JP2004146236A

JP2004146236A - Fuel cell system

Info

Publication number: JP2004146236A
Application number: JP2002310816A
Authority: JP
Inventors: Tomonori Imamura; 今村　朋範; Tetsunari Ozaki; 尾▲崎▼　哲斉
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-10-25
Filing date: 2002-10-25
Publication date: 2004-05-20

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To appropriately make moisture status inside a fuel cell controllable. <P>SOLUTION: In a fuel cell system provided with a fuel cell 10 to generate electrical energy by electrochemical reaction of a fuel gas containing hydrogen as the main component and an oxidation gas containing oxygen as the main component, the moisture status of a portion in which gas is circulated is detected by detecting means 24, 25, 35, 36, and based on its detected result, the moisture status of interior of the fuel cell 10 is diagnosed (estimated). Because the moisture status of interior of the fuel cell is appropriately controllable based on the diagnosis result of the moisture status of the fuel cell, liquid droplets stay in the gas path and drying of an electrolyte film are prevented, thereby output reduction of the fuel cell 10 can be prevented. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素と酸素との電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池を備え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機等の移動体用発電機、或いは家庭用発電機に適用して有効である。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池システムでは、水素や酸素の供給不足、水素や酸素が流れる流路中における液滴滞留、電解質膜の乾燥による導電率低下によって、燃料電池の出力が低下してしまう。そのため、要求された出力を出せない。燃料電池の電力変換効率が低下する。また、このような条件で燃料電池システムを運転した場合、燃料電池の劣化が加速され、信頼性の低下につながる。
【０００３】
因みに、よりマージンを持たせた運転条件で運転させることにより、信頼性を向上させることができるが、水素や酸素の過剰供給、あるいは加湿水の過剰供給により、システムの効率低下を招いてしまう。
【０００４】
そして、上記の問題に対処するためには、燃料電池内部の水分状態を正確に診断（推定）し、より具体的にはセルの電極の水分状態を正確に診断し、その診断結果に基づいて燃料電池内部の水分状態を適切に制御する必要がある。
【０００５】
本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、燃料電池内部の水分状態を適切に制御可能にすることを目的とする。
【０００６】
【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、水素を主成分とする燃料ガスと酸素を主成分とする酸化ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池（１０）と、ガスが流通する部位の水分状態を検出する検出手段（２４、２５、３５、３６、１００、２００、４００、５００）とを備え、検出手段の検出結果に基づいて、燃料電池の内部の水分状態を診断することを特徴とする。
【０００７】
これによると、燃料電池内部の水分状態の診断結果に基づいて燃料電池内部の水分状態を適切に制御することが可能であるため、ガス流路中における液滴滞留や電解質膜の乾燥を防止して、燃料電池の出力低下を防止することができる。
【０００８】
なお、請求項１の発明の検出手段は、請求項２に記載の発明のように、燃料電池の内部に設置してもよいし、あるいは請求項６に記載の発明のように、燃電池の外部におけるガスの流路（２０、３０）中に設置してもよい。
【０００９】
請求項３に記載の発明では、検出手段（１００）は、燃料電池の内部におけるガスの流路（３０５）中に２つの電極（２０１、２０２）を対向して設置して、流通するガスが２つの電極間を通過した際の電極間の静電容量を計測することを特徴とする。
【００１０】
ところで、空気または水素の誘電率よりも水分の誘電率の方が高いため、図５に示すように、水分量の増加に伴って静電容量も増加する。従って、静電容量と燃料電池内部の水分状態との相関を予め測定しておくことにより、静電容量に基づいて燃料電池内部の水分状態を診断することができる。また、これによると、請求項４または５に記載の発明に比べ、検出手段の取り付けが容易である。
【００１１】
請求項４に記載の発明では、検出手段（２００）は、燃料電池の内部の拡散層部分に２つの電極を対向して設置して、拡散層内を流通するガスが通過した際の電極間の静電容量を計測することを特徴とする。
【００１２】
これによると、セルの電極を構成する拡散層部分の静電容量を計測するため、セルの電極の水分状態を正確に診断（推定）することができる。
【００１３】
請求項５に記載の発明では、検出手段（４００）は、電解質膜の表面もしくは内部に２つの電極を対向して設置して、燃料電池の電解質膜を挟んだ電極間の静電容量を計測することを特徴とする。
【００１４】
これによると、セルの電極に近い電解質膜の静電容量を計測するため、セルの電極の水分状態を正確に診断（推定）することができる。また、電解質膜内の水分状態を直接測定できることから、電解質膜の乾燥湿潤状態を診断することができる。
【００１５】
請求項７に記載の発明のように、計測した静電容量の大小にて水分状態を診断することができる。
【００１６】
請求項８に記載の発明のように、検出手段は、燃料電池の外部におけるガスの流路（２０、３０）中に２つの電極を対向して設置して、流通するガスが２つの電極を通過した際の電極間の静電容量を計測することができる。
【００１７】
請求項９に記載の発明のように、検出手段（５００）は、光学特性を利用してガス中の水分量を計測するものを用いることができる。
【００１８】
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。
【００１９】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示す図で、この燃料電池システムは、例えば燃料電池を電源として走行する電気自動車に適用される。
【００２０】
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１０を備えている。この燃料電池１０は、電気負荷１１や２次電池（図示せず）等の電気機器に電力を供給するものである。因みに、電気自動車の場合、車両走行用の電動モータが電気負荷１１に相当する。
【００２１】
本実施形態では燃料電池１０として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となる燃料電池セルが複数個積層され、且つ電気的に直列接続されている。燃料電池１０では、水素および空気（酸素）が供給されることにより、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。
【００２２】
（燃料極側）Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
（空気極側）２Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ
燃料電池システムには、燃料電池１０の空気極（正極）側に空気（酸素）を供給するための空気流路２０と、燃料電池１０の燃料極（負極）側に水素を供給するための燃料流路３０が設けられている。なお、空気は本発明の酸化ガスに相当し、水素は本発明の燃料ガスに相当する。
【００２３】
空気流路２０の最上流部には、大気中から吸入した空気を燃料電池１０に圧送するための空気ポンプ２１が設けられ、空気流路２０における空気ポンプ２１と燃料電池１０との間には、空気への加湿を行う加湿器２２が設けられている。
【００２４】
空気流路２０における燃料電池１０の下流側には、燃料電池１０に供給される空気の圧力を調整するための空気調圧弁２３が設けられ、空気流路２０における燃料電池１０と空気調圧弁２３との間には、燃料電池１０から排出された空気の酸素濃度に対応した電気信号を出力する酸素濃度センサ２４と、燃料電池１０から排出された空気中の液滴量に対応した電気信号を出力する空気側液滴センサ２５が設けられている。なお、酸素濃度センサ２４および空気側液滴センサ２５は本発明の検出手段に相当する。
【００２５】
燃料流路３０の最上流部には、水素ガスが充填された水素ボンベ３１が設けられ、燃料流路３０における水素ボンベ３１と燃料電池１０との間には、燃料電池１０に供給される水素の圧力を調整して燃料電池１０への水素供給量を調整する水素調圧弁３２が設けられ、水素調圧弁３２と燃料電池１０との間には、水素への加湿を行う加湿器３３が設けられている。
【００２６】
燃料流路３０における燃料電池１０の下流側には、水素ボンベ３１から燃料電池１０に供給される水素の流量を調整する水素出口流量調整弁３４が設けられ、燃料流路３０における燃料電池１０と水素出口流量調整弁３４との間には、燃料電池１０から排出された水素の濃度に対応した電気信号を出力する水素濃度センサ３５と、燃料電池１０から排出された水素中の液滴量に対応した電気信号を出力する水素側液滴センサ３６が設けられている。なお、水素濃度センサ３５および水素側液滴センサ３６は本発明の検出手段に相当する。
【００２７】
制御部（ＥＣＵ）４０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータとその周辺回路にて構成されている。そして、制御部４０には、各センサ２４、２５、３５、３６からの信号が入力される。また、制御部４０は、演算結果に基づいて、空気ポンプ２１、加湿器２２、空気調圧弁２３、水素調圧弁３２、加湿器３３、水素出口流量調整弁３４に制御信号を出力する。
【００２８】
上記構成になる燃料電池システムは、各センサ２４、２５、３５、３６からの信号に基づいて、ガスが流通する部位の水分状態を検出し、その検出結果に基づいて制御部４０が燃料電池１０の内部の水分状態、より具体的にはセルの電極近傍の水分状態を診断するようになっている。
【００２９】
まず、水素濃度センサ３５および水素側液滴センサ３６による水分状態検出の考え方を、図２を用いて説明する。図２の横軸は水分濃度、縦軸は水素濃度および液滴量であり、図中の実線の特性線は水素濃度を示し、図中の破線の特性線は液滴量を示している。
【００３０】
水素と水の混合流体、水素と水蒸気の混合流体、あるいは水素と水と水蒸気の混合流体が、ある一定空間に存在するとする。このとき、水分濃度が飽和蒸気濃度以下の領域では、水分濃度の増加と共に水素濃度が減少していく。
【００３１】
水分濃度が飽和蒸気濃度になると水蒸気が凝縮して液滴が発生する。そして、水分濃度が飽和蒸気濃度を超えた領域では、気体としても水蒸気濃度の増加がなくなるため水素濃度は一定に保たれるが、液滴の発生量は水分濃度の増加に伴って増加していく。
【００３２】
従って、水素濃度および液滴量を検出することにより、燃料流路３０における両センサ３５、３６設置部の水分状態（すなわち、水分の量と相の状態）を検出することができる。
【００３３】
そして、両センサ３５、３６設置部の水分状態と燃料電池１０内部の水分状態との相関を予め測定しておくことにより、両センサ３５、３６からの信号に基づいて燃料電池１０内部の水分状態を診断することができる。
【００３４】
また、酸素濃度センサ２４および空気側液滴センサ２５により酸素濃度および液滴量を検出することにより、空気流路２０における両センサ２４、２５設置部の水分状態を検出することができる。従って、両センサ２４、２５設置部の水分状態と燃料電池１０内部の水分状態との相関を予め測定しておくことにより、両センサ２４、２５からの信号に基づいて燃料電池１０内部の水分状態を診断することができる。
【００３５】
以上のようにして、燃料電池１０内部の水分状態を診断し、その診断結果に基づいて加湿器２２、３３による加湿量を調整して、燃料電池１０内部の水分状態を適切に制御することにより、セルの電極での液滴滞留や電解質膜の乾燥を防止して、燃料電池１０の出力低下を防止することができる。
【００３６】
なお、本実施形態では、空気流路２０における燃料電池１０の下流側、あるいは、燃料流路３０における燃料電池１０の下流側に、各センサ２４、２５、３５、３６を設置したが、各センサ２４、２５、３５、３６は、各流路２０、３０における燃料電池１０の上流側に設置してもよいし、燃料電池１０の内部に設置してもよい。
【００３７】
また、各センサ２４、２５、３５、３６はそれぞれ１つずつ設けたが、多数のセルを複数個のセルグループに分け、各センサ２４、２５、３５、３６をセルグループ毎に設けてもよい。
【００３８】
また、診断を簡素化するために、水素濃度と燃料電池１０内部の水分状態との相関を予め測定しておき、４つのセンサ２４、２５、３５、３６のうち水素濃度センサ３５のみを用いて燃料電池１０内部の水分状態を診断するようにしてもよい。この場合、液滴量は検出不可能であるが、飽和蒸気濃度以下の領域の水分濃度と、液滴発生の有無は検出可能である。また、図３に示すように、水素濃度センサ３５は温度が高いほど水分濃度の計測範囲が増加するため、センサ設置部の温度がなるべく高くなるようにして用いるのが望ましい。
【００３９】
また、診断を簡素化するために、酸素濃度と燃料電池１０内部の水分状態との相関を予め測定しておき、４つのセンサ２４、２５、３５、３６のうち酸素濃度センサ２４のみを用いて燃料電池１０内部の水分状態を診断するようにしてもよい。
【００４０】
また、液滴量と燃料電池１０内部の水分状態との相関を予め測定しておき、４つのセンサ２４、２５、３５、３６のうち、空気側液滴センサ２５のみを用いて、あるいは水素側液滴センサ３６のみを用いて、燃料電池１０内部の水分状態を診断するようにしてもよい。
【００４１】
（第２実施形態）
本実施形態は、液滴センサの具体例を示すもので、図４に示す本実施形態の液滴センサ１００は、静電容量に応じた電気信号を出力する静電容量式センサであり、所定の間隔を隔てて対向して配置された２つの電極１０１、１０２を有し、電極１０１、１０２間を空気または水素のガスが通過するようになっている。なお、液滴センサ１００は本発明の検出手段に相当する。
【００４２】
電極１０１、１０２において対向している部分の面積を対向面積Ｓとすると、通過するガス中の水分量が多いほど対向面積Ｓに占める液滴Ｗの割合が高くなる。空気または水素の誘電率よりも液滴Ｗの誘電率の方が高いため、図５に示すように、水分量（液滴量）の増加に伴って静電容量も増加する。
【００４３】
そして、液滴センサ１００の出力と燃料電池１０内部の水分状態との相関を予め測定しておくことにより、液滴センサ１００の出力に基づいて燃料電池１０内部の水分状態を診断することができる。
【００４４】
なお、電極１０１、１０２の対向面積Ｓが小さい場合は、図６に示すように、液滴通過の有無によって静電容量はオン−オフ的に大きく変化する。この場合は、単位時間当たりの液滴通過回数と燃料電池１０内部の水分状態との相関を予め測定しておくことにより、液滴センサ１００の出力に基づいて燃料電池１０内部の水分状態を診断することができる。
【００４５】
（第３実施形態）
本実施形態は、第２実施形態の液滴センサ（図４参照）の変形例である。図７に示す本実施形態の液滴センサ２００は、静電容量に応じた電気信号を出力する静電容量式センサであり、所定の間隔を隔てて対向して配置された２つの電極２０１、２０２間に、吸水量に応じて誘電率が変化する誘電体２０３を有し、誘電体２０３内を空気または水素のガスが通過するようになっている。なお、液滴センサ２００は本発明の検出手段に相当する。
【００４６】
そして、通過するガス中の水分量が多いほど誘電体２０３の吸水量が増加して静電容量も増加する。従って、液滴センサ２００の出力に基づいて燃料電池１０内部の水分状態を診断することができる。
【００４７】
なお、誘電体２０３の代わりに、水を保持しやすい多孔体を用いて、流れている液滴を多孔体で捕集して、多孔体内に保持された水による静電容量の変化を測定しても良い。
【００４８】
（第４実施形態）
第１実施形態では、燃料電池１０の外部の空気流路２０あるいは燃料流路３０に液滴センサ２５、３６を設置したのに対し、本実施形態では、図８に示すように、図４に示した液滴センサ１００を燃料電池１０の内部に設置している。
【００４９】
図８は燃料電池１０を構成するセル３００の断面構成を示しており、セル３００は、電解質膜３０１と、触媒層３０２と、拡散層３０３と、セパレータ３０４とから構成されている。
【００５０】
電解質膜３０１はプロトン導伝性のイオン交換膜から形成されている。白金等からなる触媒層３０２と、カーボン材により形成された集電材としての拡散層３０３とにより、セル３００の電極を構成している。セパレータ３０４は、ガスが透過しない導電性部材（例えばカーボン材）にて形成されている。
【００５１】
触媒層３０２および拡散層３０３は、電解質膜３０１を両側から挟み込むように配置され、セパレータ３０４は、触媒層３０２および拡散層３０３を両側から挟み込むように配置されている。拡散層３０３とセパレータ３０４との間には、空気または水素が通過するガス流路３０５が形成されている。このガス流路３０５中に、液滴センサ１００が設置されており、空気または水素のガスが通過するようになっている。なお、セパレータ３０４は、隣接するセル間で水素と空気の流路を分離すると共に、セル間の電気的接続を確保する役割も有している。
【００５２】
本実施形態では、セル３００の電極の近傍の水分状態を検出するため、セル３００の電極の水分状態を正確に診断（推定）することができる。しかも、ガス流路３０５、すなわち空間部に、液滴センサ１００を設置するため、液滴センサ１００の取り付けが容易である。
【００５３】
なお、本実施形態では、図４に示す液滴センサ１００を用いたが、図７に示す液滴センサ２００を用いてもよい。
【００５４】
（第５実施形態）
第４実施形態では、液滴センサ１００をセル３００内のガス流路３０５中に設置したのに対し、本実施形態では、図９に示すように、図７に示した液滴センサ２００をセル３００内の拡散層３０３中に設置している。
【００５５】
本実施形態では、セル３００の電極を構成する拡散層３０３部分の静電容量を計測するため、セル３００の電極の水分状態を正確に診断（推定）することができる。
【００５６】
（第６実施形態）
本実施形態は、液滴センサとして、電解質膜３０１の一部を利用した静電容量式センサを用いたものである。
【００５７】
図１０に示すように、液滴センサ４００は、触媒層３０２および拡散層３０３の一部を切り欠き、その切り欠いた部位における電解質膜３０１の両側にセンサの電極４０１を配置している。また、この電極４０１の周囲を絶縁部材４０２にて覆うことにより、触媒層３０２および拡散層３０３と電極４０１との間を絶縁している。なお、液滴センサ４００は本発明の検出手段に相当する。
【００５８】
上記構成になる液滴センサ４００は、図１１に示すように、電解質膜３０１の含水量の増加に伴って静電容量も増加する。従って、液滴センサ４００の出力と燃料電池１０内部の水分状態との相関を予め測定しておくことにより、液滴センサ４００の出力に基づいて燃料電池１０内部の水分状態を診断することができる。
【００５９】
本実施形態では、セル３００の電極に近い電解質膜３０１の静電容量を計測するため、セル３００の電極の水分状態を正確に診断（推定）することができる。
【００６０】
（第７実施形態）
本実施形態は、液滴センサの具体例を示すもので、図１２、図１３に示す本実施形態の液滴センサ５００は、光学特性の変化に応じて電気信号の出力が変化する光学式センサである。なお、液滴センサ５００は本発明の検出手段に相当する。
【００６１】
図１２、図１３に示すように、液滴センサ５００は、光を発する発光素子５０１と、発光素子５０１からの光を受ける受光素子５０２とを有し、両素子５０１、５０２は、空気流路２０または燃料流路３０を形成する配管の外側に対向して設置されている。
【００６２】
流路２０、３０内を通過するガス中に液滴が含まれていると、その液滴が液滴センサ５００部を通過する度に、発光素子５０１から受光素子５０２に向かう光が遮られて出力が変化し、図１４に示すように、水分量（液滴量）の増加に伴って単位時間当たりの受光時間が短くなる。
【００６３】
そして、液滴センサ５００の単位時間当たりの受光時間と燃料電池１０内部の水分状態との相関を予め測定しておくことにより、液滴センサ５００の出力に基づいて燃料電池１０内部の水分状態を診断することができる。
【００６４】
なお、この液滴センサ５００をセル３００内に設置してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の燃料電池システムの全体構成を示す概略図である。
【図２】水分濃度と水素濃度および液滴量との関係を示す図である。
【図３】図１の水素濃度センサ３５の特性図である。
【図４】第２実施形態の燃料電池システムで用いる液滴センサの構成図である。
【図５】図４の液滴センサ１００の特性図である。
【図６】図４の液滴センサ１００の対向面積を小さくした場合の特性図である。
【図７】第３実施形態の燃料電池システムで用いる液滴センサの構成図である。
【図８】第４実施形態の燃料電池システムで用いる液滴センサの近傍の構成図である。
【図９】第５実施形態の燃料電池システムで用いる液滴センサの近傍の構成図である。
【図１０】第６実施形態の燃料電池システムで用いる液滴センサの近傍の構成図である。
【図１１】図１０の液滴センサ４００の特性図である。
【図１２】第７実施形態の燃料電池システムで用いる液滴センサの近傍の斜視図である。
【図１３】図１２の液滴センサ４００の近傍の断面図である。
【図１４】図１２の液滴センサ４００の特性図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池、２４、２５、３５、３６、１００、２００、４００、５００…検出手段をなすセンサ。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell that generates electric energy by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, and is used as a generator for vehicles such as vehicles, ships, and portable generators, or a household generator. It is effective to apply.
[0002]
2. Description of the Related Art
In a fuel cell system that generates power using an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, a shortage of hydrogen or oxygen supply, droplet retention in a flow path in which hydrogen or oxygen flows, or a decrease in conductivity due to drying of an electrolyte membrane, The output of the fuel cell decreases. Therefore, the requested output cannot be output. The power conversion efficiency of the fuel cell decreases. Further, when the fuel cell system is operated under such conditions, the deterioration of the fuel cell is accelerated, leading to a decrease in reliability.
[0003]
Incidentally, the reliability can be improved by operating under operating conditions having a larger margin, but the efficiency of the system is reduced due to the excessive supply of hydrogen or oxygen or the excessive supply of humidified water.
[0004]
Then, in order to address the above problem, the water condition inside the fuel cell is accurately diagnosed (estimated), and more specifically, the water condition of the cell electrode is accurately diagnosed, and based on the diagnosis result. It is necessary to appropriately control the moisture state inside the fuel cell.
[0005]
The present invention has been made in view of the above points, and has as its object to enable appropriate control of the moisture state inside a fuel cell.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, there is provided a fuel cell (10) which generates electric energy by an electrochemical reaction between a fuel gas mainly containing hydrogen and an oxidizing gas mainly containing oxygen. Detecting means (24, 25, 35, 36, 100, 200, 400, 500) for detecting a water state of a portion through which gas flows, and detecting a water content in the fuel cell based on a detection result of the detecting means. The condition is diagnosed.
[0007]
According to this, it is possible to appropriately control the water state inside the fuel cell based on the diagnosis result of the water state inside the fuel cell, thereby preventing the retention of droplets in the gas flow path and the drying of the electrolyte membrane. Thus, it is possible to prevent the output of the fuel cell from decreasing.
[0008]
The detecting means according to the first aspect of the present invention may be installed inside the fuel cell as in the second aspect of the present invention, or may be installed in the fuel cell as in the sixth aspect of the present invention. It may be installed in the gas flow path (20, 30) outside.
[0009]
According to the third aspect of the present invention, the detecting means (100) disposes the two electrodes (201, 202) in the gas flow path (305) inside the fuel cell so as to oppose the flowing gas. It is characterized in that the capacitance between the electrodes when passing between the two electrodes is measured.
[0010]
By the way, since the permittivity of water is higher than the permittivity of air or hydrogen, as shown in FIG. 5, the capacitance increases as the amount of water increases. Therefore, by previously measuring the correlation between the capacitance and the moisture state inside the fuel cell, it is possible to diagnose the moisture state inside the fuel cell based on the capacitance. Further, according to this, the mounting of the detecting means is easier than in the invention according to claim 4 or 5.
[0011]
According to the fourth aspect of the present invention, the detecting means (200) is provided with two electrodes opposed to each other in the diffusion layer portion inside the fuel cell so that the electrode between the electrodes when the gas flowing in the diffusion layer passes therethrough. Is measured.
[0012]
According to this, the capacitance of the diffusion layer constituting the electrode of the cell is measured, so that the water state of the electrode of the cell can be accurately diagnosed (estimated).
[0013]
In the invention described in claim 5, the detecting means (400) measures the capacitance between the electrodes sandwiching the electrolyte membrane of the fuel cell by arranging two electrodes on the surface or inside the electrolyte membrane to face each other. It is characterized by doing.
[0014]
According to this, since the capacitance of the electrolyte membrane close to the electrode of the cell is measured, the water state of the electrode of the cell can be accurately diagnosed (estimated). Further, since the water state in the electrolyte membrane can be directly measured, the dry and wet state of the electrolyte membrane can be diagnosed.
[0015]
As in the seventh aspect of the present invention, the water condition can be diagnosed based on the magnitude of the measured capacitance.
[0016]
As in the invention according to claim 8, the detecting means is provided with two electrodes opposed to each other in a gas flow path (20, 30) outside the fuel cell, and the flowing gas sets the two electrodes together. The capacitance between the electrodes when passing can be measured.
[0017]
As in the ninth aspect of the present invention, the detecting means (500) can use a means for measuring the amount of water in the gas using optical characteristics.
[0018]
In addition, the code | symbol in the parenthesis of each said means shows the correspondence with the concrete means described in embodiment mentioned later.
[0019]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
(1st Embodiment)
FIG. 1 is a diagram showing an overall configuration of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention. This fuel cell system is applied to, for example, an electric vehicle that runs using a fuel cell as a power source.
[0020]
As shown in FIG. 1, the fuel cell system according to the present embodiment includes a fuel cell 10 that generates electric power using an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. The fuel cell 10 supplies power to electric devices such as an electric load 11 and a secondary battery (not shown). Incidentally, in the case of an electric vehicle, an electric motor for driving the vehicle corresponds to the electric load 11.
[0021]
In this embodiment, a solid polymer electrolyte fuel cell is used as the fuel cell 10, and a plurality of fuel cells serving as basic units are stacked and electrically connected in series. In the fuel cell 10, the supply of hydrogen and air (oxygen) causes the following electrochemical reaction between hydrogen and oxygen to generate electric energy.
[0022]
(Fuel electrode _{^{side) H 2 → 2H + + 2e}} -
(Air electrode side) 2H ⁺ + 1 / 2O ₂ + 2e ⁻ → H ₂ O
The fuel cell system includes an air flow path 20 for supplying air (oxygen) to an air electrode (positive electrode) side of the fuel cell 10 and a fuel for supplying hydrogen to a fuel electrode (negative electrode) side of the fuel cell 10. A channel 30 is provided. Note that air corresponds to the oxidizing gas of the present invention, and hydrogen corresponds to the fuel gas of the present invention.
[0023]
An air pump 21 for pumping air sucked from the atmosphere into the fuel cell 10 is provided at the most upstream portion of the air flow path 20, and between the air pump 21 and the fuel cell 10 in the air flow path 20. And a humidifier 22 for humidifying the air.
[0024]
An air pressure regulating valve 23 for adjusting the pressure of the air supplied to the fuel cell 10 is provided downstream of the fuel cell 10 in the air flow path 20, and the fuel cell 10 and the air pressure regulating valve 23 in the air flow path 20 are provided. And an oxygen concentration sensor 24 that outputs an electric signal corresponding to the oxygen concentration of the air discharged from the fuel cell 10, and an electric signal corresponding to the amount of droplets in the air discharged from the fuel cell 10. An output air-side droplet sensor 25 is provided. Note that the oxygen concentration sensor 24 and the air-side droplet sensor 25 correspond to the detection unit of the present invention.
[0025]
A hydrogen cylinder 31 filled with hydrogen gas is provided at the most upstream portion of the fuel flow path 30, and between the hydrogen cylinder 31 and the fuel cell 10 in the fuel flow path 30, hydrogen supplied to the fuel cell 10 is provided. A hydrogen pressure regulating valve 32 for regulating the pressure of the fuel cell 10 to regulate the amount of hydrogen supplied to the fuel cell 10 is provided, and a humidifier 33 for humidifying hydrogen is provided between the hydrogen pressure regulating valve 32 and the fuel cell 10. Has been.
[0026]
On the downstream side of the fuel cell 10 in the fuel flow path 30, a hydrogen outlet flow rate adjusting valve 34 for adjusting the flow rate of hydrogen supplied from the hydrogen cylinder 31 to the fuel cell 10 is provided. A hydrogen concentration sensor 35, which outputs an electric signal corresponding to the concentration of hydrogen discharged from the fuel cell 10, is provided between the hydrogen outlet flow control valve 34 and a hydrogen droplet amount in the hydrogen discharged from the fuel cell 10. A hydrogen-side droplet sensor 36 that outputs a corresponding electric signal is provided. Note that the hydrogen concentration sensor 35 and the hydrogen-side droplet sensor 36 correspond to the detecting means of the present invention.
[0027]
The control unit (ECU) 40 includes a well-known microcomputer including a CPU, a ROM, a RAM, and the like, and peripheral circuits thereof. Then, signals from the sensors 24, 25, 35, 36 are input to the control unit 40. Further, the control unit 40 outputs a control signal to the air pump 21, the humidifier 22, the air pressure regulating valve 23, the hydrogen pressure regulating valve 32, the humidifier 33, and the hydrogen outlet flow rate regulating valve 34 based on the calculation result.
[0028]
The fuel cell system having the above-described configuration detects the moisture state of a portion through which gas flows based on signals from the sensors 24, 25, 35, and 36, and the control unit 40 Of the cell, more specifically, the state of water near the electrode of the cell.
[0029]
First, the concept of detecting the moisture state by the hydrogen concentration sensor 35 and the hydrogen-side droplet sensor 36 will be described with reference to FIG. The horizontal axis in FIG. 2 shows the moisture concentration, the vertical axis shows the hydrogen concentration and the droplet amount, the solid characteristic line in the figure shows the hydrogen concentration, and the broken characteristic line in the figure shows the droplet amount.
[0030]
It is assumed that a mixed fluid of hydrogen and water, a mixed fluid of hydrogen and steam, or a mixed fluid of hydrogen, water, and steam exists in a certain space. At this time, in a region where the moisture concentration is equal to or lower than the saturated vapor concentration, the hydrogen concentration decreases as the moisture concentration increases.
[0031]
When the moisture concentration becomes the saturated vapor concentration, the water vapor condenses to generate droplets. In the region where the water concentration exceeds the saturated vapor concentration, the hydrogen concentration is kept constant because the water vapor concentration does not increase even as a gas, but the amount of generated droplets increases with the increase in the water concentration. Go.
[0032]
Therefore, by detecting the hydrogen concentration and the amount of liquid droplets, it is possible to detect the water state (that is, the state of the water amount and the phase) of the installation portions of both the sensors 35 and 36 in the fuel flow path 30.
[0033]
By previously measuring the correlation between the moisture state of the installation portions of the sensors 35 and 36 and the moisture state inside the fuel cell 10, the moisture state inside the fuel cell 10 is determined based on the signals from the sensors 35 and 36. Can be diagnosed.
[0034]
Further, by detecting the oxygen concentration and the amount of droplets by the oxygen concentration sensor 24 and the air-side droplet sensor 25, it is possible to detect the moisture state of the installation portion of both the sensors 24 and 25 in the air flow path 20. Therefore, by previously measuring the correlation between the moisture state of the installation part of both sensors 24 and 25 and the moisture state inside the fuel cell 10, the moisture state inside the fuel cell 10 based on the signals from both sensors 24 and 25 is measured. Can be diagnosed.
[0035]
As described above, the water condition inside the fuel cell 10 is diagnosed, and the humidification amount by the humidifiers 22 and 33 is adjusted based on the diagnosis result, whereby the water condition inside the fuel cell 10 is appropriately controlled. In addition, it is possible to prevent the droplets from staying at the electrodes of the cell and to prevent the electrolyte membrane from drying, thereby preventing the output of the fuel cell 10 from decreasing.
[0036]
In the present embodiment, the sensors 24, 25, 35, and 36 are installed on the downstream side of the fuel cell 10 in the air flow path 20 or on the downstream side of the fuel cell 10 in the fuel flow path 30. The fuel cells 24, 25, 35, and 36 may be installed on the respective channels 20 and 30 on the upstream side of the fuel cell 10, or may be installed inside the fuel cell 10.
[0037]
Further, although each of the sensors 24, 25, 35, and 36 is provided one by one, a large number of cells may be divided into a plurality of cell groups, and the sensors 24, 25, 35, and 36 may be provided for each cell group. .
[0038]
Further, in order to simplify the diagnosis, the correlation between the hydrogen concentration and the water state inside the fuel cell 10 is measured in advance, and only the hydrogen concentration sensor 35 among the four sensors 24, 25, 35, and 36 is used. The state of water inside the fuel cell 10 may be diagnosed. In this case, the droplet amount cannot be detected, but the moisture concentration in the region below the saturated vapor concentration and the presence / absence of droplet generation can be detected. Further, as shown in FIG. 3, the hydrogen concentration sensor 35 is desirably used so that the temperature of the sensor installation portion is as high as possible because the higher the temperature, the greater the measurement range of the moisture concentration.
[0039]
Further, in order to simplify the diagnosis, the correlation between the oxygen concentration and the water state inside the fuel cell 10 is measured in advance, and only the oxygen concentration sensor 24 is used among the four sensors 24, 25, 35, and 36. The state of water inside the fuel cell 10 may be diagnosed.
[0040]
Further, the correlation between the amount of liquid droplets and the water state inside the fuel cell 10 is measured in advance, and only the air-side liquid droplet sensor 25 of the four sensors 24, 25, 35, and 36 is used, The water condition inside the fuel cell 10 may be diagnosed using only the droplet sensor 36.
[0041]
(2nd Embodiment)
The present embodiment shows a specific example of a droplet sensor. The droplet sensor 100 of this embodiment shown in FIG. 4 is a capacitance type sensor that outputs an electric signal corresponding to the capacitance. The two electrodes 101 and 102 are disposed so as to be opposed to each other with a space between them, and air or hydrogen gas passes between the electrodes 101 and 102. Note that the droplet sensor 100 corresponds to the detecting unit of the present invention.
[0042]
Assuming that the area of the opposing portions of the electrodes 101 and 102 is the opposing area S, the proportion of the droplet W in the opposing area S increases as the amount of moisture in the passing gas increases. Since the permittivity of the droplet W is higher than the permittivity of air or hydrogen, as shown in FIG. 5, the capacitance increases as the amount of water (the amount of droplet) increases.
[0043]
Then, by previously measuring the correlation between the output of the droplet sensor 100 and the moisture state inside the fuel cell 10, the moisture state inside the fuel cell 10 can be diagnosed based on the output of the droplet sensor 100. .
[0044]
When the facing area S of the electrodes 101 and 102 is small, as shown in FIG. 6, the capacitance greatly changes on and off depending on the presence or absence of the passage of the droplet. In this case, the correlation between the number of times of liquid droplet passing per unit time and the water state inside the fuel cell 10 is measured in advance, and the water state inside the fuel cell 10 is diagnosed based on the output of the liquid droplet sensor 100. can do.
[0045]
(Third embodiment)
This embodiment is a modification of the droplet sensor of the second embodiment (see FIG. 4). The droplet sensor 200 according to the present embodiment illustrated in FIG. 7 is a capacitance type sensor that outputs an electric signal according to the capacitance, and includes two electrodes 201 that are opposed to each other at a predetermined interval. A dielectric 203 whose dielectric constant changes according to the amount of water absorption is provided between 202, and air or hydrogen gas passes through the dielectric 203. Note that the droplet sensor 200 corresponds to the detecting unit of the present invention.
[0046]
Then, as the amount of moisture in the gas passing therethrough increases, the amount of water absorbed by the dielectric 203 increases, and the capacitance also increases. Therefore, the water condition inside the fuel cell 10 can be diagnosed based on the output of the droplet sensor 200.
[0047]
In addition, instead of the dielectric 203, using a porous body that easily holds water, the flowing droplets are collected by the porous body, and the change in capacitance due to the water held in the porous body is measured. May be.
[0048]
(Fourth embodiment)
In the first embodiment, the droplet sensors 25 and 36 are provided in the air flow path 20 or the fuel flow path 30 outside the fuel cell 10. In the present embodiment, as shown in FIG. The illustrated droplet sensor 100 is installed inside the fuel cell 10.
[0049]
FIG. 8 shows a cross-sectional configuration of a cell 300 constituting the fuel cell 10. The cell 300 includes an electrolyte membrane 301, a catalyst layer 302, a diffusion layer 303, and a separator 304.
[0050]
The electrolyte membrane 301 is formed from a proton conductive ion exchange membrane. An electrode of the cell 300 is constituted by a catalyst layer 302 made of platinum or the like and a diffusion layer 303 formed of a carbon material as a current collector. The separator 304 is formed of a conductive member (for example, a carbon material) through which gas does not pass.
[0051]
The catalyst layer 302 and the diffusion layer 303 are arranged to sandwich the electrolyte membrane 301 from both sides, and the separator 304 is arranged to sandwich the catalyst layer 302 and the diffusion layer 303 from both sides. A gas passage 305 through which air or hydrogen passes is formed between the diffusion layer 303 and the separator 304. The droplet sensor 100 is provided in the gas flow path 305 so that air or hydrogen gas passes therethrough. Note that the separator 304 has a role of separating the flow path of hydrogen and air between adjacent cells and also ensuring electrical connection between the cells.
[0052]
In the present embodiment, since the water state near the electrode of the cell 300 is detected, the water state of the electrode of the cell 300 can be accurately diagnosed (estimated). Moreover, since the droplet sensor 100 is installed in the gas flow path 305, that is, in the space, the attachment of the droplet sensor 100 is easy.
[0053]
In this embodiment, the droplet sensor 100 shown in FIG. 4 is used, but the droplet sensor 200 shown in FIG. 7 may be used.
[0054]
(Fifth embodiment)
In the fourth embodiment, the droplet sensor 100 is installed in the gas flow path 305 in the cell 300. In the present embodiment, as shown in FIG. 9, the droplet sensor 200 shown in FIG. It is installed in the diffusion layer 303 in 300.
[0055]
In the present embodiment, since the capacitance of the diffusion layer 303 constituting the electrode of the cell 300 is measured, the water state of the electrode of the cell 300 can be accurately diagnosed (estimated).
[0056]
(Sixth embodiment)
In the present embodiment, a capacitance sensor using a part of the electrolyte membrane 301 is used as a droplet sensor.
[0057]
As shown in FIG. 10, the droplet sensor 400 has a cutout in a part of the catalyst layer 302 and the diffusion layer 303, and the sensor electrodes 401 are arranged on both sides of the electrolyte membrane 301 in the cutout portion. In addition, by covering the periphery of the electrode 401 with an insulating member 402, the catalyst 401 and the diffusion layer 303 are insulated from the electrode 401. Note that the droplet sensor 400 corresponds to the detection unit of the present invention.
[0058]
In the droplet sensor 400 having the above configuration, as shown in FIG. 11, the capacitance increases as the water content of the electrolyte membrane 301 increases. Therefore, by previously measuring the correlation between the output of the droplet sensor 400 and the moisture state inside the fuel cell 10, the moisture state inside the fuel cell 10 can be diagnosed based on the output of the droplet sensor 400. .
[0059]
In the present embodiment, since the capacitance of the electrolyte membrane 301 close to the electrode of the cell 300 is measured, the water state of the electrode of the cell 300 can be accurately diagnosed (estimated).
[0060]
(Seventh embodiment)
This embodiment shows a specific example of a droplet sensor. The droplet sensor 500 of this embodiment shown in FIGS. 12 and 13 is an optical sensor in which the output of an electric signal changes according to the change in optical characteristics. It is. Note that the droplet sensor 500 corresponds to the detecting unit of the present invention.
[0061]
As shown in FIGS. 12 and 13, the droplet sensor 500 includes a light emitting element 501 that emits light and a light receiving element 502 that receives light from the light emitting element 501. It is installed facing the outside of the pipe forming the fuel passage 20 or the fuel flow path 30.
[0062]
When a droplet is contained in the gas passing through the flow paths 20 and 30, light traveling from the light emitting element 501 to the light receiving element 502 is blocked every time the droplet passes through the droplet sensor 500. The output changes, and as shown in FIG. 14, the light receiving time per unit time becomes shorter as the amount of water (the amount of liquid droplets) increases.
[0063]
Then, by previously measuring the correlation between the light receiving time per unit time of the droplet sensor 500 and the moisture state inside the fuel cell 10, the moisture state inside the fuel cell 10 is determined based on the output of the droplet sensor 500. Can be diagnosed.
[0064]
The droplet sensor 500 may be provided in the cell 300.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an overall configuration of a fuel cell system according to a first embodiment.
FIG. 2 is a diagram illustrating a relationship among a water concentration, a hydrogen concentration, and a droplet amount.
FIG. 3 is a characteristic diagram of the hydrogen concentration sensor 35 of FIG.
FIG. 4 is a configuration diagram of a droplet sensor used in a fuel cell system according to a second embodiment.
FIG. 5 is a characteristic diagram of the droplet sensor 100 of FIG.
FIG. 6 is a characteristic diagram when the facing area of the droplet sensor 100 of FIG. 4 is reduced.
FIG. 7 is a configuration diagram of a droplet sensor used in a fuel cell system according to a third embodiment.
FIG. 8 is a configuration diagram near a droplet sensor used in a fuel cell system according to a fourth embodiment.
FIG. 9 is a configuration diagram near a droplet sensor used in a fuel cell system according to a fifth embodiment.
FIG. 10 is a configuration diagram near a droplet sensor used in a fuel cell system according to a sixth embodiment.
FIG. 11 is a characteristic diagram of the droplet sensor 400 of FIG.
FIG. 12 is a perspective view of the vicinity of a droplet sensor used in a fuel cell system according to a seventh embodiment.
FIG. 13 is a cross-sectional view of the vicinity of the droplet sensor 400 of FIG.
FIG. 14 is a characteristic diagram of the droplet sensor 400 of FIG.
[Explanation of symbols]
10: fuel cell, 24, 25, 35, 36, 100, 200, 400, 500 ... sensor as detection means.

Claims

A fuel cell (10) for generating electric energy by an electrochemical reaction between a fuel gas containing hydrogen as a main component and an oxidizing gas containing oxygen as a main component; 24, 25, 35, 36, 100, 200, 400, 500).
A fuel cell system for diagnosing a water state inside the fuel cell based on a detection result of the detection means.

The fuel cell system according to claim 1, wherein the detection unit is provided inside the fuel cell.

The detecting means (100) is provided with two electrodes (201, 202) opposed to each other in a flow path (305) of the gas inside the fuel cell so that a flowing gas flows between the two electrodes. 3. The fuel cell system according to claim 2, wherein the capacitance between the electrodes when passing is measured.

The detection means (200) measures the capacitance between the electrodes when a gas flowing through the diffusion layer passes by placing two electrodes facing each other in a diffusion layer portion inside the fuel cell. 3. The fuel cell system according to claim 2, wherein:

The said detection means (400) arrange | positions two electrodes facing or inside the electrolyte membrane, and measures the electrostatic capacitance between the electrodes which sandwiched the electrolyte membrane of the said fuel cell. Item 3. The fuel cell system according to Item 2.

2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the detection unit is provided in a flow path of the gas outside the fuel cell. 3.

The fuel cell system according to any one of claims 1 to 6, wherein a water condition is diagnosed based on a magnitude of the measured capacitance.

The detection means is provided with two electrodes facing each other in a flow path (20, 30) of the gas outside the fuel cell, and is provided between the electrodes when a flowing gas passes through the two electrodes. The fuel cell system according to claim 1, wherein the capacitance is measured.

The fuel cell system according to claim 1, wherein the detection unit measures the amount of water in the gas using optical characteristics.