JP2011044376A

JP2011044376A - Fuel cell system

Info

Publication number: JP2011044376A
Application number: JP2009192864A
Authority: JP
Inventors: Susumu Maejima; 晋前嶋; Nobuo Matsuba; 暢男松葉; Ken Nakayama; 謙中山; Masashi Sato; 雅士佐藤; Kazusuke Ishikawa; 和右石川
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2009-08-24
Filing date: 2009-08-24
Publication date: 2011-03-03
Anticipated expiration: 2029-08-24
Also published as: JP5509728B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system in which flooding is suppressed to carry out stable power generation and deterioration of fuel consumption is controlled. <P>SOLUTION: The fuel cell system 1 includes a fuel cell stack 10, an anode gas passage 20, a cathode gas passage 30, and a controller 40, and generates power by supplying a reaction gas to the fuel cell 10. The system 1 for generating power by supplying reaction gas to the fuel cell 10 includes a target reaction gas flow-rate calculation means which calculates the target reaction gas flow-rate capable of controlling flooding to the generated current of the fuel cell according to the aging degree of the fuel cell. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.

従来の燃料電池システムは、発電電流と反応ガス流量との関係をマップとして備え、そのマップに基づいて反応ガス流量を調整し、フラッディングを未然に防止していた（特許文献１参照）。 A conventional fuel cell system includes a relationship between a generated current and a reactive gas flow rate as a map, and adjusts the reactive gas flow rate based on the map to prevent flooding (see Patent Document 1).

特開２００５−１９０８４３号公報JP 2005-190843 A

しかしながら、前述した従来の燃料電池システムは、一義的に定められたマップによって反応ガス流量を調整していた。そのため、燃料電池の経時変化によってフラッディングの発生条件が変化してしまうとフラッディングの発生を抑制できないという問題点があった。また、このような問題点に対応するには予め反応ガス流量を過度に多く設定しておく必要があり燃費が悪化するという問題点があった。 However, the above-described conventional fuel cell system adjusts the reaction gas flow rate according to a uniquely defined map. For this reason, there is a problem in that the occurrence of flooding cannot be suppressed if the conditions for occurrence of flooding change due to changes in the fuel cell over time. Further, in order to cope with such problems, it is necessary to set the reaction gas flow rate excessively in advance, and there is a problem that fuel consumption deteriorates.

本発明はこのような従来の問題点に着目してなされたものであり、フラッディングの発生を抑制して安定した発電を実施しつつ、燃費の悪化を抑制することを目的とする。 The present invention has been made paying attention to such a conventional problem, and an object of the present invention is to suppress deterioration of fuel consumption while suppressing generation of flooding and performing stable power generation.

本発明は、以下のような解決手段によって前記課題を解決する。本発明は、反応ガスを燃料電池に供給して発電する燃料電池システムであって、燃料電池の発電電流に対してフラッディングが抑制できる目標反応ガス流量を、その燃料電池の経時変化度合に応じて算出する。 The present invention solves the above problems by the following means. The present invention relates to a fuel cell system that generates power by supplying a reaction gas to a fuel cell, and sets a target reaction gas flow rate that can suppress flooding with respect to the generated current of the fuel cell in accordance with a change with time of the fuel cell. calculate.

本発明によれば、燃料電池の経時変化に応じてフラッディングを抑制できる最適な目標反応ガス流量を燃料電池スタックに供給できる。そのため、フラッディングの発生を抑制して安定した発電を実施しつつ、過度に大量の反応ガスを供給することもないので燃費の悪化を抑制することができる。 According to the present invention, it is possible to supply the fuel cell stack with an optimal target reaction gas flow rate that can suppress flooding in accordance with changes in the fuel cell over time. Therefore, it is possible to suppress deterioration of fuel consumption because an excessive amount of reaction gas is not supplied while suppressing generation of flooding and performing stable power generation.

燃料電池システムの概略構成図である。It is a schematic block diagram of a fuel cell system. 単セルの断面の一部を示す図である。It is a figure which shows a part of cross section of a single cell. 発電時間と限界ＳＲとの関係を示した図である。It is the figure which showed the relationship between electric power generation time and the limit SR. 第１実施形態による発電時間と限界ＳＲ及び目標ＳＲとの関係を示した図である。It is the figure which showed the relationship between the electric power generation time by 1st Embodiment, the limit SR, and target SR. 第１実施形態による目標カソードガス流量の算出方法について説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the calculation method of the target cathode gas flow volume by 1st Embodiment. 発電量と限界ＳＲ及び目標ＳＲとの関係を示した図である。It is the figure which showed the relationship between electric power generation amount, limit SR, and target SR. 発電回数と限界ＳＲ及び目標ＳＲとの関係を示した図である。It is the figure which showed the relationship between the frequency | count of power generation, limit SR, and target SR. 第４実施形態による発電時間と限界ＳＲ及び目標ＳＲとの関係を示した図である。It is the figure which showed the relationship between the electric power generation time by 4th Embodiment, the limit SR, and target SR. 第５実施形態による発電時間と限界ＳＲ及び目標ＳＲとの関係を示した図である。It is the figure which showed the relationship between the electric power generation time by 5th Embodiment, the limit SR, and target SR. 第６実施形態による発電時間と限界ＳＲ及び目標ＳＲとの関係を示した図である。It is the figure which showed the relationship between the electric power generation time by 6th Embodiment, the limit SR, and target SR.

以下、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

（第１実施形態）
燃料電池は電解質膜をアノード電極（燃料極）とカソード電極（酸化剤極）とで挟み、アノード電極に水素を含有するアノードガス（燃料ガス）、カソード電極に酸素を含有するカソードガス（酸化剤ガス）を供給することによって発電する。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電極反応は以下の通りである。 (First embodiment)
A fuel cell has an electrolyte membrane sandwiched between an anode electrode (fuel electrode) and a cathode electrode (oxidant electrode), an anode gas containing hydrogen in the anode electrode (fuel gas), and a cathode gas containing oxygen in the cathode electrode (oxidant) Electricity is generated by supplying gas. The electrode reaction that proceeds in both the anode electrode and the cathode electrode is as follows.

アノード電極：２Ｈ₂→４Ｈ⁺＋４ｅ^- …(１)
カソード電極：４Ｈ⁺＋４ｅ^-＋Ｏ₂→２Ｈ₂Ｏ …(２)
この（１）（２）の電極反応によって燃料電池は１ボルト程度の起電力を生じる。 Anode electrode: 2H ₂ → 4H ⁺ + 4e ⁻ (1)
Cathode electrode: 4H ⁺ + 4e ⁻ + O ₂ → 2H ₂ O (2)
The fuel cell generates an electromotive force of about 1 volt by the electrode reactions (1) and (2).

このような燃料電池を自動車用動力源として使用する場合には、要求される電力が大きいため、数百枚の燃料電池を積層した燃料電池スタックとして使用する。そして、燃料電池スタックにアノードガス及びカソードガスを供給する燃料電池システムを構成して、車両駆動用の電力を取り出す。 When such a fuel cell is used as a power source for automobiles, a large amount of electric power is required, so that it is used as a fuel cell stack in which several hundred fuel cells are stacked. Then, a fuel cell system that supplies anode gas and cathode gas to the fuel cell stack is configured, and electric power for driving the vehicle is taken out.

図１は、本発明の第１実施形態による燃料電池システム１の概略構成図である。 FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system 1 according to a first embodiment of the present invention.

燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、アノードガス通路２０と、カソードガス通路３０と、コントローラ４０と、を備える。 The fuel cell system 1 includes a fuel cell stack 10, an anode gas passage 20, a cathode gas passage 30, and a controller 40.

燃料電池スタック１０は、アノード電極とカソード電極とを備えた膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly；以下「ＭＥＡ」という）の両面にセパレータを配置させた単セルを、複数積層して構成される。単セルの詳細については、図２を参照して後述する。 The fuel cell stack 10 is configured by stacking a plurality of single cells in which separators are arranged on both surfaces of a membrane electrode assembly (hereinafter referred to as “MEA”) including an anode electrode and a cathode electrode. Details of the single cell will be described later with reference to FIG.

アノードガス通路２０は、燃料電池スタック１０のアノードガス入口孔１０ａ及びアノードガス出口孔１０ｂに接続される。アノードガス通路２０は、燃料電池スタック１０の上流側に燃料タンク２１と調圧弁２２とを備え、燃料電池スタック１０の下流側に循環ポンプ２３とパージ弁２４とを備える。 The anode gas passage 20 is connected to the anode gas inlet hole 10 a and the anode gas outlet hole 10 b of the fuel cell stack 10. The anode gas passage 20 includes a fuel tank 21 and a pressure regulating valve 22 on the upstream side of the fuel cell stack 10, and a circulation pump 23 and a purge valve 24 on the downstream side of the fuel cell stack 10.

燃料タンク２１は、燃料電池スタック１０に供給するアノードガス（水素）を高圧状態で貯蔵する。 The fuel tank 21 stores the anode gas (hydrogen) supplied to the fuel cell stack 10 in a high pressure state.

調圧弁２２は、燃料タンク１１の圧力を適当な圧力に減圧調整する。 The pressure regulating valve 22 reduces the pressure of the fuel tank 11 to an appropriate pressure.

循環ポンプ２３は、アノードガスを循環させる。循環ポンプ２３の下流には循環流路２５が設けられて、燃料電池スタック１０から排出された未反応の反応ガスを再度燃料電池スタック１０に供給する。 The circulation pump 23 circulates the anode gas. A circulation channel 25 is provided downstream of the circulation pump 23 to supply unreacted reaction gas discharged from the fuel cell stack 10 to the fuel cell stack 10 again.

パージ弁２４は、アノードガス通路２０中に存在する窒素などの不純ガスや液水を系外へパージする。 The purge valve 24 purges impurity gases such as nitrogen and liquid water existing in the anode gas passage 20 out of the system.

カソードガス通路３０は、燃料電池スタック１０のカソードガス入口孔１０ｃ及びカソードガス出口孔１０ｄに接続される。カソードガス通路３０は、燃料電池スタック１０の上流側に、コンプレッサ３１を備え、燃料電池スタック１０の下流側に、圧力調整弁３２を備える。 The cathode gas passage 30 is connected to the cathode gas inlet hole 10 c and the cathode gas outlet hole 10 d of the fuel cell stack 10. The cathode gas passage 30 includes a compressor 31 on the upstream side of the fuel cell stack 10 and a pressure adjustment valve 32 on the downstream side of the fuel cell stack 10.

コンプレッサ３１は、燃料電池スタック１０にカソードガス（空気）を圧送して供給する。 The compressor 31 pumps and supplies the cathode gas (air) to the fuel cell stack 10.

圧力調整弁３２は、燃料電池スタック１０に供給するカソードガスの供給圧を調整する。 The pressure adjustment valve 32 adjusts the supply pressure of the cathode gas supplied to the fuel cell stack 10.

コントローラ４０は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ４０には、燃料電池スタック１０の運転状態を検出する種々のセンサからの信号が入力される。例えば、燃料電池スタック１０を構成する全ての単セル１１の電圧を検出する電圧センサ４１からの信号が入力される。コントローラ４０は、これらの入力信号に基づいてコンプレッサ３１などを制御し、燃料電池スタック１０に供給する反応ガス、すなわちカソードガス及びアノードガスの流量を制御する。 The controller 40 includes a microcomputer having a central processing unit (CPU), a read only memory (ROM), a random access memory (RAM), and an input / output interface (I / O interface). Signals from various sensors that detect the operating state of the fuel cell stack 10 are input to the controller 40. For example, a signal from a voltage sensor 41 that detects the voltages of all the single cells 11 constituting the fuel cell stack 10 is input. The controller 40 controls the compressor 31 and the like based on these input signals, and controls the flow rates of the reaction gas supplied to the fuel cell stack 10, that is, the cathode gas and the anode gas.

以下では、図２を参照して、燃料電池スタック１０を構成する単セル１１について詳しく説明する。 Below, with reference to FIG. 2, the single cell 11 which comprises the fuel cell stack 10 is demonstrated in detail.

図２は、単セル１１の断面の一部を示す図である。 FIG. 2 is a diagram showing a part of a cross section of the single cell 11.

単セル１１は、膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly；以下「ＭＥＡ」という）１２の表裏両面にそれぞれセパレータ１００が配置されて構成される。 The single cell 11 is configured by arranging separators 100 on both front and back surfaces of a membrane electrode assembly (hereinafter referred to as “MEA”) 12.

ＭＥＡ１２は、固体高分子電解質膜１３と、アノード電極１４と、カソード電極１５とを備える。ＭＥＡ１２は、固体高分子電解質膜１３の一方の面にアノード電極１４を有し、他方の面にカソード電極１５を有する。 The MEA 12 includes a solid polymer electrolyte membrane 13, an anode electrode 14, and a cathode electrode 15. The MEA 12 has an anode electrode 14 on one surface of the solid polymer electrolyte membrane 13 and a cathode electrode 15 on the other surface.

固体高分子電解質膜１３は、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。固体高分子電解質膜１３は、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。 The solid polymer electrolyte membrane 13 is a proton-conductive ion exchange membrane formed of a fluorine-based resin. The solid polymer electrolyte membrane 13 exhibits good electrical conductivity in a wet state.

アノード電極１４は、触媒層１６とガス拡散層１７とを備える。 The anode electrode 14 includes a catalyst layer 16 and a gas diffusion layer 17.

触媒層１６は、固体高分子電解質膜１３と接する。触媒層１６は、白金又は白金等が担持されたカーボンブラック粒子から形成される。 The catalyst layer 16 is in contact with the solid polymer electrolyte membrane 13. The catalyst layer 16 is formed from carbon black particles on which platinum or platinum is supported.

ガス拡散層１７は、触媒層１６の外側（電解質膜１３の反対側）に設けられ、セパレータ１００と接する。ガス拡散層１７は、充分なガス拡散性および導電性を有する部材によって形成され、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスで形成される。なお、以下では特に、セパレータ１００のリブ（隔壁）１１２に直接接するガス拡散層１７を「リブ下ガス拡散層１７ａ」という。これに対して、セパレータ１００のガス流路１１１に接するガス拡散層１７を「流路下ガス拡散層１７ｂ」という。 The gas diffusion layer 17 is provided on the outer side of the catalyst layer 16 (opposite side of the electrolyte membrane 13) and is in contact with the separator 100. The gas diffusion layer 17 is formed of a member having sufficient gas diffusibility and conductivity, and is formed of, for example, a carbon cloth woven with yarns made of carbon fibers. Hereinafter, in particular, the gas diffusion layer 17 that is in direct contact with the ribs (partitions) 112 of the separator 100 is referred to as “under-rib gas diffusion layer 17a”. On the other hand, the gas diffusion layer 17 in contact with the gas flow path 111 of the separator 100 is referred to as “under-flow path gas diffusion layer 17b”.

カソード電極１５もアノード電極１４と同様に、触媒層１６とガス拡散層１７とを備える。 Similarly to the anode electrode 14, the cathode electrode 15 includes a catalyst layer 16 and a gas diffusion layer 17.

セパレータ１００は、ガス拡散層１７と接する。セパレータ１００は、ガス拡散層１７と接する側にアノード電極１４及びカソード電極１５に反応ガスを供給するための複数のガス流路１１１を有する。ガス流路１１１は、ガス拡散層１７と直接接するリブ１１２の間に形成される流路である。 The separator 100 is in contact with the gas diffusion layer 17. The separator 100 has a plurality of gas flow paths 111 for supplying reaction gas to the anode electrode 14 and the cathode electrode 15 on the side in contact with the gas diffusion layer 17. The gas flow path 111 is a flow path formed between the ribs 112 that are in direct contact with the gas diffusion layer 17.

次に、本実施形態による燃料電池スタック１０の作用について、図１及び図２を参照して説明する。 Next, the operation of the fuel cell stack 10 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 2.

図１及び図２に示すように、アノードガスは、アノードガス入口孔１０ａからアノード電極側のセパレータ（図２左側のセパレータ）１００に形成されたガス流路１１１に流れ込む。アノードガスはガス流路１１１を流れながらガス拡散層１７を通って触媒層１６と接する。これにより、アノード電極１４では、上記した式（１）の反応が生じる。ガス流路１１１を流れ、反応に利用されなかった余剰のアノードガスは、アノードガス出口孔１０ｂから外部へ排出される。 As shown in FIGS. 1 and 2, the anode gas flows from the anode gas inlet hole 10a into the gas flow path 111 formed in the anode electrode side separator 100 (the separator on the left side in FIG. 2). The anode gas contacts the catalyst layer 16 through the gas diffusion layer 17 while flowing through the gas flow path 111. Thereby, in the anode electrode 14, reaction of Formula (1) mentioned above arises. Excess anode gas that has flowed through the gas flow path 111 and was not used for the reaction is discharged to the outside from the anode gas outlet hole 10b.

一方、カソードガスは、カソードガス入口孔１０ｃからカソード電極側のセパレータ（図２右側のセパレータ）１００に形成されたガス流路１１１に流れ込む。カソードガスは、ガス流路１１１を流れながらガス拡散層１７を通って触媒層１６と接する。これにより、カソード電極１５では、カソードガスと、式（１）の反応で生じたプロトンＨ⁺、電子ｅ^-とから、式（２）の反応が生じる。 On the other hand, the cathode gas flows from the cathode gas inlet hole 10c into the gas flow path 111 formed in the cathode electrode side separator 100 (the separator on the right side in FIG. 2). The cathode gas contacts the catalyst layer 16 through the gas diffusion layer 17 while flowing through the gas flow path 111. Thereby, in the cathode electrode 15, reaction of Formula (2) arises from cathode gas, the proton H ^<+> produced by reaction of Formula (1), and electron e ^< ^- ^> .

カソード反応によって生じた水は、反応に利用されなかった余剰のカソードガスとともにガス流路１１１を流れてカソードガス出口孔１０ｄから外部へ排出される。そのため、ガス流路後半になるほどカソードガス中の水分濃度が増加する。また、ガス拡散層内の水分濃度も増加する。 The water generated by the cathode reaction flows through the gas flow path 111 together with the excess cathode gas not used for the reaction, and is discharged to the outside from the cathode gas outlet hole 10d. Therefore, the moisture concentration in the cathode gas increases in the latter half of the gas flow path. In addition, the moisture concentration in the gas diffusion layer also increases.

そうすると、運転条件等によっては、結露した生成水がカソードガス出口孔１０ｄの付近のガス流路１１１を塞ぎ、水詰まりが発生することがある。これにより、ガス流路１１１を流れるカソードガスの流れが阻害されて、カソード電極１５へのカソードガスの供給量が不十分となる。その結果、ガス拡散性の低下によって濃度過電圧が上昇するフラッディングという現象が起きて発電効率が低下する。 Then, depending on the operating conditions and the like, the condensed generated water may block the gas flow path 111 in the vicinity of the cathode gas outlet hole 10d, and water clogging may occur. Thereby, the flow of the cathode gas flowing through the gas flow path 111 is hindered, and the supply amount of the cathode gas to the cathode electrode 15 becomes insufficient. As a result, a phenomenon called flooding in which the concentration overvoltage increases due to a decrease in gas diffusibility occurs, resulting in a decrease in power generation efficiency.

また、カソード反応で発生した水は、ＭＥＡ１２を通じて、アノード電極側のセパレータ１００に形成されたガス流路１１１にも拡散していくので、アノード側でもフラッディングが起きて発電効率が低下するおそれがある。 Further, water generated by the cathode reaction diffuses through the MEA 12 to the gas flow path 111 formed in the separator 100 on the anode electrode side, so that flooding may occur on the anode side and power generation efficiency may be reduced. .

したがって、単セル１の発電効率を向上させるためには、フラッディングが発生しないようにカソードガス及びアノードガスの一方又は双方の流量を制御して、単セル１の発電反応で生じる水を速やかに燃料電池スタック１０の外部へ排出する必要がある。 Therefore, in order to improve the power generation efficiency of the single cell 1, the flow rate of one or both of the cathode gas and the anode gas is controlled so that no flooding occurs, and the water generated by the power generation reaction of the single cell 1 is promptly fueled. It is necessary to discharge the battery stack 10 to the outside.

そのため、従来例ではフラッディングが発生しないように、予め定められた発電電流と反応ガス流量との関係を示したマップに従い反応ガス流量を制御していた。しかしながら、発明者等の鋭意研究により、フラッディングの発生条件は、燃料電池スタック１０の経時変化に応じて変化することがわかった。 For this reason, in the conventional example, the reactive gas flow rate is controlled according to a map showing the relationship between a predetermined power generation current and the reactive gas flow rate so that no flooding occurs. However, the inventors' diligent research has revealed that the generation condition of flooding changes according to the change with time of the fuel cell stack 10.

そこで本実施形態では、以下のように反応ガス流量を制御してフラッディングの発生を抑制する。なお、以下では反応ガスとしてカソードガスを例に説明するが、もちろんアノードガスでも構わないし、双方でも構わない。 Therefore, in the present embodiment, the generation of flooding is suppressed by controlling the reaction gas flow rate as follows. In the following description, the cathode gas will be described as an example of the reaction gas, but of course, the anode gas may be used, or both may be used.

図３は、発電時間と限界ストイキレシオ（以下「限界ＳＲ」という）との関係を示した図である。 FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the power generation time and the limit stoichiometric ratio (hereinafter referred to as “limit SR”).

なお、ここでいう発電時間とは、初期状態からこれまでの総発電時間のことをいい、初期状態とはいわゆる新品状態（出荷時、車載時、燃料電池スタック１０の組み立て時）のこという。 Here, the power generation time refers to the total power generation time from the initial state to the present, and the initial state refers to a so-called new state (when shipped, mounted on the vehicle, when the fuel cell stack 10 is assembled).

また、限界ＳＲとは、アクセルペダルの踏み込み量や補機作動状況などの運転状態に応じて定まる理論的に反応に必要なカソードガス流量（以下「基本カソードガス流量」という）と、フラッディングの発生を抑制するために最低限必要なカソードガス流量と、の比である。限界ＳＲが大きいときほど、基本カソードガス流量に対してフラッディングの発生を抑制するために必要最低限のカソードガス流量が多くなる。 The limit SR is the cathode gas flow rate theoretically required for the reaction (hereinafter referred to as “basic cathode gas flow rate”) determined according to the operating state such as the accelerator pedal depression amount and auxiliary machine operation status, and the occurrence of flooding. It is a ratio of the minimum required cathode gas flow rate to suppress the above. The larger the limit SR, the higher the minimum cathode gas flow rate necessary for suppressing the occurrence of flooding with respect to the basic cathode gas flow rate.

図３に示すように、限界ＳＲは、発電時間が所定時間に達するまでは１より大きく、また、発電時間が増加するにつれて減少する。そして、発電時間が所定時間に達した後は一定となる。なお、本実施形態及び以下の各実施形態では、限界ＳＲが一定となったときの値を１としているが、これは理想状態での一例であり、実際には１よりもやや大きい値で一定となる。 As shown in FIG. 3, the limit SR is greater than 1 until the power generation time reaches a predetermined time, and decreases as the power generation time increases. And after power generation time reaches predetermined time, it becomes fixed. In the present embodiment and each of the following embodiments, the value when the limit SR becomes constant is 1. However, this is an example in an ideal state, and is actually constant at a value slightly larger than 1. It becomes.

このように、フラッディングを抑制するために最低限必要なカソードガス流量は、発電時間の増加とともに減少する。これは、燃料電池スタック１０の組み立て初期には、セパレータ１００のリブ１１２とガス拡散層１７との接触状態が排水性の観点から最適な状態ではなく、発電回数の増加とともに接触状態が改善されるためと考えられる。 As described above, the minimum necessary cathode gas flow rate for suppressing flooding decreases as the power generation time increases. This is because the contact state between the rib 112 of the separator 100 and the gas diffusion layer 17 is not optimal from the viewpoint of drainage at the initial assembly of the fuel cell stack 10, and the contact state is improved as the number of power generations increases. This is probably because of this.

すらわち、ガス拡散層１７の内部で結露した生成水のうち、流路下ガス拡散層１７ｂの生成水は、ガス流路１１１を通過する反応ガスによってガス流路１１１へと持ち出される。一方で、リブ下ガス拡散層１７ａの生成水は、セパレータ１００のリブ１１２との表面張力等によってガス流路１１１へと持ち出される。そして、燃料電池スタック１０の組み立て初期には、セパレータ１００とガス拡散層１７との接触状態が排水性の観点から最適な状態ではないために、リブ下ガス拡散層１７ａからの生成水の持ち出しが阻害されやすい。そのため、フラッディングが発生しやすい状態となり、限界ＳＲが大きくなるものと考えられる。 In other words, among the generated water condensed inside the gas diffusion layer 17, the generated water in the gas diffusion layer 17 b under the flow path is taken out to the gas flow path 111 by the reaction gas passing through the gas flow path 111. On the other hand, the generated water of the under-rib gas diffusion layer 17a is taken out to the gas flow path 111 by the surface tension with the rib 112 of the separator 100 or the like. In the initial assembly of the fuel cell stack 10, since the contact state between the separator 100 and the gas diffusion layer 17 is not optimal from the viewpoint of drainage, the generated water is taken out from the gas diffusion layer 17a under the ribs. Easy to be disturbed. For this reason, flooding is likely to occur, and the limit SR is considered to increase.

そこで本実施形態では、この限界ＳＲが発電時間とともに減少していくのに合わせて目標ストイキレシオ（以下「目標ＳＲ」という）を減少させる。ここで目標ＳＲとは、基本カソードガス流量と、実際に燃料電池スタック１０に供給するカソードガス流量（以下「目標カソードガス流量」という）と、の比である。目標ＳＲが大きいときほど、基本カソードガス流量に対して目標カソードガス流量が多くなる。 Therefore, in the present embodiment, the target stoichiometric ratio (hereinafter referred to as “target SR”) is decreased as the limit SR decreases with the power generation time. Here, the target SR is a ratio between the basic cathode gas flow rate and the cathode gas flow rate actually supplied to the fuel cell stack 10 (hereinafter referred to as “target cathode gas flow rate”). The larger the target SR, the greater the target cathode gas flow rate with respect to the basic cathode gas flow rate.

図４は、発電時間と限界ＳＲ及び目標ＳＲとの関係を示した図である。 FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the power generation time, the limit SR, and the target SR.

図４に示すように、目標ＳＲは限界ＳＲよりも少し大きい値をとるように設定される。これにより、確実にフラッディングの発生を抑制して安定した発電を実施できる。また、必要以上にカソードガスを供給しないので、コンプレッサの消費電力を抑えることができるので燃費の向上を図ることができる。 As shown in FIG. 4, the target SR is set to take a value slightly larger than the limit SR. Thereby, generation | occurrence | production of flooding can be suppressed reliably and the stable electric power generation can be implemented. Further, since the cathode gas is not supplied more than necessary, the power consumption of the compressor can be suppressed, so that the fuel consumption can be improved.

図５は、本実施形態による目標カソードガス流量の算出方法について説明するフローチャートである。コントローラ４０は、本ルーチンを燃料電池スタック１０の運転中に所定の演算周期（例えば１０ｍｓ）で実行する。 FIG. 5 is a flowchart illustrating a method for calculating the target cathode gas flow rate according to the present embodiment. The controller 40 executes this routine at a predetermined calculation cycle (for example, 10 ms) during operation of the fuel cell stack 10.

ステップＳ１において、コントローラ４０は、予め実験等によって定められたマップを参照して運転状態に応じて目標発電電流を算出する。燃料電池スタック１０の負荷がおきいときほど目標発電電流は大きくなる。 In step S1, the controller 40 calculates a target generated current according to the operating state with reference to a map determined in advance by experiments or the like. The target generated current increases as the load of the fuel cell stack 10 increases.

ステップＳ２において、コントローラ４０は、予め実験等によって定められたテーブルを参照して目標発電電流に基づいて基本カソードガス流量を算出する。目標発電電流が大きいときほど基本カソードガス流量も大きくなる。 In step S <b> 2, the controller 40 calculates a basic cathode gas flow rate based on the target generated current with reference to a table previously determined by experiments or the like. The basic cathode gas flow rate increases as the target generated current increases.

ステップＳ３において、コントローラ４０は、図４のテーブルを参照して燃料電池の経時変化に基づいて目標ＳＲを算出する。具体的には発電時間に基づいて目標ＳＲを算出する。 In step S3, the controller 40 calculates the target SR based on the change with time of the fuel cell with reference to the table of FIG. Specifically, the target SR is calculated based on the power generation time.

ステップＳ４において、コントローラ４０は、基本カソードガス流量に目標ＳＲを乗じて目標カソードガス流量を算出する。 In step S4, the controller 40 calculates the target cathode gas flow rate by multiplying the basic cathode gas flow rate by the target SR.

以上説明した本実施形態によれば、燃料電池スタック１０の経時変化、すなわち発電時間の増加に応じて限界ＳＲが減少していくのに合わせて目標ＳＲを変更させ、かつ、目標ＳＲが限界ＳＲよりも少し大きい値をとるようにした。そして、運転状態に応じて基本カソードガス流量を算出し、その基本カソードガス流量に目標ＳＲを乗じて目標カソードガス流量を算出することとした。 According to the present embodiment described above, the target SR is changed as the limit SR decreases as the fuel cell stack 10 changes with time, that is, the power generation time increases, and the target SR becomes the limit SR. I tried to take a slightly larger value. Then, the basic cathode gas flow rate is calculated according to the operating state, and the target cathode gas flow rate is calculated by multiplying the basic cathode gas flow rate by the target SR.

これにより、実際に燃料電池スタック１０に供給するカソードガス流量（目標カソードガス流量）が、必ず運転状態に応じて定まる理論的に反応に必要なカソードガス流量（基本カソードガス流量）及びフラッディングの発生を抑制するために最低限必要なカソードガス流量よりも大きくなる。 As a result, the cathode gas flow rate (target cathode gas flow rate) actually supplied to the fuel cell stack 10 is always determined according to the operating state, and the theoretically necessary cathode gas flow rate (basic cathode gas flow rate) and generation of flooding. It becomes larger than the minimum cathode gas flow rate required for suppressing the above.

そのため、確実にフラッディングの発生を抑制して安定した発電を実施できる。また、必要以上にカソードガスを供給しないので、コンプレッサの消費電力を抑えることができるので燃費の向上を図ることができる。 For this reason, the generation of flooding can be reliably suppressed and stable power generation can be performed. Further, since the cathode gas is not supplied more than necessary, the power consumption of the compressor can be suppressed, so that the fuel consumption can be improved.

（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。本発明の第２実施形態は、発電量に応じて目標ＳＲを変更させていく点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点について説明する。なお、以下に示す各実施形態では前述した実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。 (Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. The second embodiment of the present invention is different from the first embodiment in that the target SR is changed according to the power generation amount. Hereinafter, the difference will be described. In each embodiment described below, the same reference numerals are used for portions that perform the same functions as those of the above-described embodiments, and repeated description is appropriately omitted.

図６は、発電量と限界ＳＲ及び目標ＳＲとの関係を示した図である。なお、ここでいう発電量とは、初期状態からこれまでの総発電量のことをいうものとする。 FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the power generation amount, the limit SR, and the target SR. In addition, the power generation amount here means the total power generation amount from the initial state to now.

図６に示すように、限界ＳＲは、発電量が所定量に達するまでは１より大きく、また、発電量が増加するにつれて減少する。そして、発電量が所定量に達した後は一定となる。 As shown in FIG. 6, the limit SR is larger than 1 until the power generation amount reaches a predetermined amount, and decreases as the power generation amount increases. Then, it becomes constant after the power generation amount reaches a predetermined amount.

そこで本実施形態では、この限界ＳＲが発電量とともに減少していくのに合わせて目標ＳＲを減少させる。そして、目標ＳＲが限界ＳＲよりも少し大きい値をとるように設定する。これにより、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。 Therefore, in the present embodiment, the target SR is decreased as the limit SR decreases with the power generation amount. Then, the target SR is set to take a value slightly larger than the limit SR. Thereby, the effect similar to 1st Embodiment can be acquired.

（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。本発明の第３実施形態は、発電回数に応じて目標ＳＲを変更させていく点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点について説明する。 (Third embodiment)
Next, a third embodiment of the present invention will be described. The third embodiment of the present invention is different from the first embodiment in that the target SR is changed according to the number of times of power generation. Hereinafter, the difference will be described.

図７は、発電回数と限界ＳＲ及び目標ＳＲとの関係を示した図である。なお、ここでいう発電回数とは、初期状態からこれまでの総発電回数のことをいうものとする。 FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the number of power generations, the limit SR, and the target SR. Here, the number of power generations refers to the total number of power generations from the initial state until now.

図７に示すように、限界ＳＲは、発電回数が所定回数に達するまでは１より大きく、また、発電回数が増加するにつれて減少する。そして、発電回数が所定回数に達した後は一定となる。 As shown in FIG. 7, the limit SR is greater than 1 until the number of power generations reaches a predetermined number, and decreases as the number of power generations increases. And it becomes constant after the frequency | count of electric power generation reaches predetermined number of times.

そこで本実施形態では、この限界ＳＲが発電回数とともに減少していくのに合わせて目標ＳＲを減少させる。そして、目標ＳＲが限界ＳＲよりも少し大きい値をとるように設定する。これにより、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。 Therefore, in the present embodiment, the target SR is decreased as the limit SR decreases with the number of power generations. Then, the target SR is set to take a value slightly larger than the limit SR. Thereby, the effect similar to 1st Embodiment can be acquired.

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について説明する。本発明の第４実施形態は、発電時間（発電量、発電回数でもよい）が所定時間に達するまでは目標ＳＲを一律に高ＳＲに設定し、所定時間に達した後は一律に低ＳＲに設定する点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点について説明する。 (Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. In the fourth embodiment of the present invention, the target SR is uniformly set to a high SR until the power generation time (which may be the amount of power generation or the number of power generations) reaches a predetermined time, and is uniformly set to a low SR after the predetermined time is reached. It differs from the first embodiment in that it is set. Hereinafter, the difference will be described.

図８は、本実施形態による発電時間と限界ＳＲ及び目標ＳＲとの関係を示した図である。 FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the power generation time, the limit SR, and the target SR according to this embodiment.

図８に示すように、本実施形態では発電時間が所定時間に達するまでは目標ＳＲを一律に高ＳＲに設定し、所定時間に達した後は一律に低ＳＲに設定する。 As shown in FIG. 8, in this embodiment, the target SR is uniformly set to high SR until the power generation time reaches a predetermined time, and after reaching the predetermined time, it is uniformly set to low SR.

本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果が得られるとともに、目標ＳＲをステップ的に２段階に切り替えるだけなので、発電時間に応じて連続的に目標ＳＲを変化させる場合と比べてカソードガス流量の制御が容易となる。 According to this embodiment, the same effect as the first embodiment can be obtained, and the target SR is only switched in two steps step by step, so that the target SR is continuously changed according to the power generation time. The cathode gas flow rate can be easily controlled.

（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態について説明する。本発明の第５実施形態は、フラッディングを検出したときには目標ＳＲを増加させる点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点について説明する。 (Fifth embodiment)
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described. The fifth embodiment of the present invention is different from the first embodiment in that the target SR is increased when flooding is detected. Hereinafter, the difference will be described.

図９は、本実施形態による発電時間と限界ＳＲ及び目標ＳＲとの関係を示した図である。 FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the power generation time, the limit SR, and the target SR according to this embodiment.

本実施形態でも、第１実施形態と同様に、発電時間に応じて限界ＳＲに合わせて連続的に目標ＳＲを減少させる。このとき、燃料電池スタック１０には個体差がある一方で、限界ＳＲは実験等によって予め一律に定められたものなので、固体によっては予め定められた限界ＳＲと実際の限界ＳＲとの間でずれが生じる可能性がある。そのため、実際の限界ＳＲが予め定められた限界ＳＲよりも大きい値をとる可能性があり、目標ＳＲが限界ＳＲを下回ってしまう可能性がある。 In the present embodiment, similarly to the first embodiment, the target SR is continuously reduced according to the limit SR according to the power generation time. At this time, while there is an individual difference in the fuel cell stack 10, the limit SR is uniformly determined in advance by experiments or the like. Therefore, depending on the solid, there is a deviation between the predetermined limit SR and the actual limit SR. May occur. Therefore, the actual limit SR may take a value larger than the predetermined limit SR, and the target SR may fall below the limit SR.

そこで、本実施形態では、図９に示すように、目標ＳＲが実際の限界ＳＲを下回ったと判断できるとき、すなわちフラッディングが発生していると判定したときは、目標ＳＲを所定値だけ増加させる。そして、増加させた後は、その増加させた目標ＳＲを基準として予め定められた限界ＳＲの傾きに合わせて再び発電時間に応じて目標ＳＲを減少させていく。 Thus, in the present embodiment, as shown in FIG. 9, when it can be determined that the target SR has fallen below the actual limit SR, that is, when it is determined that flooding has occurred, the target SR is increased by a predetermined value. Then, after the increase, the target SR is decreased again according to the power generation time in accordance with the inclination of the limit SR determined in advance with the increased target SR as a reference.

なお、フラッディングが発生しているか否かは、以下のようにして判定することができる。すなわち、所定電圧以下となる単セル１１の近傍にある他の単セル１１の電圧が、前記所定電圧より大きい加湿過剰判定電圧より大きければフラッディングが発生していると判定できる。 Whether flooding has occurred can be determined as follows. That is, it can be determined that flooding has occurred if the voltage of another single cell 11 in the vicinity of the single cell 11 that is equal to or lower than the predetermined voltage is greater than the humidification excess determination voltage greater than the predetermined voltage.

以上説明した本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を得られるほか、フラッディングが発生したときには、目標ＳＲの設定値を補正することができるので、より確実にフラッディングの発生を抑制できる。 According to the present embodiment described above, the same effect as that of the first embodiment can be obtained, and when the flooding occurs, the set value of the target SR can be corrected, so that the occurrence of flooding can be more reliably suppressed. it can.

（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態について説明する。本発明の第６実施形態は、所定時間が経過した後に複数回、同一の目標ＳＲでフラッディングが発生したときは、その目標ＳＲ又はその目標ＳＲを所定値だけ増加させた値を最終的な目標ＳＲとして設定する点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点について説明する。 (Sixth embodiment)
Next, a sixth embodiment of the present invention will be described. In the sixth embodiment of the present invention, when flooding occurs at the same target SR a plurality of times after a predetermined time has elapsed, the target SR or a value obtained by increasing the target SR by a predetermined value is set as the final target. It differs from the first embodiment in that it is set as SR. Hereinafter, the difference will be described.

図１０は、本実施形態による発電時間と限界ＳＲ及び目標ＳＲとの関係を示した図である。 FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the power generation time, the limit SR, and the target SR according to the present embodiment.

本実施形態でも、第１実施形態と同様に、発電時間に応じて限界ＳＲに合わせて連続的に目標ＳＲを減少させる。そして、フラッディングが発生していると判定したときは目標ＳＲを所定値だけ増加させる。このとき、所定時間が経過した後に複数回、同一の目標ＳＲでフラッディングが発生したときは、その目標ＳＲ又はその目標ＳＲを所定値だけ増加させた値を最終的な目標ＳＲとして設定する。 In the present embodiment, similarly to the first embodiment, the target SR is continuously reduced according to the limit SR according to the power generation time. When it is determined that flooding has occurred, the target SR is increased by a predetermined value. At this time, when flooding occurs in the same target SR a plurality of times after a predetermined time has elapsed, the target SR or a value obtained by increasing the target SR by a predetermined value is set as the final target SR.

これにより、第１実施形態と同様の効果を得られるほか、固体ごとに限界ＳＲを把握することができ、その限界ＳＲを目標ＳＲとして設定することができる。そのため、フラッディングの発生を抑制できる必要最低限のカソードガスを供給できるので、より燃費の向上を図ることができる。 As a result, the same effects as those of the first embodiment can be obtained, the limit SR can be grasped for each solid, and the limit SR can be set as the target SR. Therefore, since the minimum necessary cathode gas that can suppress the occurrence of flooding can be supplied, the fuel consumption can be further improved.

なお、本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it is obvious that various modifications can be made within the scope of the technical idea.

例えば、上記各実施形態では燃料電池スタック１０の経時変化を表す指標として発電時間、発電量及び発電回数を用いたが、これまでの燃料電池スタック１０の運転時間がわかるものであればこれに限られるものではなく、燃料電池システム１の起動停止回数や発電に伴う潤滑回数、乾燥による収縮回数などを燃料電池スタック１０の経時変化を表す指標として用いても良い。 For example, in each of the above-described embodiments, the power generation time, the power generation amount, and the number of power generations are used as an index representing the change with time of the fuel cell stack 10. Instead, the number of times of starting and stopping the fuel cell system 1, the number of times of lubrication accompanying power generation, the number of times of shrinkage due to drying, and the like may be used as an index representing the change with time of the fuel cell stack 10.

また、上記各実施形態では燃料電池スタック１０の経時変化に応じてカソードガスの流量を制御してフラッディングの発生を抑制していた。しかしながら、アノードガスの流量を制御してフラッディングの発生を抑制しても良いし、カソードガス及びアノードガスの双方の流量を制御してフラッディングの発生を抑制しても良い。このとき、アノードガス流量の減少幅（目標ＳＲの傾きの大きさ）は、カソードガス流量と同じでも良いし、異ならせても良い。 Further, in each of the above embodiments, the generation of flooding is suppressed by controlling the flow rate of the cathode gas in accordance with the change with time of the fuel cell stack 10. However, the generation of flooding may be suppressed by controlling the flow rate of the anode gas, or the generation of flooding may be suppressed by controlling the flow rates of both the cathode gas and the anode gas. At this time, the decrease width of the anode gas flow rate (the magnitude of the inclination of the target SR) may be the same as or different from the cathode gas flow rate.

また、上記第１実施形態から第３実施形態では、目標ＳＲが限界ＳＲよりも少し大きい値をとるように設定したが、目標ＳＲと限界ＳＲとを同じにしてもかまわない。 In the first to third embodiments, the target SR is set to be slightly larger than the limit SR. However, the target SR and the limit SR may be the same.

また、発電時間、発電量及び発電回数の全てを考慮して精度良く燃料電池スタック１０の経時変化を求めても良い。 Further, the change with time of the fuel cell stack 10 may be obtained with high accuracy in consideration of all of the power generation time, the power generation amount, and the number of power generations.

１燃料電池システム
１０燃料電池スタック（燃料電池）
Ｓ１目標発電電流算出手段
Ｓ２基本反応ガス流量算出手段
Ｓ１〜Ｓ４目標反応ガス流量算出手段 1 Fuel Cell System 10 Fuel Cell Stack (Fuel Cell)
S1 target generation current calculation means S2 basic reaction gas flow rate calculation means S1 to S4 target reaction gas flow rate calculation means

Claims

A fuel cell system for generating power by supplying a reaction gas to a fuel cell,
A fuel cell system comprising target reaction gas flow rate calculation means for calculating a target reaction gas flow rate capable of suppressing flooding with respect to the generated current of the fuel cell according to the degree of change with time of the fuel cell.

The target reaction gas flow rate calculating means includes:
Target generated current calculation means for calculating a target generated current according to the operating state;
A basic reaction gas flow rate calculating means for calculating a basic reaction gas flow rate according to the target generated current,
The target reaction gas flow rate supplied to the fuel cell is calculated by increasing and correcting the basic reaction gas flow rate according to the degree of change with time of the fuel cell so as to suppress occurrence of flooding. 2. The fuel cell system according to 1.

The target reaction gas flow rate calculating means includes:
The fuel cell system according to claim 2, wherein the correction amount of the basic reaction gas flow rate is decreased as the degree of change with time of the fuel cell increases.

The fuel cell system according to claim 2 or 3, wherein the correction amount of the basic reaction gas flow rate is changed stepwise.

The target reaction gas flow rate calculating means includes:
When the flooding is detected, the correction amount of the basic reaction gas flow rate is increased, and after the increase, the increased correction amount is decreased again according to the degree of change with time of the fuel cell. Item 5. The fuel cell system according to any one of Items 2 to 4.

6. The fuel cell system according to claim 5, wherein when a correction amount of the basic reaction gas flow rate when the flooding is detected is the same value a plurality of times, the subsequent correction amounts are fixed to the same value. .

The target reaction gas flow rate calculating means includes:
A target stoichiometric ratio calculating means for calculating a target stoichiometric ratio having a value of 1 or more in accordance with the degree of change with time of the fuel cell;
The fuel cell system according to any one of claims 2 to 6, wherein the reaction gas flow rate is calculated by multiplying the basic reaction gas flow rate by the target stoichiometric ratio.

The fuel cell according to any one of claims 1 to 7, wherein the target reaction gas flow rate calculation means determines the degree of change with time of the fuel cell based on the total number of power generations of the fuel cell. system.

The fuel cell according to any one of claims 1 to 7, wherein the target reaction gas flow rate calculating means determines a degree of change with time of the fuel cell based on a total power generation amount of the fuel cell. system.

The fuel cell according to any one of claims 1 to 7, wherein the target reaction gas flow rate calculation means determines the degree of change with time of the fuel cell based on the total power generation time of the fuel cell. system.