JP2002246053A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、水素と酸素との化
学反応により電気エネルギーを発生させる燃料電池から
なる燃料電池システムに関するもので、車両、船舶及び
ポータブル発電器等の移動体に適用して有効である。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell system comprising a fuel cell which generates electric energy by a chemical reaction between hydrogen and oxygen, and is applied to a moving body such as a vehicle, a ship and a portable generator. It is valid.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来より、水素と酸素（空気）との電気
化学反応を利用して発電を行う燃料電池を備えた燃料電
池システムが知られている。例えば車両用等の駆動源と
して考えられている高分子電解質型燃料電池では、０℃
以下の低温状態では、電極近傍に存在している水分が凍
結して反応ガスの拡散を阻害したり、電解質膜の電気伝
導率が低下するという問題がある。2. Description of the Related Art Conventionally, there has been known a fuel cell system including a fuel cell which generates electric power by utilizing an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen (air). For example, in a polymer electrolyte fuel cell that is considered as a driving source for vehicles and the like, 0 ° C.
In the following low-temperature state, there is a problem that moisture existing in the vicinity of the electrode freezes to hinder the diffusion of the reaction gas and that the electric conductivity of the electrolyte membrane decreases.
【０００３】[0003]
【発明が解決しようとする課題】このような低温環境下
で燃料電池を起動する際、凍結による反応ガス経路の目
詰まりあるいは電解質膜への反応ガス（水素および空
気）の進行・到達の阻害により、燃料ガスを供給しても
電気化学反応が進行せず、燃料電池を起動できないとい
う問題がある。さらに、反応ガス経路内で結露した水分
の凍結によるガス経路の閉塞も生ずる。When the fuel cell is started in such a low-temperature environment, the reaction gas path is clogged by freezing or the progress or arrival of the reaction gas (hydrogen and air) to the electrolyte membrane is hindered. However, even if the fuel gas is supplied, the electrochemical reaction does not proceed, and the fuel cell cannot be started. In addition, blockage of the gas path due to freezing of water condensed in the reaction gas path occurs.
【０００４】本発明は、上記問題点に鑑み、低温環境下
で使用される燃料電池システムにおいて、運転停止の
際、短時間で燃料電池内部の水分を除去できることが可
能な燃料電池システムを提供することを目的とする。[0004] In view of the above problems, the present invention provides a fuel cell system which can be used in a low-temperature environment and can remove moisture inside the fuel cell in a short time when operation is stopped. The purpose is to:
【０００５】[0005]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に記載の発明では、水素と酸素とを電気化
学反応させて電気エネルギを発生させる燃料電池（１
０）を備える燃料電池システムであって、燃料電池（１
０）の出力電流を制御する出力電流制御手段（１３）
と、燃料電池（１０）内の残留水分量を検出する水分量
検出手段（２４、３４）とを備え、燃料電池（１０）の
通常運転が終了する際に、水分量検出手段（２４、３
４）により検出した燃料電池（１０）内の残留水分量に
基づいて目標電流値を設定し、出力電流制御手段（１
３）により燃料電池（１０）の出力電流が目標電流値と
なるように制御することを特徴としている。In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, a fuel cell (1) that generates an electric energy by causing an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen is provided.
0), comprising a fuel cell (1).
Output current control means (13) for controlling the output current of 0)
And a water content detecting means (24, 34) for detecting the residual water content in the fuel cell (10), and when the normal operation of the fuel cell (10) ends, the water content detecting means (24, 3).
A target current value is set based on the amount of residual moisture in the fuel cell (10) detected by 4), and the output current control means (1) is set.
According to 3), the output current of the fuel cell (10) is controlled to be a target current value.
【０００６】このように、燃料電池（１０）内の残留水
分量に基づいて燃料電池（１０）の出力電流を制御する
ことで、電流を一定に制御した場合に比較して、残留水
分量と蒸発速度の向上を両立させることができる。これ
により、短時間で効率よく燃料電池（１０）内の残留水
分を除去することが可能となる。As described above, by controlling the output current of the fuel cell (10) on the basis of the residual moisture content in the fuel cell (10), the residual moisture content and the residual moisture content are controlled as compared with the case where the current is controlled to be constant. It is possible to improve the evaporation rate at the same time. This makes it possible to efficiently remove the residual moisture in the fuel cell (10) in a short time.
【０００７】具体的には、請求項２に記載の発明のよう
に、目標電流値を燃料電池（１０）内の残留水分量の減
少に応じて低下するように設定することで、水分除去制
御開始時には燃料電池（１０）の出力電流を大きくして
水分蒸発速度を向上させ、残留水分量の減少に応じて出
力電流を小さくして効果的に残留水分量を減少させるこ
とができる。More specifically, the target current value is set so as to decrease in accordance with the decrease in the amount of residual moisture in the fuel cell (10), thereby controlling the water removal. At the start, the output current of the fuel cell (10) is increased to increase the moisture evaporation rate, and the output current is reduced in accordance with the decrease in the residual moisture amount, so that the residual moisture amount can be effectively reduced.
【０００８】なお、出力電流制御手段（１３）による燃
料電池（１０）の出力電流の制御は、燃料電池内の残留
水分量が減少し、低温環境下にて凍結を生じる範囲以下
となるまで行う。The control of the output current of the fuel cell (10) by the output current control means (13) is performed until the amount of residual moisture in the fuel cell decreases and becomes lower than a range where freezing occurs in a low temperature environment. .
【０００９】このとき、燃料電池（１０）を構成する各
セルにおける全ての部分について残留水分量を凍結範囲
以下とする必要はなく、少なくとも各セルにおける一部
分の残留水分量が凍結範囲以下となればよい。各セルの
一部分が乾燥していれば、その乾燥部分に水素および空
気を供給することで発電を開始できる。セルの一部にて
発電が開始されれば、発電に伴う発熱により他の部分を
昇温させることができ、セル全体で発電を行うことがで
きるようになる。At this time, it is not necessary to keep the residual moisture content of all the cells in the fuel cell (10) below the freezing range, as long as the residual moisture content of at least a part of each cell becomes below the freezing range. Good. If a part of each cell is dry, power generation can be started by supplying hydrogen and air to the dry part. When power generation is started in a part of the cell, the temperature of the other part can be raised by the heat generated by the power generation, and power can be generated in the entire cell.
【００１０】また、請求項３に記載の発明では、燃料電
池（１０）に、燃料電池（１０）が目標電流値を出力す
るのに必要とされる酸素量に対して過剰な酸素量を含ん
だ空気を供給することを特徴としている。これにより、
空気流によって燃料電池（１０）内に液滴の状態で存在
する水分を、燃料電池（１０）内から押し出す（吹き飛
ばす）ことができる。According to the third aspect of the present invention, the fuel cell (10) contains an excessive amount of oxygen with respect to the amount of oxygen required for the fuel cell (10) to output a target current value. It is characterized by supplying air. This allows
Moisture present in the form of droplets in the fuel cell (10) can be pushed out (blown) out of the fuel cell (10) by the air flow.
【００１１】また、請求項４に記載の発明では、燃料電
池（１０）と並列的に接続された２次電池（１２）と、
燃料電池（１０）からの供給電力により作動する補機
（２１、２２、２３、３２、３３、４１、４３、４５）
とを備え、燃料電池（１０）を目標電流値にて発電させ
た際に、燃料電池（１０）の出力電力が補機の作動に必
要な電力に対して余剰を生じる場合には、余剰電力を２
次電池に充電し、燃料電池（１０）の出力電力が補機の
作動に必要な電力に対して不足する場合には、不足電力
を２次電池から補機に供給することを特徴としている。Further, according to the invention described in claim 4, the secondary battery (12) connected in parallel with the fuel cell (10) includes:
Auxiliary equipment (21, 22, 23, 32, 33, 41, 43, 45) operated by electric power supplied from fuel cell (10)
When the output power of the fuel cell (10) generates a surplus with respect to the power required for the operation of the auxiliary equipment when the fuel cell (10) generates power at the target current value, 2
When the secondary battery is charged and the output power of the fuel cell (10) is insufficient for the power required to operate the auxiliary equipment, the insufficient power is supplied from the secondary battery to the auxiliary equipment.
【００１２】これにより、送風機（２１）等の補機の負
荷に関わらず、燃料電池（１０）の出力電流を燃料電池
（１０）内の水分除去に最適な値に制御することがで
き、効率よく水分除去を行うことができる。Thus, the output current of the fuel cell (10) can be controlled to an optimum value for removing water from the fuel cell (10) regardless of the load of auxiliary equipment such as the blower (21), and the efficiency can be improved. Water can be removed well.
【００１３】また、請求項５に記載の発明では、燃料電
池（１０）の温度を制御する温度制御手段（４０〜４
５）を備え、温度制御手段（４０〜４５）により、燃料
電池（１０）の温度が所定上限温度（Ｔｍａｘ）から所
定下限温度（Ｔｍｉｎ）の間となるように温度制御を行
うことを特徴としている。According to the fifth aspect of the present invention, the temperature control means (40 to 4) for controlling the temperature of the fuel cell (10).
5), wherein temperature control is performed by the temperature control means (40 to 45) such that the temperature of the fuel cell (10) is between a predetermined upper limit temperature (Tmax) and a predetermined lower limit temperature (Tmin). I have.
【００１４】これにより、燃料電池温度が上限温度Ｔｍ
ａｘ以上となって燃料電池内部の電解質膜等が破壊され
るのを防ぐことができ、また、燃料電池温度が下限温度
Ｔｍｉｎ以下となって残留水分の蒸発量が低下すること
を防止することができる。As a result, the fuel cell temperature becomes lower than the upper limit temperature Tm.
ax or more can be prevented from destructing the electrolyte membrane or the like inside the fuel cell, and the fuel cell temperature can be prevented from falling below the lower limit temperature Tmin to reduce the evaporation amount of residual moisture. it can.
【００１５】また、出力電力制御手段は、請求項６に記
載の発明のようにＤＣ／ＤＣコンバータ（１３）とする
ことができ、ＤＣ／ＤＣコンバータ（１３）にて燃料電
池（１０）の出力電圧を制御することによって、燃料電
池（１０）の出力電流を制御することができる。Further, the output power control means may be a DC / DC converter (13) as in the invention according to claim 6, wherein the output of the fuel cell (10) is controlled by the DC / DC converter (13). By controlling the voltage, the output current of the fuel cell (10) can be controlled.
【００１６】なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述
する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すも
のである。The reference numerals in parentheses of the above means indicate the correspondence with specific means described in the embodiments described later.
【００１７】[0017]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図１〜
図６に基づいて説明する。本実施形態は、燃料電池シス
テムを燃料電池を電源として走行する電気自動車（燃料
電池車両）に適用したものである。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG.
Explanation will be given based on FIG. In this embodiment, the fuel cell system is applied to an electric vehicle (fuel cell vehicle) that runs using a fuel cell as a power source.
【００１８】図１は、実施形態の燃料電池システムの全
体構成を示している。図１に示すように、本実施形態の
燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利
用して電力を発生する燃料電池（ＦＣスタック）１０を
備えている。ＦＣスタック１０は、車両走行用の電動モ
ータ（負荷）１１や２次電池１２等の電気機器に電力を
供給するように構成されている。FIG. 1 shows the overall configuration of the fuel cell system according to the embodiment. As shown in FIG. 1, the fuel cell system of the present embodiment includes a fuel cell (FC stack) 10 that generates electric power using an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. The FC stack 10 is configured to supply power to electric devices such as an electric motor (load) 11 for driving the vehicle and a secondary battery 12.
【００１９】ＦＣスタック１０では、以下の水素と酸素
の電気化学反応が起こり電気エネルギが発生する。 （負極側）Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ- （正極側）２Ｈ+＋１／２Ｏ2 ＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ 本実施形態ではＦＣスタック１０として固体高分子電解
質型燃料電池を用いており、基本単位となるセルが複数
積層されて構成されている。各セルは、電解質膜が一対
の電極で挟まれた構成となっている。In the FC stack 10, the following electrochemical reaction between hydrogen and oxygen occurs, and electric energy is generated. (Negative electrode side) H 2 → 2H + + 2e − (positive electrode side) 2H + + 1 / 2O 2 + 2e − → H 2 O In the present embodiment, a solid polymer electrolyte fuel cell is used as the FC stack 10 and the basic unit is Cells are stacked. Each cell has a configuration in which an electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrodes.
【００２０】ＦＣスタック１０と２次電池１２との間に
はＦＣスタック１０の出力電圧値を調整するＤＣ／ＤＣ
コンバータ（出力電流制御手段）１３が設けられてい
る。図２はＦＣスタック１０の出力電圧と出力電流との
関係を示している。図２に示すようにＦＣスタック１０
の出力電圧と出力電流との間には相関関係があり、ＦＣ
スタック１０は出力電流の増加とともに出力電圧が低下
し、出力電流の低下とともに出力電圧が増加するという
特性を持っている。従って、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３
にてＦＣスタック１０の出力電圧を制御することによ
り、ＦＣスタック１０の出力電流を任意に制御すること
が可能となる。A DC / DC for adjusting an output voltage value of the FC stack 10 is provided between the FC stack 10 and the secondary battery 12.
A converter (output current control means) 13 is provided. FIG. 2 shows the relationship between the output voltage and the output current of the FC stack 10. As shown in FIG.
There is a correlation between the output voltage and output current of
The stack 10 has a characteristic that the output voltage decreases as the output current increases, and the output voltage increases as the output current decreases. Therefore, the DC / DC converter 13
By controlling the output voltage of the FC stack 10 at, the output current of the FC stack 10 can be arbitrarily controlled.
【００２１】また、ＦＣスタック１０には、ＦＣスタッ
ク本体の温度を検出するための温度センサ１４が設けら
れている。さらに、燃料電池システムには、外気温を検
出する外気温センサ１５が設けられている。The FC stack 10 is provided with a temperature sensor 14 for detecting the temperature of the main body of the FC stack. Further, the fuel cell system is provided with an outside air temperature sensor 15 for detecting an outside air temperature.
【００２２】燃料電池システムには、ＦＣスタック１０
の酸素極（正極）１０ａ側に空気（酸素）を供給するた
めの空気経路２０と、ＦＣスタック１０の水素極（負
極）１０ｂ側に水素を供給するための水素経路３０が設
けられている。空気経路２０には空気供給用の空気圧送
用の送風機（ガス圧縮機）２１が設けられている。水素
経路３０には水素供給装置３１より水素が供給される。The fuel cell system includes an FC stack 10
An air path 20 for supplying air (oxygen) to the oxygen electrode (positive electrode) 10a side and a hydrogen path 30 for supplying hydrogen to the hydrogen electrode (negative electrode) 10b side of the FC stack 10 are provided. The air path 20 is provided with a blower (gas compressor) 21 for air supply for supplying air. Hydrogen is supplied to the hydrogen path 30 from a hydrogen supply device 31.
【００２３】発電時における電気化学反応のために、Ｆ
Ｃスタック１０内の電解質膜を水分を含んだ湿潤状態に
しておく必要がある。このため、通常運転時には、図示
しない加湿装置により空気経路２０の空気および水素経
路３０の水素に加湿が行われ、ＦＣスタック１０には加
湿された空気および水素が供給される。これにより、Ｆ
Ｃスタック１０内部は湿潤状態で作動することとなる。
また、酸素極１０ａ側では上記電気化学反応により水分
が生成する。Due to the electrochemical reaction during power generation, F
It is necessary to keep the electrolyte membrane in the C stack 10 in a wet state containing water. Therefore, during normal operation, the humidifier (not shown) humidifies the air in the air path 20 and the hydrogen in the hydrogen path 30, and the humidified air and hydrogen are supplied to the FC stack 10. Thereby, F
The inside of the C stack 10 operates in a wet state.
On the oxygen electrode 10a side, water is generated by the above-mentioned electrochemical reaction.
【００２４】また、後述の水分除去運転時には、ＦＣス
タック１０には、加湿されない乾燥空気と加湿されない
乾燥水素が供給される。これらの乾燥ガスは、ＦＣスタ
ック１０内に残留する水分を除去するために、できるだ
け低湿度であることが望ましく、少なくともＦＣスタッ
ク１０内の湿度より低湿度である必要がある。During a moisture removal operation to be described later, non-humidified dry air and non-humidified dry hydrogen are supplied to the FC stack 10. It is desirable that these dry gases have as low a humidity as possible in order to remove moisture remaining in the FC stack 10, and it is necessary that the humidity be at least lower than the humidity in the FC stack 10.
【００２５】空気経路２０における両端部には、空気経
路２０を遮断するためのシャットバルブ２２、２３が設
けられている。これらのシャットバルブ２２、２３を閉
じることで、ＦＣスタック１０内部および空気経路２０
内部を外気から遮断することができる。水素経路３０の
両端部にも、同様のシャットバルブ３２、３３が設けら
れている。At both ends of the air path 20, shut valves 22 and 23 for shutting off the air path 20 are provided. By closing these shut valves 22, 23, the inside of the FC stack 10 and the air path 20 are closed.
The inside can be shut off from the outside air. Similar shut valves 32 and 33 are provided at both ends of the hydrogen path 30.
【００２６】ＦＣスタック１０には、ＦＣスタック１０
内部の酸素極１０ａおよび水素極１０ｂに存在する残留
水分を検出するための水分センサ２４、３４が設けられ
ている。本実施形態では、水分センサ２４、３４として
湿度センサを用いている。湿度センサ２４、３４は、Ｆ
Ｃスタック１０内部の湿度を適切に検出するために、酸
素極１０ａおよび水素極１０ｂにおけるＦＣスタック１
０出口付近に設けることが望ましい。The FC stack 10 includes the FC stack 10
Moisture sensors 24 and 34 for detecting residual moisture existing in the oxygen electrode 10a and the hydrogen electrode 10b are provided. In the present embodiment, humidity sensors are used as the moisture sensors 24 and 34. The humidity sensors 24, 34
To properly detect the humidity inside the C stack 10, the FC stack 1 at the oxygen electrode 10a and the hydrogen electrode 10b
It is desirable to provide it near the exit 0.
【００２７】ＦＣスタック１０は発電に伴い発熱を生じ
る。このため、燃料電池システムには、ＦＣスタック１
０を冷却して作動温度が電気化学反応に適温（８０℃程
度）となるよう冷却システム４０〜４５が設けられてい
る。The FC stack 10 generates heat with power generation. Therefore, the fuel cell system includes the FC stack 1
Cooling systems 40 to 45 are provided so as to cool 0 and bring the operating temperature to a suitable temperature (about 80 ° C.) for the electrochemical reaction.
【００２８】冷却システムには、ＦＣスタック１０に冷
却水（熱媒体）を循環させる冷却水経路４０、冷却水を
循環させるウォータポンプ４１、ファン４３を備えたラ
ジエータ４２が設けられている。ラジエータ４２および
ファン４３で冷却部を構成している。ＦＣスタック１０
で発生した熱は、冷却水を介してラジエータ４２で系外
に排出される。The cooling system is provided with a cooling water path 40 for circulating cooling water (heat medium) through the FC stack 10, a water pump 41 for circulating cooling water, and a radiator 42 having a fan 43. The radiator 42 and the fan 43 constitute a cooling unit. FC stack 10
Is generated by the radiator 42 through the cooling water and discharged out of the system.
【００２９】また、冷却水経路４０には、冷却水をラジ
エータ４２をバイパスさせるためのバイパス経路４４が
ラジエータ４４と並列的に設けられている。冷却水の流
路は、冷却水切替弁４５によってラジエータ４３側とバ
イパス通路４４側に切り替えられる。In the cooling water path 40, a bypass path 44 for allowing the cooling water to bypass the radiator 42 is provided in parallel with the radiator 44. The flow path of the cooling water is switched between the radiator 43 side and the bypass passage 44 side by the cooling water switching valve 45.
【００３０】このような冷却系によって、ウォータポン
プ４１による循環流量制御、ラジエータ４２およびファ
ン４３による風量制御、冷却水切替弁４５によるバイパ
ス流量制御でＦＣスタック１０の冷却量制御を行うこと
ができる。With such a cooling system, the cooling amount of the FC stack 10 can be controlled by controlling the circulating flow rate by the water pump 41, controlling the air flow rate by the radiator 42 and the fan 43, and controlling the bypass flow rate by the cooling water switching valve 45.
【００３１】本実施形態の燃料電池システムには各種制
御を行う制御部（ＥＣＵ）５０が設けられている。制御
部５０には、負荷１１からの要求電力信号、温度センサ
１２からの温度信号、外気温センサ１５からの外気温信
号、水分センサ２４、３４からの残留水分量信号等が入
力される。また、制御部５０は、２次電池１２、ＤＣ／
ＤＣコンバータ１３、送風機２１、ウォータポンプ４
１、ラジエータファン４３、冷却水切替弁４５等に制御
信号を出力するように構成されている。The control unit (ECU) 50 for performing various controls is provided in the fuel cell system of the present embodiment. A required power signal from the load 11, a temperature signal from the temperature sensor 12, an outside air temperature signal from the outside air temperature sensor 15, a residual moisture content signal from the moisture sensors 24 and 34, and the like are input to the control unit 50. Further, the control unit 50 controls the secondary battery 12, DC /
DC converter 13, blower 21, water pump 4
1. It is configured to output a control signal to the radiator fan 43, the cooling water switching valve 45, and the like.
【００３２】次に、上記構成の燃料電池システムの水分
除去制御を図３〜６に基づいて説明する。図３は本実施
形態の水分除去制御を示すフローチャートである。Next, the water removal control of the fuel cell system having the above configuration will be described with reference to FIGS. FIG. 3 is a flowchart showing the water removal control of the present embodiment.
【００３３】まず、ＦＣスタック１０の運転を停止する
か否かを判定する（ステップＳ１０）。運転停止判定
は、運転者によるキーオフ信号を検出することにより行
う。キーオフ信号が検出されない場合には、通常運転を
継続する（ステップＳ１１）。キーオフ信号が検出され
た場合には、ＦＣスタック１０内の水分除去（水分パー
ジ）が必要か否かを判定する（ステップＳ１２）。First, it is determined whether to stop the operation of the FC stack 10 (step S10). The operation stop determination is performed by detecting a key-off signal from the driver. If no key-off signal is detected, normal operation is continued (step S11). If the key-off signal is detected, it is determined whether or not moisture removal (moisture purge) in the FC stack 10 is necessary (step S12).
【００３４】水分除去を行うか否かの判定は、運転停止
時の環境温度（外気温）や季節情報等を考慮して行う。
すなわち、環境温度が０℃以下であるか、あるいは冬季
等であり気温の低下が予測されるいった条件に基づいて
水分除去運転の必要性についての判定を行う。当然のこ
とながら、夏場などの条件では凍結のおそれがないた
め、水分運転は必要とならない。The determination as to whether or not to remove water is made in consideration of the environmental temperature (outside air temperature) at the time of operation stop, seasonal information, and the like.
That is, the necessity of the water removal operation is determined based on the condition that the environmental temperature is 0 ° C. or lower, or that the temperature is predicted to decrease in winter or the like. Naturally, there is no danger of freezing in summer or other conditions, so no moisture operation is required.
【００３５】また、ＦＣスタック１０の運転停止時に、
運転者によるＦＣスタック１０停止時間の予想時間を入
力するように構成してもよい。これは、ＦＣスタック１
０の停止時に環境温度が氷結点以下であったとしても、
ＦＣスタック１０の予熱が十分あるため、瞬時にＦＣス
タック１０が氷結点以下とはならず、しばらくは高温が
維持されるためである。従って、１０時間程度(一昼夜)
の停止時間内であれば、運転停止時の残留水除去を行う
必要がない。When the operation of the FC stack 10 is stopped,
The configuration may be such that the estimated time of the FC stack 10 stop time by the driver is input. This is FC Stack 1
Even if the environmental temperature is below the freezing point at the stop of 0,
This is because the preheating of the FC stack 10 is sufficient, so that the FC stack 10 does not instantaneously fall below the freezing point, and the high temperature is maintained for a while. Therefore, about 10 hours (all day and night)
It is not necessary to remove the residual water at the time of operation stoppage within the stop time.
【００３６】水分除去が必要と判定された場合には、水
分センサ２４、３４によりＦＣスタック１０内の残留水
量を検出し（ステップＳ１３）、残留水量が低温環境下
において凍結する範囲内であるか否かを判定する（ステ
ップＳ１４）。その結果、残留水分量が凍結範囲を超え
ている場合には、残留水分量に基づいてＦＣスタック１
０の出力電流値（目標電流値）を決定する（ステップＳ
１５）。If it is determined that water removal is necessary, the amount of residual water in the FC stack 10 is detected by the moisture sensors 24 and 34 (step S13), and whether the amount of residual water is within a range freezing in a low-temperature environment. It is determined whether or not it is (step S14). As a result, when the residual moisture content exceeds the freezing range, the FC stack 1 is determined based on the residual moisture content.
0 output current value (target current value) is determined (step S
15).
【００３７】ここで、ＦＣスタック１０内の残留水分を
除去するのに必要なＦＣスタック出力電流値の決定方法
を図４〜図６に基づいて説明する。Here, a method of determining the FC stack output current value required for removing residual moisture in the FC stack 10 will be described with reference to FIGS.
【００３８】図４はＦＣスタック１０の出力電流、発熱
量、生成水量の関係を示している。図４に示すように、
ＦＣスタック１０の出力電流が増大すると発熱量が増大
するため、ＦＣスタック１０内の残留水分の除去を促進
できる。一方、電気化学反応により水分が生成されるた
め、ＦＣスタック１０出力電流が増大すると生成水が増
大する。FIG. 4 shows the relationship between the output current of the FC stack 10, the amount of heat generated, and the amount of generated water. As shown in FIG.
When the output current of the FC stack 10 increases, the amount of heat generated increases, so that the removal of residual moisture in the FC stack 10 can be promoted. On the other hand, since water is generated by the electrochemical reaction, when the output current of the FC stack 10 increases, the generated water increases.
【００３９】図５はＦＣスタック１０の出力電流と残留
水分量との関係を示している。縦軸は残留水分量であ
り、横軸は時間を示している。Ｉ0〜Ｉ3は、ＦＣスタッ
ク１０の出力電流を一定にした場合の残留水分量を示し
ており、Ｉ0が最も電流値が大きく、Ｉ3が最も電流値が
小さい。Ｗ0〜Ｗ3は特定の電流値においてそれ以下に減
らすことにできない飽和残留水分量であり、Ｗ0〜Ｗ3は
それぞれＩ0〜Ｉ3に対応している。FIG. 5 shows the relationship between the output current of the FC stack 10 and the amount of residual moisture. The vertical axis indicates the residual moisture content, and the horizontal axis indicates time. I 0 ~I 3 shows the amount of residual water when the output current of the FC stack 10 at a constant, most current value large I 0, I 3 is the most current value is small. W 0 to W-3 are saturated amount of residual water that can not be reduced to below the specified current value, W 0 to W-3 corresponds to I 0 ~I 3 respectively.
【００４０】図５に示すように、出力電流が大きい場合
には残留水分の除去速度が速い一方、生成水量が多いた
め残留水分量が高い値で飽和し、出力電流が小さい場合
には残留水分の除去速度が遅い一方、生成水量が少ない
ため残留水分量の飽和値が小さくなる。従って、ＦＣス
タック１０内の残留水分量が多い段階ではＦＣスタック
１０の出力電流値を大きくして残留水分を速やかに除去
し、残留水分量の減少に伴って出力電流値を小さくし、
残留水分をできるだけ少なくすることで、効率よく残留
水分を除去できる。As shown in FIG. 5, when the output current is large, the removal rate of the residual moisture is fast, while the amount of generated water is large, the residual moisture content is saturated at a high value, and when the output current is small, the residual moisture content is high. While the removal rate of the water is low, the amount of generated water is small, and the saturation value of the residual water content is small. Therefore, at a stage where the amount of residual moisture in the FC stack 10 is large, the output current value of the FC stack 10 is increased to remove the residual moisture quickly, and the output current value is decreased with a decrease in the amount of residual moisture,
By minimizing residual moisture, residual moisture can be efficiently removed.
【００４１】図６は、ＦＣスタック１０内の残留水分量
とＦＣスタック１０の目標電流値との関係を示してい
る。本実施形態では、図６に示すように、残留水分量が
Ｗ0になるまでは出力電流をＩ0、残留水分量がＷ1にな
るまでは出力電流をＩ1、残留水分量がＷ2になるまでは
出力電流をＩ2、残留水分量がＷ3になるまでは出力電流
をＩ3としている。FIG. 6 shows the relationship between the amount of residual moisture in the FC stack 10 and the target current value of the FC stack 10. In the present embodiment, as shown in FIG. 6, until the residual water content is W 0 the output current I 0, until a residual water content of the W 1 the output current I 1, the residual water content of W 2 Until the output current becomes I 2 , and the output current becomes I 3 until the residual water content becomes W 3 .
【００４２】このようにＦＣスタック１０内の残留水分
量に基づいてＦＣスタック１０の出力電流値を最適値に
制御することで、図５中のＩｖに示すように、ＦＣスタ
ック１０内の残留水分を速やかに、かつ、効果的に減少
させることができる。By controlling the output current value of the FC stack 10 to an optimum value based on the amount of residual moisture in the FC stack 10 as described above, as shown by Iv in FIG. Can be reduced quickly and effectively.
【００４３】次に、以上のように決定された目標電流値
を発電するのに必要な水素量および酸素量を算出し、Ｆ
Ｃスタック１０に送風機２１および水素供給装置３１に
より空気（酸素）および水素を供給する（ステップ１
６）。このとき、空気および水素に加湿は行われず、Ｆ
Ｃスタック１０の酸素極１０ａには乾燥空気が供給さ
れ、水素極１０ｂには乾燥水素が供給される。Next, the amount of hydrogen and the amount of oxygen necessary to generate the target current value determined as described above are calculated.
Air (oxygen) and hydrogen are supplied to the C stack 10 by the blower 21 and the hydrogen supply device 31 (step 1).
6). At this time, the air and hydrogen are not humidified, and F
Dry air is supplied to the oxygen electrode 10a of the C stack 10, and dry hydrogen is supplied to the hydrogen electrode 10b.
【００４４】本実施形態の燃料電池システムでは、ＦＣ
スタック１０には目標制御電流値の発電に必要な空気量
に対して過剰な空気量を供給するように構成されてい
る。これにより、空気流によってＦＣスタック１０内に
液滴の状態で存在する水分をＦＣスタック１０内から押
し出す（吹き飛ばす）ことができる。In the fuel cell system of this embodiment, the FC
The stack 10 is configured to supply an excess amount of air with respect to the amount of air necessary for generating a target control current value. Thereby, the water present in the FC stack 10 in the form of liquid droplets can be pushed out (blown) out of the FC stack 10 by the air flow.
【００４５】次に、ＦＣスタック１０の出力電流値が目
標制御電流となるように出力電流の制御を行う（ステッ
プＳ１７）。具体的には、上記図２に基づいて説明した
ように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３にてＦＣスタック１
０の出力電圧を制御することにより出力電流を制御す
る。Next, the output current is controlled so that the output current value of the FC stack 10 becomes the target control current (step S17). Specifically, as described with reference to FIG. 2, the DC / DC converter 13 uses the FC stack 1
The output current is controlled by controlling the output voltage of 0.
【００４６】このとき、ＦＣスタック１０の出力電流は
ＦＣスタック１０内部の水分除去に最適な値となるよう
に制御される。従って、ＦＣスタック１０で発電する電
力は、送風機２１やウォータポンプ４１、流路切替弁４
５等の補機類を作動させるために必要な電力に対して大
きい場合と小さい場合があり得る。このため、ＦＣスタ
ック１０の電力が補機作動電力より大きい場合には余剰
電力を２次電池１２に充電し、逆にＦＣスタック１０の
発電量が補機作動電力より小さい場合には不足する電力
を２次電池１２より補機に供給する。これにより、補機
の負荷の大小に関わらず、ＦＣスタック１０の出力電流
をＦＣスタック１０内の水分除去に最適な値に制御する
ことができ、効率よく水分除去を行うことができる。At this time, the output current of the FC stack 10 is controlled so as to have an optimum value for removing moisture from the inside of the FC stack 10. Therefore, the electric power generated by the FC stack 10 is supplied to the blower 21, the water pump 41, and the flow path switching valve 4.
There may be a case where the electric power required to operate the auxiliary equipment such as 5 is large or a case where the electric power is small. For this reason, when the power of the FC stack 10 is larger than the accessory operating power, the surplus power is charged to the secondary battery 12, and conversely, when the power generation amount of the FC stack 10 is smaller than the accessory operating power, the insufficient power is supplied. Is supplied from the secondary battery 12 to the auxiliary machine. Accordingly, the output current of the FC stack 10 can be controlled to an optimal value for removing moisture in the FC stack 10 irrespective of the magnitude of the load on the auxiliary device, and moisture can be removed efficiently.
【００４７】次に、ＦＣスタック１０の温度制御を行
う。ＦＣスタック１０は発電により発熱を生ずる。ＦＣ
スタック温度が上限温度Ｔｍａｘ以上となった場合に
は、ＦＣスタック１０内部の電解質膜等が破壊される。
また、ＦＣスタック温度が下限温度Ｔｍｉｎ以下となっ
た場合には、ＦＣスタック１０内の残留水分の蒸発量が
低下する。このため、冷却システム４０〜４５によりＦ
Ｃスタック１０の温度が所定温度範囲に収まるようにＦ
Ｃスタック１０の温度制御を行う。なお、本実施形態で
は、ＦＣスタック１０の上限温度Ｔｍａｘを１２０℃程
度、下限温度Ｔｍｉｎを６０℃程度に設定している。Next, the temperature of the FC stack 10 is controlled. The FC stack 10 generates heat by power generation. FC
When the stack temperature becomes equal to or higher than the upper limit temperature Tmax, the electrolyte membrane and the like inside the FC stack 10 are broken.
When the FC stack temperature becomes equal to or lower than the lower limit temperature Tmin, the amount of evaporation of residual moisture in the FC stack 10 decreases. Therefore, the cooling systems 40 to 45
F so that the temperature of the C stack 10 falls within a predetermined temperature range.
The temperature of the C stack 10 is controlled. In the present embodiment, the upper limit temperature Tmax of the FC stack 10 is set to about 120 ° C., and the lower limit temperature Tmin is set to about 60 ° C.
【００４８】まず、温度センサ１４によりＦＣスタック
１０の温度を検出し（ステップＳ１８）、ＦＣスタック
温度が冷却が必要か否かを判定する（ステップＳ１
９）。その結果、ＦＣスタック温度が上限温度Ｔｍａｘ
を上回っていれば、冷却水をラジエータ４２側に循環さ
せてＦＣスタック１０の冷却を行う（ステップＳ２
０）。また、ＦＣスタック温度が下限温度Ｔｍｉｎを下
回っていれば、冷却水をバイパス経路４４側に循環させ
るか、あるいはウォータポンプ４１を停止させてＦＣス
タック１０の冷却を一時中止する（ステップＳ２１）。
これにより、ＦＣスタック温度を上限温度Ｔｍａｘと下
限温度Ｔｍｉｎの範囲内に制御することができる。First, the temperature of the FC stack 10 is detected by the temperature sensor 14 (step S18), and it is determined whether or not the FC stack temperature requires cooling (step S1).
9). As a result, the FC stack temperature becomes the upper limit temperature Tmax.
Is exceeded, the cooling water is circulated to the radiator 42 side to cool the FC stack 10 (step S2).
0). If the FC stack temperature is lower than the lower limit temperature Tmin, the cooling water is circulated to the bypass path 44 side or the water pump 41 is stopped to temporarily stop the cooling of the FC stack 10 (step S21).
Thereby, the FC stack temperature can be controlled within the range between the upper limit temperature Tmax and the lower limit temperature Tmin.
【００４９】次に、ステップＳ１３に戻り、ＦＣスタッ
ク１０内の残留水分量を検出し、残留水分量が凍結範囲
であるか否かを判定する。その結果、残留水分量が凍結
範囲を下回っていれば、空気経路２０および水素経路３
０の両端部に設けられているシャットバルブ２２、２
３、３２、３３を閉じる（ステップＳ２１）。これによ
り、ＦＣスタック１０内部、空気経路２０内部、水素経
路３０内部が外気から遮断され、外部環境からの水分侵
入を防ぐことができる。その後、ＦＣスタック１０への
燃料供給を停止して、ＦＣスタック１０を完全に停止さ
せる。Next, returning to step S13, the residual moisture content in the FC stack 10 is detected, and it is determined whether or not the residual moisture content is within the freezing range. As a result, if the residual water content is below the freezing range, the air path 20 and the hydrogen path 3
Shut valves 22, 2 provided at both ends of
3, 32 and 33 are closed (step S21). Thereby, the inside of the FC stack 10, the inside of the air path 20, and the inside of the hydrogen path 30 are cut off from the outside air, and the intrusion of moisture from the outside environment can be prevented. Thereafter, the fuel supply to the FC stack 10 is stopped, and the FC stack 10 is completely stopped.
【００５０】残留水分量が凍結範囲を上回っている場合
には、上記ステップＳ１５〜Ｓ２１を繰り返し行う。If the residual moisture content exceeds the freezing range, steps S15 to S21 are repeated.
【００５１】以上、本実施形態のように、ＦＣスタック
１０内の残留水分量に基づいて、制御開始時にはＦＣス
タック１０の出力電流を大きくして水分蒸発速度を向上
させ、残留水量に応じて出力電流を小さくすることで、
電流を一定に制御した場合に比較して、残留水分量と蒸
発速度の向上を両立させることができる。これにより、
短時間で効率よくＦＣスタック１０内の残留水分を除去
することが可能となる。As described above, based on the amount of residual water in the FC stack 10 as in the present embodiment, at the start of control, the output current of the FC stack 10 is increased to improve the water evaporation rate, and the output is adjusted according to the amount of residual water. By reducing the current,
Compared to the case where the current is controlled to be constant, it is possible to achieve both improvement in the amount of residual moisture and improvement in the evaporation rate. This allows
It is possible to efficiently remove the residual moisture in the FC stack 10 in a short time.
【００５２】（他の実施形態）なお、上記実施形態で
は、ＦＣスタック１０内の残留水分量を検出する水分セ
ンサ２４、３４として湿度センサを用いたが、これに限
らず、例えば水分センサとしてＦＣスタック１０内部に
おける電解質膜の電気抵抗の変化を測定することによっ
ても、ＦＣスタック１０内部の残留水分量を検出するこ
とができる。(Other Embodiments) In the above embodiment, the humidity sensors are used as the moisture sensors 24 and 34 for detecting the amount of residual moisture in the FC stack 10. However, the present invention is not limited to this. By measuring the change in the electric resistance of the electrolyte membrane inside the stack 10, the amount of residual moisture inside the FC stack 10 can also be detected.
【００５３】また、ＦＣスタック１０を構成する個々の
セルにおいて、少なくとも一部が水分除去されていれば
よい。セルの一部が乾燥していれば、その乾燥部分に水
素および空気を供給することで発電を開始できる。セル
の一部にて発電が開始されれば、発電に伴う発熱により
他の部分を昇温させることができ、セル全体で発電を行
うことができるようになる。It is sufficient that at least a part of the individual cells constituting the FC stack 10 have been subjected to moisture removal. If a part of the cell is dry, power generation can be started by supplying hydrogen and air to the dry part. When power generation is started in a part of the cell, the temperature of the other part can be raised by the heat generated by the power generation, and power can be generated in the entire cell.
【図１】上記実施形態の燃料電池システムの全体構成を
示す概念図である。FIG. 1 is a conceptual diagram showing the overall configuration of a fuel cell system according to the embodiment.
【図２】燃料電池の出力電流と出力電圧との関係を示す
特性図である。FIG. 2 is a characteristic diagram showing a relationship between an output current and an output voltage of a fuel cell.
【図３】上記実施形態の燃料電池システムの水分除去制
御を示すフローチャートである。FIG. 3 is a flowchart showing water removal control of the fuel cell system of the embodiment.
【図４】燃料電池の出力電流、発熱量、生成水量の関係
を示す特性図である。FIG. 4 is a characteristic diagram showing a relationship among an output current, a heat generation amount, and a generated water amount of a fuel cell.
【図５】燃料電池の出力電流と残留水分量との関係を示
す特性図である。FIG. 5 is a characteristic diagram showing a relationship between an output current of a fuel cell and a residual water content.
【図６】本実施形態の燃料電池の残留水量と制御電流値
との関係を示す特性図である。FIG. 6 is a characteristic diagram showing a relationship between a residual water amount and a control current value of the fuel cell according to the embodiment.
１０…燃料電池（ＦＣスタック）、１２…２次電池、１
３…ＤＣ／ＤＣコンバータ（電流制御手段）、２０…空
気通路、２２、２３…シャットバルブ、２４…湿度セン
サ（水分センサ）、３０…水素通路、３２、３３…シャ
ットバルブ、３４…湿度センサ（水分センサ）、５０…
制御部。10: fuel cell (FC stack), 12: secondary battery, 1
3 DC / DC converter (current control means), 20 air passage, 22, 23 shut valve, 24 humidity sensor (moisture sensor), 30 hydrogen passage, 32, 33 shut valve, 34 humidity sensor ( Moisture sensor), 50 ...
Control unit.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 加藤 晴彦 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 岡本 邦夫 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 堀田 直人 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 Ｆターム(参考） 5H027 AA06 CC06 KK00 KK46 MM03 MM26 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing from the front page (72) Inventor Haruhiko Kato 1-1-1, Showa-cho, Kariya-shi, Aichi Pref. (72) Inventor Naoto Hotta 1-1-1 Showa-cho, Kariya-shi, Aichi F-term in DENSO Corporation (Reference) 5H027 AA06 CC06 KK00 KK46 MM03 MM26
Claims (6)
エネルギを発生させる燃料電池（１０）を備える燃料電
池システムであって、 前記燃料電池（１０）の出力電流を制御する出力電流制
御手段（１３）と、 前記燃料電池（１０）内の残留水分量を検出する水分量
検出手段（２４、３４）とを備え、 前記燃料電池（１０）の通常運転が終了する際に、前記
水分量検出手段（２４、３４）により検出した前記燃料
電池（１０）内の残留水分量に基づいて目標電流値を設
定し、前記出力電流制御手段（１３）により前記燃料電
池（１０）の出力電流が前記目標電流値となるように制
御することを特徴とする燃料電池システム。1. A fuel cell system comprising a fuel cell (10) for generating electric energy by electrochemically reacting hydrogen and oxygen, wherein an output current control means for controlling an output current of the fuel cell (10). (13), and a water content detecting means (24, 34) for detecting a residual water content in the fuel cell (10), wherein when the normal operation of the fuel cell (10) ends, the water content is reduced. A target current value is set based on the amount of residual moisture in the fuel cell (10) detected by the detection means (24, 34), and the output current of the fuel cell (10) is set by the output current control means (13). A fuel cell system, wherein control is performed so as to be the target current value.
０）内の残留水分量の減少に応じて低下するように設定
されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池シス
テム。2. The fuel cell system according to claim 2, wherein the target current value is the fuel cell (1).
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel cell system is set so as to decrease in accordance with a decrease in the amount of residual moisture in 0).
（１０）が前記目標電流値を出力するのに必要とされる
酸素量に対して過剰な酸素量を含んだ空気を供給するこ
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。3. An air containing an excess amount of oxygen relative to an amount of oxygen required for the fuel cell (10) to output the target current value is supplied to the fuel cell (10). The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein:
れた２次電池（１２）と、 前記燃料電池（１０）からの供給電力により作動する補
機（２１、２２、２３、３２、３３、４１、４３、４
５）とを備え、 前記燃料電池（１０）を前記目標電流値にて発電させた
際に、前記燃料電池（１０）の出力電力が前記補機の作
動に必要な電力に対して余剰を生じる場合には、余剰電
力を前記２次電池に充電し、前記燃料電池（１０）の出
力電力が前記補機の作動に必要な電力に対して不足する
場合には、不足電力を前記２次電池から前記補機に供給
することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つ
に記載の燃料電池システム。4. A secondary battery (12) connected in parallel with the fuel cell (10), and an auxiliary device (21, 22, 23, 32, 32) operated by electric power supplied from the fuel cell (10). 33, 41, 43, 4
5) wherein when the fuel cell (10) is generated at the target current value, the output power of the fuel cell (10) generates a surplus with respect to the power required for the operation of the auxiliary machine. In this case, surplus power is charged to the secondary battery, and if the output power of the fuel cell (10) is insufficient for the power required to operate the auxiliary machine, the insufficient power is used for the secondary battery. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein the fuel cell is supplied to the auxiliary device from a fuel cell.
温度制御手段（４０〜４５）を備え、 前記温度制御手段（４０〜４５）により、前記燃料電池
（１０）の温度が所定上限温度（Ｔｍａｘ）から所定下
限温度（Ｔｍｉｎ）の間となるように温度制御を行うこ
とを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載
の燃料電池システム。5. A temperature control means (40-45) for controlling the temperature of the fuel cell (10), wherein the temperature control means (40-45) controls the temperature of the fuel cell (10) to a predetermined upper limit temperature. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, wherein temperature control is performed so as to be between (Tmax) and a predetermined lower limit temperature (Tmin).
バータ（１３）であり、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ（１
３）にて前記燃料電池（１０）の出力電圧を制御するこ
とによって、前記燃料電池（１０）の前記出力電流を制
御することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１
つに記載の燃料電池システム。6. The DC / DC converter (1), wherein the output power control means is a DC / DC converter (13).
The output current of the fuel cell (10) is controlled by controlling the output voltage of the fuel cell (10) in 3).
The fuel cell system according to any one of the above.
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