JP2005190997A - Fuel cell system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To enable control of without too much nor little the moisture, in a fuel cell rapidly. <P>SOLUTION: A local current, flowing through a part where a lack of moisture easily occurs in a cell, is measured by a current sensor 6. When the local current is below a predetermined range, the operating conditions of the fuel cell 1 is controlled so that the moisture content in the fuel cell 1 increases and When the local current is over a predetermined range, the operational condition of the fuel cell 1 is controlled so that the moisture content in the fuel cell 1 is decreased. Since there is a correlation between the local current and the moisture condition in the fuel cell 1, the local current at a part where a lack of moisture easily occurs is controlled to be within a appropriate range; as a result, the moisture in the fuel cell 1 is controlled neither too much nor little. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、水素と酸素との化学反応により電気エネルギを発生させ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。   The present invention relates to a fuel cell system that generates electrical energy by a chemical reaction between hydrogen and oxygen, and is effective when applied to a moving body such as a vehicle, a ship, and a portable generator.

従来より、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が知られている。燃料電池内部の水分が不足すると、電解質膜が乾燥し内部抵抗が増加するため燃料電池の出力が低下する。   2. Description of the Related Art Conventionally, a fuel cell system that generates power using an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen is known. When the water content in the fuel cell is insufficient, the electrolyte membrane is dried and the internal resistance increases, so the output of the fuel cell decreases.

一方、水分が過剰になると、電極の触媒が水で覆われ反応ガスの拡散が阻害される。そこで、空気を通常よりも過剰に供給して水を排出したり、水素を系外に排出することで水を排出することが必要となる。その結果、余計な動力消費や水素を系外に放出することで効率が低下する。   On the other hand, when the moisture is excessive, the catalyst of the electrode is covered with water and the diffusion of the reaction gas is hindered. Therefore, it is necessary to discharge water by supplying air in excess of normal and discharging water or discharging hydrogen out of the system. As a result, the efficiency is reduced by extra power consumption and releasing hydrogen out of the system.

これらのことから、燃料電池を高効率に運転するためには、水分不足および水分過剰をともに防止できる制御方法が必要となる。   For these reasons, in order to operate the fuel cell with high efficiency, a control method capable of preventing both water shortage and water excess is required.

そして、電解質膜の湿潤状態を判断して、湿潤状態が不十分であれば、冷却水温度を低下させて燃料電池の運転温度を低下させ、これにより相対湿度を上昇させて電解質膜の湿潤を促進するようにしたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−１６４０６９号公報 Then, the wet state of the electrolyte membrane is judged, and if the wet state is insufficient, the cooling water temperature is lowered to lower the operating temperature of the fuel cell, thereby raising the relative humidity to wet the electrolyte membrane. The thing which made it promote is proposed (for example, refer patent document 1).
Japanese Patent Laid-Open No. 2002-164069

しかしながら、特許文献１に記載のシステムでは、水の不足のみを判断して燃料電池の運転温度を低下させているが、燃料電池の温度を低下させすぎると逆に燃料電池内の水分が過剰となってしまう。すなわち、特許文献１に記載のシステムでは、燃料電池の温度を低下させた場合に燃料電池内の水分が過不足なく制御されるか否かは不明である。   However, in the system described in Patent Document 1, only the shortage of water is determined to lower the operating temperature of the fuel cell. However, if the temperature of the fuel cell is lowered too much, the water in the fuel cell is excessive. turn into. That is, in the system described in Patent Document 1, it is unclear whether or not the moisture in the fuel cell is controlled without excess or deficiency when the temperature of the fuel cell is lowered.

本発明は上記点に鑑みて、燃料電池内の水分を過不足なくかつ迅速に制御可能にすることを目的とする。   The present invention has been made in view of the above points, and it is an object of the present invention to make it possible to quickly and quickly control the moisture in the fuel cell.

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、酸素を主成分とする酸化ガスと水素を主成分とする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セルを有する燃料電池（１）と、セル内の局所電流を測定する電流測定手段（６）と、局所電流が所定範囲になるように、燃料電池（１）の運転条件を制御する制御手段（５）とを備えることを特徴とする。   In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, there is provided a fuel cell having a cell for generating electric energy by electrochemically reacting an oxidizing gas containing oxygen as a main component and a fuel gas containing hydrogen as a main component. (1), a current measuring means (6) for measuring the local current in the cell, and a control means (5) for controlling the operating conditions of the fuel cell (1) so that the local current falls within a predetermined range. It is characterized by that.

局所電流と燃料電池内の水分状態とは相関があるため、水分不足が発生しやすい部位の局所電流を適正な範囲に制御することにより、結果的に燃料電池内の水分を過不足なく制御することができる。また、局所電流は燃料電池内の水分状態の変化に応じて速やかに変化するため、迅速に制御することができる。   Since there is a correlation between the local current and the moisture state in the fuel cell, the moisture in the fuel cell can be controlled without excess or deficiency by controlling the local current in a region where moisture shortage is likely to occur within an appropriate range. be able to. Further, since the local current changes rapidly according to the change in the water state in the fuel cell, it can be controlled quickly.

請求項２に記載の発明のように、局所電流は、セル内において水分不足が発生しやすい部位の局所電流とすることができる。   As in the second aspect of the invention, the local current can be a local current in a portion where moisture shortage is likely to occur in the cell.

請求項３に記載の発明では、制御手段（５）は、局所電流が所定範囲以下のときに、燃料電池（１）内の含水量が上昇するように燃料電池（１）の運転条件を制御するとともに、局所電流が所定範囲以上のときに、燃料電池（１）内の含水量が低下するように燃料電池（１）の運転条件を制御することを特徴とする。これによると、局所電流を所定範囲に制御することができ、請求項１の発明の効果を確実に得ることができる。   In the invention according to claim 3, the control means (5) controls the operating conditions of the fuel cell (1) so that the water content in the fuel cell (1) increases when the local current is below a predetermined range. In addition, the operating condition of the fuel cell (1) is controlled so that the water content in the fuel cell (1) is reduced when the local current is equal to or greater than a predetermined range. According to this, the local current can be controlled within a predetermined range, and the effect of the invention of claim 1 can be reliably obtained.

局所電流が所定範囲になるように燃料電池の運転条件を制御するには、請求項４に記載の発明のように、燃料電池の温度を制御してもよいし、請求項５に記載の発明のように、酸化ガスの加湿量および燃料ガスの加湿量のうち少なくとも一方を制御してもよいし、請求項６に記載の発明のように、酸化ガスの温度を制御してもよいし、請求項７に記載の発明のように、酸化ガスの圧力を制御してもよい。特に、加湿量を制御する場合、燃料電池内の含水量を迅速に制御することができる。   In order to control the operating conditions of the fuel cell so that the local current falls within a predetermined range, the temperature of the fuel cell may be controlled as in the invention described in claim 4, or the invention described in claim 5. As described above, at least one of the humidification amount of the oxidizing gas and the humidification amount of the fuel gas may be controlled, or the temperature of the oxidizing gas may be controlled as in the invention according to claim 6, As in the seventh aspect of the invention, the pressure of the oxidizing gas may be controlled. In particular, when the humidification amount is controlled, the water content in the fuel cell can be quickly controlled.

請求項８に記載の発明では、セルは、酸化ガスが通過する酸化ガス流路（１１３）が形成されたセパレータ（１１）を備え、電流測定手段（６）は、酸化ガス流路（１１３）における上流域にて局所電流を測定することを特徴とする。   In the invention according to claim 8, the cell includes a separator (11) in which an oxidizing gas passage (113) through which the oxidizing gas passes is formed, and the current measuring means (6) includes the oxidizing gas passage (113). Measure the local current in the upstream region of

ところで、酸化ガス流路における上流域の湿度と酸化ガス流路における下流域の湿度とを比較すると、下流域ほど酸化ガス流量が減少するとともに生成水が増加するため、上流域の方が湿度が低くなる傾向にある。したがって、請求項８に記載の発明によると、セル内において水分不足が発生しやすい部位を流れる局所電流を測定することができる。   By the way, when the humidity in the upstream area in the oxidizing gas flow path is compared with the humidity in the downstream area in the oxidizing gas flow path, the upstream area has a higher humidity because the oxidizing gas flow rate decreases and the generated water increases in the downstream area. It tends to be lower. Therefore, according to the eighth aspect of the present invention, it is possible to measure a local current flowing through a portion where water shortage is likely to occur in the cell.

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）
本発明の第１実施形態について図１〜図４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。 (First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In this embodiment, the fuel cell system is applied to an electric vehicle (fuel cell vehicle) that runs using the fuel cell as a power source.

図１は、本第１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、本第１実施形態の燃料電池システムは、燃料電池１、水素供給装置２、空気供給装置３、加熱冷却システム４、制御部５等を備えている。   FIG. 1 shows the overall configuration of the fuel cell system of the first embodiment. As shown in FIG. 1, the fuel cell system according to the first embodiment includes a fuel cell 1, a hydrogen supply device 2, an air supply device 3, a heating / cooling system 4, a control unit 5, and the like.

燃料電池（ＦＣスタック）１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ものである。本第１実施形態では燃料電池１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。燃料電池１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。
（水素極側）Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
（酸素極側）２Ｈ＋＋１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
発電した電力は、図示しないインバータを介して、図示しない走行用モータを駆動するための負荷電力、あるいは図示しない２次電池の充電等に用いられる。 The fuel cell (FC stack) 1 generates electric power by utilizing an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. In the first embodiment, a solid polymer electrolyte fuel cell is used as the fuel cell 1, and a plurality of cells serving as basic units are stacked. Each cell has a configuration in which an electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrodes. In the fuel cell 1, when hydrogen and air (oxygen) are supplied, the following electrochemical reaction between hydrogen and oxygen occurs and electric energy is generated.
(Hydrogen electrode side) H 2 → 2H + + 2e −
(Oxygen electrode side) 2H + + 1 / 2O 2 + 2e − → H 2 O
The generated power is used for load power for driving a travel motor (not shown) or charging a secondary battery (not shown) via an inverter (not shown).

燃料電池１には、水素供給装置２より水素が供給され、空気供給装置３から酸素を含んだ空気が供給されるように構成されている。   The fuel cell 1 is configured such that hydrogen is supplied from the hydrogen supply device 2 and air containing oxygen is supplied from the air supply device 3.

水素供給装置２は、例えば改質装置あるいは水素貯蔵タンク等からなる水素供給源２１を備え、水素供給源２１から水素供給流路２２を介して燃料電池１に水素が供給され、燃料電池１に供給された水素のうち反応に用いられなかった未反応水素は、水素循環流路２３を介して水素供給流路２２に循環され再利用される。   The hydrogen supply device 2 includes a hydrogen supply source 21 including, for example, a reformer or a hydrogen storage tank, and hydrogen is supplied from the hydrogen supply source 21 to the fuel cell 1 through the hydrogen supply flow path 22. Of the supplied hydrogen, unreacted hydrogen that has not been used for the reaction is circulated to the hydrogen supply channel 22 through the hydrogen circulation channel 23 and reused.

空気供給装置３は、例えば断熱圧縮機であるエアコンプレッサからなる空気供給源３１を備え、空気供給源３１から空気供給流路３２を介して燃料電池１に空気が供給され、燃料電池１に供給された空気のうち反応に用いられなかった未反応空気は、空気排出流路３３を介して排ガスとして燃料電池１より排出される。   The air supply device 3 includes an air supply source 31 including, for example, an air compressor that is an adiabatic compressor. Air is supplied from the air supply source 31 to the fuel cell 1 via the air supply flow path 32 and is supplied to the fuel cell 1. Unreacted air that has not been used for the reaction in the generated air is discharged from the fuel cell 1 as exhaust gas through the air discharge passage 33.

燃料電池１では、発電の際の化学反応により水分および熱が発生する。燃料電池１は高い発電効率を得るために運転中は所定の温度（例えば８０℃程度）に維持する必要がある。このため、燃料電池システムには、熱媒体を用いて燃料電池１で発生した熱を系外に放出する冷却システム４が設けられている。なお、本第１実施形態では、熱媒体として低温環境下で凍結しない不凍液冷却水を用いている。   In the fuel cell 1, moisture and heat are generated by a chemical reaction during power generation. The fuel cell 1 needs to be maintained at a predetermined temperature (for example, about 80 ° C.) during operation in order to obtain high power generation efficiency. For this reason, the fuel cell system is provided with a cooling system 4 that releases heat generated in the fuel cell 1 out of the system using a heat medium. In the first embodiment, antifreeze coolant that does not freeze in a low temperature environment is used as the heat medium.

冷却システム４は、冷却水を燃料電池１に循環させるための熱媒体経路４１中に、冷却水を冷却するための熱交換手段であるラジエータ４２と、冷却水流を発生させるウォータポンプ４３が設けられている。燃料電池１を通過した冷却水は熱媒体流路４１を介してラジエータ４２に循環し、ここで外気（大気）と熱交換され冷却される。冷却水は、燃料電池１を構成する各セルの内部を循環するように構成されている。   The cooling system 4 is provided with a radiator 42 as heat exchange means for cooling the cooling water and a water pump 43 for generating a cooling water flow in the heat medium path 41 for circulating the cooling water to the fuel cell 1. ing. The cooling water that has passed through the fuel cell 1 is circulated to the radiator 42 via the heat medium passage 41, where heat is exchanged with the outside air (atmosphere) to be cooled. The cooling water is configured to circulate inside each cell constituting the fuel cell 1.

また、冷却システム４は、ラジエータ４２をバイパスして冷却水を流すためのバイパス流路４４、ラジエータ４２へ循環される冷却水の流量とラジエータ４２をバイパスされる冷却水の流量の割合を連続的に調整可能な三方弁４５、ラジエータ４２に送風するファン４６を備えている。   In addition, the cooling system 4 continuously determines the ratio of the flow rate of the cooling water that bypasses the radiator 42 and the flow rate of the cooling water that bypasses the radiator 42 and the flow rate of the cooling water that is circulated to the radiator 42. And a fan 46 that blows air to the radiator 42.

制御部（ＥＣＵ）５は、本発明の制御手段に相当し、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５には、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５は、演算結果に基づいて、三方弁４５、ファン４６に制御信号を出力する。   The control unit (ECU) 5 corresponds to the control means of the present invention, and is composed of a well-known microcomputer comprising a CPU, ROM, RAM, etc. and its peripheral circuits. Then, a signal from a current sensor described later is input to the control unit 5. Moreover, the control part 5 outputs a control signal to the three-way valve 45 and the fan 46 based on the calculation result.

燃料電池１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）と、このＭＥＡを挟持する空気側セパレータおよび水素側セパレータを備えている。   The single cell of the fuel cell 1 includes an MEA (Mebrane Electrode Assembly) in which electrodes are arranged on both sides of the electrolyte membrane, and an air-side separator and a hydrogen-side separator that sandwich the MEA.

図２は空気側セパレータ１１の構成を示すもので、空気側セパレータ１１は、空気供給流路３２に接続される空気入口部１１１と、空気排出流路３３に接続される空気出口部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が形成されている。   FIG. 2 shows a configuration of the air-side separator 11. The air-side separator 11 includes an air inlet portion 111 connected to the air supply passage 32, an air outlet portion 112 connected to the air discharge passage 33, An air channel groove 113 for flowing air from the air inlet portion 111 toward the air outlet portion 112 is formed.

空気側セパレータ１１は板状になっており、空気入口部１１１および空気出口部１１２は、図２の紙面に対して垂直方向に貫通し、空気流路溝１１３は溝が掘って形成されるとともに蛇行した形状になっている。   The air-side separator 11 has a plate shape, the air inlet portion 111 and the air outlet portion 112 penetrate in a direction perpendicular to the paper surface of FIG. 2, and the air flow channel groove 113 is formed by digging a groove. It has a meandering shape.

空気流路溝１１３における空気流れ上流域、より詳細には、空気流路溝１１３における空気入口部１１１近傍には、セルの局所電流を測定する電流センサ６が配置されている。ところで、空気流路溝１１３における上流域の含水量と空気流路溝１１３における下流域の含水量とを比較すると、下流域ほど酸化ガス流量が減少するとともに生成水が増加するため、上流域の方が含水量が低くなる傾向にある。したがって、本例の電流センサ６は、セル内において水分不足が発生しやすい部位を流れる局所電流を測定している。なお、空気流路溝１１３は本発明の酸化ガス流路に相当し、電流センサ６は本発明の電流測定手段に相当する。   A current sensor 6 that measures a local current of the cell is disposed in the upstream area of the air flow channel 113 in the air flow channel 113, more specifically, in the vicinity of the air inlet 111 in the air flow channel 113. By the way, when the water content in the upstream region in the air flow channel groove 113 and the water content in the downstream region in the air flow channel groove 113 are compared, the flow rate of the oxidizing gas decreases and the generated water increases in the downstream region. The water content tends to be lower. Therefore, the current sensor 6 of this example measures a local current flowing through a portion where moisture shortage is likely to occur in the cell. The air channel groove 113 corresponds to the oxidizing gas channel of the present invention, and the current sensor 6 corresponds to the current measuring means of the present invention.

次に、上記構成の燃料電池システムの作動について図３、図４に基づいて説明する。図３は、制御部５にて実行される制御処理のうち、セルの局所電流が所定範囲になるように燃料電池１の運転条件を制御する部分のフローチャートである。また、図４は、セル内の水分量とセルの局所電流値との関係を示すものである。   Next, the operation of the fuel cell system configured as described above will be described with reference to FIGS. FIG. 3 is a flowchart of a portion of the control process executed by the control unit 5 that controls the operating conditions of the fuel cell 1 so that the local current of the cell falls within a predetermined range. FIG. 4 shows the relationship between the amount of water in the cell and the local current value of the cell.

図３において、まず、セルの局所電流を電流センサ６にて測定し（Ｓ１０１）、局所電流が第１設定電流Ｉ１（図４参照）よりも小さいか否かを判定する（Ｓ１０２）。 3, first, the local current of the cell is measured by the current sensor 6 (S101), and it is determined whether or not the local current is smaller than the first set current I 1 (see FIG. 4) (S102).

局所電流が第１設定電流Ｉ１よりも小さい場合は（Ｓ１０２がＹＥＳ）、空気入口部１１１が乾燥して電解質膜の抵抗が増加し、空気入口部１１１の電流が小さくなっていると考えられる。よって、この場合は、燃料電池１内部の水分量が不足していると判断し、燃料電池１の温度を下げるよう冷却システム４を制御する。具体的には、ファン４６の回転数を増加させるとともに（Ｓ１０３）、ラジエータ４２へ循環される冷却水の流量を増加させるよう三方弁４５の開度を変更して（Ｓ１０４）、冷却システム４の冷却能力を通常時よりも増加させる。これにより、燃料電池１の温度が低下し、燃料電池内部の相対湿度が上昇して電解質膜の湿潤が促進される。 When the local current is smaller than the first set current I 1 (YES in S102), it is considered that the air inlet 111 is dried, the resistance of the electrolyte membrane is increased, and the current of the air inlet 111 is reduced. . Therefore, in this case, it is determined that the amount of water in the fuel cell 1 is insufficient, and the cooling system 4 is controlled to lower the temperature of the fuel cell 1. Specifically, the rotation speed of the fan 46 is increased (S103), and the opening degree of the three-way valve 45 is changed so as to increase the flow rate of the cooling water circulated to the radiator 42 (S104). Increase cooling capacity than usual. As a result, the temperature of the fuel cell 1 decreases, the relative humidity inside the fuel cell increases, and the electrolyte membrane is moistened.

逆に、局所電流が第１設定電流Ｉ１よりも大きい場合は（Ｓ１０２がＮＯ）、続いて、局所電流値が第２設定電流Ｉ２（ただし、Ｉ１＜Ｉ２。図４参照）よりも大きいか否かを判定する（Ｓ１１０）。 Conversely, when the local current is larger than the first set current I 1 (S102 is NO), the local current value is then from the second set current I 2 (where I 1 <I 2, see FIG. 4). It is determined whether or not the value is larger (S110).

局所電流が第２設定電流Ｉ２よりも大きい場合は（Ｓ１１０がＹＥＳ）、燃料電池１の内部水分量が増加して空気入口部１１１の電解質膜の抵抗が低下することにより、空気入口部１１１の電流が増加していると考えられる。そのため、燃料電池１の温度を上げて気化を促進させ、燃料電池１内部の水分量を低減させて燃料電池１内部の水分量が過剰となることを防止する必要がある。したがって、この場合には、ファン４６の回転数を低下させるとともに（Ｓ１１１）、三方弁４５の開度をバイパス流路４４側の通水量を増加させるように三方弁４５の開度を変更して（Ｓ１１２）、冷却システム４の冷却能力を通常時よりも低下させる。これにより、燃料電池１の温度が上昇し、燃料電池１内の水分の気化が促進される。 When the local current is larger than the second set current I 2 (YES in S110), the amount of moisture in the fuel cell 1 increases and the resistance of the electrolyte membrane of the air inlet 111 decreases, thereby causing the air inlet 111. The current is considered to increase. Therefore, it is necessary to increase the temperature of the fuel cell 1 to promote vaporization, reduce the amount of water in the fuel cell 1 and prevent the amount of water in the fuel cell 1 from becoming excessive. Therefore, in this case, the rotation speed of the fan 46 is decreased (S111), and the opening degree of the three-way valve 45 is changed so that the water flow amount on the bypass passage 44 side is increased. (S112), the cooling capacity of the cooling system 4 is lowered than normal. Thereby, the temperature of the fuel cell 1 rises and the vaporization of the water in the fuel cell 1 is promoted.

逆に、局所電流が第２設定電流Ｉ２以下であれば（Ｓ１１０がＮＯ）、ファン４５の回転数と三方弁４５の開度を通常値に設定して（Ｓ１１３、Ｓ１１４）、冷却システム４の冷却能力を通常時のレベルに調整する。 Conversely, local current is equal second set current I 2 or less (S110 is NO), by setting the opening degree of the rotational speed and the three-way valve 45 of the fan 45 to a normal value (S113, S114), the cooling system 4 Adjust the cooling capacity to normal level.

以上により、セルの局所電流が、第１設定電流Ｉ１と第２設定電流Ｉ２との間の所定範囲に制御される。そして、図４に示すように、局所電流と水分量とは相関があるため、水分不足が発生しやすい部位の局所電流を適正な範囲、すなわち、第１設定電流Ｉ１と第２設定電流Ｉ２との間の所定範囲に制御することにより、結果的に燃料電池１内の水分が過不足なく制御される。 Thus, local current cell is controlled to a predetermined range between the first set current I 1 and the second set current I 2. Then, as shown in FIG. 4, since the local current and the water content are correlated, an appropriate range of local current sites moisture shortage is likely to occur, i.e., the first set current I 1 and the second set current I by controlling to a predetermined range between 2, water resulting in the fuel cell 1 is controlled in just proportion.

上記した本実施形態によれば、局所電流を適正な範囲に制御することにより、結果的に燃料電池１内の水分を過不足なく制御することができる。また、局所電流は燃料電池１内の水分状態の変化に応じて速やかに変化するため、迅速に制御することができる。   According to the above-described embodiment, by controlling the local current within an appropriate range, it is possible to control the moisture in the fuel cell 1 as a result without excess or deficiency. Further, since the local current changes rapidly according to the change in the moisture state in the fuel cell 1, it can be controlled quickly.

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。第１実施形態では、燃料電池１の温度を制御することにより燃料電池１内の湿度を制御したが、本実施形態は、加湿量を制御することにより燃料電池１内の湿度を制御するようにしている。 (Second Embodiment)
A second embodiment of the present invention will be described. In the first embodiment, the humidity in the fuel cell 1 is controlled by controlling the temperature of the fuel cell 1, but in the present embodiment, the humidity in the fuel cell 1 is controlled by controlling the humidification amount. ing.

図５は、本第２実施形態の燃料電池システムの全体構成を示す図、図６は、制御部５にて実行される制御処理のうち、セルの局所電流が所定範囲になるように燃料電池１の運転条件を制御する部分のフローチャートである。なお、第１実施形態と同一もしくは均等部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。   FIG. 5 is a diagram showing an overall configuration of the fuel cell system according to the second embodiment, and FIG. 6 is a fuel cell in the control process executed by the control unit 5 so that the local current of the cell falls within a predetermined range. It is a flowchart of the part which controls the driving | running condition of 1. FIG. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same or equivalent part as 1st Embodiment, and the description is abbreviate | omitted.

図５に示すように、空気供給流路３２における空気供給源３１の下流には、空気への加湿を行う空気側加湿器３４が設けられ、水素供給流路２２における水素供給源２１の下流には、水素への加湿を行う水素側加湿器２４が設けられている。これらの加湿器２４、３４は、制御部５によってその作動が制御されるようになっている。   As shown in FIG. 5, an air-side humidifier 34 that humidifies the air is provided downstream of the air supply source 31 in the air supply flow path 32, and downstream of the hydrogen supply source 21 in the hydrogen supply flow path 22. Is provided with a hydrogen-side humidifier 24 that humidifies hydrogen. The operation of the humidifiers 24 and 34 is controlled by the control unit 5.

図６に示すように、局所電流が第１設定電流Ｉ１よりも小さい場合は（Ｓ１０２がＹＥＳ）、空気側加湿器３４による空気への加湿量を増加させて（Ｓ２０１）、電解質膜の湿潤を促進させる。 As shown in FIG. 6, when the local current is smaller than the first set current I 1 (S102 is YES), the humidification amount to the air by the air-side humidifier 34 is increased (S201), and the electrolyte membrane is wetted. To promote.

逆に、局所電流が第１設定電流Ｉ１よりも大きい場合は（Ｓ１０２がＮＯ）、続いて、局所電流値が第２設定電流Ｉ２よりも大きいか否かを判定する（Ｓ１１０）。 Conversely, when the local current is larger than the first set current I 1 (S102 is NO), it is subsequently determined whether or not the local current value is larger than the second set current I 2 (S110).

局所電流が第２設定電流Ｉ２よりも大きい場合は（Ｓ１１０がＹＥＳ）、空気側加湿器３４による空気への加湿量を減少させて（Ｓ２１１）、燃料電池１内部の水分量を低減させる。逆に、局所電流が第２設定電流Ｉ２以下であれば（Ｓ１１０がＮＯ）、空気側加湿器３４による空気への加湿量を通常値に設定する（Ｓ２１２）。 If local current is greater than the second set current I 2 is (are S110 YES), reduces the amount of humidification to the air by the air-side humidifier 34 (S211), reduces the fuel cell 1 inside the water content. Conversely, local current is equal second set current I 2 or less (S110 is NO), sets the amount of humidification to the air by the air-side humidifier 34 to the normal value (S212).

以上により、セルの局所電流が、第１設定電流Ｉ１と第２設定電流Ｉ２との間の所定範囲に制御され、結果的に燃料電池１内の水分が過不足なく制御される。 Thus, local current cell is controlled to a predetermined range between the first set current I 1 and the second set current I 2, the moisture resulting in the fuel cell 1 is controlled in just proportion.

上記した本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果が得られる。また、本実施形態のように加湿量を制御する場合、燃料電池１内の湿度を迅速に制御することができる。   According to the above-described embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained. Further, when the humidification amount is controlled as in the present embodiment, the humidity in the fuel cell 1 can be quickly controlled.

なお、本実施形態では、セルの局所電流を所定範囲に制御するために、空気への加湿量のみを制御したが、水素側加湿器２４による水素への加湿量のみを制御してもよいし、空気への加湿量および水素への加湿量の両方を制御してもよい。   In this embodiment, in order to control the local current of the cell to a predetermined range, only the humidification amount to the air is controlled, but only the humidification amount to hydrogen by the hydrogen side humidifier 24 may be controlled. Both the humidification amount to air and the humidification amount to hydrogen may be controlled.

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。第１実施形態では、燃料電池１の温度を制御することにより燃料電池１内の含水量を制御したが、本実施形態は、燃料電池１に供給される空気の圧力（以下、空気供給圧という）を制御することにより燃料電池１内の含水量を制御するようにしている。 (Third embodiment)
A third embodiment of the present invention will be described. In the first embodiment, the water content in the fuel cell 1 is controlled by controlling the temperature of the fuel cell 1, but in the present embodiment, the pressure of air supplied to the fuel cell 1 (hereinafter referred to as air supply pressure). ) Is controlled, the water content in the fuel cell 1 is controlled.

図７は、本第３実施形態の燃料電池システムの全体構成を示す図、図８は、制御部５にて実行される制御処理のうち、セルの局所電流が所定範囲になるように燃料電池１の運転条件を制御する部分のフローチャートである。なお、第１実施形態と同一もしくは均等部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。   FIG. 7 is a diagram showing the overall configuration of the fuel cell system of the third embodiment, and FIG. 8 is a fuel cell in the control process executed by the control unit 5 so that the local current of the cell falls within a predetermined range. It is a flowchart of the part which controls the driving | running condition of 1. FIG. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same or equivalent part as 1st Embodiment, and the description is abbreviate | omitted.

図７に示すように、空気排出流路３３には、空気供給圧を制御する空気圧制御弁３５が設けられている。この空気圧制御弁３５は、制御部５によってその作動が制御されるようになっている。   As shown in FIG. 7, the air discharge flow path 33 is provided with an air pressure control valve 35 that controls the air supply pressure. The operation of the air pressure control valve 35 is controlled by the control unit 5.

図８に示すように、局所電流が第１設定電流Ｉ１よりも小さい場合は（Ｓ１０２がＹＥＳ）、空気圧制御弁３５により空気供給圧を上げ（Ｓ３０１）、これにより相対湿度を上昇させて電解質膜の湿潤を促進させる。逆に、局所電流が第１設定電流Ｉ１よりも大きい場合は（Ｓ１０２がＮＯ）、続いて、局所電流値が第２設定電流Ｉ２よりも大きいか否かを判定する（Ｓ１１０）。 As shown in FIG. 8, when the local current is smaller than the first set current I 1 (S102 is YES), the air supply pressure is increased by the pneumatic control valve 35 (S301), thereby increasing the relative humidity and the electrolyte. Promotes film wetting. Conversely, when the local current is larger than the first set current I 1 (S102 is NO), it is subsequently determined whether or not the local current value is larger than the second set current I 2 (S110).

局所電流が第２設定電流Ｉ２よりも大きい場合は（Ｓ１１０がＹＥＳ）、空気圧制御弁３５により空気供給圧を下げ（Ｓ３１１）、燃料電池１内の水分の気化を促進させる。逆に、局所電流が第２設定電流Ｉ２以下であれば（Ｓ１１０がＮＯ）、空気供給圧を通常値に設定する（Ｓ３１２）。 When the local current is larger than the second set current I 2 (S110 is YES), the air supply pressure is lowered by the pneumatic control valve 35 (S311), and the vaporization of moisture in the fuel cell 1 is promoted. Conversely, local current is equal second set current I 2 or less (S110 is NO), sets the air supply pressure to a normal value (S312).

以上により、セルの局所電流が、第１設定電流Ｉ１と第２設定電流Ｉ２との間の所定範囲に制御され、結果的に燃料電池１内の水分が過不足なく制御される。したがって、上記した本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果が得られる。 Thus, local current cell is controlled to a predetermined range between the first set current I 1 and the second set current I 2, the moisture resulting in the fuel cell 1 is controlled in just proportion. Therefore, according to the above-described embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained.

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態について説明する。第１実施形態では、燃料電池１の温度を制御することにより燃料電池１内の含水量を制御したが、本実施形態は、燃料電池１に供給される空気の温度（以下、供給空気温度という）を制御することにより燃料電池１内の湿度を制御するようにしている。 (Fourth embodiment)
A fourth embodiment of the present invention will be described. In the first embodiment, the water content in the fuel cell 1 is controlled by controlling the temperature of the fuel cell 1, but in the present embodiment, the temperature of air supplied to the fuel cell 1 (hereinafter referred to as supply air temperature). ) Is controlled to control the humidity in the fuel cell 1.

図９は、本第４実施形態の燃料電池システムの全体構成を示す図、図１０は、制御部５にて実行される制御処理のうち、セルの局所電流が所定範囲になるように燃料電池１の運転条件を制御する部分のフローチャートである。なお、第１実施形態と同一もしくは均等部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。   FIG. 9 is a diagram showing the overall configuration of the fuel cell system according to the fourth embodiment, and FIG. 10 is a fuel cell in the control process executed by the control unit 5 so that the local current of the cell falls within a predetermined range. It is a flowchart of the part which controls the driving | running condition of 1. FIG. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same or equivalent part as 1st Embodiment, and the description is abbreviate | omitted.

図９に示すように、空気供給流路３２における空気供給源３１の下流には、燃料電池１に供給される空気と外気（大気）との間で熱交換を行う冷却器３６と、冷却器３６に送風するファン３７が設けられている。このファン３７は、制御部５によってその作動が制御されるようになっている。   As shown in FIG. 9, a cooler 36 for exchanging heat between the air supplied to the fuel cell 1 and the outside air (atmosphere) downstream of the air supply source 31 in the air supply channel 32, and a cooler A fan 37 for blowing air to 36 is provided. The operation of the fan 37 is controlled by the control unit 5.

図１０に示すように、局所電流が第１設定電流Ｉ１よりも小さい場合は（Ｓ１０２がＹＥＳ）、ファン３７の送風量を増加させ、冷却器３６の冷却能力を上げて供給空気温度を下げ（Ｓ４０１）、これにより相対湿度を上昇させて電解質膜の湿潤を促進させる。逆に、局所電流が第１設定電流Ｉ１よりも大きい場合は（Ｓ１０２がＮＯ）、続いて、局所電流値が第２設定電流Ｉ２よりも大きいか否かを判定する（Ｓ１１０）。 As shown in FIG. 10, when the local current is smaller than the first set current I 1 (S102 is YES), the air flow rate of the fan 37 is increased, the cooling capacity of the cooler 36 is increased, and the supply air temperature is decreased. (S401), thereby increasing the relative humidity and promoting the wetting of the electrolyte membrane. Conversely, when the local current is larger than the first set current I 1 (S102 is NO), it is subsequently determined whether or not the local current value is larger than the second set current I 2 (S110).

局所電流が第２設定電流Ｉ２よりも大きい場合は（Ｓ１１０がＹＥＳ）、ファン３７の送風量を減少させ、冷却器３６の冷却能力を下げて供給空気温度を上げ（Ｓ４１１）、燃料電池１内の水分の気化を促進させる。逆に、局所電流が第２設定電流Ｉ２以下であれば（Ｓ１１０がＮＯ）、供給空気温度が通常値になるようにファン３７の送風量を設定する（Ｓ４１２）。 When the local current is larger than the second set current I 2 (S110 is YES), the air flow rate of the fan 37 is decreased, the cooling capacity of the cooler 36 is lowered to increase the supply air temperature (S411), and the fuel cell 1 Promotes the evaporation of moisture inside. Conversely, local current is equal second set current I 2 or less (S110 is NO), sets the air volume of the fan 37 so that the supply air temperature is the normal value (S412).

以上により、セルの局所電流が、第１設定電流Ｉ１と第２設定電流Ｉ２との間の所定範囲に制御され、結果的に燃料電池１内の水分が過不足なく制御される。したがって、上記した本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果が得られる。 Thus, local current cell is controlled to a predetermined range between the first set current I 1 and the second set current I 2, the moisture resulting in the fuel cell 1 is controlled in just proportion. Therefore, according to the above-described embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained.

（第５実施形態）
本発明の第５実施形態について説明する。本実施形態は、第４実施形態と同様に、燃料電池１に供給される空気の温度を制御することにより燃料電池１内の湿度を制御するようにしたもので、供給空気温度を制御する熱交換装置の具体的構成が第４実施形態と異なるものである。 (Fifth embodiment)
A fifth embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, as in the fourth embodiment, the humidity in the fuel cell 1 is controlled by controlling the temperature of the air supplied to the fuel cell 1, and the heat for controlling the supply air temperature is controlled. The specific configuration of the exchange apparatus is different from that of the fourth embodiment.

図１１は、本第５実施形態の燃料電池システムの全体構成を示す図である。なお、第１実施形態と同一もしくは均等部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。   FIG. 11 is a diagram showing the overall configuration of the fuel cell system of the fifth embodiment. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same or equivalent part as 1st Embodiment, and the description is abbreviate | omitted.

図１１に示すように、空気供給流路３２における空気供給源３１の下流には、燃料電池１に供給される空気と冷却システム４の冷却水との間で熱交換を行う温度制御器３８が設けられている。また、冷却システム４には、温度制御器３８に冷却水を流すための空気冷却用流路４７と、温度制御器３８に流される冷却水の流量を連続的に調整可能な第２三方弁４８が設けられている。この第２三方弁４８は、制御部５によってその作動が制御されるようになっている。   As shown in FIG. 11, a temperature controller 38 that exchanges heat between the air supplied to the fuel cell 1 and the cooling water of the cooling system 4 is downstream of the air supply source 31 in the air supply flow path 32. Is provided. The cooling system 4 includes an air cooling flow path 47 for flowing cooling water to the temperature controller 38 and a second three-way valve 48 capable of continuously adjusting the flow rate of cooling water flowing to the temperature controller 38. Is provided. The operation of the second three-way valve 48 is controlled by the control unit 5.

そして、局所電流が第１設定電流Ｉ１よりも小さい場合は、温度制御器３８に流される冷却水の流量を増加させ、温度制御器３８の冷却能力を上げて供給空気温度を下げ、これにより相対湿度を上昇させて電解質膜の湿潤を促進させる。逆に、局所電流が第１設定電流Ｉ１よりも大きい場合は、供給空気温度が通常値になるように、温度制御器３８に流される冷却水の流量を設定する。 If the local current is smaller than the first set current I 1 , the flow rate of the cooling water flowing to the temperature controller 38 is increased, the cooling capacity of the temperature controller 38 is increased, and the supply air temperature is lowered. Increase the relative humidity to promote wetting of the electrolyte membrane. Conversely, local current be greater than the first predetermined current I 1 is the supply air temperature so that the normal value, to set the flow rate of the cooling water flows through the temperature controller 38.

また、局所電流が第２設定電流Ｉ２よりも大きい場合は、温度制御器３８に流される冷却水の流量を減少させ、温度制御器３８の冷却能力を下げて供給空気温度を上げ、燃料電池１内の水分の気化を促進させる。逆に、局所電流が第２設定電流Ｉ２以下であれば、供給空気温度が通常値になるように温度制御器３８に流される冷却水の流量を設定する。 If the local current is larger than the second set current I 2 , the flow rate of the cooling water flowing to the temperature controller 38 is decreased, the cooling capacity of the temperature controller 38 is lowered, the supply air temperature is raised, and the fuel cell Promotes vaporization of moisture in 1. Conversely, local current is equal second set current I 2 or less, setting the flow rate of the cooling water flows through the temperature controller 38 so that the supply air temperature is the normal value.

以上により、セルの局所電流が、第１設定電流Ｉ１と第２設定電流Ｉ２との間の所定範囲に制御され、結果的に燃料電池１内の水分が過不足なく制御される。したがって、上記した本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果が得られる。 Thus, local current cell is controlled to a predetermined range between the first set current I 1 and the second set current I 2, the moisture resulting in the fuel cell 1 is controlled in just proportion. Therefore, according to the above-described embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained.

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ある。1 is a diagram illustrating an overall configuration of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention. 図１の燃料電池１における空気側セパレータの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the air side separator in the fuel cell 1 of FIG. 第１実施形態の燃料電池システムの作動を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the action | operation of the fuel cell system of 1st Embodiment. セル内の水分量とセルの局所電流値との関係を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the relationship between the moisture content in a cell, and the local current value of a cell. 本発明の第２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ある。It is a figure which shows the whole structure of the fuel cell system which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 第２実施形態の燃料電池システムの作動を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the action | operation of the fuel cell system of 2nd Embodiment. 本発明の第３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ある。It is a figure which shows the whole structure of the fuel cell system which concerns on 3rd Embodiment of this invention. 第３実施形態の燃料電池システムの作動を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the action | operation of the fuel cell system of 3rd Embodiment. 本発明の第４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ある。It is a figure which shows the whole structure of the fuel cell system which concerns on 4th Embodiment of this invention. 第４実施形態の燃料電池システムの作動を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the action | operation of the fuel cell system of 4th Embodiment. 本発明の第５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ある。It is a figure which shows the whole structure of the fuel cell system which concerns on 5th Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

１…燃料電池、５…制御部（制御手段）、６…電流センサ（電流測定手段）。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell, 5 ... Control part (control means), 6 ... Current sensor (current measurement means).

Claims (8)

酸素を主成分とする酸化ガスと水素を主成分とする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セルを有する燃料電池（１）と、
前記セル内の局所電流を測定する電流測定手段（６）と、
前記局所電流が所定範囲になるように、前記燃料電池（１）の運転条件を制御する制御手段（５）とを備えることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell (1) having a cell for generating an electric energy by electrochemically reacting an oxidizing gas containing oxygen as a main component and a fuel gas containing hydrogen as a main component;
Current measuring means (6) for measuring a local current in the cell;
A fuel cell system comprising control means (5) for controlling operating conditions of the fuel cell (1) so that the local current falls within a predetermined range. 前記局所電流は、前記セル内において水分不足が発生しやすい部位の局所電流であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。 2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the local current is a local current of a portion where water shortage is likely to occur in the cell. 前記制御手段（５）は、前記局所電流が所定範囲以下のときに、前記燃料電池（１）内の含水量が上昇するように前記燃料電池（１）の運転条件を制御するとともに、前記局所電流が所定範囲以上のときに、前記燃料電池（１）内の含水量が低下するように前記燃料電池（１）の運転条件を制御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。 The control means (5) controls the operating conditions of the fuel cell (1) so that the water content in the fuel cell (1) increases when the local current is below a predetermined range, and 2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the operating condition of the fuel cell is controlled so that the water content in the fuel cell is reduced when the current is greater than or equal to a predetermined range. . 前記制御手段（５）は、前記燃料電池（１）の温度を制御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。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein the control means (5) controls the temperature of the fuel cell (1). 前記制御手段（５）は、前記酸化ガスの加湿量および前記燃料ガスの加湿量のうち少なくとも一方を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein the control means (5) controls at least one of a humidification amount of the oxidizing gas and a humidification amount of the fuel gas. 前記制御手段（５）は、前記酸化ガスの温度を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein the control means (5) controls the temperature of the oxidizing gas. 前記制御手段（５）は、前記酸化ガスの圧力を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein the control means (5) controls the pressure of the oxidizing gas. 前記セルは、前記酸化ガスが通過する酸化ガス流路（１１３）が形成されたセパレータ（１１）を備え、前記電流測定手段（６）は、前記酸化ガス流路（１１３）における上流域にて前記局所電流を測定することを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の燃料電池システム。 The cell includes a separator (11) in which an oxidizing gas channel (113) through which the oxidizing gas passes is formed, and the current measuring means (6) is located upstream in the oxidizing gas channel (113). The fuel cell system according to any one of claims 1 to 7, wherein the local current is measured.
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