JPH11283651A - Fuel cell system - Google Patents
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- JPH11283651A JPH11283651A JP10086593A JP8659398A JPH11283651A JP H11283651 A JPH11283651 A JP H11283651A JP 10086593 A JP10086593 A JP 10086593A JP 8659398 A JP8659398 A JP 8659398A JP H11283651 A JPH11283651 A JP H11283651A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池に関し、
特に、燃料電池の電界質膜に対して適正かつ効率的な水
分供給制御に関する。TECHNICAL FIELD The present invention relates to a fuel cell,
In particular, it relates to appropriate and efficient water supply control for an electrolyte membrane of a fuel cell.
【０００２】[0002]
【従来の技術】燃料電池特に、常温に近い温度での運転
が可能であり、高いエネルギー変換効率及び高い出力効
率を達成することができる。このため燃料電池は、移動
用電源あるいは電気自動車の動力源として注目されてい
る。燃料電池は、水素イオン伝導性の電解質膜を白金触
媒を担持したカーボン電極で挟み込んで構成される発電
素子、すなわち電解質膜−電極接合体及び各電極面にそ
れぞれの反応ガスを供給するためのガス通路を画成する
とともに、発電素子を両側から支持するガス分離部材と
を積層した構造を有する。そして、一方の電極に水素ガ
スすなわち燃料ガスを供給し、他方の電極に酸素あるい
は空気すなわち酸化ガスを供給して、反応ガスの酸化還
元反応にかかる化学エネルギーを直接電気エネルギーと
して抽出するようになっている。すなわち、アノード側
では水素ガスがイオン化して電解質中を移動し、電子
は、外部負荷を通ってカソード側に移動し、酸素と反応
して水を生成する一連の電気化学反応による電気エネル
ギーを取り出すことができる。電解質膜中を水素イオン
は水分子を伴い移動するため電解質膜が乾燥してしまう
と、イオン伝導率が低下し、エネルギー変換効率が低下
してしまう。このため、良好なイオン伝導を保つために
電解質膜に水分を供給する必要がある。電解質膜への水
分の供給のために、従来の構造では、燃料ガス及び酸化
ガスを加湿するための加湿装置が設けられていた。2. Description of the Related Art In particular, a fuel cell can be operated at a temperature close to room temperature, and can achieve high energy conversion efficiency and high output efficiency. For this reason, fuel cells are receiving attention as a power source for mobile use or a power source for electric vehicles. A fuel cell is a power generating element in which a hydrogen ion conductive electrolyte membrane is sandwiched between carbon electrodes supporting a platinum catalyst, that is, a gas for supplying each reaction gas to the electrolyte membrane-electrode assembly and each electrode surface. It has a structure in which a passage is defined and a gas separating member that supports the power generating element from both sides is laminated. Then, a hydrogen gas, that is, a fuel gas is supplied to one electrode, and oxygen or air, that is, an oxidizing gas is supplied to the other electrode, so that chemical energy involved in the oxidation-reduction reaction of the reaction gas is directly extracted as electric energy. ing. That is, on the anode side, hydrogen gas is ionized and moves through the electrolyte, and electrons move to the cathode side through an external load, and take out electric energy by a series of electrochemical reactions that react with oxygen to produce water. be able to. Since hydrogen ions move along with water molecules in the electrolyte membrane, if the electrolyte membrane is dried, the ionic conductivity is reduced and the energy conversion efficiency is reduced. For this reason, it is necessary to supply water to the electrolyte membrane in order to maintain good ion conduction. In order to supply moisture to the electrolyte membrane, in the conventional structure, a humidifier for humidifying the fuel gas and the oxidizing gas is provided.
【０００３】そして、酸化剤ガスとして空気を使用する
場合には、空気を所定の供給圧力まで加圧するためにエ
アーコンプレッサーが必要となる。特開平９−６３６２
０号公報には、空気のＣＯを低減した後エアーコンプレ
ッサーによりこれを加圧して空気極に導入するようにし
た燃料電池が開示されている。しかし、このように、酸
化ガスおよび燃料ガスの加湿装置を設けるとともに、空
気圧縮のためのエアーコンプレッサーを備えた燃料電池
システムは、極めて大型となり、移動型の電源装置とし
ては不利となる。自動車のような移動体の動力源として
燃料電池を適用する場合には、スペース上の制約のため
にコンパクト化する必要があるだけでなく、エアーコン
プレッサー、加湿装置等の周辺機器を含む全体の燃料電
池システムについてコンパクト化を図ることが望まし
い。When air is used as the oxidizing gas, an air compressor is required to pressurize the air to a predetermined supply pressure. JP-A-9-6362
No. 0 discloses a fuel cell in which air CO is reduced and then compressed by an air compressor to be introduced into an air electrode. However, as described above, the fuel cell system provided with the humidifier for the oxidizing gas and the fuel gas and provided with the air compressor for air compression becomes extremely large, which is disadvantageous as a mobile power supply device. When a fuel cell is used as a power source for a moving body such as an automobile, it is not only necessary to reduce the size of the fuel cell due to space restrictions, but also to use the entire fuel including peripheral devices such as an air compressor and a humidifier. It is desirable to make the battery system compact.
【０００４】[0004]
【本発明が解決しようとする課題】このような観点か
ら、本件出願人は、特願平９−１２１９８２号におい
て、空気用加湿器を不要化することによって、システム
のコンパクト化を達成した燃料電池システムを提案して
いる。このような空気用加湿器を不要化した燃料電池シ
ステムにおいては、所望の電解質膜の水分量は、水素ガ
スへの水分供給により行われることとなる。この場合、
冷間時等の運転初期においては、燃料電池システムの温
度は全体として低くなっている。電解質膜に供給される
燃料ガスである水素ガスは周囲温度により低温状態で供
給されるが、酸化ガスとしての空気は、エアーコンプレ
ッサーにより断熱圧縮された状態で供給されるので温度
が上昇する。この場合、空気の温度が十分に上昇したあ
とにおいては、カソード側における酸化反応により生成
する水を空気が同伴することによって排除し、電解質膜
を適正な湿潤状態に保持することができる。しかし、空
気が温度上昇するまでの間では、空気が同伴する水分の
量が、生成される水分量よりも少なくなり、カソード側
で水分の過剰状態が顕在化する。SUMMARY OF THE INVENTION From such a viewpoint, the applicant of the present application has disclosed in Japanese Patent Application No. 9-121982 a fuel cell which has achieved a compact system by eliminating the need for an air humidifier. Proposing system. In such a fuel cell system that does not require an air humidifier, the desired amount of water in the electrolyte membrane is determined by supplying water to hydrogen gas. in this case,
In the early stage of operation such as in a cold state, the temperature of the fuel cell system is low as a whole. Hydrogen gas, which is a fuel gas supplied to the electrolyte membrane, is supplied in a low temperature state due to ambient temperature, but air as an oxidizing gas is supplied in an adiabatic compressed state by an air compressor, so that the temperature rises. In this case, after the temperature of the air has risen sufficiently, the water generated by the oxidation reaction on the cathode side is eliminated by the accompanying air, and the electrolyte membrane can be kept in an appropriate wet state. However, until the temperature of the air rises, the amount of water entrained by the air becomes smaller than the amount of generated water, and an excess state of water becomes apparent on the cathode side.
【０００５】これによって、電解反応効率が低下して出
力性能が一層低下するという現象が発生する。また、外
気温が比較的低い状態において、燃料電池システムの運
転停止後、比較的短時間の内に運転を再開するような場
合には、燃料電池スタック温度は高い状態に維持されて
いるとともに、燃料ガスが外気温の影響は少ないため
に、運転再開直後においては、スタック温度および供給
燃料ガスに比して、酸化ガスの温度が低い状態が発生す
る。このような場合にも、カソード側での生成水の排除
が不十分となり、過剰水分のために電解反応効率が低下
するという現象が生じる。As a result, a phenomenon occurs in which the efficiency of the electrolytic reaction is reduced and the output performance is further reduced. Further, in a state where the outside air temperature is relatively low, when the operation of the fuel cell system is restarted within a relatively short time after the operation of the fuel cell system is stopped, the fuel cell stack temperature is maintained at a high state, Since the fuel gas is less affected by the outside air temperature, immediately after the restart of the operation, a state in which the temperature of the oxidizing gas is lower than the stack temperature and the supplied fuel gas occurs. In such a case as well, a phenomenon occurs in which the generated water on the cathode side is insufficiently removed, and the efficiency of the electrolytic reaction is reduced due to excess water.
【０００６】[0006]
【課題を解決するための手段】本発明は、このような事
情に鑑みて構成されたもので、燃料電池システムの電解
質膜の水分量を常に適正状態に制御できるようにして、
燃料ガスの温度が酸化ガスの温度よりも所定以上高いよ
うな運転状態であっても電解質膜での電解反応を効率的
に行わせることができ、したがって、高い出力性能を維
持することができる燃料電池システムを提供することを
目的とする。本発明の燃料電池システムは、電解質膜の
一方の側に配置され燃料ガスが供給されるアノード触媒
電極と、電解質膜の他方の側に配置され、酸化ガスが供
給されるカソード触媒電極と、前記アノード触媒電極に
供給される燃料ガスを加湿する燃料ガス加湿手段と、該
加湿された燃料ガスを前記アノード触媒電極に供給する
燃料ガス供給手段と、前記カソード触媒電極に酸化ガス
を供給する酸化ガス供給手段と、を備えた燃料電池シス
テムにおいて、前記燃料ガスの供給温度が酸化ガスの供
給温度よりほぼ１０度以上高温であるときであって酸化
ガスの供給温度が所定温度よりも低い場合に、燃料ガス
から前記電解質膜への供給水分量を減少させる調整手段
を備えたことを特徴とする。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above circumstances, and has an object to control the amount of water in an electrolyte membrane of a fuel cell system to an appropriate state at all times.
Even in an operating state in which the temperature of the fuel gas is higher than the temperature of the oxidizing gas by a predetermined amount or more, the electrolytic reaction in the electrolyte membrane can be efficiently performed, and therefore, the fuel capable of maintaining high output performance It is intended to provide a battery system. The fuel cell system according to the present invention includes an anode catalyst electrode provided on one side of the electrolyte membrane and supplied with a fuel gas; a cathode catalyst electrode provided on the other side of the electrolyte membrane and supplied with an oxidizing gas; Fuel gas humidifying means for humidifying the fuel gas supplied to the anode catalyst electrode, fuel gas supply means for supplying the humidified fuel gas to the anode catalyst electrode, and oxidizing gas for supplying an oxidizing gas to the cathode catalyst electrode Supply means, wherein the supply temperature of the fuel gas is approximately 10 degrees or more higher than the supply temperature of the oxidizing gas, and the supply temperature of the oxidizing gas is lower than a predetermined temperature. An adjusting means for reducing the amount of water supplied from the fuel gas to the electrolyte membrane is provided.
【０００７】好ましい態様では、前記調整手段は、燃料
ガスの温度を下げることによって電解質膜への水分供給
量を減少させるようになっている。また別の好ましい態
様では、前記燃料ガスの供給量を減少させることによっ
て電解質膜への水分量の供給量を減少させるようになっ
ていることを特徴とする燃料電池システム。好ましく
は、運転停止後所定時間内に燃料電池システムを再始動
するするとき、前記調整手段は、燃料ガスから電解質膜
への供給水分量を減少させるようになっている。また、
所定温度よりも低い外気温の状態で燃料電池システムを
始動する場合に、前記調整手段は、燃料ガスから電解質
膜への供給水分量を減少させるようにしてもよい。[0007] In a preferred aspect, the adjusting means reduces the amount of water supply to the electrolyte membrane by lowering the temperature of the fuel gas. In another preferred aspect, the fuel cell system is characterized in that the supply amount of the fuel gas is reduced to thereby reduce the supply amount of the water amount to the electrolyte membrane. Preferably, when the fuel cell system is restarted within a predetermined time after the operation is stopped, the adjusting means reduces the amount of water supplied from the fuel gas to the electrolyte membrane. Also,
When the fuel cell system is started at an outside air temperature lower than a predetermined temperature, the adjusting means may reduce the amount of water supplied from the fuel gas to the electrolyte membrane.
【０００８】本発明の別の特徴によれば、燃料ガスの供
給温度が酸化ガスの供給温度よりほぼ１０度以上高温で
あるときであって酸化ガスの供給温度が所定温度よりも
低い場合に、酸化ガスまたは前記電解質膜を急速昇温さ
せるようになっている。酸化ガスの加熱手段として、加
熱手段は直接加熱手段を酸化ガスに適用することもでき
るが、エアーコンプレッサー等の断熱圧縮手段を加熱手
段として活用することもできる。According to another feature of the present invention, when the supply temperature of the fuel gas is approximately 10 degrees or more higher than the supply temperature of the oxidizing gas and the supply temperature of the oxidizing gas is lower than a predetermined temperature, The temperature of the oxidizing gas or the electrolyte membrane is rapidly raised. As the heating means of the oxidizing gas, the heating means can directly apply the heating means to the oxidizing gas, but it is also possible to utilize an adiabatic compression means such as an air compressor as the heating means.
【０００９】[0009]
【発明の実施の形態】上記したように電解質膜は、含水
状態でプロトンすなわち水素イオンの移動を可能とする
ことによって、電流回路を外部に形成することができ、
これによって外部仕事を行う燃料電池が形成される。す
なわち、燃料電池を構成するためには、電解質膜が水分
を保有していることが必要である。この場合電解質膜の
カソード触媒電極側では酸化反応によって水が生成する
が、この生成水がカソード触媒電極側で過剰になると、
燃料電池の出力性能は低下する。したがって、出力性能
を維持するためには燃料電池反応による生成水が過剰と
なる場合には、燃料電池から排出することも必要であ
る。つまり膜中水分が不足してもカソード触媒電極の水
分の留保が過剰となっても燃料電池の性能劣化を招くこ
とになる。このように電解質膜の含水量は、燃料電池の
性能に対して大きく影響するものであり、極めて重要で
ある。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS As described above, the electrolyte membrane enables the transfer of protons, that is, hydrogen ions in a water-containing state, thereby forming a current circuit outside.
This forms a fuel cell that performs external work. That is, in order to constitute a fuel cell, it is necessary that the electrolyte membrane has moisture. In this case, water is generated by the oxidation reaction on the cathode catalyst electrode side of the electrolyte membrane, but when the generated water becomes excessive on the cathode catalyst electrode side,
The output performance of the fuel cell decreases. Therefore, in order to maintain the output performance, when the water generated by the fuel cell reaction becomes excessive, it is necessary to discharge the water from the fuel cell. That is, even if the water content in the membrane is insufficient or the water retention in the cathode catalyst electrode is excessive, the performance of the fuel cell is deteriorated. As described above, the water content of the electrolyte membrane greatly affects the performance of the fuel cell, and is extremely important.
【００１０】したがって、酸化ガスによって供給あるい
は除去されて変動する電解質膜の含水量を燃料電池の運
転を通じて適正範囲内に維持するための制御が必要とな
る。電解質膜中の水分移動は、電気浸透流といわれるプ
ロトン移動にともなうアノード側からカソード側への移
動と、反応生成水の逆拡散流といわれるカソード側から
アノード側への水分移動がある。したがって、電解質膜
のアノード側またはカソード側の水分の収支は電気浸透
流と逆拡散流の量によって決まる。一般に、電気浸透流
が逆拡散流を上回るためにアノード側は水素ガスの加湿
により水分を供給する必要がある。一方、カソード側に
おいては、酸化ガスとして空気を使用する場合には、化
学量論流量比でアノード側の水素流量の約２．５倍が流
通することとなる。このため、同じ反応ガス利用率で運
転すると、空気を加湿しない場合には、アノード側の
２．５倍の水分量がカソード側から空気に同伴して持ち
去られることとなる。Therefore, it is necessary to control the water content of the electrolyte membrane which is supplied or removed by the oxidizing gas and fluctuates within an appropriate range throughout the operation of the fuel cell. Moisture movement in the electrolyte membrane includes movement from the anode side to the cathode side due to proton movement called electroosmotic flow, and water movement from the cathode side to the anode side called reverse diffusion flow of reaction product water. Therefore, the balance of water on the anode side or the cathode side of the electrolyte membrane is determined by the amount of the electroosmotic flow and the reverse diffusion flow. Generally, since the electroosmotic flow exceeds the reverse diffusion flow, it is necessary to supply water to the anode side by humidifying hydrogen gas. On the other hand, when air is used as the oxidizing gas on the cathode side, about 2.5 times the hydrogen flow rate on the anode side flows in a stoichiometric flow ratio. For this reason, when the operation is performed at the same reaction gas utilization rate, when the air is not humidified, a water amount 2.5 times that of the anode side is carried away from the cathode side together with the air.
【００１１】カソード側では、生成水が発生し、逆拡散
流を上回る電気浸透流が流入することによってアノード
側に比較すると水分量は多くなるが上記のようにガスの
流通量がアノード側よりも多くなることによって、水分
の不足状態が生じることとなる。従来では、空気の加湿
装置を設置することによって、カソード側の水分不足の
問題に対応していた。しかし、本発明者らは上記したよ
うに空気の加湿装置を省略した燃料電池を提案してい
る。所望の出力性能を維持することができる燃料電池を
提供することができたものである。図１には、本発明を
適用することができる燃料電池の水分移動モデルが示さ
れている。On the cathode side, generated water is generated and an electroosmotic flow exceeding the reverse diffusion flow flows in, so that the amount of water increases as compared with the anode side, but the gas flow rate is higher than that of the anode side as described above. Increasing the number will result in a water shortage condition. Conventionally, the problem of insufficient moisture on the cathode side has been addressed by installing an air humidifier. However, the present inventors have proposed a fuel cell in which the air humidifier is omitted as described above. It has been possible to provide a fuel cell capable of maintaining desired output performance. FIG. 1 shows a moisture transfer model of a fuel cell to which the present invention can be applied.
【００１２】固体高分子電解質膜の水分移動は上記から
明らかのように電気浸透流と逆拡散流との差が固体高分
子電解質膜における見かけの水和量を用いて以下の式で
表される。 ＪM ＝Ｓｉ／Ｆ (1) ここで、ＪM ：固体高分子電解質膜中の水分移動量 Ｓ ：見かけの水和量 ｉ ：電流密度（Ａ／cm2) またカソード側で反応により生成する水分量ＪW は、 ＪW ＝ｉ／２Ｆ (2) であらわされる。As is clear from the above, the difference between the electroosmotic flow and the reverse diffusion flow in the water transfer of the solid polymer electrolyte membrane is expressed by the following equation using the apparent hydration amount of the solid polymer electrolyte membrane. . J M = Si / F (1) where J M : moisture transfer amount in the solid polymer electrolyte membrane S: apparent hydration amount i: current density (A / cm 2 ) Also generated by reaction on the cathode side The water content J W is represented by J W = i / 2F (2).
【００１３】アノード側の加湿による水分供給量
（ＪA ）の最大値ＪA(MAX)は、以下のように表される。 ＪA(MAX)＝（ＰW(T)／（ＰA −ＰW(T)））ｉ／２ａＦ (3) ここで、ａ：水素ガスの利用率 ＰA ：水素の供給圧 ＰW(T)：温度Ｔ（℃）における飽和水蒸気分圧 カソード側において空気に同伴して排出される水分量
（ＪC ）の最大値ＪC(MA X)は、 ＪC(MAX)＝（ＰW(T)／（ＰC −ＰW(T)））５ｉ／４ｃＦ (4) ここで、ｃ：空気の利用率 ＰC ：空気の供給圧 で表される。The maximum value J A (MAX) of the water supply amount (J A ) by humidification on the anode side is expressed as follows. J A (MAX) = (P W (T) / (P A -P W (T))) i / 2aF (3) where, a: utilization of hydrogen gas P A: supply pressure of hydrogen P W ( T): the maximum value J C (MA X amount of water to be discharged with entrained in air at saturated water vapor pressure cathode side at a temperature T (℃) (J C) ) is, J C (MAX) = ( P W (T) / (P C -P W (T))) 5i / 4cF (4) where, c: utilization of air P C: represented by the supply pressure of air.
【００１４】燃料電池における酸化還元反応の反応中に
おいて、上記から固体高分子電解質膜をアノード側から
カソード側に移動する水分移動量ＪM と酸化反応によっ
て生成する水分量ＪW との合計量と、カソード側から空
気と同伴して系外に持ち出される水分量ＪC とが釣り合
うこと、及び電解質膜中を移動する水分量ＪM とアノー
ド側に供給される水分量ＪA とが釣り合うことが重要で
ある。もし、カソード側から空気と同伴して系外に持ち
出される水分量ＪC が、電解質膜をアノード側からカソ
ード側に移動する水分移動量ＪM と酸化反応によって生
成する水分量ＪW との合計量よりも多いと、カソード側
において所望の水分量が確保出来なくなる。すなわち、
カソード側でドライアウト現象が生じることとなる。During the oxidation-reduction reaction in the fuel cell, the total amount of the amount of water movement J M that moves the solid polymer electrolyte membrane from the anode side to the cathode side and the amount of water J W generated by the oxidation reaction is as follows. , the a water content J C from the cathode side is brought out of the system entrains air are balanced, and the water content J a to be supplied to the water content J M and the anode side to move the electrolyte membrane that are balanced is important. If the amount of water J C taken out of the system together with air from the cathode side is the sum of the amount of water movement J M that moves the electrolyte membrane from the anode side to the cathode side and the amount of water J W generated by the oxidation reaction. If the amount is larger than the amount, the desired water amount cannot be secured on the cathode side. That is,
A dryout phenomenon occurs on the cathode side.
【００１５】また、アノード側に供給される水分量ＪA
が電解質膜中を移動する水分量ＪMよりも少ない場合に
は、アノード側がドライアウトを生じることとなる。い
ずれの場合にも、全体として燃料電池の出力性能を低下
させることとなる。カソード側において空気の同伴して
排出される水分量（ＪC ）の最大値ＪC(MA X)及びアノー
ド側の加湿による水分供給量（ＪA ）の最大値ＪA(MAX)
は、それぞれ当該温度における飽和水蒸気量である。し
たがって、この最大値ＪC(MAX)及びＪA(MAX)は、温度に
依存し、温度が上昇すると急激に増大する。したがっ
て、アノード側の水分供給量ＪA 及びカソード側の水分
同伴量ＪC も同様に温度が上昇すると増大する。この結
果、カソード側では供給する空気の温度が高い場合に
は、ドライアウトが生じ易くなるので、供給する空気へ
の加湿量を低減させるためには運転温度は低い方が望ま
しい。The amount of water J A supplied to the anode side
There occurs less than the water content J M to move in the electrolyte membrane, the anode side is causing dryout. In either case, the output performance of the fuel cell is reduced as a whole. The amount of water at the cathode side is discharged air entrained by (J C) maximum J C of (MA X) and water supply amount of humidification of the anode-side maximum value J A of (J A) (MAX)
Is the amount of saturated steam at that temperature. Therefore, the maximum values J C (MAX) and J A (MAX) depend on the temperature, and increase rapidly as the temperature rises. Accordingly, the water supply amount J A on the anode side and the water entrainment amount J C on the cathode side also increase as the temperature rises. As a result, when the temperature of the supplied air is high on the cathode side, dryout is likely to occur. Therefore, it is desirable that the operating temperature be low in order to reduce the amount of humidification of the supplied air.
【００１６】一方、アノード側では供給ガスの温度が低
い場合には、水分供給量ＪA と膜中の水分移動量ＪM と
が拮抗する。そして、温度がある程度以上低くなった場
合には、水分供給量ＪA が水分移動量ＪM より低くなっ
てやはりドライアウトの問題が生じる。ところで、電解
質膜の膜厚を薄くすることによって逆拡散流が増大する
ため全体として電解質膜中の水分移動量ＪM が減少する
ことが分かっている。この理由は、電解質膜中の水分の
濃度勾配がアノード側とカソード側との間で急激になる
ためであると考えられている。したがって、低い温度で
の運転することによってアノード側において水分供給量
ＪA が減少することによって、アノード側でドライアウ
トの問題が生じるのを防止するためには、電解質膜の厚
さを薄くするのが望ましい。On the other hand, when the temperature of the supply gas is low on the anode side, the water supply amount J A and the water movement amount J M in the membrane are in opposition. When the temperature is more than a certain low, again the water supply amount J A is lower than the water moving amount J M of dryout problems. By the way, it is known that the reverse diffusion flow is increased by reducing the thickness of the electrolyte membrane, so that the water movement amount J M in the electrolyte membrane is reduced as a whole. It is considered that this is because the concentration gradient of water in the electrolyte membrane becomes sharp between the anode side and the cathode side. Therefore, by the water supply amount J A is reduced at the anode side by operation at low temperatures, in order to prevent the dry-out problems at the anode side, to reduce the thickness of the electrolyte membrane Is desirable.
【００１７】しかし、燃料電池システムの運転温度が低
くなり過ぎると、上記の現象とは逆に、カソード側にお
ける酸化反応で生じた生成水を適正に排出することがで
きなくなり、カソード側で水分の過剰状態が発生し、電
解膜の全体の反応効率が低下する。本発明では、運転温
度が低い場合あるいは、酸化ガスの温度が燃料ガスの温
度に比して低い場合には上記のカソード側の生成水排出
能力が低下することに鑑み所定の運転状態では、燃料ガ
スから電解質膜への水分供給量を減少させるようにして
いる。これによって、運転状態にかかわらず、電解質膜
の湿潤状態を良好に維持し、出力性能も高い水準に維持
することができるものである。However, if the operating temperature of the fuel cell system becomes too low, the water generated by the oxidation reaction on the cathode side cannot be properly discharged, contrary to the above phenomenon, and the water content on the cathode side cannot be properly discharged. An excessive state occurs, and the overall reaction efficiency of the electrolytic membrane decreases. In the present invention, when the operating temperature is low or when the temperature of the oxidizing gas is lower than the temperature of the fuel gas, in view of the fact that the generated water discharge capacity on the cathode side is reduced, the fuel in the predetermined operating state is The amount of water supplied from the gas to the electrolyte membrane is reduced. Thereby, regardless of the operation state, the wet state of the electrolyte membrane can be maintained satisfactorily, and the output performance can be maintained at a high level.
【００１８】[0018]
【実施例】図２を参照すると、本発明の１実施例に従う
燃料電池システム１の概略図が示されている。このシス
テム１では、上記の固体高分子燃料電池を積層した燃料
電池スタック２が設けられ、該燃料電池スタック２に
は、燃料ガスとしての水素が供給管３を介して供給され
る。水素ガスの供給系は、水素ガス発生源としてのＭＨ
水素吸蔵合金４を備えており、本例の水素吸蔵合金４
は、加圧によって水素ガスを発生する。発生した高圧
（５気圧程度の）水素ガスは供給管３の配管上に設けら
れた水素ガス調整弁５により供給圧力が調整されるよう
になっている（約１．５〜３．０気圧程度）。そして、
所定量に調整された水素ガスは燃料スタック２に隣接し
て設置された水素ガス加湿器６に導かれる。燃料電池ス
タック２からの水素ガスは、水素ガス排出管７を介して
燃料電池スタック２から排出され、水分凝縮器８を経て
水素ガス戻り管９に導入され、水素循環ポンプ１０に導
入される。水素ガス戻り管１１は、上記の水素ガス圧力
調整弁５の下流側で水素ガス供給管３合流して循環経路
を構成する。FIG. 2 shows a schematic diagram of a fuel cell system 1 according to one embodiment of the present invention. In this system 1, a fuel cell stack 2 in which the above-mentioned solid polymer fuel cells are stacked is provided, and hydrogen as a fuel gas is supplied to the fuel cell stack 2 through a supply pipe 3. The supply system of hydrogen gas is MH as a hydrogen gas generation source.
The hydrogen storage alloy 4 is provided.
Generates hydrogen gas by pressurization. The supply pressure of the generated high-pressure (about 5 atm) hydrogen gas is adjusted by a hydrogen gas regulating valve 5 provided on the supply pipe 3 (about 1.5 to 3.0 atm). ). And
The hydrogen gas adjusted to a predetermined amount is guided to a hydrogen gas humidifier 6 installed adjacent to the fuel stack 2. Hydrogen gas from the fuel cell stack 2 is discharged from the fuel cell stack 2 via a hydrogen gas discharge pipe 7, introduced into a hydrogen gas return pipe 9 via a moisture condenser 8, and introduced into a hydrogen circulation pump 10. The hydrogen gas return pipe 11 joins the hydrogen gas supply pipe 3 downstream of the hydrogen gas pressure regulating valve 5 to form a circulation path.
【００１９】また、酸化剤ガスとしての空気が供給管１
２を介して該燃料電池スタック２のそれぞれのカソード
側に供給される。空気の供給系は、加圧するためのエア
ーコンプレッサー１３を備えており、これによって１．
５ないし３．０気圧に昇圧されて、燃料電池スタック２
に導入される。燃料電池からの余剰の空気は、空気排出
管から水分凝縮器１４を経由して大気に開放される。本
例の燃料電池システム１は、水素ガスが電解質に持ち込
む水分量を調節するためおよび、水素ガスおよび空気が
電解質膜から同伴する水分を処理するための水分循環系
を備えている。この水分循環系は水の循環エネルギーを
与えるための循環水ポンプ１５を備えている循環水ポン
プ１５から吐出された水は配管１６ａを介してて水素加
湿器６内に導入されて水素ガスと半透膜を介して接触し
て水素ガスを加湿する。そして、本例の水循環系では加
湿器６からの配管１６ｂは、酸化ガスの水分凝縮器１４
に接続されており、ここを介して循環水ポンプ１５の吸
入側に戻されるようになっている。また、循環水ポンプ
１５の吸入側の配管１６ｃには、水素ガス用水分凝縮器
８からの配管も接続されており、両方の水分凝縮器８、
１４からの水が加湿器用循環水系に組み込まれるように
なっている。Air as the oxidizing gas is supplied from the supply pipe 1.
The fuel is supplied to the respective cathode sides of the fuel cell stack 2 via the fuel cell stack 2. The air supply system is provided with an air compressor 13 for pressurization.
The pressure is increased to 5 to 3.0 atm, and the fuel cell stack 2
Will be introduced. Excess air from the fuel cell is released from the air discharge pipe to the atmosphere via the moisture condenser 14. The fuel cell system 1 of the present example includes a moisture circulation system for adjusting the amount of moisture brought by the hydrogen gas into the electrolyte and for treating the moisture entrained by the hydrogen gas and the air from the electrolyte membrane. In this water circulation system, water discharged from a circulating water pump 15 provided with a circulating water pump 15 for providing circulating energy of water is introduced into a hydrogen humidifier 6 through a pipe 16a, and a half of the hydrogen gas is removed. The hydrogen gas is humidified by contact through a permeable membrane. In the water circulation system of the present embodiment, the pipe 16b from the humidifier 6 is connected to the moisture condenser 14 for the oxidizing gas.
And is returned to the suction side of the circulating water pump 15 via this. In addition, a pipe from the hydrogen gas moisture condenser 8 is also connected to a pipe 16c on the suction side of the circulating water pump 15, and both moisture condensers 8,
The water from 14 is adapted to be incorporated into the humidifier circulating water system.
【００２０】また、本例の燃料電池システム１は、冷却
水循環配管の経路に一部に組み込まれており、これによ
って冷却水による所定の冷却効果を得るようになってい
る。本例の冷却水循環系は、冷却水ポンプ１７を備えて
おり、冷却水ポンプ１７からの吐出側配管１８には、ラ
ジエータ１９が配置されており、冷却水はラジエータ１
９に冷却された後、エアーコンプレッサー１３の吐出側
の熱交換器２０に通され、エアーコンプレッサー１３に
よって断熱圧縮されて温度上昇した圧縮空気を冷却す
る。そして、熱交換器２０を経た冷却水は、水素ガス用
加湿器を通って燃料電池スタック２に通され燃料電池ス
タック２を所定の温度範囲内に調整されるようになって
いる。なお、エアーコンプレッサー１３の吐出側の配管
は、熱交換器２０を経由する配管１２ａと、経由しない
配管１２ｂとに分岐しており、これらの熱交換器２０を
通過する空気量を調整することにより、燃料電池スタッ
ク２に導入される空気の温度を制御することができるよ
うになっている。Further, the fuel cell system 1 of the present embodiment is incorporated in a part of the path of the cooling water circulation pipe, whereby a predetermined cooling effect by the cooling water is obtained. The cooling water circulation system of the present example includes a cooling water pump 17, and a radiator 19 is disposed on a discharge-side pipe 18 from the cooling water pump 17, and the cooling water is supplied to the radiator 1.
After being cooled to 9, it is passed through a heat exchanger 20 on the discharge side of the air compressor 13 to cool the compressed air that has been adiabatically compressed by the air compressor 13 and raised in temperature. The cooling water that has passed through the heat exchanger 20 passes through the humidifier for hydrogen gas and passes through the fuel cell stack 2 so that the temperature of the fuel cell stack 2 is adjusted to a predetermined temperature range. The pipe on the discharge side of the air compressor 13 is branched into a pipe 12a that passes through the heat exchanger 20 and a pipe 12b that does not pass through, and by adjusting the amount of air passing through these heat exchangers 20, The temperature of the air introduced into the fuel cell stack 2 can be controlled.
【００２１】なおこの目的のために燃料スタック２に導
入される空気の配管には空気温度をはかる温度センサ２
１が設けられている。また、水素ガスの温度を図る温度
センサ２２も水素ガス循環系に設けられる。なおこれら
の水素及び空気の圧力を計測するために圧力計２３、２
４がそれぞれ設けられる。なお、本例の燃料電池システ
ム１は、空気側の加湿装置は備えていない。さらに、本
例の燃料電池システム１は、水素ガスを所定の運転状態
において加熱するためのヒータ２５を備えるとともに、
このヒータ２５および水素ガスコンプレッサ１０の電力
量を制御するために好ましくは、マイクロコンピュータ
を含んで構成される電子制御装置（ＥＣＵ）２６を備え
ている。A pipe for air introduced into the fuel stack 2 for this purpose has a temperature sensor 2 for measuring the air temperature.
1 is provided. A temperature sensor 22 for measuring the temperature of the hydrogen gas is also provided in the hydrogen gas circulation system. In order to measure the pressure of these hydrogen and air, pressure gauges 23, 2
4 are provided. Note that the fuel cell system 1 of the present example does not include a humidifier on the air side. Further, the fuel cell system 1 of the present example includes a heater 25 for heating hydrogen gas in a predetermined operation state,
An electronic control unit (ECU) 26 preferably including a microcomputer is provided for controlling the electric energy of the heater 25 and the hydrogen gas compressor 10.
【００２２】さらにエアーコンプレッサー１３の吐出側
において、熱交換器２０をバイパスするバイパス通路１
２ｂには、流量を調整する流量調整弁２７が設けられ、
熱交換器２０への圧縮空気量を調整できるようになって
いる。これによって、必要に応じて燃料電池スタック２
に供給される空気温度を冷却制御することができる。こ
の目的のためにＥＣＵ２６は、流量調整弁の開度調整を
行う制御信号を出力する。燃料電池の運転温度におい
て、約５０℃を下回るとアノード側の水分供給量（最大
値）ＪA(MAX)が上記水分移動量ＪM に及ばなくなり、ア
ノード側のドライアウトの問題が生じる。このようなド
ライアウトを防止し、高効率で電解反応を生じさせるた
めには、約５０℃から７０℃の範囲で運転するのが望ま
しい。Further, on the discharge side of the air compressor 13, a bypass passage 1 for bypassing the heat exchanger 20 is provided.
2b is provided with a flow rate adjusting valve 27 for adjusting the flow rate,
The amount of compressed air to the heat exchanger 20 can be adjusted. As a result, the fuel cell stack 2
The temperature of the air supplied to the chiller can be controlled by cooling. For this purpose, the ECU 26 outputs a control signal for adjusting the opening of the flow control valve. If the operating temperature of the fuel cell is lower than about 50 ° C., the amount of water supply (maximum value) JA (MAX) on the anode side does not reach the above-mentioned amount of water movement J M , causing a problem of dryout on the anode side. In order to prevent such dryout and to cause an electrolytic reaction with high efficiency, it is desirable to operate at a temperature in the range of about 50 ° C to 70 ° C.
【００２３】逆に、カソード側では、生成水が生じるの
で、電解質膜から水分を除去する必要がある。バランス
した状態であれば、空気が生成水を適度に排出する効果
を有することによって、電解質膜のカソード側は適正な
湿潤状態を保持することができる。しかし、運転温度の
低い状態では、アノード側の上記ドライアウトの問題を
解消するために、水素ガスガスを加湿して所定量の水分
を供給するようになっていることととあいまってカソー
ド側における水分の過剰状態が加速される。特に、特に
外気温が所定温度たとえば、約５℃よりも低い温度で始
動するような場合には、酸化ガスとしての空気温度が燃
料ガスとしての水素ガスよりも大幅に温度が低くなる。
このような状態で始動すると、空気が適度に昇温するま
での間では、空気によるカソード側からの水分の除去効
果は極めて低くなり、過剰水分が電解質膜上に残って電
解反応を阻害する。Conversely, on the cathode side, generated water is generated, so that it is necessary to remove water from the electrolyte membrane. In a balanced state, the air has an effect of appropriately discharging generated water, so that the cathode side of the electrolyte membrane can maintain an appropriate wet state. However, in a state where the operating temperature is low, in order to solve the problem of the dryout on the anode side, the hydrogen gas gas is humidified to supply a predetermined amount of water, and the water on the cathode side is supplied. Is accelerated. In particular, particularly when the outside air temperature is started at a predetermined temperature, for example, lower than about 5 ° C., the temperature of the air as the oxidizing gas is significantly lower than that of the hydrogen gas as the fuel gas.
When the engine is started in such a state, the effect of removing water from the cathode side by the air becomes extremely low until the temperature of the air rises appropriately, and excess water remains on the electrolyte membrane to inhibit the electrolytic reaction.
【００２４】このようなカソード側での水分過剰の状態
は、燃料ガスの供給温度に対して、空気の供給温度が低
いときにも生じる。たとえば、定常状態で運転していた
燃料電池システムを停止した後、比較的短い時間内に再
び始動するような場合には、空気温は外気温であるが、
燃料ガスは運転直後の暖気された燃料電池システムの残
存した高い温度の影響を受けており、比較的高い温度で
燃料電池スタックに供給されることになる。このような
場合には、加湿状態で供給される燃料ガスの保有する水
分量に比して、十分に昇温しない空気がシステム内に導
入されることにより、カソード側から排出される水分量
が少なくなる傾向となり、上記したのと同様の電解質膜
カソード側での過剰湿潤状態が発生する。Such a state of excessive moisture on the cathode side also occurs when the supply temperature of air is lower than the supply temperature of fuel gas. For example, if the fuel cell system operating in a steady state is stopped and then restarted within a relatively short time, the air temperature is the outside temperature,
The fuel gas is affected by the remaining high temperature of the heated fuel cell system immediately after the operation, and is supplied to the fuel cell stack at a relatively high temperature. In such a case, the amount of water discharged from the cathode side is reduced by introducing air into the system that does not sufficiently increase the temperature compared to the amount of water contained in the fuel gas supplied in a humidified state. As a result, an excessively wet state occurs on the cathode side of the electrolyte membrane as described above.
【００２５】このような状況にある空気、スタック、水
素ガスの温度の関係を図３に示している。上記のように
運転開始直後は、燃料電池システムは外気温とほぼ同じ
温度になっている。運転開始後、空気は、エアーコンプ
レッサーによって断熱圧縮されるので、図３の特性線Ａ
で示すように、温度が上昇する。これにともなって、ス
タック温度（特性線Ｓ）および水素ガス温度（特性線
Ｈ）も温度上昇する。この場合、スタックおよび水素ガ
スはほぼ同じ傾向で温度上昇する。運転開始後、一定時
間経過すると空気、スタック、水素ガスの温度上昇はな
くなり温度は定常となる。燃料電池システムの温度状態
が定常状態になった後においては、電解質膜の含水量の
制御は、比較的容易であり電解反応の効率の良好に維持
することができるが、定常状態となるまでの間は、水素
ガスおよびスタックは運転停止前の暖気された温度状態
を維持しているので、運転再開直後の空気の温度よりも
高い。したがって、カソード側の水分過剰状態が発生す
る。FIG. 3 shows the relationship between the temperatures of the air, the stack, and the hydrogen gas in such a situation. Immediately after the start of operation as described above, the temperature of the fuel cell system is almost the same as the outside air temperature. After the start of the operation, the air is adiabatically compressed by the air compressor.
As shown by, the temperature rises. Accordingly, the stack temperature (characteristic line S) and the hydrogen gas temperature (characteristic line H) also rise. In this case, the temperature of the stack and the temperature of the hydrogen gas rise with almost the same tendency. After a certain period of time has passed since the start of the operation, the temperatures of the air, the stack, and the hydrogen gas did not rise, and the temperature became steady. After the temperature state of the fuel cell system has reached a steady state, the control of the water content of the electrolyte membrane is relatively easy and the efficiency of the electrolytic reaction can be kept good. During this time, the temperature of the hydrogen gas and the stack is maintained at the warmed temperature state before the operation is stopped, so that the temperature is higher than the temperature of the air immediately after the operation is restarted. Therefore, an excess water state on the cathode side occurs.
【００２６】本発明では、このような事態を解消するた
め電解質膜に供給される空気温度が水素ガスよりも低い
場合であって、適正な電解反応条件を損なう恐れがある
場合には、燃料電池スタックに供給される水素ガスによ
る水分供給量を減少させるように制御して上記電解質膜
の特にカソード側での湿潤状態を適正に維持するように
している。本例の燃料電池システムは、水素ガスを加熱
するヒータ２５を備えており、ヒータへ電力の供給を制
御することによって水素ガスの温度を制御する。水素ガ
スの温度は、電解質膜への水分量が最適となるように制
御される。ヒータ２５の温度を制御するために上記のよ
うに本例の燃料電池システム１は、ＥＣＵ２６を備えて
おり、ＥＣＵ２６には、水素ガス温度、空気温度、スタ
ック温度、水素ガス供給量、空気供給量、水素ガス供給
圧力、空気供給圧力等のシステム運転条件を決定する物
理量を表す信号が入力される。そして、ＥＣＵは、これ
らの入力信号に基づいて水素ガスの温度、水素ガスの循
環量を制御するようになっている。具体的には、ヒータ
２５および水素ガス循環ポンプすなわちコンプレッサ１
０への電力量を制御する。これによって、燃料電池スタ
ック２に導入される水分量を制御するようになってい
る。According to the present invention, when the temperature of the air supplied to the electrolyte membrane is lower than that of hydrogen gas in order to solve such a situation, and there is a possibility that appropriate electrolytic reaction conditions may be impaired, the fuel cell The amount of water supplied by the hydrogen gas supplied to the stack is controlled to be reduced so that the electrolyte membrane, particularly on the cathode side, is properly kept wet. The fuel cell system of this example includes a heater 25 for heating hydrogen gas, and controls the temperature of the hydrogen gas by controlling the supply of electric power to the heater. The temperature of the hydrogen gas is controlled so that the amount of water in the electrolyte membrane is optimized. As described above, the fuel cell system 1 of the present embodiment includes the ECU 26 for controlling the temperature of the heater 25. The ECU 26 includes a hydrogen gas temperature, an air temperature, a stack temperature, a hydrogen gas supply amount, and an air supply amount. , A signal representing a physical quantity that determines system operating conditions such as a hydrogen gas supply pressure and an air supply pressure is input. The ECU controls the temperature of the hydrogen gas and the circulation amount of the hydrogen gas based on these input signals. Specifically, the heater 25 and the hydrogen gas circulation pump, that is, the compressor 1
Control the amount of power to zero. Thus, the amount of water introduced into the fuel cell stack 2 is controlled.
【００２７】また、熱交換器２０のバイパス通路１２ｂ
には、流量調整弁２７が設けられており、ＥＣＵは、こ
の流量調整弁２７の流量を調整することによって、熱交
換器２０を通過する空気量を制御するようになってお
り、これによってスタック２への供給空気の温度を制御
する。図４を参照して、本発明にしたがう燃料電池シス
テムの運転例について説明する。ＥＣＵ２６は、まず、
空気温度センサの値である現在の空気温TOおよび水素ガ
ス温TH、スタック温度SOを入力する（ステップＳ１、Ｓ
２およびＳ３）。ＥＣＵ２６は、水素ガスの温度HOが所
定温度HO0 たとえば１０℃より高いかどうかを検出する
（ステップＳ４）。つぎに、空気温TOが所定温度TO0 た
とえば５℃より低いかどうかを検出する（ステップＳ
５）。この場合TO0 ＝TH＋αｋ（α：定数、ｋ：外気温
が高くなるのに応じて増大する係数）として水素ガス温
との関係で設定することもできる。The bypass passage 12b of the heat exchanger 20
Is provided with a flow control valve 27, and the ECU controls the amount of air passing through the heat exchanger 20 by adjusting the flow rate of the flow control valve 27. 2 to control the temperature of the air supply. Referring to FIG. 4, an operation example of the fuel cell system according to the present invention will be described. The ECU 26 first
The current air temperature TO, the hydrogen gas temperature TH, and the stack temperature SO, which are the values of the air temperature sensor, are input (steps S1, S
2 and S3). The ECU 26 detects whether the temperature HO of the hydrogen gas is higher than a predetermined temperature HO 0, for example, 10 ° C. (step S4). Next, it is detected whether or not the air temperature TO is lower than a predetermined temperature TO 0, for example, 5 ° C. (Step S)
5). In this case, TO 0 = TH + αk (α: constant, k: coefficient that increases as the outside air temperature increases) can be set in relation to the hydrogen gas temperature.
【００２８】また、水素ガスの所定温度TH0 をTH0 ＝TO
＋β（β：定数）として空気温度に基づいて設定するこ
ともできる。また、運転開始後所定時間経過したとき水
素ガスは上記所定温度に達成したと判断することもでき
る。そして、水素ガス温度が所定温度TH0 よりも高く、
空気温度が所定温度TO0 より低い場合には、水素ガスの
温度は十分高い一方で、空気温度は低くカソード側での
過剰湿潤状態が発生する可能性があると判断する。ＥＣ
Ｕ２６はこの判断に基づいて、水素ガスの温度上昇を停
止させるべくヒータ２５への電力供給が行わないように
制御する（ステップＳ６）。また、これとともにあるい
は、これと独立して、ＥＣＵ２６はコンプレッサ１０へ
の電力供給量を減少させる水素ガス循環量を少なくし
て、スタック２への水分供給量を抑制するようにする。Further, the predetermined temperature TH 0 of the hydrogen gas is set to TH 0 = TO
It can be set as + β (β: constant) based on the air temperature. In addition, when a predetermined time has elapsed after the start of operation, it can be determined that the hydrogen gas has reached the predetermined temperature. And the hydrogen gas temperature is higher than the predetermined temperature TH 0 ,
If the air temperature is lower than the predetermined temperature TO 0, the temperature of the hydrogen gas on the one hand high enough, it is determined that the air temperature is likely to excessively wet state at low cathode side occurs. EC
Based on this determination, U26 controls not to supply power to heater 25 to stop the temperature rise of the hydrogen gas (step S6). In addition, or independently of this, the ECU 26 reduces the amount of hydrogen gas circulating to reduce the amount of power supply to the compressor 10 so as to suppress the amount of water supply to the stack 2.
【００２９】すなわち、水素ガスによる燃料電池スタッ
ク内への水分供給量が極力抑制されるように制御する。
また、これと独立してあるいはこれと平行して、ＥＣＵ
２６は、空気温を急速に上昇させるべく、バイパス通路
の流量調整弁２７の開度調整を行う（ステップＳ７）。
この場合には、ＥＣＵ２６は、流量調整弁２７を全開に
し、熱交換器２０を通過させないようにしてコンプレッ
サの断熱圧縮による空気昇温効果を最大限有効化する制
御を行う。また、水素ガスによる水分供給に関し、カソ
ード側の水分過剰状態が懸念される場合には、上記の例
に限らず、水素ガスによる水分供給量を抑制するための
あらゆる手段を使用することができる。たとえば、冷却
水による冷却効果を利用して供給水素ガスの温度を下げ
ることによって同伴水分量を減少させることもできる。That is, control is performed so that the amount of water supplied into the fuel cell stack by the hydrogen gas is suppressed as much as possible.
Also, independently or in parallel with this, the ECU
The step 26 adjusts the opening of the flow control valve 27 in the bypass passage so as to rapidly raise the air temperature (step S7).
In this case, the ECU 26 controls the flow rate control valve 27 to be fully opened so as not to pass through the heat exchanger 20 so as to maximize the air-heating effect by the adiabatic compression of the compressor. Further, regarding the supply of water by the hydrogen gas, when there is a concern about an excess state of water on the cathode side, not only the above example but also any means for suppressing the supply of water by the hydrogen gas can be used. For example, the amount of accompanying moisture can be reduced by lowering the temperature of the supplied hydrogen gas by utilizing the cooling effect of the cooling water.
【００３０】なお、上記の実施例では、水素ガス発生源
として水素吸蔵合金を使用しているが、必ずしもこれに
限られるものではなく、水素ボンベ等から直接水素ガス
を供給するようにしてもよい。In the above embodiment, a hydrogen storage alloy is used as a hydrogen gas generating source. However, the present invention is not limited to this, and hydrogen gas may be supplied directly from a hydrogen cylinder or the like. .
【００３１】[0031]
【発明の効果】以上のように本発明によれば、燃料ガス
による燃料電池システムへの水分供給量が過剰となるよ
うな場合には、燃料ガスの温度上昇を抑制し、あるいは
循環量を抑制する等により、上記燃料電池スタックへの
水分供給を抑制する。これによって、たとえば、外気温
が低い状態での運転始動時あるいは、再始動時等のよう
な運転状態において電解質膜の特にカソード側での水分
過剰状態での運転を極力回避することができ、高い電解
反応効率を維持して、燃料電池システムの良好な出力性
能を達成することができる。As described above, according to the present invention, when the amount of water supplied to the fuel cell system by the fuel gas becomes excessive, the temperature rise of the fuel gas or the amount of circulation is suppressed. By doing so, the supply of water to the fuel cell stack is suppressed. Thus, for example, when the operation is started in a state where the outside air temperature is low, or in an operation state such as a restart operation, the operation of the electrolyte membrane particularly in a state of excessive moisture on the cathode side can be avoided as much as possible. Good output performance of the fuel cell system can be achieved while maintaining the electrolytic reaction efficiency.
【図１】燃料電池における水分移動モデルを示す説明
図、FIG. 1 is an explanatory diagram showing a moisture transfer model in a fuel cell;
【図２】本発明の１実施例にしたがう燃料電池システム
の全体概略構成図、FIG. 2 is an overall schematic configuration diagram of a fuel cell system according to one embodiment of the present invention;
【図３】燃料電池システムの運転の１例を示すフローチ
ャート、FIG. 3 is a flowchart showing an example of operation of the fuel cell system;
【図４】空気、燃料電池スタック、水素ガスの運転始動
後の温度変化傾向を示すグラフである。FIG. 4 is a graph showing a temperature change tendency of the air, fuel cell stack, and hydrogen gas after starting operation.
１ 燃料電池システム ２ 燃料電池スタック ３ 供給管 ４ 水素吸蔵合金 ５ 水素ガス量調整弁 ６ 水素加湿器 ２０ 熱交換器 １７ 循環ポンプ １８ 循環水配管。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell system 2 Fuel cell stack 3 Supply pipe 4 Hydrogen storage alloy 5 Hydrogen gas amount adjustment valve 6 Hydrogen humidifier 20 Heat exchanger 17 Circulation pump 18 Circulating water pipe.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 稲目 力 広島県安芸郡府中町新地３番１号 マツダ 株式会社内 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continued on the front page (72) Inventor Tsutomu Iname 3-1, Shinchi, Fuchu-cho, Aki-gun, Hiroshima Mazda Co., Ltd.
Claims (6)
供給されるアノード触媒電極と、 電解質膜の他方の側に配置され、酸化ガスが供給される
カソード触媒電極と、 前記アノード触媒電極に供給される燃料ガスを加湿する
燃料ガス加湿手段と、 該加湿された燃料ガスを前記アノード触媒電極に供給す
る燃料ガス供給手段と、 前記カソード触媒電極に酸化ガスを供給する酸化ガス供
給手段と、 を備えた燃料電池システムにおいて、 前記燃料ガスの供給温度が酸化ガスの供給温度より所定
温度以上高温であるときであって酸化ガスの供給温度が
所定温度よりも低い場合に、燃料ガスから前記電解質膜
への供給水分量を減少させる調整手段を備えたことを特
徴とする燃料電池システム。An anode catalyst electrode disposed on one side of the electrolyte membrane and supplied with a fuel gas; a cathode catalyst electrode disposed on the other side of the electrolyte membrane and supplied with an oxidizing gas; Fuel gas humidifying means for humidifying the fuel gas supplied to the fuel cell; fuel gas supplying means for supplying the humidified fuel gas to the anode catalyst electrode; and oxidizing gas supply means for supplying an oxidizing gas to the cathode catalyst electrode. Wherein the supply temperature of the fuel gas is higher than the supply temperature of the oxidizing gas by a predetermined temperature or more and the supply temperature of the oxidizing gas is lower than the predetermined temperature. A fuel cell system comprising an adjusting means for reducing an amount of water supplied to an electrolyte membrane.
電解質膜への水分供給量を減少させるようになっている
ことを特徴とする燃料電池システム。2. The fuel cell system according to claim 1, wherein said adjusting means reduces the amount of water supplied to the electrolyte membrane by lowering the temperature of the fuel gas.
を減少させることによって電解質膜への水分量の供給量
を減少させるようになっていることを特徴とする燃料電
池システム。3. The fuel cell system according to claim 1, wherein the amount of water supplied to the electrolyte membrane is reduced by reducing the amount of supply of the fuel gas.
に燃料電池システムを再始動するするとき、前記調整手
段は、燃料ガスから電解質膜への供給水分量を減少させ
るようになっていることを特徴とする燃料電池システ
ム。4. The fuel cell system according to claim 1, wherein when the fuel cell system is restarted within a predetermined time after the operation is stopped, the adjusting means reduces the amount of water supplied from the fuel gas to the electrolyte membrane. A fuel cell system, characterized in that:
気温の状態で燃料電池システムを始動する場合に、前記
調整手段は、燃料ガスから電解質膜への供給水分量を減
少させるようになっていることを特徴とする燃料電池シ
ステム。5. The fuel cell system according to claim 1, wherein when the fuel cell system is started at an outside air temperature lower than a predetermined temperature, the adjusting means reduces the amount of water supplied from the fuel gas to the electrolyte membrane. A fuel cell system comprising:
供給されるアノード触媒電極と、 電解質膜の他方の側に配置され、酸化ガスが供給される
カソード触媒電極と、 前記アノード触媒電極に供給される燃料ガスを加湿する
燃料ガス加湿手段と、 該加湿された燃料ガスを前記アノード触媒電極に供給す
る燃料ガス供給手段と、 前記カソード触媒電極に酸化ガスを供給する酸化ガス供
給手段と、 を備えた燃料電池システムにおいて、 前記燃料ガスの供給温度が酸化ガスの供給温度よりほぼ
１０度以上高温であるときであって酸化ガスの供給温度
が所定温度よりも低い場合に、酸化ガスまたは前記電解
質膜を急速昇温させることを特徴とする燃料電池システ
ム。6. An anode catalyst electrode disposed on one side of the electrolyte membrane and supplied with a fuel gas; a cathode catalyst electrode disposed on the other side of the electrolyte membrane and supplied with an oxidizing gas; Fuel gas humidifying means for humidifying the fuel gas supplied to the fuel cell; fuel gas supplying means for supplying the humidified fuel gas to the anode catalyst electrode; and oxidizing gas supply means for supplying an oxidizing gas to the cathode catalyst electrode. Wherein the supply temperature of the fuel gas is approximately 10 degrees or more higher than the supply temperature of the oxidizing gas, and the supply temperature of the oxidizing gas is lower than a predetermined temperature. A fuel cell system, wherein the temperature of the electrolyte membrane is rapidly increased.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP08659398A JP4346703B2 (en) | 1998-03-31 | 1998-03-31 | Fuel cell system |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP08659398A JP4346703B2 (en) | 1998-03-31 | 1998-03-31 | Fuel cell system |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
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