JP2020077494A

JP2020077494A - Fuel cell system

Info

Publication number: JP2020077494A
Application number: JP2018209045A
Authority: JP
Inventors: 高橋　靖; Yasushi Takahashi; 靖高橋
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-11-06
Filing date: 2018-11-06
Publication date: 2020-05-21

Abstract

To make an electrolyte membrane be kept in a desired wet state.SOLUTION: A fuel cell system comprises: a fuel cell having a solid polymer membrane as an electrolyte membrane; a humidifier that is provided on an oxidant gas supply passage for supplying oxidant gas to the fuel cell to humidify the oxidant gas flowing through the oxidant gas supply passage; a bypass passage having one end connected to the oxidant gas supply passage at the upstream of the humidifier and the other end connected to the oxidant gas supply passage at the downstream of the humidifier; a valve provided on the oxidant gas supply passage between the humidifier and a connection part at which the one end of the bypass passage is connected to the oxidant gas supply passage; an acquisition unit for acquiring AC impedance of the fuel cell; and a valve control unit for opening the valve when the valve is closed and increase speed of the AC impedance acquired by the acquisition unit is equal to or larger than a predetermined 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.

電解質膜として固体高分子膜を用いた燃料電池が知られている。固体高分子膜からなる電解質膜は、良好な発電性能を得るために所望の湿潤状態に維持することが好ましい。また、燃料電池の内部水分量は、燃料電池のインピーダンスから求められることが知られている。例えば、発電中に計測した燃料電池の交流インピーダンスを用いて燃料電池の湿潤状態を検出し、検出した湿潤状態に応じて燃料電池に供給する反応ガスの加湿量を調整することが知られている（例えば、特許文献１）。 A fuel cell using a solid polymer membrane as an electrolyte membrane is known. The electrolyte membrane made of a solid polymer membrane is preferably maintained in a desired wet state in order to obtain good power generation performance. Further, it is known that the internal water content of the fuel cell is obtained from the impedance of the fuel cell. For example, it is known that the wet state of the fuel cell is detected using the AC impedance of the fuel cell measured during power generation, and the humidification amount of the reaction gas supplied to the fuel cell is adjusted according to the detected wet state. (For example, patent document 1).

特開２０１４−１３２５６１号公報JP, 2014-132561, A

燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路に加湿器を設け、加湿器で加湿された酸化剤ガスを燃料電池に供給することで、電解質膜の乾燥を抑制することが知られている。しかしながら、酸化剤ガスが加湿器を経由して燃料電池に供給されると、加湿器での圧力損失によって燃費の悪化を招く。また、燃料電池の交流インピーダンスの値が電解質膜の乾燥を示す所定値を超えたときに酸化剤ガスを加湿器に流入させ始めても、電解質膜が所望の湿潤状態を維持することは難しい。 It is known that a humidifier is provided in the oxidant gas supply path for supplying the oxidant gas to the fuel cell, and the oxidant gas humidified by the humidifier is supplied to the fuel cell to suppress the drying of the electrolyte membrane. There is. However, if the oxidant gas is supplied to the fuel cell via the humidifier, the fuel loss is deteriorated due to the pressure loss in the humidifier. Further, even when the oxidizing gas starts to flow into the humidifier when the value of the AC impedance of the fuel cell exceeds a predetermined value indicating the drying of the electrolyte membrane, it is difficult for the electrolyte membrane to maintain a desired wet state.

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、燃費の悪化を抑えつつ、電解質膜が所望の湿潤状態に維持されるようにすることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to maintain the electrolyte membrane in a desired wet state while suppressing deterioration of fuel efficiency.

本発明は、電解質膜として固体高分子膜を有する燃料電池と、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路に設けられ、前記酸化剤ガス供給路を流れる前記酸化剤ガスを加湿する加湿器と、一端が前記加湿器よりも上流側で前記酸化剤ガス供給路に接続し、他端が前記加湿器よりも下流側で前記酸化剤ガス供給路に接続するバイパス路と、前記バイパス路の前記一端が前記酸化剤ガス供給路に接続する接続部と前記加湿器との間で前記酸化剤ガス供給路に設けられたバルブと、前記燃料電池の交流インピーダンスを取得する取得部と、前記バルブが閉じていて且つ前記取得部で取得した前記交流インピーダンスの増加速度が所定値以上である場合に、前記バルブを開けるバルブ制御部と、を備える燃料電池システムである。 The present invention provides a fuel cell having a solid polymer membrane as an electrolyte membrane and an oxidant gas supply path for supplying an oxidant gas to the fuel cell, and humidifies the oxidant gas flowing through the oxidant gas supply path. A humidifier, and a bypass path, one end of which is connected to the oxidant gas supply path on the upstream side of the humidifier and the other end of which is connected to the oxidant gas supply path on the downstream side of the humidifier, A valve provided in the oxidant gas supply path between the humidifier and a connection part in which the one end of the bypass path is connected to the oxidant gas supply path, and an acquisition section that acquires the AC impedance of the fuel cell. A valve control unit that opens the valve when the valve is closed and the increasing rate of the AC impedance acquired by the acquisition unit is equal to or higher than a predetermined value.

本発明によれば、燃費の悪化を抑えつつ、電解質膜を所望の湿潤状態に維持することができる。 According to the present invention, it is possible to maintain the electrolyte membrane in a desired wet state while suppressing deterioration of fuel efficiency.

図１は、実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of the fuel cell system according to the first embodiment. 図２は、セルの断面図である。FIG. 2 is a sectional view of the cell. 図３は、燃料電池と出力制御装置について説明する図である。FIG. 3 is a diagram illustrating a fuel cell and an output control device. 図４は、カソードガスの加湿処理の一例を示すフローチャートである。FIG. 4 is a flowchart showing an example of the humidification process of the cathode gas. 図５は、加湿バルブの開度の決定に用いられるマップの一例である。FIG. 5 is an example of a map used to determine the opening degree of the humidification valve.

以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

図１は、実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す概略図である。燃料電池システム１００は、例えば燃料電池車両又は定置用燃料電池装置などに用いられ、要求電力に応じて電力を出力する発電システムである。図１のように、燃料電池システム１００は、燃料電池１０、酸化剤ガス配管系３０、燃料ガス配管系４０、冷媒配管系６０、出力制御装置７０、及び制御ユニット８０を備える。 FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of the fuel cell system according to the first embodiment. The fuel cell system 100 is a power generation system that is used in, for example, a fuel cell vehicle or a stationary fuel cell device, and outputs electric power according to required power. As shown in FIG. 1, the fuel cell system 100 includes a fuel cell 10, an oxidant gas piping system 30, a fuel gas piping system 40, a refrigerant piping system 60, an output control device 70, and a control unit 80.

酸化剤ガス配管系３０は、空気などのカソードガス（酸化剤ガス）を燃料電池１０に供給し、燃料電池１０で消費されなかったカソード排ガス（酸化剤オフガス）を排出する。燃料ガス配管系４０は、水素などのアノードガス（燃料ガス）を燃料電池１０に供給し、燃料電池１０で消費されなかったアノード排ガス（燃料オフガス）を排出する。冷媒配管系６０は、燃料電池１０を冷却する冷媒を燃料電池１０に循環させる。出力制御装置７０は、インバータなどを備えており、燃料電池１０の出力を制御する。制御ユニット８０は、システム全体を統括制御する。 The oxidant gas piping system 30 supplies a cathode gas (oxidant gas) such as air to the fuel cell 10 and discharges cathode exhaust gas (oxidant off-gas) not consumed in the fuel cell 10. The fuel gas piping system 40 supplies an anode gas (fuel gas) such as hydrogen to the fuel cell 10 and discharges an anode exhaust gas (fuel off gas) that is not consumed in the fuel cell 10. The refrigerant piping system 60 circulates the refrigerant that cools the fuel cell 10 in the fuel cell 10. The output control device 70 includes an inverter and controls the output of the fuel cell 10. The control unit 80 integrally controls the entire system.

燃料電池１０は、カソードガスとアノードガスの供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池１０は、複数のセルが積層されたスタック構造を有する。図２は、セルの断面図である。図２のように、セル１１は、膜電極ガス拡散層接合体１６（以下、ＭＥＧＡ（Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）と称す）と、ＭＥＧＡ１６を挟持するアノードセパレータ１７ａ及びカソードセパレータ１７ｃと、を含む。ＭＥＧＡ１６は、アノードガス拡散層１５ａ及びカソードガス拡散層１５ｃと、膜電極接合体１４（以下、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）と称す）と、を含む。 The fuel cell 10 is a polymer electrolyte fuel cell that is supplied with cathode gas and anode gas to generate electricity. The fuel cell 10 has a stack structure in which a plurality of cells are stacked. FIG. 2 is a sectional view of the cell. As shown in FIG. 2, the cell 11 includes a membrane electrode gas diffusion layer assembly 16 (hereinafter referred to as MEGA (Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly)), and an anode separator 17a and a cathode separator 17c that sandwich the MEGA 16 therebetween. .. The MEGA 16 includes an anode gas diffusion layer 15a and a cathode gas diffusion layer 15c, and a membrane electrode assembly 14 (hereinafter, referred to as MEA (Membrane Electrode Assembly)).

ＭＥＡ１４は、電解質膜１２と、電解質膜１２の一方の面に設けられたアノード触媒層１３ａと、他方の面に設けられたカソード触媒層１３ｃと、を含む。電解質膜１２は、例えばスルホン酸基を有するフッ素系樹脂材料又は炭化水素系樹脂材料で形成される固体高分子膜であり、湿潤状態において良好なプロトン伝導性を有する。アノード触媒層１３ａ及びカソード触媒層１３ｃは、例えば電気化学反応を進行する触媒（白金又は白金−コバルト合金など）を担持するカーボン担体（カーボンブラックなど）と、スルホン酸基を有する固体高分子であって湿潤状態で良好なプロトン伝導性を有するアイオノマーと、を含む。 The MEA 14 includes an electrolyte membrane 12, an anode catalyst layer 13a provided on one surface of the electrolyte membrane 12, and a cathode catalyst layer 13c provided on the other surface. The electrolyte membrane 12 is a solid polymer membrane formed of, for example, a fluororesin material or a hydrocarbon resin material having a sulfonic acid group, and has good proton conductivity in a wet state. The anode catalyst layer 13a and the cathode catalyst layer 13c are, for example, a carbon carrier (carbon black or the like) carrying a catalyst (platinum or platinum-cobalt alloy or the like) that proceeds an electrochemical reaction, and a solid polymer having a sulfonic acid group. And an ionomer having good proton conductivity in a wet state.

アノードガス拡散層１５ａ及びカソードガス拡散層１５ｃは、ガス透過性及び電子伝導性を有する部材によって形成され、例えば炭素繊維又は黒鉛繊維などの多孔質の繊維部材によって形成される。 The anode gas diffusion layer 15a and the cathode gas diffusion layer 15c are formed by members having gas permeability and electron conductivity, and are formed by porous fiber members such as carbon fibers or graphite fibers.

アノードセパレータ１７ａ及びカソードセパレータ１７ｃは、ガス遮断性及び電子伝導性を有する部材によって形成される。例えば、アノードセパレータ１７ａ及びカソードセパレータ１７ｃは、プレス成型による曲げ加工によって凹凸形状が形成されたステンレス鋼、アルミニウム、又はチタンなどの金属部材、或いは、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密性カーボンなどのカーボン部材、によって形成される。アノードセパレータ１７ａとアノードガス拡散層１５ａとが接する面には、アノードガス拡散層１５ａ及びアノード触媒層１３ａに供給されるアノードガスが流れるアノードガス流路１８ａが形成される。カソードセパレータ１７ｃとカソードガス拡散層１５ｃとが接する面には、カソードガス拡散層１５ｃ及びカソード触媒層１３ｃに供給されるカソードガスが流れるカソードガス流路１８ｃが形成される。また、カソードセパレータ１７ｃのアノードセパレータ１７ａと接する側の面には、冷媒が流れる冷媒流路１９が形成される。 The anode separator 17a and the cathode separator 17c are formed of members having gas barrier properties and electron conductivity. For example, the anode separator 17a and the cathode separator 17c are made of stainless steel, aluminum, titanium, or another metal member having a concavo-convex shape formed by bending by press molding, or dense carbon that is gas impermeable by compressing carbon. It is formed by a carbon member such as. An anode gas flow path 18a through which the anode gas supplied to the anode gas diffusion layer 15a and the anode catalyst layer 13a flows is formed on the surface where the anode separator 17a and the anode gas diffusion layer 15a are in contact with each other. A cathode gas flow channel 18c through which the cathode gas supplied to the cathode gas diffusion layer 15c and the cathode catalyst layer 13c flows is formed on the surface where the cathode separator 17c and the cathode gas diffusion layer 15c are in contact with each other. In addition, a coolant passage 19 through which a coolant flows is formed on the surface of the cathode separator 17c on the side in contact with the anode separator 17a.

図１のように、酸化剤ガス配管系３０は、酸化剤ガス供給配管３１、エアコンプレッサ３２、加湿器３３、バイパス配管３４、加湿バルブ３５、バイパスバルブ３６、酸化剤オフガス排出配管３７、及び調圧バルブ３８を備える。 As shown in FIG. 1, the oxidant gas pipe system 30 includes an oxidant gas supply pipe 31, an air compressor 32, a humidifier 33, a bypass pipe 34, a humidification valve 35, a bypass valve 36, an oxidant off-gas discharge pipe 37, and a regulator. A pressure valve 38 is provided.

酸化剤ガス供給配管３１は、燃料電池１０のカソードガス供給マニホールドの入口に接続される。エアコンプレッサ３２は、酸化剤ガス供給配管３１を介して燃料電池１０と接続されていて、制御ユニット８０からの指令によって駆動し、外気を取り込んで圧縮した空気をカソードガスとして燃料電池１０に供給する。バイパス配管３４は、加湿器３３を迂回するように、一端が加湿器３３よりも上流側で酸化剤ガス供給配管３１に接続し、他端が加湿器３３よりも下流側で酸化剤ガス供給配管３１に接続する。エアコンプレッサ３２から送り込まれる空気は、加湿器３３を経由せずに、バイパス配管３４を経由して燃料電池１０に供給されることができる。 The oxidant gas supply pipe 31 is connected to the inlet of the cathode gas supply manifold of the fuel cell 10. The air compressor 32 is connected to the fuel cell 10 via the oxidant gas supply pipe 31, is driven by a command from the control unit 80, and takes in the outside air and supplies compressed air to the fuel cell 10 as cathode gas. .. The bypass pipe 34 has one end connected to the oxidant gas supply pipe 31 upstream of the humidifier 33 and the other end downstream of the humidifier 33 so as to bypass the humidifier 33. Connect to 31. The air sent from the air compressor 32 can be supplied to the fuel cell 10 via the bypass pipe 34 without passing through the humidifier 33.

加湿バルブ３５は、例えば電磁弁であり、加湿器３３よりも上流側且つバイパス配管３４の接続箇所よりも下流側で酸化剤ガス供給配管３１に設けられている。加湿バルブ３５は、制御ユニット８０からの指令によって開度が制御され、加湿器３３を経由して燃料電池１０に供給されるカソードガスの流量を制御する。バイパスバルブ３６は、例えば電磁弁であり、バイパス配管３４に設けられている。バイパスバルブ３６は、制御ユニット８０からの指令によって開度が制御され、加湿器３３を経由せずに燃料電池１０に供給されるカソードガスの流量を制御する。 The humidification valve 35 is, for example, an electromagnetic valve, and is provided in the oxidant gas supply pipe 31 upstream of the humidifier 33 and downstream of the connection point of the bypass pipe 34. The opening of the humidifying valve 35 is controlled by a command from the control unit 80, and controls the flow rate of the cathode gas supplied to the fuel cell 10 via the humidifier 33. The bypass valve 36 is, for example, an electromagnetic valve, and is provided in the bypass pipe 34. The bypass valve 36 has an opening controlled by a command from the control unit 80, and controls the flow rate of the cathode gas supplied to the fuel cell 10 without passing through the humidifier 33.

酸化剤オフガス排出配管３７は、燃料電池１０のカソードガス排出マニホールドの出口に接続され、カソード排ガスを燃料電池システム１００の外部へと排出する。調圧バルブ３８は、加湿器３３よりも下流側で酸化剤オフガス排出配管３７に設けられている。調圧バルブ３８は、例えば電磁弁であり、制御ユニット８０からの指令によって開度が制御され、酸化剤オフガス排出配管３７におけるカソード排ガスの圧力（燃料電池１０のカソード側の背圧）を調整する。 The oxidant off-gas exhaust pipe 37 is connected to the outlet of the cathode gas exhaust manifold of the fuel cell 10 and exhausts the cathode exhaust gas to the outside of the fuel cell system 100. The pressure regulating valve 38 is provided in the oxidant off-gas discharge pipe 37 on the downstream side of the humidifier 33. The pressure regulating valve 38 is, for example, an electromagnetic valve, the opening degree of which is controlled by a command from the control unit 80, and adjusts the pressure of the cathode exhaust gas in the oxidant off-gas discharge pipe 37 (the back pressure on the cathode side of the fuel cell 10). .

加湿器３３は、酸化剤ガス供給配管３１と酸化剤オフガス排出配管３７にわたって設けられていて、酸化剤オフガス排出配管３７を流れるカソード排ガスに含まれる水分を用いて酸化剤ガス供給配管３１を流れるカソードガスを加湿する。加湿器３３は、例えば中空糸膜を束ねてなる中空糸膜束をケーシング内に備えた内部加湿方式の加湿器である。カソード排ガスは中空糸膜内を流れ、中空糸膜束の外にカソードガスが流れることで、中空糸膜を介した水分交換が行われる。なお、加湿器３３は、酸化剤ガス供給配管３１に設けられ、酸化剤ガス供給配管３１を流れるカソードガスを加湿することができれば、その他の構成をしていてもよい。 The humidifier 33 is provided between the oxidant gas supply pipe 31 and the oxidant off-gas discharge pipe 37, and the cathode flowing through the oxidant off-gas discharge pipe 37 uses the water contained in the cathode exhaust gas to flow through the oxidant gas supply pipe 31. Humidify the gas. The humidifier 33 is an internal humidifier humidifier including a hollow fiber membrane bundle formed by bundling hollow fiber membranes in a casing. The cathode exhaust gas flows inside the hollow fiber membranes, and the cathode gas flows outside the hollow fiber membrane bundles, whereby water exchange is performed through the hollow fiber membranes. The humidifier 33 may be provided in the oxidant gas supply pipe 31 and may have other configurations as long as it can humidify the cathode gas flowing through the oxidant gas supply pipe 31.

燃料ガス配管系４０は、燃料ガス供給配管４１、水素タンク４２、バルブ４３、レギュレータ４４、インジェクタ４５、燃料オフガス排出配管４６、気液分離器４７、燃料ガス循環配管４８、循環ポンプ４９、及びバルブ５０を備える。 The fuel gas pipe system 40 includes a fuel gas supply pipe 41, a hydrogen tank 42, a valve 43, a regulator 44, an injector 45, a fuel off gas discharge pipe 46, a gas-liquid separator 47, a fuel gas circulation pipe 48, a circulation pump 49, and a valve. Equipped with 50.

水素タンク４２は、燃料ガス供給配管４１を介して燃料電池１０のアノードガス供給マニホールドの入口と接続されている。バルブ４３、レギュレータ４４、及びインジェクタ４５は、燃料ガス供給配管４１にこの順序で上流側から設けられている。バルブ４３は、例えば電磁弁であり、制御ユニット８０からの指令により開閉し、水素タンク４２からインジェクタ４５の上流側への水素の流入を制御する。レギュレータ４４は、インジェクタ４５の上流側における水素の圧力を調整するための減圧バルブであり、その開度が制御ユニット８０によって制御される。インジェクタ４５は、例えば電磁弁式の開閉弁であり、制御ユニット８０からの指令に基づいて開閉し、水素タンク４２からの水素をアノードガスとして燃料電池１０に供給する。 The hydrogen tank 42 is connected to the inlet of the anode gas supply manifold of the fuel cell 10 via the fuel gas supply pipe 41. The valve 43, the regulator 44, and the injector 45 are provided in the fuel gas supply pipe 41 in this order from the upstream side. The valve 43 is, for example, an electromagnetic valve, and opens and closes in response to a command from the control unit 80 to control the inflow of hydrogen from the hydrogen tank 42 to the upstream side of the injector 45. The regulator 44 is a pressure reducing valve for adjusting the pressure of hydrogen on the upstream side of the injector 45, and the opening degree thereof is controlled by the control unit 80. The injector 45 is, for example, a solenoid valve type on-off valve, opens and closes based on a command from the control unit 80, and supplies hydrogen from the hydrogen tank 42 to the fuel cell 10 as an anode gas.

燃料オフガス排出配管４６は、燃料電池１０のアノードガス排出マニホールドの出口に接続され、発電反応に用いられることのなかった未反応ガス（水素又は窒素など）を含むアノード排ガスが流れる。燃料オフガス排出配管４６には気液分離器４７が設けられている。気液分離器４７には、燃料オフガス排出配管４６の他に燃料ガス循環配管４８が接続されている。気液分離器４７は、アノード排ガスに含まれる気体成分と水分とを分離し、気体成分については燃料ガス循環配管４８へと誘導し、水分については燃料オフガス排出配管４６へと誘導する。燃料ガス循環配管４８は、燃料ガス供給配管４１のインジェクタ４５より下流側に接続されている。燃料ガス循環配管４８には循環ポンプ４９が設けられている。循環ポンプ４９は、制御ユニット８０からの指令に基づいて駆動する。気液分離器４７において分離された気体成分に含まれる水素は、循環ポンプ４９によって、燃料ガス供給配管４１へと送り出される。このように、アノード排ガスに含まれる水素を循環させて再び燃料電池１０に供給することで、水素の利用効率を向上させることができる。 The fuel off-gas exhaust pipe 46 is connected to the outlet of the anode gas exhaust manifold of the fuel cell 10, and the anode exhaust gas containing unreacted gas (hydrogen, nitrogen, etc.) that has not been used in the power generation reaction flows. A gas-liquid separator 47 is provided in the fuel off gas discharge pipe 46. A fuel gas circulation pipe 48 is connected to the gas-liquid separator 47 in addition to the fuel off-gas discharge pipe 46. The gas-liquid separator 47 separates a gas component and water contained in the anode exhaust gas into a fuel gas circulation pipe 48 for the gas component and a fuel off-gas discharge pipe 46 for the water. The fuel gas circulation pipe 48 is connected to the fuel gas supply pipe 41 downstream of the injector 45. A circulation pump 49 is provided in the fuel gas circulation pipe 48. The circulation pump 49 is driven based on a command from the control unit 80. Hydrogen contained in the gas component separated in the gas-liquid separator 47 is sent to the fuel gas supply pipe 41 by the circulation pump 49. As described above, by circulating the hydrogen contained in the anode exhaust gas and supplying the hydrogen to the fuel cell 10 again, the utilization efficiency of hydrogen can be improved.

気液分離器４７において分離された水分は、燃料オフガス排出配管４６を介して外部へと排出される。バルブ５０は、例えば電磁弁であり、気液分離器４７よりも下流側で燃料オフガス排出配管４６に設けられている。バルブ５０は、制御ユニット８０からの指令に応じて開閉する。制御ユニット８０は、燃料電池システム１００の運転中において、通常時ではバルブ５０を閉じておき、排水タイミング及びアノード排ガス中の不活性ガスの排出タイミングなどの所定のタイミングでバルブ５０を開く。 The water separated in the gas-liquid separator 47 is discharged to the outside through the fuel off gas discharge pipe 46. The valve 50 is, for example, a solenoid valve, and is provided in the fuel off-gas discharge pipe 46 on the downstream side of the gas-liquid separator 47. The valve 50 opens and closes in response to a command from the control unit 80. The control unit 80 normally closes the valve 50 during operation of the fuel cell system 100, and opens the valve 50 at a predetermined timing such as a drain timing and an inert gas discharge timing in the anode exhaust gas.

冷媒配管系６０は、冷媒配管６１、ラジエータ６２、及び循環ポンプ６３を備える。冷媒配管６１は、燃料電池１０を冷却する冷媒を循環させるための配管である。冷媒配管６１は、燃料電池１０に設けられた冷媒供給マニホールドと冷媒排出マニホールドとの間に接続されている。ラジエータ６２は、冷媒配管６１に設けられていて、冷媒配管６１を流れる冷媒と外気との間で熱交換させることによって冷媒を冷却する。循環ポンプ６３は、冷媒配管６１に設けられていて、制御ユニット８０からの指令に基づき駆動して冷媒を循環させる。 The refrigerant pipe system 60 includes a refrigerant pipe 61, a radiator 62, and a circulation pump 63. The refrigerant pipe 61 is a pipe for circulating a refrigerant that cools the fuel cell 10. The refrigerant pipe 61 is connected between a refrigerant supply manifold and a refrigerant discharge manifold provided in the fuel cell 10. The radiator 62 is provided in the refrigerant pipe 61, and cools the refrigerant by exchanging heat between the refrigerant flowing through the refrigerant pipe 61 and the outside air. The circulation pump 63 is provided in the refrigerant pipe 61 and is driven based on a command from the control unit 80 to circulate the refrigerant.

出力制御装置７０は、インバータなどを備えていて、制御ユニット８０からの指令に基づいて駆動し、燃料電池１０の出力を制御する。図３は、燃料電池と出力制御装置について説明する図である。図３のように、燃料電池１０は、抵抗Ｒｓと、抵抗Ｒｃと、電気二重層容量Ｃｄと、を含んでいる。抵抗Ｒｓは、燃料電池１０のセパレータのバルク抵抗及び接触抵抗などを含んでいる。抵抗Ｒｃは、電解質膜の膜抵抗及び界面抵抗などを含んでいる。出力制御装置７０は、インバータ７１と、電流計７２と、電圧計７３と、を備えている。 The output control device 70 includes an inverter and the like, and drives based on a command from the control unit 80 to control the output of the fuel cell 10. FIG. 3 is a diagram illustrating a fuel cell and an output control device. As shown in FIG. 3, the fuel cell 10 includes a resistance Rs, a resistance Rc, and an electric double layer capacity Cd. The resistance Rs includes the bulk resistance and the contact resistance of the separator of the fuel cell 10. The resistance Rc includes the membrane resistance and the interface resistance of the electrolyte membrane. The output control device 70 includes an inverter 71, an ammeter 72, and a voltmeter 73.

出力制御装置７０を駆動して燃料電池１０の出力を制御するときに、インバータ７１から種々の周波数成分を含む高周波ノイズが発生する。この高周波ノイズは、電流計７２及び電圧計７３の出力から抽出することができる。制御ユニット８０は、例えば電流計７２及び電圧計７３から高周波ノイズを抽出し、これを周波数解析することによって、燃料電池１０の交流インピーダンスを取得する。電解質膜１２の膜抵抗に起因する交流インピーダンスの取得は、例えば数百Ｈｚ以上の周波数について解析を行うことで実行できる。周波数解析による交流インピーダンスの算出については、ここでは説明を省略する。 When the output control device 70 is driven to control the output of the fuel cell 10, the inverter 71 generates high-frequency noise including various frequency components. This high frequency noise can be extracted from the outputs of the ammeter 72 and the voltmeter 73. The control unit 80 acquires the AC impedance of the fuel cell 10 by extracting high frequency noise from the ammeter 72 and the voltmeter 73, and performing frequency analysis on the high frequency noise. The acquisition of the AC impedance due to the membrane resistance of the electrolyte membrane 12 can be performed by performing analysis for a frequency of, for example, several hundreds Hz or higher. The calculation of the AC impedance by frequency analysis is omitted here.

図１のように、制御ユニット８０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、及びメモリなどを備えるマイクロコンピュータを含むＥＣＵ（Electronic Control Unit）である。メモリは、例えばＨＤＤ（Hard Disk Drive）又はフラッシュメモリなどの不揮発性メモリである。制御ユニット８０は、燃料電池システム１００の各構成を統合的に制御して、燃料電池システム１００の運転を制御する。例えば、制御ユニット８０は、燃料電池１０に供給するカソードガスの加湿を制御する処理を実行する。この処理は、制御ユニット８０のＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、及びメモリにより機能的に実現される取得部８１、算出部８２、及びバルブ制御部８３により実行される。 As illustrated in FIG. 1, the control unit 80 is an ECU (Electronic Control Unit) including a microcomputer including a CPU (Central Processing Unit), a RAM (Random Access Memory), a ROM (Read Only Memory), and a memory. The memory is a non-volatile memory such as an HDD (Hard Disk Drive) or a flash memory. The control unit 80 integrally controls each component of the fuel cell system 100 to control the operation of the fuel cell system 100. For example, the control unit 80 executes processing for controlling humidification of the cathode gas supplied to the fuel cell 10. This processing is executed by the acquisition unit 81, the calculation unit 82, and the valve control unit 83 that are functionally realized by the CPU, RAM, ROM, and memory of the control unit 80.

取得部８１は、出力制御装置７０が備える電流計７２及び電圧計７３の出力を用いて、燃料電池１０の交流インピーダンスを取得する。算出部８２は、取得部８１で取得した交流インピーダンスの時系列データに基づいて、交流インピーダンスの増加速度を算出する。バルブ制御部８３は、交流インピーダンスの増加速度に基づいて、加湿バルブ３５の開閉を制御する。 The acquisition unit 81 acquires the AC impedance of the fuel cell 10 using the outputs of the ammeter 72 and the voltmeter 73 included in the output control device 70. The calculation unit 82 calculates the increase rate of the AC impedance based on the time series data of the AC impedance acquired by the acquisition unit 81. The valve control unit 83 controls opening / closing of the humidification valve 35 based on the increasing rate of the AC impedance.

図４は、カソードガスの加湿処理の一例を示すフローチャートである。なお、以下において、交流インピーダンスの値は、交流インピーダンスの実部の値を用いることができる。図４のように、制御ユニット８０は、加湿バルブ３５が閉じているか否か（すなわち、加湿バルブ３５の開度がゼロか否か）を判断する（ステップＳ１０）。例えば燃料電池１０の温度が低い場合では、発電反応で生じる生成水が蒸発し難く、電解質膜１２は乾燥し難い。したがって、燃料電池１０に加湿したカソードガスを供給しなくても電解質膜１２は所望の湿潤状態を維持できると考えられる。カソードガスが加湿器３３を通過すると圧力損失が生じるため、燃費の悪化を招く。そこで、燃料電池１０の温度が低いなどのカソードガスを加湿しなくてもよい状況にある場合では、燃費の悪化を抑制するために、加湿バルブ３５を閉じ且つバイパスバルブ３６を開いて、カソードガスが加湿器３３を経由せずにバイパス配管３４から燃料電池１０に供給される制御が行われる。 FIG. 4 is a flowchart showing an example of the humidification process of the cathode gas. In the following, as the value of AC impedance, the value of the real part of AC impedance can be used. As shown in FIG. 4, the control unit 80 determines whether the humidification valve 35 is closed (that is, whether the opening degree of the humidification valve 35 is zero) (step S10). For example, when the temperature of the fuel cell 10 is low, the water generated by the power generation reaction is hard to evaporate and the electrolyte membrane 12 is hard to dry. Therefore, it is considered that the electrolyte membrane 12 can maintain a desired wet state without supplying the humidified cathode gas to the fuel cell 10. When the cathode gas passes through the humidifier 33, a pressure loss occurs, which deteriorates fuel efficiency. Therefore, in the case where it is not necessary to humidify the cathode gas such as when the temperature of the fuel cell 10 is low, the humidification valve 35 is closed and the bypass valve 36 is opened to suppress the deterioration of fuel consumption. Is supplied to the fuel cell 10 from the bypass pipe 34 without passing through the humidifier 33.

加湿バルブ３５が開いている場合は（ステップＳ１０：Ｎｏ）、例えば燃料電池１０の温度が高くて電解質膜１２が乾燥し易い状況にある場合などであり、既にカソードガスは加湿器３３を経由して燃料電池１０に供給されているため、電解質膜１２は所望の湿潤状態になるように制御されている。したがって、加湿バルブ３５が開いている場合は（ステップＳ１０：Ｎｏ）、本加湿処理の制御を終了する。 When the humidification valve 35 is opened (step S10: No), for example, when the temperature of the fuel cell 10 is high and the electrolyte membrane 12 is easily dried, the cathode gas has already passed through the humidifier 33. Since it is supplied to the fuel cell 10 as a result, the electrolyte membrane 12 is controlled to be in a desired wet state. Therefore, when the humidifying valve 35 is open (step S10: No), the control of the main humidifying process is ended.

一方、加湿バルブ３５が閉じている場合は（ステップＳ１０：Ｙｅｓ）、例えば燃料電池１０の温度が低いなどのカソードガスを加湿しなくてもよい状況にある場合であるが、例えば燃料電池１０の温度が上昇した場合などでは、電解質膜１２が乾燥する恐れがある。したがって、加湿バルブ３５が閉じている場合は（ステップＳ１０：Ｙｅｓ）、電解質膜１２の乾燥を抑制して所望の湿潤状態が維持されるように、ステップＳ１２に移行する。 On the other hand, when the humidification valve 35 is closed (step S10: Yes), for example, when the temperature of the fuel cell 10 is low and there is no need to humidify the cathode gas. When the temperature rises, the electrolyte membrane 12 may be dried. Therefore, when the humidification valve 35 is closed (step S10: Yes), the process proceeds to step S12 so as to suppress the drying of the electrolyte membrane 12 and maintain a desired wet state.

ステップＳ１２では、制御ユニット８０は、燃料電池１０の交流インピーダンスを取得する。例えば、制御ユニット８０は、出力制御装置７０の電流計７２及び電圧計７３から出力される電流値及び電圧値を所定のサンプリング間隔で取得する。上述したように、これら電流値及び電圧値には高周波ノイズが含まれている。制御ユニット８０は、取得した電流値及び電圧値から高速フーリエ変換によって周波数成分を抽出して燃料電池１０の交流インピーダンスを算出し、交流インピーダンスの時系列データを取得する。 In step S12, the control unit 80 acquires the AC impedance of the fuel cell 10. For example, the control unit 80 acquires the current value and the voltage value output from the ammeter 72 and the voltmeter 73 of the output control device 70 at predetermined sampling intervals. As described above, the current value and the voltage value include high frequency noise. The control unit 80 extracts frequency components from the acquired current value and voltage value by fast Fourier transform to calculate the AC impedance of the fuel cell 10, and acquires the time series data of the AC impedance.

次いで、制御ユニット８０は、ステップＳ１２で取得した交流インピーダンスの時系列データから、交流インピーダンスの増加速度を算出する（ステップＳ１４）。増加速度は、単位時間当たりの交流インピーダンスの増加量であり、例えば横軸を時間、縦軸を交流インピーダンスとして表したグラフの傾きから求めることができる。次いで、制御ユニット８０は、交流インピーダンスの増加速度が所定値（例えば０．５ｍΩ／１００ｓｅｃ）以上か否かを判断する（ステップＳ１６）。交流インピーダンスの増加速度が所定値以上ではない場合（ステップＳ１６：Ｎｏ）、電解質膜１２は所望の湿潤状態を維持できる状況にあると想定されるため、ステップＳ１０に戻る。 Next, the control unit 80 calculates the increasing rate of the AC impedance from the AC impedance time-series data acquired in step S12 (step S14). The rate of increase is the amount of increase in AC impedance per unit time, and can be obtained from the slope of a graph in which the horizontal axis represents time and the vertical axis represents AC impedance, for example. Next, the control unit 80 determines whether or not the rate of increase in AC impedance is equal to or higher than a predetermined value (for example, 0.5 mΩ / 100 sec) (step S16). When the rate of increase of the AC impedance is not equal to or higher than the predetermined value (step S16: No), it is assumed that the electrolyte membrane 12 can maintain a desired wet state, and therefore the process returns to step S10.

一方、交流インピーダンスの増加速度が所定値以上である場合（ステップＳ１６：Ｙｅｓ）、電解質膜１２の乾燥が進んで所望の湿潤状態を維持できないことが想定される。そこで、制御ユニット８０は、加湿器３３で加湿されたカソードガスが燃料電池１０に供給されるように、加湿バルブ３５を所定開度に開く（ステップＳ１８）。加湿バルブ３５の開度は、予めメモリに記憶されたマップを参照して行うことができる。このように、ステップＳ１６における所定値は、電解質膜１２が湿潤状態を維持できるか否かの切り分けが可能な値とすることができる。 On the other hand, when the rate of increase of the AC impedance is equal to or higher than the predetermined value (step S16: Yes), it is assumed that the electrolyte membrane 12 is dried and the desired wet state cannot be maintained. Therefore, the control unit 80 opens the humidification valve 35 to a predetermined opening so that the cathode gas humidified by the humidifier 33 is supplied to the fuel cell 10 (step S18). The opening degree of the humidification valve 35 can be determined by referring to a map stored in advance in the memory. In this way, the predetermined value in step S16 can be set to a value that enables the separation of whether or not the electrolyte membrane 12 can maintain the wet state.

図５は、加湿バルブの開度の決定に用いられるマップの一例である。図５の横軸は燃料電池１０の温度であり、縦軸は加湿バルブ３５の開度である。図５のように、電解質膜１２の相対湿度が所定の湿度（例えば３０％ＲＨ）となるように、燃料電池１０の温度と加湿バルブ３５の開度との関係が決められている。燃料電池１０の温度が高いほど、加湿バルブ３５の開度は大きくなっている。これは、燃料電池１０の温度が高いほど電解質膜１２の乾燥が進み易いと考えられるため、電解質膜１２が所望の湿潤状態を維持するように加湿器３３で加湿されたカソードガスの流量を多くするためである。なお、燃料電池１０の温度は、冷媒配管６１を流れる冷媒の温度を測定する温度センサの値から取得することができる。 FIG. 5 is an example of a map used to determine the opening degree of the humidification valve. The horizontal axis of FIG. 5 represents the temperature of the fuel cell 10, and the vertical axis represents the opening of the humidification valve 35. As shown in FIG. 5, the relationship between the temperature of the fuel cell 10 and the opening degree of the humidification valve 35 is determined so that the relative humidity of the electrolyte membrane 12 becomes a predetermined humidity (for example, 30% RH). The higher the temperature of the fuel cell 10, the larger the opening of the humidification valve 35. This is because it is considered that the higher the temperature of the fuel cell 10 is, the easier the drying of the electrolyte membrane 12 proceeds. Therefore, the flow rate of the cathode gas humidified by the humidifier 33 is increased so that the electrolyte membrane 12 maintains a desired wet state. This is because The temperature of the fuel cell 10 can be obtained from the value of a temperature sensor that measures the temperature of the refrigerant flowing through the refrigerant pipe 61.

このように、ステップＳ１８において加湿バルブ３５を所定開度に開けることで、燃料電池１０に供給されるカソードガスの一部は加湿器３３で加湿されることから、電解質膜１２が乾燥することが抑制され、電解質膜１２を所望の湿潤状態に維持することができる。 As described above, by opening the humidification valve 35 to the predetermined opening degree in step S18, a part of the cathode gas supplied to the fuel cell 10 is humidified by the humidifier 33, so that the electrolyte membrane 12 may be dried. It is suppressed, and the electrolyte membrane 12 can be maintained in a desired wet state.

制御ユニット８０は、加湿バルブ３５を所定開度に開けてから所定時間（例えば１０秒程度）経過した後に、加湿バルブ３５を閉じて（ステップＳ２０）、加湿制御の処理を終了する。加湿バルブ３５を閉じることで、燃費の悪化を抑制できる。 The control unit 80 closes the humidification valve 35 (step S20) after a predetermined time (for example, about 10 seconds) has elapsed after opening the humidification valve 35 to a predetermined opening degree, and ends the humidification control process. By closing the humidification valve 35, deterioration of fuel efficiency can be suppressed.

上述したように、燃料電池１０に加湿器３３で加湿されたカソードガスが供給されなくてもよい場合では、燃費の悪化を抑制するために、加湿器３３を経由せずに燃料電池１０にカソードガスを供給することが好ましい。そこで、実施例１では、一端が加湿器３３よりも上流側で酸化剤ガス供給配管３１に接続し、他端が加湿器３３よりも下流側で酸化剤ガス供給配管３１に接続するバイパス配管３４が設けられている。これにより、加湿器３３を経由せずに燃料電池１０にカソードガスを供給することが可能となり、燃費の悪化を抑制できる。 As described above, in the case where the cathode gas humidified by the humidifier 33 does not have to be supplied to the fuel cell 10, the cathode of the fuel cell 10 does not pass through the humidifier 33 in order to suppress deterioration of fuel efficiency. It is preferable to supply gas. Therefore, in the first embodiment, one end is connected to the oxidant gas supply pipe 31 on the upstream side of the humidifier 33, and the other end is connected to the oxidant gas supply pipe 31 on the downstream side of the humidifier 33. Is provided. As a result, the cathode gas can be supplied to the fuel cell 10 without passing through the humidifier 33, and deterioration of fuel efficiency can be suppressed.

また、加湿したカソードガスを供給しなくてもよい状態から、電解質膜１２を湿潤させるために加湿したカソードガスを供給することが求められる状態に変化する場合がある。この場合に、例えば燃料電池１０の交流インピーダンスの値が電解質膜１２の乾燥を示す所定値を超えたときにカソードガスを加湿器３３に流入するように制御したとしても、タイムラグなどによって電解質膜１２を所望の湿潤状態に維持することが難しい。電解質膜１２が所望の湿潤状態から外れて乾燥状態になると、例えば燃料電池１０が低負荷運転から高負荷運転に移行したときに、電解質膜１２のプロトン伝導性の低下によって高負荷運転で求められる要求電力を出力できないことがある。また、電解質膜１２の乾燥を示す所定値を低く設定した場合は、加湿したカソードガスを供給しなくてよい場合にも関わらずカソードガスが加湿器３３を通過することになるため、燃費の点で好ましくない。 Further, there is a case where the state in which the humidified cathode gas does not have to be supplied is changed to the state in which the humidified cathode gas needs to be supplied in order to wet the electrolyte membrane 12. In this case, for example, even if the cathode gas is controlled to flow into the humidifier 33 when the value of the AC impedance of the fuel cell 10 exceeds a predetermined value that indicates the drying of the electrolyte membrane 12, the electrolyte membrane 12 is caused by a time lag or the like. Is difficult to maintain in the desired wet state. When the electrolyte membrane 12 deviates from a desired wet state and becomes a dry state, for example, when the fuel cell 10 shifts from a low load operation to a high load operation, the proton conductivity of the electrolyte membrane 12 is lowered to obtain the high load operation. It may not be possible to output the required power. Further, when the predetermined value indicating the drying of the electrolyte membrane 12 is set to be low, the cathode gas will pass through the humidifier 33 regardless of the case where the humidified cathode gas does not have to be supplied, so that fuel consumption is reduced. Is not preferable.

これに対し、実施例１では、制御ユニット８０は、加湿バルブ３５が閉じていて且つ燃料電池１０の交流インピーダンスの増加速度が所定値以上である場合に、加湿バルブ３５を開ける。交流インピーダンスの増加速度に基づいて加湿バルブ３５を開けることで、電解質膜１２が今後乾燥することが想定される場合に、加湿器３３で加湿したカソードガスを燃料電池１０に供給することができる。よって、電解質膜１２を所望の湿潤状態に維持することができる。このため、例えば燃料電池１０が低負荷運転から高負荷運転に移行したとしても、高負荷運転で求められる要求電力を出力することができる。 On the other hand, in the first embodiment, the control unit 80 opens the humidification valve 35 when the humidification valve 35 is closed and the increasing rate of the AC impedance of the fuel cell 10 is equal to or higher than a predetermined value. By opening the humidification valve 35 based on the increasing speed of the AC impedance, the cathode gas humidified by the humidifier 33 can be supplied to the fuel cell 10 when the electrolyte membrane 12 is expected to dry in the future. Therefore, the electrolyte membrane 12 can be maintained in a desired wet state. Therefore, for example, even if the fuel cell 10 shifts from a low load operation to a high load operation, the required power required for the high load operation can be output.

図１のように、バイパス配管３４にバイパスバルブ３６が設けられていることが好ましい。これにより、加湿バルブ３５とバイパスバルブ３６の両方の開度を制御することで、加湿器３３を通過して燃料電池１０に供給されるカソードガスの流量とバイパス配管３４を介して燃料電池１０に供給されるカソードガスの流量とを良好な精度で制御することができる。 As shown in FIG. 1, it is preferable that the bypass pipe 34 is provided with a bypass valve 36. Accordingly, by controlling the opening degrees of both the humidification valve 35 and the bypass valve 36, the flow rate of the cathode gas that passes through the humidifier 33 and is supplied to the fuel cell 10 and the fuel cell 10 via the bypass pipe 34. The flow rate of the supplied cathode gas can be controlled with good accuracy.

実施例１では、出力制御装置７０から発生する高周波ノイズを周波数解析することで、燃料電池１０の交流インピーダンスを取得する場合を例に示したが、その他の方向によって燃料電池１０の交流インピーダンスを取得してもよい。例えば、燃料電池１０の交流インピーダンスを測定するために用いられるインピーダンス測定器を備え、このインピーダンス測定器から燃料電池１０の交流インピーダンスを取得してもよい。また、燃料電池１０の交流インピーダンスの取得は、燃料電池１０全体の交流インピーダンスを取得する場合に限られず、燃料電池１０を構成する各セル１１の交流インピーダンスを取得するようにしてもよい。 In the first embodiment, the case where the AC impedance of the fuel cell 10 is obtained by frequency-analyzing the high frequency noise generated from the output control device 70 has been shown as an example, but the AC impedance of the fuel cell 10 is obtained in other directions. You may. For example, an impedance measuring device used to measure the AC impedance of the fuel cell 10 may be provided, and the AC impedance of the fuel cell 10 may be acquired from this impedance measuring device. Further, the acquisition of the AC impedance of the fuel cell 10 is not limited to the case of acquiring the AC impedance of the entire fuel cell 10, and the AC impedance of each cell 11 forming the fuel cell 10 may be acquired.

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 these specific embodiments, and various modifications and alterations are possible within the scope of the gist of the present invention described in the claims. It can be changed.

１０燃料電池
１２電解質膜
１４膜電極接合体
１６膜電極ガス拡散層接合体
３０酸化剤ガス配管系
３１酸化剤ガス供給配管
３２エアコンプレッサ
３３加湿器
３４バイパス配管
３５加湿バルブ
３６バイパスバルブ
３７酸化剤オフガス排出配管
４０燃料ガス配管系
６０冷媒配管系
７０出力制御装置
７１インバータ
７２電流計
７３電圧計
８０制御ユニット
８１取得部
８２算出部
８３バルブ制御部 10 Fuel Cell 12 Electrolyte Membrane 14 Membrane Electrode Assembly 16 Membrane Electrode Gas Diffusion Layer Assembly 30 Oxidizing Gas Pipe System 31 Oxidizing Gas Supply Pipe 32 Air Compressor 33 Humidifier 34 Bypass Piping 35 Humidification Valve 36 Bypass Valve 37 Oxidizing Agent Offgas Discharge pipe 40 Fuel gas pipe system 60 Refrigerant pipe system 70 Output control device 71 Inverter 72 Ammeter 73 Voltmeter 80 Control unit 81 Acquisition unit 82 Calculation unit 83 Valve control unit

Claims

A fuel cell having a solid polymer membrane as an electrolyte membrane;
A humidifier provided in an oxidant gas supply path for supplying an oxidant gas to the fuel cell, for humidifying the oxidant gas flowing through the oxidant gas supply path,
A bypass path, one end of which is connected to the oxidant gas supply path on the upstream side of the humidifier, and the other end of which is connected to the oxidant gas supply path on the downstream side of the humidifier,
A valve provided in the oxidant gas supply path between the humidifier and a connecting portion in which the one end of the bypass path is connected to the oxidant gas supply path,
An acquisition unit for acquiring the AC impedance of the fuel cell,
A fuel cell system comprising: a valve control unit that opens the valve when the valve is closed and the increasing rate of the AC impedance acquired by the acquisition unit is equal to or higher than a predetermined value.