JP2006093028A - Fuel cell system and film drying state estimation method of fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池をケースに収納した燃料電池システムに関するものであり、特に、ケースに設置した湿度検出手段により燃料電池を構成する高分子膜の乾燥状態を推定する新規な燃料電池システム及び燃料電池の膜乾燥状態推定方法に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell system in which a fuel cell is housed in a case, and in particular, a novel fuel cell system and fuel for estimating the dry state of a polymer film constituting the fuel cell by humidity detection means installed in the case The present invention relates to a method for estimating a film dry state of a battery.
燃料電池システムは、燃料電池の燃料極(水素極)に水素ガス、酸化剤極(空気極)に空気をそれぞれ供給し、燃料電池において水素と酸素とを電気化学的に反応させて発電電力を得るものである。このような燃料電池システムは、例えば自動車の駆動エネルギ源等としての実用化に大きな期待が寄せられており、現在、実用化に向けての研究開発が盛んに行われている。 The fuel cell system supplies hydrogen gas to the fuel electrode (hydrogen electrode) of the fuel cell and air to the oxidant electrode (air electrode), respectively, and causes hydrogen and oxygen to react electrochemically in the fuel cell to generate generated power. To get. Such a fuel cell system is highly expected to be put into practical use, for example, as a driving energy source for automobiles. Currently, research and development for practical use is actively performed.
燃料電池システムに用いられる燃料電池としては、例えば車載用に好適なものとして、固体高分子タイプの燃料電池が知られている。この固体高分子タイプの燃料電池は、燃料極と空気極との間に高分子膜が設けられたものであり、この高分子膜が水素イオン伝導体(電解質膜)として機能するようになっている。この固体高分子タイプの燃料電池では、燃料極で水素ガスが水素イオンと電子とに分離される反応が起き、空気極で酸素ガスと水素イオンと電子とから水を生成する反応が行われる。このとき、高分子膜がイオン伝導体として機能し、水素イオンは高分子膜中を空気極に向かって移動することになる。 As a fuel cell used in the fuel cell system, for example, a solid polymer type fuel cell is known as being suitable for in-vehicle use. In this solid polymer type fuel cell, a polymer membrane is provided between a fuel electrode and an air electrode, and this polymer membrane functions as a hydrogen ion conductor (electrolyte membrane). Yes. In this solid polymer type fuel cell, a reaction in which hydrogen gas is separated into hydrogen ions and electrons occurs in the fuel electrode, and a reaction in which water is generated from oxygen gas, hydrogen ions and electrons in the air electrode. At this time, the polymer film functions as an ion conductor, and hydrogen ions move in the polymer film toward the air electrode.
ところで、高分子膜をイオン伝導体として機能させるためには、高分子膜にある程度の水分を含ませておく必要がある。このため、このような固体高分子タイプの燃料電池を用いた燃料電池システムでは、水素ガスや空気等の供給ガスを加湿装置により加湿した状態で燃料電池に供給したり、燃料電池に直接水を供給したりすることで、燃料電池の高分子膜を加湿することが一般に行われている。この場合、水分管理を適切に行うことが特に重要な課題となっており、燃料電池の高分子膜が常に最適な加湿状態となるように系内の水分を制御することが必要である。 By the way, in order for the polymer membrane to function as an ion conductor, it is necessary to include a certain amount of moisture in the polymer membrane. For this reason, in a fuel cell system using such a polymer electrolyte fuel cell, a supply gas such as hydrogen gas or air is supplied to the fuel cell while being humidified by a humidifier, or water is directly supplied to the fuel cell. In general, the polymer membrane of the fuel cell is humidified by supplying it. In this case, it is particularly important to appropriately perform moisture management, and it is necessary to control the moisture in the system so that the polymer membrane of the fuel cell is always in an optimum humidified state.
このような観点から、例えば、下記特許文献1においては、単セル、またはブロック毎のセル電圧の経時変化のパターンを種々記憶しておき、実際の電圧の変化をそのパターンと比較することにより膜の含水状態を判定し、その状態に応じて膜の湿潤を促進させる等、最適運転パターンを選択するという運転方法を提案している。
しかしながら、特許文献1記載の技術のように、セル電圧の経時変化のパターンを記憶して比較するとした場合、セル電圧に対する感度を持つパラメータは数多く存在し、またこれらのパラメータが相互に影響を与え合っていることも多分にあるため、セル電圧の変化のみから膜の含水状態を特定するということは非常に困難である。特に、自動車の駆動エネルギ源として燃料電池を使用する場合には、要求される出力の変化が激しく、比較し得るセル電圧の変化パターンを設定すること自体が難しいという問題がある。
However, when storing and comparing cell voltage aging patterns as in the technique described in
そこで、本発明は、簡便な方式により燃料電池の高分子膜の乾燥状態を的確に判定することが可能な燃料電池システム及び燃料電池の膜乾燥状態推定方法を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a fuel cell system and a fuel cell membrane dry state estimation method capable of accurately determining the dry state of a polymer membrane of a fuel cell by a simple method.
前述の目的を達成するために、本発明に係る燃料電池システムは、電解質膜として高分子膜を備えた燃料電池と、燃料電池を収納するケースと、ケース内の気体をケースの換気出口から外部に排出する換気手段と、ケースの換気出口近傍に設置された湿度検出手段と、換気手段の作動時に、湿度検出手段の検出結果に基づいて高分子膜の乾燥状態を推定する膜乾燥状態推定手段とを備える構成としている。 In order to achieve the above-mentioned object, a fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell having a polymer membrane as an electrolyte membrane, a case for housing the fuel cell, and a gas in the case from the ventilation outlet of the case to the outside. Ventilation means for discharging to the outside, humidity detection means installed near the ventilation outlet of the case, and membrane dry state estimation means for estimating the dry state of the polymer film based on the detection result of the humidity detection means when the ventilation means is activated It is set as the structure provided with.
また、本発明に係る燃料電池の膜乾燥状態推定方法は、電解質膜として高分子膜を備え、換気手段による換気が行われるケース内部に収納された燃料電池の膜乾燥状態を推定する方法であって、ケースの換気出口近傍に湿度検出手段を設置し、この湿度検出手段の検出結果に基づいて高分子膜の乾燥状態を推定するようにしている。 The method for estimating the membrane dry state of a fuel cell according to the present invention is a method for estimating the membrane dry state of a fuel cell that is provided with a polymer membrane as an electrolyte membrane and is housed inside a case that is ventilated by a ventilation means. Thus, humidity detection means is installed near the ventilation outlet of the case, and the dry state of the polymer film is estimated based on the detection result of the humidity detection means.
例えば、高分子膜の外周部端面が露出した構造の燃料電池がケース内部に収納されている場合を考えると、高分子膜の外周部端面から蒸発する水分によってケース内部の湿度が上昇することになり、換気手段を作動したときにケースの換気出口から排出される気体の湿度は、高分子膜から蒸発した水分量を反映したものとなる。したがって、換気手段の作動時にこのケースの換気出口から排出される気体の湿度を湿度検出手段で検出することで、燃料電池の高分子膜から蒸発した水分量を把握することができる。そして、膜乾燥状態推定手段がこの湿度検出手段の検出結果に基づいて高分子膜の乾燥状態を推定することにより、簡便な方式で燃料電池の高分子膜の乾燥状態を的確に判定することが可能となる。 For example, considering a case where a fuel cell having a structure in which the outer peripheral end face of the polymer membrane is exposed is housed in the case, the humidity inside the case increases due to moisture evaporated from the outer peripheral end face of the polymer membrane. Thus, the humidity of the gas discharged from the ventilation outlet of the case when the ventilation means is operated reflects the amount of water evaporated from the polymer film. Therefore, the moisture amount evaporated from the polymer membrane of the fuel cell can be grasped by detecting the humidity of the gas discharged from the ventilation outlet of the case when the ventilation means is operated by the humidity detection means. The membrane dry state estimating means can accurately determine the dry state of the polymer membrane of the fuel cell by a simple method by estimating the dry state of the polymer membrane based on the detection result of the humidity detecting means. It becomes possible.
本発明によれば、一般的に種々の要求(例えば燃料電池スタック自体の保護、感電−短絡防止、ブラケット取り付け、周辺機器の収容容器等)からほとんどの場合に使用されるケースの換気出口に湿度検出手段を設置し、その検出結果に基づいて高分子膜の乾燥状態を推定するといった極めて簡便な方式により、高分子膜の乾燥状態を的確に判定することができる。 In general, according to the present invention, the humidity at the ventilation outlet of the case used in most cases from various requirements (for example, protection of the fuel cell stack itself, prevention of electric shock-short circuit, mounting of brackets, container for peripheral equipment, etc.) It is possible to accurately determine the dry state of the polymer film by an extremely simple method of installing a detection means and estimating the dry state of the polymer film based on the detection result.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
先ず、本実施形態の燃料電池システムが備える固体高分子タイプの燃料電池の1発電単位である単セルの構造を図1を用いて簡単に説明する。固体高分子タイプの燃料電池を構成する単セルは、電解質膜として高分子膜1を備えており、この高分子膜1の両表面上に白金等の触媒を担持するカーボン層やガス拡散層が各々形成されて、アノード側電極となる燃料極2やカソード側電極となる酸化剤極3とされている。一般的にはこれら高分子膜1や各電極2,3を総称して膜電極接合体(MEA:Membrane Electrolyte Assembly)と呼ぶ。
(First embodiment)
First, the structure of a single cell that is one power generation unit of a solid polymer type fuel cell provided in the fuel cell system of the present embodiment will be briefly described with reference to FIG. A single cell constituting a solid polymer type fuel cell includes a
燃料電池の単セルは、このMEAが一対のバイポーラプレート4,5で挟持された構造となっている。すなわち、燃料極2の高分子膜1が接する面とは反対側の面には、燃料ガス通路を有する多孔質導電性物質で形成されたアノードバイポーラプレート4が配置されている。また、酸化剤極3の高分子膜1が接する面とは反対側の面には、酸化剤ガス通路を有する多孔質導電性物質で形成されたカソードバイポーラプレート5が配設されている。
The single cell of the fuel cell has a structure in which this MEA is sandwiched between a pair of
ここで、前記アノードバイポーラプレート4やカソードバイポーラプレート5は、外周端部において前記MEAの高分子膜1に対してシール6を介して重ね合わされているが、アノードバイポーラプレート4やカソードバイポーラプレート5にMEAがシール6を介して挟まれてなる単セルにおいては、MEAの高分子膜1の外周部端面がシール6等で覆われておらず、外部に露出した構造となっている(図1中のA部参照。)。したがって、このような単セルでは、燃料電池の運転中に、高分子膜1が保持している水分が膜端面から少しずつ蒸発することになる。
Here, the anode
固体高分子タイプの燃料電池は、以上のような構造の単セルが多数積層されてスタック構造とされたものである。このようなスタック構造の燃料電池をシステムに組み込む場合、一般的には、図2に示すように、感電防止や設置用ブラケットとしてスタックケース12が使用され、燃料電池11はこのスタックケース12の内部に収納される。この場合、スタックケース12には、必ずケース内の換気を行うための換気装置13が設置される。これは、燃料ガスとして使用する水素の完全なシールが困難で、微量ではあるが燃料電池11からの漏洩が発生し、その漏洩水素のスタックケース12内での滞留防止、濃度希釈を行う必要があるからである。そして、スタックケース12の換気出口14には、通常、図示しない水素濃度センサや温度センサが設置されており、これらのセンサの検出値を用いてシール性の劣化や破損に対する監視を行い、必要に応じて換気装置13を作動させてスタックケース12内の換気を行うようにしている。
A solid polymer type fuel cell has a stack structure in which a large number of single cells having the above structure are stacked. When a fuel cell having such a stack structure is incorporated into a system, generally, as shown in FIG. 2, a
ここで、本実施形態の燃料電池システムでは、スタックケース12の換気出口14近傍に、前記水素濃度センサや温度センサに加えて湿度検出手段である湿度センサ15を設置し、この換気出口14から排気されるスタックケース12内の空気の湿度を検出することで、燃料電池11の高分子膜1の乾燥状態を推定するようにしている。すなわち、上述した構造の固体高分子タイプの燃料電池11では、運転中に高分子膜1が保持している水分が膜端面から少しずつ蒸発するので、この蒸発した水分によってスタックケース12内の湿度は上昇することになり、換気装置13を作動したときにスタックケース12の換気出口14から排出される気体の湿度は、高分子膜1から蒸発した水分量を反映したものとなる。したがって、換気装置13の作動時にこのスタックケース12の換気出口14から排出される気体の湿度を湿度センサ15で検出することで、燃料電池11の高分子膜1から蒸発した水分量を把握することができる。
Here, in the fuel cell system of the present embodiment, in addition to the hydrogen concentration sensor and the temperature sensor, a
なお、本実施形態のように、図1に示すような単セルを積層した燃料電池11を使用する場合、運転中に膜端面から蒸発する水蒸気により、スタックケース12内は湿度が高い状態となる。したがって、スタックケース12外の周囲温度が低い場合には、スタックケース12の壁面、あるいは燃料電池11の表面に結露が生じる可能性があり、換気装置13はこのような結露を防止する目的でも使用される。
In addition, when using the
図3は、本実施形態の燃料電池システムの概略構成を示した図である。スタックケース12に収納された燃料電池11に対し、図示しない燃料ガス供給装置や酸化剤ガス供給装置により、加湿装置16を介して燃料ガス(水素)及び酸化剤ガス(空気)が供給され、燃料電池11内で反応消費後、残ったガスが排出される。また、燃料電池11は、クーラントポンプ17により圧送されるクーラントにより冷却され、図示されないラジエータ等の熱交換器により排熱される。発電された電力は、負荷装置18により取り出されて利用される。
FIG. 3 is a diagram showing a schematic configuration of the fuel cell system of the present embodiment. Fuel gas (hydrogen) and oxidant gas (air) are supplied to the
スタックケース12には、換気入口19及び換気出口14が設けられており、換気入口19側に設置された換気装置13によりスタックケース12内部に空気が圧送され、換気出口14からスタックケース12の外部に排出される。この換気出口14の近傍には、上述したように、この排出空気の湿度を検出するための湿度センサ15が設置されている。そして、コントローラ(膜乾燥状態推定手段)20がこの湿度センサ15の検出値を読み込んで、その検出結果に基づいて高分子膜1の乾燥状態を推定し、それに応じて本実施形態の燃料電池システムにおける各アクチュエータに運転指令を出力することで、燃料電池1の運転状態が高分子膜11の乾燥状態に応じた最適な状態となるように制御している。
The
図4は、燃料電池1の起動時におけるスタックケース12の換気出口12近傍における空気湿度の変化の例を示した図である。図中の上側に湿度の時間変化を、下側に燃料電池11からの出力の取出し量を示している。
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a change in air humidity in the vicinity of the
通常、大きく間隔を開けずに燃料電池11の運転を再開する場合には、燃料電池11の運転を停止させた後に換気装置13も停止してから、燃料電池11の運転中に蒸発した水蒸気により、スタッケース12内の温度が下がるにつれてスタックケース12内の湿度は高くなる。その一方で、湿度センサ15の設置されている換気出口14では、ほぼ外気と同等の湿度となる。そして、次の始動時に、燃料電池11起動前(燃料ガスや酸化剤ガスの供給前で且つクーラントも停止している状態)に換気装置13のみを作動させると、スタックケース12内の高い湿度の空気が換気出口14から外部に排出され、その後、換気入口19から導入された外気に近づくため、換気出口14の近傍の湿度は、図に示すように山を描くように変化することになる。その後、燃料電池11の運転が開始されると、再度水蒸気の蒸発により湿度が増し、換気流量と外気の湿度とのバランスで平衡に達する。
Usually, when the operation of the
しかしながら、前回の運転が高分子膜1の乾燥を促進させるような運転条件で運転されていたり、長期に運転がされていなかった場合には、換気装置13の始動時の湿度の変化の山が通常より低いか、同等でも、発電を開始してからの湿度が上がらず、換気開始時とほとんど差がないという状態になる。
However, if the previous operation is operated under an operating condition that promotes drying of the
そこで、本実施形態の燃料電池システムでは、以上のようなスタックケース12の換気出口14近傍における湿度の変化を利用して、燃料電池11の高分子膜1の乾燥状態を推定し、その推定結果に応じて後の運転条件を最適化させるようにしている。これにより、例えば、長期放置した後の運転再開時等、高分子膜1が乾燥しきってしまって運転に耐えない状態であったとしても、その状態を運転開始前に判断できるので、交換等の対応を速やかに可能となる。あるいは、運転は可能でも出力低下が生じるような場合、原因が高分子膜1の乾燥であることがわかるので、出力低下の原因追及のような作業を必要とせず、多少の出力制限後、高分子膜1が十分に湿潤すれば、通常の運転に復帰可能となる。
Therefore, in the fuel cell system of this embodiment, the dry state of the
また、本実施形態の燃料電池システムでは、スタックケース12の換気出口14近傍に設置した湿度センサ15の検出結果に基づいて燃料電池11の高分子膜1の乾燥状態を推定するようにしているので、以下のような効果も得られる。すなわち、高分子膜1の乾燥状態を把握するためだけであれば、燃料電池11の酸化剤極出口の酸化剤ガス(空気)の湿度を直接モニタリングすることが確実であり、そのような手法も考えられるが、常に高温、高湿のオフガスに曝される状態はセンサにとって非常に厳しい環境であり、また、センサ部での結露防止や取り付け配管部の保温等の対策も必要で、設置の自由度が低いという問題点がある。これに対して、本実施形態の燃料電池システムでは、スタックケース12の換気出口14近傍といった環境条件として緩やかな部位に、設置自由度も高い状態で湿度センサ15を取り付けるだけで燃料電池1の高分子膜1の乾燥状態を推定できるので、コスト低減、システム全体の小型化に貢献できる。
Further, in the fuel cell system of this embodiment, the dry state of the
図5は、本実施形態の燃料電池システムにおける制御フローを示す図である。本実施形態の燃料電池システムでは、システムが起動すると、先ず、湿度センサ15を起動して、スタックケース12の換気出口14における空気の湿度のモニタを開始する(ステップS1)。このとき、モニタ開始時の湿度をH_iniとして記憶しておく。
FIG. 5 is a diagram showing a control flow in the fuel cell system of the present embodiment. In the fuel cell system of the present embodiment, when the system is activated, first, the
次に、換気装置13を作動させて、スタックケース12内の換気を開始する(ステップS2)。そして、スタックケース12の換気出口14における湿度の時間変化、特に、最初に湿度が上昇してピークに達するまでの間の傾きを演算し、傾きが正であるか否かを確認する(ステップS3)。ここで、傾きが負であればスタックケース12内が外気よりも乾燥しているということであるので、燃料電池11の高分子膜1が極めて激しい乾燥状態にあって運転には耐えない状態であると判断して(ステップS4)、運転を停止させる(ステップS5)。
Next, the
一方、ステップS3での確認の結果、湿度の時間変化の傾きが正である場合には、次に、その傾きが第1の基準値DH_L1以下であるかどうかを確認する(ステップS6)。ここで、傾きが第1の基準値DH_L1以下の場合には、燃料電池11の高分子膜1がかなり乾燥してはいるが、特定の制限下では運転可能と判断して(ステップS7)、燃料電池11の取出し可能な出力を所定値以下に制限するとともに、加湿装置16に高加湿状態でガスを供給するよう指令する(ステップS8)。
On the other hand, as a result of the confirmation in step S3, if the slope of the humidity change over time is positive, it is next confirmed whether or not the slope is equal to or less than the first reference value DH_L1 (step S6). Here, when the inclination is equal to or smaller than the first reference value DH_L1, it is determined that the
そして、以上のような出力制限及び高加湿運転指令を行った後、燃料電池11のセル電圧をモニタリングして予めコントローラ20内に記憶されている通常状態における電圧レベルと比較し、セル電圧のレベルが通常状態の電圧レベルに復帰したかどうかを判断する(ステップS9)。そして、燃料電池11のセル電圧のレベルが通常状態の電圧レベルに復帰した段階で、通常運転に移行する(ステップS10)。
Then, after performing the output limitation and the high humidification operation command as described above, the cell voltage of the
一方、ステップS6での確認の結果、湿度の時間変化の傾きが第1の基準値DH_L1を超えている場合には、次に、その傾きが第2の基準値DH_L2(DH_L2>DH_L1)以下であるかどうかを確認する(ステップS11)。ここで、傾きが第2の基準値DH_L2以下、すなわち第1の基準値DH_L1と第2の基準値DH_L2の間の傾きである場合には、燃料電池11の高分子膜1が緩やかな乾燥状態であり、多少の出力制限で運転可能と判断して(ステップS12)、燃料電池11の取出し可能な出力に若干の制限を加える(ステップS13)。なお、ここでの出力制限はステップS8での出力制限よりも緩い制限であり、燃料電池11の取出し可能電力としてはステップS8よりも大きな値を負荷装置18に指令する。
On the other hand, as a result of the confirmation in step S6, if the slope of the humidity change over time exceeds the first reference value DH_L1, then the slope is equal to or less than the second reference value DH_L2 (DH_L2> DH_L1). It is confirmed whether or not there is (step S11). Here, when the inclination is equal to or less than the second reference value DH_L2, that is, between the first reference value DH_L1 and the second reference value DH_L2, the
そして、以上のような出力制限を行った後、燃料電池11のセル電圧をモニタリングして予めコントローラ20内に記憶されている通常状態における電圧レベルと比較し、セル電圧のレベルが通常状態の電圧レベルに復帰したかどうかを判断する(ステップS14)。そして、燃料電池11のセル電圧のレベルが通常状態の電圧レベルに復帰した段階で、通常運転に移行する(ステップS10)。
Then, after performing the output restriction as described above, the cell voltage of the
一方、ステップS11での確認の結果、湿度の時間変化の傾きが第2の基準値DH_L2を超えている場合には、次に、燃料電池11の運転を開始させた後の湿度センサ15の検出値とモニタ開始時に記憶した初期値H_iniとの差を演算し、その差が所定の基準値HD以下であるかどうかを確認する(ステップS15)。そして、その差が基準値HD以下の場合には、湿度センサ15の検出値の時間変化の傾きが第2の基準値DH_L2以下であった場合と同様に、燃料電池11の高分子膜1が緩やかな乾燥状態にあると判断して(ステップS12)、燃料電池11の取出し可能な出力に若干の制限を加え(ステップS13)、燃料電池11のセル電圧のレベルが通常状態の電圧レベルに復帰した段階で、通常運転に移行する(ステップS10)。
On the other hand, as a result of the confirmation in step S11, if the slope of the change in humidity over time exceeds the second reference value DH_L2, then the detection of the
一方、ステップS15での確認の結果、燃料電池11の運転を開始させた後の湿度センサ15の検出値とモニタ開始時に記憶した初期値H_iniとの差が所定の基準値HDを超えている場合には、燃料電池11の高分子膜1が通常の湿潤状態にあると判断して(ステップS16)、通常運転に移行する(ステップS10)。
On the other hand, if the result of the confirmation in step S15 is that the difference between the detected value of the
以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムでは、一般的に種々の要求(例えば燃料電池11自体の保護、感電−短絡防止、ブラケット取り付け、周辺機器の収容容器等)からほとんどの場合に使用されるスタックケース12の換気出口14に湿度検出手段(湿度センサ15)を設置して、その検出結果に基づいて燃料電池11の高分子膜1の乾燥状態を推定するといった極めて簡便な方式により、高分子膜1の乾燥状態を的確に判定することができる。また、例えば燃料電池11の酸化剤極出口の酸化剤ガスの湿度を直接モニタする場合に比較し、湿度センサ15に対する環境条件が緩く、設置の自由度があるため、低コスト且つ小型化が可能である。
As described above, in the fuel cell system according to the present embodiment, in general, in most cases due to various requirements (for example, protection of the
さらに、本実施形態の燃料電池システムにおいては、燃料電池11の運転開始前に換気装置13を作動させて湿度センサ15の検出値をモニタリングすることで、燃料電池11の運転前に事前に高分子膜1の乾燥状態を判定でき、それに応じて燃料電池11の運転状態を最適化することができる。また、燃料電池11の運転開始後にその他の要因で出力低下が発生した場合には、その原因の特定をより迅速に行うことが可能となる。
Furthermore, in the fuel cell system of the present embodiment, the
(第2の実施形態)
次に、本発明を適用した第2の実施形態の燃料電池システムについて、図6を参照して説明する。図6は、本実施形態の燃料電池システムの概略構成を示す図である。本実施形態の燃料電池システムは、基本構成を図3に示した第1の実施形態の燃料電池システムと同様とし、第1の実施形態の燃料電池システムの構成に、外気温を検出する温度検出手段である温度センサ21が追加されたものである。この温度センサ21は、例えば、湿度センサ15と同様に、スタックケース12の排気出口14近傍に設置される。
(Second Embodiment)
Next, a fuel cell system according to a second embodiment to which the present invention is applied will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a diagram showing a schematic configuration of the fuel cell system of the present embodiment. The fuel cell system of the present embodiment has the same basic configuration as that of the fuel cell system of the first embodiment shown in FIG. 3, and the temperature detection for detecting the outside air temperature in the configuration of the fuel cell system of the first embodiment. A
ここで、本実施形態の燃料電池システムにおける制御の流れを簡単に説明する。本実施形態の燃料電池システムにおいても、基本的な制御の概要は上述した第1の実施形態と同様であり、図5に示した制御フローに従って制御が行われるが、特に、本実施形態の燃料電池システムにおいては、ステップS1において湿度センサ15による湿度のモニタ開始と同時に温度センサ21による外気温のモニタも開始させ、湿度の初期値H_iniとともに温度の初期値T_iniも記憶しておく。
Here, a flow of control in the fuel cell system of the present embodiment will be briefly described. Also in the fuel cell system of this embodiment, the outline of basic control is the same as that of the first embodiment described above, and control is performed according to the control flow shown in FIG. In the battery system, the monitoring of the outside air temperature by the
そして、ステップS6において湿度の時間変化の傾きを判定する際に、予めコントローラ20に記憶された温度テーブルを参照して、第1の基準値DH_L1に対して、初期温度T_iniに応じた係数をかけて補正する。例えば、外気温が高い場合には湿度変化幅が小さくなるので、第1の基準値DH_L1に1より小さい係数をかけて補正し、外気温が低い場合には湿度変化幅が大きくなるので、第1の基準値DH_L1に1より大きい係数をかけて補正する。また、ステップS11でも同様に、第2の基準値DH_L2に対して初期温度T_iniに応じた係数をかけて補正を行う。さらに、ステップS15においても、同様にして所定の基準値HDに対して初期温度T_iniに応じた係数をかけて補正を行う。そして、補正後の各基準値を用いて燃料電池11の高分子膜1の乾燥状態を判定する。
Then, when determining the slope of the time change of humidity in step S6, a coefficient corresponding to the initial temperature T_ini is applied to the first reference value DH_L1 with reference to the temperature table stored in advance in the
以上のように、本実施形態の燃料電池システムでは、スタックケース12の排気出口14から排出される空気の湿度変化だけでなく、外気温の状態(温度環境)も考慮に入れて燃料電池11の高分子膜1の乾燥状態を推定するようにしているので、高分子膜1の乾燥状態をより精度良く判定することが可能となる。
As described above, in the fuel cell system of the present embodiment, not only the humidity change of the air discharged from the
(第3の実施形態)
次に、本発明を適用した第3の実施形態の燃料電池システムについて、図7を参照して説明する。図7は、本実施形態の燃料電池システムの概略構成を示す図である。本実施形態の燃料電池システムは、基本構成を図6に示した第2の実施形態の燃料電池システムと同様とし、第2の実施形態の燃料電池システムの構成に報知手段としての運転状態伝達装置22が追加されたものである。このような本実施形態の燃料電池システムでは、発電を行う燃料電池11が例えば車両の駆動動力源として用いられ、運転状態伝達装置22は、燃料電池11の高分子膜1の乾燥状態についての情報や、高分子膜1が乾燥している場合の燃料電池11の運転制限についての情報などを、例えば画像や文字、音声、警告音等によって車両の運転者に報知する目的で使用される。勿論、上述したコントローラ20が同様の報知機能を内蔵している場合には、個別の構成として運転状態伝達装置22を別途設ける必要はない。
(Third embodiment)
Next, a fuel cell system according to a third embodiment to which the present invention is applied will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a diagram showing a schematic configuration of the fuel cell system of the present embodiment. The basic configuration of the fuel cell system of the present embodiment is the same as that of the fuel cell system of the second embodiment shown in FIG. 6, and the operating state transmission device as a notification means is added to the configuration of the fuel cell system of the second embodiment. 22 is added. In such a fuel cell system of the present embodiment, the
ここで、本実施形態の燃料電池システムにおける制御の流れを簡単に説明する。本実施形態の燃料電池システムにおいても、基本的な制御の概要は上述した第1及び第2の実施形態と同様であり、図5に示した制御フローに従って制御が行われるが、特に、本実施形態の燃料電池システムにおいては、ステップS4やステップS7、ステップS12において燃料電池11の高分子膜1が乾燥状態にあると判定したときに、運転状態伝達装置22に指令を送ってその状態を車両の運転者に知らせる。また、高分子膜1の乾燥状態に応じて、例えばステップS5で運転を停止させたときやステップS8で出力制限及び高加湿運転を行うとき、ステップS13で出力制限を行うときなどに、運転状態伝達装置22に指令を送ってその情報を車両の運転者に知らせるようにしてもよい。さらに、出力制限を行った後に通常運転に復帰する場合にも、運転状態伝達装置22に指令を送ってその情報を車両の運転者に知らせるようにしてもよい。
Here, a flow of control in the fuel cell system of the present embodiment will be briefly described. Also in the fuel cell system of this embodiment, the outline of basic control is the same as that of the first and second embodiments described above, and control is performed according to the control flow shown in FIG. In the fuel cell system according to the embodiment, when it is determined in step S4, step S7, or step S12 that the
以上のように、本実施形態の燃料電池システムでは、運転状態伝達装置22を用いて、燃料電池11の高分子膜1の乾燥状態についての情報や高分子膜1が乾燥している場合の燃料電池11の運転制限についての情報などを、当該燃料電池システムが搭載された車両の運転者に知らせるようにしているので、車両の運転者は予め出力の低下具合を予測することができ、また、運転者が出力低下の原因究明等で対応に時間を取られるといった不都合も解消できる。
As described above, in the fuel cell system according to the present embodiment, the information on the dry state of the
なお、上述した第2、第3の実施形態の燃料電池システムにおいては、湿度とともに温度の値もモニタリングしているが、図5のフローチャートにおけるステップS2で換気装置13を始動した際に、湿度と温度の変化が非常に小さい、或いは全くないという場合には、換気装置13自体に故障が生じて作動していないか、配管が詰まる等して空気の流れが妨げられている可能性が高い。したがって、換気装置13の作動時に湿度センサ15の検出値の変化幅と温度センサ21の検出値の変化幅とが所定範囲内であるか否かを判定することによって、換気装置13の故障や配管の詰まり等が生じているかどうかを判断することができ、換気装置13自体に故障診断のためのセンサや制御ロジックを組まなくとも、高分子膜1の乾燥状態を推定するためのセンサで診断を兼ねることができる。このような手法で換気装置13の故障診断を行うことにより、部品数を削減しながら簡素且つ適正な故障診断が可能となる。
In the fuel cell systems of the second and third embodiments described above, the temperature value is monitored together with the humidity. However, when the
また、上述した各実施形態の燃料電池システムでは、スタックケース12の排気出口14近傍に湿度センサ15(及び温度センサ21)を設置して換気装置13を始動した際の湿度(及び温度)を検出するようにしているので、これらの検出値をもとにスタックケース12内が飽和状態で結露が生じる状態にあるか否かを判断することも可能である。そこで、このような湿度センサ15(及び温度センサ21)の検出値からスタックケース12内が結露する状態にあると判定した場合には、速やかにスタックケース12内の水蒸気を排出させるよう、換気装置13の空気流量を増加させるよう指令することが望ましい。これにより、凝縮した液水がスタックケース12内に溜まり、汚れることで、燃料電池11を構成する単セルを短絡させたり、燃料電池11からスタックケース12へ漏電させてしまうという不具合を未然に防止することが可能となる。
In the fuel cell system of each embodiment described above, the humidity (and temperature) when the humidity sensor 15 (and the temperature sensor 21) is installed near the
1 高分子膜
11 燃料電池
12 スタックケース
13 換気装置
14 換気出口
15 湿度センサ
20 コントローラ
21 温度センサ
22 運転状態伝達装置
DESCRIPTION OF
Claims (12)
前記燃料電池を収納するケースと、
前記ケース内の気体を前記ケースの換気出口から外部に排出する換気手段と、
前記ケースの換気出口近傍に設置された湿度検出手段と、
前記換気手段の作動時に、前記湿度検出手段の検出結果に基づいて前記高分子膜の乾燥状態を推定する膜乾燥状態推定手段とを備えることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell having a polymer membrane as an electrolyte membrane;
A case for storing the fuel cell;
A ventilation means for discharging the gas in the case to the outside from the ventilation outlet of the case;
Humidity detecting means installed near the ventilation outlet of the case;
A fuel cell system comprising: a membrane dry state estimating unit that estimates a dry state of the polymer membrane based on a detection result of the humidity detecting unit when the ventilation unit is operated.
前記燃料電池セルにおいて、前記高分子膜の外周部端面が外部に露出していることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 An electrode is formed on the surface of the polymer membrane to form a membrane electrode assembly, and the membrane electrode assembly is sandwiched between electrode plates to constitute a fuel cell.
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein in the fuel cell, an outer peripheral end face of the polymer film is exposed to the outside.
前記膜乾燥状態推定手段は、前記温度検出手段の検出結果に応じて、前記高分子膜の乾燥状態の推定結果を補正することを特徴とする請求項1乃至5の何れかに記載の燃料電池システム。 A temperature detecting means for detecting the outside air temperature;
The fuel cell according to any one of claims 1 to 5, wherein the membrane dry state estimation unit corrects the estimation result of the dry state of the polymer membrane according to the detection result of the temperature detection unit. system.
前記膜乾燥状態推定手段の推定結果の情報を前記車両の運転者に報知する報知手段をさらに備えることを特徴とする請求項1乃至10の何れかに記載の燃料電池システム。 The fuel cell is a fuel cell used as a driving power source for a vehicle,
11. The fuel cell system according to claim 1, further comprising notification means for notifying a driver of the vehicle of information on an estimation result of the film dry state estimation means.
前記ケースの換気出口近傍に湿度検出手段を設置し、当該湿度検出手段の検出結果に基づいて前記高分子膜の乾燥状態を推定することを特徴とする燃料電池の膜乾燥状態推定方法。 A method of estimating a membrane dry state of a fuel cell that is provided with a polymer membrane as an electrolyte membrane and is housed inside a case that is ventilated by a ventilation means,
A method for estimating a membrane dry state of a fuel cell, comprising: installing a humidity detection means near a ventilation outlet of the case, and estimating a dry state of the polymer membrane based on a detection result of the humidity detection means.
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---|---|---|---|---|
JP2007194082A (en) * | 2006-01-19 | 2007-08-02 | Sony Corp | Electronic equipment, electronic equipment control method, and program |
JP2009129749A (en) * | 2007-11-26 | 2009-06-11 | Honda Motor Co Ltd | Control device of fuel cell system |
JP2010251096A (en) * | 2009-04-15 | 2010-11-04 | Toyota Motor Corp | Fuel cell system and control method of the same |
JP2013247051A (en) * | 2012-05-29 | 2013-12-09 | Honda Motor Co Ltd | Ventilation method of fuel cell system |
JP2021068527A (en) * | 2019-10-18 | 2021-04-30 | ダイニチ工業株式会社 | Fuel cell device |
-
2004
- 2004-09-27 JP JP2004280152A patent/JP2006093028A/en active Pending
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007194082A (en) * | 2006-01-19 | 2007-08-02 | Sony Corp | Electronic equipment, electronic equipment control method, and program |
JP2009129749A (en) * | 2007-11-26 | 2009-06-11 | Honda Motor Co Ltd | Control device of fuel cell system |
JP2010251096A (en) * | 2009-04-15 | 2010-11-04 | Toyota Motor Corp | Fuel cell system and control method of the same |
JP2013247051A (en) * | 2012-05-29 | 2013-12-09 | Honda Motor Co Ltd | Ventilation method of fuel cell system |
JP2021068527A (en) * | 2019-10-18 | 2021-04-30 | ダイニチ工業株式会社 | Fuel cell device |
JP7383449B2 (en) | 2019-10-18 | 2023-11-20 | ダイニチ工業株式会社 | fuel cell device |
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