JP2005243271A

JP2005243271A - Fuel cell system

Info

Publication number: JP2005243271A
Application number: JP2004047855A
Authority: JP
Inventors: Hidetsugu Izuhara; 英嗣伊豆原; Shinya Sakaguchi; 信也坂口; Tomonori Imamura; 朋範今村
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-02-24
Filing date: 2004-02-24
Publication date: 2005-09-08

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system capable of properly diagnosing water in a fuel cell as compared with a conventional one even when the fuel cell system is used in a situation where a load is transiently changed or when the fuel cell system is applied to a system for controlling pressure of a reaction gas in the fuel cell at a constant value. <P>SOLUTION: In a structure of this fuel cell system, a heat exchanger 22, a liquid-gas separator 23 and a water recovery tank 24 are installed in a hydrogen gas exhaust passage 21 connected to the fuel cell 10. A hydrogen gas or the like exhausted from the fuel cell 10 is cooled by the heat exchanger 22 to condense steam included in the hydrogen gas. Water produced by condensation is separated from gas by the gas-liquid separator 23 to recover it by the water recovery tank 24. In addition, a water recovery volume is measured by a sensor part of the water recovery tank 24. The water volume in the fuel cell 10 is diagnosed by an ECU 61 based on the measurement result of the water recovery volume by the sensor part of the water recovery tank 24. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、燃料電システムに関するものであり、車両、船舶およびポータブル発電機等の移動体への適用に対して有効なものである。 The present invention relates to a fuel electric system and is effective for application to a moving body such as a vehicle, a ship, and a portable generator.

従来、水素と酸素（空気）との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが知られている。この燃料電池には、例えば、車両等の駆動電源としての応用が検討されている高分子電解質型燃料電池がある。この高分子電解質型燃料電池は、電解質として固体高分子膜が用いられている。この燃料電池の単セルは、例えば、電解質膜の両面が電極触媒層（燃料極、酸化剤極）で挟まれ、電極触媒層の外側に拡散層が付されたものが、セパレータによって狭持されている。そして、この燃料電池ではこのような単セルが集合化され、スタックとなっている。 2. Description of the Related Art Conventionally, a fuel cell system including a fuel cell that generates power using an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen (air) is known. As this fuel cell, for example, there is a polymer electrolyte fuel cell whose application as a drive power source for vehicles and the like is being studied. In this polymer electrolyte fuel cell, a solid polymer membrane is used as an electrolyte. In the single cell of this fuel cell, for example, both surfaces of an electrolyte membrane are sandwiched between electrode catalyst layers (fuel electrode, oxidant electrode), and a diffusion layer is attached to the outside of the electrode catalyst layer. ing. In this fuel cell, such single cells are assembled into a stack.

上記した高分子電解質型燃料電池では、一般に、以下の理由等により、電解質中や電解質近傍等のセル内部の水分を管理する必要がある。 In the polymer electrolyte fuel cell described above, it is generally necessary to manage the moisture inside the cell, such as in the electrolyte or in the vicinity of the electrolyte, for the following reasons.

第１に、固体高分子膜が、十分な水素イオンの導電性を有するためには、膜中に水分が十分に存在していることが必要であるが、燃料電池内部の電極に対して、燃料ガスおよび酸化剤ガス（反応ガス）が供給されるため、固体高分子膜中の水分は蒸発しやすく、固体高分子膜が乾きやすいからである。 First, in order for the solid polymer membrane to have sufficient conductivity of hydrogen ions, it is necessary that sufficient moisture exists in the membrane, but with respect to the electrode inside the fuel cell, This is because since the fuel gas and the oxidant gas (reaction gas) are supplied, the water in the solid polymer film is easily evaporated and the solid polymer film is easily dried.

第２に、酸化剤極では、発電により水が生成されるが、この生成水の生成量が多い場合、この生成水よって、反応ガスの拡散が阻害されたり、いわゆる３相界面が水分で覆われたりすること等により、燃料電池の出力低下が起きるからである。 Second, water is generated by power generation at the oxidizer electrode. When the amount of generated water is large, the generated water hinders diffusion of the reaction gas or covers the so-called three-phase interface with moisture. This is because the output of the fuel cell is reduced due to breakage.

また、セル内部の水分量を管理するためには、制御手段等によって、セル内部の水分量（水分状態）を診断する必要がある。 In addition, in order to manage the moisture content inside the cell, it is necessary to diagnose the moisture content (moisture state) inside the cell by a control means or the like.

そこで、従来の高分子電解質型燃料電池を用いた燃料電池システムでは、例えば、燃料電池通過時における反応ガスの圧力損失、または単セル電圧出力の時間差分値等の絶対値を求め、これをあらかじめ定めておいた設定値と大小比較を行うことで、燃料電池内部の水分状態の診断を行っていた（例えば、特許文献１参照）。 Therefore, in a conventional fuel cell system using a polymer electrolyte fuel cell, for example, an absolute value such as a pressure loss of a reaction gas when passing through the fuel cell or a time difference value of a single cell voltage output is obtained, The moisture state inside the fuel cell is diagnosed by comparing the set value with a predetermined set value (see, for example, Patent Document 1).

この水分状態の診断は、以下の原理に基づくものである。反応ガスの圧力は、ガスの流量で決まる。したがって、燃料ガスおよび酸化剤ガスを一定の流量で燃料電池に供給している場合、燃料電池内に供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスの圧力は一定である。この場合、燃料ガスおよび酸化剤ガスの圧力は、燃料電池内の水分量が増加すると、飽和水蒸気圧力が増加するため、これらの反応ガスの圧力が変化する。そこで、燃料電池通過時における反応ガスの圧力損失をモニタすることで、燃料電池内の水分量を知ることができる。
特開２００１−１４８２５３号公報 The diagnosis of the moisture state is based on the following principle. The pressure of the reaction gas is determined by the gas flow rate. Therefore, when the fuel gas and the oxidant gas are supplied to the fuel cell at a constant flow rate, the pressures of the fuel gas and the oxidant gas supplied into the fuel cell are constant. In this case, as the pressure of the fuel gas and the oxidant gas increases as the water content in the fuel cell increases, the saturated water vapor pressure increases, so the pressure of these reaction gases changes. Therefore, the amount of moisture in the fuel cell can be known by monitoring the pressure loss of the reaction gas when passing through the fuel cell.
JP 2001-148253 A

しかし、上記した燃料電池システムでは、燃料電池を負荷が過渡的に変化する状況で使用する場合、以下の理由により、燃料電池内部の水分を的確に診断できないという問題がある。 However, in the fuel cell system described above, when the fuel cell is used in a state where the load changes transiently, there is a problem that moisture inside the fuel cell cannot be accurately diagnosed for the following reason.

燃料電池を負荷が過渡的に変化する状況で使用する場合としては、例えば、燃料電池を車両に搭載する場合が該当する。車両は種々の走行モードを有しており、走行モードの種類によって使用する電力量が変わる。また、燃料電池の出力の大きさは、燃料電池に供給される反応ガスの供給量によって決まる。また、燃料電池内における反応ガスの容積は一定であるため、燃料電池内の反応ガスが多量に使用された場合、燃料電池内における反応ガスの圧力は急激に下がる。 As a case where the fuel cell is used in a situation where the load changes transiently, for example, a case where the fuel cell is mounted on a vehicle is applicable. The vehicle has various driving modes, and the amount of power used varies depending on the type of driving mode. Further, the magnitude of the output of the fuel cell is determined by the supply amount of the reaction gas supplied to the fuel cell. Further, since the volume of the reaction gas in the fuel cell is constant, when the reaction gas in the fuel cell is used in a large amount, the pressure of the reaction gas in the fuel cell rapidly decreases.

したがって、例えば、走行モードを切り替えた場合、これにより、電力量が多く必要となる場合がある。この場合、反応ガスを多く使用するため、燃料電池内における反応ガスの圧力が急激に下がることがある。 Therefore, for example, when the driving mode is switched, a large amount of electric power may be required. In this case, since a large amount of reaction gas is used, the pressure of the reaction gas in the fuel cell may drop rapidly.

このように、上記した燃料電池システムを車両に搭載する場合では、燃料電池の出力が変動するため、燃料電池内の水分量にかかわらず、燃料電池内における反応ガスの圧力は変動している。このため、燃料電池内における反応ガスの圧力損失からでは、燃料電池内の水分診断を的確に行うことができない。 Thus, when the fuel cell system described above is mounted on a vehicle, the output of the fuel cell fluctuates, so the pressure of the reaction gas in the fuel cell fluctuates regardless of the amount of water in the fuel cell. For this reason, the moisture diagnosis in the fuel cell cannot be performed accurately from the pressure loss of the reaction gas in the fuel cell.

また、上記した燃料電システムを、燃料電池内における反応ガスの圧力が一定となるように制御されている燃料電池システムに適用した場合においても、以下の理由により、燃料電池内部の水分を的確に診断できないという問題がある。 Even when the above-described fuel electric system is applied to a fuel cell system in which the pressure of the reaction gas in the fuel cell is controlled to be constant, the moisture inside the fuel cell is accurately determined for the following reason. There is a problem that it cannot be diagnosed.

燃料電池システムは、一般に、燃料電池内の反応ガスの圧力を調整するための調整弁を有しており、燃料電池内の反応ガスの圧力を、強制的に一定にしている。これは、燃料電池に供給される反応ガスの流量を一定にすることで燃料電池を安定的に運転させたり、セル内での反応ガスの拡散速度を高くしたりするためである。また、燃料電池内において、燃料極側と空気極側の圧力を一定に保たないと、電解質膜が凹んだり、物理的に破損したりするので、電解質膜の形状を保つために、燃料電池内では、反応ガスの圧力が強制的に一定にされている。 In general, the fuel cell system has an adjustment valve for adjusting the pressure of the reaction gas in the fuel cell, and the pressure of the reaction gas in the fuel cell is forced to be constant. This is because the flow rate of the reaction gas supplied to the fuel cell is made constant so that the fuel cell can be stably operated and the diffusion rate of the reaction gas in the cell can be increased. In addition, in the fuel cell, if the pressure on the fuel electrode side and the air electrode side is not kept constant, the electrolyte membrane will be recessed or physically damaged. Therefore, in order to keep the shape of the electrolyte membrane, the fuel cell Inside, the pressure of the reaction gas is forced to be constant.

このように、燃料電池内の水分量が変化しても、反応ガスの圧力は、一定となるように制御される。このため、燃料電池内における反応ガスの圧力損失からでは、燃料電池内の水分診断を的確に行うことができない。 Thus, even if the amount of water in the fuel cell changes, the pressure of the reaction gas is controlled to be constant. For this reason, the moisture diagnosis in the fuel cell cannot be performed accurately from the pressure loss of the reaction gas in the fuel cell.

なお、このことは、上記した燃料電池システムを、燃料電池内の起電反応に使用されなかった未反応燃料ガスを再利用するために、燃料ガスを循環して供給するシステムに適用した場合においても言える。燃料ガスを循環して供給するシステムでは、一般に、燃料電池内の反応ガスの圧力が一定となるように、燃料電池内の反応ガスの圧力を調整しているからである。 This is the case when the fuel cell system described above is applied to a system that circulates and supplies fuel gas in order to reuse unreacted fuel gas that has not been used for the electromotive reaction in the fuel cell. I can say. This is because in a system in which fuel gas is circulated and supplied, the pressure of the reaction gas in the fuel cell is generally adjusted so that the pressure of the reaction gas in the fuel cell becomes constant.

本発明は、上記点に鑑み、燃料電池システムを負荷が過渡的に変化する状況で使用した場合や、燃料電池内部における反応ガスの圧力を一定に制御する燃料電池システムに適用した場合においても、燃料電池内部の水分を従来よりも的確に診断することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。 In view of the above points, the present invention, even when the fuel cell system is used in a situation where the load changes transiently, or when applied to a fuel cell system that controls the pressure of the reaction gas inside the fuel cell to be constant, An object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of diagnosing moisture inside the fuel cell more accurately than ever before.

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、水素ガス排出経路（２１）に接続され、燃料電池（１０）内から排出される水素ガスに含まれる水分量を測定する測定手段（２４）と、測定手段（２４）の測定結果に基づいて、燃料電池（１０）内の水分量を判定する判定手段（６１）とを備えることを特徴としている。 In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, there is provided a measuring means connected to the hydrogen gas discharge path (21) for measuring the moisture content contained in the hydrogen gas discharged from the fuel cell (10). 24) and determination means (61) for determining the amount of water in the fuel cell (10) based on the measurement result of the measurement means (24).

ここで、燃料電池から排出された水素ガスに含まれる水分量は、燃料電池内部の水分量に応じて変化する。例えば、燃料電池の電解質膜中や、電解質膜近辺に存在する水分が少ない場合、燃料電池から排出される水素ガスに含まれる水分量は少なく、燃料電池の電解質膜中や、電解質膜近辺に存在する水分が多い場合、燃料電池から排出される水素ガスに含まれる水分量は多い。 Here, the amount of water contained in the hydrogen gas discharged from the fuel cell changes according to the amount of water inside the fuel cell. For example, when there is little water in the electrolyte membrane of the fuel cell or in the vicinity of the electrolyte membrane, the amount of water contained in the hydrogen gas discharged from the fuel cell is small, and it exists in the electrolyte membrane of the fuel cell or in the vicinity of the electrolyte membrane. When there is a lot of moisture, the amount of moisture contained in the hydrogen gas discharged from the fuel cell is large.

そして、燃料電池から排出された水素ガスに含まれる水分量は、燃料電池内部の水分量に応じてのみ変化する。すなわち、水素ガスに含まれる水分量は、上記した従来技術で水分診断の対象としていた反応ガスの圧力のように、燃料電池内部の水分量の他に、負荷の状況によって変化することはなく、燃料電池内の反応ガスの圧力を一定に制御しても、それによって、変化することはない。 The amount of water contained in the hydrogen gas discharged from the fuel cell changes only according to the amount of water inside the fuel cell. That is, the amount of water contained in the hydrogen gas does not change depending on the load condition in addition to the amount of water inside the fuel cell, like the pressure of the reaction gas that was the subject of moisture diagnosis in the above-described prior art, Even if the pressure of the reaction gas in the fuel cell is controlled to be constant, it does not change.

したがって、本発明によれば、燃料電池システムを負荷が過渡的に変化する状況で使用した場合や、燃料電池内部における反応ガスの圧力を一定に制御する燃料電池システムに適用した場合においても、燃料電池内部の水分量を従来よりも的確に診断することができる。 Therefore, according to the present invention, even when the fuel cell system is used in a state where the load changes transiently or when it is applied to a fuel cell system that controls the pressure of the reaction gas inside the fuel cell to be constant, the fuel The amount of water inside the battery can be diagnosed more accurately than before.

測定手段（２４）に関して、例えば、請求項２に示すように、水素ガス排出経路（２１）に接続され、燃料電池（１０）から排出される水素ガス中の水蒸気を凝縮する凝縮手段（２２）を有し、測定手段（２４）に、凝縮手段（２２）による凝縮により生成した水の量を測定させることもできる。 Concerning the measurement means (24), for example, as shown in claim 2, the condensation means (22) connected to the hydrogen gas discharge path (21) and condenses water vapor in the hydrogen gas discharged from the fuel cell (10). It is also possible to cause the measuring means (24) to measure the amount of water produced by the condensation by the condensing means (22).

また、請求項３に示すように、例えば、凝縮手段（２２）が、露点温度を一定にして、水蒸気を凝縮するようにすることもできる。 Further, as shown in claim 3, for example, the condensing means (22) can condense the water vapor with the dew point temperature being constant.

かりに、露点温度が一定でない場合、水素ガス中に同じ量の水蒸気が含まれていても、凝縮により生じる水の量が異なってしまう。このため、この場合では、燃料電池内部の水分量を的確に診断することができない。 However, if the dew point temperature is not constant, the amount of water produced by condensation will differ even if the same amount of water vapor is contained in the hydrogen gas. For this reason, in this case, the moisture content inside the fuel cell cannot be diagnosed accurately.

これに対して、本発明では、露点温度を一定にしているので、水素ガス中に同じ量の水蒸気が含まれている場合、凝縮によって生じる水の量は常に一定である。したがって、本発明によれば、燃料電池内部の水分量を的確に診断することができる。 On the other hand, in the present invention, since the dew point temperature is constant, when the same amount of water vapor is contained in hydrogen gas, the amount of water generated by condensation is always constant. Therefore, according to the present invention, it is possible to accurately diagnose the amount of water inside the fuel cell.

また、具体的には、請求項４に示すように、燃料電池（１０）内の水分量を判定することができる。 Specifically, as shown in claim 4, the amount of water in the fuel cell (10) can be determined.

すなわち、判定手段（６１）には、適正な水分状態時における水素ガスの排出量に応じた凝縮により生成した水の量の割合を示すマップデータが、あらかじめ記憶されており、判定手段（６１）は、電流測定手段（４２）が測定した電流値から所定時間内における電流量を算出し、当該電流量から所定時間内における水素ガスの排出量を算出し、測定手段（２４）が測定した水の量から、所定時間内での水素ガスに含まれる水分量を算出し、水素ガスの排出量に対する水素ガスに含まれる水の量の割合を、マップデータと比較することで、燃料電池（１０）内の水分量を判定することができる。 That is, the determination means (61) stores in advance map data indicating the ratio of the amount of water produced by condensation according to the amount of hydrogen gas discharged in an appropriate moisture state, and the determination means (61) Calculates a current amount within a predetermined time from the current value measured by the current measuring means (42), calculates a hydrogen gas discharge amount within a predetermined time from the current amount, and measures the water measured by the measuring means (24). The amount of water contained in the hydrogen gas within a predetermined time is calculated from the amount of hydrogen, and the ratio of the amount of water contained in the hydrogen gas to the amount of hydrogen gas discharged is compared with the map data. ) Can be determined.

また、燃料電池システムの構成を、請求項５に示すように、例えば、燃料電池（１０）内の水分を調整する調整手段（３５）と、判定手段（６１）の判定結果に応じて、調整手段（３５）を制御する制御手段（６１）とを備える構成とすることもできる。 Further, as shown in claim 5, the configuration of the fuel cell system is adjusted according to the determination result of the adjustment means (35) for adjusting the moisture in the fuel cell (10) and the determination means (61), for example. Control means (61) for controlling the means (35) can also be provided.

これにより、燃料電池内部の水分量を適切な量に調整することができる。 Thereby, the moisture content inside the fuel cell can be adjusted to an appropriate amount.

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一例である。 In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means is an example which shows a corresponding relationship with the specific means as described in embodiment mentioned later.

（第１実施形態）
図１に、本発明の第１実施形態における燃料電池システムの構成を示す。図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、固体高分子電解質型燃料電池１０と、水素ガス供給経路２０と、水素ガス排出経路２１と、空気供給経路３１と、空気排出経路３２と、負荷４１と、放熱器５１と、ＥＣＵ６１とを備えている。また、この燃料電池システムは、水素ガス排出経路２１内に配置された熱交換器２２と、気液分離器２３と、水回収タンク２４とを備えており、これらの熱交換器２２、気液分離器２３、水回収タンク２４等を用いて、燃料電池１０内部の水分状態を診断する点が、従来の燃料電池システムと異なっている。 (First embodiment)
FIG. 1 shows the configuration of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the fuel cell system of this embodiment includes a solid polymer electrolyte fuel cell 10, a hydrogen gas supply path 20, a hydrogen gas discharge path 21, an air supply path 31, and an air discharge path 32. A load 41, a radiator 51, and an ECU 61. The fuel cell system also includes a heat exchanger 22 disposed in the hydrogen gas discharge path 21, a gas-liquid separator 23, and a water recovery tank 24. The point which diagnoses the moisture state inside the fuel cell 10 using the separator 23, the water recovery tank 24, etc. is different from the conventional fuel cell system.

燃料電池（スタック）１０は、基本単位となるセルが複数積層されて構成されている。図２にセルの構造を示す。各セルは、図２に示すように、電解質膜１が一対の電極２、３で挟まれた構成となっている。電解質膜１および電極２、３としては、例えば、固体高分子膜１の両面に電極（水素極２、酸素極３）が接合されたＭＥＡ（Membrane Electrode assembly）が用いられている。電解質膜１および電極２、３は、例えば、水素や酸素といった反応ガスの供給通路を兼ねているセパレータ４、５によって狭持されている。 The fuel cell (stack) 10 is configured by stacking a plurality of cells serving as basic units. FIG. 2 shows the structure of the cell. As shown in FIG. 2, each cell has a configuration in which an electrolyte membrane 1 is sandwiched between a pair of electrodes 2 and 3. As the electrolyte membrane 1 and the electrodes 2 and 3, for example, a MEA (Membrane Electrode assembly) in which electrodes (hydrogen electrode 2 and oxygen electrode 3) are bonded to both surfaces of the solid polymer membrane 1 is used. The electrolyte membrane 1 and the electrodes 2 and 3 are sandwiched by separators 4 and 5 that also serve as a supply path for a reactive gas such as hydrogen or oxygen, for example.

燃料電池１０は、図１に示すように、空気供給口１１と、空気排出口１２とを有している。空気（酸素）は、後述するように、加湿されて水分とともに、空気供給口１１から燃料電池１０の内部に入り、図２に示すように、各セルの酸素極３に供給される。そして、空気は、酸素極３で後述する起電反応に用いられ、酸素極３で起電反応に用いられなかった空気は、図２に示すように、各セルから排出される。そして、各セルから排出された空気は、空気排出口１２から燃料電池１０の外部に放出される。 As shown in FIG. 1, the fuel cell 10 has an air supply port 11 and an air discharge port 12. As will be described later, the air (oxygen) enters the fuel cell 10 through the air supply port 11 together with moisture and is supplied to the oxygen electrode 3 of each cell as shown in FIG. And air is used for the electromotive reaction mentioned later by the oxygen electrode 3, and the air which was not used for electromotive reaction by the oxygen electrode 3 is discharged | emitted from each cell, as shown in FIG. Then, the air discharged from each cell is discharged from the air discharge port 12 to the outside of the fuel cell 10.

また、燃料電池１０は、図１に示すように、水素ガス供給口１３と、水素ガス排出口１４とを有している。水素ガスは、水素ガス供給口１３から燃料電池１０の内部に入り、図２に示すように、各セルの水素極２に供給される。そして、水素は、水素極２で後述する起電反応に用いられ、起電反応に用いられなかった水素が、図２に示すように、各セルから排出される。各セルから排出された水素ガスは、水素ガス排出口１４から燃料電池１０の外部に排出される。このとき、起電反応に用いられなかった水素ともに酸素極３から電解質膜１を通過して混入した窒素、酸素、水（水蒸気）等も水素ガス排出口１４から排出される。 Further, the fuel cell 10 has a hydrogen gas supply port 13 and a hydrogen gas discharge port 14 as shown in FIG. Hydrogen gas enters the fuel cell 10 through the hydrogen gas supply port 13 and is supplied to the hydrogen electrode 2 of each cell as shown in FIG. And hydrogen is used for the electromotive reaction mentioned later by the hydrogen electrode 2, and the hydrogen which was not used for electromotive reaction is discharged | emitted from each cell, as shown in FIG. The hydrogen gas discharged from each cell is discharged outside the fuel cell 10 through the hydrogen gas discharge port 14. At this time, nitrogen, oxygen, water (water vapor) and the like mixed through the electrolyte membrane 1 from the oxygen electrode 3 together with hydrogen not used in the electromotive reaction are also discharged from the hydrogen gas discharge port 14.

燃料電池１０では、電極２、３に水素ガス、酸素が供給されると、以下の水素と酸素の電気化学反応（起電反応）が起こり、電気エネルギが発生する。なお、酸素が本発明の酸化剤ガスに相当し、水素極、酸素極がそれぞれ、本発明の燃料極、酸化剤極に相当する。
アノード（水素極側）Ｈ₂→２Ｈ＋＋２ｅ^-
カソード（酸素極側）２Ｈ⁺＋１／２Ｏ₂＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ
全体Ｈ₂＋１／２Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ
水素ガス供給経路２０は、燃料電池１０の水素ガス供給口１３に接続されている。水素ガス供給経路２０は、水素極２に供給される水素が通る経路である。水素ガス供給経路２０には、水素ガスが充填された水素ボンベ２５、燃料電池１０に供給される水素の圧力を調整する水素調圧弁２６および水素ガス供給経路２０を開閉する水素ガス供給経路開閉弁２７が設けられている。水素調圧弁２６および水素ガス供給経路開閉弁２７は、ＥＣＵ６１によって制御されるようになっている。 In the fuel cell 10, when hydrogen gas and oxygen are supplied to the electrodes 2 and 3, the following electrochemical reaction (electromotive reaction) between hydrogen and oxygen occurs, and electric energy is generated. Note that oxygen corresponds to the oxidant gas of the present invention, and the hydrogen electrode and the oxygen electrode correspond to the fuel electrode and the oxidant electrode of the present invention, respectively.
Anode (hydrogen electrode side) H ₂ → 2H ++ 2e ⁻
Cathode (oxygen electrode side) 2H ⁺ + 1 / 2O ₂ + 2e ⁻ → H ₂ O
Overall H ₂ + 1 / 2O ₂ → H ₂ O
The hydrogen gas supply path 20 is connected to the hydrogen gas supply port 13 of the fuel cell 10. The hydrogen gas supply path 20 is a path through which hydrogen supplied to the hydrogen electrode 2 passes. The hydrogen gas supply path 20 includes a hydrogen cylinder 25 filled with hydrogen gas, a hydrogen pressure regulating valve 26 that adjusts the pressure of hydrogen supplied to the fuel cell 10, and a hydrogen gas supply path opening / closing valve that opens and closes the hydrogen gas supply path 20. 27 is provided. The hydrogen pressure regulating valve 26 and the hydrogen gas supply path opening / closing valve 27 are controlled by the ECU 61.

そして、燃料電池１０に水素を供給する際では、ＥＣＵ６１によって、水素ガス供給経路開閉弁２７が開弁されるとともに、水素調圧弁２６が調整されることで、供給される水素の圧力が所望の大きさとなる。 When supplying hydrogen to the fuel cell 10, the ECU 61 opens the hydrogen gas supply path opening / closing valve 27 and adjusts the hydrogen pressure regulating valve 26, so that the pressure of the supplied hydrogen is set to a desired value. It becomes size.

水素ガス排出経路２１は、燃料電池１０の水素ガス排出口１４に接続されている。水素ガス排出経路２１は、燃料電池１０から排出された起電反応に使用されなかった水素ガス等が通る経路である。水素ガス排出経路２１には、燃料電池１０に近い側から順に、熱交換器２２、気液分離器２３、水素ガス排出経路開閉弁２８が設けられている。水素ガス排出経路開閉弁２８は、ＥＣＵ６１によって制御されるようになっている。 The hydrogen gas discharge path 21 is connected to the hydrogen gas discharge port 14 of the fuel cell 10. The hydrogen gas discharge path 21 is a path through which hydrogen gas discharged from the fuel cell 10 and not used for the electromotive reaction passes. In the hydrogen gas discharge path 21, a heat exchanger 22, a gas-liquid separator 23, and a hydrogen gas discharge path opening / closing valve 28 are provided in order from the side closer to the fuel cell 10. The hydrogen gas discharge path opening / closing valve 28 is controlled by the ECU 61.

そして、水素ガスを燃料電池１０から排出する際では、ＥＣＵ６１によって、水素ガス排出経路開閉弁２８が開弁される。これにより、水素ガス等が、燃料電池１０の水素ガス排出口１４から熱交換器２２、気液分離器２３を経由して、燃料電池システムの外部に放出される。 When the hydrogen gas is discharged from the fuel cell 10, the ECU 61 opens the hydrogen gas discharge path opening / closing valve 28. As a result, hydrogen gas or the like is discharged from the hydrogen gas outlet 14 of the fuel cell 10 to the outside of the fuel cell system via the heat exchanger 22 and the gas-liquid separator 23.

熱交換器２２は、水素ガス等と一緒に燃料電池１０の水素ガス排出口１４から排出された水蒸気を凝縮させためのものである。熱交換器２２としては一般的なものを用いることができる。熱交換器２２には、後述する冷却水経路５０が接続されており、本実施形態の熱交換器２２は、冷却水を用いて、水素ガス等を冷却するようになっている。なお、熱交換器２２を通る冷却水は、後述するように、一定の温度となっている。これにより、燃料電池１０から排出された水素ガスに含まれる（水素ガスと一緒に排出された）水蒸気は、水となる。なお、この熱交換器２２が、本発明の凝縮手段に相当する。 The heat exchanger 22 is for condensing water vapor discharged from the hydrogen gas outlet 14 of the fuel cell 10 together with hydrogen gas or the like. A general heat exchanger 22 can be used. A cooling water path 50 described later is connected to the heat exchanger 22, and the heat exchanger 22 of the present embodiment cools hydrogen gas or the like using cooling water. The cooling water passing through the heat exchanger 22 has a constant temperature as will be described later. Thereby, the water vapor contained in the hydrogen gas discharged from the fuel cell 10 (discharged together with the hydrogen gas) becomes water. This heat exchanger 22 corresponds to the condensing means of the present invention.

気液分離器２３は、水素ガス排出経路２１中を通る水素ガス等（気体）から、水（液体）を分離するものである。気液分離器２３としては、一般的なものを用いることができる。また、気液分離器２３には、水回収タンク２４が接続されている。 The gas-liquid separator 23 separates water (liquid) from hydrogen gas or the like (gas) passing through the hydrogen gas discharge path 21. As the gas-liquid separator 23, a general one can be used. A water recovery tank 24 is connected to the gas-liquid separator 23.

水回収タンク２４は、気液分離器２３で水素ガス等から分離された水を回収するためのものである。水回収タンク２４には、図示しないが、タンク内の水分量を測定するセンサ部が設けられている。センサ部は、ＥＣＵ６１に向けて測定結果を出力するようになっている。このセンサ部が、本発明の水素ガスに含まれる水分量を測定する測定手段に相当する。なお、センサ部には、周知のセンサが用いられる。 The water recovery tank 24 is for recovering water separated from hydrogen gas or the like by the gas-liquid separator 23. Although not shown, the water recovery tank 24 is provided with a sensor unit for measuring the amount of water in the tank. The sensor unit outputs the measurement result toward the ECU 61. This sensor unit corresponds to a measuring means for measuring the amount of water contained in the hydrogen gas of the present invention. A known sensor is used for the sensor unit.

さらに、水回収タンク２４には、水回収タンク２４に溜まった水を排水するための排水弁２９が接続されている。排水弁２９を開弁することで、水回収タンク２４に溜まった水が排水される。 Further, a drain valve 29 for draining water accumulated in the water recovery tank 24 is connected to the water recovery tank 24. By opening the drain valve 29, the water accumulated in the water recovery tank 24 is drained.

空気供給経路３１は、燃料電池１０の空気供給口１１に接続されている。空気供給経路３１は、燃料電池１０の酸素極３に供給される空気が通る経路である。空気供給経路３１には、空気圧送用のポンプ（ガス圧縮機）３３が設けられている。 The air supply path 31 is connected to the air supply port 11 of the fuel cell 10. The air supply path 31 is a path through which air supplied to the oxygen electrode 3 of the fuel cell 10 passes. The air supply path 31 is provided with a pneumatic pump (gas compressor) 33.

一方、空気排出経路３２は、燃料電池１０の空気排出口１２に接続されている。空気排出経路３２は、燃料電池１０から排出された空気が通る経路である。空気排出経路３２には、燃料電池１０の排出側の空気圧力を調整する空気調圧弁３４が設けられている。空気調圧弁３４は、ＥＣＵ６１によって制御されるようになっている。 On the other hand, the air discharge path 32 is connected to the air discharge port 12 of the fuel cell 10. The air discharge path 32 is a path through which the air discharged from the fuel cell 10 passes. The air discharge path 32 is provided with an air pressure regulating valve 34 that adjusts the air pressure on the discharge side of the fuel cell 10. The air pressure regulating valve 34 is controlled by the ECU 61.

そして、燃料電池１０に空気を供給する際では、ＥＣＵ６１によって、ポンプ３３が駆動され、空気調圧弁２６で空気圧が調整される。 When supplying air to the fuel cell 10, the ECU 61 drives the pump 33 and adjusts the air pressure by the air pressure regulating valve 26.

また、空気供給経路３１と空気排出経路３２には、加湿器３５が設けられている。この加湿器３５は、燃料電池１０から排出される湿った排出空気に含まれる水分を用いてポンプ３３の吐出後の空気を加湿するものである。加湿器３５は、ＥＣＵ６１によって制御されるようになっている。そして、ＥＣＵ６１によって、加湿器３５が作動することで、燃料電池１０内の固体高分子膜１が、水分を含んだ湿潤状態に維持され、発電運転時における電気化学反応が良好に行われるようになっている。この加湿器３５が本発明の調整手段に相当する。 A humidifier 35 is provided in the air supply path 31 and the air discharge path 32. The humidifier 35 humidifies the air discharged from the pump 33 by using moisture contained in the humid exhaust air discharged from the fuel cell 10. The humidifier 35 is controlled by the ECU 61. Then, the humidifier 35 is operated by the ECU 61, so that the solid polymer membrane 1 in the fuel cell 10 is maintained in a wet state containing moisture, and the electrochemical reaction during the power generation operation is favorably performed. It has become. This humidifier 35 corresponds to the adjusting means of the present invention.

負荷４１は、電流センサ４２を介して、燃料電池１０と接続されている。負荷４１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）に適用した場合であれば、電動モータに相当する。電動モータ４１には、図示しないインバータを介して、燃料電池１０で発電した電力が供給される。 The load 41 is connected to the fuel cell 10 via the current sensor 42. The load 41 corresponds to an electric motor if the fuel cell system is applied to an electric vehicle (fuel cell vehicle) that runs using the fuel cell as a power source. Electric power generated by the fuel cell 10 is supplied to the electric motor 41 via an inverter (not shown).

電流センサ４２は、燃料電池１０の出力電流値を測定するものである。電流センサ４２は、ＥＣＵ６１に接続されており、測定結果をＥＣＵ６１に向けて出力するようになっている。この電流センサ４２が本発明の電流量測定手段に相当する。 The current sensor 42 measures the output current value of the fuel cell 10. The current sensor 42 is connected to the ECU 61 and outputs a measurement result to the ECU 61. This current sensor 42 corresponds to the current amount measuring means of the present invention.

放熱器５１は、燃料電池１０を冷却するための冷却システム５０〜５３の一部である。冷却システムは、一般的なものである。冷却システムは、一般に、燃料電池１０は発電に伴って熱を生じるので、燃料電池１０の作動温度が起電反応に適した温度（例えば８０℃）に維持するように冷却するためのものである。しかし、本実施形態では、この冷却システムを、水素ガス排出経路２１中の水素ガス等を冷却するためにも用いている。 The radiator 51 is a part of a cooling system 50 to 53 for cooling the fuel cell 10. The cooling system is common. The cooling system generally serves to cool the fuel cell 10 so that the operating temperature of the fuel cell 10 is maintained at a temperature suitable for an electromotive reaction (for example, 80 ° C.), since the fuel cell 10 generates heat with power generation. . However, in this embodiment, this cooling system is also used for cooling the hydrogen gas and the like in the hydrogen gas discharge path 21.

具体的には、冷却システムは、燃料電池１０に冷却水を循環させる冷却水経路５０と、冷却水を循環させる冷却水循環ポンプ５２と、ファン５３を有する放熱器５１とを備えている。冷却水循環ポンプ５２および放熱器５１は冷却水経路５０内に配置されている。また、冷却水循環ポンプ５２およびファン５３は、ＥＣＵ６１によって制御されるようになっている。 Specifically, the cooling system includes a cooling water path 50 that circulates cooling water in the fuel cell 10, a cooling water circulation pump 52 that circulates cooling water, and a radiator 51 having a fan 53. The cooling water circulation pump 52 and the radiator 51 are disposed in the cooling water path 50. The cooling water circulation pump 52 and the fan 53 are controlled by the ECU 61.

冷却水経路５０の両端５０ａ、５０ｂのうち、一端５０ａは、燃料電池１０の冷却水出口に接続されており、他端５０ｂは、熱交換器２２を介して、燃料電池１０の冷却水入口に接続されている。冷却水は、燃料電池１０の冷却水入口から燃料電池１０の内部（各セル）に入り、燃料電池１０の冷却水出口から、冷却水経路５０に出るようになっている。本実施形態では、冷却水循環ポンプ５２によって、燃料電池１０の内部と、放熱器５１と、熱交換器２２との間で冷却水が循環するようになっている。 One end 50 a of both ends 50 a and 50 b of the cooling water path 50 is connected to the cooling water outlet of the fuel cell 10, and the other end 50 b is connected to the cooling water inlet of the fuel cell 10 via the heat exchanger 22. It is connected. The cooling water enters the inside (each cell) of the fuel cell 10 from the cooling water inlet of the fuel cell 10 and exits to the cooling water path 50 from the cooling water outlet of the fuel cell 10. In the present embodiment, the coolant is circulated between the inside of the fuel cell 10, the radiator 51, and the heat exchanger 22 by the coolant circulation pump 52.

また、冷却水経路５０のうち、放熱器５１と燃料電池１０の冷却水出口側端部５０ａとの間には、燃料電池出口側冷却水用温度センサ５４が配置されている。また、冷却水経路５０のうち、放熱器５１と熱交換器２２との間には、燃料電池入口側冷却水温度センサ５５が配置されている。燃料電池出口側冷却水用温度センサ５４および燃料電池入口側冷却水温度センサ５５は、測定結果をＥＣＵ６１に出力するようになっている。 Further, in the cooling water path 50, a fuel cell outlet side cooling water temperature sensor 54 is disposed between the radiator 51 and the cooling water outlet side end 50 a of the fuel cell 10. In addition, a fuel cell inlet side coolant temperature sensor 55 is disposed between the radiator 51 and the heat exchanger 22 in the coolant path 50. The fuel cell outlet side cooling water temperature sensor 54 and the fuel cell inlet side cooling water temperature sensor 55 output the measurement result to the ECU 61.

そして、ＥＣＵ６１によって、燃料電池出口側冷却水用温度センサ５４および燃料電池入口側冷却水温度センサ５５による測定結果に基づいて、ファン５３の風量が制御されることで、冷却水の温度が一定に保たれるようになっている。 Then, the ECU 61 controls the air volume of the fan 53 based on the measurement results by the fuel cell outlet side cooling water temperature sensor 54 and the fuel cell inlet side cooling water temperature sensor 55, so that the temperature of the cooling water is kept constant. It is supposed to be kept.

ＥＣＵ６１は、燃料電池システムにおける各種制御を行うものである。ＥＣＵ６１は、一般的なものであり、例えば、ＣＰＵ、メモリ（ＲＯＭ、ＲＡＭ）等を有している。ＥＣＵ６１には、水回収タンク２４のセンサ部による測定結果や、電流センサ４２の測定結果や、燃料電池出口側冷却水用温度センサ５４、燃料電池入口側冷却水温度センサ５５の側手結果等が入力されるようになっている。また、ＥＣＵ６１は、水素調圧弁２６、水素ガス供給経路開閉弁２７、水素ガス排出経路開閉弁２８、ポンプ３３、空気調圧弁３４、加湿器３５、冷却水循環ポンプ５２、ファン５３等に対して、作動指示信号（制御信号）を出力するようになっている。 The ECU 61 performs various controls in the fuel cell system. The ECU 61 is a general one and includes, for example, a CPU, a memory (ROM, RAM), and the like. In the ECU 61, the measurement result by the sensor part of the water recovery tank 24, the measurement result of the current sensor 42, the side result of the fuel cell outlet side cooling water temperature sensor 54, the fuel cell inlet side cooling water temperature sensor 55, and the like. It is designed to be entered. The ECU 61 also controls the hydrogen pressure regulating valve 26, the hydrogen gas supply path on / off valve 27, the hydrogen gas discharge path on / off valve 28, the pump 33, the air pressure regulating valve 34, the humidifier 35, the cooling water circulation pump 52, the fan 53, etc. An operation instruction signal (control signal) is output.

また、ＥＣＵ６１は、燃料電池１０の内部の水分状態を診断するようになっている。そして、その診断結果に基づいて、ＥＣＵ６１は、燃料電池１０の内部の水分量が適正な状態に維持されるように、燃料電池システムの各種制御を行う。すなわち、ＥＣＵ６１は、燃料電池１０の内部の水分量を管理するものである。このＥＣＵ６１が本発明の判定手段、制御手段に相当する。 The ECU 61 is configured to diagnose the moisture state inside the fuel cell 10. Then, based on the diagnosis result, the ECU 61 performs various controls of the fuel cell system so that the moisture content inside the fuel cell 10 is maintained in an appropriate state. That is, the ECU 61 manages the amount of water inside the fuel cell 10. The ECU 61 corresponds to a determination unit and a control unit of the present invention.

なお、燃料電池システムは、図示しないバッテリを有しており、ＥＣＵ６１は、このバッテリから給電されることで作動する。また、上記した燃料電システムを構成する各構成部は、燃料電池１０を除いて、燃料電池１０もしくは図示しないバッテリから給電されることで作動する。 Note that the fuel cell system has a battery (not shown), and the ECU 61 operates when power is supplied from the battery. Further, each component constituting the above-described fuel electric system operates by being supplied with power from the fuel cell 10 or a battery (not shown) except for the fuel cell 10.

次に、上記した構成の燃料電池システムの作動について説明する。本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池１０から排出されたガス中に含まれる水分により、燃料電池内部の水分診断を行い、燃料電池１０の内部の水分量を管理している。 Next, the operation of the fuel cell system configured as described above will be described. In the fuel cell system of the present embodiment, the moisture content inside the fuel cell is diagnosed based on the moisture contained in the gas discharged from the fuel cell 10, and the moisture content inside the fuel cell 10 is managed.

まず、ＥＣＵ６１が行う燃料電池内部の水分診断の原理について説明する。本発明は、燃料電池１０から排出される水素ガスに含まれる水分量が、セル内の水分量によって、異なることに着目したものである。 First, the principle of moisture diagnosis inside the fuel cell performed by the ECU 61 will be described. The present invention focuses on the fact that the amount of water contained in the hydrogen gas discharged from the fuel cell 10 varies depending on the amount of water in the cell.

燃料電池１０の電解質膜１の内部や、電解質膜１の近辺に存在する水分が多い場合、それらの水分が、供給された水素ガスに触れることで、蒸発するため、燃料電池１０から排出される水素ガスに含まれる水分量は多い。一方、燃料電池１０の電解質膜の内部や、電解質膜１の近辺に存在する水分が少ない場合、それらの水分が、供給された水素ガスに触れることで、蒸発するため、燃料電池１０の水素ガス排出口１４から排出される水素ガスに含まれる水分量は少ない。 When there is a large amount of moisture present in the electrolyte membrane 1 of the fuel cell 10 or in the vicinity of the electrolyte membrane 1, the moisture evaporates by touching the supplied hydrogen gas, and is thus discharged from the fuel cell 10. The amount of water contained in hydrogen gas is large. On the other hand, when there is little moisture present in the electrolyte membrane of the fuel cell 10 or in the vicinity of the electrolyte membrane 1, the moisture evaporates by touching the supplied hydrogen gas. The amount of water contained in the hydrogen gas discharged from the discharge port 14 is small.

図３に、所定時間内における燃料電池１０から排出される水素ガスに含まれる水分量と、酸素極３への加湿器３５の加湿量との関係を示す。横軸の水分量は、所定時間における所定量の排気水素ガス中に含まれる水分量を示している。 FIG. 3 shows the relationship between the amount of moisture contained in the hydrogen gas discharged from the fuel cell 10 within a predetermined time and the amount of humidification of the humidifier 35 to the oxygen electrode 3. The amount of water on the horizontal axis indicates the amount of water contained in a predetermined amount of exhaust hydrogen gas at a predetermined time.

具体的には、酸素極３への加湿器３５の加湿量が適正であり、電解質膜１の内部等における水分量が適正な状態である場合であっても、水素極２に水素ガスが供給されると、この水素ガスによって、電解質膜１の水素極２側の表面から、電解質中の水分が蒸発する。このため、図３中の中央部に示すように、起電反応に用いられなかった未反応水素ガスには、ある量の水蒸気（水分）が含まれる。 Specifically, even when the humidification amount of the humidifier 35 to the oxygen electrode 3 is appropriate and the moisture amount in the electrolyte membrane 1 is in an appropriate state, hydrogen gas is supplied to the hydrogen electrode 2. Then, the hydrogen gas evaporates moisture from the surface of the electrolyte membrane 1 on the hydrogen electrode 2 side. For this reason, as shown in the central part in FIG. 3, the unreacted hydrogen gas that has not been used for the electromotive reaction contains a certain amount of water vapor (water).

これに対して、酸素極３への加湿量が多いため、酸素極３の近傍に生成水が多く存在し、酸素極３の近傍における水分の排出が間に合わない場合、酸素極３の近傍に存在する水分が、電解質膜１に浸透し、電解質膜１に含まれる水分が増加する。また、その水分が電解質膜１を透過して、酸素極３から水素極２の近傍にも水分が移動する。このため、供給された水素ガスによって、電解質膜１の水素極２側の表面から蒸発する水分の量や、未反応水素ガスとともに排出される水の量が、セル内部における水分量が適正な状態よりも多くなる。したがって、図３中の右側部分に示すように、燃料電池１０から排出される水素ガスに含まれる水分量が、セル内部における水分量が適正な状態の時と比較して、多くなる。 On the other hand, since the amount of humidification to the oxygen electrode 3 is large, a large amount of generated water exists in the vicinity of the oxygen electrode 3, and when water cannot be discharged in the vicinity of the oxygen electrode 3, it exists in the vicinity of the oxygen electrode 3. Moisture that permeates into the electrolyte membrane 1 increases the moisture contained in the electrolyte membrane 1. Further, the moisture passes through the electrolyte membrane 1 and moves from the oxygen electrode 3 to the vicinity of the hydrogen electrode 2. For this reason, the amount of water evaporated from the surface of the electrolyte membrane 1 on the hydrogen electrode 2 side by the supplied hydrogen gas and the amount of water discharged together with the unreacted hydrogen gas are in a state where the amount of water inside the cell is appropriate. More than. Therefore, as shown on the right side in FIG. 3, the amount of water contained in the hydrogen gas discharged from the fuel cell 10 is larger than when the amount of water inside the cell is appropriate.

一方、酸素極３への加湿量が少ないため、セル内部の水分が少ない場合、例えば、電解質膜１の水分が少ない場合では、供給された水素ガスによって、電解質膜１の水素極２側の表面から蒸発する水分の量が、セル内部における水分量が適正な状態よりも少ない。したがって、図３中に左側部分に示すように、燃料電池１０から排出される水素ガスに含まれる水分量は、セル内部における水分量が適正な状態の時と比較して、少ない。 On the other hand, since the amount of humidification to the oxygen electrode 3 is small, when the moisture inside the cell is small, for example, when the moisture of the electrolyte membrane 1 is small, the surface of the electrolyte membrane 1 on the hydrogen electrode 2 side by the supplied hydrogen gas. The amount of water that evaporates from the cell is less than the proper amount of water inside the cell. Therefore, as shown in the left part of FIG. 3, the amount of water contained in the hydrogen gas discharged from the fuel cell 10 is smaller than that when the amount of water inside the cell is in an appropriate state.

なお、電解質膜１に同じ量の水分が含まれている場合であっても、供給された水素ガスの蒸気圧やガス流量が異なると、電解質膜１の水素極２側の表面から蒸発する水分の量は異なる。したがって、燃料電池１０から排出される水素ガスに含まれる水分量は、供給された水素ガスの蒸気圧やガス流量によって、変動する。 Even when the same amount of moisture is contained in the electrolyte membrane 1, if the vapor pressure or gas flow rate of the supplied hydrogen gas is different, the moisture evaporates from the surface of the electrolyte membrane 1 on the hydrogen electrode 2 side. The amount is different. Therefore, the amount of water contained in the hydrogen gas discharged from the fuel cell 10 varies depending on the vapor pressure and gas flow rate of the supplied hydrogen gas.

以上のことから、セル内部の水分量が適切な状態の時における燃料電池１０から排出される水素ガスに含まれる水分量をあらかじめ調査し、マップデータを作成しておく。そして、燃料電池１０から排出された水分量を測定し、その測定値と、あらかじめ調査した適正な状態の時における水分量（判定基準しきい値６、７）とを比較することで、燃料電池１０の内部の水分状態を診断することができる。 From the above, the moisture content contained in the hydrogen gas discharged from the fuel cell 10 when the moisture content inside the cell is in an appropriate state is investigated in advance, and map data is created. Then, the amount of water discharged from the fuel cell 10 is measured, and the measured value is compared with the amount of water (determination criterion threshold values 6 and 7) in a proper state investigated in advance, thereby obtaining the fuel cell. The water condition inside 10 can be diagnosed.

上記したマップデータは、任意のｔ時間の間に水回収タンク２４で回収された水分量と、電流センサ４２で測定されたｔ時間での電流量の積算から算出した排気水素量および酸素極３での生成水量とに基づいて作成される。 The map data described above is the exhaust hydrogen amount and oxygen electrode 3 calculated from the sum of the amount of water collected in the water collection tank 24 during an arbitrary time t and the amount of current measured at the time t measured by the current sensor 42. It is created based on the amount of water produced in

すなわち、燃料電池内部の水分量が適正な状態である場合のｔ時間での排気水素量に対する回収された水分量の割合を調べる。そして、図３に示すように、燃料電池内部の水分量が適正な状態である場合の回収された水分量の最小しきい値６と、最大しきい値７とを算出する。このとき、最小しきい値６と、最大しきい値７を、生成水量毎に決定する。これは、生成水量によって、排気水素ガスに含まれる水分量が変化するからである。また、熱交換器２２による水蒸気の露点温度に基づいて、最小しきい値６と、最大しきい値７を決定する。水蒸気の露点温度によっても、排気水素ガスに含まれる水分量が変化するからである。 That is, the ratio of the recovered water amount to the exhaust hydrogen amount at time t when the water amount in the fuel cell is in an appropriate state is examined. Then, as shown in FIG. 3, the minimum threshold value 6 and the maximum threshold value 7 of the recovered water amount when the water amount inside the fuel cell is in an appropriate state are calculated. At this time, the minimum threshold value 6 and the maximum threshold value 7 are determined for each generated water amount. This is because the amount of water contained in the exhaust hydrogen gas varies depending on the amount of generated water. Further, the minimum threshold 6 and the maximum threshold 7 are determined based on the dew point temperature of the water vapor by the heat exchanger 22. This is because the amount of water contained in the exhaust hydrogen gas also changes depending on the dew point temperature of the water vapor.

このようにして、作成されたマップデータは、ＥＣＵ６１が有するメモリに記憶されている。 The map data thus created is stored in a memory that the ECU 61 has.

次に、ＥＣＵ６１が実行する燃料電池１０の内部の水分管理処理について説明する。図４に、ＥＣＵ６１が実行する燃料電池１０の内部の水分管理処理のフローチャートを示す。なお、ステップ７１〜７８が水分診断処理である。また、図４に示す水分管理処理は、イグニッションスイッチがオンになったときに実行され、イグニッションスイッチがオフになったときに終了する。また、水分管理処理はイグニッションスイッチがオフになるまでの間、所定周期で繰り返し実行される。 Next, the moisture management process inside the fuel cell 10 executed by the ECU 61 will be described. FIG. 4 shows a flowchart of the moisture management process inside the fuel cell 10 executed by the ECU 61. Steps 71 to 78 are moisture diagnosis processing. Further, the moisture management process shown in FIG. 4 is executed when the ignition switch is turned on, and ends when the ignition switch is turned off. In addition, the moisture management process is repeatedly executed at a predetermined cycle until the ignition switch is turned off.

まず、イグニッションスイッチがオンになると、燃料電池１０に反応ガスが供給され、燃料電池１０の発電が開始される。 First, when the ignition switch is turned on, the reaction gas is supplied to the fuel cell 10 and the power generation of the fuel cell 10 is started.

そして、未反応水素ガスが燃料電池１０から水素ガス排出経路２１に排出される。この未反応水素ガスは、熱交換器２２で一定の温度に保たれた冷却水により冷却される。このため、未反応水素ガスに含まれる水蒸気が凝縮され、水となる。凝縮により生じたこの水は、気液分離器２３で、水素ガス等の気体と分離され、水回収タンク２４に回収される。なお、燃料電池１０の内部から液体の状態で排出された水分も、気液分離器２３を介して、水回収タンク２４に回収される。 Unreacted hydrogen gas is discharged from the fuel cell 10 to the hydrogen gas discharge path 21. This unreacted hydrogen gas is cooled by the cooling water maintained at a constant temperature by the heat exchanger 22. For this reason, the water vapor contained in the unreacted hydrogen gas is condensed into water. The water generated by the condensation is separated from a gas such as hydrogen gas by the gas-liquid separator 23 and recovered in the water recovery tank 24. The water discharged from the fuel cell 10 in a liquid state is also recovered in the water recovery tank 24 via the gas-liquid separator 23.

水回収タンク２４では、センサ部によって水の量が測定され、その測定値がセンサ部からＥＣＵ６１に出力される。また、燃料電池１０から出力された電力の電流量が電流センサ４２によって測定されており、電流センサ４２から測定された電流値がＥＣＵ６１に出力される。 In the water recovery tank 24, the amount of water is measured by the sensor unit, and the measured value is output from the sensor unit to the ECU 61. Further, the current amount of the electric power output from the fuel cell 10 is measured by the current sensor 42, and the current value measured from the current sensor 42 is output to the ECU 61.

そこで、ステップ７１では、水回収タンク２４のセンサ部からＥＣＵ６１に入力された測定値から、所定時間（ｔ時間）内における水回収タンク２４に回収された水分量（水分回収量）が算出される。 Therefore, in step 71, the amount of water (water recovery amount) recovered in the water recovery tank 24 within a predetermined time (time t) is calculated from the measured value input to the ECU 61 from the sensor unit of the water recovery tank 24. .

ステップ７２では、電流センサ４２からＥＣＵ６１に入力された測定値から、同じ所定時間（ｔ時間）内における電流量が積算される。そして、その電流量の積算値から、同じｔ時間での排出水素量、生成水量が算出される。 In step 72, the current amount within the same predetermined time (time t) is integrated from the measured value input from the current sensor 42 to the ECU 61. Then, from the integrated value of the current amount, the amount of discharged hydrogen and the amount of produced water at the same time t are calculated.

ステップ７３では、ステップ７２で算出された排出水素量、生成水量の時における水回収タンク２４による水分回収量と燃料電池内部の水分状態との関係を示すマップデータが、メモリから読み出される。すなわち、排出水素量、生成水量が、ステップ７２で算出された数値の場合において、燃料電池内部の水分状態が適正であるときの水分回収量の上限値（最大しきい値）７と下限値（最小しきい値６）とが算出される。 In step 73, map data indicating the relationship between the amount of water recovered by the water recovery tank 24 and the moisture state inside the fuel cell at the time of the amount of discharged hydrogen and the amount of produced water calculated in step 72 is read from the memory. That is, when the amount of discharged hydrogen and the amount of generated water are the values calculated in step 72, the upper limit (maximum threshold) 7 and lower limit ( The minimum threshold 6) is calculated.

ステップ７４では、ｔ時間における水回収タンク２４での水分回収量（排気水素ガス量に対する割合）が、ステップ７３で算出された水分回収量の下限値よりも小さいか否か判定される。回収タンク２４での水分回収量が下限値よりも小さい（ＹＥＳ）と判定された場合、ステップ７５で、燃料電池１０の内部が乾燥していると判定される。この場合、さらに、ステップ７９、８０が実行される。一方、回収タンク２４での水分回収量が下限値よりも小さくない（ＮＯ）と判定された場合、ステップ７６に進む。 In step 74, it is determined whether or not the water recovery amount (ratio to the exhaust hydrogen gas amount) in the water recovery tank 24 at time t is smaller than the lower limit value of the water recovery amount calculated in step 73. If it is determined that the amount of water recovered in the recovery tank 24 is smaller than the lower limit (YES), it is determined in step 75 that the inside of the fuel cell 10 is dry. In this case, steps 79 and 80 are further executed. On the other hand, if it is determined that the amount of water recovered in the recovery tank 24 is not smaller than the lower limit (NO), the process proceeds to step 76.

ステップ７６では、ｔ時間における水回収タンク２４での水分回収量が、ステップ７３で算出された水分回収量の上限値よりも大きいか否か判定される。回収タンク２４での水分回収量が上限値よりも大きい（ＹＥＳ）と判定された場合、ステップ７７で、燃料電池１０の内部が水分過多の状態であると判定される。この場合、さらに、ステップ８１、８２が実行される。一方、回収タンク２４での水分回収量が上限値よりも大きくない（ＮＯ）と判定された場合、ステップ７８で燃料電池１０の内部の水分状態は適正であると判定される。この場合、ＥＣＵ６１は、ステップ７９〜８１のような燃料電池１０の内部の水分を調整する制御を行わずに、水分管理処理の一周期分が終了する。 In step 76, it is determined whether or not the water recovery amount in the water recovery tank 24 at time t is larger than the upper limit value of the water recovery amount calculated in step 73. If it is determined that the amount of water recovered in the recovery tank 24 is greater than the upper limit (YES), it is determined in step 77 that the interior of the fuel cell 10 is in a state of excessive water. In this case, steps 81 and 82 are further executed. On the other hand, if it is determined that the amount of collected water in the collection tank 24 is not greater than the upper limit (NO), it is determined in step 78 that the moisture state inside the fuel cell 10 is appropriate. In this case, the ECU 61 completes one cycle of the moisture management process without performing the control for adjusting the moisture in the fuel cell 10 as in steps 79 to 81.

燃料電池１０の内部が乾燥していると判定された場合、ステップ７９で、加湿器３５に対して、空気への加湿量を増加させる旨の指示信号が出力される。これにより、加湿器３５によって、燃料電池１０に供給される空気の加湿量が増加され、燃料電池１０の内部の水分量が増加される。 If it is determined that the inside of the fuel cell 10 is dry, in step 79, an instruction signal for increasing the amount of humidification to the air is output to the humidifier 35. Thereby, the humidifier 35 increases the amount of humidification of the air supplied to the fuel cell 10 and increases the amount of moisture inside the fuel cell 10.

さらに、ステップ８０で、空気供給経路３１に設けられたポンプ３３に対して、燃料電池１０への空気の供給量を減少させる旨の指示信号が出力される。これにより、ポンプ３３は、燃料電池１０への空気の供給量を減少させる。ここで、空気の供給量が多い場合では、固体高分子膜１の近傍や、固体高分子膜１の表面から水分が蒸発しやすい。したがって、燃料電池１０への空気の供給量を減少させることで、燃料電池１０の内部からの水分の蒸発が抑制される。 Further, in step 80, an instruction signal for reducing the amount of air supplied to the fuel cell 10 is output to the pump 33 provided in the air supply path 31. As a result, the pump 33 reduces the amount of air supplied to the fuel cell 10. Here, when the supply amount of air is large, moisture easily evaporates from the vicinity of the solid polymer film 1 or from the surface of the solid polymer film 1. Therefore, evaporation of moisture from the inside of the fuel cell 10 is suppressed by reducing the amount of air supplied to the fuel cell 10.

一方、燃料電池１０の内部が水分過多であると判定された場合、ステップ８１で、加湿器３５に対して、空気への加湿を停止させる旨の指示信号が出力される。これにより、加湿器３５が停止し、燃料電池１０に加湿されていない空気が供給される。この結果、加湿されていない空気により、燃料電池１０の内部の水分が蒸発し、燃料電池１０の内部の水分量が減少される。 On the other hand, when it is determined that the inside of the fuel cell 10 is excessive in water, an instruction signal to stop humidification of the air is output to the humidifier 35 in step 81. As a result, the humidifier 35 is stopped, and air that has not been humidified is supplied to the fuel cell 10. As a result, the moisture inside the fuel cell 10 evaporates due to the air that has not been humidified, and the amount of moisture inside the fuel cell 10 is reduced.

さらに、ステップ８２で、空気供給経路３１に設けられたポンプ３３に対して、燃料電池１０への空気の供給量を増加させる旨の指示信号が出力される。これにより、ポンプ３３は、燃料電池１０への空気の供給量を増加させる。この結果、燃料電池１０の内部における水分の蒸発が促進され、燃料電池１０の内部からの水分排出量が増加される。 Further, in step 82, an instruction signal for increasing the amount of air supplied to the fuel cell 10 is output to the pump 33 provided in the air supply path 31. Thereby, the pump 33 increases the supply amount of air to the fuel cell 10. As a result, the evaporation of moisture inside the fuel cell 10 is promoted, and the amount of moisture discharged from the inside of the fuel cell 10 is increased.

なお、一般に、反応ガスの供給量の増加に伴って、燃料電池の出力が増加するため、生成水の量も増加する。しかし、本実施形態では、燃料電池１０に対して、起電反応に必要な空気よりも過剰の量の空気を供給している。このため、空気の供給量が起電反応に必要な量よりも多い場合での供給量の増減は、生成水の量に特に寄与せず、むしろ、燃料電池内部の水分の蒸発量に寄与する。 In general, as the supply amount of the reaction gas increases, the output of the fuel cell increases, so the amount of generated water also increases. However, in this embodiment, an excess amount of air is supplied to the fuel cell 10 as compared with the air necessary for the electromotive reaction. For this reason, the increase / decrease in the supply amount when the supply amount of air is larger than the amount necessary for the electromotive reaction does not particularly contribute to the amount of generated water, but rather contributes to the evaporation amount of moisture inside the fuel cell. .

本実施形態では、上記したように、本実施形態の燃料電池システムでは、水素ガス排出経路２１に設けられた熱交換器２２で、燃料電池１０から排出された水素ガス等を冷却し、水素ガス中に含まれる水蒸気を凝縮させている。凝縮により生成した水を、気液分離器２３で、気体と分離させ、水回収タンク２４で回収している。さらに、水回収タンク２４のセンサ部で水分回収量を測定している。 In the present embodiment, as described above, in the fuel cell system of the present embodiment, the hydrogen gas discharged from the fuel cell 10 is cooled by the heat exchanger 22 provided in the hydrogen gas discharge path 21, and the hydrogen gas Water vapor contained inside is condensed. The water produced by the condensation is separated from the gas by the gas-liquid separator 23 and recovered by the water recovery tank 24. Further, the water recovery amount is measured by the sensor unit of the water recovery tank 24.

そして、ＥＣＵ６１は、ステップ７１〜７８に示すように、水回収タンク２４のセンサ部による水分回収量の測定結果に基づいて、燃料電池１０の内部の水分量を診断している。すなわち、ステップ７１で、ｔ時間内における水回収タンク２４の水分回収量を算出し、ステップ７２で、ｔ時間内における電流量から、ｔ時間での排出水素量、生成水量を算出する。続いて、ステップ７３で、ステップ７２で算出された排出水素量、生成水量の時における水分回収量と燃料電池内部の水分状態との関係を示すマップデータを読み出す。その後、ステップ７４、７６で、測定した水分回収量と、マップデータとを比較することで、燃料電池１０の内部の水分状態を診断（ステップ７５、７７、７８）している。 Then, as shown in steps 71 to 78, the ECU 61 diagnoses the moisture content inside the fuel cell 10 based on the measurement result of the moisture recovery amount by the sensor unit of the water recovery tank 24. That is, in step 71, the amount of water recovered in the water recovery tank 24 within time t is calculated, and in step 72, the amount of discharged hydrogen and the amount of generated water at time t are calculated from the amount of current during time t. Subsequently, in step 73, map data indicating the relationship between the amount of recovered water and the moisture state inside the fuel cell at the time of the amount of discharged hydrogen and the amount of produced water calculated in step 72 is read. Thereafter, in steps 74 and 76, the water content inside the fuel cell 10 is diagnosed (steps 75, 77, and 78) by comparing the measured water recovery amount with the map data.

ここで、上記したように、燃料電池１０から排出された水素ガスに含まれる水分量は、燃料電池内部の水分量に応じて変化する。 Here, as described above, the amount of water contained in the hydrogen gas discharged from the fuel cell 10 varies according to the amount of water in the fuel cell.

また、燃料電池１０から排出された水素ガスに含まれる水分量は、燃料電池内部の水分量に応じてのみ変化する。すなわち、水素ガスに含まれる水分量は、上記背景技術の欄に記載した従来技術において、水分診断の対象とされていた反応ガスの圧力のように、燃料電池内部の水分量の他に、負荷４１の状況によって変化することはない。 Further, the amount of water contained in the hydrogen gas discharged from the fuel cell 10 changes only according to the amount of water inside the fuel cell. That is, the amount of water contained in the hydrogen gas is not limited to the amount of water inside the fuel cell, as in the case of the pressure of the reaction gas, which was the subject of moisture diagnosis in the prior art described in the background section above. It does not change according to the situation of 41.

言い換えると、上記した従来技術では、負荷が過渡的に変化して、燃料電池の出力が変化した場合、起電反応に使用される反応ガスの量も変化するため、燃料電池の内部での反応ガスの圧力が、燃料電池の内部の水分量に関係なく変化する。このため、上記した従来技術では、負荷が過渡的に変化した場合に、このことを考慮して、燃料電池１０の内部の水分状態を診断することができなかった。 In other words, in the above-described prior art, when the load changes transiently and the output of the fuel cell changes, the amount of reaction gas used for the electromotive reaction also changes. The gas pressure changes regardless of the amount of water inside the fuel cell. For this reason, in the above-described prior art, when the load changes transiently, it is impossible to diagnose the moisture state inside the fuel cell 10 in consideration of this.

これに対して、本実施形態では、供給された反応ガス（水素ガス）の量に対する水回収タンク２４に回収される水分量を測定していることから、負荷が過渡的に変化し、起電反応に使用される水素ガスの量が変化しても、それを考慮して、燃料電池１０の内部の水分状態を診断することができる。 On the other hand, in this embodiment, since the amount of water recovered in the water recovery tank 24 with respect to the amount of the supplied reaction gas (hydrogen gas) is measured, the load changes transiently and the electromotive force is changed. Even if the amount of hydrogen gas used in the reaction changes, the moisture state inside the fuel cell 10 can be diagnosed in consideration thereof.

また、水素ガスに含まれる水分量は、燃料電池内の反応ガスの圧力を一定に制御しても、それによって、変化することはない。 Further, the amount of water contained in the hydrogen gas does not change even if the pressure of the reaction gas in the fuel cell is controlled to be constant.

したがって、本実施形態の燃料電池システムによれば、燃料電池システムを負荷が過渡的に変化する状況で使用した場合や、燃料電池内部における反応ガスの圧力を一定に制御する燃料電池システムに適用した場合においても、燃料電池内部の水分状態を従来技術よりも的確に診断することができる。 Therefore, according to the fuel cell system of the present embodiment, the fuel cell system is applied to a case where the load is used in a state where the load changes transiently, or to a fuel cell system that controls the pressure of the reaction gas inside the fuel cell to be constant. Even in this case, the moisture state inside the fuel cell can be diagnosed more accurately than in the prior art.

また、本実施形態では、燃料電池出口側冷却水用温度センサ５４および燃料電池入口側冷却水温度センサ５５からＥＣＵ６１に入力された冷却水の測定温度に基づいて、ファン５３をＥＣＵ６１で制御して、冷却水を一定の温度に維持している。すなわち、本実施形態では、熱交換器２２において、水蒸気の露点温度を一定にして、水蒸気を凝縮している。 In the present embodiment, the fan 53 is controlled by the ECU 61 based on the measured temperature of the coolant input to the ECU 61 from the fuel cell outlet side coolant temperature sensor 54 and the fuel cell inlet side coolant temperature sensor 55. The cooling water is maintained at a constant temperature. That is, in the present embodiment, the heat exchanger 22 condenses the water vapor with the dew point temperature of the water vapor constant.

ここで、かりに露点温度が一定でない場合、水素ガス中に同じ量の水蒸気が含まれていても、凝縮により生じる水の量が異なってしまう。このため、この場合では、燃料電池内部の水分量を的確に診断することができない。 Here, when the dew point temperature is not constant, even if the same amount of water vapor is contained in the hydrogen gas, the amount of water generated by condensation is different. For this reason, in this case, the moisture content inside the fuel cell cannot be diagnosed accurately.

これに対して、本実施形態のように、露点温度を一定にして、水蒸気を凝縮することで、水素ガス中に同じ量の水蒸気が含まれている場合、凝縮によって生じる水の量を常に一定にすることができる。したがって、本実施形態によれば、燃料電池内部の水分量を的確に診断することができる。 On the other hand, when the same amount of water vapor is contained in hydrogen gas by condensing water vapor with the dew point temperature being constant as in this embodiment, the amount of water generated by condensation is always constant. Can be. Therefore, according to the present embodiment, the water content inside the fuel cell can be diagnosed accurately.

また、本実施形態では、上記した燃料電池１０の内部における水分状態の診断結果に応じて、ＥＣＵ６１により、ポンプ３３や加湿器３５を制御している。これにより、燃料電池１０の内部の水分量を適切な量に調整することができる。 Further, in the present embodiment, the ECU 61 controls the pump 33 and the humidifier 35 in accordance with the diagnosis result of the moisture state inside the fuel cell 10 described above. Thereby, the water content inside the fuel cell 10 can be adjusted to an appropriate amount.

（第２実施形態）
図５に、本発明の第２実施形態における燃料電池システムの構成を示す。本実施形態は、燃料電池への水素ガスの供給方法が、第１実施形態と異なるものである。なお、図５では、図１と同様の構成部に、図１と同じ符号を付している。 (Second Embodiment)
FIG. 5 shows the configuration of the fuel cell system according to the second embodiment of the present invention. This embodiment is different from the first embodiment in the method of supplying hydrogen gas to the fuel cell. In FIG. 5, the same components as those in FIG.

第１実施形態では、いわゆる水素閉塞型の燃料電池システムに本発明を適用した場合を説明したが、第２実施形態では、いわゆる水素循環供給型の燃料電池システムに本発明を適用した場合を説明する。 In the first embodiment, the case where the present invention is applied to a so-called hydrogen-occluded fuel cell system has been described. In the second embodiment, the case where the present invention is applied to a so-called hydrogen circulation supply type fuel cell system is described. To do.

本実施形態では、図５に示すように、燃料電池１０における空気供給口１１、空気排出口１２、水素ガス供給口１３、水素ガス排出口１４の位置や、水素ガス排出経路開閉弁２８が燃料電池１０の水素ガス排出口１４と熱交換器２２との間に配置されている点が、図１に示す第１実施形態の燃料電池１０と異なっている。 In the present embodiment, as shown in FIG. 5, the positions of the air supply port 11, the air discharge port 12, the hydrogen gas supply port 13, the hydrogen gas discharge port 14 in the fuel cell 10, and the hydrogen gas discharge path opening / closing valve 28 are used as fuel. The fuel cell 10 of the first embodiment shown in FIG. 1 is different from the fuel cell 10 of the first embodiment shown in FIG. 1 in that it is disposed between the hydrogen gas outlet 14 of the battery 10 and the heat exchanger 22.

また、図５に示すように、本実施形態の燃料電池システムでは、水素ガス排出経路２１が水素ガス供給経路２０のうち、水素ボンベ２５よりも燃料電池１０側の部位に接続されている。これにより、燃料電池１０から排出された水素ガスが再び、水素ガス供給経路２０を通って、燃料電池１０に供給される。 As shown in FIG. 5, in the fuel cell system of the present embodiment, the hydrogen gas discharge path 21 is connected to a portion of the hydrogen gas supply path 20 that is closer to the fuel cell 10 than the hydrogen cylinder 25. Thereby, the hydrogen gas discharged from the fuel cell 10 is supplied again to the fuel cell 10 through the hydrogen gas supply path 20.

本実施形態においても、第１実施形態と同様に、燃料電池１０から排出された水素ガスに含まれる水分量を測定することで、燃料電池１０の内部の水分診断を行う。したがって、第１実施形態で説明した理由と同様の理由により、燃料電池内の反応ガスの圧力が一定となるように、燃料電池内の反応ガスの圧力が調整されるいわゆる水素循環供給型の燃料電池システムにおいても、本発明を適用することができる。 Also in the present embodiment, the moisture diagnosis inside the fuel cell 10 is performed by measuring the amount of water contained in the hydrogen gas discharged from the fuel cell 10 as in the first embodiment. Therefore, for the same reason as described in the first embodiment, a so-called hydrogen circulation supply type fuel in which the pressure of the reaction gas in the fuel cell is adjusted so that the pressure of the reaction gas in the fuel cell becomes constant. The present invention can also be applied to a battery system.

（他の実施形態）
第１、第２実施形態では、酸素のみを加湿して、酸素および水素を供給する場合を説明したが、水素ガス供給経路２０に加湿器を設け、水素のみ、また、酸素と水素の両方に対して加湿することもできる。 (Other embodiments)
In the first and second embodiments, the case where only oxygen is humidified and oxygen and hydrogen are supplied has been described. However, a humidifier is provided in the hydrogen gas supply path 20 to provide only hydrogen and both oxygen and hydrogen. It can also be humidified.

本発明の第１実施形態における燃料電池システムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the fuel cell system in 1st Embodiment of this invention. 図１中の燃料電池１０における単セルの構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the single cell in the fuel cell 10 in FIG. 所定時間内における排気水素ガス中の水分量と加湿器による加湿量との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the moisture content in exhaust hydrogen gas within the predetermined time, and the humidification amount by a humidifier. 図１中のＥＣＵ６１が実行する燃料電池１０の内部の水分管理処理を示すフローチャートである。2 is a flowchart showing a moisture management process inside the fuel cell 10 executed by an ECU 61 in FIG. 1. 本発明の第２実施形態における燃料電池システムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the fuel cell system in 2nd Embodiment of this invention.

Explanation of symbols

１０…燃料電池（ＦＣスタック）、２１…水素ガス排出経路、
２２…熱交換器、２３…気液分離器、２４…水回収タンク、
２５…水素ボンベ、２６…水素調圧弁、２７…水素ガス供給経路開閉弁、
２８…水素ガス排出経路開閉弁、２９…排水弁、３１…空気供給経路、
３２…空気排出経路、３３…ポンプ、３４…空気調圧弁、３５…加湿器、
４１…負荷、４２…電流センサ、５０…冷却水経路、５１…放熱器、
５２…冷却水循環ポンプ、５３…ファン、
５４…燃料電池出口側冷却水用温度センサ、
５５…燃料電池入口側冷却水温度センサ、６１…ＥＣＵ。

10 ... Fuel cell (FC stack), 21 ... Hydrogen gas discharge route,
22 ... heat exchanger, 23 ... gas-liquid separator, 24 ... water recovery tank,
25 ... Hydrogen cylinder, 26 ... Hydrogen pressure regulating valve, 27 ... Hydrogen gas supply path on-off valve,
28 ... Hydrogen gas discharge path opening / closing valve, 29 ... Drain valve, 31 ... Air supply path,
32 ... Air discharge path, 33 ... Pump, 34 ... Air pressure regulating valve, 35 ... Humidifier,
41 ... Load, 42 ... Current sensor, 50 ... Cooling water path, 51 ... Radiator,
52 ... Cooling water circulation pump, 53 ... Fan,
54 ... Temperature sensor for cooling water on the fuel cell outlet side,
55 ... Fuel cell inlet side coolant temperature sensor, 61 ... ECU.

Claims

A polymer electrolyte fuel cell (10) and hydrogen gas connected to the fuel cell (10) and not used in the electromotive reaction at the fuel electrode (2) of the fuel cell (10) is supplied to the fuel cell (10). ) In a fuel cell system having a hydrogen gas discharge path (21) for discharging from the inside,
A measuring means (24) connected to the hydrogen gas discharge path (21) for measuring the amount of water contained in the hydrogen gas discharged from the fuel cell (10);
A fuel cell system comprising: determination means (61) for determining the amount of water in the fuel cell (10) based on the measurement result of the measurement means (24).

Condensing means (22) connected to the hydrogen gas discharge path (21) and condensing water vapor in the hydrogen gas discharged from the fuel cell (10),
The fuel cell system according to claim 1, wherein the measuring means (24) measures the amount of water produced by the condensation of the water vapor by the condensing means (22).

The fuel cell system according to claim 2, wherein the condensing means (22) condenses the water vapor at a constant dew point temperature.

Current measuring means (42) for measuring an output current value of the fuel cell (10);
In the determination means (61), map data indicating the ratio of the amount of water generated by the condensation to the discharge amount of hydrogen gas in a proper moisture state is stored in advance.
The determination means (61) calculates a current amount within a predetermined time from the current value measured by the current measuring means (42), calculates a hydrogen gas discharge amount within a predetermined time from the current amount, and performs the measurement The amount of water contained in hydrogen gas within a predetermined time is calculated from the amount of water measured by the means (24), and the ratio of the amount of water contained in the hydrogen gas to the amount of hydrogen gas discharged is calculated in the map. 4. The fuel cell system according to claim 2, wherein the amount of water in the fuel cell is determined by comparing with data. 5.

An adjustment means (35) for adjusting moisture in the fuel cell (10) and a control means (61) for controlling the adjustment means (35) according to the determination result of the determination means (61). The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, wherein