JP2019040819A - Fuel cell system - Google Patents

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Abstract

To provide a fuel cell system capable of precisely determining presence of an air bubble in the cooling water flow path of a fuel cell stack, where unit cells are placed in such a posture that the lamination direction is substantially vertical direction.SOLUTION: In a fuel cell system 1, out of multiple single cells 10-1 through 10-n of a fuel cell stack 10, a second cell 10-4 located anywhere between a first cell 10-1 placed on the vertically uppermost side and 1/10-th of the total number of the multiple single cells is provided with a first detector V1, and a second detector V2 is provided at a part other than the second cell 10-4. Any one of the output voltage, temperature and impedance is detected, any one of a representative voltage, a representative temperature and a representative impedance is acquired based on the detection results from the second detector V2, and then presence of an air bubble in the cooling water flow path is determined based on the comparison results of the detection results from the first detector V1 and the representative value.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.

複数の単セルが積層された燃料電池スタックが知られている。このような燃料電池スタックには冷却水流路が形成されており、冷却水流路内に気泡が存在していると、燃料電池スタックへの冷却効率が低下する。ここで、気泡周辺の単セルは、気泡の存在により十分に冷却されずに温度が上昇して、出力電圧が低下する場合がある。このような気泡周辺の単セルの出力電圧の低下に基づいて、燃料電池スタックの冷却水流路内での気泡の有無を判定することが考えられる。   A fuel cell stack in which a plurality of single cells are stacked is known. In such a fuel cell stack, a cooling water flow path is formed, and if bubbles exist in the cooling water flow path, the cooling efficiency to the fuel cell stack decreases. Here, the single cell around the bubble may not be sufficiently cooled due to the presence of the bubble, and the temperature may increase and the output voltage may decrease. It can be considered that the presence or absence of bubbles in the cooling water flow path of the fuel cell stack is determined based on such a decrease in the output voltage of the single cells around the bubbles.

気泡の存在により出力電圧が低下するセルは常に同一ではなないため、全ての単セル毎に電圧センサを設けて、単セル毎の出力電圧を検出することが考えられる。しかしながらこの場合、単セルと同数の電圧センサが必要となり、構成が複雑化する。特許文献1には、複数の単セルのうち積層方向の端部に配置された単セルを電圧センサによって検出し、積層方向の中央部近傍に配置された残りの複数の単セルの全体の出力電圧を単一の電圧センサにより検出することが記載されている。これにより、電圧センサの数を削減でき構成を簡易化できるが、気泡が積層方向の中央部近傍にある単セル周辺に存在している場合には、中央部近傍の複数の単セルの全体の出力電圧は大きく低下せずに、気泡の有無の判定精度が低下する可能性がある。   Since the cells in which the output voltage decreases due to the presence of bubbles are not always the same, it is conceivable to provide a voltage sensor for every single cell and detect the output voltage for each single cell. However, in this case, the same number of voltage sensors as single cells are required, and the configuration becomes complicated. In Patent Document 1, a single cell arranged at an end portion in a stacking direction among a plurality of single cells is detected by a voltage sensor, and an entire output of the remaining plurality of single cells arranged in the vicinity of the central portion in the stacking direction is disclosed. It is described that the voltage is detected by a single voltage sensor. As a result, the number of voltage sensors can be reduced and the configuration can be simplified, but when bubbles are present around the single cell near the center in the stacking direction, the entire plurality of single cells near the center There is a possibility that the accuracy of determining the presence / absence of air bubbles may be reduced without greatly reducing the output voltage.

特開2005−285692号公報JP 2005-285692 A

ところで燃料電池スタックは、単セルの積層方向が略鉛直方向に沿った姿勢で配置される場合がある。このような姿勢で配置された場合においても、燃料電池スタックの冷却水流路内での気泡の有無を簡易な構成で精度よく判定できることが望まれる。   By the way, a fuel cell stack may be arrange | positioned with the attitude | position in which the lamination direction of the single cell followed the substantially perpendicular direction. Even when arranged in such a posture, it is desired that the presence or absence of bubbles in the cooling water flow path of the fuel cell stack can be accurately determined with a simple configuration.

本発明は、複数の単セルの積層方向が略鉛直方向に沿うような姿勢で配置された燃料電池スタックの冷却水流路内での気泡の有無を簡易な構成で精度よく判定できる燃料電池システムを提供することを目的とする。   The present invention provides a fuel cell system capable of accurately determining the presence or absence of bubbles in a cooling water flow path of a fuel cell stack arranged in a posture in which the stacking direction of a plurality of single cells is substantially along the vertical direction. The purpose is to provide.

上記目的は、複数の単セルが積層された方向が略鉛直方向に沿った姿勢で配置された燃料電池スタックと、少なくとも一部が複数の前記単セルを貫通するように前記燃料電池スタックに形成された冷却水流路と、複数の前記単セルのうち最も鉛直上方側に配置された第1セルから複数の前記単セルの総数の10分の1枚目までの間の何れかにある第2セルの出力電圧、温度、及びインピーダンスの何れかを検出する第1検出部と、前記複数の単セルの前記第2セル以外の部位で出力電圧、温度、及びインピーダンスの何れかを検出する第2検出部と、前記第2検出部の検出結果に基づいて代表出力電圧、代表温度、及び代表インピーダンスの何れかを取得する取得部と、前記燃料電池スタックの冷却水流路内での気泡の有無を判定する判定部と、を備え、前記判定部は、検出された前記第2セルの出力電圧と前記代表出力電圧との差分が第1閾値よりも大きい、検出された前記第2セルの温度と前記代表温度との差分が第2閾値よりも大きい、検出された前記第2セルのインピーダンスと前記代表インピーダンスとの差分が第3閾値よりも大きい、の何れかを充足する場合に前記冷却水流路内に気泡が有ると判定する、燃料電池システムによって達成できる。   The object is to form a fuel cell stack in which a direction in which a plurality of single cells are stacked is arranged in a substantially vertical direction, and at least a part of the fuel cell stack so as to penetrate the plurality of single cells. The cooling water flow path and the second one between the first cell arranged on the most vertically upper side of the plurality of single cells and the tenth sheet of the total number of the plurality of single cells. A first detector that detects any one of the output voltage, temperature, and impedance of the cell; and a second detector that detects any of the output voltage, temperature, and impedance at a portion other than the second cell of the plurality of single cells. A detection unit; an acquisition unit that acquires any one of a representative output voltage, a representative temperature, and a representative impedance based on a detection result of the second detection unit; and presence / absence of bubbles in the cooling water flow path of the fuel cell stack. Judgment part to judge The determination unit includes a difference between the detected output voltage of the second cell and the representative output voltage that is greater than a first threshold, and the detected temperature of the second cell and the representative temperature. If the difference is larger than the second threshold or the difference between the detected impedance of the second cell and the representative impedance is larger than the third threshold, there is a bubble in the cooling water flow path. Can be achieved by the fuel cell system.

本発明によれば、複数の単セルの積層方向が略鉛直方向に沿うような姿勢で配置された燃料電池スタックの冷却水流路内での気泡の有無を簡易な構成で精度よく判定できる燃料電池システムを提供できる。   According to the present invention, a fuel cell capable of accurately determining the presence or absence of bubbles in a cooling water flow path of a fuel cell stack arranged in a posture in which the stacking direction of a plurality of single cells is substantially along the vertical direction. Can provide a system.

図1Aは、燃料電池システムの概略図であり、図1Bは、燃料電池スタックの冷却水流路内に気泡が存在している場合での各単セルの出力電圧を示したグラフである。FIG. 1A is a schematic diagram of a fuel cell system, and FIG. 1B is a graph showing the output voltage of each single cell when bubbles are present in the cooling water flow path of the fuel cell stack. 図2A及び図2Bは、燃料電池スタックの冷却水流路内に気泡が存在している場合での各単セルの温度及びインピーダンスをそれぞれ示したグラフである。2A and 2B are graphs showing the temperature and impedance of each single cell when bubbles exist in the cooling water flow path of the fuel cell stack.

図1Aは、燃料電池システム(以下、システムと称する)1の概略図である。システム1は、たとえば、車両に搭載される。システム1は、燃料電池スタック(以下、スタックと称する)10、冷却系20、電圧センサV1及びV2、制御装置50等を備える。制御装置50は、CPU、ROM、RAM等を備えたコンピュータであり、後述する各機器と電気的に接続され、システム1全体を制御する。尚、システム1は、スタック10にアノードガスである水素ガスを供給する不図示の水素ガス供給系、スタック10にカソードガスである酸素を含む空気を供給する不図示の空気供給系、及びスタック10の発電電力を制御する不図示の電力制御系を含む。   FIG. 1A is a schematic diagram of a fuel cell system (hereinafter referred to as a system) 1. The system 1 is mounted on a vehicle, for example. The system 1 includes a fuel cell stack (hereinafter referred to as a stack) 10, a cooling system 20, voltage sensors V1 and V2, a control device 50, and the like. The control device 50 is a computer including a CPU, a ROM, a RAM, and the like, and is electrically connected to each device described later, and controls the entire system 1. The system 1 includes a hydrogen gas supply system (not shown) that supplies hydrogen gas as an anode gas to the stack 10, an air supply system (not shown) that supplies air containing oxygen as a cathode gas to the stack 10, and the stack 10 A power control system (not shown) for controlling the generated power is included.

スタック10では、複数の単セル10−1、10−2…10−nが積層されており、これらの単セルの積層された方向が略鉛直方向に沿う姿勢で配置されている。これらの単セルはn枚積層されている。単セル10−1は、これら複数の単セルのうち最も鉛直上方側に位置している。単セル10―nは、これら複数の単セルのうち最も鉛直下方側に位置している。各単セルは、膜電極ガス拡散層接合体(MEGA)、MEGAを支持する絶縁部材、及びMEGAと絶縁部材を挟持する一対のセパレータを有している。MEGAは、電解質膜と、電解質膜の両面にそれぞれ形成された触媒層と、触媒層にそれぞれ接合された一対のガス拡散層とを有している。尚、図示はしていないが、これらの複数の単セルを挟持するように、一対の集電板、一対の絶縁板、及び一対のエンドプレートが配置されている。また、スタック10には冷却水流路が形成されている。   In the stack 10, a plurality of single cells 10-1, 10-2 to 10-n are stacked, and the stacked direction of these single cells is arranged in a posture along a substantially vertical direction. N single cells are stacked. The single cell 10-1 is located on the uppermost vertical side among the plurality of single cells. The single cell 10-n is located on the lowest vertical side among the plurality of single cells. Each single cell has a membrane electrode gas diffusion layer assembly (MEGA), an insulating member that supports the MEGA, and a pair of separators that sandwich the MEGA and the insulating member. The MEGA has an electrolyte membrane, a catalyst layer formed on each side of the electrolyte membrane, and a pair of gas diffusion layers respectively joined to the catalyst layer. Although not shown, a pair of current collecting plates, a pair of insulating plates, and a pair of end plates are arranged so as to sandwich the plurality of single cells. A cooling water flow path is formed in the stack 10.

冷却系20は、冷却水を所定の経路を経て循環させることにより、スタック10を冷却するものである。冷却水は循環ポンプ22により循環経路21を流通し、ラジエータ24で熱交換されて冷却されて、スタック10に供給される。循環ポンプ22は、制御装置50に電気的に接続されて制御されている。   The cooling system 20 cools the stack 10 by circulating cooling water through a predetermined path. The cooling water flows through the circulation path 21 by the circulation pump 22, is heat-exchanged by the radiator 24, is cooled, and is supplied to the stack 10. The circulation pump 22 is electrically connected to the control device 50 and controlled.

スタック10の内部には、冷却水供給マニホールド12及び冷却水排出マニホールド14(以下、共にマニホールドと称する)が形成されており、マニホールド12及び14は共に、複数の単セルを貫通して形成されている。マニホールド12及び14は循環経路21に連通している。冷却水は、循環経路21からマニホールド12に供給され、マニホールド12から隣接する単セルのセパレータの間を通過してマニホールド14へと流れる。これにより複数の単セルは冷却される。マニホールド12及び14は、単セル10―n側に配置されている集電板、絶縁板、及びエンドプレートを貫通して形成されている。尚、本明細書では、マニホールド12及び14と隣接する単セル間に形成された流路とを全て含めて、スタック10の冷却水流路と称する。   A cooling water supply manifold 12 and a cooling water discharge manifold 14 (hereinafter both referred to as a manifold) are formed inside the stack 10, and both the manifolds 12 and 14 are formed through a plurality of single cells. Yes. The manifolds 12 and 14 communicate with the circulation path 21. The cooling water is supplied to the manifold 12 from the circulation path 21, passes through between the separators of adjacent single cells from the manifold 12, and flows to the manifold 14. As a result, the plurality of single cells are cooled. The manifolds 12 and 14 are formed so as to penetrate the current collector plate, the insulating plate, and the end plate arranged on the single cell 10-n side. In this specification, all the flow paths formed between the manifolds 12 and 14 and the adjacent single cells are referred to as a cooling water flow path of the stack 10.

電圧センサV1及びV2は、制御装置50に電気的に接続されており、それぞれ異なる単セルの出力電圧を検出する。具体的には、電圧センサV1は単セル10−4の出力電圧を検出し、電圧センサV2は、積層方向で中央に配置された単セルである単セル10−(n/2)の電圧を検出する。制御装置50は、電圧センサV1及びV2により検出された出力電圧に基づいて、スタック10の冷却水流路内での気泡の有無について判定する気泡判定制御を実行する。気泡判定制御は、制御装置50のCPU、ROM、RAM等により機能的に実現される取得部及び判定部により実行される。   The voltage sensors V1 and V2 are electrically connected to the control device 50 and detect output voltages of different single cells. Specifically, the voltage sensor V1 detects the output voltage of the single cell 10-4, and the voltage sensor V2 detects the voltage of the single cell 10- (n / 2) that is a single cell arranged in the center in the stacking direction. To detect. The control device 50 executes bubble determination control for determining the presence or absence of bubbles in the cooling water flow path of the stack 10 based on the output voltages detected by the voltage sensors V1 and V2. The bubble determination control is executed by an acquisition unit and a determination unit that are functionally realized by the CPU, ROM, RAM, and the like of the control device 50.

次に、スタック10の冷却水流路内に気泡が存在している場合での各単セルの出力電圧の特性について説明する。図1Bは、スタック10の冷却水流路内に気泡が存在している場合での各単セルの出力電圧を示したグラフである。図1Bにおいて、縦軸は出力電圧を示し、横軸は各単セルを示しており、横軸の左側から右側にかけて鉛直上方側から順に単セルを示している。従って、横軸の最も左側の単セルが、最も鉛直上方側に位置する単セル10−1である。また、図1Bには、単セルの総数がnである場合に、鉛直上方側からの単セルの枚数がn/10枚目に相当する単セル10−(n/10)の位置を示している。図1Bは、単セル10―4の出力電圧が最も低い場合を示している。   Next, the characteristics of the output voltage of each single cell when bubbles are present in the cooling water flow path of the stack 10 will be described. FIG. 1B is a graph showing the output voltage of each single cell when bubbles are present in the cooling water flow path of the stack 10. In FIG. 1B, the vertical axis represents the output voltage, the horizontal axis represents each single cell, and the single cells are shown in order from the vertical upper side from the left side to the right side of the horizontal axis. Therefore, the leftmost single cell on the horizontal axis is the single cell 10-1 located on the uppermost vertical side. FIG. 1B shows the position of the single cell 10- (n / 10) corresponding to the n / 10th number of single cells from the vertically upper side when the total number of single cells is n. Yes. FIG. 1B shows a case where the output voltage of the single cell 10-4 is the lowest.

スタック10の冷却水流路内に気泡が混入すると、気泡は鉛直上方側に浮上して、最も鉛直上方側に位置する単セル10−1付近に滞留する。具体的には、気泡の大きさや量にもよるが、マニホールド12又は14内の単セル10−1〜10―4の近傍や、単セル10−1〜10−4の各単セル間に気泡が滞留する。気泡の存在により気泡周辺の単セルが十分に冷却されずに、気泡周辺の単セルの温度はそれ以外の単セルの温度と比較して上昇する。このため、気泡周辺の単セルの電解質膜は、それ以外の単セルの電解質膜と比較して乾燥が進行する。これにより、気泡周辺の単セルの出力電圧はそれ以外の単セルの出力電圧よりも低下する。ここで、図1Bに示すように、最も鉛直上方側に位置する単セル10−1の出力電圧が最も低いのではなく、それよりも下方側にある単セル10−4の出力電圧が最も低くなっている。この理由は、単セル10−1は、スタック10の最も外側に位置しているため、スタック10の外部に放熱されて冷却されやすく、これに伴って単セル10−1に隣接した単セル10−2や単セル10―2に隣接した単セル10−3も冷却されやすいからと考えられる。尚、単セル10−4以降の単セルの出力電圧が回復している理由は、単セル10−4以降の単セル周辺には気泡が存在しておらず、冷却水による放熱効果が徐々に増大しているからと考えられる。本実施例では、冷却水流路内に気泡が存在している場合に最も出力電圧が低下しやすい単セルとして、単セル10−4が選定されており、上述したように電圧センサV1はこの単セル10−4の出力電圧を検出する。また、冷却水流路内に気泡が存在する場合であっても出力電圧が略変化しない単セルとして、単セル10−(n/2)が選定されており、上述したように電圧センサV2はこの単セル10−(n/2)の出力電圧を検出する。尚、このような気泡周辺の単セルの電解質膜の乾燥は、時間が経過するほど進行するため、気泡周辺の単セルの出力電圧は時間が経過するほど低下すると考えられる。   When bubbles are mixed into the cooling water flow path of the stack 10, the bubbles rise to the vertically upper side and stay in the vicinity of the single cell 10-1 located on the most vertically upper side. Specifically, although it depends on the size and amount of the bubbles, the bubbles in the vicinity of the single cells 10-1 to 10-4 in the manifold 12 or 14 or between the single cells 10-1 to 10-4. Stays. Due to the presence of the bubbles, the single cells around the bubbles are not sufficiently cooled, and the temperature of the single cells around the bubbles rises as compared with the temperatures of the other single cells. For this reason, drying progresses in the electrolyte membrane of the single cell around the bubbles as compared with the electrolyte membranes of the other single cells. As a result, the output voltage of the single cell around the bubble is lower than the output voltage of the other single cells. Here, as shown in FIG. 1B, the output voltage of the single cell 10-1 positioned on the uppermost vertical side is not the lowest, but the output voltage of the single cell 10-4 on the lower side is the lowest. It has become. The reason for this is that the single cell 10-1 is located on the outermost side of the stack 10, so that it is easily radiated to the outside of the stack 10 and cooled, and accordingly, the single cell 10 adjacent to the single cell 10-1. -2 and the single cell 10-3 adjacent to the single cell 10-2 are considered to be easily cooled. The reason why the output voltage of the single cells after the single cell 10-4 is recovered is that there are no bubbles around the single cells after the single cell 10-4, and the heat radiation effect by the cooling water gradually increases. This is thought to be increasing. In this embodiment, the single cell 10-4 is selected as the single cell whose output voltage is most likely to drop when bubbles are present in the cooling water flow path. As described above, the voltage sensor V1 is the single cell. The output voltage of the cell 10-4 is detected. Further, the single cell 10- (n / 2) is selected as a single cell whose output voltage does not substantially change even when bubbles are present in the cooling water flow path. As described above, the voltage sensor V2 The output voltage of the single cell 10- (n / 2) is detected. In addition, since the drying of the electrolyte membrane of the single cell around the bubble proceeds as time passes, it is considered that the output voltage of the single cell around the bubble decreases as time passes.

制御装置50は、電圧センサV1及びV2の検出結果に基づいてスタック10の冷却水流路内での気泡の有無について精度よく判定する。具体的には、以下のようにして判定する。最初に、電圧センサV2の検出結果に基づいて代表出力電圧が取得される。ここで電圧センサV2により検出された単セル10−(n/2)の出力電圧が、代表出力電圧として取得される。次に、検出された単セル10−4の出力電圧と代表電圧との差分が第1閾値よりも大きいか否かが判定される。否定判定の場合には、スタック10の冷却水流路内に気泡は存在していないものとして本制御は終了する。肯定判定の場合には、スタック10の冷却水流路内に気泡が存在していると判定される。   The control device 50 accurately determines the presence or absence of bubbles in the cooling water flow path of the stack 10 based on the detection results of the voltage sensors V1 and V2. Specifically, the determination is performed as follows. First, the representative output voltage is acquired based on the detection result of the voltage sensor V2. Here, the output voltage of the single cell 10- (n / 2) detected by the voltage sensor V2 is acquired as the representative output voltage. Next, it is determined whether or not the difference between the detected output voltage of the single cell 10-4 and the representative voltage is greater than the first threshold value. In the case of negative determination, this control is terminated on the assumption that bubbles do not exist in the cooling water flow path of the stack 10. In the case of an affirmative determination, it is determined that bubbles are present in the cooling water flow path of the stack 10.

図1Bの例では、単セル10−4の出力電圧と単セル10−(n/2)の出力電圧との差分が第1閾値よりも大きいとして、スタック10の冷却水流路内に気泡が存在していると判定される。単セル10−1は、最も鉛直上方側に配置された第1セルの一例である。単セル10−4は、複数の単セル10−1〜10−nのうち最も鉛直上方側に配置された単セル10−1から複数の単セル10−1〜10−nの総数の10分の1枚目までの間の何れかにある第2セルの一例である。電圧センサV1は、単セル10−4の出力電圧、温度、及びインピーダンスの何れかを検出する第1検出部の一例である。電圧センサV2は、複数の単セル10−1〜10−nの単セル10−4以外の部位で出力電圧、温度、及びインピーダンスの何れかを検出する第2検出部の一例である。このように2つの電圧センサV1及びV2により、スタック10の冷却水流路内での気泡の有無を簡易な構成で精度よく判定できる。   In the example of FIG. 1B, assuming that the difference between the output voltage of the single cell 10-4 and the output voltage of the single cell 10- (n / 2) is larger than the first threshold, bubbles exist in the cooling water flow path of the stack 10. It is determined that The single cell 10-1 is an example of a first cell arranged on the uppermost vertical side. The single cell 10-4 is 10 minutes of the total number of the single cells 10-1 to 10-n to the single cell 10-1 disposed on the most vertically upper side among the multiple single cells 10-1 to 10-n. It is an example of the 2nd cell in any one to the 1st sheet | seat. The voltage sensor V1 is an example of a first detection unit that detects any of the output voltage, temperature, and impedance of the single cell 10-4. The voltage sensor V2 is an example of a second detection unit that detects any of the output voltage, temperature, and impedance at a portion other than the single cell 10-4 of the plurality of single cells 10-1 to 10-n. In this way, the presence or absence of bubbles in the cooling water flow path of the stack 10 can be accurately determined with a simple configuration by the two voltage sensors V1 and V2.

上記のようにスタック10の冷却水流路内に気泡が存在していると判定された場合には、循環ポンプ22の出力を増大させて気泡をスタック10の冷却水流路内から排出してもよいし、ダイアグ表示又はモニター表示によりスタック10の冷却水流路内に気泡が存在していることを報知してもよい。   When it is determined that bubbles are present in the cooling water flow path of the stack 10 as described above, the output of the circulation pump 22 may be increased to discharge the bubbles from the cooling water flow path of the stack 10. Then, it may be notified that bubbles are present in the cooling water flow path of the stack 10 by means of a diagnosis display or a monitor display.

尚、スタック10内に形成されたカソードガス及びアノードガスをそれぞれ供給及び排出するマニホールドも、複数の単セルを貫通するように略鉛直方向に延びて形成されているため、スタック10内で発生した生成水を、重力の作用により上記のマニホールドを介してスタック10の外部へと排出される。   The manifolds for supplying and discharging the cathode gas and the anode gas formed in the stack 10 are also formed to extend in a substantially vertical direction so as to pass through the plurality of single cells, and thus are generated in the stack 10. The generated water is discharged to the outside of the stack 10 through the manifold by the action of gravity.

上記実施例では、電圧センサV2は積層方向で中央に配置された単セル10−(n/2)の出力電圧を検出するが、電圧センサV2が出力電圧を検出する単セルはこれに限定されず、電圧センサV1により出力電圧が検出される単セル10−4以外の部位での単セルの出力電圧を検出してもよい。例えば電圧センサV2は、単セル10−nの出力電圧を検出してもよい。また、電圧センサV2は、複数の単セル全体での出力電圧を検出してもよい。例えば、電圧センサV2は、単セル10−1〜10−nの合計出力電圧を検出してもよいし、単セル10−1から単セル10−nまでのうちの連続する複数の単セルの合計出力電圧を検出してもよい。この場合、代表出力電圧として、電圧センサV2により検出された合計出力電圧を電圧センサV2の検出対象である単セルの数で除算して得られる、一枚当たりの単セルの出力電圧の平均値を用いてもよい。代表出力電圧は、制御装置50が上記のように算出することにより取得する。   In the above embodiment, the voltage sensor V2 detects the output voltage of the single cell 10- (n / 2) arranged in the center in the stacking direction, but the single cell from which the voltage sensor V2 detects the output voltage is limited to this. Alternatively, the output voltage of the single cell may be detected at a portion other than the single cell 10-4 where the output voltage is detected by the voltage sensor V1. For example, the voltage sensor V2 may detect the output voltage of the single cell 10-n. Further, the voltage sensor V2 may detect the output voltage across the plurality of single cells. For example, the voltage sensor V2 may detect the total output voltage of the single cells 10-1 to 10-n, or a plurality of continuous single cells among the single cells 10-1 to 10-n. The total output voltage may be detected. In this case, as a representative output voltage, the average value of the output voltages of a single cell per sheet obtained by dividing the total output voltage detected by the voltage sensor V2 by the number of single cells that are the detection target of the voltage sensor V2. May be used. The representative output voltage is acquired by the control device 50 calculating as described above.

次に第1変形例の気泡判定制御について説明する。第1変形例の気泡判定制御は、単セル10−4及び10−(n/2)のそれぞれの出力電圧ではなく、温度に基づいて実行される。制御装置50は、単セル10−4の温度を検出する温度センサと単セル10−(n/2)の温度を検出する温度センサとにより、これらの単セルの温度を取得する。図2Aは、スタック10の冷却水流路内に気泡が存在している場合での各単セルの温度を示したグラフであり、図1Bに対応している。上述したように、気泡周辺の単セルの温度はそれ以外の単セルの温度と比較して上昇するが、スタック10の外側に配置された単セル10−1や単セル10−2、10−3は、冷却されやすいため、単セル10−4の温度が最も高くなっている。   Next, the bubble determination control of the first modification will be described. The bubble determination control of the first modification is executed based on the temperature, not the output voltage of each of the single cells 10-4 and 10- (n / 2). The control apparatus 50 acquires the temperature of these single cells by the temperature sensor which detects the temperature of the single cell 10-4, and the temperature sensor which detects the temperature of the single cell 10- (n / 2). FIG. 2A is a graph showing the temperature of each single cell when bubbles are present in the cooling water flow path of the stack 10, and corresponds to FIG. 1B. As described above, the temperature of the single cells around the bubbles rises compared to the temperature of the other single cells, but the single cells 10-1 and 10-2, 10- arranged outside the stack 10 3 is easily cooled, so the temperature of the single cell 10-4 is the highest.

制御装置50は、単セル10−4及び10−(n/2)のそれぞれの温度を検出する温度センサの検出結果に基づいて、スタック10の冷却水流路内での気泡の有無について精度よく判定する。具体的には以下のようにして判定する。最初に、単セル10−(n/2)の温度を検出する温度センサの検出結果に基づいて代表温度が取得される。ここでこの温度センサにより検出された単セル10−(n/2)の温度が、代表温度として取得される。次に、検出された単セル10−4の温度と代表温度との差分が第2閾値よりも大きいか否かが判定される。否定判定の場合には、スタック10の冷却水流路内に気泡は存在していないものとして本制御は終了する。肯定判定の場合には、スタック10の冷却水流路内に気泡が存在していると判定される。   The control device 50 accurately determines the presence or absence of bubbles in the cooling water flow path of the stack 10 based on the detection results of the temperature sensors that detect the temperatures of the single cells 10-4 and 10- (n / 2). To do. Specifically, the determination is made as follows. First, the representative temperature is acquired based on the detection result of the temperature sensor that detects the temperature of the single cell 10- (n / 2). Here, the temperature of the single cell 10- (n / 2) detected by the temperature sensor is acquired as the representative temperature. Next, it is determined whether or not the difference between the detected temperature of the single cell 10-4 and the representative temperature is greater than the second threshold value. In the case of negative determination, this control is terminated on the assumption that bubbles do not exist in the cooling water flow path of the stack 10. In the case of an affirmative determination, it is determined that bubbles are present in the cooling water flow path of the stack 10.

図2Aの例では、単セル10−4の温度と単セル10−(n/2)の温度との差分が第2閾値よりも大きいとして、スタック10の冷却水流路内に気泡が存在していると判定される。このように2つの温度センサにより、スタック10の冷却水流路内での気泡の有無を簡易な構成で精度よく判定できる。   In the example of FIG. 2A, assuming that the difference between the temperature of the single cell 10-4 and the temperature of the single cell 10- (n / 2) is larger than the second threshold, there are bubbles in the cooling water flow path of the stack 10. It is determined that In this way, the presence or absence of bubbles in the cooling water flow path of the stack 10 can be accurately determined with a simple configuration by the two temperature sensors.

上記第1変形例では、2つの温度センサの一方は積層方向で中央に配置された単セル10−(n/2)の温度を検出するが、この温度センサが温度を検出する単セルはこれに限定されず、単セル10−4以外の部位での単セルの温度を検出してもよい。例えば2つの温度センサの一方は、単セル10−nの温度を検出してもよい。また、冷却水の循環経路21内のスタック10よりも下流かつラジエータ24よりも上流に温度センサを配置して冷却水の温度を検出し、これを代表温度としてもよい。   In the first modified example, one of the two temperature sensors detects the temperature of the single cell 10- (n / 2) disposed in the center in the stacking direction, and this single temperature sensor detects the temperature. However, the temperature of the single cell may be detected at a site other than the single cell 10-4. For example, one of the two temperature sensors may detect the temperature of the single cell 10-n. Further, a temperature sensor may be arranged downstream of the stack 10 in the cooling water circulation path 21 and upstream of the radiator 24 to detect the temperature of the cooling water, and this may be used as the representative temperature.

次に第2変形例の気泡判定制御について説明する。第2変形例の気泡判定制御は、単セル10−4及び10−(n/2)のそれぞれの出力電圧や温度ではなく、インピーダンスに基づいて実行される。制御装置50は、単セル10−4のインピーダンスを検出するセンサと単セル10−(n/2)のインピーダンスを検出するセンサとにより、これらの単セルのインピーダンス温度を取得する。インピーダンスは、例えば交流インピーダンス法により測定する。図2Bは、スタック10の冷却水流路内に気泡が存在している場合での各単セルのインピーダンスを示したグラフであり、図1Bに対応している。上述したように気泡周辺の単セルの電解質膜は、それ以外の単セルの電解質膜と比較して湿度が低下する。これにより、気泡周辺の単セルのインピーダンスは、それ以外の単セルのインピーダンスと比較して増大する。尚、上述した場合と同様の理由により、単セル10−1や単セル10−2、10−3の各インピーダンスが、単セル10−4のインピーダンスほどは増大していない。   Next, the bubble determination control of the second modification will be described. The bubble determination control of the second modification is executed based on the impedance instead of the output voltage and temperature of each of the single cells 10-4 and 10- (n / 2). The control apparatus 50 acquires the impedance temperature of these single cells with the sensor which detects the impedance of the single cell 10-4, and the sensor which detects the impedance of the single cell 10- (n / 2). The impedance is measured by, for example, an AC impedance method. FIG. 2B is a graph showing the impedance of each single cell when bubbles are present in the cooling water flow path of the stack 10, and corresponds to FIG. 1B. As described above, the single-cell electrolyte membrane around the bubbles has a lower humidity than the other single-cell electrolyte membranes. Thereby, the impedance of the single cell around the bubble is increased as compared with the impedance of the other single cells. For the same reason as described above, the impedances of the single cell 10-1 and the single cells 10-2 and 10-3 are not increased as much as the impedance of the single cell 10-4.

制御装置50は、単セル10−4及び10−(n/2)のそれぞれのインピーダンスを検出するセンサの検出結果に基づいて、スタック10の冷却水流路内での気泡の有無について精度よく判定する。具体的には以下のようにして判定する。最初に、単セル10−(n/2)のインピーダンスを検出するセンサの検出結果に基づいて代表インピーダンスが取得される。ここでこのセンサにより検出された単セル10−(n/2)のインピーダンスが、代表インピーダンスとして取得される。次に、検出された単セル10−4のインピーダンスと代表インピーダンスとの差分が第3閾値よりも大きいか否かが判定される。否定判定の場合には、スタック10の冷却水流路内に気泡は存在していないものとして本制御は終了する。肯定判定の場合には、スタック10の冷却水流路内に気泡が存在していると判定される。   The control device 50 accurately determines the presence or absence of bubbles in the cooling water flow path of the stack 10 based on the detection results of the sensors that detect the respective impedances of the single cells 10-4 and 10- (n / 2). . Specifically, the determination is made as follows. First, the representative impedance is acquired based on the detection result of the sensor that detects the impedance of the single cell 10- (n / 2). Here, the impedance of the single cell 10- (n / 2) detected by this sensor is acquired as the representative impedance. Next, it is determined whether or not the difference between the detected impedance of the single cell 10-4 and the representative impedance is greater than a third threshold value. In the case of negative determination, this control is terminated on the assumption that bubbles do not exist in the cooling water flow path of the stack 10. In the case of an affirmative determination, it is determined that bubbles are present in the cooling water flow path of the stack 10.

図2Bの例では、単セル10−4のインピーダンスと単セル10−(n/2)のインピーダンスとの差分が第3閾値よりも大きいとして、スタック10の冷却水流路内に気泡が存在していると判定される。このように2つのセンサにより、スタック10の冷却水流路内での気泡の有無を簡易な構成で精度よく判定できる。   In the example of FIG. 2B, assuming that the difference between the impedance of the single cell 10-4 and the impedance of the single cell 10- (n / 2) is larger than the third threshold, there are bubbles in the cooling water flow path of the stack 10. It is determined that In this manner, the presence or absence of bubbles in the cooling water flow path of the stack 10 can be accurately determined with a simple configuration by the two sensors.

上記第2変形例では、2つのセンサの一方は積層方向で中央に配置された単セル10−(n/2)のインピーダンスを検出するが、このセンサがインピーダンスを検出する単セルはこれに限定されず、単セル10−4以外の部位での単セルのインピーダンスを検出してもよい。例えば2つのセンサの一方は、単セル10−nのインピーダンスを検出してもよい。また、単セル10−4以外の部位でのインピーダンスを検出するセンサは、複数の単セル全体でのインピーダンスを検出してもよい。例えば、このセンサは、単セル10−1〜10−nの合計インピーダンスを検出してもよいし、単セル10−1から単セル10−nまでのうちの連続する複数の単セルの合計インピーダンスを検出してもよい。この場合、代表インピーダンスとして、このセンサにより検出された合計インピーダンスをこのセンサの検出対象である単セルの数で除算して得られる、一枚当たりの単セルのインピーダンスの平均値を用いてもよい。代表インピーダンスは、制御装置50が上記のように算出することにより取得する。   In the second modified example, one of the two sensors detects the impedance of the single cell 10- (n / 2) arranged in the center in the stacking direction, but the single cell that this sensor detects the impedance is limited to this. Instead, the impedance of the single cell at a portion other than the single cell 10-4 may be detected. For example, one of the two sensors may detect the impedance of the single cell 10-n. Moreover, the sensor which detects the impedance in parts other than the single cell 10-4 may detect the impedance in the whole several single cell. For example, this sensor may detect the total impedance of the single cells 10-1 to 10-n, or the total impedance of a plurality of continuous single cells among the single cells 10-1 to 10-n. May be detected. In this case, as the representative impedance, an average value of the impedance of each single cell obtained by dividing the total impedance detected by this sensor by the number of single cells to be detected by this sensor may be used. . The representative impedance is acquired by the control device 50 calculating as described above.

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。   Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to such specific embodiments, and various modifications and changes can be made within the scope of the gist of the present invention described in the claims. It can be changed.

尚、スタック10は、単セルの積層方向が必ずしも鉛直方向と一致している必要はなく、本出願での「略鉛直方向に沿って」には、単セルの積層方向が鉛直方向から20度程度までの範囲で傾いているものを含む。   In the stack 10, the stacking direction of the single cells does not necessarily coincide with the vertical direction. In the “almost along the vertical direction” in the present application, the stacking direction of the single cells is 20 degrees from the vertical direction. Including those that are inclined to the extent.

10 燃料電池スタック
10−1〜10−n 単セル
10−1 単セル(第1セル)
10−4 単セル(第2セル)
12 冷却水供給マニホールド(冷却水流路)
14 冷却水排出マニホールド(冷却水流路)
20 冷却系
50 制御装置(取得部及び判定部)
V1 電圧センサ(第1検出部)
V2 電圧センサ(第2検出部)
10 Fuel Cell Stack 10-1 to 10-n Single Cell 10-1 Single Cell (First Cell)
10-4 Single cell (second cell)
12 Cooling water supply manifold (cooling water flow path)
14 Cooling water discharge manifold (cooling water flow path)
20 Cooling system 50 Control device (acquisition unit and determination unit)
V1 voltage sensor (first detector)
V2 voltage sensor (second detector)

Claims (1)

複数の単セルが積層された方向が略鉛直方向に沿った姿勢で配置された燃料電池スタックと、
少なくとも一部が複数の前記単セルを貫通するように前記燃料電池スタックに形成された冷却水流路と、
複数の前記単セルのうち最も鉛直上方側に配置された第1セルから複数の前記単セルの総数の10分の1枚目までの間の何れかにある第2セルの出力電圧、温度、及びインピーダンスの何れかを検出する第1検出部と、
前記複数の単セルの前記第2セル以外の部位で出力電圧、温度、及びインピーダンスの何れかを検出する第2検出部と、
前記第2検出部の検出結果に基づいて代表出力電圧、代表温度、及び代表インピーダンスの何れかを取得する取得部と、
前記燃料電池スタックの冷却水流路内での気泡の有無を判定する判定部と、を備え、
前記判定部は、
検出された前記第2セルの出力電圧と前記代表出力電圧との差分が第1閾値よりも大きい、
検出された前記第2セルの温度と前記代表温度との差分が第2閾値よりも大きい、
検出された前記第2セルのインピーダンスと前記代表インピーダンスとの差分が第3閾値よりも大きい、
の何れかを充足する場合に前記冷却水流路内に気泡が有ると判定する、燃料電池システム。
A fuel cell stack in which a direction in which a plurality of single cells are stacked is arranged in a posture along a substantially vertical direction;
A coolant flow path formed in the fuel cell stack so that at least a portion penetrates the plurality of single cells;
The output voltage, temperature of the second cell in any one of the plurality of the single cells between the first cell arranged on the uppermost vertical side to the first tenth of the total number of the plurality of single cells, And a first detection unit for detecting either of the impedance,
A second detection unit for detecting any one of an output voltage, temperature, and impedance at a portion other than the second cell of the plurality of single cells;
An acquisition unit that acquires one of the representative output voltage, the representative temperature, and the representative impedance based on the detection result of the second detection unit;
A determination unit for determining the presence or absence of bubbles in the cooling water flow path of the fuel cell stack,
The determination unit
A difference between the detected output voltage of the second cell and the representative output voltage is greater than a first threshold;
A difference between the detected temperature of the second cell and the representative temperature is greater than a second threshold;
A difference between the detected impedance of the second cell and the representative impedance is greater than a third threshold;
A fuel cell system that determines that air bubbles are present in the cooling water flow path when either of the above is satisfied.
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