JP2006318784A - Fuel battery control using current density distribution measuring instrument - Google Patents

Fuel battery control using current density distribution measuring instrument Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a technology for achieving an optimum control for a fuel battery system provided with a current density distribution measuring instrument. <P>SOLUTION: A control device for a fuel battery system is provided. On the control device, the fuel battery system is composed of a fuel battery stack formed by laminating a plurality of fuel battery cells, provided with at least one current density sensor arranged between the laminated fuel battery cells, measuring current density distribution on a face vertical to a lamination direction. The control device observes an internal state of the fuel battery stack depending on measured current density distribution, and makes an output current density distribution of the fuel battery stack uniform by operating fluid supplied to the fuel battery stack in correspondence with the observed internal state. The operation of the fluid includes at least one operation out of the operation of a fuel gas flow amount, an oxidant gas flow amount, a cooling media flow amount, and an oxidant gas humidification amount. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池の電流密度分布を計測する技術に関する。   The present invention relates to a technique for measuring a current density distribution of a fuel cell.

従来から、燃料電池の流路設計評価や故障検知、品質保証といった種々の目的のためにその電極における電流密度分布の計測を行う方法が提案されている。たとえば特許文献１には、複数の電極をカーボンターミナルを介してセパレータに導通させるとともに、各電極に流れる電流を計測することによってセパレータの電流密度分布を計測する方法が開示されている。さらに、計測された電流密度分布を用いて、異常を検知する技術（特許文献２）や過度に部分的な反応状態を抑制する技術（特許文献３）も提案されている。   Conventionally, a method for measuring a current density distribution in an electrode has been proposed for various purposes such as flow path design evaluation, failure detection, and quality assurance of a fuel cell. For example, Patent Document 1 discloses a method of measuring a current density distribution of a separator by conducting a plurality of electrodes to a separator via a carbon terminal and measuring a current flowing through each electrode. Furthermore, a technique (Patent Document 2) for detecting an abnormality using the measured current density distribution and a technique for suppressing an excessively partial reaction state (Patent Document 3) have been proposed.

特開２００４−１５２５０１号公報JP 2004-152501 A 特開２００４−９５３０１号公報JP 2004-95301 A 特開平９−２５９９１３号公報JP-A-9-259913

しかし、従来は、燃料電池スタックを構成する各燃料電池セルの個体差や経年変化を吸収して、各燃料電池セルにおける電気化学反応制御を最適化することは検討されていなかった。   However, conventionally, it has not been studied to optimize the electrochemical reaction control in each fuel cell by absorbing individual differences and aging of each fuel cell constituting the fuel cell stack.

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、電流密度分布を計測する計測装置を備えた燃料電池システムにおいて、最適な制御を実現する技術を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a technique for realizing optimal control in a fuel cell system including a measuring device that measures a current density distribution.

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するために、燃料電池システムの制御装置を提供する。本発明の制御装置において、
前記燃料電池システムは、複数の燃料電池セルが積層されるとともに、前記積層された燃料電池セルの間に前記積層方向に垂直な面における電流密度分布を計測する少なくとも１つの電流密度センサを有する燃料電池スタックを備え、
前記制御装置は、前記計測された電流密度分布に基づいて前記燃料電池スタックの内部状態を観測するとともに、前記観測された内部状態に応じて前記燃料電池スタックに供給される流体を操作して前記燃料電池スタックにおける出力電流分布を均一化するように制御し、
前記流体の操作は、燃料ガスの流量と酸化剤ガスの流量と冷却媒体の流量と前記酸化剤ガスの加湿量のうちの少なくとも１つの操作を含むことを特徴とする。 The present invention provides a control device for a fuel cell system in order to solve at least a part of the problems described above. In the control device of the present invention,
The fuel cell system includes a plurality of fuel cells stacked, and a fuel having at least one current density sensor that measures a current density distribution in a plane perpendicular to the stacking direction between the stacked fuel cells. With a battery stack,
The control device observes an internal state of the fuel cell stack based on the measured current density distribution, and operates a fluid supplied to the fuel cell stack according to the observed internal state. Control the output current distribution in the fuel cell stack to be uniform,
The operation of the fluid includes an operation of at least one of a flow rate of a fuel gas, a flow rate of an oxidant gas, a flow rate of a cooling medium, and a humidification amount of the oxidant gas.

本発明の制御装置では、計測された電流密度分布に基づいて燃料電池スタックの内部状態を観測するとともに、観測された内部状態に応じて前記燃料電池スタックに供給される流体を操作して前記燃料電池スタックにおける出力電流分布が均一化されるので、燃料電池スタックを構成する各燃料電池セルの個体差や経年変化を吸収して、各燃料電池セルにおける電気化学反応制御の最適化を図ることができる。   In the control device of the present invention, the internal state of the fuel cell stack is observed based on the measured current density distribution, and the fluid supplied to the fuel cell stack is operated according to the observed internal state to operate the fuel. Since the output current distribution in the battery stack is made uniform, individual differences and aging of each fuel cell constituting the fuel cell stack can be absorbed to optimize the electrochemical reaction control in each fuel cell. it can.

上記制御装置において、
前記燃料電池スタックは、固体高分子型燃料電池であり、
前記制御装置は、比較的に上流側に近い部位における電流密度分布の低下に応じてドライアウトを検出するとともに、比較的に下流側に近い部位における電流密度分布の低下に応じてフラッディングを検出し、前記ドライアウトの検出に応じてドライアウト軽減処理を実行し、前記フラッディングの検出に応じてフラッディング軽減処理を実行し、
前記ドライアウト軽減処理は、前記酸化剤ガスの加湿量と前記冷却媒体の流量のうちの少なくとも一方を増大させて、前記ドライアウトを軽減させる処理であり、
前記フラッディング軽減処理は、前記酸化剤ガスの流量の増大と前記酸化剤ガスの加湿量の低減の少なくとも一方を実行して、前記フラッディングを軽減させる処理であるようにしても良い。なお、ドライアウトやフラッディングの検出は、燃料電池スタックから排出されるガスの湿度を計測することによって、より精密に検出するようにしても良い。 In the above control device,
The fuel cell stack is a polymer electrolyte fuel cell,
The control device detects dryout in response to a decrease in current density distribution in a region relatively close to the upstream side, and detects flooding in response to decrease in current density distribution in a region relatively close to the downstream side. , Executing dryout reduction processing according to the detection of the dryout, executing flooding reduction processing according to the detection of the flooding,
The dryout reduction process is a process for reducing the dryout by increasing at least one of a humidification amount of the oxidant gas and a flow rate of the cooling medium,
The flooding reduction process may be a process of reducing the flooding by executing at least one of an increase in the flow rate of the oxidant gas and a reduction in the humidification amount of the oxidant gas. Note that dryout and flooding may be detected more precisely by measuring the humidity of the gas discharged from the fuel cell stack.

なお、本発明は、燃料電池制御方法や、燃料電池スタックの状態観測装置あるいは方法、燃料電池制御のためのコンピュータプログラム、このプログラムを格納する記録媒体、あるいは、この燃料電池システムを搭載した車両などの装置その他の種々の態様で実現することができる。   The present invention relates to a fuel cell control method, a fuel cell stack state observation device or method, a computer program for fuel cell control, a recording medium storing this program, a vehicle equipped with this fuel cell system, etc. The present invention can be realized in various other modes.

以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき以下の順序で説明する。
Ａ．本発明の実施例における燃料電池システムの構成：
Ｂ．変形例： Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in the following order based on examples.
A. Configuration of a fuel cell system in an embodiment of the present invention:
B. Variations:

Ａ．本発明の実施例における燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の実施例における燃料電池システム１００の構成を示すブロック図である。燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０に酸化ガスとしての空気を供給する空気供給系統３０と、燃料電池スタック１０に燃料ガスとしての水素ガスを循環させる水素ガス循環系統２０と、水素ガス循環系統２０に水素ガスを供給する水素ガス供給系統４０と、制御部５０とを備えている。制御部５０は、空気供給系統３０、水素ガス供給系統４０、および水素ガス循環系統２０を制御する。 A. Configuration of a fuel cell system in an embodiment of the present invention:
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a fuel cell system 100 according to an embodiment of the present invention. The fuel cell system 100 includes a fuel cell stack 10, an air supply system 30 that supplies air as an oxidizing gas to the fuel cell stack 10, and a hydrogen gas circulation system 20 that circulates hydrogen gas as fuel gas through the fuel cell stack 10. And a hydrogen gas supply system 40 that supplies hydrogen gas to the hydrogen gas circulation system 20 and a control unit 50. The control unit 50 controls the air supply system 30, the hydrogen gas supply system 40, and the hydrogen gas circulation system 20.

燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池セル２００と後述する複数の電流分布測定センサとを複数積層したスタック構造を有する燃料電池である。燃料電池セル２００の各々は、燃料電池内空気流路３５と燃料電池内水素流路２５とを内部に備える。   The fuel cell stack 10 is a fuel cell having a stack structure in which a plurality of fuel cells 200 and a plurality of current distribution measuring sensors described later are stacked. Each of the fuel cells 200 includes a fuel cell air passage 35 and a fuel cell hydrogen passage 25 therein.

空気供給系統３０は、燃料電池内空気流路３５に加湿された空気を供給するための系統である。空気供給系統３０は、外気を吸入するブロワ３１と、吸入された空気を加湿する加湿器３９と、この加湿された空気を燃料電池内空気流路３５に供給する加湿空気供給配管３４と、燃料電池内空気流路３５から排気するための排気管３６とを備える。   The air supply system 30 is a system for supplying humidified air to the fuel cell air flow path 35. The air supply system 30 includes a blower 31 that sucks outside air, a humidifier 39 that humidifies the sucked air, a humidified air supply pipe 34 that supplies the humidified air to the air flow path 35 in the fuel cell, a fuel And an exhaust pipe 36 for exhausting from the air flow path 35 in the battery.

水素ガス循環系統２０は、水素ガス循環系統２０の内部に水素ガスを循環させるための循環ポンプ２８と、循環ポンプ２８から吐出された水素ガスを燃料電池内水素流路２５に供給する水素ガス供給配管２４と、燃料電池内水素流路２５から水を含んだ水素ガスを気液分離部２９に供給する排ガス配管２６と、水と水素ガスを分離して循環ポンプ２８に水素ガスを供給する気液分離部２９とを備える。水素ガス供給系統４０は、水素ガスを貯蔵する水素タンク４２と、水素ガス循環系統２０への水素ガスの供給を制御する水素バルブ４１とを備える。   The hydrogen gas circulation system 20 includes a circulation pump 28 for circulating the hydrogen gas inside the hydrogen gas circulation system 20, and a hydrogen gas supply that supplies the hydrogen gas discharged from the circulation pump 28 to the hydrogen flow path 25 in the fuel cell. A pipe 24, an exhaust gas pipe 26 for supplying hydrogen gas containing water from the hydrogen flow path 25 in the fuel cell to the gas-liquid separator 29, and a gas for separating the water and hydrogen gas and supplying the hydrogen gas to the circulation pump 28. A liquid separation unit 29. The hydrogen gas supply system 40 includes a hydrogen tank 42 that stores hydrogen gas, and a hydrogen valve 41 that controls the supply of hydrogen gas to the hydrogen gas circulation system 20.

図２は、本発明の実施例における燃料電池スタック１０の構成を示す説明図である。燃料電池スタック１０は、固体高分子電解質型の燃料電池である。燃料電池スタック１０は、５枚の燃料電池セル２００を有するサブスタック１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄと、各サブスタック１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの両端に配置された５枚の電流分布測定センサ１２５ａ、１２５ｂ、１２５ｃ、１２５ｄ、１２５ｅとを備えている。５枚の電流分布測定センサ１２５ａ、１２５ｂ、１２５ｃは、各サブスタック１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの境界面における出力電流分布を計測することができる。   FIG. 2 is an explanatory diagram showing the configuration of the fuel cell stack 10 in the embodiment of the present invention. The fuel cell stack 10 is a solid polymer electrolyte fuel cell. The fuel cell stack 10 includes sub-stacks 10a, 10b, 10c, and 10d each having five fuel cells 200, and five current distribution measurement sensors 125a that are disposed at both ends of each sub-stack 10a, 10b, 10c, and 10d. , 125b, 125c, 125d, and 125e. The five current distribution measurement sensors 125a, 125b, and 125c can measure the output current distribution at the boundary surfaces of the sub-stacks 10a, 10b, 10c, and 10d.

各サブスタック１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄは、空気流量、加湿量、および水素ガス流量を独立して制御できるように構成されている。すなわち、空気供給系統３０やや水素ガス循環系統２０は、空気流量、加湿量、および水素ガス流量を各サブスタック１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ毎に独立して制御できるように構成されている。   Each of the sub stacks 10a, 10b, 10c, and 10d is configured so that the air flow rate, the humidification amount, and the hydrogen gas flow rate can be controlled independently. That is, the air supply system 30 and the hydrogen gas circulation system 20 are configured so that the air flow rate, the humidification amount, and the hydrogen gas flow rate can be independently controlled for each of the sub-stacks 10a, 10b, 10c, and 10d.

本実施例で行われる制御は、各サブスタック１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの膜抵抗に関する個体差を吸収して、各サブスタック１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの内部において均一な状態で発電できるようにすることを目的の１つとする。膜抵抗に関する個体差とは、フラッディングやドライアウトの発生のし易さを意味している。フラッディングとは、図示しない電解質膜付近での水分が過多となり、ガスの拡散を阻害することで、電池の性能を下げてしまう現象をいう。一方、ドライアウトとは、図示しない電解質膜に供給される水分が不足し、イオン伝導度が下がることで、電池の性能が下がる現象をいう。   The control performed in this embodiment absorbs individual differences regarding the membrane resistance of each of the substacks 10a, 10b, 10c, and 10d so that power can be generated in a uniform state within each of the substacks 10a, 10b, 10c, and 10d. One of the purposes is to The individual difference regarding membrane resistance means the ease of occurrence of flooding and dryout. Flooding refers to a phenomenon in which the amount of moisture in the vicinity of an electrolyte membrane (not shown) is excessive and the performance of the battery is lowered by inhibiting gas diffusion. On the other hand, dryout refers to a phenomenon in which the performance of a battery decreases due to a lack of moisture supplied to an electrolyte membrane (not shown) and a decrease in ionic conductivity.

固体高分子電解質型の燃料電池は、反応ガス流路における膜抵抗を流路全体に渡って均一に小さくすることが困難である。一般に、流路入口ではドライアウトが生じやすく、流路出口では生成水によってフラッディングが発生しやすいという性質に加えて、燃料電池セル２００の個体差も存在するからである。   In a solid polymer electrolyte type fuel cell, it is difficult to uniformly reduce the membrane resistance in the reaction gas channel over the entire channel. This is because, in general, there is an individual difference between the fuel cells 200 in addition to the property that dry out is likely to occur at the channel inlet and flooding is likely to occur due to the generated water at the channel outlet.

図３は、本発明の実施例における燃料電池スタック１０の電流密度分布の計測方法を示す説明図である。図３では、燃料電池スタック１０は、図が煩雑とならないように電流分布測定センサ１２５ｂ以外の電流分布測定センサ１２５ａ、１２５ｃ、１２５ｄ、１２５ｅの図示が省略されている。燃料電池スタック１０は、さらに、電力を出力するためのエンドプレート１０９、１１１と、エンドプレート１０９と燃料電池セル２００との間に配置されたターミナルプレート１０７と、エンドプレート１１１と燃料電池セル２００との間に配置された図示しないターミナルプレートと、を備えている。エンドプレート１０９、１１１は、負荷１１０に接続されている。   FIG. 3 is an explanatory diagram showing a method for measuring the current density distribution of the fuel cell stack 10 in the embodiment of the present invention. In FIG. 3, in the fuel cell stack 10, the current distribution measurement sensors 125a, 125c, 125d, and 125e other than the current distribution measurement sensor 125b are not shown so that the drawing is not complicated. The fuel cell stack 10 further includes end plates 109 and 111 for outputting electric power, a terminal plate 107 disposed between the end plate 109 and the fuel cell 200, an end plate 111 and the fuel cell 200. And a terminal plate (not shown) disposed between the two. The end plates 109 and 111 are connected to the load 110.

燃料電池セル２００は、本実施例では、膜電極接合体２０２と、膜電極接合体２０２を両側から挟むカーボン製の２つのセパレータ２０３、２０４と、を備えている。２つのセパレータ２０３、２０４には、膜電極接合体２０２側に反応ガスが流れるガス流路（図示せず）が形成されている。燃料電池セル２００は、かかる反応ガスの反応によって電力を生成し、２つのセパレータ２０３、２０４を介して外部に出力する。   In this embodiment, the fuel battery cell 200 includes a membrane electrode assembly 202 and two carbon separators 203 and 204 that sandwich the membrane electrode assembly 202 from both sides. The two separators 203 and 204 are formed with gas flow paths (not shown) through which the reaction gas flows on the membrane electrode assembly 202 side. The fuel cell 200 generates electric power by the reaction of the reaction gas and outputs it to the outside through the two separators 203 and 204.

図４は、電流分布測定センサ１２５ｂの拡大図である。電流分布測定センサ１２５ｂは、複数の測定用電極１２０を備えている。測定用電極１２０の各々は、ロッド１２８と、ロッド１２８の両端に接続された２つの集電電極１２４、１２７と、電流センサ１２６と、を備えている。５枚の電流分布測定センサ１２５ａ、１２５ｂ、１２５ｃ、１２５ｄ、１２５ｅは、全て同一の構成を有している。   FIG. 4 is an enlarged view of the current distribution measuring sensor 125b. The current distribution measurement sensor 125 b includes a plurality of measurement electrodes 120. Each of the measurement electrodes 120 includes a rod 128, two current collecting electrodes 124 and 127 connected to both ends of the rod 128, and a current sensor 126. The five current distribution measurement sensors 125a, 125b, 125c, 125d, and 125e all have the same configuration.

電流センサ１２６は、本実施例では、磁場の変化を高感度で計測可能なホール素子を利用したセンサである。電流センサ１２６は、ロッド１２８に流れる電流に応じて変化する磁場に応じた電気信号を出力する。制御部５０は、出力された電気信号に基づいて電流密度分布を計測する。ただし、本実施例では、各燃料電池セル２００の全体における均一な運転の実現の目的のために計測が行われるので、電流密度分布の相対的な値が計測されることになる。   In this embodiment, the current sensor 126 is a sensor using a Hall element that can measure a change in magnetic field with high sensitivity. The current sensor 126 outputs an electrical signal corresponding to a magnetic field that changes according to the current flowing through the rod 128. The controller 50 measures the current density distribution based on the output electrical signal. However, in this embodiment, measurement is performed for the purpose of realizing uniform operation in each fuel cell 200 as a whole, and therefore, a relative value of the current density distribution is measured.

なお、燃料電池の電流密度分布の計測は、上述の方法に限られず、たとえば特開２００４−１５２５０１号公報（特許文献１）や特開２００４−９５３０１号公報（特許文献２）、特開平９−２５９９１３号公報（特許文献３）といった他の技術文献に開示された方法を利用することもできる。   The measurement of the current density distribution of the fuel cell is not limited to the above-described method. For example, JP 2004-152501 A (Patent Document 1), JP 2004-95301 A (Patent Document 2), A method disclosed in other technical documents such as 259913 (Patent Document 3) can also be used.

図５は、本発明の実施例における燃料電池スタック１０の電流密度分布の一例を示す説明図である。図５において、横軸と縦軸は、それぞれ燃料電池スタック１０の積層方向における計測位置と電流密度分布とを示している。白丸と黒丸は、それぞれ酸化剤ガス流路における入口側と出口側の流路近傍における電流密度分布の計測値を正規化してプロットしたものである。   FIG. 5 is an explanatory diagram showing an example of the current density distribution of the fuel cell stack 10 according to the embodiment of the present invention. In FIG. 5, the horizontal axis and the vertical axis indicate the measurement position and current density distribution in the stacking direction of the fuel cell stack 10, respectively. White circles and black circles are obtained by normalizing and plotting measured values of current density distribution in the vicinity of the inlet-side and outlet-side passages in the oxidant gas passage.

この例では、各燃料電池セル２００が最適な状態で制御されている、すなわち、各燃料電池セル２００において、酸化剤ガス入口側流路（図示せず）の近傍と酸化剤ガス出口側流路（図示せず）の近傍とで均一の電流密度分布が計測されている。   In this example, each fuel cell 200 is controlled in an optimal state, that is, in each fuel cell 200, in the vicinity of an oxidant gas inlet side flow path (not shown) and an oxidant gas outlet side flow path. A uniform current density distribution is measured in the vicinity of (not shown).

図６は、燃料電池スタック１０の全ての燃料電池セル２００でドライアウトが発生した状態における電流密度分布の例を示す説明図である。この例では、酸化剤ガス入口側流路の近傍における電流密度分布が低下している。この低下は、酸化剤ガス入口側流路においてドライアウトが発生していることに起因するものである。   FIG. 6 is an explanatory diagram illustrating an example of a current density distribution in a state where dryout has occurred in all the fuel cells 200 of the fuel cell stack 10. In this example, the current density distribution in the vicinity of the oxidant gas inlet side flow path is lowered. This decrease is caused by the occurrence of dryout in the oxidant gas inlet side flow path.

このような場合には、制御部５０（図１）は、たとえば加湿器３９を制御して加湿量を増加することによって、ドライアウトを軽減することができる。   In such a case, the control unit 50 (FIG. 1) can reduce dryout by increasing the amount of humidification by controlling the humidifier 39, for example.

図７は、燃料電池スタック１０の全ての燃料電池セル２００でフラッディングが発生した状態における電流密度分布の例を示す説明図である。この例では、酸化剤ガス出口側流路の近傍における電流密度分布が低下している。この低下は、酸化剤ガス出口側流路において過剰な生成水の発生によるフラッディングが発生していることに起因するものである。   FIG. 7 is an explanatory diagram illustrating an example of a current density distribution in a state where flooding has occurred in all the fuel cells 200 of the fuel cell stack 10. In this example, the current density distribution in the vicinity of the oxidant gas outlet side flow path is lowered. This decrease is due to the occurrence of flooding due to the generation of excess product water in the oxidant gas outlet side flow path.

このような場合には、制御部５０（図１）は、たとえば空気供給系統３０を制御して酸化剤ガスとしての空気供給量増加することによって、過剰な生成水をパージしてフラッディングを軽減することができる。さらに、パージ後においては、加湿器３９を制御して加湿量を低減することによって、フラッディングの発生を抑制することができる。   In such a case, the control unit 50 (FIG. 1) purges excess generated water to reduce flooding by controlling the air supply system 30 and increasing the amount of air supply as an oxidant gas, for example. be able to. Further, after purging, the generation of flooding can be suppressed by controlling the humidifier 39 to reduce the humidification amount.

図８は、燃料電池スタック１０でドライアウトとフラッディングの双方が発生した状態における電流密度分布の例を示す説明図である。この例では、サブスタック１０ａ（図２）でドライアウトが発生するとともに、サブスタック１０ｃでフラッディングが発生している。このように、本実施例では、各サブスタック１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの両端に５枚の電流分布測定センサ１２５ａ、１２５ｂ、１２５ｃ、１２５ｄ、１２５ｅとが備えられているので、各サブスタック１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ毎の内部状態を推定することができる。   FIG. 8 is an explanatory diagram showing an example of a current density distribution in a state where both dryout and flooding occur in the fuel cell stack 10. In this example, dryout occurs in the substack 10a (FIG. 2), and flooding occurs in the substack 10c. As described above, in this embodiment, the five current distribution measuring sensors 125a, 125b, 125c, 125d, and 125e are provided at both ends of each of the substacks 10a, 10b, 10c, and 10d. The internal state for every 10b, 10c, 10d can be estimated.

このような場合には、制御部５０は、サブスタック１０ａに対しては、ドライアウトを抑制するような制御を行うとともに、サブスタック１０ｃに対しては、フラッディングの解消と、再発生の抑制とを実現するような制御を行うことができる。   In such a case, the control unit 50 performs control to suppress dryout for the substack 10a, and eliminates flooding and suppresses reoccurrence for the substack 10c. It is possible to perform control to realize

このように、本発明の実施例では、燃料電池スタック１０の全体について三次元的に電流密度分布を計測することによって、ドライアウトやフラッディングを検出するとともに、これらを解消するための制御系が実現されている。これにより、燃料電池スタック１０を構成する燃料電池セル２００の個体差や経年変化を吸収して、燃料電池セル２００の全体を効率的に運転することができる。   As described above, in the embodiment of the present invention, the current density distribution is measured three-dimensionally for the entire fuel cell stack 10 to detect dryout and flooding and to realize a control system for eliminating these. Has been. Thereby, the individual difference and secular change of the fuel cell 200 which comprises the fuel cell stack 10 are absorbed, and the whole fuel cell 200 can be drive | operated efficiently.

なお、本実施例では、説明を分かりやすくするために固体高分子電解質型燃料電池におけるドライアウトやフラッディングに着目して、燃料電池スタック１０の内部状態の観測や、この観測に基づく燃料電池システム１００の制御の方法が説明されている。しかし、固体高分子電解質型燃料電池に限られず、他のタイプの燃料電池においても部分的な運転状態を監視することによって、燃料電池セル２００の全体を効率的に運転するような制御系を構成することができる。   In this embodiment, in order to make the explanation easy to understand, paying attention to dryout and flooding in the solid polymer electrolyte fuel cell, the internal state of the fuel cell stack 10 is observed, and the fuel cell system 100 based on this observation. The control method is described. However, the present invention is not limited to the solid polymer electrolyte fuel cell, and a control system that efficiently operates the entire fuel cell 200 is configured by monitoring a partial operation state in other types of fuel cells. can do.

Ｂ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形例が可能である。 B. Variations:
As mentioned above, although several embodiment of this invention was described, this invention is not limited to such embodiment at all, and implementation in a various aspect is possible within the range which does not deviate from the summary. It is. For example, the following modifications are possible.

Ｂ−１．上記実施例では、酸化剤ガスの流量と酸化剤ガスの加湿量とが操作されているが、冷却媒体の流量や燃料ガスの流量の流量を操作するように構成しても良い。一般に、本発明における流体の操作は、燃料ガスの流量と酸化剤ガスの流量と冷却媒体の流量と酸化剤ガスの加湿量のうちの少なくとも１つの操作を含めば良い。 B-1. In the above embodiment, the flow rate of the oxidant gas and the humidification amount of the oxidant gas are manipulated, but the flow rate of the coolant and the flow rate of the fuel gas may be manipulated. In general, the operation of the fluid in the present invention may include at least one of the flow rate of the fuel gas, the flow rate of the oxidant gas, the flow rate of the cooling medium, and the humidification amount of the oxidant gas.

冷却媒体の流量操作には、たとえば冷却媒体の流量を少なくして燃料電池スタックの温度を上昇させてフラッディングの発生を抑制させる操作や、冷却媒体の流量を多くして燃料電池スタックの温度を下降させてドライアウトの発生を抑制させる操作が実現可能である。燃料ガスの流量操作には、たとえば燃料ガスの流量を多くして燃料ガス流路の下流における電気化学反応の低下を抑制させる操作や、たとえば燃料ガスの流量を少なくして燃料ガスの利用効率を高める操作が実現可能である。   For the coolant flow rate operation, for example, the coolant flow rate is decreased to increase the temperature of the fuel cell stack to suppress flooding, or the coolant flow rate is increased to decrease the temperature of the fuel cell stack. Thus, an operation for suppressing the occurrence of dryout can be realized. For example, the flow rate of the fuel gas can be increased by increasing the flow rate of the fuel gas to suppress a decrease in the electrochemical reaction downstream of the fuel gas flow path, or by reducing the flow rate of the fuel gas, for example. An increase operation is feasible.

Ｂ−２．上記実施例では、５枚の電流分布測定センサ１２５ａ、１２５ｂ、１２５ｃ、１２５ｄ、１２５ｅを用いて燃料電池スタックの５個所で電流密度分布が計測されているが、電流分布測定センサは１つでも良い。本発明で使用する燃料電池スタックは、複数の燃料電池セルが積層されるとともに、この積層された燃料電池セルの間に積層方向に垂直な面における電流密度分布を計測する少なくとも１つの電流密度センサを有する燃料電池スタックであれば良い。 B-2. In the above embodiment, the current density distribution is measured at five locations of the fuel cell stack using the five current distribution measurement sensors 125a, 125b, 125c, 125d, and 125e. However, only one current distribution measurement sensor may be used. . The fuel cell stack used in the present invention includes at least one current density sensor in which a plurality of fuel cells are stacked and a current density distribution in a plane perpendicular to the stacking direction is measured between the stacked fuel cells. Any fuel cell stack having

Ｂ−３．上記実施例では、流体流路が分割された構成が開示されていないが、たとえば各流体流体の流路を分割して、分割された流体流路毎に最適な制御を行うように構成しても良い。 B-3. In the above embodiment, the configuration in which the fluid flow path is divided is not disclosed, but for example, the flow path of each fluid fluid is divided and optimal control is performed for each divided fluid flow path. Also good.

本発明の実施例における燃料電池システム１００の構成を示すブロック図。The block diagram which shows the structure of the fuel cell system 100 in the Example of this invention. 本発明の実施例における燃料電池スタック１０の構成を示す説明図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Explanatory drawing which shows the structure of the fuel cell stack 10 in the Example of this invention. 本発明の実施例における燃料電池スタック１０の電流密度分布の計測方法を示す説明図。Explanatory drawing which shows the measuring method of the current density distribution of the fuel cell stack 10 in the Example of this invention. 電流分布測定センサ１２５ｂの拡大図。The enlarged view of the current distribution measurement sensor 125b. 本発明の実施例における燃料電池スタック１０の電流密度分布の一例を示す説明図。Explanatory drawing which shows an example of the current density distribution of the fuel cell stack 10 in the Example of this invention. 燃料電池スタック１０の全ての燃料電池セル２００でドライアウトが発生した状態における電流密度分布の例を示す説明図。FIG. 3 is an explanatory diagram showing an example of a current density distribution in a state where dryout has occurred in all the fuel cells 200 of the fuel cell stack 10. 燃料電池スタック１０の全ての燃料電池セル２００でフラッディングが発生した状態における電流密度分布の例を示す説明図。FIG. 3 is an explanatory diagram showing an example of current density distribution in a state where flooding has occurred in all the fuel cells 200 of the fuel cell stack 10. 燃料電池スタック１０でドライアウトとフラッディングの双方が発生した状態における電流密度分布の例を示す説明図。FIG. 3 is an explanatory diagram showing an example of a current density distribution in a state where both dryout and flooding occur in the fuel cell stack 10.

符号の説明Explanation of symbols

１０…燃料電池スタック
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ…サブスタック
２０…水素ガス循環系統
２４…水素ガス供給配管
２５…燃料電池内水素流路
２６…排ガス配管
２８…循環ポンプ
２９…気液分離部
３０…空気供給系統
３１…ブロワ
３４…加湿空気供給配管
３５…燃料電池内空気流路
３６…排気管
３９…加湿器
４０…水素ガス供給系統
４１…水素バルブ
４２…水素タンク
５０…制御部
１００…燃料電池システム
１０７…ターミナルプレート
１０９…エンドプレート
１１０…負荷
１１１…エンドプレート
１２０…測定用電極
１２４…集電電極
１２５ａ、１２５ｂ、１２５ｃ、１２５ｄ、１２５ｅ…電流分布測定センサ
１２６…電流センサ
１２８…ロッド
２００…燃料電池セル
２０２…膜電極接合体
２０３、２０４…セパレータ DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell stack 10a, 10b, 10c, 10d ... Substack 20 ... Hydrogen gas circulation system 24 ... Hydrogen gas supply piping 25 ... Hydrogen flow path in fuel cell 26 ... Exhaust gas piping 28 ... Circulation pump 29 ... Gas-liquid separation part 30 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Air supply system 31 ... Blower 34 ... Humidification air supply piping 35 ... Fuel cell air flow path 36 ... Exhaust pipe 39 ... Humidifier 40 ... Hydrogen gas supply system 41 ... Hydrogen valve 42 ... Hydrogen tank 50 ... Control part 100 ... Fuel Battery system 107 ... Terminal plate 109 ... End plate 110 ... Load 111 ... End plate 120 ... Measurement electrode 124 ... Current collecting electrode 125a, 125b, 125c, 125d, 125e ... Current distribution measuring sensor 126 ... Current sensor 128 ... Rod 200 ... Fuel cell 202 ... Membrane electrode assembly 203, 204 ... Regulator

Claims (5)

燃料電池システムの制御装置であって、
前記燃料電池システムは、複数の燃料電池セルが積層されるとともに、前記積層された燃料電池セルの間に前記積層方向に垂直な面における電流密度分布を計測する少なくとも１つの電流密度センサを有する燃料電池スタックを備え、
前記制御装置は、前記計測された電流密度分布に基づいて前記燃料電池スタックの内部状態を観測するとともに、前記観測された内部状態に応じて前記燃料電池スタックに供給される流体を操作して前記燃料電池スタックにおける出力電流分布を均一化するように制御し、
前記流体の操作は、燃料ガスの流量と酸化剤ガスの流量と冷却媒体の流量と前記酸化剤ガスの加湿量のうちの少なくとも１つの操作を含むことを特徴とする、制御装置。 A control device for a fuel cell system,
The fuel cell system includes a plurality of fuel cells stacked, and a fuel having at least one current density sensor that measures a current density distribution in a plane perpendicular to the stacking direction between the stacked fuel cells. With a battery stack,
The control device observes an internal state of the fuel cell stack based on the measured current density distribution, and operates a fluid supplied to the fuel cell stack according to the observed internal state. Control the output current distribution in the fuel cell stack to be uniform,
The operation of the fluid includes at least one of a flow rate of a fuel gas, a flow rate of an oxidant gas, a flow rate of a cooling medium, and a humidification amount of the oxidant gas. 請求項１記載の制御装置であって、
前記燃料電池スタックは、固体高分子型燃料電池であり、
前記制御装置は、比較的に上流側に近い部位における電流密度分布の低下に応じてドライアウトを検出するとともに、比較的に下流側に近い部位における電流密度分布の低下に応じてフラッディングを検出し、前記ドライアウトの検出に応じてドライアウト軽減処理を実行し、前記フラッディングの検出に応じてフラッディング軽減処理を実行し、
前記ドライアウト軽減処理は、前記酸化剤ガスの加湿量と前記冷却媒体の流量のうちの少なくとも一方を増大させて、前記ドライアウトを軽減させる処理であり、
前記フラッディング軽減処理は、前記酸化剤ガスの流量の増大と前記酸化剤ガスの加湿量の低減の少なくとも一方を実行して、前記フラッディングを軽減させる処理である、制御装置。 The control device according to claim 1,
The fuel cell stack is a polymer electrolyte fuel cell,
The control device detects dryout in response to a decrease in current density distribution in a region relatively close to the upstream side, and detects flooding in response to decrease in current density distribution in a region relatively close to the downstream side. , Executing dryout reduction processing according to the detection of the dryout, executing flooding reduction processing according to the detection of the flooding,
The dryout reduction process is a process for reducing the dryout by increasing at least one of a humidification amount of the oxidant gas and a flow rate of the cooling medium,
The flooding mitigation process is a control apparatus that reduces the flooding by executing at least one of an increase in the flow rate of the oxidant gas and a reduction in the humidification amount of the oxidant gas. 燃料電池システムであって、
複数の燃料電池セルが積層されるとともに、前記積層された燃料電池セルの間に前記積層方向に垂直な面における電流密度分布を計測する少なくとも１つの電流密度センサを有する燃料電池スタックと、
請求項１または２に記載の制御装置と、
を備えることを特徴とする、燃料電池システム。 A fuel cell system,
A plurality of fuel cells stacked, and a fuel cell stack having at least one current density sensor for measuring a current density distribution in a plane perpendicular to the stacking direction between the stacked fuel cells.
The control device according to claim 1 or 2,
A fuel cell system comprising: 燃料電池システムの制御方法であって、
（ａ）複数の燃料電池セルが積層されるとともに、前記積層された燃料電池セルの間に前記積層方向に垂直な面における電流密度分布を計測する少なくとも１つの電流密度センサを有する燃料電池スタックを準備する準備工程と、
（ｂ）前記計測された電流密度分布に基づいて前記燃料電池スタックの内部状態を観測する状態観測工程と、
（ｃ）前記観測された内部状態に応じて前記燃料電池スタックに供給される流体を操作して前記燃料電池スタックにおける出力電流分布を均一化するように制御する制御工程と、
を備え、
前記流体の操作は、燃料ガスの流量と酸化剤ガスの流量と冷却媒体の流量と前記酸化剤ガスの加湿量のうちの少なくとも１つの操作を含むことを特徴とする、制御方法。 A control method for a fuel cell system, comprising:
(A) A fuel cell stack having a plurality of fuel cells stacked and at least one current density sensor for measuring a current density distribution in a plane perpendicular to the stacking direction between the stacked fuel cells. A preparation process to prepare; and
(B) a state observing step of observing an internal state of the fuel cell stack based on the measured current density distribution;
(C) a control step of controlling the fluid supplied to the fuel cell stack according to the observed internal state to control the output current distribution in the fuel cell stack to be uniform;
With
The operation of the fluid includes at least one of a flow rate of a fuel gas, a flow rate of an oxidant gas, a flow rate of a cooling medium, and a humidification amount of the oxidant gas. 複数の燃料電池セルが積層されるとともに、前記積層された燃料電池セルの間に前記積層方向に垂直な面における電流密度分布を計測する少なくとも１つの電流密度センサを有する燃料電池スタックを備えた燃料電池システムの制御をコンピュータに実行させるためのコンピュータプログラムであって、
前記計測された電流密度分布に基づいて前記燃料電池スタックの内部状態を観測する状態観測機能と、
前記観測された内部状態に応じて前記燃料電池スタックに供給される流体を操作して前記燃料電池スタックにおける出力電流分布を均一化するように制御する機能と、
を前記コンピュータに実現させるプログラムを備え、
前記流体の操作は、燃料ガスの流量と酸化剤ガスの流量と冷却媒体の流量と前記酸化剤ガスの加湿量のうちの少なくとも１つの操作を含むことを特徴とする、コンピュータプログラム。 A fuel having a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells are stacked and having at least one current density sensor for measuring a current density distribution in a plane perpendicular to the stacking direction between the stacked fuel cells. A computer program for causing a computer to execute control of a battery system,
A state observation function for observing an internal state of the fuel cell stack based on the measured current density distribution;
A function of controlling the fluid supplied to the fuel cell stack according to the observed internal state to control the output current distribution in the fuel cell stack to be uniform;
Including a program for causing the computer to realize
The computer program according to claim 1, wherein the fluid operation includes at least one of a fuel gas flow rate, an oxidant gas flow rate, a cooling medium flow rate, and a humidification amount of the oxidant gas.
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