JP2011258396A - Fuel cell system - Google Patents

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JP2011258396A
JP2011258396A JP2010131583A JP2010131583A JP2011258396A JP 2011258396 A JP2011258396 A JP 2011258396A JP 2010131583 A JP2010131583 A JP 2010131583A JP 2010131583 A JP2010131583 A JP 2010131583A JP 2011258396 A JP2011258396 A JP 2011258396A
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fuel cell
flooding
region
fastening
fastening load
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JP2010131583A
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Tsunemasa Nishida
恒政 西田
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Toyota Motor Corp
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Toyota Motor Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To ensure a performance of a fuel cell while suppressing moisture from becoming too much and an electrolyte membrane from being dried during power generation of the fuel cell.SOLUTION: The present invention relates to a fuel cell system including a flooding detection section, a membrane dry detection section, a fastening mechanism, and a fastening load control section. The fastening mechanism is configured to apply a fastening load to a fuel cell in a stacking direction and is capable of applying a uniform fastening load to a single cell and applying fastening loads different in accordance with areas in the single cell. When the flooding detection section detects occurrence of flooding, the fastening load control section drives the fastening mechanism to decrease the fastening load at least in a flooding area that is an area preset as an area where flooding easily occurs and when the membrane dry detection section detects the lack of moisture in an electrolyte membrane, the fastening load control section drives the fastening mechanism to increase a fastening load at least in a membrane dry area preset as an area where the lack of moisture in the electrolyte membrane easily occurs.

Description

本発明は、燃料電池システムに関するものである。   The present invention relates to a fuel cell system.

燃料電池の発電時には、燃料電池内のガス流路に液水が滞留して、ガス流路におけるガス流れを抑制する場合がある。このような液水の滞留に起因するガス流れの抑制は、燃料電池の発電性能の低下の原因となり得る。そのため、燃料電池の性能を維持するためには、燃料電池からの排水性を確保することが重要である。このような燃料電池からの排水性を確保する方法の一つとして、従来、燃料電池システムの停止時に、燃料電池スタック内の水分量に基づいて燃料電池スタックの締め付け荷重を減少させて、燃料電池からの排水性を高める方法が提案されていた(例えば、特許文献1参照)。   During power generation of the fuel cell, liquid water may stay in the gas flow path in the fuel cell and suppress the gas flow in the gas flow path. Suppression of the gas flow due to such stagnation of liquid water can cause a decrease in power generation performance of the fuel cell. Therefore, in order to maintain the performance of the fuel cell, it is important to ensure drainage from the fuel cell. As one method for ensuring drainage from such a fuel cell, conventionally, when the fuel cell system is stopped, the tightening load of the fuel cell stack is reduced based on the amount of water in the fuel cell stack, and the fuel cell Has been proposed (see, for example, Patent Document 1).

特開2007−115492号公報JP 2007-115492 A 特開2007−005229号公報JP 2007-005229 A

しかしながら、燃料電池スタックの締め付け荷重を減少させて、燃料電池からの排水性を高める場合には、排水性が高まることにより部分的に電解質膜が乾燥し、燃料電池の性能を充分に確保できない事態も生じ得た。また、燃料電池からの排水性の確保による電池性能の確保は、燃料電池の停止時だけでなく、燃料電池が発電を継続しているときにおいて、強く望まれていた。燃料電池の停止時には、電解質膜が乾燥したとしても、その後の発電に必ずしも直接影響するとは限らないが、燃料電池が発電を継続しているときには、電解質膜の乾燥は、電池性能の低下を直ちに引き起こす可能性がある。そのため、燃料電池の発電中には、燃料電池からの排水性を確保するためであっても、電解質膜の乾燥を引き起こす可能性のある締め付け荷重の減少という方策は、採用し難い場合があった。   However, when the tightening load of the fuel cell stack is reduced to enhance the drainage performance from the fuel cell, the electrolyte membrane is partially dried due to the increased drainage performance, and the fuel cell performance cannot be sufficiently secured. Could also occur. In addition, ensuring the cell performance by ensuring drainage from the fuel cell has been strongly desired not only when the fuel cell is stopped, but also when the fuel cell continues to generate power. When the fuel cell is stopped, even if the electrolyte membrane dries, it does not necessarily directly affect the subsequent power generation.However, when the fuel cell continues to generate power, drying the electrolyte membrane immediately reduces the battery performance. May cause. For this reason, during power generation of the fuel cell, even in order to ensure drainage from the fuel cell, it has been difficult to adopt the measure of reducing the tightening load that may cause the electrolyte membrane to dry. .

本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池の発電時において、水分過多および電解質膜の乾燥を抑制しつつ、燃料電池の性能を確保することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described conventional problems, and aims to ensure the performance of a fuel cell while suppressing excessive moisture and drying of an electrolyte membrane during power generation of the fuel cell. To do.

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実施することが可能である。   SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.

[適用例1]
電解質膜および電極を含む単セルを有する燃料電池を備えた燃料電池システムであって、
前記燃料電池におけるフラッディングの発生を検知するフラッディング検知部と、
前記燃料電池が備える電解質膜における水分不足を検知する膜乾燥検知部と、
前記燃料電池に対して前記電解質膜および電極の積層方向に締結荷重を加える締結機構であって、前記単セルに対して均一な締結荷重を加えることができると共に、前記単セル内の領域によって異なる締結荷重を加えることが可能な締結機構と、
前記フラッディング検知部がフラッディングの発生を検知したときには、前記締結機構を駆動することによって、少なくとも、前記単セルにおいてフラッディングが発生しやすい領域として予め設定した領域であるフラッディング領域の締結荷重を減少させ、前記膜乾燥検知部が前記電解質膜の水不足を検知したときには、前記締結機構を駆動することによって、少なくとも、前記単セルにおいて前記電解質膜における水分不足が発生しやすい領域として予め設定した領域である膜乾燥領域の締結荷重を増加させる締結荷重制御部と
を備える燃料電池システム。
[Application Example 1]
A fuel cell system comprising a fuel cell having a single cell including an electrolyte membrane and an electrode,
A flooding detection unit for detecting occurrence of flooding in the fuel cell;
A membrane dryness detection unit for detecting water shortage in the electrolyte membrane provided in the fuel cell;
A fastening mechanism that applies a fastening load to the fuel cell in the stacking direction of the electrolyte membrane and the electrode, and can apply a uniform fastening load to the single cell, and varies depending on a region in the single cell. A fastening mechanism capable of applying a fastening load;
When the flooding detection unit detects the occurrence of flooding, the fastening mechanism is driven to reduce at least the fastening load of the flooding region that is a region preset as a region where flooding is likely to occur in the single cell, When the membrane drying detection unit detects water shortage of the electrolyte membrane, the membrane is a region set in advance as a region where water shortage in the electrolyte membrane is likely to occur at least in the single cell by driving the fastening mechanism. A fuel cell system comprising: a fastening load control unit that increases the fastening load in the dry region.

適用例1に記載の燃料電池システムによれば、フラッディングが発生したときには、少なくともフラッディング領域の締結荷重を減少させることによってフラッディングの解消を図ることができ、電解質膜の水不足が生じたときには、少なくとも膜乾燥領域の締結荷重を増加させることによって膜乾燥の解消を図ることができる。   According to the fuel cell system described in Application Example 1, when flooding occurs, the flooding can be eliminated by reducing at least the fastening load in the flooding region. When water shortage of the electrolyte membrane occurs, at least the membrane Membrane drying can be eliminated by increasing the fastening load in the drying region.

[適用例2]
適用例1記載の燃料電池システムであって、前記締結荷重制御部は、前記フラッディング検知部がフラッディングを検知したときには、前記締結機構を駆動することによって、前記単セル全体の締結荷重を減少させ、その後、前記膜乾燥検知部が前記電解質膜の水不足を検知したときには、前記締結機構を駆動することによって、前記膜乾燥領域の締結荷重を他の領域に比べて増加させる燃料電池システム。適用例2に記載の燃料電池システムによれば、単セル内のいずれの領域においてフラッディングが生じていても、単セル全体の締結荷重を減少させることによって、フラッディングの解消を図ることが可能になる。また、単セル全体の締結荷重を減少させることによって、膜乾燥領域において電解質膜の水分不足が発生する場合には、膜乾燥領域の締結荷重を他の領域に比べて増加させることにより、電解質膜の水分不足の解消を図ることができる。
[Application Example 2]
In the fuel cell system according to application example 1, when the flooding detection unit detects flooding, the fastening load control unit reduces the fastening load of the entire single cell by driving the fastening mechanism. Thereafter, when the membrane drying detection unit detects water shortage of the electrolyte membrane, the fastening mechanism is driven to increase the fastening load of the membrane drying region as compared to other regions. According to the fuel cell system described in Application Example 2, even if flooding occurs in any region in the single cell, the flooding can be eliminated by reducing the fastening load of the entire single cell. . In addition, by reducing the fastening load of the entire single cell, in the case where insufficient moisture of the electrolyte membrane occurs in the membrane drying region, the electrolyte membrane can be increased by increasing the fastening load of the membrane drying region as compared with other regions. The lack of moisture can be solved.

[適用例3]
適用例1記載の燃料電池システムであって、前記締結荷重制御部は、前記膜乾燥検知部が前記電解質膜の水不足を検知したときには、前記締結機構を駆動することによって、前記単セル全体の締結荷重を増加させ、その後、前記フラッディング検知部がフラッディングを検知したときには、前記締結機構を駆動することによって、前記フラッディング領域の締結荷重を他の領域に比べて減少させる燃料電池システム。適用例3に記載の燃料電池システムによれば、単セル内のいずれの領域において電解質膜の水分不足が発生していても、単セル全体の締結荷重を増加させることによって、電解質膜の水分不足の解消を図ることが可能になる。また、単セル全体の締結荷重を増加させることによって、フラッディング領域においてフラッディングが発生する場合には、フラッディング領域の締結荷重を他の領域に比べて減少させることにより、フラッディングの解消を図ることができる。
[Application Example 3]
The fuel cell system according to Application Example 1, wherein the fastening load control unit is configured to fasten the entire single cell by driving the fastening mechanism when the membrane dryness detection unit detects water shortage of the electrolyte membrane. A fuel cell system that increases a load, and then, when the flooding detection unit detects flooding, drives the fastening mechanism to reduce the fastening load in the flooding region as compared to other regions. According to the fuel cell system described in Application Example 3, even if the electrolyte membrane has insufficient moisture in any region of the single cell, the electrolyte membrane has insufficient moisture by increasing the fastening load of the entire single cell. Can be solved. Further, when flooding occurs in the flooding area by increasing the fastening load of the entire single cell, the flooding can be eliminated by reducing the fastening load in the flooding area compared to other areas. .

[適用例4]
適用例1ないし3いずれか記載の燃料電池システムであって、前記フラッディング検知部は、前記燃料電池において電圧低下が検出され、且つ、電気化学反応に供される反応ガスが流れる流路として前記燃料電池内に形成された燃料電池内ガス流路において圧力損失の増加が検出されたときに、フラッディングの発生を検知する燃料電池システム。適用例4に記載の燃料電池システムによれば、燃料電池の電圧低下と、燃料電池内ガス流路における圧力損失の増加とを組み合わせることにより、精度良くフラッディングを検知することができる。
[Application Example 4]
4. The fuel cell system according to any one of application examples 1 to 3, wherein the flooding detection unit detects a voltage drop in the fuel cell and serves as a flow path through which a reaction gas used for an electrochemical reaction flows. A fuel cell system for detecting occurrence of flooding when an increase in pressure loss is detected in a gas flow path in a fuel cell formed in a battery. According to the fuel cell system described in the application example 4, the flooding can be detected with high accuracy by combining the voltage drop of the fuel cell and the increase of the pressure loss in the gas flow path in the fuel cell.

[適用例5]
適用例1ないし4いずれか記載の燃料電池システムであって、前記膜乾燥検知部は、前記燃料電池において電圧低下が検出され、且つ、前記燃料電池における抵抗の上昇が検出されたときに、前記電解質膜における水分不足を検知する燃料電池システム。適用例5に記載の燃料電池システムによれば、燃料電池の電圧低下と、燃料電池における抵抗の上昇とを組み合わせることにより、精度良く電解質膜の水分不足を検知することができる。
[Application Example 5]
The fuel cell system according to any one of Application Examples 1 to 4, wherein the membrane dryness detection unit detects the voltage drop in the fuel cell and detects the increase in resistance in the fuel cell. A fuel cell system that detects water shortage in an electrolyte membrane. According to the fuel cell system described in Application Example 5, it is possible to accurately detect the moisture shortage of the electrolyte membrane by combining the voltage drop of the fuel cell and the resistance increase in the fuel cell.

[適用例6]
適用例1ないし5いずれか記載の燃料電池システムであって、前記フラッディング領域は、電気化学反応に供される反応ガスが流れる流路として前記単セル内に形成されたセル内ガス流路から前記単セル外へと前記反応ガスが排出される反応ガス排出口の近傍領域であり、前記膜乾燥領域は、前記単セル外から前記セル内ガス流路へと前記反応ガスが供給される反応ガス供給口の近傍領域である燃料電池システム。適用例6に記載の燃料電池システムによれば、比較的湿度の高い反応ガスが流れる反応ガス排出口の近傍領域をフラッディング領域として設定し、比較的湿度が低い反応ガスが流れる反応ガス供給口の近傍領域を膜乾燥領域として設定することにより、フラッディングおよび電解質膜の水分不足を、適切に抑制することが可能になる。
[Application Example 6]
The fuel cell system according to any one of Application Examples 1 to 5, wherein the flooding region is formed from an in-cell gas flow path formed in the single cell as a flow path through which a reaction gas to be subjected to an electrochemical reaction flows. It is a region near the reaction gas outlet from which the reaction gas is discharged outside the single cell, and the membrane drying region is a reaction gas to which the reaction gas is supplied from outside the single cell to the gas flow path in the cell. A fuel cell system in the vicinity of the supply port. According to the fuel cell system described in Application Example 6, the region near the reaction gas discharge port through which the reaction gas having a relatively high humidity flows is set as a flooding region, and the reaction gas supply port through which the reaction gas having a relatively low humidity flows. By setting the vicinity region as the membrane drying region, flooding and water shortage of the electrolyte membrane can be appropriately suppressed.

[適用例7]
適用例6記載の燃料電池システムであって、前記単セルは、前記電解質膜の両面に電極が形成されて成る膜−電極接合体と、前記膜−電極接合体を挟持するように配置された導電性多孔質体から成る一対のガス拡散層と、前記ガス拡散層上に配置されて、前記ガス拡散層との間で前記セル内ガス流路を形成するための凹凸が形成されたガスセパレータと、を備え、前記セル内ガス流路は、前記反応ガス供給口側から前記反応ガス排出口側へと直進するように前記反応ガスを導く互いに平行な溝状流路であって、交互に配置された第1の流路および第2の流路を備え、前記第1の流路は、一方の端部が前記反応ガス供給口側で開口すると共に、他方の端部が閉塞されており、前記第2の流路は、前記反応ガス供給口の近傍に配置される一方の端部が閉塞されると共に、他方の端部が前記反応ガス排出口側で開口している燃料電池システム。適用例7に記載の燃料電池システムによれば、特に、第1の流路の一方の端部側で電解質膜の水分不足が発生し易く、第1および第2の流路の他方の端部側でフラッディングが生じ易いため、フラッディングおよび電解質膜の水分不足を抑制する効果を、顕著に得ることができる。
[Application Example 7]
The fuel cell system according to Application Example 6, wherein the single cell is disposed so as to sandwich a membrane-electrode assembly in which electrodes are formed on both surfaces of the electrolyte membrane, and the membrane-electrode assembly. A gas separator having a pair of gas diffusion layers made of a conductive porous body and irregularities disposed on the gas diffusion layer to form the in-cell gas flow path between the gas diffusion layer and the gas diffusion layer And the in-cell gas flow path is a groove-shaped flow path parallel to each other for guiding the reaction gas so as to go straight from the reaction gas supply port side to the reaction gas discharge port side. The first flow path includes a first flow path and a second flow path, and one end of the first flow path is opened on the reaction gas supply port side and the other end is closed. The second flow path has one end disposed in the vicinity of the reaction gas supply port. Fuel cell system but with the closure and the other end is open in the reaction gas outlet side. According to the fuel cell system described in Application Example 7, in particular, water shortage of the electrolyte membrane easily occurs on one end side of the first flow path, and the other end portions of the first and second flow paths. Since flooding is likely to occur on the side, the effect of suppressing flooding and lack of moisture in the electrolyte membrane can be significantly obtained.

[適用例8]
適用例6または7記載の燃料電池システムであって、前記セル内ガス流路は、前記反応ガスとして、酸素を含有する酸化ガスが流れる流路である燃料電池システム。適用例8に記載の燃料電池システムによれば、電気化学反応に伴って生成水が生じるカソード側の流路である酸化ガスの流路の上流側を膜乾燥領域に設定し、下流側をフラッディング領域に設定することにより、電解質膜の水分不足およびフラッディングに起因する電池性能の低下を、精度良く抑制することができる。
[Application Example 8]
8. The fuel cell system according to Application Example 6 or 7, wherein the in-cell gas flow path is a flow path through which an oxidizing gas containing oxygen flows as the reaction gas. According to the fuel cell system described in Application Example 8, the upstream side of the oxidation gas flow path, which is the flow path on the cathode side where generated water is generated in response to the electrochemical reaction, is set as the membrane drying region, and the downstream side is flooded. By setting the area, it is possible to accurately suppress the deterioration of the battery performance due to the insufficient moisture of the electrolyte membrane and the flooding.

[適用例9]
電解質膜および電極を含む単セルを有する燃料電池を備えた燃料電池システムであって、
前記燃料電池におけるフラッディングの発生を検知するフラッディング検知部と、
前記燃料電池が備える電解質膜における水分不足を検知する膜乾燥検知部と、
前記燃料電池に対して前記電解質膜および電極の積層方向に締結荷重を加える締結機構であって、前記単セルに対して均一な締結荷重を加えることができると共に、前記単セル内の領域によって異なる締結荷重を加えることが可能な締結機構と、
前記フラッディング検知部がフラッディングの発生を検知したときには、前記締結機構を駆動することによって、少なくとも、前記単セルにおいてフラッディングが発生していると判断される領域であるフラッディング領域の締結荷重を減少させ、前記膜乾燥検知部が前記電解質膜の水不足を検知したときには、前記締結機構を駆動することによって、少なくとも、前記単セルにおいて前記電解質膜における水分不足が発生していると判断される領域である膜乾燥領域の締結荷重を増加させる締結荷重制御部と
を備える燃料電池システム。
[Application Example 9]
A fuel cell system comprising a fuel cell having a single cell including an electrolyte membrane and an electrode,
A flooding detection unit for detecting occurrence of flooding in the fuel cell;
A membrane dryness detection unit for detecting water shortage in the electrolyte membrane provided in the fuel cell;
A fastening mechanism that applies a fastening load to the fuel cell in the stacking direction of the electrolyte membrane and the electrode, and can apply a uniform fastening load to the single cell, and varies depending on a region in the single cell. A fastening mechanism capable of applying a fastening load;
When the flooding detection unit detects the occurrence of flooding, by driving the fastening mechanism, at least reduce the fastening load of the flooding region, which is a region where flooding is determined to occur in the single cell, When the membrane dryness detection unit detects water shortage of the electrolyte membrane, the membrane is a region where at least the water shortage in the electrolyte membrane is determined to occur in the single cell by driving the fastening mechanism A fuel cell system comprising: a fastening load control unit that increases the fastening load in the dry region.

適用例9に記載の燃料電池システムによれば、フラッディングが発生したときには、少なくともフラッディング領域の締結荷重を減少させることによってフラッディングの解消を図ることができ、電解質膜の水不足が生じたときには、少なくとも膜乾燥領域の締結荷重を増加させることによって膜乾燥の解消を図ることができる。   According to the fuel cell system described in Application Example 9, when flooding occurs, the flooding can be eliminated by reducing at least the fastening load in the flooding region, and when water shortage of the electrolyte membrane occurs, at least the membrane Membrane drying can be eliminated by increasing the fastening load in the drying region.

本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、燃料電池システムの制御方法などの形態で実現することが可能である。   The present invention can be realized in various forms other than those described above. For example, the present invention can be realized in the form of a control method for a fuel cell system.

燃料電池システム10の概略構成を表わすブロック図である。1 is a block diagram illustrating a schematic configuration of a fuel cell system 10. FIG. 単セル70の構成を表わす断面模式図である。3 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a single cell 70. FIG. ガスセパレータ77の形状を表わす平面図である。7 is a plan view showing the shape of a gas separator 77. FIG. フラッディング領域Eと膜乾燥領域Dの配置を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows arrangement | positioning of the flooding area | region E and the film | membrane drying area | region D. FIG. 締結荷重制御処理ルーチンを表わすフローチャートである。It is a flowchart showing a fastening load control processing routine. 電流−電圧特性(IV特性)の一例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows an example of a current-voltage characteristic (IV characteristic). 締結荷重制御処理ルーチンを表わすフローチャートである。It is a flowchart showing a fastening load control processing routine. 締結荷重制御処理ルーチンを表わすフローチャートである。It is a flowchart showing a fastening load control processing routine.

A.燃料電池システム10の構成:
図1は、本発明の第1実施例の燃料電池システム10の概略構成を表わすブロック図である。燃料電池システム10は、燃料電池15と、水素タンク20と、水素循環ポンプ23と、コンプレッサ30と、圧力センサ42,43と、制御部45と、を備えている。
A. Configuration of the fuel cell system 10:
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system 10 according to a first embodiment of the present invention. The fuel cell system 10 includes a fuel cell 15, a hydrogen tank 20, a hydrogen circulation pump 23, a compressor 30, pressure sensors 42 and 43, and a control unit 45.

燃料電池15は、固体高分子型の燃料電池であり、発電体としての単セル70を複数積層して成るスタック18を備えている。スタック18は、単セル70を複数積層して成る積層体の両端に、出力端子を備える集電板および絶縁板(図示せず)、そしてエンドプレート16,17を、順次配置することによって構成されている。また、燃料電池15には、燃料電池15を構成する個々の単セル70の電圧を検出する電圧センサ40が設けられている。また、燃料電池15には、スタック18全体の抵抗を測定するための抵抗測定部44が設けられている。抵抗測定部44は、スタック18の両極端子に交流の電圧をその周波数を掃引しつつ入力する際に、両極端子間を流れる交流の電流を検出することにより、正負両極端子間の交流インピーダンスを測定する周知の装置である。さらに、燃料電池15には、締結部50が設けられている。   The fuel cell 15 is a polymer electrolyte fuel cell, and includes a stack 18 formed by stacking a plurality of single cells 70 as a power generator. The stack 18 is configured by sequentially arranging a current collecting plate and an insulating plate (not shown) having output terminals, and end plates 16 and 17 at both ends of a laminated body formed by laminating a plurality of single cells 70. ing. Further, the fuel cell 15 is provided with a voltage sensor 40 that detects the voltage of each single cell 70 constituting the fuel cell 15. Further, the fuel cell 15 is provided with a resistance measuring unit 44 for measuring the resistance of the entire stack 18. The resistance measurement unit 44 measures the AC impedance between the positive and negative bipolar terminals by detecting the alternating current flowing between the bipolar terminals when the AC voltage is input to the bipolar terminals of the stack 18 while sweeping the frequency. It is a known device. Further, the fuel cell 15 is provided with a fastening portion 50.

締結部50は、単セル70の積層方向に締結荷重を加えた状態で、スタック18を保持する締結機構を備えている。スタック18は、一方の端部であるエンドプレート16において固定されている。そして、他方の端部であるエンドプレート17側において、エンドプレート17を介してスタック18に対して加える締結荷重を変更可能な締結部50が設けられている。締結部50は、複数のスプリング51と、スプリング51を介してエンドプレート17へと締結荷重を加える複数のアクチュエータ52とを備えている。各々のアクチュエータ52は、サーボモータ(図示せず)を備え、サーボモータの駆動制御によって、各々のアクチュエータ52がエンドプレート17へと加える締結荷重の大きさを調節可能となっている。各々のアクチュエータ52が備えるサーボモータの駆動制御によって、スタック18に加えられる締結荷重を、セル面内で一様にすることもでき、セル面内で異ならせることもできる。スタック18には、さらに、各々のアクチュエータ52に対応する位置にロードセル53が設けられており、アクチュエータ52によって加えられる締結荷重を検出可能となっている。サーボモータを駆動制御する際には、ロードセル53の検出信号に基づいてフィードバック制御が行なわれる。燃料電池15の構成、および、締結部50による締結荷重の制御については、後に詳しく説明する。   The fastening portion 50 includes a fastening mechanism that holds the stack 18 in a state where a fastening load is applied in the stacking direction of the single cells 70. The stack 18 is fixed on an end plate 16 which is one end. A fastening portion 50 that can change the fastening load applied to the stack 18 via the end plate 17 is provided on the end plate 17 side that is the other end. The fastening portion 50 includes a plurality of springs 51 and a plurality of actuators 52 that apply a fastening load to the end plate 17 via the springs 51. Each actuator 52 includes a servo motor (not shown), and the magnitude of the fastening load applied to the end plate 17 by each actuator 52 can be adjusted by the drive control of the servo motor. The fastening load applied to the stack 18 can be made uniform in the cell plane or can be made different in the cell plane by the drive control of the servo motor provided in each actuator 52. The stack 18 is further provided with a load cell 53 at a position corresponding to each actuator 52 so that a fastening load applied by the actuator 52 can be detected. When driving the servo motor, feedback control is performed based on the detection signal of the load cell 53. The configuration of the fuel cell 15 and the fastening load control by the fastening portion 50 will be described in detail later.

水素タンク20は、燃料ガスとしての水素ガスが貯蔵される貯蔵装置であり、水素供給流路25を介してスタック18へと接続されている。水素供給流路25上において、水素タンク20から近い順に、水素遮断弁21と、可変調圧弁22とが設けられている。可変調圧弁22は、水素タンク20から燃料電池15へ供給される水素圧(水素量)を調整可能な調圧弁である。なお、水素タンク20は、高圧の水素ガスを貯蔵する水素ボンベとする他、水素吸蔵合金を備えて水素吸蔵合金に水素を吸蔵させることによって水素を蓄えるタンクとしても良い。   The hydrogen tank 20 is a storage device that stores hydrogen gas as a fuel gas, and is connected to the stack 18 via a hydrogen supply channel 25. On the hydrogen supply flow path 25, a hydrogen cutoff valve 21 and a modulatable pressure valve 22 are provided in order from the hydrogen tank 20. The adjustable pressure valve 22 is a pressure regulating valve capable of adjusting the hydrogen pressure (hydrogen amount) supplied from the hydrogen tank 20 to the fuel cell 15. The hydrogen tank 20 may be a hydrogen cylinder that stores high-pressure hydrogen gas, or a hydrogen storage alloy that stores hydrogen by storing a hydrogen storage alloy and storing the hydrogen in the hydrogen storage alloy.

スタック18には、さらに、水素排出流路26が接続されている。この水素排出流路26には、パージ弁24が設けられている。また、水素供給流路25と水素排出流路26とを接続して、接続流路27が設けられている。接続流路27は、可変調圧弁22よりも下流側で水素供給流路25に接続し、パージ弁24よりも上流側で水素排出流路26に接続している。接続流路27には、流路内を水素が循環する際の駆動力を発生する水素循環ポンプ23が設けられている。   A hydrogen discharge channel 26 is further connected to the stack 18. A purge valve 24 is provided in the hydrogen discharge channel 26. Further, a connection flow path 27 is provided by connecting the hydrogen supply flow path 25 and the hydrogen discharge flow path 26. The connection flow path 27 is connected to the hydrogen supply flow path 25 on the downstream side of the adjustable pressure valve 22 and is connected to the hydrogen discharge flow path 26 on the upstream side of the purge valve 24. The connection flow path 27 is provided with a hydrogen circulation pump 23 that generates a driving force when hydrogen circulates in the flow path.

水素タンク20から水素供給流路25を介して供給される水素は、燃料電池15で電気化学反応に供され、水素排出流路26に排出される。水素排出流路26に排出された水素は、接続流路27を経由して、再び水素供給流路25に導かれる。このように、燃料電池システム10において水素は、水素排出流路26の一部、接続流路27、水素供給流路25の一部、および、燃料電池15内に形成される燃料ガスの流路(これらの流路を併せて、水素循環流路と呼ぶ)を循環する。なお、燃料電池15の発電時には、通常はパージ弁24は閉弁されているが、循環する水素中の不純物(窒素や水蒸気等)が増加したときにはパージ弁24は適宜開弁され、これによって、不純物濃度が増加した水素ガスの一部がシステムの外部に排出される。また、電気化学反応の進行による水素の消費や、パージ弁24の開弁によって、水素循環流路内の水素量が不足するときには、可変調圧弁22を介して水素タンク20から水素循環流路へと水素が補われる。   Hydrogen supplied from the hydrogen tank 20 via the hydrogen supply flow path 25 is supplied to the electrochemical reaction in the fuel cell 15 and discharged to the hydrogen discharge flow path 26. The hydrogen discharged to the hydrogen discharge channel 26 is guided again to the hydrogen supply channel 25 via the connection channel 27. As described above, in the fuel cell system 10, hydrogen is part of the hydrogen discharge passage 26, the connection passage 27, part of the hydrogen supply passage 25, and the fuel gas passage formed in the fuel cell 15. (These flow paths are collectively referred to as a hydrogen circulation flow path). When the fuel cell 15 generates power, the purge valve 24 is normally closed. However, when impurities (nitrogen, water vapor, etc.) in the circulating hydrogen increase, the purge valve 24 is appropriately opened, Part of the hydrogen gas with increased impurity concentration is discharged outside the system. Further, when the amount of hydrogen in the hydrogen circulation channel is insufficient due to the consumption of hydrogen due to the progress of the electrochemical reaction or the opening of the purge valve 24, the hydrogen tank 20 is transferred from the hydrogen tank 20 to the hydrogen circulation channel via the adjustable pressure valve 22. And hydrogen is supplemented.

コンプレッサ30は、外部から空気を取り込んで圧縮し、酸化ガスとして燃料電池15に供給するための装置であり、空気供給流路31を介して、スタック18へと接続されている。また、スタック18には、さらに空気排出流路32が接続されている。コンプレッサ30から空気供給流路31を介して供給される空気は、燃料電池15で電気化学反応に供され、空気排出流路32を介して燃料電池15の外部に排出される。なお、空気供給流路31および空気排出流路32には、それぞれ、スタック18との接続部近傍に、流路内の酸化ガスの圧力を検出する圧力センサ42,43が設けられている。   The compressor 30 is a device that takes in air from the outside, compresses it, and supplies it as an oxidizing gas to the fuel cell 15, and is connected to the stack 18 via an air supply flow path 31. In addition, an air discharge channel 32 is further connected to the stack 18. The air supplied from the compressor 30 via the air supply flow path 31 is subjected to an electrochemical reaction in the fuel cell 15 and discharged to the outside of the fuel cell 15 via the air discharge flow path 32. The air supply flow path 31 and the air discharge flow path 32 are provided with pressure sensors 42 and 43 for detecting the pressure of the oxidizing gas in the flow path in the vicinity of the connection portion with the stack 18, respectively.

制御部45は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するCPUと、CPUで各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたROMと、同じくCPUで各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるRAMと、各種信号を入出力する入出力ポート等を備える。制御部45は、コンプレッサ30、水素遮断弁21、可変調圧弁22、水素循環ポンプ23、パージ弁24、アクチュエータ52等に対して駆動信号を出力する。また、電圧センサ40や圧力センサ42,43等から、検出信号を取得する。   The control unit 45 is configured as a logic circuit centered on a microcomputer, and more specifically, a CPU that executes predetermined calculations in accordance with a preset control program, and controls necessary for executing various arithmetic processes by the CPU. A ROM in which programs, control data, and the like are stored in advance, a RAM in which various data necessary for performing various arithmetic processes in the CPU, and an input / output port for inputting and outputting various signals are also provided. The control unit 45 outputs a drive signal to the compressor 30, the hydrogen cutoff valve 21, the adjustable pressure valve 22, the hydrogen circulation pump 23, the purge valve 24, the actuator 52, and the like. Also, detection signals are acquired from the voltage sensor 40, the pressure sensors 42, 43, and the like.

B.燃料電池15の構成:
図2は、燃料電池15を構成する単セル70の構成を表わす断面模式図である。単セル70は、電解質膜71と、電解質膜71の両面に形成された触媒を備える電極であるアノード72およびカソード73を備える。また、電極を形成した上記電解質膜71を両側から挟持するガス拡散層74,75を備える。さらに、ガス拡散層74,75上にはガスセパレータ76,77を備えている。ガスセパレータ76とガス拡散層74との間には、燃料ガスが流れるセル内燃料ガス流路78が形成され、ガスセパレータ77とガス拡散層75との間には、酸化ガスが流れるセル内酸化ガス流路79が形成される。なお、図2には記載していないが、隣り合う単セル70間には、冷媒が流れるセル間冷媒流路が形成されている。
B. Configuration of the fuel cell 15:
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the single cell 70 constituting the fuel cell 15. The single cell 70 includes an electrolyte membrane 71 and an anode 72 and a cathode 73 that are electrodes including a catalyst formed on both surfaces of the electrolyte membrane 71. In addition, gas diffusion layers 74 and 75 are provided to sandwich the electrolyte membrane 71 on which the electrodes are formed from both sides. Further, gas separators 76 and 77 are provided on the gas diffusion layers 74 and 75. An in-cell fuel gas flow path 78 through which the fuel gas flows is formed between the gas separator 76 and the gas diffusion layer 74, and an in-cell oxidation through which an oxidizing gas flows between the gas separator 77 and the gas diffusion layer 75. A gas flow path 79 is formed. Although not shown in FIG. 2, an inter-cell refrigerant flow path through which a refrigerant flows is formed between adjacent single cells 70.

電解質膜71は、固体高分子材料、例えば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り、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。アノード72およびカソード73は、触媒(例えば白金、あるいは白金合金)を備えており、これらの触媒を、導電性を有する担体(例えば、カーボン粒子)上に担持させることによって形成されている。ガス拡散層74,75は、ガス透過性を有する導電性部材、例えば、カーボンペーパやカーボンクロスによって形成することができる。ガスセパレータ76,77は、ガス不透過な導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、焼成カーボン、あるいはステンレス鋼などの金属材料により形成されている。ガスセパレータ76,77は、既述したセル内燃料ガス流路78およびセル内酸化ガス流路79の壁面の一部を成す部材であって、その表面には、ガス流路を形成するための凹凸形状が形成されている。   The electrolyte membrane 71 is a proton-conductive ion exchange membrane formed of a solid polymer material, for example, a fluorine-based resin, and exhibits good electrical conductivity in a wet state. The anode 72 and the cathode 73 include a catalyst (for example, platinum or a platinum alloy), and are formed by supporting these catalysts on a conductive carrier (for example, carbon particles). The gas diffusion layers 74 and 75 can be formed of a conductive member having gas permeability, such as carbon paper or carbon cloth. The gas separators 76 and 77 are made of a gas-impermeable conductive member, for example, a dense carbon that is made impermeable by compressing carbon, baked carbon, or a metal material such as stainless steel. The gas separators 76 and 77 are members that form part of the wall surfaces of the in-cell fuel gas flow path 78 and the in-cell oxidizing gas flow path 79 described above. An uneven shape is formed.

図3は、ガスセパレータ77におけるガス拡散層75と接する面、すなわち、セル内酸化ガス流路79を形成する面の形状を表わす平面図である。図中、ガスセパレータ77の長手方向をA方向と表わし、A方向に垂直な方向をB方向と表わす。ガスセパレータ77は、B方向の2辺に沿って、外周近傍に孔部60〜65が形成されている。単セル70を複数積層して燃料電池を組み立てると、各セパレータの対応する位置に設けられた孔部は、互いに重なり合って、ガスセパレータの積層方向に燃料電池内部を貫通する流路を形成する。具体的には、孔部63は、各セル内酸化ガス流路79に酸化ガスを分配する酸化ガス供給マニホールドを形成し(図中、O2 inと示す)、孔部62は、各セル内酸化ガス流路79から酸化ガスが集合する酸化ガス排出マニホールドを形成する(図中、O2 outと示す)。また、孔部60は、各セル内燃料ガス流路78に燃料ガスを分配する燃料ガス供給マニホールドを形成し(図中、H2 inと示す)、孔部65は、各セル内燃料ガス流路78から燃料ガスが集合する燃料ガス排出マニホールドを形成する(図中、H2 outと示す)。また、孔部61は、各セル間冷媒流路に冷媒を分配する冷媒供給マニホールドを形成し(図中、CLT inと示す)、孔部64は、各セル間冷媒流路から冷媒が集合する冷媒排出マニホールドを形成する(図中、CLT outと示す)。 FIG. 3 is a plan view showing the shape of the surface in contact with the gas diffusion layer 75 in the gas separator 77, that is, the surface forming the in-cell oxidizing gas flow path 79. In the figure, the longitudinal direction of the gas separator 77 is represented as the A direction, and the direction perpendicular to the A direction is represented as the B direction. The gas separator 77 has holes 60 to 65 formed in the vicinity of the outer periphery along two sides in the B direction. When a fuel cell is assembled by stacking a plurality of single cells 70, holes provided at corresponding positions of the separators overlap each other to form a flow path that penetrates the fuel cell in the stacking direction of the gas separators. Specifically, the hole 63 forms an oxidizing gas supply manifold that distributes the oxidizing gas to the in-cell oxidizing gas flow path 79 (shown as O 2 in in the figure), and the hole 62 is formed in each cell. An oxidizing gas discharge manifold in which oxidizing gas collects from the oxidizing gas flow path 79 is formed (shown as O 2 out in the figure). The hole 60 forms a fuel gas supply manifold that distributes the fuel gas to each in-cell fuel gas flow path 78 (indicated as H 2 in in the figure), and the hole 65 has a fuel gas flow in each cell. A fuel gas discharge manifold that collects fuel gas from the passage 78 is formed (indicated as H 2 out in the figure). The hole 61 forms a refrigerant supply manifold that distributes the refrigerant to each inter-cell refrigerant flow path (indicated as CLT in in the figure), and the hole 64 collects the refrigerant from each inter-cell refrigerant flow path. A refrigerant discharge manifold is formed (indicated as CLT out in the figure).

図3に示すガスセパレータ77において、孔部60〜65が形成された領域以外の領域であって、カソード73およびガス拡散層75と重なってセル内酸化ガス流路79が形成される略四角形状の領域を、以下、発電領域Cと呼ぶ。図3では、発電領域Cを破線で囲んで示している。発電領域Cと孔部63の接続部は、燃料電池15内において、酸化ガス供給マニホールドからセル内酸化ガス流路79へと酸化ガスが流入する酸化ガス供給口を構成する。また、発電領域Cと孔部62の接続部は、燃料電池15内において、セル内酸化ガス流路79から酸化ガス排出マニホールドへと酸化ガスが排出される酸化ガス排出口を構成する。発電領域Cの中ほどには、A方向に延出して、複数の線状凸部80および溝流路81が形成されている。各線状凸部80は、ガスセパレータ77内におけるA方向の相対的位置が互いに揃った略同一の長さに形成されている。また、発電領域Cにおいて、複数の線状凸部80の端部と孔部60〜62との間の領域、および、複数の線状凸部80の端部と孔部63〜65との間の領域には、互いに離間して形成された複数の凸部86が形成されている。これら複数の線状凸部80および複数の凸部86は、ガス拡散層75に当接して、セル内酸化ガス流路の壁面の一部を構成する。また、図3では、ガスセパレータ77上に配置されて、電解質膜71との間でセル内酸化ガス流路のシール性を確保すると共に、隣接する他のガスセパレータとの間で各孔部60〜65が形成するマニホールドのシール性を確保するシール部材88の配置も、併せて記載している。なお、図3では、隣接部材と接触する部位には、ハッチを付して示している。孔部63が形成する酸化ガス供給マニホールドからセル内酸化ガス流路に流入した酸化ガスは、上流側の凸部86間に形成される空間に導かれて、溝流路81が形成する空間に分配される。各溝流路81が形成する空間を流れた燃料ガスは、下流側の凸部86間に形成される空間に導かれて、孔部62が形成する酸化ガス排出マニホールドに排出される。   In the gas separator 77 shown in FIG. 3, in a region other than the region where the holes 60 to 65 are formed, a substantially rectangular shape in which the in-cell oxidizing gas flow path 79 is formed so as to overlap the cathode 73 and the gas diffusion layer 75. This region is hereinafter referred to as a power generation region C. In FIG. 3, the power generation region C is surrounded by a broken line. A connecting portion between the power generation region C and the hole 63 constitutes an oxidizing gas supply port through which the oxidizing gas flows from the oxidizing gas supply manifold to the in-cell oxidizing gas flow path 79 in the fuel cell 15. Further, the connecting portion between the power generation region C and the hole 62 constitutes an oxidizing gas discharge port through which oxidizing gas is discharged from the in-cell oxidizing gas flow path 79 to the oxidizing gas discharge manifold in the fuel cell 15. In the middle of the power generation region C, a plurality of linear convex portions 80 and groove channels 81 are formed extending in the A direction. Each linear protrusion 80 is formed to have substantially the same length in which the relative positions in the A direction in the gas separator 77 are aligned with each other. Further, in the power generation region C, the region between the end portions of the plurality of linear convex portions 80 and the hole portions 60 to 62, and the end portion of the plurality of linear convex portions 80 and the portion between the hole portions 63 to 65. In this region, a plurality of convex portions 86 formed apart from each other are formed. The plurality of linear protrusions 80 and the plurality of protrusions 86 are in contact with the gas diffusion layer 75 and constitute part of the wall surface of the oxidizing gas flow channel in the cell. Further, in FIG. 3, it is arranged on the gas separator 77 to ensure the sealing property of the in-cell oxidizing gas flow path with the electrolyte membrane 71, and each hole 60 between other adjacent gas separators. The arrangement of the sealing member 88 that secures the sealing performance of the manifold formed by ˜65 is also described. In addition, in FIG. 3, the site | part which contacts an adjacent member is attached | subjected and shown. The oxidizing gas that has flowed into the in-cell oxidizing gas flow path from the oxidizing gas supply manifold formed by the hole 63 is guided to the space formed between the convex portions 86 on the upstream side, and into the space formed by the groove flow path 81. Distributed. The fuel gas flowing through the space formed by each groove channel 81 is guided to the space formed between the convex portions 86 on the downstream side, and is discharged to the oxidizing gas discharge manifold formed by the hole 62.

ここで、ガスセパレータ77に形成された複数の溝流路81は、交互に配置された、出口側閉塞部84を有する第1の溝流路82と、入り口側閉塞部85を有する第2の溝流路83と、によって構成されている。出口側閉塞部84および入り口側閉塞部85は、配置された溝流路81の断面を隙間無く塞ぐ形状に形成されている。これら出口側閉塞部84および入り口側閉塞部85は、例えば、セラミックス、カーボン、金属、あるいは、樹脂やゴムにより形成することができ、少なくとも一部を多孔質に形成することもできる。このような閉塞部84,85は、ガスセパレータ77上に形成された溝流路81の所定の位置において、溶接、接着、圧着等により固着される。   Here, the plurality of groove flow paths 81 formed in the gas separator 77 are alternately arranged, the first groove flow paths 82 having the outlet side blocking portions 84 and the second groove paths 81 having the inlet side blocking portions 85. And a groove channel 83. The outlet-side blocking portion 84 and the inlet-side blocking portion 85 are formed in a shape that blocks the cross section of the arranged groove channel 81 without a gap. The outlet side blocking portion 84 and the inlet side blocking portion 85 can be formed of, for example, ceramics, carbon, metal, resin, or rubber, and at least a part thereof can be formed porous. Such closed portions 84 and 85 are fixed at predetermined positions of the groove channel 81 formed on the gas separator 77 by welding, adhesion, pressure bonding, or the like.

酸化ガス供給マニホールドからセル内酸化ガス流路79へと酸化ガスが供給されるときには、酸化ガスは、入り口側閉塞部85によって入り口が塞がれていない第1の溝流路82内へと流入する。第1の溝流路82には、出口側閉塞部84が設けられているため、第1の溝流路82へと流入した酸化ガスは、第1の溝流路82の下流側端部から排出されることができない。そこで、第1の溝流路82へと流入した酸化ガスは、ガス透過性を有するガス拡散層75内へと広がる。そして、ガス拡散層75内において、第1の溝流路82に沿って設けられた線状凸部80が接する領域に拡散して、第2の溝流路83へと流入する。その後、第2の溝流路83における開放された下流側端部から、酸化ガス排出マニホールド側へと排出される。   When the oxidizing gas is supplied from the oxidizing gas supply manifold to the in-cell oxidizing gas channel 79, the oxidizing gas flows into the first groove channel 82 whose inlet is not blocked by the inlet side blocking portion 85. To do. Since the first groove channel 82 is provided with the outlet side blocking portion 84, the oxidizing gas that has flowed into the first groove channel 82 flows from the downstream end of the first groove channel 82. Cannot be discharged. Therefore, the oxidizing gas flowing into the first groove channel 82 spreads into the gas diffusion layer 75 having gas permeability. Then, in the gas diffusion layer 75, it diffuses into a region where the linear convex portion 80 provided along the first groove flow path 82 contacts and flows into the second groove flow path 83. Thereafter, the second groove channel 83 is discharged from the opened downstream end to the oxidizing gas discharge manifold side.

なお、ガスセパレータ76上に形成されるセル内燃料ガス流路78の構成、およびセル内燃料ガス流路78において燃料ガスが流れる様子も同様とすることができる。このとき、ガスセパレータ76上に配置されるシール部材(図3に示すシール部材88に対応する部材)は、ガスセパレータ76上に形成されるセル内燃料ガス流路78と、孔部60および65とを連通させる形状に形成される。   The configuration of the in-cell fuel gas channel 78 formed on the gas separator 76 and the manner in which the fuel gas flows in the in-cell fuel gas channel 78 can be the same. At this time, the sealing member (a member corresponding to the sealing member 88 shown in FIG. 3) disposed on the gas separator 76 includes the in-cell fuel gas flow path 78 formed on the gas separator 76 and the holes 60 and 65. It is formed in a shape that communicates with each other.

燃料電池が発電する際には、電気化学反応の進行に伴ってカソードで水が生じる。カソードで生じた水の少なくとも一部は、酸化ガス中に気化して、酸化ガス流れの下流側へと導かれる。そのため、セル内酸化ガス流路79を流れる酸化ガスは、下流側ほど湿度が高くなり、セル内酸化ガス流路79では、下流側ほど液水が生じやすくなる。特に、第1の溝流路82は、下流側に出口側閉塞部84が設けられているため、酸化ガス中の水蒸気および流路内に生じた液水が第1の溝流路82から排出され難くなる。また、第2の溝流路83の下流側領域および孔部62(酸化ガス排出マニホールド)近傍の複数の凸部86が設けられた領域は、セル内酸化ガス流路を流れる酸化ガス中の湿度が最も高くなる部位であるといえる。そのため、第1の溝流路82および第2の溝流路83の下流側領域、および、孔部62の近傍領域は、最もフラッディングが起きやすい領域であるといえる。なお、フラッディングとは、電極やセル内ガス流路に液水が過剰に存在することによって、電極が備える触媒へのガスの流通が妨げられて、電気化学反応の進行が抑制されることをいう。   When the fuel cell generates electricity, water is generated at the cathode as the electrochemical reaction proceeds. At least a portion of the water produced at the cathode is vaporized into the oxidizing gas and is directed downstream of the oxidizing gas stream. Therefore, the oxidizing gas flowing in the in-cell oxidizing gas flow path 79 has a higher humidity on the downstream side, and in the in-cell oxidizing gas flow path 79, liquid water is more likely to be generated on the downstream side. In particular, since the first groove channel 82 is provided with the outlet side blocking portion 84 on the downstream side, water vapor in the oxidizing gas and liquid water generated in the channel are discharged from the first groove channel 82. It becomes difficult to be done. The downstream region of the second groove channel 83 and the region provided with the plurality of convex portions 86 in the vicinity of the hole 62 (oxidizing gas discharge manifold) are the humidity in the oxidizing gas flowing through the in-cell oxidizing gas channel. It can be said that is the highest part. Therefore, it can be said that the downstream region of the first groove channel 82 and the second groove channel 83 and the region near the hole 62 are the regions where flooding is most likely to occur. In addition, flooding means that the flow of gas to the catalyst provided in the electrode is hindered by the presence of excess liquid water in the electrode or in-cell gas flow path, and the progress of the electrochemical reaction is suppressed. .

また、第1の溝流路82の上流側領域および孔部63(酸化ガス供給マニホールド)近傍の複数の凸部86が設けられた領域は、セル内酸化ガス流路79内の他の領域に比べて湿度が低い酸化ガスが流れる領域である。このように乾燥したガスが流れる領域では、乾燥したガスによって電解質膜中の水分が奪われ、電解質膜が水分不足になり易い。そのため、第1の溝流路82の上流側領域および孔部63の近傍領域は、最も電解質膜の乾燥が起こりやすい領域であるといえる。図4は、上記した最もフラッディングが起きやすい領域(以下、フラッディング領域Eと呼ぶ)と、最も電解質膜の乾燥が起こりやすい領域(以下、膜乾燥領域Dと呼ぶ)の配置を示す説明図である。   Further, the upstream region of the first groove channel 82 and the region provided with the plurality of convex portions 86 in the vicinity of the hole 63 (oxidizing gas supply manifold) are located in other regions in the in-cell oxidizing gas channel 79. This is a region where an oxidizing gas having a lower humidity flows. Thus, in the region where the dried gas flows, the moisture in the electrolyte membrane is taken away by the dried gas, and the electrolyte membrane is likely to be deficient in moisture. Therefore, it can be said that the upstream region of the first groove channel 82 and the region near the hole 63 are regions where the electrolyte membrane is most likely to dry. FIG. 4 is an explanatory view showing the arrangement of the above-described region where flooding is most likely to occur (hereinafter referred to as flooding region E) and the region where electrolyte membrane is most likely to dry (hereinafter referred to as membrane drying region D). .

本実施例の燃料電池システム10は、発電領域Cの内、上記フラッディング領域Eと膜乾燥領域Dとで、それぞれ別個に締結荷重を変更可能となっている。具体的には、締結部50が備えるアクチュエータ52として、フラッディング領域側に配置されたアクチュエータと、膜乾燥領域側に配置されたアクチュエータの2つのアクチュエータ52を備えている。一方のアクチュエータ52による締結荷重を他方のアクチュエータ52による締結荷重よりも強めることで、エンドプレート17が傾いた状態となり、上記一方のアクチュエータ52側の領域に加えられる締結荷重を相対的に強めることができる。   In the fuel cell system 10 of this embodiment, the fastening load can be changed separately in the flooding region E and the membrane drying region D in the power generation region C. Specifically, the actuator 52 provided in the fastening portion 50 includes two actuators 52, that is, an actuator disposed on the flooding region side and an actuator disposed on the film drying region side. By making the fastening load by one actuator 52 stronger than the fastening load by the other actuator 52, the end plate 17 is tilted, and the fastening load applied to the region on the one actuator 52 side can be relatively strengthened. it can.

C.締結荷重に係る制御:
図5は、制御部45のCPUにおいて、燃料電池15の発電中に繰り返し実行される締結荷重制御処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンは、燃料電池15の発電が開始される際に起動される。
C. Control related to fastening load:
FIG. 5 is a flowchart showing a fastening load control processing routine that is repeatedly executed during power generation by the fuel cell 15 in the CPU of the control unit 45. This routine is started when the power generation of the fuel cell 15 is started.

本ルーチンが起動されると、制御部45のCPUは、電圧センサ40から、燃料電池15を構成する各単セル70の電圧を取得する(ステップS100)。そして、電圧値が基準値を下回る単セル70が存在するか否かを判断する(ステップS110)。図6は、燃料電池の出力特性としての電流−電圧特性(IV特性)の一例を示す説明図である。図6に示すように、燃料電池は、出力電流と出力電圧との間に一定の関係があり、出力電流値が決まれば、電圧値が定まる。このようなIV特性は燃料電池ごとに定まっており、また、IV特性は、燃料電池に供給されるガス流量や、燃料電池の運転温度等の発電条件によって変化する。本実施例の燃料電池システム10では、供給ガス流量や燃料電池温度などの発電条件毎に、出力電流値に対応する電圧値として、燃料電池が支障なく発電していると判断する基準となる電圧値(単セル70の電圧値)が予め定められて、制御部45内にマップとして記憶されている。ステップS110における判断を行なう際には、そのときの発電条件および出力電流値をさらに取得すると共に、上記マップを参照して基準となる電圧値を取得し、ステップS100で取得した各単セル70の電圧が、上記基準となる電圧値を下回るか否かを判断する。ステップS110において、すべての単セル70の電圧が、上記基準となる電圧値以上であるときには、燃料電池15が支障なく発電を行なっているものと判断して、本ルーチンを終了する。   When this routine is started, the CPU of the control unit 45 acquires the voltage of each single cell 70 constituting the fuel cell 15 from the voltage sensor 40 (step S100). And it is judged whether the single cell 70 whose voltage value is less than a reference value exists (step S110). FIG. 6 is an explanatory diagram showing an example of current-voltage characteristics (IV characteristics) as output characteristics of the fuel cell. As shown in FIG. 6, the fuel cell has a certain relationship between the output current and the output voltage, and the voltage value is determined when the output current value is determined. Such IV characteristics are determined for each fuel cell, and the IV characteristics vary depending on the flow rate of gas supplied to the fuel cell and the power generation conditions such as the operating temperature of the fuel cell. In the fuel cell system 10 of this embodiment, for each power generation condition such as the supply gas flow rate and the fuel cell temperature, a voltage value corresponding to the output current value is a reference voltage for determining that the fuel cell is generating power without any problem. A value (voltage value of the single cell 70) is determined in advance and stored in the control unit 45 as a map. When making the determination in step S110, the power generation condition and output current value at that time are further acquired, the reference voltage value is acquired with reference to the map, and each single cell 70 acquired in step S100 is acquired. It is determined whether or not the voltage falls below the reference voltage value. In step S110, when the voltages of all the single cells 70 are equal to or higher than the reference voltage value, it is determined that the fuel cell 15 is generating power without any trouble, and this routine is finished.

ステップS110において、いずれかの単セル70の電圧が、上記基準となる電圧値未満であるときには、制御部45のCPUは、スタック18内の酸化ガス流路における圧力損失を導出する(ステップS120)。本実施例では、圧力損失は、スタック18に導入される酸化ガスの圧力である圧力センサ42の検出値と、スタック18から排出される酸化ガスの圧力である圧力センサ43の検出値と、の差として求められる。   In step S110, when the voltage of any single cell 70 is less than the reference voltage value, the CPU of the control unit 45 derives the pressure loss in the oxidizing gas flow path in the stack 18 (step S120). . In the present embodiment, the pressure loss is the detection value of the pressure sensor 42 that is the pressure of the oxidizing gas introduced into the stack 18 and the detection value of the pressure sensor 43 that is the pressure of the oxidizing gas discharged from the stack 18. It is calculated as a difference.

その後、制御部45のCPUは、ステップS120で求めた圧力損失が、基準値を超えるか否かを判断する(ステップS130)。スタック18内でフラッディングが生じておらず、スタック18内を支障なくガスが流れる時の圧力損失は、スタック18に供給するガスの流量や圧力、および、燃料電池15における発電量(水素及び酸素の消費量)に応じて、実験的あるいはシミュレーションによって予め求めることができる。本実施例では、このようにして求めた基準となる圧力損失を、供給ガスの条件や発電量ごとにマップとして制御部45内に記憶している。ステップS130では、このようなマップを参照して、上記基準となる圧力損失と、ステップS120で導出した圧力損失との比較を行なっている。   Thereafter, the CPU of the control unit 45 determines whether or not the pressure loss obtained in step S120 exceeds the reference value (step S130). No flooding occurs in the stack 18, and the pressure loss when the gas flows through the stack 18 without hindrance depends on the flow rate and pressure of the gas supplied to the stack 18 and the power generation amount (hydrogen and oxygen of the fuel cell 15). Depending on the amount of consumption), it can be obtained in advance by experiment or simulation. In the present embodiment, the reference pressure loss obtained as described above is stored in the control unit 45 as a map for each supply gas condition and power generation amount. In step S130, the reference pressure loss is compared with the pressure loss derived in step S120 with reference to such a map.

ステップS130において、圧力損失が基準値を上回り、圧力損失が通常よりも増加していると判断される時には、電圧低下の原因が、フラッディングによるものであると判断することができる。この場合には、制御部45のCPUは、締結部50の各アクチュエータ52を駆動して、スタック18に加えている締結荷重を、一様に低下させる制御を行なう(ステップS140)。燃料電池15の通常の発電時にスタック18に加えられる締結荷重は、スタック18を構成する各部材の耐久性や、各部材間の接触抵抗の大きさや、スタック18内に設けられたシール部材によるシール性の信頼性等を考慮して、適宜設定されている。ステップS140において締結荷重を低下させる際には、上記のように設定された通常の締結荷重よりも低い値であって、接触抵抗の大きさやシール性の信頼性が許容範囲となる値として予め設定された値へと、締結荷重を変更する制御が行なわれる。   In step S130, when it is determined that the pressure loss exceeds the reference value and the pressure loss is higher than normal, it can be determined that the cause of the voltage drop is due to flooding. In this case, the CPU of the control unit 45 controls each actuator 52 of the fastening unit 50 to uniformly reduce the fastening load applied to the stack 18 (step S140). The fastening load applied to the stack 18 during normal power generation of the fuel cell 15 includes the durability of each member constituting the stack 18, the magnitude of contact resistance between the members, and the sealing by a seal member provided in the stack 18. It is set appropriately in consideration of reliability of performance. When the fastening load is reduced in step S140, the value is lower than the normal fastening load set as described above, and is set in advance as a value within which the magnitude of contact resistance and the reliability of the sealing performance are within an allowable range. Control to change the fastening load to the set value is performed.

スタック18に加える締結荷重を減少させると、電極やガス拡散層におけるガス拡散性が高まり、電極やガス拡散層内に滞留する液水のガスによる持ち去り量を増加させることができる。また、電極やガス拡散層における空隙の容積が大きくなることにより、電極やガス拡散層内に滞留していた液水が排出され易くなる。したがって、スタック18内のいずれかの箇所においてフラッディングが生じている場合には、スタック18に加えている締結荷重を一様に低下させることにより、このフラッディングを解消することが可能になる。   When the fastening load applied to the stack 18 is reduced, the gas diffusibility in the electrode and the gas diffusion layer is increased, and the amount of liquid water retained in the electrode and the gas diffusion layer can be increased. Further, since the volume of the voids in the electrode and the gas diffusion layer is increased, the liquid water staying in the electrode and the gas diffusion layer is easily discharged. Accordingly, when flooding occurs in any part of the stack 18, it is possible to eliminate the flooding by uniformly reducing the fastening load applied to the stack 18.

ステップS140において締結荷重を低下させる動作を行なって所定時間が経過すると、制御部45のCPUは、再び電圧センサ40の検出信号を取得して、各単セル70の電圧が回復したか否かを判断する(ステップS150)。締結荷重を低下させてから電圧が回復したか否かの判断を行なうまでの時間は、供給ガス流量や燃料電池温度などの発電条件や、生成水量に係る条件(現在の発電量や積算発電量)等に基づいて、フラッディングを解消するために要する時間を適宜設定して、マップとして記憶しておけばよい。ステップS150において、電圧が回復していると判断されるときには、制御部45のCPUは、締結部50の各アクチュエータ52を駆動して、締結荷重を一様に元に戻して(ステップS200)、本ルーチンを終了する。   When a predetermined time elapses after the operation of reducing the fastening load is performed in step S140, the CPU of the control unit 45 acquires the detection signal of the voltage sensor 40 again, and determines whether or not the voltage of each single cell 70 has recovered. Judgment is made (step S150). The time from when the fastening load is reduced until it is determined whether or not the voltage is restored depends on the power generation conditions such as the supply gas flow rate and the fuel cell temperature, and the conditions related to the amount of generated water (current power generation amount and integrated power generation amount). ) Etc., the time required to eliminate flooding may be set appropriately and stored as a map. When it is determined in step S150 that the voltage has recovered, the CPU of the control unit 45 drives each actuator 52 of the fastening unit 50 to uniformly return the fastening load (step S200). This routine ends.

ステップS150において、電圧が回復していないと判断したときには、制御部45のCPUは、抵抗測定部44が測定したスタック18の抵抗値を取得する(ステップS160)。そして、測定したスタック18の抵抗値が、通常時の抵抗値として予め設定して記憶した基準値に比べて上昇しているか否かを判断する(ステップS170)。スタック18の抵抗値は、スタック18における活性化過電圧と、抵抗過電圧と、濃度過電圧の影響を受ける。抵抗過電圧の内、各部材の内部抵抗に係る過電圧と、活性化過電圧とは変化しないと考えられ、抵抗値の変動の主な原因は、電解質膜の抵抗の変化と考えることができる。そのため、抵抗値に基づいて、電解質膜71の水分不足(膜乾燥)の程度を判断することができる。ただし、スタック18に加える締結荷重を減少させると、接触抵抗が大きくなることにより抵抗過電圧が上昇すると共に、電極等における空隙容積が大きくなることにより濃度過電圧が低下する。そのため、ステップS170で用いる抵抗の基準値としては、締結荷重を減少させた状態における抵抗過電圧および濃度過電圧を考慮して、膜乾燥が生じておらず燃料電池15が支障なく発電していると判断するための抵抗値が予め設定されている。   When it is determined in step S150 that the voltage has not recovered, the CPU of the control unit 45 acquires the resistance value of the stack 18 measured by the resistance measurement unit 44 (step S160). Then, it is determined whether or not the measured resistance value of the stack 18 is higher than a reference value preset and stored as a normal resistance value (step S170). The resistance value of the stack 18 is affected by the activation overvoltage, the resistance overvoltage, and the concentration overvoltage in the stack 18. Of the resistance overvoltage, it is considered that the overvoltage related to the internal resistance of each member and the activation overvoltage do not change, and the main cause of the fluctuation of the resistance value can be considered as a change in the resistance of the electrolyte membrane. Therefore, it is possible to determine the degree of moisture shortage (film drying) of the electrolyte membrane 71 based on the resistance value. However, when the fastening load applied to the stack 18 is decreased, the resistance overvoltage increases due to an increase in contact resistance, and the concentration overvoltage decreases due to an increase in the void volume in the electrode or the like. Therefore, as a reference value of the resistance used in step S170, it is determined that film drying has not occurred and the fuel cell 15 is generating electricity without any problems in consideration of resistance overvoltage and concentration overvoltage when the fastening load is reduced. A resistance value is set in advance.

ステップS170において抵抗値が上昇していると判断したときには、締結荷重を減少させても電圧が回復しない原因が、膜乾燥であると判断することができる。この場合には、制御部45のCPUは、締結部50の各アクチュエータ52を駆動して、膜乾燥領域D側における締結荷重を元に戻す制御を行なう(ステップS180)。   When it is determined in step S170 that the resistance value has increased, it can be determined that the cause of the voltage not recovering even when the fastening load is decreased is film drying. In this case, the CPU of the control unit 45 controls each actuator 52 of the fastening unit 50 to return the fastening load on the membrane drying region D side (step S180).

ステップS140における締結荷重を低下させる動作は、既述したようにフラッディングを解消させる方向に作用するが、電極やガス拡散層におけるガス拡散性が高まることによって、ガスによる電解質膜からの水分の持ち去り量も増加して、電解質膜の水分不足が発生する場合がある。また、ステップS140において締結荷重を低下させる当初から、電圧低下の原因の一つとして、フラッディングの発生に加えて電解質膜の水分不足が発生している場合も考えられる。このような電解質膜の水分不足は、特に、比較的湿度が低いガスが流入する領域、すなわち、既述した膜乾燥領域Dにおいて生じやすい。そのため、ステップS180では、膜乾燥領域D側における締結荷重を元に戻すことによって、膜乾燥領域Dにおけるガス拡散性を抑えて、膜乾燥領域Dにおける電解質膜からの水分の持ち去りを抑制し、電解質膜の水分不足の解消を図っている。   The operation of reducing the fastening load in step S140 acts in the direction of eliminating flooding as described above. However, by increasing the gas diffusibility in the electrode and the gas diffusion layer, moisture is removed from the electrolyte membrane by the gas. The amount may also increase, resulting in a shortage of water in the electrolyte membrane. Further, from the beginning of reducing the fastening load in step S140, it is conceivable that one of the causes of the voltage drop is a lack of moisture in the electrolyte membrane in addition to the occurrence of flooding. Such a shortage of water in the electrolyte membrane is particularly likely to occur in a region where a gas having a relatively low humidity flows, that is, the membrane drying region D described above. Therefore, in step S180, by returning the fastening load on the membrane drying region D side, the gas diffusibility in the membrane drying region D is suppressed, and the removal of moisture from the electrolyte membrane in the membrane drying region D is suppressed, Eliminates moisture deficiencies in electrolyte membranes.

その後、制御部45のCPUは、再び電圧センサ40の検出信号を取得して、各単セル70の電圧が回復したか否かを判断する(ステップS190)。そして、電圧が回復すると、締結部50の各アクチュエータ52を駆動して、締結荷重を、全体が一様である通常の状態に戻して(ステップS200)、本ルーチンを終了する。   Thereafter, the CPU of the control unit 45 acquires the detection signal of the voltage sensor 40 again, and determines whether or not the voltage of each single cell 70 has been recovered (step S190). Then, when the voltage recovers, each actuator 52 of the fastening portion 50 is driven to return the fastening load to a normal state where the whole is uniform (step S200), and this routine is finished.

ステップS130において、圧力損失が基準値以下であって、圧力損失の増加が認められないときには、制御部45のCPUは、抵抗測定部44が測定したスタック18の抵抗値を取得し(ステップS210)、取得した抵抗値が、基準値に比べて上昇しているか否かを判断する(ステップS220)。なお、このステップS210およびS220の処理は、既述したステップS160およびS170と同様に、膜乾燥を判定するための処理である。ただし、ステップS210、220では、締結荷重の低下の処理は行なわれていないため、ステップS220で用いる基準値は、通常の締結荷重を加えたときに燃料電池15が支障なく発電する際の抵抗値が予め設定されて用いられている。   In step S130, when the pressure loss is equal to or less than the reference value and no increase in pressure loss is recognized, the CPU of the control unit 45 acquires the resistance value of the stack 18 measured by the resistance measurement unit 44 (step S210). Then, it is determined whether or not the acquired resistance value is higher than the reference value (step S220). The processes in steps S210 and S220 are processes for determining film drying, similar to steps S160 and S170 described above. However, since the process of lowering the fastening load is not performed in steps S210 and 220, the reference value used in step S220 is the resistance value when the fuel cell 15 generates power without trouble when a normal fastening load is applied. Are preset and used.

ステップS220において抵抗値が上昇していると判断されたときには、電圧低下の原因が、フラッディングではなく電解質膜71の水分不足(膜乾燥)であると判断することができる。この場合には、制御部45のCPUは、締結部50の各アクチュエータ52を駆動して、膜乾燥領域D側における締結荷重を、通常よりも高める制御を行なう(ステップS230)。ステップS230において締結荷重を部分的に高める際には、構成部材の耐久性が許容範囲であって、面内で締結圧が変更させることによるシール性への影響が許容範囲となる値として予め設定された値へと、締結荷重を変更する制御が行なわれる。   When it is determined in step S220 that the resistance value has increased, it can be determined that the cause of the voltage drop is not the flooding but the moisture shortage (film drying) of the electrolyte membrane 71. In this case, the CPU of the control unit 45 controls each actuator 52 of the fastening unit 50 to increase the fastening load on the film drying region D side higher than usual (step S230). When the fastening load is partially increased in step S230, the durability of the constituent members is within an allowable range, and the influence on the sealing performance due to the change of the fastening pressure in the plane is set in advance as the allowable range. Control to change the fastening load to the set value is performed.

その後、制御部45のCPUは、再び電圧センサ40の検出信号を取得して、各単セル70の電圧が回復したか否かを判断する(ステップS240)。そして、電圧が回復すると、締結部50の各アクチュエータ52を駆動して、締結荷重を、全体が一様である通常の状態に戻して(ステップS250)、本ルーチンを終了する。   Thereafter, the CPU of the control unit 45 acquires the detection signal of the voltage sensor 40 again, and determines whether or not the voltage of each single cell 70 has been recovered (step S240). When the voltage recovers, each actuator 52 of the fastening portion 50 is driven to return the fastening load to a normal state where the whole is uniform (step S250), and this routine is finished.

なお、ステップS170およびS220において、抵抗値が上昇していないと判断したときには、制御部45のCPUは、電圧低下の原因が、フラッディングでも膜乾燥でもない他の要因によるものと判断して(ステップS260)、本ルーチンを終了する。   When it is determined in steps S170 and S220 that the resistance value has not increased, the CPU of the controller 45 determines that the cause of the voltage drop is due to other factors that are neither flooding nor film drying (step S1). S260), this routine is finished.

以上のように構成された燃料電池システム10によれば、スタック18に加える締結荷重を、全体として一様に変更可能であると共に、フラッディング領域E側の締結荷重に比べて、膜乾燥領域D側の締結荷重を高める制御を行なうことができる。そのため、フラッディングを抑制しつつ、電解質膜の水分不足の抑制を行なうことが可能となる。   According to the fuel cell system 10 configured as described above, the fastening load applied to the stack 18 can be changed uniformly as a whole, and compared to the fastening load on the flooding region E side, the membrane drying region D side It is possible to perform control to increase the fastening load. Therefore, it becomes possible to suppress the shortage of water in the electrolyte membrane while suppressing flooding.

ここで、フラッディングや膜乾燥といった電解質内の水分量に係る不具合は、燃料電池に供給するガスの流量や供給するガス中の水分量、あるいは発電量(生成水量)の制御によっても解消できる可能性がある。しかしながら、フラッディングや膜乾燥は、一般に、セル面内の一部の領域で生じる不具合であるため、供給ガスや発電量に係る制御、すなわち、燃料電池全体における水分量に係る制御によって、上記不具合を適切に解消するには、困難を伴う。これに対して、本実施例では、アクチュエータを駆動してスタックに加える締結圧を面内で異ならせるという簡便な構成により、効率良く上記不具合を解消することができる。   Here, the problems related to the amount of moisture in the electrolyte, such as flooding and membrane drying, can be solved by controlling the flow rate of gas supplied to the fuel cell, the amount of moisture in the supplied gas, or the amount of power generation (the amount of generated water). There is. However, since flooding and membrane drying are generally defects that occur in a part of the cell surface, the above-mentioned problems can be solved by controlling the supply gas and power generation amount, that is, controlling the moisture amount in the entire fuel cell. It is difficult to resolve properly. On the other hand, in the present embodiment, the above-described problem can be solved efficiently by a simple configuration in which the actuator is driven to vary the fastening pressure applied to the stack in the plane.

なお、本実施例では、ステップS110でスタック18の電圧低下を判定する際に、全ての単セル70について電圧を検出しているが、スタック18全体の電圧を検出して判定することも可能である。ただし、全ての単セル70の電圧を検出して個々の単セル毎に判定を行ない、1つのセルでも基準値を下回るときには対策を行なうことで、フラッディングあるいは膜乾燥による性能低下を、より早く精度良く検出することが可能になる。そして、フラッディングあるいは膜乾燥による性能低下の度合いが小さい内に、より早く性能低下を回復させることが可能になる。   In this embodiment, when the voltage drop of the stack 18 is determined in step S110, the voltage is detected for all the single cells 70. However, the voltage of the entire stack 18 can be detected and determined. is there. However, by detecting the voltage of all the single cells 70 and making a determination for each single cell, even if one cell falls below the reference value, measures are taken to prevent deterioration in performance due to flooding or film drying more quickly. It becomes possible to detect well. And while the degree of performance degradation due to flooding or film drying is small, the performance degradation can be recovered more quickly.

また、本実施例では、ステップS130で圧力損失が増加していると判断され、フラッディングが起こっていると考えられる場合には、一旦、スタック18全体の締結荷重を一様に低下させている。そのため、既述したフラッディング領域Eに限らず、セル面内のいずれの位置でフラッディングが起こっている場合であっても、フラッディングの解消を図ることができる。   In this embodiment, when it is determined that the pressure loss is increased in step S130 and flooding is considered to occur, the fastening load of the entire stack 18 is once reduced uniformly. For this reason, the flooding can be eliminated not only in the above-described flooding area E but also in the case where flooding occurs in any position in the cell plane.

また、図5では、ステップS140で締結荷重を減少させた後に、ステップS150において電圧が回復していないときには、直ちに抵抗値を測定して、膜乾燥の有無を判定しているが、異なる構成としても良い。例えば、ステップS150において電圧が回復していないときには、再び圧力損失を導出し、フラッディングが解消しているか否かを確認しても良い。フラッディングが解消していないときには、締結荷重を減少させた状態を維持し、引き続き、所定時間、フラッディングの解消を図っても良い。何らかの要因によりフラッディングの程度が特に大きい場合であっても、フラッディングを確実に解消することが可能になる。   Further, in FIG. 5, after the fastening load is reduced in step S140, when the voltage is not recovered in step S150, the resistance value is immediately measured to determine whether or not the film is dried. Also good. For example, when the voltage is not recovered in step S150, the pressure loss may be derived again to check whether the flooding has been eliminated. When the flooding has not been eliminated, the state in which the fastening load is reduced may be maintained, and the flooding may be subsequently eliminated for a predetermined time. Even if the degree of flooding is particularly large due to some factor, flooding can be reliably eliminated.

また、図5では、ステップS170で抵抗値が上昇していると判断されたときに、膜乾燥領域D側の締結荷重だけを元に戻しているが、異なる構成としても良い。例えば、一旦、スタック18全体の締結荷重を元に戻し、その後に、膜乾燥領域D側の締結荷重を、ステップS230と同様に通常の状態よりも高めても良い。膜乾燥領域D側の締結荷重を他の領域よりも高めることによって、フラッディングの解消と膜乾燥の解消とを両立する同様の効果を得ることができる。   Further, in FIG. 5, when it is determined in step S170 that the resistance value has increased, only the fastening load on the membrane drying region D side is restored, but a different configuration may be used. For example, the fastening load of the entire stack 18 may be temporarily restored, and then the fastening load on the membrane drying region D side may be increased from the normal state as in step S230. By increasing the fastening load on the membrane drying region D side as compared with other regions, it is possible to obtain a similar effect that achieves both elimination of flooding and elimination of membrane drying.

D.第2実施例:
第1実施例では、燃料電池の電圧低下を検出した時に、まず、フラッディングの発生の有無を判断を先に行い、膜乾燥が生じているか否かの判断を後に行っているが、逆の順序としても良い。以下に、第2実施例として、燃料電池の電圧低下を検出した時に、まず、膜乾燥が生じているか否かの判断を先に行い、フラッディングの発生の有無の判断を後に行う構成を説明する。第2実施例の燃料電池システム10は、第1実施例と同様の構成を有しているため、詳しい説明は省略する。図7は、第2実施例の燃料電池システム10の制御部45のCPUにおいて、図5に示した処理に代えて実行される締結荷重制御処理ルーチンを表わすフローチャートである。
D. Second embodiment:
In the first embodiment, when a drop in the voltage of the fuel cell is detected, first, whether or not flooding has occurred is determined first, and whether or not film drying has occurred is determined later. It is also good. Hereinafter, as a second embodiment, when a voltage drop of the fuel cell is detected, first, it is determined whether or not film drying has occurred first and then whether or not flooding has occurred is described later. . Since the fuel cell system 10 of the second embodiment has the same configuration as that of the first embodiment, detailed description thereof is omitted. FIG. 7 is a flowchart showing a fastening load control process routine executed in place of the process shown in FIG. 5 in the CPU of the control unit 45 of the fuel cell system 10 of the second embodiment.

図7に示す処理では、制御部45のCPUは、ステップS100と同様に、電圧センサ40から各単セル70の電圧を取得して(ステップS300)、ステップS110と同様に、電圧値が基準値を下回る単セル70が存在するか否かを判断する(ステップS310)。そして、いずれかの単セル70の電圧が基準となる電圧値未満であるときには、制御部45は、抵抗測定部44が測定したスタック18の抵抗値を取得し(ステップS320)、取得した抵抗値が基準値に比べて上昇しているか否かを判断する(ステップS330)。このステップS320およびS330の処理は、図5のステップS210およびS220と同様の処理である。   In the process shown in FIG. 7, the CPU of the control unit 45 acquires the voltage of each single cell 70 from the voltage sensor 40 (step S300), as in step S100, and the voltage value is the reference value as in step S110. It is determined whether or not there is a single cell 70 that falls below (step S310). When the voltage of any single cell 70 is less than the reference voltage value, the control unit 45 acquires the resistance value of the stack 18 measured by the resistance measurement unit 44 (step S320), and acquires the acquired resistance value. Is determined to be higher than the reference value (step S330). The processes in steps S320 and S330 are the same as those in steps S210 and S220 in FIG.

そして、ステップS330で、抵抗値が基準値に比べて上昇していると判断したときには、電圧低下の原因が膜乾燥であると判断できるため、制御部45のCPUは、締結部50の各アクチュエータ52を駆動して、スタック18に加えている締結荷重を、一様に上昇させる制御を行なう(ステップS340)。ステップS340において締結荷重を上昇させる際には、通常の締結荷重よりも高い値であって、各部材の耐久性が許容範囲となる値として予め設定された値へと、締結荷重を変更する制御が行なわれる。スタック18全体の締結荷重を高めることによって、電極やガス拡散層におけるガス拡散性が低下して、電極やガス拡散層内に水分が留まりやすくなり、ガスによる水分の持ち去り量を抑制させることができる。したがって、いずれかの箇所において膜乾燥が進行している場合であっても、スタック18に加えている締結荷重を一様に上昇させることにより、この膜乾燥を解消することが可能になる。さらに、締結荷重を一様に上昇させることにより、スタック18の構成部材間の接触抵抗が低下し、このような接触抵抗の低下もまた、スタック18の電圧上昇に寄与する。   When it is determined in step S330 that the resistance value is higher than the reference value, it can be determined that the cause of the voltage drop is film drying. Therefore, the CPU of the control unit 45 causes each actuator of the fastening unit 50 to 52 is driven to perform control to uniformly increase the fastening load applied to the stack 18 (step S340). When increasing the fastening load in step S340, control for changing the fastening load to a value higher than the normal fastening load and set in advance as a value within which the durability of each member is within an allowable range. Is done. By increasing the fastening load of the entire stack 18, the gas diffusibility in the electrode and the gas diffusion layer is lowered, moisture tends to stay in the electrode and the gas diffusion layer, and the amount of moisture taken away by the gas can be suppressed. it can. Therefore, even when film drying is progressing at any location, it is possible to eliminate this film drying by uniformly increasing the fastening load applied to the stack 18. Further, by uniformly increasing the fastening load, the contact resistance between the constituent members of the stack 18 decreases, and such a decrease in contact resistance also contributes to an increase in the voltage of the stack 18.

締結荷重を上昇させた後、所定時間経過後に、制御部45のCPUは、各単セル70の電圧が回復したか否かを判断し(ステップS350)、電圧が回復している時には、締結部50の各アクチュエータ52を駆動して、スタック18全体に加えている締結荷重を元に戻して(ステップS400)、本ルーチンを終了する。なお、締結荷重を上昇させてから電圧が回復したか否かの判断を行なうまでの時間は、供給ガス流量や燃料電池温度などの発電条件や、生成水量に係る条件(現在の発電量や積算発電量)等に基づいて、電解質膜71の含水量を回復するために要する時間を適宜設定して、マップとして記憶しておけばよい。   After increasing the fastening load, after a predetermined time has elapsed, the CPU of the control unit 45 determines whether or not the voltage of each single cell 70 has recovered (step S350), and when the voltage is recovered, the fastening unit The 50 actuators 52 are driven to return the fastening load applied to the entire stack 18 (step S400), and this routine ends. Note that the time from when the fastening load is increased to when it is determined whether or not the voltage is restored depends on the power generation conditions such as the flow rate of the supply gas and the fuel cell temperature, and the conditions related to the amount of generated water (current power generation amount and integration The time required for recovering the water content of the electrolyte membrane 71 may be appropriately set based on the power generation amount) and stored as a map.

ステップS350において、電圧が回復していないと判断されるときには、制御部45のCPUは、スタック18内の酸化ガス流路における圧力損失を、ステップS120と同様にして導出し(ステップS360)、導出した圧力損失が基準値を超えるか否かを判断する(ステップS370)。ステップS370の判断を行う時には締結荷重が上昇された状態であるが、このような状態でスタック18内を支障なくガスが流れる時の圧力損失は、スタック18に供給する燃料ガスおよび酸化ガスの流量や圧力、および、燃料電池15における発電量(水素及び酸素の消費量)に応じて、実験的あるいはシミュレーションによって予め求めることができる。本実施例では、このようにして求めた基準となる圧力損失を、供給ガスの条件や発電量ごとにマップとして制御部45内に記憶している。   When it is determined in step S350 that the voltage has not recovered, the CPU of the control unit 45 derives the pressure loss in the oxidizing gas flow path in the stack 18 in the same manner as in step S120 (step S360). It is determined whether or not the pressure loss has exceeded the reference value (step S370). When the determination in step S370 is made, the fastening load is in an increased state. In such a state, the pressure loss when the gas flows through the stack 18 without any trouble is the flow rate of the fuel gas and the oxidizing gas supplied to the stack 18. It can be obtained in advance by experiment or simulation according to the pressure and the power generation amount (consumption of hydrogen and oxygen) in the fuel cell 15. In the present embodiment, the reference pressure loss obtained as described above is stored in the control unit 45 as a map for each supply gas condition and power generation amount.

ステップS370において圧力損失が増加していると判断されたときには、締結荷重を増加させても電圧が回復しない原因が、フラッディングの発生であると判断することができる。この場合には、制御部45のCPUは、締結部50の各アクチュエータ52を駆動して、フラッディング領域E側における締結荷重を元に戻す制御を行なう(ステップS380)。   If it is determined in step S370 that the pressure loss has increased, it can be determined that the occurrence of flooding is the cause of the voltage not recovering even if the fastening load is increased. In this case, the CPU of the control unit 45 controls each actuator 52 of the fastening unit 50 to return the fastening load on the flooding region E side (step S380).

ステップS340における締結荷重を上昇させる動作により、膜乾燥の抑制が図られた時に、ガスによる電極やガス拡散層からの水分の持ち去り量が減少することによって、フラッディングが発生する場合がある。また、ステップS340において締結荷重を上昇させる当初から、電圧低下の原因の一つとして、膜乾燥に加えてフラッディングが発生している場合も考えられる。このようなフラッディングは、特に、比較的湿度が高いガスが流れる領域、すなわち、既述したフラッディング領域Eにおいて生じやすい。そのため、ステップS380では、フラッディング領域E側における締結荷重を元に戻すことによって、フラッディング領域Eにおけるガス拡散性を向上させて、フラッディング領域Eにおける液水の排出の促進を図っている。   When the film drying is suppressed by the operation of increasing the fastening load in step S340, flooding may occur due to a decrease in the amount of moisture removed from the electrode or gas diffusion layer by the gas. Further, from the beginning of increasing the fastening load in step S340, it may be considered that flooding has occurred in addition to film drying as one of the causes of voltage drop. Such flooding is particularly likely to occur in a region where a gas with relatively high humidity flows, that is, the above-described flooding region E. Therefore, in step S380, the fastening load on the flooding region E side is restored to improve the gas diffusibility in the flooding region E, thereby promoting the discharge of liquid water in the flooding region E.

その後、制御部45のCPUは、再び電圧センサ40の検出信号を取得して、各単セル70の電圧が回復したか否かを判断する(ステップS390)。そして、電圧が回復すると、締結部50の各アクチュエータ52を駆動して、締結荷重を、全体が一様である通常の状態に戻して(ステップS400)、本ルーチンを終了する。   Thereafter, the CPU of the control unit 45 acquires the detection signal of the voltage sensor 40 again, and determines whether or not the voltage of each single cell 70 has been recovered (step S390). When the voltage recovers, each actuator 52 of the fastening portion 50 is driven to return the fastening load to a normal state where the whole is uniform (step S400), and this routine is finished.

ステップS330において、抵抗値が基準値以下であって、抵抗値の上昇が認められないときには、制御部45のCPUは、スタック18内の酸化ガス流路における圧力損失を導出し(ステップS410)、導出した圧力損失が基準値に比べて増加しているか否かを判断する(ステップS420)。このステップS410およびS420の処理は、ステップS120およびS130と同様の処理である。   In step S330, when the resistance value is equal to or less than the reference value and no increase in resistance value is recognized, the CPU of the control unit 45 derives the pressure loss in the oxidizing gas flow path in the stack 18 (step S410). It is determined whether or not the derived pressure loss is increased compared to the reference value (step S420). The processes in steps S410 and S420 are the same as those in steps S120 and S130.

ステップS420において圧力損失が増加していると判断されるときには、電圧低下の原因が、フラッディングの発生であると判断することができる。この場合には、制御部45のCPUは、締結部50の各アクチュエータ52を駆動して、フラッディング領域E側における締結荷重を、通常よりも下げる制御を行なう(ステップS430)。ステップS430において締結荷重を部分的に低下させる際には、通常の締結荷重よりも低い値であって、接触抵抗の大きさやシール性の信頼性が許容範囲となる値として予め設定された値へと、締結荷重を変更する制御が行なわれる。   When it is determined in step S420 that the pressure loss has increased, it can be determined that the cause of the voltage drop is the occurrence of flooding. In this case, the CPU of the control unit 45 controls each actuator 52 of the fastening unit 50 to lower the fastening load on the flooding region E side than usual (step S430). When the fastening load is partially reduced in step S430, the value is lower than the normal fastening load, and the value is set in advance as a value in which the contact resistance and the reliability of the sealing performance are within the allowable range. Then, control for changing the fastening load is performed.

その後、制御部45のCPUは、再び電圧センサ40の検出信号を取得して、各単セル70の電圧が回復したか否かを判断する(ステップS440)。そして、電圧が回復すると、締結部50の各アクチュエータ52を駆動して、締結荷重を、全体が一様である通常の状態に戻して(ステップS450)、本ルーチンを終了する。   Thereafter, the CPU of the control unit 45 acquires the detection signal of the voltage sensor 40 again, and determines whether or not the voltage of each single cell 70 has been recovered (step S440). When the voltage recovers, each actuator 52 of the fastening portion 50 is driven to return the fastening load to a normal state where the whole is uniform (step S450), and this routine is finished.

なお、ステップS370およびS420において、圧力損失が増加していないと判断されるときには、電圧低下の原因が、フラッディングでも膜乾燥でもない他の要因によるものと判断して(ステップS460)、本ルーチンを終了する。   When it is determined in steps S370 and S420 that the pressure loss has not increased, it is determined that the cause of the voltage drop is due to other factors that are neither flooding nor film drying (step S460). finish.

以上のように構成された第2実施例の燃料電池システム10によれば、スタック18に加える締結荷重を、全体として一様に変更可能であると共に、フラッディング領域E側の締結荷重を、膜乾燥領域D側の締結荷重に比べて小さくする制御を行なうことができる。そのため、フラッディングを抑制しつつ電解質膜の水分不足を抑制するという第1実施例と同様の効果を得ることができる。   According to the fuel cell system 10 of the second embodiment configured as described above, the fastening load applied to the stack 18 can be changed uniformly as a whole, and the fastening load on the flooding region E side can be changed to the membrane drying. Control to make it smaller than the fastening load on the region D side can be performed. Therefore, it is possible to obtain the same effect as that of the first embodiment that suppresses the water shortage of the electrolyte membrane while suppressing the flooding.

また、本実施例では、ステップS330で抵抗値が上昇していると判断され、膜乾燥が起こっていると考えられる場合には、一旦、スタック18全体の締結荷重を一様に上昇させている。そのため、既述した膜乾燥領域Dに限らず、セル面内のいずれの位置で膜乾燥が起こっている場合であっても、膜乾燥の解消を図ることができる。   In this embodiment, when it is determined that the resistance value has increased in step S330 and it is considered that film drying has occurred, the fastening load of the entire stack 18 is once increased uniformly. . For this reason, the film drying can be solved not only in the above-described film drying region D but also in the case where the film drying occurs at any position in the cell plane.

また、図7では、ステップS340でスタック18全体の締結荷重を上昇させた後に、ステップS350で電圧が回復していないと判断するときには、直ちに圧力損失を導出して、フラッディングの有無を判定しているが、異なる構成としても良い。例えば、ステップS350において電圧が回復していないときには、再び抵抗値を導出し、膜乾燥が解消しているか否かを確認しても良い。膜乾燥が解消していないときには、締結荷重を増加させた状態を維持し、引き続き、所定時間、膜乾燥の解消を図っても良い。何らかの要因により膜乾燥の程度が特に大きい場合であっても、膜乾燥を確実に解消することが可能になる。   In FIG. 7, when it is determined that the voltage has not recovered in step S350 after increasing the fastening load of the entire stack 18 in step S340, the pressure loss is immediately derived to determine the presence or absence of flooding. However, different configurations may be used. For example, when the voltage is not recovered in step S350, a resistance value may be derived again to check whether film drying has been eliminated. When the film drying has not been eliminated, the state in which the fastening load is increased may be maintained, and the film drying may subsequently be eliminated for a predetermined time. Even if the degree of film drying is particularly large due to some factor, it becomes possible to reliably eliminate film drying.

また、図7では、ステップS370で圧力損失が増加していると判断されたときに、フラッディング領域E側の締結荷重だけを元に戻しているが、異なる構成としても良い。例えば、一旦、スタック18全体の締結荷重を元に戻して、その後、フラッディング領域E側の締結荷重だけを、ステップS430と同様に低下させても良い。フラッディング領域E側の締結荷重を他の領域よりも低下させることによって、フラッディングの解消と膜乾燥の解消とを両立する同様の効果を得ることができる。   Further, in FIG. 7, when it is determined in step S370 that the pressure loss has increased, only the fastening load on the flooding region E side is restored, but a different configuration may be used. For example, the fastening load of the entire stack 18 may be restored once, and then only the fastening load on the flooding region E side may be reduced in the same manner as in step S430. By reducing the fastening load on the flooding region E side as compared with other regions, the same effect can be obtained that achieves both elimination of flooding and elimination of film drying.

E.第3実施例:
第1および第2実施例では、フラッディングあるいは膜乾燥を最初に検出したときには、一旦、スタック18全体の締結荷重を変更しているが、異なる構成としても良い。フラッディングや膜乾燥が特定箇所で生じる可能性が高いときには、フラッディング検出時にはフラッディング領域E側の締結荷重を増加させ、膜乾燥検出時には膜乾燥領域D側の締結荷重を減少させる制御を行なっても良い。以下に、このような構成を第3実施例として説明する。第3実施例の燃料電池システム10は、第1実施例と同様の構成を有しているため、詳しい説明は省略する。図8は、第3実施例の燃料電池システム10の制御部45のCPUにおいて、図5に示した処理に代えて実行される締結荷重制御処理ルーチンを表わすフローチャートである。
E. Third embodiment:
In the first and second embodiments, when flooding or film drying is first detected, the fastening load of the entire stack 18 is once changed, but a different configuration may be used. When flooding or film drying is highly likely to occur at a specific location, control may be performed to increase the fastening load on the flooding area E side when detecting flooding and to decrease the fastening load on the film drying area D side when detecting film drying. . Such a configuration will be described below as a third embodiment. Since the fuel cell system 10 of the third embodiment has the same configuration as that of the first embodiment, detailed description thereof is omitted. FIG. 8 is a flowchart showing a fastening load control process routine executed in place of the process shown in FIG. 5 in the CPU of the control unit 45 of the fuel cell system 10 of the third embodiment.

図8において、ステップS500〜S530は、ステップS100〜S130と同様の処理である。ここでは、制御部45のCPUは、ステップS530において圧力損失が増加していると判断されるときには、電圧低下の原因がフラッディングの発生であると判断して、フラッディング領域E側の締結荷重を減少させる制御を行なう(ステップS540)。このステップS540は、ステップS430と同様の処理である。その後、圧力損失の回復が検出されると(ステップS550)、制御部45のCPUは、締結荷重を一旦元に戻して(ステップS560)、電圧が回復したか否かを判断し(ステップS570)、電圧が回復していれば本ルーチンを終了する。電圧が回復していなければ、制御部45のCPUは、引き続き抵抗値を測定して(ステップS580)、抵抗値が上昇しているか否かを判断し(ステップS590)、抵抗値が上昇していれば、膜乾燥領域D側の締結荷重を高める(ステップS600)。ステップS580〜S600は、ステップS210〜230と同様の工程である。その後、抵抗値の回復が検出されると(ステップS610)、制御部45のCPUは、締結荷重を元に戻し(ステップS620)、電圧が回復していれば(ステップS630)、本ルーチンを終了する。   In FIG. 8, steps S500 to S530 are the same processes as steps S100 to S130. Here, when the CPU of the control unit 45 determines that the pressure loss has increased in step S530, it determines that the cause of the voltage drop is the occurrence of flooding, and reduces the fastening load on the flooding region E side. Control is performed (step S540). This step S540 is the same processing as step S430. Thereafter, when recovery of pressure loss is detected (step S550), the CPU of the controller 45 temporarily returns the fastening load (step S560), and determines whether or not the voltage is recovered (step S570). If the voltage is recovered, this routine is terminated. If the voltage has not recovered, the CPU of the controller 45 continues to measure the resistance value (step S580), determines whether or not the resistance value has increased (step S590), and the resistance value has increased. If so, the fastening load on the membrane drying region D side is increased (step S600). Steps S580 to S600 are the same steps as steps S210 to 230. Thereafter, when the recovery of the resistance value is detected (step S610), the CPU of the control unit 45 restores the fastening load (step S620), and if the voltage is recovered (step S630), the routine ends. To do.

なお、ステップS530において、圧力損失が増加していないと判断した場合には、制御部45のCPUは、フラッディング解消に係る処理を行なうことなく、ステップS580以下の処理を実行する。また、ステップS590で抵抗値が上昇していないと判断したとき、および、ステップS630で電圧が回復していないと判断したときには、制御部45のCPUは、電圧低下の原因が、フラッディングでも膜乾燥でもない他の要因によるものと判断して(ステップS260)、本ルーチンを終了する。   If it is determined in step S530 that the pressure loss has not increased, the CPU of the control unit 45 executes the processes in and after step S580 without performing the process related to the elimination of flooding. Further, when it is determined in step S590 that the resistance value has not increased and in step S630 it is determined that the voltage has not recovered, the CPU of the control unit 45 causes the film to dry even if flooding occurs. However, it is determined that this is due to other factors (step S260), and this routine is terminated.

以上のように構成された第3実施例の燃料電池システム10によれば、フラッディングが検出されたときにはフラッディング領域E側の締結荷重を減少させ、膜乾燥が検出されたときには膜乾燥領域D側の締結荷重を増加させている。そのため、フラッディングを抑制しつつ電解質膜の水分不足を抑制するという第1実施例と同様の効果を得ることができる。また、図8では、ステップS510で電圧低下を検出したときに、フラッディング発生の有無を先に判断し、その後に膜抵抗発生の有無を判断しているが、順序を逆にしても良い。   According to the fuel cell system 10 of the third embodiment configured as described above, the fastening load on the flooding region E side is reduced when flooding is detected, and the membrane drying region D side is detected when membrane drying is detected. The fastening load is increased. Therefore, it is possible to obtain the same effect as that of the first embodiment that suppresses the water shortage of the electrolyte membrane while suppressing the flooding. In FIG. 8, when a voltage drop is detected in step S510, the presence / absence of flooding is determined first and then the presence / absence of film resistance is determined. However, the order may be reversed.

F.変形例:
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
F. Variations:
The present invention is not limited to the above-described examples and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.

F1.変形例1:
第1ないし第3実施例では、スタック18を構成する単セル70の内、電圧が基準値を下回る単セルが1つでも存在すると、フラッディングあるいは膜乾燥が発生している可能性があると判断しているが(ステップS100,S110,S300,S310,S500,S510)、異なる構成としても良い。例えば、2以上の所定の数の単セルの電圧が基準値を下回ったときに、フラッディングあるいは膜乾燥が発生している可能性があると判断しても良い。あるいは、スタック全体の出力電圧が基準値を下回ったときに、フラッディングあるいは膜乾燥が発生している可能性があると判断しても良い。
F1. Modification 1:
In the first to third embodiments, it is determined that there is a possibility that flooding or film drying has occurred if there is even one single cell whose voltage is lower than the reference value among the single cells 70 constituting the stack 18. However (steps S100, S110, S300, S310, S500, S510), different configurations may be used. For example, when the voltage of a predetermined number of single cells of 2 or more falls below a reference value, it may be determined that flooding or film drying may have occurred. Alternatively, when the output voltage of the entire stack falls below the reference value, it may be determined that there is a possibility that flooding or film drying has occurred.

なお、フラッディングや膜乾燥によって燃料電池のIV特性が低下しても、電圧の低下として検出することができない場合がある。例えば、燃料電池スタックを負荷に対して2次電池と並列に接続し、燃料電池スタックと2次電池の双方から負荷に対して電力供給可能とする構成であって、配線中に設けたDC/DCコンバータの電圧指令値によって燃料電池スタックおよび2次電池の出力を制御する構成が考えられる。このような構成では、負荷要求に応じた所望の電力を燃料電池スタックから得るためにDC/DCコンバータの電圧指令値を設定すると、燃料電池のIV特性が低下している場合には、燃料電池スタックの電圧が低下するのではなく、燃料電池スタックの出力電流が低下して、不足分の電力が2次電池から補われることになる。したがって、このような構成では、燃料電池の電圧低下に代えて、燃料電池の出力電流値の低下を判断すればよく、燃料電池スタックのIV特性の低下が判断できればよい。   Note that even if the IV characteristics of the fuel cell deteriorate due to flooding or membrane drying, it may not be detected as a voltage drop. For example, the fuel cell stack is connected in parallel to the secondary battery with respect to the load, and power can be supplied to the load from both the fuel cell stack and the secondary battery, and the DC / DC provided in the wiring A configuration in which the output of the fuel cell stack and the secondary battery is controlled by the voltage command value of the DC converter is conceivable. In such a configuration, when the voltage command value of the DC / DC converter is set in order to obtain the desired power corresponding to the load request from the fuel cell stack, the fuel cell is deteriorated when the IV characteristic of the fuel cell is deteriorated. The voltage of the stack does not decrease, but the output current of the fuel cell stack decreases, and the insufficient power is supplemented from the secondary battery. Therefore, in such a configuration, it is only necessary to determine a decrease in the output current value of the fuel cell instead of a decrease in the voltage of the fuel cell, and it is only necessary to determine a decrease in the IV characteristic of the fuel cell stack.

F2.変形例2:
第1ないし第3実施例では、電圧低下時(IV特性低下時)に圧力損失が増加していると、フラッディングが発生していると判断したが、異なる構成によってフラッディングの発生を判断しても良い。例えば、電圧低下時(IV特性低下時)に、発電量が所定の基準値を超える高負荷運転(生成水量が基準値よりも多くなる運転)を行なっているときには、電圧低下の原因がフラッディングであると判断しても良い。
F2. Modification 2:
In the first to third embodiments, it is determined that flooding occurs when the pressure loss increases when the voltage drops (when the IV characteristic decreases). However, even if the occurrence of flooding is determined by a different configuration, good. For example, flooding is the cause of the voltage drop when a high load operation (operation in which the amount of generated water is greater than the reference value) is performed when the voltage drop (IV characteristic drop) exceeds the predetermined reference value. You may judge that there is.

なお、フラッディングおよび膜乾燥以外の他の電圧低下要因としては、例えば、スタックを構成する各部材(触媒層やガス拡散層など)の劣化が考えられる。このような部材の劣化に起因する電圧低下は、フラッディングや膜乾燥による電圧低下に比べて進行が極めて遅く、長い時間をかけてゆっくりと電圧低下の程度が蓄積されると考えられる。また、フラッディングや膜乾燥のような燃料電池内の水分量に係る不具合とは異なり、制御による回復を図ることが極めて困難である。そのため、燃料電池スタックの使用を開始してからの積算時間が長く、他の要因によると判断される電圧低下が生じているときには、電圧低下の判断(ステップS110,S310,S510等)に用いる基準値を補正してもよい。これにより、以後の処理において、回復し難い原因による電圧低下を検出することによる動作を省略することが可能になる。   In addition, as a voltage reduction factor other than flooding and film drying, for example, deterioration of each member (a catalyst layer, a gas diffusion layer, etc.) constituting the stack can be considered. It is considered that the voltage drop due to such deterioration of the member proceeds very slowly as compared with the voltage drop due to flooding or film drying, and the degree of voltage drop is accumulated slowly over a long time. In addition, unlike the problems relating to the amount of water in the fuel cell such as flooding and membrane drying, it is extremely difficult to achieve recovery by control. Therefore, when the accumulated time since the start of use of the fuel cell stack is long and a voltage drop determined to be caused by other factors occurs, the reference used for the voltage drop judgment (steps S110, S310, S510, etc.) The value may be corrected. This makes it possible to omit an operation by detecting a voltage drop due to a cause that is difficult to recover in subsequent processing.

F3.変形例3:
第1ないし第3実施例では、酸化ガス流路側の圧力損失に基づいてフラッディングの発生を判断したが、このような構成に代えて、あるいはこのような構成に併せて、燃料ガス流路側の圧力損失に基づく判断を行なっても良い。燃料電池システムの性質上、フラッディングが発生する流路が特定のガス流路側である可能性が高い場合には、フラッディングが起きやすい流路側についてのみ判定することとしても良いが、双方の流路について判断することで、フラッディング検出の精度を向上させることができる。
F3. Modification 3:
In the first to third embodiments, the occurrence of flooding is determined based on the pressure loss on the oxidizing gas flow path side. However, instead of or in addition to such a configuration, the pressure on the fuel gas flow path side is determined. A determination based on loss may be made. Due to the nature of the fuel cell system, if there is a high possibility that the flow path where flooding occurs is on the specific gas flow path side, it may be determined only on the flow path side where flooding is likely to occur. By determining, the accuracy of flooding detection can be improved.

F4.変形例4:
第1ないし第3実施例では、締結部50において、フラッディング領域Eと膜乾燥領域Dとに対応して2つのアクチュエータ52を設けたが、3つ以上のアクチュエータを設けて、面内で締結圧を異ならせる程度を、より細かく制御しても良い。また、フラッディング領域E側における締結荷重を、通常の締結荷重に比べて減少させる程度、あるいは、膜乾燥領域D側における締結荷重を、通常の締結荷重に比べて増加させる程度は、各々1段階のみ変更可能とするのではなく、2段階以上に変更可能としても良い。検出されるフラッディングの程度あるいは膜乾燥の程度に応じて、面内で締結荷重を異ならせる制御を、より細かく行なっても良い。
F4. Modification 4:
In the first to third embodiments, in the fastening portion 50, the two actuators 52 are provided corresponding to the flooding region E and the film drying region D. However, three or more actuators are provided, and the fastening pressure is in-plane. You may control more finely the grade which varies. Further, the degree to which the fastening load on the flooding area E side is decreased compared to the normal fastening load or the degree to which the fastening load on the membrane drying area D side is increased compared to the normal fastening load is only one stage each. Instead of being changeable, it may be changeable in two or more stages. Depending on the degree of flooding detected or the degree of film drying, the control of varying the fastening load in the plane may be performed more finely.

F5.変形例5:
第1ないし第3実施例では、セル内酸化ガス流路は、出口側閉塞部84を有する第1の溝流路82と、入り口側閉塞部85を有する第2の溝流路83と、を交互に配置して成る構成としたが、異なる流路形状としても良い。また、第1ないし第3実施例では、セル面内において、酸化ガス流れの上流側を膜乾燥領域Dとし、下流側をフラッディング領域Eとしたが、異なる構成としても良い。液水の滞留し易さや膜乾燥のし易さは、セル面内のガス流路形状(ガス流れ方向)や、ガス流量や発電量(生じる生成水量)、あるいは環境温度や燃料電池内の温度分布などの影響を受ける。そのため、想定される燃料電池の運転条件や、燃料電池が配置される環境に応じて、用いる燃料電池毎に、予め、実験的にあるいはシミュレーションにより、フラッディングしやすい領域と膜乾燥しやすい領域を設定しておき、領域毎に締結荷重を調節可能にすればよい。
F5. Modification 5:
In the first to third embodiments, the in-cell oxidizing gas flow path includes a first groove flow path 82 having an outlet-side blocking portion 84 and a second groove flow path 83 having an inlet-side blocking portion 85. Although it is configured by alternately arranging, different flow path shapes may be used. In the first to third embodiments, the upstream side of the oxidizing gas flow is the film drying region D and the downstream side is the flooding region E in the cell plane. However, different configurations may be used. Ease of stagnation of liquid water and ease of membrane drying depends on the shape of the gas flow path (gas flow direction) in the cell surface, gas flow rate and power generation amount (the amount of generated water), environmental temperature, and temperature in the fuel cell. Influenced by distribution. Therefore, depending on the assumed operating conditions of the fuel cell and the environment in which the fuel cell is installed, an area that is prone to flooding and an area that is prone to membrane drying are set in advance for each fuel cell used experimentally or by simulation. In addition, the fastening load may be adjusted for each region.

F6.変形例6:
第1ないし第3実施例では、セル面内において、予め、フラッディングし易いと考えられる領域をフラッディング領域として設定し、膜乾燥し易いと考えられる領域を膜乾燥領域として設定しているが、フラッディングしている領域や、膜乾燥している領域を、実際に検出した値に基づいてその都度判断しても良い。例えば、温度センサによって、単セル面内の複数箇所の温度を測定し、比較的温度が低い領域をフラッディング領域と判定し、比較的温度が高い領域を膜乾燥領域と判定して、実施例と同様の制御を行なっても良い。この場合には、判定した領域の締結荷重を変更可能となるように、締結部が備えるアクチュエータの内、駆動すべきアクチュエータを選択し、フラッディングと膜乾燥の別に応じて、駆動の方向を決定すればよい。また、セル面内において、抵抗の分布を検出することによって膜乾燥領域を設定しても良く、セル内ガス流路内の圧力損失の分布を検出することによって、フラッディング領域を設定しても良い。
F6. Modification 6:
In the first to third embodiments, in the cell plane, an area considered to be easily flooded is set as a flooding area in advance, and an area considered to be easily dried is set as a film drying area. The area where the film is dry or the area where the film is dry may be determined each time based on the actually detected value. For example, the temperature of a plurality of locations in a single cell surface is measured by a temperature sensor, an area having a relatively low temperature is determined as a flooding area, an area having a relatively high temperature is determined as a film drying area, Similar control may be performed. In this case, the actuator to be driven is selected from the actuators provided in the fastening portion so that the fastening load in the determined region can be changed, and the driving direction is determined according to the flooding and the film drying. That's fine. Further, in the cell plane, the membrane drying region may be set by detecting the resistance distribution, or the flooding region may be set by detecting the pressure loss distribution in the in-cell gas flow path. .

10…燃料電池システム
15…燃料電池
16,17…エンドプレート
18…スタック
20…水素タンク
21…水素遮断弁
22…可変調圧弁
23…水素循環ポンプ
24…パージ弁
25…水素供給流路
26…水素排出流路
27…接続流路
30…コンプレッサ
31…空気供給流路
32…空気排出流路
40…電圧センサ
42,43…圧力センサ
44…抵抗測定部
45…制御部
50…締結部
51…スプリング
52…アクチュエータ
53…ロードセル
60〜65…孔部
70…単セル
71…電解質膜
72…アノード
73…カソード
74,75…ガス拡散層
76,77…ガスセパレータ
78…セル内燃料ガス流路
79…セル内酸化ガス流路
80…線状凸部
81…溝流路
82…第1の溝流路
83…第2の溝流路
84…出口側閉塞部
85…入り口側閉塞部
86…凸部
88…シール部材
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell system 15 ... Fuel cell 16, 17 ... End plate 18 ... Stack 20 ... Hydrogen tank 21 ... Hydrogen cutoff valve 22 ... Modulatable pressure valve 23 ... Hydrogen circulation pump 24 ... Purge valve 25 ... Hydrogen supply flow path 26 ... Hydrogen Discharge flow path 27 ... Connection flow path 30 ... Compressor 31 ... Air supply flow path 32 ... Air discharge flow path 40 ... Voltage sensor 42, 43 ... Pressure sensor 44 ... Resistance measurement part 45 ... Control part 50 ... Fastening part 51 ... Spring 52 ... Actuator 53 ... Load cell 60 to 65 ... Hole 70 ... Single cell 71 ... Electrolyte membrane 72 ... Anode 73 ... Cathode 74, 75 ... Gas diffusion layer 76, 77 ... Gas separator 78 ... In-cell fuel gas flow path 79 ... In the cell Oxidizing gas flow path 80 ... Linear convex part 81 ... Groove flow path 82 ... First groove flow path 83 ... Second groove flow path 84 ... Outlet side blocking part 85 ... Inlet side blocking part 86 ... Convex part 88 ... Seal member

Claims (9)

電解質膜および電極を含む単セルを有する燃料電池を備えた燃料電池システムであって、
前記燃料電池におけるフラッディングの発生を検知するフラッディング検知部と、
前記燃料電池が備える電解質膜における水分不足を検知する膜乾燥検知部と、
前記燃料電池に対して前記電解質膜および電極の積層方向に締結荷重を加える締結機構であって、前記単セルに対して均一な締結荷重を加えることができると共に、前記単セル内の領域によって異なる締結荷重を加えることが可能な締結機構と、
前記フラッディング検知部がフラッディングの発生を検知したときには、前記締結機構を駆動することによって、少なくとも、前記単セルにおいてフラッディングが発生しやすい領域として予め設定した領域であるフラッディング領域の締結荷重を減少させ、前記膜乾燥検知部が前記電解質膜の水不足を検知したときには、前記締結機構を駆動することによって、少なくとも、前記単セルにおいて前記電解質膜における水分不足が発生しやすい領域として予め設定した領域である膜乾燥領域の締結荷重を増加させる締結荷重制御部と
を備える燃料電池システム。
A fuel cell system comprising a fuel cell having a single cell including an electrolyte membrane and an electrode,
A flooding detection unit for detecting occurrence of flooding in the fuel cell;
A membrane dryness detection unit for detecting water shortage in the electrolyte membrane provided in the fuel cell;
A fastening mechanism that applies a fastening load to the fuel cell in the stacking direction of the electrolyte membrane and the electrode, and can apply a uniform fastening load to the single cell, and varies depending on a region in the single cell. A fastening mechanism capable of applying a fastening load;
When the flooding detection unit detects the occurrence of flooding, the fastening mechanism is driven to reduce at least the fastening load of the flooding region that is a region preset as a region where flooding is likely to occur in the single cell, When the membrane drying detection unit detects water shortage of the electrolyte membrane, the membrane is a region set in advance as a region where water shortage in the electrolyte membrane is likely to occur at least in the single cell by driving the fastening mechanism. A fuel cell system comprising: a fastening load control unit that increases the fastening load in the dry region.
請求項1記載の燃料電池システムであって、
前記締結荷重制御部は、前記フラッディング検知部がフラッディングを検知したときには、前記締結機構を駆動することによって、前記単セル全体の締結荷重を減少させ、その後、前記膜乾燥検知部が前記電解質膜の水不足を検知したときには、前記締結機構を駆動することによって、前記膜乾燥領域の締結荷重を他の領域に比べて増加させる
燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 1, wherein
When the flooding detection unit detects flooding, the fastening load control unit drives the fastening mechanism to reduce the fastening load of the entire single cell, and then the membrane dryness detection unit detects the electrolyte membrane. A fuel cell system that, when water shortage is detected, drives the fastening mechanism to increase the fastening load in the membrane drying region as compared to other regions.
請求項1記載の燃料電池システムであって、
前記締結荷重制御部は、前記膜乾燥検知部が前記電解質膜の水不足を検知したときには、前記締結機構を駆動することによって、前記単セル全体の締結荷重を増加させ、その後、前記フラッディング検知部がフラッディングを検知したときには、前記締結機構を駆動することによって、前記フラッディング領域の締結荷重を他の領域に比べて減少させる
燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 1, wherein
The fastening load control unit increases the fastening load of the entire single cell by driving the fastening mechanism when the membrane dryness detection unit detects water shortage of the electrolyte membrane, and then the flooding detection unit When the flooding is detected, the fastening mechanism is driven to reduce the fastening load in the flooding region as compared with other regions.
請求項1ないし3いずれか記載の燃料電池システムであって、
前記フラッディング検知部は、前記燃料電池において電圧低下が検出され、且つ、電気化学反応に供される反応ガスが流れる流路として前記燃料電池内に形成された燃料電池内ガス流路において圧力損失の増加が検出されたときに、フラッディングの発生を検知する
燃料電池システム。
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3,
The flooding detection unit detects a voltage drop in the fuel cell and causes a pressure loss in a gas flow path in the fuel cell formed in the fuel cell as a flow path through which a reaction gas used for an electrochemical reaction flows. A fuel cell system that detects the occurrence of flooding when an increase is detected.
請求項1ないし4いずれか記載の燃料電池システムであって、
前記膜乾燥検知部は、前記燃料電池において電圧低下が検出され、且つ、前記燃料電池における抵抗の上昇が検出されたときに、前記電解質膜における水分不足を検知する
燃料電池システム。
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4,
The membrane dry detection unit detects a water shortage in the electrolyte membrane when a voltage drop is detected in the fuel cell and a resistance increase in the fuel cell is detected.
請求項1ないし5いずれか記載の燃料電池システムであって、
前記フラッディング領域は、電気化学反応に供される反応ガスが流れる流路として前記単セル内に形成されたセル内ガス流路から前記単セル外へと前記反応ガスが排出される反応ガス排出口の近傍領域であり、
前記膜乾燥領域は、前記単セル外から前記セル内ガス流路へと前記反応ガスが供給される反応ガス供給口の近傍領域である
燃料電池システム。
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 5,
The flooding region is a reactive gas discharge port through which the reactive gas is discharged out of the single cell from an in-cell gas flow path formed in the single cell as a flow path through which a reactive gas to be subjected to an electrochemical reaction flows. Is a neighborhood region of
The membrane drying region is a region near a reaction gas supply port through which the reaction gas is supplied from outside the single cell to the in-cell gas flow path.
請求項6記載の燃料電池システムであって、
前記単セルは、前記電解質膜の両面に電極が形成されて成る膜−電極接合体と、前記膜−電極接合体を挟持するように配置された導電性多孔質体から成る一対のガス拡散層と、前記ガス拡散層上に配置されて、前記ガス拡散層との間で前記セル内ガス流路を形成するための凹凸が形成されたガスセパレータと、を備え、
前記セル内ガス流路は、前記反応ガス供給口側から前記反応ガス排出口側へと直進するように前記反応ガスを導く互いに平行な溝状流路であって、交互に配置された第1の流路および第2の流路を備え、
前記第1の流路は、一方の端部が前記反応ガス供給口側で開口すると共に、他方の端部が閉塞されており、
前記第2の流路は、前記反応ガス供給口の近傍に配置される一方の端部が閉塞されると共に、他方の端部が前記反応ガス排出口側で開口している
燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 6, wherein
The single cell comprises a pair of gas diffusion layers comprising a membrane-electrode assembly in which electrodes are formed on both surfaces of the electrolyte membrane, and a conductive porous body disposed so as to sandwich the membrane-electrode assembly. And a gas separator disposed on the gas diffusion layer and formed with irregularities for forming the in-cell gas flow path with the gas diffusion layer,
The in-cell gas flow passages are mutually parallel groove-like flow passages that guide the reaction gas so as to go straight from the reaction gas supply port side to the reaction gas discharge port side, and are arranged alternately. And a second flow path,
The first flow path has one end opened on the reaction gas supply port side and the other end closed.
The fuel cell system, wherein one end portion of the second flow path disposed in the vicinity of the reaction gas supply port is closed and the other end portion is opened on the reaction gas discharge port side.
請求項6または7記載の燃料電池システムであって、
前記セル内ガス流路は、前記反応ガスとして、酸素を含有する酸化ガスが流れる流路である
燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 6 or 7, wherein
The in-cell gas channel is a channel through which an oxidizing gas containing oxygen flows as the reaction gas.
電解質膜および電極を含む単セルを有する燃料電池を備えた燃料電池システムであって、
前記燃料電池におけるフラッディングの発生を検知するフラッディング検知部と、
前記燃料電池が備える電解質膜における水分不足を検知する膜乾燥検知部と、
前記燃料電池に対して前記電解質膜および電極の積層方向に締結荷重を加える締結機構であって、前記単セルに対して均一な締結荷重を加えることができると共に、前記単セル内の領域によって異なる締結荷重を加えることが可能な締結機構と、
前記フラッディング検知部がフラッディングの発生を検知したときには、前記締結機構を駆動することによって、少なくとも、前記単セルにおいてフラッディングが発生していると判断される領域であるフラッディング領域の締結荷重を減少させ、前記膜乾燥検知部が前記電解質膜の水不足を検知したときには、前記締結機構を駆動することによって、少なくとも、前記単セルにおいて前記電解質膜における水分不足が発生している領域であると判断される膜乾燥領域の締結荷重を増加させる締結荷重制御部と
を備える燃料電池システム。
A fuel cell system comprising a fuel cell having a single cell including an electrolyte membrane and an electrode,
A flooding detection unit for detecting occurrence of flooding in the fuel cell;
A membrane dryness detection unit for detecting water shortage in the electrolyte membrane provided in the fuel cell;
A fastening mechanism that applies a fastening load to the fuel cell in the stacking direction of the electrolyte membrane and the electrode, and can apply a uniform fastening load to the single cell, and varies depending on a region in the single cell. A fastening mechanism capable of applying a fastening load;
When the flooding detection unit detects the occurrence of flooding, by driving the fastening mechanism, at least reduce the fastening load of the flooding region, which is a region where flooding is determined to occur in the single cell, When the membrane drying detection unit detects water shortage of the electrolyte membrane, the membrane is determined to be at least a region where water shortage occurs in the electrolyte membrane in the single cell by driving the fastening mechanism. A fuel cell system comprising: a fastening load control unit that increases the fastening load in the dry region.
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