JP2022069754A - Fuel cell system - Google Patents

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JP2022069754A JP2020178589A JP2020178589A JP2022069754A JP 2022069754 A JP2022069754 A JP 2022069754A JP 2020178589 A JP2020178589 A JP 2020178589A JP 2020178589 A JP2020178589 A JP 2020178589A JP 2022069754 A JP2022069754 A JP 2022069754A
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Tomoki Kodama
嵩幸 白井
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

To detect a time until a cross leak occurs during power generation of a fuel cell in a short time.SOLUTION: A fuel cell system stores, in advance, a data group showing the correlation between the proton resistance of an electrolyte membrane during power generation of a fuel cell at a predetermined temperature of the fuel cell and a predetermined relative humidity of fuel gas and oxidant gas, and a time until a cross leak occurs, collates the measured proton resistance with the data group after the start of power generation of the fuel cell, and detects the time until the cross leak occurs.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、1つの単セル又は複数の単セル(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。
この燃料電池の単セルは、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。そのため、膜電極接合体は、膜電極ガス拡散層接合体(MEGA)と称される場合がある。
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 used as a fuel gas in a fuel cell stack (hereinafter, may be simply referred to as a stack) in which one single cell or a plurality of single cells (hereinafter, may be referred to as a cell) are laminated. It is a power generation device that extracts electric energy by an electrochemical reaction between hydrogen (H 2 ) and oxygen (O 2 ) as an oxidizing agent gas. In the following, the fuel gas and the oxidant gas may be simply referred to as "reaction gas" or "gas" without particular distinction.
A single 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. Therefore, the membrane electrode assembly may be referred to as a membrane electrode gas diffusion layer assembly (MEGA).
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 simultaneously generated electrons 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.

燃料電池車両(以下車両と記載する場合がある)に車載されて用いられる燃料電池に関して種々の研究がなされている。
例えば特許文献1では、燃料電池の発電中における電解質膜の劣化(クロスリーク量の増加)の検知技術が開示されている。
Various studies have been conducted on fuel cells used in vehicles of fuel cell vehicles (hereinafter sometimes referred to as vehicles).
For example, Patent Document 1 discloses a technique for detecting deterioration of an electrolyte membrane (increase in the amount of cross leak) during power generation of a fuel cell.

特許文献2では、演算装置で演算された燃料電池の等価回路の抵抗値の内、膜抵抗成分の大小で電気的ショート量を判定し、アノード反応抵抗分の大小でガスリーク量を判定する技術が記載開示されている。 In Patent Document 2, among the resistance values of the equivalent circuit of the fuel cell calculated by the arithmetic unit, the amount of electrical short circuit is determined by the magnitude of the film resistance component, and the amount of gas leak is determined by the magnitude of the anode reaction resistance. Described and disclosed.

国際公開第2014/115431号International Publication No. 2014/115431 特開2005-044715号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2005-0441715

燃料電池の発電中にクロスリーク量の増加を短時間で検知する技術が求められている。上記特許文献1では、クロスリークが発生している電解質膜中の穴をふさぐために十分に加湿して電解質膜を膨潤させている。そのため、燃料電池中に余分な水分が付着し、通常使用温度において、フラッディングの発生によるガス拡散抵抗上昇の要因となり燃料電池の性能低下を引き起こす虞がある。さらに氷点下温度域においても、前記水分によって氷が生成しやすい環境となり、触媒層破壊の一因となる虞がある。また、燃料電池の出力電圧を何度も測定する必要があるため、クロスリーク判定までに時間を要する。 There is a demand for a technique for detecting an increase in the amount of cross leak in a short time during power generation of a fuel cell. In Patent Document 1, the electrolyte membrane is swelled by sufficiently humidifying it to close the holes in the electrolyte membrane where the cross leak is generated. Therefore, excess water adheres to the fuel cell, which causes an increase in gas diffusion resistance due to the occurrence of flooding at a normal operating temperature, which may cause a deterioration in the performance of the fuel cell. Further, even in the temperature range below the freezing point, the water tends to generate ice, which may contribute to the destruction of the catalyst layer. In addition, since it is necessary to measure the output voltage of the fuel cell many times, it takes time to determine the cross leak.

本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、燃料電池の発電中にクロスリークが発生するまでの時間を短時間で検知する燃料電池システムを提供することを主目的とする。 The present disclosure has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system that detects a time until a cross leak occurs during power generation of a fuel cell in a short time.

本開示の燃料電池システムは、燃料電池、
前記燃料電池のアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給部、
前記燃料電池のカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部、
前記燃料ガスの相対湿度及び前記酸化剤ガスの相対湿度の少なくともいずれか一方を調整する湿度調整部、
前記燃料電池の温度を調整する温度調整部、
前記燃料電池の電解質膜のプロトン抵抗を測定する抵抗測定部、及び、
制御部を備え、
前記制御部は、前記燃料電池の所定の温度及び前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの所定の相対湿度における前記燃料電池の発電時の前記電解質膜の前記プロトン抵抗とクロスリークが発生するまでの時間との相関関係を示すデータ群を予め記憶し、
前記抵抗測定部は、前記燃料電池の発電開始後、前記電解質膜の前記プロトン抵抗を測定し、
前記制御部は、前記抵抗測定部の測定によって得られた前記プロトン抵抗を、前記データ群と照合して、クロスリークが発生するまでの時間を検知することを特徴とする。
The fuel cell system of the present disclosure is a fuel cell,
A fuel gas supply unit that supplies fuel gas to the anode of the fuel cell,
Oxidizing agent gas supply unit that supplies oxidizing agent gas to the cathode of the fuel cell,
A humidity control unit that adjusts at least one of the relative humidity of the fuel gas and the relative humidity of the oxidant gas.
A temperature control unit that adjusts the temperature of the fuel cell,
A resistance measuring unit for measuring the proton resistance of the electrolyte membrane of the fuel cell, and
Equipped with a control unit
The control unit determines the time until the proton resistance and cross leak of the electrolyte membrane occur during power generation of the fuel cell at a predetermined temperature of the fuel cell and a predetermined relative humidity of the fuel gas and the oxidant gas. A group of data showing the correlation with
After the start of power generation of the fuel cell, the resistance measuring unit measures the proton resistance of the electrolyte membrane, and then measures the proton resistance.
The control unit is characterized in that the proton resistance obtained by the measurement of the resistance measuring unit is collated with the data group to detect the time until the cross leak occurs.

本開示の燃料電池システムによれば、燃料電池の発電中にクロスリークが発生するまでの時間を短時間で検知することができる。 According to the fuel cell system of the present disclosure, it is possible to detect the time until a cross leak occurs during power generation of a fuel cell in a short time.

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。FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an example of the fuel cell system of the present disclosure. 図2は、本開示の燃料電池システムが行う制御の一例を示すフローチャートである。FIG. 2 is a flowchart showing an example of control performed by the fuel cell system of the present disclosure. 図3は、80℃における各サンプルに透過させる水素ガスの相対湿度を変化させたときの各サンプルのプロトン抵抗を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing the proton resistance of each sample when the relative humidity of the hydrogen gas permeated through each sample is changed at 80 ° C. 図4は、各サンプルの耐久時間に対するクロスリーク量を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the amount of cross leak with respect to the durability time of each sample. 図5は、プロトン抵抗とクロスリーク発生までの時間との相関を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing the correlation between the proton resistance and the time until the cross leak occurs.

本開示の燃料電池システムは、燃料電池、
前記燃料電池のアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給部、
前記燃料電池のカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部、
前記燃料ガスの相対湿度及び前記酸化剤ガスの相対湿度の少なくともいずれか一方を調整する湿度調整部、
前記燃料電池の温度を調整する温度調整部、
前記燃料電池の電解質膜のプロトン抵抗を測定する抵抗測定部、及び、
制御部を備え、
前記制御部は、前記燃料電池の所定の温度及び前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの所定の相対湿度における前記燃料電池の発電時の前記電解質膜の前記プロトン抵抗とクロスリークが発生するまでの時間との相関関係を示すデータ群を予め記憶し、
前記抵抗測定部は、前記燃料電池の発電開始後、前記電解質膜の前記プロトン抵抗を測定し、
前記制御部は、前記抵抗測定部の測定によって得られた前記プロトン抵抗を、前記データ群と照合して、クロスリークが発生するまでの時間を検知することを特徴とする。
The fuel cell system of the present disclosure is a fuel cell,
A fuel gas supply unit that supplies fuel gas to the anode of the fuel cell,
Oxidizing agent gas supply unit that supplies oxidizing agent gas to the cathode of the fuel cell,
A humidity control unit that adjusts at least one of the relative humidity of the fuel gas and the relative humidity of the oxidant gas.
A temperature control unit that adjusts the temperature of the fuel cell,
A resistance measuring unit for measuring the proton resistance of the electrolyte membrane of the fuel cell, and
Equipped with a control unit
The control unit determines the time until the proton resistance and cross leak of the electrolyte membrane occur during power generation of the fuel cell at a predetermined temperature of the fuel cell and a predetermined relative humidity of the fuel gas and the oxidant gas. A group of data showing the correlation with
After the start of power generation of the fuel cell, the resistance measuring unit measures the proton resistance of the electrolyte membrane, and then measures the proton resistance.
The control unit is characterized in that the proton resistance obtained by the measurement of the resistance measuring unit is collated with the data group to detect the time until the cross leak occurs.

クロスリークとは、燃料極の燃料ガス及び酸化剤極の酸化剤ガス等の反応ガスが、電解質膜を通過する現象を意味し、クロスリーク量とは、電解質膜を通過するガスの量を意味する。本開示においては基準値を上回る量の反応ガスが電解質膜を通過している状態をクロスリークが発生している状態とし、基準値以下の量の反応ガスが電解質膜を通過している状態は、クロスリークが発生していない状態とする。
本開示者らは、電解質膜の劣化度合いを電解質膜の含水率に置き換え、含水率によって変化する電解質膜のプロトン抵抗を測定することで、電解質膜の劣化度合いとクロスリークが発生するまでの時間を予測することができることを見出した。
本開示によれば、燃料電池の運転初期時に電解質膜のプロトン抵抗を測定することで、電解質膜の劣化に相当するクロスリークを早期に発見することができる。
本開示によれば、燃料電池の所定の温度、燃料ガス及び酸化剤ガスの所定の相対湿度の条件での燃料電池の発電時における電解質膜のプロトン抵抗を測定することによって、燃料電池内に余分な水分を残存させないようにすることができ、フラッディングの発生及び凍結の発生等を抑制することができる。
The cross leak means a phenomenon in which a reaction gas such as a fuel gas at the fuel electrode and an oxidant gas at the oxidant electrode passes through the electrolyte membrane, and the cross leak amount means the amount of gas passing through the electrolyte membrane. do. In the present disclosure, the state in which the reaction gas in an amount exceeding the reference value passes through the electrolyte membrane is defined as the state in which cross leak occurs, and the state in which the reaction gas in an amount below the reference value passes through the electrolyte membrane is defined as the state in which the cross leak occurs. , It is assumed that no cross leak has occurred.
By substituting the degree of deterioration of the electrolyte membrane with the water content of the electrolyte membrane and measuring the proton resistance of the electrolyte membrane that changes depending on the water content, the present disclosers measure the degree of deterioration of the electrolyte membrane and the time until cross leak occurs. We found that we could predict.
According to the present disclosure, by measuring the proton resistance of the electrolyte membrane at the initial stage of operation of the fuel cell, it is possible to detect the cross leak corresponding to the deterioration of the electrolyte membrane at an early stage.
According to the present disclosure, by measuring the proton resistance of the electrolyte membrane at the time of power generation of the fuel cell under the conditions of the predetermined temperature of the fuel cell and the predetermined relative humidity of the fuel gas and the oxidant gas, the extra in the fuel cell is obtained. It is possible to prevent a large amount of water from remaining, and it is possible to suppress the occurrence of flooding and the occurrence of freezing.

本開示の燃料電池システムは、少なくとも、燃料電池、燃料ガス供給部、酸化剤ガス供給部、湿度調整部、温度調整部、抵抗測定部、及び、制御部を備える。 The fuel cell system of the present disclosure includes at least a fuel cell, a fuel gas supply unit, an oxidant gas supply unit, a humidity adjustment unit, a temperature adjustment unit, a resistance measurement unit, and a control unit.

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。
また、本開示の燃料電池システムは、二次電池の電力でも走行可能な車両に搭載されて用いられてもよい。
電動機は、特に限定されず、従来公知の駆動モータであってもよい。
The fuel cell system of the present disclosure is usually mounted and used in a fuel cell vehicle whose drive source is an electric motor (motor).
Further, the fuel cell system of the present disclosure may be mounted on and used in a vehicle that can travel with the electric power of a secondary battery.
The electric motor is not particularly limited, and may be a conventionally known drive motor.

燃料電池は、単セルを1つのみ有するものであってもよいし、単セルを複数個積層した積層体である燃料電池スタックであってもよい。
単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、単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。
The fuel cell may have only one single cell, or may be a fuel cell stack which is a laminated body in which a plurality of single cells are laminated.
The number of stacked single 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 of the single cell stacking direction.

燃料電池の単セルは、少なくとも膜電極接合体を備える。
膜電極接合体は、アノード側ガス拡散層及び、アノード触媒層及び、電解質膜及び、カソード触媒層及び、カソード側ガス拡散層をこの順に有する。
A single cell of a fuel cell comprises at least a membrane electrode assembly.
The membrane electrode assembly has an anode-side gas diffusion layer, an anode catalyst layer, an electrolyte membrane, a cathode catalyst layer, and a cathode-side gas diffusion layer in this order.

カソード(酸化剤極)は、カソード触媒層及びカソード側ガス拡散層を含む。
アノード(燃料極)は、アノード触媒層及びアノード側ガス拡散層を含む。
カソード触媒層及びアノード触媒層をまとめて触媒層と称する。
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 cathode (oxidizing agent electrode) includes a cathode catalyst layer and a cathode side gas diffusion layer.
The anode (fuel electrode) includes an anode catalyst layer and an anode-side gas diffusion layer.
The cathode catalyst layer and the anode catalyst layer are collectively referred to as a catalyst layer.
The 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), an alloy composed of Pt and another metal (for example, a Pt alloy in which cobalt, nickel and the like are mixed) and the like 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) are, for example, water-repellent carbon particles whose water repellency is enhanced by heat-treating commercially available carbon particles (carbon powder). May be used.

カソード側ガス拡散層及びアノード側ガス拡散層をまとめてガス拡散層と称する。
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 cathode side gas diffusion layer and the anode side gas diffusion layer are collectively referred to as a gas diffusion layer.
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.

電解質膜は、固体高分子電解質膜であってもよい。固体高分子電解質膜としては、例えば、水分が含まれたパーフルオロスルホン酸の薄膜等のフッ素系電解質膜、及び、炭化水素系電解質膜等が挙げられる。電解質膜としては、例えば、ナフィオン膜(デュポン社製)等であってもよい。 The electrolyte membrane may be a solid polymer electrolyte membrane. Examples of the solid polymer electrolyte membrane include a fluorine-based electrolyte membrane such as a thin film of perfluorosulfonic acid containing water, a hydrocarbon-based electrolyte membrane, and the like. The electrolyte membrane may be, for example, a Nafion membrane (manufactured by DuPont) or the like.

単セルは、必要に応じて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。2枚のセパレータは、一方がアノード側セパレータであり、もう一方がカソード側セパレータである。本開示では、アノード側セパレータとカソード側セパレータとをまとめてセパレータという。
セパレータは、反応ガス及び冷媒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。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。反応ガスは、燃料ガス、又は、酸化剤ガスである。燃料ガスは水素等であってもよい。酸化剤ガスは酸素、空気、乾燥空気等であってもよい。
供給孔は、燃料ガス供給孔、酸化剤ガス供給孔、及び、冷媒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、冷媒排出孔等が挙げられる。
セパレータは、1つ以上の燃料ガス供給孔を有していてもよく、1つ以上の酸化剤ガス供給孔を有していてもよく、1つ以上の冷媒供給孔を有していてもよく、1つ以上の燃料ガス排出孔を有していてもよく、1つ以上の酸化剤ガス排出孔を有していてもよく、1つ以上の冷媒排出孔を有していてもよい。
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の温度を一定に保つための冷媒流路を有していてもよい。
セパレータがアノード側セパレータである場合は、1つ以上の燃料ガス供給孔を有していてもよく、1つ以上の酸化剤ガス供給孔を有していてもよく、1つ以上の冷媒供給孔を有していてもよく、1つ以上の燃料ガス排出孔を有していてもよく、1つ以上の酸化剤ガス排出孔を有していてもよく、1つ以上の冷媒排出孔を有していてもよく、アノード側セパレータは、アノード側ガス拡散層に接する面に燃料ガス供給孔から燃料ガス排出孔に燃料ガスを流す燃料ガス流路を有していてもよく、アノード側ガス拡散層に接する面とは反対側の面に冷媒供給孔から冷媒排出孔に冷媒を流す冷媒流路を有していてもよい。
セパレータがカソード側セパレータである場合は、1つ以上の燃料ガス供給孔を有していてもよく、1つ以上の酸化剤ガス供給孔を有していてもよく、1つ以上の冷媒供給孔を有していてもよく、1つ以上の燃料ガス排出孔を有していてもよく、1つ以上の酸化剤ガス排出孔を有していてもよく、1つ以上の冷媒排出孔を有していてもよく、カソード側セパレータは、カソード側ガス拡散層に接する面に酸化剤ガス供給孔から酸化剤ガス排出孔に酸化剤ガスを流す酸化剤ガス流路を有していてもよく、カソード側ガス拡散層に接する面とは反対側の面に冷媒供給孔から冷媒排出孔に冷媒を流す冷媒流路を有していてもよい。
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。
The single cell may be provided with two separators sandwiching both sides of the membrane electrode assembly, if necessary. One of the two separators is the anode side separator and the other is the cathode side separator. In the present disclosure, the anode-side separator and the cathode-side separator are collectively referred to as a separator.
The separator may have a supply hole and a discharge hole for flowing the reaction gas and the refrigerant in the stacking direction of the single cell. As the refrigerant, for example, a mixed solution of ethylene glycol and water can be used in order to prevent freezing at a low temperature. The reaction gas is a fuel gas or an oxidant gas. The fuel gas may be hydrogen or the like. The oxidant gas may be oxygen, air, dry air or the like.
Examples of the supply hole include a fuel gas supply hole, an oxidant gas supply hole, a refrigerant supply hole, and the like.
Examples of the discharge hole include a fuel gas discharge hole, an oxidant gas discharge hole, a refrigerant discharge hole, and the like.
The separator may have one or more fuel gas supply holes, one or more oxidant gas supply holes, or one or more refrigerant supply holes. It may have one or more fuel gas discharge holes, one or more oxidant gas discharge holes, or one or more refrigerant discharge holes.
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 refrigerant flow path for keeping the temperature of the fuel cell constant on the surface opposite to the surface in contact with the gas diffusion layer.
When the separator is an anode-side separator, it may have one or more fuel gas supply holes, or may have one or more oxidant gas supply holes, and one or more refrigerant supply holes. May have one or more fuel gas discharge holes, may have one or more oxidant gas discharge holes, and may have one or more refrigerant discharge holes. The anode-side separator may have a fuel gas flow path for flowing fuel gas from the fuel gas supply hole to the fuel gas discharge hole on the surface in contact with the anode-side gas diffusion layer, and the anode-side gas diffusion may be performed. A gas flow path for flowing a gas from the gas supply hole to the gas discharge hole may be provided on the surface opposite to the surface in contact with the layer.
When the separator is a cathode side separator, it may have one or more fuel gas supply holes, or may have one or more oxidant gas supply holes, and one or more refrigerant supply holes. May have one or more fuel gas discharge holes, may have one or more oxidant gas discharge holes, and may have one or more refrigerant discharge holes. The cathode side separator may have an oxidant gas flow path for flowing the oxidant gas from the oxidant gas supply hole to the oxidant gas discharge hole on the surface in contact with the cathode side gas diffusion layer. A refrigerant flow path for flowing a refrigerant from the refrigerant supply hole to the refrigerant discharge hole may be provided on the surface opposite to the surface in contact with the gas diffusion layer on the cathode side.
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 impermeable to gas, a press-molded metal (for example, iron, aluminum, stainless steel, etc.) plate or the like. Further, the separator may have a current collecting function.

燃料電池スタックは、各供給孔が連通した入口マニホールド、及び、各排出孔が連通した出口マニホールド等のマニホールドを有していてもよい。
入口マニホールドは、アノード入口マニホールド、カソード入口マニホールド、及び、冷媒入口マニホールド等が挙げられる。
出口マニホールドは、アノード出口マニホールド、カソード出口マニホールド、及び、冷媒出口マニホールド等が挙げられる。
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 refrigerant inlet manifold.
Examples of the outlet manifold include an anode outlet manifold, a cathode outlet manifold, and a refrigerant outlet manifold.

燃料電池システムは、燃料ガス供給部を有する。燃料ガス供給部は、燃料電池のアノードに燃料ガスを供給する。燃料ガス供給部は、燃料電池スタックの各アノードに燃料ガスを供給してもよい。
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。
燃料ガス供給部は、制御部と電気的に接続される。燃料ガス供給部は、制御部からの制御信号に従って駆動される。燃料ガス供給部は、制御部によって燃料ガス供給部からアノードに供給される燃料ガスの流量及び圧力からなる群より選ばれる少なくとも1つを制御されてもよい。
The fuel cell system has a fuel gas supply unit. The fuel gas supply unit supplies fuel gas to the anode of the fuel cell. The fuel gas supply unit may supply fuel gas to each anode of 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.
The fuel gas supply unit is electrically connected to the control unit. The fuel gas supply unit is driven according to a control signal from the control unit. The fuel gas supply unit may be controlled by the control unit at least one selected from the group consisting of the flow rate and pressure of the fuel gas supplied from the fuel gas supply unit to the anode.

燃料電池システムは、燃料ガス供給流路を備えていてもよい。
燃料ガス供給流路は、燃料ガス供給部と燃料電池のアノード入口とを接続する。燃料ガス供給流路は、燃料ガスの燃料ガス供給部からの燃料電池のアノードへの供給を可能にする。燃料ガス供給流路は、燃料ガスの燃料ガス供給部からの燃料電池スタックの各アノードへの供給を可能にする。
The fuel cell system may include a fuel gas supply channel.
The fuel gas supply channel connects the fuel gas supply unit and the anode inlet of the fuel cell. The fuel gas supply channel allows the fuel gas to be supplied from the fuel gas supply unit to the anode of the fuel cell. The fuel gas supply channel allows the fuel gas to be supplied from the fuel gas supply unit to each anode of the fuel cell stack.

燃料ガス供給流路には、燃料ガス供給弁が備えられていてもよい。
燃料ガス供給弁は、アノードに供給される燃料ガスの流量及び圧力等を調整することを可能にする。
燃料ガス供給弁は、制御部と電気的に接続され、制御部によって燃料ガス供給弁の開閉及び開度を制御されることにより、燃料ガスのアノードへの供給流量及び燃料ガス圧力(アノード圧力)が調整されてもよい。
The fuel gas supply flow path may be provided with a fuel gas supply valve.
The fuel gas supply valve makes it possible to adjust the flow rate and pressure of the fuel gas supplied to the anode.
The fuel gas supply valve is electrically connected to the control unit, and the control unit controls the opening / closing and opening of the fuel gas supply valve to control the supply flow rate of the fuel gas to the anode and the fuel gas pressure (anode pressure). May be adjusted.

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い。
燃料オフガス排出流路は、燃料電池のアノード出口と接続する。燃料オフガス排出流路は、燃料電池のアノードから排出された燃料ガスである燃料オフガスを回収する。燃料オフガス排出流路は、燃料電池スタックの各アノードから排出された燃料オフガスを回収してもよい。
燃料オフガスは、アノードにおいて未反応のまま通過した燃料ガス及び、カソードで生成した生成水がアノードに到達した水分及び、触媒層及び電解質膜等で生成した腐食物質及び、掃気時にアノードに供給されてもよい酸化剤ガス等を含む。
The fuel cell system may include a fuel off-gas discharge channel.
The fuel off gas discharge channel is connected to the anode outlet of the fuel cell. The fuel off gas discharge channel recovers the fuel off gas, which is the fuel gas discharged from the anode of the fuel cell. The fuel off gas discharge channel may recover the fuel off gas discharged from each anode of the fuel cell stack.
The fuel off gas is supplied to the anode during scavenging, the fuel gas that has passed unreacted at the anode, the water content that the generated water generated at the cathode has reached the anode, the corrosive substances generated at the catalyst layer and the electrolyte membrane, and the like. Also contains good oxidant gas and the like.

燃料オフガス排出流路には、燃料オフガス排出弁が備えられていてもよい。
燃料オフガス排出弁は、燃料オフガスを外部(系外)に排出することを可能にする。なお、外部とは、燃料電池システムの外部であってもよく、車両の外部であってもよい。
燃料オフガス排出弁は、制御部と電気的に接続され、制御部によって燃料オフガス排出弁の開閉を制御されることにより、燃料オフガスの外部への排出流量を調整してもよい。また、燃料オフガス排出弁の開度を調整することにより、アノードに供給される燃料ガス圧力(アノード圧力)を調整してもよい。
The fuel off-gas discharge channel may be provided with a fuel-off gas discharge valve.
The fuel off gas discharge valve makes it possible to discharge the fuel off gas to the outside (outside the system). The outside may be the outside of the fuel cell system or the outside of the vehicle.
The fuel off-gas discharge valve may be electrically connected to the control unit, and the opening / closing of the fuel-off gas discharge valve may be controlled by the control unit to adjust the discharge flow rate of the fuel-off gas to the outside. Further, the fuel gas pressure (anode pressure) supplied to the anode may be adjusted by adjusting the opening degree of the fuel off gas discharge valve.

燃料電池システムは、循環流路を備えていてもよい。
循環流路は、燃料オフガス排出流路から分岐して燃料ガス供給流路と接続する。循環流路は、回収された燃料オフガスを循環ガスとしてアノードに戻すことを可能にする。循環流路は、回収された燃料オフガス中に含まれる水分をアノードに供給することを可能にする。
循環流路は燃料ガス供給流路との合流部で燃料ガス供給流路と合流してもよい。
燃料電池システムは、必要に応じて、循環流路上に循環ガスの流量を調整する水素ポンプ等の循環用ポンプ及び、エジェクタ等を備えていてもよい。
循環用ポンプは、制御部と電気的に接続され、制御部によって循環用ポンプの駆動のオン・オフ及び回転数等を制御されることにより、循環ガスの流量を調整してもよい。
エジェクタは、例えば、燃料ガス供給流路と循環流路との合流部に配置されていてもよい。エジェクタは、燃料ガスと循環ガスとを含む混合ガスを燃料電池のアノードに供給する。エジェクタは、燃料ガスと循環ガスとを含む混合ガスを燃料電池スタックの各アノードに供給してもよい。エジェクタとしては、従来公知のエジェクタを採用することができる。
The fuel cell system may include a circulation channel.
The circulation flow path branches from the fuel off gas discharge flow path and connects to the fuel gas supply flow path. The circulation channel makes it possible to return the recovered fuel off gas to the anode as circulating gas. The circulation channel makes it possible to supply the water contained in the recovered fuel off gas to the anode.
The circulation flow path may merge with the fuel gas supply flow path at the confluence with the fuel gas supply flow path.
If necessary, the fuel cell system may include a circulation pump such as a hydrogen pump for adjusting the flow rate of the circulating gas on the circulation flow path, an ejector, and the like.
The circulation pump may be electrically connected to the control unit, and the flow rate of the circulation gas may be adjusted by controlling the on / off of the drive of the circulation pump, the rotation speed, and the like by the control unit.
The ejector may be arranged, for example, at the confluence of the fuel gas supply flow path and the circulation flow path. The ejector supplies a mixed gas containing a fuel gas and a circulating gas to the anode of the fuel cell. The ejector may supply a mixed gas containing the fuel gas and the circulating gas to each anode of the fuel cell stack. As the ejector, a conventionally known ejector can be adopted.

燃料電池システムは、アノード気液分離器を備えていてもよい。
アノード気液分離器は、燃料オフガス排出流路の循環流路との分岐点に配置され、アノード出口から排出される燃料ガスである燃料オフガス中に含まれる水分と燃料ガスを分離してそれぞれを回収し、回収した水分及び燃料ガスの少なくともいずれか一方をアノードに供給する。アノード気液分離器は、制御部と電気的に接続されていてもよい。アノード気液分離器は、制御部の制御によりその出口弁の開閉及び開度が制御されてもよい。これによりアノードに供給される水量及び燃料ガスの流量等が制御されてもよい。
The fuel cell system may include an anode gas-liquid separator.
The anode gas-liquid separator is arranged at the branch point of the fuel off-gas discharge flow path with the circulation flow path, and separates the water contained in the fuel-off gas, which is the fuel gas discharged from the anode outlet, and the fuel gas. Recover and supply at least one of the recovered water and fuel gas to the anode. The anodic gas-liquid separator may be electrically connected to the control unit. The opening / closing and opening degree of the outlet valve of the anode gas-liquid separator may be controlled by the control of the control unit. Thereby, the amount of water supplied to the anode, the flow rate of the fuel gas, and the like may be controlled.

燃料電池システムは、酸化剤ガス供給部を有する。
酸化剤ガス供給部は、燃料電池のカソードに酸化剤ガスを供給する。酸化剤ガス供給部は、燃料電池スタックの各カソードに酸化剤ガスを供給してもよい。
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。
酸化剤ガス供給部は、制御部と電気的に接続される。酸化剤ガス供給部は、制御部からの制御信号に従って駆動される。酸化剤ガス供給部は、制御部によって酸化剤ガス供給部からカソードに供給される酸化剤ガスの流量及び圧力からなる群より選ばれる少なくとも1つを制御されてもよい。
The fuel cell system has an oxidant gas supply unit.
The oxidant gas supply unit supplies the oxidant gas to the cathode of the fuel cell. The oxidant gas supply unit may supply the oxidant gas to each cathode of the fuel cell stack.
The oxidant gas is an oxygen-containing gas, and may be air, dry air, pure oxygen, or the like.
As the oxidant gas supply unit, for example, an air compressor or the like can be used.
The oxidant gas supply unit is electrically connected to the control unit. The oxidant gas supply unit is driven according to a control signal from the control unit. The oxidant gas supply unit may be controlled by the control unit at least one selected from the group consisting of the flow rate and pressure of the oxidant gas supplied from the oxidant gas supply unit to the cathode.

燃料電池システムは、酸化剤ガス供給流路を備えていてもよい。
酸化剤ガス供給流路は、酸化剤ガス供給部と燃料電池のカソード入口とを接続する。酸化剤ガス供給流路は、酸化剤ガス供給部から燃料電池のカソードへの酸化剤ガスの供給を可能にする。酸化剤ガス供給流路は、酸化剤ガス供給部から燃料電池スタックの各カソードへの酸化剤ガスの供給を可能にしてもよい。
The fuel cell system may include an oxidant gas supply channel.
The oxidant gas supply channel connects the oxidant gas supply unit and the cathode inlet of the fuel cell. The oxidant gas supply channel enables the supply of the oxidant gas from the oxidant gas supply unit to the cathode of the fuel cell. The oxidant gas supply channel may enable the supply of the oxidant gas from the oxidant gas supply unit to each cathode of the fuel cell stack.

燃料電池システムは、酸化剤オフガス排出流路を備えていてもよい。
酸化剤オフガス排出流路は、燃料電池のカソード出口と接続する。酸化剤オフガス排出流路は、燃料電池のカソードから排出される酸化剤ガスである酸化剤オフガスの外部への排出を可能にする。酸化剤オフガス排出流路は、燃料電池スタックの各カソードから排出される酸化剤オフガスの外部への排出を可能にしてもよい。
酸化剤オフガス排出流路には、酸化剤ガス圧力調整弁が設けられていてもよい。
酸化剤ガス圧力調整弁は、制御部と電気的に接続され、制御部によって酸化剤ガス圧力調整弁が開弁されることにより、反応済みの酸化剤ガスである酸化剤オフガスを酸化剤オフガス排出流路から外部へ排出する。また、酸化剤ガス圧力調整弁の開度を調整することにより、カソードに供給される酸化剤ガス圧力(カソード圧力)を調整してもよい。
The fuel cell system may include an oxidant off-gas discharge channel.
The oxidant off-gas discharge channel is connected to the cathode outlet of the fuel cell. The oxidant off gas discharge channel enables the oxidant off gas, which is the oxidant gas discharged from the cathode of the fuel cell, to be discharged to the outside. The oxidant off-gas discharge channel may allow the oxidant off-gas discharged from each cathode of the fuel cell stack to be discharged to the outside.
An oxidant gas pressure regulating valve may be provided in the oxidant off gas discharge flow path.
The oxidant gas pressure control valve is electrically connected to the control unit, and the oxidant gas pressure control valve is opened by the control unit to discharge the oxidant off gas, which is the reacted oxidant gas, from the oxidant off gas. Discharge from the flow path to the outside. Further, the oxidant gas pressure (cathode pressure) supplied to the cathode may be adjusted by adjusting the opening degree of the oxidant gas pressure adjusting valve.

また、燃料ガス供給流路と酸化剤ガス供給流路は合流流路を介して接続されていてもよい。合流流路には掃気弁が設けられていてもよい。
掃気弁は、制御部と電気的に接続され、制御部によって掃気弁が開弁されることにより、酸化剤ガス供給部の酸化剤ガスを掃気ガスとして燃料ガス供給流路内に流入させるようになっていてもよい。
掃気に用いられる掃気ガスは、燃料ガスであってもよく、酸化剤ガスであってもよく、これらの両方のガスを含む混合反応ガスであってもよい。
Further, the fuel gas supply flow path and the oxidant gas supply flow path may be connected via a confluence flow path. A scavenging valve may be provided in the merging flow path.
The scavenging valve is electrically connected to the control unit, and the scavenging valve is opened by the control unit so that the oxidant gas in the oxidant gas supply unit flows into the fuel gas supply flow path as scavenging gas. It may be.
The scavenging gas used for scavenging may be a fuel gas, an oxidant gas, or a mixed reaction gas containing both of these gases.

燃料電池システムは、燃料電池の冷却系として、冷媒供給部を備えていてもよく、冷媒循環流路を備えていてもよい。
冷媒循環流路は、燃料電池に設けられる冷媒供給孔及び冷媒排出孔に連通し、冷媒供給部から供給される冷媒を燃料電池内外で循環させることを可能にする。
冷媒供給部は、制御部と電気的に接続される。冷媒供給部は、制御部からの制御信号に従って駆動される。冷媒供給部は、制御部によって冷媒供給部から燃料電池に供給される冷媒の流量を制御される。これにより燃料電池の温度が制御されてもよい。
冷媒供給部は、例えば、冷却水ポンプ等が挙げられる。
冷媒循環流路には、冷却水の熱を放熱するラジエータが設けられていてもよい。
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 refrigerant supply unit or a refrigerant circulation flow path as a cooling system for the fuel cell.
The refrigerant circulation flow path communicates with the refrigerant supply hole and the refrigerant discharge hole provided in the fuel cell, and enables the refrigerant supplied from the refrigerant supply unit to be circulated inside and outside the fuel cell.
The refrigerant supply unit is electrically connected to the control unit. The refrigerant supply unit is driven according to a control signal from the control unit. The refrigerant supply unit controls the flow rate of the refrigerant supplied from the refrigerant supply unit to the fuel cell by the control unit. Thereby, the temperature of the fuel cell may be controlled.
Examples of the refrigerant supply unit include a cooling water pump and the like.
The refrigerant circulation flow path may be provided with a radiator that dissipates heat from the cooling water.
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.

燃料電池システムは、二次電池を備えていてもよい。
二次電池(バッテリ)は、充放電可能なものであればよく、例えば、ニッケル水素二次電池、及び、リチウムイオン二次電池等の従来公知の二次電池が挙げられる。また、二次電池は、電気二重層コンデンサ等の蓄電素子を含むものであってもよい。二次電池は、複数個を直列に接続した構成であってもよい。二次電池は、電動機及び酸化剤ガス供給部等に電力を供給する。二次電池は、車両の外部の電源、例えば、家庭用電源から充電可能になっていてもよい。二次電池は、燃料電池の出力により充電されてもよい。二次電池の充放電は、制御部によって制御されてもよい。
The fuel cell system may include a secondary battery.
The secondary battery (battery) may be any as long as it can be charged and discharged, and examples thereof include a nickel hydrogen secondary battery and a conventionally known secondary battery such as a lithium ion secondary battery. Further, the secondary battery may include a power storage element such as an electric double layer capacitor. The secondary battery may have a configuration in which a plurality of secondary batteries are connected in series. The secondary battery supplies electric power to the motor, the oxidant gas supply unit, and the like. The secondary battery may be rechargeable from a power source external to the vehicle, such as a household power source. The secondary battery may be charged by the output of the fuel cell. The charging / discharging of the secondary battery may be controlled by the control unit.

燃料電池システムは、湿度調整部を備える。
湿度調整部は、燃料ガスの相対湿度及び酸化剤ガスの相対湿度の少なくともいずれか一方を調整する。
湿度調整部は制御部と電気的に接続され、制御部からの制御信号に従って駆動されてもよい。
湿度調整部は、例えば、加湿器等であってもよい。
加湿器は、燃料ガス供給流路と接続し、且つ、酸化剤ガス供給流路又は酸化剤オフガス排出流路のいずれか一方と接続する。加湿器は、燃料ガス供給流路及び酸化剤ガス供給流路と接続する場合、カソード入口に供給される酸化剤ガス中に含まれる水分を回収し、回収した水分を燃料ガス供給流路に供給する。これにより燃料ガスの相対湿度及び酸化剤ガスの相対湿度を調整する。加湿器は、燃料ガス供給流路及び酸化剤オフガス排出流路と接続する場合、カソード出口から排出される酸化剤ガスである酸化剤オフガス中に含まれる生成水を回収し、回収した生成水を燃料ガス供給流路に供給する。これにより燃料ガスの相対湿度を調整する。
燃料電池システムは燃料ガス及び酸化剤ガスの相対湿度を測定する湿度センサを備えていてもよい。湿度センサは制御部と電気的に接続され、測定した相対湿度を制御部に与える。制御部は、湿度センサが測定した相対湿度に基づいて湿度調整部の駆動を制御してもよい。湿度センサは、例えば露点計からなる。
The fuel cell system includes a humidity control unit.
The humidity control unit adjusts at least one of the relative humidity of the fuel gas and the relative humidity of the oxidant gas.
The humidity control unit may be electrically connected to the control unit and driven according to a control signal from the control unit.
The humidity control unit may be, for example, a humidifier or the like.
The humidifier is connected to the fuel gas supply channel and is connected to either the oxidant gas supply channel or the oxidant off gas discharge channel. When the humidifier is connected to the fuel gas supply channel and the oxidant gas supply channel, the humidifier recovers the water contained in the oxidant gas supplied to the cathode inlet and supplies the recovered water to the fuel gas supply channel. do. This adjusts the relative humidity of the fuel gas and the relative humidity of the oxidant gas. When the humidifier is connected to the fuel gas supply flow path and the oxidant off gas discharge flow path, the humidifier recovers the generated water contained in the oxidant off gas, which is the oxidant gas discharged from the cathode outlet, and collects the recovered generated water. Supply to the fuel gas supply channel. This adjusts the relative humidity of the fuel gas.
The fuel cell system may include a humidity sensor that measures the relative humidity of the fuel gas and the oxidant gas. The humidity sensor is electrically connected to the control unit and gives the measured relative humidity to the control unit. The control unit may control the drive of the humidity control unit based on the relative humidity measured by the humidity sensor. The humidity sensor comprises, for example, a dew point meter.

燃料電池システムは、温度調整部を備える。
温度調整部は、燃料電池の温度を調整する。
温度調整部は、冷媒供給部と電気的に接続され、冷媒供給部は温度調整部からの制御信号に従って駆動されることにより燃料電池の温度を制御してもよい。
したがって、制御部が温度調整部の機能を兼ね備えるものであってもよい。
燃料電池システムは燃料電池の温度を測定する温度センサを備えていてもよい。温度センサは制御部と電気的に接続され、測定した温度を制御部に与える。制御部は、温度センサが測定した温度に基づいて温度調整部の駆動を制御してもよい。
The fuel cell system includes a temperature control unit.
The temperature control unit adjusts the temperature of the fuel cell.
The temperature adjusting unit may be electrically connected to the refrigerant supply unit, and the refrigerant supply unit may control the temperature of the fuel cell by being driven according to a control signal from the temperature adjusting unit.
Therefore, the control unit may also have the function of the temperature adjustment unit.
The fuel cell system may include a temperature sensor that measures the temperature of the fuel cell. The temperature sensor is electrically connected to the control unit and gives the measured temperature to the control unit. The control unit may control the drive of the temperature control unit based on the temperature measured by the temperature sensor.

抵抗測定部は、燃料電池の電解質膜のプロトン抵抗を測定する。
抵抗測定部は、制御部と電気的に接続され、抵抗測定部は制御部からの制御信号に従って駆動されることにより燃料電池の電解質膜のプロトン抵抗を測定してもよい。抵抗測定部は、測定したプロトン抵抗を制御部に与える。なお、制御部が抵抗測定部の機能を兼ね備えるものであってもよい。
プロトン抵抗を測定する方法は、特に限定されず、例えば、プロトンポンプ法、高周波インピーダンス法等であってもよい。
抵抗測定部が、燃料電池の電解質膜のプロトン抵抗を測定するタイミングは燃料電池の発電開始後であれば特に限定されないが、短時間でクロスリークが発生するまでの時間を検知する観点から燃料電池の始動直後であってもよい。
The resistance measuring unit measures the proton resistance of the electrolyte membrane of the fuel cell.
The resistance measuring unit may be electrically connected to the control unit, and the resistance measuring unit may be driven according to a control signal from the control unit to measure the proton resistance of the electrolyte membrane of the fuel cell. The resistance measuring unit gives the measured proton resistance to the control unit. The control unit may also have the function of the resistance measurement unit.
The method for measuring the proton resistance is not particularly limited, and may be, for example, a proton pump method, a high frequency impedance method, or the like.
The timing at which the resistance measuring unit measures the proton resistance of the electrolyte membrane of the fuel cell is not particularly limited as long as it is after the start of power generation of the fuel cell, but from the viewpoint of detecting the time until the cross leak occurs in a short time, the fuel cell It may be immediately after the start of.

燃料電池システムは、制御部を備える。
制御部は、燃料電池の所定の温度及び燃料ガス及び酸化剤ガスの所定の相対湿度における燃料電池の発電時の電解質膜のプロトン抵抗とクロスリークが発生するまでの時間との相関関係を示すデータ群を予め記憶する。
所定の温度は、例えば0~30℃であってもよい。
所定の相対湿度は、例えば、15~30%であってもよい。燃料ガスの所定の相対湿度及び酸化剤ガスの所定の相対湿度は異なっていてもよく、同じであってもよいが、プロトン抵抗を正確に測定する観点からは、同じであってもよい
データ群は後述する図5に示す相関式(1)等であってもよい。
制御部は、抵抗測定部の測定によって得られたプロトン抵抗を、データ群と照合して、クロスリークが発生するまでの時間を検知する。
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(エレクトロニックコントロールユニット)等の制御装置であってもよい。
制御部は、車両に搭載されていてもよいイグニッションスイッチと電気的に接続されていてもよい。制御部はイグニッションスイッチが切られていても外部電源により動作可能であってもよい。
The fuel cell system includes a control unit.
The control unit is a data showing the correlation between the proton resistance of the electrolyte membrane during power generation of the fuel cell and the time until cross leak occurs at a predetermined temperature of the fuel cell and a predetermined relative humidity of the fuel gas and the oxidant gas. Memorize the group in advance.
The predetermined temperature may be, for example, 0 to 30 ° C.
The predetermined relative humidity may be, for example, 15-30%. The predetermined relative humidity of the fuel gas and the predetermined relative humidity of the oxidant gas may be different or the same, but may be the same from the viewpoint of accurately measuring the proton resistance. May be the correlation equation (1) or the like shown in FIG. 5, which will be described later.
The control unit collates the proton resistance obtained by the measurement of the resistance measurement unit with the data group, and detects the time until the cross leak occurs.
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 a control program processed by the CPU, control data, and the like, 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 (electronic control unit).
The control unit may be electrically connected to an ignition switch which may be mounted on the vehicle. The control unit may be operable by an external power source even if the ignition switch is turned off.

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10及び、燃料ガス供給部20及び、燃料ガス供給流路21及び、燃料オフガス排出流路22及び、酸化剤ガス供給部30及び、酸化剤ガス供給流路31及び、酸化剤オフガス排出流路32及び、湿度調整部40及び、制御部50及び、抵抗測定部60及び、温度調整部70及び、冷媒供給部80及び冷媒循環流路81を備える。
湿度調整部40は、燃料ガス供給流路21上且つ酸化剤ガス供給流路31上に配置される。湿度調整部40は、酸化剤ガス供給流路31を流れる酸化剤ガスに含まれる水分を回収し、回収した水分を、燃料ガス供給流路21を流れる燃料ガスに供給することによって、燃料電池に供給される酸化剤ガス及び燃料ガスの相対湿度を調整してもよい。
制御部50は、湿度調整部40と電気的に接続され、湿度調整部40を制御することによって燃料ガス及び酸化剤ガスの相対湿度を制御する。
抵抗測定部60は、燃料電池10及び制御部50と電気的に接続され、制御部50からの制御信号に従って燃料電池10の電解質膜のプロトン抵抗を測定する。
温度調整部70は、冷媒供給部80と電気的に接続され、冷媒供給部80を制御することにより燃料電池の温度を制御する。
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 10, a fuel gas supply unit 20, a fuel gas supply flow path 21, a fuel off gas discharge flow path 22, an oxidant gas supply unit 30, and an oxidant gas supply. It includes a flow path 31, an oxidant off-gas discharge flow path 32, a humidity adjustment unit 40, a control unit 50, a resistance measurement unit 60, a temperature adjustment unit 70, a fuel filler supply unit 80, and a fuel filler circulation flow path 81.
The humidity adjusting unit 40 is arranged on the fuel gas supply flow path 21 and on the oxidant gas supply flow path 31. The humidity control unit 40 recovers the water contained in the oxidant gas flowing through the oxidant gas supply flow path 31, and supplies the recovered water to the fuel gas flowing through the fuel gas supply flow path 21 to the fuel cell. The relative humidity of the supplied oxidant gas and fuel gas may be adjusted.
The control unit 50 is electrically connected to the humidity adjustment unit 40 and controls the relative humidity of the fuel gas and the oxidant gas by controlling the humidity adjustment unit 40.
The resistance measuring unit 60 is electrically connected to the fuel cell 10 and the control unit 50, and measures the proton resistance of the electrolyte membrane of the fuel cell 10 according to the control signal from the control unit 50.
The temperature adjusting unit 70 is electrically connected to the refrigerant supply unit 80, and controls the temperature of the fuel cell by controlling the refrigerant supply unit 80.

図2は、本開示の燃料電池システムが行う制御の一例を示すフローチャートである。
制御の前提条件として、プロトン抵抗とクロスリーク発生までの時間の相関関係を示すデータ群として例えば図5に示す相関式(1)を燃料電池システムに組み込み、且つ、燃料電池システムに燃料電池の始動初期状態のプロトン抵抗を予め記憶させておく。
燃料電池を始動する。
温度調整部は燃料電池の温度を所定温度(例えば30℃)に調整し、且つ、湿度調整部は燃料ガス及び酸化剤ガスの相対湿度を所定相対湿度(例えば15~30%RH)に調整し、抵抗測定部は、燃料電池の始動初期段階で電解質膜のプロトン抵抗を測定する。これにより、低温度、低相対湿度条件でのプロトン抵抗の測定によりフラッディングの発生及び凍結の発生等を抑制することができる。
制御部は、相関式(1)を用いて、測定したプロトン抵抗からクロスリーク発生までの時間を予測する。そして、制御部はクロスリーク発生までの時間が許容時間以上であるか否か判定する。クロスリーク発生までの時間が許容時間以上である場合は、制御部は、問題なしと判断して、温度調整部は燃料電池を常用使用温度まで昇温し、湿度調整部は燃料ガス及び酸化剤ガスの相対湿度を調整して、通常運転する。
クロスリーク発生までの時間が許容時間未満である場合は、制御部は問題ありと判断して、例えば燃料電池システムが車載されている場合は、セル交換が必要であることを車両の運転者に警告ランプを点灯する等して知らせる。許容時間は特に限定されないが、例えば、運転者がセル交換をするために店舗まで車両を運転するのに必要な時間を適宜設定すればよい。
以上の方法により、電解質膜のクロスリークが発生してしまう前に運転者等の使用者にクロスリークが発生するまでの時間又はクロスリークの発生の有無を短時間で簡便に知らせることができる。
FIG. 2 is a flowchart showing an example of control performed by the fuel cell system of the present disclosure.
As a prerequisite for control, for example, the correlation equation (1) shown in FIG. 5 is incorporated into the fuel cell system as a data group showing the correlation between the proton resistance and the time until the cross leak occurs, and the fuel cell is started in the fuel cell system. The proton resistance in the initial state is stored in advance.
Start the fuel cell.
The temperature control unit adjusts the temperature of the fuel cell to a predetermined temperature (for example, 30 ° C.), and the humidity control unit adjusts the relative humidity of the fuel gas and the oxidant gas to a predetermined relative humidity (for example, 15 to 30% RH). The resistance measuring unit measures the proton resistance of the electrolyte membrane at the initial stage of starting the fuel cell. This makes it possible to suppress the occurrence of flooding and freezing by measuring the proton resistance under low temperature and low relative humidity conditions.
The control unit predicts the time from the measured proton resistance to the occurrence of cross leak using the correlation equation (1). Then, the control unit determines whether or not the time until the cross leak occurs is equal to or longer than the allowable time. If the time until the cross leak occurs is longer than the allowable time, the control unit determines that there is no problem, the temperature adjustment unit raises the temperature of the fuel cell to the normal operating temperature, and the humidity adjustment unit raises the fuel gas and oxidizing agent. Adjust the relative humidity of the gas and operate normally.
If the time until the cross leak occurs is less than the allowable time, the control unit determines that there is a problem and tells the driver of the vehicle that the cell needs to be replaced, for example, if the fuel cell system is mounted on the vehicle. Notify by turning on the warning lamp. The permissible time is not particularly limited, but for example, the time required for the driver to drive the vehicle to the store for cell exchange may be appropriately set.
By the above method, it is possible to easily inform the user such as the driver of the time until the cross leak occurs or the presence or absence of the cross leak in a short time before the cross leak of the electrolyte membrane occurs.

(参考例)
以下、表1の電解質膜のサンプル1~3を用いて検証を行った。表1においてサンプル1を基準である「1」とした場合の規格値で示す。
(Reference example)
Hereinafter, verification was performed using the electrolyte membrane samples 1 to 3 in Table 1. In Table 1, it is shown by the standard value when the sample 1 is set as the reference "1".

Figure 2022069754000002
Figure 2022069754000002

表1の各サンプルのプロトン抵抗を同一測定条件にて確認した。結果を図3に示す。
図3は、80℃における各サンプルに透過させる水素ガスの相対湿度を変化させたときの各サンプルのプロトン抵抗を示す図である。
プロトン抵抗は、サンプル1、サンプル2、サンプル3の順に上昇することがわかった。
表1及び図3に示すように、含水率はプロトン抵抗と相関があることが明らかとなった。プロトンは電解質膜中の水を伝播していくことからも妥当な結果である。
The proton resistance of each sample in Table 1 was confirmed under the same measurement conditions. The results are shown in FIG.
FIG. 3 is a diagram showing the proton resistance of each sample when the relative humidity of the hydrogen gas permeated through each sample is changed at 80 ° C.
It was found that the proton resistance increased in the order of sample 1, sample 2, and sample 3.
As shown in Table 1 and FIG. 3, it was clarified that the water content correlates with the proton resistance. Protons propagate through the water in the electrolyte membrane, which is a reasonable result.

次に、耐久性能(クロスリーク発生までの時間)を確認した。
図4は、各サンプルの耐久時間に対するクロスリーク量を示す図である。
クロスリーク発生までの時間を確認した結果、図4に示すように、含水率の少ない電解質膜からクロスリークが発生していることから、クロスリーク発生までの時間は電解質膜の含水率と相関があることがわかった。
電解質膜を分解するヒドロキシラジカルが生成したとき、含水率が少ない電解質膜の場合、電解質膜中の水が発電時に生成する水を用いてヒドロキシラジカルを押し流すことが困難となり滞留し、クロスリークの発生につながると推察できる。
Next, the durability performance (time until cross leak occurs) was confirmed.
FIG. 4 is a diagram showing the amount of cross leak with respect to the durability time of each sample.
As a result of confirming the time until the cross leak occurs, as shown in FIG. 4, since the cross leak is generated from the electrolyte membrane having a low water content, the time until the cross leak occurs has a correlation with the water content of the electrolyte membrane. It turned out that there was.
When hydroxyl radicals that decompose the electrolyte membrane are generated, in the case of an electrolyte membrane with a low water content, it becomes difficult for the water in the electrolyte membrane to flush away the hydroxyl radicals using the water generated during power generation, and the hydroxyl radicals stay there, causing cross leaks. It can be inferred that it will lead to.

以上のことから、クロスリーク発生までの時間はプロトン抵抗の大きさと相関があると考えられる。そのため、プロトン抵抗を確認することでクロスリークの発生を把握することが可能である。特に、低相対湿度域での燃料電池の発電時の電解質膜のプロトン抵抗からクロスリークの発生を確認することが可能であるため、必要以上にガスを加湿することなく、簡便にクロスリーク発生までの時間を把握することが可能になる。 From the above, it is considered that the time until the cross leak occurs correlates with the magnitude of the proton resistance. Therefore, it is possible to grasp the occurrence of cross leak by confirming the proton resistance. In particular, since it is possible to confirm the occurrence of cross leak from the proton resistance of the electrolyte membrane during power generation of the fuel cell in the low relative humidity range, it is possible to easily generate cross leak without humidifying the gas more than necessary. It becomes possible to grasp the time of.

電解質膜の劣化が進行した結果、電解質膜が分解し、結果として含水率が低下(プロトン抵抗が上昇)すると仮定すると、表1の電解質膜は、サンプル1、サンプル2、サンプル3の順で同一種の電解質膜が経時変化(劣化が進行)した場合と同等と考えることが可能である。このことを踏まえ、図3と図4の結果から、プロトン抵抗とクロスリーク発生までの時間の相関を確認した。
図5は、プロトン抵抗とクロスリーク発生までの時間との相関を示す図である。
図5は、同一の電解質膜において、劣化が進行した場合のプロトン抵抗とクロスリーク(ガスクロスリーク)発生までの時間の変化を示している。
図5の各データから相関式(1)が得られた。
y = -1.457x + 2.4765・・・(1)
式(1)においてxはプロトン抵抗を示し、yはクロスリーク発生までの時間を示す。
式(1)から、プロトン抵抗が上昇すると、電解質膜におけるクロスリーク発生までの時間が短くなることがわかる。
このような相関式を燃料電池システムごとに確立し、クロスリーク発生の有無の判断に活用することができる。また、クロスリーク発生までの許容時間以下となった場合、燃料電池を交換することを運転者に知らせることが可能となる。
Assuming that the electrolyte membrane decomposes as a result of the deterioration of the electrolyte membrane, and as a result, the water content decreases (proton resistance increases), the electrolyte membranes in Table 1 are the same in the order of sample 1, sample 2, and sample 3. It can be considered to be equivalent to the case where a kind of electrolyte membrane changes with time (deterioration progresses). Based on this, from the results of FIGS. 3 and 4, the correlation between the proton resistance and the time until the cross leak occurred was confirmed.
FIG. 5 is a diagram showing the correlation between the proton resistance and the time until the cross leak occurs.
FIG. 5 shows changes in proton resistance and time until cross leak (gas cross leak) occurs when deterioration progresses in the same electrolyte membrane.
The correlation equation (1) was obtained from each data in FIG.
y = -1.457x + 2.4765 ... (1)
In the formula (1), x indicates the proton resistance and y indicates the time until the cross leak occurs.
From the formula (1), it can be seen that as the proton resistance increases, the time until the cross leak occurs in the electrolyte membrane becomes shorter.
Such a correlation equation can be established for each fuel cell system and used for determining the presence or absence of cross leak. Further, when the allowable time until the cross leak occurs is less than the allowable time, it is possible to notify the driver that the fuel cell should be replaced.

10 燃料電池
20 燃料ガス供給部
21 燃料ガス供給流路
22 燃料オフガス排出流路
30 酸化剤ガス供給部
31 酸化剤ガス供給流路
32 酸化剤オフガス排出流路
40 湿度調整部
50 制御部
60 抵抗測定部
70 温度調整部
80 冷媒供給部
81 冷媒循環流路
100 燃料電池システム
10 Fuel cell 20 Fuel gas supply section 21 Fuel gas supply channel 22 Fuel off gas discharge channel 30 Oxidizing agent gas supply section 31 Oxidizing agent gas supply channel 32 Oxidizing agent off gas discharge channel 40 Humidity control section 50 Control section 60 Resistance measurement Unit 70 Temperature control unit 80 Fuel supply unit 81 Fuel circulation flow path 100 Fuel cell system

Claims (1)

燃料電池、
前記燃料電池のアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給部、
前記燃料電池のカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部、
前記燃料ガスの相対湿度及び前記酸化剤ガスの相対湿度の少なくともいずれか一方を調整する湿度調整部、
前記燃料電池の温度を調整する温度調整部、
前記燃料電池の電解質膜のプロトン抵抗を測定する抵抗測定部、及び、
制御部を備え、
前記制御部は、前記燃料電池の所定の温度及び前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの所定の相対湿度における前記燃料電池の発電時の前記電解質膜の前記プロトン抵抗とクロスリークが発生するまでの時間との相関関係を示すデータ群を予め記憶し、
前記抵抗測定部は、前記燃料電池の発電開始後、前記電解質膜の前記プロトン抵抗を測定し、
前記制御部は、前記抵抗測定部の測定によって得られた前記プロトン抵抗を、前記データ群と照合して、クロスリークが発生するまでの時間を検知することを特徴とする、燃料電池システム。
Fuel cell,
A fuel gas supply unit that supplies fuel gas to the anode of the fuel cell,
Oxidizing agent gas supply unit that supplies oxidizing agent gas to the cathode of the fuel cell,
A humidity control unit that adjusts at least one of the relative humidity of the fuel gas and the relative humidity of the oxidant gas.
A temperature control unit that adjusts the temperature of the fuel cell,
A resistance measuring unit for measuring the proton resistance of the electrolyte membrane of the fuel cell, and
Equipped with a control unit
The control unit determines the time until the proton resistance and cross leak of the electrolyte membrane occur during power generation of the fuel cell at a predetermined temperature of the fuel cell and a predetermined relative humidity of the fuel gas and the oxidant gas. A group of data showing the correlation with
After the start of power generation of the fuel cell, the resistance measuring unit measures the proton resistance of the electrolyte membrane, and then measures the proton resistance.
The fuel cell system is characterized in that the control unit collates the proton resistance obtained by the measurement of the resistance measuring unit with the data group and detects the time until a cross leak occurs.
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