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JP2006179199A - Fuel cell system - Google Patents

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JP2006179199A
JP2006179199A JP2004368331A JP2004368331A JP2006179199A JP 2006179199 A JP2006179199 A JP 2006179199A JP 2004368331 A JP2004368331 A JP 2004368331A JP 2004368331 A JP2004368331 A JP 2004368331A JP 2006179199 A JP2006179199 A JP 2006179199A
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JP
Japan
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fuel cell
electrolyte membrane
cell system
voltage
resistance value
Prior art date
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Pending
Application number
JP2004368331A
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Japanese (ja)
Inventor
Yoshiki Nagahara
良樹 永原
Yoshitaka Ono
義隆 小野
Ryoichi Shimoi
亮一 下井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
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Publication date
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system in which a humid state of an electrolyte film and a catalyst layer is maintained, in which a dry and wet history is inhibited to be added to the electrolyte film and the catalyst layer, in which deterioration of the electrolyte film and the catalyst layer is little and which is high in durability when a cell voltage is higher than a prescribed one. <P>SOLUTION: When the cell voltage detected by an output voltage detecting means 18 is higher than the prescribed voltage, a control device 22 switches a three-way valve 11 or 13 to a humidifying means 9 or 10 side, supplies a humidified fuel gas or an oxidizer gas to the fuel cell stack 1, and increases the amount of water contained in the electrolyte film and the catalyst layer. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system.

燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。すなわち、燃料電池車両は、高圧水素タンク、液体水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどの水素貯蔵装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。   In a fuel cell, a fuel gas such as hydrogen gas and an oxidizing gas containing oxygen are electrochemically reacted through an electrolyte, and electric energy is directly taken out between electrodes provided on both surfaces of the electrolyte. In particular, a polymer electrolyte fuel cell using a polymer electrolyte has attracted attention as a power source for electric vehicles because of its low operating temperature and easy handling. That is, a fuel cell vehicle is equipped with a hydrogen storage device such as a high-pressure hydrogen tank, a liquid hydrogen tank, or a hydrogen storage alloy tank in the vehicle, and reacts by supplying hydrogen supplied therefrom and air containing oxygen to the fuel cell. This is the ultimate clean vehicle that drives the motor connected to the drive wheels with the electric energy extracted from the fuel cell, and the only exhaust material is water.

ところで、固体高分子電解質膜は、十分に加湿されていないと良好な水素イオン導電性を発揮しないものが多い。このために、固体高分子型燃料電池に供給する水素ガスや空気に加湿する加湿装置を備えているものがある。   By the way, many solid polymer electrolyte membranes do not exhibit good hydrogen ion conductivity unless they are sufficiently humidified. For this purpose, there are some equipped with a humidifier that humidifies hydrogen gas or air supplied to the polymer electrolyte fuel cell.

また、燃料電池システムの運転停止中における固体高分子電解質膜の乾燥を防止するために、空気極への空気供給ライン及び空気極からの空気排出ラインに、燃料電池運転停止時に空気の流通を閉止する開閉弁を設けたものがある(例えば、特許文献1)。
特開2002−216823号公報(第3頁、図1)
Also, in order to prevent the solid polymer electrolyte membrane from being dried during the shutdown of the fuel cell system, the air flow is closed to the air supply line to the air electrode and the air discharge line from the air electrode when the fuel cell operation is stopped. There is one provided with an opening / closing valve (for example, Patent Document 1).
JP 2002-216823 A (page 3, FIG. 1)

しかしながら上記従来技術は、燃料電池システムの運転停止中の電解質膜乾燥防止に対しては有効であると思われるが、燃料電池から最小電力を供給するようなアイドリング時または無負荷時に関しては言及していない。このような低負荷または無負荷時においても、発電に伴い生成される水の量が少ないまたは無いことに加え、電解質膜及び触媒層から流路を流れるガスへの水の拡散等により、電解質膜及び触媒層の乾燥が進行する。よって、燃料電池運転時の負荷変動に伴い電解質膜に乾湿履歴が加わることになり、これにより定格運転時よりも電解質膜の劣化が進行し、燃料電池の寿命が短くなるという問題点があった。   However, the above prior art seems to be effective for preventing the electrolyte membrane from being dried during the shutdown of the fuel cell system, but mentions the idling or no-load time when supplying the minimum power from the fuel cell. Not. Even in such a low load or no load, the amount of water generated with power generation is small or not, and in addition to the diffusion of water from the electrolyte membrane and the catalyst layer to the gas flowing through the flow path, the electrolyte membrane And drying of the catalyst layer proceeds. Therefore, the wet and dry history is added to the electrolyte membrane along with the load fluctuation during the fuel cell operation, which causes the problem that the electrolyte membrane deteriorates more than the rated operation and the life of the fuel cell is shortened. .

上記問題点を解決するために、本発明は、電解質膜の両面に燃料極及び酸化剤極の触媒層とガス拡散電極をそれぞれ配置してなる膜電極接合体を有する単位セルを積層した燃料電池スタックを搭載する燃料電池システムであって、前記単位セルの電圧であるセル電圧が所定電圧よりも高いときに、前記電解質膜及び前記触媒層の含水量を増加させることを要旨とする。   In order to solve the above problems, the present invention provides a fuel cell in which unit cells each having a membrane electrode assembly in which a catalyst layer and a gas diffusion electrode of a fuel electrode and an oxidant electrode are disposed on both surfaces of an electrolyte membrane are laminated. The fuel cell system includes a stack, and the gist is to increase the water content of the electrolyte membrane and the catalyst layer when a cell voltage, which is a voltage of the unit cell, is higher than a predetermined voltage.

本発明によれば、燃料電池スタックのセル電圧が所定電圧よりも高電圧にあるときに、電解質膜及び触媒層の含水量を増加させることにより、高電圧時における電解質膜及び触媒層の湿潤状態を維持し、電解質膜及び触媒層に乾湿履歴が加わるのを防止することができ、電解質膜及び触媒層が乾燥することによる劣化の少ない耐久性の高い燃料電池システムを提供することができるという効果がある。   According to the present invention, when the cell voltage of the fuel cell stack is higher than a predetermined voltage, the moisture content of the electrolyte membrane and the catalyst layer at high voltage is increased by increasing the water content of the electrolyte membrane and the catalyst layer. This prevents the wet and dry history from being applied to the electrolyte membrane and the catalyst layer, and can provide a highly durable fuel cell system that is less deteriorated due to drying of the electrolyte membrane and the catalyst layer. There is.

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図1は、以下に示す各実施例に共通な燃料電池システムの構成例を示すシステム構成図である。図1に示すように、燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を得る固体高分子電解質型の燃料電池スタック1を備えている。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a system configuration diagram showing a configuration example of a fuel cell system common to the embodiments described below. As shown in FIG. 1, the fuel cell system includes a solid polymer electrolyte type fuel cell stack 1 that obtains electric power by utilizing an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen.

燃料電池スタック1には、燃料電池スタック1を構成する各セルの出力電圧を検知する出力電圧検知手段18と、負荷の大きさを検知する負荷検知手段19と、各セルの電解質膜抵抗を検知する電解質膜抵抗検知手段20と、燃料電池スタック温度を検知する温度センサ21を有しており、これらは制御装置22と接続されている。   The fuel cell stack 1 includes an output voltage detection means 18 for detecting the output voltage of each cell constituting the fuel cell stack 1, a load detection means 19 for detecting the size of the load, and an electrolyte membrane resistance of each cell. And a temperature sensor 21 for detecting the fuel cell stack temperature, and these are connected to the control device 22.

電解質膜抵抗検知手段20は、例えば、検知対象のセルの燃料極と酸化剤極との間に交流電圧を印加して、当該セルに流れる交流電流を検知し、この交流電圧と交流電流から電解質膜の抵抗を検知することができる。また、検知対象のセルに、電解質膜抵抗測定用の第3電極を形成して、燃料極と第3電極、或いは酸化剤極と第3電極との間の抵抗を検知してもよい。   The electrolyte membrane resistance detection means 20 applies, for example, an AC voltage between the fuel electrode and the oxidant electrode of the detection target cell, detects an AC current flowing through the cell, and uses the AC voltage and the AC current as an electrolyte. The resistance of the film can be detected. Alternatively, a third electrode for measuring electrolyte membrane resistance may be formed in the detection target cell to detect the resistance between the fuel electrode and the third electrode or between the oxidant electrode and the third electrode.

また燃料電池システムには、燃料電池スタック1の燃料極に水素ガスを供給するための燃料供給配管5と、酸化剤極に空気(酸素)を供給するための酸化剤供給配管7が設置されている。燃料供給配管5には、水素ガスの供給量を調節するための燃料供給量調節弁3が設けられている。酸化剤供給配管7には、空気を供給するための酸化剤ブロアー4が設けられている。   The fuel cell system is provided with a fuel supply pipe 5 for supplying hydrogen gas to the fuel electrode of the fuel cell stack 1 and an oxidant supply pipe 7 for supplying air (oxygen) to the oxidant electrode. Yes. The fuel supply pipe 5 is provided with a fuel supply amount adjustment valve 3 for adjusting the supply amount of hydrogen gas. The oxidant supply pipe 7 is provided with an oxidant blower 4 for supplying air.

発電時の電気化学反応を進行させるためには、燃料電池スタック内の電解質膜を湿潤に保つ必要がある。水分の供給が必要とされる際には、例えば三方弁11を切り替えて、燃料タンク2から供給される水素ガスを燃料バイパス通路12、燃料加湿手段9を経由させることで加湿した水素ガスを燃料電池スタック1に供給できる。酸化剤側についても、酸化剤ブロアー4から供給される空気を三方弁13で切り替えて酸化剤バイパス通路14、酸化剤加湿手段10を経由させることにより、加湿した空気を燃料電池スタック1に供給できる。   In order to advance the electrochemical reaction during power generation, it is necessary to keep the electrolyte membrane in the fuel cell stack moist. When the supply of moisture is required, for example, the three-way valve 11 is switched, and the hydrogen gas supplied from the fuel tank 2 is passed through the fuel bypass passage 12 and the fuel humidifying means 9 to supply the humidified hydrogen gas to the fuel. It can be supplied to the battery stack 1. Also on the oxidant side, the air supplied from the oxidant blower 4 is switched by the three-way valve 13 and passed through the oxidant bypass passage 14 and the oxidant humidification means 10, whereby the humidified air can be supplied to the fuel cell stack 1. .

なお、燃料電池システムにおける加湿は、発電に伴う生成水を酸化剤排気配管8に設けた図示しない凝縮器で回収し、この回収した水を燃料加湿手段9または酸化剤加湿手段10へ供給することによって行なっても良い。   In addition, humidification in the fuel cell system is performed by collecting generated water accompanying power generation with a condenser (not shown) provided in the oxidant exhaust pipe 8 and supplying the collected water to the fuel humidification unit 9 or the oxidant humidification unit 10. May be performed.

さらに、燃料電池スタック1の内部の冷却水通路に多孔質部材を設け、この多孔質部材を介して燃料電池スタック内部のガス或いは電解質膜やガス拡散層に加湿することもできる。   Furthermore, a porous member can be provided in the cooling water passage inside the fuel cell stack 1, and the gas, the electrolyte membrane, or the gas diffusion layer inside the fuel cell stack can be humidified via the porous member.

燃料電池スタック1は、発電時に発熱を伴う。このため燃料電池システムには、燃料電池スタック1を冷却して温度を電気化学反応の進行に適した温度(80℃程度)とするための冷却システム15〜17を有する。この冷却システムは、燃料電池スタック1に冷却水を循環させるための冷却水経路17、冷却水を循環させるための冷却水ポンプ16及び冷却水を貯蔵する冷却水タンク15から構成される。   The fuel cell stack 1 generates heat during power generation. For this reason, the fuel cell system has cooling systems 15 to 17 for cooling the fuel cell stack 1 so that the temperature is suitable for the progress of the electrochemical reaction (about 80 ° C.). This cooling system includes a cooling water path 17 for circulating cooling water through the fuel cell stack 1, a cooling water pump 16 for circulating cooling water, and a cooling water tank 15 for storing cooling water.

以下、図1に示した燃料電池システムを例に本発明の実施例を説明する。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described taking the fuel cell system shown in FIG. 1 as an example.

本発明の実施例1に係る燃料電池システムは、セル電圧が所定電圧よりも高電圧にあるときに、燃料極及び酸化剤極の少なくとも一方の電極に高加湿ガスを供給することで、電解質膜及び触媒層の乾燥による劣化を回避するものである。   The fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention provides an electrolyte membrane by supplying a highly humidified gas to at least one of the fuel electrode and the oxidant electrode when the cell voltage is higher than a predetermined voltage. In addition, deterioration due to drying of the catalyst layer is avoided.

図2は、本発明の実施例1に係る燃料電池システムの制御法を示すタイミングチャートである。図2において、時刻t1から燃料電池の負荷の低下が始まり、これに伴って、燃料電池スタックの電圧及び各セル電圧が上昇する。そして、時刻t2において、セル電圧が所定電圧V1に達したとする。   FIG. 2 is a timing chart showing a control method of the fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention. In FIG. 2, the load of the fuel cell starts to decrease from time t1, and accordingly, the voltage of the fuel cell stack and each cell voltage increase. Then, it is assumed that the cell voltage reaches the predetermined voltage V1 at time t2.

燃料電池スタック1のセル電圧が所定電圧より高電圧であるとき、発電に伴う水の生成量が少ないこと、電解質膜から流路内ガスへの蒸発による水の拡散等により電解質膜及び触媒層の乾燥が進行する。   When the cell voltage of the fuel cell stack 1 is higher than a predetermined voltage, the generation amount of water accompanying power generation is small, the diffusion of water due to evaporation from the electrolyte membrane to the gas in the flow path, and the like. Drying proceeds.

本実施例においては、出力電圧検知手段18により検知された燃料電池セル電圧が時刻t2において、高電圧V1となったときに、制御装置22により三方弁11または13の少なくとも一方を加湿手段(9または10)側へ切り替えて、少なくとも一方の電極に水または高加湿ガスの少なくとも一方を導入することにより、上記電解質膜及び触媒層の含水量を増加させ、乾燥を抑制する。なお、前記高電圧V1とは、発電に伴う生成水の量が少なく電解質膜の乾燥が大きくなる0.85[V]以上であることが望ましい。   In this embodiment, when the fuel cell voltage detected by the output voltage detection means 18 becomes the high voltage V1 at time t2, the control device 22 causes at least one of the three-way valve 11 or 13 to be humidified means (9 Alternatively, by switching to the 10) side and introducing at least one of water or a highly humidified gas into at least one of the electrodes, the water content of the electrolyte membrane and the catalyst layer is increased and drying is suppressed. The high voltage V1 is preferably 0.85 [V] or more, in which the amount of generated water accompanying power generation is small and drying of the electrolyte membrane is large.

図12は、実施例1の制御装置22による制御フローチャートである。このフローチャートは、所定時間毎(例えば、100[ms])に呼び出されて、制御装置22により実行されるものとする。   FIG. 12 is a control flowchart of the control device 22 according to the first embodiment. This flowchart is called at predetermined time intervals (for example, 100 [ms]) and executed by the control device 22.

まず、ステップ(以下、ステップをSと略す)10において、出力電圧検知手段18により燃料電池スタック1の各セル電圧を検出する。次いで、S12において、セル電圧の代表値(例えば、平均値、最頻値、中央値)が0.85[V]以上であるか否かを判定する。S12の判定で、セル電圧が0.85[V]以上であれば、S14へ進み、電解質膜及び触媒層の含水量増加処理を行う。この含水量増加処理は、制御装置22により三方弁11または13の少なくとも一方を加湿手段(9または10)側へ切り替えて、少なくとも一方の電極に水または高加湿ガスの少なくとも一方を導入することである。   First, in step (hereinafter, step is abbreviated as S) 10, each cell voltage of the fuel cell stack 1 is detected by the output voltage detection means 18. Next, in S12, it is determined whether or not the representative value (for example, average value, mode value, and median value) of the cell voltage is 0.85 [V] or more. If it is determined in S12 that the cell voltage is 0.85 [V] or more, the process proceeds to S14, and the water content increasing process of the electrolyte membrane and the catalyst layer is performed. This moisture content increasing process is performed by switching at least one of the three-way valve 11 or 13 to the humidifying means (9 or 10) side by the control device 22 and introducing at least one of water or a highly humidified gas into at least one electrode. is there.

S12の判定で、セル電圧が0.85[V]未満であれば、S16へ進み、通常の運転、即ち、三方弁11及び13は、それぞれ燃料供給配管5,酸化剤供給配管7を選択し、加湿しない燃料ガス及び酸化剤ガスが燃料電池スタック1に供給されている状態で、燃料電池システムの運転を行う。   If it is determined in S12 that the cell voltage is less than 0.85 [V], the process proceeds to S16, and the normal operation, that is, the three-way valves 11 and 13 select the fuel supply pipe 5 and the oxidant supply pipe 7, respectively. The fuel cell system is operated in a state where the fuel gas and the oxidant gas that are not humidified are supplied to the fuel cell stack 1.

本実施例によれば、発電に伴う生成水の量が少ない0.85[V]以上のセル電圧において電解質膜及び触媒層の含水量を増加させることにより、0.85[V]より高電圧時に進行する電解質膜及び触媒層の乾燥を抑制し、電解質膜及び触媒層に乾湿履歴が加わるのを防止することが可能となる。   According to this example, by increasing the water content of the electrolyte membrane and the catalyst layer at a cell voltage of 0.85 [V] or more with a small amount of generated water accompanying power generation, the voltage is higher than 0.85 [V]. It is possible to suppress the drying of the electrolyte membrane and the catalyst layer that sometimes progress, and to prevent the wet and dry history from being applied to the electrolyte membrane and the catalyst layer.

図3は、本発明の実施例1の変形例に係る燃料電池システムの制御法を示すタイミングチャートである。本変形例は、実施例1に示した燃料電池システムの制御方法に関して、水または高加湿ガスの少なくとも一方の供給を燃料極のみに対し行なうものである。   FIG. 3 is a timing chart showing a control method of the fuel cell system according to a modification of the first embodiment of the present invention. In this modification, with respect to the control method of the fuel cell system shown in the first embodiment, at least one of water and highly humidified gas is supplied only to the fuel electrode.

図3において、時刻t1から燃料電池の負荷の低下が始まり、これに伴って、燃料電池スタックの電圧及び各セル電圧が上昇する。そして、時刻t2において、出力電圧検知手段18により検知された燃料電池セル電圧が高電圧V1となったとする。セル電圧が高電圧V1に達したことを制御装置22が認識すると、三方弁11を燃料加湿手段9側へ切り替え、水または高加湿ガスの少なくとも一方の供給を燃料極のみに対し行なうことによって、電解質膜及び触媒層の含水量を増加させ、乾燥を抑制することができる。また同時に、発電再開時における酸化剤極でのフラッディングを抑制することができる。   In FIG. 3, the load of the fuel cell starts to decrease from time t1, and accordingly, the voltage of the fuel cell stack and each cell voltage increase. Then, it is assumed that the fuel cell voltage detected by the output voltage detector 18 becomes the high voltage V1 at time t2. When the control device 22 recognizes that the cell voltage has reached the high voltage V1, the three-way valve 11 is switched to the fuel humidifying means 9 side, and at least one of water or highly humidified gas is supplied only to the fuel electrode, The water content of the electrolyte membrane and the catalyst layer can be increased, and drying can be suppressed. At the same time, flooding at the oxidizer electrode when power generation is resumed can be suppressed.

本発明の実施例2に係る燃料電池システムは、燃料電池スタックから取り出す電力(または電流)が最小であるようなアイドリング時又は無負荷時において、少なくとも一方の電極に高加湿ガスを供給することで、電解質膜及び触媒層の乾燥による劣化を回避するものである。   The fuel cell system according to Embodiment 2 of the present invention supplies a highly humidified gas to at least one of the electrodes during idling or no load when the power (or current) extracted from the fuel cell stack is minimum. In addition, deterioration due to drying of the electrolyte membrane and the catalyst layer is avoided.

図4は、本発明の実施例2に係る燃料電池システムの制御法を示すタイミングチャートである。図4において、時刻t1から燃料電池の負荷の低下が始まり、これに伴って、燃料電池スタックの電圧及び各セル電圧が上昇する。そして、時刻t2において、負荷検知手段19により検知された燃料電池負荷が、最小負荷電流I1に達したとする。   FIG. 4 is a timing chart showing a control method of the fuel cell system according to Embodiment 2 of the present invention. In FIG. 4, the load of the fuel cell starts to decrease from time t1, and accordingly, the voltage of the fuel cell stack and each cell voltage increase. Then, it is assumed that the fuel cell load detected by the load detection means 19 reaches the minimum load current I1 at time t2.

燃料電池スタックから取り出す電力(または電流)が最小であるようなアイドリング時又は無負荷時においては、発電に伴う水の生成量が少ないこと、電解質膜から流路内ガスへの蒸発による水の拡散等により電解質膜及び触媒層の乾燥が進行する。   During idling or no load when the power (or current) extracted from the fuel cell stack is minimal, the amount of water generated during power generation is small, and water is diffused by evaporation from the electrolyte membrane to the gas in the flow path. Etc., the drying of the electrolyte membrane and the catalyst layer proceeds.

本実施例においては、負荷検知手段19により検知された燃料電池負荷が、最小負荷電流I1となったときにアイドリング状態にあると判断し、制御装置22により三方弁11または13の少なくとも一方を加湿手段(9または10)側へ切り替えて、少なくとも一方の電極に水または高加湿ガスの少なくとも一方を導入することにより、上記電解質膜及び触媒層の含水量を増加させ、乾燥を抑制する。なお、最小負荷電流I1は10[A]以内であることが望ましい。   In this embodiment, it is determined that the fuel cell load detected by the load detection means 19 is in an idling state when the load current I1 reaches the minimum load current I1, and at least one of the three-way valve 11 or 13 is humidified by the control device 22. By switching to the means (9 or 10) side and introducing at least one of water or a highly humidified gas into at least one of the electrodes, the water content of the electrolyte membrane and the catalyst layer is increased and drying is suppressed. The minimum load current I1 is preferably within 10 [A].

図12は、実施例2の制御装置22による制御フローチャートである。このフローチャートは、所定時間毎(例えば、100[ms])に呼び出されて、制御装置22により実行されるものとする。   FIG. 12 is a control flowchart of the control device 22 according to the second embodiment. This flowchart is called at predetermined time intervals (for example, 100 [ms]) and executed by the control device 22.

まず、ステップ(以下、ステップをSと略す)20において、燃料電池の運転状態が検出される。本実施例では、燃料電池の運転状態として、負荷検知手段19により燃料電池スタック1の負荷電流を検知する。   First, in step (hereinafter, step is abbreviated as S) 20, the operating state of the fuel cell is detected. In the present embodiment, the load current of the fuel cell stack 1 is detected by the load detection means 19 as the operating state of the fuel cell.

次いで、S22において、燃料電池の運転状態が、電解質膜及び触媒層の含水量増加が必要な状態か否かを判定する。本実施例では、燃料電池スタックの負荷電流が最小値I1以下か否かを判定する。   Next, in S22, it is determined whether or not the operating state of the fuel cell is in a state where it is necessary to increase the water content of the electrolyte membrane and the catalyst layer. In this embodiment, it is determined whether or not the load current of the fuel cell stack is equal to or less than the minimum value I1.

S22の判定で、負荷電流が最小値I1以下であれば、S24へ進み、電解質膜及び触媒層の含水量増加処理を行う。この含水量増加処理は、制御装置22により三方弁11または13の少なくとも一方を加湿手段(9または10)側へ切り替えて、少なくとも一方の電極に水または高加湿ガスの少なくとも一方を導入することである。   If it is determined in S22 that the load current is equal to or less than the minimum value I1, the process proceeds to S24, and the water content increase processing of the electrolyte membrane and the catalyst layer is performed. This moisture content increasing process is performed by switching at least one of the three-way valve 11 or 13 to the humidifying means (9 or 10) side by the control device 22 and introducing at least one of water or a highly humidified gas into at least one electrode. is there.

S22の判定で、負荷電流が最小値I1を超えていれば、S26へ進み、通常の運転、即ち、三方弁11及び13は、それぞれ燃料供給配管5,酸化剤供給配管7を選択し、加湿しない燃料ガス及び酸化剤ガスが燃料電池スタック1に供給されている状態で、燃料電池システムの運転を行う。   If it is determined in S22 that the load current exceeds the minimum value I1, the process proceeds to S26, and the normal operation, that is, the three-way valves 11 and 13 select the fuel supply pipe 5 and the oxidant supply pipe 7, respectively, and humidify them. The fuel cell system is operated in a state where the fuel gas and the oxidant gas that are not supplied are supplied to the fuel cell stack 1.

図5は、本発明の実施例3に係る燃料電池システムの制御法を示すタイミングチャートである。図5において、時刻t1から燃料電池の負荷の低下が始まり、これに伴って、燃料電池スタックの電圧及び各セル電圧が上昇する。そして、時刻t2において、セル電圧が所定電圧V1に達し、時刻t2から時刻t3までの時間T1の間、セル電圧が高電圧の状態が継続したとする。   FIG. 5 is a timing chart showing a control method of the fuel cell system according to Embodiment 3 of the present invention. In FIG. 5, the load of the fuel cell starts to decrease from time t1, and accordingly, the voltage of the fuel cell stack and the voltage of each cell increase. Then, it is assumed that at time t2, the cell voltage reaches the predetermined voltage V1, and the state where the cell voltage is at a high voltage continues for a time T1 from time t2 to time t3.

燃料電池スタックのセル電圧が高電圧に保持された状態が長く続くとき、時間の経過に伴い電解質膜及び触媒層の乾燥が進行する。本実施例においては、出力電圧検知手段18により検知された燃料電池セル電圧が高電圧V1である状態が所定時間T1を経過したときに、制御装置22により三方弁11または13の少なくとも一方を加湿手段(9または10)側へ切り替え、少なくとも一方の電極に水または高加湿ガスの少なくとも一方を導入することにより、上記電解質膜及び触媒層の含水量を増加させ、乾燥を抑制する。   When the state in which the cell voltage of the fuel cell stack is maintained at a high voltage continues for a long time, the drying of the electrolyte membrane and the catalyst layer proceeds with time. In the present embodiment, when the fuel cell voltage detected by the output voltage detection means 18 is at the high voltage V1, when the predetermined time T1 has elapsed, at least one of the three-way valve 11 or 13 is humidified by the control device 22. By switching to the means (9 or 10) side and introducing at least one of water or a highly humidified gas into at least one of the electrodes, the water content of the electrolyte membrane and the catalyst layer is increased and drying is suppressed.

本実施例における制御装置22の制御フローチャートは、図13に示した実施例2の制御フローチャートと同様である。但し、S20で検出される燃料電池の運転状態は、セル電圧が高電圧状態を継続することであり、S22における含水量増加処理が必要な状態か否かの判定は、セル電圧の高電圧が所定時間T1継続したか否かである。この所定時間T1は、例えば、燃料電池システムの実機によりセル電圧が0.85[V]の状態がどれだけの時間継続すると、燃料電池スタック1に劣化を及ぼすかを調査した結果に基づいて、設定される値とする。   The control flowchart of the control device 22 in the present embodiment is the same as the control flowchart of the second embodiment shown in FIG. However, the operating state of the fuel cell detected in S20 is that the cell voltage continues to be in a high voltage state, and whether or not the water content increasing process in S22 is necessary is determined by whether the high voltage of the cell voltage is It is whether or not the predetermined time T1 is continued. This predetermined time T1 is, for example, based on a result of investigating how long the state of the cell voltage of 0.85 [V] continues due to the actual device of the fuel cell system and causes deterioration on the fuel cell stack 1, The value to be set.

固体高分子型燃料電池における電解質膜抵抗と電解質膜の乾燥状態との間には相関関係があり、電解質膜抵抗を検知することで電解質膜の乾燥状態(湿潤状態)を間接的に精度良く検知することができる。   There is a correlation between the electrolyte membrane resistance and the dry state of the electrolyte membrane in a polymer electrolyte fuel cell, and the dry state (wet state) of the electrolyte membrane is indirectly accurately detected by detecting the electrolyte membrane resistance. can do.

図6は、本発明の実施例4に係る燃料電池システムの制御法を示すタイミングチャートである。図6において、時刻t1から燃料電池の負荷の低下が始まり、これに伴って、燃料電池スタックの電解質膜の抵抗値が上昇する。そして、時刻t2において、電解質膜抵抗検知手段20により検知された電解質膜抵抗値が所定値以上になったとする。   FIG. 6 is a timing chart showing a control method of the fuel cell system according to Embodiment 4 of the present invention. In FIG. 6, the load of the fuel cell starts decreasing from time t1, and accompanying this, the resistance value of the electrolyte membrane of the fuel cell stack increases. At time t2, it is assumed that the electrolyte membrane resistance value detected by the electrolyte membrane resistance detection means 20 becomes a predetermined value or more.

本実施例においては、電解質膜抵抗が所定値以上となったときに、制御装置22は電解質膜が乾燥状態にあると判断し、三方弁11または13の少なくとも一方を加湿手段(9または10)側へ切り替え、少なくとも一方の電極に水または高加湿ガスの少なくとも一方を導入することにより、上記電解質膜及び触媒層の含水量を増加させ、乾燥を抑制する。   In this embodiment, when the electrolyte membrane resistance becomes equal to or greater than a predetermined value, the control device 22 determines that the electrolyte membrane is in a dry state, and at least one of the three-way valve 11 or 13 is humidified (9 or 10). By switching to the side and introducing at least one of water or a highly humidified gas into at least one of the electrodes, the water content of the electrolyte membrane and the catalyst layer is increased and drying is suppressed.

本実施例における制御装置22の制御フローチャートは、図13に示した実施例2の制御フローチャートと同様である。但し、S20で検出される燃料電池の運転状態は、電解質膜の抵抗であり、S22における含水量増加処理が必要な状態か否かの判定は、電解質膜抵抗値が所定値以上となったか否かである。この所定値は、例えば、燃料電池システムの実機により電解質膜抵抗値と、燃料電池スタック1の劣化との関係を調査した結果に基づいて、設定される値とする。   The control flowchart of the control device 22 in the present embodiment is the same as the control flowchart of the second embodiment shown in FIG. However, the operating state of the fuel cell detected in S20 is the resistance of the electrolyte membrane, and whether or not the water content increasing process is necessary in S22 is determined whether or not the electrolyte membrane resistance value is equal to or higher than a predetermined value. It is. The predetermined value is set based on, for example, a result of investigating the relationship between the electrolyte membrane resistance value and the deterioration of the fuel cell stack 1 using an actual fuel cell system.

図7及び図8は、本発明の実施例5に係る燃料電池システムの制御法を示すタイミングチャートである。燃料電池セル電圧が高電圧の状態において、電解質膜抵抗検知手段20により電解質膜抵抗を検知する。このときの抵抗値と所定値との差から電解質膜の乾燥状態を検知するが、乾燥度に応じた効果的な水分供給を行なうために所定値として、第1の所定値R1とこれより大きな所定値R2を設定する。   7 and 8 are timing charts showing a control method of the fuel cell system according to Embodiment 5 of the present invention. When the fuel cell voltage is high, the electrolyte membrane resistance is detected by the electrolyte membrane resistance detector 20. The dry state of the electrolyte membrane is detected from the difference between the resistance value and the predetermined value at this time, but the first predetermined value R1 and larger than this are used as the predetermined value in order to effectively supply water according to the dryness. A predetermined value R2 is set.

図7及び図8の時刻t1から時刻t2までの期間、電解質膜抵抗検知手段20により検知された抵抗値RがR1≦R≦R2にあるときには、三方弁11または13の少なくとも一方を加湿手段(9または10)側へ切り替え、少なくとも一方の電極に高加湿ガスを導入する。それでも乾燥が進行し、時刻t3において、電解質膜抵抗検知手段20により検知された抵抗値RがR2を超えたとする。検知された抵抗値RがR2<Rにあるときには乾燥の進行が大きいため、水と高加湿ガスを同時に供給することで迅速な水分供給を行なう。さらに前記のいずれの場合においても、水分の供給は電解質膜抵抗が所定範囲内となるまで行なうことにより、電解質膜及び触媒層の含水量を制御し、効果的に乾燥を抑制することができる。この水分の供給は、例えば、燃料加湿手段9または酸化剤加湿手段10における加湿後のガスに更に水を噴霧して燃料電池スタック1へ水を供給するものとする。   When the resistance value R detected by the electrolyte membrane resistance detection means 20 is R1 ≦ R ≦ R2 during the period from time t1 to time t2 in FIGS. 7 and 8, at least one of the three-way valves 11 or 13 is humidified ( Switch to the 9 or 10) side and introduce a highly humidified gas into at least one of the electrodes. Still, drying proceeds, and it is assumed that the resistance value R detected by the electrolyte membrane resistance detection means 20 exceeds R2 at time t3. Since the progress of drying is large when the detected resistance value R is R2 <R, rapid water supply is performed by supplying water and a highly humidified gas simultaneously. Furthermore, in any of the above cases, the moisture is supplied until the electrolyte membrane resistance falls within a predetermined range, thereby controlling the water content of the electrolyte membrane and the catalyst layer and effectively suppressing drying. For example, the water is supplied to the fuel cell stack 1 by further spraying water onto the gas after humidification in the fuel humidifying means 9 or the oxidant humidifying means 10.

図9は、本発明の実施例6に係る燃料電池システムの制御法を示すタイミングチャートである。燃料電池セル電圧が高電圧の状態において、電解質膜抵抗検知手段20により検知された電解質膜抵抗値から乾燥状態を判断して水分の供給を行なう際に、場合によっては水分が過剰に供給されてしまう可能性が考えられる。電解質膜の含水量が多くなりすぎると、発電再開時にフラッディングが起こりやすくなり、システムの著しい性能低下につながる。   FIG. 9 is a timing chart showing a control method of the fuel cell system according to Embodiment 6 of the present invention. In the state where the fuel cell voltage is high, when moisture is supplied by judging the dry state from the electrolyte membrane resistance value detected by the electrolyte membrane resistance detecting means 20, in some cases, excessive moisture is supplied. There is a possibility that it will end. If the water content of the electrolyte membrane is too high, flooding is likely to occur when power generation is resumed, leading to a significant performance degradation of the system.

本実施例においては、実施例5に示した所定抵抗値R1,R2に加えて、電解質膜が適正な湿潤状態を保つための最低抵抗値R3を設け、水分の供給により電解質膜抵抗値がR<R3となった場合には、少なくとも水分供給の際に用いたガスより低湿度のガスを少なくとも一方の電極に供給して過剰な水分を除去し、電解質膜抵抗RをR3≦R≦R1の範囲内に制御する。これにより、電解質膜及び触媒層の含水量を維持し、同時に発電再開時のフラッディングを抑制することが可能となる。   In the present embodiment, in addition to the predetermined resistance values R1 and R2 shown in the fifth embodiment, a minimum resistance value R3 for keeping the electrolyte membrane in an appropriate wet state is provided. When <R3, at least one gas having a humidity lower than that used for supplying moisture is supplied to at least one electrode to remove excess moisture, and the electrolyte membrane resistance R is set to R3 ≦ R ≦ R1. Control within range. As a result, the water content of the electrolyte membrane and the catalyst layer can be maintained, and at the same time, flooding when power generation is resumed can be suppressed.

本実施例7に係る燃料電池システムは、セル電圧が高電圧にあるときに冷却水流量を制御することによりスタック温度を下げ、該スタックガス流路内の残存ガスへの電解質膜からの水の蒸発量を低下させ、電解質膜及び触媒層の乾燥を抑制するものである。   The fuel cell system according to the seventh embodiment lowers the stack temperature by controlling the flow rate of the cooling water when the cell voltage is high, and the water from the electrolyte membrane to the remaining gas in the stack gas flow path. The amount of evaporation is reduced, and drying of the electrolyte membrane and the catalyst layer is suppressed.

図10は、本発明の実施例7に係る燃料電池システムの制御法を示すタイミングチャートである。燃料電池セル電圧が高電圧の状態において、燃費効率を上げるためにガスを流さない場合には、水の生成が無いこと、電解質膜から流路残留ガスへの水の拡散等により電解質膜の乾燥が進行する。   FIG. 10 is a timing chart showing a control method of the fuel cell system according to Embodiment 7 of the present invention. When the fuel cell voltage is high and the gas is not flowed in order to improve fuel efficiency, the electrolyte membrane is dried due to the absence of water generation and the diffusion of water from the electrolyte membrane to the residual gas in the flow path. Progresses.

本実施例においては、冷却水ポンプ16によって冷却水の流量を増加することにより燃料電池スタック1の温度を下げることで露点を降下させ、電解質膜及び触媒層からの水の蒸発を抑制し乾燥を防ぐことができる。   In the present embodiment, the dew point is lowered by increasing the flow rate of the cooling water by the cooling water pump 16 to lower the temperature of the fuel cell stack 1, and the evaporation of water from the electrolyte membrane and the catalyst layer is suppressed and drying is performed. Can be prevented.

図11は、本発明の実施例8に係る燃料電池システムの制御法を示すタイミングチャートである。電解質膜抵抗と電解質膜の乾燥状態との間には相関関係があるため、電解質膜抵抗検知手段20により電解質膜抵抗を検知することで電解質膜の乾燥状態(湿潤状態)を間接的に精度良く検知することができる。   FIG. 11 is a timing chart showing a control method of the fuel cell system according to Embodiment 8 of the present invention. Since there is a correlation between the electrolyte membrane resistance and the dry state of the electrolyte membrane, the dry state (wet state) of the electrolyte membrane is indirectly accurately detected by detecting the electrolyte membrane resistance by the electrolyte membrane resistance detecting means 20. Can be detected.

本実施例においては、電解質膜抵抗が所定値より大きくなったときに、電解質膜が乾燥状態にあると判断し、冷却水の流量を増加することにより燃料電池スタック1の温度を下げ、電解質膜抵抗値が所定の範囲内となるように制御することで燃料電池スタックの過剰冷却を防止して、これに伴うシステム効率の低下を抑制し、さらに発電再開時のフラッディングを防止することもできる。   In this embodiment, when the electrolyte membrane resistance becomes larger than a predetermined value, it is determined that the electrolyte membrane is in a dry state, and the temperature of the fuel cell stack 1 is lowered by increasing the flow rate of the cooling water, thereby By controlling the resistance value to be within a predetermined range, it is possible to prevent excessive cooling of the fuel cell stack, to suppress a decrease in system efficiency associated therewith, and to prevent flooding when power generation is resumed.

本発明に係る燃料電池システムの構成例を示すシステム構成図である。1 is a system configuration diagram showing a configuration example of a fuel cell system according to the present invention. 実施例1の燃料電池システムにおける運転制御を説明するタイムチャートである。3 is a time chart for explaining operation control in the fuel cell system according to the first embodiment. 実施例1の変形例の燃料電池システムにおける運転制御を説明するタイムチャートである。6 is a time chart illustrating operation control in a fuel cell system according to a modification of Example 1. 実施例2の燃料電池システムにおける運転制御を説明するタイムチャートである。6 is a time chart for explaining operation control in the fuel cell system of Example 2. 実施例3の燃料電池システムにおける運転制御を説明するタイムチャートである。6 is a time chart illustrating operation control in the fuel cell system of Example 3. 実施例4の燃料電池システムにおける運転制御を説明するタイムチャートである。6 is a time chart illustrating operation control in the fuel cell system of Example 4. 実施例5の燃料電池システムにおける運転制御を説明するタイムチャートである。10 is a time chart illustrating operation control in the fuel cell system of Example 5. 実施例5の燃料電池システムにおける運転制御を説明するタイムチャートである。10 is a time chart illustrating operation control in the fuel cell system of Example 5. 実施例6の燃料電池システムにおける運転制御を説明するタイムチャートである。10 is a time chart illustrating operation control in the fuel cell system of Example 6. 実施例7の燃料電池システムにおける運転制御を説明するタイムチャートである。12 is a time chart illustrating operation control in the fuel cell system of Example 7. 実施例8の燃料電池システムにおける運転制御を説明するタイムチャートである。10 is a time chart illustrating operation control in the fuel cell system of Example 8. 実施例1の燃料電池システムにおける運転制御を説明するフローチャートである。3 is a flowchart for explaining operation control in the fuel cell system according to the first embodiment. 実施例2乃至実施例4の燃料電池システムにおける運転制御を説明するフローチャートである。6 is a flowchart for explaining operation control in the fuel cell systems of Examples 2 to 4.

符号の説明Explanation of symbols

1:燃料電池スタック
2:燃料タンク
3:燃料供給量調節弁
4:酸化剤ブロアー
5:燃料供給配管
6:燃料排気配管
7:酸化剤供給配管
8:酸化剤排気配管
9:燃料加湿手段
10:酸化剤加湿手段
11:三方弁
12:燃料バイパス通路
13:三方弁
14:酸化剤バイパス通路
15:冷却水タンク
16:冷却水ポンプ
17:冷却水経路
18:出力電圧検知手段
19:負荷検知手段
20:電解質膜抵抗検知手段
21:温度センサ
22:制御装置
1: Fuel cell stack 2: Fuel tank 3: Fuel supply amount adjustment valve 4: Oxidant blower 5: Fuel supply pipe 6: Fuel exhaust pipe 7: Oxidant supply pipe 8: Oxidant exhaust pipe 9: Fuel humidification means 10: Oxidant humidification means 11: three-way valve 12: fuel bypass passage 13: three-way valve 14: oxidant bypass passage 15: cooling water tank 16: cooling water pump 17: cooling water path 18: output voltage detection means 19: load detection means 20 : Electrolyte membrane resistance detection means 21: Temperature sensor 22: Control device

Claims (13)

電解質膜の両面に燃料極及び酸化剤極の触媒層とガス拡散電極をそれぞれ配置してなる膜電極接合体を有する単位セルを積層した燃料電池スタックを搭載する燃料電池システムであって、
前記単位セルの電圧であるセル電圧が所定電圧以上となった時に、前記電解質膜及び前記触媒層の含水量を増加させることを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell system including a fuel cell stack in which unit cells each having a membrane electrode assembly in which a catalyst layer of a fuel electrode and an oxidant electrode and gas diffusion electrodes are arranged on both surfaces of an electrolyte membrane are stacked,
The fuel cell system, wherein the water content of the electrolyte membrane and the catalyst layer is increased when a cell voltage, which is a voltage of the unit cell, becomes equal to or higher than a predetermined voltage.
前記燃料電池スタック中の各単位セルのセル電圧を検知する電圧検知手段を有し、
前記所定電圧は0.85[V]であ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。
Voltage detecting means for detecting a cell voltage of each unit cell in the fuel cell stack;
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the predetermined voltage is 0.85 [V].
前記燃料電池スタックから取り出す電流または電力が所定電流または所定電力以下となった時に、
前記電解質膜及び前記触媒層の含水量を増加させることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の燃料電池システム。
When the current or power taken out from the fuel cell stack becomes a predetermined current or a predetermined power or less,
The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein the water content of the electrolyte membrane and the catalyst layer is increased.
前記セル電圧が高電圧にある状態が所定時間以上経過したときに、前記電解質膜及び前記触媒層の含水量を増加させることを特徴とする請求項1乃至請求項3の何れか1項に記載の燃料電池システム。   4. The water content of the electrolyte membrane and the catalyst layer is increased when a state in which the cell voltage is at a high voltage elapses for a predetermined time or longer. 5. Fuel cell system. 前記燃料極及び前記酸化剤極の少なくとも一方の電極に、水または高加湿ガスの少なくとも何れか一方を供給することにより、前記含水量の増加を行うことを特徴とする請求項1乃至請求項4の何れか1項に記載の燃料電池システム。   5. The water content is increased by supplying at least one of water and a highly humidified gas to at least one of the fuel electrode and the oxidant electrode. The fuel cell system according to any one of the above. 少なくとも一方の電極が、燃料極であることを特徴とする請求項5に記載の燃料電池システム。   6. The fuel cell system according to claim 5, wherein at least one of the electrodes is a fuel electrode. 前記燃料電池スタック中の何れかのセルの電解質膜の抵抗値を検知する電解質膜抵抗検知手段を有し、
該電解質膜抵抗検知手段により検知される電解質膜抵抗値が第1所定抵抗値以上となったときに、水または高加湿ガスの少なくとも何れか一方を供給することを特徴とする請求項5または請求項6に記載の燃料電池システム。
An electrolyte membrane resistance detecting means for detecting a resistance value of the electrolyte membrane of any cell in the fuel cell stack;
6. The method according to claim 5, wherein at least one of water and a highly humidified gas is supplied when an electrolyte membrane resistance value detected by the electrolyte membrane resistance detection means becomes equal to or greater than a first predetermined resistance value. Item 7. The fuel cell system according to Item 6.
前記電解質膜抵抗値と第1所定抵抗値との差の大きさに応じて、供給水分量を調整することを特徴とする請求項7に記載の燃料電池システム。   8. The fuel cell system according to claim 7, wherein the amount of supplied water is adjusted according to the difference between the electrolyte membrane resistance value and the first predetermined resistance value. 9. 前記電解質膜抵抗値が第1所定抵抗値より大きい第2所定抵抗値以上となったときに、水および高加湿ガスを供給することを特徴とする請求項8に記載の燃料電池システム。   9. The fuel cell system according to claim 8, wherein water and a highly humidified gas are supplied when the electrolyte membrane resistance value is equal to or greater than a second predetermined resistance value that is greater than the first predetermined resistance value. 前記電解質膜抵抗値が所定の範囲内となるまで、水分の供給を行なうことを特徴とする請求項7乃至請求項9の何れか1項に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to any one of claims 7 to 9, wherein moisture is supplied until the electrolyte membrane resistance value falls within a predetermined range. 前記電解質膜抵抗値が第1所定抵抗値未満となったとき、少なくとも一方の電極に前記ガスよりも低湿度のガスを供給することを特徴とする請求項7乃至請求項10の何れか1項に記載の燃料電池システム。   The gas having a lower humidity than the gas is supplied to at least one of the electrodes when the electrolyte membrane resistance value is less than a first predetermined resistance value. The fuel cell system described in 1. 前記燃料電池スタックの温度を下げることにより前記含水量の増加を行うことを特徴とする請求項1乃至請求項4の何れか1項に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, wherein the water content is increased by lowering a temperature of the fuel cell stack. 燃料電池システム中に電解質膜抵抗検知手段を有し、該電解質膜抵抗検知手段により検知される電解質膜抵抗が所定の範囲内となるように温度を制御することを特徴とする請求項12に記載の燃料電池システム。   13. The fuel cell system includes an electrolyte membrane resistance detection unit, and the temperature is controlled so that the electrolyte membrane resistance detected by the electrolyte membrane resistance detection unit falls within a predetermined range. Fuel cell system.
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