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JP7088061B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description

本発明は、燃料ガス欠乏時におけるアノード触媒の劣化を抑制する燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system that suppresses deterioration of the anode catalyst when fuel gas is scarce.

燃料電池は、電気的に接続された2つの電極に燃料ガス(水素ガス)と酸化剤ガス(酸素ガス)の反応ガスを供給し、電気化学的に燃料の酸化を起こさせることで、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。この燃料電池は、通常、電解質膜を一対の電極で挟持した膜電極接合体をセパレータによって挟持した単セルを構成単位とし、この単セルを複数積層してなるセルスタックを備えている。中でも、電解質膜として固体高分子電解質膜を用いた固体高分子電解質型燃料電池は、小型化が容易であること、低い温度で作動すること、などの利点があることから、特に携帯用、移動体用電源として注目されている。 A fuel cell supplies chemical energy by supplying reaction gas of fuel gas (hydrogen gas) and oxidant gas (oxygen gas) to two electrically connected electrodes and electrochemically causing oxidation of the fuel. Is directly converted into electrical energy. This fuel cell usually has a single cell in which a membrane electrode assembly in which an electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrodes is sandwiched by a separator as a constituent unit, and includes a cell stack formed by stacking a plurality of the single cells. Among them, the polymer electrolyte fuel cell using the polymer electrolyte membrane as the electrolyte membrane has advantages such as easy miniaturization and operation at a low temperature, so that it is particularly portable and mobile. It is attracting attention as a power source for the body.

固体高分子電解質型燃料電池において、水素が供給されたアノード(燃料極)では下記(1)式の反応が進行する。
→ 2H + 2e ・・・(1)
In the polymer electrolyte fuel cell, the reaction of the following equation (1) proceeds at the anode (fuel electrode) to which hydrogen is supplied.
H 2 → 2H + + 2e -... ( 1)

上記(1)式で生じる電子は、外部回路を経由し、外部の負荷で仕事をした後、カソード(酸化剤極)に到達する。他方で、上記(1)式で生じたプロトンは、水と水和した状態で、電気浸透により固体高分子電解質膜内をアノード側からカソード側に移動する。 The electrons generated by the above equation (1) pass through an external circuit, work with an external load, and then reach the cathode (oxidizing agent electrode). On the other hand, the protons generated by the above equation (1) move from the anode side to the cathode side in the solid polymer electrolyte membrane by electroosmosis in a state of being hydrated with water.

一方、カソードでは下記(2)式の反応が進行する。
2H + 1/2O + 2e → HO ・・・(2)
On the other hand, at the cathode, the reaction of the following equation (2) proceeds.
2H + 1 / 2O 2 + 2e → H 2 O ・ ・ ・ (2)

従って、電池全体では下記(3)式に示す化学反応が進行し、起電力が生じて外部負荷に対して電気的仕事がなされる。
+ 1/2O → HO ・・・(3)
Therefore, the chemical reaction represented by the following equation (3) proceeds in the entire battery, an electromotive force is generated, and electrical work is performed on the external load.
H 2 + 1 / 2O 2 → H 2 O ・ ・ ・ (3)

このような構成の燃料電池においては、燃料電池の作動中に、供給される燃料ガス(水素)が欠乏した場合、アノードの触媒担体であるカーボン担体の腐食によりプロトンを発生させる反応が進行することがある。このようなカーボン担体の腐食は、カーボン担体に担持されている触媒金属の溶出をも引き起こし、結果として燃料電池の性能低下を低下させてしまう。 In a fuel cell having such a configuration, when the supplied fuel gas (hydrogen) is insufficient during the operation of the fuel cell, the reaction of generating protons proceeds due to the corrosion of the carbon carrier which is the catalyst carrier of the anode. There is. Such corrosion of the carbon carrier also causes elution of the catalytic metal carried on the carbon carrier, and as a result, the performance deterioration of the fuel cell is deteriorated.

このような問題を抑制するために、燃料ガス欠乏時に、電池反応に必要となるプロトン(H)を補うために、アノードにおいて、生成水の電気分解反応を発生させることが提案されている。 In order to suppress such a problem, it has been proposed to generate an electrolysis reaction of produced water at the anode in order to supplement the proton (H + ) required for the battery reaction when the fuel gas is depleted.

具体的には、例えば、特許文献1~3では、アノードに水電解触媒を混合し、さらにはアノードに水を移動させ、燃料欠乏時において、水電解触媒によって生成水の電気分解反応を促進し、カーボン担体の劣化を抑制することが提案されている。 Specifically, for example, in Patent Documents 1 to 3, a water electrolysis catalyst is mixed with the anode, and water is further moved to the anode, and when fuel is scarce, the water electrolysis catalyst promotes the electrolysis reaction of the produced water. , It has been proposed to suppress the deterioration of the carbon carrier.

特開2007-265921号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2007-265921 特開2007-265929号公報JP-A-2007-265929 特開2007-305388号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2007-305388

上記のように、燃料欠乏時における触媒層の劣化を抑制するために触媒層に水電解触媒を添加することが行われていたが、氷点下及び低温時(例えば0℃~15℃)においては水電解触媒の反応活性は低いため、アノード触媒層の劣化を抑制しにくいという問題がある。 As described above, a water electrocatalyst has been added to the catalyst layer in order to suppress deterioration of the catalyst layer when fuel is scarce, but water is used below the freezing point and at low temperatures (for example, 0 ° C to 15 ° C). Since the reaction activity of the electrolytic catalyst is low, there is a problem that it is difficult to suppress the deterioration of the anode catalyst layer.

本発明は、上記実情を鑑みてなされたものであり、低温時においても燃料欠乏によるアノード触媒層におけるカーボン担体の劣化を抑制することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of suppressing deterioration of a carbon carrier in an anode catalyst layer due to fuel deficiency even at low temperatures.

本発明は、以下の手段により上記目的を達成するものである。 The present invention achieves the above object by the following means.

<1>水電解触媒及びカーボン担体を含むアノード触媒層を備えた燃料電池セル、並びに
制御部
を備えている燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記燃料電池セルが燃料欠乏状態にあり、かつ前記燃料電池セルの温度が閾値より低い場合、前記燃料電池セルの温度を閾値より高温に上昇させる、燃料電池システム。
<1> A fuel cell system including a fuel cell having an anode catalyst layer including a water electrolysis catalyst and a carbon carrier, and a fuel cell system including a control unit.
The control unit is a fuel cell system that raises the temperature of the fuel cell to a temperature higher than the threshold when the fuel cell is in a fuel-deficient state and the temperature of the fuel cell is lower than the threshold.

本発明によれば、燃料電池セルが燃料欠乏状態にあり、かつ燃料電池セルの温度が低く、それによって水電解触媒の活性が低いと判定された場合に、燃料電池セルの温度を昇温させて、水電解触媒の活性を向上させることによって、アノードの劣化を防ぐことができる。 According to the present invention, when the fuel cell is in a fuel-deficient state and the temperature of the fuel cell is low, and it is determined that the activity of the water electrolysis catalyst is low, the temperature of the fuel cell is raised. Further, by improving the activity of the water electrolysis catalyst, deterioration of the anode can be prevented.

燃料電池セルの断面図である。It is sectional drawing of the fuel cell. 本発明の燃料電池システムの概略図である。It is a schematic diagram of the fuel cell system of this invention. 燃料が欠乏している燃料電池セルの発電電圧を示す図である。It is a figure which shows the power generation voltage of the fuel cell which is lacking fuel. 水電解触媒を含むアノード触媒の温度とアノード電位の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the temperature of an anode catalyst including a water electrolysis catalyst, and the anode potential. カソードストイキ比とセル電圧の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between a cathode stochastic ratio and a cell voltage. 本発明の燃料電池システムの作用を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the operation of the fuel cell system of this invention.

本発明の燃料電池システムは、
水電解触媒及びカーボン担体を含むアノード触媒層を備えた燃料電池セル、並びに
制御部
を備え、
前記制御部は、前記燃料電池セルが燃料欠乏状態にあり、かつ前記燃料電池セルの温度が閾値より低い場合、前記燃料電池セルの温度を閾値より高温に上昇させる。
The fuel cell system of the present invention is
A fuel cell with an anode catalyst layer containing a water electrocatalyst and a carbon carrier, and a control unit.
When the fuel cell is in a fuel-deficient state and the temperature of the fuel cell is lower than the threshold value, the control unit raises the temperature of the fuel cell to a temperature higher than the threshold value.

燃料電池では、種々の運転状況においてアノードの入り口や出口が閉塞してしまう不具合が発生することがある。一例として、氷点下始動時にアノードの出口部分が凍結し、閉塞するような状態に陥る場合がある。このような場合、電極面内に燃料水素が供給されず、燃料欠乏状態となる。この燃料欠乏状態では、下式(4)
C + 2HO → CO + 4H + 4e ・・・(4)
で表される反応が進行し、アノードにおいて触媒金属を担持しているカーボン担体や拡散層に含まれるカーボンが劣化する。
In a fuel cell, a problem may occur in which the inlet and outlet of the anode are blocked in various operating conditions. As an example, the outlet portion of the anode may freeze at the time of starting below the freezing point, resulting in a state in which the anode is blocked. In such a case, fuel hydrogen is not supplied to the electrode surface, resulting in a fuel deficiency state. In this fuel shortage state, the following equation (4)
C + 2H 2 O → CO 2 + 4H + + 4e -... ( 4)
The reaction represented by (1) proceeds, and the carbon contained in the carbon carrier supporting the catalyst metal and the diffusion layer at the anode deteriorates.

そこで、燃料欠乏対策として、水分解触媒をアノードに配置することが行われていた。このように水電解触媒をアノードに配置することにより、アノードが燃料欠乏状態に陥っても、下式(5)
2HO → O + 4H + 4e ・・・(5)
で表される反応を生じさせることができ、上記式(4)で表される反応を抑制し、アノードの構成材料であるカーボン担体等の劣化を抑制することができる。
Therefore, as a measure against fuel shortage, a water splitting catalyst has been placed at the anode. By arranging the water electrolysis catalyst on the anode in this way, even if the anode falls into a fuel-deficient state, the following equation (5)
2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e -... ( 5)
It is possible to cause the reaction represented by, suppress the reaction represented by the above formula (4), and suppress the deterioration of the carbon carrier and the like which are the constituent materials of the anode.

しかしながら、この水電解触媒は低温においては活性が低く、従って低温において燃料欠乏が発生した際には上記式(5)で表される反応を進行させることができず、上記式(4)で表される反応が進行し、アノードが劣化してしまうことになる。 However, this water electrolysis catalyst has low activity at low temperature, and therefore, when fuel deficiency occurs at low temperature, the reaction represented by the above formula (5) cannot proceed, and is represented by the above formula (4). The reaction will proceed and the anode will deteriorate.

そこで本発明においては、燃料電池セルが燃料欠乏状態にあり、かつ燃料電池セルの温度が閾値より低い場合、燃料電池セルの温度を閾値より高温に上昇させる。 Therefore, in the present invention, when the fuel cell is in a fuel-deficient state and the temperature of the fuel cell is lower than the threshold value, the temperature of the fuel cell is raised to a temperature higher than the threshold value.

燃料電池セルが燃料欠乏状態にある場合には、水電解触媒により上記(5)で表される反応を進行させることが必要であり、そのためには水電解触媒が活性を示すことが必要である。燃料電池セルの温度が、水電解触媒が活性を示すことができる温度よりも低い場合、燃料電池セルの温度を上昇させ、水電解触媒の活性を発揮させ、上記(5)で表される反応を進行させることができる。 When the fuel cell is in a fuel-deficient state, it is necessary to proceed with the reaction represented by the above (5) by using a water electrolysis catalyst, and for that purpose, it is necessary that the water electrolysis catalyst exhibits activity. .. When the temperature of the fuel cell is lower than the temperature at which the water electrolysis catalyst can exhibit activity, the temperature of the fuel cell is raised to exert the activity of the water electrolysis catalyst, and the reaction represented by the above (5) is exhibited. Can be advanced.

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. The present invention is not limited to the following embodiments, and can be variously modified and implemented within the scope of the gist of the present invention.

<燃料電池セルの構成>
図1に、本発明の燃料電池システムに含まれる燃料電池スタックを構成する燃料電池セルの基本構造を示す。燃料電池セル10は、固体高分子材料で形成されたプロトン伝導性の電解質膜11の両面に触媒層12を形成し、さらに触媒層12の両面にガス拡散層13を形成し、それらを一体化してなる膜電極接合体14をセパレータ15によって挟持して構成されている。
<Fuel cell configuration>
FIG. 1 shows the basic structure of a fuel cell constituting a fuel cell stack included in the fuel cell system of the present invention. In the fuel cell 10, catalyst layers 12 are formed on both sides of a proton conductive electrolyte membrane 11 made of a solid polymer material, and gas diffusion layers 13 are further formed on both sides of the catalyst layer 12 to integrate them. The membrane electrode assembly 14 is sandwiched between the separators 15.

セパレータ15は、ステンレス等の導電性材料から構成される。セパレータ15のガス拡散層13側の面には、燃料ガスが流動するための燃料ガス流路、又は酸化剤ガスが流動するための酸化剤ガス流路が形成されている。セパレータ15の厚さは、例えば、0.3mm程度である。 The separator 15 is made of a conductive material such as stainless steel. A fuel gas flow path for the fuel gas to flow or an oxidant gas flow path for the oxidant gas to flow is formed on the surface of the separator 15 on the gas diffusion layer 13 side. The thickness of the separator 15 is, for example, about 0.3 mm.

ガス拡散層13は、燃料ガス又は酸化剤ガスを拡散させるための層であり、カーボンペーパ等の導電性材料から構成される。ガス拡散層13の層厚は、250μm程度である。 The gas diffusion layer 13 is a layer for diffusing a fuel gas or an oxidant gas, and is made of a conductive material such as carbon paper. The layer thickness of the gas diffusion layer 13 is about 250 μm.

触媒層12は、水素のプロトン化を促進する又はプロトンと酸素との反応を促進するためのPt(白金)、Pt合金等の触媒金属を含有する。また、一方の触媒層12(アノード触媒層)は、水の電気分解を促進するための水電解触媒を含有する。水電解触媒としては、Pt、Ru(ルテニウム)、Ir(イリジウム)、Au(金)、Ni(ニッケル)、Ag等の金属、Pt-Ru、Pt-Ir等の合金、RuO、IrO等の金属酸化物等を用いることができる。触媒層12は、例えば、カーボン粒子等のカーボン担体に担持された上記触媒金属に上記水電解触媒が添加され、混錬された構造を有する。 The catalyst layer 12 contains a catalyst metal such as Pt (platinum) or a Pt alloy for promoting the protonation of hydrogen or promoting the reaction between protons and oxygen. Further, one catalyst layer 12 (anode catalyst layer) contains a water electrolysis catalyst for promoting electrolysis of water. Examples of the water electrolytic catalyst include metals such as Pt, Ru (ruthenium), Ir (iridium), Au (gold), Ni (nickel) and Ag, alloys such as Pt-Ru and Pt - Ir, RuO2 , IrO2 and the like. Metal oxides and the like can be used. The catalyst layer 12 has a structure in which the water electrocatalyst is added to the catalyst metal supported on a carbon carrier such as carbon particles and kneaded.

電解質膜11は、例えば、プロトン伝導性を有するパーフルオロスルフォン酸型ポリマーであるナフィオン(登録商標)等の固体高分子電解質からなる。電解質膜11の膜厚は、例えば、10μm~50μm程度である。 The electrolyte membrane 11 is made of, for example, a solid polymer electrolyte such as Nafion (registered trademark), which is a perfluorosulphonic acid type polymer having proton conductivity. The film thickness of the electrolyte membrane 11 is, for example, about 10 μm to 50 μm.

〈燃料電池システムの構成〉
図2は、本発明の一実施例としての燃料電池システム100の概略構成を示す説明図である。
<Fuel cell system configuration>
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system 100 as an embodiment of the present invention.

図2に示す燃料電池システム100は、燃料電池20、及び制御部40を備えている。 The fuel cell system 100 shown in FIG. 2 includes a fuel cell 20 and a control unit 40.

燃料電池20は、燃料電池スタック31、ヒータ32、温度センサ33、及び電圧センサ34を備えている。燃料電池スタック31は、図1に示す燃料電池セル10が複数積層されて締結された構造を有する。ヒータ32は、燃料電池スタック31を覆っており、制御部40の指示に従って、燃料電池スタック31の温度を制御する。 The fuel cell 20 includes a fuel cell stack 31, a heater 32, a temperature sensor 33, and a voltage sensor 34. The fuel cell stack 31 has a structure in which a plurality of fuel cell 10s shown in FIG. 1 are laminated and fastened. The heater 32 covers the fuel cell stack 31 and controls the temperature of the fuel cell stack 31 according to the instructions of the control unit 40.

電圧センサ34は、各燃料電池セル10の発電電圧を検出し、その検出結果を制御部40に与える。温度センサ33は、燃料電池セルから排出される冷却水の温度を検出し、その検出結果を制御部40に与える。制御部40は、この冷却水の温度測定結果に基づき、燃料電池セル10の温度を判定する。 The voltage sensor 34 detects the generated voltage of each fuel cell 10, and gives the detection result to the control unit 40. The temperature sensor 33 detects the temperature of the cooling water discharged from the fuel cell, and gives the detection result to the control unit 40. The control unit 40 determines the temperature of the fuel cell 10 based on the temperature measurement result of the cooling water.

制御部40は、CPU(中央演算処理装置)、ROM(リードオンリメモリ)、RAM(ランダムアクセスメモリ)等から構成される。制御部40は、温度センサ33及び電圧センサ34の検出結果に基づいて、ヒータ32を含む燃料電池システムの各部を制御する。 The control unit 40 is composed of a CPU (central processing unit), a ROM (read-only memory), a RAM (random access memory), and the like. The control unit 40 controls each unit of the fuel cell system including the heater 32 based on the detection results of the temperature sensor 33 and the voltage sensor 34.

〈運転制御処理〉
続いて、制御部40による燃料電池システム100の制御について説明する。まず、制御部40は、燃料電池20に燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されるように、図示していない燃料ガス供給手段及び酸化剤ガス供給手段を制御する。それにより、燃料電池20において発電が行われる。次に、制御部40は、燃料電池20において燃料が欠乏していないか否かを判定する。ここで、燃料が欠乏している燃料電池セル10においては、発電電圧がマイナスになる。図3を参照して詳細を説明する。
<Operation control processing>
Subsequently, the control of the fuel cell system 100 by the control unit 40 will be described. First, the control unit 40 controls a fuel gas supply means and an oxidant gas supply means (not shown) so that the fuel gas and the oxidant gas are supplied to the fuel cell 20. As a result, power is generated in the fuel cell 20. Next, the control unit 40 determines whether or not the fuel cell 20 is deficient in fuel. Here, in the fuel cell 10 in which the fuel is deficient, the generated voltage becomes negative. Details will be described with reference to FIG.

図3は、燃料が欠乏している燃料電池セル10の発電電圧を示す図である。図3の縦軸は燃料電池セル10の発電電圧を示し、図3の横軸は経過時間を示す。図3に示すように、燃料が欠乏すると急激に発電電圧が低下する。その後、発電電圧の低下幅は小さくなる。これは、水電解触媒を介して上記式(5)の反応が起こり、プロトンが継続して電解質膜3に供給されるからである。以上のことから、制御部40は、いずれかの燃料電池セル10の発電電圧が0V以下である場合に、その燃料電池セル10において燃料が欠乏していると判定することができる。 FIG. 3 is a diagram showing a power generation voltage of a fuel cell 10 that is deficient in fuel. The vertical axis of FIG. 3 shows the generated voltage of the fuel cell 10, and the horizontal axis of FIG. 3 shows the elapsed time. As shown in FIG. 3, when the fuel is insufficient, the generated voltage drops sharply. After that, the decrease in the generated voltage becomes smaller. This is because the reaction of the above formula (5) occurs via the water electrolysis catalyst, and the protons are continuously supplied to the electrolyte membrane 3. From the above, the control unit 40 can determine that the fuel cell 10 is deficient in fuel when the generated voltage of any of the fuel cell 10 is 0 V or less.

本発明の具体的な態様においては、燃料が欠乏していると判定された場合、制御部40は、燃料電池セル10の温度が閾値より低いか否かを判定する。この温度は、制御部40が、燃料電池セル10から排出される冷却水の温度を検出する温度センサ33の検出結果に基づいて判定する。 In a specific aspect of the present invention, when it is determined that the fuel is deficient, the control unit 40 determines whether or not the temperature of the fuel cell 10 is lower than the threshold value. This temperature is determined by the control unit 40 based on the detection result of the temperature sensor 33 that detects the temperature of the cooling water discharged from the fuel cell 10.

ここで、燃料電池セル10の温度の閾値について説明する。実車両セルを用い、アノード電位変動試験(0V~上限電位)を、低温における燃料欠乏を模擬する30℃、窒素パージにおいて行ったところ、電位変動試験1200サイクルで出力低下5%以下という耐久要件を満たすアノード上限電位は1.65Vであった。そしてこれ以上高い電位負荷の頻度が多くなると、電極におけるカーボンの酸化劣化が促進され、出力が大幅に低下し、車両走行に不具合が懸念される。 Here, the threshold value of the temperature of the fuel cell 10 will be described. When the anode potential fluctuation test (0V to upper limit potential) was performed in a nitrogen purge at 30 ° C, which simulates fuel deficiency at low temperature, using an actual vehicle cell, the durability requirement that the output decrease was 5% or less in the potential fluctuation test 1200 cycles was satisfied. The maximum anode potential to be satisfied was 1.65V. If the frequency of the higher potential load increases, the oxidative deterioration of carbon in the electrodes is promoted, the output is significantly reduced, and there is a concern that the vehicle may run in a problem.

次に、水電解触媒を含むアノード触媒の温度とアノード電位の関係を説明する。図4に、水電解触媒としてIrRuをメタル目付0.01mg/cmで添加したアノード触媒の電流ホールド試験における温度-アノード電位の関係を示す。水電解触媒は一般に、高温ほど触媒活性が高く、アノード電位を低減することができる。図4は、水電解触媒としてIrRuをメタル目付0.01mg/cmで用いた場合、1.65Vのアノード上限電位以下とするには、セル温度は20℃以下とすることが必要であることを示している。このアノード電位を1.65V以下とする温度を閾値(T1)とする。そしてこの閾値は、アノード触媒層に含有する触媒種、触媒量によってあらかじめ実験的に求めることができる。例えば、水電解触媒としてIrOを用いた場合、この閾値は53℃であった。 Next, the relationship between the temperature of the anode catalyst including the water electrolysis catalyst and the anode potential will be described. FIG. 4 shows the relationship between the temperature and the anode potential in the current hold test of the anode catalyst to which Ir 3 Ru 7 Ox was added as a water electrolysis catalyst at a metal grain of 0.01 mg / cm 2 . Generally, the higher the temperature of a water electrocatalyst, the higher the catalytic activity, and the lower the anode potential. FIG. 4 shows that when Ir 3 Ru 7 Ox is used as a water electrolysis catalyst at a metal basis weight of 0.01 mg / cm 2 , the cell temperature should be 20 ° C. or lower in order to keep the anode upper limit potential of 1.65 V or less. Indicates that is required. The temperature at which the anode potential is 1.65 V or less is set as the threshold value (T1). Then, this threshold value can be experimentally obtained in advance depending on the catalyst type and the amount of catalyst contained in the anode catalyst layer. For example, when IrO x was used as the water electrolysis catalyst, this threshold was 53 ° C.

このように、セル温度―アノード電位の関係から、アノード電位が1.65V以下となるセル温度を算出し、閾値(T1)とする。T1以下のセル温度では、水電解触媒活性が十分ではなく、アノード電位は1.65V以上に上昇し、カーボン担体の酸化が促進され、電池性能(出力)が大幅に低下する懸念がある。そこで、燃料電池セル10の温度が閾値より低いと判定された場合、制御部40は燃料電池セル10の温度を上昇させ、水電解触媒の活性を高める。 In this way, the cell temperature at which the anode potential is 1.65 V or less is calculated from the relationship between the cell temperature and the anode potential, and is set as the threshold value (T1). At a cell temperature of T1 or less, the water electrolysis catalytic activity is not sufficient, the anode potential rises to 1.65 V or more, the oxidation of the carbon carrier is promoted, and there is a concern that the battery performance (output) is significantly reduced. Therefore, when it is determined that the temperature of the fuel cell 10 is lower than the threshold value, the control unit 40 raises the temperature of the fuel cell 10 to increase the activity of the water electrolysis catalyst.

燃料電池セル10の温度を上昇させるには、例えば制御部40からの指示によりヒータ32を作動させ、燃料電池スタック31を加熱する。また、カソードのストイキ比を下げることによっても、燃料電池セル10の温度を上昇させることができる。 To raise the temperature of the fuel cell 10, for example, the heater 32 is operated according to an instruction from the control unit 40 to heat the fuel cell stack 31. Further, the temperature of the fuel cell 10 can also be raised by lowering the stochastic ratio of the cathode.

このカソードストイキ比を下げることにより燃料電池セルの温度を上昇させる方法について説明する。図5に示すように、カソードのストイキ比を下げる、すなわち空気欠乏状態とすると、濃度過電圧が上昇し、IV性能低下に伴いセル電圧は低下する。燃料電池では、発電に使われない過電圧分はすべて熱として放熱されるため、上昇した過電圧分の放熱により、セル温度は上昇する。図5に示す例では、1.0A/cm電流掃引時、カソードストイキ比を2.5から0.8に下げた場合の1秒間、セル1枚あたりの発熱量を計算すると、
ストイキ比2.5のとき:1.0A/cm×250cm×0.3V=75J
ストイキ比0.8のとき:1.0A/cm×250cm×0.5V=125J
従って、ストイキ比を下げたときの発熱効果は、
125/75=1.67(倍)
となり、約1.7倍速くセルを昇温させることが可能になる。
A method of raising the temperature of the fuel cell by lowering the cathode stoichiometric ratio will be described. As shown in FIG. 5, when the cathode ratio is lowered, that is, when the air is deficient, the concentration overvoltage increases and the cell voltage decreases as the IV performance deteriorates. In a fuel cell, all the overvoltage component that is not used for power generation is dissipated as heat, so the cell temperature rises due to the heat dissipation of the increased overvoltage component. In the example shown in FIG. 5, when the cathode stoichiometric ratio is lowered from 2.5 to 0.8 at the time of 1.0 A / cm 2 current sweep, the calorific value per cell is calculated for 1 second.
When the stok ratio is 2.5: 1.0A / cm 2 x 250cm 2 x 0.3V = 75J
When the stochastic ratio is 0.8: 1.0A / cm 2 x 250cm 2 x 0.5V = 125J
Therefore, the heat generation effect when the stoichiometric ratio is lowered is
125/75 = 1.67 (times)
Therefore, it becomes possible to raise the temperature of the cell about 1.7 times faster.

図6は、燃料電池20の発電中における制御部40による燃料電池システム100の制御の一例を示すフローチャートである。制御部40は、所定の周期で図6のフローチャートを実行する。図6に示すように、まず制御部60は、いずれかの燃料電池セル10が燃料欠乏状態にあるか否かを判定する(ステップS1)。この場合、制御部40は、電圧センサ34の検出結果に基づいて、いずれかの燃料電池セル10の発電電圧が0V以下であるか否かによって判定する。 FIG. 6 is a flowchart showing an example of control of the fuel cell system 100 by the control unit 40 during power generation of the fuel cell 20. The control unit 40 executes the flowchart of FIG. 6 at a predetermined cycle. As shown in FIG. 6, first, the control unit 60 determines whether or not any of the fuel cell 10 is in the fuel shortage state (step S1). In this case, the control unit 40 determines whether or not the generated voltage of any of the fuel cell 10 is 0 V or less based on the detection result of the voltage sensor 34.

ステップS1においていずれかの燃料電池セル10において燃料欠乏状態にあると判定された場合、制御部40は、その燃料電池セル10から排出される冷却水の温度が、あらかじめ算出しておいた閾値より低いかを判定する(ステップS2)。この場合、制御部40は、冷却水の温度を検出する温度センサ33の検出結果に基づいて判定する。ステップS2において冷却水の温度が閾値より低いと判定された場合、制御部40は、燃料電池セルの温度が閾値よりも低いと判断し、燃料電池セルの温度を上昇させる(ステップS3)。 When it is determined in step S1 that any of the fuel cell 10 is in a fuel deficient state, the control unit 40 determines that the temperature of the cooling water discharged from the fuel cell 10 is based on a threshold value calculated in advance. It is determined whether it is low (step S2). In this case, the control unit 40 determines based on the detection result of the temperature sensor 33 that detects the temperature of the cooling water. When it is determined in step S2 that the temperature of the cooling water is lower than the threshold value, the control unit 40 determines that the temperature of the fuel cell is lower than the threshold value, and raises the temperature of the fuel cell (step S3).

次に、制御部40は、再び燃料電池セル10から排出される冷却水の温度が、あらかじめ算出しておいた閾値より低いかを判定する(ステップS4)。ステップS4において冷却水の温度が閾値よりも低いと判定された場合、制御部40は、ステップS3の動作から繰り返す。 Next, the control unit 40 determines whether the temperature of the cooling water discharged from the fuel cell 10 is lower than the threshold value calculated in advance (step S4). When it is determined in step S4 that the temperature of the cooling water is lower than the threshold value, the control unit 40 repeats from the operation of step S3.

なお、ステップS1においていずれかの燃料電池セル10が燃料欠乏状態にあると判定されなかった場合、ステップS2において冷却水の温度が閾値より低いと判定されなかった場合、及びステップS4において冷却水の温度が閾値よりも高いと判定された場合、制御部40は、動作を終了する。それにより、燃料電池20は、発電を継続する。ステップS4において冷却水の温度が閾値よりも高いと判定されなかった場合、制御部40は、ステップS3の動作から繰り返す。 If it is not determined in step S1 that any of the fuel cell 10 is in a fuel-deficient state, if it is not determined in step S2 that the temperature of the cooling water is lower than the threshold value, and in step S4, the cooling water is cooled. When it is determined that the temperature is higher than the threshold value, the control unit 40 ends the operation. As a result, the fuel cell 20 continues to generate electricity. If it is not determined in step S4 that the temperature of the cooling water is higher than the threshold value, the control unit 40 repeats from the operation of step S3.

このように、図6のフローチャートに従った制御によって、いずれかの燃料電池セル10において燃料が欠乏しかつ温度が低い場合であっても、水分解触媒の活性を維持しつつ、水の電気分解反応を継続させることができる。それにより、燃料極2の劣化を抑制することができ、燃料電池の性能低下を抑制することができる。 As described above, by the control according to the flowchart of FIG. 6, even when the fuel is deficient and the temperature is low in any of the fuel cell 10, the activity of the water splitting catalyst is maintained and the water is electrolyzed. The reaction can be continued. As a result, deterioration of the fuel electrode 2 can be suppressed, and deterioration of the performance of the fuel cell can be suppressed.

10 単セル
11 電解質膜
12 触媒層
13 ガス拡散層
14 膜電極接合体
15 セパレータ
20 燃料電池
31 セルスタック
32 ヒータ
33 温度センサ
34 電圧センサ
40 制御部
10 Single cell 11 Electrolyte film 12 Catalyst layer 13 Gas diffusion layer 14 Membrane electrode assembly 15 Separator 20 Fuel cell 31 Cell stack 32 Heater 33 Temperature sensor 34 Voltage sensor 40 Control unit

Claims (1)

水電解触媒及びカーボン担体を含むアノード触媒層を備えた燃料電池セル、並びに
制御部
を備えている燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記燃料電池セルが燃料欠乏状態にあり、かつ前記燃料電池セルの温度が、0℃以上であってアノード電位が1.65V以下となる温度である閾値より低い場合、前記燃料電池セルの温度を閾値より高温に上昇させる、燃料電池システム。
A fuel cell with an anode catalyst layer containing a water electrolysis catalyst and a carbon carrier, and a fuel cell system with a control unit.
When the fuel cell is in a fuel-deficient state and the temperature of the fuel cell is 0 ° C. or higher and lower than the threshold value at which the anode potential is 1.65 V or lower, the control unit determines the fuel. A fuel cell system that raises the temperature of a battery cell above the threshold.
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