JP2012178286A - Fuel cell system, operation method of fuel cell and method for estimating dryness degree of electrolyte - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system capable of suppressing dryness of an electrolyte more suitably as compared with a conventional system, an operation method of a fuel cell and a method for estimating a dryness degree of the electrolyte.SOLUTION: A supply flow rate of hydrogen gas to be supplied to a fuel cell is temporarily increased (step S240). Then whether a temporary change (ΔP) of anode pressure loss when the supply flow rate of hydrogen gas is temporarily increased is zero or more is determined (step S250). When the ΔP is positive, the ΔP is detected (step S250, YES) and cathode back-pressure is set to P2 (step S260) to intensify dryness suppression of an electrolyte membrane.

Description

本発明は、燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell.

固体高分子型燃料電池(以下、単に「燃料電池」と言う。)は、電荷担体としてプロトン、プロトンを伝導させる電解質として固体高分子電解質膜(以下、単に「電解質膜」と言う。)が採用されることが多いが、電解質膜が適量の水分を含んでいなければ発電能力が低下してしまう。そこで、電解質膜の水分量を制御するための技術として、燃料ガスが燃料電池内を通過することで生じる圧力損失(以下「アノード圧損」とも言う。)が、燃料電池の温度(セル温度)上昇に対し、急激に低下した場合に「電解質膜が乾燥した」と推定し、この推定に基づいて電解質膜の乾燥を抑制すること(乾燥抑制)についての技術が開示されている(特許文献1)。   Solid polymer fuel cells (hereinafter simply referred to as “fuel cells”) employ protons as charge carriers and solid polymer electrolyte membranes (hereinafter simply referred to as “electrolyte membranes”) as electrolytes that conduct protons. In many cases, the power generation capacity decreases unless the electrolyte membrane contains an appropriate amount of moisture. Therefore, as a technique for controlling the amount of water in the electrolyte membrane, the pressure loss (hereinafter also referred to as “anode pressure loss”) caused by the passage of fuel gas through the fuel cell increases the temperature (cell temperature) of the fuel cell. On the other hand, when it falls rapidly, it is estimated that "the electrolyte membrane was dried", and the technique about suppressing the drying of an electrolyte membrane based on this estimation (drying suppression) is disclosed (patent document 1). .

特開2009−9891号公報JP 2009-9891 A

上記従来技術には、電解質膜の乾燥抑制が必ずしも適切でないという課題があった。なぜなら、セル温度の変化に対するアノード圧損の変化は、電解質膜の乾燥度合いとの相関が強いとは言えない場合があり、上記変化に基づく「電解質膜が乾燥した」という推定は、精度が良くないことが考えられるからである。   The prior art has a problem that the suppression of drying of the electrolyte membrane is not necessarily appropriate. This is because the change in the anode pressure loss with respect to the change in cell temperature may not be strongly correlated with the degree of drying of the electrolyte membrane, and the estimation that “the electrolyte membrane is dried” based on the above change is not accurate. Because it is possible.

本発明は、上記従来技術の課題を解決するために、より適切に電解質の乾燥を抑制できる燃料電池システム、燃料電池の運転方法及び電解質の乾燥度合い推定方法の提供を目的とする。   SUMMARY OF THE INVENTION In order to solve the above-described problems of the prior art, an object of the present invention is to provide a fuel cell system, a fuel cell operating method, and an electrolyte drying degree estimation method that can more appropriately suppress electrolyte drying.

本発明は、先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現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]電荷担体を伝導させる電解質を有する燃料電池を用いて発電を行う燃料電池システムであって、前記燃料電池に供給される燃料ガスの供給流量を一時的に増加させる供給流量増加部と、前記燃料ガスが前記燃料電池を通過する際に生じる圧力損失の変化であって、前記供給流量増加部によって一時的に供給流量が増加した際の変化である一時的な変化に基づいて、前記電解質の乾燥を抑制する乾燥抑制部とを備える燃料電池システム。   Application Example 1 A fuel cell system that generates power using a fuel cell having an electrolyte that conducts a charge carrier, and that temporarily increases the supply flow rate of the fuel gas supplied to the fuel cell. And a change in pressure loss that occurs when the fuel gas passes through the fuel cell, based on a temporary change that is a change when the supply flow rate is temporarily increased by the supply flow rate increasing unit, A fuel cell system comprising a drying suppression unit that suppresses drying of the electrolyte.

この適用例によれば、従来よりも適切に電解質の乾燥抑制ができる。なぜなら、一時的に供給流量が増加した際におけるアノード圧損の一時的な変化は、セル温度の変化に対するアノード圧損の変化よりも電解質の乾燥度合いとの相関が強いからである。   According to this application example, it is possible to suppress the drying of the electrolyte more appropriately than in the past. This is because the temporary change in the anode pressure loss when the supply flow rate is temporarily increased has a stronger correlation with the degree of drying of the electrolyte than the change in the anode pressure loss with respect to the change in the cell temperature.

[適用例2]前記乾燥抑制部は、前記一時的な変化の値が大きいほど強く乾燥を抑制する適用例1に記載の燃料電池システム。   Application Example 2 The fuel cell system according to Application Example 1, wherein the drying suppression unit strongly suppresses drying as the temporary change value increases.

電解質が乾燥しているほどアノード圧損が増加する場合、この適用例のような構成を採用することができる。なお、上記変化の値は、正負の値を取り得るものであり、値の大小比較は、絶対値の比較ではなく正負を考慮して行う。   When the anode pressure loss increases as the electrolyte is dried, the configuration as in this application example can be employed. Note that the value of the change can take a positive or negative value, and the magnitude comparison of values is performed in consideration of positive and negative rather than absolute value comparison.

[適用例3]前記乾燥抑制部は、前記一時的な変化の値が正である場合は、負である場合よりも強く乾燥を抑制する適用例1又は2に記載の燃料電池システム。   Application Example 3 The fuel cell system according to Application Example 1 or 2, wherein the drying suppression unit suppresses drying more strongly when the value of the temporary change is positive than when it is negative.

この適用例によれば、乾燥抑制を強くするか否かの判定基準を、一時的な変化のゼロ点に定めているので、乾燥抑制部による場合分けの判定が簡易になる。   According to this application example, the criterion for determining whether or not the drying suppression is to be strong is set at the zero point of the temporary change, so that the determination of the case classification by the drying suppression unit is simplified.

[適用例4]前記一時的な変化の値が正である場合よりも弱く乾燥が抑制されるべきことを、前記燃料電池を運転するために取得する物理量に基づいて検出する検出部を備え、前記一時的な変化の値が正である場合よりも弱く乾燥が抑制されるべきことが前記検出部によって検出された場合は、前記供給流量増加部は動作せず、前記乾燥抑制部は、前記一時的変化の値が正である場合よりも弱く乾燥を抑制する適用例3に記載の燃料電池システム。   Application Example 4 A detection unit that detects, based on a physical quantity acquired for operating the fuel cell, that the drying should be suppressed more weakly than when the value of the temporary change is positive, When the detection unit detects that drying should be suppressed more weakly than when the value of the temporary change is positive, the supply flow rate increase unit does not operate, and the drying suppression unit The fuel cell system according to application example 3 that suppresses drying more weakly than when the value of the temporary change is positive.

この適用例によれば、燃料ガスの供給流量を一時的に増加させる回数を減らすことができる。燃料ガスの供給流量は、燃料電池の運転状態に基づいて要請される値にするのが望ましく、一時的に増加させる回数を減らすことで、その望ましい状態に近づけることができる。   According to this application example, the number of times of temporarily increasing the fuel gas supply flow rate can be reduced. The supply flow rate of the fuel gas is preferably set to a value required based on the operating state of the fuel cell, and can be brought close to the desired state by reducing the number of times of temporary increase.

なお、検出部が検出基準とする物理量は、例えば、燃料電池の温度、燃料電池の電気的抵抗値、アノード圧損の経時変化などが考えられる。これら物理量について、電解質の乾燥度合い以外から受ける影響を考慮してなお「圧力損失が増加する場合よりも弱い乾燥抑制がされるべき」と推定できるように基準を定めるのが望ましい。   Note that the physical quantity that is used as a detection criterion by the detection unit may be, for example, the temperature of the fuel cell, the electrical resistance value of the fuel cell, and the change in anode pressure loss over time. It is desirable to set a standard for these physical quantities so that it is possible to estimate that “they should be suppressed more weakly than when the pressure loss increases” in consideration of the influence other than the degree of drying of the electrolyte.

[適用例5]前記乾燥抑制部は、前記一時的な変化の値が正である場合よりも弱く乾燥が抑制されるべきことが前記検出部によって検出された場合は、前記一時的な変化の値が負である場合と同等の強さで乾燥を抑制する適用例4に記載の燃料電池システム。   Application Example 5 When the detection unit detects that the drying suppression unit is weaker than the case where the value of the temporary change is positive and the drying should be suppressed, the temporary change of the The fuel cell system according to application example 4, which suppresses drying with the same strength as when the value is negative.

この適用例によれば、「一時的な変化の値が正である場合よりも弱く乾燥を抑制されるべきである」と、乾燥抑制部によって判定された場合と、判定部によって判定された場合とで同等の強さで乾燥を抑制するので、構成を簡潔にできる。   According to this application example, “when the value of the temporary change is weaker than when the value is positive, drying should be suppressed”, when determined by the drying suppression unit, and when determined by the determination unit Since the drying is suppressed with the same strength, the configuration can be simplified.

下記のような方法によっても、先述した適用例と同等の効果を得ることができる。
[適用例6]電荷担体を伝導させる電解質を有する燃料電池を用いて発電を行う燃料電池の運転方法であって、燃料ガスが前記燃料電池を通過する際に生じる圧力損失の変化であって、該燃料ガスの供給流量を一時的に増加させた際の変化に基づいて、前記電解質の乾燥を抑制する燃料電池の運転方法。
The same effects as those of the application example described above can also be obtained by the following method.
[Application Example 6] A fuel cell operating method for generating power using a fuel cell having an electrolyte that conducts charge carriers, which is a change in pressure loss caused when fuel gas passes through the fuel cell, A method of operating a fuel cell that suppresses drying of the electrolyte based on a change when the supply flow rate of the fuel gas is temporarily increased.

[適用例7]電荷担体を伝導させるために燃料電池に用いられる電解質の乾燥度合い推定方法であって、燃料ガスが前記燃料電池を通過する際に生じる圧力損失の変化であって、該燃料ガスの供給流量を一時的に増加させた際の変化に基づいて、前記電解質の乾燥度合いを推定する電解質の乾燥度合い推定方法。   Application Example 7 A method for estimating the degree of dryness of an electrolyte used in a fuel cell to conduct charge carriers, which is a change in pressure loss that occurs when the fuel gas passes through the fuel cell. A method for estimating the degree of dryness of the electrolyte, which estimates the degree of dryness of the electrolyte based on a change when the supply flow rate of the battery is temporarily increased.

燃料電池自動車20の概略図。1 is a schematic diagram of a fuel cell vehicle 20. 乾燥抑制処理を示すフローチャート。The flowchart which shows a drying suppression process. 乾燥抑制処理の実行によるカソード背圧、セル温度、アノード圧損及び燃料電池の内部抵抗値の経時変化を示すグラフ。The graph which shows a time-dependent change of the cathode back pressure, cell temperature, anode pressure loss, and internal resistance value of a fuel cell by execution of a drying suppression process.

本発明の実施形態を図面と共に説明する。図1は本発明が適用された燃料電池自動車20の概略を示す図である。   An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram schematically showing a fuel cell vehicle 20 to which the present invention is applied.

[1.ハードウェア構成]
図示するように、この燃料電池自動車20は、車体22に燃料電池システム30及び燃料電池自動車20の前輪駆動用のモーター170を搭載する。この燃料電池システム30は、前輪駆動用のモーター170等に電力を供給するためのものであり、燃料電池100、水素ガス供給系120、空気供給系140、冷却系160、二次電池172及びDC−DCコンバーター174を備える。
[1. Hardware configuration]
As shown in the figure, in the fuel cell vehicle 20, a fuel cell system 30 and a motor 170 for driving the front wheels of the fuel cell vehicle 20 are mounted on a vehicle body 22. The fuel cell system 30 is for supplying electric power to the front-wheel drive motor 170 and the like, and includes a fuel cell 100, a hydrogen gas supply system 120, an air supply system 140, a cooling system 160, a secondary battery 172, and a DC. A DC converter 174 is provided.

燃料電池100は、電解質膜の両側にアノードとカソードとによる両電極を接合させた膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly/MEA)を備えるセルを積層して構成され、前輪FWと後輪RWとの間において車体22の床下に配置される。この燃料電池100は、水素ガス供給系120から供給される水素と、空気供給系140から供給される空気中の酸素との電気化学反応によって発電し、その発電電力によってモーター170を駆動する。燃料電池100の発電による電流は電流センサー102によって計測され、その計測結果は電流センサー102から後述の制御装置200へ出力される。   The fuel cell 100 is configured by laminating a cell including a membrane electrode assembly (MEA) in which both electrodes of an anode and a cathode are joined to both sides of an electrolyte membrane, and includes a front wheel FW and a rear wheel RW. The vehicle body 22 is disposed under the floor. The fuel cell 100 generates power by an electrochemical reaction between hydrogen supplied from the hydrogen gas supply system 120 and oxygen in the air supplied from the air supply system 140, and drives the motor 170 with the generated power. The current generated by the power generation of the fuel cell 100 is measured by the current sensor 102, and the measurement result is output from the current sensor 102 to the control device 200 described later.

水素ガス供給系120は、水素ガスタンク110、水素供給経路121、供給用開閉バルブ124、減圧バルブ125及び水素供給機器126を備える。水素ガスタンク110は内部に水素ガスを貯蔵しており、水素供給経路121は水素ガスタンク110と燃料電池100とをつなぐガス経路である。一方、水素供給機器126は、水素ガスタンク110内の水素ガスを水素供給経路121経由で燃料電池100に供給する。また、供給用開閉バルブ124は、水素供給経路121を開閉する機能を持ち、減圧バルブ125は、水素供給経路121内を減圧する機能を持つ。   The hydrogen gas supply system 120 includes a hydrogen gas tank 110, a hydrogen supply path 121, a supply opening / closing valve 124, a pressure reducing valve 125, and a hydrogen supply device 126. The hydrogen gas tank 110 stores hydrogen gas therein, and the hydrogen supply path 121 is a gas path that connects the hydrogen gas tank 110 and the fuel cell 100. On the other hand, the hydrogen supply device 126 supplies the hydrogen gas in the hydrogen gas tank 110 to the fuel cell 100 via the hydrogen supply path 121. The supply opening / closing valve 124 has a function of opening / closing the hydrogen supply path 121, and the pressure reducing valve 125 has a function of reducing the pressure in the hydrogen supply path 121.

水素ガス供給系120は更に、水素ガス循環経路122、放出経路123、水素ガス循環ポンプ127及び水素ガス流量センサー128を備える。放出経路123は、燃料電池100によって消費されなかった水素ガス(アノードオフガス)を、大気放出するための経路である。一方、水素ガス循環経路122は、アノードオフガスを水素供給経路121に戻して循環させるための経路であり、この循環は、水素ガス循環ポンプ127が実行する。水素ガス流量センサー128は、循環する水素ガスの流量を測定するセンサーであり、放出用開閉バルブ129は、水素ガス循環経路122と放出経路123との間の経路を開閉するバルブである。なお、放出経路123は、後述する空気供給系140においても、空気を放出する経路として用いられる。   The hydrogen gas supply system 120 further includes a hydrogen gas circulation path 122, a discharge path 123, a hydrogen gas circulation pump 127, and a hydrogen gas flow rate sensor 128. The discharge path 123 is a path for releasing hydrogen gas (anode off gas) that has not been consumed by the fuel cell 100 to the atmosphere. On the other hand, the hydrogen gas circulation path 122 is a path for circulating the anode off-gas back to the hydrogen supply path 121, and this circulation is performed by the hydrogen gas circulation pump 127. The hydrogen gas flow rate sensor 128 is a sensor that measures the flow rate of the circulating hydrogen gas, and the discharge opening / closing valve 129 is a valve that opens and closes a path between the hydrogen gas circulation path 122 and the discharge path 123. The discharge path 123 is also used as a path for discharging air in the air supply system 140 described later.

水素ガス供給系120には更に、上記の水素ガスの経路に圧損センサー190が設けられている。圧損センサー190は、水素ガスについて、燃料電池100に供給直前・直後の圧力差を、つまり燃料電池100を通過することによって生じる圧力損失(アノード圧損)を測定するものである。   The hydrogen gas supply system 120 is further provided with a pressure loss sensor 190 in the hydrogen gas path. The pressure loss sensor 190 measures the pressure difference (anode pressure loss) caused by passing through the fuel cell 100 with respect to the pressure difference immediately before and after the supply to the fuel cell 100 with respect to the hydrogen gas.

一方、空気供給系140は、コンプレッサー130、空気供給経路141、排出流量調整バルブ143、加湿装置145及び空気流量センサー147を備える。空気供給系140は、大気と燃料電池100のカソードとをつなぐ経路であり、この経路は、コンプレッサー130が大気から取り込んだ空気を、空気供給経路141を通じて燃料電池100に供給する。加湿装置145は、空気供給経路141上においてコンプレッサー130と燃料電池100との間に配置されており、燃料電池100に供給される空気を加湿する。一方、排出流量調整バルブ143は、水素ガス供給系120と放出経路123との間をつなぐ経路上に配置され、燃料電池100によって消費されなかった空気(カソードオフガス)の排出圧力(カソード背圧)及び排出量を調整するバルブである。   On the other hand, the air supply system 140 includes a compressor 130, an air supply path 141, a discharge flow rate adjustment valve 143, a humidifier 145, and an air flow rate sensor 147. The air supply system 140 is a path connecting the atmosphere and the cathode of the fuel cell 100, and this path supplies the air taken in from the atmosphere by the compressor 130 to the fuel cell 100 through the air supply path 141. The humidifier 145 is disposed between the compressor 130 and the fuel cell 100 on the air supply path 141, and humidifies the air supplied to the fuel cell 100. On the other hand, the discharge flow rate adjusting valve 143 is disposed on a path connecting the hydrogen gas supply system 120 and the discharge path 123, and discharge pressure (cathode back pressure) of air (cathode off-gas) not consumed by the fuel cell 100. And a valve for adjusting the discharge amount.

上記の排出流量調整バルブ143から排出された空気は、加湿装置145を経て、先述の放出経路123に流入する。この加湿装置145は、気液分離機器として構成されている。つまり、加湿装置145は、カソードオフガスから水分を分離し、その分離した水分を空気供給経路141内の空気に混合するように、なおかつ、カソード背圧が高いほど分離・混合する水分量が多くなるように構成されている。よって、燃料電池100に供給される空気の湿度調整は、排出流量調整バルブ143によるカソード背圧調整によって実現できる。この供給空気の湿度調整は、後述する乾燥抑制制御において利用される。   The air discharged from the discharge flow rate adjusting valve 143 flows into the discharge path 123 described above through the humidifier 145. This humidifier 145 is configured as a gas-liquid separator. That is, the humidifier 145 separates the moisture from the cathode off gas, mixes the separated moisture with the air in the air supply path 141, and increases the amount of moisture to be separated and mixed as the cathode back pressure increases. It is configured as follows. Therefore, the humidity of the air supplied to the fuel cell 100 can be adjusted by adjusting the cathode back pressure by the discharge flow rate adjusting valve 143. The humidity adjustment of the supply air is used in the drying suppression control described later.

一方、冷却系160は、ラジエーター150、冷却水循環経路161、バイパス162、三方流量調整弁163、冷却水循環ポンプ164及び温度センサー166を備える。冷却水循環経路161は、燃料電池100とラジエーター150との間で冷却水を循環させるための経路であり、この循環は冷却水循環ポンプ164が行う。このようにして循環する冷却水は、燃料電池100内において吸熱し、ラジエーター150において放熱することで、燃料電池100を冷却する(セル温度を低下させる)。また、バイパス162は、燃料電池100から流出した冷却水を、ラジエーター150を通過させずに再度、燃料電池100に流入させるための経路である。一方、三方流量調整弁163は、バイパス162を通過する冷却水の流量を調整する弁である。   On the other hand, the cooling system 160 includes a radiator 150, a cooling water circulation path 161, a bypass 162, a three-way flow rate adjustment valve 163, a cooling water circulation pump 164, and a temperature sensor 166. The cooling water circulation path 161 is a path for circulating cooling water between the fuel cell 100 and the radiator 150, and this circulation is performed by the cooling water circulation pump 164. The cooling water circulating in this way absorbs heat in the fuel cell 100 and dissipates heat in the radiator 150, thereby cooling the fuel cell 100 (reducing the cell temperature). The bypass 162 is a path for allowing the coolant that has flowed out of the fuel cell 100 to flow into the fuel cell 100 again without passing through the radiator 150. On the other hand, the three-way flow rate adjustment valve 163 is a valve that adjusts the flow rate of the cooling water passing through the bypass 162.

次に、電気系統について説明する。電気系統としては、燃料電池100の他、先述した二次電池172及びDC−DCコンバーター174が備えられている。二次電池172は、DC−DCコンバーター174を介して燃料電池100に接続されており、燃料電池100による発電電力を充電することや、充電電力を他の機器へ供給することができる。二次電池172には残容量検出センサー176が接続されている。DC−DCコンバーター174は、燃料電池100の発電の制御、二次電池172の充放電の制御、モーター170への電圧印加を行う。   Next, the electric system will be described. In addition to the fuel cell 100, the electrical system includes the secondary battery 172 and the DC-DC converter 174 described above. The secondary battery 172 is connected to the fuel cell 100 via the DC-DC converter 174, and can charge the power generated by the fuel cell 100 or supply the charged power to other devices. A remaining capacity detection sensor 176 is connected to the secondary battery 172. The DC-DC converter 174 performs power generation control of the fuel cell 100, charge / discharge control of the secondary battery 172, and voltage application to the motor 170.

制御装置200は、CPUやROM、RAM等を備えたいわゆるマイクロコンピューターで構成される。この制御装置200は、アクセル180や先述した種々のセンサーからの信号入力を取得し、その取得した信号に基づいてDC−DCコンバーター174やその他種々のバルブや機器等を先述したように制御することにより、燃料電池システム30を運転する。   The control device 200 includes a so-called microcomputer provided with a CPU, ROM, RAM, and the like. The control device 200 acquires signal inputs from the accelerator 180 and the various sensors described above, and controls the DC-DC converter 174 and other various valves and devices as described above based on the acquired signals. Thus, the fuel cell system 30 is operated.

[2.乾燥抑制処理]
制御装置200による上記種々の制御は、対応する処理(プログラム)を実行することによって実現されるが、既知の処理についての説明は省略し、以下、乾燥抑制処理を説明する。乾燥抑制処理は、燃料電池100の一部を構成する電解質膜の乾燥抑制を目的とし、燃料電池システム30による発電が行われている間、制御装置200が主体となって繰り返し実行する処理である。
[2. Drying suppression process]
The above-described various controls by the control device 200 are realized by executing corresponding processes (programs), but description of known processes is omitted, and the drying suppression process will be described below. The drying suppression process is a process that is repeatedly executed mainly by the control device 200 while the power generation by the fuel cell system 30 is being performed with the aim of suppressing the drying of the electrolyte membrane that constitutes a part of the fuel cell 100. .

以下、図2及び図3を参照しながら乾燥抑制処理を説明する。図2は乾燥抑制処理を示すフローチャート、図3(A)はカソード背圧の経時変化を示すグラフ、図3(B)はアノード圧損、セル温度及び燃料電池100の内部抵抗値の経時変化を示すグラフである。図3に示す各グラフは、燃料電池自動車20の高速登坂等によりセル温度が上昇して、電解質膜の乾燥が生じた後、乾燥抑制処理の実行により乾燥を抑制した例を模式的に示したものである。   Hereinafter, the drying suppression process will be described with reference to FIGS. 2 and 3. FIG. 2 is a flowchart showing the drying suppression process, FIG. 3A is a graph showing the change over time in the cathode back pressure, and FIG. 3B shows the change over time in the anode pressure loss, the cell temperature, and the internal resistance value of the fuel cell 100. It is a graph. Each graph shown in FIG. 3 schematically shows an example in which drying is suppressed by executing a drying suppression process after the cell temperature has increased due to high-speed climbing of the fuel cell vehicle 20 and the electrolyte membrane has been dried. Is.

まず、排出流量調整バルブ143のバルブ開度調整によってカソード背圧を圧力P1に設定する(ステップS210)(図3(A)参照)。カソード背圧が圧力P1の場合、通常の乾燥抑制(弱い乾燥抑制)が行われることになる。次に「セル温度が閾値Th(T)未満」及び「内部抵抗値が閾値Th(R)未満」の両方が満たされるかを判定する(ステップS220)。内部抵抗値は、DC−DCコンバーター174による燃料電池100への印加電圧と、電流センサー22から取得する電流値とから求める。なお、閾値Th(T)及び閾値Th(R)は、通常の乾燥抑制によれば十分な発電能力が得られることが担保される値が望ましく、通常の運転状態におけるセル温度及び電圧−電流特性(V−I特性)などに基づいて定められる。   First, the cathode back pressure is set to the pressure P1 by adjusting the valve opening degree of the discharge flow rate adjusting valve 143 (step S210) (see FIG. 3A). When the cathode back pressure is the pressure P1, normal drying suppression (weak drying suppression) is performed. Next, it is determined whether both “cell temperature is less than threshold Th (T)” and “internal resistance value is less than threshold Th (R)” are satisfied (step S220). The internal resistance value is obtained from the voltage applied to the fuel cell 100 by the DC-DC converter 174 and the current value acquired from the current sensor 22. Note that the threshold Th (T) and the threshold Th (R) are desirably values that ensure that sufficient power generation capacity can be obtained by normal drying suppression, and the cell temperature and voltage-current characteristics in a normal operation state. It is determined based on (V-I characteristics) and the like.

ステップS220において、セル温度及び内部抵抗値の両方の条件が満足するかを判定しているのは、電解質膜の乾燥度合いを推定して、乾燥抑制を強くすべき否かを判定するためである。上記両方の条件が満足されれば、電解質膜の乾燥度合いは低く、通常の乾燥抑制で足りると推定できる。そこで、燃料電池100が通常の負荷で運転されている場合などにおいて、セル温度・内部抵抗値の両方が閾値未満の状態が続いていれば、ステップS220における判定をYESとし、通常の乾燥制御を繰り返す(ステップS210)。この期間の様子を、図3の時刻ゼロ〜t1に示した。   In step S220, whether the conditions of both the cell temperature and the internal resistance value are satisfied is determined in order to estimate whether or not the drying suppression should be strengthened by estimating the degree of drying of the electrolyte membrane. . If both of the above conditions are satisfied, the degree of drying of the electrolyte membrane is low, and it can be estimated that normal drying suppression is sufficient. Therefore, when the fuel cell 100 is operated at a normal load, if both the cell temperature and the internal resistance value continue to be less than the threshold value, the determination in step S220 is YES, and normal drying control is performed. Repeat (step S210). The state during this period is shown from time zero to t1 in FIG.

一方、セル温度・内部抵抗値の少なくとも1つが閾値以上になった場合(ステップS220,NO)には、電解質膜の乾燥状態をより正確に推定し、強い乾燥抑制に入るべきか否かを判定するための処理に移行する。   On the other hand, if at least one of the cell temperature and the internal resistance value is equal to or higher than the threshold value (step S220, NO), the dry state of the electrolyte membrane is estimated more accurately and it is determined whether or not strong dry suppression should be entered. The process moves to

燃料電池車20の走行条件が高速登板などの高負荷なものに移行するなどして、セル温度または内部抵抗値が閾値以上になった場合(ステップS220,NO)、所定時間待機(ステップS230)した後、水素供給機器126を制御して、水素ガスの供給流量を一時的に増加させる(ステップS240)。この実施形態では、待機時間は、約20秒であり、水素ガスの供給流量の増加分は、増加前の供給流量の30%とし、2秒行う。   When the traveling temperature of the fuel cell vehicle 20 shifts to a high load such as high-speed climbing or the like, the cell temperature or the internal resistance value becomes equal to or higher than the threshold value (step S220, NO), standby for a predetermined time (step S230). After that, the hydrogen supply device 126 is controlled to temporarily increase the supply flow rate of hydrogen gas (step S240). In this embodiment, the standby time is about 20 seconds, and the increase in the supply flow rate of hydrogen gas is 30% of the supply flow rate before the increase, and is performed for 2 seconds.

続いて、水素ガスの供給流量が一時的に増加した際におけるアノード圧損の一時的な変化(ΔP)がゼロ以上かを判定する(ステップS250)。水素ガスの供給流量が一時的に増加すると、これに応じてアノード圧損に一時的な変化が現れる。この一時的な変化は、電解質膜の乾燥の度合いに対して強い相関を持つ。具体的には、ΔPが負(圧損の一時的な低下)である場合は電解質膜が乾燥しておらず、ΔPが正(圧損の一時的な増加)である場合は電解質膜が乾燥していると推定できる。   Subsequently, it is determined whether or not the temporary change (ΔP) in the anode pressure loss when the hydrogen gas supply flow rate temporarily increases is greater than or equal to zero (step S250). When the supply flow rate of hydrogen gas temporarily increases, a temporary change appears in the anode pressure loss accordingly. This temporary change has a strong correlation with the degree of drying of the electrolyte membrane. Specifically, when ΔP is negative (temporary decrease in pressure loss), the electrolyte membrane is not dried, and when ΔP is positive (temporary increase in pressure loss), the electrolyte membrane is dried. Can be estimated.

この関係は、実験によって確かめられたものであるが、次のように説明できると考えられる。つまり、水素の供給流量が一時的に増加した場合にΔPが負になるのは、水素ガスの流路に付着していた水滴が吹き飛ばされるようにして除去されたことに起因すると考えられる。つまり、電解質膜に十分な水分が存在し、電解質膜の乾燥度合いを強める必要がないことを示すと考えられる。   This relationship has been confirmed by experiments, but can be explained as follows. That is, it is considered that ΔP becomes negative when the hydrogen supply flow rate is temporarily increased because water droplets adhering to the hydrogen gas flow path are blown off and removed. That is, it is considered that sufficient moisture exists in the electrolyte membrane, and it is not necessary to increase the degree of drying of the electrolyte membrane.

一方、ΔPが正になるのは、水素ガスの流量増加による乾燥抑制効果により、水素ガスに含まれる水分が増加したことに起因すると考えられる。つまり、水素ガスがある程度の加湿がなされる余地のあるほど乾燥しており、ひいては電解質膜が乾燥していることを示すと考えられる。   On the other hand, the reason why ΔP becomes positive is considered to be due to an increase in moisture contained in the hydrogen gas due to a drying suppression effect due to an increase in the flow rate of the hydrogen gas. That is, it is considered that the hydrogen gas is so dry that there is room for humidification to some extent, and thus the electrolyte membrane is dry.

そこで、ステップS250における判定がNO、つまりΔPが負の場合、通常の乾燥抑制で十分であると判定し、ステップS210に戻って、上記のステップを繰り返す。この期間の様子を、図3の時刻t1〜時刻t2に示した。   Therefore, if the determination in step S250 is NO, that is, if ΔP is negative, it is determined that normal drying suppression is sufficient, and the process returns to step S210 and the above steps are repeated. The state during this period is shown from time t1 to time t2 in FIG.

一方、高負荷運転を継続するなどの条件下で電解質膜の乾燥が進むと、乾燥抑制を強くした方が望ましい。この場合には、ステップS250における判定はYESとなり、排出流量調整バルブ143のバルブ開度調整によってカソード背圧を圧力P2(>圧力P1)に設定する(ステップS260)。カソード背圧を高めると、加湿装置145による加湿量が増えることで、強い乾燥抑制が実行される。   On the other hand, when drying of the electrolyte membrane proceeds under conditions such as continuing high-load operation, it is desirable to increase drying suppression. In this case, the determination in step S250 is YES, and the cathode back pressure is set to pressure P2 (> pressure P1) by adjusting the valve opening of the discharge flow rate adjusting valve 143 (step S260). When the cathode back pressure is increased, the amount of humidification by the humidifier 145 is increased, and strong drying suppression is executed.

ステップS260の後は、ステップS230に戻り、ΔPがゼロ以上である期間は、ステップS230〜ステップS260を繰り返す。つまり、カソード背圧を圧力P2に維持し、強い乾燥抑制を継続することになる。この期間の様子を、図3の時刻t2〜時刻t3に示した。   After step S260, the process returns to step S230, and steps S230 to S260 are repeated for a period in which ΔP is zero or more. That is, the cathode back pressure is maintained at the pressure P2, and strong drying suppression is continued. The state during this period is shown from time t2 to time t3 in FIG.

その後、強い乾燥抑制やセル温度の低下などによって電解質膜の乾燥が抑制され、ΔPが負に転じると、これを検出し(ステップS250,NO)、ステップS210に戻る。つまり、カソード背圧を圧力P1に設定し、続いて、セル温度及び内部抵抗値が閾値未満かを判定する(ステップS220)。よって、セル温度又は内部抵抗値が閾値以上で(ステップS220,NO)、ΔPが負である(ステップS250,NO)期間は、水素ガスの供給流量の一時的増加を続けて、これに対するアノード圧損の一時的な変化(ΔP)の監視をしつつ、通常の乾燥抑制を実行することになる。この期間の様子を、図3の時刻t3〜時刻t4に示した。   Thereafter, when drying of the electrolyte membrane is suppressed by strong drying suppression or a decrease in cell temperature, and ΔP turns negative, this is detected (step S250, NO), and the process returns to step S210. That is, the cathode back pressure is set to the pressure P1, and then it is determined whether the cell temperature and the internal resistance value are less than the threshold (step S220). Therefore, during the period in which the cell temperature or the internal resistance value is equal to or higher than the threshold value (step S220, NO) and ΔP is negative (step S250, NO), the supply flow rate of hydrogen gas continues to increase temporarily, and the anode pressure loss against this increases. Normal drying suppression is executed while monitoring the temporary change (ΔP). The state during this period is shown from time t3 to time t4 in FIG.

その後、燃料電池自動車20の高速登坂が終了するなどして、セル温度及び内部抵抗値が下降し閾値を下回ると、これを検出し(ステップS220,YES)、ステップS210に戻る。従って、ステップS230以下の処理が行われなくなるので、通常の乾燥抑制を続けつつ、水素ガスの供給流量の一時的な増加を行うことはない。この期間の様子を、図3の時刻t4以降に示した。この図は、先にセル温度が閾値Th(T)を下回り、続いて内部抵抗値が時刻t4において閾値Th(R)を下回った例を示している。   Thereafter, when the cell temperature and the internal resistance value decrease and fall below the threshold value due to the end of the high-speed climbing of the fuel cell vehicle 20, this is detected (step S220, YES), and the process returns to step S210. Therefore, since the process after step S230 is not performed, the supply flow rate of hydrogen gas is not temporarily increased while continuing normal drying suppression. The state during this period is shown after time t4 in FIG. This figure shows an example in which the cell temperature has previously fallen below the threshold Th (T), and then the internal resistance value has fallen below the threshold Th (R) at time t4.

以上に説明したように、水素ガスの一時的な流量増加時におけるアノード圧損の挙動を利用して、電解質膜の乾燥度合いを推定し、その推定に基づいて乾燥抑制を行うので、従来よりも適切に乾燥抑制の強さを制御することができる。   As explained above, the degree of drying of the electrolyte membrane is estimated using the behavior of the anode pressure loss when the hydrogen gas is temporarily increased, and the drying is suppressed based on the estimation. It is possible to control the strength of drying suppression.

また、セル温度及び内部抵抗値についての条件に基づいて、強い乾燥抑制についての判定と処理(ステップS230〜ステップS260)を開始するので、水素ガス供給流量の一時的な増加や、アノード圧損の検出・判定などを常に行う必要がない。つまり、燃料電池100の運転のために取得する物理量であるセル温度及び内部抵抗値を利用して粗い推定をし、その推定に基づいて水素ガス供給量の一時的な増加に移行して精度の良い推定を行うことで、両者の長所を活かした構成になっている。   Further, since the determination and processing (steps S230 to S260) for strong drying suppression is started based on the conditions for the cell temperature and the internal resistance value, a temporary increase in the hydrogen gas supply flow rate or detection of anode pressure loss is detected.・ There is no need to always make decisions. That is, a rough estimation is made using the cell temperature and the internal resistance value, which are physical quantities acquired for the operation of the fuel cell 100, and based on the estimation, the hydrogen gas supply amount is temporarily increased and the accuracy is increased. By making a good estimate, it has a structure that takes advantage of both advantages.

また、水素ガス供給流量の一時的な増加を所定時間毎に行うので(ステップS230)、水素ガスの供給量をいたずらに増加させることがない。加えて、所定時間おいてから行うことで、水素ガス供給流量の一時的な増加同士が互いに及ぼしあう影響が小さくなり、ΔPと電解質膜の乾燥度合いとの相関を保持することができる。また、ΔPの判定基準を、ゼロ以上か負かという単純なものにしているので、判定が簡素かつ確実になる。   Further, since the hydrogen gas supply flow rate is temporarily increased every predetermined time (step S230), the hydrogen gas supply amount is not increased unnecessarily. In addition, by performing after a predetermined time, the influence of the temporary increase in the hydrogen gas supply flow rate on each other is reduced, and the correlation between ΔP and the degree of drying of the electrolyte membrane can be maintained. In addition, since the determination criterion for ΔP is simple such as zero or more or negative, the determination is simple and reliable.

[3.実施形態と適用例との対応関係]
ステップS210・ステップS250・ステップS260が乾燥抑制部を、ステップS220が検出部を、ステップS240が供給流量増加部を各々実現するためのソフトウェアに対応する。
[3. Correspondence between embodiment and application example]
Steps S210, S250, and S260 correspond to software for realizing the drying suppression unit, step S220 as the detection unit, and step S240 as software for realizing the supply flow rate increasing unit.

[4.他の実施形態]
本発明は、先述した実施形態になんら限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲内における種々の形態により実施できる。例えば、実施形態の構成要素の中で付加的なものは、実施形態から省略できる。ここで言う付加的な構成要素とは、実質的に独立している適用例においては特定されていない事項に対応する要素のことである。この他、例えば、以下のような実施形態が考えられる。
[4. Other Embodiments]
The present invention is not limited to the embodiment described above, and can be implemented in various forms within the scope not departing from the gist of the invention. For example, additional components in the embodiment can be omitted from the embodiment. The additional components referred to here are elements corresponding to matters not specified in the substantially independent application example. In addition, for example, the following embodiments can be considered.

・乾燥抑制の方法は、以下の何れかでも良い。(a)水素ガスを加湿する(b)カソードガスと水素ガスの両方を加湿する(c)水素ガスの供給量を増やす(d)水素ガスの供給圧力を下げる(e)空気の供給量を減らす(f)空気の供給圧力を上げる(g)冷却系160によって冷却度合いを強くする。 -Any of the following may be sufficient as the method of drying suppression. (A) Humidifying hydrogen gas (b) Humidifying both cathode gas and hydrogen gas (c) Increasing the supply amount of hydrogen gas (d) Decreasing the supply pressure of hydrogen gas (e) Decreasing the supply amount of air (F) Increasing the supply pressure of air (g) The cooling system 160 increases the degree of cooling.

・用途は、自動車搭載用でなくとも、2輪車などの輸送用機器搭載用や家庭用発電機等どのようなものでも良い。
・ΔPに基づいて、どのように乾燥抑制を制御するかは、種々考えられる。例えば、ΔPがゼロの場合、通常の乾燥抑制をしても良い。あるいは、乾燥抑制の強弱を切り替えるための基準は、実施形態のようなゼロ点ではなく、正の値でも負の値でも良い。また、判定基準を複数用意して、3段階以上で乾燥抑制の強さを切り替えることで、ΔPの大きさに応じた程度の乾燥抑制を行うようにしても良い。具体的には、ΔPが正になってから、更に乾燥が進んでいくと、ΔPが小さくなっていく現象に基づいて、乾燥抑制の強さを決定するようにしても良い。
-The application is not limited to being mounted on an automobile, but may be anything such as mounting on a transport device such as a two-wheeled vehicle or a home generator.
-There are various ways to control the drying suppression based on ΔP. For example, when ΔP is zero, normal drying suppression may be performed. Or the reference | standard for switching the strength of drying suppression may be a positive value or a negative value instead of the zero point as in the embodiment. Alternatively, a plurality of determination criteria may be prepared, and drying suppression to the extent corresponding to the magnitude of ΔP may be performed by switching the strength of drying suppression in three or more stages. Specifically, the drying suppression strength may be determined based on a phenomenon in which ΔP becomes smaller as drying progresses further after ΔP becomes positive.

・燃料ガスに水素以外を用いることなどにより、ΔPと電解質膜の乾燥度合いとの関係が実施形態の場合とは異なることも考えられる。このような場合は、実態に合わせて、適宜、ΔPと乾燥抑制の強さとの関係を決定すれば良い。 -It is also conceivable that the relationship between ΔP and the degree of drying of the electrolyte membrane differs from that in the embodiment by using other than hydrogen as the fuel gas. In such a case, the relationship between ΔP and the strength of drying suppression may be appropriately determined according to the actual situation.

・先述した実施形態では、セル温度又は内部抵抗値が閾値未満との判定(ステップS220,NO)後、及びΔPが負との判定(ステップS250,NO)後においては、何れもカソード背圧を圧力P1に設定することで弱い乾燥抑制を行うが、異なる強さで乾燥抑制を行っても構わない。
・ステップS220を省略して、燃料電池の運転中は常に、水素ガスの供給流量を一時的に増加させるようにしても良い。
In the above-described embodiment, after the determination that the cell temperature or the internal resistance value is less than the threshold value (step S220, NO) and after the determination that ΔP is negative (step S250, NO), the cathode back pressure is all reduced. Although weak drying suppression is performed by setting to the pressure P1, drying suppression may be performed with different strengths.
-Step S220 may be omitted and the hydrogen gas supply flow rate may be temporarily increased whenever the fuel cell is in operation.

20…燃料電池自動車
22…車体
30…燃料電池システム
100…燃料電池
102…電流センサー
110…水素ガスタンク
120…水素ガス供給系
121…水素供給経路
122…水素ガス循環経路
123…放出経路
124…供給用開閉バルブ
125…減圧バルブ
126…水素供給機器
127…水素ガス循環ポンプ
128…水素ガス流量センサー
129…放出用開閉バルブ
130…コンプレッサー
140…空気供給系
141…空気供給経路
143…排出流量調整バルブ
145…加湿装置
147…空気流量センサー
150…ラジエーター
160…冷却系
161…冷却水循環経路
162…バイパス
163…三方流量調整弁
164…冷却水循環ポンプ
166…温度センサー
170…モーター
172…二次電池
174…DC−DCコンバーター
176…残容量検出センサー
180…アクセル
190…圧損センサー
200…制御装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 20 ... Fuel cell vehicle 22 ... Car body 30 ... Fuel cell system 100 ... Fuel cell 102 ... Current sensor 110 ... Hydrogen gas tank 120 ... Hydrogen gas supply system 121 ... Hydrogen supply path 122 ... Hydrogen gas circulation path 123 ... Release path 124 ... For supply Open / close valve 125 ... Pressure reducing valve 126 ... Hydrogen supply device 127 ... Hydrogen gas circulation pump 128 ... Hydrogen gas flow rate sensor 129 ... Release open / close valve 130 ... Compressor 140 ... Air supply system 141 ... Air supply path 143 ... Discharge flow rate adjustment valve 145 ... Humidifier 147 ... Air flow sensor 150 ... Radiator 160 ... Cooling system 161 ... Cooling water circulation path 162 ... Bypass 163 ... Three-way flow control valve 164 ... Cooling water circulation pump 166 ... Temperature sensor 170 ... Motor 172 ... Secondary battery 174 ... DC-DC Converter 176 ... Remaining capacity detection sensor 180 ... Accelerator 190 ... Pressure loss sensor 200 ... Control device

Claims (7)

電荷担体を伝導させる電解質を有する燃料電池を用いて発電を行う燃料電池システムであって、
前記燃料電池に供給される燃料ガスの供給流量を一時的に増加させる供給流量増加部と、
前記燃料ガスが前記燃料電池を通過する際に生じる圧力損失の変化であって、前記供給流量増加部によって一時的に供給流量が増加した際の変化である一時的な変化に基づいて、前記電解質の乾燥を抑制する乾燥抑制部とを備える
燃料電池システム。
A fuel cell system that generates power using a fuel cell having an electrolyte that conducts charge carriers,
A supply flow rate increase unit for temporarily increasing the supply flow rate of the fuel gas supplied to the fuel cell;
Based on the change in pressure loss that occurs when the fuel gas passes through the fuel cell, and the change that occurs when the supply flow rate is temporarily increased by the supply flow rate increasing unit, the electrolyte A fuel cell system comprising a drying suppression unit that suppresses drying of the fuel.
前記乾燥抑制部は、前記一時的な変化の値が大きいほど強く乾燥を抑制する
請求項1に記載の燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 1, wherein the drying suppression unit strongly suppresses drying as the temporary change value increases.
前記乾燥抑制部は、前記一時的な変化の値が正である場合は、負である場合よりも強く乾燥を抑制する
請求項1又は2に記載の燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 1, wherein the drying suppression unit suppresses drying more strongly when the temporary change value is positive than when it is negative.
前記一時的な変化の値が正である場合よりも弱く乾燥が抑制されるべきことを、前記燃料電池を運転するために取得する物理量に基づいて検出する検出部を備え、
前記一時的な変化の値が正である場合よりも弱く乾燥が抑制されるべきことが前記検出部によって検出された場合は、前記供給流量増加部は動作せず、前記乾燥抑制部は、前記一時的変化の値が正である場合よりも弱く乾燥を抑制する
請求項3に記載の燃料電池システム。
A detection unit for detecting, based on a physical quantity acquired for operating the fuel cell, that the drying should be suppressed more weakly than when the value of the temporary change is positive;
When the detection unit detects that drying should be suppressed more weakly than when the value of the temporary change is positive, the supply flow rate increase unit does not operate, and the drying suppression unit The fuel cell system according to claim 3, wherein drying is suppressed more weakly than when the value of the temporary change is positive.
前記乾燥抑制部は、前記一時的な変化の値が正である場合よりも弱く乾燥が抑制されるべきことが前記検出部によって検出された場合は、前記一時的な変化の値が負である場合と同等の強さで乾燥を抑制する
請求項4に記載の燃料電池システム。
When the detection unit detects that the drying suppression unit is weaker than the case where the temporary change value is positive and the drying should be suppressed, the temporary change value is negative. The fuel cell system according to claim 4, wherein drying is suppressed with the same strength as the case.
電荷担体を伝導させる電解質を有する燃料電池を用いて発電を行う燃料電池の運転方法であって、
燃料ガスが前記燃料電池を通過する際に生じる圧力損失の変化であって、該燃料ガスの供給流量を一時的に増加させた際の変化に基づいて、前記電解質の乾燥を抑制する
燃料電池の運転方法。
A method of operating a fuel cell that generates electricity using a fuel cell having an electrolyte that conducts charge carriers,
A change in pressure loss that occurs when fuel gas passes through the fuel cell, and suppresses drying of the electrolyte based on a change when the supply flow rate of the fuel gas is temporarily increased. how to drive.
電荷担体を伝導させるために燃料電池に用いられる電解質の乾燥度合い推定方法であって、
燃料ガスが前記燃料電池を通過する際に生じる圧力損失の変化であって、該燃料ガスの供給流量を一時的に増加させた際の変化に基づいて、前記電解質の乾燥度合いを推定する
電解質の乾燥度合い推定方法。
A method for estimating the degree of drying of an electrolyte used in a fuel cell to conduct charge carriers,
The degree of dryness of the electrolyte is estimated based on the change in pressure loss that occurs when the fuel gas passes through the fuel cell and when the supply flow rate of the fuel gas is temporarily increased. Drying degree estimation method.
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