JP2007188665A - Fuel cell system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system in which current and voltage characteristics can be estimated in good accuracy and causes of concentration overvoltage can be judged by distinguishing into a reduction in reaction gas concentration and a flooding. <P>SOLUTION: The concentration of hydrogen contained in anode off-gas exhausted from an anode of a fuel cell 12 is detected by a hydrogen concentration sensor 68. The concentration polarization characteristics are estimated as the concentration overvoltage to be larger, the lower the hydrogen concentration is. The current and voltage characteristics of the fuel cell 12 are estimated by calculating the concentration polarization characteristics into account. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特に、電流−電圧特性を推定する手段を備えた燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system including means for estimating current-voltage characteristics.

燃料電池自動車などに搭載する燃料電池の開発が進められている。燃料電池の電圧は、様々な損失の影響で、理論電圧よりも低下する。このため、燃料電池は、曲線的な電流−電圧特性を示すのが普通である。この電流−電圧特性に比して、燃料電池への要求出力が大き過ぎると、燃料電池の負荷が過大となり、燃料電池にダメージを与えるおそれがある。   The development of fuel cells for use in fuel cell vehicles is underway. The voltage of the fuel cell is lower than the theoretical voltage due to various loss effects. For this reason, a fuel cell usually exhibits curvilinear current-voltage characteristics. If the required output to the fuel cell is too large compared to the current-voltage characteristics, the load on the fuel cell becomes excessive, and the fuel cell may be damaged.

理論電圧に比して電圧低下が生じる現象を分極といい、その電圧低下の大きさを過電圧という。分極は、活性化分極、抵抗分極、濃度分極の３つに分けられる。活性化分極や抵抗分極の影響で、燃料電池の電流−電圧特性は、燃料電池の動作温度に応じて変化する。   The phenomenon in which a voltage drop occurs compared to the theoretical voltage is called polarization, and the magnitude of the voltage drop is called overvoltage. Polarization is divided into three types: activation polarization, resistance polarization, and concentration polarization. Under the influence of activation polarization and resistance polarization, the current-voltage characteristics of the fuel cell change according to the operating temperature of the fuel cell.

特開２００４−２６５６８３号公報には、燃料電池にダメージを与える可能性のある条件での燃料電池の運転を回避するべく、動作温度に応じた複数の基準電流−電圧特性を記憶した燃料電池システムが開示されている。このシステムでは、動作温度に応じて、そのときの電流−電圧特性を推定し、推定された電流−電圧特性曲線上における最良動作点と実際の動作点との乖離度合いが許容値を超えないように、燃料電池への要求出力を制限するようにしている。   Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-265683 discloses a fuel cell system that stores a plurality of reference current-voltage characteristics corresponding to operating temperatures in order to avoid operation of the fuel cell under conditions that may damage the fuel cell. Is disclosed. In this system, the current-voltage characteristic at that time is estimated according to the operating temperature, and the degree of deviation between the best operating point and the actual operating point on the estimated current-voltage characteristic curve does not exceed the allowable value. In addition, the required output to the fuel cell is limited.

特開２００４−２６５６８３号公報JP 2004-265683 A 特開平８−１３８６９１号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-138691 特開２００３−９２１２１号公報JP 2003-92121 A

しかしながら、上記従来のシステムでは、電流−電圧特性の推定に際し、反応ガス濃度低下に起因する濃度分極の影響が考慮されていない。このため、例えばセル内の水素濃度低下によって濃度分極が発生している場合には、実際の電流−電圧特性は上記従来のシステムで推定された電流−電圧特性よりも小さくなる。このため、実際の性能に比して過剰な電流が取り出される場合が生じ、その結果、水素欠乏が発生して、燃料電池にダメージを与えるおそれがある。   However, in the conventional system described above, the influence of concentration polarization due to the decrease in the reaction gas concentration is not taken into account when estimating the current-voltage characteristics. For this reason, for example, when concentration polarization occurs due to a decrease in the hydrogen concentration in the cell, the actual current-voltage characteristics are smaller than the current-voltage characteristics estimated by the conventional system. For this reason, an excessive current may be extracted as compared with the actual performance. As a result, hydrogen deficiency may occur, and the fuel cell may be damaged.

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、電流−電圧特性を精度良く推定することのできる燃料電池システムを提供することを目的とする。また、この発明は、濃度過電圧の原因を、反応ガス濃度の低下と、フラッディングとに区別して判定することのできる燃料電池システムを提供することを他の目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide a fuel cell system capable of accurately estimating current-voltage characteristics. Another object of the present invention is to provide a fuel cell system that can determine the cause of the concentration overvoltage by distinguishing between a decrease in the reaction gas concentration and flooding.

第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
アノードに燃料ガスの供給を受け、カソードに酸化剤ガスの供給を受けることにより、発電する燃料電池と、
前記燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスに含まれる燃料の濃度と、前記燃料電池のカソードから排出されるカソードオフガスに含まれる酸素の濃度との少なくとも一方を検出する反応ガス濃度検出手段と、
前記燃料電池の電流−電圧特性を推定する電流−電圧特性推定手段と、
を備え、
前記電流−電圧特性推定手段は、前記反応ガス濃度検出手段により検出された濃度が低いほど濃度過電圧が大きいものと推定する濃度分極特性推定手段を含み、該濃度分極特性推定手段により推定された濃度分極特性を算入して、電流−電圧特性を推定するものであることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a first invention is a fuel cell system,
A fuel cell that generates power by receiving supply of fuel gas to the anode and supply of oxidant gas to the cathode; and
Reactive gas concentration detection means for detecting at least one of the concentration of fuel contained in the anode off-gas discharged from the anode of the fuel cell and the concentration of oxygen contained in the cathode off-gas discharged from the cathode of the fuel cell;
Current-voltage characteristic estimating means for estimating a current-voltage characteristic of the fuel cell;
With
The current-voltage characteristic estimation means includes concentration polarization characteristic estimation means for estimating that the concentration overvoltage is larger as the concentration detected by the reaction gas concentration detection means is lower, and the concentration estimated by the concentration polarization characteristic estimation means It is characterized in that the current-voltage characteristics are estimated by taking into account the polarization characteristics.

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記燃料電池の電圧を検出する電圧検出手段と、
前記電圧検出手段により検出された電圧が、前記電流−電圧特性推定手段により推定された電流−電圧特性に比して有意に低い場合に、フラッディングが発生しているものと判定するフラッディング判定手段と、
を更に備えることを特徴とする。 The second invention is the first invention, wherein
Voltage detecting means for detecting the voltage of the fuel cell;
Flooding determination means for determining that flooding has occurred when the voltage detected by the voltage detection means is significantly lower than the current-voltage characteristic estimated by the current-voltage characteristic estimation means; ,
Is further provided.

また、第３の発明は、第１の発明において、
前記燃料電池は、積層された複数の単位セルを備え、
前記燃料電池の電圧を検出する電圧検出手段と、
前記複数の単位セルのうち、電圧低下が発生している単位セルを検出する電圧低下セル検出手段と、
前記電圧検出手段により検出された電圧が前記電流−電圧特性推定手段により推定された電流−電圧特性に一致しており、かつ、電圧低下が発生している単位セルがあることが前記電圧低下セル検出手段により検出された場合に、当該単位セルにおいてフラッディングが発生しているものと判定するフラッディング判定手段と、
を更に備えることを特徴とする。 The third invention is the first invention, wherein
The fuel cell includes a plurality of unit cells stacked,
Voltage detecting means for detecting the voltage of the fuel cell;
A voltage drop cell detecting means for detecting a unit cell in which a voltage drop is generated among the plurality of unit cells;
The voltage drop cell has a unit cell in which the voltage detected by the voltage detection means matches the current-voltage characteristic estimated by the current-voltage characteristic estimation means and a voltage drop occurs. A flooding determination unit that determines that flooding has occurred in the unit cell when detected by the detection unit;
Is further provided.

また、第４の発明は、第２または第３の発明において、
前記フラッディング判定手段によりフラッディングの発生が判定された場合に、そのフラッディングを緩和または解消するフラッディング緩和制御を行うフラッディング緩和手段を更に備えることを特徴とする。 Moreover, 4th invention is 2nd or 3rd invention,
When the occurrence of flooding is determined by the flooding determination means, the apparatus further comprises flooding mitigation means for performing flooding mitigation control for mitigating or eliminating the flooding.

第１の発明によれば、アノードオフガスに含まれる燃料の濃度と、カソードオフガスに含まれる酸素の濃度との少なくとも一方の濃度に基づき、その濃度が低いほど濃度過電圧が大きいものとして、濃度分極特性を推定することができる。そして、そのような濃度分極特性を算入して、燃料電池の電流−電圧特性を推定することができる。このため、第１の発明によれば、反応ガス濃度低下に起因する濃度過電圧の影響を考慮に入れることができるので、電流−電圧特性を高精度に推定することができる。   According to the first invention, based on at least one of the concentration of the fuel contained in the anode offgas and the concentration of oxygen contained in the cathode offgas, the concentration overvoltage is assumed to be greater as the concentration is lower. Can be estimated. The current-voltage characteristics of the fuel cell can be estimated by taking into account such concentration polarization characteristics. For this reason, according to the first aspect of the invention, the influence of the concentration overvoltage resulting from the decrease in the concentration of the reaction gas can be taken into consideration, so that the current-voltage characteristics can be estimated with high accuracy.

第２の発明によれば、実際の検出電圧が、推定された電流−電圧特性に比して有意に低い場合に、フラッディングが発生しているものと判定することができる。すなわち、第２の発明によれば、推定された電流−電圧特性に比して実際の検出電圧が有意に低かった場合には、その原因は反応ガス濃度低下にあるのではなく、フラッディングが原因であると判定することができる。このため、第２の発明によれば、フラッディングの発生を精度良く検知することができるので、フラッディングを緩和する措置などを適時に行うことが可能となる。   According to the second invention, when the actual detected voltage is significantly lower than the estimated current-voltage characteristic, it can be determined that flooding has occurred. That is, according to the second invention, when the actual detection voltage is significantly lower than the estimated current-voltage characteristic, the cause is not the decrease in the reaction gas concentration but the flooding. It can be determined that For this reason, according to the second aspect, since the occurrence of flooding can be detected with high accuracy, it is possible to take measures to alleviate flooding in a timely manner.

第３の発明によれば、実際の検出電圧が推定された電流−電圧特性に一致しており、かつ、電圧低下が発生している単位セルがあることが検出された場合には、当該単位セルにおいてフラッディングが発生しているものと判定することができる。すなわち、第３の発明によれば、１枚あるいは複数枚の単位セルにおけるフラッディングの発生を精度良く検知することができる。このため、フラッディングを緩和する措置などを適時に行うことが可能となる。   According to the third invention, when it is detected that there is a unit cell in which the actual detection voltage matches the estimated current-voltage characteristic and the voltage drop occurs, the unit It can be determined that flooding has occurred in the cell. That is, according to the third aspect, it is possible to accurately detect the occurrence of flooding in one or a plurality of unit cells. For this reason, it becomes possible to take measures to alleviate flooding in a timely manner.

第４の発明によれば、フラッディングの発生が検知された場合に、そのフラッディングを緩和または解消するフラッディング緩和制御を行うことができる。このため、第４の発明によれば、フラッディングを起こりにくくすることができる。   According to the fourth aspect, when occurrence of flooding is detected, flooding mitigation control for mitigating or eliminating the flooding can be performed. For this reason, according to the 4th invention, flooding can be made hard to occur.

実施の形態１．
［燃料電池システムの構成］
図１は、本発明の実施の形態１の燃料電池システム１０の構成を示す模式図である。燃料電池システム１０は、例えば燃料電池自動車に搭載されるものである。燃料電池システム１０は燃料電池１２を備えている。本実施形態において、燃料電池（ＦＣ）１２は固体高分子分離膜を備えた燃料電池（ＰＥＭＦＣ）であり、２つの燃料電池スタック（スタック１２ａとスタック１２ｂ）から構成されている。 Embodiment 1 FIG.
[Configuration of fuel cell system]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell system 10 according to Embodiment 1 of the present invention. The fuel cell system 10 is mounted on, for example, a fuel cell vehicle. The fuel cell system 10 includes a fuel cell 12. In this embodiment, the fuel cell (FC) 12 is a fuel cell (PEMFC) provided with a solid polymer separation membrane, and is composed of two fuel cell stacks (stack 12a and stack 12b).

各スタック１２ａ，１２ｂは、電解質膜、アノード、カソード、およびセパレータとから構成される単位セルを複数積層して構成される。図１において、矢印Ａは単位セルの積層方向を示している。本実施形態において、スタック１２ａ，１２ｂは、それぞれ、例えば２００個程度の単位セルを備えている。   Each of the stacks 12a and 12b is configured by stacking a plurality of unit cells including an electrolyte membrane, an anode, a cathode, and a separator. In FIG. 1, an arrow A indicates the stacking direction of the unit cells. In the present embodiment, each of the stacks 12a and 12b includes, for example, about 200 unit cells.

単位セルに設けられた電解質膜は、例えばフッ素系の固体高分子材料で形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。アノードおよびカソードは、共に炭素繊維を織成したカーボンクロスにより形成されており、触媒層、拡散層を備えている。また、セパレータは、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンなどガス不透過の導電性部材により形成されている。隣接する単位セル同士は、一方のセルのアノードと他方のセルのカソードがセパレータを介して対向した状態で積層されている。   The electrolyte membrane provided in the unit cell is a proton conductive ion exchange membrane formed of, for example, a fluorine-based solid polymer material. Both the anode and the cathode are formed of carbon cloth woven with carbon fibers, and include a catalyst layer and a diffusion layer. Further, the separator is formed of a gas-impermeable conductive member such as dense carbon which is compressed by carbon and impermeable to gas. Adjacent unit cells are stacked with the anode of one cell and the cathode of the other cell facing each other via a separator.

図１に示すように、燃料電池１２には、アノードガス流路１４およびカソードガス流路１６が導入されている。アノードガス流路１４は高圧の水素タンク１８と接続されており、水素タンク１８から各スタック１２ａ，１２ｂ内のアノードへ水素リッチな燃料ガスとしてのアノードガスが送られる。アノードガス流路１４には、水素タンク１８の下流にレギュレータ２０が設けられている。レギュレータ２０は、燃料電池１２の入口におけるアノードガスの圧力を要求される適正圧力に調圧するものである。また、アノードガス流路１４には、レギュレータ２０の下流に圧力センサ２２が接続されている。   As shown in FIG. 1, an anode gas channel 14 and a cathode gas channel 16 are introduced into the fuel cell 12. The anode gas flow path 14 is connected to a high-pressure hydrogen tank 18, and anode gas as hydrogen-rich fuel gas is sent from the hydrogen tank 18 to the anode in each of the stacks 12 a and 12 b. A regulator 20 is provided in the anode gas passage 14 downstream of the hydrogen tank 18. The regulator 20 adjusts the pressure of the anode gas at the inlet of the fuel cell 12 to a required appropriate pressure. A pressure sensor 22 is connected to the anode gas flow path 14 downstream of the regulator 20.

カソードガス流路１６にはポンプ２４が設けられており、ポンプ２４の駆動により各スタック１２ａ，１２ｂ内のカソードへ酸素を含む酸化ガスとしてのカソードガス（空気）が送られる。   The cathode gas flow path 16 is provided with a pump 24, and cathode gas (air) as an oxidizing gas containing oxygen is sent to the cathodes in the stacks 12 a and 12 b by driving the pump 24.

図２は、各単位セルとその周辺の平面構成を示す模式図であって、単位セルの積層方向から各スタック１２ａ，１２ｂの内部を見た状態を模式的に示している。すなわち、図２は、単位セルの積層方向と直交する断面を模式的に示したものである。   FIG. 2 is a schematic diagram showing a planar configuration of each unit cell and its periphery, and schematically shows a state in which the inside of each stack 12a, 12b is viewed from the stacking direction of the unit cells. That is, FIG. 2 schematically shows a cross section orthogonal to the stacking direction of the unit cells.

図２に示すように、各単位セルには、アノードガスの流路３０とカソードガスの流路３２が設けられている。流路３０，３２は単位セルの積層方向に沿って重なるように設けられているため、図２では各流路３０，３２を破線で略式に示している。図２に示すように、各流路３０，３２はセルの一端から他端に向けて直線状に延在している。   As shown in FIG. 2, each unit cell is provided with an anode gas channel 30 and a cathode gas channel 32. Since the flow paths 30 and 32 are provided so as to overlap in the stacking direction of the unit cells, the flow paths 30 and 32 are schematically shown by broken lines in FIG. As shown in FIG. 2, each flow path 30, 32 extends linearly from one end of the cell to the other end.

各流路３０，３２の両端には、各流路３０，３２のそれぞれと個別に接続される分配部３４，３５が単位セルの積層方向に重なるように設けられている。分配部３４，３５の更に外側には、マニホールド３６，３８，４２，４４が設けられている。マニホールド３６は分配部３４を介してアノードガスの流路３０と接続されている。また、マニホールド３８は分配部３５を介してカソードガスの流路３２と接続されている。マニホールド３６，３８および後述するマニホールド４２，４４は、単位セルの積層方向に沿って貫通する孔として設けられている。マニホールド３６の端部はアノードガス流路１４に接続され、マニホールド３８の端部はカソードガス流路１６に接続されている。   Distributing portions 34 and 35 individually connected to the respective flow paths 30 and 32 are provided at both ends of the respective flow paths 30 and 32 so as to overlap in the stacking direction of the unit cells. Manifolds 36, 38, 42, 44 are provided on the further outer side of the distribution units 34, 35. The manifold 36 is connected to the anode gas flow path 30 via the distributor 34. The manifold 38 is connected to the cathode gas flow path 32 via the distribution portion 35. Manifolds 36 and 38 and manifolds 42 and 44 described later are provided as holes penetrating along the stacking direction of the unit cells. The end of the manifold 36 is connected to the anode gas flow path 14, and the end of the manifold 38 is connected to the cathode gas flow path 16.

また、燃料電池１２の各単位セルには冷却液が循環している。これにより、発電に伴う燃料電池１２の過度な温度上昇が抑えられ、燃料電池１２の温度が最適値に設定される。   A coolant is circulated in each unit cell of the fuel cell 12. Thereby, the excessive temperature rise of the fuel cell 12 accompanying electric power generation is suppressed, and the temperature of the fuel cell 12 is set to an optimal value.

このような構成によれば、アノードガス流路１４を通って供給されたアノードガスは、各スタック１２ａ，１２ｂのマニホールド３６に送られ、マニホールド３６から分配部３４および流路３０を経由して各単位セルのアノードに送られる。同様に、カソードガス流路１６を通って供給されたカソードガスは、各スタック１２ａ，１２ｂのマニホールド３８に送られ、マニホールド３８から分配部３５および流路３２を経由して各単位セルのカソードに送られる。   According to such a configuration, the anode gas supplied through the anode gas flow path 14 is sent to the manifolds 36 of the respective stacks 12a and 12b, and each of the manifold gas is supplied from the manifold 36 via the distributor 34 and the flow path 30. Sent to the anode of the unit cell. Similarly, the cathode gas supplied through the cathode gas channel 16 is sent to the manifold 38 of each stack 12a, 12b, and from the manifold 38 to the cathode of each unit cell via the distributor 35 and the channel 32. Sent.

燃料電池１２のアノードでは、アノードガスが送り込まれると、このアノードガス中の水素から水素イオンを生成し（Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−）、カソードは、カソードガスが送り込まれると、このカソードガス中の酸素から酸素イオンを生成し、燃料電池１２内では電力が発生する。また、これと同時にカソードにおいて、上記の水素イオンと酸素イオンとから水（生成水）が生成される（（１／２）Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ）。この水のほとんどは、燃料電池１２内で発生する熱を吸収して水蒸気となり、カソードオフガス中に含まれて排出される。 In the anode of the fuel cell 12, when the anode gas is sent, hydrogen ions are generated from hydrogen in the anode gas (H 2 → 2H + + 2e − ), and when the cathode gas is sent, the cathode Oxygen ions are generated from the oxygen and electric power is generated in the fuel cell 12. At the same time, water (product water) is generated from the hydrogen ions and oxygen ions at the cathode ((1/2) O 2 + 2H + + 2e − → H 2 O). Most of this water absorbs the heat generated in the fuel cell 12 to become water vapor, which is contained in the cathode offgas and discharged.

アノードから排出されたアノードオフガスは、図２に示すマニホールド４２に送られ、マニホールド４２を経由して図１に示すアノードオフガス流路４６に送られる。アノードオフガス流路４６にはポンプ４８が設けられており、アノードオフガスは、ポンプ４８の駆動により再びアノードガス流路１４へ戻される。アノードガス流路１４に戻されたアノードオフガスは、水素タンク１８からの水素の補充を受けて、再度燃料電池１２へ送られる。アノードオフガスを燃料電池１２に送ることで、アノードオフガス中に含まれる未反応の水素を燃料電池１２内で反応させることができ、水素の利用効率を高めることができる。また、燃料電池１２に送られるカソードガスの流量は、レギュレータ２０、ポンプ４８により制御することができる。   The anode off gas discharged from the anode is sent to the manifold 42 shown in FIG. 2, and is sent to the anode off gas flow path 46 shown in FIG. The anode off gas channel 46 is provided with a pump 48, and the anode off gas is returned to the anode gas channel 14 again by driving the pump 48. The anode off gas returned to the anode gas flow path 14 is replenished with hydrogen from the hydrogen tank 18 and is sent to the fuel cell 12 again. By sending the anode off gas to the fuel cell 12, unreacted hydrogen contained in the anode off gas can be reacted in the fuel cell 12, and the utilization efficiency of hydrogen can be improved. The flow rate of the cathode gas sent to the fuel cell 12 can be controlled by the regulator 20 and the pump 48.

アノードオフガス流路４６には、アノードオフガス中の水分を捕集する気液分離器５０が設けられている。気液分離器５０には排水弁５２が接続されている。気液分離器５０に捕集されたアノードオフガス中の水分は、排水弁５２を開くことで排出される。   The anode off-gas flow path 46 is provided with a gas-liquid separator 50 that collects moisture in the anode off-gas. A drain valve 52 is connected to the gas-liquid separator 50. The moisture in the anode off gas collected by the gas-liquid separator 50 is discharged by opening the drain valve 52.

ポンプ４８の下流において、アノードオフガス流路４６には排気弁５４が接続されている。アノードオフガス流路４６→アノードガス流路１４→燃料電池１２の経路からなるアノード循環系に窒素（Ｎ２）等の不純物成分が多く含まれる場合は、排気弁５４を間欠的に開くことでパージを行い、これらの成分を排出する。 An exhaust valve 54 is connected to the anode off gas passage 46 downstream of the pump 48. When the anode circulation system comprising the anode off-gas channel 46 → the anode gas channel 14 → the fuel cell 12 contains a large amount of impurity components such as nitrogen (N 2 ), the purge is performed by opening the exhaust valve 54 intermittently. To discharge these components.

また、排気弁５４が接続された箇所の下流には、逆止弁５６が設けられている。逆止弁５６は、アノードガス流路１４からポンプ４８へ向かう流れを阻止する機能を有している。   Further, a check valve 56 is provided downstream of the location where the exhaust valve 54 is connected. The check valve 56 has a function of preventing the flow from the anode gas flow path 14 toward the pump 48.

一方、各単位セルのカソードから排出されたカソードオフガスは、図２に示すマニホールド４４に送られ、マニホールド４４から図１に示すカソードオフガス流路５８に送られる。カソードオフガスは、カソードオフガス流路５８を通り、最終的にはマフラー６０から排出される。カソードオフガス流路５８には、カソードオフガスの圧力を調整する制御弁６２、および制御弁６２の上流におけるカソードオフガス圧力を検出する圧力センサ６４が設けられている。制御弁６２によれば、燃料電池１２から排出されるカソードオフガスの圧力を制御することができる。また、燃料電池１２に送られるカソードガスの流量はポンプ２４、制御弁６２により制御することができる。   On the other hand, the cathode off gas discharged from the cathode of each unit cell is sent to the manifold 44 shown in FIG. 2 and sent from the manifold 44 to the cathode off gas flow path 58 shown in FIG. The cathode off gas passes through the cathode off gas flow path 58 and is finally discharged from the muffler 60. The cathode off gas flow path 58 is provided with a control valve 62 that adjusts the pressure of the cathode off gas, and a pressure sensor 64 that detects the cathode off gas pressure upstream of the control valve 62. According to the control valve 62, the pressure of the cathode off gas discharged from the fuel cell 12 can be controlled. The flow rate of the cathode gas sent to the fuel cell 12 can be controlled by the pump 24 and the control valve 62.

また、カソードオフガス流路５８において、マフラー６０の上流には加湿器６６が設けられている。加湿器６６にはカソードガス流路１６が導入されている。加湿器６６は、燃料電池１２内で生成されてカソードオフガスに含まれる水分を吸収し、吸収した水分によりカソードガス流路１６中のカソードガスを加湿する機能を有している。   Further, a humidifier 66 is provided upstream of the muffler 60 in the cathode off-gas channel 58. A cathode gas channel 16 is introduced into the humidifier 66. The humidifier 66 has a function of absorbing the moisture generated in the fuel cell 12 and contained in the cathode offgas, and humidifying the cathode gas in the cathode gas channel 16 with the absorbed moisture.

図１に示すように、本実施形態のシステムはＥＣＵ（Electronic Control Unit）４０を備えている。ＥＣＵ４０には、システムの運転状態を把握すべく、燃料電池１２の出力（電圧値、電流値）、冷却水温などを検出するための各種センサ（不図示）が接続されており、ＥＣＵ４０は、燃料電池１２が備える各単位セルのセル電圧を検出することができる。また、ＥＣＵ４０には、上述した圧力センサ２２，６４等の各種センサや、レギュレータ２０、排水弁５２、排気弁５４、制御弁６２等の各種アクチュエータが接続されている。ＥＣＵ４０は、燃料電池１２の出力、各ガスの圧力、各ガスの流量を制御することで、燃料電池１２を所望の運転状態で運転することができる。   As shown in FIG. 1, the system of the present embodiment includes an ECU (Electronic Control Unit) 40. Various sensors (not shown) for detecting the output (voltage value, current value), cooling water temperature, etc. of the fuel cell 12 are connected to the ECU 40 in order to grasp the operating state of the system. The cell voltage of each unit cell included in the battery 12 can be detected. The ECU 40 is connected to various sensors such as the pressure sensors 22 and 64 described above, and various actuators such as the regulator 20, the drain valve 52, the exhaust valve 54, and the control valve 62. The ECU 40 can operate the fuel cell 12 in a desired operation state by controlling the output of the fuel cell 12, the pressure of each gas, and the flow rate of each gas.

また、ＥＣＵ４０は、燃料電池１２の温度を取得可能になっている。燃料電池１２の温度は、例えば、燃料電池１２内を循環する冷却水の出口温度によって代表することができる。   Further, the ECU 40 can acquire the temperature of the fuel cell 12. The temperature of the fuel cell 12 can be represented by, for example, the outlet temperature of the cooling water circulating in the fuel cell 12.

更に、本実施形態のシステムには、アノードオフガスに含まれる水素の濃度を検出する水素濃度センサ６８が設けられている。水素濃度センサ６８は、ＥＣＵ４０に接続されている。本実施形態では、図１に示すように、水素濃度センサ６８は、燃料電池１２からアノードオフガス流路４６への出口付近に配置されている。なお、水素濃度センサ６８の設置箇所は、これに限定されるものではない。例えば、水素濃度センサ６８は、燃料電池１２の内部に設置されていてもよい。すなわち、アノードオフガスが通るマニホールド４２や、代表となる特定の単位セルのアノードオフガス出口に水素濃度センサ６８を設置しても良い。   Furthermore, the system of this embodiment is provided with a hydrogen concentration sensor 68 that detects the concentration of hydrogen contained in the anode off gas. The hydrogen concentration sensor 68 is connected to the ECU 40. In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the hydrogen concentration sensor 68 is disposed in the vicinity of the outlet from the fuel cell 12 to the anode off-gas passage 46. The location where the hydrogen concentration sensor 68 is installed is not limited to this. For example, the hydrogen concentration sensor 68 may be installed inside the fuel cell 12. That is, the hydrogen concentration sensor 68 may be installed at the manifold 42 through which the anode off-gas passes or at the anode off-gas outlet of a specific specific unit cell.

［電流−電圧特性の推定］
図３は、燃料電池１２の電流−電圧特性を示す図である。図３に示すように、一般に、燃料電池１２の電圧は、活性化分極、抵抗分極、および濃度分極によって、理論電圧よりも低下する。本実施形態において、ＥＣＵ４０は、燃料電池１２の活性化分極特性、抵抗分極特性、および濃度分極特性をそれぞれ算出することにより、図３に示すような電流−電圧特性（以下、「Ｉ−Ｖ特性」と称する）を推定することができる。 [Estimation of current-voltage characteristics]
FIG. 3 is a diagram showing current-voltage characteristics of the fuel cell 12. As shown in FIG. 3, the voltage of the fuel cell 12 is generally lower than the theoretical voltage due to activation polarization, resistance polarization, and concentration polarization. In this embodiment, the ECU 40 calculates the current polarization characteristics (hereinafter referred to as “IV characteristics”) as shown in FIG. 3 by calculating the activation polarization characteristics, resistance polarization characteristics, and concentration polarization characteristics of the fuel cell 12, respectively. Can be estimated).

活性化分極は、アノードガス中の水素がアノード触媒において水素イオンとなる際に必要とする活性化エネルギーが損失となって電圧低下を生じる現象である。活性化分極特性は、燃料電池１２の温度に基づいて算出することができる。   Activation polarization is a phenomenon in which the activation energy required when hydrogen in the anode gas becomes hydrogen ions in the anode catalyst is lost, causing a voltage drop. The activation polarization characteristic can be calculated based on the temperature of the fuel cell 12.

抵抗分極は、燃料電池１２の内部抵抗によって電圧低下を生じる現象である。燃料電池１２の内部抵抗は、燃料電池１２の温度や交流インピーダンスに基づいて算出することができる。   Resistance polarization is a phenomenon that causes a voltage drop due to the internal resistance of the fuel cell 12. The internal resistance of the fuel cell 12 can be calculated based on the temperature of the fuel cell 12 and the AC impedance.

濃度分極は、電極における反応ガスの補給や反応生成物の除去が遅れが原因となって電極反応が阻害されることによって電圧低下を生じる現象である。燃料電池１２においては、排気弁５４を閉じていると、カソード側から来る窒素が溜まって窒素濃度が増加していくことにより、アノードの水素濃度が低下していく。排気弁５４を開いて窒素をパージすれば水素濃度を高めることができるが、このとき、アノードオフガス中に残存している水素も流失してしまう。よって、燃料である水素を節約するためは、排気弁５４を必要以上に開くことはできない。このため、アノードの水素濃度がある程度低下することは避けられない。   Concentration polarization is a phenomenon that causes a voltage drop due to inhibition of electrode reaction due to delay in supply of reaction gas and removal of reaction products at the electrode. In the fuel cell 12, when the exhaust valve 54 is closed, nitrogen coming from the cathode side accumulates and the nitrogen concentration increases, so that the hydrogen concentration at the anode decreases. If the exhaust valve 54 is opened and nitrogen is purged, the hydrogen concentration can be increased, but at this time, the hydrogen remaining in the anode off-gas is also lost. Therefore, the exhaust valve 54 cannot be opened more than necessary to save hydrogen as a fuel. For this reason, it is inevitable that the hydrogen concentration of the anode is reduced to some extent.

燃料電池１２では、上述のようなアノードの水素濃度の低下が原因となって、濃度分極が発生し得る。本実施形態では、水素濃度センサ６８により検出される水素濃度に基づいて、アノードの水素濃度低下に起因する濃度分極特性を推定することとした。具体的には、アノードの水素濃度低下に起因する濃度過電圧と、水素濃度センサ６８で検出される水素濃度との関係を実験や理論計算により予め調べておき、その関係をＥＣＵ４０に記憶しておくこととした。図４は、その関係を示すマップである。   In the fuel cell 12, concentration polarization may occur due to the decrease in the hydrogen concentration of the anode as described above. In this embodiment, based on the hydrogen concentration detected by the hydrogen concentration sensor 68, the concentration polarization characteristic resulting from the decrease in the hydrogen concentration of the anode is estimated. Specifically, the relationship between the concentration overvoltage resulting from the decrease in the hydrogen concentration at the anode and the hydrogen concentration detected by the hydrogen concentration sensor 68 is examined in advance by experiments and theoretical calculations, and the relationship is stored in the ECU 40. It was decided. FIG. 4 is a map showing the relationship.

濃度分極は、アノードの水素濃度が低下するほど発生し易くなる。このため、図４に示すように、水素濃度センサ６８により検出される水素濃度が低いほど、濃度過電圧は大きくなる関係にある。本実施形態では、水素濃度センサ６８により検出された水素濃度を図４に示すマップに照らし合わせることにより、アノードの水素濃度低下に起因する濃度過電圧（濃度分極特性）を算出することができる。そして、そのようにして算出された濃度過電圧の影響を、Ｉ−Ｖ特性を推定する際に考慮に入れることができる。このため、Ｉ−Ｖ特性を高精度で推定することができる。   Concentration polarization is more likely to occur as the anode hydrogen concentration decreases. For this reason, as shown in FIG. 4, the concentration overvoltage increases as the hydrogen concentration detected by the hydrogen concentration sensor 68 decreases. In the present embodiment, by comparing the hydrogen concentration detected by the hydrogen concentration sensor 68 with the map shown in FIG. 4, the concentration overvoltage (concentration polarization characteristic) caused by the decrease in the hydrogen concentration of the anode can be calculated. The influence of the concentration overvoltage calculated in this way can be taken into account when estimating the IV characteristics. For this reason, the IV characteristic can be estimated with high accuracy.

［実施の形態１における具体的処理］
図５は、上記の機能を実現するために本実施形態においてＥＣＵ４０が実行するルーチンのフローチャートである。なお、本ルーチンは、所定時間毎に周期的に実行されるものとする。 [Specific Processing in Embodiment 1]
FIG. 5 is a flowchart of a routine executed by the ECU 40 in the present embodiment in order to realize the above function. Note that this routine is periodically executed at predetermined time intervals.

図５に示すルーチンによれば、まず、燃料電池１２の活性化分極特性が算出される（ステップ１００）。活性化分極特性（活性化過電圧）は、燃料電池１２の温度と相関を有している。ステップ１００では、まず、燃料電池１２の温度が取得され、その温度に基づいて、活性化分極特性が算出される。   According to the routine shown in FIG. 5, first, the activation polarization characteristic of the fuel cell 12 is calculated (step 100). The activation polarization characteristic (activation overvoltage) has a correlation with the temperature of the fuel cell 12. In step 100, first, the temperature of the fuel cell 12 is acquired, and the activation polarization characteristic is calculated based on the temperature.

次いで、燃料電池１２の内部抵抗が算出される（ステップ１０２）。具体的には、内部抵抗は、燃料電池１２の温度と、交流インピーダンス（または直流抵抗）とに基づいて、算出される。交流インピーダンスは、ＥＣＵ４０により計測されている。このステップ１０２で算出された内部抵抗に基づいて、抵抗分極特性を算出することができる。   Next, the internal resistance of the fuel cell 12 is calculated (step 102). Specifically, the internal resistance is calculated based on the temperature of the fuel cell 12 and AC impedance (or DC resistance). The AC impedance is measured by the ECU 40. Based on the internal resistance calculated in step 102, the resistance polarization characteristic can be calculated.

続いて、濃度分極特性が算出される（ステップ１０４）。具体的には、まず、水素濃度センサ６８により水素濃度が検出され、次いで、図４に示すマップが参照されることにより、濃度分極特性が算出される。   Subsequently, concentration polarization characteristics are calculated (step 104). Specifically, first, the hydrogen concentration is detected by the hydrogen concentration sensor 68, and then the concentration polarization characteristic is calculated by referring to the map shown in FIG.

以上のようにして算出された活性化分極特性、抵抗分極特性、および濃度分極特性を理論電圧から減算することにより、図３に示すようなＩ−Ｖ特性マップが算出される（ステップ１０６）。   The IV characteristic map shown in FIG. 3 is calculated by subtracting the activation polarization characteristic, resistance polarization characteristic, and concentration polarization characteristic calculated as described above from the theoretical voltage (step 106).

次いで、燃料電池１２への要求電流に対して、上記ステップ１０６で算出されたＩ−Ｖ特性マップに基づき、動作点が算出される（ステップ１０８）。そして、そのようにして算出された動作点で、燃料電池１２の運転が行われる。   Next, an operating point is calculated for the required current to the fuel cell 12 based on the IV characteristic map calculated in step 106 (step 108). Then, the fuel cell 12 is operated at the operating point thus calculated.

なお、上記ステップ１０８で算出された動作点の電圧値が最低電圧閾値（図３参照）よりも低い場合には、その最低電圧の点が動作点とされる（ステップ１１０）。   When the voltage value of the operating point calculated in step 108 is lower than the minimum voltage threshold (see FIG. 3), the lowest voltage point is set as the operating point (step 110).

以上説明した本ルーチンの処理によれば、アノードの水素濃度低下による濃度分極の影響を反映させてＩ−Ｖ特性を推定することができるので、高い推定精度が得られる。このため、燃料電池１２にダメージを与えるおそれがあるような動作点で運転が行われる事態を確実に回避することができる。   According to the processing of this routine described above, the IV characteristic can be estimated by reflecting the influence of the concentration polarization due to the decrease in the hydrogen concentration of the anode, so that high estimation accuracy can be obtained. For this reason, the situation where driving | running | working is performed at the operating point which may damage the fuel cell 12 can be avoided reliably.

（フラッディング判定処理）
本実施形態では、上述した処理に加え、フラッディングの発生を判定する処理を行うこととした。フラッディングは、アノードあるいはカソードの膜付近の水分が過多となることにより、反応ガスの拡散が阻害され、電圧低下を生じる現象である。 (Flooding judgment process)
In the present embodiment, in addition to the above-described processing, processing for determining occurrence of flooding is performed. Flooding is a phenomenon in which the diffusion of the reaction gas is inhibited and the voltage is lowered due to excessive moisture in the vicinity of the anode or cathode film.

前述したように、ＥＣＵ４０は、燃料電池１２の電圧をセンサにより検出（実測）している。そして、本実施形態では、図５に示すルーチンにより、水素濃度低下による濃度過電圧を考慮に入れてＩ−Ｖ特性を推定している。このため、仮に、検出電圧が、推定されたＩ−Ｖ特性と比べて有意に低かった場合には、水素濃度低下以外の原因によって電圧低下（濃度過電圧）が発生していると判断することができる。そして、その原因は、フラッディングである可能性が高いと考えられる。   As described above, the ECU 40 detects (actually measures) the voltage of the fuel cell 12 using a sensor. In the present embodiment, the IV characteristic is estimated by taking into consideration the concentration overvoltage due to the decrease in the hydrogen concentration by the routine shown in FIG. For this reason, if the detected voltage is significantly lower than the estimated IV characteristic, it may be determined that a voltage drop (concentration overvoltage) has occurred due to a cause other than a hydrogen concentration drop. it can. And the cause is considered to be highly likely to be flooding.

また、前述したように、ＥＣＵ４０は、各々の単位セルのセル電圧を計測している。そして、燃料電池１２の電圧が推定されたＩ−Ｖ特性に一致していた場合であっても、１枚あるいは複数枚の単位セルだけが電圧低下を生じていることが検出される場合がある。このような場合にも、当該単位セルの電圧低下の原因は、水素濃度低下によるものではなく、フラッディングによるものである可能性が高いと考えられる。   Further, as described above, the ECU 40 measures the cell voltage of each unit cell. Even when the voltage of the fuel cell 12 matches the estimated IV characteristic, it may be detected that only one or a plurality of unit cells have a voltage drop. . Even in such a case, it is considered that the cause of the voltage drop of the unit cell is not caused by the hydrogen concentration drop but by the flooding.

そこで、本実施形態では、上述したような場合には、フラッディングによる濃度過電圧が発生しているものと判定し、フラッディングを緩和または解消するための掃気・排気制御を行うこととした。   Therefore, in the present embodiment, in the above-described case, it is determined that a concentration overvoltage due to flooding has occurred, and scavenging / exhaust control is performed to reduce or eliminate flooding.

図５は、上記の機能を実現するために本実施形態においてＥＣＵ４０が実行するルーチンのフローチャートである。なお、本ルーチンは、所定時間毎に周期的に実行されるものとする。   FIG. 5 is a flowchart of a routine executed by the ECU 40 in the present embodiment in order to realize the above function. Note that this routine is periodically executed at predetermined time intervals.

図６に示すルーチンによれば、まず、燃料電池１２の検出電圧が取得され、その検出電圧が、上記ステップ１０６で算出されたＩ−Ｖ特性よりも有意に低いか否かが判定される（ステップ１２０）。具体的には、検出電圧が、推定Ｉ−Ｖ特性に比して、所定の判定限度を越えて低かった場合には、検出電圧が推定Ｉ−Ｖ特性よりも有意に低いと判定される。一方、検出電圧と推定Ｉ−Ｖ特性との差が上記判定限度内に入っている場合には、検出電圧が推定Ｉ−Ｖ特性に一致していると判定される。   According to the routine shown in FIG. 6, first, the detection voltage of the fuel cell 12 is acquired, and it is determined whether or not the detection voltage is significantly lower than the IV characteristic calculated in step 106 ( Step 120). Specifically, when the detected voltage is lower than a predetermined determination limit compared to the estimated IV characteristic, it is determined that the detected voltage is significantly lower than the estimated IV characteristic. On the other hand, when the difference between the detected voltage and the estimated IV characteristic falls within the determination limit, it is determined that the detected voltage matches the estimated IV characteristic.

上記ステップ１２０において、検出電圧が推定Ｉ−Ｖ特性より有意に低いと判定された場合には、燃料電池１２において、フラッディングによる電圧低下が発生しているものと判定される（ステップ１２２）。この場合には、そのフラッディングを緩和または解消するべく、アノードおよびカソードの掃気・排気制御が実行される（ステップ１２４）。   If it is determined in step 120 that the detected voltage is significantly lower than the estimated IV characteristic, it is determined that a voltage drop due to flooding has occurred in the fuel cell 12 (step 122). In this case, scavenging / exhaust control of the anode and the cathode is executed to alleviate or eliminate the flooding (step 124).

上記ステップ１２４では、具体的には、アノードガス流路１４のレギュレータ２０を短周期で開閉させることによりアノードに脈動流を発生させたり、ポンプ２４の回転数を上げて多量の空気をカソードに流したりして、アノードやカソードの水分を飛ばすための制御が実行される。このような動作が実行されることにより、フラッディングによる電圧低下を緩和または解消することができる。   In step 124, specifically, the pulsating flow is generated in the anode by opening and closing the regulator 20 of the anode gas flow path 14 in a short cycle, or a large amount of air is caused to flow to the cathode by increasing the rotation speed of the pump 24. In other words, control for removing moisture from the anode and the cathode is executed. By executing such an operation, voltage drop due to flooding can be reduced or eliminated.

一方、上記ステップ１２０において、燃料電池１２の検出電圧が推定Ｉ−Ｖ特性に一致していると判定された場合には、次に、各単位セルのセル電圧が取得され、電圧低下が発生している単位セルがあるかどうかが判別される（ステップ１２６）。その結果、他の単位セルに比して電圧が低下している単位セルがあった場合には、その単位セルにおいてフラッディングが発生しているものと判定される（ステップ１２８）。この場合には、そのフラッディングを緩和または解消するべく、上述した掃気・排気制御が実行される（ステップ１２４）。これにより、当該単位セルのフラッディングを緩和または解消することができる。   On the other hand, if it is determined in step 120 that the detected voltage of the fuel cell 12 matches the estimated IV characteristic, then the cell voltage of each unit cell is acquired and a voltage drop occurs. It is determined whether there is a unit cell (step 126). As a result, when there is a unit cell having a voltage lower than that of other unit cells, it is determined that flooding has occurred in the unit cell (step 128). In this case, the above-described scavenging / exhaust control is executed to alleviate or eliminate the flooding (step 124). Thereby, the flooding of the unit cell can be reduced or eliminated.

これに対し、上記ステップ１２６において、電圧が低下している単位セルが検出されていなかった場合には、燃料電池１２の各単位セルにおいてフラッディングは発生していないと判定される。   On the other hand, if no unit cell having a reduced voltage is detected in step 126, it is determined that no flooding has occurred in each unit cell of the fuel cell 12.

以上説明したように、本実施形態によれば、燃料電池１２におけるフラッディングの発生を精度良く検知することができる。このため、フラッディングを緩和するための制御を適切なタイミングで実行することができる。   As described above, according to the present embodiment, occurrence of flooding in the fuel cell 12 can be detected with high accuracy. For this reason, control for reducing flooding can be executed at an appropriate timing.

なお、図６に示すルーチンでは、上記ステップ１２２において燃料電池１２の全体的なフラッディングを検知した場合と、上記ステップ１２８で特定の単位セルのフラッディングを検知した場合とで、同じフラッディング緩和制御を実行することとしているが、それぞれの場合に合わせて、異なる種類のフラッディング緩和制御を実行するようにしてもよい。   In the routine shown in FIG. 6, the same flood mitigation control is executed when the overall flooding of the fuel cell 12 is detected at step 122 and when the flooding of a specific unit cell is detected at step 128. However, different types of flooding mitigation control may be executed in accordance with each case.

また、上記ステップ１２０の判定は、１点のみの比較でなく、多点での比較に基づいて行ってもよい。すなわち、実際のＩ−Ｖ特性を検出し、その実Ｉ−Ｖ特性を推定Ｉ−Ｖ特性と比較して、判定を行ってもよい。   In addition, the determination in step 120 may be performed based on comparison at multiple points instead of comparison at only one point. That is, the actual IV characteristic may be detected, and the actual IV characteristic may be compared with the estimated IV characteristic for determination.

なお、上述した実施の形態１においては、水素濃度センサ６８が前記第１の発明における「反応ガス濃度検出手段」に相当している。また、ＥＣＵ４０が、上記ステップ１００〜１０６の処理を実行することにより前記第１の発明における「電流−電圧特性推定手段」が、上記ステップ１０４の処理を実行することにより前記第１の発明における「濃度分極特性推定手段」が、それぞれ実現されている。   In the first embodiment described above, the hydrogen concentration sensor 68 corresponds to the “reactive gas concentration detecting means” in the first invention. Further, when the ECU 40 executes the processing of the steps 100 to 106, the “current-voltage characteristic estimating means” in the first invention executes the processing of the step 104. Each of the “concentration polarization characteristic estimation means” is realized.

また、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ４０が、燃料電池１２の電圧をセンサによって検出することにより前記第２および第３の発明における「電圧検出手段」が、上記ステップ１２０および１２２の処理を実行することにより前記第２の発明における「フラッディング判定手段」が、それぞれ実現されている。   In the first embodiment described above, the ECU 40 detects the voltage of the fuel cell 12 with a sensor, so that the “voltage detection means” in the second and third inventions performs the processing of steps 120 and 122. By executing this, the “flooding determining means” in the second aspect of the present invention is realized.

また、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ４０が、上記ステップ１２６の処理を実行することにより前記第３の発明における「電圧低下セル検出手段」が、上記ステップ１２０、１２６および１２８の処理を実行することにより前記第３の発明における「フラッディング判定手段」が、それぞれ実現されている。また、掃気・排気制御が前記第４の発明における「フラッディング緩和制御」に相当しており、ＥＣＵ４０が上記ステップ１２４の処理を実行することにより前記第４の発明における「フラッディング緩和手段」が実現されている。   In the first embodiment, the ECU 40 executes the process of step 126, so that the “voltage drop cell detecting means” in the third aspect of the invention executes the processes of steps 120, 126, and 128. As a result, the “flooding determination means” in the third aspect of the present invention is realized. Further, the scavenging / exhaust control corresponds to the “flooding mitigation control” in the fourth invention, and the “flooding mitigation means” in the fourth invention is realized by the ECU 40 executing the processing of step 124. ing.

実施の形態２．
次に、図７を参照して、本発明の実施の形態２について説明するが、上述した実施の形態１との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略または簡略する。 Embodiment 2. FIG.
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 7. The description will focus on the differences from the first embodiment described above, and the description of similar matters will be omitted or simplified. To do.

図７は、本発明の実施の形態２のシステム構成を説明するための図である。なお、図７において、図１に示す構成要素と同様の構成要素には、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。   FIG. 7 is a diagram for explaining a system configuration according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 7, the same components as those shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted or simplified.

実施の形態１では、カソードガスとして空気を使用していたが、実施の形態２のシステムでは、酸素ガスをカソードガスとして使用する。酸素タンク７０には、カソードガスとしての酸素ガスが圧縮された状態で貯蔵されている。酸素ガスは、この酸素タンク７０からカソードガス流路１６へと送られる。カソードガス流路１６には、酸素タンク７０からカソードガス流路１６への酸素流量を調節する制御弁７２が設けられている。   In the first embodiment, air is used as the cathode gas. However, in the system of the second embodiment, oxygen gas is used as the cathode gas. Oxygen gas as cathode gas is stored in the oxygen tank 70 in a compressed state. Oxygen gas is sent from the oxygen tank 70 to the cathode gas flow path 16. The cathode gas channel 16 is provided with a control valve 72 that adjusts the oxygen flow rate from the oxygen tank 70 to the cathode gas channel 16.

また、実施の形態２のシステムには、カソードオフガスに含まれる酸素の濃度を検出する酸素濃度センサ７４が設けられている。本実施形態では、酸素濃度センサ７４は、燃料電池１２からカソードオフガス流路５８への出口付近に配置されている。なお、酸素濃度センサ７４の設置箇所は、これに限定されるものではない。例えば、酸素濃度センサ７４は、燃料電池１２の内部に設置されていてもよい。すなわち、カソードオフガスが通るマニホールド４４や、代表となる特定の単位セルのカソードオフガス出口に酸素濃度センサ７４を設置しても良い。   The system of the second embodiment is provided with an oxygen concentration sensor 74 that detects the concentration of oxygen contained in the cathode offgas. In the present embodiment, the oxygen concentration sensor 74 is disposed in the vicinity of the outlet from the fuel cell 12 to the cathode offgas passage 58. The installation location of the oxygen concentration sensor 74 is not limited to this. For example, the oxygen concentration sensor 74 may be installed inside the fuel cell 12. In other words, the oxygen concentration sensor 74 may be installed at the manifold 44 through which the cathode off gas passes or at the cathode off gas outlet of a specific unit cell as a representative.

本実施形態では、酸素タンク７０に貯蔵された酸素ガスをカソードガスとして使用する。この酸素ガスの使用量を節約するためには、酸素ガスを燃料電池１２に必要以上に供給することを避けなければならない。このため、本実施形態では、カソードの酸素濃度がある程度低下する事態が起こり得る。カソードの酸素濃度が低下すると、これに起因して、濃度分極が起こり易くなる。そこで、本実施形態では、Ｉ−Ｖ特性の推定に際し、カソードの酸素濃度に起因する濃度分極も考慮に入れることとした。   In the present embodiment, oxygen gas stored in the oxygen tank 70 is used as the cathode gas. In order to save the amount of oxygen gas used, it is necessary to avoid supplying oxygen gas to the fuel cell 12 more than necessary. For this reason, in this embodiment, the situation where the oxygen concentration of a cathode falls to some extent may occur. When the oxygen concentration of the cathode decreases, concentration polarization easily occurs due to this. Therefore, in the present embodiment, the concentration polarization due to the oxygen concentration of the cathode is taken into consideration when estimating the IV characteristics.

具体的には、まず、実施の形態１と同様に、水素濃度センサ６８により検出される水素濃度に基づき、図４に示すマップに従って濃度分極特性が算出される。その算出された濃度分極特性に対して、酸素濃度センサ７４により検出される酸素濃度に基づいて、補正が施される。すなわち、酸素濃度が低いほど濃度過電圧が大きくなるように、濃度分極特性が補正される。これにより、カソードの酸素低下による電圧低下を考慮に入れた濃度分極特性を算出することができる。そして、その濃度分極特性を算入してＩ−Ｖ特性を推定することにより、本実施形態のシステムにおけるＩ−Ｖ特性を精度良く推定することができる。   Specifically, first, as in the first embodiment, based on the hydrogen concentration detected by the hydrogen concentration sensor 68, the concentration polarization characteristic is calculated according to the map shown in FIG. The calculated concentration polarization characteristic is corrected based on the oxygen concentration detected by the oxygen concentration sensor 74. That is, the concentration polarization characteristic is corrected so that the concentration overvoltage increases as the oxygen concentration decreases. This makes it possible to calculate concentration polarization characteristics taking into account the voltage drop due to the oxygen drop at the cathode. And the IV characteristic in the system of this embodiment can be estimated accurately by including the concentration polarization characteristic and estimating the IV characteristic.

上述した実施の形態２では、水素濃度センサ６８および酸素濃度センサ７４が前記第１の発明における「反応ガス濃度検出手段」に相当している。   In the second embodiment described above, the hydrogen concentration sensor 68 and the oxygen concentration sensor 74 correspond to the “reactive gas concentration detection means” in the first invention.

また、実施の形態２では、水素濃度センサ６８により検出される水素濃度と、酸素濃度センサ７４により検出される酸素濃度との両方に基づいて濃度分極特性を算出しているが、本発明では、酸素濃度センサ７４により検出される酸素濃度のみに基づいて濃度分極特性を算出するようにしてもよい。   In the second embodiment, the concentration polarization characteristics are calculated based on both the hydrogen concentration detected by the hydrogen concentration sensor 68 and the oxygen concentration detected by the oxygen concentration sensor 74. In the present invention, The concentration polarization characteristic may be calculated based only on the oxygen concentration detected by the oxygen concentration sensor 74.

本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the system configuration | structure of Embodiment 1 of this invention. 各単位セルとその周辺の平面構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the planar structure of each unit cell and its periphery. 燃料電池の電流−電圧特性を示す図である。It is a figure which shows the electric current-voltage characteristic of a fuel cell. 濃度過電圧と、水素濃度センサで検出される水素濃度との関係を示すマップである。It is a map which shows the relationship between concentration overvoltage and the hydrogen concentration detected by a hydrogen concentration sensor. 本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。It is a flowchart of the routine performed in Embodiment 1 of the present invention. 本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。It is a flowchart of the routine performed in Embodiment 1 of the present invention. 本発明の実施の形態２のシステム構成を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the system configuration | structure of Embodiment 2 of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

１０ 燃料電池システム
１２ 燃料電池
１４ アノードガス流路
１６ カソードガス流路
２０ レギュレータ
２４ ポンプ
４０ ＥＣＵ
４６ アノードオフガス流路
５８ カソードオフガス流路
６２ 制御弁
６８ 水素濃度センサ
７４ 酸素濃度センサ DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fuel cell system 12 Fuel cell 14 Anode gas flow path 16 Cathode gas flow path 20 Regulator 24 Pump 40 ECU
46 Anode off-gas passage 58 Cathode off-gas passage 62 Control valve 68 Hydrogen concentration sensor 74 Oxygen concentration sensor

Claims (4)

アノードに燃料ガスの供給を受け、カソードに酸化剤ガスの供給を受けることにより、発電する燃料電池と、
前記燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスに含まれる燃料の濃度と、前記燃料電池のカソードから排出されるカソードオフガスに含まれる酸素の濃度との少なくとも一方を検出する反応ガス濃度検出手段と、
前記燃料電池の電流−電圧特性を推定する電流−電圧特性推定手段と、
を備え、
前記電流−電圧特性推定手段は、前記反応ガス濃度検出手段により検出された濃度が低いほど濃度過電圧が大きいものと推定する濃度分極特性推定手段を含み、該濃度分極特性推定手段により推定された濃度分極特性を算入して、電流−電圧特性を推定するものであることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell that generates power by receiving supply of fuel gas to the anode and supply of oxidant gas to the cathode; and
Reactive gas concentration detection means for detecting at least one of the concentration of fuel contained in the anode off-gas discharged from the anode of the fuel cell and the concentration of oxygen contained in the cathode off-gas discharged from the cathode of the fuel cell;
Current-voltage characteristic estimating means for estimating a current-voltage characteristic of the fuel cell;
With
The current-voltage characteristic estimation means includes concentration polarization characteristic estimation means for estimating that the concentration overvoltage is larger as the concentration detected by the reaction gas concentration detection means is lower, and the concentration estimated by the concentration polarization characteristic estimation means A fuel cell system characterized in that a current-voltage characteristic is estimated by taking a polarization characteristic into account. 前記燃料電池の電圧を検出する電圧検出手段と、
前記電圧検出手段により検出された電圧が、前記電流−電圧特性推定手段により推定された電流−電圧特性に比して有意に低い場合に、フラッディングが発生しているものと判定するフラッディング判定手段と、
を更に備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。 Voltage detecting means for detecting the voltage of the fuel cell;
Flooding determination means for determining that flooding has occurred when the voltage detected by the voltage detection means is significantly lower than the current-voltage characteristic estimated by the current-voltage characteristic estimation means; ,
The fuel cell system according to claim 1, further comprising: 前記燃料電池は、積層された複数の単位セルを備え、
前記燃料電池の電圧を検出する電圧検出手段と、
前記複数の単位セルのうち、電圧低下が発生している単位セルを検出する電圧低下セル検出手段と、
前記電圧検出手段により検出された電圧が前記電流−電圧特性推定手段により推定された電流−電圧特性に一致しており、かつ、電圧低下が発生している単位セルがあることが前記電圧低下セル検出手段により検出された場合に、当該単位セルにおいてフラッディングが発生しているものと判定するフラッディング判定手段と、
を更に備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。 The fuel cell includes a plurality of unit cells stacked,
Voltage detecting means for detecting the voltage of the fuel cell;
A voltage drop cell detecting means for detecting a unit cell in which a voltage drop is generated among the plurality of unit cells;
The voltage drop cell has a unit cell in which the voltage detected by the voltage detection means matches the current-voltage characteristic estimated by the current-voltage characteristic estimation means and a voltage drop occurs. A flooding determination unit that determines that flooding has occurred in the unit cell when detected by the detection unit;
The fuel cell system according to claim 1, further comprising: 前記フラッディング判定手段によりフラッディングの発生が判定された場合に、そのフラッディングを緩和または解消するフラッディング緩和制御を行うフラッディング緩和手段を更に備えることを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池システム。   4. The fuel cell system according to claim 2, further comprising a flooding mitigation unit that performs flooding mitigation control for mitigating or eliminating the flooding when the occurrence of flooding is judged by the flooding judgment unit. 5.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010131351A1 (en) * 2009-05-14 2010-11-18 トヨタ自動車株式会社 Fuel cell system
WO2011013226A1 (en) * 2009-07-30 2011-02-03 トヨタ自動車株式会社 Fuel cell system
JP2011096387A (en) * 2009-10-27 2011-05-12 Yokogawa Electric Corp Performance evaluation method of electrode, and performance evaluation device of electrode
JP2013008497A (en) * 2011-06-23 2013-01-10 Nippon Soken Inc Fuel cell system and controlling method of fuel cell system
JP7437765B2 (en) 2020-11-20 2024-02-26 国立大学法人 筑波大学 Information processing device, power supply system, information processing method, and program

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004152532A (en) * 2002-10-29 2004-05-27 Toyota Motor Corp Device for determining condition of fuel cell and fuel cell system
JP2004265683A (en) * 2003-02-28 2004-09-24 Nissan Motor Co Ltd Fuel cell power generation control system
JP2005044602A (en) * 2003-07-28 2005-02-17 Mitsubishi Materials Corp Analysis method and program of physical and chemical property of fuel cell

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004152532A (en) * 2002-10-29 2004-05-27 Toyota Motor Corp Device for determining condition of fuel cell and fuel cell system
JP2004265683A (en) * 2003-02-28 2004-09-24 Nissan Motor Co Ltd Fuel cell power generation control system
JP2005044602A (en) * 2003-07-28 2005-02-17 Mitsubishi Materials Corp Analysis method and program of physical and chemical property of fuel cell

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010131351A1 (en) * 2009-05-14 2010-11-18 トヨタ自動車株式会社 Fuel cell system
JP5273244B2 (en) * 2009-05-14 2013-08-28 トヨタ自動車株式会社 Fuel cell system
US8728672B2 (en) 2009-05-14 2014-05-20 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell system
WO2011013226A1 (en) * 2009-07-30 2011-02-03 トヨタ自動車株式会社 Fuel cell system
KR101300897B1 (en) * 2009-07-30 2013-08-27 도요타지도샤가부시키가이샤 Fuel cell system
US8927168B2 (en) 2009-07-30 2015-01-06 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell system control during low efficiency operation
JP2011096387A (en) * 2009-10-27 2011-05-12 Yokogawa Electric Corp Performance evaluation method of electrode, and performance evaluation device of electrode
JP2013008497A (en) * 2011-06-23 2013-01-10 Nippon Soken Inc Fuel cell system and controlling method of fuel cell system
JP7437765B2 (en) 2020-11-20 2024-02-26 国立大学法人 筑波大学 Information processing device, power supply system, information processing method, and program

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