JP2019029067A - Fuel cell system - Google Patents

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俊明 草刈
Toshiaki Kusakari
俊明 草刈
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Abstract

To provide a fuel cell system which enables high-accuracy determination of a humidification condition of a humidifier.SOLUTION: A fuel cell system comprises: a fuel cell which generates electric power by being supplied with a reactive gas, a supplying path for supplying the reactive gas to the fuel cell; an exhaust path for exhausting a reactive gas from the fuel cell; a humidifier for humidifying, by a water content contained in the reactive gas exhausted from the fuel cell, the reactive gas to be supplied to the fuel cell; and a determination unit for making determination about a humidification condition in the humidifier. The humidifier has: a first flow path connected to the supplying path; a second flow path connected to the exhaust path; an electrolyte membrane for isolation between the first flow path and the second flow path; and a pair of catalyst electrodes provided on at least part of respective faces of the electrolyte membrane on first and second flow path sides. The determination unit applies an AC voltage across the pair of catalyst electrodes to measure an impedance of the electrolyte membrane, and makes determination about the humidification condition based on the impedance.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

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

燃料電池に供給される空気は、加湿器内においてカソードのオフガス中の水分により加湿されるため、燃料電池の電解質膜の湿度は良好な状態に維持される。例えば特許文献１には、加湿器内の加湿状態をカソードオフガスの入口と出口の温度差から判定することが記載されている。   Since the air supplied to the fuel cell is humidified by the moisture in the cathode off-gas in the humidifier, the humidity of the electrolyte membrane of the fuel cell is maintained in a good state. For example, Patent Document 1 describes that the humidification state in the humidifier is determined from the temperature difference between the cathode off-gas inlet and the outlet.

特開２０１０−１０７１２２号公報JP 2010-107122 A

しかし、上記の判定方法によると、カソードオフガスの水分を浸透させる中空糸膜の状態が、カソードオフガスの入口と出口の温度差に基づき間接的に判定されるため、判定精度が低いという問題がある。   However, according to the above-described determination method, the state of the hollow fiber membrane that permeates the moisture of the cathode offgas is indirectly determined based on the temperature difference between the cathode offgas inlet and the outlet, so that the determination accuracy is low. .

そこで本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、加湿器の加湿状態を高精度に判定することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。   Then, this invention is made | formed in view of said subject, and it aims at providing the fuel cell system which can determine the humidification state of a humidifier with high precision.

本発明の燃料電池システムは、反応ガスが供給されることにより発電する燃料電池と、前記反応ガスを前記燃料電池に供給するための供給路と、前記燃料電池から前記反応ガスを排出するための排出路と、前記燃料電池に供給される前記反応ガスを、前記燃料電池から排出された前記反応ガスに含まれる水分により加湿する加湿器と、前記加湿器内の加湿状態を判定する判定部とを有し、前記加湿器は、前記供給路に接続された第１流路と、前記排出路に接続された第２流路と、前記第１流路と前記第２流路を隔てる電解質膜と、前記電解質膜の前記第１流路側及び前記第２流路側の各面の少なくとも一部に設けられた一対の触媒電極とを有し、前記判定部は、前記一対の触媒電極に交流電圧を印加することにより前記電解質膜のインピーダンスを測定し、前記インピーダンスに基づき前記加湿状態を判定する。   The fuel cell system of the present invention includes a fuel cell that generates electric power when a reaction gas is supplied, a supply path for supplying the reaction gas to the fuel cell, and a method for discharging the reaction gas from the fuel cell. A discharge path; a humidifier that humidifies the reaction gas supplied to the fuel cell with moisture contained in the reaction gas discharged from the fuel cell; and a determination unit that determines a humidification state in the humidifier. And the humidifier includes a first flow path connected to the supply path, a second flow path connected to the discharge path, and an electrolyte membrane that separates the first flow path and the second flow path. And a pair of catalyst electrodes provided on at least a part of each surface of the electrolyte membrane on the first flow path side and the second flow path side, and the determination unit has an AC voltage applied to the pair of catalyst electrodes. Impedance of the electrolyte membrane by applying Scan was measured to determine the humidification state based on said impedance.

本発明によれば、加湿器の湿潤状態を高精度に判定することができる。   According to the present invention, the wet state of the humidifier can be determined with high accuracy.

燃料電池システムの一例を示す構成図である。It is a block diagram which shows an example of a fuel cell system. 加湿器の一例を示す構成図である。It is a block diagram which shows an example of a humidifier.

図１は、燃料電池システムの一例を示す構成図である。燃料電池システムは、燃料電池１と、加湿器２と、インタークーラ３と、エアコンプレッサ４と、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５と酸化剤供給路９０〜９２と、酸化剤排出路９３，９４と、燃料ガス供給路８１と、燃料ガス排出路８２とを有する。なお、本実施例の燃料電池システムは、一例として燃料電池車に搭載されるが、これに限定されず、他の用途に用いられるものであってもよい。   FIG. 1 is a configuration diagram illustrating an example of a fuel cell system. The fuel cell system includes a fuel cell 1, a humidifier 2, an intercooler 3, an air compressor 4, an ECU (Electronic Control Unit) 5, oxidant supply paths 90 to 92, and oxidant discharge paths 93 and 94. The fuel gas supply path 81 and the fuel gas discharge path 82 are provided. In addition, although the fuel cell system of a present Example is mounted in a fuel cell vehicle as an example, it is not limited to this, You may be used for another use.

ＥＣＵ５は、加湿器２及び燃料電池１を制御する。ＥＣＵ５は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）及びメモリなどから構成され、ＣＰＵを駆動するプログラムに従って動作する。   The ECU 5 controls the humidifier 2 and the fuel cell 1. The ECU 5 includes, for example, a CPU (Central Processing Unit) and a memory, and operates according to a program that drives the CPU.

燃料電池１は、固体高分子形の複数の燃料電池単セルが積層されることにより構成されており、燃料ガスである水素ガスと、酸化剤ガスとして、酸素を含む空気とが供給される。各燃料電池単セルには膜電極接合体（MEA： Membrane Electrode Assembly）が設けられており、膜電極接合体において酸化剤ガス中の酸素と燃料ガス中の水素とが化学反応することにより発電する。なお、本実施例では、加湿器２により加湿される反応ガスの一例として、酸化剤ガスを挙げるが、燃料ガスであってもよい。   The fuel cell 1 is configured by laminating a plurality of solid polymer type fuel cell single cells, and is supplied with hydrogen gas as a fuel gas and air containing oxygen as an oxidant gas. Each fuel cell single cell is provided with a membrane electrode assembly (MEA), and electricity is generated by a chemical reaction between oxygen in the oxidant gas and hydrogen in the fuel gas in the membrane electrode assembly. . In this embodiment, an example of the reaction gas humidified by the humidifier 2 is an oxidant gas, but it may be a fuel gas.

燃料電池１には、酸化剤供給路９０〜９２、酸化剤排出路９３，９４、燃料ガス供給路８１、及び燃料ガス排出路８２が接続されている。燃料ガス供給路８１は、燃料ガスをタンク（図示を省略）から燃料電池１のアノードに供給するための経路である。燃料ガス排出路８２は、燃料電池１のアノードから燃料オフガスを外部に排出するための経路である。   To the fuel cell 1, oxidant supply paths 90 to 92, oxidant discharge paths 93 and 94, a fuel gas supply path 81, and a fuel gas discharge path 82 are connected. The fuel gas supply path 81 is a path for supplying fuel gas from a tank (not shown) to the anode of the fuel cell 1. The fuel gas discharge path 82 is a path for discharging the fuel off-gas from the anode of the fuel cell 1 to the outside.

酸化剤供給路９０〜９２は、供給路の一例であり、酸化剤ガスを外部から燃料電池１のカソードに供給するための経路である。酸化剤排出路９３，９４は、燃料電池１のカソードから酸化剤オフガスを外部に排出するための経路である。なお、酸化剤オフガスには、各燃料電池単セルの膜電極接合体における化学反応により生成された水分が含まれる。   The oxidant supply paths 90 to 92 are examples of supply paths, and are paths for supplying oxidant gas to the cathode of the fuel cell 1 from the outside. The oxidant discharge paths 93 and 94 are paths for discharging the oxidant off-gas from the cathode of the fuel cell 1 to the outside. The oxidant off-gas contains moisture generated by a chemical reaction in the membrane electrode assembly of each fuel cell single cell.

エアコンプレッサ４は、外部から空気を取り込んで圧縮し、酸化剤ガスとして、酸化剤供給路９０を介してインタークーラ３に送出する。インタークーラ３は、酸化剤ガスを熱交換により冷却し、酸化剤供給路９１を介して加湿器２に送出する。   The air compressor 4 takes in air from the outside, compresses it, and sends it as an oxidant gas to the intercooler 3 via the oxidant supply path 90. The intercooler 3 cools the oxidant gas by heat exchange and sends it to the humidifier 2 via the oxidant supply path 91.

加湿器２には、インタークーラ３から酸化剤供給路９１を介して低湿度の酸化剤ガスが導入され、燃料電池１から酸化剤排出路９３を介して高湿度の酸化剤オフガスが導入される。加湿器２は、燃料電池１に供給される酸化剤ガスを、燃料電池１から排出された酸化剤オフガスに含まれる水分により加湿する。   A low-humidity oxidant gas is introduced from the intercooler 3 through the oxidant supply path 91 to the humidifier 2, and a high-humidity oxidant off-gas is introduced from the fuel cell 1 through the oxidant discharge path 93. . The humidifier 2 humidifies the oxidant gas supplied to the fuel cell 1 with moisture contained in the oxidant off-gas discharged from the fuel cell 1.

加湿器２は、加湿した酸化剤ガスを、酸化剤供給路９２を介して燃料電池１に送出する。このため、燃料電池の膜電極接合体は、加湿された酸化剤ガス中の水分により適切な湿度に維持される。また、加湿器２は、加湿に使用した酸化剤オフガスを、酸化剤排出路９４を介して外部に導く。   The humidifier 2 sends the humidified oxidant gas to the fuel cell 1 through the oxidant supply path 92. For this reason, the membrane electrode assembly of the fuel cell is maintained at an appropriate humidity by the moisture in the humidified oxidant gas. In addition, the humidifier 2 guides the oxidant off-gas used for humidification to the outside through the oxidant discharge path 94.

符号Ｇは加湿器２の部分的な断面を示す。加湿器２は、複数のセパレータ２０と、電解質膜２１０と、一対の触媒電極２１５，２１６とを有する。なお、加湿器２の詳細な構成は後述する。   Reference symbol G indicates a partial cross section of the humidifier 2. The humidifier 2 includes a plurality of separators 20, an electrolyte membrane 210, and a pair of catalyst electrodes 215 and 216. The detailed configuration of the humidifier 2 will be described later.

セパレータ２０は、例えば金属板などにより構成される。セパレータ２０の一方の面２０ｂには、燃料電池１に供給される酸化剤ガスが流通する第１流路２００ｂが設けられており、セパレータ２０の他方の面２０ａには、燃料電池１から排出された酸化剤オフガスが流通する第２流路２００ａが設けられている。第１流路２００ｂ及び第２流路２００ａは、例えばプレス成型やカーボン成型により形成される。   The separator 20 is made of, for example, a metal plate. A first flow path 200b through which an oxidant gas supplied to the fuel cell 1 flows is provided on one surface 20b of the separator 20, and the other surface 20a of the separator 20 is discharged from the fuel cell 1. A second flow path 200a through which the oxidant off-gas flows is provided. The first flow path 200b and the second flow path 200a are formed by, for example, press molding or carbon molding.

第１流路２００ｂは酸化剤供給路９１，９２に接続されており、第２流路２００ａは酸化剤排出路９３，９４に接続されている。第１流路２００ｂ内の酸化剤ガスが流通する方向Ｄｉｎは、第２流路２００ａ内の酸化剤オフガスが流通する方向Ｄｏｕｔとは反対方向となる。すなわち、第１流路２００ｂ内の酸化剤ガスと第２流路２００ａ内の酸化剤オフガスは対向流の関係にある。   The first flow path 200b is connected to the oxidant supply paths 91 and 92, and the second flow path 200a is connected to the oxidant discharge paths 93 and 94. The direction Din in which the oxidant gas flows in the first flow path 200b is opposite to the direction Dout in which the oxidant off-gas flows in the second flow path 200a. That is, the oxidant gas in the first flow path 200b and the oxidant off-gas in the second flow path 200a are in a counterflow relationship.

電解質膜２１０は、一対のセパレータ２０により挟まれるように設けられており、第１流路２００ｂと第２流路２００ａを隔てる。より具体的には、電解質膜２１０の一方の面２１０ｂは、第１流路２００ｂを介して一方のセパレータ２０の下側の面２０ｂに対向し、電解質膜２１０の他方の面２１０ａは、第２流路２００ａを介して他方のセパレータ２０の上側の面２０ａに対向する。   The electrolyte membrane 210 is provided so as to be sandwiched between the pair of separators 20, and separates the first flow path 200b and the second flow path 200a. More specifically, one surface 210b of the electrolyte membrane 210 is opposed to the lower surface 20b of one separator 20 via the first flow path 200b, and the other surface 210a of the electrolyte membrane 210 is the second surface 210a. It faces the upper surface 20a of the other separator 20 through the flow path 200a.

電解質膜２１０は、例えば、燃料電池１内の電解質膜と同様に、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示すイオン交換樹脂膜により構成される。このようなイオン交換樹脂膜としては、例えば、ナフィオン（登録商標）などの、イオン交換基としてスルホン酸基を有するフッ素樹脂系のものが挙げられる。なお、電解質膜２１０は、プロトン伝導性のものに限定されず、水酸化物イオン伝導性のものであってもよい。   The electrolyte membrane 210 is made of, for example, an ion exchange resin membrane that exhibits good proton conductivity in a wet state, like the electrolyte membrane in the fuel cell 1. Examples of such ion exchange resin membranes include fluororesin-based membranes having sulfonic acid groups as ion exchange groups, such as Nafion (registered trademark). The electrolyte membrane 210 is not limited to a proton conductive material, and may be a hydroxide ion conductive material.

電解質膜２１０は、第１流路２００ｂと第２流路２００ａの間の水蒸気の圧力差により、第２流路２００ａ側から水分が浸透して第１流路２００ｂ側へと移動する。これにより、酸化剤オフガス中の水分（Ｈ２Ｏ）は電解質膜２１０を通って第１流路２００ｂ内の酸化剤ガス中に拡散する。したがって、酸化剤供給路９１からの低湿度の酸化剤ガスが酸化剤オフガス中の水分により加湿される。 Due to the difference in water vapor pressure between the first flow path 200b and the second flow path 200a, the electrolyte membrane 210 permeates moisture from the second flow path 200a side and moves to the first flow path 200b side. As a result, moisture (H 2 O) in the oxidant off-gas diffuses through the electrolyte membrane 210 and into the oxidant gas in the first flow path 200b. Therefore, the low-humidity oxidant gas from the oxidant supply path 91 is humidified by the moisture in the oxidant off-gas.

一対の触媒電極２１５，２１６は、電解質膜２１０の第１流路２００ｂ側及び第２流路２００ａ側の各面２１０ｂ，２１０ａの少なくとも一部に設けられている。より具体的には、一方の触媒電極２１５は電解質膜２１０の一方の面２１０ｂに積層され、他方の触媒電極２１６は電解質膜２１０の他方の面２１０ａに積層されている。一対の触媒電極２１５，２１６は、触媒担持導電性粒子により構成された、ガス拡散性を有する多孔質層であり、例えば、白金担持カーボンの分散溶液である触媒インクの乾燥塗膜として形成される。   The pair of catalyst electrodes 215 and 216 are provided on at least a part of each surface 210b and 210a of the electrolyte membrane 210 on the first flow path 200b side and the second flow path 200a side. More specifically, one catalyst electrode 215 is stacked on one surface 210 b of the electrolyte membrane 210, and the other catalyst electrode 216 is stacked on the other surface 210 a of the electrolyte membrane 210. The pair of catalyst electrodes 215 and 216 is a porous layer having gas diffusibility composed of catalyst-carrying conductive particles. For example, the catalyst electrodes 215 and 216 are formed as a dry coating film of catalyst ink that is a dispersion solution of platinum-carrying carbon. .

一対の触媒電極２１５，２１６は、電気配線Ｗを介し、後述する交流電源に接続されている。加湿器２の加湿状態の判定が行われる場合、一対の触媒電極２１５，２１６には、交流電源から交流電圧が印加される。一対の触媒電極２１５，２１６は、交流電圧により一定周期で交互に正極または負極となる。このとき、電解質膜２１０を介して一対の触媒電極２１５，２１６の一方から他方にイオンが移動する。   The pair of catalyst electrodes 215 and 216 are connected to an AC power source described later via an electric wiring W. When the humidification state of the humidifier 2 is determined, an alternating voltage is applied to the pair of catalyst electrodes 215 and 216 from an alternating current power source. The pair of catalyst electrodes 215 and 216 alternately become a positive electrode or a negative electrode with a constant period by an AC voltage. At this time, ions move from one of the pair of catalyst electrodes 215 and 216 to the other through the electrolyte membrane 210.

２Ｈ２Ｏ→４Ｈ＋＋４ｅ−＋Ｏ２ ・・・（１）
４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２ ・・・（２） 2H 2 O → 4H + + 4e − + O 2 (1)
4H + + 4e − → 2H 2 (2)

電解質膜２１０がプロトン伝導性を有する場合、水素イオンが一対の触媒電極２１５，２１６の間を移動する。正極におけるイオン反応式は上記の式（１）で表され、負極におけるイオン反応式は上記の式（２）で表される。   When the electrolyte membrane 210 has proton conductivity, hydrogen ions move between the pair of catalyst electrodes 215 and 216. The ion reaction formula at the positive electrode is represented by the above formula (1), and the ion reaction formula at the negative electrode is represented by the above formula (2).

４ＯＨ−→４ｅ−＋２Ｈ２Ｏ＋Ｏ２ ・・・（３）
４Ｈ２Ｏ＋４ｅ−→４ＯＨ−＋２Ｈ２ ・・・（４） 4OH − → 4e − + 2H 2 O + O 2 (3)
4H 2 O + 4e − → 4OH − + 2H 2 (4)

また、電解質膜２１０が水酸化物イオン伝導性を有する場合、水酸化物イオンが一対の触媒電極２１５，２１６の間を移動する。正極におけるイオン反応式は上記の式（３）で表され、負極におけるイオン反応式は上記の式（４）で表される。   Further, when the electrolyte membrane 210 has hydroxide ion conductivity, hydroxide ions move between the pair of catalyst electrodes 215 and 216. The ionic reaction formula at the positive electrode is represented by the above formula (3), and the ionic reaction formula at the negative electrode is represented by the above formula (4).

ＥＣＵ５は、判定部の一例であり、一対の触媒電極２１５，２１６に交流電圧を印加することにより電解質膜２１０のインピーダンスを測定し、インピーダンスに基づき加湿器２の加湿状態を判定する。より具体的には、ＥＣＵ５は、例えば交流インピーダンス法を用いて、イオンの移動による電流−電圧特性からインピーダンスを測定する。   The ECU 5 is an example of a determination unit, measures the impedance of the electrolyte membrane 210 by applying an alternating voltage to the pair of catalyst electrodes 215 and 216, and determines the humidification state of the humidifier 2 based on the impedance. More specifically, ECU5 measures an impedance from the current-voltage characteristic by ion movement, for example using an alternating current impedance method.

電解質膜２１０は、インピーダンスが大きい場合、イオンの移動抵抗が大きいと判断され、インピーダンスが小さい場合、イオンの移動抵抗が小さいと判断される。イオンの移動抵抗は、一対の触媒電極２１５，２１６に挟まれる電解質膜２１０内の水分量に応じて変化し、湿度が高い状態では低くなり、湿度が低い状態では高くなる。   When the impedance is high, the electrolyte membrane 210 is determined to have high ion movement resistance, and when the impedance is low, the ion movement resistance is determined to be low. The ion movement resistance changes in accordance with the amount of water in the electrolyte membrane 210 sandwiched between the pair of catalyst electrodes 215 and 216, and is low when the humidity is high and high when the humidity is low.

したがって、ＥＣＵ５は、電解質膜２１０のインピーダンスに基づき加湿器２の加湿状態を判定することができる。このため、電解質膜２１０の状態から直接的に加湿器２の加湿状態が判定されるので、その判定精度が向上する。   Therefore, the ECU 5 can determine the humidification state of the humidifier 2 based on the impedance of the electrolyte membrane 210. For this reason, since the humidification state of the humidifier 2 is determined directly from the state of the electrolyte membrane 210, the determination accuracy is improved.

次に、加湿器２の詳細な構成を説明する。   Next, a detailed configuration of the humidifier 2 will be described.

図２は、加湿器２の一例を示す構成図である。加湿器２は、ＥＣＵ５と電気的に接続された駆動部２２と、燃料電池１と同様の形態で積層された複数の単セルＵとを有する。単セルＵの積層体の両側は、エンドプレートを介してテンションプレートにより締結されている。   FIG. 2 is a configuration diagram illustrating an example of the humidifier 2. The humidifier 2 has a drive unit 22 electrically connected to the ECU 5 and a plurality of single cells U stacked in the same form as the fuel cell 1. Both sides of the stack of single cells U are fastened by tension plates via end plates.

駆動部２２は、交流電源２２０、電流センサ２２１、及び電圧センサ２２２を含む。交流電源２２０、電流センサ２２１、及び電圧センサ２２２は、それぞれ、ＥＣＵ５と電気的に接続されている。なお、駆動部２２は、加湿器２から独立した別装置として設けられてもよい。   The drive unit 22 includes an AC power supply 220, a current sensor 221, and a voltage sensor 222. AC power supply 220, current sensor 221, and voltage sensor 222 are each electrically connected to ECU 5. Note that the drive unit 22 may be provided as a separate device independent of the humidifier 2.

単セルＵは、互いに重ね合わせられたセパレータ２０及び樹脂フレーム２１を含む。セパレータ２０及び樹脂フレーム２１は、一例として矩形状の外形を有するが、これに限定されない。セパレータ２０と樹脂フレーム２１の間は、気密状態となるように、例えばガスケットや接着剤により封止（シール）されている。   The single cell U includes a separator 20 and a resin frame 21 that are overlapped with each other. The separator 20 and the resin frame 21 have a rectangular outer shape as an example, but are not limited thereto. The separator 20 and the resin frame 21 are sealed (sealed) with, for example, a gasket or an adhesive so as to be airtight.

セパレータ２０は、一端に流通孔２０３，２０４が設けられ、他端に流通孔２０１，２０２が設けられている。流通孔２０１〜２０４は、セパレータ２０をその厚み方向に貫通する。   The separator 20 has flow holes 203 and 204 at one end and flow holes 201 and 202 at the other end. The flow holes 201 to 204 penetrate the separator 20 in the thickness direction.

流通孔２０３は、酸化剤供給路９１と連通し、インタークーラ３から低湿度の酸化剤ガスが流れ込む。流通孔２０２は、酸化剤供給路９２と連通し、燃料電池１に供給される、加湿された酸化剤ガスが流れ込む。流通孔２０１は、酸化剤排出路９３と連通し、燃料電池１から水分を含む酸化剤オフガスが流れ込む。流通孔２０４は、酸化剤排出路９４と連通し、加湿に用いられた酸化剤オフガスが流れ込む。   The circulation hole 203 communicates with the oxidant supply passage 91, and low-humidity oxidant gas flows from the intercooler 3. The circulation hole 202 communicates with the oxidant supply path 92, and the humidified oxidant gas supplied to the fuel cell 1 flows into the circulation hole 202. The circulation hole 201 communicates with the oxidant discharge passage 93, and oxidant off-gas containing moisture flows from the fuel cell 1. The circulation hole 204 communicates with the oxidant discharge path 94, and the oxidant off-gas used for humidification flows.

また、セパレータ２０は、一方の面２０ｂに第１流路２００ｂが設けられ、他方の面２０ａに第２流路２００ａが設けられている。第１流路２００ｂは流通孔２０３，２０２に接続され、第２流路２００ａは流通孔２０１，２０４に接続されている。   The separator 20 has a first flow path 200b on one surface 20b and a second flow path 200a on the other surface 20a. The first flow path 200 b is connected to the flow holes 203 and 202, and the second flow path 200 a is connected to the flow holes 201 and 204.

このため、燃料電池１に供給される酸化剤ガスは、方向Ｄｉｎに従って、流通孔２０３から流れ込み、第１流路２００ｂを通って流通孔２０２に流れ込む。また、燃料電池１から排出された酸化剤オフガスは、方向Ｄｏｕｔに従って、流通孔２０１から流れ込み、第２流路２００ａを通って流通孔２０４に流れ込む。なお、第１流路２００ｂ及び第２流路２００ａの形状は、図示を省略するが、一例としてストレート状または蛇行状に延びる複数本の溝から構成される。   For this reason, the oxidant gas supplied to the fuel cell 1 flows from the flow hole 203 according to the direction Din, and flows into the flow hole 202 through the first flow path 200b. Further, the oxidant off-gas discharged from the fuel cell 1 flows from the circulation hole 201 according to the direction Dout, and flows into the circulation hole 204 through the second flow path 200a. In addition, although illustration is abbreviate | omitted in the shape of the 1st flow path 200b and the 2nd flow path 200a, it is comprised from the several groove | channel extended in straight shape or meandering shape as an example.

樹脂フレーム２１は、同一の単セルＵ内のセパレータ２０と、隣接する単セルＵ内のセパレータ２０との間に挟まれる。樹脂フレーム２１は、一端に流通孔２１３，２１４が設けられ、他端に流通孔２１１，２１２が設けられている。流通孔２１１〜２１４は、樹脂フレーム２１をその厚み方向に貫通する。   The resin frame 21 is sandwiched between the separator 20 in the same single cell U and the separator 20 in the adjacent single cell U. The resin frame 21 has flow holes 213 and 214 at one end and flow holes 211 and 212 at the other end. The flow holes 211 to 214 penetrate the resin frame 21 in the thickness direction.

流通孔２１１はセパレータ２０の流通孔２０１と重なり合う。重なり合った複数の流通孔２０１，２１１には、水分を含む酸化剤オフガスが単セルＵの積層方向に流通する。   The circulation hole 211 overlaps with the circulation hole 201 of the separator 20. Oxidant off-gas containing moisture flows in the stacking direction of the single cells U through the plurality of overlapping flow holes 201 and 211.

流通孔２１２はセパレータ２０の流通孔２０２と重なり合う。重なり合った複数の流通孔２０２，２１２には、加湿された酸化剤ガスが単セルＵの積層方向に流通する。   The circulation hole 212 overlaps with the circulation hole 202 of the separator 20. The humidified oxidant gas flows in the stacking direction of the single cells U through the plurality of overlapping flow holes 202 and 212.

流通孔２１３はセパレータ２０の流通孔２０３と重なり合う。重なり合った複数の流通孔２０３，２１３には、低湿度の酸化剤ガスが単セルＵの積層方向に流通する。   The circulation hole 213 overlaps with the circulation hole 203 of the separator 20. A low-humidity oxidant gas flows in the stacking direction of the single cells U through the plurality of overlapping flow holes 203 and 213.

流通孔２１４はセパレータ２０の流通孔２０４と重なり合う。重なり合った複数の流通孔２０４，２１４には、加湿に用いられた酸化剤オフガスが単セルＵの積層方向に流通する。   The circulation hole 214 overlaps with the circulation hole 204 of the separator 20. The oxidant off-gas used for humidification flows in the stacking direction of the single cells U through the plurality of overlapping flow holes 204 and 214.

また、樹脂フレーム２１の中央には、矩形の電解質膜２１０が接合されている。電解質膜２１０は、一方の面２１０ｂがセパレータ２０の面２０ｂに対向し、他方の面２１０ａがセパレータ２０の面２０ａに対向する。このため、電解質膜２１０は、面２０ｂ内の第１流路２００ｂと面２０ａ内の第２流路２００ａを隔てる。なお、電解質膜２１０の各面２１０ａ，２１０ｂには、水蒸気を拡散させるガス拡散層が設けられてもよい。   A rectangular electrolyte membrane 210 is joined to the center of the resin frame 21. The electrolyte membrane 210 has one surface 210 b facing the surface 20 b of the separator 20 and the other surface 210 a facing the surface 20 a of the separator 20. For this reason, the electrolyte membrane 210 separates the first flow path 200b in the surface 20b and the second flow path 200a in the surface 20a. A gas diffusion layer for diffusing water vapor may be provided on each surface 210a, 210b of the electrolyte membrane 210.

上述したように、第２流路２００ａを流れる酸化剤オフガス中の水分の一部は、符号Ｐで示されるように、水蒸気の圧力差により電解質膜２１０を通って第１流路２００ｂに移動する。これにより、第１流路２００ｂを流れる低湿度の酸化剤ガスに水分が与えられるため、燃料電池１に供給される酸化剤ガスが加湿される。   As described above, a part of the moisture in the oxidant off-gas flowing through the second flow path 200a moves to the first flow path 200b through the electrolyte membrane 210 due to the water vapor pressure difference, as indicated by the reference symbol P. . Accordingly, moisture is given to the low-humidity oxidant gas flowing through the first flow path 200b, so that the oxidant gas supplied to the fuel cell 1 is humidified.

また、電解質膜２１０の各面２１０ｂ，２１０ａの一部には、一対の触媒電極２１５，２１６が設けられている。触媒電極２１５，２１６は、セパレータ２０内の不図示の電気配線を介して交流電源２２０の各端子にそれぞれ電気的に接続されている。交流電源２２０は、ＥＣＵ５の制御に従いオンオフされる。これにより、ＥＣＵ５は、一対の触媒電極２１５，２１６に交流電圧を印加する。   A pair of catalyst electrodes 215 and 216 are provided on a part of each surface 210b and 210a of the electrolyte membrane 210. The catalyst electrodes 215 and 216 are electrically connected to the respective terminals of the AC power supply 220 via electric wiring (not shown) in the separator 20. The AC power supply 220 is turned on / off under the control of the ECU 5. Thereby, the ECU 5 applies an AC voltage to the pair of catalyst electrodes 215 and 216.

また、電流センサ２２１は、交流電源２２０に対して直列に接続され、電解質膜２１０を流れる電流を検出する。電圧センサ２２２は、交流電源２２０に対して並列に接続され、一対の触媒電極２１５，２１６の間の電圧を検出する。   The current sensor 221 is connected in series to the AC power supply 220 and detects a current flowing through the electrolyte membrane 210. The voltage sensor 222 is connected in parallel to the AC power source 220 and detects the voltage between the pair of catalyst electrodes 215 and 216.

ＥＣＵ５は、電流センサ２２１が検出した電流値と、電圧センサ２２２が検出した電圧値とを取得することにより電解質膜２１０の電流−電圧特性を算出し、その特性に基づいてインピーダンスを測定する。このとき、一対の触媒電極２１５，２１６には交流電圧を印加されるため、直流電圧を印加する場合と比較すると、ＥＣＵ５は、電解質膜２１０を移動可能なイオン数が少ない場合でも、例えば交流インピーダンス法を用いることによりインピーダンスを高精度に測定することができる。そして、ＥＣＵ５は、上述したように、インピーダンスから加湿器２の加湿状態を判定する。   The ECU 5 calculates the current-voltage characteristic of the electrolyte membrane 210 by acquiring the current value detected by the current sensor 221 and the voltage value detected by the voltage sensor 222, and measures the impedance based on the characteristic. At this time, since an alternating voltage is applied to the pair of catalyst electrodes 215 and 216, the ECU 5 can compare, for example, an alternating current impedance even when the number of ions that can move through the electrolyte membrane 210 is small compared to the case where a direct voltage is applied. By using the method, impedance can be measured with high accuracy. Then, as described above, the ECU 5 determines the humidification state of the humidifier 2 from the impedance.

一対の触媒電極２１５，２１６は、加湿器２内の加湿状態を判定すべき任意の位置に形成することができる。加湿状態を判定すべき位置は限定されないが、例えば、加湿器２の加湿効率を向上するため、電解質膜２１０の最も乾燥しやすい部位に設けられると好ましい。   The pair of catalyst electrodes 215 and 216 can be formed at any position where the humidification state in the humidifier 2 should be determined. Although the position where the humidified state should be determined is not limited, for example, in order to improve the humidification efficiency of the humidifier 2, it is preferable that the humidified state is provided at a position where the electrolyte membrane 210 is most easily dried.

電解質膜２１０は、第１流路２００ｂの上流部または第２流路２００ａの下流部が乾燥しやすい。ここで、第１流路２００ｂの上流部とは、第１流路２００ｂを酸化剤ガスの流通方向において入口から出口までの間を複数の領域に分割したときの入口に最も近い領域であり、例えば３等分や５等分したときの最も入口に近い領域である。これと同様に、第２流路２００ａの下流部とは、第２流路２００ａを燃料ガスの流通方向において入口から出口までの間を複数の領域に分割したときの入口に最も近い領域であり、例えば３等分や５等分したときの最も入口に近い領域である。   In the electrolyte membrane 210, the upstream part of the first channel 200b or the downstream part of the second channel 200a is easily dried. Here, the upstream portion of the first flow path 200b is an area closest to the inlet when the first flow path 200b is divided into a plurality of areas from the inlet to the outlet in the flow direction of the oxidant gas. For example, it is an area closest to the entrance when it is divided into three equal parts or five equal parts. Similarly, the downstream portion of the second flow path 200a is an area closest to the inlet when the second flow path 200a is divided into a plurality of areas from the inlet to the outlet in the fuel gas flow direction. For example, it is an area closest to the entrance when it is divided into three equal parts or five equal parts.

本実施例において、第１流路２００ｂと第２流路２００ａの各流通方向は、電解質膜２１０を介して対向する対向流の関係にあるため、第１流路２００ｂの上流部と第２流路２００ａの下流部は、電解質膜２１０を介して対向する位置にある。   In the present embodiment, each flow direction of the first flow path 200b and the second flow path 200a is in a counterflow relationship facing each other through the electrolyte membrane 210, and thus the upstream portion of the first flow path 200b and the second flow The downstream part of the path 200 a is at a position facing the electrolyte membrane 210.

このため、一方の触媒電極２１５は、電解質膜２１０の面２１０ｂにおいて、第１流路２００ｂの上流部かつ第２流路２００ａの下流部に対向する領域である流通孔２０３側に設けられる。また、他方の触媒電極２１６は、電解質膜２１０の面２１０ａにおいて、第１流路２００ｂの上流部かつ第２流路２００ａの下流部に対向する領域である流通孔２０４側に設けられている。なお、一対の触媒電極２１５，２１６は、電解質膜２１０を挟んで対向するため、電解質膜２１０を平面視した場合、同一の位置に設けられている。   For this reason, one catalyst electrode 215 is provided on the surface 210b of the electrolyte membrane 210 on the flow hole 203 side, which is an area facing the upstream portion of the first flow path 200b and the downstream portion of the second flow path 200a. The other catalyst electrode 216 is provided on the surface 210a of the electrolyte membrane 210 on the side of the flow hole 204, which is a region facing the upstream portion of the first flow path 200b and the downstream portion of the second flow path 200a. Since the pair of catalyst electrodes 215 and 216 are opposed to each other with the electrolyte membrane 210 interposed therebetween, they are provided at the same position when the electrolyte membrane 210 is viewed in plan view.

このような位置に一対の触媒電極２１５，２１６が設けられている場合、ＥＣＵ５は、加湿状態が悪いと判定したとき、電解質膜２１０の該当部位の湿度が増加するように燃料電池１を制御することにより加湿器２の加湿効率を改善することができる。このとき、ＥＣＵ５は、例えば、燃料電池１の冷却水の循環量やラジエータのファンの回転数を増加させることにより燃料電池１の運転温度を低下させて、酸化剤オフガスの飽和水蒸気量を低下させてもよい。さらに、ＥＣＵ５は、酸化剤オフガスとともに加湿器２から外部に排出される水蒸気量が減少するように燃料電池１に供給される酸化剤ガスの量を減少させて、第１流路２００ｂと第２流路２００ａの間の水蒸気圧の差を増加させてもよい。   When the pair of catalyst electrodes 215 and 216 are provided at such positions, the ECU 5 controls the fuel cell 1 so that the humidity of the corresponding part of the electrolyte membrane 210 increases when it is determined that the humidified state is bad. Thereby, the humidification efficiency of the humidifier 2 can be improved. At this time, for example, the ECU 5 decreases the operating temperature of the fuel cell 1 by increasing the circulation amount of the cooling water of the fuel cell 1 or the rotation speed of the fan of the radiator, thereby decreasing the saturated water vapor amount of the oxidant off-gas. May be. Further, the ECU 5 reduces the amount of the oxidant gas supplied to the fuel cell 1 so that the amount of water vapor discharged from the humidifier 2 to the outside together with the oxidant off-gas is reduced, and the first flow path 200b and the second flow path 200b. The difference in water vapor pressure between the flow paths 200a may be increased.

上記の実施例では第１流路２００ｂと第２流路２００ａの各流通方向が対向流の関係にある場合を挙げたが、第１流路２００ｂと第２流路２００ａの各流通方向が電解質膜２１０を介して略同一であって並行流の関係にある場合、第１流路２００ｂの上流部かつ第２流路２００ａの下流部の各位置は、電解質膜２１０を平面視したときに同一とはならない。この場合、触媒電極２１５，２１６は、第１流路２００ｂの上流部または第２流路２００ａの下流部において電解質膜２１０の各面に設けられてもよい。   In the above-described embodiment, the case where the flow directions of the first flow path 200b and the second flow path 200a are in a counterflow relationship has been described. However, the flow directions of the first flow path 200b and the second flow path 200a are electrolytes. When the membrane 210 is substantially the same and has a parallel flow relationship, the positions of the upstream portion of the first channel 200b and the downstream portion of the second channel 200a are the same when the electrolyte membrane 210 is viewed in plan. It will not be. In this case, the catalyst electrodes 215 and 216 may be provided on each surface of the electrolyte membrane 210 in the upstream part of the first channel 200b or the downstream part of the second channel 200a.

また、触媒電極２１５，２１６は、電解質膜２１０において、第１流路２００ｂの上流部に対向する領域の全体に形成される必要がなく、第２流路２００ａの下流部に対向する領域の全体に形成される必要もない。したがって、触媒電極２１５，２１６は、第１流路２００ｂの上流部に対向する領域の一部、または第２流路２００ａの下流部に対向する領域の一部に形成されてもよい。   Further, the catalyst electrodes 215 and 216 do not have to be formed in the entire region facing the upstream portion of the first flow path 200b in the electrolyte membrane 210, and the entire region facing the downstream portion of the second flow path 200a. It is not necessary to be formed. Therefore, the catalyst electrodes 215 and 216 may be formed in a part of a region facing the upstream part of the first flow path 200b or a part of a region facing the downstream part of the second flow path 200a.

上述したように、加湿器２は、第１流路２００ｂ及び第２流路２００ａを有する一組のセパレータ２０と、一対の触媒電極２１５，２１６に挟まれた電解質膜２１０とを含み、このような構成は燃料電池１の構成に類似する。したがって、上記のような加湿状態の判定手段を構成することは容易である。   As described above, the humidifier 2 includes the pair of separators 20 having the first flow path 200b and the second flow path 200a, and the electrolyte membrane 210 sandwiched between the pair of catalyst electrodes 215 and 216. The configuration is similar to the configuration of the fuel cell 1. Therefore, it is easy to configure the humidifying state determination means as described above.

また、ＥＣＵ５は、電解質膜２１０のインピーダンスから加湿器２の加湿状態を判定するため、電解質膜２１０内の水分の湿潤状態に基づく効果的な加湿性能の判定が可能である。これに対し、例えば加湿器２内の酸化剤ガスまたは酸化剤オフガスの湿度を検出することにより判定を行う場合、外気や燃料電池１内の温度や湿度などの影響があるため、効果的な判定を行うことは難しい。   Further, since the ECU 5 determines the humidification state of the humidifier 2 from the impedance of the electrolyte membrane 210, it is possible to determine effective humidification performance based on the moisture state of the moisture in the electrolyte membrane 210. On the other hand, for example, when the determination is performed by detecting the humidity of the oxidant gas or the oxidant off-gas in the humidifier 2, the determination is effective because of the influence of the outside air, the temperature and humidity in the fuel cell 1, and the like. Is difficult to do.

上述した実施形態は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。   The above-described embodiment is an example of a preferred embodiment of the present invention. However, the present invention is not limited to this, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

１ 燃料電池
２ 加湿器
５ ＥＣＵ（判定部）
９０〜９２ 酸化剤供給路（供給路）
９３，９４ 酸化剤排出路（排出路）
２００ｂ 第１流路
２００ａ 第２流路
２１０ 電解質膜
２１５，２１６ 触媒電極
２２０ 交流電源 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell 2 Humidifier 5 ECU (determination part)
90-92 Oxidant supply path (supply path)
93,94 Oxidant discharge path (discharge path)
200b 1st flow path 200a 2nd flow path 210 Electrolyte membrane 215,216 Catalyst electrode 220 AC power supply

Claims (1)

反応ガスが供給されることにより発電する燃料電池と、
前記反応ガスを前記燃料電池に供給するための供給路と、
前記燃料電池から前記反応ガスを排出するための排出路と、
前記燃料電池に供給される前記反応ガスを、前記燃料電池から排出された前記反応ガスに含まれる水分により加湿する加湿器と、
前記加湿器内の加湿状態を判定する判定部とを有し、
前記加湿器は、前記供給路に接続された第１流路と、前記排出路に接続された第２流路と、前記第１流路と前記第２流路を隔てる電解質膜と、前記電解質膜の前記第１流路側及び前記第２流路側の各面の少なくとも一部に設けられた一対の触媒電極とを有し、
前記判定部は、前記一対の触媒電極に交流電圧を印加することにより前記電解質膜のインピーダンスを測定し、前記インピーダンスに基づき前記加湿状態を判定することを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell that generates electricity by being supplied with a reaction gas; and
A supply path for supplying the reaction gas to the fuel cell;
A discharge path for discharging the reaction gas from the fuel cell;
A humidifier for humidifying the reaction gas supplied to the fuel cell with moisture contained in the reaction gas discharged from the fuel cell;
A determination unit for determining a humidified state in the humidifier,
The humidifier includes a first flow path connected to the supply path, a second flow path connected to the discharge path, an electrolyte membrane separating the first flow path and the second flow path, and the electrolyte. A pair of catalyst electrodes provided on at least a part of each surface of the membrane on the first flow path side and the second flow path side;
The determination unit measures an impedance of the electrolyte membrane by applying an alternating voltage to the pair of catalyst electrodes, and determines the humidified state based on the impedance.
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