JP2023167066A - fuel cell system - Google Patents

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JP2023167066A
JP2023167066A JP2022077946A JP2022077946A JP2023167066A JP 2023167066 A JP2023167066 A JP 2023167066A JP 2022077946 A JP2022077946 A JP 2022077946A JP 2022077946 A JP2022077946 A JP 2022077946A JP 2023167066 A JP2023167066 A JP 2023167066A
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humidity
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健太郎 駒林
Kentaro Komabayashi
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Abstract

To provide a fuel cell system which can stabilize output of a fuel cell and also can extend a lifespan thereof.SOLUTION: There is provided a fuel cell system in which a data storage unit stores a temperature deterioration rate of a catalyst and a humidity deterioration rate of the catalyst, and a control unit raises a temperature of a fuel cell stack when humidity in the fuel cell stack exceeds a predetermined specified value α. The control unit performs scavenging when a temperature deterioration rate at a current temperature in the fuel cell stack is greater than a humidity deterioration rate at current humidity in the fuel cell stack and the current humidity in the fuel cell stack exceeds the predetermined specified value α.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本開示は、燃料電池システムに関する。 The present disclosure relates to fuel cell systems.

燃料電池(FC)の性能を向上させるための燃料電池システムが検討されている。
例えば特許文献1では、燃料電池の運転状態の変化に伴う燃料極や空気極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抑制できる燃料電池システムが開示されている。
特許文献2では、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抑制できる燃料電池システムが開示されている。
Fuel cell systems have been studied to improve the performance of fuel cells (FC).
For example, Patent Document 1 discloses a fuel that can suppress the redox reaction on the catalyst layer of the fuel electrode and air electrode due to changes in the operating conditions of the fuel cell, and thereby suppress deterioration caused by platinum aggregation and elution of the catalyst layer. A battery system is disclosed.
Patent Document 2 describes a fuel that can reduce the humidity of hydrogen gas and air using an optimal method that matches the operating conditions of the fuel cell to suppress redox reactions, thereby suppressing deterioration caused by platinum aggregation and elution of the catalyst layer. A battery system is disclosed.

特開2017-224576号公報Japanese Patent Application Publication No. 2017-224576 特開2017-224575号公報JP2017-224575A

乗用車を中心とした負荷変動が大きい移動体や出力変動が大きい定置FCを動かすには、従来技術の「電力を判断基準とした制御」が適しているが、より長寿命を期待される移動体(例えば商用車等)や定置FCでは、電圧上下限超えが蓄積し、燃料電池の劣化が進行する。
燃料電池の触媒劣化モードの主なものに、活性種Ptの溶出/肥大化がある。
燃料電池車の発進や停止、登坂加速による出力増加といった場面では燃料電池の電位を上下に変動させることで、触媒中の反応性が高いPtが露出し、高湿度の水や生成水によるPt流出が、温度変動により促進される。電位、温度、湿度は制御可能な因子であり、燃料電池の出力性能と触媒劣化性能への寄与が大きいが、従来技術ではそれらの重みづけができていない。
Conventional technology, ``control based on electric power,'' is suitable for operating moving objects with large load fluctuations, such as passenger cars, and stationary FCs with large output fluctuations, but it is suitable for moving objects that are expected to have a longer lifespan. (For example, in commercial vehicles, etc.) and in stationary FCs, voltages exceeding the upper and lower limits accumulate, and fuel cell deterioration progresses.
The main mode of catalyst deterioration in fuel cells is elution/enlargement of active species Pt.
When a fuel cell vehicle starts and stops, or increases output due to acceleration uphill, the potential of the fuel cell is varied up and down, exposing the highly reactive Pt in the catalyst and preventing Pt from flowing out due to highly humid water or generated water. is accelerated by temperature fluctuations. Potential, temperature, and humidity are controllable factors and greatly contribute to the output performance and catalyst deterioration performance of the fuel cell, but conventional technology has not been able to weight them.

本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、燃料電池の出力を安定化させ、且つ寿命を長くすることができる燃料電池システムを提供することを主目的とする。 The present disclosure has been made in view of the above circumstances, and its main purpose is to provide a fuel cell system that can stabilize the output of a fuel cell and extend its life.

本開示の燃料電池システムは、燃料電池スタック、温度センサ、電圧センサ、電流センサ、流量センサ、燃料ガス系、酸化剤ガス系、冷却系、データ記憶部、制御部を備え、
前記燃料電池スタックは、複数の単セルを積層したセル積層体であり、
前記単セルは、膜電極ガス拡散層接合体を有し、
前記膜電極ガス拡散層接合体は、カソード側ガス拡散層、カソード触媒層、電解質膜、アノード触媒層、アノード側ガス拡散層を有し、
前記カソード触媒層、及び、前記アノード触媒層は、触媒として白金及び白金合金の内の少なくとも一方と、プロトン伝導性を有する電解質と、を含み、
前記データ記憶部は、前記触媒の温度劣化率と前記触媒の湿度劣化率とを記憶し、
前記制御部は、前記燃料電池スタック内の湿度が所定の規定値αを超えるときに前記燃料電池スタックの温度を上昇させ、
前記制御部は、前記燃料電池スタック内の現在の温度での前記温度劣化率が、前記燃料電池スタック内の現在の湿度での前記湿度劣化率より大きく、且つ、前記燃料電池スタック内の現在の湿度が前記所定の規定値αを超えるときに掃気を行うことを特徴とする。
The fuel cell system of the present disclosure includes a fuel cell stack, a temperature sensor, a voltage sensor, a current sensor, a flow rate sensor, a fuel gas system, an oxidant gas system, a cooling system, a data storage unit, a control unit,
The fuel cell stack is a cell stack in which a plurality of single cells are stacked,
The single cell has a membrane electrode gas diffusion layer assembly,
The membrane electrode gas diffusion layer assembly includes a cathode gas diffusion layer, a cathode catalyst layer, an electrolyte membrane, an anode catalyst layer, and an anode gas diffusion layer,
The cathode catalyst layer and the anode catalyst layer include at least one of platinum and a platinum alloy as a catalyst, and an electrolyte having proton conductivity,
The data storage unit stores a temperature deterioration rate of the catalyst and a humidity deterioration rate of the catalyst,
The control unit increases the temperature of the fuel cell stack when the humidity within the fuel cell stack exceeds a predetermined specified value α;
The control unit is configured such that the temperature deterioration rate at the current temperature in the fuel cell stack is greater than the humidity deterioration rate at the current humidity in the fuel cell stack, and It is characterized in that air scavenging is performed when the humidity exceeds the predetermined specified value α.

本開示の燃料電池システムによれば、燃料電池の出力を安定化させ、且つ寿命を長くすることができる。 According to the fuel cell system of the present disclosure, it is possible to stabilize the output of the fuel cell and extend its life.

図1は、本開示の燃料電池システムにおける触媒劣化抑制制御の一例を示すフローチャートである。FIG. 1 is a flowchart illustrating an example of catalyst deterioration suppression control in the fuel cell system of the present disclosure. 図2は、90℃、82.4%RH(相対湿度)を標準条件として、電位変動耐久評価を行った際の電圧低下率の温度依存性を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing the temperature dependence of the voltage drop rate when potential fluctuation durability evaluation was performed under standard conditions of 90° C. and 82.4% RH (relative humidity). 図3は、90℃、82.4%RH(相対湿度)を標準条件として、電位変動耐久評価を行った際の電圧低下率の湿度依存性を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing the humidity dependence of the voltage drop rate when potential fluctuation durability evaluation was performed under standard conditions of 90° C. and 82.4% RH (relative humidity).

以下、本開示による実施の形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本開示の実施に必要な事柄(例えば、本開示を特徴付けない燃料電池システムの一般的な構成および製造プロセス)は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本開示は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。
本明細書において数値範囲を示す「~」とは、その前後に記載された数値を下限値及び上限値として含む意味で使用される。
また、数値範囲における上限値と下限値は任意の組み合わせを採用できる。
Embodiments according to the present disclosure will be described below. Note that matters other than those specifically mentioned in this specification that are necessary for implementing the present disclosure (for example, the general configuration and manufacturing process of a fuel cell system that do not characterize the present disclosure) are It can be understood as a matter of design by a person skilled in the art based on the prior art in the field. The present disclosure can be implemented based on the content disclosed in this specification and the common general knowledge in the field.
In this specification, "~" indicating a numerical range is used to include the numerical values written before and after it as the lower limit and upper limit.
Furthermore, any combination of upper and lower limits in the numerical range can be adopted.

本開示の燃料電池システムは、燃料電池スタック、温度センサ、電圧センサ、電流センサ、流量センサ、燃料ガス系、酸化剤ガス系、冷却系、データ記憶部、制御部を備え、
前記燃料電池スタックは、複数の単セルを積層したセル積層体であり、
前記単セルは、膜電極ガス拡散層接合体を有し、
前記膜電極ガス拡散層接合体は、カソード側ガス拡散層、カソード触媒層、電解質膜、アノード触媒層、アノード側ガス拡散層を有し、
前記カソード触媒層、及び、前記アノード触媒層は、触媒として白金及び白金合金の内の少なくとも一方と、プロトン伝導性を有する電解質と、を含み、
前記データ記憶部は、前記触媒の温度劣化率と前記触媒の湿度劣化率とを記憶し、
前記制御部は、前記燃料電池スタック内の湿度が所定の規定値αを超えるときに前記燃料電池スタックの温度を上昇させ、
前記制御部は、前記燃料電池スタック内の現在の温度での前記温度劣化率が、前記燃料電池スタック内の現在の湿度での前記湿度劣化率より大きく、且つ、前記燃料電池スタック内の現在の湿度が前記所定の規定値αを超えるときに掃気を行うことを特徴とする。
The fuel cell system of the present disclosure includes a fuel cell stack, a temperature sensor, a voltage sensor, a current sensor, a flow rate sensor, a fuel gas system, an oxidant gas system, a cooling system, a data storage unit, a control unit,
The fuel cell stack is a cell stack in which a plurality of single cells are stacked,
The single cell has a membrane electrode gas diffusion layer assembly,
The membrane electrode gas diffusion layer assembly includes a cathode gas diffusion layer, a cathode catalyst layer, an electrolyte membrane, an anode catalyst layer, and an anode gas diffusion layer,
The cathode catalyst layer and the anode catalyst layer include at least one of platinum and a platinum alloy as a catalyst, and an electrolyte having proton conductivity,
The data storage unit stores a temperature deterioration rate of the catalyst and a humidity deterioration rate of the catalyst,
The control unit increases the temperature of the fuel cell stack when the humidity within the fuel cell stack exceeds a predetermined specified value α;
The control unit is configured such that the temperature deterioration rate at the current temperature in the fuel cell stack is greater than the humidity deterioration rate at the current humidity in the fuel cell stack, and It is characterized in that air scavenging is performed when the humidity exceeds the predetermined specified value α.

燃料電池の触媒劣化モードの主なものに、活性種Ptの溶出/肥大化がある。その劣化進行度は触媒のECSA(電気化学的比表面積)で測定し、ECSAの低下は出力性能低下との相関が強い。燃料電池車の発進や停止、登坂加速による燃料電池の出力増加を想定した劣化試験である電位変動耐久試験は、燃料電池の電位を上下に変動させることで、触媒中の反応性が高いPtが露出し、高湿度の水や生成水によるPt流出が、温度変動により促進される。
本開示によれば、電位、温度、湿度は制御可能な因子であり、燃料電池の出力性能と触媒の劣化性能への寄与が大きい。燃料電池の出力性能と触媒の劣化(ECSA低下)抑制のため、本開示においては、湿度による触媒の劣化率と温度による触媒の劣化率が異なる事を活用し、水分等の掃気(燃料電池システムの外部への排水等)と燃料電池の温度上昇を最適配分で行うことができる燃料電池システムを提案する。
The main mode of catalyst deterioration in fuel cells is elution/enlargement of active species Pt. The degree of deterioration is measured by the ECSA (electrochemical specific surface area) of the catalyst, and a decrease in ECSA has a strong correlation with a decrease in output performance. The potential fluctuation durability test is a deterioration test that assumes an increase in the output of the fuel cell due to starting and stopping of a fuel cell vehicle or acceleration uphill.By varying the potential of the fuel cell up and down, the highly reactive Pt in the catalyst is Pt efflux due to exposed, humid water or produced water is accelerated by temperature fluctuations.
According to the present disclosure, potential, temperature, and humidity are controllable factors, and greatly contribute to the output performance of the fuel cell and the deterioration performance of the catalyst. In order to suppress fuel cell output performance and catalyst deterioration (ECSA decrease), this disclosure utilizes the fact that the catalyst deterioration rate due to humidity and temperature is different, and scavenges moisture etc. (fuel cell system We propose a fuel cell system that can optimally distribute the temperature rise of the fuel cell (e.g., drainage to the outside) and temperature rise of the fuel cell.

図1は、本開示の燃料電池システムにおける触媒劣化抑制制御の一例を示すフローチャートである。
(1)現状の湿度の測定
制御部は、燃料電池スタック内の湿度を測定する。
(2)現状の湿度が規定値α超過か否かの判定
制御部は、現状の湿度が規定値αを超過しているか否か判定する。
(3)温度上昇
現状の湿度が規定値αを超過している場合は、制御部は燃料電池スタックの温度を上昇させる。現状の湿度が規定値α以下の場合は、制御部は制御を終了する。
(4)温度劣化率>湿度劣化率を満たすか否かの判定
制御部は、燃料電池スタック内の現在の温度での温度劣化率が、燃料電池スタック内の現在の湿度での湿度劣化率より大きいか否か判定する。
制御部は、燃料電池スタック内の現在の温度での温度劣化率が、燃料電池スタック内の現在の湿度での湿度劣化率以下の場合は、制御部は燃料電池スタックの温度をさらに上昇させる。
(5)現状の湿度が規定値α超過か否かの判定
制御部は、燃料電池スタック内の現在の温度での温度劣化率が、燃料電池スタック内の現在の湿度での湿度劣化率より大きい場合は、再度制御部は、現状の湿度が規定値αを超過しているか否か判定する。
(6)掃気
制御部は、燃料電池スタック内の現在の温度での温度劣化率が、燃料電池スタック内の現在の湿度での湿度劣化率より大きく、且つ、燃料電池スタック内の現在の湿度が所定の規定値αを超えるときに掃気を行う。現状の湿度が規定値α以下の場合は、制御部は制御を終了する。
FIG. 1 is a flowchart illustrating an example of catalyst deterioration suppression control in the fuel cell system of the present disclosure.
(1) Measurement of current humidity The control unit measures the humidity inside the fuel cell stack.
(2) Determining whether the current humidity exceeds the specified value α The control unit determines whether the current humidity exceeds the specified value α.
(3) Temperature increase If the current humidity exceeds the specified value α, the control unit increases the temperature of the fuel cell stack. If the current humidity is below the specified value α, the control unit ends the control.
(4) Determination of whether temperature deterioration rate > humidity deterioration rate is satisfied The control unit determines whether the temperature deterioration rate at the current temperature in the fuel cell stack is higher than the humidity deterioration rate at the current humidity in the fuel cell stack. Determine whether it is large or not.
If the temperature deterioration rate at the current temperature within the fuel cell stack is equal to or lower than the humidity deterioration rate at the current humidity within the fuel cell stack, the control unit further increases the temperature of the fuel cell stack.
(5) Determining whether the current humidity exceeds the specified value α The control unit determines whether the temperature deterioration rate at the current temperature inside the fuel cell stack is greater than the humidity deterioration rate at the current humidity inside the fuel cell stack. If so, the control unit again determines whether the current humidity exceeds the specified value α.
(6) The scavenging control unit determines that the temperature deterioration rate at the current temperature in the fuel cell stack is greater than the humidity deterioration rate at the current humidity in the fuel cell stack, and the current humidity in the fuel cell stack is Scavenging is performed when a predetermined value α is exceeded. If the current humidity is below the specified value α, the control unit ends the control.

本開示において掃気とは、水分を燃料電池システムの外部へ排水すること、及び、燃料ガスを燃料電池システムの外部へ排気して燃料ガス系内の燃料ガスを酸化剤ガス又は窒素ガスで置換することの内の少なくともいずれか一方を意味し、主に水分を燃料電池システムの外部へ排水することを意味する。
したがって、本開示において掃気とは、水分を燃料電池システムの外部へ排水すること、及び、燃料ガスを燃料電池システムの外部へ排気して燃料ガス系内の燃料ガスを酸化剤ガス又は窒素ガスで置換することの内の少なくともいずれか一方であればよく、特に水分を燃料電池システムの外部へ排水することであってもよい。
本開示において燃料ガスを燃料電池システムの外部へ排気して燃料ガス系内の燃料ガスを酸化剤ガス又は窒素ガスで置換することのみを行うことを、水分を燃料電池システムの外部へ排水することのみを行うことと区別してパージと称する場合がある。
In the present disclosure, scavenging refers to draining moisture to the outside of the fuel cell system, and exhausting fuel gas to the outside of the fuel cell system to replace the fuel gas in the fuel gas system with oxidizing gas or nitrogen gas. It means at least one of the following, and mainly means draining water to the outside of the fuel cell system.
Therefore, in the present disclosure, scavenging refers to draining water to the outside of the fuel cell system and exhausting the fuel gas to the outside of the fuel cell system to replace the fuel gas in the fuel gas system with oxidizing gas or nitrogen gas. It may be at least one of replacing water, and in particular, water may be drained to the outside of the fuel cell system.
In the present disclosure, the term "draining moisture to the outside of the fuel cell system" refers to only discharging the fuel gas to the outside of the fuel cell system and replacing the fuel gas in the fuel gas system with oxidizing gas or nitrogen gas. It is sometimes called purge to distinguish it from only performing purge.

本開示においては、ラボでの蓄積データを活用し、「燃料電池の電圧低下率(触媒の劣化率)を判断基準とした制御」を行うことで、より直接的に触媒の劣化抑制が可能となる。
図2は、90℃、82.4%RH(相対湿度)を標準条件として、電位変動耐久評価を行った際の電圧低下率の温度依存性を示す図である。
図3は、90℃、82.4%RH(相対湿度)を標準条件として、電位変動耐久評価を行った際の電圧低下率の湿度依存性を示す図である。
電圧低下率10%をクライテリアとした場合、温度は96℃と上限の100℃に近いが、湿度は90%で到達してしまう。
これより、湿度のほうが触媒の劣化感度が大きい、すなわち、湿度上昇を抑制するために、掃気以外にあえて温度を上昇させる制御をすることでも触媒の劣化が抑制可能である。
例えば図1で、運転にともない90℃90%RHになった場合、絶対湿度は376g/mであり、そのままでは湿度基準の電圧低下率は10%になってしまう。
そこで規定値αを90%RHとし、温度を92℃まで上昇させることで、同じ絶対湿度でも相対湿度を83%RHまで低下でき、電圧低下率を温度基準でも湿度基準でも電圧低下率8%に抑制可能となる。
この制御を湿度による触媒の劣化率と温度による触媒の劣化率がともに10%になるまで継続することで、掃気による燃料電池の出力不安定を解消しつつ、より燃料電池の長寿命化を狙える。
In this disclosure, it is possible to more directly suppress catalyst deterioration by utilizing data accumulated in the laboratory and performing "control based on the fuel cell voltage drop rate (catalyst deterioration rate)". Become.
FIG. 2 is a diagram showing the temperature dependence of the voltage drop rate when evaluating potential fluctuation durability under standard conditions of 90° C. and 82.4% RH (relative humidity).
FIG. 3 is a diagram showing the humidity dependence of the voltage drop rate when evaluating potential fluctuation durability under standard conditions of 90° C. and 82.4% RH (relative humidity).
If the criterion is a voltage drop rate of 10%, the temperature will be 96°C, close to the upper limit of 100°C, but the humidity will reach 90%.
From this, the sensitivity of the catalyst to deterioration is greater with respect to humidity. That is, in order to suppress the increase in humidity, deterioration of the catalyst can be suppressed by intentionally controlling the temperature to increase in addition to scavenging.
For example, in FIG. 1, when the temperature becomes 90° C. and 90% RH during operation, the absolute humidity is 376 g/m 3 , and if left as is, the voltage drop rate based on humidity will be 10%.
Therefore, by setting the specified value α to 90% RH and increasing the temperature to 92°C, the relative humidity can be reduced to 83% RH even with the same absolute humidity, and the voltage drop rate will be 8% on both temperature and humidity standards. It becomes possible to suppress it.
By continuing this control until the rate of deterioration of the catalyst due to humidity and the rate of deterioration of the catalyst due to temperature both reach 10%, it is possible to eliminate the instability of the fuel cell output due to scavenging and further extend the life of the fuel cell. .

本開示の燃料電池システムによれば、燃料電池の出力性能と触媒の劣化(ECSA低下)抑制のため、湿度による触媒の劣化率と温度による触媒の劣化率が異なる事を活用し、水分等の掃気と燃料電池の温度上昇を最適配分で行う。上記制御により湿度による触媒の劣化率と温度による触媒の劣化率がともに低い状態を長く維持でき、さらに掃気による燃料電池の出力不安定を解消しつつ、より燃料電池の長寿命化を狙える。 According to the fuel cell system of the present disclosure, in order to improve the output performance of the fuel cell and suppress deterioration of the catalyst (decrease in ECSA), the deterioration rate of the catalyst due to humidity is different from that due to temperature. The scavenging air and fuel cell temperature rise are optimally distributed. Through the above control, both the catalyst deterioration rate due to humidity and the catalyst deterioration rate due to temperature can be maintained in a low state for a long time, and it is possible to further extend the life of the fuel cell while eliminating instability in the output of the fuel cell due to scavenging air.

本開示においては、燃料ガス、及び、酸化剤ガスをまとめて反応ガスと称する。アノードに供給される反応ガスは、燃料ガスであり、カソードに供給される反応ガスは酸化剤ガスである。燃料ガスは、主に水素を含有するガスであり、水素であってもよい。酸化剤ガスは、酸素を含有するガスであり、酸素、空気、及び、乾燥空気等であってもよい。 In this disclosure, the fuel gas and the oxidant gas are collectively referred to as a reaction gas. The reactive gas supplied to the anode is a fuel gas, and the reactive gas supplied to the cathode is an oxidant gas. The fuel gas is a gas mainly containing hydrogen, and may be hydrogen. The oxidant gas is a gas containing oxygen, and may be oxygen, air, dry air, or the like.

本開示の燃料電池システムは、燃料電池スタック、温度センサ、電圧センサ、電流センサ、流量センサ、燃料ガス系、酸化剤ガス系、冷却系、データ記憶部、制御部を備える。
本開示の燃料電池システムは、車両等の移動体や定置FCに搭載されて用いられてもよい。車両は、燃料電池車両等であってもよい。車両以外の移動体としては、例えば、鉄道、船舶、航空機等が挙げられる。
また、本開示の燃料電池システムは、二次電池の電力でも走行可能な車両等の移動体に搭載されて用いられてもよい。
移動体は、本開示の燃料電池システムを備えていてもよい。移動体は、モーター、インバーター、ハイブリッド制御用システム等の駆動ユニットを有していてもよい。
ハイブリッド制御用システムは、燃料電池の出力と、二次電池の電力を併用して移動体を走行させることができるものであってもよい。
The fuel cell system of the present disclosure includes a fuel cell stack, a temperature sensor, a voltage sensor, a current sensor, a flow rate sensor, a fuel gas system, an oxidant gas system, a cooling system, a data storage unit, and a control unit.
The fuel cell system of the present disclosure may be used by being mounted on a moving body such as a vehicle or a stationary FC. The vehicle may be a fuel cell vehicle or the like. Examples of moving objects other than vehicles include railroads, ships, and aircraft.
Further, the fuel cell system of the present disclosure may be used by being mounted on a moving body such as a vehicle that can run on power from a secondary battery.
A mobile object may be equipped with the fuel cell system of the present disclosure. The moving body may include a drive unit such as a motor, an inverter, a hybrid control system, or the like.
The hybrid control system may be capable of driving the mobile object using both the output of the fuel cell and the electric power of the secondary battery.

本開示の燃料電池システムは、燃料電池スタックを備える。
燃料電池スタックは、複数の単セルを積層したセル積層体である。
単セルの積層数は特に限定されず、例えば、2~数百個であってもよい。
本開示においては、単セル、及び、単セルを積層した燃料電池スタックのいずれも、燃料電池と呼ぶ場合がある。
The fuel cell system of the present disclosure includes a fuel cell stack.
A fuel cell stack is a cell stack in which a plurality of single cells are stacked.
The number of stacked single cells is not particularly limited, and may be, for example, from 2 to several hundreds.
In this disclosure, both a single cell and a fuel cell stack in which single cells are stacked may be referred to as a fuel cell.

燃料電池の単セルは、膜電極ガス拡散層接合体(MEGA)を有する。
膜電極ガス拡散層接合体は、カソード側ガス拡散層、カソード触媒層、電解質膜、アノード触媒層、アノード側ガス拡散層をこの順に有する。
A single fuel cell cell has a membrane electrode gas diffusion layer assembly (MEGA).
The membrane electrode gas diffusion layer assembly includes a cathode gas diffusion layer, a cathode catalyst layer, an electrolyte membrane, an anode catalyst layer, and an anode gas diffusion layer in this order.

カソード(酸化剤極)は、カソード触媒層及びカソード側ガス拡散層を含む。
アノード(燃料極)は、アノード触媒層及びアノード側ガス拡散層を含む。
カソード触媒層及びアノード触媒層をまとめて触媒層と称する。
触媒層は、例えば、電気化学反応を促進する触媒、プロトン伝導性を有する電解質(アイオノマ)を備え、さらに電子伝導性を有する担体等を備えていてもよい。
触媒としては、例えば、白金(Pt)、及び、Ptと他の金属とから成る合金(例えばコバルト、及び、ニッケル等を混合したPt合金)等を用いることができる。
電解質としては、フッ素系樹脂等であってもよい。フッ素系樹脂としては、例えば、ナフィオン溶液等を用いてもよい。
上記触媒は担体上に担持されており、各触媒層では、触媒を担持した担体(触媒担持担体)と電解質とが混在していてもよい。
触媒を担持するための担体は、例えば、一般に市販されているカーボンなどの炭素材料等が挙げられる。
The cathode (oxidant electrode) includes a cathode catalyst layer and a cathode side gas diffusion layer.
The anode (fuel electrode) includes an anode catalyst layer and an anode side gas diffusion layer.
The cathode catalyst layer and the anode catalyst layer are collectively referred to as a catalyst layer.
The catalyst layer includes, for example, a catalyst that promotes an electrochemical reaction, an electrolyte (ionomer) that has proton conductivity, and may further include a carrier that has electron conductivity.
As the catalyst, for example, platinum (Pt) or an alloy of Pt and another metal (for example, a Pt alloy containing cobalt, nickel, etc.) can be used.
The electrolyte may be a fluororesin or the like. As the fluororesin, for example, Nafion solution or the like may be used.
The catalyst is supported on a carrier, and in each catalyst layer, the carrier supporting the catalyst (catalyst-supporting carrier) and the electrolyte may coexist.
Examples of the carrier for supporting the catalyst include carbon materials such as carbon that are generally commercially available.

カソード側ガス拡散層及びアノード側ガス拡散層をまとめてガス拡散層と称する。
ガス拡散層は、ガス透過性を有する導電性部材等であってもよい。
導電性部材としては、例えば、カーボンクロス、及びカーボンペーパー等のカーボン多孔質体、並びに、金属メッシュ、及び、発泡金属などの金属多孔質体等が挙げられる。
The cathode side gas diffusion layer and the anode side gas diffusion layer are collectively referred to as a gas diffusion layer.
The gas diffusion layer may be a conductive member or the like having gas permeability.
Examples of the conductive member include carbon porous bodies such as carbon cloth and carbon paper, and metal porous bodies such as metal mesh and foamed metal.

電解質膜は、固体高分子電解質膜であってもよい。固体高分子電解質膜としては、例えば、水分が含まれたパーフルオロスルホン酸の薄膜等のフッ素系電解質膜、及び、炭化水素系電解質膜等が挙げられる。電解質膜としては、例えば、ナフィオン膜(デュポン社製)等であってもよい。 The electrolyte membrane may be a solid polymer electrolyte membrane. Examples of solid polymer electrolyte membranes include fluorine-based electrolyte membranes such as perfluorosulfonic acid thin films containing water, hydrocarbon-based electrolyte membranes, and the like. The electrolyte membrane may be, for example, a Nafion membrane (manufactured by DuPont).

単セルは、必要に応じて膜電極ガス拡散層接合体の両面を挟持する2枚のセパレータを備えてもよい。2枚のセパレータは、一方がアノード側セパレータであり、もう一方がカソード側セパレータである。本開示では、アノード側セパレータとカソード側セパレータとをまとめてセパレータという。
セパレータは、反応ガス及び冷却用流体等の流体を単セルの積層方向に流通させるための供給孔及び排出孔等の孔を有していてもよい。
供給孔は、燃料ガス供給孔、酸化剤ガス供給孔、及び、冷却用流体供給孔等が挙げられる。
排出孔は、燃料ガス排出孔、酸化剤ガス排出孔、及び、冷却用流体排出孔等が挙げられる。
セパレータは、ガス拡散層に接する面に反応ガス流路を有していてもよい。また、セパレータは、ガス拡散層に接する面とは反対側の面に燃料電池の温度を一定に保つための冷却用流体流路を有していてもよい。
セパレータは、ガス不透過の導電性部材等であってもよい。導電性部材としては、例えば、熱硬化樹脂、熱可塑樹脂、及び、樹脂繊維等の樹脂材、カーボン粉末、及び、カーボン繊維等のカーボン材を圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン、及び、プレス成形した金属(例えば、鉄、アルミニウム、及び、ステンレス等)板等であってもよい。また、セパレータが集電機能を備えるものであってもよい。
セパレータの形状は、長方形、横長6角形、横長8角形、円形、及び、長丸形状等であってもよい。
The single cell may be provided with two separators that sandwich both sides of the membrane electrode gas diffusion layer assembly, if necessary. One of the two separators is an anode side separator and the other is a cathode side separator. In this disclosure, the anode side separator and the cathode side separator are collectively referred to as separators.
The separator may have holes such as supply holes and discharge holes for allowing fluids such as reaction gas and cooling fluid to flow in the stacking direction of the unit cells.
Examples of the supply hole include a fuel gas supply hole, an oxidant gas supply hole, a cooling fluid supply hole, and the like.
Examples of the exhaust hole include a fuel gas exhaust hole, an oxidant gas exhaust hole, and a cooling fluid exhaust hole.
The separator may have a reactive gas flow path on the surface in contact with the gas diffusion layer. Further, the separator may have a cooling fluid flow path for keeping the temperature of the fuel cell constant on the surface opposite to the surface in contact with the gas diffusion layer.
The separator may be a gas-impermeable conductive member or the like. Examples of the conductive member include thermosetting resins, thermoplastic resins, resin materials such as resin fibers, carbon powder, and dense carbon made gas impermeable by compressing carbon materials such as carbon fibers. , a press-formed metal (for example, iron, aluminum, stainless steel, etc.) plate, etc. may be used. Further, the separator may have a current collecting function.
The shape of the separator may be a rectangle, a horizontally long hexagon, a horizontally long octagon, a circle, an oblong shape, or the like.

燃料電池スタックは、各供給孔が連通した入口マニホールド、及び、各排出孔が連通した出口マニホールド等のマニホールドを有していてもよい。
入口マニホールドは、アノード入口マニホールド、カソード入口マニホールド、及び、冷却用流体入口マニホールド等が挙げられる。
出口マニホールドは、アノード出口マニホールド、カソード出口マニホールド、及び、冷却用流体出口マニホールド等が挙げられる。
The fuel cell stack may have manifolds, such as an inlet manifold with which each supply hole communicates, and an outlet manifold with which each discharge hole communicates.
Examples of the inlet manifold include an anode inlet manifold, a cathode inlet manifold, and a cooling fluid inlet manifold.
Examples of the outlet manifold include an anode outlet manifold, a cathode outlet manifold, and a cooling fluid outlet manifold.

燃料電池は隣り合う単セルの間にガスケットを備えていてもよい。ガスケットは各反応ガス系からの反応ガスの漏れを防止するためのシール材として用いる。
ガスケットは、エチレンプロピレンジエンゴム(EPDM)ゴム、シリコンゴム、熱可塑性エラストマー樹脂等であってもよい。
The fuel cell may include a gasket between adjacent single cells. The gasket is used as a sealing material to prevent leakage of reaction gas from each reaction gas system.
The gasket may be ethylene propylene diene rubber (EPDM) rubber, silicone rubber, thermoplastic elastomer resin, or the like.

燃料電池システムは、温度センサを備える。
温度センサは、燃料電池スタックの温度を検知する。燃料電池スタックの温度は、燃料電池スタックの冷却用流体出口マニホールド付近の冷却用流体の温度であってもよい。
温度センサは、制御部と電気的に接続される。制御部は、温度センサによって取得された燃料電池スタックの温度を検知する。
温度センサは、従来公知の電圧計等を用いることができる。
The fuel cell system includes a temperature sensor.
The temperature sensor detects the temperature of the fuel cell stack. The temperature of the fuel cell stack may be the temperature of a cooling fluid near a cooling fluid outlet manifold of the fuel cell stack.
The temperature sensor is electrically connected to the control unit. The control unit detects the temperature of the fuel cell stack obtained by the temperature sensor.
A conventionally known voltmeter or the like can be used as the temperature sensor.

燃料電池システムは、電圧センサを備える。
電圧センサは、燃料電池スタックの電圧を検知する。
電圧センサは、制御部と電気的に接続される。制御部は、電圧センサによって取得された燃料電池スタックの電圧を検知する。
電圧センサは、従来公知の電圧計等を用いることができる。
The fuel cell system includes a voltage sensor.
The voltage sensor detects the voltage of the fuel cell stack.
The voltage sensor is electrically connected to the control unit. The control unit detects the voltage of the fuel cell stack acquired by the voltage sensor.
As the voltage sensor, a conventionally known voltmeter or the like can be used.

燃料電池システムは、電流センサを備える。
電流センサは、燃料電池スタックの電流を検知する。
電流センサは、制御部と電気的に接続される。制御部は、電流センサによって取得された燃料電池スタックの電流を検知する。
電流センサは、従来公知の電流計等を用いることができる。
The fuel cell system includes a current sensor.
The current sensor detects the current in the fuel cell stack.
The current sensor is electrically connected to the control unit. The control unit detects the current of the fuel cell stack acquired by the current sensor.
A conventionally known ammeter or the like can be used as the current sensor.

燃料電池システムは、流量センサを備える。
流量センサは、燃料電池スタックに流れる酸化剤ガス及び燃料ガスの流量を検知する。
流量センサは、制御部と電気的に接続される。制御部は、流量センサによって取得された燃料電池スタックの流量を検知する。
流量センサは、従来公知の流量計等を用いることができる。
The fuel cell system includes a flow sensor.
The flow rate sensor detects the flow rate of the oxidant gas and fuel gas flowing into the fuel cell stack.
The flow rate sensor is electrically connected to the control unit. The control unit detects the flow rate of the fuel cell stack obtained by the flow rate sensor.
As the flow rate sensor, a conventionally known flow meter or the like can be used.

燃料電池システムは、必要に応じて湿度センサを備えていてもよい。
湿度センサは、燃料電池スタック内の湿度を検知する。
湿度センサは、制御部と電気的に接続される。制御部は、湿度センサによって取得された燃料電池スタック内の湿度を検知する。
湿度センサは、従来公知の湿度計等を用いることができる。
The fuel cell system may be equipped with a humidity sensor if necessary.
The humidity sensor detects humidity within the fuel cell stack.
The humidity sensor is electrically connected to the control unit. The control unit detects humidity within the fuel cell stack acquired by the humidity sensor.
As the humidity sensor, a conventionally known hygrometer or the like can be used.

燃料電池システムは、燃料ガス系を備える。
燃料ガス系は、燃料電池に燃料ガスを供給する。
燃料ガス系は燃料ガス供給部、燃料ガス供給流路、燃料オフガス排出流路、燃料ガス循環流路等を備えていてもよい。
燃料ガス供給部は、燃料ガスを燃料電池のアノードに供給する。
燃料ガス供給部としては、例えば、燃料タンク等が挙げられ、具体的には、液体水素タンク、及び、圧縮水素タンク等が挙げられる。
燃料ガス供給部は、制御部と電気的に接続される。燃料ガス供給部は、制御部からの制御信号に従って、燃料ガス供給部の主止弁の開閉が制御されることにより燃料ガスの燃料電池への供給のON/OFFが制御されてもよい。
燃料ガス供給流路は、燃料ガス供給部と燃料電池のアノード入口とを接続する。燃料ガス供給流路は、燃料電池のアノードへの燃料ガスの供給を可能にする。アノード入口は、燃料ガス供給孔、アノード入口マニホールド等であってもよい。
燃料オフガス排出流路は、燃料電池のアノード出口と燃料電池システムの外部とを接続する。燃料オフガス排出流路は、酸化剤オフガス排出流路の所定の領域で酸化剤オフガス排出流路と合流してもよい。アノード出口は、燃料ガス排出孔、アノード出口マニホールド等であってもよい。
燃料オフガス排出流路は、排水バルブ(掃気バルブ)を有していてもよい。
排水バルブは、制御部と電気的に接続され、制御部によって排水バルブの開閉が制御されることにより、外部への排水量を制御してもよい。
燃料オフガスは、アノードにおいて未反応のまま通過した燃料ガス及び、カソードで生成した生成水がアノードに到達した水分等を含んでいてもよい。燃料オフガスは、触媒層及び電解質膜等で生成した腐食物質等を含む場合がある。
燃料ガス循環流路は、燃料オフガス排出流路の分岐部で燃料オフガス排出流路から分岐し、燃料ガス供給流路の合流部で、燃料ガス供給流路と合流し、燃料オフガスを循環ガスとして燃料ガス系内で循環させることを可能にする。燃料オフガス排出流路の分岐部に燃料オフガスの外部への排出流量と燃料ガス系内での循環流量を制御可能な排出・循環制御三方弁を配置してもよい。排出循環制御三方弁は制御部と電気的に接続され、制御部によって排出・循環制御三方弁の開閉及び開度が制御されることにより、燃料オフガスの外部への排出流量と燃料ガス系内での循環流量を制御してもよい。
The fuel cell system includes a fuel gas system.
The fuel gas system supplies fuel gas to the fuel cell.
The fuel gas system may include a fuel gas supply section, a fuel gas supply channel, a fuel off-gas discharge channel, a fuel gas circulation channel, and the like.
The fuel gas supply section supplies fuel gas to the anode of the fuel cell.
Examples of the fuel gas supply section include a fuel tank, and specifically, a liquid hydrogen tank, a compressed hydrogen tank, and the like.
The fuel gas supply section is electrically connected to the control section. The fuel gas supply section may control ON/OFF of the supply of fuel gas to the fuel cell by controlling the opening and closing of a main stop valve of the fuel gas supply section according to a control signal from the control section.
The fuel gas supply channel connects the fuel gas supply section and the anode inlet of the fuel cell. The fuel gas supply channel enables the supply of fuel gas to the anode of the fuel cell. The anode inlet may be a fuel gas supply hole, an anode inlet manifold, or the like.
The fuel off-gas exhaust channel connects the anode outlet of the fuel cell and the outside of the fuel cell system. The fuel off-gas exhaust passage may merge with the oxidant off-gas exhaust passage at a predetermined region of the oxidant off-gas exhaust passage. The anode outlet may be a fuel gas exhaust hole, an anode outlet manifold, or the like.
The fuel off-gas discharge channel may include a drainage valve (scavenging valve).
The drain valve may be electrically connected to the control unit, and the control unit may control opening and closing of the drain valve to control the amount of water drained to the outside.
The fuel off-gas may include fuel gas that has passed unreacted at the anode, water generated at the cathode, and water that has reached the anode. The fuel off-gas may contain corrosive substances generated in the catalyst layer, electrolyte membrane, and the like.
The fuel gas circulation flow path branches from the fuel off-gas discharge flow path at the branching point of the fuel off-gas discharge flow path, merges with the fuel gas supply flow path at the confluence of the fuel gas supply flow path, and uses the fuel off-gas as a circulating gas. Allows for circulation within the fuel gas system. A three-way discharge/circulation control valve that can control the flow rate of discharge of the fuel off-gas to the outside and the flow rate of circulation within the fuel gas system may be disposed at a branch part of the fuel off-gas discharge flow path. The discharge circulation control three-way valve is electrically connected to the control unit, and the control unit controls the opening/closing and opening degree of the discharge/circulation control three-way valve, thereby controlling the discharge flow rate of fuel off-gas to the outside and the flow rate within the fuel gas system. The circulating flow rate may be controlled.

燃料電池システムは、酸化剤ガス系を備える。
酸化剤ガス系は、酸化剤ガス供給部、酸化剤ガス供給流路、酸化剤ガス排出流路、酸化剤ガスバイパス流路、バイパス弁等を備えていてもよい。酸化剤ガス供給流路、酸化剤ガス排出流路、酸化剤ガスバイパス流路は、具体的には配管であってもよい。
酸化剤ガス供給部は、燃料電池に酸化剤ガスを供給する。具体的には、酸化剤ガス供給部は、燃料電池のカソードに酸化剤ガスを供給する。
酸化剤ガス系の密閉体積は燃料ガス系の密閉体積の5倍以下であってもよい。
The fuel cell system includes an oxidant gas system.
The oxidizing gas system may include an oxidizing gas supply section, an oxidizing gas supply channel, an oxidizing gas discharge channel, an oxidizing gas bypass channel, a bypass valve, and the like. Specifically, the oxidant gas supply channel, the oxidant gas discharge channel, and the oxidant gas bypass channel may be pipes.
The oxidizing gas supply unit supplies oxidizing gas to the fuel cell. Specifically, the oxidizing gas supply section supplies oxidizing gas to the cathode of the fuel cell.
The sealed volume of the oxidant gas system may be 5 times or less the sealed volume of the fuel gas system.

酸化剤ガス供給部としては、例えば、エアポンプ、エアコンプレッサ、エアブロワー、エアファン等が挙げられる。
酸化剤ガス供給部は、酸化剤ガス供給流路の燃料電池よりも上流に配置されていてもよい。
酸化剤ガス供給部は、制御部と電気的に接続される。酸化剤ガス供給部は、制御部からの制御信号に従って駆動される。酸化剤ガス供給部は、制御部によって酸化剤ガス供給部から燃料電池のカソードに供給される酸化剤ガスの流量及び圧力の内の少なくとも一方を制御されてもよい。
Examples of the oxidizing gas supply unit include an air pump, an air compressor, an air blower, and an air fan.
The oxidizing gas supply section may be arranged upstream of the fuel cell in the oxidizing gas supply channel.
The oxidant gas supply section is electrically connected to the control section. The oxidant gas supply section is driven according to a control signal from the control section. In the oxidant gas supply section, at least one of the flow rate and pressure of the oxidant gas supplied from the oxidant gas supply section to the cathode of the fuel cell may be controlled by the control section.

酸化剤ガス供給流路は、酸化剤ガス供給部と燃料電池のカソード入口とを接続する。
酸化剤ガス供給流路は、酸化剤ガス供給部から燃料電池のカソードへの酸化剤ガスの供給を可能にする。カソード入口は、酸化剤ガス供給孔、カソード入口マニホールド等であってもよい。
酸化剤ガス供給流路には、酸化剤ガス供給部の上流に圧損体が設けられていてもよい。
圧損体としては、フィルター等が挙げられる。圧損体を設けることにより酸化剤ガス中の不純物を減らすことができ、燃料電池の耐久性を向上させることができる。
The oxidizing gas supply channel connects the oxidizing gas supply section and the cathode inlet of the fuel cell.
The oxidant gas supply channel enables the oxidant gas to be supplied from the oxidant gas supply section to the cathode of the fuel cell. The cathode inlet may be an oxidizing gas supply hole, a cathode inlet manifold, or the like.
The oxidizing gas supply channel may be provided with a pressure loss body upstream of the oxidizing gas supply section.
Examples of the pressure loss body include a filter and the like. By providing the pressure loss body, impurities in the oxidizing gas can be reduced, and the durability of the fuel cell can be improved.

酸化剤ガス排出流路は、燃料電池のカソード出口と燃料電池システムの外部とを接続する。酸化剤ガス排出流路は、燃料電池のカソードから排出される酸化剤ガスの燃料電池システムの外部への排出を可能にする。カソード出口は、酸化剤ガス排出孔、カソード出口マニホールド等であってもよい。
酸化剤ガス排出流路は、燃料電池のカソード出口の下流に酸化剤ガス圧力調整弁を有していてもよい。
酸化剤ガス圧力調整弁は、制御部と電気的に接続され、制御部によって酸化剤ガス圧力調整弁が開かれることにより、酸化剤ガスを酸化剤ガス排出流路から外部へ排出する。また、酸化剤ガス圧力調整弁の開度を調整することにより、カソードに供給される酸化剤ガス圧力(カソード圧力)を調整してもよい。
The oxidizing gas exhaust channel connects the cathode outlet of the fuel cell and the outside of the fuel cell system. The oxidizing gas discharge channel allows the oxidizing gas discharged from the cathode of the fuel cell to be discharged to the outside of the fuel cell system. The cathode outlet may be an oxidizing gas outlet, a cathode outlet manifold, or the like.
The oxidizing gas discharge channel may include an oxidizing gas pressure regulating valve downstream of the cathode outlet of the fuel cell.
The oxidizing gas pressure regulating valve is electrically connected to the control section, and when the oxidizing gas pressure regulating valve is opened by the control section, the oxidizing gas is discharged from the oxidizing gas discharge channel to the outside. Furthermore, the pressure of the oxidizing gas supplied to the cathode (cathode pressure) may be adjusted by adjusting the opening degree of the oxidizing gas pressure regulating valve.

酸化剤オフガス排出流路は、排水バルブ(掃気バルブ)を有していてもよい。
排水バルブは、制御部と電気的に接続され、制御部によって排水バルブの開閉が制御されることにより、外部への排水量を制御してもよい。
The oxidizing agent off-gas discharge channel may include a drainage valve (scavenging valve).
The drain valve may be electrically connected to the control unit, and the control unit may control opening and closing of the drain valve to control the amount of water drained to the outside.

酸化剤ガスバイパス流路は、酸化剤ガス供給流路から分岐し、燃料電池を迂回し、酸化剤ガス供給流路の分岐部と酸化剤ガス排出流路の合流部とを接続する。
酸化剤ガスバイパス流路には、バイパス弁が配置される。
バイパス弁は、制御部と電気的に接続され、制御部によってバイパス弁が開かれることにより、燃料電池への酸化剤ガスの供給が不要な場合に燃料電池を迂回して酸化剤ガスを酸化剤ガス排出流路から外部へ排出することができる。
The oxidant gas bypass flow path branches from the oxidant gas supply flow path, bypasses the fuel cell, and connects the branch portion of the oxidant gas supply flow path and the confluence portion of the oxidant gas discharge flow path.
A bypass valve is arranged in the oxidant gas bypass flow path.
The bypass valve is electrically connected to the control unit, and when the control unit opens the bypass valve, the fuel cell is bypassed and the oxidant gas is supplied to the fuel cell. The gas can be discharged to the outside from the gas discharge channel.

また、燃料ガス供給流路と酸化剤ガス供給流路は合流流路を介して接続されていてもよい。合流流路にはパージバルブが設けられていてもよい。
パージバルブは、制御部と電気的に接続され、制御部によってパージバルブが開くことにより、酸化剤ガス供給部の酸化剤ガスをパージガスとして燃料ガス供給流路内に流入させるようになっていてもよい。
パージに用いられるパージガスは、窒素ガスであってもよく、酸化剤ガスであってもよく、これらのガスを含む混合ガスであってもよい。
Further, the fuel gas supply channel and the oxidizing gas supply channel may be connected via a converging channel. A purge valve may be provided in the merging channel.
The purge valve may be electrically connected to the control section, and when the purge valve is opened by the control section, the oxidant gas in the oxidant gas supply section may be caused to flow into the fuel gas supply channel as purge gas.
The purge gas used for purging may be nitrogen gas, oxidant gas, or a mixed gas containing these gases.

燃料電池システムは、冷却系を備える。
冷却系は、燃料電池の温度を調節する。
冷却系は、冷却用流体供給部、冷却用流体循環流路等を有し、必要に応じて、冷却用流体バイパス流路、及び冷却用流体用三方弁等を有していてもよい。
冷却用流体としては、低温時の凍結を防止するために例えばエチレングリコールと水との混合溶液等を用いることができ、その他、窒素ガス、空気等の気体を用いてもよい。
冷却用流体循環流路は、燃料電池に設けられる冷却用流体供給孔及び冷却用流体排出孔に連通し、冷却用流体供給部から供給される冷却用流体を燃料電池内外で循環させることを可能にする。
冷却用流体供給部は、制御部と電気的に接続される。冷却用流体供給部は、制御部からの制御信号に従って駆動される。冷却用流体供給部は、制御部によって冷却用流体供給部から燃料電池に供給される冷却用流体の流量を制御される。これにより燃料電池の温度が制御されてもよい。
冷却用流体供給部は、例えば、冷却水ポンプ等が挙げられる。
冷却用流体循環流路には、冷却用流体の熱を放熱するラジエータが設けられていてもよい。
冷却用流体循環流路には、冷却用流体を蓄えるリザーブタンクが設けられていてもよい。
The fuel cell system includes a cooling system.
The cooling system regulates the temperature of the fuel cell.
The cooling system includes a cooling fluid supply section, a cooling fluid circulation channel, and the like, and may include a cooling fluid bypass channel, a cooling fluid three-way valve, and the like, as necessary.
As the cooling fluid, for example, a mixed solution of ethylene glycol and water can be used to prevent freezing at low temperatures, and other gases such as nitrogen gas and air may also be used.
The cooling fluid circulation channel communicates with a cooling fluid supply hole and a cooling fluid discharge hole provided in the fuel cell, and enables the cooling fluid supplied from the cooling fluid supply section to circulate inside and outside the fuel cell. Make it.
The cooling fluid supply section is electrically connected to the control section. The cooling fluid supply section is driven according to a control signal from the control section. In the cooling fluid supply section, the flow rate of the cooling fluid supplied from the cooling fluid supply section to the fuel cell is controlled by the control section. This may control the temperature of the fuel cell.
Examples of the cooling fluid supply section include a cooling water pump.
The cooling fluid circulation channel may be provided with a radiator that radiates heat from the cooling fluid.
The cooling fluid circulation channel may be provided with a reserve tank that stores the cooling fluid.

冷却用流体バイパス流路は、冷却用流体用三方弁を介して冷却用流体流路から分岐し、且つ、燃料電池を迂回して冷却器に連通し、冷却用流体流路の下流の冷却用流体流路合流部で冷却用流体流路と合流する。冷却用流体バイパス流路は、冷却用流体を冷却器内外で循環させることを可能にする。
冷却用流体バイパス流路は、冷却用流体を加温するヒータを備えていてもよい。
冷却用流体用三方弁は、冷却用流体流路から冷却用流体バイパス流路への冷却用流体の供給を制御することを可能にする。冷却用流体用三方弁は、制御部と電気的に接続される。制御部は、冷却用流体用三方弁の開閉を制御する。
The cooling fluid bypass flow path branches from the cooling fluid flow path via the cooling fluid three-way valve, bypasses the fuel cell, communicates with the cooler, and connects to the cooling fluid flow path downstream of the cooling fluid flow path. It merges with the cooling fluid flow path at the fluid flow path merging section. The cooling fluid bypass flow path allows cooling fluid to be circulated in and out of the cooler.
The cooling fluid bypass flow path may include a heater that heats the cooling fluid.
The three-way cooling fluid valve makes it possible to control the supply of cooling fluid from the cooling fluid channel to the cooling fluid bypass channel. The cooling fluid three-way valve is electrically connected to the control unit. The control unit controls opening and closing of the cooling fluid three-way valve.

燃料電池システムは、加湿器を備えていてもよい。
加湿器は、例えばバブリング式加湿器であってもよい。
加湿器は、酸化剤ガス系及び燃料ガス系の内の少なくとも一方に配置されていてもよい。
また、加湿器は、酸化剤ガス系の酸化剤ガス供給流路と酸化剤オフガス排出流路に跨って配置されていてもよい。この場合、加湿器は、例えば水透過膜を備えていてもよい。水透過膜を酸化剤ガス供給流路と酸化剤オフガス排出流路との間の領域に配置して、酸化剤ガスと酸化剤オフガスを加湿器内に流通させることにより、酸化剤オフガスに含まれる水分が水透過膜を透過して酸化剤ガスに移動し、酸化剤ガスが加湿される。
The fuel cell system may include a humidifier.
The humidifier may be, for example, a bubbling type humidifier.
The humidifier may be placed in at least one of the oxidant gas system and the fuel gas system.
Further, the humidifier may be disposed across the oxidant gas supply channel and the oxidant off-gas discharge channel. In this case, the humidifier may be equipped with a water-permeable membrane, for example. By arranging the water permeable membrane in the area between the oxidant gas supply channel and the oxidant off gas discharge channel and allowing the oxidant gas and oxidant off gas to flow through the humidifier, the water contained in the oxidant off gas can be removed. Moisture passes through the water-permeable membrane and moves to the oxidizing gas, humidifying the oxidizing gas.

酸化剤ガス系は、酸化剤ガス供給流路の酸化剤ガス供給部の下流且つ加湿器の上流に冷却器(インタークーラ)を備えていてもよい。
冷却器は、冷却系の冷却用流体を冷却器内外で循環させることにより冷却機能を発現するものであってもよい。
The oxidizing gas system may include a cooler (intercooler) downstream of the oxidizing gas supply section of the oxidizing gas supply channel and upstream of the humidifier.
The cooler may exhibit a cooling function by circulating the cooling fluid of the cooling system inside and outside the cooler.

燃料電池システムは、バッテリを備えていてもよい。
バッテリ(二次電池)は、充放電可能なものであればよく、例えば、ニッケル水素二次電池、及び、リチウムイオン二次電池等の従来公知の二次電池が挙げられる。また、二次電池は、電気二重層コンデンサ等の蓄電素子を含むものであってもよい。二次電池は、複数個を直列に接続した構成であってもよい。二次電池は、エアコンプレッサ等に電力を供給する。二次電池は、例えば、家庭用電源等の車両等の移動体の外部の電源から充電可能になっていてもよい。二次電池は、燃料電池の出力により充電されてもよい。二次電池の充放電は、制御部によって制御されてもよい。
The fuel cell system may include a battery.
The battery (secondary battery) may be anything that can be charged and discharged, and includes conventionally known secondary batteries such as a nickel-metal hydride secondary battery and a lithium ion secondary battery. Further, the secondary battery may include a power storage element such as an electric double layer capacitor. A plurality of secondary batteries may be connected in series. The secondary battery supplies power to an air compressor and the like. The secondary battery may be rechargeable, for example, from a power source external to a mobile object such as a vehicle, such as a household power source. The secondary battery may be charged by the output of the fuel cell. Charging and discharging of the secondary battery may be controlled by a control unit.

燃料電池システムは、データ記憶部を備える。
データ記憶部は、触媒の温度劣化率と触媒の湿度劣化率とを記憶する。
データ記憶部は、公知の記憶媒体を適宜採用することができる。
触媒の温度劣化率は、例えば図2に示すようなデータ群であってもよい。
触媒の湿度劣化率は、例えば図3に示すようなデータ群であってもよい。
The fuel cell system includes a data storage unit.
The data storage unit stores the temperature deterioration rate of the catalyst and the humidity deterioration rate of the catalyst.
The data storage section can appropriately employ a known storage medium.
The temperature deterioration rate of the catalyst may be a data group as shown in FIG. 2, for example.
The humidity deterioration rate of the catalyst may be a data group as shown in FIG. 3, for example.

燃料電池システムは、制御部を備える。
制御部は、物理的には、例えば、CPU(中央演算処理装置)等の演算処理装置と、CPUで処理される制御プログラム及び制御データ等を記憶するROM(リードオンリーメモリー)、並びに、主として制御処理のための各種作業領域として使用されるRAM(ランダムアクセスメモリー)等の記憶装置と、入出力インターフェースとを有するものである。また、制御部は、例えば、電子制御ユニット(ECU:Electronic Control Unit)等の制御装置であってもよい。
制御部は、車両等の移動体に搭載されていてもよいイグニッションスイッチと電気的に接続されていてもよい。制御部はイグニッションスイッチが切られていても外部電源により動作可能であってもよい。
The fuel cell system includes a control section.
Physically, the control unit includes, for example, an arithmetic processing unit such as a CPU (central processing unit), a ROM (read only memory) that stores control programs and control data processed by the CPU, and mainly a control unit. It has a storage device such as a RAM (random access memory) used as various work areas for processing, and an input/output interface. Further, the control unit may be, for example, a control device such as an electronic control unit (ECU).
The control unit may be electrically connected to an ignition switch that may be mounted on a moving object such as a vehicle. The control unit may be operable by an external power source even when the ignition switch is turned off.

制御部は、燃料電池スタック内の現在の湿度を湿度センサ、湿度算出データ等から検知し、燃料電池スタック内の湿度が所定の規定値αを超えるか否か判定する。
湿度の測定は、湿度算出データと温度センサ、電圧センサ、電流センサ、流量センサを準備して行ってもよい。湿度は温度と電流と電圧とガス供給量から事前に生成水量をデータマップ化しておいて、これらを照らし合わせて湿度を算出し湿度算出データとしてもよい。
また、燃料電池スタックのカソード出口マニホールド付近等に湿度センサを配置して湿度を測定してもよい。
判定のための制御機構としては、燃料ガス系又は酸化剤ガス系のいずれかに判定後ONスイッチと制御機構(バブリング式加湿器等)等を有していてもよい。燃料ガス系及び酸化剤ガス系の両方に判定後ONスイッチと制御機構(バブリング式加湿器等)を有していてもよい。
判定は、燃料電池の運転時に常時行ってもよく、一定の間隔を空けて行ってもよい。
The control unit detects the current humidity within the fuel cell stack from a humidity sensor, humidity calculation data, etc., and determines whether the humidity within the fuel cell stack exceeds a predetermined specified value α.
Humidity measurement may be performed by preparing humidity calculation data, a temperature sensor, a voltage sensor, a current sensor, and a flow rate sensor. The humidity may be determined by creating a data map of the amount of generated water in advance from the temperature, current, voltage, and gas supply amount, and comparing these data to calculate the humidity and use it as humidity calculation data.
Alternatively, a humidity sensor may be placed near the cathode outlet manifold of the fuel cell stack to measure humidity.
As a control mechanism for determination, either the fuel gas system or the oxidant gas system may have a post-determination ON switch, a control mechanism (bubbling type humidifier, etc.), and the like. Both the fuel gas system and the oxidizing gas system may have a post-judgment ON switch and a control mechanism (bubbling type humidifier, etc.).
The determination may be made constantly during operation of the fuel cell, or may be made at regular intervals.

制御部は、燃料電池スタック内の湿度が所定の規定値αを超えるときに燃料電池スタックの温度を上昇させる。燃料電池スタック内の湿度が所定の規定値α以下のときは、制御を終了する。
温度上昇のためには、ヒータ、及び、冷却用流体等を備える冷却系を用いればよく、燃料電池スタックの冷却用流体出口マニホールド付近に温度センサ等を配置して温度を制御してもよい。
The control unit increases the temperature of the fuel cell stack when the humidity within the fuel cell stack exceeds a predetermined regulation value α. When the humidity within the fuel cell stack is below a predetermined specified value α, the control is terminated.
To increase the temperature, a cooling system including a heater, a cooling fluid, etc. may be used, and a temperature sensor or the like may be placed near the cooling fluid outlet manifold of the fuel cell stack to control the temperature.

制御部は、燃料電池スタック内の現在の温度を温度センサから検知し、燃料電池スタック内の現在の湿度を湿度センサ、湿度算出データ等から検知し、当該温度と湿度をデータ記憶部が記憶した触媒の温度劣化率と触媒の湿度劣化率と照らし合わせて、燃料電池スタック内の現在の温度での温度劣化率が、燃料電池スタック内の現在の湿度での湿度劣化率より大きいか否か判定する。燃料電池スタック内の現在の温度での温度劣化率が、燃料電池スタック内の現在の湿度での湿度劣化率以下の場合は、制御部は、燃料電池スタックの温度をさらに上昇させる。
制御部は、燃料電池スタック内の現在の温度での温度劣化率が、燃料電池スタック内の現在の湿度での湿度劣化率より大きく、且つ、燃料電池スタック内の現在の湿度が所定の規定値αを超えるときに掃気を行う。燃料電池スタック内の湿度が所定の規定値α以下のときは、制御を終了する。
判定データとしては図2、図3等のデータをデータ記憶部が記憶しておいてもよい。
掃気のためには、掃気バルブと、必要に応じて排水量を制御するために流量センサ等を系内に配置してもよい。
The control unit detects the current temperature inside the fuel cell stack from the temperature sensor, detects the current humidity inside the fuel cell stack from the humidity sensor, humidity calculation data, etc., and stores the temperature and humidity in the data storage unit. Compare the temperature deterioration rate of the catalyst and the humidity deterioration rate of the catalyst to determine whether the temperature deterioration rate at the current temperature inside the fuel cell stack is greater than the humidity deterioration rate at the current humidity inside the fuel cell stack. do. If the temperature deterioration rate at the current temperature within the fuel cell stack is less than or equal to the humidity deterioration rate at the current humidity within the fuel cell stack, the control unit further increases the temperature of the fuel cell stack.
The control unit is configured such that the temperature deterioration rate at the current temperature within the fuel cell stack is greater than the humidity deterioration rate at the current humidity within the fuel cell stack, and the current humidity within the fuel cell stack is at a predetermined specified value. Scavenging is performed when α is exceeded. When the humidity within the fuel cell stack is below a predetermined specified value α, the control is terminated.
The data storage unit may store data such as those shown in FIGS. 2 and 3 as the determination data.
For scavenging, a scavenging valve and, if necessary, a flow rate sensor or the like may be placed in the system to control the amount of water discharged.

Claims (1)

燃料電池スタック、温度センサ、電圧センサ、電流センサ、流量センサ、燃料ガス系、酸化剤ガス系、冷却系、データ記憶部、制御部を備え、
前記燃料電池スタックは、複数の単セルを積層したセル積層体であり、
前記単セルは、膜電極ガス拡散層接合体を有し、
前記膜電極ガス拡散層接合体は、カソード側ガス拡散層、カソード触媒層、電解質膜、アノード触媒層、アノード側ガス拡散層を有し、
前記カソード触媒層、及び、前記アノード触媒層は、触媒として白金及び白金合金の内の少なくとも一方と、プロトン伝導性を有する電解質と、を含み、
前記データ記憶部は、前記触媒の温度劣化率と前記触媒の湿度劣化率とを記憶し、
前記制御部は、前記燃料電池スタック内の湿度が所定の規定値αを超えるときに前記燃料電池スタックの温度を上昇させ、
前記制御部は、前記燃料電池スタック内の現在の温度での前記温度劣化率が、前記燃料電池スタック内の現在の湿度での前記湿度劣化率より大きく、且つ、前記燃料電池スタック内の現在の湿度が前記所定の規定値αを超えるときに掃気を行う燃料電池システム。
Equipped with a fuel cell stack, temperature sensor, voltage sensor, current sensor, flow rate sensor, fuel gas system, oxidant gas system, cooling system, data storage unit, and control unit.
The fuel cell stack is a cell stack in which a plurality of single cells are stacked,
The single cell has a membrane electrode gas diffusion layer assembly,
The membrane electrode gas diffusion layer assembly includes a cathode gas diffusion layer, a cathode catalyst layer, an electrolyte membrane, an anode catalyst layer, and an anode gas diffusion layer,
The cathode catalyst layer and the anode catalyst layer include at least one of platinum and a platinum alloy as a catalyst, and an electrolyte having proton conductivity,
The data storage unit stores a temperature deterioration rate of the catalyst and a humidity deterioration rate of the catalyst,
The control unit increases the temperature of the fuel cell stack when the humidity within the fuel cell stack exceeds a predetermined specified value α;
The control unit is configured such that the temperature deterioration rate at the current temperature in the fuel cell stack is greater than the humidity deterioration rate at the current humidity in the fuel cell stack, and A fuel cell system that performs scavenging when humidity exceeds the predetermined specified value α.
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