JP2007128758A - Fuel cell system and gas constituent state detection method in fuel cell - Google Patents

Fuel cell system and gas constituent state detection method in fuel cell Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system capable of accurately knowing the quantity of water in the fuel cell stack, and thereby capable of obtaining high power generation efficiency. <P>SOLUTION: The fuel cell system is provided with a fuel cell which generates power by receiving supply of an oxidizer gas and a fuel gas. The system is provided with an ultrasonic transmitter 10, an ultrasonic receiver 11, and a detector 12 which detects gas component state in the fuel cell stack 20, based on the oscillation waveform transmitted from the ultrasonic transmitter 10 and the receiving waveform received by the ultrasonic receiver 11. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池システム及び燃料電池内のガス成分状態検出方法に関し、特に簡素な構造にて燃料電池内のガス成分状態を測定可能とする技術に関する。   The present invention relates to a fuel cell system and a gas component state detection method in a fuel cell, and more particularly to a technique that enables measurement of a gas component state in a fuel cell with a simple structure.

例えば固体高分子電解質型燃料電池は膜−電極接合体(以下、MEA)の両面を燃料ガス(水素等)流路及び酸化ガス(酸素等)流路を備えたセパレータで狭持した最小発電単位である単セルを有し、その単セルを多数積層して燃料電池スタック(以下、スタック)として構成されている。   For example, a solid polymer electrolyte fuel cell has a minimum power generation unit in which both sides of a membrane-electrode assembly (hereinafter referred to as MEA) are sandwiched by a separator having a fuel gas (hydrogen, etc.) channel and an oxidizing gas (oxygen, etc.) channel. Each of the single cells is stacked, and a large number of the single cells are stacked to form a fuel cell stack (hereinafter referred to as a stack).

発電に伴う生成水がスタック内に過量に存在すると(いわゆるフラッディング)、スタック内でのガス流通が阻害されて発電性能が低下する。これとは逆に、スタック内の電解質膜が所定の湿潤状態よりも乾燥すると(いわゆるドライアップ)、プロトン伝導性が低下して発電性能が低下したり、電解質膜の耐久性低下を招く。そこで、スタック内の水収支を制御すべく、電解質膜の内部に電極を配置し、インピーダンスを測定することでスタック内の水分量を測定する技術が開発されている(例えば、特許文献1)。
特開2004?146267号公報
If an excessive amount of water generated by power generation is present in the stack (so-called flooding), gas flow in the stack is hindered and power generation performance decreases. On the contrary, when the electrolyte membrane in the stack is dried from a predetermined wet state (so-called dry-up), proton conductivity is lowered and power generation performance is lowered, or durability of the electrolyte membrane is lowered. Therefore, in order to control the water balance in the stack, a technique has been developed in which an electrode is disposed inside the electrolyte membrane and the moisture content in the stack is measured by measuring impedance (for example, Patent Document 1).
JP 2004-146267 A

しかしながら、特許文献1のように電解質膜の内部に電極を配置すると、スタック内のガス成分状態を直接測定することができるという点で有利である反面、電解質膜の構造ひいてはスタックの構造が複雑となる。   However, when the electrodes are arranged inside the electrolyte membrane as in Patent Document 1, it is advantageous in that the gas component state in the stack can be directly measured, but the structure of the electrolyte membrane and thus the structure of the stack are complicated. Become.

本発明は、上記事情に鑑みて成されたものであり、簡素な構造にて燃料電池内のガス成分状態を検出可能にすることを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to enable detection of a gas component state in a fuel cell with a simple structure.

本発明の燃料電池システムは、ガス供給を受けて発電する燃料電池を備えた燃料電池システムであって、ガス流路上に、前記燃料電池の内部に音波を発信する音波発信手段と、該音波発信手段から発信され前記燃料電池内の少なくとも一部を伝播した音波を受信する音波受信手段と、が配置されていると共に、前記音波発信手段により発信された発信波形と、前記音波受信手段により受信された受信波形と、に基づいて燃料電池内のガス成分状態を検出する検出手段を備えたものである。   The fuel cell system of the present invention is a fuel cell system including a fuel cell that generates power upon receiving gas supply, and a sound wave transmitting means that transmits a sound wave to the inside of the fuel cell on a gas flow path, and the sound wave transmission And a sound wave receiving means for receiving a sound wave transmitted from the means and propagated through at least a part of the fuel cell, and a transmission waveform transmitted by the sound wave transmitting means and received by the sound wave receiving means. And a detecting means for detecting a gas component state in the fuel cell based on the received waveform.

この構成によれば、ガス流路上に配置された音波発信手段と音波受信手段とによる簡素な構造にて、例えば音波の発信から受信までの時間差を測定する等により、燃料電池内のガス成分状態、例えば燃料電池内に存在する水蒸気量を測定することができる。   According to this configuration, the gas component state in the fuel cell is measured by, for example, measuring a time difference from transmission to reception of sound waves with a simple structure of the sound wave transmission means and the sound wave reception means arranged on the gas flow path. For example, the amount of water vapor present in the fuel cell can be measured.

ただし、音波の伝播時間は温度やガス流速により変化するため、好ましくは、それらの測定を別途行い、その結果と合わせて検出結果を算出する。また、音波の発信時と受信時の波形(振幅、位相等)を比較することで、水滴の量も測定することが可能となる。   However, since the propagation time of the sound wave changes depending on the temperature and the gas flow rate, preferably, the measurement is separately performed, and the detection result is calculated together with the result. In addition, the amount of water droplets can be measured by comparing the waveforms (amplitude, phase, etc.) at the time of transmission and reception of sound waves.

前記検出手段は、前記発信波形と前記受信波形の振幅及び周期の少なくともいずれか一方の比較結果に基づいて、前記燃料電池内のガス成分状態を検出するものでもよい。   The detection unit may detect a gas component state in the fuel cell based on a comparison result of at least one of an amplitude and a period of the transmission waveform and the reception waveform.

燃料電池内に水滴が存在すると、音波に反射や干渉等による振幅や周期の変化、波形の乱れ等が発生する。そこで、本発明の燃料電池システムにおいては、発信波形と受信波形の差に基づき、ガス成分状態として水滴量をすることが可能となる。この測定は、振幅又は周期の一方の比較結果に基づいて行ってもよいし、両方の比較結果に基づいて行ってもよい。   When water droplets are present in the fuel cell, changes in amplitude and period due to reflection, interference, etc., waveform disturbance, etc. occur in the sound wave. Therefore, in the fuel cell system of the present invention, the amount of water droplets can be set as the gas component state based on the difference between the transmission waveform and the reception waveform. This measurement may be performed based on one comparison result of amplitude or period, or may be performed based on both comparison results.

本発明の燃料電池システムにおいては、前記燃料電池に接続されたガス配管に、前記音波発信手段及び前記音波受信手段の少なくとも一方が設けられていてもよい。   In the fuel cell system of the present invention, at least one of the sound wave transmitting means and the sound wave receiving means may be provided in a gas pipe connected to the fuel cell.

この構成によれば、ガス配管を通じて、燃料電池の外部から内部あるいは内部から外部に音波の発信及び受信が行われる。例えば、燃料電池の酸化ガス入口側または燃料ガス入口側に、音波発信手段を設置する一方で、酸化ガス出口側または燃料ガス出口側に、音波受信手段を設置することができる。   According to this configuration, sound waves are transmitted and received from the outside of the fuel cell to the inside or from the inside to the outside through the gas pipe. For example, the sound wave transmitting means can be installed on the oxidizing gas inlet side or the fuel gas inlet side of the fuel cell, while the sound wave receiving means can be installed on the oxidizing gas outlet side or the fuel gas outlet side.

本発明の燃料電池システムにおいては、前記燃料電池内のガス流路に屈曲部と直線部とを有し(例えば、サーぺンタイン流路)、前記音波発信手段及び前記音波受信手段は、前記直線部に所定の間隔をおいて対向配置されていてもよい。   In the fuel cell system of the present invention, the gas flow path in the fuel cell has a bent part and a straight part (for example, a serpentine flow path), and the sound wave transmitting means and the sound wave receiving means are the straight lines. The portions may be arranged to face each other at a predetermined interval.

この構成によれば、ガス流路の屈曲部に音波発信手段や音波発信手段を配置して測定する場合のように、音波の伝播ルートに障害物(屈曲部の壁面)となるものが存在しないので、該障害物が存在するときに必要な補正等の処理が不要になり、より高精度の測定が可能となる。   According to this configuration, there is no obstacle (a wall surface of the bent portion) in the propagation path of the sound wave as in the case where the sound wave transmitting unit or the sound wave transmitting unit is arranged in the bent portion of the gas flow path for measurement. Therefore, processing such as correction required when the obstacle is present is unnecessary, and higher-precision measurement is possible.

本発明に係る燃料電池内のガス成分状態検出方法は、ガス供給を受けて発電する燃料電池内のガス成分状態を検出する検出方法であって、ガス流路を介して前記燃料電池の内部に音波を発信するとともに、該燃料電池内の少なくとも一部を伝播した前記音波を受信し、これら発信波形と受信波形とに基づいて前記燃料電池内のガス成分状態を検出するものである。   A method for detecting a gas component state in a fuel cell according to the present invention is a detection method for detecting a gas component state in a fuel cell that generates power upon receiving a gas supply, and is provided inside the fuel cell via a gas flow path. A sound wave is transmitted, and the sound wave propagated through at least a part of the fuel cell is received, and a gas component state in the fuel cell is detected based on the transmission waveform and the received waveform.

この構成によれば、ガス流路を介して燃料電池内に音波を発信し、例えば該音波の発信から受信までの時間差を測定する等により、燃料電池内のガス成分状態、例えば燃料電池内に存在する水蒸気量を検出することができる。   According to this configuration, a sound wave is transmitted into the fuel cell through the gas flow path, and a gas component state in the fuel cell, for example, in the fuel cell is measured, for example, by measuring a time difference from transmission to reception of the sound wave. The amount of water vapor present can be detected.

ただし、音波の伝播時間は温度、ガス流速により変化するため、好ましくは、それらの測定を別途行い、その結果と合わせて検出結果を算出する。また、音波の発信時と受信時の波形(振幅、位相等)を比較することで水滴の量も検出することが可能となる。   However, since the propagation time of the sound wave changes depending on the temperature and the gas flow rate, preferably, the measurement is separately performed, and the detection result is calculated together with the result. In addition, the amount of water droplets can be detected by comparing waveforms (amplitude, phase, etc.) at the time of transmission and reception of sound waves.

本発明によれば、ガス流路上に配置された音波発信手段と音波受信手段とにより、簡素な構造にて、燃料電池内のガス成分状態を検出することが可能となる。   According to the present invention, it is possible to detect the gas component state in the fuel cell with a simple structure by the sound wave transmitting means and the sound wave receiving means arranged on the gas flow path.

<第1実施形態>
次に、本発明に係る燃料電池システムの一実施の形態を説明する。
<First Embodiment>
Next, an embodiment of a fuel cell system according to the present invention will be described.

以下、この燃料電池システムを燃料電池車両の車載発電システムに適用した場合について説明するが、本発明はこのような適用例に限らず、船舶,航空機,電車、歩行ロボット等のあらゆる移動体への適用や、例えば燃料電池が建物(住宅、ビル等)用の発電設備として用いられる定置用発電システムへの適用も可能である。   Hereinafter, the case where this fuel cell system is applied to an in-vehicle power generation system of a fuel cell vehicle will be described. However, the present invention is not limited to such an application example, and is applicable to all moving objects such as ships, airplanes, trains, and walking robots. For example, the present invention can be applied to a stationary power generation system in which a fuel cell is used as a power generation facility for a building (house, building, etc.).

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71を介して燃料電池スタック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圧力センサP4、及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。なお、エアフィルタA1には、空気流量を検出する図示省略のエアフローメータ(流量計)が設けられている。   As shown in FIG. 1, air (outside air) as an oxidizing gas is supplied to the air supply port of the fuel cell stack 20 via an air supply path 71. The air supply path 71 is provided with an air filter A1 that removes particulates from the air, a compressor A3 that pressurizes the air, a pressure sensor P4 that detects the supply air pressure, and a humidifier A21 that adds required moisture to the air. The compressor A3 is driven by a motor (auxiliary machine). This motor is driven and controlled by a control unit 50 described later. The air filter A1 is provided with an air flow meter (flow meter) (not shown) that detects the air flow rate.

燃料電池スタック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、及び加湿器A21の熱交換器が設けられている。圧力センサP1は、燃料電池スタック20の空気排気口近傍に設けられている。圧力調整弁A4は、燃料電池スタック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 stack 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 stack 20. The pressure adjustment valve A4 functions as a pressure regulator (pressure reduction) that sets the air pressure supplied to the fuel cell stack 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のモータ回転数及び圧力調整弁A4の開度面積を調整することによって、燃料電池スタック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 stack 20 by adjusting the motor rotation speed of the compressor A3 and the opening area of the pressure adjustment valve A4.

燃料ガスとしての水素ガスは、水素供給源30から燃料供給路74を介して燃料電池スタック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であっても良い。   Hydrogen gas as fuel gas is supplied from the hydrogen supply source 30 to the hydrogen supply port of the fuel cell stack 20 via the fuel supply path 74. The hydrogen supply source 30 corresponds to, for example, a high-pressure hydrogen tank, but may be 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、燃料電池スタック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、燃料電池スタック20の水素供給口と燃料供給路74間を開閉する遮断弁H21、及び水素ガスの燃料電池スタック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 to the fuel cell stack 20. A hydrogen pressure regulating valve H9 for reducing and adjusting the gas supply pressure, a pressure sensor P9 for detecting the hydrogen gas pressure downstream of the hydrogen pressure regulating valve H9, and a cutoff for opening and closing between the hydrogen supply port of the fuel cell stack 20 and the fuel supply path 74. A pressure sensor P5 for detecting the inlet pressure of the valve H21 and the fuel cell stack 20 of hydrogen gas 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良い。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. However, a valve whose 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.

燃料電池スタック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、燃料電池スタック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、及び逆流阻止弁H52が設けられている。   The hydrogen gas that has not been consumed in the fuel cell stack 20 is discharged to the hydrogen circulation path 75 as a hydrogen off-gas 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 stack 20 and the hydrogen circulation path 75, a gas-liquid separator H42 that collects moisture from the hydrogen off-gas, and a recovery A drain valve H41 that collects the generated 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、燃料電池スタック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に供給される。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 stack 20. A detection signal (not shown) of the temperature sensor T31 is supplied 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、燃料電池スタック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 stack 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、水素ガス中の不純物濃度が増すことによるセル電圧の低下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 a cell voltage from being lowered due to an increase in the impurity concentration in the hydrogen gas.

燃料電池スタック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、燃料電池スタック20から排水される冷却水の温度を検出する温度センサ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、及び燃料電池スタック20に供給される冷却水の温度を検出する温度センサ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 stack 20. In the cooling path 73, a temperature sensor T1 that detects the temperature of the cooling water drained from the fuel cell stack 20, a radiator (heat exchanger) C2 that radiates the heat of the cooling water to the outside, and the cooling water is pressurized and circulated. A temperature sensor T2 that detects the temperature of the cooling water supplied to the pump C1 and the fuel cell stack 20 is provided. The radiator C2 is provided with a cooling fan C13 that is rotationally driven by a motor.

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100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。   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 100, and the system Control the operation of valves and motors in each part.

なお、制御部50は、図示し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。この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及びディスプレイなどの公知構成から成り、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 is configured by a control computer system (not shown). The control computer system has a known configuration such as a CPU, ROM, RAM, HDD, input / output interface, and display, and is configured by a commercially available control computer system.

燃料電池スタック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20aを所要数積層してなる燃料電池スタックとして構成されている。燃料電池スタック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、車両の駆動モータに電力を供給するインバータと、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に電力を供給するインバータと、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。   The fuel cell stack 20 is configured as a fuel cell stack in which a required number of unit cells 20a that generate power upon receipt of fuel gas and oxidant gas are stacked. The electric power generated by the fuel cell stack 20 is supplied to a power control unit (not shown). The power control unit consists of an inverter that supplies electric power to the drive motor of the vehicle, an inverter that supplies electric power to various auxiliary devices such as a compressor motor and a motor for a hydrogen pump, and charging of power storage means such as a secondary battery. A DC-DC converter or the like that supplies power to the motors from the power storage means is provided.

本実施形態では、燃料電池スタック20の空気入口側(空気供給路71)または水素入口側(燃料供給路74)に、超音波発信機(音波発信手段)10を設置する。また、空気出口側(排気路72)または水素出口側(水素循環路75)に、超音波受信機(音波受信手段)11を設置する。   In the present embodiment, the ultrasonic transmitter (sound wave transmission means) 10 is installed on the air inlet side (air supply path 71) or the hydrogen inlet side (fuel supply path 74) of the fuel cell stack 20. In addition, an ultrasonic receiver (sound wave receiving means) 11 is installed on the air outlet side (exhaust passage 72) or the hydrogen outlet side (hydrogen circulation passage 75).

さらに、超音波発信機10により発信された発信波形と、超音波受信機11により受信された受信波形と、に基づいて燃料電池スタック20内のガス成分状態を検出する検出機(検出手段)12を備える。検出機12は、超音波発信機10から発信された発信波形と、超音波受信機11にて受信された受信波形を、これら超音波発信機10及び超音波受信機11からそれぞれ受信して燃料電池スタック20内の状態を検出すると共に、検出結果を制御部50に与える。   Furthermore, a detector (detection means) 12 that detects a gas component state in the fuel cell stack 20 based on the transmission waveform transmitted by the ultrasonic transmitter 10 and the reception waveform received by the ultrasonic receiver 11. Is provided. The detector 12 receives the transmission waveform transmitted from the ultrasonic transmitter 10 and the received waveform received by the ultrasonic receiver 11 from the ultrasonic transmitter 10 and the ultrasonic receiver 11, respectively. While detecting the state in the battery stack 20, the detection result is given to the control unit 50.

このように構成された本実施形態の燃料電池システム100においては、燃料電池スタック20の運転中において、制御部50からの駆動信号を受けた検出機12が超音波発信機10を作動させると、該超音波発信機10は超音波を燃料電池スタック20内に発信する。超音波発信機10により発信された超音波は、燃料電池スタック20内を伝播し、超音波受信機11により受信される。   In the fuel cell system 100 of the present embodiment configured as described above, when the detector 12 that has received the drive signal from the control unit 50 operates the ultrasonic transmitter 10 during operation of the fuel cell stack 20, The ultrasonic transmitter 10 transmits ultrasonic waves into the fuel cell stack 20. The ultrasonic wave transmitted by the ultrasonic transmitter 10 propagates through the fuel cell stack 20 and is received by the ultrasonic receiver 11.

検出機12は、超音波の発信から受信までの時間差を測定することにより、燃料電池スタック20内に存在する水蒸気量を検出する。ただし、超音波の伝播時間は温度やガス流速により変化するため、それらの測定を別途行い、その結果と合わせて検出結果を算出する。   The detector 12 detects the amount of water vapor present in the fuel cell stack 20 by measuring the time difference from transmission to reception of ultrasonic waves. However, since the propagation time of the ultrasonic wave changes depending on the temperature and the gas flow rate, these measurements are separately performed, and the detection result is calculated together with the measurement result.

例えば、空気中の音波の速度は100℃の水蒸気では471.5m/sec、乾燥空気では20℃のとき343.5m/sec、0℃の時331.45m/secである。また、音波の伝播速度は温度が高い方が速く、音波の伝播速度が速い方が、発信から受信までの時間(音波到達時間)は短くなる。このため、音波到達時間と水蒸気量と温度との関係は、例えば図3に示したような傾向になる。   For example, the velocity of sound waves in the air is 471.5 m / sec for water vapor at 100 ° C., 343.5 m / sec for dry air at 20 ° C., and 331.45 m / sec at 0 ° C. In addition, the higher the temperature, the faster the sound wave propagation speed, and the faster the sound wave propagation speed, the shorter the time from transmission to reception (sound wave arrival time). For this reason, the relationship between the sound wave arrival time, the water vapor amount, and the temperature has a tendency as shown in FIG. 3, for example.

検出機12は、これら三者の関係と上記の各測定結果とに基づいて、水蒸気量を算出する。具体的には、ガス温度はガス配管内または燃料電池スタック20内に設置した温度センサにより測定する。ガス流速は、ガス配管内または燃料電池スタック20内に設置した圧力センサで測定した圧力値と、ガス流路断面積とから算出する、もしくは、ガス配管内または燃料電池スタック20内に流量計を設置して測定する。   The detector 12 calculates the amount of water vapor based on the relationship between these three elements and the above measurement results. Specifically, the gas temperature is measured by a temperature sensor installed in the gas pipe or the fuel cell stack 20. The gas flow rate is calculated from the pressure value measured by the pressure sensor installed in the gas pipe or the fuel cell stack 20 and the gas flow path cross-sectional area, or a flow meter is installed in the gas pipe or the fuel cell stack 20. Install and measure.

なお、ガス流路とは、燃料電池スタック20に接続されたガス配管内のガス流路と、燃料電池スタック20内のガス流路の両方を含むものである。   The gas flow path includes both a gas flow path in the gas pipe connected to the fuel cell stack 20 and a gas flow path in the fuel cell stack 20.

本実施形態においては、超音波の発信時と受信時の波形(振幅、位相等)を比較することで、水滴の量も検出することが可能となる。つまり、例えば図4に示したように、受信波形には、水滴による反射や干渉等を原因として振幅や周期の変化、波形の乱れ等が発生することがわかっているため、検出機12は、発信波形と受信波形との差異、特に振幅と周期の一方又は両方の相違を比較することで、水滴量を検出することが可能となる。   In the present embodiment, it is possible to detect the amount of water droplets by comparing the waveforms (amplitude, phase, etc.) at the time of transmission and reception of ultrasonic waves. That is, for example, as shown in FIG. 4, since it is known that the received waveform includes a change in amplitude or period due to reflection or interference due to water droplets, a disturbance in the waveform, etc. By comparing the difference between the transmission waveform and the reception waveform, particularly the difference between one or both of the amplitude and the period, it is possible to detect the amount of water droplets.

以上のように、本実施形態の燃料電池システム100によれば、ガス流路上に配置された超音波発信機10と超音波受信機11とにより、電解質膜の内部に電極等のガス成分状態検出手段を配設する構成に比して、簡素な構造にて、燃料電池スタック20内の湿度(水蒸気量)及び水滴量を同時に検出することができる。   As described above, according to the fuel cell system 100 of the present embodiment, the state of the gas component such as the electrode inside the electrolyte membrane is detected by the ultrasonic transmitter 10 and the ultrasonic receiver 11 arranged on the gas flow path. The humidity (water vapor amount) and the amount of water droplets in the fuel cell stack 20 can be detected simultaneously with a simple structure as compared with the configuration in which the means is provided.

したがって、燃料電池スタック20内の水収支制御を高精度に行えるようになり、フラッディング及びドライアップの発生を抑制し得て、高い発電効率を維持することができ、さらには、単セル20a内部の水分量を適正に制御することで、電解質膜の耐久性を向上させることができる。   Therefore, water balance control in the fuel cell stack 20 can be performed with high accuracy, generation of flooding and dry-up can be suppressed, high power generation efficiency can be maintained, and further, the inside of the single cell 20a can be maintained. The durability of the electrolyte membrane can be improved by appropriately controlling the amount of water.

なお、本実施形態においては、超音波を発生する超音波送受信機を用いたが、音波であれば超音波でなくてもよい。また、発信機と受信機は、酸化ガス又は燃料ガスの入口側または出口側のどちら側に設けてもよい。また、酸化ガス給排系と燃料ガス給排系の両方に超音波発信機10及び超音波受信機11を設けてもよいし、一方にのみ設けてもよい。また、検出機12の機能の一部又は全部を制御部50にて行うようにしてもよい。   In this embodiment, an ultrasonic transmitter / receiver that generates ultrasonic waves is used. However, ultrasonic waves may not be used as long as they are sound waves. Further, the transmitter and the receiver may be provided on either the inlet side or the outlet side of the oxidizing gas or the fuel gas. Further, the ultrasonic transmitter 10 and the ultrasonic receiver 11 may be provided in both the oxidizing gas supply / discharge system and the fuel gas supply / discharge system, or may be provided only in one. Further, part or all of the functions of the detector 12 may be performed by the control unit 50.

<第2実施形態>
本発明に係る燃料電池システムは、図2に示すように構成してもよい。
Second Embodiment
The fuel cell system according to the present invention may be configured as shown in FIG.

燃料電池スタック20を構成する各単セル20a、20a、…、20aは、電解質膜−電極接合体の両面を、燃料ガス流路及び酸化ガス流路を備えたセパレータで狭持した構成を有し、前記ガス流路には直線部21が形成されている。このガス流路の直線部21の両端に、それぞれ超音波発信機10及び超音波受信機11を対向させて取り付ける。これにより、単セル20a毎に内部の水分量、湿度を検出することが可能となる。   Each unit cell 20a, 20a,..., 20a constituting the fuel cell stack 20 has a configuration in which both surfaces of the electrolyte membrane-electrode assembly are sandwiched by a separator having a fuel gas channel and an oxidizing gas channel. A straight portion 21 is formed in the gas flow path. The ultrasonic transmitter 10 and the ultrasonic receiver 11 are attached to both ends of the straight portion 21 of the gas flow path so as to face each other. Thereby, it becomes possible to detect the amount of moisture and humidity inside each single cell 20a.

本実施形態においては、まず、上記実施形態と同様にして、ガス流路の直線部21の水分量測定を行う。次いで、その測定結果に基づき、検出機12または制御部50が測定部分の単位面積当たりの水分量から全体の水分量と湿度を推定する。ただし、水滴は下部に溜まるため、車載状態での上下方向(重力方向)で補正を行う。   In the present embodiment, first, the moisture content of the straight portion 21 of the gas flow path is measured in the same manner as in the above embodiment. Next, based on the measurement result, the detector 12 or the control unit 50 estimates the total moisture amount and humidity from the moisture amount per unit area of the measurement portion. However, since water droplets accumulate in the lower part, correction is performed in the vertical direction (the direction of gravity) in the on-vehicle state.

これにより、燃料電池スタック20内の水収支制御を高精度に行えるようになり、フラッディング及びドライアップの発生を抑制し得て、高い発電効率を維持することができ、さらには、単セル20a内部の水分量を適正に制御することで、電解質膜の耐久性を向上させることができる。   As a result, water balance control in the fuel cell stack 20 can be performed with high accuracy, generation of flooding and dry-up can be suppressed, high power generation efficiency can be maintained, and further, the inside of the single cell 20a By appropriately controlling the amount of water, the durability of the electrolyte membrane can be improved.

また、本実施形態では、単セル20a内のガス流路の直線部21に超音波発信機10及び超音波受信機20を配置して測定しているので、例えばサーペンタイン流路における屈曲部に超音波発信機10や超音波受信機11を配置して測定する場合のように、図2の破線で示す音波の伝播ルートに障害物(屈曲部の壁面)となるものが存在せず、したがって、該障害物が存在するときに必要な補正等の処理が不要になり、より高精度の測定が可能となる。   Further, in the present embodiment, since the ultrasonic transmitter 10 and the ultrasonic receiver 20 are arranged and measured in the straight portion 21 of the gas flow path in the single cell 20a, for example, it is super There is no obstacle (wall surface of the bent portion) in the sound wave propagation route indicated by the broken line in FIG. 2 as in the case where the sound wave transmitter 10 or the ultrasonic wave receiver 11 is arranged and measured. Processing such as correction required when the obstacle is present becomes unnecessary, and measurement with higher accuracy becomes possible.

このようなことから、単セル20a内のガス流路が直線部と屈曲部とが連なるサーペンタイン流路である場合には、該サーペンタイン流路の直線部に超音波発信機10及び超音波受信機20を所定の間隔をおいて対向配置させるのが好ましい。   For this reason, when the gas flow path in the single cell 20a is a serpentine flow path in which a straight portion and a bent portion are continuous, the ultrasonic transmitter 10 and the ultrasonic receiver are connected to the straight portion of the serpentine flow path. It is preferable to arrange 20 to face each other at a predetermined interval.

<第3実施形態>
上記実施形態の応用として、燃料電池スタック20内が所定の湿潤度以下に乾燥したことを検知した場合には、水滴の溜まりやすい位置に超音波発信機10を設置し、所定の周波数及び振幅以上の超音波を水滴に当てることで、超音波加湿を行うことが可能となる。
<Third Embodiment>
As an application of the above-described embodiment, when it is detected that the inside of the fuel cell stack 20 has been dried to a predetermined wetness or less, the ultrasonic transmitter 10 is installed at a position where water droplets are likely to accumulate, and the predetermined frequency and amplitude are exceeded. It is possible to perform ultrasonic humidification by applying the ultrasonic wave to a water droplet.

また、低温起動対策として実施される、システム停止時における燃料電池スタック20内の排水処理(乾燥処理)においても、超音波により水滴(水分)を霧化させ、これをガスパージすることで、燃料電池スタック20内の水分を効果的に外部に持ち去ることが可能となる。   Also, in the drainage treatment (drying treatment) in the fuel cell stack 20 when the system is stopped, which is implemented as a low-temperature start-up measure, water droplets (moisture) are atomized by ultrasonic waves, and this is gas purged, whereby the fuel cell The moisture in the stack 20 can be effectively taken outside.

本発明の一実施形態として示した燃料電池システムの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the fuel cell system shown as one Embodiment of this invention. 燃料電池スタックに対して超音波発信機及び超音波受信機を取り付けた状態について示した概略図である。It is the schematic shown about the state which attached the ultrasonic transmitter and the ultrasonic receiver with respect to the fuel cell stack. 音波到達時間と水蒸気量と温度との関係を示した図である。It is the figure which showed the relationship between sonic wave arrival time, the amount of water vapor | steam, and temperature. 超音波発信機の発信波形について示した図である。It is the figure shown about the transmission waveform of the ultrasonic transmitter. 超音波受信機による水滴の有無による受信波形の変化について示した図であり、(a)は水滴が無い場合を示しており、(b)は水滴が有る場合を示している。It is the figure shown about the change of the received waveform by the presence or absence of the water droplet by an ultrasonic receiver, (a) has shown the case where there is no water droplet, (b) has shown the case where there is a water droplet.

符号の説明Explanation of symbols

10…超音波発信機(音波発信手段)、11…超音波受信機(音波受信手段)、12…検出機(検出手段)、20…燃料電池スタック、20a…単セル、50…制御部、71…空気供給路(ガス流路)、72…排気路(ガス流路)、74…燃料供給路(ガス流路)、75…水素循環路(ガス流路)、100…燃料電池システム   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Ultrasonic transmitter (sonic wave transmission means), 11 ... Ultrasonic receiver (sonic wave reception means), 12 ... Detector (detection means), 20 ... Fuel cell stack, 20a ... Single cell, 50 ... Control part, 71 ... Air supply path (gas flow path), 72 ... Exhaust path (gas flow path), 74 ... Fuel supply path (gas flow path), 75 ... Hydrogen circulation path (gas flow path), 100 ... Fuel cell system

Claims (5)

ガス供給を受けて発電する燃料電池を備えた燃料電池システムであって、
ガス流路上に、前記燃料電池の内部に音波を発信する音波発信手段と、該音波発信手段から発信され前記燃料電池内の少なくとも一部を伝播した音波を受信する音波受信手段と、が配置されていると共に、
前記音波発信手段により発信された発信波形と、前記音波受信手段により受信された受信波形と、に基づいて燃料電池内のガス成分状態を検出する検出手段を備えた燃料電池システム。
A fuel cell system including a fuel cell that generates electricity by receiving gas supply,
On the gas flow path, a sound wave transmitting means for transmitting a sound wave to the inside of the fuel cell, and a sound wave receiving means for receiving a sound wave transmitted from the sound wave transmitting means and propagated through at least a part of the fuel cell are disposed. And
A fuel cell system comprising detection means for detecting a gas component state in a fuel cell based on a transmission waveform transmitted by the sound wave transmission means and a reception waveform received by the sound wave reception means.
前記検出手段は、前記発信波形と前記受信波形の振幅及び周期の少なくともいずれか一方の比較結果に基づいて、前記燃料電池内のガス成分状態を検出する請求項1に記載の燃料電池システム。   2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the detection unit detects a gas component state in the fuel cell based on a comparison result of at least one of an amplitude and a period of the transmission waveform and the reception waveform. 前記燃料電池に接続されたガス配管に、前記音波発信手段及び前記音波受信手段の少なくとも一方が設けられている請求項1または2に記載の燃料電池システム。   3. The fuel cell system according to claim 1, wherein at least one of the sound wave transmitting unit and the sound wave receiving unit is provided in a gas pipe connected to the fuel cell. 前記燃料電池内のガス流路に屈曲部と直線部とを有し、
前記音波発信手段及び前記音波受信手段は、前記直線部に所定の間隔をおいて対向配置されている請求項1または2に記載の燃料電池システム。
The gas flow path in the fuel cell has a bent portion and a straight portion,
3. The fuel cell system according to claim 1, wherein the sound wave transmitting unit and the sound wave receiving unit are disposed to face the linear portion at a predetermined interval.
ガス供給を受けて発電する燃料電池内のガス成分状態を検出する検出方法であって、
ガス流路を介して前記燃料電池の内部に音波を発信するとともに、該燃料電池内の少なくとも一部を伝播した前記音波を受信し、これら発信波形と受信波形とに基づいて前記燃料電池内のガス成分状態を検出する燃料電池内のガス成分状態検出方法。

A detection method for detecting a gas component state in a fuel cell that generates electricity by receiving gas supply,
A sound wave is transmitted to the inside of the fuel cell via the gas flow path, and the sound wave propagated through at least a part of the fuel cell is received, and the sound wave in the fuel cell is received based on the transmission waveform and the received waveform. A gas component state detection method in a fuel cell for detecting a gas component state.

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