと電子に分解され、水素イオンは固体高分子膜10aを透過して空気極10cに到達する。固体高分子膜10aを透過不能な電子は図示しない外部回路を経て空気極10cに到達し、これにより燃料極10bをマイナス、空気極10cをプラスとして直流電圧が発生する。空気極10cでは、空気供給ライン25を経て供給された空気、固体高分子膜10aを透過した水素イオン、及び外部回路を経てきた電子が反応して水が生成される。   During operation of the fuel cell 10 configured as described above, the hydrogen supplied to the fuel electrode 10b through the hydrogen supply line 15 is decomposed into hydrogen ions and electrons by the catalytic action, and the hydrogen ions are solid polymer membrane 10a. And reaches the air electrode 10c. Electrons that cannot pass through the solid polymer film 10a reach the air electrode 10c through an external circuit (not shown), and thereby a DC voltage is generated with the fuel electrode 10b minus and the air electrode 10c plus. In the air electrode 10c, water is generated by the reaction of air supplied through the air supply line 25, hydrogen ions that have passed through the solid polymer film 10a, and electrons that have passed through the external circuit.

このような燃料電池10の運転のために、FC-ECU40により燃料電池システム4を構成する各機器が制御される。FC-ECU40の入力側には、燃料電池10を構成する単セルの電圧(セル電圧)を検出する電圧センサ41(セル電圧検出手段)、燃料極10bの水素ガスの湿度Hhを検出する水素湿度センサ42、空気極10cの空気の湿度Hoを検出する空気湿度センサ43が接続されると共に、図示はしないが、燃料極10b及び空気極10cの圧力(以下、セル圧力という)を検出する圧力センサ、燃料極10b及び空気極10cの温度(以下、セル温度という)を検出する温度センサ等の各種センサ類が接続されている。   For such operation of the fuel cell 10, the FC-ECU 40 controls each device constituting the fuel cell system 4. On the input side of the FC-ECU 40, a voltage sensor 41 (cell voltage detecting means) for detecting the voltage (cell voltage) of a single cell constituting the fuel cell 10, and a hydrogen humidity for detecting the humidity Hh of the hydrogen gas at the fuel electrode 10b. A sensor 42 and an air humidity sensor 43 for detecting the air humidity Ho of the air electrode 10c are connected, and although not shown, a pressure sensor for detecting the pressure of the fuel electrode 10b and the air electrode 10c (hereinafter referred to as cell pressure). Various sensors such as a temperature sensor for detecting the temperature of the fuel electrode 10b and the air electrode 10c (hereinafter referred to as cell temperature) are connected.

またFC-ECU40の出力側には、水素供給ライン15及び空気供給ライン25の各元弁17,27及び各流量調整弁18,20,28,29、エアブロアー12、加湿装置13、水素戻しライン21の背圧弁22及びポンプ23、空気戻しライン30の背圧弁31、及びDC-DCコンバータ14等のデバイス類が接続されている。
例えばFC-ECU40は、水素タンク11及びエアブロアー12の元弁17,27を共に所定の開度で開弁し、水素タンク11から吐出される水素ガスを水素供給ライン15を経て燃料極10bに供給すると共に、エアブロアー12から吐出される空気を空気供給ライン25を経て空気極10cに供給する。
Further, on the output side of the FC-ECU 40, the main valves 17, 27 and the flow rate adjusting valves 18, 20, 28, 29 of the hydrogen supply line 15 and the air supply line 25, the air blower 12, the humidifier 13, the hydrogen return line. The back pressure valve 22 and the pump 23, the back pressure valve 31 of the air return line 30, and the devices such as the DC-DC converter 14 are connected.
For example, the FC-ECU 40 opens both the hydrogen tank 11 and the main valves 17 and 27 of the air blower 12 at a predetermined opening, and the hydrogen gas discharged from the hydrogen tank 11 passes through the hydrogen supply line 15 to the fuel electrode 10b. While supplying, the air discharged from the air blower 12 is supplied to the air electrode 10c through the air supply line 25.

また、燃料極10bに供給される水素ガス及び空気極10cに供給される空気を所期の湿度に調整するために、FC-ECU40は以下の制御を実行する。まず、加湿装置13の制御により加湿水素ライン15aを流通する加湿水素ガスの湿度を調整し、同様に、加湿装置13の制御により加湿空気ライン25aを流通する加湿空気ガスの湿度を調整する。そして、加湿水素ライン15a及び無加湿水素ライン15bの流量調整弁18,20を開度制御して、加湿水素ガスと無加湿水素ガスとを所定比率で混合することによって燃料極10bに供給される水素ガスを所期の湿度に調整する。同様に、加湿空気ライン25a及び無加湿空気ライン25bの流量調整弁28,29を開度制御して、加湿空気と無加湿空気とを所定比率で混合することによって空気極10cに供給される空気を所期の湿度に調整する。   Further, the FC-ECU 40 executes the following control in order to adjust the hydrogen gas supplied to the fuel electrode 10b and the air supplied to the air electrode 10c to a desired humidity. First, the humidity of the humidified hydrogen gas flowing through the humidified hydrogen line 15a is adjusted by the control of the humidifier 13, and similarly, the humidity of the humidified air gas flowing through the humidified air line 25a is adjusted by the control of the humidifier 13. Then, the flow rate adjusting valves 18 and 20 of the humidified hydrogen line 15a and the non-humidified hydrogen line 15b are controlled to open, and the humidified hydrogen gas and the non-humidified hydrogen gas are mixed at a predetermined ratio to be supplied to the fuel electrode 10b. Adjust the hydrogen gas to the desired humidity. Similarly, the air supplied to the air electrode 10c by mixing the humidified air and the non-humidified air at a predetermined ratio by controlling the opening degree of the flow rate adjusting valves 28 and 29 of the humidified air line 25a and the non-humidified air line 25b. Adjust to the desired humidity.

またFC-ECU40は、背圧弁22,31の開度制御により燃料極10bの水素ガス及び空気極10cの空気を適宜排出し、これにより燃料電池10を所期のセル圧力に保つと共に、水素についてはポンプ23を駆動して水素戻しライン21を経て水素供給ライン15側に戻し、空気については空気極10cと大気圧との圧力差を利用して空気戻しライン30経てエアブロアー12側に戻す。   Further, the FC-ECU 40 appropriately discharges the hydrogen gas of the fuel electrode 10b and the air of the air electrode 10c by controlling the opening of the back pressure valves 22 and 31, thereby maintaining the fuel cell 10 at an intended cell pressure and the hydrogen. Drives the pump 23 and returns it to the hydrogen supply line 15 side through the hydrogen return line 21, and returns the air to the air blower 12 side through the air return line 30 using the pressure difference between the air electrode 10 c and atmospheric pressure.

またFC-ECU40は、ウォータポンプ35を駆動して冷却回路36内で冷却水を循環させ、燃料電池10で発生した熱をラジエータ34から大気中に放出することにより燃料電池10を所期のセル温度に保つ。
一方、インバータ5にはモータECU45が接続され、このモータECU45によりモータ2の駆動制御等が実行される。例えばモータECU45はインバータ5を駆動制御し、2次電池3や燃料電池10から供給される出力電力によりモータ2を駆動する一方、モータ2による回生電力を2次電池3に充電する。
Further, the FC-ECU 40 drives the water pump 35 to circulate the cooling water in the cooling circuit 36 and releases the heat generated in the fuel cell 10 from the radiator 34 to the atmosphere. Keep at temperature.
On the other hand, a motor ECU 45 is connected to the inverter 5, and drive control and the like of the motor 2 are executed by the motor ECU 45. For example, the motor ECU 45 drives and controls the inverter 5 to drive the motor 2 with output power supplied from the secondary battery 3 or the fuel cell 10, while charging the secondary battery 3 with regenerative power from the motor 2.

また、AC-DCコンバータ7にはバッテリECU49が接続され、外部電源への電源プラグ8の接続時には、このバッテリECU49によりAC-DCコンバータ7が制御されて2次電池3が充電される。
以上のFC-ECU40、モータECU45及びバッテリECU49は、上位ユニットに相当する車両ECU46に接続されており、各ECU40,45,46,49は、それぞれ入出力装置、記憶装置(ROM、RAM、不揮発性RAM等)、中央演算処理装置(CPU)等から構成されている。
The battery ECU 49 is connected to the AC-DC converter 7. When the power plug 8 is connected to an external power source, the battery ECU 49 controls the AC-DC converter 7 to charge the secondary battery 3.
The FC-ECU 40, the motor ECU 45, and the battery ECU 49 described above are connected to a vehicle ECU 46 corresponding to a host unit. Each ECU 40, 45, 46, 49 is an input / output device and a storage device (ROM, RAM, nonvolatile). RAM), a central processing unit (CPU), and the like.

車両ECU46は、電動車両1の総合的な制御を行うための制御ユニットであり、この車両ECU46からの指令を受けた下位の各ECU40,45,49により、上記のような燃料電池システム4の運転制御、モータ2の駆動制御や2次電池3の充電制御等が実行される。
そのために車両ECU46には、アクセルセンサ47からのアクセル開度等の各種検出情報が入力されると共に、バッテリECU49を介してバッテリモニタリングユニット48から2次電池3のSOC(充電率:State Of Charge)や温度TBAT等が入力され、FC-ECU40を介して燃料電池システム4の運転状態が入力され、モータECU45を介してモータ2の運転状態が入力される。
The vehicle ECU 46 is a control unit for performing overall control of the electric vehicle 1, and the operation of the fuel cell system 4 as described above is performed by each of the lower ECUs 40, 45, 49 that have received a command from the vehicle ECU 46. Control, drive control of the motor 2, charge control of the secondary battery 3, etc. are executed.
Therefore, various detection information such as the accelerator opening degree from the accelerator sensor 47 is input to the vehicle ECU 46, and the SOC (charge rate: State Of Charge) of the secondary battery 3 from the battery monitoring unit 48 via the battery ECU 49. And the temperature TBAT are input, the operating state of the fuel cell system 4 is input via the FC-ECU 40, and the operating state of the motor 2 is input via the motor ECU 45.

そして車両ECU46は、アクセルセンサ47により検出されたアクセル開度等に基づき電動車両1の走行に必要な要求出力を算出し、その要求出力を達成するようにモータECU45に指令信号を出力する。この指令信号に基づき、モータECU45によりモータ2が駆動されて要求トルクが達成される。
また車両ECU46は、2次電池3のSOCや車両走行のための要求出力に基づき燃料電池システム4の出力電力を算出し、その出力電力を達成するようにFC-ECU40に指令信号を出力する。例えば、2次電池3のSOCが所定値未満まで低下して充電を要する場合、或いは2次電池3からの電力供給のみではモータ2が要求出力を達成不能と判定した場合、車両ECU46は燃料電池10の出力電力を増加側に設定する。
Then, the vehicle ECU 46 calculates a required output necessary for traveling of the electric vehicle 1 based on the accelerator opening detected by the accelerator sensor 47 and outputs a command signal to the motor ECU 45 so as to achieve the required output. Based on this command signal, the motor 2 is driven by the motor ECU 45 to achieve the required torque.
Further, the vehicle ECU 46 calculates the output power of the fuel cell system 4 based on the SOC of the secondary battery 3 and the required output for vehicle travel, and outputs a command signal to the FC-ECU 40 so as to achieve the output power. For example, when the SOC of the secondary battery 3 decreases to less than a predetermined value and charging is required, or when it is determined that the motor 2 cannot achieve the required output only by supplying power from the secondary battery 3, the vehicle ECU 46 sets the fuel cell The output power of 10 is set on the increasing side.

FC-ECU40側では、出力電力の達成のために燃料極10bに供給すべき水素ガス量及び空気極10cに供給すべき空気量を算出し、各元弁17,27及び各流量調整弁18,20,28,29の開度制御により水素ガス及び空気の供給量を調整して、要求された出力電力を達成する。例えば上記のように出力電力が増加側に制御された場合には、水素ガス量及び空気量が増加側に調整されて出力電力が増加され、その増加分が2次電池3の充電やモータ2の駆動に利用される。無論、このような燃料電池10の出力電力の制御に対応して、水素ガスや空気の湿度、セル圧力やセル温度等に関しても最適制御する。   On the FC-ECU 40 side, the amount of hydrogen gas to be supplied to the fuel electrode 10b and the amount of air to be supplied to the air electrode 10c to calculate the output power are calculated, and the main valves 17, 27 and the flow rate adjusting valves 18, The supply of hydrogen gas and air is adjusted by opening control of 20, 28, and 29 to achieve the required output power. For example, when the output power is controlled to the increase side as described above, the hydrogen gas amount and the air amount are adjusted to the increase side to increase the output power, and the increase is charged to the secondary battery 3 or the motor 2. It is used for driving. Of course, in response to the control of the output power of the fuel cell 10 as described above, optimal control is performed with respect to the humidity of the hydrogen gas and air, the cell pressure, the cell temperature, and the like.

以上のようなFC-ECU40による出力電力の制御により、例えば図3のタイムチャートに示すように、燃料電池10の運転状態はアイドル運転と発電運転との間で変化する。アイドル運転時の燃料電池10は、自己の運転に要する電力(エアブロアー12やウォータポンプ35等の消費電力)相当だけを発電しており、このときのセル電圧Vは相対的に高電圧域(0.9〜1.0V)に保たれている。そして、このアイドル運転から出力電力が増加して発電運転に移行すると、燃料電池10の内部抵抗に起因してセル電圧Vは低下して低電圧域(0.5〜0.8V)に切り換えられる。   By controlling the output power by the FC-ECU 40 as described above, for example, as shown in the time chart of FIG. 3, the operating state of the fuel cell 10 changes between the idle operation and the power generation operation. During idle operation, the fuel cell 10 generates only the power required for its own operation (power consumption of the air blower 12, water pump 35, etc.), and the cell voltage V at this time is relatively high ( 0.9-1.0V). When the output power increases from the idle operation to the power generation operation, the cell voltage V decreases due to the internal resistance of the fuel cell 10 and is switched to the low voltage range (0.5 to 0.8 V).

ところで、[発明が解決しようとする課題]で述べたように、触媒層の白金凝集・溶出の要因になり得る酸化還元反応を抑制するために、単一の湿度低下の手法を適用する特許文献1の技術では、燃料電池10の運転状態に合致した最適な湿度低下を実現できずに触媒層の劣化を確実に防止できないという問題がある。
このような点を鑑みて本発明者は、燃料電池10の運転状態毎に予め湿度低下の達成に最適な手法(以下、湿度低下手法という)をそれぞれ設定し、現在の燃料電池10の運転状態に対応する湿度低下手法を選択して湿度低下する対策を見出した。以下、この知見の下に実施される触媒層の劣化防止について説明する。
By the way, as described in [Problems to be Solved by the Invention], a patent document that applies a single method of lowering humidity in order to suppress the oxidation-reduction reaction that may cause the aggregation and elution of platinum in the catalyst layer. In the first technique, there is a problem in that it is impossible to reliably prevent the deterioration of the catalyst layer without realizing an optimum humidity drop that matches the operation state of the fuel cell 10.
In view of such a point, the present inventor previously sets an optimum method (hereinafter referred to as a “humidity reduction method”) for achieving a decrease in humidity for each operation state of the fuel cell 10, and the current operation state of the fuel cell 10. We found a countermeasure to reduce the humidity by selecting the method of reducing the humidity corresponding to the above. Hereinafter, the deterioration prevention of the catalyst layer carried out under this knowledge will be described.

まず、湿度低下を目的として利用可能な制御内容として、本実施形態では以下の4種に着目した。但し、これらの制御内容に限るものではなく、任意に追加或いは削除してもよい。
燃料電池10を冷却する冷却回路36のウォータポンプ35の回転速度を低下または停止させ、冷却水の流量を低下または流量0とする。これにより燃料電池10のセル温度が上昇して、燃料極10bの水素ガスや空気極10cの空気の湿度が低下する(本発明のセル温度の上昇制御であり、以下、制御内容1という)。
First, in the present embodiment, attention is paid to the following four types of control contents that can be used for the purpose of reducing the humidity. However, it is not limited to these control contents, and may be arbitrarily added or deleted.
The rotational speed of the water pump 35 of the cooling circuit 36 that cools the fuel cell 10 is reduced or stopped, and the flow rate of the cooling water is reduced or the flow rate is zero. As a result, the cell temperature of the fuel cell 10 rises, and the humidity of the hydrogen gas of the fuel electrode 10b and the air of the air electrode 10c decreases (this is cell temperature increase control according to the present invention, hereinafter referred to as control content 1).

また、燃料極10bに供給される水素ガスや空気極10cに供給される空気の湿度を低下させる。湿度低下の対象は水素ガスでもよいし、空気でもよいし、水素ガス及び空気の双方でもよい。具体的には、加湿装置13による水素ガスや空気の加湿を抑制するか、或いは流量調整弁18,20,28,29の開度制御により、加湿水素ガスに対する無加湿水素ガスの混合比率、加湿空気に対する無加湿空気の混合比率を増加させる(本発明の無加湿ガスの比率増加制御であり、以下、制御内容2という)。   Moreover, the humidity of the hydrogen gas supplied to the fuel electrode 10b or the air supplied to the air electrode 10c is reduced. The target of humidity reduction may be hydrogen gas, air, or both hydrogen gas and air. Specifically, the humidification of the hydrogen gas or air by the humidifier 13 or the opening control of the flow rate adjusting valves 18, 20, 28, 29 is performed to control the mixing ratio of the non-humidified hydrogen gas to the humidified hydrogen gas. The mixing ratio of non-humidified air to air is increased (the control for increasing the ratio of non-humidified gas of the present invention, hereinafter referred to as control content 2).

また、背圧弁22,31を開側に制御して燃料電池10のセル圧力を低下させる。圧力低下に伴い燃料極10bの水素ガスや空気極10cの空気の湿度が低下する(本発明のセル圧力の低下制御であり、以下、制御内容3という)。圧力低下の対象は燃料極10bでもよいし、空気極10cでもよいし、燃料極10b及び空気極10cの双方でもよい。
また、水素ガスに関しては、元弁17の開度を増加させて燃料極10bへの水素ガスの供給量を増加させる。空気に関しては、エアブロアー12の回転速度を増加させて空気極10cへの空気の供給量を増加させる。これらの処理は何れか一方でもよいし、双方の処理を実行してもよい。多量のガス流入により燃料極10bの水素ガスや空気極10cの空気が乾燥し、結果として湿度が低下する。なお、この現象を生起させるには、流入する水素ガスや空気がある程度低湿度である必要がある(本発明のガス流量の増加制御であり、以下、制御内容4という)。
Further, the back pressure valves 22 and 31 are controlled to the open side to reduce the cell pressure of the fuel cell 10. The humidity of the hydrogen gas of the fuel electrode 10b and the air of the air electrode 10c is reduced with the pressure drop (the cell pressure reduction control of the present invention, hereinafter referred to as control content 3). The target of the pressure drop may be the fuel electrode 10b, the air electrode 10c, or both the fuel electrode 10b and the air electrode 10c.
As for hydrogen gas, the opening amount of the main valve 17 is increased to increase the supply amount of hydrogen gas to the fuel electrode 10b. Regarding air, the rotational speed of the air blower 12 is increased to increase the amount of air supplied to the air electrode 10c. Either of these processes may be performed, or both processes may be executed. Due to the large amount of gas flowing in, the hydrogen gas in the fuel electrode 10b and the air in the air electrode 10c are dried, resulting in a decrease in humidity. In order to cause this phenomenon, the flowing hydrogen gas or air needs to have a certain low humidity (the gas flow rate increase control of the present invention, hereinafter referred to as control content 4).

本実施形態では、燃料電池10の運転状態毎に最適な湿度低下手法を実行すべく、以上の制御内容1〜4を適宜組み合わせて予め3種の湿度低下手法b〜dを設定しているが、その説明に先立ち、燃料電池10の運転状態の区分について述べる。
まず、図3に示したように燃料電池10の運転状態はセル電圧Vと相関し、運転状態をセル電圧Vで表すと4種の状況に大別できる。即ち、燃料電池10が発電運転中でセル電圧Vが低電圧域に保たれている状況(以下、低電圧時Aという)、発電運転からアイドル運転への移行中でセル電圧Vが増加方向に変化している状況(以下、電圧増加時Bという)、アイドル運転中でセル電圧Vが高電圧域(アイドル相当値)に保たれている状況(以下、高電圧時Cという)、アイドル運転から発電運転への移行中でセル電圧Vが低下方向に変化している状況(以下、電圧低下時Dという)である。
In the present embodiment, the three types of humidity reduction methods b to d are set in advance by appropriately combining the above control contents 1 to 4 in order to execute the optimum humidity reduction method for each operating state of the fuel cell 10. Prior to the description, classification of the operating state of the fuel cell 10 will be described.
First, as shown in FIG. 3, the operating state of the fuel cell 10 correlates with the cell voltage V, and when the operating state is represented by the cell voltage V, it can be roughly divided into four types of situations. That is, when the fuel cell 10 is in the power generation operation and the cell voltage V is kept in the low voltage range (hereinafter referred to as low voltage A), the cell voltage V increases in the transition from the power generation operation to the idle operation. From a changing situation (hereinafter referred to as “B when voltage increases”), a situation where the cell voltage V is maintained in a high voltage range (idle equivalent value) during idle operation (hereinafter referred to as “C when high voltage”), from idle operation This is a situation in which the cell voltage V is changing in the decreasing direction during the transition to the power generation operation (hereinafter referred to as a voltage drop D).

そこで本発明者は、これらの4種のセル電圧Vの状況において水素ガスや空気の湿度低下の要否、及び湿度低下を要する場合には湿度低下手法に要求される条件について考察した。
まず各セル電圧Vの状況(A〜D)において、触媒層上でのPt反応及びPt反応による触媒層の劣化状態を下表1に示す。
Therefore, the present inventor considered whether or not the humidity of hydrogen gas or air needs to be reduced in these four kinds of cell voltage V conditions, and the conditions required for the humidity reduction method when humidity reduction is required.
First, Table 1 shows the Pt reaction on the catalyst layer and the deterioration state of the catalyst layer due to the Pt reaction in the situation of each cell voltage V (A to D).

Figure 2017224575
Figure 2017224575

セル電圧Vの低電圧時Aでは、触媒層上でPtの還元反応が生起されるが、この還元反応は触媒層を劣化させる要因にはならない。よって、セル電圧Vが低電圧域に長時間とどまっても(発電継続を意味する)触媒層の劣化は進行せず、劣化防止のための水素ガスや空気の湿度低下が不要と見なせることから、このセル電圧Vの状況に対応する湿度低下手法は設定されない。   At a low voltage A of the cell voltage V, a Pt reduction reaction occurs on the catalyst layer, but this reduction reaction does not cause deterioration of the catalyst layer. Therefore, even if the cell voltage V stays in the low voltage range for a long time (meaning continuation of power generation), deterioration of the catalyst layer does not proceed, and it is considered unnecessary to reduce the humidity of hydrogen gas or air to prevent deterioration. A humidity reduction method corresponding to the state of the cell voltage V is not set.

セル電圧Vの電圧増加時B(本発明の第3状態に相当)では、触媒層上でのPtの反応は還元から酸化に変化し、このときの反応状態の変化は僅かではあるが触媒層を劣化させる要因になり得る共に、その劣化への影響度はセル電圧Vの増加率が大である場合ほど高まる。よって、劣化防止のためには水素ガスや空気の湿度を多少なりとも低下させることが望ましい。また、低電圧時Aから電圧増加時Bへの移行は、例えば運転者の急激なアクセルオフ等により発生するため、電圧増加時Bへの移行に伴って迅速に湿度低下させる必要があり、湿度低下に良好な応答性が要求される。   When the cell voltage V increases (corresponding to the third state of the present invention), the reaction of Pt on the catalyst layer changes from reduction to oxidation, and the change in the reaction state at this time is slight but the catalyst layer. In addition, the degree of influence on the deterioration increases as the increase rate of the cell voltage V increases. Therefore, it is desirable to reduce the humidity of hydrogen gas or air somewhat to prevent deterioration. Further, since the transition from the low voltage A to the voltage increase B occurs, for example, due to the driver's sudden accelerator off, etc., it is necessary to rapidly reduce the humidity with the transition to the voltage increase B. Good response is required for the reduction.

以上の電圧増加時Bにおいて湿度低下手法(以下、bを付して他と区別する)に要求される条件を鑑みて、図4のステップS9に示すように、セル電圧Vの増加率(変化率V’)から目標湿度を算出するマップを設定しており、当該マップに基づき、湿度低下手法bを実行する際の目標湿度が設定される。図に示すように目標湿度は、湿度低下を要しない場合の通常制御時の湿度を上限Hmaxとし、セル電圧Vの増加率が大であるほど低下側に設定されるが、その下限Hminは、後述する他の湿度低下手法c,dのマップ特性に比較すると最も高く設定されている。このため、湿度低下手法bによる実施される湿度低下は相対的に軽度のものとなる。   In view of the conditions required for the humidity lowering method (hereinafter referred to as “b” to distinguish from the others) at the time B when the voltage is increased, as shown in step S9 of FIG. A map for calculating the target humidity from the rate V ′) is set, and based on the map, the target humidity for executing the humidity reduction method b is set. As shown in the figure, the target humidity is set to a lower side as the increase rate of the cell voltage V is larger, with the upper limit Hmax being the humidity during normal control when no humidity reduction is required. It is set to be the highest as compared with the map characteristics of other humidity lowering methods c and d described later. For this reason, the humidity reduction performed by the humidity reduction method b is relatively mild.

また、良好な応答性を実現するため、この湿度低下手法bには上記した全ての制御内容1〜4が組み合わされている。これによりセル温度の上昇制御、無加湿ガスの比率増加制御、セル圧力の低下制御、及びガス流量の増加制御が一斉に実行され、それぞれが湿度低下方向に作用することで良好な応答性が実現される。また、このように迅速な湿度低下が要求されるもののマップに基づく目標湿度の低下幅は少ないため、各制御に適用される制御量としては、例えば後述する湿度低下手法dよりも相対的に小さな値が適用される。   Moreover, in order to implement | achieve favorable responsiveness, all the above-mentioned control contents 1-4 are combined with this humidity reduction method b. As a result, cell temperature increase control, non-humidified gas ratio increase control, cell pressure decrease control, and gas flow rate increase control are performed all at once, and each of these acts in the direction of decreasing humidity to achieve good responsiveness. Is done. In addition, although a rapid decrease in humidity is required in this way, the amount of decrease in target humidity based on the map is small, so that the control amount applied to each control is relatively smaller than, for example, a humidity decrease method d described later. Value is applied.

セル電圧Vの高電圧時C(本発明の第2状態に相当)では、触媒層上でPtの酸化反応が生起され、アイドル運転が継続されるほど酸化劣化が進行すると共に、この劣化現象は高電圧域近傍の低電圧側でも生じ、高電圧域で最も顕著となる。よって、劣化防止のために水素ガスや空気の湿度を低下させることが、上記した電圧増加時Bよりも強く要求される。その反面、このときの燃料電池10は定常的なアイドル運転中のため、湿度低下に電圧増加時Bほどの応答性は要求されない。また、アイドル運転のためにガス流量を低下させていることから、逆にガス流量を増加させる制御内容4は実行し難い。   At the high voltage C of the cell voltage V (corresponding to the second state of the present invention), an oxidation reaction of Pt occurs on the catalyst layer, and the oxidative deterioration progresses as the idling operation is continued. It also occurs on the low voltage side in the vicinity of the high voltage range, and is most noticeable in the high voltage range. Therefore, lowering the humidity of hydrogen gas or air to prevent deterioration is more strongly required than when the voltage is increased B described above. On the other hand, since the fuel cell 10 at this time is in a steady idle operation, the responsiveness as much as B when the voltage is increased is not required for the humidity reduction. Further, since the gas flow rate is decreased for idle operation, the control content 4 for increasing the gas flow rate is difficult to execute.

以上の高電圧時Cにおいて湿度低下手法(以下、cを付す)に要求される条件を鑑みて、図4のステップS7に示すようにマップを設定している。目標湿度は、通常制御時の湿度を上限Hmaxとし、所定値V0以上の領域において高電圧域に接近するほど低下側に設定され、その下限Hminは、上記した湿度低下手法bのマップ特性に比較すると低められている。所定値V0は、無視できない触媒層の劣化現象が生じる下限のセル電圧Vとして予め設定された値である。このため湿度低下手法cによる実施される湿度低下は、湿度低下手法bに比較してより大幅なものとなる。   The map is set as shown in step S7 of FIG. 4 in view of the conditions required for the humidity lowering method (hereinafter referred to as c) at the time of high voltage C described above. The target humidity is set to a lower side as the high voltage region is approached in the region of the predetermined value V0 or higher with the humidity during normal control as the upper limit Hmax. Then it is lowered. The predetermined value V0 is a value set in advance as a lower limit cell voltage V at which a catalyst layer deterioration phenomenon that cannot be ignored is generated. For this reason, the humidity reduction performed by the humidity reduction method c is more significant than the humidity reduction method b.

また、それ程の応答性は要求されないため、この湿度低下手法cには制御内容1,2が組み合わされ、これによりセル温度の上昇制御、及び無加湿ガスの比率増加制御が実行される。各制御に適用される制御量としては、マップに基づく湿度の低下幅が比較的大きいことから、湿度低下手法bよりも大きな値が適用される。
セル電圧Vの電圧低下時D(本発明の第1状態に相当)では、触媒層上でのPtの反応は酸化から還元に変化し、このときの反応状態の変化は触媒層を劣化させる重篤な要因になる共に、その劣化への影響度はセル電圧Vの低下率が大である場合ほど高まる。よって、劣化防止のためには水素ガスや空気の湿度を大幅に低下させることが、他の運転状態に比較して最も強く要求される。また、高電圧時Cから電圧低下時Dへの移行は、例えば運転者の急激なアクセルオン等により発生するため、電圧低下時Dへの移行に伴って迅速に湿度低下させる必要があり、湿度低下に良好な応答性が要求される。
Further, since such responsiveness is not required, the control contents 1 and 2 are combined with this humidity lowering method c, whereby the cell temperature increase control and the non-humidified gas ratio increase control are executed. As the control amount applied to each control, a value larger than the humidity reduction method b is applied since the humidity reduction range based on the map is relatively large.
At the time of voltage drop D of the cell voltage V (corresponding to the first state of the present invention), the reaction of Pt on the catalyst layer changes from oxidation to reduction, and the change in the reaction state at this time is a serious phenomenon that deteriorates the catalyst layer. While becoming a serious factor, the degree of influence on the deterioration increases as the rate of decrease of the cell voltage V increases. Therefore, in order to prevent deterioration, it is most strongly required to significantly reduce the humidity of hydrogen gas or air as compared with other operating conditions. Further, since the transition from the high voltage C to the voltage drop D occurs, for example, when the driver suddenly turns on the accelerator, etc., it is necessary to quickly reduce the humidity with the transition to the voltage drop D. Good response is required for the reduction.

以上の電圧低下時Dにおいて湿度低下手法(以下、dを付す)に要求される条件を鑑みて、図4のステップS5に示すようにマップを設定している。目標湿度は、通常制御時の湿度を上限Hmaxとし、セル電圧Vの低下率(変化率|V’|)が大であるほど低下側に設定されるが、その下限Hminは、他の湿度低下手法b,cのマップ特性に比較すると最も低く設定されている。このため、湿度低下手法dによる実施される湿度低下は、他の湿度低下手法b,cに比較して最も大幅なものとなる。   A map is set as shown in step S5 in FIG. 4 in view of the conditions required for the humidity reduction method (hereinafter, d) at the time of voltage drop D described above. The target humidity is set to the lower side as the decrease rate (change rate | V ′ |) of the cell voltage V is larger, with the humidity during normal control being the upper limit Hmax, but the lower limit Hmin is a decrease in other humidity. It is set to be the lowest compared with the map characteristics of the methods b and c. For this reason, the humidity reduction performed by the humidity reduction method d is the largest compared to the other humidity reduction methods b and c.

また、良好な応答性を実現するため、この湿度低下手法dには上記した全ての制御内容1〜4が組み合わされると共に、マップに基づく湿度の低下幅が大きいことを受けて、各制御に大きな制御量が適用される。
なお、以上の各湿度低下手法b〜dに関する説明から明らかなように、湿度低下手法cと湿度低下手法b,dとは互いに異なる制御内容が設定されていることから、本願の請求項5の複数の湿度低下手法の関係に相当し、湿度低下手法bと湿度低下手法dとは互いに同一の制御内容が設定されると共に、制御内容に適用する制御量を異にしていることから、本願の請求項6の複数の湿度低下手法の関係に相当する。
In addition, in order to realize good responsiveness, all the control contents 1 to 4 described above are combined with this humidity reduction method d, and a large amount of humidity is reduced based on the map. Control amount is applied.
As is clear from the above description of each of the humidity reduction methods b to d, the humidity reduction method c and the humidity reduction methods b and d are set with different control contents. This corresponds to a relationship between a plurality of humidity reduction methods, and the humidity reduction method b and the humidity reduction method d are set with the same control content and have different control amounts applied to the control content. This corresponds to the relationship among the plurality of humidity lowering methods of claim 6.

次に、以上のような各種設定に基づき、FC-ECU40により実行される湿度低下処理について説明する。この湿度低下処理を実行するときのFC-ECU40が、本発明の湿度低下手段として機能する。
図4はFC-ECU40が実行する湿度低下ルーチンを示すフローチャートであり、FC-ECU40は燃料電池10の運転中に当該ルーチンを所定の制御インターバルで実行する。
Next, humidity reduction processing executed by the FC-ECU 40 based on the various settings as described above will be described. The FC-ECU 40 when executing this humidity reduction process functions as the humidity reduction means of the present invention.
FIG. 4 is a flowchart showing a humidity lowering routine executed by the FC-ECU 40. The FC-ECU 40 executes the routine at predetermined control intervals while the fuel cell 10 is in operation.

まず、ステップS1でセル電圧Vを検出する。このときのセル電圧Vは全ての単セルの電圧を平均化した値でもよいし、特定の単セルの電圧でもよい。次いでステップS2で、セル電圧Vの単位時間当たりの変化率V’が負であるか否か、即ちセル電圧Vが低下中の電圧低下時Dであるか否かを判定する。
ステップS2の判定がNo(否定)のときにはステップS3に移行し、セル電圧Vが所定値V0以上であるか否か、即ちセル電圧Vが高電圧域に保たれる高電圧時Cを含め、触媒層の劣化現象が生じるような高いセル電圧Vであるか否かを判定する。ステップS3の判定がNoのときにはステップS4に移行し、セル電圧Vの変化率V’が正であるか否か、即ちセル電圧Vが増加中の電圧増加時Bであるか否かを判定し、Noのときには一旦ルーチンを終了する。
First, in step S1, the cell voltage V is detected. The cell voltage V at this time may be a value obtained by averaging the voltages of all the single cells, or may be a voltage of a specific single cell. Next, in step S2, it is determined whether or not the rate of change V ′ per unit time of the cell voltage V is negative, that is, whether or not it is a voltage drop D when the cell voltage V is decreasing.
When the determination in step S2 is No (negative), the process proceeds to step S3, including whether or not the cell voltage V is equal to or higher than a predetermined value V0, that is, the high voltage C when the cell voltage V is maintained in the high voltage range. It is determined whether or not the cell voltage V is high enough to cause a deterioration phenomenon of the catalyst layer. When the determination in step S3 is No, the process proceeds to step S4, and it is determined whether or not the rate of change V ′ of the cell voltage V is positive, that is, whether or not the cell voltage V is B when the voltage is increasing. When NO, the routine is temporarily terminated.

また、ステップS2の判定がYes(肯定)のときにはステップS5に移行し、図示のマップに基づきセル電圧Vの変化率|V’|(低下率)から目標湿度を算出する。そして、続くステップS6で制御量を大として湿度低下手法d(制御内容1〜4)を実行し、その後にルーチンを終了する。
また、ステップS3の判定がYesのときにはステップS7に移行し、図示のマップに基づきセル電圧Vから目標湿度を算出する。続くステップS8では、制御量を大として湿度低下手法c(制御内容1,2)を実行する。
When the determination in step S2 is Yes (positive), the process proceeds to step S5, and the target humidity is calculated from the change rate | V ′ | (decrease rate) of the cell voltage V based on the map shown in the figure. In step S6, the control amount is increased to execute the humidity reduction method d (control contents 1 to 4), and then the routine is terminated.
When the determination in step S3 is Yes, the process proceeds to step S7, and the target humidity is calculated from the cell voltage V based on the illustrated map. In the subsequent step S8, the humidity reduction method c (control contents 1 and 2) is executed with a large control amount.

また、ステップS4の判定がYesのときにはステップS9に移行し、図示のマップに基づきセル電圧Vの変化率V’(増加率V’)から目標湿度を算出する。続くステップS10では、制御量を小として湿度低下手法c(制御内容1〜4)を実行する。
以上のように本実施形態の燃料電池システム4によれば、触媒層の劣化の可能性がある燃料電池10の運転状態、即ちセル電圧Vの電圧増加時B、高電圧時C及び電圧低下時Dの各運転状態において、触媒層の劣化防止のための湿度低下に要求される条件(湿度の低下幅や応答性等)を考慮した上で、予め各運転状態に対し制御量を含めて最適な制御内容となるようにそれぞれ湿度低下手法b〜dを設定し、燃料電池10の運転状態が切り換わる毎に、その運転状態に対応する湿度低下手法b〜dを選択・実行して湿度低下を達成している。
When the determination in step S4 is Yes, the process proceeds to step S9, and the target humidity is calculated from the rate of change V ′ (increase rate V ′) of the cell voltage V based on the illustrated map. In the subsequent step S10, the humidity reduction method c (control contents 1 to 4) is executed with the control amount being small.
As described above, according to the fuel cell system 4 of the present embodiment, the operating state of the fuel cell 10 in which the catalyst layer may be deteriorated, that is, when the cell voltage V increases, B, when high, and when the voltage decreases. In each operating state of D, considering the conditions (humidity reduction range, responsiveness, etc.) required to reduce the humidity to prevent the catalyst layer from deteriorating, optimally including the control amount in advance for each operating state Each time the humidity reduction methods b to d are set so that the control contents are appropriate, and each time the operation state of the fuel cell 10 is switched, the humidity reduction methods b to d corresponding to the operation state are selected and executed to reduce the humidity. Has achieved.

従って、常に燃料電池10の運転状態に合致した最適な湿度低下手法b〜dにより水素ガスや空気の湿度が低下されることから、燃料極10bや空気極10cの触媒層上での酸化還元反応を抑制でき、これにより触媒層の白金凝集・溶出に起因する劣化を確実に防止することができる。
また、セル電圧Vの電圧増加時Bには、その増加率が大であるほど目標湿度を低下側に設定し、高電圧時Cには、セル電圧Vが高電圧域に接近するほど目標湿度を低下側に設定し、電圧低下時Dには、セル電圧Vの低下率が大であるほど目標湿度を低下側に設定している。セル電圧Vの低下率が大であるほど、セル電圧Vが高電圧域に接近するほど、セル電圧Vの増加率が大であるほど、それぞれ触媒層上での酸化還元反応に起因する白金凝集・溶出の可能性が高まるが、それに応じて目標湿度が低下側に設定されることから酸化還元反応をより確実に抑制することができる。
Therefore, since the humidity of hydrogen gas or air is reduced by the optimum humidity reduction method b to d consistent with the operating state of the fuel cell 10, the oxidation-reduction reaction on the catalyst layer of the fuel electrode 10b or the air electrode 10c is performed. Thus, it is possible to reliably prevent deterioration due to platinum aggregation / elution of the catalyst layer.
Further, when the cell voltage V increases, the target humidity is set to the lower side as the increase rate increases, and at the high voltage C, the target humidity increases as the cell voltage V approaches the high voltage range. Is set to the lower side, and at the time of voltage drop D, the target humidity is set to the lower side as the rate of decrease of the cell voltage V is larger. The higher the cell voltage V decrease rate, the closer the cell voltage V approaches the high voltage range, and the greater the increase rate of the cell voltage V, the more platinum aggregation is caused by the oxidation-reduction reaction on the catalyst layer. -Although the possibility of elution increases, since the target humidity is set on the lower side accordingly, the oxidation-reduction reaction can be more reliably suppressed.

さらに、各運転状態(B〜D)での触媒層の白金凝集・溶出の可能性に基づき、湿度低下の必要性が極めて高い電圧低下時Dには目標湿度の下限を最も低くし、湿度低下の必要性が低い電圧増加時Bには目標湿度の下限を最も高くしている。電圧低下時Dには十分な湿度低下により触媒層上での酸化還元反応をより確実に抑制でき、また電圧増加時Bには過剰な湿度低下による燃料電池10の効率低下を未然に防止することができる。   Furthermore, based on the possibility of platinum aggregation and elution of the catalyst layer in each operating state (B to D), the lower limit of the target humidity is made the lowest at the time of voltage drop D when the necessity of humidity drop is extremely high, and the humidity drop The lower limit of the target humidity is set highest at the time B when the voltage increase is low. At the time of voltage drop D, it is possible to more reliably suppress the oxidation-reduction reaction on the catalyst layer by sufficiently reducing the humidity, and at the time of voltage increase B, the efficiency reduction of the fuel cell 10 due to excessive humidity drop can be prevented in advance. Can do.

以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、電動車両1に搭載される燃料電池システム4に具体化したが、これに限るものではなく、例えば定置型の燃料電池システムに適用してもよい。   This is the end of the description of the embodiment, but the aspect of the present invention is not limited to this embodiment. For example, in the above-described embodiment, the fuel cell system 4 mounted on the electric vehicle 1 is embodied. However, the present invention is not limited to this, and may be applied to, for example, a stationary fuel cell system.

4 燃料電池システム
10 燃料電池
10b 燃料極
10c 空気極
41 電圧センサ(セル電圧検出手段)
40 FC-ECU(湿度低下手段)
4 Fuel Cell System 10 Fuel Cell 10b Fuel Electrode 10c Air Electrode 41 Voltage Sensor (Cell Voltage Detection Means)
40 FC-ECU (humidity reduction means)

Claims (6)

触媒層を有する燃料極及び空気極を備え、前記燃料極に燃料ガスを供給すると共に前記空気極に空気を供給して発電する燃料電池において、
前記燃料電池の出力電力に応じて変動する前記燃料電池の電圧を検出する電圧検出手段と、
前記燃料電池の稼動状態に応じて変化する複数の電圧状態に対応して選択される複数の湿度低下手法から現在の前記燃料電池の電圧状態に対応する湿度低下手法を選択して湿度低下を実行する湿度低下手段と
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
In a fuel cell comprising a fuel electrode and an air electrode having a catalyst layer, supplying fuel gas to the fuel electrode and supplying air to the air electrode to generate electricity,
Voltage detecting means for detecting the voltage of the fuel cell, which varies according to the output power of the fuel cell;
Humidity reduction is performed by selecting a humidity reduction method corresponding to the current voltage state of the fuel cell from a plurality of humidity reduction methods selected corresponding to a plurality of voltage states that change according to the operating state of the fuel cell. A fuel cell system, comprising: a humidity lowering means.
前記複数の電圧状態として、前記電圧が低下方向に変化する第1状態、前記電圧が所定値以上となる第2状態、前記電圧が増加方向に変化する第3状態の内、少なくも2つ以上の状態を有すると共に、該2つ以上の状態のそれぞれに対応した前記湿度低下手法が予め設定され、
前記湿度低下手段は、前記複数の電圧状態の内何れかの状態が発生したときに湿度低下を要すると判定し、該発生した状態に対応する湿度低下手法を選択して実行する
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
As the plurality of voltage states, at least two or more of a first state in which the voltage changes in a decreasing direction, a second state in which the voltage exceeds a predetermined value, and a third state in which the voltage changes in an increasing direction And the humidity reduction method corresponding to each of the two or more states is preset,
The humidity reduction means determines that a humidity reduction is required when any one of the plurality of voltage states occurs, and selects and executes a humidity reduction method corresponding to the generated state. The fuel cell system according to claim 1.
前記湿度低下手段は、前記電圧が低下方向に変化した場合には低下率が大であるほど、前記電圧が所定値以上の場合にはアイドル相当値に接近するほど、前記電圧が増加方向に変化した場合には増加率が大であるほど、それぞれ目標湿度をより低下側に設定し、該目標湿度に基づき前記湿度低下手法を実行する
ことを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システム。
The humidity lowering means changes the voltage in an increasing direction as the rate of decrease increases when the voltage changes in a decreasing direction, and as the voltage approaches a predetermined idle value when the voltage exceeds a predetermined value. 3. The fuel cell system according to claim 2, wherein when the increase rate is larger, the target humidity is set to a lower side, and the humidity reduction method is executed based on the target humidity.
前記湿度低下手段は、湿度低下を要しない場合の通常制御時の湿度を前記目標湿度の上限とし、前記電圧が低下方向に変化した場合に前記目標湿度の下限を最も低くし、前記電圧が増加方向に変化した場合には前記目標湿度の下限を最も高くし、該上限と下限との間で目標湿度を設定する
ことを特徴とする請求項3に記載の燃料電池システム。
The humidity lowering means sets the humidity during normal control when humidity reduction is not required as the upper limit of the target humidity, and when the voltage changes in a decreasing direction, lowers the lower limit of the target humidity and increases the voltage. 4. The fuel cell system according to claim 3, wherein when the direction changes, the lower limit of the target humidity is made highest and the target humidity is set between the upper limit and the lower limit.
前記複数の湿度低下手法は、湿度低下を目的としたセル温度の上昇制御、無加湿ガスの比率増加制御、セル圧力の低下制御、ガス流量の増加制御の内の互いに異なる何れかの制御内容が設定されている
ことを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項に記載の燃料電池システム。
The plurality of humidity lowering methods have different control contents among cell temperature increase control, non-humidified gas ratio increase control, cell pressure decrease control, and gas flow rate increase control for the purpose of reducing humidity. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, wherein the fuel cell system is set.
前記複数の湿度低下手法は、湿度低下を目的としたセル温度の上昇制御、無加湿ガスの比率増加制御、セル圧力の低下制御、ガス流量の増加制御の内の同一の制御内容が設定されると共に、該設定された制御内容に適用する制御量を異にする
ことを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項に記載の燃料電池システム。
In the plurality of humidity reduction methods, the same control contents are set among cell temperature increase control, non-humidified gas ratio increase control, cell pressure decrease control, and gas flow rate increase control for the purpose of reducing humidity. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, wherein the control amount applied to the set control content is made different.
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