JPH0896825A - Fuel cell power generating system - Google Patents

Fuel cell power generating system

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JPH0896825A
JPH0896825A JP6233190A JP23319094A JPH0896825A JP H0896825 A JPH0896825 A JP H0896825A JP 6233190 A JP6233190 A JP 6233190A JP 23319094 A JP23319094 A JP 23319094A JP H0896825 A JPH0896825 A JP H0896825A
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JP
Japan
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fuel cell
reaction gas
fuel
voltage
time
Prior art date
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Application number
JP6233190A
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Japanese (ja)
Inventor
Tsutomu Aoki
努 青木
Takeshi Kuwabara
武 桑原
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
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Publication of JPH0896825A publication Critical patent/JPH0896825A/en
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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Abstract

PURPOSE: To operate a fuel cell power generating system at the optimum utilization factor of reaction gas so as to prevent accelerated cell performance deterioration caused by reaction gas diffusion failure and remarkably reduce cell performance deterioration. CONSTITUTION: Load current and voltage of a fuel cell 10 are measured with a measuring device 16, and the measured load current and voltage are recorded as a change with time by corresponding them to operation time. The change with time is compared with change with time of catalyst itself of the fuel cell 10 caused by deterioration, and the condition of the fuel cell 10 is evaluated with a record evaluation device 17. On a basis of the evaluated results, flow rates of fuel and air are controlled with a flow rate control device 18.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池本体を安定に
かつ信頼性高く運転するための燃料電池発電装置に関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell power generator for stably and reliably operating a fuel cell body.

【0002】[0002]

【従来の技術】燃料電池は、燃料の有している化学的エ
ネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置である。
この燃料電池の構造は、通常電解質を挟んで一対の多孔
質電極を配置している。その電気出力の取り出し方法
は、一対の電極のうち一方の電極に水素等の気体燃料を
接触させ、他方の電極に酸素等の酸化剤を接触させるこ
とによって起こる電気化学的反応により、一対の電極間
から電気エネルギーを取り出すようにしている。
2. Description of the Related Art A fuel cell is a device for directly converting the chemical energy of fuel into electrical energy.
In the structure of this fuel cell, a pair of porous electrodes are usually arranged with an electrolyte in between. The method of extracting the electric output is that one of the pair of electrodes is brought into contact with a gas fuel such as hydrogen and the other electrode is brought into contact with an oxidant such as oxygen, and the electrochemical reaction occurs, whereby the pair of electrodes is I try to extract electrical energy from the space.

【0003】なお、燃料電池から電気エネルギーを得る
のに必要な燃料及び酸化剤のことを総称して反応ガスと
称することにする。一対の電極により挟まれた電解質と
しては、溶融炭酸塩、アルカリ溶液、酸性溶液、高分子
膜等があるが、燃料電池として代表的なリン酸を電解質
とする燃料電池の原理を説明する。
The fuel and oxidant necessary to obtain electric energy from the fuel cell will be generically referred to as a reaction gas. The electrolyte sandwiched by the pair of electrodes includes a molten carbonate, an alkaline solution, an acidic solution, a polymer membrane, and the like. The principle of a fuel cell using phosphoric acid as an electrolyte as a typical fuel cell will be described.

【0004】図6は燃料電池を構成する単位電池の構成
図である。電解質層は、マトリックス層1と称し、繊維
質シート又はシリコンカーバイド等の鉱物質粉末をポリ
テトラフルオロエチレン(PTFE)に代表される結着
剤を使って成形されたものである。
FIG. 6 is a block diagram of a unit cell constituting a fuel cell. The electrolyte layer is referred to as the matrix layer 1, and is formed by molding a mineral powder such as a fibrous sheet or silicon carbide using a binder represented by polytetrafluoroethylene (PTFE).

【0005】このマトリックス層1は、1ミクロン以下
から凡そ10ミクロンに及ぶ孔から成る多孔質体で、電
解質であるリン酸を保持する機能を果たす。アノード極
2及びカソード極3は、炭素質の多孔性電極である。こ
れらアノード極2及びカソード極3は、反応に必要な反
応ガスを電極内に効率よく拡散させるために多孔質構造
を有している。
The matrix layer 1 is a porous body composed of pores ranging from 1 micron or less to approximately 10 microns, and has a function of retaining phosphoric acid as an electrolyte. The anode electrode 2 and the cathode electrode 3 are carbonaceous porous electrodes. The anode electrode 2 and the cathode electrode 3 have a porous structure in order to efficiently diffuse the reaction gas necessary for the reaction into the electrode.

【0006】又、これらこれらアノード極2及びカソー
ド極3は、反応を促進するための触媒を有しており、マ
トリックス層1に接する面に、通常カーボン粉末を白金
を担持した触媒を塗布して触媒層4、5が形成されてい
る。
Further, these anode electrode 2 and cathode electrode 3 have a catalyst for accelerating the reaction, and the surface in contact with the matrix layer 1 is usually coated with a catalyst having platinum supported on carbon powder. The catalyst layers 4 and 5 are formed.

【0007】燃料電池の反応には、反応ガス、電解質、
触媒の3つが必要である。各触媒層4、5内では、反応
ガスとリン酸と触媒の気、液、固からなる通称三相界面
が形成され、燃料電池に必要な電気化学的な反応はここ
で進行する。
In the reaction of the fuel cell, a reaction gas, an electrolyte,
Three of the catalysts are needed. In each of the catalyst layers 4 and 5, a so-called three-phase interface composed of the reaction gas, phosphoric acid, and the gas, liquid, and solid of the catalyst is formed, and the electrochemical reaction necessary for the fuel cell proceeds here.

【0008】燃料流路6は水素を含む反応ガスの経路と
なる溝であり、空気流路7は酸化剤の経路となる溝であ
る。燃料又は酸化剤は、それぞれの流路6、7を流れ、
多孔質構造の各電極2、3内を拡散し、各触媒層4、5
内に形成された三相界面に到達して反応が進行する。
The fuel flow path 6 is a groove that serves as a path for a reaction gas containing hydrogen, and the air flow path 7 is a groove that serves as a path for an oxidant. The fuel or oxidant flows through the respective flow paths 6, 7,
Each of the catalyst layers 4, 5 diffuses in each of the electrodes 2, 3 having a porous structure.
The reaction proceeds by reaching the three-phase interface formed inside.

【0009】燃料中の水素は、アノード極2の空孔内を
拡散して、アノード側の触媒層4内に形成された三相界
面に達する。ここで、水素ガスは、水素イオンと電子に
触媒の作用で解離する。
Hydrogen in the fuel diffuses in the holes of the anode 2 and reaches the three-phase interface formed in the catalyst layer 4 on the anode side. Here, hydrogen gas is dissociated into hydrogen ions and electrons by the action of a catalyst.

【0010】反応式は、 H2 →2H+ +2e …(1) である。The reaction formula is H 2 → 2H + + 2e (1)

【0011】水素イオンは、リン酸を保持したマトリッ
クス層1中を移動し、カソード極3側の触媒層5内に形
成された三相界面に達する。一方、水素ガスの解離によ
り分離した電子は、アノード極2から外部回路を流れ、
電力負荷を通って仕事をし、カソード極3内の三相界面
に到達する。
Hydrogen ions move in the matrix layer 1 holding phosphoric acid and reach the three-phase interface formed in the catalyst layer 5 on the cathode 3 side. On the other hand, the electrons separated by the dissociation of hydrogen gas flow from the anode 2 to the external circuit,
Work through the power load and reach the three-phase interface in the cathode 3.

【0012】カソード極3側の触媒層5内に形成された
三相界面では、アノード極2からマトリックス層1中を
通って移動してきた水素イオンと、酸化剤として空気流
路7からカソード極3内を拡散してきた酸素と、外部回
路で仕事をしてきた電子の三者が、カソード極3側の触
媒層5内に形成された三相界面で、 4H+4e+O2 →2H2 O …(2) の反応が進む。
At the three-phase interface formed in the catalyst layer 5 on the cathode electrode 3 side, the hydrogen ions that have moved from the anode electrode 2 through the matrix layer 1 and the air flow path 7 to the cathode electrode 3 as an oxidant. Oxygen that has diffused inside and electrons that have worked in the external circuit are three-phase interfaces formed in the catalyst layer 5 on the cathode electrode 3 side, and the 4H + 4e + O 2 → 2H 2 O (2) The reaction proceeds.

【0013】かくして、水素が酸化されて水になる反応
と、このときの化学的エネルギーが電気エネルギーに変
換され、電池として、外部の電気負荷中で電気エネルギ
ーを与える全反応が完成する。
Thus, the reaction in which hydrogen is oxidized to water and the chemical energy at this time is converted into electric energy, and the entire reaction of giving electric energy in an external electric load as a battery is completed.

【0014】通常、燃料電池は、上記の単位電池を複数
積層して構成されている。通常この電池積層体をスタッ
クと称している。積層するに際して、単位電池は、各単
位電池間の電気的接続経路を確保すると共に、燃料流路
6と空気流路7とを分離するためのセパレータが必要と
なる。
Generally, a fuel cell is constructed by stacking a plurality of the above unit cells. This battery stack is usually called a stack. When stacking, the unit cells require a separator for ensuring an electrical connection path between the unit cells and for separating the fuel flow path 6 and the air flow path 7.

【0015】このセパレータは、一般に炭素材からなる
薄いガス不透過性の平板であるが、電池構造によって
は、セパレータに溝を有するもの、セパレータにリン酸
を蓄える機能を有するもの、及びその両方を兼ね備えて
いるものである。
This separator is generally a thin gas-impermeable flat plate made of a carbon material, but depending on the battery structure, one having a groove in the separator, one having a function of storing phosphoric acid in the separator, or both of them. It has both.

【0016】これらは、燃料電池の長寿命化を考慮した
構造の違いによるものである。スタックには、燃料流路
6及び空気流路7のそれぞれに反応ガスを流すためのガ
スマニホールドが取り付けられ、各々の反応ガスを各単
位電池全てに均等に供給できる構造となっている。
[0016] These are due to the difference in structure in consideration of extending the life of the fuel cell. A gas manifold for flowing a reaction gas to each of the fuel flow path 6 and the air flow path 7 is attached to the stack, and has a structure capable of uniformly supplying each reaction gas to each unit cell.

【0017】又、燃料、空気がその流路6、7を有する
各電極2、3のエッジ部から漏れて、お互いに混合する
のを防止するために、各電極2、3のエッジ部には、エ
ッジシールと称する各ガスシール8、9が備えられてい
る。
Further, in order to prevent fuel and air from leaking from the edge portions of the electrodes 2 and 3 having the flow paths 6 and 7 and mixing with each other, the edge portions of the electrodes 2 and 3 have , Gas seals 8 and 9 called edge seals are provided.

【0018】燃料電池発電装置では、通常スタックに供
給される反応ガスは、発電に必要な理論反応ガス量より
も多く流す。発電に必要な理論反応ガス量を、実際にス
タックに供給するガス量で除算した値を反応ガス利用率
という。
In the fuel cell power generator, the reaction gas usually supplied to the stack flows in a larger amount than the theoretical reaction gas amount required for power generation. The value obtained by dividing the theoretical amount of reaction gas required for power generation by the amount of gas actually supplied to the stack is called the reaction gas utilization rate.

【0019】燃料電池発電装置では、この余計に流す反
応ガスの量が少ない程、すなわち反応ガス利用率の高い
程、効率の高い装置となる。電池性能面からは、アノー
ド極2又はカソード極3の燃料又は空気の拡散性を高め
ることによって反応ガス利用率の向上が高められる。
In the fuel cell power generation device, the smaller the amount of the reaction gas flowing in excess, that is, the higher the reaction gas utilization rate, the higher the efficiency of the device. From the viewpoint of cell performance, improvement of the reaction gas utilization rate can be enhanced by increasing the diffusivity of fuel or air in the anode 2 or the cathode 3.

【0020】一方、運転面からは、常圧よりも加圧した
方が、反応ガスの分圧が上がり、高い反応ガス利用率で
の運転が可能となる。このように一般には、発電装置の
性能からスタックの反応ガス利用率が定められて運転さ
れている。
On the other hand, from the viewpoint of operation, when the pressure is higher than the normal pressure, the partial pressure of the reaction gas is increased, and the operation can be performed at a high reaction gas utilization rate. As described above, in general, the reaction gas utilization rate of the stack is determined and operated in accordance with the performance of the power generator.

【0021】[0021]

【発明が解決しようとする課題】燃料電池の電気的出力
効率は、電池の出力電圧の性能にもよるが、反応ガスの
利用率にもよる。この反応ガス利用率の高い程、電池の
効率も高くなる。ところで、燃料電池の反応は、触媒の
細孔を拡散してきた反応ガスが、触媒層4、5内の三相
界面で進む。
The electrical output efficiency of the fuel cell depends on the performance of the output voltage of the cell, but also on the utilization rate of the reaction gas. The higher the reaction gas utilization rate, the higher the efficiency of the battery. By the way, in the reaction of the fuel cell, the reaction gas that has diffused through the pores of the catalyst proceeds at the three-phase interface in the catalyst layers 4 and 5.

【0022】すなわち、反応点まで反応ガスが到達する
ためには、細孔内の拡散、リン酸への溶解、リン酸中の
拡散が必要であり、実際の三相界面は、触媒層4、5の
表面を覆った電解質膜と触媒の界面にある。
That is, in order for the reaction gas to reach the reaction point, diffusion in the pores, dissolution in phosphoric acid, and diffusion in phosphoric acid are necessary. The actual three-phase interface is the catalyst layer 4, 5 is at the interface between the electrolyte membrane covering the surface of 5 and the catalyst.

【0023】これは、反応ガスがリン酸に溶解する性質
を持っているためで、これによって本来の気体、液体、
固体からなる三相界面より大きな反応界面を持つことが
でき、優れた反応性を発揮することができる。
This is because the reaction gas has the property of being dissolved in phosphoric acid, which allows the original gas, liquid,
It is possible to have a reaction interface larger than the three-phase interface made of solid, and to exhibit excellent reactivity.

【0024】ところで、電解質であるリン酸は液体で、
アノード極2及びカソード極3は小さな孔からなる多孔
質体である。一般に、液体は小さな孔に浸透していく性
質を持っている。この浸透に働く力を毛管力という。こ
の毛管力は、小さな孔ほど強く、引き付ける力も大きい
が、その反面、小さな孔ほど浸透に時間を要する性質も
ある。
By the way, phosphoric acid as an electrolyte is a liquid,
The anode 2 and the cathode 3 are porous bodies having small holes. In general, liquid has the property of penetrating into small pores. The force that works for this penetration is called capillary force. The smaller the pores, the stronger the capillary force is, and the larger the force of attraction, but the smaller the pores, the more time it takes for permeation.

【0025】各触媒層4、5は、その際孔内に電解質が
余計に入らないように、液体をはじく撥水処理が施され
ている。各触媒層4、5は、この撥水性によって良好な
ガス拡散性を維持している。
Each of the catalyst layers 4 and 5 is subjected to a water repellent treatment for repelling the liquid so that the electrolyte does not excessively enter the pores at that time. The catalyst layers 4 and 5 maintain good gas diffusibility due to the water repellency.

【0026】一方、各触媒層4、5内では、三相界面を
大きくとることが反応促進のために要求されている。す
なわち、適量のリン酸浸透により、より大きな三相界面
を形成することが求められている。よって、リン酸を受
付けないほどの撥水性を各触媒層4、5に備えさせるわ
けにはいかない。
On the other hand, in each of the catalyst layers 4 and 5, a large three-phase interface is required to promote the reaction. That is, it is required to form a larger three-phase interface by permeating a proper amount of phosphoric acid. Therefore, it is impossible to provide the catalyst layers 4 and 5 with water repellency that does not accept phosphoric acid.

【0027】現在は、適度なリン酸による濡れ性をもっ
た触媒層4、5が開発され、触媒の能力を十分に引き出
せるようになっている。しかし、適度な濡れ性を維持
し、触媒のもつ能力を引き出し続けることのできね触媒
層4、5の開発まで至っていない。すなわち、触媒層
4、5は、適度な濡れ性を要求されているために、燃料
電池の運転とともに毛管力によるリン酸の浸透を許し、
触媒層4、5内の細孔がリン酸で埋まっていく。
At present, catalyst layers 4 and 5 having appropriate wettability with phosphoric acid have been developed so that the ability of the catalyst can be sufficiently brought out. However, the catalyst layers 4 and 5 have not been developed yet, because they can maintain appropriate wettability and can continue to bring out the ability of the catalyst. That is, since the catalyst layers 4 and 5 are required to have appropriate wettability, the permeation of phosphoric acid by the capillary force is allowed as the fuel cell is operated,
The pores in the catalyst layers 4 and 5 are filled with phosphoric acid.

【0028】図7は典型的な燃料電池の経時的な特性低
下曲線を示す。電池電圧の低下には、大きく分けて2つ
の要因がある。その1つは触媒自身の活性低下であり、
他の1つは触媒の濡れ進行による反応ガスの拡散不良に
伴う特性低下である。
FIG. 7 shows a characteristic deterioration curve of a typical fuel cell with time. The decrease in battery voltage is roughly divided into two factors. One of them is a decrease in the activity of the catalyst itself,
The other one is the deterioration of characteristics due to poor diffusion of the reaction gas due to the progress of wetting of the catalyst.

【0029】触媒層4、5において細孔は、前述したよ
うに反応ガスの拡散のために欠かせない孔である。反応
ガスの拡散性は、ガス状で反応点に進むのに比べ、溶解
して、液相内を拡散する方が、遥かに劣る。
The pores in the catalyst layers 4 and 5 are indispensable for diffusion of the reaction gas as described above. The diffusivity of the reaction gas is far inferior when it is dissolved and diffuses in the liquid phase, as compared with when it proceeds to the reaction point in a gaseous state.

【0030】これは、液相に溶解できるガス量は、ヘン
リーの法則に示されるように気相における溶解ガスの分
圧によって制限されている。言い換えると、前述した反
応ガスが反応点へ到達するまでの過程で、反応ガスのリ
ン酸への溶解及び拡散が全拡散速度を決めることにな
る。
This is because the amount of gas that can be dissolved in the liquid phase is limited by the partial pressure of the dissolved gas in the gas phase, as indicated by Henry's law. In other words, the total diffusion rate is determined by the dissolution and diffusion of the reaction gas into phosphoric acid in the process until the reaction gas reaches the reaction point.

【0031】従って、触媒相4、5の細孔がリン酸で埋
まることによって拡散不良となる。反応ガスは、リン酸
に溶解して拡散するため、拡散速度が抑えられる。とこ
ろで、この反応ガスの拡散不良は、燃料電池発電装置の
運転初期から発生するものでない。図7に示すように運
転を開始してから暫くは、触媒自身の劣化に伴う特性低
下が電池電圧の低下となる時間領域が続く。
Therefore, the pores of the catalyst phases 4 and 5 are filled with phosphoric acid, resulting in poor diffusion. Since the reaction gas is dissolved in phosphoric acid and diffused, the diffusion rate is suppressed. By the way, this poor diffusion of the reaction gas does not occur from the initial operation of the fuel cell power generator. As shown in FIG. 7, for a while after the operation is started, the time range in which the deterioration of the characteristics due to the deterioration of the catalyst itself becomes the decrease of the battery voltage continues.

【0032】しかし、燃料電池発電装置の運転が進むに
つれて、反応ガス拡散不良が進行し、電池特性に影響を
及ぼすようになる。よって、暫く運転すると、触媒自身
の劣化と反応ガス拡散不良進行に伴う特性低下が合さっ
た電池電圧の低下が進む電圧低下領域に入る。
However, as the operation of the fuel cell power generator progresses, the reaction gas diffusion failure progresses, which affects the cell characteristics. Therefore, when the catalyst is operated for a while, it enters the voltage reduction region where the deterioration of the catalyst itself and the deterioration of the characteristics due to the progress of the defective diffusion of the reaction gas are combined to cause the decrease of the battery voltage.

【0033】この反応ガス拡散不良による電圧低下に影
響が現れ出すまでの運転時間は、電池の仕様、運転方法
によって異なり、この間の発生時間を精度高く予測する
ことは困難である。
The operating time until the voltage drop due to the reaction gas diffusion failure appears is different depending on the specifications of the battery and the operating method, and it is difficult to accurately predict the generation time during this period.

【0034】燃料電池から電気エネルギーを取り出すた
めに負荷をとると、熱力学的に計算できる論理電圧から
電池の電気抵抗による損失の抵抗分極、触媒活性による
反応速度や反応量の大きさに起因する損失の活性分極、
反応ガスが反応点にまで至る拡散速度に起因する損失の
拡散分極により、電池の電圧は低下する。
When a load is applied to take out electric energy from the fuel cell, it is caused by resistance polarization of loss due to electric resistance of the cell from thermodynamically-calculated logic voltage, reaction rate due to catalytic activity and magnitude of reaction amount. Active polarization of loss,
The cell voltage drops due to diffusion polarization of the loss due to the diffusion rate of the reaction gas to the reaction point.

【0035】抵抗分極の大きさは、電解質の厚さ等の電
池構造によって決まる。又、拡散分極の大きさは、反応
ガスが触媒層4、5内の細孔等の拡散経路を拡散して、
反応点までの速さ、反応ガス量によって決まる。
The magnitude of the resistance polarization depends on the battery structure such as the thickness of the electrolyte. The magnitude of the diffusion polarization is that the reaction gas diffuses through diffusion paths such as pores in the catalyst layers 4 and 5,
It depends on the speed to the reaction point and the amount of reaction gas.

【0036】今、前述した如く、初期的に十分な拡散経
路を有する触媒層4、5も、運転に伴い毛管力によるリ
ン酸浸透を許し、触媒層4、5内細孔がリン酸で埋ま
り、反応ガスの経路が閉塞されることによって、反応点
まで到達する単位時間当りの反応ガス量が減少して、拡
散分極が増大する。
As described above, the catalyst layers 4 and 5 initially having a sufficient diffusion path are allowed to permeate phosphoric acid by capillary force during the operation, and the pores in the catalyst layers 4 and 5 are filled with phosphoric acid. By blocking the path of the reaction gas, the amount of the reaction gas reaching the reaction point per unit time decreases, and the diffusion polarization increases.

【0037】これにより、電池の理論電圧からの電圧損
が増え、同一の負荷でも出力電圧が下がることになる。
今、燃料電池発電装置では、目標の電池出力を得るよう
な出力制御が採用されている。この出力制御とは、電池
の出力、すなわち発電装置から取り出されている電流と
電圧との積が一定となるように運転制御することであ
る。
As a result, the voltage loss from the theoretical voltage of the battery increases, and the output voltage decreases even with the same load.
Now, in the fuel cell power generator, output control is adopted so as to obtain a target cell output. The output control is to control the operation so that the output of the battery, that is, the product of the current and the voltage taken out from the power generation device becomes constant.

【0038】この制御方式では、ある電流で得ていた出
力が、電池内の損失が大きくなって、その電流で当初の
出力が得られなくなった場合、電流を増加して、電流と
電圧との積を当初の値になるようにして出力を維持して
いる。
In this control system, when the output obtained at a certain current becomes large due to the loss in the battery and the original output cannot be obtained at that current, the current is increased to obtain the current and voltage. The output is maintained by making the product the initial value.

【0039】従って、電池は、運転に伴い劣化が進ん
で、電圧が低下していく場合、同じ電池出力を得るにも
徐々に電流を多く取るような制御がなされる。電池の電
流を増加すると、この増加した電流に伴い反応ガスの反
応点への拡散量も増加することが要求される。
Therefore, when the battery deteriorates with operation and the voltage drops, control is performed so that a larger current is gradually obtained to obtain the same battery output. When the current of the battery is increased, it is required that the amount of diffusion of the reaction gas to the reaction point also increases with the increased current.

【0040】従って、より多くの反応ガスが触媒層4、
5の細孔を通過し、反応点、すなわち三相界面に到達さ
れなければならない。しかし、触媒層4、5は、電池の
運転と共に、前述したように細孔がリン酸で埋まり、反
応ガスの拡散疎外が進行する。
Therefore, a larger amount of reaction gas is added to the catalyst layer 4,
It has to pass through 5 pores and reach the reaction point, ie the three-phase interface. However, in the catalyst layers 4 and 5, the pores are filled with phosphoric acid as described above, and the diffusion and alienation of the reaction gas proceeds with the operation of the battery.

【0041】負荷の増加と、それに伴う必要反応ガスの
増加及び触媒層4、5内のガス拡散性の低下により、ア
ノード極2及びカソード極3の一部で、反応ガスの不足
が発生する。
Due to the increase of the load, the increase of the required reaction gas and the decrease of the gas diffusibility in the catalyst layers 4 and 5, a shortage of the reaction gas occurs in a part of the anode electrode 2 and the cathode electrode 3.

【0042】この反応ガスの不足は、電池の電圧を著し
く低下させるばかりか、反応ガスの濃度の高い、特に酸
素濃度の高い空気入り口部に電流が集中して温度が上昇
したり、燃料不足による電解質内のプロトン不足を発生
させる。
The shortage of the reaction gas not only causes the voltage of the battery to be remarkably lowered, but also the current is concentrated at the air inlet where the concentration of the reaction gas is high, particularly the oxygen concentration is high, and the temperature rises, or the fuel is insufficient. Produces a lack of protons in the electrolyte.

【0043】特にプロトン不足は、電池の構成材料であ
るカーボンを C+2H2 O→CO2 +4H+4e …(3) の反応で電食させることもある。
In particular, the lack of protons may cause electrolytic corrosion of carbon, which is a constituent material of the battery, by the reaction of C + 2H 2 O → CO 2 + 4H + 4e (3).

【0044】このような現象は、電池の運転に伴い、電
池特性の低下を加速するばかりでなく、反応ガスリーク
を誘発するなどの安全性が疎外される要因となる。従っ
て、反応ガスの拡散性不良を放置して、反応ガス利用率
を一定にした条件で電池の運転を続けると、電池の特性
低下を加速するばかりか、電池を破損する危険性を持っ
ている。
Such a phenomenon not only accelerates the deterioration of the battery characteristics with the operation of the battery, but also induces a reaction gas leak, which becomes a factor for alienating safety. Therefore, if the diffusivity of the reaction gas is left unattended and the battery is continuously operated under the condition that the reaction gas utilization rate is constant, not only the characteristics of the battery are accelerated, but also the battery may be damaged. .

【0045】そこで本発明は、反応ガスの拡散不良によ
る電池特性劣化の加速度化を防止し、電池の特性劣化を
極力抑えることができるように最適な反応ガス利用率で
運転ができる燃料電池発電装置を提供することを目的と
する。
Therefore, the present invention prevents the acceleration of the deterioration of the battery characteristics due to the poor diffusion of the reaction gas, and can operate at the optimum reaction gas utilization rate so that the deterioration of the battery characteristics can be suppressed as much as possible. The purpose is to provide.

【0046】[0046]

【課題を解決するための手段】請求項1によれば、水素
を含む燃料と酸化剤とを燃料電池に供給して電気出力に
変換する燃料電池発電装置において、燃料電池の負荷電
流及び電圧を測定する測定手段と、この測定手段により
測定された負荷電流及び電圧を運転時間に対応させて経
時変化として記録し、この経時変化と燃料電池の健全な
電池出力経時変化とを比較して燃料電池の状態を評価す
る記録評価手段と、この記録評価手段の評価結果に応じ
て燃料又は酸化剤のうち少なくとも一方の流量を制御す
る流量制御手段と、を備えて上記目的を達成しようとす
る燃料電池発電装置である。
According to a first aspect of the present invention, in a fuel cell power generator for supplying a fuel containing hydrogen and an oxidant to a fuel cell and converting the fuel cell into an electric output, load current and voltage of the fuel cell are changed. The measuring means for measuring and the load current and voltage measured by the measuring means are recorded as a change with time corresponding to the operating time, and the change with time and a healthy change with time in the cell output of the fuel cell are compared. And a flow rate control means for controlling the flow rate of at least one of the fuel and the oxidant in accordance with the evaluation result of the record evaluation means. It is a power generator.

【0047】請求項2によれば、記録評価手段は、燃料
電池の停止前と再起動後とにおける経時変化を記録し、
この経時変化と燃料電池の健全な電池出力経時変化とを
比較して燃料電池の状態を評価する機能を有する。
According to the second aspect, the record evaluation means records the change with time before the fuel cell is stopped and after the fuel cell is restarted,
It has a function of evaluating the state of the fuel cell by comparing this change with time and the sound cell output of the fuel cell with time.

【0048】請求項3によれば、水素を含む燃料と酸化
剤とを燃料電池に供給して電気出力に変換する燃料電池
発電装置において、燃料電池の負荷電流、電圧、電池冷
却水温度、反応ガス利用率を測定又は算出して燃料電池
の情報を得る測定演算手段と、この測定演算手段により
得られた燃料電池の情報を規格化するデータ規格化手段
と、このデータ規格化手段により規格化されたデータを
燃料電池の経時変化として記録するデータ記録手段と、
このデータ記録手段に記録された燃料電池の経時変化と
燃料電池の健全な電池出力経時変化とを比較して燃料電
池の状態を評価する記録評価手段と、この記録評価手段
の診断結果に応じて燃料又は酸化剤のうち少なくとも一
方の流量を制御する流量制御手段と、を備えて上記目的
を達成しようとする燃料電池発電装置である。
According to a third aspect of the present invention, in a fuel cell power generator that supplies a fuel containing hydrogen and an oxidant to a fuel cell and converts it into an electric output, the load current, voltage, cell cooling water temperature, reaction of the fuel cell. Measurement calculation means for measuring or calculating the gas utilization rate to obtain fuel cell information, data standardization means for standardizing the fuel cell information obtained by this measurement calculation means, and standardization by this data normalization means A data recording means for recording the obtained data as a change with time of the fuel cell,
A record evaluation unit for evaluating the state of the fuel cell by comparing the time-dependent change of the fuel cell recorded in the data recording unit and the time-dependent change of the sound cell output of the fuel cell, and a record evaluation unit according to the diagnosis result of the record evaluation unit. And a flow rate control unit that controls the flow rate of at least one of the fuel and the oxidant, and a fuel cell power generation device that achieves the above object.

【0049】請求項4によれば、水素を含む燃料と酸化
剤とを燃料電池に供給して電気出力に変換する燃料電池
発電装置において、燃料電池の負荷電流の異なる所望の
2点の電圧を測定する測定手段と、この測定手段により
測定された燃料電池の負荷電流の異なる所望の2点の電
圧を受け、これら負荷電流に対する電圧の傾きの経時変
化により燃料電池の劣化を判定する記録評価手段と、こ
の記録評価手段の評価結果に応じて燃料又は空気の各流
量を制御する流量制御手段とを備えて上記目的を達成し
ようとする燃料電池発電装置である。
According to the fourth aspect of the present invention, in a fuel cell power generator for supplying a fuel containing hydrogen and an oxidant to a fuel cell and converting it into an electric output, voltages at two desired points with different load currents of the fuel cell are applied. A measuring means for measuring and a record evaluating means for receiving the voltage at two desired points having different load currents of the fuel cell measured by the measuring means and judging deterioration of the fuel cell based on the change with time of the slope of the voltage with respect to these load currents. And a flow rate control means for controlling each flow rate of fuel or air according to the evaluation result of the recording evaluation means.

【0050】請求項5によれば、水素を含む燃料と酸化
剤とを燃料電池に供給して電気出力に変換する燃料電池
発電装置において、燃料電池の負荷電流及び電圧を測定
する測定手段と、この測定手段により測定された負荷電
流に応じて、予め測定された各電流の三相界面へ燃料又
は酸化剤を供給できなくなる限界反応ガス利用率よりも
若干小さい反応ガス利用率に燃料又は酸化剤のうち少な
くとも一方の流量を制御する適性反応ガス利用率制御手
段と、を備えて上記目的を達成しようとする燃料電池発
電装置である。
According to a fifth aspect of the present invention, in a fuel cell power generator for supplying a fuel containing hydrogen and an oxidant to a fuel cell and converting the fuel cell into an electric output, a measuring means for measuring a load current and a voltage of the fuel cell, Depending on the load current measured by the measuring means, the fuel or oxidant is used at a reaction gas utilization rate slightly smaller than the critical reaction gas utilization rate at which the fuel or oxidant cannot be supplied to the three-phase interface of each current measured in advance. And a suitable reaction gas utilization rate control means for controlling the flow rate of at least one of the two.

【0051】[0051]

【作用】請求項1によれば、燃料電池の負荷電流及び電
圧を測定し、この測定された負荷電流及び電圧を運転時
間に対応させて経時変化として記録し、この経時変化と
燃料電池の健全な電池出力経時変化とを比較して燃料電
池の状態を評価し、この評価結果に応じて燃料又は酸化
剤のうち少なくとも一方の流量を制御する。すなわち、
燃料電池の負荷電流及び電圧の測定により燃料電池の劣
化状態、運転状態を検知し、燃料電池に供給する燃料又
は酸化剤の反応ガス量を燃料電池の状況に適した量に調
整することによって、燃料電池の特性の安定化をはか
る。
According to the present invention, the load current and voltage of the fuel cell are measured, and the measured load current and voltage are recorded as a change with time corresponding to the operating time. The state of the fuel cell is evaluated by comparing various cell output changes with time, and the flow rate of at least one of the fuel and the oxidant is controlled according to the evaluation result. That is,
By detecting the deterioration state and operating state of the fuel cell by measuring the load current and voltage of the fuel cell, and adjusting the reaction gas amount of the fuel or oxidant supplied to the fuel cell to an amount suitable for the situation of the fuel cell, Stabilize the characteristics of fuel cells.

【0052】請求項2によれば、燃料電池の停止前と再
起動後とにおける経時変化を記録し、この経時変化と燃
料電池の健全な電池出力経時変化とを比較して燃料電池
の状態を評価することにより、燃料電池の起動停止によ
って電池電圧が低下したか否かを、燃料電池の停止前と
再起動後との電池特性の比較により判断でき、前運転か
らの特性上の連続評価ができるように補正できる。
According to the second aspect of the present invention, the change with time before and after the restart of the fuel cell is recorded, and the change with time and the sound cell output with time of the fuel cell are compared to determine the state of the fuel cell. By evaluating, it is possible to judge whether or not the cell voltage has dropped due to the start and stop of the fuel cell, by comparing the cell characteristics before and after the fuel cell is stopped, and it is possible to continuously evaluate the characteristics from the previous operation. It can be corrected to be possible.

【0053】請求項3によれば、燃料電池の負荷電流、
電圧、電池冷却水温度、反応ガス利用率を測定又は算出
し、これら燃料電池の情報を規格化し、燃料電池の経時
変化として記録し、この経時変化と燃料電池の健全な電
池出力経時変化とを比較して燃料電池の状態を評価し、
この評価結果に応じて燃料又は酸化剤のうち少なくとも
一方の流量を制御する。これにより、常に一定の条件で
発電を行えない場合に、ことなる電流、運転条件の間
で、燃料電池の特性劣化状況を評価することができる。
According to claim 3, the load current of the fuel cell,
Measure or calculate the voltage, cell cooling water temperature, and reaction gas utilization rate, normalize the information of these fuel cells, and record them as changes over time in the fuel cell. Evaluate the state of the fuel cell by comparison,
The flow rate of at least one of the fuel and the oxidant is controlled according to the evaluation result. As a result, when power generation cannot always be performed under constant conditions, it is possible to evaluate the characteristic deterioration state of the fuel cell between different currents and operating conditions.

【0054】請求項4によれば、燃料電池の負荷電流の
異なる所望の2点の電圧を捉え、各負荷電流に対する電
圧の傾きの経時変化により燃料電池の劣化を捕らえて燃
料電池の評価を行うことにより、燃料電池の状況を評価
するに、電流の規格化が不要で、燃料電池の漏れによる
劣化を判定できる。
According to the fourth aspect, the voltage of two desired points having different load currents of the fuel cell is captured, and the deterioration of the fuel cell is captured by the change with time of the slope of the voltage with respect to each load current to evaluate the fuel cell. As a result, it is not necessary to standardize the current for evaluating the condition of the fuel cell, and it is possible to determine the deterioration due to the leakage of the fuel cell.

【0055】請求項5によれば、燃料電池の負荷電流及
び電圧を測定し、これら測定された負荷電流に応じて、
予め測定された各電流の三相界面へ燃料又は酸化剤を供
給できなくなる限界反応ガス利用率よりも若干小さい反
応ガス利用率に燃料又は酸化剤のうち少なくとも一方の
流量を制御する。これにより、負荷電流によって採用さ
れている反応ガス利用率に幅を持たせることができ、各
負荷電流における反応ガス利用率の影響の感度が異なる
ことに対応できる。
According to the fifth aspect, the load current and voltage of the fuel cell are measured, and according to the measured load current,
The flow rate of at least one of the fuel and the oxidant is controlled to a reaction gas utilization rate slightly smaller than the critical reaction gas utilization rate at which the fuel or the oxidant cannot be supplied to the three-phase interface of each current measured in advance. As a result, the reaction gas utilization rate adopted depending on the load current can be varied, and it is possible to cope with different sensitivity of the influence of the reaction gas utilization rate at each load current.

【0056】[0056]

【実施例】以下、本発明の第1の実施例について図面を
参照して説明する。図1は燃料電池発電装置の構成図で
ある。燃料電池10は、電解質を挟んで一対の多孔質電
極を配置し、これら一対の電極のうち一方の電極に水素
等の気体燃料を接触させ、他方の電極に酸素等の酸化
剤、例えば空気を接触させることによって起こる電気化
学的反応により、一対の電極間から電気エネルギーを取
り出すものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A first embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell power generator. The fuel cell 10 has a pair of porous electrodes sandwiching an electrolyte, and one of the pair of electrodes is contacted with a gaseous fuel such as hydrogen, and the other electrode is contacted with an oxidant such as oxygen such as air. An electrical energy is taken out from between a pair of electrodes by an electrochemical reaction caused by the contact.

【0057】なお、燃料電池10から電気エネルギーを
得るのに必要な燃料及び酸化剤のことを総称して上記の
如く反応ガスと称している。又、この燃料電池10に
は、インバータ11が接続されている。
The fuel and oxidant necessary to obtain electric energy from the fuel cell 10 are collectively referred to as the reaction gas as described above. An inverter 11 is connected to the fuel cell 10.

【0058】この燃料電池10に対して燃料の供給ライ
ン12、空気の供給ライン13には、それぞれ流量調節
弁14、15が設けられている。一方、測定機器16
は、燃料電池10の負荷電流及びそのときの電圧を測定
する機能を有している。
The fuel supply line 12 and the air supply line 13 of the fuel cell 10 are provided with flow rate adjusting valves 14 and 15, respectively. On the other hand, the measuring device 16
Has a function of measuring the load current of the fuel cell 10 and the voltage at that time.

【0059】記録評価装置17は、測定機器16により
測定された燃料電池10の負荷電流及びそのときの電圧
の電圧を受け、これら負荷電流及び電圧を燃料電池10
の運転時間に対応させて経時変化として記録し、この経
時変化と予め記憶されている燃料電池10の健全な電池
出力経時変化、すなわち燃料電池10の触媒自身の劣化
による経時変化とを比較して燃料電池10の状態を評価
する機能を有している。
The record evaluation device 17 receives the load current of the fuel cell 10 measured by the measuring device 16 and the voltage of the voltage at that time, and outputs the load current and voltage to the fuel cell 10.
It is recorded as a time-dependent change corresponding to the operating time of, and this time-dependent change is compared with the time-dependent change in the sound cell output of the fuel cell 10, that is, the time-dependent change due to the deterioration of the catalyst itself of the fuel cell 10. It has a function of evaluating the state of the fuel cell 10.

【0060】流量制御装置18は、記録評価装置17の
評価結果に応じて燃料又は空気の各流量調節弁14、1
5のうち少なくとも一方の流量調節弁14又は15を制
御する機能を有している。
The flow rate control device 18 controls the flow rate control valves 14, 1 of the fuel or air according to the evaluation result of the recording evaluation device 17.
5 has a function of controlling at least one of the flow rate control valves 14 or 15.

【0061】なお、この燃料電池発電装置は、発電運転
するために、反応ガスを送り出すためのコンプレッサ
ー、ブロワー、燃料改質器といった補機が備えられてい
る。これら補機は、通常高発電効率を維持する面からも
必要以上の容量を持っていない。それでも、所定の運転
時間までの目標発電効率の確保に加え、燃料田地10の
劣化を予測して電池寿命末期における定格出力の維持が
できる設計が要求される。
The fuel cell power generator is equipped with auxiliary equipment such as a compressor, a blower, and a fuel reformer for sending out a reaction gas for power generation operation. These auxiliary machines usually do not have an excessive capacity in terms of maintaining high power generation efficiency. Nevertheless, in addition to ensuring the target power generation efficiency up to a predetermined operating time, a design is required that can predict deterioration of the fuel field 10 and maintain the rated output at the end of the battery life.

【0062】次に上記の如く構成された装置の作用につ
いて説明する。流量制御装置18は、各流量調節弁1
4、15の開度を制御することにより燃料電池10に供
給する燃料及び空気の反応ガス量を所定流量に設定す
る。すなわち、燃料電池10に供給する反応ガス量は、
燃料電池10の出力に応じ、所定の反応ガス利用率に設
定されている。
Next, the operation of the apparatus configured as described above will be described. The flow rate control device 18 is provided for each flow rate control valve 1
By controlling the opening degrees of 4 and 15, the reaction gas amount of the fuel and air supplied to the fuel cell 10 is set to a predetermined flow rate. That is, the amount of reaction gas supplied to the fuel cell 10 is
A predetermined reaction gas utilization rate is set according to the output of the fuel cell 10.

【0063】このように燃料電池10に燃料及び空気の
反応ガスが供給されると、燃料電池10は、一方の電極
に水素等の気体燃料を接触させ、他方の電極に酸素等の
空気を接触させることによって起こる電気化学的反応に
より、一対の電極間から電気エネルギーを得る。
When the reaction gas of fuel and air is supplied to the fuel cell 10 in this manner, the fuel cell 10 brings one electrode into contact with a gaseous fuel such as hydrogen and the other electrode into contact with air such as oxygen. The electrochemical reaction caused by the reaction causes electric energy to be obtained from between the pair of electrodes.

【0064】この状態に、測定機器16は、燃料電池1
0の負荷電流値及びそのときの電圧値を測定して記録評
価装置17に伝達する。この記録評価装置17は、測定
機器16から伝達してきた燃料電池10の負荷電流値及
びそのときの電圧値を受け、これら負荷電流値及び電圧
値を燃料電池10の運転時間に対応させて経時変化とし
て記録する。
In this state, the measuring device 16 is the fuel cell 1
The load current value of 0 and the voltage value at that time are measured and transmitted to the recording evaluation device 17. The record evaluation device 17 receives the load current value of the fuel cell 10 and the voltage value at that time transmitted from the measuring device 16, and changes the load current value and the voltage value with time according to the operating time of the fuel cell 10. To record as.

【0065】この記録評価装置17は、記録した経時変
化と予め記憶されている燃料電池10の触媒自身の劣化
による経時変化とを比較し、燃料電池10の特性が触媒
自身の劣化からずれていないかを監視する。
The recording / evaluating device 17 compares the recorded changes with time with the previously stored changes due to deterioration of the catalyst itself of the fuel cell 10, and the characteristics of the fuel cell 10 are not deviated from the deterioration of the catalyst itself. To monitor.

【0066】ところで、図2は反応ガス利用率と燃料電
池電圧との関係を示す図である。拡散不良が燃料電池1
0の電圧に与える影響を詳細に説明すると、反応ガス利
用率を上げると、反応ガスの拡散性の低下によって燃料
電池電圧が低下する。
By the way, FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the reaction gas utilization rate and the fuel cell voltage. Diffusion failure is fuel cell 1
The effect on the voltage of 0 will be described in detail. When the utilization rate of the reaction gas is increased, the diffusion rate of the reaction gas is decreased and the fuel cell voltage is decreased.

【0067】かくして、燃料電池10の劣化が進み、反
応ガスの拡散不良が発生して特性の低下が起こると、初
期の電池電圧の反応ガス応答性に比べ、より低い反応ガ
ス利用率で大きな電圧低下を示す特性低下後カーブとな
る。
Thus, when the deterioration of the fuel cell 10 progresses, the reaction gas diffusion failure occurs, and the characteristic deteriorates, the reaction gas responsiveness of the initial cell voltage is lower than that of the reaction gas and the large voltage is used. It becomes a curve after the deterioration of the characteristics.

【0068】例えば、反応ガス利用率80%で運転して
いる燃料電池発電装置の燃料電池10の電圧が、反応ガ
ス拡散不良による特性低下に伴って電池電圧が下がった
燃料電池10で初期電圧を維持するためには、燃料電池
10への供給ガス量を増加し、反応ガスの利用率を下げ
た70%強で運転すればよい。
For example, the voltage of the fuel cell 10 of the fuel cell power generator operating at a reaction gas utilization rate of 80% is the initial voltage of the fuel cell 10 in which the cell voltage has dropped due to the deterioration of the characteristics due to defective diffusion of the reaction gas. In order to maintain it, it is sufficient to increase the amount of gas supplied to the fuel cell 10 and reduce the utilization rate of the reaction gas to operate at a little over 70%.

【0069】すなわち、反応ガスの拡散不良による特性
低下は、反応ガス利用率を調整することによって、燃料
電池10の電圧が維持できることになる。従って、流量
制御装置18は、記録評価装置17の評価結果に応じて
燃料又は空気の各流量調節弁14、15のうち少なくと
も一方の流量調節弁14又は15の開度を制御してこれ
ら燃料又は空気の流量を調節する。
That is, the characteristic deterioration due to the poor diffusion of the reaction gas can be maintained at the voltage of the fuel cell 10 by adjusting the reaction gas utilization rate. Therefore, the flow rate control device 18 controls the opening degree of at least one flow rate control valve 14 or 15 of the fuel or air flow rate control valves 14 or 15 according to the evaluation result of the recording evaluation device 17 to control the fuel or air flow rate control valve 14 or 15. Adjust the air flow rate.

【0070】具体的に説明すると、記録評価装置17に
よる評価の結果、燃料電池10の電圧低下が、触媒自身
の劣化による電圧低下曲線にのっている場合は、予め初
期の設計で定められた反応ガス利用率となるように、各
流量調節弁14、15を動作させて運転を行う。
More specifically, if the result of the evaluation by the recording evaluation device 17 is that the voltage drop of the fuel cell 10 is on the voltage drop curve due to the deterioration of the catalyst itself, it was determined in advance by the initial design. The flow rate control valves 14 and 15 are operated so as to achieve the reaction gas utilization rate.

【0071】燃料電池10の実際の電圧低下を監視し、
触媒自身の電圧低下からずれて、低下量が大きくなりだ
したときに、流量制御装置18は、燃料電池10の電池
電圧が予め定められた触媒自身の電圧劣化曲線上にのる
ように、各流量調節弁14、15を動作させて燃料電池
10への反応ガス供給量を増加する。
The actual voltage drop of the fuel cell 10 is monitored,
When the amount of decrease begins to deviate from the decrease in the voltage of the catalyst itself, the flow rate control device 18 controls the fuel cell 10 so that the cell voltage of the fuel cell 10 falls on a predetermined voltage deterioration curve of the catalyst itself. The flow rate control valves 14 and 15 are operated to increase the amount of reaction gas supplied to the fuel cell 10.

【0072】すなわち、反応ガス利用率を燃料電池10
の劣化状況に合わせて低下させる。このように上記第1
の実施例においては、燃料電池10の負荷電流及び電圧
を測定し、これら測定された負荷電流及び電圧を運転時
間に対応させて経時変化として記録し、この経時変化と
燃料電池10の触媒自身の劣化による経時変化とを比較
して燃料電池10の状態を評価し、この評価結果に応じ
て燃料又は空気の流量を制御するようにしたので、燃料
電池10の電池電圧低下の状況を燃料電池発電装置を運
転しながら監視でき、反応ガスの拡散不良が発生したこ
とをいち速く検知することができる。
That is, the reaction gas utilization rate is determined by the fuel cell 10
It is lowered according to the deterioration situation. Thus, the first
In the embodiment, the load current and voltage of the fuel cell 10 are measured, and the measured load current and voltage are recorded as a change with time corresponding to the operating time. Since the state of the fuel cell 10 is evaluated by comparing with the change with time due to deterioration and the flow rate of the fuel or air is controlled according to the evaluation result, the state of the cell voltage drop of the fuel cell 10 is determined by the fuel cell power generation. It is possible to monitor while operating the device, and it is possible to quickly detect the occurrence of reaction gas diffusion failure.

【0073】そして、反応ガスを増加させることによっ
て、反応ガスの拡散不良による燃料電池10の負荷の局
部集中を防止でき、電極面全体を活用した発電反応を維
持させることができる。
By increasing the reaction gas, it is possible to prevent local concentration of the load of the fuel cell 10 due to poor diffusion of the reaction gas, and to maintain the power generation reaction utilizing the entire electrode surface.

【0074】一方、反応ガス量を増加させることにより
燃料電池10の出力電圧を上げることができ、燃料電池
10の負荷電流を上げることなく、燃料電池10の出力
を維持することができる。
On the other hand, the output voltage of the fuel cell 10 can be increased by increasing the reaction gas amount, and the output of the fuel cell 10 can be maintained without increasing the load current of the fuel cell 10.

【0075】従って、燃料電池10は経時的に劣化が進
み、上記の如く触媒層内の反応ガスの拡散不良による特
性劣化が始まる。これを放置すると、燃料電池負荷の局
部集中が発生し、劣化進行が加速化され、燃料電池10
の腐食による破損の危機も出てくる。
Therefore, the deterioration of the fuel cell 10 progresses with time, and the characteristic deterioration due to the poor diffusion of the reaction gas in the catalyst layer starts as described above. If this is left unattended, local concentration of the fuel cell load will occur and the progress of deterioration will be accelerated.
There is also the danger of damage due to corrosion of the.

【0076】燃料電池10の劣化が進み、反応ガスの拡
散不良が発生している状態に運転し、所定の発電出力を
燃料電池10への供給反応ガス量の増加によって維持す
ることによって、負荷の上昇を不要とし、燃料電池10
の局所的な劣化を防止できる。
By operating the fuel cell 10 in a state in which deterioration of the fuel cell progresses and defective diffusion of the reaction gas occurs, and maintaining a predetermined power generation output by increasing the amount of reaction gas supplied to the fuel cell 10, Fuel cell 10 with no rise
Can be prevented from being locally deteriorated.

【0077】このように燃料電池10の経時変化を捕ら
え、燃料電池10の状態を検知して触媒層内の反応ガス
拡散性に応じて電池反応に携わる三相海面に、反応に必
要な反応ガスを速やかに到達させることのできるような
適性な反応ガス利用率で運転できて、燃料電池10の特
性の安定化が図れる。
As described above, the change of the fuel cell 10 over time is detected, the state of the fuel cell 10 is detected, and the reaction gas required for the reaction is formed on the three-phase sea surface involved in the cell reaction according to the reaction gas diffusivity in the catalyst layer. The fuel cell 10 can be operated at an appropriate reaction gas utilization rate so that the fuel cell 10 can be quickly reached, and the characteristics of the fuel cell 10 can be stabilized.

【0078】次に本発明の第2の実施例について説明す
る。なお、図1と同一部分には同一符号を付してその詳
しい説明は省略する。記録評価装置17は、燃料電池1
0の停止前と再起動後とにおける経時変化を記録し、こ
の経時変化と燃料電池10の触媒自身の劣化による経時
変化とを比較して燃料電池10の状態を評価する機能を
有するものとする。
Next, a second embodiment of the present invention will be described. The same parts as those in FIG. 1 are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. The record evaluation device 17 is used for the fuel cell 1.
It is assumed to have a function of evaluating the state of the fuel cell 10 by recording the changes over time before the stop of 0 and after the restart, and comparing the changes over time with the changes due to the deterioration of the catalyst itself of the fuel cell 10. .

【0079】すなわち、時として、燃料電池10は、そ
の起動停止によって特性の低下が見られる場合がある。
この特性の低下は、連続した所定の運転時間における燃
料電池10の電圧低下によって診断、評価するのがよい
場合がある。
That is, at times, the characteristics of the fuel cell 10 may be deteriorated due to its starting and stopping.
In some cases, this deterioration of the characteristics may be diagnosed and evaluated by the voltage decrease of the fuel cell 10 during a predetermined continuous operation time.

【0080】又、燃料電池10の起動停止によって電池
電圧が低下したか否かを、停止前と再起動後の電池特性
の比較で判断させて、前運転からの特性上の連続評価が
できるように補正する必要のある場合もでてくる。
Further, it is possible to judge whether or not the cell voltage has dropped due to the start and stop of the fuel cell 10 by comparing the cell characteristics before the stop and after the restart so that continuous evaluation of the characteristics from the previous operation can be performed. In some cases, it may be necessary to correct it.

【0081】従って、記録評価装置17において、燃料
電池10の停止前と再起動後とにおける経時変化を記録
し、この経時変化と燃料電池10の健全な電池出力経時
変化とを比較して燃料電池10の状態を評価することに
より、燃料電池10の起動停止によって電池電圧が低下
したか否かを、燃料電池10の停止前と再起動後との電
池特性の比較により判断でき、前運転からの特性上の連
続評価ができるように補正できる。
Therefore, the recording / evaluating apparatus 17 records the changes with time before the fuel cell 10 is stopped and after it is restarted, and compares the changes with time with the sound cell output changes with time of the fuel cell 10. By evaluating the state of No. 10, it is possible to determine whether or not the cell voltage has dropped due to the start and stop of the fuel cell 10 by comparing the cell characteristics before the fuel cell 10 is stopped and after the fuel cell 10 is restarted. It can be corrected so that continuous evaluation on characteristics can be performed.

【0082】次に本発明の第3の実施例について説明す
る。なお、図1と同一部分には同一符号を付してその詳
しい説明は省略する。図3は燃料電池発電装置の記録評
価系の構成図である。
Next, a third embodiment of the present invention will be described. The same parts as those in FIG. 1 are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. FIG. 3 is a block diagram of a recording evaluation system of the fuel cell power generator.

【0083】測定機器20は、燃料電池10の負荷電流
I、電圧V、電池冷却水温度T、さらには燃料流量及び
空気流量を測定し、かつこれら燃料流量及び空気流量に
基づいて反応ガス利用率を算出して燃料電池10の情報
を得る機能を有している。
The measuring device 20 measures the load current I, the voltage V, the cell cooling water temperature T, the fuel flow rate and the air flow rate of the fuel cell 10, and the reaction gas utilization rate based on the fuel flow rate and the air flow rate. And has a function of obtaining information of the fuel cell 10.

【0084】データ規格化装置21は、この測定機器2
0により得られた燃料電池10の負荷電流I電圧V、電
池冷却水温度T、反応ガス利用率の情報を所定の温度電
流、反応ガス利用率に換算してデータの規格化を行う機
能を有している。
The data standardization device 21 is the measuring device 2
It has the function of converting the load current I voltage V, the cell cooling water temperature T, and the reaction gas utilization rate information of the fuel cell 10 obtained by 0 into a predetermined temperature current and reaction gas utilization rate to standardize the data. are doing.

【0085】データ記録装置22は、データ規格化装置
21により規格化されたデータを、燃料電池10の経時
変化として記録する機能を有している。そして、このデ
ータ記録装置22に記録された燃料電池の経時変化と燃
料電池の健全な電池出力経時変化とを比較して燃料電池
の状態を評価する評価装置、及びこの評価装置の評価結
果に応じて各流量調節弁14、15を制御する流量制御
装置が備えられている。
The data recording device 22 has a function of recording the data standardized by the data normalizing device 21 as a change with time of the fuel cell 10. Then, an evaluation device that evaluates the state of the fuel cell by comparing the time-dependent change of the fuel cell recorded in the data recording device 22 with the time-dependent change of the sound cell output of the fuel cell, and the evaluation result of the evaluation device A flow rate control device for controlling the flow rate control valves 14 and 15 is provided.

【0086】次に上記の如く構成された装置の作用につ
いて説明する。燃料電池10に所定流量の燃料及び空気
が供給されて燃料電池10の一対の電極間から電気エネ
ルギーが得られている状態に、測定機器20は、燃料電
池10の負荷電流I、電圧V、電池冷却水温度T、さら
には燃料流量及び空気流量を測定し、かつこれら燃料流
量及び空気流量に基づいて反応ガス利用率を算出して燃
料電池10の情報を得る。
Next, the operation of the apparatus configured as described above will be described. In a state where the fuel cell 10 is supplied with a predetermined flow rate of fuel and air and electric energy is obtained between the pair of electrodes of the fuel cell 10, the measuring device 20 measures the load current I, the voltage V, the cell voltage of the fuel cell 10. The cooling water temperature T, the fuel flow rate and the air flow rate are measured, and the reaction gas utilization rate is calculated based on the fuel flow rate and the air flow rate to obtain the information of the fuel cell 10.

【0087】このように燃料電池10の負荷電流I、電
圧V、電池冷却水温度Tを測定し、かつ反応ガス利用率
を得るのは、燃料電池の運転状況はその必要性に応じて
異なる場合が多く、燃料電池10の監視精度を高めるた
めに行う。
As described above, the load current I, the voltage V, the cell cooling water temperature T of the fuel cell 10 are measured, and the reaction gas utilization rate is obtained when the operating condition of the fuel cell differs depending on the necessity. However, this is performed to improve the monitoring accuracy of the fuel cell 10.

【0088】この測定機器20により測定された燃料電
池10の負荷電流I、電圧V、電池冷却水温度T、さら
に算出された反応ガス利用率は、データ規格化装置21
に伝達される。
The load current I, the voltage V, the cell cooling water temperature T of the fuel cell 10 measured by the measuring device 20, and the calculated reaction gas utilization rate are shown in the data standardization device 21.
Be transmitted to.

【0089】このデータ規格化装置21は、測定機器2
0により得られた燃料電池10の負荷電流I電圧V、電
池冷却水温度T、反応ガス利用率の情報を所定の温度電
流、反応ガス利用率に換算してデータの規格化を行う。
This data standardization device 21 is used for the measuring device 2
The information of the load current I voltage V, the cell cooling water temperature T, and the reaction gas utilization rate of the fuel cell 10 obtained from 0 is converted into a predetermined temperature current and reaction gas utilization rate to standardize the data.

【0090】データ記録装置22は、データ規格化装置
21により規格化されたデータを、燃料電池10の経時
変化として記録する。そして、このデータ記録装置22
に記録された燃料電池10の経時変化と燃料電池の健全
な電池出力経時変化との比較により燃料電池10の状態
が評価され、この評価結果に応じて各流量調節弁14、
15の開度が制御される。
The data recording device 22 records the data standardized by the data normalizing device 21 as a change with time of the fuel cell 10. Then, this data recording device 22
The state of the fuel cell 10 is evaluated by comparing the time-dependent change of the fuel cell 10 and the time-dependent change of the healthy cell output of the fuel cell, and the flow rate control valves 14, 14 are evaluated according to the evaluation result.
The opening degree of 15 is controlled.

【0091】すなわち、燃料電池10の電圧低下が、触
媒自身の劣化による電圧低下曲線にのっている場合は、
予め初期の設計で定められた反応ガス利用率となるよう
に、各流量調節弁14、15を動作させて運転を行う。
That is, when the voltage drop of the fuel cell 10 is on the voltage drop curve due to the deterioration of the catalyst itself,
The flow rate control valves 14 and 15 are operated so that the reaction gas utilization rate determined in advance by the initial design is achieved.

【0092】燃料電池10の実際の電圧低下を監視し、
触媒自身の電圧低下からずれて、低下量が大きくなりだ
したときに、流量制御装置は、燃料電池10の電池電圧
が予め定められた触媒自身の電圧劣化曲線上にのるよう
に、各流量調節弁14、15を動作させて燃料電池10
への反応ガス供給量を増加する。
The actual voltage drop of the fuel cell 10 is monitored,
When the amount of decrease begins to deviate from the decrease in the voltage of the catalyst itself, the flow rate control device causes the flow rate control device to adjust the flow rate so that the cell voltage of the fuel cell 10 is on the predetermined voltage deterioration curve of the catalyst itself. The fuel cell 10 is operated by operating the control valves 14 and 15.
Increase the amount of reaction gas supplied to.

【0093】このように上記第3の実施例においては、
燃料電池10の負荷電流、電圧、電池冷却水温度、反応
ガス利用率を測定又は算出し、これら燃料電池10の情
報を規格化し、燃料電池10の経時変化として記録し、
この経時変化と燃料電池10の健全な電池出力経時変化
とを比較して燃料電池10の状態を評価し、この評価結
果に応じて燃料及び空気の流量を制御するようにしたの
で、常に一定の条件で発電を行えない場合に、異なる電
流、運転条件の間で、燃料電池10の特性の劣化の状況
を診断することができる。
As described above, in the third embodiment,
The load current, voltage, cell cooling water temperature, and reaction gas utilization rate of the fuel cell 10 are measured or calculated, the information of the fuel cell 10 is standardized, and recorded as a change with time of the fuel cell 10,
Since the state of the fuel cell 10 is evaluated by comparing this time-dependent change with the sound cell output time-dependent change of the fuel cell 10, and the flow rates of fuel and air are controlled according to the evaluation result, it is always constant. When power cannot be generated under the conditions, it is possible to diagnose the state of deterioration of the characteristics of the fuel cell 10 between different currents and operating conditions.

【0094】燃料電池10の経時的特性変化を測定の規
格化ではなく、データを規格化することによって、反応
ガス量を増加させて燃料電池10の特性加速化の防止に
入るタイミングを捕らえるのが容易にできる。
By normalizing the data, not by standardizing the measurement of the characteristic change of the fuel cell 10 over time, it is possible to capture the timing at which the reaction gas amount is increased to prevent the characteristic acceleration of the fuel cell 10. You can easily.

【0095】従って、燃料電池10の経時変化を燃料電
池10の運転に影響を与えることなく燃料電池10の状
態を捕らえることができ、これによって、検知された燃
料電池10の状態、すなわち触媒層内の反応ガス拡散性
に応じて電池反応に携わる三相界面に、反応に必要な反
応ガスを速やかに到達させることのできる適性な反応ガ
ス利用率で運転できる。
Therefore, it is possible to grasp the state of the fuel cell 10 without affecting the operation of the fuel cell 10 by the change of the fuel cell 10 with time, whereby the detected state of the fuel cell 10, that is, in the catalyst layer. It is possible to operate at an appropriate reaction gas utilization rate that allows the reaction gas required for the reaction to reach the three-phase interface involved in the battery reaction promptly according to the reaction gas diffusivity.

【0096】次に本発明の第4の実施例について説明す
る。図4は燃料電池発電装置の構成図である。測定機器
30は、燃料電池10の負荷電流の異なる所望の2点の
電圧を測定する機能を有している。
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. FIG. 4 is a configuration diagram of the fuel cell power generator. The measuring device 30 has a function of measuring voltages at two desired points with different load currents of the fuel cell 10.

【0097】評価装置31は、測定機器30により測定
された燃料電池10の負荷電流の異なる所望の2点の電
圧を受け、これら負荷電流に対する電圧の傾きの経時変
化により燃料電池10の劣化を判定する機能を有するも
のとする。
The evaluation device 31 receives two desired voltage points having different load currents of the fuel cell 10 measured by the measuring device 30, and determines the deterioration of the fuel cell 10 by the change with time of the slope of the voltage with respect to these load currents. It has the function to do.

【0098】流量制御装置32は、評価装置31の評価
結果に応じて燃料又は空気の各流量調節弁14、15の
うち少なくとも一方の流量調節弁14又は15を制御す
る機能を有している。
The flow control device 32 has a function of controlling at least one flow control valve 14 or 15 of the fuel or air flow control valves 14 and 15 according to the evaluation result of the evaluation device 31.

【0099】このような構成であれば、測定機器30
は、燃料電池10の負荷電流の異なる所望の2点の電圧
を測定して評価装置31に伝達する。この評価装置31
は、測定機器30により測定された燃料電池10の負荷
電流の異なる所望の2点の電圧を受け、これら負荷電流
に対する電圧の傾きの経時変化により燃料電池10の劣
化を判定する。
With such a configuration, the measuring device 30
Measures the voltage at two desired points with different load currents of the fuel cell 10 and transmits it to the evaluation device 31. This evaluation device 31
Receives a desired voltage at two different load currents of the fuel cell 10 measured by the measuring device 30, and determines the deterioration of the fuel cell 10 based on the change over time in the slope of the voltage with respect to these load currents.

【0100】そして、流量制御装置32は、評価装置3
1の評価結果に応じて燃料又は空気の各流量調節弁1
4、15を制御する。すなわち、触媒自身の劣化による
電圧低下曲線にのっている場合は、予め初期の設計で定
められた反応ガス利用率となるように、各流量調節弁1
4、15を動作させて運転を行う。
The flow rate control device 32 is the evaluation device 3
Each flow control valve of fuel or air according to the evaluation result of 1
4 and 15 are controlled. That is, in the case where the voltage drop curve due to the deterioration of the catalyst itself is present, each flow rate control valve 1 is controlled so that the reaction gas utilization rate determined in advance in the initial design is achieved.
The operation is performed by operating Nos. 4 and 15.

【0101】燃料電池10の実際の電圧低下を監視し、
触媒自身の電圧低下からずれて、低下量が大きくなりだ
したときに、流量制御装置18は、燃料電池10の電池
電圧が予め定められた触媒自身の電圧劣化曲線上にのる
ように、各流量調節弁14、15を動作させて燃料電池
10への反応ガス供給量を増加する。
The actual voltage drop of the fuel cell 10 is monitored,
When the amount of decrease begins to deviate from the decrease in the voltage of the catalyst itself, the flow rate control device 18 controls the fuel cell 10 so that the cell voltage of the fuel cell 10 falls on a predetermined voltage deterioration curve of the catalyst itself. The flow rate control valves 14 and 15 are operated to increase the amount of reaction gas supplied to the fuel cell 10.

【0102】ところで、上記第3の実施例の測定機器1
6により測定された燃料電池10の負荷電流及びそのと
きの電圧を精度高く規格化することが理想的であるが、
他の電流への電池電圧の換算は、燃料電池の状態によっ
て電流/電圧カーブが異なるため、どのような電流/電
圧カーブを使うかの電池状態判断予測が入るため、診断
誤差を大きくすることがある。
By the way, the measuring instrument 1 of the third embodiment described above.
Ideally, the load current of the fuel cell 10 measured by 6 and the voltage at that time are standardized with high accuracy.
When converting the battery voltage to another current, the current / voltage curve differs depending on the fuel cell state, so the battery state determination prediction of what kind of current / voltage curve should be used is included, which may increase the diagnostic error. is there.

【0103】より精度を高くするためには、電流を変え
ずに電流の異なる電池電圧を測定し、その電流に対する
傾きの経時変化で燃料電池10の劣化を捕らえる方法と
する。
In order to improve the accuracy, a method is used in which the cell voltage of different current is measured without changing the current and the deterioration of the fuel cell 10 is detected by the change with time of the slope with respect to the current.

【0104】このような方法では、燃料電池10の状況
を診断するのに電流の規格化が不要で、燃料電池10の
濡れによる劣化を捕らえることができる。異なる電流に
よる電池電圧の傾きは、触媒自身の劣化によるときと
は、常に同じ値を示す。ところが、濡れの信号による反
応ガスの拡散不良が進むと、その傾きが大きくなる。
In such a method, it is not necessary to standardize the current for diagnosing the condition of the fuel cell 10, and the deterioration due to the wetting of the fuel cell 10 can be caught. The slope of the battery voltage due to different currents always shows the same value as that due to the deterioration of the catalyst itself. However, when the reaction gas diffusion failure due to the wetting signal progresses, the inclination becomes large.

【0105】よって、負荷電流に対する電圧の傾きの経
時変化が発生しないように適性反応ガスの流量制御を行
って反応ガス量を調整する。このように上記第4の実施
例においては、燃料電池10の負荷電流の異なる所望の
2点の電圧を捉え、各負荷電流に対する電圧の傾きの経
時変化により燃料電池10の劣化を判定するようにした
ので、常に一定の条件で発電を行えない場合に、異なる
電流値の電池電圧から燃料電池10の特性劣化を診断す
ることができる。
Therefore, the amount of the reaction gas is adjusted by controlling the flow rate of the suitable reaction gas so that the time-dependent change in the slope of the voltage with respect to the load current does not occur. As described above, in the fourth embodiment, the voltages at desired two points having different load currents of the fuel cell 10 are captured, and the deterioration of the fuel cell 10 is determined by the temporal change of the slope of the voltage for each load current. Therefore, when power generation cannot always be performed under constant conditions, characteristic deterioration of the fuel cell 10 can be diagnosed from cell voltages having different current values.

【0106】燃料電池10の経時的特性変化を電圧測定
の規格化でなく、データを規格化することによっての
み、反応ガス量を増加させて燃料電池10の特性劣化の
加速化の防止に入るタイミングを捕らえることが容易に
できる。
The timing at which the reaction gas amount is increased and acceleration of characteristic deterioration of the fuel cell 10 is prevented only by normalizing the data, not by standardizing the voltage measurement, of the characteristic change of the fuel cell 10 over time. Can be easily captured.

【0107】従って、燃料電池10の経時変化を燃料電
池10の運転に影響を与えることなく燃料電池10の状
態を捕らえることができ、これによって検知された燃料
電池10の状態、すなわち触媒層内の反応ガス拡散性に
応じて電池反応に携わる三相界面に、反応に必要な反応
ガスを速やかに到達させることができる適性反応ガス利
用率で運転できる。
Therefore, the state of the fuel cell 10 can be grasped without affecting the operation of the fuel cell 10 by the change with time of the fuel cell 10, and the state of the fuel cell 10 detected by this, that is, in the catalyst layer It is possible to operate at an appropriate reaction gas utilization rate that allows the reaction gas required for the reaction to quickly reach the three-phase interface involved in the battery reaction according to the reaction gas diffusibility.

【0108】次に本発明の第5の実施例について説明す
る。なお、図1と同一部分には同一符号を付してその詳
しい説明は省略する。図5は燃料電池発電装置の構成図
である。
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described. The same parts as those in FIG. 1 are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. FIG. 5 is a configuration diagram of the fuel cell power generator.

【0109】測定機器40は、燃料電池10の負荷電流
及び電圧を測定する機能を有している。適性反応ガス利
用率制御装置41は、測定機器40により測定された負
荷電流に応じて、予め測定された各電流の三相界面へ燃
料又は空気を供給できなくなる限界反応ガス利用率より
も若干小さい反応ガス利用率に燃料又は空気のうち少な
くとも一方の流量を制御する機能を有している。
The measuring device 40 has a function of measuring the load current and voltage of the fuel cell 10. The suitable reaction gas utilization rate control device 41 is slightly smaller than the critical reaction gas utilization rate at which fuel or air cannot be supplied to the three-phase interface of each current measured in advance in accordance with the load current measured by the measuring device 40. It has a function of controlling the flow rate of at least one of fuel and air depending on the reaction gas utilization rate.

【0110】このような構成であれば、燃料電池10に
所定流量の燃料及び空気が供給されて燃料電池10の一
対の電極間から電気エネルギーが得られている状態に、
測定機器20は、燃料電池10の負荷電流及び電圧を測
定して適性反応ガス利用率制御装置41に伝達する。
With such a configuration, the fuel cell 10 is supplied with a predetermined flow rate of fuel and air, and electric energy is obtained between the pair of electrodes of the fuel cell 10.
The measuring device 20 measures the load current and voltage of the fuel cell 10 and transmits the measured load current and voltage to the appropriate reaction gas utilization rate control device 41.

【0111】この適性反応ガス利用率制御装置41は、
測定機器40により測定された負荷電流に応じて、予め
測定された各電流の三相界面へ燃料又は空気を供給でき
なくなる限界反応ガス利用率よりも若干小さい反応ガス
利用率になるように燃料又は空気の各流量調節弁14、
15の一方又は両方を制御する。
The suitable reaction gas utilization rate control device 41 is
Depending on the load current measured by the measurement device 40, the fuel or the reaction gas may be adjusted so that the reaction gas utilization rate is slightly smaller than the critical reaction gas utilization rate at which the fuel or air cannot be supplied to the three-phase interface of each current measured in advance. Air flow control valves 14,
One or both of 15 are controlled.

【0112】すなわち、触媒自身の劣化による電圧低下
曲線にのっている場合は、予め初期の設計で定められた
反応ガス利用率となるように、各流量調節弁14、15
を動作させて運転を行う。
That is, when the voltage drop curve is due to the deterioration of the catalyst itself, the flow rate control valves 14 and 15 are adjusted so that the reaction gas utilization rate is determined in advance by the initial design.
To operate the car.

【0113】燃料電池10の実際の電圧低下を監視し、
触媒自身の電圧低下からずれて、低下量が大きくなりだ
したときに、流量制御装置41は、燃料電池10の電池
電圧が予め定められた触媒自身の電圧劣化曲線上にのる
ように、各流量調節弁14、15を動作させて燃料電池
10への反応ガス供給量を増加する。
The actual voltage drop of the fuel cell 10 is monitored,
When the amount of decrease begins to deviate from the decrease in the voltage of the catalyst itself, the flow rate control device 41 causes each of the fuel cells 10 so that the cell voltage of the fuel cell 10 falls on a predetermined voltage deterioration curve of the catalyst itself. The flow rate control valves 14 and 15 are operated to increase the amount of reaction gas supplied to the fuel cell 10.

【0114】ところで、燃料電池10の三相界面に送り
込む反応ガス量は、燃料電池10の負荷が大きい程多く
なる。このため、反応ガスの利用率を一定として運転す
ると、電池負荷の大きい場合程、触媒層の濡れ進行によ
る反応ガスの拡散不良の影響を受け、特性低下が大きく
なる。
By the way, the amount of reaction gas fed into the three-phase interface of the fuel cell 10 increases as the load on the fuel cell 10 increases. Therefore, when the reaction gas is operated at a constant utilization rate, the larger the battery load is, the more the characteristics are deteriorated due to the influence of the poor diffusion of the reaction gas due to the progress of wetting of the catalyst layer.

【0115】一方、燃料電池10の負荷の小さいとき
は、負荷の大きいときに比べて高い反応ガス利用率での
運転が可能となる。そこで、上記構成とすることによ
り、燃料電池10の電流に応じた適性反応ガス利用率で
燃料電池10を運転することができる。負荷の小さい場
合は反応ガス利用率を上げることが可能となり、逆に負
荷の大きい場合は反応ガス利用率を下げて運転する。
On the other hand, when the load on the fuel cell 10 is small, it is possible to operate at a higher reaction gas utilization rate than when the load is large. Therefore, with the above configuration, the fuel cell 10 can be operated at an appropriate reaction gas utilization rate according to the current of the fuel cell 10. When the load is small, it is possible to increase the reaction gas utilization rate. On the contrary, when the load is large, the reaction gas utilization rate is decreased to operate.

【0116】すなわち、適性反応ガス利用率制御装置4
1は、燃料電池10へ供給する反応ガスを、燃料電池1
0の負荷電流に応じて、予め測定された各電流の三相界
面へ反応ガスを供給できなくなる限界反応ガス利用率よ
り若干小さな反応ガス利用率に反応ガス量が設定される
ように、各流量調節弁14、15の開度を制御する。
That is, the proper reaction gas utilization rate control device 4
Reference numeral 1 denotes a reaction gas supplied to the fuel cell 10
Depending on the load current of 0, each flow rate is set so that the reaction gas amount is set to a reaction gas utilization rate that is slightly smaller than the critical reaction gas utilization rate at which the reaction gas cannot be supplied to the three-phase interface of each current measured in advance. The opening degree of the control valves 14 and 15 is controlled.

【0117】これにより、電流によって採用されている
反応ガス利用率に幅を持たせることが出来るようにな
り、各電流における反応ガス利用率の影響の感度が異な
ることに対応できる。
As a result, the reaction gas utilization factor adopted depending on the current can be varied, and the sensitivity of the reaction gas utilization factor to each current can be different.

【0118】又、適性反応ガス利用率制御装置41に電
流による電池劣化の影響の差を事前に比較データとして
入力することによって、燃料電池10の劣化に対応させ
て反応ガスを増量させ、劣化加速防止をする場合も、電
流による劣化の相違を加味させて行うことができる。
Further, by inputting the difference in the influence of the cell deterioration due to the current to the appropriate reaction gas utilization rate control device 41 as comparison data in advance, the reaction gas is increased in accordance with the deterioration of the fuel cell 10 to accelerate the deterioration. Also in the case of prevention, it is possible to take into consideration the difference in deterioration due to current.

【0119】このように上記第5の実施例においては、
燃料電池10の負荷電流及び電圧を測定し、これら測定
された負荷電流に応じて、予め測定された各電流の三相
界面へ燃料又は空気を供給できなくなる限界反応ガス利
用率よりも若干小さい反応ガス利用率に燃料又は空気の
うち少なくとも一方の流量を制御するようにしたので、
燃料電池10の表面を流れる反応ガス量を抑え、反応ガ
スで持ち出されるリン酸のロス量を低減できる。
As described above, in the fifth embodiment,
The load current and voltage of the fuel cell 10 are measured, and the reaction is slightly smaller than the critical reaction gas utilization rate at which fuel or air cannot be supplied to the three-phase interface of each current measured in advance in accordance with the measured load current. Since the flow rate of at least one of fuel and air is controlled for the gas utilization rate,
The amount of reaction gas flowing on the surface of the fuel cell 10 can be suppressed, and the amount of loss of phosphoric acid carried out by the reaction gas can be reduced.

【0120】又、燃料電池10の発電に必要なコンプレ
ッサー、ブロワー、改質器といった補機の効率を向上で
き、低負荷における発電効率を上げることができる。従
って、燃料電池10の運転条件によって反応ガス利用率
を調整することによって、触媒層内の電池反応に携わる
三相界面に、反応に必要な反応ガスを速やかに到達させ
ることのできる量を不必要に過剰にすることのないよう
な適性反応ガス利用率で運転できる。
Further, the efficiency of auxiliary equipment such as a compressor, a blower, and a reformer required for power generation of the fuel cell 10 can be improved, and the power generation efficiency under low load can be increased. Therefore, by adjusting the reaction gas utilization rate according to the operating conditions of the fuel cell 10, it is not necessary to adjust the reaction gas required for the reaction to the three-phase interface involved in the cell reaction in the catalyst layer. It is possible to operate at an appropriate reaction gas utilization rate that does not cause excessive excess.

【0121】なお、本発明は、上記第1〜第5の実施例
に限定されるものでなく次の通り変形してもよい。例え
ば、上記の如く燃料電池10に供給する反応ガス量を電
気出力に応じて調整する燃料電池発電装置において、そ
の電気出力を上げる場合には反応ガス流量の調整を電気
的負荷の上昇より先行して実施し、又、電気出力を下げ
る場合には電気的負荷の低下を反応ガス流量の調整より
先行して実施するようにしてもよい。
The present invention is not limited to the first to fifth embodiments described above, but may be modified as follows. For example, in the fuel cell power generator that adjusts the amount of reaction gas supplied to the fuel cell 10 according to the electric output as described above, when increasing the electric output, the reaction gas flow rate is adjusted before the increase of the electric load. Alternatively, when the electrical output is reduced, the electrical load may be reduced prior to the adjustment of the reaction gas flow rate.

【0122】[0122]

【発明の効果】以上詳記したように本発明によれば、反
応ガスの拡散不良による電池特性劣化の加速度化を防止
し、電池の特性劣化を極力抑えることができるように最
適な反応ガス利用率で運転ができる燃料電池発電装置を
提供できる。
As described above in detail, according to the present invention, the optimum use of the reaction gas can be prevented so that the deterioration of the battery characteristics due to the poor diffusion of the reaction gas can be prevented and the deterioration of the battery characteristics can be suppressed as much as possible. A fuel cell power generator that can be operated at a high rate can be provided.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明に係わる燃料電池発電装置の第1の実施
例を示す構成図。
FIG. 1 is a configuration diagram showing a first embodiment of a fuel cell power generator according to the present invention.

【図2】典型的な燃料電池の経時変化を示す図。FIG. 2 is a diagram showing changes over time in a typical fuel cell.

【図3】本発明に係わる燃料電池発電装置の第3の実施
例を示す記録評価系の構成図。
FIG. 3 is a configuration diagram of a recording evaluation system showing a third embodiment of the fuel cell power generator according to the present invention.

【図4】本発明に係わる燃料電池発電装置の第4の実施
例を示す構成図。
FIG. 4 is a configuration diagram showing a fourth embodiment of a fuel cell power generator according to the present invention.

【図5】本発明に係わる燃料電池発電装置の第5の実施
例を示す構成図。
FIG. 5 is a configuration diagram showing a fifth embodiment of a fuel cell power generator according to the present invention.

【図6】燃料電池を構成する単位電池の構成図。FIG. 6 is a configuration diagram of a unit cell that constitutes a fuel cell.

【図7】燃料電池の典型的な特性低下を示す図。FIG. 7 is a view showing a typical characteristic deterioration of a fuel cell.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10…燃料電池、14,15…流量調節弁、16,2
0,30,40…測定機器、17…記録評価装置、18
…流量制御装置、21…データ規格化装置、22…デー
タ記録装置、31…評価装置、32…流量制御装置、4
1…適性反応ガス利用率制御装置。
10 ... Fuel cell, 14, 15 ... Flow control valve, 16, 2
0, 30, 40 ... Measuring device, 17 ... Recording evaluation device, 18
... Flow rate control device, 21 ... Data standardization device, 22 ... Data recording device, 31 ... Evaluation device, 32 ... Flow rate control device, 4
1. Appropriate reaction gas utilization rate control device.

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 水素を含む燃料と酸化剤とを燃料電池に
供給して電気出力に変換する燃料電池発電装置におい
て、 前記燃料電池の負荷電流及び電圧を測定する測定手段
と、 この測定手段により測定された負荷電流及び電圧を運転
時間に対応させて経時変化として記録し、この経時変化
と前記燃料電池の健全な電池出力経時変化とを比較して
前記燃料電池の状態を評価する記録評価手段と、 この記録評価手段の評価結果に応じて前記燃料又は前記
酸化剤のうち少なくとも一方の流量を制御する流量制御
手段と、を具備したことを特徴とする燃料電池発電装
置。
1. A fuel cell power generator for supplying a fuel containing hydrogen and an oxidant to a fuel cell to convert the fuel cell into an electric output, and a measuring means for measuring a load current and a voltage of the fuel cell, and the measuring means. Recording and evaluating means for evaluating the state of the fuel cell by recording the measured load current and voltage as a change with time corresponding to the operating time, and comparing this change with time with a healthy change in cell output of the fuel cell. And a flow rate control means for controlling the flow rate of at least one of the fuel and the oxidant according to the evaluation result of the recording evaluation means.
【請求項2】 記録評価手段は、燃料電池の停止前と再
起動後とにおける経時変化を記録し、この経時変化と前
記燃料電池の健全な電池出力経時変化とを比較して前記
燃料電池の状態を評価する機能を有することを特徴とす
る請求項1記載の燃料電池発電装置。
2. The record evaluating means records a change with time before and after restarting the fuel cell, and compares the change with time with a sound change with time of a healthy cell output of the fuel cell. The fuel cell power generator according to claim 1, having a function of evaluating a state.
【請求項3】 水素を含む燃料と酸化剤とを燃料電池に
供給して電気出力に変換する燃料電池発電装置におい
て、 前記燃料電池の負荷電流、電圧、電池冷却水温度、反応
ガス利用率を測定又は算出して前記燃料電池の情報を得
る測定演算手段と、 この測定演算手段により得られた前記燃料電池の情報を
規格化するデータ規格化手段と、 このデータ規格化手段により規格化されたデータを前記
燃料電池の経時変化として記録するデータ記録手段と、 このデータ記録手段に記録された前記燃料電池の経時変
化と前記燃料電池の健全な電池出力経時変化とを比較し
て前記燃料電池の状態を評価する記録評価手段と、 この記録評価手段の診断結果に応じて前記燃料又は前記
酸化剤のうち少なくとも一方の流量を制御する流量制御
手段と、を具備したことを特徴とする燃料電池発電装
置。
3. A fuel cell power generator for supplying a fuel containing hydrogen and an oxidant to a fuel cell to convert the fuel cell into an electric output, wherein the load current, voltage, cell cooling water temperature, and reaction gas utilization rate of the fuel cell are measured. A measurement calculation means for measuring or calculating the fuel cell information, a data standardization means for standardizing the fuel cell information obtained by the measurement calculation means, and a data standardization means for normalizing the fuel cell information. Data recording means for recording data as the time-dependent change of the fuel cell, and comparing the time-dependent change of the fuel cell recorded in the data recording means with the sound cell output time-dependent change of the fuel cell, A recording evaluation means for evaluating the state, and a flow rate control means for controlling the flow rate of at least one of the fuel and the oxidant according to the diagnosis result of the recording evaluation means are provided. Fuel cell power generation system, wherein the door.
【請求項4】 水素を含む燃料と酸化剤とを燃料電池に
供給して電気出力に変換する燃料電池発電装置におい
て、 前記燃料電池の負荷電流の異なる所望の2点の電圧を測
定する測定手段と、 この測定手段により測定された前記燃料電池の負荷電流
の異なる所望の2点の電圧を受け、これら負荷電流に対
する電圧の傾きの経時変化により前記燃料電池の劣化を
判定する記録評価手段と、 この記録評価手段の評価結果に応じて前記燃料又は前記
空気の各流量を制御する流量制御手段と、を具備したこ
とを特徴とする燃料電池発電装置。
4. A fuel cell power generator for supplying a fuel containing hydrogen and an oxidant to a fuel cell to convert the fuel cell into an electric output, and measuring means for measuring voltages at two desired points having different load currents of the fuel cell. Record evaluation means for receiving two desired voltage points having different load currents of the fuel cell measured by the measuring means, and determining deterioration of the fuel cell by aging of a slope of voltage with respect to these load currents; And a flow rate control means for controlling each flow rate of the fuel or the air according to the evaluation result of the recording evaluation means.
【請求項5】 水素を含む燃料と酸化剤とを燃料電池に
供給して電気出力に変換する燃料電池発電装置におい
て、 前記燃料電池の負荷電流及び電圧を測定する測定手段
と、 この測定手段により測定された負荷電流に応じて、予め
測定された各電流の三相界面へ前記燃料又は前記酸化剤
を供給できなくなる限界反応ガス利用率よりも若干小さ
い反応ガス利用率に前記燃料又は前記酸化剤のうち少な
くとも一方の流量を制御する適性反応ガス利用率制御手
段と、を具備したことを特徴とする燃料電池発電装置。
5. A fuel cell power generator for supplying a fuel containing hydrogen and an oxidant to a fuel cell to convert the fuel cell into an electric output, and a measuring means for measuring a load current and a voltage of the fuel cell, and the measuring means. Depending on the measured load current, the fuel or the oxidant is set to a reaction gas utilization rate slightly smaller than the critical reaction gas utilization rate at which the fuel or the oxidant cannot be supplied to the three-phase interface of each current measured in advance. And a suitable reaction gas utilization rate control means for controlling the flow rate of at least one of the two.
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