JP2005228688A - Wet condition judging device for solid polymer fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a wet condition judging device for a solid polymer fuel cell capable of judging wet condition inside a fuel cell by a simple arithmetic process. <P>SOLUTION: Voltage of each of a plurality of battery cells as constituents of the solid polymer fuel cell is measured, and a minimum voltage (an object cell voltage) V is selected out of measured voltages of the plurality of battery cells. The wet condition in the fuel cell is judged depending on the minimum voltage at the time when a factor influencing the wet condition of the fuel cell or a load of the fuel cell is changed. For example, if the minimum voltage V exceeds a first judged value V<SB>1</SB>set in advance when the factor (for example, an amount of air) is changed into a direction of decrease of an amount of moisture in the fuel cell, the wet condition of the fuel cell prior to the change of the factor is judged as an excessive wetting. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、複数の電池セルからなる固体高分子型燃料電池に関し、特に、燃料電池内部の湿潤状態を判定する湿潤状態判定装置に関する。   The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell composed of a plurality of battery cells, and more particularly to a wet state determination device for determining a wet state inside a fuel cell.

固体高分子型燃料電池で用いられる電解質膜(固体高分子電解質膜)は、その内部における水素イオンの移動に水分子が必要とされ、水分を含んだ状態でのみ高い水素イオン導電性を示す。このため、燃料電池内の水分が不足して電解質膜が乾燥してしまうと、導電率の低下に伴い固体高分子型燃料電池の電池性能は大きく低下してしまう。逆に、燃料電池内に水分が過剰に存在する場合には、アノード極やカソード極へのガスの流通が電解質膜近傍に存在する水によって妨げられるため、やはり固体高分子型燃料電池の電池性能は低下してしまう。したがって、固体高分子型燃料電池にとっては、高い電池性能を維持する上で、燃料電池内の湿潤状態を適度な湿潤状態に保つことが重要になる。   An electrolyte membrane (solid polymer electrolyte membrane) used in a polymer electrolyte fuel cell requires water molecules for movement of hydrogen ions therein, and exhibits high hydrogen ion conductivity only when it contains moisture. For this reason, when the moisture in the fuel cell is insufficient and the electrolyte membrane is dried, the cell performance of the polymer electrolyte fuel cell is greatly deteriorated as the conductivity decreases. On the other hand, if excessive moisture is present in the fuel cell, the gas flow to the anode and cathode is hindered by the water present in the vicinity of the electrolyte membrane. Will fall. Therefore, for the polymer electrolyte fuel cell, it is important to maintain the wet state in the fuel cell in an appropriate wet state in order to maintain high cell performance.

燃料電池内の湿潤状態を適度に保つ上では、まず、現在の湿潤状態を正確に判定することが求められる。特に、複数の電池セルが積層されて構成された燃料電池では、複数の電池セルは直列に接続されるので、1つの電池セルの電池性能の低下が燃料電池全体の電池性能を低下させてしまう。そのため、電池セルの単位で湿潤状態を正確に判定する必要がある。燃料電池の湿潤状態を判定する技術としては、例えば、特許文献1に記載された技術が知られている。この従来技術では、酸化ガスの燃料電池への供給量を増加させる前後において燃料電池を構成する複数の電池セル(単電池)についてそれぞれ電圧を測定し、その各電圧の分散を計算している。そして、酸化ガス供給量の増加前における各電圧の分散と増加後における各電圧の分散とを比較し、前者が後者以下のときには適正な湿潤状態にあると判定し、後者より大きいときには湿潤過剰と判定している。この従来技術では、酸化ガス供給量の増加により燃料電池内の水分の蒸発が促進されることで湿潤過剰の状態にある電池セルが適正湿潤状態に近づき、各電池セルの電圧のバラツキが小さくなることに基づいて湿潤状態が判定されている。
特開2000−243418号公報 特開平9−245826号公報 特開2000−208161号公報
In order to appropriately maintain the wet state in the fuel cell, first, it is required to accurately determine the current wet state. In particular, in a fuel cell configured by laminating a plurality of battery cells, the plurality of battery cells are connected in series, so that a decrease in the battery performance of one battery cell decreases the battery performance of the entire fuel cell. . For this reason, it is necessary to accurately determine the wet state in units of battery cells. As a technique for determining the wet state of the fuel cell, for example, a technique described in Patent Document 1 is known. In this prior art, the voltage is measured for each of a plurality of battery cells (single cells) constituting the fuel cell before and after the supply amount of the oxidizing gas to the fuel cell is increased, and the variance of each voltage is calculated. Then, the dispersion of each voltage before the increase in the supply amount of the oxidizing gas is compared with the dispersion of each voltage after the increase. When the former is equal to or less than the latter, it is determined that the wet state is appropriate. Judgment. In this prior art, the evaporation of moisture in the fuel cell is promoted by the increase in the supply amount of the oxidizing gas, so that the battery cell in an excessively wet state approaches a proper wet state, and the voltage variation of each battery cell becomes small. Based on this, the wet state is determined.
JP 2000-243418 A Japanese Patent Laid-Open No. 9-245826 JP 2000-208161 A

しかしながら、通常、燃料電池は数百枚の電池セルが積層されて構成されるため、これら数百枚の電池セルの各電圧の分散を算出するためには複雑な演算処理が必要となり、演算手段としてのCPUの負荷は増大する。燃料電池システムでは、CPUによって燃料電池の運転制御に関係する様々な演算処理が行われるため、CPUの負荷を軽減すべく各演算処理は可能な限り簡単なものにしたい。燃料電池の湿潤状態の判定に関する演算処理についても同様であり、CPUの負荷を考慮するならば、より簡単な演算処理で済むような手段によって湿潤状態を判定できるようにしたい。   However, since a fuel cell is usually configured by stacking hundreds of battery cells, complicated calculation processing is required to calculate the variance of each voltage of these hundreds of battery cells. As a result, the load on the CPU increases. In the fuel cell system, various arithmetic processes related to the operation control of the fuel cell are performed by the CPU. Therefore, each arithmetic process should be as simple as possible in order to reduce the load on the CPU. The same applies to the calculation processing related to the determination of the wet state of the fuel cell. If the load on the CPU is taken into consideration, it is desired that the wet state can be determined by means that requires simpler calculation processing.

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、燃料電池内の湿潤状態を簡単な演算処理によって判定できるようにした固体高分子型燃料電池の湿潤状態判定装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and provides a wet state determination device for a polymer electrolyte fuel cell that can determine the wet state in a fuel cell by simple arithmetic processing. For the purpose.

第1の発明は、上記の目的を達成するため、固体高分子型燃料電池の湿潤状態判定装置であって、
複数の電池セルからなる固体高分子型の燃料電池と、
前記複数電池セルのそれぞれの電圧を計測する計測手段と、
計測された前記複数電池セルの各電圧の中から最小電圧を選択する最小電圧選択手段と、
前記燃料電池内の湿潤状態、或いは前記燃料電池の負荷に影響する因子が変化したときの前記最小電圧に基づいて前記燃料電池内の湿潤状態を判定する湿潤状態判定手段と、
を備えることを特徴としている。
In order to achieve the above object, a first invention is a wet state determination apparatus for a polymer electrolyte fuel cell,
A polymer electrolyte fuel cell comprising a plurality of battery cells;
Measuring means for measuring each voltage of the plurality of battery cells;
A minimum voltage selecting means for selecting a minimum voltage from the measured voltages of the plurality of battery cells; and
Wet state determination means for determining a wet state in the fuel cell, or a wet state in the fuel cell based on the minimum voltage when a factor affecting the load of the fuel cell changes;
It is characterized by having.

第2の発明は、第1の発明において、前記湿潤状態判定手段は、前記燃料電池内の水分量が減少する方向に前記因子が変化したとき、前記最小電圧が予め定められた第1判定値を超えたら、前記因子の変化前における前記燃料電池内の湿潤状態を湿潤過剰と判定することを特徴としている。   According to a second aspect, in the first aspect, the wet state determination unit is configured to determine a first determination value in which the minimum voltage is predetermined when the factor changes in a direction in which the amount of water in the fuel cell decreases. Is exceeded, the wet state in the fuel cell before the change of the factor is determined to be overwetting.

第3の発明は、第2の発明において、前記因子の変化は一時的な変化であり、
前記湿潤状態判定手段は、前記因子の変化時、或いは変化終了後に、前記最小電圧が予め定められた前記第1判定値より小さい第2所定値を下回ったら、前記燃料電池内の湿潤状態に関する判定結果を有効とすることを特徴としている。
In a third aspect based on the second aspect, the change in the factor is a temporary change,
The wet state determination means determines whether or not the fuel cell is wet when the minimum voltage falls below a second predetermined value smaller than the predetermined first determination value when the factor changes or after the change ends. It is characterized by valid results.

第4の発明は、第1乃至第3の何れか1つの発明において、前記因子を強制的に変化させる変更手段を備えることを特徴としている。   A fourth invention is characterized in that in any one of the first to third inventions, a changing means for forcibly changing the factor is provided.

第5の発明は、第4の発明において、前記変更手段は、前記最小セル電圧が予め定められた第3判定値を下回ったら、前記燃料電池内の水分量が減少する方向に前記因子を変化させ、
前記湿潤状態判定手段は、前記変更手段の作動によって前記因子が変化したとき、前記燃料電池内の湿潤状態に関する判定を行うことを特徴としている。
In a fifth aspect based on the fourth aspect, the changing means changes the factor in a direction in which the amount of water in the fuel cell decreases when the minimum cell voltage falls below a predetermined third determination value. Let
The wet state determining means is characterized in that when the factor is changed by the operation of the changing means, the wet state in the fuel cell is determined.

第6の発明は、第5の発明において、前記第3判定値は、前記複数電池セルの各電圧の中から選択される参照セル電圧に基づいて設定されることを特徴としている。   According to a sixth aspect, in the fifth aspect, the third determination value is set based on a reference cell voltage selected from the voltages of the plurality of battery cells.

第7の発明は、第1乃至第6の何れか1つの発明において、前記湿潤状態判定手段は、前記燃料電池の負荷が上昇する方向に前記因子が変化したとき、前記最小電圧が予め定められた第4判定値を下回ったら、前記因子の変化前における前記燃料電池内の湿潤状態を湿潤不足と判定することを特徴としている。   According to a seventh invention, in any one of the first to sixth inventions, the wet state determination means determines the minimum voltage in advance when the factor changes in a direction in which the load of the fuel cell increases. If the value falls below the fourth determination value, the wet state in the fuel cell before the change of the factor is determined to be insufficient.

第8の発明は、第7の発明において、前記第4判定値は、前記複数電池セルの各電圧の中から選択される参照セル電圧に基づいて設定されることを特徴としている。   In an eighth aspect based on the seventh aspect, the fourth determination value is set based on a reference cell voltage selected from the voltages of the plurality of battery cells.

第9の発明は、第6又は第8の発明において、前記複数電池セルの各電圧の中から最大電圧を選択する最大電圧選択手段をさらに備え、
前記最大電圧が前記参照セル電圧として設定されることを特徴としている。
A ninth invention further comprises a maximum voltage selecting means for selecting a maximum voltage from the voltages of the plurality of battery cells in the sixth or eighth invention,
The maximum voltage is set as the reference cell voltage.

第10の発明は、第2又は第3の発明において、前記湿潤状態判定手段は、前記燃料電池内の水分量が減少する方向への前記因子の単位時間における変化割合が予め定められた第5判定値を超えている場合に、前記燃料電池内の湿潤状態に関する判定結果を有効とすることを特徴としている。   In a tenth aspect based on the second or third aspect, the wet state determining means is a fifth aspect in which the rate of change in unit time of the factor in the direction in which the amount of water in the fuel cell decreases is predetermined. When the determination value is exceeded, the determination result regarding the wet state in the fuel cell is validated.

第11の発明は、第7又は第8の発明において、前記湿潤状態判定手段は、前記燃料電池の負荷が上昇する方向への前記因子の単位時間における変化割合が予め定められた第6判定値を超えている場合に、前記燃料電池内の湿潤状態に関する判定結果を有効とすることを特徴としている。   In an eleventh aspect based on the seventh or eighth aspect, the wet state determination means is a sixth determination value in which the rate of change in unit time of the factor in the direction in which the load of the fuel cell increases is predetermined. The determination result regarding the wet state in the fuel cell is validated when the value exceeds.

湿潤状態が適正でない電池セルは燃料電池内の湿潤状態、或いは燃料電池の負荷に影響する因子が変化したときに特有の電圧変化を示す。具体的には、湿潤過剰にある電池セルでは、適正な湿潤状態にある電池セルよりも低い電圧を示し、燃料電池内の水分量の減少に伴い電圧が上昇する。逆に、湿潤不足にある電池セルでは、燃料電池の負荷の上昇に伴い適正な湿潤状態にある電池セルよりも大きく電圧が低下する。したがって、燃料電池内の湿潤状態、或いは燃料電池の負荷に影響する因子が変化したとき、複数電池セルの各電圧の中から最小電圧を選択して、その電圧変化を見ることで、燃料電池内の湿潤状態を容易に判定することができる。第1の発明によれば、分散の算出のような複雑な演算処理は必要としないので、演算処理に要する負荷は軽減される。   A battery cell that is not in a wet state exhibits a specific voltage change when the wet state in the fuel cell or a factor that affects the load of the fuel cell changes. Specifically, a battery cell that is excessively wet exhibits a lower voltage than a battery cell that is in a proper wet state, and the voltage increases as the amount of water in the fuel cell decreases. On the other hand, in the battery cells that are deficient in wetness, the voltage decreases more greatly than the battery cells in a proper wet state as the load of the fuel cell increases. Therefore, when the wet state in the fuel cell or the factor affecting the load of the fuel cell changes, the minimum voltage is selected from the voltages of the plurality of battery cells and the change in the voltage is observed. The wet state of can be easily determined. According to the first aspect of the invention, a complicated calculation process such as calculation of variance is not required, so that the load required for the calculation process is reduced.

また、第2の発明によれば、燃料電池内の水分量が減少する方向に前記因子が変化したときに最小電圧を所定の第1判定値と比較するだけで、燃料電池内の湿潤状態が湿潤過剰になっているか否か容易に判定することができる。   Further, according to the second invention, when the factor changes in a direction in which the amount of water in the fuel cell decreases, the wet state in the fuel cell can be determined simply by comparing the minimum voltage with the predetermined first determination value. It can be easily determined whether or not it is excessively wet.

燃料電池内の湿潤状態が湿潤過剰であるとき、前記因子の変化が一時的な変化の場合には、前記因子の変化時、或いは変化終了後、最小電圧は再び低下する。第3の発明によれば、前記因子の変化時、或いは変化終了後の最小電圧の変化も判定条件の一つとしているので、燃料電池内の湿潤状態が湿潤過剰になっているか否か正確に判定することができる。   When the wet state in the fuel cell is excessively wet, if the change of the factor is a temporary change, the minimum voltage decreases again at the time of the change of the factor or after the change is completed. According to the third invention, since the change in the minimum voltage after the change of the factor or after the change is also one of the determination conditions, it is possible to accurately determine whether or not the wet state in the fuel cell is excessively wet. Can be determined.

第4の発明によれば、燃料電池内の湿潤状態の判定のために前記因子を強制的に変化させることができるので、任意のタイミングで、且つ、確実に湿潤状態を判定することが可能になる。   According to the fourth invention, the factor can be forcibly changed to determine the wet state in the fuel cell, so that the wet state can be reliably determined at an arbitrary timing. Become.

湿潤過剰な電池セルは適正な湿潤状態にある電池セルよりも電圧は低下している。第5の発明によれば、最小セル電圧が第3判定値よりも低いことを湿潤状態判定の前提にしているので、不要な判定を防止して燃料電池内の湿潤状態が湿潤過剰になっているか否か正確に判定することができる。   A battery cell that is excessively wet has a lower voltage than a battery cell that is in a proper wet state. According to the fifth aspect of the invention, it is assumed that the minimum cell voltage is lower than the third determination value in the wet state determination. Therefore, unnecessary determination is prevented and the wet state in the fuel cell becomes excessively wet. It can be accurately determined whether or not.

第6の発明によれば、複数電池セルの各電圧の中から選択される参照セル電圧が前記第3判定値の設定に用いられるので、最小セル電圧と適正な湿潤状態にある電池セルの電圧との相対的な比較によって燃料電池内の湿潤状態が湿潤過剰になっているか否か正確に判定することができる。   According to the sixth invention, since the reference cell voltage selected from the voltages of the plurality of battery cells is used for setting the third determination value, the minimum cell voltage and the voltage of the battery cell in an appropriate wet state are used. It is possible to accurately determine whether or not the wet state in the fuel cell is excessively wet.

また、第7の発明によれば、燃料電池の負荷が上昇する方向に前記因子が変化したときに最小電圧を所定の第4判定値と比較するだけであるので、燃料電池内の湿潤状態が湿潤不足になっているか否か容易に判定することができる。   According to the seventh aspect of the invention, since the minimum voltage is only compared with the predetermined fourth determination value when the factor changes in the direction in which the load of the fuel cell increases, the wet state in the fuel cell is reduced. It can be easily determined whether or not the wetness is insufficient.

第8の発明によれば、複数電池セルの各電圧の中から選択される参照セル電圧が前記第4判定値の設定に用いられるので、最小セル電圧と適正な湿潤状態にある電池セルの電圧との相対的な比較によって、燃料電池内の湿潤状態が湿潤不足になっているか否か正確に判定することができる。   According to the eighth invention, since the reference cell voltage selected from the voltages of the plurality of battery cells is used for setting the fourth determination value, the minimum cell voltage and the voltage of the battery cell in an appropriate wet state are used. It is possible to accurately determine whether or not the wet state in the fuel cell is insufficiently wet.

また、第9の発明によれば、複数電池セルの各電圧の中から選択される最大電圧を参照セル電圧として設定されることで、各電圧の変動が判定結果へ及ぼす影響を最小限に抑えることができ、より正確な湿潤状態の判定が可能になる。また、最大電圧の選択には分散の算出のような複雑な演算処理は必要としないので、演算処理に要する負荷の増大は抑えられる。   According to the ninth invention, the maximum voltage selected from each voltage of the plurality of battery cells is set as the reference cell voltage, thereby minimizing the influence of the fluctuation of each voltage on the determination result. This makes it possible to determine the wet state more accurately. In addition, since the selection of the maximum voltage does not require complicated arithmetic processing such as calculation of variance, an increase in load required for the arithmetic processing can be suppressed.

第10の発明によれば、前記因子の変化が湿潤過剰な電池セルの電圧の変化に明確に現れる状況でのみ判定結果が有効とされるので、燃料電池内の湿潤状態が湿潤過剰になっているか否かより正確に判定することができる。   According to the tenth invention, the determination result is valid only in a situation where the change in the factor clearly appears in the change in the voltage of the battery cell that is excessively wet. Therefore, the wet state in the fuel cell becomes excessively wet. It can be determined more accurately whether or not.

第11の発明によれば、前記因子の変化が湿潤不足状態にある電池セルの電圧の変化に明確に現れる状況でのみ判定結果が有効とされるので、燃料電池内の湿潤状態が湿潤不足になっているか否かより正確に判定することができる。   According to the eleventh aspect of the invention, the determination result is valid only in a situation where the change in the factor clearly appears in the change in the voltage of the battery cell in the insufficiently wet state. It can be determined more accurately whether or not.

以下、図1乃至図3を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図1は、本発明の固体高分子型燃料電池の湿潤状態判定装置が適用される燃料電池システムの全体を示す概略構成図である。本燃料電池システムは燃料電池自動車に搭載される車両用燃料電池システムとして好適である。ただし、他の用途の燃料電池システムへの適用も勿論可能である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 3.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an entire fuel cell system to which a wet state determination device for a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention is applied. This fuel cell system is suitable as a fuel cell system for vehicles mounted on a fuel cell vehicle. However, it is of course possible to apply the fuel cell system to other uses.

本燃料電池システムは固体高分子型燃料電池(以下、燃料電池)2を備えている。燃料電池2は複数枚の電池セルが積層された構造を有している。各電池セルは、図示は省略するが、電解質膜の両側を触媒電極であるアノード極とカソード極とで挟まれ、さらにその両側を導電性のセパレータによって挟まれて構成されている。セパレータとアノード極との間には水素が流れる水素流路が形成され、セパレータとカソード極との間には空気が流れる空気流路が形成されている。   The fuel cell system includes a polymer electrolyte fuel cell (hereinafter referred to as a fuel cell) 2. The fuel cell 2 has a structure in which a plurality of battery cells are stacked. Although not shown, each battery cell is configured such that both sides of the electrolyte membrane are sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode, which are catalyst electrodes, and further, both sides are sandwiched between conductive separators. A hydrogen flow path through which hydrogen flows is formed between the separator and the anode electrode, and an air flow path through which air flows is formed between the separator and the cathode electrode.

燃料電池2には水素流路に水素を供給するための水素供給管4と水素流路からアノードオフガスを排出するためのオフガス排気管6が接続されている。水素供給管4の上流端は水素供給装置10に接続され、水素供給装置10と燃料電池2との間には調圧装置12が配置されている。水素供給装置10から供給される水素は調圧装置12で減圧され所望の圧力に調整されてから燃料電池2に供給される。水素供給装置10としては、ガソリン等の炭化水素系原料を改質して水素リッチな燃料ガスを供給する改質器を用いてもよく、水素を圧縮して貯蔵した高圧水素タンクを用いてもよい。   The fuel cell 2 is connected with a hydrogen supply pipe 4 for supplying hydrogen to the hydrogen flow path and an off-gas exhaust pipe 6 for discharging the anode off-gas from the hydrogen flow path. An upstream end of the hydrogen supply pipe 4 is connected to a hydrogen supply device 10, and a pressure regulator 12 is disposed between the hydrogen supply device 10 and the fuel cell 2. Hydrogen supplied from the hydrogen supply device 10 is depressurized by the pressure adjusting device 12 and adjusted to a desired pressure, and then supplied to the fuel cell 2. As the hydrogen supply device 10, a reformer that reforms a hydrocarbon-based raw material such as gasoline and supplies a hydrogen-rich fuel gas may be used, or a high-pressure hydrogen tank that compresses and stores hydrogen may be used. Good.

燃料電池2で消費されなかった水素はカソード極側から透過してきた窒素等の不純物とともにアノードオフガスとして水素流路からオフガス排気管6に排気される。オフガス排気管6には遮断弁16が配置されるとともに、遮断弁16の上流側ではオフガス排気管6から分岐してオフガス循環管8が接続されている。オフガス循環管8は水素供給管4における調圧装置12の下流側にエジェクタ等を介して接続されている。オフガス循環管8にはアノードオフガスを水素流路から引き出して水素供給管4に送り出す循環装置14が設けられている。遮断弁16は所定のタイミングで開かれ、遮断弁16が開くことで循環系内に滞留している窒素等の不純物が水素とともに外部に放出されるようになっている。   Hydrogen that has not been consumed in the fuel cell 2 is exhausted from the hydrogen flow path to the off-gas exhaust pipe 6 as an anode off-gas along with impurities such as nitrogen that have permeated from the cathode electrode side. A shutoff valve 16 is disposed in the offgas exhaust pipe 6, and an offgas circulation pipe 8 is branched from the offgas exhaust pipe 6 on the upstream side of the shutoff valve 16. The off-gas circulation pipe 8 is connected to the downstream side of the pressure regulator 12 in the hydrogen supply pipe 4 via an ejector or the like. The off-gas circulation pipe 8 is provided with a circulation device 14 that draws the anode off-gas from the hydrogen flow path and sends it to the hydrogen supply pipe 4. The shut-off valve 16 is opened at a predetermined timing, and when the shut-off valve 16 is opened, impurities such as nitrogen staying in the circulation system are released to the outside together with hydrogen.

また、燃料電池2には空気流路に空気を供給するための空気供給管20と空気流路からカソードオフガスを排出するためのオフガス排気管22が接続されている。空気供給管20にはエアコンプレッサ等の空気供給装置24が配置されており、空気供給装置24の作動によって外部から空気供給管20に空気が取り込まれ空気流路に供給される。オフガス排気管22は大気開放され、その管路の途中には空気圧を調整するための調圧装置30が設けられている。   The fuel cell 2 is connected to an air supply pipe 20 for supplying air to the air flow path and an off-gas exhaust pipe 22 for discharging cathode off-gas from the air flow path. An air supply device 24 such as an air compressor is disposed in the air supply pipe 20, and air is taken into the air supply pipe 20 from the outside by the operation of the air supply device 24 and supplied to the air flow path. The off-gas exhaust pipe 22 is opened to the atmosphere, and a pressure adjusting device 30 for adjusting the air pressure is provided in the middle of the pipe line.

オフガス排気管22の調圧装置30よりも上流側と空気供給管20の空気供給装置24よりも下流側とは水蒸気交換装置28によって接続されている。カソードオフガスに含まれる水分の一部は水蒸気交換装置28により回収され、空気流路に供給される空気に付与される。空気供給管20には、水蒸気交換装置28を迂回するバイパス管26が水蒸気交換装置28と並列に接続されている。空気供給管20とバイパス管26の上流端とは三方弁32によって接続され、三方弁32のポート切換によって空気供給装置24からの空気の供給先を水蒸気交換装置28側とバイパス管26側との間で切り換えることができるようになっている。   The upstream side of the pressure adjusting device 30 of the off-gas exhaust pipe 22 and the downstream side of the air supply device 24 of the air supply pipe 20 are connected by a water vapor exchange device 28. Part of the moisture contained in the cathode offgas is recovered by the water vapor exchange device 28 and applied to the air supplied to the air flow path. A bypass pipe 26 that bypasses the water vapor exchange device 28 is connected to the air supply pipe 20 in parallel with the water vapor exchange device 28. The air supply pipe 20 and the upstream end of the bypass pipe 26 are connected by a three-way valve 32. By switching the port of the three-way valve 32, the supply destination of air from the air supply apparatus 24 is changed between the steam exchange apparatus 28 side and the bypass pipe 26 side. You can switch between them.

本燃料電池システムは燃料電池2の運転を制御する制御装置としてECU(Electronic Control Unit)40を備えている。ECU40は水素供給装置10,調圧装置12,循環装置14,遮断弁16,空気供給装置24、三方弁32、調圧装置30等の機器を総合制御することで、燃料電池2の運転を制御している。また、ECU40の入力側には、燃料電池2の運転を制御するための情報を検出する手段として、セル電圧監視装置42が接続されている。セル電圧監視装置42は燃料電池2を構成する全電池セルについてそれぞれの電圧をリアルタイムに計測し、計測した全電池セルの各電圧をECU40に供給している。   This fuel cell system includes an ECU (Electronic Control Unit) 40 as a control device for controlling the operation of the fuel cell 2. The ECU 40 controls the operation of the fuel cell 2 by comprehensively controlling devices such as the hydrogen supply device 10, the pressure adjustment device 12, the circulation device 14, the shutoff valve 16, the air supply device 24, the three-way valve 32, and the pressure adjustment device 30. doing. A cell voltage monitoring device 42 is connected to the input side of the ECU 40 as means for detecting information for controlling the operation of the fuel cell 2. The cell voltage monitoring device 42 measures the voltages of all the battery cells constituting the fuel cell 2 in real time, and supplies the measured voltages of all the battery cells to the ECU 40.

ECU40が燃料電池2の運転を制御する制御モードの一つとして、燃料電池2の湿潤状態を判定するときに実行する湿潤状態判定モードがある。燃料電池2の電解質膜は固体高分子膜であり、発電時、水素イオンは水分子と結びついた状態で電解質膜中をアノード極側からカソード極側へ移動する。電解質膜中の水分が不足すると水素イオンの導電率は大きく低下するため、電池性能を維持するためには電解質膜中に十分な水分が必要であり、燃料電池2内が湿潤不足にならないよう加湿する必要がある。ただし、過剰な加湿により燃料電池2内を湿潤過剰にしてしまうと、電解質膜の付近に存在する水によってカソード極或いはアノード極へのガスの供給が阻害されて電池性能が低下してしまう。したがって、高い電池性能を継続的に得るためには電解質膜が十分に湿潤し、且つ、空気流路や水素流路内をガスが十分に流通できるように燃料電池2内を適度な湿潤状態に維持することが重要であり、そのためにも現在の燃料電池2の湿潤状態を正確に判定することが要求される。湿潤状態判定モードはこのような要求に基づき設定された制御モードである。   One of the control modes in which the ECU 40 controls the operation of the fuel cell 2 is a wet state determination mode that is executed when the wet state of the fuel cell 2 is determined. The electrolyte membrane of the fuel cell 2 is a solid polymer membrane, and during power generation, hydrogen ions move from the anode side to the cathode side in the electrolyte membrane in a state of being coupled with water molecules. When the water content in the electrolyte membrane is insufficient, the conductivity of hydrogen ions is greatly reduced. Therefore, sufficient water is required in the electrolyte membrane to maintain battery performance, and humidification is performed so that the fuel cell 2 does not become damp enough. There is a need to. However, if the inside of the fuel cell 2 is excessively moistened due to excessive humidification, the supply of gas to the cathode electrode or the anode electrode is hindered by water present in the vicinity of the electrolyte membrane, and the cell performance deteriorates. Therefore, in order to continuously obtain high battery performance, the electrolyte membrane is sufficiently wetted, and the fuel cell 2 is appropriately wetted so that the gas can sufficiently flow through the air flow path and the hydrogen flow path. Therefore, it is important to accurately determine the current wet state of the fuel cell 2. The wet state determination mode is a control mode set based on such a request.

湿潤状態判定モードは燃料電池2の出力電圧が低下したとき、例えば、出力電圧が所定の判定値を下回ったときに実行される。或いは、燃料電池2の運転時間が所定時間に達したら実行するようにしてもよい。ただし、後述するように、湿潤状態の判定は燃料電池2の負荷の変化の影響を受けるので、例えば、車両の加速時のように燃料電池2の負荷が変動している状況、或いは変動幅が許容範囲を超える状況では湿潤状態判定モードの実行は禁止される。   The wet state determination mode is executed when the output voltage of the fuel cell 2 decreases, for example, when the output voltage falls below a predetermined determination value. Alternatively, it may be executed when the operation time of the fuel cell 2 reaches a predetermined time. However, as will be described later, since the determination of the wet state is affected by the change in the load of the fuel cell 2, for example, the situation in which the load of the fuel cell 2 fluctuates as during acceleration of the vehicle, or the fluctuation range is Execution of the wet state determination mode is prohibited in a situation exceeding the allowable range.

湿潤状態判定モードではECU40は空気供給装置24を制御して燃料電池2への空気供給量を一時的に増大させる制御を実行する。特定の電池セルが湿潤過剰になっている場合、空気供給量の一時的な増大により過剰な水分が空気とともに持ち去られるため、湿潤過剰は一時的に解消されてセル電圧は上昇する。そして、空気供給量が元の流量に減少することで再び湿潤過剰になりセル電圧は低下する。一方、特定の電池セルが湿潤不足になっている場合は、空気供給量の一時的な増大に伴い湿潤不足がさらに進んで電圧は低下する。この現象は主として空気供給量の増大に伴う燃料電池2の負荷(発電電力)の増大に起因する。電解質膜中の水素イオンの移動量は負荷の増大に応じて増大するが、このとき水素イオンとともに電解質膜中の水分子もカソード極側から電解質膜外に移動する。このため、燃料電池2の負荷の増大に応じて電解質膜外への水分の移動量も増大し、電解質膜の乾燥が進んでしまうのである。空気供給量が元の流量に減少することで燃料電池2の負荷も低下し、電解質膜の湿潤状態が回復してセル電圧は上昇する。   In the wet state determination mode, the ECU 40 controls the air supply device 24 to execute control for temporarily increasing the air supply amount to the fuel cell 2. When a specific battery cell is excessively wet, excess moisture is carried away with the air due to a temporary increase in the air supply amount, so that the excessive wetness is temporarily eliminated and the cell voltage increases. Then, when the air supply amount is reduced to the original flow rate, it becomes excessively wet again and the cell voltage decreases. On the other hand, when a specific battery cell is insufficiently wet, the shortage of wetness further proceeds with a temporary increase in the air supply amount, and the voltage decreases. This phenomenon is mainly caused by an increase in the load (generated power) of the fuel cell 2 accompanying an increase in the air supply amount. The amount of movement of hydrogen ions in the electrolyte membrane increases as the load increases. At this time, water molecules in the electrolyte membrane also move from the cathode electrode side to the outside of the electrolyte membrane together with hydrogen ions. For this reason, as the load of the fuel cell 2 increases, the amount of moisture transferred to the outside of the electrolyte membrane also increases, and drying of the electrolyte membrane proceeds. When the air supply amount is reduced to the original flow rate, the load of the fuel cell 2 is also reduced, the wet state of the electrolyte membrane is recovered, and the cell voltage is increased.

このように、電池セルが湿潤過剰にある場合と湿潤不足にある場合とでは、空気供給量を一時的に増大させたときのセル電圧の挙動が全く異なっている。したがって、このときのセル電圧の挙動を調べることで燃料電池2内の湿潤状態を判定することができる。ECU40はセル電圧監視装置42で計測される全電池セルの各電圧に基づいて燃料電池2内の湿潤状態を判定する。なお、本実施形態では、空気供給装置24が燃料電池2内の湿潤状態、或いは燃料電池2の負荷に影響する因子を強制的に変化させる変更手段として機能している。   As described above, the behavior of the cell voltage when the air supply amount is temporarily increased is completely different between the case where the battery cell is excessively wet and the case where the battery cell is insufficiently wet. Therefore, the wet state in the fuel cell 2 can be determined by examining the behavior of the cell voltage at this time. The ECU 40 determines the wet state in the fuel cell 2 based on the voltages of all the battery cells measured by the cell voltage monitoring device 42. In the present embodiment, the air supply device 24 functions as a changing unit that forcibly changes a factor affecting the wet state in the fuel cell 2 or the load on the fuel cell 2.

ECU40は計測された全電池セルの各電圧の中から最小電圧と最大電圧(各計測時点における全電圧の中の最小値と最大値)とを選択する。選択された最小電圧が判定対象となる対象セル電圧となり、最大電圧が対象セル電圧を評価するための基準となる参照セル電圧となる。湿潤過剰或いは湿潤不足になっている電池セルは適正な湿潤状態にある電池セルに比較してセル電圧が低い。よって、このように最小電圧を選択することで、多数(数百枚)の電池セルの中から湿潤過剰或いは湿潤不足の可能性のある電池セルを簡単に特定することができる。また、一つの電池セルに着目したときそのセル電圧には変動があるが、最大電圧を参照セル電圧として設定することで、セル電圧の変動が判定結果へ及ぼす影響を最小限に抑えることができる。なお、本実施形態では、以上のECU40の機能によって第1の発明にかかる「最小電圧選択手段」と第9の発明にかかる「最大電圧選択手段」が実現されている。   The ECU 40 selects a minimum voltage and a maximum voltage (minimum value and maximum value among all voltages at each measurement time) from among the measured voltages of all battery cells. The selected minimum voltage is the target cell voltage to be determined, and the maximum voltage is the reference cell voltage that is a reference for evaluating the target cell voltage. A battery cell that is excessively wet or insufficiently wet has a lower cell voltage than a battery cell that is in a proper wet state. Therefore, by selecting the minimum voltage in this way, it is possible to easily identify a battery cell that may be excessively wet or insufficiently wet from among a large number (several hundreds) of battery cells. Also, when focusing on one battery cell, the cell voltage varies, but by setting the maximum voltage as the reference cell voltage, the influence of the cell voltage variation on the determination result can be minimized. . In the present embodiment, the “minimum voltage selection means” according to the first invention and the “maximum voltage selection means” according to the ninth invention are realized by the functions of the ECU 40 described above.

ECU40は上記のようにして設定される対象セル電圧と参照セル電圧とを用いて燃料電池2内の湿潤状態を判定する。ここで、図2は、湿潤過剰になっている電池セルが存在する場合に空気流量を一時的に増大させたときに生じる対象セル電圧の変化を参照セル電圧の変化と併せて示したグラフである。また、図3は、湿潤不足になっている電池セルが存在する場合に燃料電池2の発電電力を一時的に増大させたときに生じる対象セル電圧の変化を参照セル電圧の変化と併せて示したグラフである。以下、図2及び図3を用いて、ECU40により行われる湿潤状態の判定方法について詳しく説明する。なお、本実施形態では、以下に説明するECU40の機能によって第1の発明にかかる「湿潤状態判定手段」が実現されている。   The ECU 40 determines the wet state in the fuel cell 2 using the target cell voltage and the reference cell voltage set as described above. Here, FIG. 2 is a graph showing the change in the target cell voltage that occurs when the air flow rate is temporarily increased in the presence of battery cells that are excessively wet, together with the change in the reference cell voltage. is there. FIG. 3 also shows the change in the target cell voltage that occurs when the generated power of the fuel cell 2 is temporarily increased when there is a battery cell that is insufficiently wetted, along with the change in the reference cell voltage. It is a graph. Hereinafter, the wet state determination method performed by the ECU 40 will be described in detail with reference to FIGS. 2 and 3. In the present embodiment, the “wet state determination means” according to the first aspect of the invention is realized by the function of the ECU 40 described below.

まず、燃料電池2内の湿潤状態が湿潤過剰になっている否かの判定(湿潤過剰判定)の方法について説明する。図2中に示すように、ECU40は対象セル電圧Vを評価するための基準として3つの判定値V1,V2,V3を設定している。第2判定値V2は第1判定値V1よりも小さい値であり、第3判定値V3も第1判定値V1よりも小さい値に設定されている。ただし、第1判定値V1と第2判定値V2は固定値であるが、第3判定値V3は参照セル電圧Vrefに対する相対値であり、参照セル電圧Vrefよりも所定値ΔVaだけ低い値に設定されている。 First, a method for determining whether or not the wet state in the fuel cell 2 is excessively wet (overwetting determination) will be described. As shown in FIG. 2, the ECU 40 sets three determination values V 1 , V 2 , and V 3 as a reference for evaluating the target cell voltage V. The second determination value V 2 is a value smaller than the first determination value V 1 , and the third determination value V 3 is also set to a value smaller than the first determination value V 1 . However, the first determination value V 1 and the second determination value V 2 which is a fixed value, the third determination value V 3 is a relative value to the reference cell voltage V ref, the reference cell voltage V ref predetermined value ΔV than It is set to a lower value by a.

ECU40は、まず、対象セル電圧Vと第3判定値V3とを比較する。そして、対象セル電圧Vが第3判定値V3を下回っていれば湿潤過剰判定を開始し、空気供給装置24を制御して空気流量を一時的に増大させる。対象セル電圧Vと第3判定値V3との比較は誤判定を防止するためであり、参照セル電圧Vrefと第3判定値V3との電圧差ΔVaは湿潤過剰によりセル電圧が低下したことを十分に推定できる程度の値に設定されている。 The ECU 40 first compares the target cell voltage V with the third determination value V 3 . Then, if the target cell voltage V is lower than the third determination value V 3 , the excessive wetness determination is started, and the air supply device 24 is controlled to temporarily increase the air flow rate. The comparison between the target cell voltage V and the third determination value V 3 is to prevent erroneous determination, and the voltage difference ΔV a between the reference cell voltage V ref and the third determination value V 3 decreases due to excessive wetting. It is set to a value that can be sufficiently estimated.

空気流量の増大により対象セル電圧Vが上昇したら、ECU40は対象セル電圧Vと第1判定値V1との比較を行う。そして、対象セル電圧Vが第1判定値V1を超えたら湿潤過剰であるとの仮判定を行う(例えば、仮判定フラグをセットする)。 When the target cell voltage V increases due to the increase in the air flow rate, the ECU 40 compares the target cell voltage V with the first determination value V 1 . When the target cell voltage V exceeds the first determination value V 1 , a provisional determination is made that the target cell voltage V is excessively wet (for example, a provisional determination flag is set).

空気供給装置24の作動終了により空気流量が減少に転じると、上昇していた対象セル電圧Vは再び減少していく。湿潤過剰であるとの仮判定が行われている場合(例えば、仮判定フラグがセットされている場合)、ECU40は対象セル電圧Vと第2判定値V2との比較を行う。そして、対象セル電圧Vが第2判定値V2を下回ったら仮判定を有効とし、燃料電池2内の湿潤状態を湿潤過剰と判定する。このように対象セル電圧Vが第2判定値V2を下回ることも判定条件の一つとしているのは、燃料電池2内の湿潤状態が真に湿潤過剰になっているか否か正確に判定するためである。ガス流路の詰まり等、何等かの理由で一時的にセル電圧が低下していただけの場合も考えられるので、このように二重の判定を行うことで誤判定を防止することができる。 When the air flow rate starts to decrease due to the end of the operation of the air supply device 24, the target cell voltage V that has risen decreases again. If the tentative determination that the overhydration is being performed (e.g., if the temporary determination flag is set), ECU 40 performs the comparison between the target cell voltage V and the second determination value V 2. When the target cell voltage V falls below the second determination value V 2 , the provisional determination is validated, and the wet state in the fuel cell 2 is determined to be excessively wet. One of the determination conditions is that the target cell voltage V falls below the second determination value V 2 as described above, and it is accurately determined whether or not the wet state in the fuel cell 2 is truly excessively wet. Because. Since it may be possible that the cell voltage is temporarily lowered for some reason, such as clogging of the gas flow path, erroneous determination can be prevented by performing double determination in this way.

なお、第3判定値V3は参照セル電圧Vrefに所定の1未満の係数を乗算した値でもよい。また、ここでは第1判定値V1と第2判定値V2は固定値としているが、第3判定値V3と同様に参照セル電圧Vrefに対する相対値としてもよい。 The third determination value V 3 may be a value obtained by multiplying the reference cell voltage V ref by a predetermined coefficient less than 1. Here, the first determination value V 1 and the second determination value V 2 are fixed values, but may be relative values to the reference cell voltage V ref as with the third determination value V 3 .

次に、燃料電池2内の湿潤状態が湿潤不足になっている否かの判定(湿潤不足判定)の方法について説明する。図3中に示すように、ECU40は対象セル電圧Vを評価するための基準として第4判定値V4を設定している。第4判定値V4は参照セル電圧Vrefに対する相対値であり、参照セル電圧Vrefよりも所定値ΔVbだけ低い値に設定されている。なお、上記の第3判定値V3と同様、この第4判定値V4も参照セル電圧Vrefに所定の1未満の係数を乗算した値でもよい。 Next, a method for determining whether or not the wet state in the fuel cell 2 is insufficiently wet (determination of wetness) will be described. As shown in FIG. 3, the ECU 40 sets a fourth determination value V 4 as a reference for evaluating the target cell voltage V. Fourth determination value V 4 are relative values with respect to the reference cell voltage V ref, is set to a value lower by a predetermined value [Delta] V b than the reference cell voltage V ref. Similar to the third determination value V 3 , the fourth determination value V 4 may be a value obtained by multiplying the reference cell voltage V ref by a predetermined coefficient less than 1.

図2と図3の対象セル電圧Vを比較して分かるように、湿潤不足の場合、湿潤過剰の場合ほど通常運転時のセル電圧の低下は大きくない。このため、通常運転時の対象セル電圧Vからでは湿潤不足の電池セルか否か予測することは難しい。そこで、湿潤不足判定においては、ECU40は、まず、空気供給装置24を制御して空気流量を一時的に増大させることで燃料電池2の発電電力を増大させる。そして、発電電力の増大により対象セル電圧Vが低下したら、ECU40は対象セル電圧Vと第4判定値V4との比較を行う。比較の結果、対象セル電圧Vが第4判定値V4を下回ったら、燃料電池2内の湿潤状態を湿潤不足と判定する。参照セル電圧Vrefと第4判定値V4との電圧差ΔVbは湿潤不足によりセル電圧が低下したことを十分に推定できる程度の値に設定されている。 As can be seen by comparing the target cell voltage V in FIG. 2 and FIG. 3, in the case of insufficient wetting, the decrease in cell voltage during normal operation is not as great as in the case of excessive wetting. For this reason, it is difficult to predict whether or not the battery cell is deficient in moisture from the target cell voltage V during normal operation. Therefore, in the determination of insufficient dampness, the ECU 40 first increases the generated power of the fuel cell 2 by controlling the air supply device 24 to temporarily increase the air flow rate. When the target cell voltage V decreases due to an increase in generated power, the ECU 40 compares the target cell voltage V with the fourth determination value V 4 . As a result of the comparison, if the target cell voltage V is lower than the fourth determination value V 4 , the wet state in the fuel cell 2 is determined to be insufficient. The voltage difference ΔV b between the reference cell voltage V ref and the fourth determination value V 4 is set to a value that can sufficiently estimate that the cell voltage has decreased due to insufficient wetting.

以上のような湿潤状態の判定方法によれば、全電池セルの各セル電圧の中から最小電圧と最大電圧を選択することが主な演算処理となり、分散の算出のような複雑な演算処理は必要としない。このため、演算処理に要するECU40の負荷は軽減され、判定開始から判定結果の出力までの時間を短縮することができる。また、ECU40の負荷は軽減されることから、湿潤状態判定以外の他の制御に遅れが生じることも防止される。   According to the determination method of the wet state as described above, the main calculation process is to select the minimum voltage and the maximum voltage from the cell voltages of all the battery cells, and complicated calculation processes such as calculation of dispersion are not possible. do not need. For this reason, the load of the ECU 40 required for the arithmetic processing is reduced, and the time from the determination start to the output of the determination result can be shortened. In addition, since the load on the ECU 40 is reduced, it is possible to prevent delays in other controls than the wet state determination.

ECU40は湿潤状態の判定結果が出たら湿潤状態判定モードを終了し、判定結果に応じた制御モード(セル電圧回復モード)を実行する。判定結果が湿潤過剰の場合には湿潤過剰を解消するのに適した制御を行い、判定結果が湿潤不足の場合には湿潤不足を解消するのに適した制御を行うことでセル電圧を回復させる。湿潤過剰を解消するのに適した制御としては、例えば、空気供給装置24を制御して空気供給量を増大させることがある。また、三方弁32を切り換えて水蒸気交換装置28を通らない乾燥空気を燃料電池2に供給してもよい。また、調圧装置12,30を制御して燃料電池2内のガス圧を低下させたり、燃料電池2の運転温度を上昇させたりすることも有効である。湿潤不足を解消するのに適した制御としては、例えば、空気供給装置24を制御して空気供給量を減少させることがある。また、調圧装置12,30を制御して燃料電池2内のガス圧を上昇させたり、燃料電池2の運転温度を低下させたりすることも有効である。   When the wet state determination result is obtained, the ECU 40 ends the wet state determination mode and executes a control mode (cell voltage recovery mode) according to the determination result. If the determination result is excessively wet, control suitable for eliminating the excessive wetness is performed, and if the determination result is insufficient wetness, control suitable for eliminating the insufficient wetness is performed to recover the cell voltage. . As a control suitable for eliminating overwetting, for example, the air supply device 24 is controlled to increase the air supply amount. Alternatively, dry air that does not pass through the water vapor exchanger 28 by switching the three-way valve 32 may be supplied to the fuel cell 2. It is also effective to control the pressure regulators 12 and 30 to reduce the gas pressure in the fuel cell 2 or to increase the operating temperature of the fuel cell 2. As a control suitable for eliminating deficiency of wetness, for example, the air supply device 24 is controlled to reduce the air supply amount. It is also effective to control the pressure regulators 12 and 30 to increase the gas pressure in the fuel cell 2 or to reduce the operating temperature of the fuel cell 2.

なお、上記の湿潤状態判定モードやセル電圧回復モードの実行中は、発電電力の増加指要求あった場合に要求に応えることができない。そこで、この場合は二次電池等の燃料電池2とは別の電力供給源から所要の電力の供給を行うようにする。   Note that during the execution of the wet state determination mode and the cell voltage recovery mode, the request cannot be met when a request for increasing the generated power is made. Therefore, in this case, necessary power is supplied from a power supply source different from the fuel cell 2 such as a secondary battery.

その他.
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、次のように変形して実施してもよい。
Others.
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, the following modifications may be made.

上述の実施の形態では、湿潤状態判定モードにおいて空気供給装置24を制御して空気量を変化させているが、燃料電池2内の湿潤状態、或いは燃料電池2の負荷に影響する因子であれば、空気量以外の他の因子を変化させてもよい。特に、湿潤過剰判定に関しては燃料電池内2の湿潤状態に影響する因子であればよく、例えば燃料電池2内のガス圧や燃料電池2の運転温度を変化させてもよい。また、遮断弁16の開閉によって制御されるアノードオフガスの排出量を変化させてもよい。また、湿潤不足判定に関しては燃料電池2の負荷に影響する因子であればよく、例えば、二次電池への充電量を変化させたり、燃料電池2から電力の供給を受ける補機の電力使用量を変化させたりしてもよい。   In the above-described embodiment, the air supply device 24 is controlled to change the air amount in the wet state determination mode, but any factor that affects the wet state in the fuel cell 2 or the load of the fuel cell 2 can be used. Other factors other than the air amount may be changed. In particular, the determination of excess wetness may be any factor that affects the wet state of the fuel cell 2. For example, the gas pressure in the fuel cell 2 or the operating temperature of the fuel cell 2 may be changed. Further, the discharge amount of the anode off gas controlled by opening and closing the shutoff valve 16 may be changed. Further, regarding the deficiency of wetness determination, any factor that affects the load of the fuel cell 2 may be used. May be changed.

さらに、燃料電池2内の湿潤状態、或いは燃料電池2の負荷に影響する因子の変化は、必ずしも上述の実施の形態のような強制的な変化である必要はない。燃料電池2の通常運転時の成り行きによって前記因子が変化したとき、その変化が所定の要件を満たす変化であれば湿潤状態の判定を行うようにしてもよい。ここでいう所定の要件とは、湿潤過剰判定の場合には、燃料電池2内の水分量が減少する方向に前記因子が変化することであり、例えば、空気量であれば空気量が増大することである。これにより、第1判定値V1との比較が可能になる。好ましくは、その後、燃料電池2内の水分量が増大する方向に前記因子が変化すること、例えば、空気量が減少することも要件に加える。これにより、第2判定値V2との比較が可能になって、より正確な湿潤状態の判定を実現することができる。また、湿潤不足判定の場合には、燃料電池2の負荷が上昇する方向に因子が変化することが所定の要件であり、例えば、空気量であれば空気量が増大することである。これにより、第4判定値V4との比較が可能になる。その後、燃料電池2の負荷が低下する方向に因子が変化すること、例えば、空気量が減少することは必ずしも必要ではない。 Furthermore, the change in the factor affecting the wet state in the fuel cell 2 or the load on the fuel cell 2 is not necessarily a forced change as in the above-described embodiment. When the factor changes due to the normal operation of the fuel cell 2, the wet state may be determined if the change satisfies a predetermined requirement. The predetermined requirement here means that in the case of excessive wetness determination, the factor changes in a direction in which the amount of water in the fuel cell 2 decreases. For example, if the amount of air is increased, the amount of air increases. That is. Thereby, the comparison with the first determination value V 1 becomes possible. Preferably, after that, the factor changes in the direction in which the amount of water in the fuel cell 2 increases, for example, the amount of air decreases, is added to the requirement. As a result, the comparison with the second determination value V 2 becomes possible, and a more accurate determination of the wet state can be realized. In the case of insufficient wetting determination, it is a predetermined requirement that the factor changes in the direction in which the load of the fuel cell 2 increases. For example, if the amount of air is increased, the amount of air increases. Thereby, the comparison with the fourth determination value V 4 becomes possible. Thereafter, it is not always necessary that the factor changes in the direction in which the load of the fuel cell 2 decreases, for example, the amount of air decreases.

なお、成り行きによる前記因子の変化によって湿潤状態の判定を行う場合、前記因子の単位時間における変化割合により判定結果の有効性を判断することが望ましい。前記因子の変化が少ない場合には、セル電圧の変化も小さく判定の制度が低下するからである。湿潤過剰判定の場合であれば、燃料電池2内の水分量が減少する方向への前記因子の単位時間における変化割合が所定の第5判定値を超えていれば、湿潤過剰判定の判定結果を有効とすればよい。湿潤不足判定の場合であれば、燃料電池2の負荷が上昇する方向への前記因子の単位時間における変化割合が所定の第6判定値を超えていれば、湿潤不足判定の判定結果を有効とすればよい。   When the wet state is determined based on the change of the factor due to the course, it is desirable to determine the validity of the determination result based on the rate of change of the factor in unit time. This is because when the change in the factor is small, the change in the cell voltage is small and the determination system is lowered. In the case of overwetting determination, if the rate of change in the unit time of the factor in the direction in which the amount of water in the fuel cell 2 decreases exceeds a predetermined fifth determination value, the determination result of overwetting determination is obtained. It may be valid. In the case of dampness deficiency determination, if the rate of change in the unit time of the factor in the direction in which the load on the fuel cell 2 increases exceeds the predetermined sixth determination value, the damp deficiency determination result is valid. do it.

本発明の固体高分子型燃料電池の湿潤状態判定装置が適用される燃料電池システムの全体を示す概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram illustrating an entire fuel cell system to which a wet state determination device for a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention is applied. 本発明の実施の形態において実行される湿潤過剰判定を説明するためのグラフである。It is a graph for demonstrating the excess wet determination performed in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態において実行される湿潤不足定を説明するためのグラフである。It is a graph for demonstrating the deficiency of dampness performed in embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

2 燃料電池
4 水素供給管
6 オフガス排気管
8 オフガス循環管
10 水素供給装置
12 調圧装置
14 循環装置
16 遮断弁
20 空気供給管
22 オフガス排気管
24 空気供給装置
26 バイパス管
28 水蒸気交換装置
30 調圧装置
32 三方弁
40 ECU
42 セル電圧監視装置
2 Fuel cell 4 Hydrogen supply pipe 6 Off-gas exhaust pipe 8 Off-gas circulation pipe 10 Hydrogen supply apparatus 12 Pressure regulator 14 Circulation apparatus 16 Shut-off valve 20 Air supply pipe 22 Off-gas exhaust pipe 24 Air supply apparatus 26 Bypass pipe 28 Water vapor exchange apparatus 30 Pressure device 32 Three-way valve 40 ECU
42 Cell voltage monitoring device

Claims (11)

複数の電池セルからなる固体高分子型の燃料電池と、
前記複数電池セルのそれぞれの電圧を計測する計測手段と、
計測された前記複数電池セルの各電圧の中から最小電圧を選択する最小電圧選択手段と、
前記燃料電池内の湿潤状態、或いは前記燃料電池の負荷に影響する因子が変化したときの前記最小電圧に基づいて前記燃料電池内の湿潤状態を判定する湿潤状態判定手段と、
を備えることを特徴とする固体高分子型燃料電池の湿潤状態判定装置。
A polymer electrolyte fuel cell comprising a plurality of battery cells;
Measuring means for measuring each voltage of the plurality of battery cells;
A minimum voltage selecting means for selecting a minimum voltage from the measured voltages of the plurality of battery cells; and
Wet state determination means for determining a wet state in the fuel cell, or a wet state in the fuel cell based on the minimum voltage when a factor affecting the load of the fuel cell changes;
An apparatus for determining a wet state of a polymer electrolyte fuel cell, comprising:
前記湿潤状態判定手段は、前記燃料電池内の水分量が減少する方向に前記因子が変化したとき、前記最小電圧が予め定められた第1判定値を超えたら、前記因子の変化前における前記燃料電池内の湿潤状態を湿潤過剰と判定することを特徴とする請求項1記載の固体高分子型燃料電池の湿潤状態判定装置。   When the factor changes in a direction in which the amount of water in the fuel cell decreases, the wet state determination means determines that the fuel before the change of the factor when the minimum voltage exceeds a predetermined first determination value. 2. The apparatus for determining a wet state of a polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the wet state in the battery is determined to be excessively wet. 前記因子の変化は一時的な変化であり、
前記湿潤状態判定手段は、前記因子の変化時、或いは変化終了後に、前記最小電圧が予め定められた前記第1判定値より小さい第2所定値を下回ったら、前記燃料電池内の湿潤状態に関する判定結果を有効とすることを特徴とする請求項2記載の固体高分子型燃料電池の湿潤状態判定装置。
The change in the factor is a temporary change,
The wet state determination means determines whether or not the fuel cell is wet when the minimum voltage falls below a second predetermined value smaller than the predetermined first determination value when the factor changes or after the change ends. 3. The wet polymer state determination device for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 2, wherein the result is validated.
前記因子を強制的に変化させる変更手段を備えることを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載の固体高分子型燃料電池の湿潤状態判定装置。   The wet state determination apparatus for a polymer electrolyte fuel cell according to any one of claims 1 to 3, further comprising changing means for forcibly changing the factor. 前記変更手段は、前記最小セル電圧が予め定められた第3判定値を下回ったら、前記燃料電池内の水分量が減少する方向に前記因子を変化させ、
前記湿潤状態判定手段は、前記変更手段の作動によって前記因子が変化したとき、前記燃料電池内の湿潤状態に関する判定を行うことを特徴とする請求項4記載の固体高分子型燃料電池の湿潤状態判定装置。
The changing means changes the factor in a direction in which the amount of water in the fuel cell decreases when the minimum cell voltage falls below a predetermined third determination value,
The wet state of the polymer electrolyte fuel cell according to claim 4, wherein the wet state determination unit makes a determination regarding the wet state in the fuel cell when the factor is changed by the operation of the changing unit. Judgment device.
前記第3判定値は、前記複数電池セルの各電圧の中から選択される参照セル電圧に基づいて設定されることを特徴とする請求項5記載の固体高分子型燃料電池の湿潤状態判定装置。   6. The wet state determination device for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 5, wherein the third determination value is set based on a reference cell voltage selected from each voltage of the plurality of battery cells. . 前記湿潤状態判定手段は、前記燃料電池の負荷が上昇する方向に前記因子が変化したとき、前記最小電圧が予め定められた第4判定値を下回ったら、前記因子の変化前における前記燃料電池内の湿潤状態を湿潤不足と判定することを特徴とする請求項1乃至6の何れか1項に記載の固体高分子型燃料電池の湿潤状態判定装置。   When the factor changes in the direction in which the load of the fuel cell increases, the wet state determination means determines that the wet state determination means has a value within the fuel cell before the change of the factor when the minimum voltage falls below a predetermined fourth determination value. The wet state determination device for a polymer electrolyte fuel cell according to any one of claims 1 to 6, wherein the wet state is determined as insufficient wetness. 前記第4判定値は、前記複数電池セルの各電圧の中から選択される参照セル電圧に基づいて設定されることを特徴とする請求項7記載の固体高分子型燃料電池の湿潤状態判定装置。   8. The wet state determination apparatus for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 7, wherein the fourth determination value is set based on a reference cell voltage selected from each voltage of the plurality of battery cells. . 前記複数電池セルの各電圧の中から最大電圧を選択する最大電圧選択手段をさらに備え、
前記最大電圧が前記参照セル電圧として設定されることを特徴とする請求項6又は8記載の固体高分子型燃料電池の湿潤状態判定装置。
Further comprising a maximum voltage selection means for selecting a maximum voltage from each voltage of the plurality of battery cells;
The wet state determination device for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 6 or 8, wherein the maximum voltage is set as the reference cell voltage.
前記湿潤状態判定手段は、前記燃料電池内の水分量が減少する方向への前記因子の単位時間における変化割合が予め定められた第5判定値を超えている場合に、前記燃料電池内の湿潤状態に関する判定結果を有効とすることを特徴とする請求項2又は3記載の固体高分子型燃料電池の湿潤状態判定装置。   The wet state determination means determines that the wet state in the fuel cell when the rate of change in the unit time of the factor in the direction in which the amount of water in the fuel cell decreases exceeds a predetermined fifth determination value. 4. The wet state determination device for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 2, wherein the determination result regarding the state is validated. 前記湿潤状態判定手段は、前記燃料電池の負荷が上昇する方向への前記因子の単位時間における変化割合が予め定められた第6判定値を超えている場合に、前記燃料電池内の湿潤状態に関する判定結果を有効とすることを特徴とする請求項7又は8記載の固体高分子型燃料電池の湿潤状態判定装置。
The wet state determination means relates to a wet state in the fuel cell when the rate of change in unit time of the factor in the direction in which the load of the fuel cell increases exceeds a predetermined sixth determination value. 9. The apparatus for determining a wet state of a polymer electrolyte fuel cell according to claim 7, wherein the determination result is validated.
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