JP2021174671A - Fuel cell system - Google Patents

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直樹 竹広
Naoki Takehiro
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    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

To provide a fuel cell system which is high in the corrosion resistance of a fuel cell stack in consideration of fuel consumption.SOLUTION: A fuel cell system comprises: a fuel cell stack having a structure in which a plurality of cells each having a membrane-electrode assembly including a perfluorosulfonic acid membrane as an electrolyte membrane are laminated; a fuel gas supply part for supplying a fuel gas to the fuel cell stack; a temperature sensor for detecting a temperature of the fuel cell stack; a voltage sensor for detecting a voltage of the fuel cell stack; a current sensor for detecting a current of the fuel cell stack; an inclination sensor for detecting an angle of inclination of the fuel cell stack; and a control part for controlling the driving of the fuel gas supply part.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本開示は、燃料電池システムに関する。 The present disclosure relates to a fuel cell system.

燃料電池(FC)は、複数の単セル(以下、セルと記載する場合がある)を積層した燃料電池スタック(以下、単にスタックと記載する場合がある)に、燃料ガスとしての水素(H)と酸化剤ガスとしての酸素(O)との電気化学反応によって電気エネルギーを取り出す発電装置である。なお、以下では、燃料ガスや酸化剤ガスを、特に区別することなく単に「反応ガス」あるいは「ガス」と呼ぶ場合もある。
この燃料電池のセルは、通常、膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)と、必要に応じて当該膜電極接合体の両面を挟持する2枚のセパレータにより構成される。
膜電極接合体は、プロトン(H)伝導性を有する固体高分子型電解質膜(以下、単に「電解質膜」とも呼ぶ)の両面に、それぞれ、触媒層及びガス拡散層が順に形成された構造を有している。
セパレータは、通常、ガス拡散層に接する面に反応ガスの流路としての溝が形成された構造を有している。なお、このセパレータは発電した電気の集電体としても機能する。
燃料電池の燃料極(アノード)では、ガス流路及びガス拡散層から供給される水素が触媒層の触媒作用によりプロトン化し、電解質膜を通過して酸化剤極(カソード)へと移動する。同時に生成した電子は、外部回路を通って仕事をし、カソードへと移動する。カソードに供給される酸素は、カソード上でプロトンおよび電子と反応し、水を生成する。
生成した水は、電解質膜に適度な湿度を与え、余剰な水はガス拡散層を透過して、系外へと排出される。
A fuel cell (FC) is a fuel cell stack (hereinafter, may be simply referred to as a stack) in which a plurality of single cells (hereinafter, may be referred to as cells) are laminated, and hydrogen (H 2) as a fuel gas. ) And oxygen (O 2 ) as an oxidant gas to extract electrical energy through an electrochemical reaction. In the following, the fuel gas and the oxidant gas may be simply referred to as "reaction gas" or "gas" without particular distinction.
The cell of this fuel cell is usually composed of a membrane electrode assembly (MEA: Membrane Electrode Assembly) and, if necessary, two separators sandwiching both sides of the membrane electrode assembly.
The membrane electrode assembly has a structure in which a catalyst layer and a gas diffusion layer are sequentially formed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane having proton (H +) conductivity (hereinafter, also simply referred to as “electrolyte membrane”), respectively. have.
The separator usually has a structure in which a groove as a flow path of the reaction gas is formed on the surface in contact with the gas diffusion layer. This separator also functions as a current collector for the generated electricity.
At the fuel electrode (anode) of the fuel cell, hydrogen supplied from the gas flow path and the gas diffusion layer is protonated by the catalytic action of the catalyst layer, passes through the electrolyte membrane, and moves to the oxidizing agent electrode (cathode). The electrons generated at the same time work through an external circuit and move to the cathode. Oxygen supplied to the cathode reacts with protons and electrons on the cathode to produce water.
The generated water gives an appropriate humidity to the electrolyte membrane, and the excess water permeates the gas diffusion layer and is discharged to the outside of the system.

燃料電池スタックの酸に対する耐腐食性を向上させた燃料電池システムが望まれている。
例えば特許文献1では、pH検知手段により燃料電池スタック内の液水の酸性度が高いと判断される場合には、燃料電池スタック内の水量を増大することにより、酸による腐食が生じるのを抑制する、という技術が開示されている。
また上記液水の排出には掃気という手段が取られるが、そのためにガス流量を上げる必要があるため、必要以上の頻度・時間の掃気をすることは、燃費悪化を招き望ましくない。
A fuel cell system with improved corrosion resistance of the fuel cell stack to acid is desired.
For example, in Patent Document 1, when the pH detecting means determines that the acidity of the liquid water in the fuel cell stack is high, the amount of water in the fuel cell stack is increased to suppress the occurrence of acid corrosion. The technology of doing so is disclosed.
In addition, scavenging is used to discharge the liquid water, but it is necessary to increase the gas flow rate for that purpose. Therefore, scavenging more frequently and for a longer time than necessary is not desirable because it causes deterioration of fuel efficiency.

また、特許文献2では、残水量に応じて掃気時間を変更する、という技術が開示されている。 Further, Patent Document 2 discloses a technique of changing the scavenging time according to the amount of residual water.

特開2006−040610号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2006-040610 特開2018−139181号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2018-139181

電解質膜の劣化によりクロスリークが生じた場合に、ガスマニフォールドでの電食が加速し、マニフォールドを通して各セル間でリークが発生する。
電解質膜でクロスリークの量が増大すると、電解質膜の劣化速度が増大する。そのため、発電生成水への膜劣化物の溶けだし量が増加し、マニフォールド滞留水のイオン伝導度が増加する。そのため、マニフォールドの排水制御を強化する必要が生じるが、従来技術では排水を強化することができず、燃料電池スタックの耐久性と燃費とのバランスが良好ではない場合がある。
例えば、特許文献1に記載の技術は、pH検知手段により燃料電池スタック内の液水の酸性度が高いと判断される場合に液水量を増やしてpHを上げるというものだが、酸による腐食は、液水のpHだけでなく、溜まった液水によるマニフォールド内でのセル間の液絡、溜まった液水のイオン伝導度、及び、スタック電圧等も進行の要因となる。そのため、液水量を増やしてpHを上げたとしても、液水が増えることで液絡する可能性が高くなる。
また、特許文献1に記載の技術に特許文献2に記載の技術を組み合わせて排水したとしても、スタック部材の腐食対策としては不十分な場合がある。
When a cross leak occurs due to deterioration of the electrolyte membrane, electrolytic corrosion in the gas manifold accelerates, and a leak occurs between each cell through the manifold.
As the amount of cross leak increases in the electrolyte membrane, the rate of deterioration of the electrolyte membrane increases. Therefore, the amount of the film deterioration product dissolved in the power generation water increases, and the ionic conductivity of the manifold retained water increases. Therefore, it is necessary to strengthen the drainage control of the manifold, but the conventional technique cannot strengthen the drainage, and the balance between the durability of the fuel cell stack and the fuel consumption may not be good.
For example, the technique described in Patent Document 1 is to increase the amount of liquid water to raise the pH when the pH detecting means determines that the acidity of the liquid water in the fuel cell stack is high. Not only the pH of the liquid water, but also the liquid entanglement between cells in the manifold due to the accumulated liquid water, the ionic conductivity of the accumulated liquid water, the stack voltage, and the like are factors of progress. Therefore, even if the amount of liquid water is increased to raise the pH, the possibility of liquid entanglement increases due to the increase in liquid water.
Further, even if the technique described in Patent Document 1 is combined with the technique described in Patent Document 2 to drain the water, it may not be sufficient as a countermeasure against corrosion of the stack member.

本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、酸によるスタック部材の腐食対策と掃気エネルギー頻度低減の両立を図ることができ、燃費を考慮した燃料電池スタックの耐腐食性の高い燃料電池システムを提供することを主目的とする。 This disclosure has been made in view of the above circumstances, and it is possible to achieve both measures against corrosion of the stack member due to acid and reduction of the frequency of scavenging energy, and a fuel cell having high corrosion resistance of the fuel cell stack in consideration of fuel efficiency. The main purpose is to provide a system.

本開示においては、電解質膜としてパーフルオロスルホン酸膜を含む膜電極接合体を備えるセルを複数積層した構成を有する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
前記燃料電池スタックの温度を検出する温度センサと、
前記燃料電池スタックの電圧を検出する電圧センサと、
前記燃料電池スタックの電流を検出する電流センサと、
前記燃料電池スタックの傾斜角を検出する傾斜センサと、
前記燃料ガス供給部の駆動を制御する制御部と、を有し、
工程(1)前記制御部は、前記燃料ガスの供給停止時の前記電圧センサが検出した電圧低下速度からクロスリーク量を推定し、
工程(2)前記制御部は、前記温度センサが検出した前記温度と、前記電流センサが検出した前記電流を、予め測定された前記燃料電池スタックの温度及び前記燃料電池スタックの電流と前記燃料電池スタックの生成液水量との相関関係を示すデータ群と照らして、前記燃料電池スタックの生成液水量を算出し、
工程(3)前記制御部は、前記生成液水量がない場合には、前記温度センサが検出した前記温度と、前記電流センサが検出した前記電流と、推定した前記クロスリーク量とを、予め測定された前記燃料電池スタックの温度及び前記燃料電池スタックの電流と前記燃料電池スタックのクロスリークによる膜分解量との相関関係を示すデータ群と照らして、前記電解質膜の中に滞留する膜劣化物量を算出し、当該膜劣化物量を積算膜分解量へ加算し、前記工程(2)に戻り、一方、前記生成液水量がある場合には、前記生成液水量を、積算生成水量へ加算し、
工程(4)前記制御部は、前記積算生成水量が閾値より大きい場合には、前記電解質膜から膜劣化物質が洗い出されたと判定し、前記積算膜分解量、及び、当該積算生成水量をリセットし、一方、前記積算生成水量が閾値以下である場合には、算出した前記生成液水量と、前記傾斜センサが検出した前記傾斜角とから前記燃料電池スタックのマニフォールドの滞留液水量を、算出し、
工程(5)前記制御部は、前記傾斜角が所定の閾値以上である場合は、前記マニフォールドから液水が流れ出たと判定し、マニフォールドの滞留液水量をリセットし、前記工程(2)に戻り、一方、前記傾斜角が所定の閾値未満である場合は、前記生成液水量を前記滞留液水量に加算し、
工程(6)前記制御部は、前記傾斜角と滞留液水量から、排気による前記滞留液水の排水が可能か否か判定し、
工程(7)前記制御部は、前記排水が不可能と判断した場合は、前記工程(2)に戻り、一方、前記排水が可能と判断した場合は、前記膜劣化物量と、前記滞留液水量と、から前記マニフォールドの前記滞留液水のイオン伝導度を、算出し、
工程(8)前記制御部は、前記イオン伝導度が閾値未満の場合には制御を終了し、一方、前記イオン伝導度が閾値以上の場合には、前記傾斜角から液水排水必要ガス流量を、算出し、さらに前記燃料ガス供給部を駆動させて、算出した前記液水排水必要ガス流量を前記燃料電池スタックに供給し、前記マニフォールドから前記液水を排出することを特徴とする、燃料電池システムを提供する。
In the present disclosure, a fuel cell stack having a configuration in which a plurality of cells including a membrane electrode assembly including a perfluorosulfonic acid film as an electrolyte membrane are stacked is used.
A fuel gas supply unit that supplies fuel gas to the fuel cell stack,
A temperature sensor that detects the temperature of the fuel cell stack, and
A voltage sensor that detects the voltage of the fuel cell stack and
A current sensor that detects the current of the fuel cell stack, and
An inclination sensor that detects the inclination angle of the fuel cell stack, and
It has a control unit that controls the drive of the fuel gas supply unit, and has.
Step (1) The control unit estimates the amount of cross leak from the voltage drop rate detected by the voltage sensor when the supply of the fuel gas is stopped.
Step (2) The control unit uses the temperature detected by the temperature sensor and the current detected by the current sensor, the temperature of the fuel cell stack measured in advance, the current of the fuel cell stack, and the fuel cell. The amount of liquid water produced in the fuel cell stack was calculated in light of the data group showing the correlation with the amount of liquid water produced in the stack.
Step (3) When the generated liquid water amount is not present, the control unit previously measures the temperature detected by the temperature sensor, the current detected by the current sensor, and the estimated cross leak amount. The amount of film deteriorated accumulated in the electrolyte membrane in light of the data group showing the correlation between the temperature of the fuel cell stack and the current of the fuel cell stack and the amount of film decomposition due to the cross leak of the fuel cell stack. Is calculated, the amount of the deteriorated film is added to the integrated amount of film decomposition, and the process returns to the step (2).
Step (4) When the integrated generated water amount is larger than the threshold value, the control unit determines that the membrane-deteriorating substance has been washed out from the electrolyte membrane, and resets the integrated membrane decomposition amount and the integrated generated water amount. On the other hand, when the integrated amount of generated water is equal to or less than the threshold value, the amount of retained liquid in the manifold of the fuel cell stack is calculated from the calculated amount of produced liquid water and the inclination angle detected by the inclination sensor. ,
Step (5) When the inclination angle is equal to or greater than a predetermined threshold value, the control unit determines that the liquid water has flowed out from the manifold, resets the amount of retained liquid water in the manifold, and returns to the step (2). On the other hand, when the inclination angle is less than a predetermined threshold value, the amount of the produced liquid water is added to the amount of the stagnant liquid water.
Step (6) The control unit determines from the inclination angle and the amount of the stagnant liquid water whether or not the stagnant liquid water can be drained by exhaust gas.
Step (7) When the control unit determines that the drainage is impossible, the process returns to the step (2), while when the control unit determines that the drainage is possible, the amount of the film deteriorated material and the amount of the retained liquid water. And, the ionic conductivity of the stagnant liquid water of the manifold is calculated from
Step (8) When the ionic conductivity is less than the threshold value, the control unit ends the control, while when the ionic conductivity is equal to or higher than the threshold value, the liquid water drainage required gas flow rate is determined from the inclination angle. , And further driving the fuel gas supply unit to supply the calculated liquid water drainage required gas flow rate to the fuel cell stack, and discharging the liquid water from the manifold. Provide a system.

本開示の燃料電池システムによれば、電解質膜の劣化を抑制し、燃料電池スタックの耐久性の高い燃料電池システムを提供することができる。 According to the fuel cell system of the present disclosure, it is possible to suppress deterioration of the electrolyte membrane and provide a fuel cell system having high durability of the fuel cell stack.

本開示の燃料電池システムの一例を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows an example of the fuel cell system of this disclosure. 本開示の燃料電池システムの制御方法の一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the control method of the fuel cell system of this disclosure.

本開示においては、電解質膜としてパーフルオロスルホン酸膜を含む膜電極接合体を備えるセルを複数積層した構成を有する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
前記燃料電池スタックの温度を検出する温度センサと、
前記燃料電池スタックの電圧を検出する電圧センサと、
前記燃料電池スタックの電流を検出する電流センサと、
前記燃料電池スタックの傾斜角を検出する傾斜センサと、
前記燃料ガス供給部の駆動を制御する制御部と、を有し、
工程(1)前記制御部は、前記燃料ガスの供給停止時の前記電圧センサが検出した電圧低下速度からクロスリーク量を推定し、
工程(2)前記制御部は、前記温度センサが検出した前記温度と、前記電流センサが検出した前記電流を、予め測定された前記燃料電池スタックの温度及び前記燃料電池スタックの電流と前記燃料電池スタックの生成液水量との相関関係を示すデータ群と照らして、前記燃料電池スタックの生成液水量を算出し、
工程(3)前記制御部は、前記生成液水量がない場合には、前記温度センサが検出した前記温度と、前記電流センサが検出した前記電流と、推定した前記クロスリーク量とを、予め測定された前記燃料電池スタックの温度及び前記燃料電池スタックの電流と前記燃料電池スタックのクロスリークによる膜分解量との相関関係を示すデータ群と照らして、前記電解質膜の中に滞留する膜劣化物量を算出し、当該膜劣化物量を積算膜分解量へ加算し、前記工程(2)に戻り、一方、前記生成液水量がある場合には、前記生成液水量を、積算生成水量へ加算し、
工程(4)前記制御部は、前記積算生成水量が閾値より大きい場合には、前記電解質膜から膜劣化物質が洗い出されたと判定し、前記積算膜分解量、及び、当該積算生成水量をリセットし、一方、前記積算生成水量が閾値以下である場合には、算出した前記生成液水量と、前記傾斜センサが検出した前記傾斜角とから前記燃料電池スタックのマニフォールドの滞留液水量を、算出し、
工程(5)前記制御部は、前記傾斜角が所定の閾値以上である場合は、前記マニフォールドから液水が流れ出たと判定し、マニフォールドの滞留液水量をリセットし、前記工程(2)に戻り、一方、前記傾斜角が所定の閾値未満である場合は、前記生成液水量を前記滞留液水量に加算し、
工程(6)前記制御部は、前記傾斜角と滞留液水量から、排気による前記滞留液水の排水が可能か否か判定し、
工程(7)前記制御部は、前記排水が不可能と判断した場合は、前記工程(2)に戻り、一方、前記排水が可能と判断した場合は、前記膜劣化物量と、前記滞留液水量と、から前記マニフォールドの前記滞留液水のイオン伝導度を、算出し、
工程(8)前記制御部は、前記イオン伝導度が閾値未満の場合には制御を終了し、一方、前記イオン伝導度が閾値以上の場合には、前記傾斜角から液水排水必要ガス流量を、算出し、さらに前記燃料ガス供給部を駆動させて、算出した前記液水排水必要ガス流量を前記燃料電池スタックに供給し、前記マニフォールドから前記液水を排出することを特徴とする、燃料電池システムを提供する。
In the present disclosure, a fuel cell stack having a configuration in which a plurality of cells including a membrane electrode assembly including a perfluorosulfonic acid film as an electrolyte membrane are stacked is used.
A fuel gas supply unit that supplies fuel gas to the fuel cell stack,
A temperature sensor that detects the temperature of the fuel cell stack, and
A voltage sensor that detects the voltage of the fuel cell stack and
A current sensor that detects the current of the fuel cell stack, and
An inclination sensor that detects the inclination angle of the fuel cell stack, and
It has a control unit that controls the drive of the fuel gas supply unit, and has.
Step (1) The control unit estimates the amount of cross leak from the voltage drop rate detected by the voltage sensor when the supply of the fuel gas is stopped.
Step (2) The control unit uses the temperature detected by the temperature sensor and the current detected by the current sensor, the temperature of the fuel cell stack measured in advance, the current of the fuel cell stack, and the fuel cell. The amount of liquid water produced in the fuel cell stack was calculated in light of the data group showing the correlation with the amount of liquid water produced in the stack.
Step (3) When the generated liquid water amount is not present, the control unit previously measures the temperature detected by the temperature sensor, the current detected by the current sensor, and the estimated cross leak amount. The amount of film deteriorated accumulated in the electrolyte membrane in light of the data group showing the correlation between the temperature of the fuel cell stack and the current of the fuel cell stack and the amount of film decomposition due to the cross leak of the fuel cell stack. Is calculated, the amount of the deteriorated film is added to the integrated amount of film decomposition, and the process returns to the step (2).
Step (4) When the integrated generated water amount is larger than the threshold value, the control unit determines that the membrane-deteriorating substance has been washed out from the electrolyte membrane, and resets the integrated membrane decomposition amount and the integrated generated water amount. On the other hand, when the integrated amount of generated water is equal to or less than the threshold value, the amount of retained liquid in the manifold of the fuel cell stack is calculated from the calculated amount of produced liquid water and the inclination angle detected by the inclination sensor. ,
Step (5) When the inclination angle is equal to or greater than a predetermined threshold value, the control unit determines that the liquid water has flowed out from the manifold, resets the amount of retained liquid water in the manifold, and returns to the step (2). On the other hand, when the inclination angle is less than a predetermined threshold value, the amount of the produced liquid water is added to the amount of the stagnant liquid water.
Step (6) The control unit determines from the inclination angle and the amount of the stagnant liquid water whether or not the stagnant liquid water can be drained by exhaust gas.
Step (7) When the control unit determines that the drainage is impossible, the process returns to the step (2), while when the control unit determines that the drainage is possible, the amount of the film deteriorated material and the amount of the retained liquid water. And, the ionic conductivity of the stagnant liquid water of the manifold is calculated from
Step (8) When the ionic conductivity is less than the threshold value, the control unit ends the control, while when the ionic conductivity is equal to or higher than the threshold value, the liquid water drainage required gas flow rate is determined from the inclination angle. , And further driving the fuel gas supply unit to supply the calculated liquid water drainage required gas flow rate to the fuel cell stack, and discharging the liquid water from the manifold. Provide a system.

図1は、本開示の燃料電池システムの一例を示す概略構成図である。
図1に示す燃料電池システム100は、燃料電池スタック11と、燃料ガス供給部12と燃料ガス供給流路13と、燃料オフガス排出流路14と、センサ部15と、制御部16と、酸化剤ガス供給部21と、酸化剤ガス供給流路22と、酸化剤ガス排出流路23と、を備える。センサ部15は、温度センサ、電圧センサ、電流センサ、傾斜センサを包含する。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an example of the fuel cell system of the present disclosure.
The fuel cell system 100 shown in FIG. 1 includes a fuel cell stack 11, a fuel gas supply unit 12, a fuel gas supply flow path 13, a fuel off gas discharge flow path 14, a sensor unit 15, a control unit 16, and an oxidizing agent. A gas supply unit 21, an oxidant gas supply flow path 22, and an oxidant gas discharge flow path 23 are provided. The sensor unit 15 includes a temperature sensor, a voltage sensor, a current sensor, and an inclination sensor.

本開示によれば、酸による電解質膜の腐食対策と掃気エネルギー頻度低減の両立のため、以下の2つの条件を満たす場合に排水制御を行う。
1)スタック傾斜角とマニフォールド内の残水量から液水が排水可能になった場合。
2)電解質膜のクロスリーク量とスタックの高温運転時の膜分解量の積算値から推定する液水のイオン伝導度が閾値を超えた場合。
そして、電解質膜のクロスリークを検知した場合であって、クロスリーク量とスタックの高温運転時の膜分解量の積算値から推定する液水のイオン伝導度が閾値を超えた場合、かつ、スタック傾斜角とマニフォールド内の残水量から液水が排水可能になった場合に排水制御を行うことで、排水頻度を上げ、リークにつながるマニフォールドの電食を抑制し、電解質膜のクロスリークによる他部品の損傷を抑制する。
According to the present disclosure, in order to both prevent corrosion of the electrolyte membrane by acid and reduce the frequency of scavenging energy, wastewater control is performed when the following two conditions are satisfied.
1) When liquid water can be drained from the stack inclination angle and the amount of residual water in the manifold.
2) When the ionic conductivity of liquid water estimated from the integrated value of the cross-leakage amount of the electrolyte membrane and the membrane decomposition amount during high-temperature operation of the stack exceeds the threshold value.
Then, when the cross leak of the electrolyte membrane is detected, the ionic conductivity of the liquid water estimated from the integrated value of the cross leak amount and the film decomposition amount during high-temperature operation of the stack exceeds the threshold value, and the stack By controlling the drainage when liquid water can be drained from the inclination angle and the amount of residual water in the manifold, the frequency of drainage is increased, the electrolytic corrosion of the manifold that leads to the leak is suppressed, and other parts due to the cross leak of the electrolyte membrane. Suppresses damage.

本開示の燃料電池システムは、少なくとも燃料電池スタックと、燃料ガス供給部と、温度センサと、電圧センサと、電流センサと、傾斜センサと、制御部と、を備え、通常さらに、燃料ガス供給部と、燃料ガス供給流路と、燃料オフガス排出部と、酸化剤ガス供給部と、酸化剤ガス供給流路と、酸化剤ガス排出流路と、冷却水供給部と、冷却水循環流路等を備える。 The fuel cell system of the present disclosure includes at least a fuel cell stack, a fuel gas supply unit, a temperature sensor, a voltage sensor, a current sensor, an inclination sensor, and a control unit, and usually further includes a fuel gas supply unit. , Fuel gas supply channel, fuel off gas discharge section, oxidant gas supply section, oxidant gas supply channel, oxidant gas discharge channel, cooling water supply section, cooling water circulation channel, etc. Be prepared.

本開示の燃料電池システムは、通常、駆動源を電動機(モータ)とする燃料電池車両に搭載されて用いられる。
電動機は、特に限定されず、従来公知のモータであってもよい。
The fuel cell system of the present disclosure is usually mounted on a fuel cell vehicle whose drive source is an electric motor (motor).
The electric motor is not particularly limited, and may be a conventionally known motor.

燃料電池スタックは、電動機に電力を供給してもよい。
燃料電池スタックは、燃料電池のセルを複数個積層して構成される。
セルの積層数は特に限定されず、例えば、2〜数百個であってもよく、2〜200個であってもよい。
燃料電池スタックは、セルの積層方向の両端にエンドプレートを備えていてもよい。
燃料電池のセルは、少なくとも酸化剤極、電解質膜、及び、燃料極を含む膜電極接合体を備え、必要に応じて当該膜電極接合体の両面を挟持する2枚のセパレータを備えてもよい。
The fuel cell stack may power the motor.
The fuel cell stack is formed by stacking a plurality of fuel cell cells.
The number of stacked cells is not particularly limited, and may be, for example, 2 to several hundreds or 2 to 200.
The fuel cell stack may include end plates at both ends in the stacking direction of the cells.
The fuel cell cell may include at least a membrane electrode assembly containing an oxidant electrode, an electrolyte membrane, and a fuel electrode, and may optionally include two separators sandwiching both sides of the membrane electrode assembly. ..

電解質膜は、パーフルオロスルホン酸膜等が挙げられ、ナフィオン膜(デュポン社製)等であってもよい。 Examples of the electrolyte membrane include a perfluorosulfonic acid membrane and the like, and a Nafion membrane (manufactured by DuPont) and the like may be used.

セパレータは、ガス拡散層に接する面に反応ガス流路を有していてもよい。また、セパレータは、ガス拡散層に接する面とは反対側の面に燃料電池スタックの温度を一定に保つための冷却水流路を有していてもよい。
セパレータは、反応ガス及び冷却水を単セルの積層方向に流通させるための供給孔及び排出孔を有していてもよい。
供給孔は、燃料ガス供給孔、酸化剤ガス供給孔、及び、冷却水供給孔等が挙げられる。
排出孔は、燃料ガス排出孔、酸化剤ガス排出孔、及び、冷却水排出孔等が挙げられる。
セパレータは、ガス不透過の導電性部材等であってもよい。導電性部材としては、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン、及び、プレス成形した金属(例えば、鉄、アルミニウム、及び、ステンレス等)板等であってもよい。また、セパレータが集電機能を備えるものであってもよい。
い。
燃料電池スタックは、各供給孔が連通した入口マニフォールド、及び、各排出孔が連通した出口マニフォールド等のマニフォールドを有していてもよい。
入口マニフォールドは、アノード入口マニフォールド、カソード入口マニフォールド、及び、冷却水入口マニフォールド等が挙げられる。
出口マニフォールドは、アノード出口マニフォールド、カソード出口マニフォールド、及び、冷却水出口マニフォールド等が挙げられる。
The separator may have a reaction gas flow path on the surface in contact with the gas diffusion layer. Further, the separator may have a cooling water flow path for keeping the temperature of the fuel cell stack constant on the surface opposite to the surface in contact with the gas diffusion layer.
The separator may have a supply hole and a discharge hole for flowing the reaction gas and the cooling water in the stacking direction of the single cell.
Examples of the supply hole include a fuel gas supply hole, an oxidant gas supply hole, and a cooling water supply hole.
Examples of the discharge hole include a fuel gas discharge hole, an oxidant gas discharge hole, a cooling water discharge hole, and the like.
The separator may be a gas-impermeable conductive member or the like. The conductive member may be, for example, a dense carbon obtained by compressing carbon to make it gas impermeable, a press-molded metal (for example, iron, aluminum, stainless steel, etc.) plate or the like. Further, the separator may have a current collecting function.
stomach.
The fuel cell stack may have a manifold such as an inlet manifold in which each supply hole communicates and an outlet manifold in which each discharge hole communicates.
Examples of the inlet manifold include an anode inlet manifold, a cathode inlet manifold, and a cooling water inlet manifold.
Examples of the outlet manifold include an anode outlet manifold, a cathode outlet manifold, and a cooling water outlet manifold.

酸化剤極は、酸化剤極触媒層及びガス拡散層を含む。
燃料極は、燃料極触媒層及びガス拡散層を含む。
酸化剤極触媒層及び燃料極触媒層は、例えば、電気化学反応を促進する触媒金属、プロトン伝導性を有する電解質、及び、電子伝導性を有するカーボン粒子等を備えていてもよい。
触媒金属としては、例えば、白金(Pt)、及び、Ptと他の金属とから成る合金(例えばコバルト、及び、ニッケル等を混合したPt合金)等を用いることができる。
電解質としては、フッ素系樹脂等であってもよい。フッ素系樹脂としては、例えば、ナフィオン溶液等を用いてもよい。
上記触媒金属はカーボン粒子上に担持されており、各触媒層では、触媒金属を担持したカーボン粒子(触媒粒子)と電解質とが混在していてもよい。
触媒金属を担持するためのカーボン粒子(担持用カーボン粒子)は、例えば、一般に市販されているカーボン粒子(カーボン粉末)を加熱処理することにより自身の撥水性が高められた撥水化カーボン粒子等を用いてもよい。
The oxidant electrode includes an oxidant electrode catalyst layer and a gas diffusion layer.
The fuel electrode includes a fuel electrode catalyst layer and a gas diffusion layer.
The oxidant electrode catalyst layer and the fuel electrode catalyst layer may include, for example, a catalyst metal that promotes an electrochemical reaction, an electrolyte having proton conductivity, carbon particles having electron conductivity, and the like.
As the catalyst metal, for example, platinum (Pt) and an alloy composed of Pt and another metal (for example, a Pt alloy in which cobalt, nickel, etc. are mixed) can be used.
The electrolyte may be a fluororesin or the like. As the fluororesin, for example, a Nafion solution or the like may be used.
The catalyst metal is supported on carbon particles, and carbon particles (catalyst particles) carrying the catalyst metal and an electrolyte may be mixed in each catalyst layer.
The carbon particles for supporting the catalyst metal (supporting carbon particles) include, for example, water-repellent carbon particles whose water repellency is enhanced by heat-treating commercially available carbon particles (carbon powder). May be used.

ガス拡散層は、ガス透過性を有する導電性部材等であってもよい。
導電性部材としては、例えば、カーボンクロス、及びカーボンペーパー等のカーボン多孔質体、並びに、金属メッシュ、及び、発泡金属などの金属多孔質体等が挙げられる。
The gas diffusion layer may be a conductive member or the like having gas permeability.
Examples of the conductive member include a carbon porous body such as carbon cloth and carbon paper, a metal mesh, and a metal porous body such as foamed metal.

燃料オフガス排出部は、燃料電池スタックの燃料極から排出された燃料オフガスを燃料電池システム外部へ排気させることができるものであれば特に限定されない。
燃料オフガスは、主に、燃料極において未反応のまま通過した燃料ガスと、酸化剤極で生成した生成水が燃料極に到達した水分と、を含む。
本開示の燃料電池システムは、燃料オフガス排出流路を備えていてもよく、必要に応じ、燃料オフガス排出弁をさらに備えていてもよい。
燃料オフガス排出弁は、燃料オフガスの排出流量を調整する。
燃料オフガス排出流路は、燃料オフガスを外部に排出可能にする。
The fuel off-gas discharge unit is not particularly limited as long as it can exhaust the fuel-off gas discharged from the fuel electrode of the fuel cell stack to the outside of the fuel cell system.
The fuel off gas mainly includes a fuel gas that has passed unreacted at the fuel electrode and a water content that the generated water generated at the oxidant electrode has reached the fuel electrode.
The fuel cell system of the present disclosure may include a fuel off-gas discharge flow path, and may further include a fuel-off gas discharge valve, if necessary.
The fuel off gas discharge valve regulates the fuel off gas discharge flow rate.
The fuel off gas discharge flow path makes it possible to discharge the fuel off gas to the outside.

温度センサは、燃料電池スタックの温度を検出することができるものであれば特に限定されず、従来公知のものを採用することができる。燃料電池スタックの温度は燃料電池スタックの冷却水出口(冷却水出口マニホールド等)付近の温度であってもよい。
電圧センサは、燃料電池スタックの電圧を検出することができるものであれば特に限定されず、従来公知のものを採用することができる。
電流センサは、燃料電池スタックの電流を検出することができるものであれば特に限定されず、従来公知のものを採用することができる。
傾斜センサは、燃料電池スタックの傾斜角を検出することができるものであれば特に限定されず、従来公知のものを採用することができる。
The temperature sensor is not particularly limited as long as it can detect the temperature of the fuel cell stack, and conventionally known ones can be adopted. The temperature of the fuel cell stack may be a temperature near the cooling water outlet (cooling water outlet manifold, etc.) of the fuel cell stack.
The voltage sensor is not particularly limited as long as it can detect the voltage of the fuel cell stack, and conventionally known ones can be adopted.
The current sensor is not particularly limited as long as it can detect the current of the fuel cell stack, and conventionally known ones can be adopted.
The tilt sensor is not particularly limited as long as it can detect the tilt angle of the fuel cell stack, and conventionally known tilt sensors can be adopted.

燃料ガス供給部は、燃料電池スタックに燃料ガスを供給する。
燃料ガスは、主に水素を含有するガスであり、例えば、水素ガスであってもよい。
燃料ガス供給部としては、例えば、燃料タンク等が挙げられ、具体的には、液体水素タンク、圧縮水素タンク等が挙げられる。
The fuel gas supply unit supplies fuel gas to the fuel cell stack.
The fuel gas is a gas mainly containing hydrogen, and may be, for example, hydrogen gas.
Examples of the fuel gas supply unit include a fuel tank and the like, and specific examples thereof include a liquid hydrogen tank and a compressed hydrogen tank.

燃料ガス供給流路は、燃料ガス供給部と燃料電池スタックを接続し、燃料ガスの燃料ガス供給部からの燃料電池スタックへの供給を可能にする。 The fuel gas supply flow path connects the fuel gas supply unit and the fuel cell stack, and enables the fuel gas to be supplied from the fuel gas supply unit to the fuel cell stack.

本開示の燃料電池システムは、燃料オフガス排出流路から分岐され、燃料電池スタックの燃料極から排出された燃料オフガスを回収し、循環ガスとして燃料電池スタックに戻す循環流路を備えていてもよい。
循環流路には、燃料オフガス中の水分を低減するための気液分離器が設けられていてもよい。そして、気液分離器によって循環流路から分岐される排水流路及び当該排水流路上に排水弁が備えられていてもよい。
気液分離器によって燃料オフガス中から分離された水分は、循環流路から分岐される排水流路に設けられた排水弁の開放によって排出してもよい。
一方、水分が分離された燃料オフガスは、若干残留したミストを含んだ状態で、循環流路から燃料電池スタックに供給されてもよい。
The fuel cell system of the present disclosure may include a circulation flow path that is branched from the fuel off-gas discharge flow path, recovers the fuel off-gas discharged from the fuel electrode of the fuel cell stack, and returns it to the fuel cell stack as circulating gas. ..
The circulation flow path may be provided with a gas-liquid separator for reducing the water content in the fuel off gas. Then, a drainage flow path branched from the circulation flow path by the gas-liquid separator and a drainage valve may be provided on the drainage flow path.
Moisture separated from the fuel-off gas by the gas-liquid separator may be discharged by opening a drain valve provided in the drainage channel branched from the circulation channel.
On the other hand, the fuel off gas from which the water is separated may be supplied to the fuel cell stack from the circulation flow path in a state containing a small amount of residual mist.

燃料電池システムは、酸化剤ガス供給部、酸化剤ガス供給流路、及び、酸化剤ガス排出流路を備えていてもよい。
酸化剤ガス供給部は、少なくとも燃料電池スタックの酸化剤極に酸化剤ガスを供給する。
酸化剤ガス供給部としては、例えば、エアコンプレッサー等を用いることができる。エアコンプレッサーは、制御部からの制御信号に従って駆動され、酸化剤ガスを燃料電池のカソード側(酸化剤極、カソード入口マニホールド等)に導入する。
酸化剤ガス供給流路は、酸化剤ガス供給部と燃料電池スタックを接続し、酸化剤ガス供給部から燃料電池スタックの酸化剤極への酸化剤ガスの供給を可能にする。
酸化剤ガスは、酸素含有ガスであり、空気、乾燥空気、及び、純酸素等であってもよい。
酸化剤ガス排出流路は、燃料電池スタックからの酸化剤ガスの排出を可能にする。
The fuel cell system may include an oxidant gas supply unit, an oxidant gas supply flow path, and an oxidant gas discharge flow path.
The oxidant gas supply unit supplies the oxidant gas to at least the oxidant electrode of the fuel cell stack.
As the oxidant gas supply unit, for example, an air compressor or the like can be used. The air compressor is driven according to a control signal from the control unit, and introduces an oxidant gas into the cathode side (oxidant electrode, cathode inlet manifold, etc.) of the fuel cell.
The oxidant gas supply channel connects the oxidant gas supply unit and the fuel cell stack, and enables the oxidant gas to be supplied from the oxidant gas supply unit to the oxidant electrode of the fuel cell stack.
The oxidant gas is an oxygen-containing gas, and may be air, dry air, pure oxygen, or the like.
The oxidant gas discharge channel allows the oxidant gas to be discharged from the fuel cell stack.

燃料電池システムは、冷却水供給部、及び、冷却水循環流路を備えていてもよい。
冷却水循環流路は、燃料電池スタックに設けられる冷却水入口マニフォールド及び冷却水出口マニフォールドに連通し、冷却水供給部から供給される冷却水を燃料電池スタック内外で循環させ、燃料電池スタックの冷却を可能にする。
冷却水供給部は、例えば、冷却水ポンプ等が挙げられる。
冷却水(冷媒)としては、低温時の凍結を防止するために例えばエチレングリコールと水との混合溶液を用いることができる。
The fuel cell system may include a cooling water supply unit and a cooling water circulation flow path.
The cooling water circulation flow path communicates with the cooling water inlet manifold and the cooling water outlet manifold provided in the fuel cell stack, and circulates the cooling water supplied from the cooling water supply unit inside and outside the fuel cell stack to cool the fuel cell stack. to enable.
Examples of the cooling water supply unit include a cooling water pump and the like.
As the cooling water (refrigerant), for example, a mixed solution of ethylene glycol and water can be used in order to prevent freezing at a low temperature.

制御部は、燃料電池システムの制御を行い、主に燃料ガス供給部の駆動を制御する。
制御部は、温度センサ、電圧センサ、電流センサ、傾斜センサ、燃料ガス供給部、及び、酸化剤ガス供給部等と入出力インターフェースを介して接続されていてもよい。
制御部は、物理的には、例えば、CPU(中央演算処理装置)等の演算処理装置と、CPUで処理される制御プログラム及び制御データ等を記憶するROM(リードオンリーメモリー)、並びに、主として制御処理のための各種作業領域として使用されるRAM(ランダムアクセスメモリー)等の記憶装置と、入出力インターフェースとを有するものである。また、制御部は、例えば、ECU(エンジンコントロールユニット)等の制御装置であってもよい。
The control unit controls the fuel cell system and mainly controls the drive of the fuel gas supply unit.
The control unit may be connected to a temperature sensor, a voltage sensor, a current sensor, an inclination sensor, a fuel gas supply unit, an oxidant gas supply unit, and the like via an input / output interface.
The control unit physically includes, for example, an arithmetic processing unit such as a CPU (central processing unit), a ROM (read-only memory) that stores control programs and control data processed by the CPU, and mainly controls. It has a storage device such as a RAM (random access memory) used as various work areas for processing, and an input / output interface. Further, the control unit may be, for example, a control device such as an ECU (engine control unit).

図2は、本開示の燃料電池システムの制御方法の一例を示すフローチャートである。なお、本開示は、必ずしも本典型例のみに限定されるものではない。
本開示の燃料電池システムの制御は、具体的には、以下の工程(1)〜(8)の順で行ってもよい。
FIG. 2 is a flowchart showing an example of the control method of the fuel cell system of the present disclosure. The present disclosure is not necessarily limited to this typical example.
Specifically, the control of the fuel cell system of the present disclosure may be performed in the following steps (1) to (8).

工程(1)クロスリーク量の推定
制御部は、燃料ガスの供給停止時の前記電圧センサが検出した電圧低下速度からクロスリーク量を推定する。
クロスリーク量を推定するタイミングは特に限定されず、燃料電池スタックの運転停止時に行ってもよいし、運転停止から所定の時間経過後に行ってもよいし、常時クロスリーク量を推定してもよく、適宜推定時期を設定することができる。
クロスリーク量を推定する方法は例えば、スタック停止時のスタックの残電圧の時間変化から、電解質膜のクロスリーク量を推定してもよい。
Step (1) Estimating the amount of cross leak The control unit estimates the amount of cross leak from the voltage drop rate detected by the voltage sensor when the supply of fuel gas is stopped.
The timing for estimating the cross-leakage amount is not particularly limited, and may be performed when the operation of the fuel cell stack is stopped, may be performed after a predetermined time has elapsed from the operation stop, or the cross-leakage amount may be estimated at all times. , The estimated time can be set as appropriate.
As a method of estimating the cross-leakage amount, for example, the cross-leakage amount of the electrolyte membrane may be estimated from the time change of the residual voltage of the stack when the stack is stopped.

工程(2)生成液水量の算出
制御部は、前記温度センサが検出した前記温度と、前記電流センサが検出した前記電流を、予め測定された前記燃料電池スタックの温度及び前記燃料電池スタックの電流と前記燃料電池スタックの生成液水量との相関関係を示すデータ群と照らして、前記燃料電池スタックの生成液水量を算出する。
Step (2) Calculation of the amount of generated liquid water The control unit uses the temperature detected by the temperature sensor and the current detected by the current sensor as the temperature of the fuel cell stack and the current of the fuel cell stack measured in advance. And the data group showing the correlation with the amount of produced liquid water of the fuel cell stack, the amount of produced liquid water of the fuel cell stack is calculated.

工程(3)膜劣化物量の算出
制御部は、前記生成液水量がない(すなわち、生成液水量=0)場合には、前記温度センサが検出した前記温度と、前記電流センサが検出した前記電流と、推定した前記クロスリーク量とを、予め測定された前記燃料電池スタックの温度及び前記燃料電池スタックの電流と前記燃料電池スタックのクロスリークによる膜分解量との相関関係を示すデータ群と照らして、前記電解質膜の中に滞留する膜劣化物量を算出し、当該膜劣化物量を積算膜分解量へ加算し、上記工程(2)へ戻ってもよい。一方、前記生成液水量がある(すなわち、生成液水量>0)場合には、前記生成液水量を、積算生成水量へ加算する。
Step (3) Calculation of the amount of deteriorated film When the amount of produced liquid water is not present (that is, the amount of produced liquid water = 0), the control unit has the temperature detected by the temperature sensor and the current detected by the current sensor. The estimated cross-leakage amount is compared with a data group showing the correlation between the pre-measured temperature of the fuel cell stack and the current of the fuel cell stack and the amount of film decomposition due to the cross-leakage of the fuel cell stack. Then, the amount of the film deteriorated substance staying in the electrolyte membrane may be calculated, the amount of the film deteriorated substance may be added to the integrated film decomposition amount, and the process may return to the above step (2). On the other hand, when there is the amount of the product liquid water (that is, the amount of the product liquid water> 0), the amount of the product liquid water is added to the cumulative amount of the product liquid water.

工程(4)滞留液水量の算出
制御部は、前記積算生成水量が閾値より大きい場合には、前記電解質膜から膜劣化物質が洗い出されたと判定し、前記積算膜分解量、及び、当該積算生成水量をリセットし、前記積算生成水量が閾値以下である場合には、算出した前記生成液水量と、前記傾斜センサが検出した前記傾斜角とから前記燃料電池スタックのマニフォールドの滞留液水量を、算出する。
積算生成水量の閾値は、例えば、予め実験等で電解質膜の劣化速度と燃料電池スタックの積算生成水量との相関関係を示すデータ群を用意し、そのデータ群から燃料電池スタックの性能等により適宜設定することができる。
Step (4) Calculation of Retained Liquid Water Amount When the integrated generated water amount is larger than the threshold value, the control unit determines that the membrane-deteriorating substance has been washed out from the electrolyte membrane, and determines the integrated membrane decomposition amount and the integrated amount. When the amount of generated water is reset and the integrated amount of generated water is equal to or less than the threshold value, the amount of retained liquid in the manifold of the fuel cell stack is calculated from the calculated amount of produced liquid water and the tilt angle detected by the tilt sensor. calculate.
For the threshold value of the cumulative generated water amount, for example, a data group showing the correlation between the deterioration rate of the electrolyte membrane and the cumulative generated water amount of the fuel cell stack is prepared in advance in an experiment or the like, and the data group is appropriately selected according to the performance of the fuel cell stack and the like. Can be set.

工程(5)傾斜角が所定の閾値未満であるか否かの判断
制御部は、前記傾斜角が所定の閾値以上である場合は、前記マニフォールドから液水が流れ出たと判定し、マニフォールドの滞留液水量をリセットし、上記工程(2)へ戻ってもよい。一方、前記傾斜角が所定の閾値未満である場合は、前記生成液水量を前記滞留液水量に加算する。
例えば傾斜角センサによりマニフォールドの傾きを推定し、正の角度の場合には、マニフォールドから液水が流れ出るため、マニフォールド内残水量をリセットしてもよい。
一方、例えば、マニフォールド角度が負の場合には、生成液水量をマニフォールド内の滞留液水量に加算してもよい。
傾斜角の閾値は、例えば、予め実験等でマニフォールドから液水が流れ出ることが可能な傾斜角を測定したデータ群を用意し、そのデータ群から燃料電池スタックの性能等により適宜設定することができる。
Step (5) Determining whether or not the inclination angle is less than a predetermined threshold value When the inclination angle is equal to or more than a predetermined threshold value, the control unit determines that the liquid water has flowed out from the manifold, and the retained liquid in the manifold. The amount of water may be reset and the process may return to the above step (2). On the other hand, when the inclination angle is less than a predetermined threshold value, the amount of the produced liquid water is added to the amount of the stagnant liquid water.
For example, the inclination of the manifold is estimated by the inclination angle sensor, and if the angle is positive, the liquid water flows out from the manifold, so that the amount of residual water in the manifold may be reset.
On the other hand, for example, when the manifold angle is negative, the amount of produced liquid water may be added to the amount of retained liquid water in the manifold.
For example, the inclination angle threshold can be appropriately set according to the performance of the fuel cell stack or the like by preparing a data group in which the inclination angle at which the liquid water can flow out from the manifold can be measured in advance in an experiment or the like. ..

工程(6)排水が可能か否かの判定
制御部は、前記傾斜角と滞留液水量から、排気による前記滞留液水の排水が可能か否か判定する。
例えば、マニフォールド角度とマニフォールド内滞留液水量から、液面の高さが、排水管入り口の高さより高い場合に、排水可能であると推定してもよい。
Step (6) Determining whether or not drainage is possible The control unit determines whether or not the retained liquid water can be drained by exhaust from the inclination angle and the amount of retained liquid water.
For example, from the manifold angle and the amount of liquid water retained in the manifold, it may be estimated that drainage is possible when the height of the liquid level is higher than the height of the drainage pipe inlet.

工程(7)滞留液水のイオン伝導度の算出
制御部は、前記排水が不可能と判断した場合は、上記工程(2)へ戻ってもよい。一方、前記排水が可能と判断した場合は、前記膜劣化物量と、前記滞留液水量と、から前記マニフォールドの前記滞留液水のイオン伝導度を算出する。
Step (7) Calculation of Ion Conductivity of Retained Liquid Water If the control unit determines that drainage is not possible, the control unit may return to the step (2). On the other hand, when it is determined that the drainage is possible, the ionic conductivity of the retained liquid water of the manifold is calculated from the amount of the membrane deteriorated substance and the retained liquid water amount.

工程(8)イオン伝導度が閾値以上か否かの判断
制御部は、前記イオン伝導度が閾値未満の場合には制御を終了する。一方、前記イオン伝導度が閾値以上の場合には、前記傾斜角から液水排水必要ガス流量を、算出し、さらに前記燃料ガス供給部を駆動させて、算出した前記液水排水必要ガス流量を前記燃料電池スタックに供給し、前記マニフォールドから前記液水を排出する。
イオン伝導度の閾値は、例えば、予め実験等で滞留液水のイオン伝導度と電解質膜の劣化速度との相関関係を示すデータ群を用意し、そのデータ群から燃料電池スタックの性能等により適宜設定することができる。
Step (8) Determining whether the ionic conductivity is equal to or higher than the threshold value The control unit ends the control when the ionic conductivity is less than the threshold value. On the other hand, when the ionic conductivity is equal to or higher than the threshold value, the liquid water drainage required gas flow rate is calculated from the inclination angle, and the fuel gas supply unit is further driven to obtain the calculated liquid water drainage required gas flow rate. It is supplied to the fuel cell stack, and the liquid water is discharged from the manifold.
For the threshold of ionic conductivity, for example, a data group showing the correlation between the ionic conductivity of the retained liquid water and the deterioration rate of the electrolyte membrane is prepared in advance in an experiment or the like, and the data group is appropriately selected according to the performance of the fuel cell stack and the like. Can be set.

1回目の制御の終了後2回目の制御の開始時期は特に限定されず、1回目の制御の終了後間断なく行ってもよいし、一定の間隔を空けて行ってもよく、燃料電池スタックの用途等に合わせて適宜設定してもよい。 The start time of the second control after the end of the first control is not particularly limited, and may be performed without interruption after the end of the first control, or may be performed at regular intervals, and the fuel cell stack may be started. It may be set as appropriate according to the application.

11 燃料電池スタック
12 燃料ガス供給部
13 燃料ガス供給流路
14 燃料オフガス排出流路
15 センサ部
16 制御部
21 酸化剤ガス供給部
22 酸化剤ガス供給流路
23 酸化剤ガス排出流路
100 燃料電池システム
11 Fuel cell stack 12 Fuel gas supply section 13 Fuel gas supply flow path 14 Fuel off gas discharge flow path 15 Sensor unit 16 Control unit 21 Oxidizing agent gas supply unit 22 Oxidizing agent gas supply flow path 23 Oxidizing agent gas discharge flow path 100 Fuel cell system

Claims (1)

電解質膜としてパーフルオロスルホン酸膜を含む膜電極接合体を備えるセルを複数積層した構成を有する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
前記燃料電池スタックの温度を検出する温度センサと、
前記燃料電池スタックの電圧を検出する電圧センサと、
前記燃料電池スタックの電流を検出する電流センサと、
前記燃料電池スタックの傾斜角を検出する傾斜センサと、
前記燃料ガス供給部の駆動を制御する制御部と、を有し、
工程(1)前記制御部は、前記燃料ガスの供給停止時の前記電圧センサが検出した電圧低下速度からクロスリーク量を推定し、
工程(2)前記制御部は、前記温度センサが検出した前記温度と、前記電流センサが検出した前記電流を、予め測定された前記燃料電池スタックの温度及び前記燃料電池スタックの電流と前記燃料電池スタックの生成液水量との相関関係を示すデータ群と照らして、前記燃料電池スタックの生成液水量を算出し、
工程(3)前記制御部は、前記生成液水量がない場合には、前記温度センサが検出した前記温度と、前記電流センサが検出した前記電流と、推定した前記クロスリーク量とを、予め測定された前記燃料電池スタックの温度及び前記燃料電池スタックの電流と前記燃料電池スタックのクロスリークによる膜分解量との相関関係を示すデータ群と照らして、前記電解質膜の中に滞留する膜劣化物量を算出し、当該膜劣化物量を積算膜分解量へ加算し、前記工程(2)に戻り、一方、前記生成液水量がある場合には、前記生成液水量を、積算生成水量へ加算し、
工程(4)前記制御部は、前記積算生成水量が閾値より大きい場合には、前記電解質膜から膜劣化物質が洗い出されたと判定し、前記積算膜分解量、及び、当該積算生成水量をリセットし、一方、前記積算生成水量が閾値以下である場合には、算出した前記生成液水量と、前記傾斜センサが検出した前記傾斜角とから前記燃料電池スタックのマニフォールドの滞留液水量を、算出し、
工程(5)前記制御部は、前記傾斜角が所定の閾値以上である場合は、前記マニフォールドから液水が流れ出たと判定し、マニフォールドの滞留液水量をリセットし、前記工程(2)に戻り、一方、前記傾斜角が所定の閾値未満である場合は、前記生成液水量を前記滞留液水量に加算し、
工程(6)前記制御部は、前記傾斜角と滞留液水量から、排気による前記滞留液水の排水が可能か否か判定し、
工程(7)前記制御部は、前記排水が不可能と判断した場合は、前記工程(2)に戻り、一方、前記排水が可能と判断した場合は、前記膜劣化物量と、前記滞留液水量と、から前記マニフォールドの前記滞留液水のイオン伝導度を、算出し、
工程(8)前記制御部は、前記イオン伝導度が閾値未満の場合には制御を終了し、一方、前記イオン伝導度が閾値以上の場合には、前記傾斜角から液水排水必要ガス流量を、算出し、さらに前記燃料ガス供給部を駆動させて、算出した前記液水排水必要ガス流量を前記燃料電池スタックに供給し、前記マニフォールドから前記液水を排出することを特徴とする、燃料電池システム。
A fuel cell stack having a configuration in which a plurality of cells having a membrane electrode assembly including a perfluorosulfonic acid film as an electrolyte membrane are laminated.
A fuel gas supply unit that supplies fuel gas to the fuel cell stack,
A temperature sensor that detects the temperature of the fuel cell stack, and
A voltage sensor that detects the voltage of the fuel cell stack and
A current sensor that detects the current of the fuel cell stack, and
An inclination sensor that detects the inclination angle of the fuel cell stack, and
It has a control unit that controls the drive of the fuel gas supply unit, and has.
Step (1) The control unit estimates the amount of cross leak from the voltage drop rate detected by the voltage sensor when the supply of the fuel gas is stopped.
Step (2) The control unit uses the temperature detected by the temperature sensor and the current detected by the current sensor, the temperature of the fuel cell stack measured in advance, the current of the fuel cell stack, and the fuel cell. The amount of liquid water produced in the fuel cell stack was calculated in light of the data group showing the correlation with the amount of liquid water produced in the stack.
Step (3) When the generated liquid water amount is not present, the control unit previously measures the temperature detected by the temperature sensor, the current detected by the current sensor, and the estimated cross leak amount. The amount of film deteriorated accumulated in the electrolyte membrane in light of the data group showing the correlation between the temperature of the fuel cell stack and the current of the fuel cell stack and the amount of film decomposition due to the cross leak of the fuel cell stack. Is calculated, the amount of the deteriorated film is added to the integrated amount of film decomposition, and the process returns to the step (2).
Step (4) When the integrated generated water amount is larger than the threshold value, the control unit determines that the membrane-deteriorating substance has been washed out from the electrolyte membrane, and resets the integrated membrane decomposition amount and the integrated generated water amount. On the other hand, when the integrated amount of generated water is equal to or less than the threshold value, the amount of retained liquid in the manifold of the fuel cell stack is calculated from the calculated amount of produced liquid water and the inclination angle detected by the inclination sensor. ,
Step (5) When the inclination angle is equal to or greater than a predetermined threshold value, the control unit determines that the liquid water has flowed out from the manifold, resets the amount of retained liquid water in the manifold, and returns to the step (2). On the other hand, when the inclination angle is less than a predetermined threshold value, the amount of the produced liquid water is added to the amount of the stagnant liquid water.
Step (6) The control unit determines from the inclination angle and the amount of the stagnant liquid water whether or not the stagnant liquid water can be drained by exhaust gas.
Step (7) When the control unit determines that the drainage is impossible, the process returns to the step (2), while when the control unit determines that the drainage is possible, the amount of the film deteriorated material and the amount of the retained liquid water. And, the ionic conductivity of the stagnant liquid water of the manifold is calculated from
Step (8) When the ionic conductivity is less than the threshold value, the control unit ends the control, and when the ionic conductivity is equal to or higher than the threshold value, the control unit determines the required gas flow rate for liquid water drainage from the inclination angle. , And further driving the fuel gas supply unit to supply the calculated liquid water drainage required gas flow rate to the fuel cell stack, and discharging the liquid water from the manifold. system.
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