JP2005100952A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
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。 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. The present invention relates to a generator for a mobile body such as a vehicle, a ship, and a portable generator, or a household generator. It is effective to apply.
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、水分が不足すると電解質膜が乾燥して電池の出力が低下し、一方、水分が過剰になると電極が水に覆われてガスの透過が阻害され、電池の出力が低下する。したがって、電解質膜の保水状態や電極の濡れ状態を的確に診断して、保水状態や濡れ状態を適正に制御する必要がある。また、反応ガスの供給量が不足した場合も電池の出力が低下するため、反応ガス不足を適確に診断して、反応ガス供給量を適正に制御する必要がある。 In a fuel cell system that generates electricity using an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, the electrolyte membrane dries and the battery output decreases when moisture is insufficient, while the electrode is covered with water when moisture is excessive. As a result, gas permeation is hindered and the output of the battery is reduced. Therefore, it is necessary to accurately diagnose the water retention state of the electrolyte membrane and the wet state of the electrode and to appropriately control the water retention state and the wet state. Further, since the output of the battery is lowered even when the supply amount of the reaction gas is insufficient, it is necessary to appropriately diagnose the lack of the reaction gas and appropriately control the reaction gas supply amount.
ところで、燃料電池の運転状態を診断するには、セル電圧の低下から異常状態を診断する方法が考えられる。また、燃料電池内の電流分布から反応ガスの過不足を診断し、反応ガス流量もしくは負荷電流を制御して燃料電池の破壊を防止するようにしたものも提案されている(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、セル電圧の低下から異常状態を診断する方法の場合、電解質膜の乾燥、過剰な水による反応阻害、および反応ガスの供給不足のいずれによってもセル電圧が低下するため、燃料電池の出力低下要因を特定することができず、したがって出力低下要因に応じた適確な制御が行えないといった問題が発生する。 However, in the case of a method of diagnosing an abnormal state from a decrease in cell voltage, the cell voltage decreases due to drying of the electrolyte membrane, reaction inhibition due to excessive water, and insufficient supply of reaction gas, so the output of the fuel cell decreases. There is a problem that the factor cannot be specified, and therefore, it is not possible to perform accurate control according to the output reduction factor.
一方、特許文献1に記載のシステムでは、反応ガスの過不足のみを診断しているため、出力低下要因を適確に診断することは不可能である。そのため、反応ガス流量以外の水過剰状態や電解質膜の乾燥状態を区別することができず、したがって出力低下要因に応じた適確な制御が行えないといった問題が発生する。
On the other hand, in the system described in
本発明は上記点に鑑みて、燃料電池の出力低下要因を適確に診断可能にすることを目的とする。 In view of the above points, an object of the present invention is to enable accurate diagnosis of a fuel cell output reduction factor.
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、酸化剤ガスと燃料ガス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(10)と、燃料電池内において乾燥しやすい部位(B、C)を流れる電流を測定する電流測定手段(132、133、151、152、161、162、164、165、172、173)と、電流測定手段で測定された電流値に基づいて燃料電池内部の乾燥状態を診断する診断手段(40)とを備えることを特徴とする。これによると、燃料電池が乾燥した際には、それを適確に診断することができる。 In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, a fuel cell (10) that generates an electrical energy by electrochemical reaction of an oxidant gas and a fuel gas, and a portion that is easily dried in the fuel cell ( B, C) Current measuring means (132, 133, 151, 152, 161, 162, 164, 165, 172, 173) for measuring the current flowing through the fuel cell based on the current value measured by the current measuring means And a diagnostic means (40) for diagnosing the internal dry state. According to this, when the fuel cell is dried, it can be accurately diagnosed.
具体的には、請求項2に記載の発明のように、診断手段は、電流測定手段にて測定した電流が所定電流値未満のときは、燃料電池が乾燥状態であると診断することができる。さらに、請求項3に記載の発明のように、電流測定手段で測定された電流値と、予め設定された所定電流値との差に基づいて燃料電池内部の乾燥状態の程度を診断することができる。 Specifically, as in the invention described in claim 2, the diagnosis means can diagnose that the fuel cell is in a dry state when the current measured by the current measurement means is less than a predetermined current value. . Furthermore, as in the third aspect of the invention, the degree of dryness inside the fuel cell can be diagnosed based on the difference between the current value measured by the current measuring means and a predetermined current value set in advance. it can.
請求項4に記載の発明では、燃料電池の電圧を測定する電圧測定手段(12)を備え、診断手段は、電圧測定手段で測定された電圧値と電流測定手段で測定された電流値とに基づいて、燃料電池(10)内において乾燥しやすい部位の抵抗値を演算し、抵抗値に基づいて燃料電池内部の乾燥状態を診断することを特徴とする。これによっても、燃料電池が乾燥した際には、それを適確に診断することができる。 According to a fourth aspect of the present invention, the voltage measuring means (12) for measuring the voltage of the fuel cell is provided, and the diagnostic means is configured to convert the voltage value measured by the voltage measuring means and the current value measured by the current measuring means. Based on this, a resistance value of a portion that is easily dried in the fuel cell (10) is calculated, and a dry state inside the fuel cell is diagnosed based on the resistance value. This also makes it possible to accurately diagnose when the fuel cell has dried.
因みに、請求項1に記載の発明の実施に際しては、請求項5に記載の発明のように、燃料電池(10)は、電解質膜の両側に一対の電極が配置された電解質・電極接合体(100)と、電解質・電極接合体の外側に配置されるとともに酸化剤ガスの流路となる酸化剤ガス流路(113)が形成された第1セパレータ(110)と、電解質・電極接合体の外側に配置されるとともに燃料ガスの流路となる燃料ガス流路(123)が形成された第2セパレータ(120)とを備え、電流測定手段(132、151、161、164、172)は、酸化剤ガス流路における酸化剤ガスの出口部(112)よりも酸化剤ガスの入口部(111)に近い位置で電流を測定するようにしてもよいし、請求項6に記載の発明のように、電流測定手段(133、152、162、165、173)は、燃料ガス流路における燃料ガスの出口部(122)よりも燃料ガスの入口部(121)に近い位置で電流を測定するようにしてもよい。
Incidentally, in carrying out the invention according to
請求項7に記載の発明では、酸化剤ガスと燃料ガス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(10)と、燃料電池(10)内において液滴が滞留しやすい部位(D)を流れる電流を測定する電流測定手段(134、153、163、166、174)と、電流測定手段にて測定した電流値に基づいて燃料電池の水分過剰状態を診断する診断手段(40)を備えることを特徴とする。これによると、燃料電池内部が水分過剰となった際には、それを適確に診断することができる。 In the seventh aspect of the invention, the fuel cell (10) that generates an electric energy by electrochemically reacting the oxidant gas and the fuel gas, and the portion where the droplets are likely to stay in the fuel cell (10) (D ) Current measuring means (134, 153, 163, 166, 174) for measuring the current flowing through the current), and diagnostic means (40) for diagnosing the excess water state of the fuel cell based on the current value measured by the current measuring means. It is characterized by providing. According to this, when the moisture inside the fuel cell becomes excessive, it can be diagnosed accurately.
具体的には、請求項8に記載の発明のように、診断手段は、電流測定手段にて測定した電流が所定電流値未満のときは、燃料電池が水分過剰状態であると診断することができる。さらに、請求項9に記載の発明のように、電流測定手段で測定された電流値と、予め設定された所定電流値との差に基づいて燃料電池(10)内部の水分過剰状態の程度を診断することができる。 Specifically, as in the invention described in claim 8, the diagnosis means can diagnose that the fuel cell is in an excessive water state when the current measured by the current measurement means is less than a predetermined current value. it can. Further, as in the invention described in claim 9, the degree of excess moisture in the fuel cell (10) is determined based on the difference between the current value measured by the current measuring means and a predetermined current value set in advance. Can be diagnosed.
請求項10に記載の発明では、燃料電池の電圧を測定する電圧測定手段(12)を備え、診断手段は、電圧測定手段で測定された電圧値と電流測定手段で測定された電流値とに基づいて、燃料電池(10)内において水分過剰となりやすい部位の抵抗値を演算し、抵抗値に基づいて燃料電池内部の水分過剰状態を診断することを特徴とする。これによっても、燃料電池内部が水分過剰となった際には、それを適確に診断することができる。 In the tenth aspect of the present invention, the voltage measuring means (12) for measuring the voltage of the fuel cell is provided, and the diagnostic means is configured to obtain a voltage value measured by the voltage measuring means and a current value measured by the current measuring means. Based on this, a resistance value of a portion that tends to be excessive in the fuel cell (10) is calculated, and an excessive water state inside the fuel cell is diagnosed based on the resistance value. This also makes it possible to accurately diagnose when the water content in the fuel cell becomes excessive.
請求項11に記載の発明では、酸化剤ガスと燃料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、燃料電池(10)内において燃料ガスが不足しやすい部位(D)を流れる電流を測定する電流測定手段(134、153、163、166、174)と、電流測定手段にて測定した電流値に基づいて燃料電池の燃料ガスの不足状態を診断する診断手段(40)を備えることを特徴とする。これによると、燃料電池への水素の供給量が不足した際には、それを適確に診断することができる。
In the invention described in
具体的には、請求項12に記載の発明のように、診断手段(40)は、電流測定手段にて測定した電流が所定電流値未満で、且つ電流測定手段にて測定した電流の低下速度が所定低下速度以上であるときは、燃料電池への燃料ガスの供給量が不足していると診断することができる。
Specifically, as in the invention described in
請求項13に記載の発明では、酸化剤ガスと燃料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、燃料電池(10)内において水分過剰になりやすく且つ燃料ガスが不足しやすい部位(D)を流れる電流を測定する電流測定手段(134、153、163)と、電流測定手段で測定した電流の低下速度に基づいて、燃料電池の水分過剰と燃料電池の燃料ガス不足とを区別して診断する診断手段(40)とを備えることを特徴とする。 In the invention according to claim 13, the fuel cell (10) that generates electric energy by the electrochemical reaction between the oxidant gas and the fuel gas, the water tends to be excessive in the fuel cell (10), and the fuel gas is insufficient. Based on the current measurement means (134, 153, 163) for measuring the current flowing through the part (D) that is easy to perform, and the rate of decrease in the current measured by the current measurement means, the fuel cell has excessive moisture and the fuel cell has insufficient fuel gas. And a diagnostic means (40) for making a distinction and making a diagnosis.
これによると、燃料電池が水分過剰となった際には、それを適確に診断することができるとともに、燃料電池への水素の供給量が不足した際には、それを適確に診断することができる。また、電流の低下速度によって燃料電池の出力低下要因が水分過剰であるか水素供給不足であるかを特定することができ、したがって出力低下要因に応じた適確な制御を行うことができる。 According to this, when the fuel cell becomes excessive in water, it can be diagnosed accurately, and when the supply amount of hydrogen to the fuel cell is insufficient, it is diagnosed accurately. be able to. In addition, it is possible to specify whether the output reduction factor of the fuel cell is excessive water or insufficient hydrogen supply based on the current decrease rate, and therefore it is possible to perform accurate control according to the output decrease factor.
具体的には、請求項14に記載の発明では、診断手段は、電流測定手段にて測定した電流が所定電流値未満で、且つ電流測定手段にて測定した電流の低下速度が所定低下速度未満であるときは、燃料電池の水分が過剰になっていると診断し、電流測定手段にて測定した電流が所定電流値未満で、且つ電流測定手段にて測定した電流の低下速度が所定低下速度以上であるときは、燃料電池への燃料ガスの供給量が不足していると診断することができる。 Specifically, in the invention described in claim 14, the diagnostic means has a current measured by the current measuring means that is less than a predetermined current value, and a current decrease rate measured by the current measuring means is less than a predetermined decrease speed. When the fuel cell is in excess of water, the current measured by the current measuring means is less than the predetermined current value, and the current decreasing speed measured by the current measuring means is the predetermined decreasing speed. When it is above, it can be diagnosed that the amount of fuel gas supplied to the fuel cell is insufficient.
因みに、請求項7ないし14のいずれか1つに記載の発明の実施に際しては、請求項15に記載の発明のように、燃料電池(10)は、電解質膜の両側に一対の電極が配置された電解質・電極接合体(100)と、電解質・電極接合体の外側に配置されるとともに酸化ガスの流路となる酸化ガス流路(113)が形成された第1セパレータ(110)と、電解質・電極接合体の外側に配置されるとともに燃料ガスの流路となる燃料ガス流路(123)が形成された第2セパレータ(120)とを備え、電流測定手段(134、153、163、166、174)は、燃料ガス流路における燃料ガスの入口部(121)よりも燃料ガスの出口部(122)に近い位置で電流を測定するようにしてもよい。 Incidentally, in carrying out the invention according to any one of claims 7 to 14, as in the invention according to claim 15, the fuel cell (10) has a pair of electrodes disposed on both sides of the electrolyte membrane. An electrolyte / electrode assembly (100), a first separator (110) formed outside the electrolyte / electrode assembly and having an oxidizing gas channel (113) serving as an oxidizing gas channel, and an electrolyte A second separator (120) disposed outside the electrode assembly and having a fuel gas flow path (123) serving as a fuel gas flow path; and current measuring means (134, 153, 163, 166) 174) may measure the current at a position closer to the fuel gas outlet (122) than the fuel gas inlet (121) in the fuel gas flow path.
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。 In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.
(第1実施形態)
図1は第1実施形態に係る燃料電池システムを示す模式図で、この燃料電池システムは例えば電気自動車に適用される。
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic diagram showing a fuel cell system according to the first embodiment, and this fuel cell system is applied to, for example, an electric vehicle.
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、車両走行駆動源としての電動モータが電気負荷11に相当する。
As shown in FIG. 1, the fuel cell system of this embodiment includes a
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、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。
In the present embodiment, a solid polymer electrolyte fuel cell is used as the
(負極側)H2→2H++2e-
(正極側)2H++1/2O2+2e-→H2O
そして、各セル毎の出力電圧を検出するセルモニタ12が設けられ、セルモニタ12で検出したセル電圧信号が後述する制御部40に入力されるようになっている。
(Negative electrode side) H 2 → 2H + + 2e −
(Positive electrode side) 2H + + 1 / 2O 2 + 2e − → H 2 O
A
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の水素極(負極)側に水素を供給するための水素流路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。
The fuel cell system includes an
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、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が設けられている。
An
水素流路30の最上流部には、水素が充填された水素ボンベ31が設けられ、水素流路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するための水素調圧弁32と、水素への加湿を行う加湿器33が設けられている。
A
水素流路30における燃料電池10の下流側は、水素調圧弁32の下流側に接続されて水素流路30が閉ループに構成されており、これにより水素流路30内で水素を循環させて、燃料電池10での未使用水素を燃料電池10に再供給するようにしている。そして、水素流路30における燃料電池10の下流側には、水素流路30内で水素を循環させるための水素ポンプ34が設けられている。
The downstream side of the
制御部(ECU)40は、本発明の診断手段に相当し、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、セルモニタ12からのセル電圧信号や後述する電流センサ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、33、空気調圧弁23、水素調圧弁32、水素ポンプ34に制御信号を出力する。
The control unit (ECU) 40 corresponds to the diagnostic means of the present invention, and is composed of a well-known microcomputer comprising a CPU, ROM, RAM, etc. and its peripheral circuits. The
図2は燃料電池10の単セルを示す模式的な斜視図であり、燃料電池10の単セルは、電解質膜の両側面に電極が配置されたMEA(Membrane Electrode Assembly:電解質・電極接合体)100と、このMEA100を挟持する空気側セパレータ110および水素側セパレータ120で構成されている。また、水素側セパレータ120に隣接して−極の集電板130が配置されている。因みに、空気側セパレータ110は+極の集電板を兼ねている。
FIG. 2 is a schematic perspective view showing a single cell of the
図3は図2の右側から見た空気側セパレータ110の透視図であり、空気側セパレータ110は、空気流路20に接続される空気入口部111および空気出口部112と、空気入口部111から空気出口部112に向かって空気を流すための空気流路溝113とを備えている。なお、空気側セパレータ110は本発明の第1セパレータに相当し、空気流路溝113は本発明の酸化ガス流路に相当し、空気入口部111は本発明の酸化ガスの入口部に相当し、空気出口部112は本発明の酸化ガスの出口部に相当する。
3 is a perspective view of the air-
図4は図2の右側から見た水素側セパレータ120の透視図であり、水素側セパレータ120は、水素流路30に接続される水素入口部121および水素出口部122と、水素入口部121から水素出口部122に向かって水素を流すための水素流路溝123とを備えている。なお、水素側セパレータ120は本発明の第2セパレータに相当し、水素流路溝123は本発明の燃料ガス流路に相当し、水素入口部121は本発明の燃料ガスの入口部に相当し、水素出口部122は本発明の燃料ガスの出口部に相当する。
4 is a perspective view of the
図5は図2における−極側の要部の拡大図、図6は図5のA−A線に沿う断面図である。図2、図5、図6に示すように、集電板130は、主集電板131と3つの副集電板132〜134に分割されている。この主集電板131および3つの副集電板132〜134は、絶縁材よりなる絶縁枠140内に、相互に絶縁された状態で装着されている。
5 is an enlarged view of the main part on the negative electrode side in FIG. 2, and FIG. 6 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. As shown in FIGS. 2, 5, and 6, the
第1副集電板132は、空気側セパレータ110の空気流路溝113における空気出口部112よりも空気入口部111に近い位置、詳細には、空気入口部111近傍(図3に符号Bを付して示す部位)、より詳細には、空気入口部111と一部が重なる位置に、対向して配置されている。第1副集電板132と主集電板131との間は、導電性の第1集電線151により接続されている。第1集電線151には、この第1集電線151を流れる電流を検出する第1電流センサ161が装着されている。
The first
第2副集電板133は、水素側セパレータ120の水素流路溝123における水素出口部122よりも水素入口部121に近い位置、詳細には、水素入口部121近傍(図4に符号Cを付して示す部位)、より詳細には、水素入口部121と一部が重なる位置に、対向して配置されている。第2副集電板133と主集電板131との間は、導電性の第2集電線152により接続されている。第2集電線152には、この第2集電線152を流れる電流を検出する第2電流センサ162が装着されている。
The second
第3副集電板134は、水素側セパレータ120の水素流路溝123における水素入口部121よりも水素出口部122に近い位置、詳細には、水素出口部122近傍(図4に符号Dを付して示す部位)、より詳細には、水素出口部122と一部が重なる位置に、対向して配置されている。第3副集電板134と主集電板131との間は、導電性の第3集電線153により接続されている。第3集電線153には、この第3集電線153を流れる電流を検出する第3電流センサ163が装着されている。
The third
各電流センサ161〜163は、例えば磁気センサとしてのホール素子を用いることができる。この場合、ギャップを有する鉄心を集電線151〜153の周囲に配置し、そのギャップ内にホール素子を配置すればよい。集電線151〜153に電流が流れると、その電流に比例した磁界が集電線151〜153の周囲に発生する。ホール素子は、電流によって発生した磁界を検出し、電圧に変換する。なお、磁気センサとして、ホール素子の他にMR素子、MI素子、フラックスゲート等を用いることができる。さらにシャント抵抗を用いた電流センサ等を用いることもできる。
Each of the
また、第1副集電板132と第1集電線151と第1電流センサ161、第2副集電板133と第2集電線152と第2電流センサ162、第3副集電板134と第3集電線153と第3電流センサ163は、それぞれが、本発明の電流測定手段を構成している。
In addition, the first sub
上記構成の燃料電池システムの作動を説明する。 The operation of the fuel cell system having the above configuration will be described.
まず、負荷11からの電力要求に応じて、燃料電池10への空気供給量および水素供給量を制御する。具体的には、空気ポンプ21の回転数を制御して空気供給量を制御し、水素ポンプ34の回転数を制御して水素供給量を制御する。この際、空気供給量は、予め電圧ばらつきを発生しない供給量に設定する。そして、空気および水素の供給により、燃料電池10では電気化学反応により発電が起こり、発電した電力は負荷11に供給される。
First, the air supply amount and the hydrogen supply amount to the
負荷11を通った電流は−極の主集電板131に流れ込む。主集電板131に流れ込んだ電流は、そのままMEA100に流れ込む電流と、第1集電線151および第1副集電板132を介してMEA100に流れ込む電流と、第2集電線152および第2副集電板133を介してMEA100に流れ込む電流と、第3集電線153および第3副集電板134を介してMEA100に流れ込む電流とに分かれる。
The current passing through the
そして、第1集電線151を流れる電流は、MEA100における空気入口部111に近い部位を流れる局所電流(以下、空気入口側電流Ia・inという)に相当するため、第1電流センサ161によって、空気入口側電流Ia・inを検出することができる。
And since the electric current which flows through the 1st
また、第2集電線152を流れる電流は、MEA100における水素入口部121に近い部位を流れる局所電流(以下、水素入口側電流Ih・inという)に相当するため、第2電流センサ162によって、水素入口側電流Ih・inを検出することができる。
In addition, since the current flowing through the second
さらに、第3集電線153を流れる電流は、MEA100における水素出口部122に近い部位を流れる局所電流(以下、水素出口側電流Ih・outという)に相当するため、第3電流センサ163によって、水素出口側電流Ih・outを検出することができる。
Furthermore, since the current flowing through the third
ところで、燃料電池10に供給される空気への加湿量が低下すると、MEA100の電解質膜における、空気入口部111に近い部位が乾燥する。図7は、空気湿度ψaの低下に伴って電解質膜の乾燥が発生した際の乾燥発生部における電流Iの経時変化を示すもので、電解質膜における乾燥部位ではプロトン伝導抵抗が増加して電流が低下する。
By the way, when the humidification amount to the air supplied to the
同様に、燃料電池10に供給される水素への加湿量が低下すると、MEA100の電解質膜における水素入口部121近傍が乾燥し、乾燥部位ではプロトン伝導抵抗が増加し電流が低下する。なお、水素への加湿量の低下に伴って電解質膜の乾燥が発生した際の乾燥発生部における電流の変化は、図7に示した空気湿度ψa低下の場合と同様となる。
Similarly, when the amount of humidification to the hydrogen supplied to the
このことから、乾燥が発生しやすい空気入口部111近傍や水素入口部121近傍の電流I、すなわち、空気入口側電流Ia・inや水素入口側電流Ih・inを測定することにより、燃料電池10の電解質膜の乾燥状態を診断することが可能である。具体的には、空気入口側電流Ia・inや水素入口側電流Ih・inが所定電流値未満の場合は、電解質膜の乾燥部位ありと推定することができる。なお、所定電流値は、電解質膜の乾燥がないときの電流値の90%程度に設定する。
From this, the
逆に、空気や水素への加湿量が過剰になった場合、電極の水分過剰な濡れ状態が発生する。その際には、水素出口部122近傍に最も液滴が滞留して水分過剰となりやすく、したがってMEA100の電極における水素出口部122に近い部位で顕著に発生しやすい。水素出口部122近傍に水分過剰となりやすい理由としては、水素入口部121から水素流路溝123を介して水素出口部122に水が輸送されることに加え、水素が消費されるため水素流量が低下しており水の排出力が低下していることが挙げられる。図8は、水素出口部122の水滴量Vwの増加に伴って電極が水分過剰状態となった際の、水分過剰部の局所電流Iの変化を示すもので、水滴量Vwの増加に伴ってガスの透過が阻害されて電池の出力が低下する。
On the contrary, when the humidification amount to air or hydrogen becomes excessive, the wet state of the electrode with excessive moisture occurs. At that time, the liquid droplets are most likely to stay in the vicinity of the
また、水素供給量が発電量に対して不足する場合も、水素出口部122近傍から水素不足が発生するため、MEA100における水素出口部122に近い部位の電流が低下する。図9は、水素供給量Qhが不足した際の、MEA100における水素出口部122に近い部位の電流Iの変化を示すもので、水素不足が発生すると、直ちに且つ急激に電流Iが低下する。
In addition, even when the hydrogen supply amount is insufficient with respect to the power generation amount, a shortage of hydrogen occurs from the vicinity of the
このことから、MEA100における水素出口部122に近い部位の電流I、すなわち水素出口側電流Ih・outが、所定電流値未満の場合は、水分過剰発生または水素不足発生と推定することができる。なお、所定電流値は、水分過剰状態および水素不足状態の電流値の90%程度に設定する。
From this, when the current I near the
ここで、水分過剰発生時および水素不足発生時は、いずれもMEA100における水素出口部122に近い部位の電流Iが低下するため、電流Iの低下要因がいずれであるかを特定する必要がある。
Here, since the current I at the portion near the
図10は、水分過剰発生時の、MEA100における水素出口部122に近い部位の電流Iの変化と、水素不足発生時の、MEA100における水素出口部122に近い部位の電流Iの変化を示すものである。また、図11は、水分過剰発生時および水素不足発生時の、MEA100における水素出口部122に近い部位の電流Iの低下速度(以下、電流低下速度という)を示すものである。なお、本明細書でいう電流低下速度とは、単位時間あたりの電流変化量の絶対値である。図10、図11において、実線は水分過剰発生時の特性、破線は水素不足発生時の特性であり、t1は水分過剰や水素不足が発生した時刻である。
FIG. 10 shows changes in the current I near the
図10、図11に示すように、水分過剰発生時と比較すると、水素不足発生時の電流Iは急激に低下する。このことから、電流低下が発生する際の電流低下速度によって電流Iの低下要因を特定することが可能である。具体的には、水素出口側電流Ih・outが所定電流値未満で、且つ電流低下速度が所定低下速度dI1(図11参照)未満の場合は水分過剰発生と推定し、水素出口側電流Ih・outが所定電流値未満で、且つ電流低下速度が所定低下速度dI1以上の場合は水素不足発生と推定することができる。なお、所定低下速度dI1は、1.0(mA/SEC/cm2)程度に設定する。 As shown in FIGS. 10 and 11, the current I when hydrogen shortage occurs is drastically reduced as compared to when water is excessive. From this, it is possible to specify the cause of the decrease in the current I by the current decrease rate when the current decrease occurs. Specifically, when the hydrogen outlet-side current Ih · out is less than a predetermined current value and the current decrease rate is less than the predetermined decrease rate dI1 (see FIG. 11), it is estimated that moisture is excessively generated, and the hydrogen outlet-side current Ih · out When out is less than the predetermined current value and the current decrease rate is equal to or greater than the predetermined decrease rate dI1, it can be estimated that hydrogen shortage has occurred. The predetermined decrease rate dI1 is set to about 1.0 (mA / SEC / cm 2 ).
次に、燃料電池10の出力低下要因の診断について、図12に基づいて説明する。図12は制御部40(図1参照)にて実行される制御処理のうち、燃料電池10の出力低下要因の診断にかかわる部分の流れ図である。
Next, the diagnosis of the output reduction factor of the
まず、図示しない電流センサによって燃料電池10から負荷11に流れている総電流を測定するとともに(ステップ101)、第1電流センサ161によって空気入口側電流Ia・inを測定する(ステップ102)。次に、空気入口側電流Ia・inが第1所定電流値未満である否かを判定する(ステップ103)。この「第1所定電流値」は、空気入口部111近傍における燃料電池10の乾燥状態を診断するために予め設定された値である。図13に示すように、第1所定電流値は燃料電池10の総電流と関連づけてマップ化されており、ステップ100で測定した総電流に基づいて求めることができる。
First, the total current flowing from the
空気入口側電流Ia・inが第1所定電流値未満であれば(ステップ103がYES)、電解質膜の乾燥部位ありと診断する(ステップ104)。空気入口側電流Ia・inが第1所定電流値以上であれば(ステップ103がNO)、電解質膜の乾燥部位なしと診断する(ステップ105)。因みに、ステップ104にて電解質膜の乾燥部位ありと診断された場合には、燃料電池10に供給される空気の湿度ψaが低いと推測されるため、加湿器22による空気への加湿量を増加する。
If the air inlet side current Ia · in is less than the first predetermined current value (YES in step 103), it is diagnosed that there is a dry portion of the electrolyte membrane (step 104). If the air inlet side current Ia · in is equal to or greater than the first predetermined current value (NO in step 103), it is diagnosed that there is no dried portion of the electrolyte membrane (step 105). Incidentally, when it is diagnosed in step 104 that there is a dry portion of the electrolyte membrane, it is estimated that the humidity ψa of the air supplied to the
次に、第2電流センサ162によって水素入口側電流Ih・inを測定する(ステップ106)。次に、水素入口側電流Ih・inが第2所定電流値未満であるか否かを判定する(ステップ107)。この「第2所定電流値」は、水素入口部121近傍における燃料電池10の乾燥状態を診断するために予め設定された値である。第2所定電流値は、第1所定電流値と同様、燃料電池10の総電流と関連づけてマップ化されており、ステップ100で測定した総電流に基づいて求めることができる。
Next, the hydrogen inlet side current Ih · in is measured by the second current sensor 162 (step 106). Next, it is determined whether or not the hydrogen inlet side current Ih · in is less than a second predetermined current value (step 107). This “second predetermined current value” is a value set in advance for diagnosing the dry state of the
水素入口側電流Ih・inが第2所定電流値未満であれば(ステップ107がYES)、電解質膜の乾燥部位ありと診断する(ステップ108)。水素入口側電流Ih・inが第2所定電流値以上であれば(ステップ107がNO)、電解質膜の乾燥部位なしと診断する(ステップ109)。因みに、ステップ108にて電解質膜の乾燥部位ありと診断された場合には、燃料電池10に供給される水素への加湿量が少ないと推測されるため、加湿器33による水素への加湿量を増加する。
If the hydrogen inlet side current Ih · in is less than the second predetermined current value (YES in step 107), it is diagnosed that there is a dry portion of the electrolyte membrane (step 108). If the hydrogen inlet side current Ih · in is equal to or greater than the second predetermined current value (NO in step 107), it is diagnosed that there is no dried portion of the electrolyte membrane (step 109). Incidentally, when it is diagnosed in
次に、第3電流センサ163によって水素出口側電流Ih・outを測定する(ステップ110)。次に、水素出口側電流Ih・outが第3所定電流値未満であるか否かを判定する(ステップ111)。この「第3所定電流値」は、水素出口部122近傍における燃料電池10の水分過剰状態を診断するために予め設定された値である。第3所定電流値は、第1所定電流値と同様、燃料電池10の総電流と関連づけてマップ化されており、ステップ100で測定した総電流に基づいて求めることができる。
Next, the hydrogen outlet side current Ih · out is measured by the third current sensor 163 (step 110). Next, it is determined whether or not the hydrogen outlet side current Ih · out is less than a third predetermined current value (step 111). This “third predetermined current value” is a value set in advance for diagnosing the excessive water state of the
水素出口側電流Ih・outが第3所定電流値以上であれば(ステップ111がNO)、水分過剰なしまたは水素不足なしと診断する(ステップ112)。水素出口側電流Ih・outが第3所定電流値未満で(ステップ111がYES)、且つ水素出口側電流Ih・outの電流低下速度が所定低下速度未満の場合は(ステップ113がYES)、水分過剰状態であると診断する(ステップ114)。因みに、ステップ114にて水分過剰状態であると診断された場合には、空気や水素への加湿量が過剰、あるいは、水素流量低下による水の排出力低下と推測されるため、加湿器22による空気への加湿量および加湿器33による水素への加湿量をともに減少させるとともに、水素流量を増加させる。
If the hydrogen outlet side current Ih · out is equal to or greater than the third predetermined current value (NO in step 111), it is diagnosed that there is no excess moisture or no shortage of hydrogen (step 112). When the hydrogen outlet side current Ih · out is less than the third predetermined current value (YES in step 111) and the current decreasing rate of the hydrogen outlet side current Ih · out is less than the predetermined decreasing rate (YES in step 113), moisture It is diagnosed that the state is excessive (step 114). Incidentally, if it is diagnosed in step 114 that the moisture is excessive, it is estimated that the amount of humidification to air or hydrogen is excessive, or that the discharge capacity of water is reduced due to a decrease in the hydrogen flow rate. Both the humidification amount to air and the humidification amount to hydrogen by the
また、水素出口側電流Ih・outが第3所定電流値未満で(ステップ111がYES)、且つ水素出口側電流Ih・outの電流低下速度が所定低下速度以上の場合は(ステップ113がNO)、水素供給量が不足と診断する(ステップ115)。因みに、ステップ115にて水素供給量が不足と診断された場合には水素流量を増加させる。
Further, when the hydrogen outlet side current Ih · out is less than the third predetermined current value (YES in step 111) and the current decreasing rate of the hydrogen outlet side current Ih · out is equal to or higher than the predetermined decreasing rate (NO in step 113). Then, it is diagnosed that the hydrogen supply amount is insufficient (step 115). Incidentally, if it is determined in
上記した本実施形態によれば、空気入口側電流Ia・inおよび水素入口側電流Ih・inに基づいて電解質膜の乾燥状態を診断し、水素出口側電流Ih・outと水素出口側電流Ih・outの電流低下速度とに基づいて水分過剰や水素不足を診断するため、燃料電池10の出力低下要因を適確に診断することができる。また、燃料電池10の出力低下要因を特定することができ、したがって出力低下要因に応じた適確な制御を行うことができる。
According to the above-described embodiment, the dry state of the electrolyte membrane is diagnosed based on the air inlet side current Ia · in and the hydrogen inlet side current Ih · in, and the hydrogen outlet side current Ih · out and the hydrogen outlet side current Ih · in Since the excess moisture and the lack of hydrogen are diagnosed based on the current reduction rate of out, the output reduction factor of the
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態について説明する。本第2実施形態は、上記第1実施形態に比較して、電流測定手段の構成が異なるものである。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. The second embodiment is different from the first embodiment in the configuration of the current measuring means.
図14は本第2実施形態の燃料電池システムの構成を示す概念図であり、図15は本実施形態の燃料電池の斜視図であり、図16は燃料電池セルの斜視図である。 FIG. 14 is a conceptual diagram showing the configuration of the fuel cell system of the second embodiment, FIG. 15 is a perspective view of the fuel cell of the present embodiment, and FIG. 16 is a perspective view of the fuel cell.
図16に示すように、本第2実施形態では、第1集電板140に集電部材171〜174が設けられている。集電部材171〜174は、棒状の導電性部材からなり、第1集電板140の板面から突出するように設けられている。主集電板131には第1集電部材171が設けられ、第1副集電板132には第2集電部材172が設けられ、第2副集電板133には第3集電部材173が設けられ、第3副集電板134には第4集電部材174が設けられている。第2集電板170には、第1集電板140の各集電部材171〜174に対応する部位に貫通孔170a〜170dが形成されている。
As shown in FIG. 16, in the second embodiment, current collecting
図14に示すように、燃料電池10で発電した電流は各集電部材171〜174を介して電気負荷11に流れる。図14、図15に示すように、各副集電板132、133、134に設けられた集電部材172、173、174を流れる電流値を測定する電流センサ164、165、166が燃料電池10の外部に設けられている。各電流センサ164〜166としては、上記第1実施形態と同様、ホール素子その他の電流センサを用いることができる。
As shown in FIG. 14, the current generated by the
第1集電部材172を流れる電流は、MEA100における空気入口側電流Ia・inに相当するため、第1の電流センサ164によって、空気入口側電流Ia・inを検出することができる。また、第2の集電部材173を流れる電流は、水素入口側電流Ih・inに相当するため、第2電流センサ165によって、水素入口側電流Ih・inを検出することができる。さらに、第3集電部材174を流れる電流は、水素出口側電流Ih・outに相当するため、第3電流センサ166によって、水素出口側電流Ih・outを検出することができる。
Since the current flowing through the first current collecting
また、第1副集電板132と第1集電部材172と第1電流センサ164、第2副集電板133と第2集電部材173と第2電流センサ165、第3副集電板134と第3集電部材174と第3電流センサ166は、それぞれが、本発明の電流測定手段を構成している。
Also, the first sub
上記構成の電流測定手段を用いる構成によっても、上記第1実施形態と同様、燃料電池10の出力低下要因を適確に診断可能にすることが可能となる。
Also with the configuration using the current measuring means with the above configuration, it is possible to accurately diagnose the output reduction factor of the
(第3実施形態)
次に、本発明の第3実施形態について説明する。本第3実施形態は、上記各実施形態に比較して、燃料電池内部が乾燥状態の場合の水分量制御の内容が異なるものである。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment of the present invention will be described. The third embodiment is different from the above embodiments in the content of moisture control when the inside of the fuel cell is in a dry state.
図17は、燃料電池10の乾燥しやすい部位Bである空気入口部111近傍において水分状態が変動した場合の発電電流Iの変化を示している。図17に示す例では、燃料電池10の電流Iが所定の基準電流I1以上となった場合に、燃料電池10内部が湿潤状態であるとし、燃料電池10の電流Iが基準電流I1を下回った場合に、燃料電池10内部が乾燥状態であるとしている。燃料電池10内部が乾燥状態の場合には、燃料電池10内部の水分量が少ないほど、燃料電池10の発電電流Iが小さくなる。
FIG. 17 shows a change in the generated current I when the moisture state fluctuates in the vicinity of the
図18は、燃料電池10の乾燥しやすい部位Bである空気入口部111近傍において水分状態が変動した場合の発電電流Iと基準電流I1との差である差分電流ΔI(=I−I1)の変化を示している。図18に示すように、燃料電池10内部が湿潤状態の場合は差分電流ΔIがゼロ以上となり、燃料電池10内部が乾燥状態の場合は差分電流ΔIがゼロを下回る。また、上述のように、燃料電池10内部の水分量に応じて燃料電池10の発電電流Iが変化するので、差分電流ΔIの大きさに基づいて燃料電池10内部の水分状態の程度を推測することができる。すなわち、差分電流ΔIがマイナスである場合には、差分電流ΔIの絶対値が大きいほど燃料電池10内部の水分不足量が大きくなっており、より乾燥していると判断できる。
FIG. 18 shows a difference current ΔI (= I−I 1) that is a difference between the generated current I and the reference current I 1 when the moisture state fluctuates in the vicinity of the
次に、本実施形態の燃料電池システムの水分量制御を図19のフローチャートに基づいて説明する。 Next, the water content control of the fuel cell system of this embodiment will be described based on the flowchart of FIG.
まず、電流センサにより乾燥部位Bの局所電流Iを測定し(ステップ200)、基準電流I1との差である差分電流ΔIを演算する(ステップ201)。次に、差分電流ΔIがゼロ未満であるか否かを判定する(ステップ202)。この結果、差分電流ΔIがゼロ以上と判定された場合には、燃料電池10内部が湿潤状態であると推定できるので、加湿器22による空気への加湿量をゼロにする(ステップ203)。一方、差分電流ΔIがゼロ未満であると判定された場合には、燃料電池10内部が乾燥状態であると推定できるので、加湿器22による燃料電池10への加湿水量をK1×|ΔI|に制御する(ステップ204)。K1は加湿水量を算出するための係数である。
First, the local current I of the dry part B is measured by a current sensor (step 200), and a differential current ΔI that is a difference from the reference current I 1 is calculated (step 201). Next, it is determined whether or not the differential current ΔI is less than zero (step 202). As a result, when it is determined that the difference current ΔI is equal to or greater than zero, it can be estimated that the inside of the
以上のように、燃料電池10の局所電流Iと基準電流I1との差である差分電流ΔIの大きさに基づいて燃料電池10内部の乾燥状態を推測して加湿水量を制御することで、燃料電池10内部をより適切な水分状態にすることができる。
As described above, by controlling the amount of humidified water by estimating the dry state inside the
(第4実施形態)
次に、本発明の第4実施形態について説明する。本第4実施形態は、上記各実施形態に比較して、燃料電池内部が水分過剰状態の場合の水分量制御の内容が異なるものである。
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. The fourth embodiment is different from the above embodiments in the content of the water content control when the fuel cell is in an excessive water state.
図20は、燃料電池10の水分過剰となりやすい部位Dである水素出口部122近傍において水分状態が変動した場合の発電電流Iの変化を示している。図20に示す例では、燃料電池10の電流Iが所定の基準電流I2以上となった場合に、燃料電池10内部が水分適正状態であるとし、燃料電池10の電流Iが基準電流I2を下回った場合に、燃料電池10内部が水分過剰状態であるとしている。燃料電池10内部が水分過剰状態である場合には、燃料電池10内部の水分量が多いほど、燃料電池10の発電電流Iが小さくなる。
FIG. 20 shows a change in the generated current I when the moisture state fluctuates in the vicinity of the
図21は、燃料電池10の水分過剰となりやすい部位Dである水素出口部122近傍において水分状態が変動した場合の発電電流Iと基準電流I2との差である差分電流ΔI(=I−I2)の変化を示している。図21に示すように、燃料電池10内部の水分量が適正状態の場合は差分電流I2がゼロ以上となり、燃料電池10内部が水分過剰状態の場合は差分電流ΔIがゼロを下回る。また、上述のように、燃料電池10内部の水分量に応じて燃料電池10の発電電流Iが変化するので、差分電流ΔIの大きさに基づいて燃料電池10内部の水分状態の程度を推測することができる。すなわち、差分電流ΔIがマイナスである場合には、差分電流ΔIの絶対値が大きいほど燃料電池10内部の水分過剰量がより大きくなっていると判断できる。
FIG. 21 shows a difference current ΔI (= I−I), which is the difference between the generated current I and the reference current I 2 when the moisture state fluctuates in the vicinity of the
次に、本実施形態の燃料電池システムの水分量制御を図22のフローチャートに基づいて説明する。 Next, the water content control of the fuel cell system of the present embodiment will be described based on the flowchart of FIG.
まず、電流センサにより水分過剰部位Dの局所電流Iを測定し(ステップ300)、基準電流I2との差である差分電流ΔIを演算する(ステップ301)。次に、差分電流ΔIがゼロ未満であるか否かを判定する(ステップ302)。この結果、差分電流ΔIがゼロ以上と判定された場合には、燃料電池10内部が水分適正状態であると推定できるので、水素流量の増加率をゼロにする(ステップ303)。一方、差分電流ΔIがゼロ未満であると判定された場合には、燃料電池10内部が水分過剰状態であると推定できるので、水素流量の増加率をK2×|ΔI|に制御する(ステップ304)。K2は水素流量増加率を算出するための係数である。
First, the current sensor measures the local current I of overhydration site D (step 300), calculates the differential current ΔI is the difference between the reference current I 2 (step 301). Next, it is determined whether or not the differential current ΔI is less than zero (step 302). As a result, when it is determined that the difference current ΔI is zero or more, it can be estimated that the inside of the
そして、燃料電池10への水素供給流量を水素必要流量×(1+流量増加率)に制御する(ステップ305)。水素必要流量は、要求電力を発電するために必要とされる水素流量である。このように水素を過剰に供給することで、水素のガス流で水分過剰部位Dにおける水分を押し出すことができる。
Then, the hydrogen supply flow rate to the
以上のように、燃料電池10の局所電流Iと基準電流I2との差である差分電流ΔIの大きさに基づいて燃料電池10内部の水分過剰状態を推測して水素供給量を制御することで、燃料電池10内部をより適切な水分状態にすることができる。
As described above, the hydrogen supply amount is controlled by estimating the excess water state in the
(第5実施形態)
次に、本発明の第5実施形態について説明する。本第5実施形態は、上記各実施形態に比較して、燃料電池内部の抵抗値に基づいて燃料電池の水分状態を診断する点が異なるものである。
(Fifth embodiment)
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described. The fifth embodiment is different from the above embodiments in that the moisture state of the fuel cell is diagnosed based on the resistance value inside the fuel cell.
図23は、燃料電池10の内部抵抗と内部水分量との関係を示している。図23に示すように、燃料電池10の内部水分量が増加するとある段階まで内部抵抗は減少し、内部水分量が減少すると内部抵抗が増加するという関係がある。
FIG. 23 shows the relationship between the internal resistance of the
したがって、電流センサ161、162、164、165で測定した燃料電池10の乾燥しやすい部位B、Cの局所電流と、セルモニタ12で測定した燃料電池10のセル電圧とに基づいて、燃料電池10の乾燥しやすい部位における局所内部抵抗R(=セル電圧/局所電流)を算出し、この局所内部抵抗Rに基づいて燃料電池10内部の乾燥状態を診断することができる。具体的には、局所内部抵抗Rが予め設定した基準内部抵抗R1より小さい場合には、燃料電池10内部は乾燥状態であると診断する。燃料電池10内部が乾燥状態であると診断された場合には、燃料電池10に供給される水素への加湿量が少ないと推測されるため、加湿器33による水素への加湿量を増加する。
Therefore, based on the local current of the portions B and C that are easily dried of the
同様に、電流センサ163、166で測定した燃料電池10の水分過剰になりやすい部位Dの局所電流と、セルモニタ12で測定した燃料電池10の電圧とに基づいて、燃料電池10の水分過剰になりやすい部位における局所内部抵抗Rを算出し、この局所内部抵抗Rに基づいて燃料電池10内部の水分過剰状態を診断することができる。具体的には、局所抵抗値Rが予め設定した基準内部抵抗より大きい場合には、燃料電池10内部は水分過剰状態であると診断する。水分過剰状態であると診断された場合には、空気や水素への加湿量が過剰、あるいは、水素流量低下による水の排出力低下と推測されるため、加湿器22による空気への加湿量および加湿器33による水素への加湿量をともに減少させるとともに、水素流量を増加させる。
Similarly, the
以上の構成によっても、燃料電池10の出力低下要因を適確に診断することができる。また、燃料電池10の出力低下要因を特定することができ、したがって出力低下要因に応じた適確な制御を行うことができる。
Even with the above configuration, the output reduction factor of the
(第6実施形態)
次に、本発明の第6実施形態について説明する。本第6実施形態は、上記各実施形態に比較して、燃料電池内部の抵抗値に基づいて燃料電池の乾燥状態の程度を診断し、水分量制御をする点が異なるものである。
(Sixth embodiment)
Next, a sixth embodiment of the present invention will be described. The sixth embodiment is different from the above embodiments in that the degree of dryness of the fuel cell is diagnosed based on the resistance value inside the fuel cell and the amount of water is controlled.
図24は、燃料電池10の乾燥しやすい部位Bである空気入口部111近傍において水分状態が変動した場合の局所抵抗値Rの変化を示している。図24に示す例では、燃料電池10の局所内部抵抗Rが所定の基準内部抵抗R1を上回った場合に、燃料電池10内部が乾燥状態であるとし、燃料電池10の局所内部抵抗Rが基準内部抵抗R1以下となった場合に、燃料電池10内部が湿潤状態であるとしている。燃料電池10内部が乾燥状態の場合には、燃料電池10内部の水分量が少ないほど、燃料電池10の局所内部抵抗Rが大きくなる。
FIG. 24 shows a change in the local resistance value R when the moisture state fluctuates in the vicinity of the
図25は、燃料電池10の乾燥しやすい部位Bである空気入口部111近傍において水分状態が変動した場合の局所内部抵抗Rと基準内部抵抗R1との差である差分抵抗ΔR(=R−R1)の変化を示している。図18に示すように、燃料電池10内部が湿潤状態の場合は差分抵抗ΔRがゼロ以下となり、燃料電池10内部が乾燥状態の場合は差分抵抗ΔRがゼロを上回る。また、上述のように、燃料電池10内部の水分量に応じて燃料電池10の局所内部抵抗Rが変化するので、差分抵抗ΔRの大きさに基づいて燃料電池10内部の水分状態の程度を推測することができる。すなわち、差分抵抗ΔRがプラスである場合には、差分抵抗ΔRの絶対値が大きいほど燃料電池10内部の水分不足量が大きくなっており、より乾燥していると判断できる。
FIG. 25 shows a differential resistance ΔR (= R−) which is the difference between the local internal resistance R and the reference internal resistance R 1 when the moisture state fluctuates in the vicinity of the
次に、本実施形態の燃料電池システムの水分量制御を図26のフローチャートに基づいて説明する。 Next, the water content control of the fuel cell system of the present embodiment will be described based on the flowchart of FIG.
まず、電流センサにより乾燥部位Bの局所電流を測定し(ステップ400)、セルモニタ12によりセル電圧を測定し(ステップ401)、セル電圧を局所電流で除して局所内部抵抗Rを算出する(ステップ402)。次に、局所抵抗Rと基準内部抵抗R1との差である差分抵抗ΔRを演算する(ステップ403)。 First, the local current of the dry region B is measured by the current sensor (step 400), the cell voltage is measured by the cell monitor 12 (step 401), and the local internal resistance R is calculated by dividing the cell voltage by the local current (step 401). 402). Next, a differential resistance ΔR that is a difference between the local resistance R and the reference internal resistance R 1 is calculated (step 403).
次に、差分抵抗ΔRがゼロを上回っているか否かを判定する(ステップ404)。この結果、差分抵抗ΔRがゼロ以下と判定された場合には、燃料電池10内部が湿潤状態であると推定できるので、加湿器22による空気への加湿量をゼロにする(ステップ405)。一方、差分電流ΔIがゼロを上回っていると判定された場合には、燃料電池10内部が乾燥状態であると推定できるので、加湿器22による燃料電池10への加湿水量をK3×|ΔR|に制御する(ステップ406)。K3は加湿水量を算出するための係数である。
Next, it is determined whether or not the differential resistance ΔR exceeds zero (step 404). As a result, when it is determined that the differential resistance ΔR is equal to or less than zero, it can be estimated that the inside of the
以上のように、燃料電池10の局所抵抗Iと基準内部抵抗R1との差である差分抵抗ΔRの大きさに基づいて燃料電池10内部の乾燥状態を推測して加湿水量を制御することで、燃料電池10内部をより適切な水分状態にすることができる。
As described above, the amount of humidified water is controlled by estimating the dry state inside the
(第7実施形態)
次に、本発明の第7実施形態について説明する。本第7実施形態は、上記各実施形態に比較して、燃料電池内部の抵抗値に基づいて燃料電池の水分過剰状態の程度を診断し、水分量制御をする点が異なるものである。
(Seventh embodiment)
Next, a seventh embodiment of the present invention will be described. The seventh embodiment is different from the above-described embodiments in that the degree of moisture excess state of the fuel cell is diagnosed based on the resistance value inside the fuel cell, and the moisture amount is controlled.
図27は、燃料電池10の水分過剰となりやすい部位Dである水素出口部122近傍において水分状態が変動した場合の局所内部抵抗Rの変化を示している。図27に示す例では、燃料電池10の局所内部抵抗Rが所定の基準内部抵抗R2以下となった場合に、燃料電池10内部が水分適正状態であるとし、燃料電池10の局所内部抵抗Rが所定の基準内部抵抗R2を上回った場合に、燃料電池10内部が水分過剰状態であるとしている。燃料電池10内部が水分過剰状態である場合には、燃料電池10内部の水分量が多いほど、燃料電池10の局所内部抵抗Rが大きくなる。
FIG. 27 shows a change in local internal resistance R when the moisture state fluctuates in the vicinity of the
図28は、燃料電池10の水分過剰となりやすい部位Dである水素出口部122近傍において水分状態が変動した場合の局所内部抵抗Rと基準内部抵抗R2との差である差分抵抗ΔR(=R−R2)の変化を示している。図28に示すように、燃料電池10内部の水分量が適正状態の場合は差分抵抗R2がゼロ以下となり、燃料電池10内部が水分過剰状態の場合は差分抵抗R2がゼロを上回る。また、上述のように、燃料電池10内部の水分量に応じて燃料電池10の局所内部抵抗Rが変化するので、差分抵抗ΔRの大きさに基づいて燃料電池10内部の水分状態の程度を推測することができる。すなわち、差分抵抗ΔRがプラスである場合には、差分抵抗ΔRの絶対値が大きいほど燃料電池10内部の水分過剰量がより大きくなっていると判断できる。
FIG. 28 shows a differential resistance ΔR (= R), which is the difference between the local internal resistance R and the reference internal resistance R 2 when the water state fluctuates in the vicinity of the
次に、本実施形態の燃料電池システムの水分量制御を図29のフローチャートに基づいて説明する。 Next, the water content control of the fuel cell system of this embodiment will be described based on the flowchart of FIG.
まず、電流センサにより水分過剰部位Dの局所電流Iを測定し(ステップ500)、セルモニタ12によりセル電圧を測定し(ステップ501)、セル電圧を局所電流で除して局所内部抵抗Rを算出する(ステップ502)。次に、局所抵抗Rと基準内部抵抗R2との差である差分抵抗ΔRを演算する(ステップ503)。 First, the local current I of the excessive water portion D is measured by the current sensor (step 500), the cell voltage is measured by the cell monitor 12 (step 501), and the local internal resistance R is calculated by dividing the cell voltage by the local current. (Step 502). Next, a differential resistance ΔR that is a difference between the local resistance R and the reference internal resistance R 2 is calculated (step 503).
次に、差分抵抗ΔRがゼロを上回っている否かを判定する(ステップ504)。この結果、差分抵抗ΔRがゼロ以下と判定された場合には、燃料電池10内部が水分適正状態であると推定できるので、水素流量の増加率をゼロにする(ステップ505)。一方、差分抵抗ΔRがゼロを上回っている判定された場合には、燃料電池10内部が水分過剰状態であると推定できるので、水素流量の増加率をK4×|ΔI|に制御する(ステップ506)。K4は水素流量増加率を算出するための係数である。
Next, it is determined whether or not the differential resistance ΔR exceeds zero (step 504). As a result, if it is determined that the differential resistance ΔR is equal to or less than zero, it can be estimated that the inside of the
そして、燃料電池10への水素供給流量を水素必要流量×(1+流量増加率)に制御する(ステップ507)。水素必要流量は、要求電力を発電するために必要とされる水素流量である。このように水素を過剰に供給することで、水素のガス流で水分過剰部位Dにおける水分を押し出すことができる。
Then, the hydrogen supply flow rate to the
以上のように、燃料電池10の局所内部抵抗Rと基準内部抵抗R2との差である差分抵抗ΔRの大きさに基づいて燃料電池10内部の水分過剰状態を推測して水素供給量を制御することで、燃料電池10内部をより適切な水分状態にすることができる。
As described above, the hydrogen supply amount is controlled by estimating the excess water state in the
(他の実施形態)
なお、上記各実施形態では、燃料電池として固体高分子型電解質膜を備えるものを用いたが、これに限らず、本発明は例えば無機材料系の電解質を備える燃料電池にも適用可能である。
(Other embodiments)
In each of the above embodiments, the fuel cell including the solid polymer electrolyte membrane is used. However, the present invention is not limited to this, and the present invention can be applied to, for example, a fuel cell including an inorganic material electrolyte.
10…燃料電池、12…セルモニタ、40…制御部(診断手段)、161〜166…電流測定手段の主要部をなす電流センサ。
DESCRIPTION OF
Claims (15)
前記燃料電池(10)内において乾燥しやすい部位(B、C)を流れる電流を測定する電流測定手段(132、133、151、152、161、162、164、165、172、173)と、
前記電流測定手段で測定された電流値に基づいて前記燃料電池(10)内部の乾燥状態を診断する診断手段(40)とを備えることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell (10) for generating electrical energy by an electrochemical reaction between an oxidant gas and a fuel gas;
Current measuring means (132, 133, 151, 152, 161, 162, 164, 165, 172, 173) for measuring a current flowing through a portion (B, C) that is easily dried in the fuel cell (10);
A fuel cell system comprising: a diagnosis unit (40) for diagnosing a dry state inside the fuel cell (10) based on a current value measured by the current measurement unit.
前記診断手段は、前記電圧測定手段で測定された電圧値と前記電流測定手段で測定された電流値とに基づいて、前記燃料電池(10)内において乾燥しやすい部位の抵抗値を演算し、前記抵抗値に基づいて前記燃料電池内部の乾燥状態を診断することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 Voltage measuring means (12) for measuring the voltage of the fuel cell;
The diagnostic means calculates a resistance value of a portion that is easily dried in the fuel cell (10) based on the voltage value measured by the voltage measuring means and the current value measured by the current measuring means, The fuel cell system according to claim 1, wherein a dry state inside the fuel cell is diagnosed based on the resistance value.
前記電流測定手段(132、151、161、164、172)は、前記酸化剤ガス流路における酸化剤ガスの出口部(112)よりも酸化剤ガスの入口部(111)に近い位置で電流を測定する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。 The fuel cell (10) includes an electrolyte / electrode assembly (100) in which a pair of electrodes are arranged on both sides of an electrolyte membrane, and an outside of the electrolyte / electrode assembly and a flow path for the oxidant gas. A first separator (110) in which an oxidant gas flow path (113) is formed, and a fuel gas flow path (123) that is disposed outside the electrolyte-electrode assembly and serves as a flow path for the fuel gas A second separator (120) formed with
The current measuring means (132, 151, 161, 164, 172) supplies current at a position closer to the oxidant gas inlet (111) than the oxidant gas outlet (112) in the oxidant gas flow path. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, wherein the fuel cell system is measured.
前記電流測定手段(133、152、162、165、173)は、前記燃料ガス流路における燃料ガスの出口部(122)よりも燃料ガスの入口部(121)に近い位置で電流を測定する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。 The fuel cell (10) includes an electrolyte / electrode assembly (100) in which a pair of electrodes are arranged on both sides of an electrolyte membrane, and an outside of the electrolyte / electrode assembly and a flow path for the oxidant gas. A first separator (110) in which an oxidant gas flow path (113) is formed, and a fuel gas flow path (123) that is disposed outside the electrolyte-electrode assembly and serves as a flow path for the fuel gas A second separator (120) formed with
The current measuring means (133, 152, 162, 165, 173) measures current at a position closer to the fuel gas inlet (121) than the fuel gas outlet (122) in the fuel gas flow path. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, wherein:
前記燃料電池(10)内において水分が過剰となりやすい部位(D)を流れる電流を測定する電流測定手段(134、153、163、166、174)と、
前記電流測定手段にて測定した電流値に基づいて前記燃料電池の水分過剰状態を診断する診断手段(40)を備えることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell (10) for generating electrical energy by an electrochemical reaction between an oxidant gas and a fuel gas;
Current measuring means (134, 153, 163, 166, 174) for measuring a current flowing through a portion (D) where moisture tends to be excessive in the fuel cell (10);
A fuel cell system comprising diagnostic means (40) for diagnosing an excessive water state of the fuel cell based on a current value measured by the current measuring means.
前記診断手段は、前記電圧測定手段で測定された電圧値と前記電流測定手段で測定された電流値とに基づいて、前記燃料電池(10)内において水分過剰となりやすい部位の抵抗値を演算し、前記抵抗値に基づいて前記燃料電池内部の水分過剰状態を診断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。 Voltage measuring means (12) for measuring the voltage of the fuel cell;
The diagnostic means calculates a resistance value of a portion that tends to be excessive in the fuel cell (10) based on the voltage value measured by the voltage measuring means and the current value measured by the current measuring means. The fuel cell system according to claim 7, wherein an excess water state inside the fuel cell is diagnosed based on the resistance value.
前記燃料電池(10)内において燃料ガスが不足しやすい部位(D)を流れる電流を測定する電流測定手段(134、153、163、166、174)と、
前記電流測定手段にて測定した電流値に基づいて前記燃料電池の燃料ガスの不足状態を診断する診断手段(40)を備えることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell (10) for generating electrical energy by an electrochemical reaction between an oxidant gas and a fuel gas;
Current measuring means (134, 153, 163, 166, 174) for measuring a current flowing through a portion (D) where the fuel gas is likely to be insufficient in the fuel cell (10);
A fuel cell system comprising diagnostic means (40) for diagnosing a shortage of fuel gas in the fuel cell based on a current value measured by the current measuring means.
前記燃料電池(10)内において水分過剰になりやすく且つ燃料ガスが不足しやすい部位(D)を流れる電流を測定する電流測定手段(134、153、163)と、
前記電流測定手段で測定した電流の低下速度に基づいて、前記燃料電池の水分過剰と前記燃料電池の燃料ガス不足とを区別して診断する診断手段(40)とを備えることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell (10) for generating electrical energy by an electrochemical reaction between an oxidant gas and a fuel gas;
Current measuring means (134, 153, 163) for measuring a current flowing through a portion (D) in the fuel cell (10) that is likely to be excessive in water and short of fuel gas;
A fuel cell comprising diagnostic means (40) for distinguishing and diagnosing excess water in the fuel cell and insufficient fuel gas in the fuel cell based on a current decrease rate measured by the current measuring means. system.
前記電流測定手段(134、153、163、166、174)は、前記燃料ガス流路における燃料ガスの入口部(121)よりも燃料ガスの出口部(122)に近い位置で電流を測定することを特徴とする請求項7ないし14のいずれか1つに記載の燃料電池システム。
The fuel cell (10) includes an electrolyte / electrode assembly (100) in which a pair of electrodes are arranged on both sides of an electrolyte membrane, and an outside of the electrolyte / electrode assembly and a flow path for the oxidant gas. A first separator (110) in which an oxidant gas flow path (113) is formed, and a fuel gas flow path (123) that is disposed outside the electrolyte-electrode assembly and serves as a flow path for the fuel gas A second separator (120) formed with
The current measuring means (134, 153, 163, 166, 174) measures current at a position closer to the fuel gas outlet (122) than the fuel gas inlet (121) in the fuel gas flow path. 15. The fuel cell system according to any one of claims 7 to 14, wherein:
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