JP2019083178A - Fuel cell system - Google Patents

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雄介 平光
力 竹井
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力 竹井
佳紀 水下
Yoshinori Mizushita
佳紀 水下
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Abstract

To provide a fuel cell system with a capability of suppressing a voltage overshoot while stabilizing the state of power generation.SOLUTION: In a fuel cell system that has a control apparatus 20 for controlling a functional state of a fuel cell 1, a carrier 31 of one electrode where water is generated by combining hydrogen with oxygen, of electrodes 2, 3 of the fuel cell 1, is made hydrophilic, and a catalyst part 32 and an ionomer part 33 are provided. The catalyst part 32 is a site where a catalytic metal is carried on the carrier 31. The ionomer part 33 is fixed around the catalyst part 32 so that at least the catalytic metal is exposed. Further, a control part 22 is disposed in the control apparatus 20 for controlling a moisture amount existing on a surface of the carrier 31. The control part 22 performs control for increasing a moisture amount during a start period until a given stable start condition is established from starting a power generation more than a moisture amount during a stable operation after establishing the given stable start condition.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

本発明は、燃料電池の燃料極に供給される燃料ガスの供給状態と空気極に供給される空気の供給状態とをともに制御する制御装置を備えた燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system provided with a control device that controls both the supply state of fuel gas supplied to the fuel electrode of the fuel cell and the supply state of air supplied to the air electrode.

従来、水素(水素ガス)と酸素(空気)との化学反応を利用して電気エネルギーを抽出する燃料電池システムにおいて、燃料極や空気極に含まれる水分量を調節する技術が存在する。例えば、燃料電池の起動時に無加湿の燃料ガスを燃料極に供給することで、燃料極の近傍に残留している空気(酸素を含む空気)を排出し、逆電流の発生を防止する技術が知られている。また、燃料電池の内部に凝集した水(結露水など)を除去するために、冷却水圧力を低下させる技術も知られている(特許文献1,2参照)。   2. Description of the Related Art Conventionally, in a fuel cell system that extracts electric energy using a chemical reaction between hydrogen (hydrogen gas) and oxygen (air), there is a technique of adjusting the amount of water contained in a fuel electrode or an air electrode. For example, by supplying non-humidified fuel gas to the fuel electrode at start-up of the fuel cell, air remaining in the vicinity of the fuel electrode (air containing oxygen) is discharged to prevent generation of reverse current. Are known. In addition, in order to remove water (such as dew condensation water) condensed inside the fuel cell, there is also known a technique of reducing the pressure of the cooling water (see Patent Documents 1 and 2).

特開2016-027534号公報JP, 2016-027534, A 特開2003-151597号公報JP 2003-151597

ところで、燃料電池の電極内部では水素と酸素との化学反応によって常に水が生成される。この生成水が触媒近傍に滞留すると、水素と酸素との化学反応が阻害され、発電状態が不安定となりうる。そこで、電極自体を撥水性とし、電極内部から生成水が円滑に除去される構造とすることが検討されている。しかしながら、電極自体に撥水処理を施した場合には、触媒金属の周囲に水素イオンを伝導させるための電解質(アイオノマー)を多量に含有させなければ、イオンの移動,拡散性を確保することが難しい。一方、触媒金属の周囲に存在するアイオノマー量が多いほど、アイオノマー中に溶解する酸素イオンが増加する。これにより、燃料電池の起動時に電圧が急激に立ち上がる現象(電圧オーバーシュート)が生じやすくなり、電極の劣化が進行しやすくなる。   By the way, water is always produced inside the electrode of the fuel cell by the chemical reaction of hydrogen and oxygen. If the generated water stays in the vicinity of the catalyst, the chemical reaction between hydrogen and oxygen is inhibited, and the power generation state may become unstable. Therefore, it has been studied to make the electrode itself water repellent and to have a structure in which generated water is smoothly removed from the inside of the electrode. However, when the electrode itself is subjected to water repellant treatment, the movement and diffusion of ions should be secured unless a large amount of electrolyte (ionomer) for conducting hydrogen ions is conducted around the catalyst metal. difficult. On the other hand, as the amount of ionomer present around the catalyst metal increases, the oxygen ions dissolved in the ionomer increase. As a result, a phenomenon in which the voltage rapidly rises (voltage overshoot) is likely to occur at the start of the fuel cell, and the deterioration of the electrode is likely to proceed.

本件の目的の一つは、上記のような課題に鑑みて創案されたものであり、燃料電池の発電状態を安定させつつ電圧オーバーシュートを抑制できるようにした燃料電池システムを提供することである。なお、この目的に限らず、後述する「発明を実施するための形態」に示す各構成から導き出される作用効果であって、従来の技術では得られない作用効果を奏することも、本件の他の目的として位置付けることができる。   One of the objects of the present invention is to solve the above problems and to provide a fuel cell system capable of suppressing voltage overshoot while stabilizing the power generation state of the fuel cell. . The present invention is not limited to this object, and it is an operation and effect derived from each configuration shown in the “embodiments to be described later”, and it is also possible to exert an operation and effect that can not be obtained by the prior art. It can be positioned as a goal.

(1)開示の燃料電池システムは、燃料電池の作動状態を制御する制御装置を備えた燃料電池システムである。水素と酸素とが化合して水が生成される一方の電極が、親水性の担体と、前記担体に触媒金属を担持してなる触媒部と、少なくとも前記触媒金属が露出するように前記触媒部の周囲にアイオノマーを固定してなるアイオノマー部とを有する。また、前記制御装置が、発電を開始してから所定の安定始動条件が成立するまでの起動時期に前記担体の表面に存在する水分量を、前記安定始動条件が成立した後の定常運転中における前記水分量よりも増大させる制御部を有する。   (1) The disclosed fuel cell system is a fuel cell system provided with a control device that controls the operating state of the fuel cell. One electrode from which hydrogen and oxygen combine to form water is a hydrophilic carrier, a catalyst portion formed by supporting a catalyst metal on the carrier, and the catalyst portion so that at least the catalyst metal is exposed. And an ionomer part formed by fixing the ionomer to the periphery of the In addition, the amount of water present on the surface of the carrier at the start timing from when the control device starts power generation to when a predetermined stable start condition is satisfied, during steady operation after the stable start condition is satisfied. It has a control part which makes it increase more than the said moisture content.

(2)前記制御部が、前記起動時期に前記触媒金属が水に被覆され、前記定常運転中に前記触媒金属が露出するように、前記水分量を制御することが好ましい。
(3)前記制御装置が、前記電極の電気抵抗値に基づき、前記担体の表面に存在する前記水分量の推定値である、推定水分量を算出する推定部を有することが好ましい。
(4)前記制御部が、前記推定水分量が少ないほど、前記燃料電池の動作停止時における前記燃料電池の冷却能力を強めることが好ましい。例えば、前記燃料電池の動作が停止する直前に前記冷却能力を強めることで、あらかじめ加湿しておくことが好ましい。
(2) It is preferable that the control unit controls the amount of water so that the catalyst metal is coated with water at the start timing and the catalyst metal is exposed during the steady operation.
(3) It is preferable that the control device has an estimation unit that calculates an estimated water content, which is an estimated value of the water content existing on the surface of the carrier, based on the electrical resistance value of the electrode.
(4) It is preferable that the control unit strengthens the cooling capacity of the fuel cell when the operation of the fuel cell is stopped as the estimated amount of water is smaller. For example, it is preferable to humidify in advance by strengthening the cooling capacity immediately before the operation of the fuel cell is stopped.

(5)前記制御部が、前記推定水分量が少ないほど、前記一方の電極に供給されるガス流量を減量することが好ましい。例えば、前記起動時期における前記ガス流量を減量することで、前記燃料電池で生成される水分の飛散,拡散を抑制し、電極表面の水分が増加しやすい環境にすることが好ましい。
(6)前記制御部が、前記推定水分量に基づき、前記起動時期に前記電極へ供給される気体の湿度をフィードバック制御することが好ましい。例えば、前記起動時期における前記湿度が前記定常運転中よりも高くなるように、前記制御部が前記フィードバック制御を実施することが好ましい。
(5) It is preferable that the control unit reduces the flow rate of gas supplied to the one electrode as the estimated amount of water decreases. For example, by reducing the gas flow rate at the start time, it is preferable to suppress the scattering and diffusion of the water generated by the fuel cell, and to provide an environment in which the water on the electrode surface tends to increase.
(6) It is preferable that the control unit performs feedback control of the humidity of the gas supplied to the electrode at the start time based on the estimated water content. For example, the control unit preferably performs the feedback control such that the humidity at the start timing is higher than that in the steady operation.

(7)前記制御部が、前記燃料電池のセル温度が高いほど、前記燃料電池の動作停止時における前記燃料電池の冷却能力を強めることが好ましい。
(8)前記安定始動条件が、「前記発電を開始してから所定時間が経過すること」であることが好ましい。
(9)前記一方の電極に含まれる前記アイオノマーの体積比が、10%以上であることが好ましい。
(7) It is preferable that the control unit strengthens the cooling capacity of the fuel cell at the time of the operation stop of the fuel cell as the cell temperature of the fuel cell is higher.
(8) The stable start condition is preferably "a predetermined time has elapsed since the start of the power generation".
(9) The volume ratio of the ionomer contained in the one electrode is preferably 10% or more.

燃料電池の起動時期における水分量を定常運転中よりも増大させることで、起動直後の電圧オーバーシュートを抑制することができ、燃料電池の制御性を高めることができる。これにより、電極の触媒部の劣化を防止することができ、燃料電池の品質を向上させることができる。また、電極には、触媒金属が露出するようにアイオノマーが固定されるため、触媒近傍に三相界面を形成することができ、燃料電池の発電状態を安定させることができる。   By making the water content at the start time of the fuel cell higher than that in the steady operation, it is possible to suppress the voltage overshoot immediately after the start, and to improve the controllability of the fuel cell. Thereby, the deterioration of the catalyst part of the electrode can be prevented, and the quality of the fuel cell can be improved. Further, since the ionomer is fixed to the electrode so that the catalyst metal is exposed, a three-phase interface can be formed in the vicinity of the catalyst, and the power generation state of the fuel cell can be stabilized.

燃料電池システムが適用された車両の構成を示すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a vehicle to which a fuel cell system is applied. 燃料電池システムの構成を説明するためのブロック図である。It is a block diagram for demonstrating the structure of a fuel cell system. (A)は高分子電解質型燃料電池(PEFC)のセル構造を示す模式図であり、(B)はアルカリ型燃料電池(AFC)のセル構造を示す模式図である。(A) is a schematic view showing a cell structure of a polymer electrolyte fuel cell (PEFC), and (B) is a schematic view showing a cell structure of an alkaline fuel cell (AFC). (A)は一方の電極表面の構造を示す模式図、(B)は他方の電極表面の構造を示す模式図である。(A) is a schematic diagram which shows the structure of one electrode surface, (B) is a schematic diagram which shows the structure of the other electrode surface. 電極のセル抵抗値と推定水分量との関係を例示するグラフである。It is a graph which illustrates the relationship between the cell resistance value of an electrode, and the presumed moisture content. (A)は燃料電池の起動時における触媒表面の含水状態を示す模式図、(B)が定常時における含水状態を示す模式図である。(A) is a schematic diagram which shows the water-containing state of the catalyst surface at the time of starting of a fuel cell, (B) is a schematic diagram which shows the water-containing state at the time of steady state. 燃料電池システムの制御内容(停止時)を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the control content (at the time of stop) of a fuel cell system. 燃料電池システムの制御内容(起動時)を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the control content (at the time of starting) of a fuel cell system. 変形例としての制御内容(起動時)を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the control content (at the time of starting) as a modification.

以下、図面を参照して実施形態としての燃料電池システムについて説明する。以下の実施形態はあくまでも例示に過ぎず、以下の実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。本実施形態の各構成は、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。また、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせることができる。   Hereinafter, a fuel cell system as an embodiment will be described with reference to the drawings. The following embodiments are merely illustrative, and there is no intention to exclude the application of various modifications and techniques that are not specified in the following embodiments. Each structure of this embodiment can be variously modified and implemented in the range which does not deviate from those meaning. Also, they can be selected as needed or can be combined as appropriate.

[1.構成]
本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池1の作動状態を制御する制御装置20を備えた燃料電池システムであり、図1に示す車両40(FCV;Fuel Cell Vehicle)に搭載される。この車両40には、走行用のモーター41,インバーター42,走行用のバッテリー43が搭載される。バッテリー43は、車両40の駆動源であるモーター41の主電源であるとともに燃料電池1の発電電力を蓄える蓄電装置であり、例えば複数のセルを内蔵するユニット型のリチウムイオン二次電池である。モーター41は、電動機としての機能と発電機としての機能とを兼ね備えた交流電動発電機(モータージェネレーター)である。図1に示す車両40は、前輪用及び後輪用のモーター41を搭載しており、前方側に配置されたモーター41が前輪を駆動し、後方側に配置されたモーター41が後輪を駆動する。
[1. Constitution]
The fuel cell system according to the present embodiment is a fuel cell system provided with a control device 20 for controlling the operation state of the fuel cell 1, and is mounted on a vehicle 40 (FCV; Fuel Cell Vehicle) shown in FIG. The vehicle 40 is equipped with a motor 41 for traveling, an inverter 42, and a battery 43 for traveling. The battery 43 is a main power supply of the motor 41 which is a drive source of the vehicle 40 and is a storage device for storing the generated power of the fuel cell 1 and is, for example, a unit type lithium ion secondary battery incorporating a plurality of cells. The motor 41 is an AC motor generator (motor generator) having a function as a motor and a function as a generator. The vehicle 40 shown in FIG. 1 is equipped with a front wheel and rear wheel motor 41. The motor 41 disposed on the front side drives the front wheel, and the motor 41 disposed on the rear side drives the rear wheel. Do.

バッテリー43と各モーター41との間には、インバーター42が介装される。インバーター42は、バッテリー43側の直流電力とモーター41側の交流電力とを相互に変換する変換器(DC-ACインバーター)である。モーター41の力行時には、バッテリー43側からモーター41側へと交流の駆動電力が供給される。一方、モーター41の回生発電時には、モーター41側からバッテリー43側へと直流の回生電力が供給される。インバーター42とモーター41との間は三相交流電力線(充放電回路)で接続され、インバーター42とバッテリー43との間は直流電力線で接続される。三相交流電力線における交流電圧は、モーター41の駆動電圧や発電電圧に応じて変動し、例えば最大で600[V]前後まで上昇しうる。一方、直流電力線における直流の電圧は、バッテリー43の充放電電圧に応じて変動し、例えば200〜300[V]の範囲内で変動する。   An inverter 42 is interposed between the battery 43 and each motor 41. The inverter 42 is a converter (DC-AC inverter) that mutually converts DC power on the battery 43 side and AC power on the motor 41 side. At the time of power running of the motor 41, AC drive power is supplied from the battery 43 side to the motor 41 side. On the other hand, during regenerative power generation of the motor 41, DC regenerative power is supplied from the motor 41 side to the battery 43 side. The inverter 42 and the motor 41 are connected by a three-phase AC power line (charge / discharge circuit), and the inverter 42 and the battery 43 are connected by a DC power line. The AC voltage in the three-phase AC power line fluctuates according to the drive voltage and the generated voltage of the motor 41, and can rise up to around 600 V, for example. On the other hand, the direct current voltage in the direct current power line fluctuates in accordance with the charge and discharge voltage of the battery 43, and fluctuates, for example, in the range of 200 to 300 [V].

燃料電池1は、変圧器44を介して直流電力線に接続される。この変圧器44は、燃料電池1側の直流電圧とバッテリー43側の直流電圧とを相互に変換する変換器(DC-DCコンバーター)である。本実施形態の燃料電池1には、燃料ガスが流通する燃料通路11と、酸素を含む空気が流通する空気通路12と、冷却水が流通する冷却水通路17とが接続される。燃料通路11には、燃料バルブ46を介して、既成の燃料ガスを貯留するための燃料タンク45が接続される。また、空気通路12には、所定の流量で空気を送給するための空気ブロアー47が設けられる。燃料極2に供給される燃料ガスの流量は、燃料バルブ46の開度を調節することで変更される。同様に、空気極3に供給される空気の流量は、空気ブロアー47の回転速度を調節することで変更される。なお、車両40が内燃機関を搭載する場合には、内燃機関の燃料(ガソリン,軽油など)を改質することによって燃料ガスを生成してもよく、燃料タンク45を省略してもよい。   The fuel cell 1 is connected to a DC power line via a transformer 44. The transformer 44 is a converter (DC-DC converter) that mutually converts the DC voltage on the fuel cell 1 side and the DC voltage on the battery 43 side. A fuel passage 11 through which a fuel gas flows, an air passage 12 through which air containing oxygen flows, and a cooling water passage 17 through which cooling water flows are connected to the fuel cell 1 of the present embodiment. A fuel tank 45 for storing an established fuel gas is connected to the fuel passage 11 via a fuel valve 46. Further, the air passage 12 is provided with an air blower 47 for feeding air at a predetermined flow rate. The flow rate of the fuel gas supplied to the fuel electrode 2 is changed by adjusting the opening degree of the fuel valve 46. Similarly, the flow rate of air supplied to the air electrode 3 is changed by adjusting the rotation speed of the air blower 47. When the vehicle 40 is equipped with an internal combustion engine, the fuel gas may be generated by reforming the fuel (gasoline, light oil, etc.) of the internal combustion engine, and the fuel tank 45 may be omitted.

冷却水通路17は、冷却水を循環させることによって燃料電池1を冷却するための冷媒流路である。この冷却水通路17には、冷却水ポンプ48,流路切替バルブ49,ラジエーター50が介装される。冷却水ポンプ48は、冷却水の流量や圧力を増減させるための圧送装置である。冷却水の流量は、冷却水ポンプ48の圧送量(作動速度)を変更することで調節される。流路切替バルブ49は、燃料電池1を通過した冷却水がラジエーター50側に流通する流量と、ラジエーター50を迂回して再び燃料電池1側へ還流する流量との割合を制御する流量制御弁である。ラジエーター50は、外気と冷却水との間で熱交換を行う熱交換器である。冷却水は、ラジエーター50で空冷される。ラジエーター50には、管状の冷媒通路が互いに間隔を空けて列設されたラジエーターコアが設けられ、その内部を冷却水が通過する。また、ラジエーターコアの外表面には多数の放熱フィンが突設され、ラジエーターコアの熱が外気に晒されて放熱される。   The cooling water passage 17 is a refrigerant passage for cooling the fuel cell 1 by circulating the cooling water. A cooling water pump 48, a flow path switching valve 49, and a radiator 50 are interposed in the cooling water passage 17. The cooling water pump 48 is a pumping device for increasing or decreasing the flow rate and pressure of the cooling water. The flow rate of the cooling water is adjusted by changing the pumping amount (operating speed) of the cooling water pump 48. The flow path switching valve 49 is a flow control valve that controls the ratio of the flow rate of cooling water that has passed through the fuel cell 1 to the radiator 50 side and the flow rate of bypassing the radiator 50 and returning to the fuel cell 1 again. is there. The radiator 50 is a heat exchanger that exchanges heat between the outside air and the cooling water. The cooling water is air cooled by the radiator 50. The radiator 50 is provided with a radiator core in which tubular refrigerant passages are spaced apart from each other, and cooling water passes therethrough. Further, a large number of heat dissipating fins are provided on the outer surface of the radiator core so that the heat of the radiator core is exposed to the outside air and dissipated.

ラジエーター50よりも車両40の後方側にはラジエーターファン51が設けられ、前方側には開閉グリル52が配置される。ラジエーターファン51は、ラジエーター50を通過する外気の流速を増加させるための送風機である。開閉グリル52は、車両40の前方から外気が導入される開口面積(ルーバー角度)を調節可能な電動ルーバーである。冷却水の温度は、流路切替バルブ49における冷却水の分流割合や、ラジエーターファン51の回転速度や開閉グリル52の開度などを調節することで変更可能である。例えば、ラジエーター50を迂回する流量を減少させるほど冷却水の温度が低温となり、燃料電池1の冷却能力が強められる。一方、迂回流量を増加させるほど冷却水の温度が高温となり、冷却能力が弱められる。なお、ラジエーターコアを通過する外気の流量が多く、あるいは外気温度が低いほど、冷却水の温度が低下しやすくなる。   A radiator fan 51 is provided on the rear side of the vehicle 40 relative to the radiator 50, and an open / close grill 52 is disposed on the front side. The radiator fan 51 is a blower for increasing the flow velocity of the outside air passing through the radiator 50. The opening and closing grille 52 is an electric louver capable of adjusting an opening area (louver angle) into which the outside air is introduced from the front of the vehicle 40. The temperature of the cooling water can be changed by adjusting the division ratio of the cooling water in the flow path switching valve 49, the rotational speed of the radiator fan 51, the opening degree of the opening and closing grille 52, and the like. For example, as the flow rate bypassing the radiator 50 decreases, the temperature of the cooling water becomes lower, and the cooling capacity of the fuel cell 1 is strengthened. On the other hand, as the bypass flow rate is increased, the temperature of the cooling water becomes higher, and the cooling capacity is weakened. In addition, the temperature of the cooling water tends to decrease as the flow rate of the outside air passing through the radiator core increases or the outside air temperature decreases.

図2に示す燃料電池システムは、燃料電池1の燃料極2(アノード)に供給される燃料ガスの供給状態と空気極3(カソード)に供給される空気の供給状態とをともに制御する制御装置20を備えた燃料電池システムである。燃料電池1の種類は、例えば高分子電解質型(PEFC;Polymer Electrolyte Fuel Cell),リン酸型(PAFC;Phosphoric Acid Fuel Cell),固体酸化物型(SOFC;Solid Oxide Fuel Cell),アルカリ電解質型(AFC;Alkaline Fuel Cell)などである。   The fuel cell system shown in FIG. 2 is a control device that controls both the supply state of fuel gas supplied to the fuel electrode 2 (anode) of the fuel cell 1 and the supply state of air supplied to the air electrode 3 (cathode). It is a fuel cell system provided with twenty. The type of fuel cell 1 is, for example, polymer electrolyte type (PEFC; Polymer Electrolyte Fuel Cell), phosphoric acid type (PAFC; Phosphoric Acid Fuel Cell), solid oxide type (SOFC; Solid Oxide Fuel Cell), alkali electrolyte type (PEFC) Such as Alkaline Fuel Cell).

燃料極2には、燃料通路11を介して燃料ガスが供給され、空気極3には、空気通路12を介して酸素を含む空気が供給される。燃料極2と空気極3との間には電解質部4が設けられる。電解質部4の組成は、燃料電池1の種類に応じて決定される。例えば、PEFCの場合にはプロトン(水素イオンH+)の伝導性を持った高分子膜(フッ素系膜)が使用される。また、AFCの場合には、水酸化物イオン(OH-)の伝導性を持った電解液(水酸化ナトリウムや水酸化カリウムなどの水溶液)に含浸された高分子膜,多孔質体などが使用される。 Fuel gas is supplied to the fuel electrode 2 through the fuel passage 11, and air containing oxygen is supplied to the air electrode 3 through the air passage 12. An electrolyte unit 4 is provided between the fuel electrode 2 and the air electrode 3. The composition of the electrolyte unit 4 is determined according to the type of fuel cell 1. For example, in the case of PEFC, a polymer membrane (fluorine-based membrane) having conductivity of proton (hydrogen ion H + ) is used. In the case of the AFC, the hydroxide ion (OH -) electrolyte having conductivity (aqueous solution such as sodium hydroxide or potassium hydroxide) to the impregnated polymer film, is used a porous material Be done.

燃料極2,空気極3には、電極表面に付着(残留)している水分の量を把握すべく、電極2,3間の電気抵抗値を計測する抵抗センサー15が取り付けられる。ここでは、図2に示すように、燃料電池1のセル抵抗値R(すなわち、電解質部4を挟む燃料極2と空気極3との間の電気抵抗値)が計測される。抵抗センサー15で計測されたセル抵抗値Rの情報は、制御装置20に伝達される。抵抗センサー15の具体例としては、抵抗計,テスター,インピーダンス計測器などが挙げられる。なお、抵抗センサー15は、燃料電池1に内蔵させてもよいし、燃料電池1と別設してもよい。   The fuel electrode 2 and the air electrode 3 are provided with a resistance sensor 15 for measuring the electric resistance value between the electrodes 2 and 3 in order to grasp the amount of water adhering (remaining) on the electrode surface. Here, as shown in FIG. 2, the cell resistance value R of the fuel cell 1 (that is, the electrical resistance value between the fuel electrode 2 and the air electrode 3 sandwiching the electrolyte portion 4) is measured. Information on the cell resistance value R measured by the resistance sensor 15 is transmitted to the control device 20. Specific examples of the resistance sensor 15 include a resistance meter, a tester, an impedance measuring instrument, and the like. The resistance sensor 15 may be incorporated in the fuel cell 1 or may be provided separately from the fuel cell 1.

本実施形態の燃料電池1には、セル温度Tを検出する温度センサー16が設けられる。図2中に示す温度センサー16は、燃料極2の温度を検出する位置に配置されているが、温度センサー16の検出位置はこれに限定されず、空気極3や電解質部4の温度を検出してもよいし、セルスタック外表面の温度(スタック温度)を検出してもよい。また、複数箇所の温度を検出し、それらの平均値をセル温度Tとして検出,算出する構成としてもよい。   The fuel cell 1 of the present embodiment is provided with a temperature sensor 16 for detecting the cell temperature T. Although the temperature sensor 16 shown in FIG. 2 is disposed at a position for detecting the temperature of the fuel electrode 2, the detection position of the temperature sensor 16 is not limited to this, and the temperature of the air electrode 3 or the electrolyte portion 4 is detected. Alternatively, the temperature of the outer surface of the cell stack (stack temperature) may be detected. Further, temperatures at a plurality of locations may be detected, and the average value thereof may be detected and calculated as the cell temperature T.

図2に示すように、燃料通路11には燃料加湿器13が介装され、空気通路12には空気加湿器14が介装される。燃料加湿器13は、燃料通路11に水滴や水蒸気を供給することで、燃料ガスの湿度を上昇させるように機能する。同様に、空気加湿器14は空気極3に導入される空気の湿度を上昇させる機能を持つ。これらの加湿器13,14から供給される水は、車載の水タンクにあらかじめ補充しておいてもよいし、燃料電池1のオフガスから回収される凝結水を再利用してもよい。加湿器13,14の作動状態は、制御装置20が管理する。図2では、オフガスから凝結水を回収して再利用するタイプの加湿器13,14を例示する。   As shown in FIG. 2, a fuel humidifier 13 is interposed in the fuel passage 11, and an air humidifier 14 is interposed in the air passage 12. The fuel humidifier 13 functions to raise the humidity of the fuel gas by supplying water droplets or water vapor to the fuel passage 11. Similarly, the air humidifier 14 has a function of increasing the humidity of the air introduced to the air electrode 3. The water supplied from the humidifiers 13 and 14 may be previously replenished to a vehicle water tank, or the condensed water recovered from the off gas of the fuel cell 1 may be reused. The control device 20 manages the operating state of the humidifiers 13 and 14. In FIG. 2, the humidifiers 13 and 14 of the type which collect | recovers condensed water from off-gas and recycle | reuse are illustrated.

加湿器13,14は、少なくとも「水素と酸素とが化合して水が生成される一方の電極」に気体を供給する通路上に設けられる。例えば、PEFCの場合には、少なくとも空気通路12に空気加湿器14が設けられ、燃料加湿器13は省略可能である。また、AFCの場合には、少なくとも燃料通路11に燃料加湿器13が設けられ、空気加湿器14は省略可能である。本実施形態の加湿器13,14は、凝結水を回収すべくオフガスを冷却する熱交換器としての機能を持つ。これにより、オフガスに含まれる水分が再利用される。凝縮水が回収された後のオフガスは、再び燃料通路11や空気通路12に導入されることとしてもよいし、オフガス浄化装置を介して車外へ排出してもよい。   The humidifiers 13 and 14 are provided on a passage that supplies a gas to at least “one electrode where hydrogen and oxygen combine to generate water”. For example, in the case of PEFC, at least the air passage 12 is provided with the air humidifier 14 and the fuel humidifier 13 can be omitted. Further, in the case of AFC, the fuel humidifier 13 is provided at least in the fuel passage 11, and the air humidifier 14 can be omitted. The humidifiers 13 and 14 of the present embodiment have a function as a heat exchanger for cooling off gas to recover condensed water. Thereby, the water contained in the off gas is reused. The off gas after the condensed water is recovered may be introduced into the fuel passage 11 or the air passage 12 again, or may be discharged outside the vehicle through the off gas purification device.

ここで、PEFCのセル構造及び反応式を図3(A)に示し、AFCのセル構造及び反応式を図3(B)に示す。燃料電池1の基本構造は、その種類に関わらずほぼ同一である。すなわち、燃料極2にはアノード電極層5,水素拡散層7,水素セパレーター9が設けられ、空気極3にはカソード電極層6,酸素拡散層8,酸素セパレーター10が設けられる。
電極層5,6は、触媒貴金属(白金や白金ルテニウムなど)を担持した導電性の担体と電解質との複合体である。担体は電子が伝導されるチャンネル(通り道)として機能し、電解質はイオンが伝導されるチャンネルとして機能する。
Here, the cell structure and reaction formula of PEFC are shown in FIG. 3 (A), and the cell structure and reaction formula of AFC are shown in FIG. 3 (B). The basic structure of the fuel cell 1 is almost the same regardless of its type. That is, the fuel electrode 2 is provided with an anode electrode layer 5, a hydrogen diffusion layer 7 and a hydrogen separator 9, and the air electrode 3 is provided with a cathode electrode layer 6, an oxygen diffusion layer 8 and an oxygen separator 10.
The electrode layers 5 and 6 are a composite of a conductive support on which a catalytic noble metal (such as platinum or platinum-ruthenium) is supported and an electrolyte. The carrier functions as a channel (passage) through which electrons are conducted, and the electrolyte functions as a channel through which ions are conducted.

拡散層7,8は、電極層5,6での反応物質を効率よく拡散しつつ、導電性や水分の流動性を維持するための多孔体である。これらの拡散層7,8は、例えばカーボンペーパーやカーボンクロスなどに撥水性の高い樹脂を含浸させることで形成される。
セパレーター9,10は、拡散層7,8に対して燃料ガスや空気を均一に拡散させるための多孔質部材であり、導電性物質で形成される。セパレーター9,10の表面には溝が設けられ、その表面を拡散層7,8に対して密着させることで、気体の流路が形成される。また、セパレーター9,10の裏面や内部には冷却水が流通する流路が設けられ、冷却水通路17が接続される。
The diffusion layers 7 and 8 are porous bodies for maintaining the conductivity and the fluidity of water while efficiently diffusing the reactant in the electrode layers 5 and 6. These diffusion layers 7 and 8 are formed, for example, by impregnating carbon paper, carbon cloth or the like with a highly water-repellent resin.
The separators 9 and 10 are porous members for uniformly diffusing fuel gas and air into the diffusion layers 7 and 8, and are formed of a conductive material. Grooves are provided on the surfaces of the separators 9 and 10, and by bringing the surfaces into close contact with the diffusion layers 7 and 8, gas flow paths are formed. Moreover, the flow path through which a cooling water distribute | circulates is provided in the back surface and the inside of the separators 9 and 10, and the cooling water passage 17 is connected.

電解質部4の内部を移動するイオンは、図3(A)に示すPEFCではプロトンH+であり、図3(B)に示すAFCでは水酸化物イオンOH-である。したがって、水素と酸素とが化合して水が生成される電極は、PEFCでは空気極3となり、AFCでは燃料極2となる。
本実施形態の燃料電池1では、水が生成される一方の電極が、図4(A)に示す構造を有する。すなわちこの構造は、PEFCでは少なくとも空気極3のカソード電極層6に適用され、AFCでは少なくとも燃料極2のアノード電極層5に適用される。
The ions moving inside the electrolyte unit 4 are proton H + in PEFC shown in FIG. 3A and hydroxide ions OH in AFC shown in FIG. 3B. Therefore, an electrode from which hydrogen and oxygen combine to form water is the air electrode 3 in PEFC and the fuel electrode 2 in AFC.
In the fuel cell 1 of the present embodiment, one of the electrodes from which water is generated has a structure shown in FIG. 4 (A). That is, this structure is applied to at least the cathode electrode layer 6 of the air electrode 3 in PEFC, and applied to at least the anode electrode layer 5 of the fuel electrode 2 in AFC.

図4(A)中の符号31は炭素担体(カーボンブラック,担体)であり、符号32は触媒金属(白金粒子や白金ルテニウム粒子)が担持されてなる触媒部である。また、符号33はアイオノマー(電解質ポリマー)が固定されたアイオノマー部であり、符号34は親水部である。親水部34は、炭素担体31の表面に親水処理(酸化処理)を施し、酸性官能基を結合させることで形成される。酸性官能基の種類としては、水酸基,カルボキシ基,カルボニル基,キノン基などが挙げられる。なお、親水部34を炭素担体31の一部とみなせば、炭素担体31自体が親水性を有するものといえる。   In FIG. 4A, reference numeral 31 denotes a carbon support (carbon black, support), and reference numeral 32 denotes a catalyst portion on which a catalyst metal (platinum particles or platinum-ruthenium particles) is supported. Further, reference numeral 33 denotes an ionomer part to which an ionomer (electrolyte polymer) is fixed, and reference numeral 34 denotes a hydrophilic part. The hydrophilic portion 34 is formed by subjecting the surface of the carbon carrier 31 to a hydrophilic treatment (oxidation treatment) to bind an acidic functional group. Examples of the type of the acidic functional group include a hydroxyl group, a carboxy group, a carbonyl group and a quinone group. When the hydrophilic portion 34 is regarded as a part of the carbon carrier 31, it can be said that the carbon carrier 31 itself has hydrophilicity.

アイオノマー部33は、少なくとも触媒金属が露出するように、触媒部32の周囲に固定される。好ましくは、触媒部32の周囲を親水部34が囲むように、触媒部32に対して間隔を空けてアイオノマー部33が配置される。図4(A)に示すように、アイオノマー部33が触媒部32を被覆しないように、比較的少量のアイオノマーが炭素担体31の表面に固定される。本実施形態のアイオノマーの体積比(電極層5,6における体積比)は、60%未満とする。ただし、電極層5,6におけるアイオノマーの含有量が少なすぎる場合には炭素担体31の結着性が低下することから、体積比の下限値は10%(体積比を10%以上)とする。   The ionomer portion 33 is fixed around the catalyst portion 32 so that at least the catalyst metal is exposed. Preferably, the ionomer portion 33 is disposed at a distance from the catalyst portion 32 so that the hydrophilic portion 34 surrounds the catalyst portion 32. As shown in FIG. 4A, a relatively small amount of ionomer is fixed to the surface of the carbon support 31 so that the ionomer portion 33 does not cover the catalyst portion 32. The volume ratio (volume ratio in the electrode layers 5 and 6) of the ionomer of the present embodiment is less than 60%. However, when the content of the ionomer in the electrode layers 5 and 6 is too small, the binding property of the carbon carrier 31 is reduced, so the lower limit of the volume ratio is 10% (volume ratio is 10% or more).

上記の通り、図4(A)に示す構造は、少なくとも水が生成される一方の電極に適用される。他方の電極については、同様の構造としてもよいし、図4(B)に示すような構造としてもよい。図4(B)に示す構造は、炭素担体31が親水部34を持たず、アイオノマー部33が触媒金属を被覆するように、比較的多量のアイオノマーが炭素担体31の表面に固定された構造である。この場合、アイオノマーの体積比は、少なくとも水が生成される一方の電極における、アイオノマーの体積比よりも大きいことが好ましく、60%未満でなくてもよい。   As described above, the structure shown in FIG. 4A is applied to at least one of the electrodes from which water is generated. The other electrode may have a similar structure, or may have a structure as shown in FIG. 4 (B). The structure shown in FIG. 4B has a structure in which a relatively large amount of ionomer is fixed to the surface of the carbon support 31 such that the carbon support 31 does not have the hydrophilic portion 34 and the ionomer 33 covers the catalytic metal. is there. In this case, the volume ratio of the ionomer is preferably larger than that of the ionomer at least at one electrode where water is generated, and may not be less than 60%.

制御装置20(FC-ECU)は、燃料電池1及び加湿器13,14の作動状態や、燃料電池1の冷却能力(冷却水やラジエーター50の作動状態など)を制御する電子制御装置〔ECU(Electronic Control Unit)〕である。制御装置20の内部には、内部バスを介して互いに接続されたプロセッサ,メモリ,インタフェイス装置などが内蔵される。プロセッサは、例えば制御ユニット(制御回路)や演算ユニット(演算回路),キャッシュメモリ(レジスタ)などを内蔵する処理装置である。また、メモリは、プログラムや作業中のデータが格納される記憶装置であり、ROM(Read Only Memory),RAM(Random Access Memory),不揮発メモリなどを含む。制御装置20で実施される制御の内容は、ファームウェアやアプリケーションプログラムとしてメモリに記録,保存されている。プログラムの内容は、プログラムの実行時にメモリ空間内に展開され、プロセッサで実行される。   The control device 20 (FC-ECU) is an electronic control device [ECU (control device) for controlling the operating states of the fuel cell 1 and the humidifiers 13 and 14 and the cooling capacity of the fuel cell 1 (cooling water, operating state of the radiator 50, etc. Electronic Control Unit)]. Inside the control device 20, a processor, a memory, an interface device, etc. connected to each other via an internal bus are incorporated. The processor is, for example, a processing unit including a control unit (control circuit), an operation unit (operation circuit), a cache memory (register), and the like. The memory is a storage device in which programs and data during work are stored, and includes a ROM (Read Only Memory), a RAM (Random Access Memory), a non-volatile memory, and the like. The contents of control performed by the control device 20 are recorded and stored in the memory as firmware or an application program. The contents of the program are expanded in the memory space when the program is executed and executed by the processor.

制御装置20には、燃料加湿器13,空気加湿器14,抵抗センサー15が接続される。制御装置20は、抵抗センサー15で検出されたセル抵抗値Rに基づき、炭素担体31の表面に存在する水分量の推定値である推定水分量Wを算出する機能と、その推定水分量Wに基づいて加湿器13,14の作動状態や燃料電池1の冷却能力を制御する機能とを併せ持つ。また、制御装置20は、燃料電池1の起動時期と定常運転中とで異なる制御を実施する。   The fuel humidifier 13, the air humidifier 14, and the resistance sensor 15 are connected to the control device 20. The controller 20 has a function of calculating an estimated water content W which is an estimated value of the water content existing on the surface of the carbon carrier 31 based on the cell resistance value R detected by the resistance sensor 15 and the estimated water content W It also has a function to control the operating state of the humidifiers 13 and 14 and the cooling capacity of the fuel cell 1 based on that. Further, the control device 20 implements different control between the start timing of the fuel cell 1 and the steady operation.

ここでいう「起動時期」とは、動作を停止していた燃料電池1が作動し始めてから所定の安定始動条件が成立するまで(例えば、所定時間が経過するまで、あるいは、所定の出力で発電させた状態でセル電圧が所定値以下になるまで)の時期である。また、所定の安定始動条件が成立した後、燃料電池1の動作が停止するまでの期間が「定常運転中」である。なお、停止中の燃料電池1を作動させるための条件(発電条件)は任意に設定することができる。例えば、燃料電池システムが適用された車両の内燃機関が安定的に作動している状態であることや、内燃機関の燃料残量が所定量以上であること、車載バッテリーの充電率が所定値以下になっていることなどが挙げられる。   Here, the “start time” refers to the time when a predetermined stable start condition is satisfied after the fuel cell 1 whose operation has been stopped starts operating (for example, until a predetermined time elapses, or when power is generated at a predetermined output) Until the cell voltage falls below a predetermined value). In addition, the period until the operation of the fuel cell 1 is stopped after the predetermined stable start condition is satisfied is "during steady operation". In addition, the conditions (power generation conditions) for operating the fuel cell 1 in stop can be set arbitrarily. For example, the internal combustion engine of the vehicle to which the fuel cell system is applied is stably operating, the fuel remaining amount of the internal combustion engine is a predetermined amount or more, and the charging rate of the on-vehicle battery is a predetermined value or less And the like.

[2.制御構成]
制御装置20には、加湿器13,14の作動状態を制御するための要素として、推定部21,制御部22が設けられる。また、制御部22には、冷却能力調整部23,ガス流量調整部24,湿度調整部25が設けられる。これらの要素は、制御装置20の機能を便宜的に分類して示したものであり、個々の要素を独立したプログラムとして記述してもよいし、これらの機能を兼ね備えた複合プログラムとして記述してもよい。これらのプログラムは、ROM,RAM,不揮発メモリ,リムーバブルメディア内に記録され、プロセッサによって実行される。あるいは、これらのプログラムが光ディスクや半導体メモリなどの記録媒体(リムーバブルメディア)に記録され、記録媒体ドライブを介してメモリ上に読み込まれた上で実行される。
[2. Control configuration]
The control unit 20 is provided with an estimation unit 21 and a control unit 22 as elements for controlling the operation states of the humidifiers 13 and 14. Further, the control unit 22 is provided with a cooling capacity adjustment unit 23, a gas flow rate adjustment unit 24, and a humidity adjustment unit 25. These elements are obtained by classifying the functions of the control device 20 for convenience, and each element may be described as an independent program, or described as a compound program having these functions. It is also good. These programs are recorded in ROM, RAM, non-volatile memory, removable media, and executed by a processor. Alternatively, these programs are recorded on a recording medium (removable medium) such as an optical disk or a semiconductor memory, and read and executed on the memory via a recording medium drive.

推定部21は、電極の電気抵抗値に基づき、炭素担体31の表面に存在する推定水分量Wを算出するものである。ここでは、少なくとも水が生成される一方の電極についての推定水分量Wが算出される。他方の電極についての水分量は算出しなくてもよい。推定水分量Wは、抵抗センサー15での検出値に基づいて推定される。ここで、セル抵抗値Rと推定水分量Wとの対応関係を図5に例示する。セル抵抗値Rは、炭素担体31の表面に存在する推定水分量Wが多いほど減少し、推定水分量Wが少ないほど増加する。したがって、抵抗センサー15で検出されたセル抵抗値Rが低いほど、推定水分量Wが多いものと推定することができる。なお、セル抵抗値Rと推定水分量Wとの対応関係は、燃料極2,空気極3のそれぞれについて(電極毎に)あらかじめ試験や実験を通して取得しておけばよい。   The estimation unit 21 calculates an estimated water content W present on the surface of the carbon carrier 31 based on the electrical resistance value of the electrode. Here, the estimated water content W for at least one of the electrodes from which water is generated is calculated. The water content of the other electrode may not be calculated. The estimated water content W is estimated based on the detection value of the resistance sensor 15. Here, the correspondence between the cell resistance value R and the estimated moisture amount W is illustrated in FIG. The cell resistance value R decreases as the estimated amount of water W present on the surface of the carbon carrier 31 increases, and increases as the estimated amount of water W decreases. Therefore, it can be estimated that, as the cell resistance value R detected by the resistance sensor 15 is lower, the estimated water content W is larger. The correspondence between the cell resistance value R and the estimated water content W may be obtained in advance for each of the fuel electrode 2 and the air electrode 3 (for each electrode) through a test or experiment.

制御部22は、少なくとも水が生成される一方の電極に関して、炭素担体31の表面に存在する水分量を制御するものである。他方の電極についての水分量は、制御対象から除外してもよい。ここでは、燃料電池1の起動時期における水分量を、定常運転中における水分量よりも増大させる制御が実施される。本実施形態の制御部22は、起動時期に触媒部32の触媒金属が水に被覆され、定常運転中にはその触媒金属が露出するように、水分量を制御する機能を持つ。   The control unit 22 controls the amount of water present on the surface of the carbon carrier 31 with respect to at least one electrode from which water is generated. The water content of the other electrode may be excluded from the control target. Here, control is performed to increase the amount of water at the start time of the fuel cell 1 more than the amount of water during steady operation. The control unit 22 of the present embodiment has a function of controlling the amount of water so that the catalyst metal of the catalyst unit 32 is coated with water at the start time, and the catalyst metal is exposed during steady operation.

ここで、炭素担体31の表面における起動時期の水分分布を図6(A)に示し、定常運転中の水分分布を図6(B)に示す。燃料電池1が起動した直後には、触媒部32の周囲が水35に囲まれた状態とされる。これにより、例えばPEFCの場合には触媒金属の表面に酸素イオンO2-が接近しにくくなり、水素と酸素との化合がブロックされる。同様に、AFCの場合には触媒金属の表面に水酸化物イオンOH-が接近しにくくなり、水の生成がブロックされる。したがって、燃料電池1の起動直後に発生しうる電圧オーバーシュートが抑制される。 Here, the water distribution of the start time on the surface of the carbon carrier 31 is shown in FIG. 6 (A), and the water distribution during steady operation is shown in FIG. 6 (B). Immediately after the fuel cell 1 is started, the catalyst portion 32 is surrounded by the water 35. As a result, for example, in the case of PEFC, the oxygen ion O 2− becomes difficult to approach the surface of the catalyst metal, and the compound of hydrogen and oxygen is blocked. Similarly, hydroxide ions OH on the surface of the catalyst metal in the case of AFC - hardly approached, water production is blocked. Therefore, voltage overshoot that may occur immediately after start-up of the fuel cell 1 is suppressed.

一方、燃料電池1の定常運転中には、触媒部32の周囲から水35が取り除かれ、触媒金属が露出した状態となる。これに加えて、炭素担体31の表面に親水部34が形成されていることから、水35がアイオノマー部33,親水部34の表面に沿って濡れ広がるように分布し、触媒部32とアイオノマー部33との間が水35によって架橋される。これにより、例えばPEFCの場合には触媒金属の表面に酸素イオンO2-やプロトンH+が接近しやすくなり、水素と酸素との化合が促進される。したがって、定常運転中の発電状態が安定化する。 On the other hand, during the steady operation of the fuel cell 1, the water 35 is removed from the periphery of the catalyst portion 32, and the catalyst metal is exposed. In addition to this, since the hydrophilic portion 34 is formed on the surface of the carbon carrier 31, the water 35 is distributed so as to spread wet along the surfaces of the ionomer portion 33 and the hydrophilic portion 34, and the catalyst portion 32 and the ionomer portion It is cross-linked by water 35 with 33. Thus, for example, in the case of PEFC, oxygen ions O 2 − and protons H + easily approach the surface of the catalyst metal, and the combination of hydrogen and oxygen is promoted. Therefore, the power generation state during steady operation is stabilized.

本実施形態の制御部22は、燃料電池1の起動時期に図6(A)の水分分布を実現すべく、三種類の制御を実施する。第一の制御は、通常よりも湿潤な状態にしておくことで、水分残存量を確保する制御である。この制御は、おもに燃料電池1の停止時に実施されるが、燃料電池1の起動時期に実施することも可能である。第一の制御は、冷却能力調整部23で実施される。第二の制御は、燃料電池1に供給される気体(燃料ガスや空気)の流量を変更することによって、水分残存量を確保する制御である。この制御は、燃料電池1の起動時期にガス流量調整部24で実施される。第三の制御は、燃料電池1に供給される気体(燃料ガスや空気)の湿度を変更することによって、水分残存量を確保する制御である。この制御は、燃料電池1の起動時期に湿度調整部25で実施される。   The control unit 22 of the present embodiment performs three types of control in order to realize the water distribution of FIG. 6A at the start time of the fuel cell 1. The first control is control to secure the remaining amount of water by keeping the state wet than usual. This control is mainly performed when the fuel cell 1 is stopped, but may be performed at the start of the fuel cell 1. The first control is performed by the cooling capacity adjustment unit 23. The second control is control for securing the remaining amount of water by changing the flow rate of gas (fuel gas or air) supplied to the fuel cell 1. This control is performed by the gas flow rate adjustment unit 24 at the start time of the fuel cell 1. The third control is control for securing the remaining amount of water by changing the humidity of the gas (fuel gas or air) supplied to the fuel cell 1. This control is performed by the humidity adjustment unit 25 at the start time of the fuel cell 1.

冷却能力調整部23は、燃料電池1の冷却能力を調整するものである。ここでは、推定水分量Wに基づく冷却能力調整と、セル温度Tに基づく冷却能力調整とが実施される。
前者の冷却能力調整では、推定水分量Wが少ないほど燃料電池1の冷却能力が強められ、推定水分量Wが多いほど冷却能力が弱められる。冷却能力を強化するための手段としては、冷却水ポンプ48の圧送量を増加させる(作動速度を加速する)ことやラジエーターファン51を加速すること、開閉グリル52の開口面積を広げること、ラジエーター50を迂回する流量を減少させることなどが挙げられる。燃料電池1の冷却能力を強めることで、燃料極2や空気極3自体の温度(スタック温度やセル温度T)が低下し、電極表面が通常よりも湿潤な状態になる。これにより、次回の起動時期における水分残存量が確保され、図6(A)の水分分布が実現する。
The cooling capacity adjustment unit 23 adjusts the cooling capacity of the fuel cell 1. Here, the cooling capacity adjustment based on the estimated water content W and the cooling capacity adjustment based on the cell temperature T are performed.
In the former adjustment of the cooling capacity, the smaller the estimated water content W, the stronger the cooling capacity of the fuel cell 1, and the larger the estimated water content W, the weaker the cooling capacity. As means for enhancing the cooling capacity, the pumping amount of the cooling water pump 48 is increased (acceleration speed is accelerated), the radiator fan 51 is accelerated, the opening area of the opening / closing grille 52 is expanded, and the radiator 50 is increased. And reducing the flow rate bypassing the By increasing the cooling capacity of the fuel cell 1, the temperature (the stack temperature and the cell temperature T) of the fuel electrode 2 and the air electrode 3 themselves is lowered, and the electrode surface becomes more wet than usual. As a result, the remaining amount of water at the next start time is secured, and the water distribution of FIG. 6A is realized.

後者の冷却能力調整では、セル温度Tが高いほど燃料電池1の冷却能力が強められ、セル温度Tが低いほど冷却能力が弱められる。冷却能力を強化するための手段については、推定水分量Wに基づく冷却能力調整と同様である。セル温度Tが高いほど燃料電池1の冷却能力を強めることで、燃料極2や空気極3自体の温度(スタック温度やセル温度T)が低下し、電極表面が通常よりも湿潤な状態になる。これにより、次回の起動時期における水分残存量が確保され、図6(A)の水分分布が実現する。   In the latter cooling capacity adjustment, the higher the cell temperature T, the stronger the cooling capacity of the fuel cell 1, and the lower the cell temperature T, the weaker the cooling capacity. The means for enhancing the cooling capacity is the same as the cooling capacity adjustment based on the estimated water content W. As the cell temperature T is higher, the cooling capacity of the fuel cell 1 is intensified, so that the temperature of the fuel electrode 2 or the air electrode 3 itself (stack temperature or cell temperature T) decreases and the electrode surface becomes wet than usual. . As a result, the remaining amount of water at the next start time is secured, and the water distribution of FIG. 6A is realized.

ガス流量調整部24は、推定水分量Wに基づいて燃料電池1のガス流量を調整するものである。ここでは、少なくとも水が生成される一方の電極に供給される気体の流量が調整される。例えばPEFCでは、空気極3に供給される空気の流量が調整される。空気の流量の変更するには、空気ブロアー47の回転速度を調節すればよい。本実施形態のガス流量調整部24は、推定水分量Wが少ないほどガス流量を減量し、推定水分量Wが多いほどガス流量を増量する。このような制御により、水分残存量が多い場合にはその水分が飛散,拡散して減少しやすくなる。反対に、水分残存量が少ない場合には水分の飛散,拡散が抑制され、水分が増加しやすくなる。   The gas flow rate adjustment unit 24 adjusts the gas flow rate of the fuel cell 1 based on the estimated water content W. Here, the flow rate of the gas supplied to at least one of the electrodes from which water is generated is adjusted. For example, in PEFC, the flow rate of air supplied to the air electrode 3 is adjusted. To change the flow rate of air, the rotational speed of the air blower 47 may be adjusted. The gas flow rate adjustment unit 24 of the present embodiment reduces the gas flow rate as the estimated water content W decreases, and increases the gas flow rate as the estimated water content W increases. By such control, when the amount of residual water is large, the water is likely to scatter, diffuse and decrease. On the other hand, when the amount of residual water is small, scattering and diffusion of the water are suppressed, and the water tends to increase.

湿度調整部25は、推定水分量Wに基づいて燃料電池1のガス湿度を調整するものである。ここでは、少なくとも水が生成される一方の電極に供給される気体の湿度が調整される。他方の電極に供給される気体の湿度に関しては、制御対象から除外してもよい。例えばPEFCでは、少なくとも空気極3に供給される空気の湿度が調整される。
本実施形態の湿度調整部25は、推定水分量Wに基づいてガス湿度をフィードバック制御する機能を持つ。すなわち、湿度調整部25は、推定部21で推定された推定水分量Wを「計測値」として、その計測値を所定の「目標値」に漸近させるフィードバック制御を実施する。
The humidity adjustment unit 25 adjusts the gas humidity of the fuel cell 1 based on the estimated water content W. Here, the humidity of the gas supplied to at least one of the electrodes from which water is produced is adjusted. The humidity of the gas supplied to the other electrode may be excluded from the control targets. For example, in PEFC, the humidity of air supplied to at least the air electrode 3 is adjusted.
The humidity adjustment unit 25 of the present embodiment has a function of performing feedback control of gas humidity based on the estimated water content W. That is, the humidity adjustment unit 25 performs feedback control to make the measured value asymptotically approach a predetermined “target value”, with the estimated moisture amount W estimated by the estimation unit 21 as the “measured value”.

以下、定常運転中の目標値を「定常時目標水分量W0」と呼び、起動時の目標値を「起動時目標水分量W1」と呼ぶ。起動時目標水分量W1は、少なくとも定常時目標水分量W0よりも大きな値に設定される(W1>W0)。定常時目標水分量W0,起動時目標水分量W1の具体的な値は、あらかじめ設定された固定値としてもよいし、燃料電池1の作動状態(環境温度,環境湿度,発電出力など)に応じて設定される可変値としてもよい。例えば、環境湿度が高く、炭素担体31の表面における推定水分量Wが増加しやすいと考えられる場合には、目標水分量W0,W1をやや低めに設定してもよい。 Hereinafter, the target value during steady-state operation is referred to as "steady-state target water content W 0 ", and the target value upon startup is referred to as "start-up target water content W 1 ". The startup target moisture amount W 1 is set to a value larger than at least the steady-state target moisture amount W 0 (W 1 > W 0 ). The specific values of the constant target water content W 0 and the startup target water content W 1 may be fixed values set in advance, or the operating state of the fuel cell 1 (environmental temperature, environmental humidity, generated output, etc.) It may be a variable value set according to For example, when the environmental humidity is high and it is considered that the estimated moisture amount W on the surface of the carbon carrier 31 is likely to increase, the target moisture amounts W 0 and W 1 may be set to be slightly lower.

湿度調整部25は、推定部21で推定された推定水分量W(計測値)から目標値を減じた値が大きいほど、加湿器13,14から噴射される水分を減少させて気体の湿度を低下させる。一方、推定部21で推定された推定水分量Wから目標値を減じた値が小さいほど、加湿器13,14から噴射される水分を増加させて気体の湿度を上昇させる。このような制御により、推定部21で推定された推定水分量Wが目標値に漸近する。   The humidity adjustment unit 25 reduces the amount of water injected from the humidifiers 13 and 14 as the value obtained by subtracting the target value from the estimated water content W (measured value) estimated by the estimation unit 21 increases, thereby reducing the humidity of the gas. Reduce. On the other hand, as the value obtained by subtracting the target value from the estimated water content W estimated by the estimation unit 21 is smaller, the water injected from the humidifiers 13 and 14 is increased to raise the humidity of the gas. By such control, the estimated water content W estimated by the estimation unit 21 approaches the target value.

[3.フローチャート]
[3−1.FC停止時]
図7は、燃料電池1の停止時における制御例を示すフローチャートである。本フローは、燃料電池1の作動中に所定の周期で繰り返し実施されるが、発電に関する制御については記載を省略している。ステップA1では、FC停止条件(燃料電池1の停止条件)が成立するか否かが判定される。FC停止条件の具体例としては、バッテリー43の充電率が所定値に達したことや、燃料タンク45に残留している燃料量が所定値以下まで減少したことなどが挙げられる。FC停止条件が成立しない場合には、FC停止条件が成立するまで条件判定が繰り返される。
[3. flowchart]
[3-1. At FC stop]
FIG. 7 is a flowchart showing an example of control when the fuel cell 1 is stopped. The present flow is repeatedly performed in a predetermined cycle while the fuel cell 1 is in operation, but a description of control relating to power generation is omitted. In step A1, it is determined whether an FC stop condition (stop condition of the fuel cell 1) is satisfied. Specific examples of the FC stop condition include that the charging rate of the battery 43 has reached a predetermined value, and that the amount of fuel remaining in the fuel tank 45 has decreased to a predetermined value or less. If the FC stop condition is not satisfied, the condition determination is repeated until the FC stop condition is satisfied.

一方、FC停止条件が成立すると、環境温度,環境湿度,発電出力(要求出力)などの各種情報が制御装置20で取得される(ステップA2)。また、抵抗センサー15で検出されたセル抵抗値Rの情報は、推定部21に伝達される(ステップA3)。推定部21は、セル抵抗値Rに基づいて推定水分量Wを算出する(ステップA4)。推定水分量Wは、例えば図5に示すようなセル抵抗値Rと推定水分量Wとの関係に基づいて推定される。   On the other hand, when the FC stop condition is satisfied, various information such as the environmental temperature, the environmental humidity, and the power generation output (request output) is acquired by the control device 20 (step A2). Further, the information of the cell resistance value R detected by the resistance sensor 15 is transmitted to the estimation unit 21 (step A3). The estimation unit 21 calculates an estimated water content W based on the cell resistance value R (step A4). The estimated water content W is estimated based on, for example, the relationship between the cell resistance value R and the estimated water content W as shown in FIG.

続いて制御部22において、推定水分量Wが第一所定値W1以上であるか否かが判定される(ステップA5)。第一所定値W1は、図6(A)に示すような起動時期の水分分布を実現しうる水分量の上限値である。ここで、W1≦Wである場合には、水分量がやや過剰であることになるため、冷却能力調整部23が燃料電池1の冷却能力を弱める制御を実施する(ステップA7)。例えば、冷却水ポンプ48の圧送量が削減され、またはラジエーターファン51が減速される。あるいは、開閉グリル52の開口面積が狭められ、またはラジエーター50を迂回する冷却水の流量が増加するように、流路切替バルブ49が制御される。また、続くステップA8では、燃料電池1に供給されていた気体(燃料ガス,空気)を外部に排出するためのパージ操作が実行されて、ステップA12に進む。このように、燃料電池1の冷却能力を弱めつつパージ操作を実行することで、燃料電池1のスタック温度やセル温度Tが上昇し、電極表面の過剰な水分が除去される。 Subsequently, the control unit 22 determines whether the estimated water content W is equal to or greater than a first predetermined value W 1 (step A5). The first predetermined value W 1 is the upper limit of the amount of moisture can be realized the water distribution of such starting time as shown in FIG. 6 (A). Here, if W 1 ≦ W, the water content is slightly excessive, so that the cooling capacity adjustment unit 23 performs control to weaken the cooling capacity of the fuel cell 1 (step A 7). For example, the pumping amount of the cooling water pump 48 is reduced, or the radiator fan 51 is decelerated. Alternatively, the flow path switching valve 49 is controlled such that the opening area of the opening and closing grille 52 is narrowed or the flow rate of the cooling water bypassing the radiator 50 is increased. Further, in the subsequent step A8, a purge operation for discharging the gas (fuel gas, air) supplied to the fuel cell 1 to the outside is executed, and the process proceeds to step A12. As described above, by performing the purge operation while weakening the cooling capacity of the fuel cell 1, the stack temperature of the fuel cell 1 and the cell temperature T rise, and the excess water on the electrode surface is removed.

一方、ステップA5でW1>Wである場合にはステップA6に進み、推定水分量Wが第二所定値W2未満であるか否かが判定される。第二所定値W2は、図5中に示す通り、第一所定値W1よりも小さい値を持ち、図6(A)に示すような起動時期の水分分布を実現しうる水分量の下限値である。ここで、W<W2である場合には、水分量がやや不足していることになるため、冷却能力調整部23が燃料電池1の冷却能力を強める制御を実施する(ステップA9)。また、この場合のパージ操作は、燃料電池1が完全に停止するまでの間に電極表面をより湿潤な状態にすべく一時的に停止されて(ステップA10)、ステップA12に進む。このように、燃料電池1の冷却能力を強めつつ一時的にパージ操作を停止させることで、燃料電池1のスタック温度やセル温度Tが低下し、電極表面の水分量が増加する。 On the other hand, when a W 1> W in step A5 proceeds to step A6, whether the estimated amount of water W is less than the second predetermined value W 2 is determined. The second predetermined value W 2 has a value smaller than the first predetermined value W 1 as shown in FIG. 5, and the lower limit of the amount of water which can realize the water distribution at the start time as shown in FIG. It is a value. Here, in the case of W <W 2 it is to become the moisture content is somewhat insufficient to implement the control of the cooling ability adjustment section 23 enhances the cooling capacity of the fuel cell 1 (step A9). Further, the purge operation in this case is temporarily stopped to make the electrode surface more wet before the fuel cell 1 is completely stopped (step A10), and the process proceeds to step A12. As described above, by temporarily stopping the purge operation while strengthening the cooling capacity of the fuel cell 1, the stack temperature of the fuel cell 1 and the cell temperature T decrease, and the amount of water on the electrode surface increases.

ステップA6でW≧W2である場合(すなわち、W2≦W<W1である場合)には、水分量が適性な範囲内にあることから、冷却能力調整部23が通常の冷却能力で燃料電池1を冷却する制御を実施するとともに(ステップA11)、パージ操作を実行する(ステップA8)。このような制御により、電極表面の水分分布が適切な状態に維持された状態で、ガスパージが進行する。また、ステップA12では、制御部22において、パージ完了条件が成立したか否かが判定される。パージ完了条件の具体例としては、FC停止条件が成立してからの経過時間が所定時間に達したことや、燃料電池1のセル電圧が所定値以下まで低下したことなどが挙げられる。パージ完了条件が不成立の場合にはステップA2に進み、引き続きパージ操作や冷却能力の調整が継続される。また、パージ完了条件が成立すると、燃料電池1の動作が停止する(ステップA13)。 If a W ≧ W 2 in step A6 (i.e., W 2 ≦ W <case of W 1) to, since the water content is within the proper range, the cooling capacity adjusting portion 23 is in the normal cooling capacity Control for cooling the fuel cell 1 is performed (step A11), and a purge operation is performed (step A8). By such control, the gas purge proceeds with the water distribution on the electrode surface maintained in an appropriate state. In step A12, the control unit 22 determines whether the purge completion condition is satisfied. Specific examples of the purge completion condition include that the elapsed time since the establishment of the FC stop condition has reached a predetermined time, and that the cell voltage of the fuel cell 1 has dropped to a predetermined value or less. If the purge completion condition is not satisfied, the process proceeds to step A2, and the purge operation and the adjustment of the cooling capacity are continued. When the purge completion condition is satisfied, the operation of the fuel cell 1 is stopped (step A13).

[3−2.FC起動時]
図9は、燃料電池1の起動時における制御例を示すフローチャートである。本フローは、燃料電池1の作動状態に関わらず、所定の周期で繰り返し実施される。ステップB1では、FC起動条件(燃料電池1の起動条件)が成立するか否かが判定される。FC起動条件の具体例としては、バッテリー43の充電率が所定値未満になったことや、他の電子制御装置(例えばエンジンECUやモーターECUなど)やドライバーからの起動要求が伝達されたことなどが挙げられる。FC起動条件が成立しない場合には、FC起動条件が成立するまで条件判定が繰り返される。
[3-2. At FC startup]
FIG. 9 is a flowchart showing an example of control when the fuel cell 1 is started. The present flow is repeatedly performed at a predetermined cycle regardless of the operating state of the fuel cell 1. In step B1, it is determined whether an FC start condition (start condition of the fuel cell 1) is satisfied. Specific examples of the FC start condition include that the charge rate of the battery 43 becomes less than a predetermined value, that a start request from another electronic control unit (for example, an engine ECU or a motor ECU) or a driver is transmitted Can be mentioned. If the FC start condition is not satisfied, the condition determination is repeated until the FC start condition is satisfied.

一方、FC起動条件が成立すると、安定始動条件が成立したか否かが判定される(ステップB2)。安定始動条件とは、前述の通り、起動時期と定常運転中とを区別するための条件である。安定始動条件が成立する場合には、通常のガス流量が設定されて(ステップB10)、燃料電池1の定常運転が実施される。一方、安定始動条件が成立しない場合(すなわち起動時期である場合)には、ガス流量を調整する制御を実施するためのフローに進む。   On the other hand, when the FC start condition is satisfied, it is determined whether the stable start condition is satisfied (step B2). As described above, the stable start condition is a condition for distinguishing between the start time and the steady operation. When the stable start condition is satisfied, a normal gas flow rate is set (step B10), and steady operation of the fuel cell 1 is performed. On the other hand, when the stable start condition is not satisfied (that is, when the start timing), the flow proceeds to the flow for performing control for adjusting the gas flow rate.

まず、環境温度,環境湿度,発電出力(要求出力)などの各種情報が制御装置20で取得される(ステップB3)。また、抵抗センサー15で検出されたセル抵抗値Rの情報が、推定部21に伝達される(ステップB4)。推定部21は、セル抵抗値Rに基づいて推定水分量Wを算出する(ステップB5)。ここでは、例えば図5に示すようなセル抵抗値Rと推定水分量Wとの関係に基づいて、推定水分量Wが推定される。 First, various information such as the environmental temperature, the environmental humidity, and the power generation output (required output) is acquired by the control device 20 (step B3). Further, information of the cell resistance value R detected by the resistance sensor 15 is transmitted to the estimation unit 21 (step B4). The estimation unit 21 calculates an estimated water content W based on the cell resistance value R (step B5). Here, the estimated water content W is estimated based on, for example, the relationship between the cell resistance value R and the estimated water content W as shown in FIG.

続いて制御部22において、推定水分量Wが第一所定値W1以上であるか否かが判定される(ステップB6)。ここで、W1≦Wである場合には水分量がやや過剰であることになるため、ガス流量調整部24がガス流量を増量する制御を実施する(ステップB7)。例えば、燃料バルブ46が開放方向に制御され(制御対象が燃料極2である場合)、あるいは空気ブロアー47の回転速度が増速される(制御対象が空気極3である場合)。これにより、電極表面の水分がガス中に拡散しやすくなり、電極表面の過剰な水分が除去される。 Subsequently, the control unit 22 determines whether the estimated water content W is equal to or more than a first predetermined value W 1 (step B6). Here, if W 1 ≦ W, the water content is slightly excessive, so the gas flow rate adjustment unit 24 performs control to increase the gas flow rate (step B 7). For example, the fuel valve 46 is controlled in the opening direction (when the control target is the fuel electrode 2) or the rotational speed of the air blower 47 is increased (when the control target is the air electrode 3). As a result, the water on the electrode surface is easily diffused into the gas, and the excess water on the electrode surface is removed.

一方、ステップB6でW1>Wである場合にはステップB8に進み、推定水分量Wが第二所定値W2未満であるか否かが判定される(ただしW2<W1)。ここで、W<W2である場合には、水分量がやや不足していることになるため、ガス流量調整部24がガス流量を減量する制御を実施する(ステップB9)。例えば、燃料バルブ46が閉鎖方向に制御され(制御対象が燃料極2である場合)、あるいは空気ブロアー47の回転速度が減速される(制御対象が空気極3である場合)。これにより、電極表面の水分がガス中に拡散しにくくなり、電極表面の水分量が増加する。 On the other hand, if W 1 > W in step B 6, the process proceeds to step B 8 to determine whether the estimated water content W is less than the second predetermined value W 2 (where W 2 <W 1 ). Here, in the case of W <W 2 it is to become the moisture content is somewhat insufficient to implement the control of the gas flow rate adjusting section 24 is reduced the gas flow rate (step B9). For example, the fuel valve 46 is controlled in the closing direction (when the control target is the fuel electrode 2) or the rotational speed of the air blower 47 is reduced (when the control target is the air electrode 3). This makes it difficult for the water on the electrode surface to diffuse into the gas, and the water content on the electrode surface increases.

また、ステップB8でW≧W2である場合(すなわち、W2≦W<W1である場合)には、水分量が適性な範囲内にあることから、ガス流量調整部24がガス流量を通常のガス流量に制御する(ステップB10)。このような制御により、電極表面の水分分布が適切な状態に維持された状態となる。なお、ステップB2で安定始動条件が成立した場合にも、ステップB10が実行される。したがって、ガス流量が調整されるのは起動時期内のみであり、定常運転中には通常のガス流量となる。 Further, when a W ≧ W 2 in step B8 (i.e., if it is W 2 ≦ W <W 1) to, since the water content is within the proper range, the gas flow rate adjusting section 24 is a gas flow rate Control to a normal gas flow rate (step B10). By such control, the water distribution on the electrode surface is maintained in an appropriate state. Note that step B10 is also executed when the stable start condition is satisfied in step B2. Therefore, the gas flow rate is adjusted only during the start time, and during normal operation, the normal gas flow rate is obtained.

図10は、燃料電池1の起動時における別の制御例を示すフローチャートである。本フローは、燃料電池1の作動状態に関わらず、所定の周期で繰り返し実施される。まず、FC起動条件(燃料電池1の起動条件)が成立するか否かが判定され(ステップC1)、FC起動条件が成立すると、環境温度,環境湿度,発電出力(要求出力)などの各種情報が制御装置20で取得され(ステップC2)、発電開始からの経過時間が計測される(ステップC3)。この経過時間の情報は、燃料電池1の起動時期と定常運転中とを区別するために用いられる。   FIG. 10 is a flowchart showing another control example at the start of the fuel cell 1. The present flow is repeatedly performed at a predetermined cycle regardless of the operating state of the fuel cell 1. First, it is judged whether or not the FC start condition (start condition of the fuel cell 1) is satisfied (step C1), and when the FC start condition is satisfied, various information such as environmental temperature, environmental humidity, power generation output (request output) Is acquired by the control device 20 (step C2), and the elapsed time from the start of power generation is measured (step C3). The information on the elapsed time is used to distinguish between the start time of the fuel cell 1 and the steady operation.

推定部21では、少なくとも水が生成される一方の電極に関して、炭素担体31の表面に存在する水分量が推定水分量Wとして算出が推定される(ステップC4)。ここでは、抵抗センサー15で検出されたセル抵抗値Rに基づき、推定水分量Wが推定される。その後、安定始動条件が成立するか否かが判定される(ステップC5)。例えば、発電開始からの経過時間が所定時間以上になったときには、安定始動条件が成立するものと判断されて、定常時目標水分量W0が設定される(ステップC6)。一方、安定始動条件が不成立の場合には、起動時目標水分量W1が設定される(ステップC7)。起動時目標水分量W1は、定常時目標水分量W0よりも大きな値とされる。 The estimation unit 21 estimates the amount of water present on the surface of the carbon carrier 31 as the estimated amount of water W for at least one of the electrodes from which water is generated (step C4). Here, the estimated water content W is estimated based on the cell resistance value R detected by the resistance sensor 15. Thereafter, it is determined whether or not the stable start condition is satisfied (step C5). For example, when the elapsed time from the start of power generation exceeds a predetermined hour, is determined that the stable starting condition is satisfied, the steady-state target water content W 0 is set (step C6). On the other hand, when the stable start condition is not established, the start time target water content W 1 is set (step C7). Starting-time target moisture content W 1 is a value larger than the steady target water content W 0.

その後、制御部22から湿度調整部25へと制御信号が出力され、ガス湿度が調整されるとともに、水分量Wのフィードバック制御が実施される(ステップC8,C9)。すなわち、燃料電池1の起動期間においては、推定水分量Wが起動時目標水分量W1に漸近する(望ましくは最終的に一致する)ように、加湿器13,14の作動状態が制御される。また、起動期間が過ぎた定常運転中には、推定水分量Wが定常時目標水分量W0に漸近する(望ましくは最終的に一致する)ように、加湿器13,14の作動状態が制御される。したがって、燃料電池1の起動期間における電極は、定常運転中よりも湿潤な状態となる。 Thereafter, a control signal is output from the control unit 22 to the humidity adjusting unit 25 to adjust the gas humidity, and feedback control of the water content W is performed (steps C8 and C9). That is, in the starting period of the fuel cell 1, the estimated water content W is asymptotic to startup target water content W 1 (preferably eventually match) manner, the actuation of the humidifier 13 is controlled . Further, during steady operation after the start-up period, the operating state of the humidifiers 13 and 14 is controlled such that the estimated water amount W approaches (preferably, finally matches) the steady state target water amount W 0. Be done. Therefore, the electrodes in the start-up period of the fuel cell 1 become more wet than in steady-state operation.

[4.効果]
(1)上記の燃料電池システムでは、燃料電池1の起動時期における水分量を定常運転中よりも増大させる制御が実施される。これにより、例えばPEFCでは、燃料電池1の起動時期に触媒部32と接触する酸素イオンO2-を減少させることができ、起動直後の電圧オーバーシュートを抑制することができる。同様に、AFCの場合は、燃料電池1の起動時期に触媒部32と接触する水酸化物イオンOH-を減少させることができる。このように、燃料電池1の種類に関わらず、少なくとも水が生成される一方の電極に対して上記の制御を実施することで、燃料電池1の制御性を高めることができる。また、発電電圧の急変が抑えられることから、電極の触媒部32の劣化進行を防止することができ、燃料電池1の品質を向上させることができる。
[4. effect]
(1) In the fuel cell system described above, control is performed to increase the water content at the start time of the fuel cell 1 more than during steady operation. Thus, for example, in the PEFC, oxygen ions O 2− coming into contact with the catalyst portion 32 at the start time of the fuel cell 1 can be reduced, and voltage overshoot immediately after start can be suppressed. Similarly, in the case of AFC, it is possible to reduce the hydroxide ion OH 2 contacting with the catalyst portion 32 at the start time of the fuel cell 1. As described above, the controllability of the fuel cell 1 can be enhanced by performing the above-described control on at least one of the electrodes from which water is generated regardless of the type of the fuel cell 1. Further, since a sudden change in the generated voltage can be suppressed, the progress of deterioration of the catalyst portion 32 of the electrode can be prevented, and the quality of the fuel cell 1 can be improved.

(2)上記の燃料電池システムでは、図6(A)に示すように、起動時期に触媒部32の触媒金属が水に被覆されるように水分量が制御される。このような制御により、触媒部32の周囲における酸素イオン濃度をより確実に低下させることができ、電圧オーバーシュートの抑制効果を高めることができる。また、定常運転中には、図6(B)に示すように、触媒金属が露出するように水分量が制御される。このような制御により、触媒部32の周囲における酸素イオン濃度をより確実に上昇させることができ、発電効率を高めることができる。   (2) In the above fuel cell system, as shown in FIG. 6A, the amount of water is controlled so that the catalyst metal of the catalyst unit 32 is covered with water at the start time. By such control, the oxygen ion concentration around the catalyst portion 32 can be more reliably reduced, and the effect of suppressing the voltage overshoot can be enhanced. In addition, during steady-state operation, as shown in FIG. 6 (B), the water content is controlled so that the catalyst metal is exposed. By such control, the oxygen ion concentration around the catalyst portion 32 can be more reliably increased, and the power generation efficiency can be enhanced.

(3)上記の制御装置20には、炭素担体31の表面に存在する推定水分量Wを、電極の電気抵抗値に基づいて算出する推定部21が設けられる。これにより、推定水分量Wの推定精度を向上させることができ、電極表面の水分分布の状態(炭素担体31の表面の湿潤状態)を精度よく把握することができる。したがって、起動直後の電圧オーバーシュートをより確実に抑制することができ、燃料電池1の制御性をさらに向上させることができる。   (3) The control device 20 described above is provided with the estimation unit 21 that calculates the estimated water content W present on the surface of the carbon carrier 31 based on the electrical resistance value of the electrode. As a result, the estimation accuracy of the estimated water content W can be improved, and the state of the water distribution on the electrode surface (wet state of the surface of the carbon carrier 31) can be grasped with high accuracy. Therefore, the voltage overshoot immediately after startup can be suppressed more reliably, and the controllability of the fuel cell 1 can be further improved.

上記の制御装置20では、図5に示すように、電極2,3間のセル抵抗値Rに基づいて推定水分量Wが算出される。このように、セル抵抗値Rを用いることで、炭素担体31の表面に付着している水分量を精度良く算出することができる。なお、炭素担体31の表面が親水性であることから、ここで算出される水分は炭素担体31の「表面」に存在する可能性が高い。つまり推定水分量Wは、触媒金属の露出度と強い相関を持つ。したがって、推定水分量Wに基づく制御を実施することで、触媒部32における触媒反応性の強さを制御することができる。   In the control device 20 described above, as shown in FIG. 5, the estimated water content W is calculated based on the cell resistance value R between the electrodes 2 and 3. As described above, by using the cell resistance value R, the amount of water adhering to the surface of the carbon carrier 31 can be accurately calculated. In addition, since the surface of the carbon support 31 is hydrophilic, the moisture calculated here is highly likely to be present on the “surface” of the carbon support 31. That is, the estimated water content W has a strong correlation with the exposure of the catalyst metal. Therefore, by performing control based on the estimated water content W, the strength of the catalytic reactivity in the catalyst unit 32 can be controlled.

(4)制御装置20の制御部22には、推定水分量Wに基づいて燃料電池1の冷却能力を調整する冷却能力調整部23が設けられる。冷却能力調整部23では、推定水分量Wが少ないほど、燃料電池1の冷却能力を強める制御が実施される。このような制御により、燃料電池1が停止する直前における電極表面を通常よりも湿潤な状態にすることが容易となる。したがって、次回の起動時期における水分残存量を確保することができ、起動直後の電圧オーバーシュートをより確実に抑制することができる。   (4) The control unit 22 of the control device 20 is provided with a cooling capacity adjustment unit 23 that adjusts the cooling capacity of the fuel cell 1 based on the estimated water content W. In the cooling capacity adjustment unit 23, control is performed to strengthen the cooling capacity of the fuel cell 1 as the estimated amount of water W is smaller. Such control makes it easier to make the electrode surface wet just before the fuel cell 1 stops. Therefore, the remaining amount of water at the next start time can be secured, and the voltage overshoot immediately after start can be suppressed more reliably.

(5)制御部22には、推定水分量Wに基づいて燃料電池1のガス流量を調整するガス流量調整部24が設けられる。ガス流量調整部24は、推定水分量Wが少ないほど、少なくとも水が生成される一方の電極に供給される気体のガス流量を減量する制御が実施される。このような制御により、燃料電池1の起動直後における電極表面を通常よりも湿潤な状態にすることが容易となる。したがって、起動時期における水分残存量を確保することができ、起動直後の電圧オーバーシュートをより確実に抑制することができる。   (5) The control unit 22 is provided with a gas flow rate adjustment unit 24 that adjusts the gas flow rate of the fuel cell 1 based on the estimated water content W. The gas flow rate adjustment unit 24 performs control to reduce the gas flow rate of the gas supplied to at least one electrode from which water is generated as the estimated water content W is smaller. By such control, it becomes easy to make the electrode surface wet immediately after the fuel cell 1 is started. Therefore, the remaining amount of water at the start time can be secured, and the voltage overshoot immediately after start can be suppressed more reliably.

(6)制御部22には、推定水分量Wに基づいて燃料電池1のガス湿度を調整する湿度調整部25が設けられる。湿度調整部25は、推定水分量Wに基づき、少なくとも水が生成される一方の電極に供給される気体のガス湿度をフィードバック制御する。このような制御により、燃料電池1の起動直後における電極表面を通常よりも湿潤な状態にすることが容易となり、起動時期における水分残存量を確保することができる。したがって、起動直後の電圧オーバーシュートをより確実に抑制することができる。   (6) The control unit 22 is provided with the humidity adjustment unit 25 that adjusts the gas humidity of the fuel cell 1 based on the estimated water content W. The humidity adjustment unit 25 performs feedback control of the gas humidity of the gas supplied to at least one of the electrodes from which water is generated, based on the estimated water content W. By such control, it becomes easy to make the electrode surface more wet than usual immediately after start-up of the fuel cell 1, and it is possible to secure the remaining amount of water at the start-up time. Therefore, the voltage overshoot immediately after startup can be suppressed more reliably.

(7)上記の冷却能力調整部23は、セル温度Tに基づく冷却能力調整を実施しうる。この冷却能力調整においては、セル温度Tが高いほど燃料電池1の冷却能力が強められ、セル温度Tが低いほど冷却能力が弱められる。このような制御により、推定水分量Wを算出することなく、電極表面を通常よりも湿潤な状態にすることができ、起動時期における水分残存量を確保することができる。したがって、起動直後の電圧オーバーシュートをより確実に抑制することができる。   (7) The cooling capacity adjustment unit 23 described above can perform the cooling capacity adjustment based on the cell temperature T. In this cooling capacity adjustment, the higher the cell temperature T, the stronger the cooling capacity of the fuel cell 1, and the lower the cell temperature T, the weaker the cooling capacity. By such control, the electrode surface can be made more wet than usual without calculating the estimated water amount W, and the remaining amount of water at the start time can be secured. Therefore, the voltage overshoot immediately after startup can be suppressed more reliably.

(8)上記の制御装置20では、燃料電池1が発電を開始してから所定時間が経過するまでの間は電極2,3の表面が通常よりも湿潤な状態となるように制御される。このように、所定時間が経過するまでの間は水分量を多めにすることで、起動直後の電圧オーバーシュートをより確実に抑制することができる。一方、所定時間が経過した後には水分量が少なめに制御されるため、発電効率をより確実に向上させることができる。   (8) The control device 20 controls the surfaces of the electrodes 2 and 3 to be more wet than usual after the fuel cell 1 starts power generation until a predetermined time elapses. As described above, by increasing the amount of water until the predetermined time has elapsed, it is possible to more reliably suppress voltage overshoot immediately after startup. On the other hand, since the water content is controlled to be smaller after the predetermined time has elapsed, the power generation efficiency can be more reliably improved.

(9)上記の燃料電池1では、電極2,3のうち、少なくとも水が生成される一方の電極の表面に、体積比が10%以上のアイオノマー部33が設けられる。これにより、炭素担体31の結着性を向上させることができる。また、アイオノマー部33の体積比を60%未満とすることで、炭素担体31の表面に付着する水が触媒表面を被覆する状態と触媒部32が露出する状態との二状態を生成しやすくすることができる。これにより、前者の状態では、触媒部32の表面を水で覆うことで電圧オーバーシュートを防止することができ、後者の状態では発電効率を高めることができる。   (9) In the fuel cell 1 described above, the ionomer portion 33 having a volume ratio of 10% or more is provided on the surface of at least one of the electrodes 2 and 3 from which water is generated. Thereby, the binding property of the carbon support 31 can be improved. Further, by setting the volume ratio of the ionomer portion 33 to less than 60%, it becomes easy to generate two states, a state in which the water adhering to the surface of the carbon support 31 covers the catalyst surface and a state in which the catalyst portion 32 is exposed. be able to. Thus, in the former state, voltage overshoot can be prevented by covering the surface of the catalyst portion 32 with water, and in the latter state, power generation efficiency can be enhanced.

[5.変形例]
上述の実施形態では、内燃機関を備えた車両に搭載される燃料電池システムを例示したが、燃料電池システムの適用対象はこのような車両に限定されることはなく、例えば電気自動車に適用することも可能である。また、家庭用電気製品,鉄道,船舶,航空機,工場,非常用電源設備などにも適用してもよい。適用対象の種類にかかわらず、燃料電池1の発電状態を安定させつつ起動直後の電圧オーバーシュートを抑制することができる。
[5. Modified example]
Although the fuel cell system mounted on a vehicle equipped with an internal combustion engine has been illustrated in the above embodiment, the application of the fuel cell system is not limited to such a vehicle, and is applied to, for example, an electric vehicle. Is also possible. In addition, the present invention may be applied to household appliances, railways, ships, aircraft, factories, emergency power supply equipment, and the like. Regardless of the type of application target, it is possible to stabilize the power generation state of the fuel cell 1 and to suppress the voltage overshoot immediately after startup.

上述の実施形態では、安定始動条件が「燃料電池1が起動してから所定時間が経過すること」である場合の制御を例示したが、別の条件を用いることも可能である。例えば、「燃料電池1の発電量が所定量以上になること」,「燃料ガスの供給量が所定量以上になること」,「所定の出力で発電させた状態でセル電圧が所定値以下になること」などを安定始動条件とし、これらの条件が成立するまでは水分量を増大させることが考えられる。少なくとも、起動直後における炭素担体31の表面の湿潤状態を高くすることで(つまり、起動時の水分量を定常時よりも多めに制御することで)、上述の実施形態と同様の作用,効果を獲得することができる。   In the above-described embodiment, the control in the case where the stable start condition is "a predetermined time has elapsed since the fuel cell 1 was started" is exemplified, but another condition may be used. For example, "the power generation amount of the fuel cell 1 is equal to or more than a predetermined amount", "the supply amount of fuel gas is equal to or more than a predetermined amount", and "the cell voltage is equal to or less than a predetermined value in a state where power is generated with a predetermined output. It can be considered that the water content is increased until these conditions are satisfied, with the stable start-up condition and the like. At least by increasing the wet state of the surface of the carbon carrier 31 immediately after start-up (that is, by controlling the amount of water at start-up more than at the time of steady-state), the same operation and effect as the above embodiment can be obtained. Can be earned.

上述の実施形態では、炭素担体31(カーボンブラック)の電極2,3を例示したが、担体の組成はこれに限定されることはなく、金属担体やセラミックス担体としてもよい。少なくとも、担体に触媒部32,アイオノマー部33,親水部34を設けることで、上述の実施形態と同様の作用,効果を奏するものとなる。   Although the electrodes 2 and 3 of the carbon support 31 (carbon black) are exemplified in the above-described embodiment, the composition of the support is not limited to this, and may be a metal support or a ceramic support. By providing at least the catalyst portion 32, the ionomer portion 33, and the hydrophilic portion 34 in the carrier, the same function and effect as the above-described embodiment can be obtained.

1 燃料電池
2 燃料極
3 空気極
4 電解質部
11 燃料通路
12 空気通路
13 燃料加湿器
14 空気加湿器
15 抵抗センサー
16 温度センサー
17 冷却水通路
20 制御装置
21 推定部
22 制御部
23 冷却能力調整部
24 ガス流量調整部
25 湿度調整部
31 炭素担体(担体)
32 触媒部
33 アイオノマー部
34 親水部
35 水
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 fuel cell 2 fuel electrode 3 air electrode 4 electrolyte part 11 fuel passage 12 air passage 13 fuel humidifier 14 air humidifier 15 resistance sensor 16 temperature sensor 17 cooling water passage 20 control device 21 estimation unit 22 control unit 23 cooling capacity adjustment unit 24 gas flow rate adjustment unit 25 humidity adjustment unit 31 carbon carrier (carrier)
32 catalyst portion 33 ionomer portion 34 hydrophilic portion 35 water

Claims (9)

燃料電池の作動状態を制御する制御装置を備えた燃料電池システムにおいて、
水素と酸素とが化合して水が生成される一方の電極が、親水性の担体と、前記担体に触媒金属を担持してなる触媒部と、少なくとも前記触媒金属が露出するように前記触媒部の周囲にアイオノマーを固定してなるアイオノマー部と、を有し、
前記制御装置が、発電を開始してから所定の安定始動条件が成立するまでの起動時期に前記担体の表面に存在する水分量を、前記安定始動条件が成立した後の定常運転中における前記水分量よりも増大させる制御部を有する
ことを特徴とする、燃料電池システム。
In a fuel cell system provided with a control device for controlling the operating state of the fuel cell,
One electrode from which hydrogen and oxygen combine to form water is a hydrophilic carrier, a catalyst portion formed by supporting a catalyst metal on the carrier, and the catalyst portion so that at least the catalyst metal is exposed. And an ionomer part formed by fixing an ionomer to the periphery of the
The amount of water present on the surface of the carrier at the start timing from when the control device starts power generation to when a predetermined stable start condition is satisfied, the water during steady operation after the stable start condition is satisfied What is claimed is: 1. A fuel cell system comprising: a control unit that increases the amount.
前記制御部が、前記起動時期に前記触媒金属が水に被覆され、前記定常運転中に前記触媒金属が露出するように、前記水分量を制御する
ことを特徴とする、請求項1記載の燃料電池システム。
The fuel according to claim 1, wherein the control unit controls the water content such that the catalyst metal is coated with water at the start time and the catalyst metal is exposed during the steady operation. Battery system.
前記制御装置が、前記電極の電気抵抗値に基づき、前記担体の表面に存在する前記水分量の推定値である推定水分量を算出する推定部を有する
ことを特徴とする、請求項1または2記載の燃料電池システム。
The controller according to any one of the preceding claims, further comprising: an estimation unit configured to calculate an estimated amount of water, which is an estimated value of the amount of water present on the surface of the carrier, based on the electrical resistance value of the electrode. The fuel cell system described.
前記制御部が、前記推定水分量が少ないほど、前記燃料電池の動作停止時における前記燃料電池の冷却能力を強める
ことを特徴とする、請求項3記載の燃料電池システム。
4. The fuel cell system according to claim 3, wherein the control unit strengthens the cooling capacity of the fuel cell at the time of operation stop of the fuel cell as the estimated amount of water is smaller.
前記制御部が、前記推定水分量が少ないほど、前記一方の電極に供給されるガス流量を減量する
ことを特徴とする、請求項3または4記載の燃料電池システム。
5. The fuel cell system according to claim 3, wherein the control unit reduces the flow rate of gas supplied to the one electrode as the estimated amount of water decreases.
前記制御部が、前記推定水分量に基づき、前記起動時期に前記電極へ供給される気体の湿度をフィードバック制御する
ことを特徴とする、請求項3〜5のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
The fuel cell according to any one of claims 3 to 5, wherein the control section performs feedback control of the humidity of the gas supplied to the electrode at the start time based on the estimated water content. system.
前記制御部が、前記燃料電池のセル温度が高いほど、前記燃料電池の動作停止時における前記燃料電池の冷却能力を強める
ことを特徴とする、請求項1〜6のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
7. The controller according to any one of claims 1 to 6, wherein the control unit increases the cooling capacity of the fuel cell at the time of operation stop of the fuel cell as the cell temperature of the fuel cell is higher. Fuel cell system.
前記安定始動条件が、前記発電を開始してから所定時間が経過することである
ことを特徴とする、請求項1〜7のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 7, wherein the stable start condition is that a predetermined time has elapsed since the start of the power generation.
前記一方の電極に含まれる前記アイオノマーの体積比が、10%以上である
ことを特徴とする、請求項1〜8のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 8, wherein a volume ratio of the ionomer contained in the one electrode is 10% or more.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022114861A1 (en) * 2020-11-27 2022-06-02 한국기계연구원 Temperature control device for liquid hydrogen storage tank, and liquid hydrogen storage system using same

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