JP2007048517A - Fuel cell system - Google Patents

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system suppressing deterioration of an electrolyte membrane of a fuel cell during idling or at open terminal voltage. <P>SOLUTION: The fuel cell system is equipped with a fuel cell stack 1 having a fuel electrode 12 and an oxidant electrode 11 faced through a polymer electrolyte membrane 10 and generating electric power by electrochemical reaction of fuel gas and oxidant gas supplied to the fuel electrode 12 and the oxidant electrode 11, a hydrogen supply system 21 supplying fuel gas containing hydrogen to the fuel electrode 12, and an air supply system 20 supplying oxidant gas containing oxygen to the oxidant electrode 11, and the supply amount of the hydrogen supply system 21 or the air supply system 20 is controlled with a gas supply control means of a controller 401 so that the hydrogen amount and the oxygen amount on a boundary between the oxidant electrode 11 and the polymer electrolyte membrane 10 during idling or during holding of open terminal voltage in the fuel cell system satisfies the relation of the hydrogen amount - 2 × the oxygen amount > 0. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は燃料電池システムに係り、特に、アイドリング時若しくは開放端電圧時における燃料電池の電解質膜の劣化を抑制した燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system that suppresses deterioration of an electrolyte membrane of a fuel cell at idling or open-circuit voltage.

近年の環境問題、特に自動車の排出ガスによる大気汚染や二酸化炭素による地球温暖化の問題等に対する対策として、クリーンな排気および高エネルギ効率を可能とする燃料電池技術が注目を浴びている。燃料電池は、水素を含む燃料ガスおよび空気等の酸化剤ガスを電解質・電極触媒複合体に供給し、電気化学反応を起こし、化学エネルギを電気エネルギに変換するエネルギ変換装置である。なかでも、固体高分子膜を電解質として用いた固体高分子電解質型燃料電池は、低コストでコンパクト化が容易であり、しかも高い出力密度を有することから、自動車等の移動体用電源としての用途が期待されている。   Fuel cell technology that enables clean exhaust and high energy efficiency is attracting attention as a countermeasure against environmental problems in recent years, particularly air pollution caused by automobile exhaust gas and global warming caused by carbon dioxide. A fuel cell is an energy conversion device that supplies a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas such as air to an electrolyte / electrode catalyst complex, causes an electrochemical reaction, and converts chemical energy into electric energy. Among them, a solid polymer electrolyte fuel cell using a solid polymer membrane as an electrolyte is easy to downsize at low cost and has a high output density, so that it can be used as a power source for mobile objects such as automobiles. Is expected.

固体高分子電解質型燃料電池の単電池（セル）が備えるＭＥＡ（電解質膜電極接合体）の構成を模式的に示す断面図を図２に示す。ここで、従来のＭＥＡ構成と本発明のＭＥＡ構成とはその断面構造がほぼ同等であるため同一の図面を用いる。   FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of MEA (electrolyte membrane electrode assembly) provided in a unit cell (cell) of a solid polymer electrolyte fuel cell. Here, the conventional MEA configuration and the MEA configuration of the present invention have substantially the same cross-sectional structure, so the same drawings are used.

図２に示すように、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜１０の両面に、１対の電極である酸化剤極１１と燃料極１２が配置されている。ここでは、Ｐｔ等の触媒を担持したカーボン担体から構成した酸化剤極触媒層１１ａと、酸化剤極１１をカーボン繊維等の多孔質体から構成した酸化剤極ガス拡散層１１ｂとから構成する。また同様に、燃料極１２を、燃料極触媒層１２ａと燃料極ガス拡散層１２ｂとから構成する。   As shown in FIG. 2, an oxidant electrode 11 and a fuel electrode 12 that are a pair of electrodes are disposed on both surfaces of a polymer electrolyte membrane 10 that selectively transports hydrogen ions. Here, the oxidant electrode catalyst layer 11a composed of a carbon support carrying a catalyst such as Pt, and the oxidant electrode gas diffusion layer 11b composed of a porous material such as carbon fiber are formed. Similarly, the fuel electrode 12 includes a fuel electrode catalyst layer 12a and a fuel electrode gas diffusion layer 12b.

現在、高分子電解質膜１０としては、パーフルオロカーボンスルホン酸からなる高分子電解質膜（例えば、米国ＤｕＰｏｎｔ社製のＮａｆｉｏｎ膜など）が一般的に使用されている。   Currently, a polymer electrolyte membrane made of perfluorocarbon sulfonic acid (for example, a Nafion membrane manufactured by DuPont, USA) is generally used as the polymer electrolyte membrane 10.

さらに、両電極１１，１２の外側には、酸化剤ガスセパレータ１５と燃料ガスセパレータ１６が配置されており、酸化剤極１１と酸化剤ガスセパレータ１５との間には、酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス流路１３が設けられ、燃料極１２と燃料ガスセパレータ１６との間には、燃料ガスが流通する燃料ガス流路１４が設けられている。ここでは、酸化剤ガス流路１３内を酸化剤ガスとしての空気が、燃料ガス流路１４内を流れる燃料ガスとしての水素と、略同一方向に流通するように構成する。   Further, an oxidant gas separator 15 and a fuel gas separator 16 are disposed outside the electrodes 11 and 12, and the oxidant gas flows between the oxidant electrode 11 and the oxidant gas separator 15. An oxidant gas flow path 13 is provided, and a fuel gas flow path 14 through which the fuel gas flows is provided between the fuel electrode 12 and the fuel gas separator 16. Here, the oxidant gas passage 13 is configured such that air as the oxidant gas flows in substantially the same direction as hydrogen as the fuel gas flowing through the fuel gas passage 14.

このように、１対のセパレータ板１５，１６でＭＥＡを固定し、片側の酸化剤ガス流路１３ に酸化剤ガスを供給し、他方の燃料ガス流路１４ に燃料ガスを供給することで、数十から数千［ｍＡ／ｃｍ^２］の実用電流密度通電時において、１つのセルで０．５〜０．８［Ｖ］ 程度の起電力を発生させることができる。しかし、通常、燃料電池を電源として使うときは、数十から数百［Ｖ］の電圧が必要とされるため、実際には、セルを必要とする個数だけ直列に連結することになる。 In this way, by fixing the MEA with the pair of separator plates 15 and 16, supplying the oxidizing gas to the oxidizing gas channel 13 on one side and supplying the fuel gas to the other fuel gas channel 14, When a practical current density of tens to thousands [mA / cm ² ] is applied, an electromotive force of about 0.5 to 0.8 [V] can be generated in one cell. However, normally, when a fuel cell is used as a power source, a voltage of several tens to several hundreds [V] is required, so in practice, the required number of cells are connected in series.

燃料電池スタックを、このような構造のＭＥＡ２を複数積層して構成した積層体とする。通常運転時には、酸化剤ガスが酸化剤極触媒層１１ａの触媒に接触し、燃料ガスが燃料極触媒層１２ａの触媒に接触することにより、以下のような反応が生じる。   The fuel cell stack is a laminated body constituted by laminating a plurality of MEAs 2 having such a structure. During normal operation, the following reaction occurs when the oxidant gas contacts the catalyst of the oxidant electrode catalyst layer 11a and the fuel gas contacts the catalyst of the fuel electrode catalyst layer 12a.

（数４）
燃料極１２側 ：Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ （４）
（数５）
酸化剤極１１側：２Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ （５）
式（４）に示すように、燃料極１２では、燃料ガス中の水素がプロトンと電子に分離され、プロトンは高分子電解質膜１０内部を拡散して酸化剤極１１側に到達し、電子は外部回路を流れて、出力として取り出される。一方、酸化剤極１１では、高分子電解質膜１０内を拡散してきたプロトン、外部回路を介して移動してきた電子、並びに空気中の酸素により形成される三相界面上で式（５）に示すような反応が生じる。 (Equation 4)
Fuel electrode 12 side: H ₂ → 2H ⁺ + 2e ⁻ (4)
(Equation 5)
Oxidant electrode 11 side: 2H ⁺ + 1 / 2O ₂ + 2e ⁻ → H ₂ O (5)
As shown in the equation (4), in the fuel electrode 12, hydrogen in the fuel gas is separated into protons and electrons, and the protons diffuse inside the polymer electrolyte membrane 10 and reach the oxidant electrode 11 side. It flows through an external circuit and is taken out as an output. On the other hand, in the oxidant electrode 11, the equation (5) is shown on the three-phase interface formed by protons diffusing in the polymer electrolyte membrane 10, electrons moving through the external circuit, and oxygen in the air. Such a reaction occurs.

以上のように構成された燃料電池において、燃料電池が開放端電圧状態に近い非常に高い電圧を保持している場合、高分子電解質が分解するという問題が発生する。これは次のような理由によるものと考えられる。   In the fuel cell configured as described above, when the fuel cell holds a very high voltage close to the open-circuit voltage state, there arises a problem that the polymer electrolyte is decomposed. This is thought to be due to the following reasons.

高分子電解質膜１０中では、水素および酸素が若干拡散されている。このため、燃料極触媒層１２ａ上で、酸化剤極１１側より拡散してきた酸素が式（６）のような２電子反応によって還元反応を起こす。   In the polymer electrolyte membrane 10, hydrogen and oxygen are slightly diffused. For this reason, oxygen diffused from the oxidant electrode 11 side on the fuel electrode catalyst layer 12a causes a reduction reaction by a two-electron reaction as shown in the formula (6).

（数６）
Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻＝Ｈ_２Ｏ_２ ０．６８Ｖ （６）
燃料極１２で形成された過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）は、水酸化ラジカル（ＯＨ・）を発生し、これらラジカル類が高分子電解質を分解させると考えられている。 (Equation 6)
O ₂ + 2H ⁺ + 2e ⁻ = H ₂ O ₂ 0.68V (6)
Hydrogen peroxide (H ₂ O ₂ ) formed at the fuel electrode 12 is considered to generate hydroxyl radicals (OH.), And these radicals decompose the polymer electrolyte.

このような燃料電池が開放端電圧になることにより発生する問題を回避するために、電解質膜の材料を変更し、酸素拡散量を減らす研究が続けられている。また、このような材料研究の他に、燃料電池システムの制御方法による劣化回避方法も提案されている。   In order to avoid such a problem that occurs when the fuel cell becomes an open-circuit voltage, research has been continued to change the material of the electrolyte membrane to reduce the oxygen diffusion amount. In addition to such material research, a method for avoiding deterioration by a control method of a fuel cell system has also been proposed.

例えば、燃料電池システム内に開放端電圧を抑制するための放電手段を設けることにより、燃料電池が開回路電圧になることを回避する方法がある。これは、放電手段により、酸化剤極１１で式（５）の酸素還元反応を起こすことにより、高分子電解質膜１０を透過する酸素量を減少させるものである。しかしながら、このような運転により高分子電解質が分解される問題を回避することができるが、酸素の還元反応を起こすためには、式（４）の水素酸化反応が同時に起こっており、燃費が悪くなることや、電圧が下がることによって直に再起動できなくなるなど、別の問題が発生する。   For example, there is a method for avoiding the fuel cell from becoming an open circuit voltage by providing a discharge means for suppressing the open-circuit voltage in the fuel cell system. This is to reduce the amount of oxygen permeating the polymer electrolyte membrane 10 by causing the oxygen reduction reaction of the formula (5) at the oxidant electrode 11 by the discharge means. However, the problem that the polymer electrolyte is decomposed by such an operation can be avoided, but in order to cause the oxygen reduction reaction, the hydrogen oxidation reaction of the formula (4) occurs at the same time, resulting in poor fuel consumption. Another problem occurs, such as being unable to restart directly due to the voltage drop.

また、特開平６−１０３９９２号公報に開示の「高分子固体電解質型燃料電池」では、燃料極１２と酸化剤極１１との間に新たに触媒層を設け、この触媒層で水素と酸素の反応を促進させる方法が提案されている。すなわち、高分子固体電解質（イオン交換膜）内に酸化剤極および燃料極と電子導電的に絶縁された触媒層を形成することにより、高分子固体電解質（イオン交換膜）内をクロスオーバーする水素ガスと酸素ガスを触媒層により反応させて水に変換し、該水素ガスと酸素ガスが対極へ移動してセル電圧が低下することを抑制し、効率的な運転を可能にするものである。
特開平６−１０３９９２号公報 In addition, in the “polymer electrolyte fuel cell” disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 6-103992, a new catalyst layer is provided between the fuel electrode 12 and the oxidant electrode 11, and hydrogen and oxygen are separated in this catalyst layer. Methods for promoting the reaction have been proposed. That is, hydrogen that crosses over the solid polymer electrolyte (ion exchange membrane) by forming a catalyst layer that is electrically conductively insulated from the oxidant electrode and the fuel electrode in the solid polymer electrolyte (ion exchange membrane). The gas and oxygen gas are reacted with each other by a catalyst layer to be converted into water, and the hydrogen gas and oxygen gas are prevented from moving to the counter electrode and the cell voltage is reduced, thereby enabling efficient operation.
JP-A-6-103992

しかしながら、上述した特許文献１に開示された技術においては、新たに設けた触媒層で水素と酸素の反応を促進させ、燃料極および酸化剤極間のクロスリーク量を減らすことはできるが、一般的に高分子電解質膜中の電位は低く、０．６８［Ｖ］よりも低い場合においては新たに設けた触媒層上で式（６）の反応を誘発し、結果的に高分子電解質膜の劣化が促進されてしまうという問題があった。   However, in the technique disclosed in Patent Document 1 described above, the reaction between hydrogen and oxygen can be promoted by the newly provided catalyst layer, and the amount of cross leak between the fuel electrode and the oxidant electrode can be reduced. In general, the potential in the polymer electrolyte membrane is low. When the potential is lower than 0.68 [V], the reaction of the formula (6) is induced on the newly provided catalyst layer. There was a problem that deterioration would be promoted.

すなわち、従来の燃料電池システムにおいては、アイドリング時若しくは開放端電圧時に、酸素が酸化剤極側から燃料極側に拡散することで過酸化水素が生成されるため、電解質膜が劣化するという問題があった。   That is, in the conventional fuel cell system, oxygen is diffused from the oxidant electrode side to the fuel electrode side during idling or open-circuit voltage, so that hydrogen peroxide is generated. there were.

本発明は、上記従来の事情に鑑みてなされたものであって、アイドリング時若しくは開放端電圧時における燃料電池の電解質膜の劣化を抑制した燃料電池システムを提供することを目的としている。   The present invention has been made in view of the above-described conventional circumstances, and an object thereof is to provide a fuel cell system in which deterioration of an electrolyte membrane of a fuel cell at idling or open-circuit voltage is suppressed.

上記目的を解決するため、本発明は、電解質膜を挟んで配置された燃料極および酸化剤極を備え、該燃料極および酸化剤極にそれぞれ供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、前記燃料極に水素を含有する燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記酸化剤極に酸素を含有する酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、当該燃料電池システムのアイドリング時または開放端電圧保持時に前記酸化剤極と前記電解質膜が接する境界での水素量と酸素量の関係が、水素量−２×酸素量＞０を満たすように、前記燃料ガス供給手段または前記酸化剤ガス供給手段による供給量を制御するガス供給制御手段と、を備えることを特徴とする。   In order to solve the above-described object, the present invention includes a fuel electrode and an oxidant electrode arranged with an electrolyte membrane interposed therebetween, and an electrochemical reaction between the fuel gas and the oxidant gas supplied to the fuel electrode and the oxidant electrode, respectively. A fuel cell that generates electric power by means of; a fuel gas supply means for supplying a fuel gas containing hydrogen to the fuel electrode; an oxidant gas supply means for supplying an oxidant gas containing oxygen to the oxidant electrode; The fuel so that the relationship between the amount of hydrogen and the amount of oxygen at the boundary between the oxidant electrode and the electrolyte membrane satisfies the amount of hydrogen−2 × the amount of oxygen> 0 when the fuel cell system is idling or holding the open-circuit voltage And gas supply control means for controlling the supply amount by the gas supply means or the oxidant gas supply means.

本発明に係る燃料電池システムでは、燃料極より電解質膜を透過した水素は、酸化剤極から透過してくる酸素と酸化剤極触媒上で反応し、電解質膜に到達する酸素量を減少させることが可能となる。電解質膜に到達する酸素量が減少することは、燃料極触媒に到達する酸素量が減少することであり、燃料極触媒での酸素量減少によって過酸化水素生成が抑制され、結果的に過酸化水素による電解質膜へのアタックを抑制することができる。   In the fuel cell system according to the present invention, hydrogen that has permeated the electrolyte membrane from the fuel electrode reacts with oxygen permeated from the oxidant electrode on the oxidant electrode catalyst to reduce the amount of oxygen reaching the electrolyte membrane. Is possible. The decrease in the amount of oxygen that reaches the electrolyte membrane means that the amount of oxygen that reaches the fuel electrode catalyst decreases, and the decrease in the amount of oxygen in the fuel electrode catalyst suppresses the production of hydrogen peroxide, resulting in peroxidation. Attack to the electrolyte membrane by hydrogen can be suppressed.

以下、本発明の燃料電池システムの実施例について、図面を参照して詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the fuel cell system of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図１は本発明の一実施例に係る燃料電池システムの構成図である。本実施例の燃料電池システムは、例えば燃料電池車両の駆動動力源として用いられるものであり、図１に示すように、水素および空気の供給により発電を行う燃料電池スタック１を備える。   FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. The fuel cell system of the present embodiment is used as a driving power source of a fuel cell vehicle, for example, and includes a fuel cell stack 1 that generates power by supplying hydrogen and air as shown in FIG.

また、空気供給系（酸化剤ガス供給手段）２０として、フィルタ２０１、コンプレッサ２０２、空気供給流路、酸素分圧センサ２０３および空気排気流路を備え、水素供給系（燃料ガス供給手段）２１として、水素ボンベ２１１、減圧弁２１２、流量コントローラ２１３、水素供給流路、三方弁２１４，２１５、水素分圧センサ２１７、水素循環流路、水素排気流路およびリサイクルコンプレッサ２１６を備えている。   The air supply system (oxidant gas supply means) 20 includes a filter 201, a compressor 202, an air supply passage, an oxygen partial pressure sensor 203, and an air exhaust passage, and a hydrogen supply system (fuel gas supply means) 21. , A hydrogen cylinder 211, a pressure reducing valve 212, a flow rate controller 213, a hydrogen supply flow path, three-way valves 214 and 215, a hydrogen partial pressure sensor 217, a hydrogen circulation flow path, a hydrogen exhaust flow path, and a recycle compressor 216.

また、負荷系として、負荷３００、バッテリ３０１、スイッチ３０２、リレー３０３および電流センサ３０５を備え、さらに制御系として、水素供給系、空気供給系および負荷系の各種計器や他の各種計器からの検知信号に基づき水素供給系、空気供給系および負荷系の各構成要素の制御を行うコントローラ４０１を備えた構成である。なお、冷却機構については、本発明の特徴的部分に直接関係しないために省略している。   In addition, the load system includes a load 300, a battery 301, a switch 302, a relay 303, and a current sensor 305. Further, as a control system, detection from various instruments such as a hydrogen supply system, an air supply system, a load system, and other various instruments. This configuration includes a controller 401 that controls each component of the hydrogen supply system, the air supply system, and the load system based on the signal. The cooling mechanism is omitted because it is not directly related to the characteristic part of the present invention.

燃料電池スタック１の構造等（図２）については、背景技術において詳述した通りであり、説明を省略する。   The structure and the like of the fuel cell stack 1 (FIG. 2) are as described in detail in the background art, and the description is omitted.

燃料電池スタック１で発電を行うには、燃料ガスである水素や酸化剤ガスである空気を各発電セルの燃料極１２や酸化剤極１１に供給する必要があり、燃料電池システムでは、そのための機構として水素供給系および空気供給系が設けられている。   In order to generate power with the fuel cell stack 1, it is necessary to supply hydrogen, which is a fuel gas, and air, which is an oxidant gas, to the fuel electrode 12 and the oxidant electrode 11 of each power generation cell. A hydrogen supply system and an air supply system are provided as mechanisms.

燃料電池スタック１に空気を供給する空気供給系２０においては、外部からフィルタ２０１を介して空気を導入するコンプレッサ２０２により、空気供給流路に空気が送り込まれて燃料電池スタック１の酸化剤極１１へと供給される。また、コンプレッサ２０２と燃料電池スタック１とを繋ぐ配管には酸素分圧センサ２０３が設置されており、酸素圧力をモニタリングする。   In the air supply system 20 that supplies air to the fuel cell stack 1, air is sent into the air supply flow path by the compressor 202 that introduces air from the outside via the filter 201, and the oxidant electrode 11 of the fuel cell stack 1. Supplied to. An oxygen partial pressure sensor 203 is installed in a pipe connecting the compressor 202 and the fuel cell stack 1 to monitor the oxygen pressure.

燃料電池スタック１に水素を供給する水素供給系２１においては、水素ボンベ２１１にから取り出した高圧水素を減圧弁２１２によって減圧し、流量コントローラ２１３により取り出す水素量を調整しつつ、燃料電池スタック１の燃料ガス流路１４に水素を供給する。また、燃料電池スタック１の燃料ガス入口より上流側に三方弁２１４を、下流側に三方弁２１５を備え、また、三方弁２１４および２１５を接続する配管を流通させて、リサイクルコンプレッサ２１６により燃料電池スタック１から排出された未反応の水素ガスを燃料電池スタック１の入口側に還流する。さらに、三方弁２１４と燃料電池スタック１とを繋ぐ配管には水素分圧センサ２１７が設置されており、水素圧力をモニタリングする。   In the hydrogen supply system 21 that supplies hydrogen to the fuel cell stack 1, the high-pressure hydrogen taken out from the hydrogen cylinder 211 is decompressed by the pressure reducing valve 212, and the amount of hydrogen taken out is adjusted by the flow rate controller 213, while Hydrogen is supplied to the fuel gas passage 14. In addition, a three-way valve 214 is provided upstream from the fuel gas inlet of the fuel cell stack 1, a three-way valve 215 is provided downstream, and a pipe connecting the three-way valves 214 and 215 is circulated. Unreacted hydrogen gas discharged from the stack 1 is refluxed to the inlet side of the fuel cell stack 1. Further, a hydrogen partial pressure sensor 217 is installed in a pipe connecting the three-way valve 214 and the fuel cell stack 1 to monitor the hydrogen pressure.

さらに、燃料電池スタック１の後流には、燃料電池スタック１から排出された排空気と燃料排ガスを燃焼処理する燃焼触媒２３１を備えており、燃料電池スタック１の酸化剤極１１側の空気中に含まれる窒素ガスが、高分子電解質膜１０を透過して燃料極１２側に移動し、燃料極１２内の水素濃度が低くなった場合には、三方弁２１５を切り替えて、水素を含む燃料排ガスを燃焼触媒２３１で燃焼処理した後、外部に排出する。   In addition, the downstream side of the fuel cell stack 1 includes a combustion catalyst 231 that combusts exhaust air discharged from the fuel cell stack 1 and fuel exhaust gas, and is in the air on the oxidant electrode 11 side of the fuel cell stack 1. When the nitrogen gas contained in the gas passes through the polymer electrolyte membrane 10 and moves to the fuel electrode 12 side and the hydrogen concentration in the fuel electrode 12 becomes low, the three-way valve 215 is switched to switch the fuel containing hydrogen. After exhaust gas is combusted with the combustion catalyst 231, it is discharged outside.

次に、燃料電池スタック１から負荷を取り出す負荷系（電気回路）について説明する。   Next, a load system (electric circuit) for taking out a load from the fuel cell stack 1 will be described.

燃料電池スタック１は、出力を取り出す端子として、酸化剤極１１側に酸化剤極側電極板３０６を備え、燃料極１２側に燃料極側電極板３０７を備える。負荷系には、燃料電池スタック１で発生した電気を消費する負荷３００と、該負荷３００に並列接続されるバッテリ３０１を備えている。   The fuel cell stack 1 includes an oxidant electrode side electrode plate 306 on the oxidant electrode 11 side and a fuel electrode side electrode plate 307 on the fuel electrode 12 side as terminals for taking out outputs. The load system includes a load 300 that consumes electricity generated in the fuel cell stack 1 and a battery 301 connected in parallel to the load 300.

バッテリ３０１と燃料電池スタック１とを接続する配線には、バッテリ３０１に対して直列にスイッチ３０２が、負荷３００に対して直列にリレー３０３がそれぞれ設置されている。運転時に負荷３００で消費されない余剰電力はバッテリ３０１に蓄電され、スイッチ３０２のＯＮ／ＯＦＦ制御により、蓄電・放電が制御される。また、リレー３０３によって負荷３００と燃料電池スタック１のＯＮ／ＯＦＦ切り替えが行われ、ＯＮの時には負荷取り出しが可能な状態となり、またＯＦＦの時には負荷取り出しは行われない。   In the wiring connecting the battery 301 and the fuel cell stack 1, a switch 302 is installed in series with the battery 301, and a relay 303 is installed in series with the load 300. Surplus power that is not consumed by the load 300 during operation is stored in the battery 301, and storage / discharge is controlled by ON / OFF control of the switch 302. Further, the load 303 and the fuel cell stack 1 are switched ON / OFF by the relay 303. When the relay 300 is ON, the load can be taken out. When the relay 300 is OFF, the load is not taken out.

さらに、コンプレッサ２０２、流量コントローラ２１３、スイッチ３０２およびリレー３０３を制御するコントローラ４０１は、例えば中央演算ユニット（ＣＰＵ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、および入出力インターフェース（Ｉ／Ｏインターフェース）を有するマイクロコンピュータで構成される。コントローラ４０１を複数のマイクロコンピュータで構成することも可能である。また、ここでは詳細は省略するが、コントローラ４０１によって、三方弁２１４，２１５、リサイクルコンプレッサ２１６が制御され、燃料極側の水素ガスのパージが調整される。さらに、コントローラ４０１は、後述する制御に加えて他の複数の制御を実行する装置としてもよい。   Further, the controller 401 that controls the compressor 202, the flow rate controller 213, the switch 302, and the relay 303 includes, for example, a central processing unit (CPU), a random access memory (RAM), a read only memory (ROM), and an input / output interface (I / I). O-interface). It is also possible to configure the controller 401 with a plurality of microcomputers. Although details are omitted here, the controller 401 controls the three-way valves 214 and 215 and the recycle compressor 216 to adjust the purge of hydrogen gas on the fuel electrode side. Furthermore, the controller 401 may be a device that executes a plurality of other controls in addition to the controls described below.

コントローラ４０１は、構成要素として特許請求の範囲にいうガス供給制御手段を備えているが、これはＣＰＵ上で実行されるプログラムの機能的なまとまりを表したものであり、ガス供給制御手段は、当該燃料電池システムのアイドリング時または開放端電圧保持時に酸化剤極１１と高分子電解質膜１０が接する境界での水素量と酸素量の関係が、「式（１）：水素量−２×酸素量＞０」を満たすように、燃料ガス供給手段（水素供給系）２１または酸化剤ガス供給手段（空気供給系）２０による供給量を制御する。   The controller 401 includes the gas supply control means as claimed in the claims as a constituent element, which represents a functional group of programs executed on the CPU, and the gas supply control means includes: The relationship between the amount of hydrogen and the amount of oxygen at the boundary where the oxidant electrode 11 and the polymer electrolyte membrane 10 are in contact when the fuel cell system is idling or when the open-circuit voltage is maintained is expressed by “Expression (1): hydrogen amount−2 × oxygen amount”. > 0 ”, the supply amount by the fuel gas supply means (hydrogen supply system) 21 or the oxidant gas supply means (air supply system) 20 is controlled.

次に、以上のように構成される本実施例の燃料電池システムにおけるガス供給制御について、図２〜図５を参照しながらより具体的に説明する。ここで、図３は水素および酸素のガス透過係数の温度変化に対する推移を例示する説明図、図４は水素および酸素のガス透過係数比の温度変化に対する推移を例示する説明図、図５は分圧差に対する電圧低下量の推移を例示する説明図である。   Next, the gas supply control in the fuel cell system of the present embodiment configured as described above will be described more specifically with reference to FIGS. Here, FIG. 3 is an explanatory diagram illustrating the transition of the gas permeability coefficient of hydrogen and oxygen with respect to the temperature change, FIG. 4 is an explanatory diagram illustrating the transition of the gas permeability coefficient ratio of hydrogen and oxygen with respect to the temperature change, and FIG. It is explanatory drawing which illustrates transition of the voltage fall amount with respect to a pressure difference.

上述したように、コントローラ４０１のガス供給制御手段は、酸化剤極触媒層１１ａにおける水素量が酸素量の２倍より多くなるようガス供給量を制御するが、これについて図２を用いて説明する。   As described above, the gas supply control means of the controller 401 controls the gas supply amount so that the amount of hydrogen in the oxidant electrode catalyst layer 11a is more than twice the amount of oxygen. This will be described with reference to FIG. .

燃料極１２より高分子電解質膜１０を透過した水素は、式（７）に示すように酸化剤極触媒層１１ａ上で酸化される。一方、酸素は酸化剤極触媒層１１ａを透過する過程で、式（８）に示す酸素の還元反応が起こる。両反応は同一触媒上で同時に起こるため、反応の収支は見かけ上、式（９）となる。   The hydrogen that has permeated the polymer electrolyte membrane 10 from the fuel electrode 12 is oxidized on the oxidant electrode catalyst layer 11a as shown in the equation (7). On the other hand, in the process of oxygen passing through the oxidant electrode catalyst layer 11a, the oxygen reduction reaction shown in Formula (8) occurs. Since both reactions occur simultaneously on the same catalyst, the balance of the reaction is apparently represented by equation (9).

（数７）
燃料ガス ：２Ｈ_２ →４Ｈ^＋＋４ｅ⁻ （７）
（数８）
酸化剤ガス：４Ｈ^＋＋Ｏ_２＋４ｅ⁻→２Ｈ_２Ｏ （８）
（数９）
反応収支 ：２Ｈ_２＋Ｏ_２ →２Ｈ_２Ｏ （９）
この式（９）の反応は水素２分子に対し、酸素１分子の反応であるため、式（１）に示したように水素量が酸素量の２倍より多ければ、高分子電解質膜１０に到達する酸素はなくなる。この結果、酸化剤極触媒層１１ａ上での過酸化水素生成が抑制されこととなる。 (Equation 7)
Fuel gas: 2H ₂ → 4H ⁺ + 4e ⁻ (7)
(Equation 8)
Oxidant gas: 4H ⁺ + O ₂ + 4e ⁻ → 2H ₂ O (8)
(Equation 9)
Reaction balance: 2H ₂ + O ₂ → 2H ₂ O (9)
Since the reaction of the formula (9) is a reaction of one molecule of oxygen for two hydrogen molecules, if the amount of hydrogen is more than twice the amount of oxygen as shown in the formula (1), the polymer electrolyte membrane 10 There is no oxygen to reach. As a result, the production of hydrogen peroxide on the oxidant electrode catalyst layer 11a is suppressed.

特に、燃料極１２の水素分圧をＰH2［ｋＰａ］、酸化剤極１１の酸素分圧をＰO2［ｋＰａ］、高分子電解質膜１０の厚さをｔ［ｃｍ］、燃料極触媒層１２ａの厚さをｔan［ｃｍ］、酸化剤極触媒層１１ａの厚さをｔca［ｃｍ］とし、１［ｋＰａ］当たりのガス透過量を酸素についてＣO2［ｍｏｌ・ｃｍ／ｃｍ²／ｓｅｃ／ｋＰａ］、水素についてＣH2［ｍｏｌ・ｃｍ／ｃｍ²／ｓｅｃ／ｋＰａ］とするとき、コントローラ４０１のガス供給制御手段は、酸化剤極１１と高分子電解質膜１０が接する境界での水素量と酸素量の関係が、「式（２）：ＰH2×ＣH2×（ｔ＋ｔan）−２×ＰO2×ＣO2 ×ｔca＞０」を満たすように制御を行う。 In particular, the hydrogen partial pressure of the fuel electrode 12 is PH2 [kPa], the oxygen partial pressure of the oxidant electrode 11 is PO2 [kPa], the thickness of the polymer electrolyte membrane 10 is t [cm], and the thickness of the fuel electrode catalyst layer 12a. The thickness is tan [cm], the thickness of the oxidant electrode catalyst layer 11a is tca [cm], the gas permeation amount per 1 [kPa] is CO 2 [mol · cm / cm ² / sec / kPa], hydrogen Is CH2 [mol · cm / cm ² / sec / kPa], the gas supply control means of the controller 401 has a relationship between the amount of hydrogen and the amount of oxygen at the boundary where the oxidant electrode 11 and the polymer electrolyte membrane 10 are in contact with each other. , Control is performed so as to satisfy “Expression (2): PH2 × CH2 × (t + tan) −2 × PO2 × CO2 × tca> 0”.

式（２）は、ガス透過量は膜厚と反比例の関係にあること、高分子電解質膜１０と触媒層のガス透過量が近いことから、式（１）より導くことができる。   Equation (2) can be derived from Equation (1) because the gas permeation amount is inversely proportional to the film thickness and the gas permeation amount between the polymer electrolyte membrane 10 and the catalyst layer is close.

また特に、コントローラ４０１のガス供給制御手段は、酸化剤極１１と高分子電解質膜１０が接する境界での水素量と酸素量の関係が、「式（３）：1.25×ＰH2×（ｔ＋ｔan）−ＰO2×ｔca＞０」を満たすように制御を行う。   Further, in particular, the gas supply control means of the controller 401 indicates that the relationship between the amount of hydrogen and the amount of oxygen at the boundary where the oxidant electrode 11 and the polymer electrolyte membrane 10 are in contact is expressed by “Expression (3): 1.25 × PH 2 × (t + tan) − Control is performed so as to satisfy “PO2 × tca> 0”.

本実施例における高分子電解質膜１０の水素透過量および酸素透過量の測定を行った結果を図３に、また水素透過量を酸素透過量で割ったガス透過係数比（水素/酸素透過比）を図４に示す。図３に示すように、温度に対して水素および酸素のそれぞれの透過量は変化するが、図４に示すように、水素と酸素の透過比率は２．５で、温度によらずほぼ一定とみなすことができる。これは、水素と酸素の透過量は、水素分子と酸素分子の大きさや、水への溶解度によってきまる関数であり、温度や湿度、電解質膜の化学構造に依存するが、水素と酸素の透過比率は、温度や湿度、電解質膜の化学構造との関係はきわめて小さいことによるものである。つまり、「水素と酸素の透過比率＝２．５」は、上記実施例の実験で使用した電解質膜以外の様々な電解質膜においても利用できる。   The measurement results of the hydrogen permeation amount and oxygen permeation amount of the polymer electrolyte membrane 10 in this example are shown in FIG. 3, and the gas permeation coefficient ratio (hydrogen / oxygen permeation ratio) obtained by dividing the hydrogen permeation amount by the oxygen permeation amount. Is shown in FIG. As shown in FIG. 3, the permeation amounts of hydrogen and oxygen change with respect to temperature, but as shown in FIG. 4, the permeation ratio of hydrogen and oxygen is 2.5, which is almost constant regardless of temperature. Can be considered. This is because the hydrogen and oxygen permeation amount is a function determined by the size of the hydrogen and oxygen molecules and the solubility in water, and depends on the temperature, humidity, and chemical structure of the electrolyte membrane, but the hydrogen and oxygen permeation ratio This is because the relationship between temperature, humidity and the chemical structure of the electrolyte membrane is extremely small. That is, the “permeation ratio of hydrogen to oxygen = 2.5” can be used for various electrolyte membranes other than the electrolyte membrane used in the experiment of the above embodiment.

このことから、式（２）を変形して、式（１０）とし、
（数１０）
（ＣH2／ＣO2）×ＰH2×（ｔ＋ｔan）−２×ＰO2×ｔca＞０ （１０）
（ＣH2／ＣO2）＝２．５を代入すると式（３）を得ることができる。 From this, equation (2) is transformed into equation (10),
(Equation 10)
(CH2 / CO2) * PH2 * (t + tan) -2 * PO2 * tca> 0 (10)
By substituting (CH2 / CO2) = 2.5, Equation (3) can be obtained.

本実施例において、高分子電解質膜１０の厚さｔは３０［μｍ］、燃料極触媒層１２ａの厚さｔanは５［μｍ］、酸化剤極触媒層１１ａの厚さｔcaは５［μｍ］であるので、これらの値を代入すると、
（数１１）
ＰH2×8.75−ＰO2＞０ （１１）
となる。 In this embodiment, the thickness t of the polymer electrolyte membrane 10 is 30 [μm], the thickness tan of the fuel electrode catalyst layer 12a is 5 [μm], and the thickness tca of the oxidant electrode catalyst layer 11a is 5 [μm]. So, if you substitute these values,
(Equation 11)
PH2 × 8.75−PO2> 0 (11)
It becomes.

このように、燃料極１２の水素分圧ＰH2と酸化剤極１１の酸素分圧ＰO2のみ制御すればよいので、より簡易的に圧力制御を行うことができる。   Thus, since only the hydrogen partial pressure PH2 of the fuel electrode 12 and the oxygen partial pressure PO2 of the oxidant electrode 11 need to be controlled, pressure control can be performed more simply.

さらに、燃料電池スタック１の燃料極１２に燃料ガスを再利用して供給する循環コンプレッサ（リサイクルコンプレッサ２１６）を備えて、コントローラ４０１のガス供給制御手段によって、循環コンプレッサ（リサイクルコンプレッサ２１６）により燃料極１２の水素分圧ＰH2を制御することが可能である。   Further, a circulation compressor (recycle compressor 216) for reusing and supplying fuel gas to the fuel electrode 12 of the fuel cell stack 1 is provided, and the fuel electrode is fed by the circulation compressor (recycle compressor 216) by the gas supply control means of the controller 401. It is possible to control 12 hydrogen partial pressures PH2.

例えば、コントローラ４０１のガス供給制御手段において、燃料極１２の水素分圧ＰH2が式（１１）を満たさなくなった場合、リサイクルコンプレッサ２１６を起動することにより、式（１１）を満たすように燃料極１２の水素分圧ＰH2を上昇させることができる。また、既にシステム内に組み込まれているリサイクルコンプレッサ２１６を使用することで、新たに構成要素を追加することなく、小型で容易な圧力制御が可能となる。   For example, in the gas supply control means of the controller 401, when the hydrogen partial pressure PH2 of the fuel electrode 12 no longer satisfies the formula (11), the fuel electrode 12 is satisfied so as to satisfy the formula (11) by starting the recycle compressor 216. The hydrogen partial pressure PH2 can be increased. In addition, by using the recycle compressor 216 already incorporated in the system, it is possible to perform pressure control in a small and easy manner without adding new components.

次に、本実施例に示す制御を行った場合と行わない場合の結果について図５を用いて説明する。横軸が分圧差、即ち式（１１）の左辺であり、０以下（負の領域）のプロットは本実施例の制御を行っていない場合である。また、縦軸は電圧低下量、即ち所定時間あたりの劣化量である。本実施例による圧力制御を行った場合、つまり横軸の分圧差が０以上（正の領域）となるように制御した場合には、行わない場合（負の領域）と比較して著しく電圧低下が抑えられていることがわかる。   Next, the results with and without the control shown in this example will be described with reference to FIG. The horizontal axis is the partial pressure difference, that is, the left side of Equation (11), and the plot of 0 or less (negative region) is the case where the control of this embodiment is not performed. The vertical axis represents the voltage drop amount, that is, the deterioration amount per predetermined time. When pressure control according to the present embodiment is performed, that is, when control is performed so that the partial pressure difference on the horizontal axis is 0 or more (positive region), the voltage is significantly reduced compared to when it is not performed (negative region). It can be seen that is suppressed.

以上説明したように、本実施例の燃料電池システムでは、高分子電解質膜１０を挟んで配置された燃料極１２および酸化剤極１１を備え、該燃料極１２および酸化剤極１１にそれぞれ供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池スタック１と、燃料極１２に水素を含有する燃料ガスを供給する水素供給系（燃料ガス供給手段）２１と、酸化剤極１１に酸素を含有する酸化剤ガスを供給する空気供給系（酸化剤ガス供給手段）２０と、を備え、コントローラ４０１のガス供給制御手段により、当該燃料電池システムのアイドリング時または開放端電圧保持時に酸化剤極１１と高分子電解質膜１０が接する境界での水素量と酸素量の関係が、水素量−２×酸素量＞０を満たすように、水素供給系（燃料ガス供給手段）２１または空気供給系（酸化剤ガス供給手段）２０による供給量を制御する。   As described above, the fuel cell system according to the present embodiment includes the fuel electrode 12 and the oxidant electrode 11 arranged with the polymer electrolyte membrane 10 interposed therebetween, and is supplied to the fuel electrode 12 and the oxidant electrode 11 respectively. A fuel cell stack 1 that generates electric power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas, a hydrogen supply system (fuel gas supply means) 21 that supplies a fuel gas containing hydrogen to the fuel electrode 12, and an oxidant electrode 11 And an air supply system (oxidant gas supply means) 20 for supplying an oxygen-containing oxidant gas to the fuel cell system by the gas supply control means of the controller 401 when the fuel cell system is idling or when the open-end voltage is maintained. Hydrogen supply system (fuel gas supply) so that the relationship between the hydrogen amount and the oxygen amount at the boundary where the agent electrode 11 and the polymer electrolyte membrane 10 contact each other satisfies the hydrogen amount−2 × oxygen amount> 0. Stage) 21 or air supply system (to control the supply amount of the oxidizing gas supply means) 20.

より具体的には、コントローラ４０１のガス供給制御手段により、燃料電池スタック１の燃料極１２に水素（燃料ガス）を再利用して供給する循環コンプレッサ（リサイクルコンプレッサ２１６）を用いて、燃料極１２の水素分圧ＰH2を制御する。   More specifically, the fuel electrode 12 is used by using a circulation compressor (recycle compressor 216) that recycles hydrogen (fuel gas) to the fuel electrode 12 of the fuel cell stack 1 by the gas supply control means of the controller 401. The hydrogen partial pressure PH2 is controlled.

本実施例の燃料電池システムによれば、燃料極１２より高分子電解質膜１０を透過した水素は、酸化剤極１１から透過してくる酸素と酸化剤極触媒層１１ａ上で反応し、高分子電解質膜１０に到達する酸素量を減少させることが可能となる。高分子電解質膜１０に到達する酸素量が減少することは、燃料極触媒層１２ａに到達する酸素量が減少することであり、燃料極触媒層１２ａでの酸素量減少によって過酸化水素生成が抑制され、結果的に過酸化水素による高分子電解質膜１０へのアタックを抑制することができ、結果として、アイドリング時若しくは開放端電圧時における燃料電池スタック１の高分子電解質膜１０の劣化を抑制できる。   According to the fuel cell system of the present embodiment, the hydrogen that has permeated the polymer electrolyte membrane 10 from the fuel electrode 12 reacts with the oxygen permeated from the oxidant electrode 11 on the oxidant electrode catalyst layer 11a, and the polymer. It is possible to reduce the amount of oxygen reaching the electrolyte membrane 10. The decrease in the amount of oxygen that reaches the polymer electrolyte membrane 10 means that the amount of oxygen that reaches the fuel electrode catalyst layer 12a decreases, and the generation of hydrogen peroxide is suppressed by the decrease in the amount of oxygen in the fuel electrode catalyst layer 12a. As a result, it is possible to suppress the attack on the polymer electrolyte membrane 10 due to hydrogen peroxide, and as a result, it is possible to suppress the deterioration of the polymer electrolyte membrane 10 of the fuel cell stack 1 during idling or open-circuit voltage. .

〔変形例〕
なお、実施例では、コントローラ４０１のガス供給制御手段が水素供給系（燃料ガス供給手段）２１または空気供給系（酸化剤ガス供給手段）２０による供給量を制御する構成として、循環コンプレッサ（リサイクルコンプレッサ２１６）を用いて、燃料極１２の水素分圧ＰH2を制御する構成を示したが、変形例として、空気供給系（酸化剤ガス供給手段）２０に圧力制御弁を備えて、燃料電池スタック１の酸化剤極酸素分圧を酸素分圧センサ２０３によって検出し、コントローラ４０１が酸素分圧センサ２０３の検出値をフィードバックして圧力制御弁の動作を制御することで、燃料電池スタック１の酸化剤極酸素分圧を所望の圧力に制御する構成も考えられる。 [Modification]
In the embodiment, the gas supply control means of the controller 401 controls the supply amount by the hydrogen supply system (fuel gas supply means) 21 or the air supply system (oxidant gas supply means) 20 as a circulating compressor (recycle compressor). 216) is used to control the hydrogen partial pressure PH2 of the fuel electrode 12, but as a modification, the air supply system (oxidant gas supply means) 20 includes a pressure control valve, and the fuel cell stack 1 The oxygen partial pressure of the oxidant is detected by the oxygen partial pressure sensor 203, and the controller 401 feeds back the detected value of the oxygen partial pressure sensor 203 to control the operation of the pressure control valve, whereby the oxidant of the fuel cell stack 1 is controlled. A configuration in which the polar oxygen partial pressure is controlled to a desired pressure is also conceivable.

また、他の変形例として、水素供給系（燃料ガス供給手段）２１に圧力制御弁を備えて、燃料電池スタック１の燃料極極水素分圧を水素分圧センサ２１７によって検出し、コントローラ４０１が水素分圧センサ２１７の検出値をフィードバックして圧力制御弁の動作を制御することで、燃料電池スタック１の燃料極水素分圧を所望の圧力に制御する構成も考えられる。さらに、実施例およびこれら変形例の複合的な構成も考えられる。   As another modification, the hydrogen supply system (fuel gas supply means) 21 is provided with a pressure control valve so that the hydrogen electrode partial pressure of the fuel cell stack 1 is detected by the hydrogen partial pressure sensor 217, and the controller 401 A configuration is also conceivable that controls the operation of the pressure control valve by feeding back the detected value of the partial pressure sensor 217 to control the fuel electrode hydrogen partial pressure of the fuel cell stack 1 to a desired pressure. Further, a composite configuration of the embodiment and these modified examples is also conceivable.

本発明の一実施例に係る燃料電池システムの構成図である。It is a block diagram of the fuel cell system which concerns on one Example of this invention. 固体高分子電解質型燃料電池の単電池（セル）が備えるＭＥＡ（電解質膜電極接合体）の構成を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the structure of MEA (electrolyte membrane electrode assembly) with which the unit cell (cell) of a solid polymer electrolyte fuel cell is provided. 水素および酸素のガス透過係数の温度変化に対する推移を例示する説明図である。It is explanatory drawing which illustrates transition with respect to the temperature change of the gas permeation coefficient of hydrogen and oxygen. 水素および酸素のガス透過係数比の温度変化に対する推移を例示する説明図である。It is explanatory drawing which illustrates transition with respect to the temperature change of the gas permeability coefficient ratio of hydrogen and oxygen. 分圧差に対する電圧低下量の推移を例示する説明図である。It is explanatory drawing which illustrates transition of the voltage fall amount with respect to a partial pressure difference.

符号の説明Explanation of symbols

１ 燃料電池スタック
２ ＭＥＡ（電解質膜電極接合体）
１０ 高分子電解質膜
１１ 酸化剤極
１１ａ 酸化剤極触媒層
１１ｂ 酸化剤極ガス拡散層
１２ 燃料極
１２ａ 燃料極触媒層
１２ｂ 燃料極ガス拡散層
１３ 酸化剤ガス流路
１４ 燃料ガス流路
１５ 酸化剤ガスセパレータ
１６ 燃料ガスセパレータ
２０ 空気供給系（酸化剤ガス供給手段）
２１ 水素供給系（燃料ガス供給手段）
２０１ フィルタ
２０２ コンプレッサ
２０３ 酸素分圧センサ
２１１ 水素ボンベ
２１２ 減圧弁
２１３ 流量コントローラ
２１４，２１５ 三方弁
２１６ リサイクルコンプレッサ（循環コンプレッサ）
２１７ 水素分圧センサ
２３１ 燃焼触媒
３００ 負荷
３０１ バッテリ
３０２ スイッチ
３０３ リレー
３０５ 電流センサ
４０１ コントローラ 1 Fuel cell stack 2 MEA (electrolyte membrane electrode assembly)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Polymer electrolyte membrane 11 Oxidant electrode 11a Oxidant electrode catalyst layer 11b Oxidant electrode gas diffusion layer 12 Fuel electrode 12a Fuel electrode catalyst layer 12b Fuel electrode gas diffusion layer 13 Oxidant gas channel 14 Fuel gas channel 15 Oxidant Gas separator 16 Fuel gas separator 20 Air supply system (oxidant gas supply means)
21 Hydrogen supply system (fuel gas supply means)
201 Filter 202 Compressor 203 Oxygen partial pressure sensor 211 Hydrogen cylinder 212 Pressure reducing valve 213 Flow rate controller 214, 215 Three-way valve 216 Recycle compressor (circulation compressor)
217 Hydrogen partial pressure sensor 231 Combustion catalyst 300 Load 301 Battery 302 Switch 303 Relay 305 Current sensor 401 Controller

Claims (4)

電解質膜を挟んで配置された燃料極および酸化剤極を備え、該燃料極および酸化剤極にそれぞれ供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、
前記燃料極に水素を含有する燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記酸化剤極に酸素を含有する酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
当該燃料電池システムのアイドリング時または開放端電圧保持時に前記酸化剤極と前記電解質膜が接する境界での水素量と酸素量の関係が、
（数１）
水素量−２×酸素量＞０ （１）
を満たすように、前記燃料ガス供給手段または前記酸化剤ガス供給手段による供給量を制御するガス供給制御手段と、
を有することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell comprising a fuel electrode and an oxidant electrode arranged with an electrolyte membrane interposed therebetween, and generating power by an electrochemical reaction of a fuel gas and an oxidant gas respectively supplied to the fuel electrode and the oxidant electrode;
Fuel gas supply means for supplying a fuel gas containing hydrogen to the fuel electrode;
An oxidant gas supply means for supplying an oxidant gas containing oxygen to the oxidant electrode;
The relationship between the amount of hydrogen and the amount of oxygen at the boundary between the oxidizer electrode and the electrolyte membrane when idling or holding an open-ended voltage of the fuel cell system is as follows:
(Equation 1)
Hydrogen amount-2 × oxygen amount> 0 (1)
Gas supply control means for controlling a supply amount by the fuel gas supply means or the oxidant gas supply means so as to satisfy
A fuel cell system comprising: 前記ガス供給制御手段は、燃料極水素分圧をＰH2［ｋＰａ］、酸化剤極酸素分圧をＰO2［ｋＰａ］、電解質膜厚をｔ［ｃｍ］、燃料極触媒層厚をｔan［ｃｍ］、酸化剤極触媒層厚をｔca［ｃｍ］とし、１［ｋＰａ］当たりのガス透過量を酸素についてＣO2［ｍｏｌ・ｃｍ／ｃｍ²／ｓｅｃ／ｋＰａ］、水素についてＣH2［ｍｏｌ・ｃｍ／ｃｍ²／ｓｅｃ／ｋＰａ］とするとき、前記酸化剤極と前記電解質膜が接する境界での水素量と酸素量の関係が、
（数２）
ＰH2×ＣH2×（ｔ＋ｔan）−２×ＰO2×ＣO2 ×ｔca＞０ （２）
を満たすように、前記燃料ガス供給手段または前記酸化剤ガス供給手段によるガス圧を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。 The gas supply control means includes a fuel electrode hydrogen partial pressure PH2 [kPa], an oxidant electrode oxygen partial pressure PO2 [kPa], an electrolyte film thickness t [cm], a fuel electrode catalyst layer thickness tan [cm], The thickness of the oxidant electrode catalyst layer is tca [cm], and the gas permeation amount per 1 [kPa] is CO2 [mol · cm / cm ² / sec / kPa] for oxygen and CH2 [mol · cm / cm ² / sec / kPa], the relationship between the amount of hydrogen and the amount of oxygen at the boundary between the oxidant electrode and the electrolyte membrane is
(Equation 2)
PH2 * CH2 * (t + tan) -2 * PO2 * CO2 * tca> 0 (2)
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein a gas pressure by the fuel gas supply unit or the oxidant gas supply unit is controlled so as to satisfy the condition. 前記ガス供給制御手段は、燃料極水素分圧をＰH2［ｋＰａ］、酸化剤極酸素分圧をＰO2［ｋＰａ］、電解質膜厚をｔ［ｃｍ］、燃料極触媒層厚をｔan［ｃｍ］、酸化剤極触媒層厚をｔca［ｃｍ］とするとき、前記酸化剤極と前記電解質膜が接する境界での水素量と酸素量の関係が、
（数３）
1.25×ＰH2×（ｔ＋ｔan）−ＰO2×ｔca＞０ （３）
を満たすように、前記燃料ガス供給手段または前記酸化剤ガス供給手段によるガス圧を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。 The gas supply control means includes a fuel electrode hydrogen partial pressure PH2 [kPa], an oxidant electrode oxygen partial pressure PO2 [kPa], an electrolyte film thickness t [cm], a fuel electrode catalyst layer thickness tan [cm], When the oxidant electrode catalyst layer thickness is tca [cm], the relationship between the amount of hydrogen and the amount of oxygen at the boundary between the oxidant electrode and the electrolyte membrane is
(Equation 3)
1.25 × PH2 × (t + tan) −PO2 × tca> 0 (3)
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein a gas pressure by the fuel gas supply unit or the oxidant gas supply unit is controlled so as to satisfy the condition. 前記燃料極に燃料ガスを再利用して供給する循環コンプレッサを有し、
前記ガス供給制御手段は、前記循環コンプレッサにより燃料極水素分圧を制御することを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システム。 A circulation compressor for reusing and supplying fuel gas to the fuel electrode;
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein the gas supply control means controls a fuel electrode hydrogen partial pressure by the circulation compressor.

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