JP2007123095A - Cooling water temperature control method in fuel cell, and fuel cell system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To control more precisely water balance of a fuel cell. <P>SOLUTION: The target value ΔT<SB>tag</SB>of the temperature difference of cooling water is determined taking into consideration an air flow-rate q<SB>1</SB>or air pressure P as a parameter to express supply condition of the air supplied to a fuel cell. In this case, the temperature of the cooling water at the cooling water exit is made a reference, and the temperature ΔT<SB>out</SB>of the cooling water at the cooling water entrance can be determined so that the discharge water quantity from the fuel cell may be a prescribed quantity. For example, by making the discharge water quantity from the fuel cell equal to generated water quantity in the fuel cell, water incomings and outgoings balance can be made. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池における冷却水温度制御方法、および燃料電池システムに関する。さらに詳述すると、本発明は、燃料電池に供給される冷却水の温度を制御するための技術の改良に関する。   The present invention relates to a cooling water temperature control method in a fuel cell and a fuel cell system. More specifically, the present invention relates to an improvement in technology for controlling the temperature of cooling water supplied to a fuel cell.

燃料電池を冷却するための冷却水を当該燃料電池と放熱器との間で循環させる場合に、燃料電池内における生成水をオフガス（未反応の反応ガス）中に水蒸気として気相で排出（排水）するべく、ウォータポンプを利用する等により、冷却水出入口温度差（燃料電池への入口における冷却水温度と燃料電池からの出口における冷却水温度との差）を所定値に制御する、あるいは積極的に差を設けるといった手法が実施されている（例えば、特許文献１参照）。また、この際、燃料電池の電流あるいは出力に応じて当該冷却水出入口温度差を可変としている場合もある。
特開２００３−１７１０５号公報 When the cooling water for cooling the fuel cell is circulated between the fuel cell and the radiator, the generated water in the fuel cell is discharged into the off-gas (unreacted reaction gas) as water vapor in the gas phase (drainage) Therefore, by using a water pump or the like, the cooling water inlet / outlet temperature difference (the difference between the cooling water temperature at the inlet to the fuel cell and the cooling water temperature at the outlet from the fuel cell) is controlled to a predetermined value or actively A technique of providing a difference is implemented (for example, see Patent Document 1). At this time, the cooling water inlet / outlet temperature difference may be variable in accordance with the current or output of the fuel cell.
JP 2003-17105 A

しかしながら、燃料電池内の水を排出するにあたっては、酸化ガス系（例えばエア系）における水分のバランスが重要であるにもかかわらず上述のごとき制御手法では水分のバランスが十分たり得ないという問題がある。すなわち、燃料電池内における水が酸素極（カソード極）側で生成されることからすれば、燃料電池における水収支のバランス（生成水も含めた燃料電池内の水収支のバランス）を考慮するにあたっては供給エア系における水分のバランスが重要であるにもかかわらず、上述のように電流（あるいは出力）に応じて冷却水出入口温度差を可変としているだけではこの点で不十分である。また、実際問題として、水収支を正確に制御することができなければ、燃料電池内においてフラッディングあるいはドライアップ（電解質膜の乾燥）といった水分の過不足に起因する問題が生じるおそれがある。   However, when water in the fuel cell is discharged, there is a problem that the balance of moisture cannot be sufficiently achieved by the above-described control method even though the balance of moisture in the oxidizing gas system (for example, air system) is important. is there. That is, considering that water in the fuel cell is generated on the oxygen electrode (cathode electrode) side, the balance of water balance in the fuel cell (the balance of water balance in the fuel cell including generated water) is taken into consideration. However, in spite of the importance of the water balance in the supply air system, it is not sufficient in this respect to make the cooling water inlet / outlet temperature difference variable according to the current (or output) as described above. Further, as a practical problem, if the water balance cannot be controlled accurately, there may be a problem caused by excess or deficiency of moisture such as flooding or dry-up (drying of the electrolyte membrane) in the fuel cell.

そこで、本発明は、燃料電池の水バランスをより正確に制御することを可能とした燃料電池における冷却水温度制御方法、および燃料電池システムを提供することを目的とする。   SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is that it provides a cooling water temperature control method and a fuel cell system in a fuel cell that can more accurately control the water balance of the fuel cell.

かかる課題を解決するため、本発明者は種々の検討を行った。燃料電池の発電の際に酸素極側で水が生成されることからすれば特に供給エア系における水分のバランスが重要となるのは上述したとおりであるが、冷却水出入口温度の制御の実際は温度差を積極的に設けるといった定性的なものに過ぎず、より具体的に定量的な判断を加えるには至っていないのが実情である。そこでこのような観点からさらに検討を進めると、燃料電池における生成水量は確かに発電量（電流の大きさ）によって定まるものではあるが、供給エア系（供給酸化ガス系）の水分のバランスという観点からは電流以外にも考慮すべきパラメータがあるとの知見を得るに至った。   In order to solve this problem, the present inventor has made various studies. As described above, the water balance in the supply air system is particularly important if water is generated on the oxygen electrode side during power generation of the fuel cell. However, the actual control of the cooling water inlet / outlet temperature is the temperature. It is only a qualitative matter of positively establishing the difference, and the fact is that it has not yet made a more specific quantitative judgment. Therefore, if further studies are carried out from this point of view, the amount of water produced in the fuel cell is certainly determined by the amount of power generation (the magnitude of the current), but the viewpoint of the balance of moisture in the supply air system (supply oxidant gas system) Has led to the knowledge that there are other parameters to consider besides current.

本発明はかかる知見に基づくもので、請求項１に記載の発明は、燃料電池の冷却水出入口における水の温度差を制御するための燃料電池における冷却水温度制御方法であって、前記燃料電池に供給される酸化ガスの供給条件に基づいて前記水の温度差を決定することを特徴とするものである。   The present invention is based on such knowledge, and the invention according to claim 1 is a cooling water temperature control method in a fuel cell for controlling a temperature difference of water at a cooling water inlet / outlet of the fuel cell, wherein the fuel cell The temperature difference of the water is determined based on the supply condition of the oxidizing gas supplied to the water.

この場合、請求項２に記載の発明のごとく、前記酸化ガスの供給条件を表すパラメータとして、酸化ガス流量または酸化ガス圧力を考慮して前記水の温度差を決定することができる。   In this case, as in the second aspect of the invention, the temperature difference of the water can be determined in consideration of the oxidizing gas flow rate or the oxidizing gas pressure as the parameter representing the oxidizing gas supply condition.

燃料電池スタック内の水バランスは、酸化ガス供給（例えばエア供給）の条件によって変化することから、酸化ガス供給条件を考慮しないと水収支を正確に制御することが難しい。この点についてさらに検討を進めた本発明者は、そもそも、燃料電池からの排出水分量（持去り水量）は酸化ガス体積流量の大小に応じて変化すること、また、温度によって飽和蒸気圧が変化するため持去り水量も変化することからすれば、酸化ガス体積流量と温度も考慮する必要があると考えた。つまり、例えば酸化ガス流量が多くなればその分だけ単位体積あたりの持去り水量も多くなるから、これを考慮することにより現実の水収支に即して燃料電池内の水バランスを考慮することが可能となる。この点、本発明においては、上述のように酸化ガスの供給条件を考慮し、これをパラメータとして水の温度差を決定することから、これら条件を踏まえて水バランスがより向上する状態にて運転を実施することが可能となる。   Since the water balance in the fuel cell stack changes depending on the condition of the oxidizing gas supply (for example, air supply), it is difficult to accurately control the water balance without considering the oxidizing gas supply condition. The present inventor who has further studied this point, in the first place, the amount of water discharged from the fuel cell (the amount of water taken away) changes according to the volume of the oxidizing gas volume flow rate, and the saturated vapor pressure changes depending on the temperature. Therefore, considering that the amount of water taken away also changes, we thought that it was necessary to consider the oxidizing gas volume flow rate and temperature. In other words, for example, if the flow rate of oxidant gas increases, the amount of water taken away per unit volume increases accordingly, and by considering this, the water balance in the fuel cell can be taken into account in accordance with the actual water balance. It becomes possible. In this respect, in the present invention, the supply temperature of the oxidizing gas is considered as described above, and the temperature difference of water is determined using this as a parameter. Therefore, the operation is performed in a state where the water balance is further improved based on these conditions. Can be carried out.

具体的には、例えば酸化ガス流量の大小に応じて飽和蒸気量（ひいては持去り水量）が異なってくる（図２参照）。そこで、酸化ガス流量（あるいは酸化ガス圧力）をパラメータとし、この条件も加味したうえで冷却水の出入口温度差（ΔＴ）を算出し設定する。こうした場合、電流以外にも考慮すべき要素を踏まえて冷却水温度を設定ないしは制御することができるから、燃料電池内における水バランスを従来よりも正確に制御することが可能となる。   Specifically, for example, the amount of saturated steam (and hence the amount of water taken away) varies depending on the flow rate of the oxidizing gas (see FIG. 2). Therefore, the oxidizing gas flow rate (or oxidizing gas pressure) is used as a parameter, and the temperature difference (ΔT) of the cooling water is calculated and set in consideration of this condition. In such a case, since the cooling water temperature can be set or controlled based on factors to be considered in addition to the current, the water balance in the fuel cell can be controlled more accurately than in the past.

ここで、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の燃料電池における冷却水温度制御方法において、冷却水出口における当該冷却水の温度を基準とし、燃料電池からの排水量が所定量となるように冷却水入口における当該冷却水の温度を決定するというものである。例えば冷却水出口における冷却水温度が一定である場合、上述のようにして求めた出入口温度差（ΔＴ）に基づいて冷却水入口における冷却水温度を算出して設定することができる。   The invention according to claim 3 is the method for controlling the coolant temperature in the fuel cell according to claim 1 or 2, wherein the amount of drainage from the fuel cell is determined based on the temperature of the coolant at the coolant outlet. The temperature of the cooling water at the cooling water inlet is determined so as to be fixed. For example, when the cooling water temperature at the cooling water outlet is constant, the cooling water temperature at the cooling water inlet can be calculated and set based on the inlet / outlet temperature difference (ΔT) obtained as described above.

この場合、請求項４に記載の冷却水温度制御方法のように、前記排水量を、当該燃料電池における生成水量と等しくして水収支バランスをとることができる。生成水量と等しい排水量（持去り水量）を算出して制御することとすれば、水収支を等しくして燃料電池内における水バランスを正確に保つことができるようになる。   In this case, as in the cooling water temperature control method according to the fourth aspect, the water balance can be balanced by making the amount of waste water equal to the amount of water generated in the fuel cell. If the amount of drainage (carrying water amount) equal to the amount of generated water is calculated and controlled, the water balance can be made equal and the water balance in the fuel cell can be accurately maintained.

あるいは、請求項５に記載の冷却水温度制御方法のように、前記排水量を、当該燃料電池における生成水量と異ならせることとしてもよい。例えば、燃料電池内における含水量が所定量（理想的な量）よりも低く、水分を適宜増やすことによって適正化したい場合であれば、排水量が生成水量を下回るように出入口温度差（ΔＴ）の設定を変更し、水分を増やすことによって水バランスを適正化することが可能である。   Alternatively, as in the cooling water temperature control method according to claim 5, the amount of drainage may be made different from the amount of water generated in the fuel cell. For example, if the water content in the fuel cell is lower than a predetermined amount (ideal amount) and it is desired to optimize the water content by appropriately increasing the water content, the difference in the inlet / outlet temperature difference (ΔT) is set so that the amount of drainage is less than the amount of generated water. It is possible to optimize the water balance by changing the settings and increasing the water content.

また、請求項６に記載の発明である燃料電池システムは、燃料電池が発電する電流の大きさを計測する電流計測手段と、前記燃料電池に供給される酸化ガスの供給条件を検出する酸化ガス供給条件検出手段と、前記燃料電池の冷却水出口における当該冷却水の温度を計測する温度計測手段と、前記冷却水出口における冷却水温度に対する単位体積あたりの前記酸化ガスの飽和水蒸気量を記憶する記憶手段と、前記計測した電流の大きさから求められる前記燃料電池内の生成水量、前記酸化ガス供給条件、および前記酸化ガスの飽和水蒸気量に基づいて前記燃料電池の冷却水入口における当該冷却水の温度の目標値を算出する計算手段と、を備えていることを特徴とするものである。   According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a fuel cell system comprising: current measuring means for measuring the magnitude of current generated by the fuel cell; and oxidizing gas for detecting a supply condition of the oxidizing gas supplied to the fuel cell. Supply condition detection means, temperature measurement means for measuring the temperature of the cooling water at the cooling water outlet of the fuel cell, and the saturated water vapor amount of the oxidizing gas per unit volume with respect to the cooling water temperature at the cooling water outlet The cooling water at the cooling water inlet of the fuel cell based on the amount of water generated in the fuel cell, the oxidizing gas supply condition, and the saturated water vapor amount of the oxidizing gas obtained from the storage means and the magnitude of the measured current And a calculating means for calculating a target value of the temperature.

燃料電池内の水分が例えばオフガスに気相として排出される場合、水の排出量すなわち排水量（換言すればガスによる持去り水量）は、酸化ガス流量や酸化ガス圧力によって変化する。つまり、例えば酸化ガス流量が多くなればその分だけ単位体積あたりの持去り水量も多くなるから、これを考慮することにより現実の水収支に即して燃料電池内の水バランスを考慮することが可能となる。この点、本発明においては、上述した各手段を用いて電流、酸化ガス供給条件そして冷却水出口温度を検出し、酸化ガス供給条件を考慮しつつ、これをパラメータとして水の温度差を決定することから、これら条件を踏まえて水バランスがより向上する状態にて運転を実施することが可能となる。   When the water in the fuel cell is discharged, for example, into the off-gas as a gas phase, the amount of water discharged, that is, the amount of drainage (in other words, the amount of water taken away by gas) varies depending on the oxidizing gas flow rate and the oxidizing gas pressure. In other words, for example, if the flow rate of oxidant gas increases, the amount of water taken away per unit volume increases accordingly, and by considering this, the water balance in the fuel cell can be taken into account in accordance with the actual water balance. It becomes possible. In this respect, in the present invention, the current, the oxidizing gas supply condition and the cooling water outlet temperature are detected using the above-mentioned means, and the temperature difference of water is determined using this as a parameter while taking the oxidizing gas supply condition into consideration. Therefore, it is possible to carry out the operation in a state where the water balance is further improved based on these conditions.

これについて具体的に説明すると、例えば酸化ガス流量の大小に応じて飽和蒸気量（ひいては持去り水量）が異なってくるので（図２参照）、この酸化ガス流量（あるいは酸化ガス圧力であっても同様）をパラメータとし、この条件も加味したうえで冷却水の出入口温度差（ΔＴ）を算出し設定する。こうした場合、電流以外にも考慮すべき要素を踏まえて冷却水温度を設定ないしは制御することができるから、燃料電池内における水収支を従来よりも正確に制御することが可能となる。   This will be described in detail. For example, the amount of saturated vapor (and hence the amount of water taken away) varies depending on the flow rate of the oxidizing gas (see FIG. 2). (Similar) is used as a parameter, and the temperature difference (ΔT) of the cooling water is calculated and set in consideration of this condition. In such a case, since the cooling water temperature can be set or controlled based on factors to be considered in addition to the current, the water balance in the fuel cell can be controlled more accurately than in the past.

請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の燃料電池システムにおける前記酸化ガス供給条件検出手段が前記酸化ガスの圧力を計測する酸化ガス圧力計測手段であるというものである。この燃料電池システムにおいては、計測した酸化ガス圧力をパラメータとして冷却水の出入口温度差（ΔＴ）を算出し、設定することができる。   The invention described in claim 7 is that the oxidizing gas supply condition detecting means in the fuel cell system according to claim 6 is an oxidizing gas pressure measuring means for measuring the pressure of the oxidizing gas. In this fuel cell system, the temperature difference (ΔT) of the cooling water can be calculated and set using the measured oxidizing gas pressure as a parameter.

さらに、請求項８に記載の発明は、請求項６に記載の燃料電池システムにおける前記酸化ガス供給条件検出手段が前記燃料電池における前記酸化ガスの流量を計測する酸化ガス流量計測手段であるというものである。この燃料電池システムにおいては、計測した酸化ガス流量をパラメータとして冷却水の出入口温度差（ΔＴ）を算出し、設定することができる。   Further, the invention described in claim 8 is that the oxidizing gas supply condition detecting means in the fuel cell system according to claim 6 is an oxidizing gas flow measuring means for measuring the flow rate of the oxidizing gas in the fuel cell. It is. In this fuel cell system, the temperature difference (ΔT) of the cooling water can be calculated and set using the measured oxidizing gas flow rate as a parameter.

本発明によれば、燃料電池内の水バランスを従来よりも正確に制御することが可能となる。また、これにより、従来ならば起こり得たフラッディングあるいはドライアップといった現象を抑制することが可能となるから、電圧低下といった問題が生じるのを抑え、ひいては燃料電池自体の寿命長期化（延命）を図ることができるようになる。   According to the present invention, the water balance in the fuel cell can be controlled more accurately than in the past. In addition, this makes it possible to suppress the phenomenon such as flooding or dry-up that could have occurred in the past, thereby suppressing the problem of voltage drop and thus extending the life of the fuel cell itself (prolonging the life). Will be able to.

以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。   Hereinafter, the configuration of the present invention will be described in detail based on an example of an embodiment shown in the drawings.

図１〜図３に本発明にかかる燃料電池システムおよび冷却水温度制御方法の一実施形態を示す。本実施形態における燃料電池システム１は、燃料電池２０の冷却水出入口における水の温度差を制御する場合に、当該燃料電池２０に供給される酸化ガス（例えば空気であり、本実施形態では「エア」ともいう）の供給条件に基づいて冷却水の温度差を決定するというものである。このようにエア供給条件を考慮するにあたっては、例えばエア流量をパラメータとすることができるし、あるいはエア圧力をパラメータとすることができる。以下に示す実施形態では、まず燃料電池システム１の概略から説明し、その後に冷却水温度制御方法の詳細について説明することとする。   1 to 3 show an embodiment of a fuel cell system and a cooling water temperature control method according to the present invention. The fuel cell system 1 in the present embodiment is an oxidizing gas (for example, air) supplied to the fuel cell 20 when controlling the temperature difference of water at the cooling water inlet / outlet of the fuel cell 20. The temperature difference of the cooling water is determined on the basis of the supply conditions. Thus, in considering the air supply conditions, for example, the air flow rate can be used as a parameter, or the air pressure can be used as a parameter. In the embodiment described below, first, the outline of the fuel cell system 1 will be described, and then the details of the cooling water temperature control method will be described.

図１に本実施形態にかかる燃料電池システム１の概略構成を示す。本実施形態に示す燃料電池システム１は、例えば燃料電池自動車（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムとして利用可能なものであるが、これに限られることはなく、各種移動体（例えば船舶や飛行機など）やロボットなどといった自走可能なものに搭載される発電システム等としても用いることができるのは当然である。また、燃料電池セルスタック（以下、単に燃料電池ともいう）２０は、複数の単セルを直列に積層して成るスタック構造を有するものであり、例えば固体高分子電解質型燃料電池等から構成されている。   FIG. 1 shows a schematic configuration of a fuel cell system 1 according to the present embodiment. The fuel cell system 1 shown in the present embodiment can be used as, for example, an on-vehicle power generation system of a fuel cell vehicle (FCHV; Fuel Cell Hybrid Vehicle), but is not limited to this, and various mobile objects (for example, ships) Naturally, it can also be used as a power generation system mounted on a self-propelled device such as a robot or a robot. A fuel cell stack (hereinafter also simply referred to as a fuel cell) 20 has a stack structure in which a plurality of single cells are stacked in series, and is composed of, for example, a solid polymer electrolyte fuel cell. Yes.

図１に示すように、酸化ガスとしての空気（外気）は、空気供給路（酸化ガス供給路）７１を介して燃料電池２０の空気供給口に供給される。空気供給路７１には、空気から微粒子を除去するエアフィルタＡ１、空気を加圧するコンプレッサＡ３、供給空気圧を検出するエア圧力計測手段としての圧力センサＰ４、および空気に所要の水分を加える加湿器Ａ２１が設けられている。コンプレッサＡ３は、モータ（補機）によって駆動される。このモータは、後述の制御部５０によって駆動制御される。また、エアフィルタＡ１には、空気流量を検出するためのエア流量計測手段としての流量計（エアフローメータ）Ａ２が設けられている。なお、ここでは流量計Ａ２を使用する場合を例示しているが、これ以外として、例えばエアコンプレッサＡ３の回転数からエア体積流量を求めること等も可能である。   As shown in FIG. 1, air (outside air) as an oxidizing gas is supplied to an air supply port of the fuel cell 20 via an air supply path (oxidizing gas supply path) 71. The air supply path 71 includes an air filter A1 that removes particulates from the air, a compressor A3 that pressurizes the air, a pressure sensor P4 as an air pressure measuring unit that detects the supply air pressure, and a humidifier A21 that adds required moisture to the air. Is provided. The compressor A3 is driven by a motor (auxiliary machine). This motor is driven and controlled by a control unit 50 described later. Further, the air filter A1 is provided with a flow meter (air flow meter) A2 as an air flow rate measuring means for detecting the air flow rate. In addition, although the case where the flowmeter A2 is used is illustrated here, other than this, for example, the air volume flow rate can be obtained from the rotation speed of the air compressor A3.

燃料電池２０から排出される空気オフガスは、排気路７２を経て外部に放出される。排気路７２には、排気圧を検出する圧力センサＰ１、圧力調整弁Ａ４、および加湿器Ａ２１の熱交換器が設けられている。圧力センサＰ１は、燃料電池２０の空気排気口近傍に設けられている。圧力調整弁Ａ４は、燃料電池２０への供給空気圧を設定する調圧（減圧）器として機能する。   The air off gas discharged from the fuel cell 20 is discharged to the outside through the exhaust path 72. The exhaust path 72 is provided with a pressure sensor P1 that detects the exhaust pressure, a pressure adjustment valve A4, and a heat exchanger for the humidifier A21. The pressure sensor P <b> 1 is provided in the vicinity of the air exhaust port of the fuel cell 20. The pressure adjustment valve A4 functions as a pressure regulator (pressure reduction) that sets the supply air pressure to the fuel cell 20.

圧力センサＰ４，Ｐ１の図示しない検出信号は、制御部５０に送られる。制御部５０は、コンプレッサＡ３のモータ回転数および圧力調整弁Ａ４の開度面積を調整することによって、燃料電池２０への供給空気圧や供給空気流量を設定する。   Detection signals (not shown) of the pressure sensors P4 and P1 are sent to the control unit 50. The control unit 50 sets the supply air pressure and the supply air flow rate to the fuel cell 20 by adjusting the motor rotation speed of the compressor A3 and the opening area of the pressure adjustment valve A4.

また、本実施形態における燃料電池システム１は、記憶手段と計算手段とを備えた構成となっている。これらのうち、記憶手段は、燃料電池２０における冷却水出口における冷却水温度に対する単位体積あたりのエアの飽和水蒸気量をマップとして記憶するものとして機能する。また、計算手段は、燃料電池２０の冷却水入口における当該冷却水の温度の目標値を算出するものとして機能する。このような記憶手段や計算手段は、例えば図示しないＥＣＵ（Electric Control Unit）や上述の制御装置５０の演算処理装置などによって構成されている。   Further, the fuel cell system 1 in the present embodiment has a configuration including a storage unit and a calculation unit. Among these, the storage unit functions as a map that stores the saturated water vapor amount of air per unit volume with respect to the coolant temperature at the coolant outlet in the fuel cell 20 as a map. Further, the calculation means functions as calculating a target value of the temperature of the cooling water at the cooling water inlet of the fuel cell 20. Such a storage means and a calculation means are comprised by ECU (Electric Control Unit) which is not illustrated, the arithmetic processing unit of the above-mentioned control apparatus 50, etc., for example.

燃料ガスとしての水素ガスは、水素供給源（燃料供給源）３０から燃料供給路７４を介して燃料電池２０の水素供給口に供給される。水素供給源３０は、例えば高圧水素タンクが該当するが、いわゆる燃料改質器や水素吸蔵合金等が該当する場合もある。   Hydrogen gas as fuel gas is supplied from a hydrogen supply source (fuel supply source) 30 to a hydrogen supply port of the fuel cell 20 via a fuel supply path 74. The hydrogen supply source 30 corresponds to, for example, a high-pressure hydrogen tank, but may correspond to a so-called fuel reformer, a hydrogen storage alloy, or the like.

燃料供給路７４には、水素供給源３０から水素を供給しあるいは供給を停止する遮断弁Ｈ１００、水素供給源３０からの水素ガスの供給圧力を検出する圧力センサＰ６、燃料電池２０への水素ガスの供給圧力を減圧して調整する水素調圧弁Ｈ９、水素調圧弁Ｈ９の下流の水素ガス圧力を検出する圧力センサＰ９、燃料電池２０の水素供給口と燃料供給路７４間を開閉する遮断弁Ｈ２１、および水素ガスの燃料電池２０の入口圧力を検出する圧力センサＰ５が設けられている。   The fuel supply path 74 includes a shutoff valve H100 that supplies or stops supplying hydrogen from the hydrogen supply source 30, a pressure sensor P6 that detects the supply pressure of hydrogen gas from the hydrogen supply source 30, and hydrogen gas to the fuel cell 20. The pressure regulating valve H9 for reducing and adjusting the supply pressure of the fuel, the pressure sensor P9 for detecting the hydrogen gas pressure downstream of the hydrogen pressure regulating valve H9, and the shutoff valve H21 for opening and closing between the hydrogen supply port of the fuel cell 20 and the fuel supply path 74. , And a pressure sensor P5 for detecting the inlet pressure of the hydrogen gas fuel cell 20 is provided.

水素調圧弁Ｈ９としては、例えば機械式の減圧を行う調圧弁を使用できるが、パルスモータで弁の開度がリニアあるいは連続的に調整される弁であってもよい。圧力センサＰ５，Ｐ６，Ｐ９の図示しない検出信号は、制御部５０に供給される。   As the hydrogen pressure regulating valve H9, for example, a pressure regulating valve that performs mechanical pressure reduction can be used, but a valve whose valve opening degree is linearly or continuously adjusted by a pulse motor may be used. Detection signals (not shown) of the pressure sensors P5, P6, and P9 are supplied to the control unit 50.

燃料電池２０で消費されなかった水素ガスは、水素オフガスとして水素循環路（燃料ガス循環路）７５に排出され、燃料供給路７４の水素調圧弁Ｈ９の下流側に戻される。水素循環路７５には、水素オフガスの温度を検出する温度センサＴ３１、燃料電池２０と水素循環路７５を連通／遮断する遮断弁Ｈ２２、水素オフガスから水分を回収する気液分離器Ｈ４２、回収した生成水を水素循環路７５外の図示しないタンク等に回収する排水弁Ｈ４１、水素オフガスを加圧する水素ポンプＨ５０、および逆流阻止弁Ｈ５２が設けられている。   The hydrogen gas that has not been consumed in the fuel cell 20 is discharged as a hydrogen off-gas to the hydrogen circulation path (fuel gas circulation path) 75 and returned to the downstream side of the hydrogen pressure regulating valve H9 in the fuel supply path 74. The hydrogen circulation path 75 includes a temperature sensor T31 that detects the temperature of the hydrogen off-gas, a shutoff valve H22 that communicates / blocks the fuel cell 20 and the hydrogen circulation path 75, a gas-liquid separator H42 that collects moisture from the hydrogen off-gas, and a hydrogen A drain valve H41 that collects the produced water in a tank (not shown) outside the hydrogen circulation path 75, a hydrogen pump H50 that pressurizes the hydrogen off-gas, and a backflow prevention valve H52 are provided.

遮断弁Ｈ２１，Ｈ２２は、燃料電池２０のアノード側を閉鎖する。温度センサＴ３１の図示しない検出信号は、制御部５０に送信される。水素ポンプＨ５０は、制御部５０によって動作が制御される。   The shutoff valves H21 and H22 close the anode side of the fuel cell 20. A detection signal (not shown) of the temperature sensor T31 is transmitted to the control unit 50. The operation of the hydrogen pump H50 is controlled by the control unit 50.

水素オフガスは、燃料供給路７４で水素ガスと合流し、燃料電池２０に供給されて再利用される。逆流阻止弁Ｈ５２は、燃料供給路７４の水素ガスが水素循環路７５側に逆流することを防止する。遮断弁Ｈ１００，Ｈ２１，Ｈ２２は、制御部５０からの信号で駆動される。   The hydrogen off gas merges with the hydrogen gas in the fuel supply path 74 and is supplied to the fuel cell 20 for reuse. The backflow prevention valve H52 prevents the hydrogen gas in the fuel supply path 74 from flowing back to the hydrogen circulation path 75 side. The shutoff valves H100, H21, and H22 are driven by a signal from the control unit 50.

水素循環路７５は、排出制御弁Ｈ５１を介して、パージ流路７６によって排気路７２に接続されている。排出制御弁Ｈ５１は、電磁式の遮断弁であり、制御部５０からの指令によって作動することにより、水素オフガスを外部に排出（パージ）する。このパージ動作を間欠的に行うことによって、水素オフガスの循環が繰り返されて燃料極側の水素ガスの不純物濃度が増し、セル電圧が低下することを防止することができる。   The hydrogen circulation path 75 is connected to the exhaust path 72 by the purge flow path 76 via the discharge control valve H51. The discharge control valve H51 is an electromagnetic shut-off valve, and discharges (purges) hydrogen off-gas to the outside by operating according to a command from the control unit 50. By performing this purge operation intermittently, it is possible to prevent the hydrogen off-gas circulation from being repeated, the impurity concentration of the hydrogen gas on the fuel electrode side being increased, and the cell voltage from being lowered.

燃料電池２０の冷却水出入口には、冷却水を循環させる冷却路７３が設けられている。冷却路７３には、燃料電池２０から排水される冷却水の温度を検出する温度センサ（つまり、燃料電池２０の冷却水出口における当該冷却水の温度を計測する温度計測手段）Ｔ１、冷却水の熱を外部に放熱するラジエータ（熱交換器）Ｃ２、冷却水を加圧して循環させるポンプＣ１、および燃料電池２０に供給される冷却水の温度を検出する温度センサ（燃料電池２０の冷却水入口における当該冷却水の温度を計測する温度計測手段）Ｔ２が設けられている。ラジエータＣ２には、モータによって回転駆動される冷却ファンＣ１３が設けられている。   A cooling path 73 for circulating the cooling water is provided at the cooling water inlet / outlet of the fuel cell 20. In the cooling path 73, a temperature sensor (that is, temperature measuring means for measuring the temperature of the cooling water at the cooling water outlet of the fuel cell 20) T1 that detects the temperature of the cooling water drained from the fuel cell 20, the cooling water A radiator (heat exchanger) C2 that radiates heat to the outside, a pump C1 that pressurizes and circulates cooling water, and a temperature sensor that detects the temperature of the cooling water supplied to the fuel cell 20 (cooling water inlet of the fuel cell 20) Temperature measuring means) T2 for measuring the temperature of the cooling water is provided. The radiator C2 is provided with a cooling fan C13 that is rotationally driven by a motor.

燃料電池２０は、燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて発電する単セルを所要数積層してなる燃料電池スタックによって構成されている。燃料電池２０が発生した電力は、図示しないパワーコントロールユニットに供給される。パワーコントロールユニットは、車両の駆動モータを駆動するインバータと、コンプレッサモータや水素ポンプ用モータなどの各種の補機類を駆動するインバータと、二次電池等の蓄電手段への充電や該蓄電手段からのモータ類への電力供給を行うＤＣ‐ＤＣコンバータなどが備えられている。燃料電池システム１には、燃料電池２０が発電する電流の大きさを計測するための電流計測手段としての電流計２１が設けられている（図１参照）。   The fuel cell 20 is configured by a fuel cell stack in which a required number of unit cells that generate power upon receiving supply of fuel gas and oxidizing gas are stacked. The electric power generated by the fuel cell 20 is supplied to a power control unit (not shown). The power control unit includes an inverter that drives a drive motor of a vehicle, an inverter that drives various auxiliary devices such as a compressor motor and a motor for a hydrogen pump, and charging to and from a power storage means such as a secondary battery. DC-DC converters for supplying power to the motors are provided. The fuel cell system 1 is provided with an ammeter 21 as current measuring means for measuring the magnitude of the current generated by the fuel cell 20 (see FIG. 1).

制御部５０は、図示しない車両のアクセル信号などの要求負荷や燃料電池システム１の各部のセンサ（圧力センサ、温度センサ、流量センサ、出力電流計、出力電圧計等）から制御情報を受け取り、システム各部の弁類やモータ類の運転を制御する。なお、この制御部５０は、例えば図示はしていない制御コンピュータシステムによって構成されている。制御コンピュータシステムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェースおよびディスプレイなどといった公知の構成から成り、例えば市販されている制御用コンピュータシステムによって構成されている。   The control unit 50 receives control information from a requested load such as an accelerator signal of a vehicle (not shown) and sensors (pressure sensor, temperature sensor, flow rate sensor, output ammeter, output voltmeter, etc.) of each part of the fuel cell system 1, Control the operation of valves and motors in each part. In addition, this control part 50 is comprised by the control computer system which is not illustrated, for example. The control computer system has a known configuration such as a CPU, a ROM, a RAM, an HDD, an input / output interface, and a display. For example, the control computer system includes a commercially available control computer system.

なお、本実施形態の燃料電池システム１は、移動体（例えば燃料電池自動車）の制動時における余剰回生電力を上述のエアコンプレッサＡ３によって消費することができる構成となっている。すなわち、二次電池等の蓄電手段を備えた構成の移動体（燃料電池自動車）においては、例えば下り坂道にて駆動モータを回生させることによりエンジンブレーキ相当のトルクを発生させており、このとき発生する回生エネルギーは上述の蓄電手段に蓄積することとしている。ところが、充電容量を超えた場合には他の方法でエネルギーを消費する必要が生じることから、例えば本実施形態においてはエアコンプレッサＡ３を回転させることによって余分な回生エネルギーを消費し、これによって安定したブレーキトルクが得られるようにしている。   Note that the fuel cell system 1 of the present embodiment is configured such that surplus regenerative power during braking of a mobile body (for example, a fuel cell vehicle) can be consumed by the air compressor A3 described above. That is, in a mobile body (fuel cell vehicle) having a power storage means such as a secondary battery, a torque equivalent to an engine brake is generated by regenerating a drive motor on a downhill road, for example. The regenerative energy to be stored is stored in the power storage means. However, when the charge capacity is exceeded, it is necessary to consume energy by another method. Therefore, in this embodiment, for example, by rotating the air compressor A3, extra regenerative energy is consumed, and thus stable. Brake torque is obtained.

さらに、本実施形態にかかる燃料電池システム１は、燃料電池２０の冷却水出入口における水の温度差を制御する際、上述した構成に基づき、燃料電池に供給されるエア（酸化ガス）の供給条件に基づいて水の温度差を決定することとしている。ここでいうエアの供給条件を表すパラメータとしては、例えば、エア流量計測手段としての流量計Ａ２によって検出されるエア流量、あるいはエア圧力計測手段としての圧力センサＰ４によって検出されるエア圧力を利用することができる。また、この場合においては、燃料電池２０の冷却水出口における当該冷却水の温度を基準とし、燃料電池２０からの排水量（持去り水量）が所定量となるように冷却水入口における当該冷却水の温度を決定することができる。以下、グラフやフローチャート、数式も用いて説明する（図２、図３等参照）。   Furthermore, when the fuel cell system 1 according to the present embodiment controls the temperature difference of water at the cooling water inlet / outlet of the fuel cell 20, the supply condition of the air (oxidizing gas) supplied to the fuel cell based on the above-described configuration The temperature difference of water is determined based on As the parameter representing the air supply condition here, for example, an air flow rate detected by a flow meter A2 as an air flow rate measuring unit or an air pressure detected by a pressure sensor P4 as an air pressure measuring unit is used. be able to. In this case, the temperature of the cooling water at the cooling water outlet of the fuel cell 20 is used as a reference, and the amount of water discharged from the fuel cell 20 (the amount of water taken away) becomes a predetermined amount. The temperature can be determined. Hereinafter, description will be made using graphs, flowcharts, and mathematical expressions (see FIGS. 2 and 3).

以下に示す本実施形態においては、まず、エア系の水分バランスを保つため、
（エアが受け取る水量）＝（燃料電池生成水量）
という関係を成立させることとする。すなわち、燃料電池２０からの排水量（持去り水量）を、当該燃料電池２０における生成水量と等しくして燃料電池２０内の水収支のバランスを考慮することとし、燃料電池２０内においてフラッディングあるいはドライアップ（電解質膜の乾燥）といった水分の過不足に起因する問題が生じないようにする。 In this embodiment shown below, first, in order to maintain the moisture balance of the air system,
(Amount of water received by air) = (Amount of fuel cell generated water)
The relationship is established. That is, the amount of water discharged from the fuel cell 20 (the amount of water taken away) is made equal to the amount of water generated in the fuel cell 20 to take into account the balance of water balance in the fuel cell 20, and flooding or dry-up in the fuel cell 20 Prevent problems caused by excess or deficiency of moisture such as (drying of electrolyte membrane).

ここで、「エアが受け取る水量」、「出口エアの飽和水蒸気量」、「入口エアの水蒸気量」との間には、

Figure 2007123095
という関係が成立する。なお、Ｐ(Ｔ)は温度Ｔ［Ｋ］における飽和蒸気圧、ａは入口エアの湿度、Ｒは気体定数を表している。また、添字のinとoutはそれぞれ燃料電池２０への入口、燃料電池２０からの出口を表している。 Here, between “the amount of water received by the air”, “the saturated water vapor amount of the outlet air”, and “the water vapor amount of the inlet air”,
Figure 2007123095
 The relationship is established. P (T) is the saturated vapor pressure at temperature T [K], a is the humidity of the inlet air, and R is the gas constant. The subscripts in and out represent the inlet to the fuel cell 20 and the outlet from the fuel cell 20, respectively.

さらに、ここで
［数２］
（燃料電池の生成水）＝αＩ
である（ただし、αは比例定数、Ｉは燃料電池２０の電流指令値（あるいは目標値）［Ａ］）から、これより、

Figure 2007123095
と表すことができる。 Furthermore, here [Equation 2]
(Fuel cell generated water) = αI
(Where α is a proportional constant, and I is the current command value (or target value) [A] of the fuel cell 20).
Figure 2007123095
 It can be expressed as.

この数式３中、

Figure 2007123095
で表される項は、温度Ｔ［Ｋ］の単位体積あたりのエアが取り込むことのできる最大水蒸気量である。そこで、これを温度Ｔの関数としてｆ(Ｔ)と表すことにすると、
Figure 2007123095
 したがって、
Figure 2007123095
 と表すことができる。ただし、数式６中のｎ1，ｎ2はそれぞれ
Figure 2007123095
 である。 In Equation 3,
Figure 2007123095
 The term represented by is the maximum amount of water vapor that can be taken in by air per unit volume of the temperature T [K]. Therefore, if this is expressed as f (T) as a function of temperature T,
Figure 2007123095
 Therefore,
Figure 2007123095
 It can be expressed as. However, n 1 and n 2 in Equation 6 are respectively
Figure 2007123095
 It is.

上記の数式６によれば、燃料電池２の電流値Ｉ［Ａ］、エア体積流量ｑ2［ｍ3／ｓ］、出口温度Ｔout［Ｋ］が与えられることによって目標である入口冷却水温度Ｔin［Ｋ］が算出できることがわかる。そこで、温度差ΔＴの目標値をΔＴtagとおいた場合、
［数８］
ΔＴtag＝Ｔout−Ｔin
と表すことができる。例えば、ウォータポンプ１０で冷却水の流量を調節することとすればこの目標温度差ΔＴtagを制御（調整）することができる。 According to Equation 6 above, the target inlet coolant temperature is given by the current value I [A], the air volume flow rate q 2 [m 3 / s], and the outlet temperature T out [K] of the fuel cell 2. It can be seen that T in [K] can be calculated. Therefore, when the target value of the temperature difference ΔT is set to ΔT tag ,
[Equation 8]
ΔT tag = T out -T in
It can be expressed as. For example, if the flow rate of the cooling water is adjusted by the water pump 10, the target temperature difference ΔT tag can be controlled (adjusted).

また、エア体積流量ｑ2については、エアフローメータの計測値ｑ1［mol／Ｓ］と、燃料電池入口エアの圧力Ｐin［Ｐａ］と、燃料電池２の入口冷却水温度目標値Ｔin［Ｋ］とから、

Figure 2007123095
という数式によって算出することができる。なお、本実施形態においては入口エア湿度ａを一定とおいて計算することとしている。また、上述した制御方法においては数式５中に温度Ｔの関数としてｆ(Ｔ)を示したが、実装上（例えば燃料電池自動車に搭載されているような場合）、この関数ｆ(Ｔ)はマップｍａｐ（Ｔ）を使って対応付け等を行っている場合がある。 For the air volume flow rate q 2 , the measured value q 1 [mol / S] of the air flow meter, the pressure P in [Pa] of the fuel cell inlet air, and the target cooling water temperature value T in [ Fin [2]. K]
Figure 2007123095
 It can be calculated by the mathematical formula. In the present embodiment, the calculation is performed with the inlet air humidity a being constant. In the control method described above, f (T) is shown as a function of temperature T in Formula 5, but this function f (T) is in terms of mounting (for example, when mounted in a fuel cell vehicle). In some cases, mapping is performed using a map map (T).

続いて、前述のごとく数式を使って説明した本実施形態の制御方法の内容を、フローチャートを使って説明しておくこととする（図３参照）。なお、図３中では燃料電池をＦＣと表現している。   Next, the contents of the control method of the present embodiment described using mathematical expressions as described above will be described using a flowchart (see FIG. 3). In FIG. 3, the fuel cell is expressed as FC.

燃料電池（ＦＣ）２０において冷却水温度制御を開始したら（ステップ１）、燃料電池（ＦＣ）２０の電流指令値Ｉ［Ａ］、ＦＣ入口エア圧力Ｐin［Ｐａ］、エア流量（エアフローメータの計測値）ｑ1［mol／Ｓ］、ＦＣ入口冷却水温度Ｔin［Ｋ］、ＦＣ出口冷却水温度Ｔout［Ｋ］をそれぞれＥＣＵあるいは制御装置５０の演算処理装置に読み込む（ステップ２）。続いて、上述の数式９に基づき、エア体積流量ｑ2［ｍ3／ｓ］を算出する（ステップ３） When cooling water temperature control is started in the fuel cell (FC) 20 (step 1), the current command value I [A] of the fuel cell (FC) 20, the FC inlet air pressure P in [Pa], the air flow rate (of the air flow meter) Measurement value) q 1 [mol / S], FC inlet cooling water temperature T in [K], and FC outlet cooling water temperature T out [K] are read into the ECU or the arithmetic processing unit of the control device 50, respectively (step 2). Subsequently, the air volume flow rate q 2 [m 3 / s] is calculated based on the above-described formula 9 (step 3).

さらに、単位体積当たりのエアが燃料電池（燃料電池スタック）２０に流入してから流出するまでに受け取るべき水の物質量のｎ1［mol］を上述の数式７に基づいて計算する（ステップ４） Further, n 1 [mol] of the amount of water to be received from when the air per unit volume flows into the fuel cell (fuel cell stack) 20 until it flows out is calculated based on the above Equation 7 (Step 4). )

続いて、単位体積当たりであって出口温度Ｔout［Ｋ］のエアが受け取ることのできる水の物質量ｎ2［mol］を計算する（ステップ５）。なお、上述したように、実装上、関数ｆ(Ｔ)はマップｍａｐ（Ｔ）を持っているため、物質量ｎ2［mol］を求める式は図３中のステップ５のように表現することができる（図３参照）。 Subsequently, a substance amount n 2 [mol] of water that can be received by air having an outlet temperature T out [K] per unit volume is calculated (step 5). As described above, since the function f (T) has a map map (T) in terms of implementation, the equation for determining the substance amount n 2 [mol] should be expressed as in step 5 in FIG. (See FIG. 3).

その後、燃料電池（燃料電池スタック）２０に流入するエアが含んでいてもよい水の物質量ｎ2−ｎ1［mol］と、入口エアの湿度ａから、冷却水入口温度の目標値Ｔin［Ｋ］を数式６に基づいて算出する。なお、ここでも、関数ｆ(Ｔ)がマップｍａｐ（Ｔ）を持っていることから、Ｔin［Ｋ］を求める式は図３中のステップ６のように表現することができる（図３参照）。 Thereafter, the target value T in of the cooling water inlet temperature is determined from the substance amount n 2 -n 1 [mol] of water that the air flowing into the fuel cell (fuel cell stack) 20 may contain and the humidity a of the inlet air. [K] is calculated based on Equation 6. In this case as well, since the function f (T) has the map map (T), the equation for obtaining T in [K] can be expressed as in step 6 in FIG. 3 (see FIG. 3). ).

このようにして冷却水入口温度の目標値Ｔin［Ｋ］を求めたら、上述した数式８に基づき、温度差ΔＴの目標値ΔＴtagを求めることができる（ステップ７）。 When the target value T in [K] of the cooling water inlet temperature is obtained in this way, the target value ΔT tag of the temperature difference ΔT can be obtained based on Equation 8 described above (step 7).

その後、ステップ８において、燃料電池２０が引き続き運転中であるかどうかを判断する。運転中であればステップ２にループして上述した一連の処理を繰り返す。一方、運転中でなければ一連の処理を終了する（ステップ９）。   Thereafter, in step 8, it is determined whether or not the fuel cell 20 is still operating. If it is in operation, it loops to step 2 and repeats the series of processes described above. On the other hand, if it is not in operation, a series of processing is terminated (step 9).

以上が本実施形態における燃料電池システム１および冷却水温度制御方法の内容であるが、以下に、水分量算定のための技術について参考までに説明を加えておく。   The above is the contents of the fuel cell system 1 and the cooling water temperature control method according to the present embodiment, but a technique for calculating the water content will be described below for reference.

本実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池２０への流入水分量および排出水分量、ならびに燃料電池２０における生成水分量から当該燃料電池２０における水収支を判断できるようにしている。このような判断は、例えば、燃料電池２０への流入ガスの物理量、燃料電池２０からの排出ガスの物理量、および、燃料電池の状態量に基づき、流入水分量、排出水分量として燃料電池２０から気体成分として排出される水分量、および液体成分として排出される水分量、ならびに生成水分量を算定する手段を用いることによって行うことができる。このような燃料電池システム１である場合には、燃料電池２０への流入水分量、燃料電池２０からの排出水分量、および生成水分量を算定し、これら算定値に基づいて当該燃料電池２０における水収支を判断することができる。また、その結果、燃料電池２０の内部に残留する水分量を把握し、内部における湿潤状態を判定することも可能である。この場合、排出水分量としては、気体成分として排出される水分量のみならず、液体成分として排出される水分量も加味されるので、燃料電池２０における水収支を正確に把握することが可能となる。   The fuel cell system 1 according to the present embodiment can determine the water balance in the fuel cell 20 from the amount of water flowing into and out of the fuel cell 20 and the amount of water generated in the fuel cell 20. Such determination is made, for example, from the fuel cell 20 as the inflow moisture amount and the exhaust moisture amount based on the physical quantity of the inflow gas to the fuel cell 20, the physical quantity of the exhaust gas from the fuel cell 20, and the state quantity of the fuel cell. This can be done by using means for calculating the amount of water discharged as a gas component, the amount of water discharged as a liquid component, and the amount of generated water. In the case of such a fuel cell system 1, the amount of water flowing into the fuel cell 20, the amount of water discharged from the fuel cell 20, and the amount of generated water are calculated, and in the fuel cell 20 based on these calculated values The water balance can be judged. As a result, it is also possible to grasp the amount of moisture remaining inside the fuel cell 20 and determine the wet state inside. In this case, since the amount of water discharged includes not only the amount of water discharged as a gas component but also the amount of water discharged as a liquid component, it is possible to accurately grasp the water balance in the fuel cell 20. Become.

より具体的に説明すると、燃料電池システム１においては、例えば流入ガスの物理量として流量、圧力、および湿度または露点温度を用い、また、排出ガスの物理量としては、流量、圧力、および、湿度もしくは露点温度または温度を用いることによって水収支を正確に判断することができる。この場合であれば、流入ガスの流量および圧力から単位時間あたりの流入ガスの体積を算出し、これと湿度（相対湿度でも絶対湿度でもよい）または露点温度、つまり流入ガスの気体成分としての水分の含有率とから、燃料電池２０へ気体成分として持ち込まれる水の量すなわち流入水分量が得られる。また、同様にして排出ガスの流量、圧力、および湿度または露点温度から、燃料電池２０から気体成分として排出される水分量が得られる。さらに、発電電流は、燃料電池２０における流入ガス（燃料ガスと酸化ガス）の反応量に相当するので、発電電流から単位時間あたりのその反応によって生じる生成水分の量が得られる。   More specifically, in the fuel cell system 1, for example, flow rate, pressure, and humidity or dew point temperature are used as physical quantities of inflow gas, and flow rate, pressure, and humidity or dew point are used as physical quantities of exhaust gas. By using temperature or temperature, the water balance can be accurately determined. In this case, the volume of the inflow gas per unit time is calculated from the flow rate and pressure of the inflow gas, and this and humidity (which may be relative humidity or absolute humidity) or dew point temperature, that is, moisture as a gas component of the inflow gas The amount of water brought into the fuel cell 20 as a gaseous component, that is, the amount of inflowing water can be obtained from the content rate of. Similarly, the amount of water discharged as a gas component from the fuel cell 20 is obtained from the flow rate, pressure, and humidity or dew point temperature of the exhaust gas. Furthermore, since the generated current corresponds to the reaction amount of the inflow gas (fuel gas and oxidizing gas) in the fuel cell 20, the amount of generated water generated by the reaction per unit time can be obtained from the generated current.

ここで、燃料電池２０の内部における水収支が正（プラス）、すなわち燃料電池２０への流入水分量と生成水分量の合計（水の増加量）が排出水分量（水の減少量）よりも多い場合には、通常、燃料電池２０の内部が過飽和になっており、水の一部が例えばミスト状の微小液滴となって液体成分として存在し得る。よって、上記のように算定された流入水分量、気体成分として排出される水分量、および生成水分量の収支の正負（プラス・マイナス）に基づいて、液体成分として排出され得る水分の存否を判断することもできる。   Here, the water balance in the fuel cell 20 is positive (plus), that is, the sum of the amount of water flowing into the fuel cell 20 and the amount of generated water (the amount of increase in water) is greater than the amount of water discharged (the amount of decrease in water). In many cases, the inside of the fuel cell 20 is usually supersaturated, and a part of the water may exist as a liquid component, for example, as a mist-like fine droplet. Therefore, the presence / absence of water that can be discharged as a liquid component is determined based on the amount of inflow moisture calculated as described above, the amount of water discharged as a gas component, and the positive / negative (plus / minus) of the balance of the generated water amount. You can also

また、燃料電池２０の内部に例えば微小液滴のような液体成分として存在する水分は排出ガスの流れとともに燃料電池２０の外に排出され得るので、排出ガス中の液滴だけを捕捉して、あるいは排出ガスをサンプリングして、液体成分として排出される水分量を測定または評価することも可能である。   In addition, since moisture existing as a liquid component such as microdroplets inside the fuel cell 20 can be discharged out of the fuel cell 20 along with the flow of the exhaust gas, only the droplets in the exhaust gas are captured, Alternatively, the exhaust gas can be sampled to measure or evaluate the amount of water discharged as a liquid component.

以上ここまで説明したように、本実施形態の燃料電池システム１によれば、エアの供給条件を踏まえたうえで冷却水温度（より具体的には、燃料電池２の入口における水と出口における水との温度差）の制御を行う、別の表現をすれば、従来ならば定性的でしかなかったのに対して具体的かつ定量的な判断を加えて制御を行うようにしたことから、燃料電池２０内の水バランスを従来よりも適切なものとすることが可能となる。   As described above, according to the fuel cell system 1 of the present embodiment, the cooling water temperature (more specifically, the water at the inlet of the fuel cell 2 and the water at the outlet of the fuel cell 2 in consideration of the air supply conditions). In other words, the control was performed by adding specific and quantitative judgment to the control, which was previously qualitative. It becomes possible to make the water balance in the battery 20 more appropriate than before.

また、一般に、燃料電池においては発電の際に酸化ガスが供給される酸素極（カソード）側で水が生成され、この水が凝縮によって液体化し、結露等によってガス流路内に滞留してしまい、それが系外へ排出できなくなると酸化ガスの流路が閉塞されるいわゆるフラッディング現象が引き起こされることがあるが、上述した本実施形態の燃料電池システム１あるいはこれによる冷却水温度制御方法によればこのようなフラッディング、さらにはドライアップといった問題が生じるのを抑制することができる。このため、発電が阻害されて燃料電池２０の出力が低下してしまうといった問題も抑制することが可能となる。   In general, in a fuel cell, water is generated on the side of an oxygen electrode (cathode) to which an oxidizing gas is supplied during power generation, and the water is liquefied by condensation and stays in the gas flow path due to condensation. However, if it cannot be discharged out of the system, a so-called flooding phenomenon in which the flow path of the oxidizing gas is blocked may be caused. However, according to the fuel cell system 1 of the present embodiment described above or the cooling water temperature control method using the same. For example, problems such as flooding and further dry-up can be suppressed. For this reason, it is possible to suppress the problem that power generation is inhibited and the output of the fuel cell 20 is reduced.

なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、上述した実施形態においては燃料電池２０からの持去り水量を、当該燃料電池２０における生成水量と等しくすることによって水収支バランスをとるようにした場合について説明したが、これは好適な一例に過ぎず他の態様とすることも可能である。すなわち、燃料電池２０の内部における水分の状態によっては、持去り水量を当該燃料電池２０における生成水量と異ならせることによって水バランスをとるということも考慮することができる。これについて説明すると（図４参照）、例えば、燃料電池２０内における含水量が所定量（理想的な量）よりも低く、水分を適宜増やすことによって適正化したいような場合であれば、本実施形態で説明した冷却水の温度差ΔＴよりも幅の狭い温度差ΔＴ’（ΔＴ＞ΔＴ’）を設定することもできる。例えば本実施形態と同様に冷却水出口温度Ｔoutがほぼ一定となっている場合、このように幅狭の温度差ΔＴ’を設定すると、その差分（＝ΔＴ−ΔＴ’）だけ入口冷却水温度Ｔinが上昇することになる（図４参照）。そうすると、これに対応して持去り水量がＶからＶ’（Ｖ＞Ｖ’）へと少なくなるから、その分だけ燃料電池２０内における含水量が増えることになる。換言すれば、冷却水入口温度Ｔinが上昇するのに伴って飽和蒸気量が増えるから、その分だけ燃料電池２０内へと流れ込む水分量が多くなって水バランスが改善するということである（図４参照）。 The above-described embodiment is an example of a preferred embodiment of the present invention, but is not limited thereto, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. For example, in the above-described embodiment, a case has been described in which the amount of water removed from the fuel cell 20 is made equal to the amount of water generated in the fuel cell 20 to achieve a water balance, but this is a preferred example. However, other embodiments are possible. That is, depending on the state of moisture in the fuel cell 20, it can be considered that the water balance is achieved by making the amount of removed water different from the amount of water generated in the fuel cell 20. This will be described (see FIG. 4). For example, if the water content in the fuel cell 20 is lower than a predetermined amount (ideal amount) and it is desired to optimize the water content by appropriately increasing the water content, the present embodiment is implemented. It is also possible to set a temperature difference ΔT ′ (ΔT> ΔT ′) that is narrower than the temperature difference ΔT of the cooling water described in the embodiment. For example, when the cooling water outlet temperature T out is substantially constant as in the present embodiment, if the narrow temperature difference ΔT ′ is set in this way, the inlet cooling water temperature is set by the difference (= ΔT−ΔT ′). T in will rise (see FIG. 4). Accordingly, the amount of water taken away decreases from V to V ′ (V> V ′) correspondingly, and accordingly, the water content in the fuel cell 20 increases accordingly. In other words, the amount of saturated steam increases as the cooling water inlet temperature T in rises, so that the amount of water flowing into the fuel cell 20 increases accordingly, and the water balance improves ( (See FIG. 4).

さらに、燃料電池２０の内部の水収支の判定結果に基づいて、燃料電池２０の内部に過剰な液体の水が滞留する可能性を予見し、この結果を制御に反映させることも可能である。例えばこの場合であれば、結露によって燃料電池２０内の空気または水素ガスの流路にフラッディングが生じることも予想されるので、燃料電池２０へ流入する空気あるいは水素ガスの流量または流速を増大させて燃料電池２０の内部の過剰な水分を強制的に排出させることも可能である。これにより、フラッディングが発生するのを確実に防止して発電効率や始動性を高めるといった制御が可能となる。   Further, based on the determination result of the water balance inside the fuel cell 20, it is possible to foresee the possibility that excessive liquid water will stay inside the fuel cell 20, and to reflect this result in the control. For example, in this case, flooding is also expected to occur in the flow path of air or hydrogen gas in the fuel cell 20 due to condensation, so the flow rate or flow rate of air or hydrogen gas flowing into the fuel cell 20 is increased. It is also possible to forcibly discharge excess water inside the fuel cell 20. As a result, it is possible to perform control such that generation of flooding is reliably prevented and power generation efficiency and startability are improved.

本発明の実施形態にかかる燃料電池システムの概略構成を示す図である。1 is a diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. 冷却水温度Ｔ（横軸）と、燃料電池内の水をオフガスに気相として排出する場合におけるガスの蒸気流量（縦軸）との関係を表すグラフである。It is a graph showing the relationship between the cooling water temperature T (horizontal axis) and the vapor | steam flow volume (vertical axis) in the case of discharging | emitting the water in a fuel cell to off-gas as a gaseous phase. 冷却水温度制御方法の一実施形態を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows one Embodiment of the cooling water temperature control method. 本発明の他の実施形態における冷却水温度Ｔ（横軸）とガス飽和蒸気量（縦軸）との関係を表すグラフである。It is a graph showing the relationship between the cooling water temperature T (horizontal axis) and the amount of gas saturated steam (vertical axis) in other embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

１…燃料電池システム、２０…燃料電池スタック（燃料電池）、２１…電流計（電流計測手段）、Ａ２…流量計（エア流量計測手段）、Ｐ４…圧力センサ（エア圧力計測手段）、Ｔ１…冷却水出口における冷却水温度センサ（温度計測手段） DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell system, 20 ... Fuel cell stack (fuel cell), 21 ... Ammeter (current measurement means), A2 ... Flow meter (air flow measurement means), P4 ... Pressure sensor (air pressure measurement means), T1 ... Cooling water temperature sensor (temperature measuring means) at the cooling water outlet

Claims (8)

燃料電池の冷却水出入口における水の温度差を制御するための燃料電池における冷却水温度制御方法であって、
前記燃料電池に供給される酸化ガスの供給条件に基づいて前記水の温度差を決定することを特徴とする燃料電池における冷却水温度制御方法。 A cooling water temperature control method in a fuel cell for controlling a temperature difference of water at a cooling water inlet / outlet of the fuel cell,
A cooling water temperature control method in a fuel cell, wherein the temperature difference of the water is determined based on a supply condition of an oxidizing gas supplied to the fuel cell. 前記酸化ガスの供給条件を表すパラメータとして、酸化ガス流量または酸化ガス圧力を考慮して前記水の温度差を決定することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池における冷却水温度制御方法。   The method for controlling the coolant temperature in a fuel cell according to claim 1, wherein the temperature difference of the water is determined in consideration of an oxidizing gas flow rate or an oxidizing gas pressure as a parameter representing the supply condition of the oxidizing gas. 冷却水出口における当該冷却水の温度を基準とし、燃料電池からの排水量が所定量となるように冷却水入口における当該冷却水の温度を決定することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池における冷却水温度制御方法。   The temperature of the cooling water at the cooling water inlet is determined so that the amount of drainage from the fuel cell becomes a predetermined amount with reference to the temperature of the cooling water at the cooling water outlet. A cooling water temperature control method in a fuel cell. 前記排水量を、当該燃料電池における生成水量と等しくして水収支バランスをとることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池における冷却水温度制御方法。   4. The method for controlling the cooling water temperature in a fuel cell according to claim 3, wherein the amount of waste water is made equal to the amount of water produced in the fuel cell to balance the water balance. 前記排水量を、当該燃料電池における生成水量と異ならせることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池における冷却水温度制御方法。   The cooling water temperature control method for a fuel cell according to claim 3, wherein the amount of waste water is made different from the amount of water produced in the fuel cell. 燃料電池が発電する電流の大きさを計測する電流計測手段と、
前記燃料電池に供給される酸化ガスの供給条件を検出する酸化ガス供給条件検出手段と、
前記燃料電池の冷却水出口における当該冷却水の温度を計測する温度計測手段と、
前記冷却水出口における冷却水温度に対する単位体積あたりの前記酸化ガスの飽和水蒸気量を記憶する記憶手段と、
前記計測した電流の大きさから求められる前記燃料電池内の生成水量、前記酸化ガス供給条件、および前記酸化ガスの飽和水蒸気量に基づいて前記燃料電池の冷却水入口における当該冷却水の温度の目標値を算出する計算手段と、
を備えていることを特徴とする燃料電池システム。 Current measuring means for measuring the magnitude of the current generated by the fuel cell;
Oxidizing gas supply condition detecting means for detecting a supply condition of oxidizing gas supplied to the fuel cell;
Temperature measuring means for measuring the temperature of the cooling water at the cooling water outlet of the fuel cell;
Storage means for storing a saturated water vapor amount of the oxidizing gas per unit volume with respect to a cooling water temperature at the cooling water outlet;
The target temperature of the cooling water at the cooling water inlet of the fuel cell based on the amount of generated water in the fuel cell determined from the measured current, the oxidizing gas supply condition, and the saturated water vapor amount of the oxidizing gas A calculation means for calculating a value;
A fuel cell system comprising: 前記酸化ガス供給条件検出手段は、前記酸化ガスの圧力を計測する酸化ガス圧力計測手段であることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 6, wherein the oxidizing gas supply condition detecting unit is an oxidizing gas pressure measuring unit that measures the pressure of the oxidizing gas. 前記酸化ガス供給条件検出手段は、前記燃料電池における前記酸化ガスの流量を計測する酸化ガス流量計測手段であることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。





The fuel cell system according to claim 6, wherein the oxidizing gas supply condition detecting unit is an oxidizing gas flow rate measuring unit that measures the flow rate of the oxidizing gas in the fuel cell.





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