JP2008130308A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、水素と酸素との電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池を備える燃料電池システムに関するもので、車両、船舶及びポータブル発電機等の移動体用発電機に適用して有効である。 The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell that generates electrical energy by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, and is effective when applied to a mobile generator such as a vehicle, a ship, and a portable generator. .
固体高分子型燃料電池は、燃料電池内部の電解質膜の導電率を維持するために加湿する必要がある。燃料電池の内部水分量が少なく電解質膜が乾燥している場合には、内部抵抗が大きくなり燃料電池の出力電圧が低下する。一方、燃料電池の内部水分量が過剰である場合には、燃料電池の電極が水分で覆われてしまうため、反応物質である酸素、水素の拡散が阻害され、出力電圧が低下する。 The polymer electrolyte fuel cell needs to be humidified in order to maintain the conductivity of the electrolyte membrane inside the fuel cell. When the amount of moisture in the fuel cell is small and the electrolyte membrane is dry, the internal resistance increases and the output voltage of the fuel cell decreases. On the other hand, when the internal water content of the fuel cell is excessive, the electrode of the fuel cell is covered with water, so that the diffusion of oxygen and hydrogen as reactants is hindered, and the output voltage decreases.
このため、燃料電池の内部水分量を診断する方法として、ガス循環系の静圧、全圧、温度から水蒸気分圧を算出する方法(特許文献1参照)や、燃料電池カソード側に供給される空気流量、燃料電池温度、燃料電池の発電量から燃料電池からの排水量を算出し、燃料電池内部における生成水量と排水量からセル内部の水分を推定する方法(特許文献2参照)が提案されている。
しかしながら、ガス圧力を検出する特許文献1の構成では、燃料電池のカソード側では、発電量により酸素消費量が変化してガス流量が変化して圧損等の影響を受けるため、圧力検知による水蒸気検出は精度に欠けるという問題がある。また、排水量の算出に温度を用いる特許文献2の構成では、温度によって水分蒸発量が一定でないため、精度に欠けるという問題がある。 However, in the configuration of Patent Document 1 that detects the gas pressure, on the cathode side of the fuel cell, the oxygen consumption changes due to the amount of power generation, and the gas flow rate changes to affect the pressure loss. Has a problem of lack of accuracy. Moreover, in the structure of patent document 2 which uses temperature for calculation of a waste_water | drain amount, since the amount of water evaporation is not constant with temperature, there exists a problem that accuracy is missing.
本発明は上記点に鑑み、燃料電池の内部水分状態を正確に診断することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。 In view of the above points, an object of the present invention is to provide a fuel cell system that can accurately diagnose the internal moisture state of a fuel cell.
上記目的を達成するため、本発明の第1の特徴は、酸素と水素を電気化学反応させて電気エネルギーを発生させる燃料電池(10)と、燃料電池(10)の出力電流を検出する電流検出手段(12)と、燃料電池(10)のカソード側に供給される空気であるカソード供給ガスの流量を検出する流量検出手段(24)と、燃料電池(10)のカソード側から排出されるカソード排ガス中の酸素濃度を検出する排ガス酸素濃度検出手段(25)と、カソード排ガスの全圧を検出する排ガス圧力検出手段(26)とを備える燃料電池システムであって、
カソード排ガス中の酸素濃度とカソード排ガスの全圧とから、カソード排ガス中の酸素分圧を取得する排ガス酸素分圧取得手段と、カソード排ガスにおける窒素分圧を取得する排ガス窒素分圧取得手段と、カソード排ガスの全圧から酸素分圧と窒素分圧とを減算して、カソード排ガス中の水蒸気分圧を取得する排ガス水蒸気分圧取得手段と、水蒸気分圧と流量検出手段(24)により検出された空気流量とからカソード排ガスに含まれる水分量を排水量として取得する排水量取得手段と、燃料電池(10)の出力電流に基づいて電気化学反応で生成する生成水量を取得し、生成水量から排水量を減算して燃料電池(10)内部における残留水量を取得する残留水量取得手段と、残留水量取得手段により取得された残留水量に基づいて燃料電池(10)内部における水分状態を診断する水分状態診断手段とを備えることである。
In order to achieve the above object, a first feature of the present invention is that a fuel cell (10) that generates electric energy by electrochemical reaction of oxygen and hydrogen, and current detection that detects an output current of the fuel cell (10). Means (12), flow rate detecting means (24) for detecting the flow rate of cathode supply gas which is air supplied to the cathode side of the fuel cell (10), and cathode discharged from the cathode side of the fuel cell (10) A fuel cell system comprising exhaust gas oxygen concentration detection means (25) for detecting oxygen concentration in exhaust gas and exhaust gas pressure detection means (26) for detecting total pressure of cathode exhaust gas,
From the oxygen concentration in the cathode exhaust gas and the total pressure of the cathode exhaust gas, exhaust gas oxygen partial pressure acquisition means for acquiring the oxygen partial pressure in the cathode exhaust gas, exhaust gas nitrogen partial pressure acquisition means for acquiring the nitrogen partial pressure in the cathode exhaust gas, Detected by the exhaust gas water vapor partial pressure acquisition means for subtracting the oxygen partial pressure and the nitrogen partial pressure from the total pressure of the cathode exhaust gas to acquire the water vapor partial pressure in the cathode exhaust gas, and the water vapor partial pressure and flow rate detection means (24). The amount of water contained in the cathode exhaust gas from the air flow rate is obtained as the amount of waste water, and the amount of water produced by the electrochemical reaction is obtained based on the output current of the fuel cell (10), and the amount of waste water is obtained from the amount of water produced. A residual water amount acquisition means for subtracting and acquiring a residual water amount inside the fuel cell (10), and a fuel cell based on the residual water amount acquired by the residual water amount acquisition means 10) it is to comprise a moisture condition diagnosis means for diagnosing a water state in the interior.
このように、カソード供給ガスの流量を測定し、カソード排ガスの酸素濃度と圧力を測定することで、燃料電池(10)内部の水分状態を精度よく診断することができる。 Thus, the moisture state inside the fuel cell (10) can be accurately diagnosed by measuring the flow rate of the cathode supply gas and measuring the oxygen concentration and pressure of the cathode exhaust gas.
また、燃料電池(10)の出力電流に基づいて電気化学反応による消費酸素量を取得し、空気中の酸素量から消費酸素量を減算してカソード排ガス中の酸素濃度を取得する排ガス酸素濃度取得手段を設けることで、カソード排ガス中の酸素濃度を検出する排ガス酸素濃度検出手段(25)を省略することができる。 Further, the exhaust gas oxygen concentration acquisition is obtained by acquiring the oxygen consumption amount by the electrochemical reaction based on the output current of the fuel cell (10) and subtracting the oxygen consumption amount from the oxygen amount in the air to obtain the oxygen concentration in the cathode exhaust gas. By providing the means, the exhaust gas oxygen concentration detection means (25) for detecting the oxygen concentration in the cathode exhaust gas can be omitted.
また、本発明の第2の特徴は、カソード供給ガスを加湿する加湿手段(22)と、加湿手段(22)で加湿されたカソード供給ガスの酸素濃度を検出する供給ガス酸素濃度検出手段(27)と、加湿手段(22)で加湿されたカソード供給ガスの全圧を検出する供給ガス圧力検出手段(28)と、供給ガス酸素濃度検出手段(27)により検出したカソード供給ガス中の酸素濃度と供給ガス圧力検出手段(28)により検出したカソード供給ガスの全圧とから、カソード供給ガス中の酸素分圧を取得する供給ガス酸素分圧取得手段と、カソード供給ガスの窒素分圧を取得する供給ガス窒素分圧取得手段と、カソード供給ガスの全圧から酸素分圧と窒素分圧とを減算して、カソード供給ガス中の水蒸気分圧を取得する供給ガス水蒸気分圧取得手段と、カソード供給ガス中の水蒸気分圧と流量検出手段(24)により検出された空気流量とからカソード供給ガスに含まれる水分量を加湿量として取得する加湿量取得手段とを備え、残留水量取得手段は、生成水量に加湿量を加算した値から排水量を減算して燃料電池(10)内部における残留水量を取得することである。 The second feature of the present invention is that the humidifying means (22) for humidifying the cathode supply gas and the supply gas oxygen concentration detecting means (27) for detecting the oxygen concentration of the cathode supply gas humidified by the humidifying means (22). ), Supply gas pressure detection means (28) for detecting the total pressure of the cathode supply gas humidified by the humidification means (22), and oxygen concentration in the cathode supply gas detected by the supply gas oxygen concentration detection means (27) Supply gas oxygen partial pressure acquisition means for acquiring the oxygen partial pressure in the cathode supply gas, and nitrogen partial pressure of the cathode supply gas is acquired from the total pressure of the cathode supply gas detected by the supply gas pressure detection means (28). Supply gas nitrogen partial pressure acquisition means for subtracting the oxygen partial pressure and nitrogen partial pressure from the total pressure of the cathode supply gas to obtain the water vapor partial pressure in the cathode supply gas And a humidification amount acquisition means for acquiring a moisture amount contained in the cathode supply gas as a humidification amount from the partial pressure of water vapor in the cathode supply gas and the air flow rate detected by the flow rate detection means (24). The means is to obtain the residual water amount in the fuel cell (10) by subtracting the drainage amount from the value obtained by adding the humidification amount to the generated water amount.
これにより、カソード供給ガスの加湿量を考慮して燃料電池(10)の残留水量を算出することができ、燃料電池(10)内部の水分状態を精度よく診断することができる。 Thereby, the residual water amount of the fuel cell (10) can be calculated in consideration of the humidification amount of the cathode supply gas, and the moisture state inside the fuel cell (10) can be diagnosed with high accuracy.
また、本発明の第3の特徴は、燃料電池(10)の運転を停止させる際に、燃料電池(10)の空気極の乾燥処理を行うパージ手段を備え、パージ手段は、排ガス酸素濃度取得手段により取得したアノード排ガス中の酸素濃度が所定値を下回っている場合に、乾燥処理を行うことである。これにより、燃料電池(10)内部の水分量状態に基づいて乾燥処理を効率よく行うことができる。 Further, the third feature of the present invention is provided with a purge means for drying the air electrode of the fuel cell (10) when the operation of the fuel cell (10) is stopped, and the purge means acquires the exhaust gas oxygen concentration. When the oxygen concentration in the anode exhaust gas obtained by the means is below a predetermined value, the drying process is performed. Thereby, a drying process can be performed efficiently based on the moisture content state inside the fuel cell (10).
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。 In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。図1は本実施形態に係る燃料電池システムを示す模式図で、この燃料電池システムは例えば電気自動車に適用される。
(First embodiment)
A fuel cell system according to a first embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a schematic diagram showing a fuel cell system according to this embodiment, and this fuel cell system is applied to, for example, an electric vehicle.
図1に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池10を備えている。この燃料電池10は、電力機器11や2次電池(図示せず)等に電力を供給するように構成されている。電気自動車の場合、車両走行駆動源としての電動モータが電力機器11に相当する。
As shown in FIG. 1, the fuel cell system of this embodiment includes a
本実施形態では燃料電池10として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となるセルが複数個積層され、且つ電気的に直列接続されている。セルの構成については後述する。燃料電池10では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギが発生する。
In the present embodiment, a solid polymer electrolyte fuel cell is used as the
(水素極:アノード)H2→2H++2e-
(空気極:カソード)2H++1/2O2+2e-→H2O
燃料電池システムには、燃料電池10の出力電流を検出する電流検出手段としての電流センサ12が設けられている。電流センサ12で検出した電流信号は、後述する制御部40に入力されるようになっている。
(Hydrogen electrode: anode) H 2 → 2H + + 2e −
(Air electrode: cathode) 2H + + 1 / 2O 2 + 2e − → H 2 O
The fuel cell system is provided with a
燃料電池システムには、燃料電池10の空気極(正極)側に空気(酸素)を供給するための空気流路20と、燃料電池10の水素極(負極)側に水素を供給するための水素流路30が設けられている。
The fuel cell system includes an
空気流路20の最上流部には、大気中から吸入した空気を燃料電池10に圧送するための空気供給装置21が設けられている。空気供給装置21としては、例えばコンプレッサを用いることができる。空気流路20における空気供給装置21と燃料電池10との間には、空気への加湿を行う加湿手段としての加湿器22が設けられ、空気流路20における燃料電池10の下流側には、燃料電池10に供給される空気の圧力を調整するための空気調圧弁23が設けられている。
An
空気流路20における空気供給装置21の上流側には、燃料電池10の空気極に供給されるカソード供給ガス(大気)の流量を検出するためのエアフロセンサ24が設けられている。空気流路20における燃料電池10の下流側で、かつ、空気調圧弁23の上流側には、燃料電池10の空気極から排出されるカソード排ガスの酸素濃度を検出する酸素センサ25と、カソード排ガスの圧力を検出する圧力センサ26が設けられている。酸素センサ25で検出した酸素濃度信号と圧力センサ26で検出した圧力信号は、後述する制御部40に入力されるようになっている。なお、エアフロセンサ24が本発明の流量検出手段に相当し、酸素センサ25が本発明の排ガス酸素濃度検出手段に相当し、圧力センサ26が本発明の排ガス圧力検出手段に相当している。
An
水素流路30の最上流部には、水素供給装置31が設けられている。本実施形態では、水素供給装置31として、水素が充填された高圧水素タンクを用いている。水素供給装置31からの燃料電池10への水素供給量の調整は、後述の制御部40により行われる。水素流路30における燃料電池10の下流側は、燃料電池10の上流側に接続されて水素流路30が閉ループに構成されている。これにより、水素流路30内で水素を循環させて、燃料電池10での未使用水素を燃料電池10に再供給するようにしている。そして、水素流路30における燃料電池10の下流側には、水素流路30内で水素を循環させるための水素ポンプ32が設けられている。
A
制御部(ECU)40は、CPU、ROM、RAM等からなる周知のマイクロコンピュータとその周辺回路にて構成されている。そして、制御部40には、電流センサ12からの電流信号、酸素センサ25からの酸素濃度信号、圧力センサ26からの圧力信号等が入力される。また、燃料電池制御部40は、演算結果に基づいて、空気供給装置21、加湿器22、空気調圧弁23、水素ポンプ32等に制御信号を出力する。
The control unit (ECU) 40 is composed of a well-known microcomputer comprising a CPU, ROM, RAM, etc. and its peripheral circuits. The
次に、本実施形態の燃料電池システムの水分量診断制御について説明する。図2は、制御部40のCPUがROM等に格納された制御プログラムにしたがって行う水分量診断制御の流れを示すフローチャートである。図2に示す水分量診断制御は、所定の制御間隔で繰り返し行われる。
Next, the moisture amount diagnosis control of the fuel cell system of the present embodiment will be described. FIG. 2 is a flowchart showing a flow of moisture amount diagnosis control performed by the CPU of the
図2に示すように、まず、燃料電池システムの運転を終了させるか否かを判定する(S100)。この結果、燃料電池システムの運転を終了させないと判定された場合には(S100:NO)、エアフロセンサ24によりカソード供給ガスの流量を測定し(S110)、酸素センサ25によりカソード排ガスの酸素濃度を測定し(S120)、圧力センサ26によりカソード排ガスの圧力を測定し(S130)、電流センサ12により燃料電池10の出力電流を測定する(S140)。
As shown in FIG. 2, it is first determined whether or not the operation of the fuel cell system is to be terminated (S100). As a result, when it is determined not to end the operation of the fuel cell system (S100: NO), the flow rate of the cathode supply gas is measured by the airflow sensor 24 (S110), and the oxygen concentration of the cathode exhaust gas is determined by the
次に、燃料電池10の空気極からの排水量を算出する(S150)。ここで、排水量の算出方法について説明する。
Next, the amount of drainage from the air electrode of the
図3は、エアフロセンサ24を通過するカソード供給ガスの組成と、酸素センサ25および圧力センサ26を通過するカソード排ガスの組成を示している。カソード供給ガス(大気)は、酸素と窒素を約2:8の割合で含んでおり、圧力は大気圧となっている。カソード供給ガス中の酸素が電気化学反応で消費され、電気化学反応により発生する生成水の一部が水蒸気として排出される。このためカソード排ガスは、大気に対して、酸素が減少し、水蒸気が新規に加わっている。カソード排ガスの圧力は、燃料電池10出口の背圧であり、エアフロセンサ24を通過するカソード供給ガスより高圧となっている。
FIG. 3 shows the composition of the cathode supply gas passing through the
窒素は電気化学反応に関与しないため、ガス中の窒素の組成は変化せず、カソード供給ガスとカソード排ガスにおける窒素モル分率は同一となっている。このため、圧力センサ26で測定したカソード排ガスの全圧に既知の窒素モル分率を乗算することで、カソード排ガス中の窒素分圧を取得することができる。そして、カソード排ガスの全圧に酸素センサ25で測定した酸素濃度を乗算することで、カソード排ガス中の酸素分圧を取得することができる。
Since nitrogen does not participate in the electrochemical reaction, the composition of nitrogen in the gas does not change, and the nitrogen mole fraction in the cathode supply gas and the cathode exhaust gas is the same. Therefore, the partial pressure of nitrogen in the cathode exhaust gas can be obtained by multiplying the total pressure of the cathode exhaust gas measured by the
図3に示すように、カソード排ガスは、主に窒素と酸素と水蒸気から構成されているので、カソード排ガスの全圧から窒素分圧と酸素分圧を減算することで、水蒸気分圧を取得することができる。そして、エアフロセンサ24で測定した空気流量に水蒸気分圧を乗算することで、カソード排ガスに含まれる水蒸気流量を取得することができ、気体の状態方程式を用いて単位時間あたりの燃料電池10の空気極からの排水量を算出することができる。
As shown in FIG. 3, since the cathode exhaust gas is mainly composed of nitrogen, oxygen, and water vapor, the water vapor partial pressure is obtained by subtracting the nitrogen partial pressure and the oxygen partial pressure from the total pressure of the cathode exhaust gas. be able to. Then, by multiplying the air flow rate measured by the
図2に戻り、S140で測定した出力電流から電気化学反応で発生する生成水量を算出する(S160)。電気化学反応による生成水量〔mol/s〕は、出力電流I/(2×F)で求めることができる。ただし、Fはファラデー定数である。 Returning to FIG. 2, the amount of water produced by the electrochemical reaction is calculated from the output current measured in S140 (S160). The amount of water produced by the electrochemical reaction [mol / s] can be determined by the output current I / (2 × F). However, F is a Faraday constant.
次に、生成水量から排水量を減算することで、燃料電池10の空気極における残留水量を算出し(S170)、残留水量に基づいて燃料電池10の水分量を診断する(S180)。
Next, the residual water amount at the air electrode of the
図4は、燃料電池10の出力と残留水量の関係を示している。図4に示すように、燃料電池10の出力は、残留水量の増加にともなって増加し、所定の残留水量でピークに達した後、残留水量の増加に伴って減少する。このため、燃料電池10の出力がピーク付近となる残留水量の範囲の上限値と下限値を予め設定しておき、S170で取得した残留水量が上限値を上回っている場合に水分過剰と診断し、下限値を下回っている場合に水分不足と診断することができる。
FIG. 4 shows the relationship between the output of the
図2に戻り、S180の診断結果に基づいて燃料電池10の内部水分量の制御を行う(S190)。燃料電池10の内部水分量の制御は、例えば加湿器22による燃料電池10へのカソード供給ガスの加湿量の調整により行うことができる。さらに、空気供給装置21による燃料電池10への空気供給量の調整や空気調圧弁23による燃料電池10への空気供給圧力の調整を行うことで、燃料電池10内での水分蒸発量を調整して内部水分量を制御することができる。
Returning to FIG. 2, the internal moisture content of the
次に、燃料電池10を運転終了させる際の水分除去処理について説明する。燃料電池10内部に多量の水分を残留させたまま燃料電池10を停止させた場合には、低温環境下で残留水が凍結して、燃料電池10が始動できなくなる。このため、燃料電池10を停止させる際に、燃料電池10内部の残留水量を運転時における適正水分量より少ない低温時始動可能範囲(図4参照)にする必要がある。
Next, a description will be given of a moisture removal process when the
そこで、S100の判定処理で、燃料電池システムの運転を終了させると判定された場合には(S100:YES)、以下のように燃料電池10の水分除去処理を行う。まず、酸素センサ25によりカソード排ガスの酸素濃度を測定し(S200)、カソード排ガスの酸素濃度が所定値を上回っているか否かを判定する(S210)。この判定処理では、カソード排ガス中の酸素濃度から燃料電池10の残留水量を推定しており、「所定値」は低温時始動可能範囲の上限水分量に対応する酸素濃度である。
Therefore, if it is determined in S100 that the operation of the fuel cell system is to be terminated (S100: YES), the water removal process of the
S210の判定処理の結果、カソード排ガスの酸素濃度が所定値を上回っていないと判定された場合には(S210:NO)、カソード排ガス中に水蒸気が多く含まれており、燃料電池10の残留水量が低温時始動可能範囲を上回っていると推定できるので、パージ処理を行い(S220)、S200に戻る。パージ処理は、燃料電池10の空気極に乾燥空気を供給することが行うことができる。
As a result of the determination processing in S210, when it is determined that the oxygen concentration of the cathode exhaust gas does not exceed the predetermined value (S210: NO), the cathode exhaust gas contains a large amount of water vapor, and the residual water amount of the
一方、カソード排ガスの酸素濃度が所定値を上回っていると判定された場合には(S210:YES)、カソード排ガス中の水蒸気が少なくなり、燃料電池10の残留水量が低温時始動可能範囲内であると推定できるので、燃料電池システムの運転を終了させる。
On the other hand, when it is determined that the oxygen concentration of the cathode exhaust gas exceeds the predetermined value (S210: YES), the water vapor in the cathode exhaust gas decreases, and the residual water amount of the
以上説明したように、カソード供給ガスの流量を測定し、カソード排ガスの酸素濃度と圧力を測定することで、燃料電池10内部の水分状態、特に空気極における水分状態を精度よく診断することができる。さらに、燃料電池10の運転終了時にカソード排ガスの酸素濃度を測定することで、燃料電池10の内部水分量を診断することができ、燃料電池運転停止時における水分除去処理を効率よく行うことができる。
As described above, by measuring the flow rate of the cathode supply gas and measuring the oxygen concentration and pressure of the cathode exhaust gas, it is possible to accurately diagnose the moisture state inside the
なお、本発明の排ガス酸素分圧取得手段、排ガス窒素分圧取得手段、排ガス水蒸気分圧取得手段、排水量取得手段、残留水量取得手段、水分状態診断手段は、それぞれ制御部40の処理によって構成されるものであり、排ガス酸素分圧取得手段、排ガス窒素分圧取得手段、排ガス水蒸気分圧取得手段、排水量取得手段はS150の処理に対応し、残留水量取得手段はS170の処理に対応し、水分状態診断手段はS180の処理に対応している。
The exhaust gas oxygen partial pressure acquisition means, exhaust gas nitrogen partial pressure acquisition means, exhaust gas water vapor partial pressure acquisition means, drainage amount acquisition means, residual water amount acquisition means, and moisture state diagnosis means of the present invention are each configured by processing of the
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態について説明する。本第2実施形態では、酸素センサ25を用いることなく、燃料電池10の出力電流に基づいてカソード排ガスの酸素濃度を取得している。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the second embodiment, the oxygen concentration of the cathode exhaust gas is acquired based on the output current of the
図5は、本第2実施形態の制御部40のCPUがROM等に格納された制御プログラムにしたがって行う水分量診断制御の流れを示すフローチャートである。
FIG. 5 is a flowchart showing a flow of moisture amount diagnosis control performed by the CPU of the
図5に示すように、本第2実施形態では、酸素センサ25により酸素濃度測定S120に代えて、燃料電池10の出力電流に基づいて電気化学反応で消費された酸素量を算出している(S141)。電気化学反応による消費酸素量〔mol/s〕は、出力電流I/(4×F)で求めることができる。ただし、Fはファラデー定数である。
As shown in FIG. 5, in the second embodiment, the oxygen amount consumed in the electrochemical reaction is calculated based on the output current of the
そして、排水量算出処理S150において、大気中の酸素量からS141で算出した消費酸素量を減算してカソード排ガス中の残存酸素量を算出し、カソード排ガス中の酸素分圧を算出することができる。このように、燃料電池10の出力電流から酸素消費量を算出することで、酸素センサ25を用いることなく、カソード排ガス中の酸素分圧を間接的に取得することができる。
Then, in the drainage amount calculation process S150, the residual oxygen amount in the cathode exhaust gas can be calculated by subtracting the consumed oxygen amount calculated in S141 from the oxygen amount in the atmosphere, and the oxygen partial pressure in the cathode exhaust gas can be calculated. Thus, by calculating the oxygen consumption from the output current of the
なお、本発明の酸素濃度取得手段は制御部40の処理によって構成されるものであり、S141の処理に対応している。
The oxygen concentration acquisition means of the present invention is configured by the processing of the
(第3実施形態)
次に、本発明の第3実施形態について説明する。本第3実施形態では、カソード供給ガスの加湿量を考慮して燃料電池10の残留水量を算出している。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment of the present invention will be described. In the third embodiment, the residual water amount of the
図6は、本第3実施形態の燃料電池システムを示す模式図である。図6に示すように、本第3実施形態の燃料電池システムには、空気流路20における加湿器22の下流側で、かつ、燃料電池10の上流側にカソード供給ガスの酸素濃度を検出する酸素センサ27とカソード供給ガスの圧力を検出する圧力センサ28が設けられている。これらのセンサ27、28の出力信号は制御部40に入力される。なお、酸素センサ27が本発明の供給ガス酸素濃度検出手段に相当し、圧力センサ28が本発明の供給ガス圧力検出手段に相当している。
FIG. 6 is a schematic diagram showing a fuel cell system according to the third embodiment. As shown in FIG. 6, in the fuel cell system of the third embodiment, the oxygen concentration of the cathode supply gas is detected downstream of the
図7は、本第3実施形態の制御部40のCPUがROM等に格納された制御プログラムにしたがって行う水分量診断制御の流れを示すフローチャートである。図7に示すように、本第3実施形態では、S130でアノード排ガスの圧力を測定した後で、酸素センサ27でカソード供給ガスの酸素濃度を測定し(S131)、圧力センサ28でカソード供給ガスの圧力を測定している(S132)。
FIG. 7 is a flowchart showing a flow of moisture amount diagnosis control performed by the CPU of the
排水量算出処理S150では、カソード供給ガスの酸素濃度と圧力と用い、第1実施形態で説明したカソード排ガス中の水分量を算出する手順と同様の手順によりカソード供給ガス中の水分量を算出する。さらに、燃料電池10の残留水量を算出する際には、カソード供給ガス中の水分量と燃料電池10の出力電流から算出される生成水量とを加算した値から、排水量を減算する。
In the drainage amount calculation process S150, the amount of moisture in the cathode supply gas is calculated by the same procedure as the procedure for calculating the amount of moisture in the cathode exhaust gas described in the first embodiment, using the oxygen concentration and pressure of the cathode supply gas. Furthermore, when calculating the amount of residual water in the
以上のように、カソード供給ガスの酸素濃度と圧力を測定し、カソード供給ガスに含まれる水分量を取得することで、カソード供給ガスの加湿量を考慮して燃料電池10の残留水量を算出することができ、燃料電池10の空気極における水分状態を精度よく診断することができる。なお、本発明の供給ガス酸素分圧取得手段、供給ガス窒素分圧取得手段、供給ガス水蒸気分圧取得手段、加湿量取得手段は制御部40の処理によって構成されるものであり、供給ガス酸素分圧取得手段、供給ガス窒素分圧取得手段、供給ガス水蒸気分圧取得手段、加湿量取得手段はS150の処理に対応している。
As described above, the oxygen concentration and pressure of the cathode supply gas are measured, and the amount of water contained in the cathode supply gas is obtained, whereby the residual water amount of the
10…燃料電池、12…電流センサ、20…空気経路、21…空気供給装置、22…加湿器、23…空気調圧弁、24…エアフロセンサ、25…酸素センサ、26…圧力センサ、27…酸素センサ、28…圧力センサ、30…水素経路、31…水素供給装置、40…制御部。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記燃料電池(10)の出力電流を検出する電流検出手段(12)と、
前記燃料電池(10)のカソード側に供給される空気であるカソード供給ガスの流量を検出する流量検出手段(24)と、
前記燃料電池(10)のカソード側から排出されるカソード排ガス中の酸素濃度を検出する排ガス酸素濃度検出手段(25)と、
前記カソード排ガスの全圧を検出する排ガス圧力検出手段(26)とを備える燃料電池システムであって、
前記排ガス酸素濃度検出手段(25)により検出した前記カソード排ガス中の酸素濃度と前記排ガス圧力検出手段(26)により検出した前記カソード排ガスの全圧とから、前記カソード排ガス中の酸素分圧を取得する排ガス酸素分圧取得手段と、
前記カソード排ガスにおける窒素分圧を取得する排ガス窒素分圧取得手段と、
前記カソード排ガスの全圧から前記酸素分圧と前記窒素分圧とを減算して、前記カソード排ガス中の水蒸気分圧を取得する排ガス水蒸気分圧取得手段と、
前記水蒸気分圧と前記流量検出手段(24)により検出された空気流量とから前記カソード排ガスに含まれる水分量を排水量として取得する排水量取得手段と、
前記燃料電池(10)の出力電流に基づいて前記電気化学反応で生成する生成水量を取得し、前記生成水量から前記排水量を減算して前記燃料電池(10)内部における残留水量を取得する残留水量取得手段と、
前記残留水量取得手段により取得された前記残留水量に基づいて前記燃料電池(10)内部における水分状態を診断する水分状態診断手段とを備えることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell (10) for generating electric energy by electrochemical reaction of oxygen and hydrogen;
Current detection means (12) for detecting an output current of the fuel cell (10);
Flow rate detection means (24) for detecting a flow rate of cathode supply gas which is air supplied to the cathode side of the fuel cell (10);
Exhaust gas oxygen concentration detection means (25) for detecting the oxygen concentration in the cathode exhaust gas discharged from the cathode side of the fuel cell (10);
An exhaust gas pressure detecting means (26) for detecting the total pressure of the cathode exhaust gas,
The oxygen partial pressure in the cathode exhaust gas is obtained from the oxygen concentration in the cathode exhaust gas detected by the exhaust gas oxygen concentration detection means (25) and the total pressure of the cathode exhaust gas detected by the exhaust gas pressure detection means (26). Exhaust gas oxygen partial pressure acquisition means,
Exhaust gas nitrogen partial pressure acquisition means for acquiring the nitrogen partial pressure in the cathode exhaust gas;
An exhaust gas water vapor partial pressure acquisition means for subtracting the oxygen partial pressure and the nitrogen partial pressure from the total pressure of the cathode exhaust gas to acquire a water vapor partial pressure in the cathode exhaust gas;
Waste water amount acquisition means for acquiring, as the drainage amount, the amount of water contained in the cathode exhaust gas from the water vapor partial pressure and the air flow rate detected by the flow rate detection means (24);
Based on the output current of the fuel cell (10), the amount of generated water generated by the electrochemical reaction is acquired, and the amount of residual water is acquired by subtracting the amount of drainage from the amount of generated water to obtain the amount of residual water in the fuel cell (10). Acquisition means;
A fuel cell system comprising: a water state diagnosis unit that diagnoses a water state inside the fuel cell (10) based on the residual water amount acquired by the residual water amount acquisition unit.
前記燃料電池(10)の出力電流を検出する電流検出手段(12)と、
前記燃料電池(10)のカソード側に供給される空気の流量を検出する流量検出手段(24)と、
前記カソード排ガスの全圧を検出する圧力検出手段(26)とを備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池(10)の出力電流に基づいて前記電気化学反応による消費酸素量を取得し、空気中の酸素量から前記消費酸素量を減算して前記カソード排ガス中の酸素濃度を取得する排ガス酸素濃度取得手段と、
前記酸素濃度取得手段により取得した前記カソード排ガス中の酸素濃度と前記圧力検出手段(26)により検出した前記カソード排ガスの全圧とから、前記カソード排ガス中の酸素分圧を取得する排ガス酸素分圧取得手段と、
前記カソード排ガスにおける窒素分圧を取得する排ガス窒素分圧取得手段と、
前記カソード排ガスの全圧から前記酸素分圧と前記窒素分圧を減算して水蒸気分圧を取得する排ガス水蒸気分圧取得手段と、
前記水蒸気分圧と前記流量検出手段(24)により検出された空気流量とから前記カソード排ガスに水蒸気として含まれる排水量を取得する排水量取得手段と、
前記燃料電池(10)の出力電流に基づいて前記電気化学反応で生成する生成水量を取得し、前記生成水量から前記排水量を減算して前記燃料電池(10)内部における残留水量を取得する残留水量取得手段と、
前記残留水量取得手段により取得された前記残留水量に基づいて前記燃料電池(10)内部における水分状態を診断する水分状態診断手段とを備えることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell (10) for generating electric energy by electrochemical reaction of oxygen and hydrogen;
Current detection means (12) for detecting an output current of the fuel cell (10);
Flow rate detection means (24) for detecting the flow rate of air supplied to the cathode side of the fuel cell (10);
A fuel cell system comprising pressure detecting means (26) for detecting the total pressure of the cathode exhaust gas,
Exhaust gas oxygen that obtains the amount of oxygen consumed by the electrochemical reaction based on the output current of the fuel cell (10) and subtracts the consumed oxygen amount from the amount of oxygen in the air to obtain the oxygen concentration in the cathode exhaust gas Concentration acquisition means;
The exhaust gas oxygen partial pressure for obtaining the oxygen partial pressure in the cathode exhaust gas from the oxygen concentration in the cathode exhaust gas acquired by the oxygen concentration acquisition means and the total pressure of the cathode exhaust gas detected by the pressure detection means (26). Acquisition means;
Exhaust gas nitrogen partial pressure acquisition means for acquiring the nitrogen partial pressure in the cathode exhaust gas;
Exhaust gas water vapor partial pressure obtaining means for obtaining a water vapor partial pressure by subtracting the oxygen partial pressure and the nitrogen partial pressure from the total pressure of the cathode exhaust gas;
Waste water amount acquisition means for acquiring the amount of waste water contained in the cathode exhaust gas as water vapor from the water vapor partial pressure and the air flow rate detected by the flow rate detection means (24);
Based on the output current of the fuel cell (10), the amount of generated water generated by the electrochemical reaction is acquired, and the amount of residual water is acquired by subtracting the amount of drainage from the amount of generated water to obtain the amount of residual water in the fuel cell (10). Acquisition means;
A fuel cell system comprising: a water state diagnosis unit that diagnoses a water state inside the fuel cell (10) based on the residual water amount acquired by the residual water amount acquisition unit.
前記加湿手段(22)で加湿された前記カソード供給ガスの酸素濃度を検出する供給ガス酸素濃度検出手段(27)と、
前記加湿手段(22)で加湿された前記カソード供給ガスの全圧を検出する供給ガス圧力検出手段(28)と、
前記供給ガス酸素濃度検出手段(27)により検出した前記カソード供給ガス中の酸素濃度と前記供給ガス圧力検出手段(28)により検出した前記カソード供給ガスの全圧とから、前記カソード供給ガス中の酸素分圧を取得する供給ガス酸素分圧取得手段と、
前記カソード供給ガスにおける窒素分圧を取得する供給ガス窒素分圧取得手段と、
前記カソード供給ガスの全圧から前記酸素分圧と前記窒素分圧とを減算して、前記カソード供給ガス中の水蒸気分圧を取得する供給ガス水蒸気分圧取得手段と、
前記カソード供給ガス中の水蒸気分圧と前記流量検出手段(24)により検出された空気流量とから前記カソード供給ガスに含まれる水分量を加湿量として取得する加湿量取得手段とを備え、
前記残留水量取得手段は、前記生成水量に前記加湿量を加算した値から前記排水量を減算して前記燃料電池(10)内部における残留水量を取得することを特徴とする請求項1または2に記載の燃料電池システム。 Humidifying means (22) for humidifying the cathode supply gas;
Supply gas oxygen concentration detection means (27) for detecting the oxygen concentration of the cathode supply gas humidified by the humidification means (22);
Supply gas pressure detection means (28) for detecting the total pressure of the cathode supply gas humidified by the humidification means (22);
From the oxygen concentration in the cathode supply gas detected by the supply gas oxygen concentration detection means (27) and the total pressure of the cathode supply gas detected by the supply gas pressure detection means (28), Supply gas oxygen partial pressure acquisition means for acquiring oxygen partial pressure;
Supply gas nitrogen partial pressure acquisition means for acquiring a nitrogen partial pressure in the cathode supply gas;
A supply gas water vapor partial pressure acquisition means for subtracting the oxygen partial pressure and the nitrogen partial pressure from the total pressure of the cathode supply gas to acquire a water vapor partial pressure in the cathode supply gas;
Humidification amount acquisition means for acquiring the moisture amount contained in the cathode supply gas as a humidification amount from the partial pressure of water vapor in the cathode supply gas and the air flow rate detected by the flow rate detection means (24),
The said residual water amount acquisition means subtracts the said waste water amount from the value which added the said humidification amount to the said produced | generated water amount, and acquires the residual water amount in the said fuel cell (10), It is characterized by the above-mentioned. Fuel cell system.
前記パージ手段は、前記排ガス酸素濃度取得手段により取得したアノード排ガス中の酸素濃度が所定値を下回っている場合に、前記乾燥処理を行うことを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1つに記載の燃料電池システム。 When stopping the operation of the fuel cell (10), provided with a purge means for performing a drying process of the air electrode of the fuel cell (10),
The purge unit performs the drying process when the oxygen concentration in the anode exhaust gas acquired by the exhaust gas oxygen concentration acquisition unit is below a predetermined value. The fuel cell system described in 1.
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