JP2002175821A - Fuel cell system - Google Patents
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- Y02E60/50—Fuel cells
Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池システム
に関し、さらに詳しくは、可搬型の小型電源、車載用動
力源、コジェネレーションシステム等として好適な燃料
電池システムに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly, to a fuel cell system suitable as a portable small power source, a vehicle power source, a cogeneration system, and the like.
【０００２】[0002]
【従来の技術】固体高分子型燃料電池は、一般に、固体
高分子電解質膜の両面に燃料極及び空気極を接合し、そ
の両側を反応ガス流路が形成されたセパレータで挟んだ
構造を取る。また、燃料極及び空気極は、一般に、拡散
層と触媒層の２層構造になっており、触媒層は、触媒を
担持した担体と固体高分子電解質の複合体からなる。固
体高分子型燃料電池を用いた燃料電池システムは、通
常、このような単電池を多数積層した燃料電池スタック
と、燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
空気極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段とを
備えている。2. Description of the Related Art A polymer electrolyte fuel cell generally has a structure in which a fuel electrode and an air electrode are joined to both sides of a solid polymer electrolyte membrane, and both sides are sandwiched by a separator having a reaction gas flow path formed therein. . In addition, the fuel electrode and the air electrode generally have a two-layer structure of a diffusion layer and a catalyst layer, and the catalyst layer is composed of a composite of a carrier supporting a catalyst and a solid polymer electrolyte. A fuel cell system using a polymer electrolyte fuel cell generally includes a fuel cell stack in which a number of such unit cells are stacked, a fuel gas supply unit that supplies a fuel gas to a fuel electrode,
Oxidizing gas supply means for supplying an oxidizing gas to the air electrode.
【０００３】燃料ガス供給手段及び酸化剤ガス供給手段
を用いて、燃料極及び空気極に、それぞれ、燃料ガス及
び酸化剤ガスを供給すると、燃料が酸化され、水が生成
する。その際に放出される自由エネルギー変化は、集電
体を兼ねたセパレータを介して、直接、電気エネルギー
として取り出すことができる。この時、触媒層に含まれ
る固体高分子電解質は、三相界面においてプロトンの授
受を行い、固体高分子電解質膜は、燃料極で生成したプ
ロトンを空気極側に移動させる役割を果たす。従って、
高い出力を安定して得るためには、膜及び電極の双方に
含まれる電解質には、高プロトン伝導性が要求される。When the fuel gas and the oxidizing gas are supplied to the fuel electrode and the air electrode using the fuel gas supplying means and the oxidizing gas supplying means, respectively, the fuel is oxidized to produce water. The change in free energy released at that time can be directly taken out as electric energy via a separator also serving as a current collector. At this time, the solid polymer electrolyte contained in the catalyst layer exchanges protons at the three-phase interface, and the solid polymer electrolyte membrane plays a role of moving protons generated at the fuel electrode to the air electrode side. Therefore,
In order to stably obtain a high output, the electrolyte contained in both the membrane and the electrode is required to have high proton conductivity.
【０００４】一方、固体高分子型燃料電池に用いられる
電解質には、種々の材料が知られているが、これらは、
いずれもプロトン伝導性を発現するためには水を必要と
する。従って、連続的に供給される反応ガスによって電
解質に含まれる水分が持ち去られると、電解質のプロト
ン伝導性が低下し、燃料電池の出力を低下させる原因と
なる。すなわち、固体高分子型燃料電池を用いた燃料電
池システムにおいて、高い出力を安定して得るために
は、電解質の含水率を一定に保つ必要がある。On the other hand, various materials are known for an electrolyte used in a polymer electrolyte fuel cell.
In any case, water is required to develop proton conductivity. Therefore, when the moisture contained in the electrolyte is removed by the continuously supplied reaction gas, the proton conductivity of the electrolyte is reduced, which causes the output of the fuel cell to be reduced. That is, in a fuel cell system using a polymer electrolyte fuel cell, it is necessary to keep the water content of the electrolyte constant in order to stably obtain a high output.
【０００５】従来の燃料電池システムにおいては、この
問題を解決するために、燃料電池の内部圧力を一定と
し、かつ、バブラ、ミスト発生器等を用いて反応ガスを
加湿したり、あるいは、セパレータ内部に形成された反
応ガス流路に直接水分を注入する等、補機を用いて電解
質に水分を補給する方法が用いるのが一般的である。In the conventional fuel cell system, in order to solve this problem, the internal pressure of the fuel cell is kept constant, and the reaction gas is humidified by using a bubbler, a mist generator, or the like, or the inside of the separator is removed. In general, a method of replenishing the electrolyte with water using an auxiliary machine is used, such as injecting water directly into the reaction gas flow path formed in the reaction gas channel.
【０００６】また、反応ガスへの加湿を前提として、固
体高分子型燃料電池の内部圧力をコントロールする高圧
システムも知られている（例えば、David H.他著、"Fue
l Cell Dynamics in Transit Applications, Univ. Cal
f.参照。）。[0006] A high-pressure system for controlling the internal pressure of a polymer electrolyte fuel cell on the premise of humidification of a reaction gas is also known (for example, David H. et al., "Fue").
l Cell Dynamics in Transit Applications, Univ. Cal
See f. ).
【０００７】[0007]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、補機を
用いた電解質の加湿は、加湿用の水を貯蔵するための水
タンク、加湿器、燃料電池から排出される水を回収する
ための凝縮器等、さまざまなコンポーネントが必要とな
り、燃料電池システムが複雑かつ大型化するという問題
がある。特に、高出力密度で発電を行う場合等、発熱が
大きい場合には、燃料電池の温度の上昇によって電解質
が乾燥し、電解質の抵抗が極端に上昇するので、大量の
水を用いて電解質を加湿する必要がある。従って、この
ような場合には、大容量の水タンクとその回収システム
が必要となり、燃料電池システムがさらに複雑かつ大型
化する。However, the humidification of the electrolyte using the auxiliary equipment involves the use of a water tank for storing water for humidification, a humidifier, and a condenser for collecting water discharged from the fuel cell. For example, various components are required, and there is a problem that the fuel cell system becomes complicated and large. In particular, when the power generation is high, such as when generating power at a high output density, the electrolyte dries due to the increase in the temperature of the fuel cell, and the resistance of the electrolyte increases extremely. There is a need to. Therefore, in such a case, a large-capacity water tank and its recovery system are required, and the fuel cell system is further complicated and large.
【０００８】また、補機を用いた電解質の加湿は、余分
な補機動力が必要となり、燃料電池システムの発電効率
を低下させる原因となる。さらに、車載用動力源への応
用を考える場合、冬場に水タンクや燃料電池内部で水が
凍結し、起動不能や、電池の故障の原因となることがあ
る。Also, humidification of the electrolyte using the auxiliary equipment requires extra power for the auxiliary equipment, which lowers the power generation efficiency of the fuel cell system. Further, when considering application to a vehicle-mounted power source, water may freeze in a water tank or a fuel cell in winter, which may cause a start-up failure or battery failure.
【０００９】一方、加湿を前提とした高圧タイプのシス
テムでは、上述した問題に加え、空気ポンプの動力損失
が大きくなり、システム全体の効率を下げるという問題
がある。また、電池の温度上昇を避けるために冷却容量
を大きくすると、システムが大型化するという問題があ
る。On the other hand, in the high-pressure type system on the premise of humidification, in addition to the above-mentioned problems, there is a problem that the power loss of the air pump increases and the efficiency of the entire system decreases. Further, if the cooling capacity is increased to avoid a rise in the temperature of the battery, there is a problem that the system becomes larger.
【００１０】本発明が解決しようとする課題は、固体高
分子型燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、補
機による電解質の加湿を不要化することにある。また、
本発明が解決しようとする他の課題は、１００℃付近の
高温をもカバーする広い温度範囲においても、安定に作
動可能な燃料電池システムを提供することにある。さら
に、本発明が解決しようとする他の課題は、発電効率に
優れ、出力密度が高く、しかも、コンパクトな燃料電池
システムを提供することにある。An object of the present invention is to eliminate the need for auxiliary equipment to humidify an electrolyte in a fuel cell system having a polymer electrolyte fuel cell. Also,
Another object of the present invention is to provide a fuel cell system that can operate stably even in a wide temperature range covering a high temperature of around 100 ° C. Still another object of the present invention is to provide a compact fuel cell system which is excellent in power generation efficiency, has a high output density, and is compact.
【００１１】[0011]
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明は、固体高分子型燃料電池と、該固体高分子型
燃料電池の燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手
段と、前記固体高分子型燃料電池の空気極に酸化剤ガス
を供給する酸化剤ガス供給手段とを備えた燃料電池シス
テムにおいて、前記空気極側の内部圧力を制御すること
によって、前記固体高分子型燃料電池に備えられる固体
高分子電解質の含水率を安定作動に必要な水準に維持す
る含水率制御手段をさらに備えていることを要旨とする
ものである。SUMMARY OF THE INVENTION In order to solve the above problems, the present invention provides a polymer electrolyte fuel cell, fuel gas supply means for supplying a fuel gas to a fuel electrode of the polymer electrolyte fuel cell, A fuel cell system comprising: an oxidizing gas supply unit configured to supply an oxidizing gas to an air electrode of the polymer electrolyte fuel cell; wherein the solid polymer fuel is controlled by controlling an internal pressure on the air electrode side. The gist of the present invention is to further include a water content control means for maintaining the water content of the solid polymer electrolyte provided in the battery at a level required for stable operation.
【００１２】空気極側の内部圧力を高くすると、空気極
側の相対湿度が高くなり、空気極側から持ち去られる水
分量が減少する。そのため、固体高分子型燃料電池の内
部温度、出力電圧等に応じて空気極側の内部圧力を最適
化すれば、反応ガスに対して加湿を行わなくても、固体
高分子電解質の含水率を安定作動に必要な水準に維持す
ることができる。また、これによって、１００℃付近の
高温においても、固体高分子型燃料電池を安定に作動さ
せることができる。さらに、反応ガスを加湿するための
補機が不要となるので、発電効率に優れ、出力密度が高
く、しかも、コンパクトな燃料電池システムが得られ
る。When the internal pressure on the air electrode side is increased, the relative humidity on the air electrode side is increased, and the amount of moisture carried away from the air electrode side is reduced. Therefore, if the internal pressure on the air electrode side is optimized according to the internal temperature and output voltage of the polymer electrolyte fuel cell, the water content of the polymer electrolyte can be reduced without humidifying the reaction gas. The level required for stable operation can be maintained. This also allows the polymer electrolyte fuel cell to operate stably even at a high temperature of around 100 ° C. Further, since an auxiliary machine for humidifying the reaction gas is not required, a compact fuel cell system having excellent power generation efficiency, high power density, and high power density can be obtained.
【００１３】[0013]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照しながら詳細に説明する。図１に、本発明
の第１の実施の形態に係る燃料電池システム１０の概略
構成図を示す。図１において、燃料電池システム１０
は、燃料電池２０と、燃料ガス供給手段３０と、空気供
給手段（酸化剤ガス供給手段）４０と、含水率制御手段
５０とを備えている。Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. FIG. 1 shows a schematic configuration diagram of a fuel cell system 10 according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 1, a fuel cell system 10
The fuel cell system includes a fuel cell 20, a fuel gas supply unit 30, an air supply unit (oxidant gas supply unit) 40, and a water content control unit 50.
【００１４】本実施の形態において、燃料電池２０に
は、固体高分子型燃料電池が用いられる。固体高分子型
燃料電池は、一般に、固体高分子電解質膜の両面に燃料
極及び空気極を接合して膜電極接合体とし、その両側を
燃料流路及び空気流路（いずれも図示せず）が形成され
たセパレータで挟んだ構造を取る。燃料電池２０には、
通常、このような単電池が多数積層されたスタックが用
いられる。In this embodiment, a polymer electrolyte fuel cell is used as the fuel cell 20. In general, a polymer electrolyte fuel cell has a fuel electrode and an air electrode joined to both surfaces of a polymer electrolyte membrane to form a membrane electrode assembly, and a fuel flow path and an air flow path (both not shown) on both sides. Takes a structure sandwiched by separators formed with. In the fuel cell 20,
Usually, a stack in which many such unit cells are stacked is used.
【００１５】燃料ガス供給手段３０は、燃料インガス通
路３２と、燃料オフガス通路３４と、水素供給源３６と
を備えている。燃料インガス通路３２の一端は、水素供
給源３６に接続され、燃料インガス通路３２の他端は、
燃料電池２０の燃料流路の一端に接続されている。ま
た、燃料オフガス通路３４の一端は、燃料電池２０の燃
料流路の他端に接続され、燃料オフガス通路３４の他端
は、排気口（図示せず）に接続されている。なお、水素
供給源３６は、純水素を供給する水素ボンベ、あるいは
改質ガスを供給する改質器のいずれであっても良く、特
に限定されるものではない。The fuel gas supply means 30 includes a fuel in-gas passage 32, a fuel off-gas passage 34, and a hydrogen supply source 36. One end of the fuel ingas passage 32 is connected to a hydrogen supply source 36, and the other end of the fuel ingas passage 32 is
The fuel cell 20 is connected to one end of a fuel flow path. Further, one end of the fuel off-gas passage 34 is connected to the other end of the fuel flow path of the fuel cell 20, and the other end of the fuel off-gas passage 34 is connected to an exhaust port (not shown). The hydrogen supply source 36 may be any of a hydrogen cylinder for supplying pure hydrogen and a reformer for supplying a reformed gas, and is not particularly limited.
【００１６】空気供給手段４０は、空気インガス通路４
２と、空気オフガス通路４４と、空気ポンプ４６とを備
えている。空気インガス通路４２の一端は、空気を取り
込むための吸気口（図示せず）に接続され、空気インガ
ス通路４２の他端は、燃料電池２０の空気流路の一端に
接続されている。また、空気オフガス通路４４の一端
は、燃料電池２０の空気流路の他端に接続され、空気オ
フガス通路４４の他端は、排気口（図示せず）に接続さ
れている。さらに、空気インガス通路４２には、空気ポ
ンプ４６が設けられ、酸化剤ガスとしての空気を燃料電
池２０の空気流路に送り込むようになっている。The air supply means 40 includes the air ingas passage 4
2, an air off-gas passage 44, and an air pump 46. One end of the air-ingas passage 42 is connected to an intake port (not shown) for taking in air, and the other end of the air-ingas passage 42 is connected to one end of an air passage of the fuel cell 20. Further, one end of the air off-gas passage 44 is connected to the other end of the air flow path of the fuel cell 20, and the other end of the air off-gas passage 44 is connected to an exhaust port (not shown). Further, an air pump 46 is provided in the air-in gas passage 42 so that air as an oxidizing gas is sent into the air flow path of the fuel cell 20.
【００１７】含水率制御手段５０は、第１センサ（第１
検出手段）５２と、第２センサ（第２検出手段）５４
と、第１背圧弁（第１圧力変動手段）５６と、制御回路
（制御手段）５８とを備えている。第１センサ５２は、
燃料電池２０の空気極側の内部圧力を検出するためのも
のであり、本実施の形態では、燃料電池２０内部に設け
られている。第１センサ５２により検出される空気極側
の内部圧力は、制御回路５８に送信されるようになって
いる。The water content control means 50 includes a first sensor (first
Detecting means) 52 and a second sensor (second detecting means) 54
, A first back pressure valve (first pressure fluctuation means) 56, and a control circuit (control means) 58. The first sensor 52 is
This is for detecting the internal pressure of the fuel cell 20 on the air electrode side, and is provided inside the fuel cell 20 in the present embodiment. The internal pressure on the air electrode side detected by the first sensor 52 is transmitted to the control circuit 58.
【００１８】第２センサ５４は、含水率監視変数を検出
するためのものであり、本実施の形態では、燃料電池２
０の内部に設けられる。また、第２センサ５４により検
出された含水率監視変数の値は、制御回路５８に送信さ
れるようになっている。The second sensor 54 is for detecting a moisture content monitoring variable. In the present embodiment, the second sensor 54
0. The value of the moisture content monitoring variable detected by the second sensor 54 is transmitted to the control circuit 58.
【００１９】ここで、「含水率監視変数」とは、燃料電
池２０の作動状態を表す各種変数の内、固体高分子電解
質の含水率と強い相関があるものをいう。含水率監視変
数としては、具体的には、燃料電池２０の内部温度、出
力電圧、内部抵抗及びオフガス相対湿度が好適な一例と
して挙げられる。第２センサ５４は、これらの内の少な
くとも１以上の含水率監視変数を検出するものが好まし
い。Here, the "water content monitoring variable" refers to one of various variables representing the operating state of the fuel cell 20, which has a strong correlation with the water content of the solid polymer electrolyte. Specific examples of suitable moisture content monitoring variables include the internal temperature, output voltage, internal resistance, and off-gas relative humidity of the fuel cell 20. The second sensor 54 preferably detects at least one or more of these moisture content monitoring variables.
【００２０】なお、本実施の形態において、含水率監視
変数として用いられる「オフガス相対湿度」は、空気極
側から排出されるオフガスの相対湿度であっても良く、
あるいは、空気極側及び燃料極側の双方から排出される
オフガスの相対湿度の平均値（以下、これを「両極平均
オフガス相対湿度」という。）であっても良い。また、
図１においては１個の第２センサ５４が示されている
が、これは単なる例示であり、２種以上の含水率監視変
数を同時に検出する場合には、必要数の第２センサ５４
が燃料電池２０内部又はその周辺に設けられる。In the present embodiment, the “off-gas relative humidity” used as the water content monitoring variable may be the relative humidity of the off-gas discharged from the air electrode side.
Alternatively, the average value of the relative humidity of the off gas discharged from both the air electrode side and the fuel electrode side (hereinafter, this is referred to as “bipolar average off gas relative humidity”) may be used. Also,
Although one second sensor 54 is shown in FIG. 1, this is merely an example, and when two or more moisture content monitoring variables are detected simultaneously, a required number of second sensors 54 are required.
Are provided inside or around the fuel cell 20.
【００２１】第１背圧弁５６は、燃料電池２０の空気極
側の内部圧力を変動させるためのものであり、空気オフ
ガス通路４４上に設けられる。空気極側の内部圧力は、
第１背圧弁５６の開度を調節することにより制御され、
第１背圧弁５６の開度は、制御回路５８から送信される
背圧弁制御信号により制御されるようになっている。The first back pressure valve 56 is for varying the internal pressure of the fuel cell 20 on the air electrode side, and is provided on the air off-gas passage 44. The internal pressure on the air electrode side is
It is controlled by adjusting the opening of the first back pressure valve 56,
The opening degree of the first back pressure valve 56 is controlled by a back pressure valve control signal transmitted from the control circuit 58.
【００２２】制御回路５８は、燃料電池システム１０の
制御に必要な情報（例えば、第１センサ５２、第２セン
サ５４等により検出される燃料電池２０の内部圧力、内
部温度、内部抵抗、オフガス相対湿度等。）を受信する
信号受信手段（図示せず）と、入力信号に基づいてシス
テム内にある各装置の制御量を算出する演算手段（図示
せず）と、算出された制御量をシステム内の各装置に送
信する信号送信手段（図示せず）を備えている。The control circuit 58 includes information necessary for controlling the fuel cell system 10 (for example, internal pressure, internal temperature, internal resistance, off-gas relative to the fuel cell 20 detected by the first sensor 52, the second sensor 54, etc.). Signal receiving means (not shown) for receiving humidity, etc.), calculating means (not shown) for calculating a control amount of each device in the system based on the input signal, and a system for calculating the calculated control amount. Signal transmission means (not shown) for transmitting to each device in the apparatus.
【００２３】演算手段は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等に
より構成され、ＲＯＭには、第２センサにより検出され
る含水率監視変数の値に応じて第１背圧弁５６の開度を
制御するための制御プログラムや、要求される出力が得
られるように燃料流量及び空気流量を制御する制御プロ
グラムなど、燃料電池システム１０全体を制御するため
の各種の制御プログラムが格納されている。The arithmetic means is constituted by a CPU, a ROM, a RAM, etc., and has a ROM for controlling the opening of the first back pressure valve 56 in accordance with the value of the moisture content monitoring variable detected by the second sensor. Various control programs for controlling the entire fuel cell system 10, such as a control program and a control program for controlling a fuel flow rate and an air flow rate so as to obtain a required output, are stored.
【００２４】次に、本実施の形態に係る燃料電池システ
ム１０の運転方法について説明する。まず、燃料電池シ
ステム１０に対して燃料電池２０の出力の増減を指示す
る制御信号が入力されると、制御回路５８は、要求され
る出力を得るために必要な燃料流量及び空気流量を算出
する。次いで、制御回路５８は、燃料供給源３６及び空
気ポンプ４６に対し、それぞれ、燃料流量制御信号及び
空気流量制御信号を送信し、算出された燃料流量及び空
気流量が得られるように、燃料供給源３６及び空気ポン
プ４４を制御する。Next, an operation method of the fuel cell system 10 according to the present embodiment will be described. First, when a control signal instructing the fuel cell system 10 to increase or decrease the output of the fuel cell 20 is input, the control circuit 58 calculates a fuel flow rate and an air flow rate necessary to obtain a required output. . Next, the control circuit 58 transmits a fuel flow rate control signal and an air flow rate control signal to the fuel supply source 36 and the air pump 46, respectively, so that the calculated fuel flow rate and air flow rate are obtained. 36 and the air pump 44 are controlled.
【００２５】制御回路５８は、この状態で燃料電池２０
の運転を続けながら、第１センサ５２及び第２センサ５
４を用いて、それぞれ、燃料電池２０の内部圧力及び少
なくとも１つの含水率監視変数を検出する。検出された
含水率監視変数の値に変動がない場合には、現状の内部
圧力のまま燃料電池２０の運転が行われる。一方、含水
率監視変数の変動が検出された場合には、制御回路５８
は、第１背圧弁５６に対して背圧弁制御信号を送信し、
第１背圧弁５６の開度を制御する。In this state, the control circuit 58
While the first sensor 52 and the second sensor 5
4 are used to detect the internal pressure of the fuel cell 20 and at least one moisture content monitoring variable, respectively. When there is no change in the value of the detected moisture content monitoring variable, the fuel cell 20 is operated with the current internal pressure. On the other hand, if a change in the moisture content monitoring variable is detected, the control circuit 58
Transmits a back pressure valve control signal to the first back pressure valve 56,
The opening of the first back pressure valve 56 is controlled.
【００２６】第１背圧弁５６の制御方法は、検出される
含水率監視変数の種類によって異なる。一般的には、含
水率監視変数が固体高分子電解質の含水率の低下傾向を
強く示すほど、空気極側の内部圧力が高くなるように、
第１背圧弁５６の開度を制御すればよい。The control method of the first back pressure valve 56 depends on the type of the moisture content monitoring variable to be detected. In general, the more the moisture content monitoring variable indicates a tendency to decrease the moisture content of the solid polymer electrolyte, the higher the internal pressure on the air electrode side,
The degree of opening of the first back pressure valve 56 may be controlled.
【００２７】例えば、燃料電池２０の内部温度が高くな
るほど、燃料電池２０内部が乾燥するので、固体高分子
電解質の含水率は低下する傾向を示す。従って、第２セ
ンサ５４により内部温度を検出する場合には、内部温度
が高くなるほど第１背圧弁５６の開度を小さくし、空気
極側の内部圧力を高くすれば良い。For example, as the internal temperature of the fuel cell 20 increases, the inside of the fuel cell 20 dries, and the water content of the solid polymer electrolyte tends to decrease. Therefore, when the internal temperature is detected by the second sensor 54, the opening degree of the first back pressure valve 56 may be reduced and the internal pressure on the air electrode side may be increased as the internal temperature increases.
【００２８】また、例えば、燃料電池２０の出力電圧が
高くなるほど、発熱量が多くなるので、固体高分子電解
質の含水率は低下する傾向を示す。従って、第２センサ
５４により出力電圧を検出する場合には、出力電圧が高
くなるほど第１背圧弁５６の開度を小さくし、空気極側
の内部圧力を高くすれば良い。For example, as the output voltage of the fuel cell 20 increases, the calorific value increases, so that the water content of the solid polymer electrolyte tends to decrease. Therefore, when the output voltage is detected by the second sensor 54, the opening degree of the first back pressure valve 56 may be reduced and the internal pressure on the air electrode side may be increased as the output voltage increases.
【００２９】また、例えば、固体高分子電解質のドライ
アップが発生すると、一定の電圧に対する電流が減少
し、燃料電池２０の内部抵抗の増大となって現れる。従
って、第２センサ５４により内部抵抗を検出する場合に
は、内部抵抗が高くなるほど第１背圧弁５６の開度を小
さくし、空気極側の内部圧力を高くすれば良い。Further, for example, when dry-up of the solid polymer electrolyte occurs, the current for a certain voltage decreases, which appears as an increase in the internal resistance of the fuel cell 20. Therefore, when the internal resistance is detected by the second sensor 54, the opening degree of the first back pressure valve 56 may be reduced and the internal pressure on the air electrode side may be increased as the internal resistance increases.
【００３０】また、例えば、燃料電池２０のオフガス相
対湿度が低くなるほど、固体高分子電解質から持ち去ら
れる水分量は増加する傾向を示す。従って、第２センサ
５４によりオフガス相対湿度を検出する場合には、オフ
ガス相対湿度が低くなるほど第１背圧弁５６の開度を小
さくし、空気極側の内部圧力を高くすれば良い。Further, for example, as the relative humidity of the off-gas of the fuel cell 20 decreases, the amount of water carried away from the solid polymer electrolyte tends to increase. Therefore, when the off-gas relative humidity is detected by the second sensor 54, the opening degree of the first back pressure valve 56 may be reduced and the internal pressure on the air electrode side may be increased as the off-gas relative humidity decreases.
【００３１】さらに、上述した含水率監視変数の内の２
種以上を同時に検出し、これらに基づいて固体高分子電
解質の含水率が所定の水準に維持されるように、第１背
圧弁５６を制御してもよい。Further, two of the above-mentioned moisture content monitoring variables are used.
The first back pressure valve 56 may be controlled such that the species or more are detected at the same time, and based on these, the water content of the solid polymer electrolyte is maintained at a predetermined level.
【００３２】次に、本実施の形態に係る燃料電池システ
ム１０の作用について説明する。固体高分子型燃料電池
の場合、空気極側では、電池反応により水が生成する。
また、プロトンが空気極側に移動する際に、電気浸透に
より水分子も同時に空気極側に移動する。一方、燃料極
側においては、水は生成せず、空気極側にある水の一部
が、バックディフュージョンにより燃料極側に移動する
のみである。Next, the operation of the fuel cell system 10 according to the present embodiment will be described. In the case of a polymer electrolyte fuel cell, water is generated on the air electrode side by a cell reaction.
When protons move to the air electrode side, water molecules also move to the air electrode side by electroosmosis. On the other hand, no water is generated on the fuel electrode side, and only part of the water on the air electrode side moves to the fuel electrode side by back diffusion.
【００３３】すなわち、固体高分子型燃料電池の内部で
は、燃料極側よりも空気極側の方がより多くの水分を含
んだ状態にある。従って、反応ガスを連続的に流しなが
ら発電を行うと、燃料電池内部の水分の大部分は、オフ
ガスと共に空気極側から外部に排出される。この排出さ
れる水分量は、通常、電池反応による生成水量より多い
ので、反応ガスに対する加湿量が少ないと、固体高分子
電解質の含水率が低下し、出力低下を引き起こす。特
に、燃料電池の内部温度が１００℃付近の高温になると
燃料電池内部が乾燥し易くなるので、反応ガスに対する
加湿を行うことなく燃料電池の内部圧力を一定に維持し
たまま発電を行うと、固体高分子電解質の抵抗が極端に
上昇し、発電できなくなる。That is, inside the polymer electrolyte fuel cell, the air electrode side contains more moisture than the fuel electrode side. Therefore, when power generation is performed while continuously flowing the reaction gas, most of the water inside the fuel cell is discharged to the outside from the air electrode side together with the off-gas. Since the amount of water discharged is generally larger than the amount of water generated by the battery reaction, if the amount of humidification with respect to the reaction gas is small, the water content of the solid polymer electrolyte decreases, causing a decrease in output. In particular, when the internal temperature of the fuel cell rises to about 100 ° C., the inside of the fuel cell tends to dry. Therefore, if power generation is performed while maintaining the internal pressure of the fuel cell constant without humidifying the reaction gas, solid The resistance of the polymer electrolyte rises extremely, making it impossible to generate power.
【００３４】これに対し、本実施の形態に係る燃料電池
システム１０は、含水率制御手段５０により空気極側の
内部圧力が可変制御されるので、内部圧力の変動に応じ
て固体高分子電解質の含水率も変動する。これは、空気
極側の内部圧力が高くなるほど空気極側の相対湿度が高
くなり、膜の含水率が高くなるためである。On the other hand, in the fuel cell system 10 according to the present embodiment, since the internal pressure on the air electrode side is variably controlled by the water content control means 50, the solid polymer electrolyte Moisture content also fluctuates. This is because the higher the internal pressure on the air electrode side, the higher the relative humidity on the air electrode side, and the higher the water content of the membrane.
【００３５】従って、含水率制御手段５０を用いて、燃
料電池２０の作動状況に応じて空気極側の内部圧力を最
適化すれば、補機を用いて反応ガスの加湿を行わなくて
も、固体高分子電解質の含水率を安定作動に必要な水準
に維持することができる。また、１００℃付近の高温域
をもカバーする広い温度範囲において、固体高分子電解
質の抵抗の上昇が抑えられ、無加湿でも安定に作動させ
ることができる。さらに、反応ガスを加湿するための補
機が不要となるので、発電効率に優れ、出力密度が高
く、しかも、コンパクトな燃料電池システムが得られ
る。Therefore, by optimizing the internal pressure on the air electrode side according to the operating condition of the fuel cell 20 by using the water content control means 50, it is possible to humidify the reaction gas without using an auxiliary machine. The water content of the solid polymer electrolyte can be maintained at a level required for stable operation. Further, in a wide temperature range covering a high temperature range around 100 ° C., an increase in resistance of the solid polymer electrolyte is suppressed, and the solid polymer electrolyte can be operated stably even without humidification. Further, since an auxiliary machine for humidifying the reaction gas is not required, a compact fuel cell system having excellent power generation efficiency, high power density, and high power density can be obtained.
【００３６】次に、本発明の第２の実施の形態に係る燃
料電池システムについて説明する。図２に、本実施の形
態に係る燃料電池システム１２の概略構成図を示す。図
２において、燃料電池システム１２は、燃料電池２０
と、燃料ガス供給手段３０と、空気供給手段４０と、含
水率制御手段６０とを備えている。Next, a fuel cell system according to a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 2 shows a schematic configuration diagram of the fuel cell system 12 according to the present embodiment. In FIG. 2, the fuel cell system 12 includes a fuel cell 20
And a fuel gas supply means 30, an air supply means 40, and a water content control means 60.
【００３７】ここで、燃料電池２０、燃料ガス供給手段
３０及び空気供給手段４０は、第１の実施の形態に係る
燃料電池システム１０と同一であるので、説明を省略す
る。Here, the fuel cell 20, the fuel gas supply means 30, and the air supply means 40 are the same as those of the fuel cell system 10 according to the first embodiment, and therefore the description will be omitted.
【００３８】含水率制御手段６０は、第１センサ５２
と、第２センサ５４と、第１背圧弁５６と、第３センサ
（第３検出手段）６２と、第２背圧弁（第２圧力変動手
段）６６と、制御回路６８とを備えている。これらの
内、第１センサ５２，第２センサ５４及び第１背圧弁５
６は、第１の実施の形態と同様であるので説明を省略す
る。The water content control means 60 includes a first sensor 52
, A second sensor 54, a first back pressure valve 56, a third sensor (third detection means) 62, a second back pressure valve (second pressure fluctuation means) 66, and a control circuit 68. Among them, the first sensor 52, the second sensor 54 and the first back pressure valve 5
6 is the same as in the first embodiment, and a description thereof will be omitted.
【００３９】第３センサ６２は、燃料電池２０の燃料極
側の内部圧力を検出するためのものであり、本実施の形
態では、燃料電池２０内部に設けられている。第３セン
サ６２により検出される燃料極側の内部圧力は、制御回
路６８に送信されるようになっている。The third sensor 62 detects the internal pressure of the fuel cell 20 on the fuel electrode side, and is provided inside the fuel cell 20 in the present embodiment. The internal pressure on the fuel electrode side detected by the third sensor 62 is transmitted to the control circuit 68.
【００４０】第２背圧弁６６は、燃料電池２０の燃料極
側の内部圧力を変動させるためのものであり、燃料オフ
ガス通路３４上に設けられる。燃料極側の内部圧力は、
第２背圧弁６６の開度を調節することにより制御され、
第２背圧弁６６の開度は、制御回路６８から送信される
背圧弁制御信号により制御されるようになっている。The second back pressure valve 66 is for changing the internal pressure of the fuel cell 20 on the fuel electrode side, and is provided on the fuel off-gas passage 34. The internal pressure on the fuel electrode side is
It is controlled by adjusting the opening of the second back pressure valve 66,
The opening of the second back pressure valve 66 is controlled by a back pressure valve control signal transmitted from the control circuit 68.
【００４１】制御回路６８は、信号受信手段、演算手段
及び信号送信手段を備えている点、並びに、演算手段に
は、第１背圧弁５６の制御や燃料電池システム１０全体
を制御するための各種の制御プログラムが格納されてい
る点は、第１の実施の形態と同様であるが、演算手段に
は、さらに、第２センサ５４により検出される含水率監
視変数の値に応じて第２背圧弁６６の開度を制御するた
めの制御プログラムが格納されている点が異なってい
る。The control circuit 68 includes a signal receiving means, a calculating means, and a signal transmitting means. The calculating means includes various types of control for controlling the first back pressure valve 56 and controlling the entire fuel cell system 10. Is stored in the same manner as in the first embodiment, but the arithmetic means further includes a second control program according to the value of the moisture content monitoring variable detected by the second sensor 54. The difference is that a control program for controlling the opening of the pressure valve 66 is stored.
【００４２】次に、本実施の形態に係る燃料電池システ
ム１２の運転方法について説明する。まず、制御回路６
８は、要求される出力が得られるように、燃料供給源３
６及び空気ポンプ４４を制御する。制御回路６８は、こ
の状態で燃料電池２０の運転を続けながら、第１センサ
５２及び第３センサ６２並びに第２センサ５４を用い
て、それぞれ、燃料電池２０の空気極側及び燃料極側の
内部圧力、並びに、少なくとも１つの含水率監視変数を
検出する。検出された含水率監視変数の値に変動がない
場合には、現状の内部圧力のまま燃料電池２０の運転が
行われる。一方、含水率監視変数の変動が検出された場
合には、制御回路６８は、第１背圧弁５６及び第２背圧
弁６６に対して背圧弁制御信号を送信し、第１背圧弁５
６及び第２背圧弁６６の開度を制御する。Next, an operation method of the fuel cell system 12 according to the present embodiment will be described. First, the control circuit 6
8 is a fuel supply source 3 so that the required output can be obtained.
6 and the air pump 44 are controlled. The control circuit 68 uses the first sensor 52, the third sensor 62, and the second sensor 54 to continue the operation of the fuel cell 20 in this state, and use the first sensor 52, the third sensor 62, and the second sensor 54, respectively. The pressure and at least one moisture content monitoring variable are detected. When there is no change in the value of the detected moisture content monitoring variable, the fuel cell 20 is operated with the current internal pressure. On the other hand, when a change in the moisture content monitoring variable is detected, the control circuit 68 transmits a back pressure valve control signal to the first back pressure valve 56 and the second back pressure valve 66, and the first back pressure valve 5
6 and the opening degree of the second back pressure valve 66 are controlled.
【００４３】この場合、第２背圧弁６６の一般的な制御
方法は、第１背圧弁５６と同様である。すなわち、第２
センサ５４により検出される含水率監視変数が固体高分
子電解質の含水率の低下傾向を強く示すほど、第２背圧
弁６６の開度を小さくし、燃料極側の内部圧力を高くす
れば良い。なお、空気極側及び燃料極側の内部圧力を同
時に制御する場合、第１背圧弁５６及び第２背圧弁６６
は、空気極側及び燃料極側の内部圧力がほぼ等圧となる
ように制御しても良く、あるいは、両者を独立に制御し
ても良い。In this case, the general control method of the second back pressure valve 66 is the same as that of the first back pressure valve 56. That is, the second
The opening degree of the second back pressure valve 66 may be reduced and the internal pressure on the fuel electrode side may be increased as the moisture content monitoring variable detected by the sensor 54 indicates a tendency of a decrease in the moisture content of the solid polymer electrolyte. When the internal pressures on the air electrode side and the fuel electrode side are controlled simultaneously, the first back pressure valve 56 and the second back pressure valve 66
May be controlled so that the internal pressures on the air electrode side and the fuel electrode side are substantially equal, or both may be controlled independently.
【００４４】次に、本実施の形態に係る燃料電池システ
ム１２の作用について説明する。固体高分子型燃料電池
の場合、空気極側からより多くの水が排出されるが、水
分の一部は、燃料極側からも排出される。また、燃料極
側の内部圧力が変動すれば、燃料極側の相対湿度も変動
する。そのため、含水率制御手段６０を用いて、燃料電
池２０の作動状況に応じて空気極側及び燃料極側の双方
の内部圧力を最適化すれば、加湿を行わなくても、固体
高分子電解質の含水率を所定の水準に維持することがで
きる。Next, the operation of the fuel cell system 12 according to the present embodiment will be described. In the case of the polymer electrolyte fuel cell, more water is discharged from the air electrode side, but part of the water is also discharged from the fuel electrode side. If the internal pressure on the fuel electrode side fluctuates, the relative humidity on the fuel electrode side also fluctuates. Therefore, if the water content control means 60 is used to optimize the internal pressure on both the air electrode side and the fuel electrode side in accordance with the operating condition of the fuel cell 20, the humidification of the solid polymer electrolyte can be achieved without humidification. The moisture content can be maintained at a predetermined level.
【００４５】また、１００℃付近の高温域をもカバーす
る広い温度範囲において、燃料電池２０を安定に作動さ
せることができ、発電効率に優れ、出力密度が高く、し
かも、コンパクトな燃料電池システムが得られる。さら
に、空気極側及び燃料極側の内部圧力を同時に制御する
ことによって、固体高分子電解質膜の両側に発生する差
圧が小さくなるので、膜の耐久性も向上する。Further, the fuel cell 20 can be operated stably in a wide temperature range covering a high temperature range around 100 ° C., and has a high power generation efficiency, a high power density, and a compact fuel cell system. can get. Furthermore, by simultaneously controlling the internal pressures on the air electrode side and the fuel electrode side, the differential pressure generated on both sides of the solid polymer electrolyte membrane is reduced, and the durability of the membrane is also improved.
【００４６】次に、本発明に係る燃料電池システムの具
体的な制御方法について説明する。上述したように、燃
料電池２０の作動状況に応じて燃料電池２０の内部圧力
を最適化すると、無加湿下においても固体高分子電解質
の含水率を安定作動に必要な水準に維持することができ
る。燃料電池２０の無加湿運転を可能とする内部圧力の
具体的な制御方法としては、以下のような方法がある。Next, a specific control method of the fuel cell system according to the present invention will be described. As described above, when the internal pressure of the fuel cell 20 is optimized according to the operation state of the fuel cell 20, the water content of the solid polymer electrolyte can be maintained at a level necessary for stable operation even under no humidification. . As a specific control method of the internal pressure that enables the fuel cell 20 to operate without humidification, the following method is available.
【００４７】（１） 第１の方法は、制御マップを使用
する方法である。この方法は、燃料電池２０の内部圧
力、含水率監視変数、及び、固体高分子電解質の含水率
の間の相関を予め制御マップとして求めておき、この制
御マップに従って、燃料電池２０の内部圧力を可変制御
する方法である。(1) The first method is a method using a control map. In this method, the correlation between the internal pressure of the fuel cell 20, the water content monitoring variable, and the water content of the solid polymer electrolyte is determined in advance as a control map, and the internal pressure of the fuel cell 20 is determined in accordance with this control map. This is a variable control method.
【００４８】図３に、制御マップの一例を示す。図３に
例示する制御マップは、空気極側及び燃料極側の内部圧
力がほぼ等圧となるように、その内部圧力を可変制御す
る燃料電池システム１２を想定しているものであり、含
水率監視変数として燃料電池２０の内部温度Ｔを用いて
いる。また、固体高分子電解質の含水率を直接、変数と
して用いる代わりに、両極平均オフガス相対湿度ＲＨ
ＯＦＦで代用している。さらに、空気ストイキ比Ｓ
ａｉｒは、１．２及び１．５の２種類とし、水素ストイ
キ比ＳＨ２は、１．２（一定）と仮定している。FIG. 3 shows an example of the control map. The control map illustrated in FIG. 3 assumes a fuel cell system 12 that variably controls the internal pressures on the air electrode side and the fuel electrode side so that the internal pressures are substantially equal. The internal temperature T of the fuel cell 20 is used as a monitoring variable. Instead of using the water content of the solid polymer electrolyte directly as a variable, the bipolar average off-gas relative humidity RH
OFF is used instead. Further, the air stoichiometric ratio S
The air is assumed to be two types of 1.2 and 1.5, and the hydrogen stoichiometric ratio SH2 is assumed to be 1.2 (constant).
【００４９】例えば、図３の実線で示す制御曲線は、空
気ストイキ比Ｓａｉｒが１．５である場合において、内
部温度Ｔの変動に応じて、空気極側及び燃料極側の実際
の内部圧力がシステム圧力Ｐに等しくなるように曲線に
沿って内部圧力を可変制御すれば、両極平均オフガス相
対湿度ＲＨＯＦＦを１００％に維持できることを示して
いる。同様に、図３の破線で示す制御曲線は、空気スト
イキ比Ｓａｉｒが１．５である場合において、両極平均
オフガス相対湿度ＲＨＯＦＦを９０％に維持するための
内部温度Ｔとシステム圧力Ｐの関係を示す。同様に、図
３の一点鎖線又は２点差線で示す制御曲線は、空気スト
イキ比Ｓａｉｒが１．２である場合において、両極平均
オフガス相対湿度ＲＨＯＦＦを、それぞれ、１００％又
は９０％に維持するための内部温度Ｔとシステム圧力Ｐ
の関係を示す。For example, the control curve shown by the solid line in FIG. 3 indicates that the actual internal pressures on the air electrode side and the fuel electrode side in accordance with the fluctuation of the internal temperature T when the air stoichiometric ratio S air is 1.5. It is shown that if the internal pressure is variably controlled along the curve so that is equal to the system pressure P, the bipolar average off-gas relative humidity RH OFF can be maintained at 100%. Similarly, the control curve shown by the broken line in FIG. 3 shows that the internal temperature T and the system pressure P for maintaining the bipolar average off-gas relative humidity RH OFF at 90% when the air stoichiometric ratio S air is 1.5. Show the relationship. Similarly, the control curve indicated by the one-dot chain line or the two-dot line in FIG. 3 indicates that when the air stoichiometric ratio S air is 1.2, the bipolar average off-gas relative humidity RH OFF is maintained at 100% or 90%, respectively. Internal temperature T and system pressure P
Shows the relationship.
【００５０】実際に発電を行う際には、まず、このよう
な１又は２以上の制御マップを燃料電池システム１２の
制御回路６８に記憶させる。次に、所定の空気ストイキ
比Ｓ ａｉｒで発電を行いながら、第２センサ５４を用い
て内部温度Ｔを検出する。次いで、検出された内部温度
Ｔと制御マップとを対比し、所望の両極平均オフガス相
対湿度ＲＨＯＦＦが得られるシステム圧力Ｐを求める。
さらに、空気極側及び燃料極側の実際の内部圧力が、そ
れぞれ、システム圧力Ｐに等しくなるように、第１セン
サ５２及び第３センサ５４で内部圧力を監視しながら、
第１背圧弁５６及び第２背圧弁６６を制御する。これに
より、燃料電池２０の作動条件が変動しても、両極平均
オフガス相対湿度ＲＨＯＦＦを一定の値に維持すること
ができる。また、無加湿下においても、安定して発電を
継続することができる。When actually generating power, first,
One or more control maps of the fuel cell system 12
It is stored in the control circuit 68. Next, the specified air stoichiometry
Ratio S airUsing the second sensor 54 while generating power at
To detect the internal temperature T. Then the detected internal temperature
Compare T with the control map to determine the desired bipolar average offgas phase.
Humidity RHOFFThe system pressure P at which is obtained is obtained.
Furthermore, the actual internal pressures on the cathode and anode sides are
In each case, the first sensor is set to be equal to the system pressure P.
While monitoring the internal pressure with the sensor 52 and the third sensor 54,
The first back pressure valve 56 and the second back pressure valve 66 are controlled. to this
Therefore, even if the operating conditions of the fuel cell 20 fluctuate, the bipolar average
Offgas relative humidity RHOFFTo maintain a constant value
Can be. In addition, stable power generation even under non-humidified conditions
Can continue.
【００５１】なお、実際の燃料電池システムにおいて、
無加湿で安定に作動させるために必要な両極平均オフガ
ス相対湿度ＲＨＯＦＦは、燃料電池２０の構造に応じて
最適な値を用いると良い。具体的には、固体高分子電解
質膜の膜厚が５０μｍ以上である場合には、両極平均オ
フガス相対湿度ＲＨＯＦＦが９０％以上となるように、
内部圧力を制御するのが好ましい。一方、固体高分子電
解質膜の膜厚が５０μｍ未満である場合には、両極平均
オフガス相対湿度ＲＨＯＦＦが５０％以上となるよう
に、内部圧力を制御するのが好ましい。これは、電解質
膜の膜厚が薄くなるほど、バックディフュージョンによ
る水の移動が容易となり、固体高分子電解質の含水率が
安定作動に必要な水準に維持されやすくなるためであ
る。In an actual fuel cell system,
As the bipolar average off-gas relative humidity RH OFF required for stable operation without humidification, an optimal value may be used according to the structure of the fuel cell 20. Specifically, when the film thickness of the solid polymer electrolyte membrane is 50 μm or more, the bipolar average off-gas relative humidity RH OFF becomes 90% or more.
Preferably, the internal pressure is controlled. On the other hand, when the thickness of the solid polymer electrolyte membrane is less than 50 μm, it is preferable to control the internal pressure so that the bipolar average off-gas relative humidity RH OFF becomes 50% or more. This is because as the thickness of the electrolyte membrane becomes thinner, the movement of water by back diffusion becomes easier, and the water content of the solid polymer electrolyte is more easily maintained at a level required for stable operation.
【００５２】（２） 第２の方法は、関係式を使用する
方法である。この方法は、燃料電池２０の内部圧力、含
水率監視変数、及び、固体高分子電解質の含水率に関す
る実験式、理論式等の関係式を予め求めておき、この関
係式に従って燃料電池２０の内部圧力を可変制御する方
法である。(2) The second method is a method using a relational expression. In this method, relational expressions such as empirical formulas, theoretical formulas, and the like relating to the internal pressure of the fuel cell 20, the water content monitoring variable, and the water content of the solid polymer electrolyte are obtained in advance, and the internal This is a method of variably controlling the pressure.
【００５３】次の数５〜数８の式に、このような関係式
の一例を示す。数５〜数８の式に例示する関係式は、空
気極側及び燃料極側の内部圧力がほぼ等圧となるよう
に、その内部圧力を可変制御する燃料電池システム１２
を想定しているものであり、含水率監視変数として燃料
電池２０の内部温度Ｔを用いている。また、固体高分子
電解質の含水率を直接、変数として用いる代わりに、両
極平均オフガス相対湿度ＲＨＯＦＦで代用している。An example of such a relational expression is shown in the following Expressions 5 to 8. The relational expressions exemplified in Expressions 5 to 8 indicate that the fuel cell system 12 variably controls the internal pressures on the air electrode side and the fuel electrode side so that the internal pressures become substantially equal.
And the internal temperature T of the fuel cell 20 is used as a water content monitoring variable. Further, instead of using the moisture content of the solid polymer electrolyte directly as a variable, the average humidity of the bipolar gas and the relative humidity RH OFF are substituted.
【００５４】[0054]
【数５】 (Equation 5)
【００５５】[0055]
【数６】 (Equation 6)
【００５６】[0056]
【数７】 (Equation 7)
【００５７】[0057]
【数８】 (Equation 8)
【００５８】数５の式は、燃料電池２０の空気極側及び
燃料極側の出口近傍での水蒸気分圧の平均値（両極平均
水蒸気分圧）Ｐｗを表す関係式である。数５の式におい
ては、両極平均水蒸気分圧Ｐｗに影響を及ぼす変数とし
て、システム圧力Ｐ、空気ストイキ比Ｓａｉｒ、燃料ス
トイキ比ＳＨ２、空気中の酸素モル分率ＣＯ２及び燃料
中の水素モル分率ＣＨ２が考慮されている。これらの
内、空気ストイキ比Ｓａ ｉｒ及び燃料ストイキ比ＳＨ２
は、主に燃料電池２０に要求される出力によって決ま
る。また、空気中の酸素モル分率ＣＯ２及び燃料中の水
素モル分率ＣＨ２は、使用する反応ガスの種類によって
決まり、運転中に変動することはほとんどない。従っ
て、数５の式において、両極平均水蒸気分圧Ｐｗに実質
的に影響を及ぼすものは、システム圧力Ｐのみである。[0058] The number 5 of the formula is a relation formula showing the mean value (bipolar average water vapor partial pressure) P w of the partial pressure of water vapor in the vicinity of the outlet of the air electrode side and the fuel electrode side of the fuel cell 20. The number in 5 formulas, the variables affecting the poles average water vapor partial pressure P w, system pressure P, the air stoichiometric ratio S air, fuel stoichiometric ratio S H2, oxygen mole fraction C O2 and fuel in the air The hydrogen mole fraction CH2 is taken into account. Of these, air stoichiometric ratio S a ir and fuel stoichiometric ratio S H2
Is determined mainly by the output required of the fuel cell 20. Further, the hydrogen mole fraction C H2 oxygen mole fraction C O2 and fuel in the air, determined by the type of reaction gas to be used, it hardly changes during operation. Accordingly, the number 5 of the formula, substantially affect what the bipolar average water vapor partial pressure P w, only system pressure P.
【００５９】また、数６の式及び数７の式は、水の飽和
水蒸気圧Ｐｓを示す理論式である。さらに、数８の式
は、両極平均オフガス相対湿度ＲＨＯＦＦを定義する関
係式であり、両極平均オフガス相対湿度ＲＨＯＦＦは、
水の飽和水蒸気圧Ｐｓに対する両極平均水蒸気分圧Ｐｗ
の割合として定義される。従って、反応ガスの種類及び
反応ガスの流量が与えられた場合において、内部温度Ｔ
が検出されると、数５〜数８の式より、両極平均オフガ
ス相対湿度ＲＨＯＦＦを一定の水準に維持するためのシ
ステム圧力Ｐを求めることができる。[0059] Further, of the formula and the number 7 number 6 is a theoretical equation showing the saturated vapor pressure P s of water. Furthermore, the numerical formula 8 is a relational expression defining a bipolar average off-gas relative humidity RH OFF, bipolar average off-gas relative humidity RH OFF is
Bipolar average water vapor partial pressure P w against saturated water vapor pressure P s of water
Is defined as a percentage of Therefore, when the type of the reaction gas and the flow rate of the reaction gas are given, the internal temperature T
Is detected, the system pressure P for maintaining the bipolar average off-gas relative humidity RH OFF at a constant level can be obtained from the equations (5) to (8).
【００６０】実際に発電をする際には、まず、このよう
な関係式を燃料電池システム１２の制御回路６８に記憶
させる。次に、所定の反応ガス供給条件下で発電を行い
ながら、第２センサ５４を用いて内部温度Ｔを検出す
る。次いで、検出された内部温度Ｔと、これとは別に制
御回路６８により演算・検出される反応ガス供給条件と
を関係式に代入し、所望の両極平均オフガス相対湿度Ｒ
ＨＯＦＦが得られるシステム圧力Ｐを算出する。When power is actually generated, first, such a relational expression is stored in the control circuit 68 of the fuel cell system 12. Next, the internal temperature T is detected using the second sensor 54 while generating power under a predetermined reaction gas supply condition. Next, the detected internal temperature T and the reaction gas supply condition calculated and detected by the control circuit 68 separately from the detected internal temperature T are substituted into a relational expression to obtain a desired bipolar average off-gas relative humidity R.
The system pressure P at which H OFF is obtained is calculated.
【００６１】さらに、空気極側及び燃料極側の実際の内
部圧力が、それぞれ、算出されたシステム圧力Ｐに等し
くなるように、第１センサ５２及び第３センサ５４で内
部圧力を監視しながら、第１背圧弁５６及び第２背圧弁
６６を制御する。これにより、燃料電池２０の作動条件
が変動しても、両極平均オフガス相対湿度ＲＨＯＦＦを
一定の値に維持することができる。また、無加湿下にお
いても、安定して発電を継続することができる。Further, while monitoring the internal pressures with the first sensor 52 and the third sensor 54 so that the actual internal pressures on the air electrode side and the fuel electrode side are respectively equal to the calculated system pressure P, The first back pressure valve 56 and the second back pressure valve 66 are controlled. Thus, even if the operating conditions of the fuel cell 20 fluctuate, the bipolar average off-gas relative humidity RH OFF can be maintained at a constant value. Moreover, even under non-humidification, power generation can be stably continued.
【００６２】なお、圧力制御の判断基準となる両極平均
オフガス相対湿度ＲＨＯＦＦの値は、燃料電池２０の構
造に応じて最適な値を用いれば良い点は、上述した第１
の方法と同様である。また、固体高分子電解質膜の膜厚
が５０μｍ以上である場合には、両極平均オフガス相対
湿度ＲＨＯＦＦは９０％以上が好ましい点、及び、固体
高分子電解質膜の膜厚が５０μｍ未満である場合には、
両極平均オフガス相対湿度ＲＨＯＦＦは５０％以上が好
ましい点も第１の実施の形態と同様である。It should be noted that the value of the bipolar average off-gas relative humidity RH OFF , which is used as a criterion for pressure control, may be an optimal value according to the structure of the fuel cell 20.
It is the same as the above method. When the thickness of the solid polymer electrolyte membrane is 50 μm or more, the bipolar average off-gas relative humidity RH OFF is preferably 90% or more, and when the thickness of the solid polymer electrolyte membrane is less than 50 μm. In
As in the first embodiment, the bipolar average off-gas relative humidity RH OFF is preferably 50% or more.
【００６３】[0063]
【実施例】（実施例１）図２に示す燃料電池システム１
２を用いて、無加湿作動試験を行った。なお、燃料電池
２０には、電解質膜として厚さ５０μｍのナフィオン
（デュポン社製、登録商標）１１２を用い、この両面に
触媒層及び拡散層として、それぞれ、転写電極及びＥ−
ｔｅｋ製拡散層を接合し、さらにその両側をカーボン製
セパレータで狭持したものを用いた。電極面積は、１３
ｃｍ２とした。(Embodiment 1) A fuel cell system 1 shown in FIG.
Using No. 2, a non-humidifying operation test was performed. In the fuel cell 20, Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont) 112 having a thickness of 50 μm was used as an electrolyte membrane, and a catalyst electrode and a diffusion layer were formed on both surfaces thereof as a catalyst layer and a diffusion layer, respectively.
A Tek diffusion layer was joined, and both sides thereof were sandwiched between carbon separators. The electrode area is 13
cm 2 .
【００６４】無加湿作動試験の手順は、以下の通りであ
る。すなわち、まず、内部温度Ｔ＝８０℃、空気ストイ
キ比Ｓａｉｒ＝１．７７、カソード無加湿、水素ストイ
キ比ＳＨ２＝１．２、アノード加湿（バブラ温度：７０
℃）の条件で燃料電池２０を起動し、０．５Ａ／ｃｍ２
の定電流条件下で発電を行った。The procedure of the non-humidifying operation test is as follows. That is, first, internal temperature T = 80 ° C., air stoichiometric ratio S air = 1.77, cathode humidification, hydrogen stoichiometric ratio S H2 = 1.2, anode humidification (bubble temperature: 70)
(° C.), the fuel cell 20 is started, and 0.5 A / cm 2
Power generation was performed under constant current conditions of
【００６５】燃料電池２０の出力電圧が安定した後、ア
ノードの加湿を止め、両極無加湿の状態で内部圧力を可
変制御しながら発電を行った。具体的には、上述の数５
〜数８の式を用いて、生成水のみによりカソードの両極
平均オフガス相対湿度ＲＨＯ ＦＦが９０％となるシステ
ム圧力Ｐを求め、空気極側及び燃料極側の内部圧力が共
にシステム圧力Ｐに等しくなるように第１背圧弁５６及
び第２背圧弁６６を制御した。また、３０分ごとに内部
温度Ｔを５℃ずつ上昇させ、１００℃までの出力電圧及
びセルの内部抵抗を計測した。After the output voltage of the fuel cell 20 was stabilized, the humidification of the anode was stopped, and power generation was performed while the internal pressure was variably controlled in a state where both electrodes were not humidified. Specifically, the above equation 5
Using the formula to several 8, the product water system pressure P cathode bipolar average off-gas relative humidity RH O FF is 90% only by seeking, in both the system pressure P is the internal pressure of the air electrode side and the fuel electrode side The first back pressure valve 56 and the second back pressure valve 66 were controlled to be equal. The internal temperature T was increased by 5 ° C. every 30 minutes, and the output voltage up to 100 ° C. and the internal resistance of the cell were measured.
【００６６】（比較例１）空気極側及び燃料極側の内部
圧力を２ａｔａ一定とした以外は、実施例１と同一の条
件下で、無加湿作動試験を行った。Comparative Example 1 A non-humidifying operation test was performed under the same conditions as in Example 1 except that the internal pressures on the air electrode side and the fuel electrode side were kept constant at 2 ata.
【００６７】実施例１及び比較例１で得られた無加湿作
動試験の結果を、図４に示す。内部圧力一定の条件下で
作動させた比較例１の場合、燃料電池２０の内部温度Ｔ
が８０℃の時には、両極無加湿であっても、約０．５
（Ｖ）の出力電圧が得られた。しかしながら、内部温度
Ｔの上昇に伴い、燃料電池２０の内部抵抗は急激に上昇
し、出力電圧は急激に低下した。また、内部温度Ｔが９
０℃以上になると、抵抗が大きくなりすぎ、運転できな
くなった。FIG. 4 shows the results of the non-humidifying operation test obtained in Example 1 and Comparative Example 1. In the case of Comparative Example 1 operated under the condition that the internal pressure is constant, the internal temperature T of the fuel cell 20
When the temperature is 80 ° C, about 0.5
The output voltage of (V) was obtained. However, as the internal temperature T rose, the internal resistance of the fuel cell 20 sharply increased, and the output voltage sharply decreased. When the internal temperature T is 9
When the temperature was 0 ° C. or higher, the resistance became too large, and the operation became impossible.
【００６８】これに対し、内部温度Ｔが８０、８５、９
０、９５及び１００℃の時に、内部圧力が、それぞれ、
２．２、２．７、３．２、３．９及び４．７ａｔａとな
るように内部圧力を可変制御した実施例１の場合、内部
抵抗は、内部温度Ｔによらずほぼ一定の値（約０．００
９（Ω））を示した。また、出力電圧は、内部温度Ｔが
８０℃から１００℃までの広い温度範囲において、０．
５（Ｖ）以上を示し、特に、内部温度Ｔが９５℃以下の
時には、出力電圧は０．６（Ｖ）以上を示した。図４よ
り、温度に追随した圧力可変制御を行うことにより、高
温無加湿の条件下においても安定に作動し、かつ高出力
電圧が得られることがわかる。On the other hand, when the internal temperature T is 80, 85, 9
At 0, 95 and 100 ° C., the internal pressures are:
In the first embodiment in which the internal pressure is variably controlled so as to be 2.2, 2.7, 3.2, 3.9, and 4.7 ata, the internal resistance has a substantially constant value (independent of the internal temperature T) ( About 0.00
9 (Ω)). In addition, the output voltage is set to 0.1 in a wide temperature range where the internal temperature T is 80 ° C to 100 ° C.
5 (V) or more, especially when the internal temperature T was 95 ° C. or less, the output voltage showed 0.6 (V) or more. From FIG. 4, it can be seen that by performing the variable pressure control following the temperature, the device operates stably even under conditions of high temperature and no humidification, and a high output voltage can be obtained.
【００６９】以上、本発明の実施の形態について詳細に
説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定される
ものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々
の改変が可能である。Although the embodiments of the present invention have been described in detail, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible without departing from the gist of the present invention. is there.
【００７０】例えば、上記実施の形態では、酸化剤ガス
として空気を用いた例について主に説明したが、酸化剤
ガスとして酸素を用いてもよい。また、本発明による電
解質の無加湿化の手法は、特に固体高分子型燃料電池を
備えた燃料電池システムに対して好適であるが、本発明
の手法は、電解質の水管理が必須である他の種類の燃料
電池（例えば、リン酸型燃料電池、アルカリ型燃料電池
等）を備えた燃料電池システムに対しても同様に適用す
ることができる。For example, in the above embodiment, an example in which air is used as the oxidizing gas has been mainly described, but oxygen may be used as the oxidizing gas. Further, the method for dehumidifying an electrolyte according to the present invention is particularly suitable for a fuel cell system having a polymer electrolyte fuel cell, but the method of the present invention requires water management of the electrolyte. The present invention can be similarly applied to a fuel cell system including a fuel cell of the type (for example, a phosphoric acid fuel cell, an alkaline fuel cell, and the like).
【００７１】また、上記実施の形態では、含水率監視変
数として燃料電池２０の内部温度Ｔを用いた制御方法に
ついて主に説明したが、出力電圧、内部抵抗又はオフガ
ス相対湿度を含水率監視変数として用いる場合も同様で
あり、これらの含水率監視変数を含む制御マップあるい
は関係式を用いて内部圧力を可変制御することにより、
高温無加湿の条件下においても安定に作動し、かつ高出
力電圧が得られる燃料電池システムを得ることができ
る。Further, in the above embodiment, the control method using the internal temperature T of the fuel cell 20 as the water content monitoring variable has been mainly described. However, the output voltage, the internal resistance or the off-gas relative humidity is used as the water content monitoring variable. The same applies to the case of using, by variably controlling the internal pressure using a control map or a relational expression including these moisture content monitoring variables,
It is possible to obtain a fuel cell system that operates stably even under conditions of high temperature and no humidification and that can obtain a high output voltage.
【００７２】[0072]
【発明の効果】本発明に係る燃料電池システムは、空気
極側の内部圧力を制御することによって、固体高分子型
燃料電池に備えられる固体高分子電解質の含水率を安定
作動に必要な水準に維持する含水率制御手段を備えてい
るので、補機による電解質の加湿を行わなくても、燃料
電池が安定に作動するという効果がある。また、１００
℃付近の高温をもカバーする広い温度範囲においても、
燃料電池が安定に作動するという効果がある。さらに、
加湿のための補機が不要となるので、発電効率に優れ、
出力密度が高く、しかも、コンパクトな燃料電池システ
ムが得られるという効果がある。According to the fuel cell system of the present invention, by controlling the internal pressure on the air electrode side, the water content of the solid polymer electrolyte provided in the polymer electrolyte fuel cell can be adjusted to a level necessary for stable operation. Since the water content control means for maintaining the water content is provided, there is an effect that the fuel cell can operate stably without humidifying the electrolyte by the auxiliary equipment. Also, 100
Even in a wide temperature range covering high temperatures around ℃,
There is an effect that the fuel cell operates stably. further,
No need for auxiliary equipment for humidification, excellent power generation efficiency,
There is an effect that a high power density and a compact fuel cell system can be obtained.
【００７３】また、空気極側の内部圧力を可変制御する
と同時に、燃料極側の内部圧力の可変制御も行うと、燃
料電池から排出される総水分量がさらに少なくなり、電
解質の無加湿化がさらに容易化するという効果がある。When the internal pressure on the air electrode side is variably controlled and the internal pressure on the fuel electrode side is also variably controlled, the total amount of water discharged from the fuel cell further decreases, and the humidification of the electrolyte can be reduced. There is an effect of further facilitation.
【図１】 本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池シ
ステムの概略構成図である。FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention.
【図２】 本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池シ
ステムの概略構成図である。FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system according to a second embodiment of the present invention.
【図３】 内部圧力を可変制御するための制御マップの
一例である。FIG. 3 is an example of a control map for variably controlling an internal pressure.
【図４】 内部圧力が一定の場合及び内部圧力の可変制
御を行った場合における内部温度、出力電圧及び内部抵
抗の関係を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a relationship among an internal temperature, an output voltage, and an internal resistance when the internal pressure is constant and when the internal pressure is variably controlled.
１０、１２ 燃料電池システム ２０ 燃料電池（固体高分子型燃料電池） ３０ 燃料ガス供給手段 ４０ 酸化剤ガス供給手段（空気供給手段） ５０、６０ 含水率制御手段 ５２ 第１センサ（第１検出手段） ５４ 第２センサ（第２検出手段） ５６ 第１背圧弁（第１圧力変動手段） ５８、６８ 制御回路（制御手段） ６２ 第３センサ（第３検出手段） ６６ 第２背圧弁（第２圧力変動手段） 10, 12 fuel cell system 20 fuel cell (polymer electrolyte fuel cell) 30 fuel gas supply means 40 oxidant gas supply means (air supply means) 50, 60 water content control means 52 first sensor (first detection means) 54 second sensor (second detecting means) 56 first back pressure valve (first pressure varying means) 58, 68 control circuit (control means) 62 third sensor (third detecting means) 66 second back pressure valve (second pressure) Means of change)
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 森本 友 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 河原 和生 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 青木 博史 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 志満津 孝 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 5H027 AA06 KK00 KK02 KK05 KK22 KK25 KK46 KK51 KK54 MM03 MM08 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuing from the front page (72) Inventor Tomo Morimoto 41-cho, Yokomichi, Nagakute-machi, Aichi-gun, Aichi-gun Inside Toyota Central Research Institute, Inc. (72) Inventor Kazuo Kawahara Nagakute-machi, Aichi-gun, Aichi Prefecture No. 41, Chochu-Yokomichi, Toyota Chuo Research Institute, Inc. (72) Inventor Hiroshi Aoki 41, Nagakute-cho, Aichi-gun, Aichi Prefecture, Japan No. 41, Toyota Chuo Research Institute, Inc. (72) Inventor, Takashi Shimitsu No. 41, No. 41, Chuchu, Nagakute-machi, Aichi-gun, Aichi-gun F-term in Toyota Central R & D Laboratories Co., Ltd. 5H026 AA06 5H027 AA06 KK00 KK02 KK05 KK22 KK25 KK46 KK51 KK54 MM03 MM08
Claims (4)
型燃料電池の燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給
手段と、前記固体高分子型燃料電池の空気極に酸化剤ガ
スを供給する酸化剤ガス供給手段とを備えた燃料電池シ
ステムにおいて、 前記空気極側の内部圧力を制御することによって、前記
固体高分子型燃料電池に備えられる固体高分子電解質の
含水率を安定作動に必要な水準に維持する含水率制御手
段をさらに備えていることを特徴とする燃料電池システ
ム。1. A polymer electrolyte fuel cell, fuel gas supply means for supplying a fuel gas to a fuel electrode of the polymer electrolyte fuel cell, and an oxidant gas to an air electrode of the polymer electrolyte fuel cell. A fuel cell system comprising: an oxidizing gas supply unit for supplying the oxidizing gas; controlling the internal pressure on the air electrode side to stably operate the water content of the solid polymer electrolyte provided in the polymer electrolyte fuel cell. A fuel cell system further comprising water content control means for maintaining a required level.
と、 前記固体高分子型燃料電池の内部温度、出力電圧、内部
抵抗及びオフガス相対湿度の内の少なくとも１以上の含
水率監視変数を検出する第２検出手段と、 前記第２検出手段により検出される前記含水率監視変数
の変動に基づいて、前記第１圧力変動手段を制御する制
御手段とを備えていることを特徴とする請求項１に記載
の燃料電池システム。2. The water content control means includes: first detection means for detecting the internal pressure on the air electrode side; first pressure fluctuation means for fluctuating the internal pressure on the air electrode side; Second detection means for detecting at least one or more water content monitoring variables of the internal temperature, output voltage, internal resistance, and off-gas relative humidity of the fuel cell; and the water content monitoring variable detected by the second detection means. The fuel cell system according to claim 1, further comprising control means for controlling the first pressure fluctuation means based on the fluctuation.
とをさらに備え、 前記制御手段は、前記第２検出手段により検出される前
記含水率監視変数の変動に基づいて、前記第１圧力変動
手段及び前記第２圧力変動手段を制御するものである請
求項２に記載の燃料電池システム。3. The water content control means further comprises: third detection means for detecting the internal pressure on the fuel electrode side; and second pressure fluctuation means for fluctuating the internal pressure on the fuel electrode side. 3. The fuel cell according to claim 2, wherein the means controls the first pressure fluctuation means and the second pressure fluctuation means based on the fluctuation of the moisture content monitoring variable detected by the second detection means. system.
含水率監視変数は、前記固体高分子型燃料電池の内部温
度であり、 前記制御手段は、前記内部温度及び次の数１〜４式を用
いて、前記固体高分子型燃料電池の両極平均オフガス相
対湿度ＲＨＯＦＦが許容範囲となるシステム圧力Ｐを算
出し、前記第１検出手段により検出される前記空気極側
の内部圧力及び前記第２検出手段により検出される前記
燃料極側の内部圧力が、それぞれ、前記システム圧力Ｐ
に等しくなるように、前記１圧力変動手段及び前記第２
圧力変動手段を制御するものである請求項３に記載の燃
料電池システム。 【数１】 【数２】 【数３】 【数４】 4. The water content monitoring variable detected by the second detection means is an internal temperature of the polymer electrolyte fuel cell, and the control means controls the internal temperature and the following equations (1) to (4). Is used to calculate a system pressure P in which the bipolar average off-gas relative humidity RH OFF of the polymer electrolyte fuel cell is within an allowable range, and the internal pressure on the air electrode side detected by the first detection means and the 2 the internal pressure on the fuel electrode side detected by the detecting means is the system pressure P
The first pressure fluctuation means and the second
4. The fuel cell system according to claim 3, wherein the fuel cell system controls the pressure varying means. (Equation 1) (Equation 2) (Equation 3) (Equation 4)
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