JP3928526B2

JP3928526B2 - Fuel cell system

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Publication number: JP3928526B2
Application number: JP2002253955A
Authority: JP
Inventors: 朋範今村; 哲斉尾▲崎▼
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-08-30
Filing date: 2002-08-30
Publication date: 2007-06-13
Anticipated expiration: 2022-08-30
Also published as: JP2004095300A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素と酸素との電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池を備える燃料電池システムに関するもので、車両、船舶及びポータブル発電機等の移動体用発電機、或いは家庭用発電機に適用して有効である。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
多数のセルで構成された燃料電池を備える燃料電池システムでは、燃料電池内での水素濃度が局所的に低下すると、水素濃度が低下した領域の発電特性が悪化し、燃料電池の出力が低下する。また、水素濃度が局所的に低下した状態で燃料電池システムを運転した場合、燃料電池の劣化が加速され、信頼性の低下につながる。
【０００３】
本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、燃料電池内で水素濃度が局所的に低下した領域が発生しないようにすることを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、酸素を主成分とする酸化ガスと水素を主成分とする燃料ガスとを多数のセルにて電気化学反応させて電気エネルギを発生させる燃料電池（１０）と、燃料電池（１０）に酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段（２１）と、燃料電池（１０）に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段（３１）と、燃料電池（１０）に供給する燃料ガスの燃料電池（１０）内に関連する水素濃度を計測する水素濃度計測手段（３６、８２）と、燃料電池（１０）への燃料ガスの供給量を調整する燃料量調整手段（３２、３４、３７）と、水素濃度に基づいて燃料量調整手段（３２、３４、３７）の作動を制御する制御手段（４０）とを有し、水素濃度計測手段（３６、８２）は、前記燃料電池（１０）における前記燃料ガスの出口部に複数個設けられ、制御手段（４０）は、複数個の水素濃度計測手段（３６、８２）にて計測した水素濃度の濃度差に基づいて、多数のセルに対する燃料ガスの分配ばらつきを推定することを特徴とする。
【０００５】
これによると、水素濃度に基づいて燃料ガスの供給量を調整しているため、燃料電池内で水素不足の領域が発生しないようにすることができる。従って、水素不足領域の発生による出力電圧の低下を防止でき、燃費の向上を図ることができる。
【０００６】
また、水素濃度が局所的に低下した状態で燃料電池システムを運転した場合燃料電池の劣化が加速されるが、水素不足の領域が発生しないようにできるため、燃料電池の劣化を防止ないしは抑制することができる。
さらに、燃料ガスの分配が悪化したセルでは水素濃度が他のセルの水素濃度よりも低下するため、燃料ガスの分配ばらつきを正確に推定することができる。
【０００７】
ところで、燃料ガス供給方式としては、燃料ガスを循環させる循環方式と、燃料ガスを循環させない非循環方式とがあり、循環方式ではポンプやエジェクタを用いて燃料ガスを循環させ、非循環方式では圧力を利用して燃料ガスを燃料電池に供給するようになっている。
【０００８】
そして、非循環方式の燃料電池システムの場合、循環方式の燃料電池システムと比較して、セル出口付近での水素濃度が低下しやすいことから、請求項１の発明は非循環方式の燃料電池システムに適用したときに、より大きな効果が得られる。
【０００９】
請求項２に記載の発明では、制御手段（４０）は、水素濃度が所定範囲になるように燃料量調整手段（３２、３４、３７）の作動を制御することを特徴とする。
【００１０】
これによると、水素濃度を所定範囲に管理することができ、燃料ガスの供給量を必要最小限にすることができる。
【００１１】
また、循環方式の燃料電池システムに適用した場合、燃料ガス循環量を必要最小限にすることができ、燃料ガスを循環させる機器の小型化・低動力化が実現できる。
【００１２】
一方、非循環方式の燃料電池システムに適用した場合、燃料ガス供給量を必要最小限にすることができ、換言すると、圧力を極力低くすることができる。従って、高圧力による電解質膜の機械的破壊を防止できると共に、高圧力による水素の空気極側への透過量の増加を防止できる。
【００１３】
なお、請求項２に記載の発明は、請求項３に記載の発明のように、水素濃度が所定値以下のときに、燃料電池（１０）への燃料ガスの供給量が増加するように燃料量調整手段（３２、３４、３７）の作動を制御することができると共に、請求項４に記載の発明のように、水素濃度が所定値以上のときに、燃料電池（１０）への燃料ガスの供給量が減少するように燃料量調整手段（３２、３４、３７）の作動を制御することができる。
【００１７】
ところで、各セルへの燃料ガスの分配が悪化すると、分配が悪化したセルでは水素不足となって出力電圧が低下する。これに対し、請求項６に記載の発明では、水素濃度計測手段を複数個設けているため、セル間の水素濃度のばらつきを検出することができ、その検出結果に基づいて燃料ガスの供給量を調整することにより、水素不足領域の発生による出力電圧の低下を防止することができる。
【００１８】
請求項５に記載の発明では、水素濃度計測手段（３６、８２）は、燃料電池（１０）内部に設けられていることを特徴とする。
【００１９】
これによると、燃料電池（１０）内部の水素濃度をダイレクトに計測することができるので、燃料電池（１０）内部の燃料ガスのばらつきを正確に計測することができる。
【００２２】
請求項６に記載の発明では、制御手段（４０）は、複数個の水素濃度計測手段（３６、８２）にて計測した水素濃度の濃度差に基づいて、燃料量調整手段（３２、３４、３７）の作動を制御することを特徴とする。
【００２３】
これによると、水素濃度計測手段を複数個設けているため、セル間の水素濃度のばらつきを検出することができ、その検出結果に基づいて燃料ガスの分配が均一になるように燃料ガスの供給を制御することにより、燃料ガスの分配を均一に制御することができる。
【００２４】
請求項７に記載の発明では、制御手段（４０）は、複数個の水素濃度計測手段（３６、８２）にて計測した水素濃度の濃度差が所定範囲になるように、燃料量調整手段（３２、３４、３７）の作動を制御することを特徴とする。
【００２５】
これによると、循環方式の燃料電池システムに適用した場合、燃料ガス循環量を必要最小限にすることができ、燃料ガスを循環させる機器の小型化・低動力化が実現できる。
【００２６】
一方、非循環方式の燃料電池システムに適用した場合、燃料ガス供給量を必要最小限にすることができ、換言すると、圧力を極力低くすることができる。従って、高圧力による電解質膜の機械的破壊を防止できると共に、高圧力による水素の空気極側への透過量の増加を防止できる。
【００２７】
請求項８に記載の発明のように、水素濃度計測手段として、水素濃度に対応した電気信号を出力する水素濃度センサ（３６）を用いることもできるし、請求項９に記載の発明のように、水素濃度計測手段として、燃料ガスの圧力に対応した電気信号を出力する圧力センサ（８２）を用いることもできる。
【００２８】
請求項１０に記載の発明のように、セルの出力電圧が所定値まで回復しないときには、燃料電池（１０）の出力電流値を低減させることができる。
【００２９】
請求項１１に記載の発明では、水素濃度計測手段（３５、８１）は、前記燃料電池（１０）における前記燃料ガスの入口部にも設けられていることを特徴とする。
【００３０】
このように、水素入口濃度に基づいて燃料ガスの供給量を調整しても、燃料電池内で水素不足の領域が発生しないようにすることができる。従って、請求項１１の発明によっても請求項１の発明と同様の効果を得ることができる。
【００３１】
請求項１２に記載の発明では、燃料調整手段（３２、３４、３７）は、燃料電池（１０）の出口から排出される燃料ガスの流量を調整するものであることを特徴とする。
【００３２】
これによると、燃料電池（１０）の出口側の燃料ガスの排出量を調整することで、燃料電池（１０）内で水素不足の領域が発生しないようにすることができる。
【００３３】
請求項１３に記載の発明では、燃料調整手段（３２、３４、３７）は、燃料電池（１０）の出口側から排出される排出燃料ガスの燃料電池（１０）入口側への循環量を調整するものであることを特徴とする。
【００３４】
これによると、燃料電池（１０）内での未使用燃料ガスを燃料電池に再供給することができるとともに燃料電池（１０）内で水素不足の領域が発生しないようにすることができる。
【００３５】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００３６】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１は第１実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示す図で、この燃料電池システムは、例えば燃料電池を電源として走行する電気自動車に適用される。
【００３７】
図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池１０を備えている。この燃料電池１０は、電気負荷１１や２次電池１２等の電気機器に電力を供給するものである。因みに、電気自動車の場合、車両走行用の電動モータが電気負荷１１に相当する。
【００３８】
本実施形態では燃料電池１０として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となる燃料電池セルが複数個積層され、且つ電気的に直列接続されている。燃料電池１０では、水素および空気（酸素）が供給されることにより、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギが発生する。
【００３９】
（燃料極側）Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-
（空気極側）２Ｈ⁺＋１／２Ｏ₂ ＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ
燃料電池１０と２次電池１２との間には、２次電池１２の出力を制御する出力制御器１３が設けられている。また、各セル毎の出力電圧を検出するセルモニタ１４が設けられ、セルモニタ１４で検出したセル電圧信号が後述する制御部４０に入力されるようになっている。なお、セルモニタ１４は電圧計測手段に相当する。
【００４０】
燃料電池システムには、燃料電池１０の空気極（正極）側に空気（酸素）を供給するための空気流路２０と、燃料電池１０の燃料極（負極）側に水素を供給するための燃料流路３０が設けられている。なお、空気は本発明の酸化ガスに相当し、水素は本発明の燃料ガスに相当する。
【００４１】
空気流路２０の最上流部には、大気中から吸入した空気を燃料電池１０に圧送するための空気ポンプ２１が設けられ、空気流路２０における空気ポンプ２１と燃料電池１０との間には、空気への加湿を行う加湿器２２が設けられ、空気流路２０における燃料電池１０の下流側には、燃料電池１０に供給される空気の圧力を調整するための空気調圧弁２３が設けられている。なお、空気ポンプ２１は本発明の酸化ガス供給手段に相当する。
【００４２】
燃料流路３０の最上流部には、水素ガスが充填された水素ボンベ３１が設けられ、燃料流路３０における水素ボンベ３１と燃料電池１０との間には、燃料電池１０に供給される水素の圧力を調整して燃料電池１０への水素供給量を調整する水素調圧弁３２が設けられ、水素調圧弁３２と燃料電池１０との間には、水素への加湿を行う加湿器３３が設けられている。燃料流路３０における燃料電池１０下流側には、水素ボンベ３１から燃料電池１０に供給される水素の流量を調整する水素出口流量調整弁３４が設けられている。
【００４３】
さらに、加湿器３３と燃料電池１０との間には、燃料電池１０に供給する水素の燃料電池入口における水素濃度に対応した電気信号を出力する第１水素濃度センサ３５が設けられている。また、燃料電池１０と水素出口流量調整弁３４との間には、燃料電池１０に供給する水素の燃料電池出口における水素濃度に対応した電気信号を出力する第２水素濃度センサ３６が設けられている。
【００４４】
なお、水素ボンベ３１は本発明の燃料ガス供給手段に相当し、各水素濃度センサ３５、３６は本発明の水素濃度計測手段に相当し、水素調圧弁３２および水素出口流量調整弁３４は本発明の燃料量調整手段に相当する。
【００４５】
制御部（ＥＣＵ）４０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータとその周辺回路にて構成されている。そして、制御部４０には、セルモニタ１４からのセル電圧信号、両水素濃度センサ３５、３６からの水素濃度信号が入力される。また、制御部４０は、演算結果に基づいて、出力制御器１３、空気ポンプ２１、加湿器２２、空気調圧弁２３、水素調圧弁３２、加湿器３３、水素出口流量調整弁３４に制御信号を出力する。なお、制御部４０は本発明の制御手段に相当する。
【００４６】
次に、上記構成の燃料電池システムの作動を、図１および図２に基づいて説明する。なお、図２は制御部４０にて実行される制御処理を示す流れ図である。
【００４７】
まず、燃料電池１０の目標出力が入力され（ステップＳ１０１）、その目標出力に応じて、予め定められたマップ等により燃料電池１０の目標電流が決定される（ステップＳ１０２）。
【００４８】
次に、燃料電池１０の出口での水素濃度（以下、水素出口濃度という）を第２水素濃度センサ３６で測定し（ステップＳ１１１）、水素出口濃度が所定濃度よりも高いか否かを判断する（ステップＳ１１２）。
【００４９】
そして、水素出口濃度が所定濃度以下であれば（ステップＳ１１２がＮＯ）、水素調圧弁３２を制御して燃料電池１０に供給される水素の圧力を増加させ（ステップＳ１１３）、水素出口濃度が所定濃度よりも高ければ（ステップＳ１１２がＹＥＳ）、水素調圧弁３２を制御して燃料電池１０に供給される水素の圧力を減少させる（ステップＳ１１４）。このステップＳ１１１〜ステップＳ１１４の制御により、水素出口濃度は常に所定濃度近辺に制御される。
【００５０】
次に、燃料電池１０の入口での水素濃度（以下、水素入口濃度という）を第１水素濃度センサ３５で測定すると共に（ステップＳ１２１）、水素出口濃度を第２水素濃度センサ３６で再度測定し（ステップＳ１２２）、水素入口濃度と水素出口濃度との差が所定濃度差よりも大きいか否かを判断する（ステップＳ１２３）。
【００５１】
そして、水素出入口濃度差が所定濃度差よりも大きければ（ステップＳ１２３がＹＥＳ）、水素調圧弁３２を制御して燃料電池１０に供給される水素の圧力を増加させ（ステップＳ１２４）、これにより、セル内での水素濃度の分布の均一化を図る。一方、水素出入口濃度差が所定濃度差以内であれば（ステップＳ１２３がＮＯ）、燃料電池１０に供給される水素の圧力は変更しない。
【００５２】
以上の制御により、燃料電池１０の燃料極には水素が充分且つ均一に供給されていることになる。そこで、発電状態のチェックを行うため、各セル毎の出力電圧を測定し（ステップＳ１３１）、全てのセルの出力電圧が所定電圧以上であるか否かを判断する（ステップＳ１３２）。
【００５３】
そして、出力電圧が所定電圧未満のセルが存在する場合（ステップＳ１３２がＮＯ）、水素調圧弁３２を制御して燃料電池１０に供給される水素の圧力を増加させ（ステップＳ１３３）、これによりセル内の水素濃度を高める。一方、全てのセルの出力電圧が所定電圧以上（ステップＳ１３２がＹＥＳ）であれば運転状態は正常であると判断し、燃料電池１０に供給される水素の圧力は変更しない。
【００５４】
次に、ステップＳ１３３にて水素の圧力を増加させた場合、各セル毎の出力電圧を再度測定し（ステップＳ１４１）、全てのセルの出力電圧が所定電圧以上になったか否かを判断する（ステップＳ１４２）。
【００５５】
そして、出力電圧が所定電圧未満のセルが未だに存在する場合（ステップＳ１４２がＮＯ）、全てのセルの出力電圧が所定電圧以上になるまで（ステップＳ４４がＹＥＳ）燃料電池１０の出力電流をしぼり（ステップＳ１４３）、燃料電池１０を保護する。具体的には、２次電池１２から電気負荷１１への電力供給量が増加するように出力制御器１３を制御することにより、燃料電池１０の出力電流がしぼられる。
【００５６】
一方、ステップＳ１３３にて水素の圧力を増加させたことにより、全てのセルの出力電圧が所定電圧以上になった場合（ステップＳ１４２がＹＥＳ）、運転状態は準正常であると判断し、燃料電池１０の出力電流の制限はしない。
【００５７】
本実施形態によると、水素濃度に基づいて水素供給量を調整しているため、燃料電池１０内で水素不足の領域が発生しないようにすることができる。従って、水素不足領域の発生による出力電圧の低下を防止でき、燃費の向上を図ることができる。
【００５８】
また、水素濃度が局所的に低下した状態で燃料電池システムを運転した場合燃料電池１０の劣化が加速されるが、水素不足の領域が発生しないようにできるため、燃料電池１０の劣化を防止ないしは抑制することができる。
【００５９】
ところで、水素供給方式としては、水素を循環させる循環方式と、本実施形態のように水素を循環させない非循環方式とがあり、非循環方式では圧力を利用して水素を燃料電池１０に供給するようになっている。
【００６０】
そして、本実施形態によると、水素出口濃度は常に所定濃度近辺に制御されるため、水素供給量を必要最小限にすることができ、換言すると、水素供給圧力を極力低くすることができる。従って、高圧力による電解質膜の機械的破壊を防止できると共に、高圧力による水素の空気極側への透過量の増加を防止できる。
【００６１】
なお、本実施形態では、基本的には水素出口濃度に基づいて水素供給量を調整して水素出口濃度を所定濃度近辺に制御したが、水素入口濃度に基づいて水素供給量を調整して水素入口濃度を所定濃度近辺に制御してもよい。この場合でも、燃料電池１０の燃料極には水素が充分且つ均一に供給され、燃料電池内で水素不足の領域が発生しないようにすることができる。
【００６２】
（第２実施形態）
図３および図４は第２実施形態を示すもので、第１実施形態は水素を循環させない非循環方式であったが、本実施形態は水素を循環させる循環方式に変更したものである。なお、第１実施形態と同一若しくは均等部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００６３】
図３に示すように、燃料流路３０における燃料電池１０の下流側は、水素調圧弁３２の下流側に接続されて燃料流路３０が閉ループに構成されており、これにより燃料流路３０内で水素を循環させて、燃料電池１０での未使用水素を燃料電池１０に再供給するようにしている。
【００６４】
燃料流路３０における燃料電池１０の下流側には、燃料流路３０内で水素を循環させるための水素ポンプ３７が設けられている。そして、水素ポンプ３７の回転数を制御部４０にて制御することにより、水素の循環流量、ひいては燃料電池１０への水素供給量を制御するようになっている。
【００６５】
図４は制御部４０にて実行される制御処理を示す流れ図で、第１実施形態におけるステップＳ１１３、１１４、１２４、１３３が変更されている。
【００６６】
まず、ステップＳ１１２がＮＯの場合、水素ポンプ３７の回転数を上げて水素の循環流量を増加させ（ステップＳ１１３Ａ）、ステップＳ１１２がＹＥＳの場合、水素ポンプ３７の回転数を下げて水素の循環流量を減少させ（ステップＳ１１４Ａ）、これにより、水素出口濃度を常に所定濃度近辺に制御する。
【００６７】
また、ステップＳ１２３がＹＥＳの場合、水素ポンプ３７の回転数を上げて水素の循環流量を増加させ（ステップＳ１２４Ａ）、これにより、セル内での水素濃度の分布の均一化を図る。
【００６８】
また、ステップＳ１３２がＮＯの場合、水素ポンプ３７の回転数を上げて水素の循環流量を増加させ（ステップＳ１３３Ａ）、これによりセル内の水素濃度を高める。
【００６９】
本実施形態によると、水素濃度に基づいて水素供給量を調整しているため、燃料電池１０内で水素不足の領域が発生しないようにすることができる。従って、水素不足領域の発生による出力電圧の低下を防止でき、燃費の向上を図ることができる。
【００７０】
また、水素濃度が局所的に低下した状態で燃料電池システムを運転した場合燃料電池１０の劣化が加速されるが、水素不足の領域が発生しないようにできるため、燃料電池１０の劣化を防止ないしは抑制することができる。
【００７１】
また、水素循環量を必要最小限にすることができ、水素を循環させる機器、すなわち水素ポンプ３７の小型化・低動力化が実現できる。
【００７２】
なお、本実施形態では、水素ポンプ３７の回転数制御にて水素の循環流量ひいては燃料電池１０への水素供給量を制御するようにしたが、水素ポンプ３７の回転数と水素調圧弁３２による水素供給圧力とを制御することにより、燃料電池１０への水素供給量を制御してもよいし、あるいは、水素調圧弁３２による水素供給圧力の制御のみで燃料電池１０への水素供給量を制御してもよい。従って、水素調圧弁３２および水素ポンプ３７は本発明の燃料量調整手段に相当する。
【００７３】
また、本実施形態では、水素を循環させる機器として水素ポンプ３７を用いたが、水素ポンプ３７の代わりにエジェクタを用いてもよい。
【００７４】
（第３実施形態）
図５は第３実施形態になる燃料電池システムの要部構成を示すもので、第１実施形態の燃料電池システム或いは第２実施形態の燃料電池システムに、空気や水素の分配・集合を行うマニホールドを追加したものである。なお、第１、第２実施形態と同一若しくは均等部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００７５】
図５に示すように、燃料電池１０における空気の出入り口部および水素の出入り口部にマニホールド５１、５２、６１、６２が設けられている。
【００７６】
そして、空気流路２０を介して供給された空気は、空気入口マニホールド５１から各セルの空気極に分配され、各セルを通過した後に空気出口マニホールド５２に集合される。また、燃料流路３０を介して供給された水素は、水素入口マニホールド６１から各セルの燃料極に分配され、各セルを通過した後に水素出口マニホールド６２に集合される。
【００７７】
ここで、セル間の圧力分布のばらつきが生じないように、各マニホールド５１、５２、６１、６２の容積を設定する。因みに、圧力分布のばらつきは燃料電池１０の最大出力時に特に大きくなりやすいため、最大出力時の圧力分布のばらつきが所定範囲に収まるように、各マニホールド５１、５２、６１、６２の容積を設定すればよい。
【００７８】
このように、マニホールド５１、５２、６１、６２を設けてセル間の圧力分布のばらつきを小さくすることにより、セル間の水素濃度の分布を一層均一にすることができる。
【００７９】
（第４実施形態）
図６は第４実施形態になる燃料電池システムの要部構成を示すもので、第３実施形態の燃料電池システムに多数の圧力センサを追加したものである。なお、第１〜第３実施形態と同一若しくは均等部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００８０】
図６に示すように、各マニホールド５１、５２、６１、６２内の圧力に対応した電気信号を出力する圧力センサ７１、７２、８１、８２が、各マニホールド５１、５２、６１、６２毎に複数個（本例では、各４個）設けられている。
【００８１】
具体的には、空気入口圧力センサ７１にて空気入口マニホールド５１内の４個所の圧力を検出し、空気出口圧力センサ７２にて空気出口マニホールド５２内の４個所の圧力を検出し、水素入口圧力センサ８１にて水素入口マニホールド６１内の４個所の圧力を検出し、水素出口圧力センサ８２にて水素出口マニホールド６２内の４個所の圧力を検出する。
【００８２】
次に、本実施形態において実行される制御処理の要部を、図７に基づいて説明する。
【００８３】
まず、水素出口マニホールド６２内の４個所の圧力（以下、水素出口圧力という）を水素出口圧力センサ８２で測定する（ステップＳ２０１）。
【００８４】
そして、４個所の水素出口圧力のうち最も低い水素出口圧力が設定圧力以下であれば（ステップＳ２０２がＹＥＳ）、水素調圧弁３２（図１参照）を制御して燃料電池１０に供給される水素の圧力を増加させ（ステップＳ２０３）、４個所の水素出口圧力がいずれも設定圧力よりも高ければ（ステップＳ２０２がＮＯ）、水素調圧弁３２を制御して燃料電池１０に供給される水素の圧力を減少させる（ステップＳ２０４）。この制御により、水素出口圧力は常に設定圧力近辺に制御される。
【００８５】
このように、水素出口マニホールド６２内の４個所の圧力測定結果に基づいて水素供給圧力を制御することにより、水素出口マニホールド６２内の圧力分布のばらつきが小さくなり、セル間の水素濃度の分布をより一層均一にすることができる。
【００８６】
なお、本実施形態では、水素出口マニホールド６２内の４個所の圧力測定結果に基づいて水素供給圧力を制御したが、水素出口マニホールド６２内の複数個所の水素出口濃度の測定結果に基づいて水素供給圧力を制御してもよい。また、本実施形態では水素供給圧力を制御したが、水素の循環流量を制御してもよい。
【００８７】
（他の実施形態）
上記実施形態では、燃料電池１０に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段として、水素ガスが充填された水素ボンベ３１を用いたが、液体水素が充填された液体水素タンク、改質反応により水素を生成する改質装置、或いは水素吸蔵合金等の水素貯蔵材を内蔵して純水素を貯蔵する吸蔵式水素タンクを、燃料ガス供給手段として用いることができる。そして、液体水素タンクや吸蔵式水素タンクの場合、水素調圧弁３２もしくはタンクの温度制御によって、燃料電池１０へ供給する水素の圧力を制御する。
【００８８】
上記第１〜第３実施形態では、水素濃度を計測する水素濃度計測手段として、水素濃度を直接検出する水素濃度センサ３５、３６を用いたが、燃料電池１０へ供給する水素の圧力と水素濃度とは相関があるため、水素供給圧力を検出する水素圧力センサ８１、８２を、水素濃度計測手段として用いてもよい。
【００８９】
なお、水素濃度センサ３５、３６を燃料電池１０内部に配設するようにしても勿論よい。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の燃料電池システムの全体構成を示す図である。
【図２】図１の制御部４０にて実行される制御処理を示す流れ図である。
【図３】第２実施形態の燃料電池システムの全体構成を示す図である。
【図４】図３の制御部４０にて実行される制御処理を示す流れ図である。
【図５】第３実施形態の燃料電池システムの要部構成を示す図である。
【図６】第４実施形態の燃料電池システムの要部構成を示す図である。
【図７】第４実施形態にて実行される制御処理の要部を示す流れ図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池、２１…空気ポンプ（酸化ガス供給手段）、
３１…水素ボンベ（燃料ガス供給手段）、
３６…水素濃度センサ（水素濃度計測手段）、
３２…水素調圧弁（燃料量調整手段）、
３４…水素出口流量調整弁（燃料量調整手段）、
３７…水素ポンプ（燃料量調整手段）、４０…制御部（制御手段）。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell that generates electrical energy by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. The present invention relates to a generator for a mobile body such as a vehicle, a ship, and a portable generator, or a household generator. It is effective to apply.
[0002]
[Background Art and Problems to be Solved by the Invention]
In a fuel cell system including a fuel cell composed of a large number of cells, when the hydrogen concentration in the fuel cell is locally reduced, the power generation characteristics in the region where the hydrogen concentration is reduced deteriorates and the output of the fuel cell decreases. . Further, when the fuel cell system is operated in a state where the hydrogen concentration is locally reduced, the deterioration of the fuel cell is accelerated, leading to a decrease in reliability.
[0003]
The present invention has been made in view of the above points, and it is an object of the present invention to prevent a region in which a hydrogen concentration is locally lowered from occurring in a fuel cell.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, an electric energy is generated by electrochemically reacting an oxidizing gas containing oxygen as a main component and a fuel gas containing hydrogen as a main component in a number of cells. A fuel cell (10), an oxidizing gas supply means (21) for supplying oxidizing gas to the fuel cell (10), a fuel gas supplying means (31) for supplying fuel gas to the fuel cell (10), and a fuel cell ( 10) Hydrogen concentration measuring means (36, 82) for measuring the hydrogen concentration of the fuel gas supplied to the fuel cell (10) and the fuel amount for adjusting the amount of fuel gas supplied to the fuel cell (10) The adjusting means (32, 34, 37) and the control means (40) for controlling the operation of the fuel amount adjusting means (32, 34, 37) based on the hydrogen concentration are provided.A plurality of hydrogen concentration measuring means (36, 82) are provided at the outlet of the fuel gas in the fuel cell (10), and a control means (40) is provided with a plurality of hydrogen concentration measuring means (36, 82). ) Estimate fuel gas distribution variation for many cells based on the difference in hydrogen concentration measured inIt is characterized by doing.
[0005]
According to this, since the supply amount of the fuel gas is adjusted based on the hydrogen concentration, it is possible to prevent a hydrogen-deficient region from occurring in the fuel cell. Therefore, it is possible to prevent a decrease in output voltage due to the occurrence of a hydrogen deficient region, and to improve fuel consumption.
[0006]
  Further, when the fuel cell system is operated in a state where the hydrogen concentration is locally reduced, the deterioration of the fuel cell is accelerated. However, since the hydrogen deficient region can be prevented from occurring, the deterioration of the fuel cell is prevented or suppressed. be able to.
  Furthermore, since the hydrogen concentration in the cell in which the distribution of the fuel gas has deteriorated is lower than the hydrogen concentration in other cells, the distribution variation in the fuel gas can be accurately estimated.
[0007]
By the way, the fuel gas supply method includes a circulation method for circulating the fuel gas and a non-circulation method that does not circulate the fuel gas. In the circulation method, the fuel gas is circulated using a pump or an ejector. Is used to supply fuel gas to the fuel cell.
[0008]
In the case of a non-circulation type fuel cell system, the hydrogen concentration in the vicinity of the cell outlet tends to decrease as compared with the circulation type fuel cell system. When applied to, a greater effect can be obtained.
[0009]
The invention according to claim 2 is characterized in that the control means (40) controls the operation of the fuel amount adjusting means (32, 34, 37) so that the hydrogen concentration falls within a predetermined range.
[0010]
According to this, the hydrogen concentration can be managed within a predetermined range, and the supply amount of the fuel gas can be minimized.
[0011]
Further, when applied to a circulation type fuel cell system, the amount of fuel gas circulation can be minimized, and downsizing and low power of equipment for circulating the fuel gas can be realized.
[0012]
On the other hand, when applied to a non-circulating fuel cell system, the fuel gas supply amount can be minimized, in other words, the pressure can be reduced as much as possible. Therefore, mechanical breakdown of the electrolyte membrane due to high pressure can be prevented, and increase in the permeation amount of hydrogen to the air electrode side due to high pressure can be prevented.
[0013]
According to the second aspect of the present invention, as in the third aspect of the present invention, when the hydrogen concentration is not more than a predetermined value, the fuel gas supply amount to the fuel cell (10) is increased. The operation of the amount adjusting means (32, 34, 37) can be controlled, and the fuel gas to the fuel cell (10) when the hydrogen concentration is not less than a predetermined value as in the invention described in claim 4. The operation of the fuel amount adjusting means (32, 34, 37) can be controlled so that the supply amount of the fuel is reduced.
[0017]
By the way, when the distribution of the fuel gas to each cell is deteriorated, the output voltage is lowered due to insufficient hydrogen in the cell in which the distribution is deteriorated. On the other hand, in the invention described in claim 6, since a plurality of hydrogen concentration measuring means are provided, it is possible to detect variations in hydrogen concentration between cells, and the amount of fuel gas supplied based on the detection result. By adjusting this, it is possible to prevent a decrease in output voltage due to the occurrence of a hydrogen deficient region.
[0018]
  Claim5In the invention described in item 3, the hydrogen concentration measuring means (36, 82) is provided inside the fuel cell (10).
[0019]
According to this, since the hydrogen concentration inside the fuel cell (10) can be directly measured, the variation of the fuel gas inside the fuel cell (10) can be accurately measured.
[0022]
  Claim6In the invention described in (4), the control means (40) of the fuel amount adjusting means (32, 34, 37) is based on the concentration difference of the hydrogen concentration measured by the plurality of hydrogen concentration measuring means (36, 82). It is characterized by controlling the operation.
[0023]
According to this, since a plurality of means for measuring the hydrogen concentration are provided, it is possible to detect variations in the hydrogen concentration between the cells, and supply the fuel gas so that the distribution of the fuel gas is uniform based on the detection result. By controlling this, the distribution of the fuel gas can be controlled uniformly.
[0024]
  Claim7In the invention described in (4), the control means (40) includes the fuel amount adjusting means (32, 34) so that the concentration difference between the hydrogen concentrations measured by the plurality of hydrogen concentration measuring means (36, 82) falls within a predetermined range. , 37) is controlled.
[0025]
According to this, when applied to a circulation type fuel cell system, the amount of fuel gas circulation can be minimized, and downsizing and low power of equipment for circulating the fuel gas can be realized.
[0026]
On the other hand, when applied to a non-circulating fuel cell system, the fuel gas supply amount can be minimized, in other words, the pressure can be reduced as much as possible. Therefore, mechanical breakdown of the electrolyte membrane due to high pressure can be prevented, and increase in the permeation amount of hydrogen to the air electrode side due to high pressure can be prevented.
[0027]
  Claim8The hydrogen concentration sensor (36) that outputs an electrical signal corresponding to the hydrogen concentration can be used as the hydrogen concentration measuring means, as in the invention described in claim 1.9As described in the invention, the pressure sensor (82) that outputs an electric signal corresponding to the pressure of the fuel gas can be used as the hydrogen concentration measuring means.
[0028]
  Claim 10When the output voltage of the cell does not recover to a predetermined value as in the invention described in (1), the output current value of the fuel cell (10) can be reduced.
[0029]
  Claim 11In the invention described inThe hydrogen concentration measuring means (35, 81) is also provided at the inlet of the fuel gas in the fuel cell (10).It is characterized by that.
[0030]
  Thus, even if the supply amount of the fuel gas is adjusted based on the hydrogen inlet concentration, it is possible to prevent a hydrogen-deficient region from occurring in the fuel cell. Accordingly, claim 11According to the present invention, the same effect as that of the first aspect can be obtained.
[0031]
  Claim 12In the invention described in (1), the fuel adjusting means (32, 34, 37) adjusts the flow rate of the fuel gas discharged from the outlet of the fuel cell (10).
[0032]
According to this, by adjusting the discharge amount of the fuel gas on the outlet side of the fuel cell (10), it is possible to prevent a hydrogen deficient region from occurring in the fuel cell (10).
[0033]
  Claim 13In the invention described in (1), the fuel adjusting means (32, 34, 37) adjusts the circulation amount of exhaust fuel gas discharged from the outlet side of the fuel cell (10) to the inlet side of the fuel cell (10). It is characterized by being.
[0034]
According to this, unused fuel gas in the fuel cell (10) can be re-supplied to the fuel cell, and a hydrogen-deficient region can be prevented from occurring in the fuel cell (10).
[0035]
In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.
[0036]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram showing the overall configuration of the fuel cell system according to the first embodiment. This fuel cell system is applied to, for example, an electric vehicle that runs using a fuel cell as a power source.
[0037]
As shown in FIG. 1, the fuel cell system of this embodiment includes a fuel cell 10 that generates electric power by utilizing an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. The fuel cell 10 supplies electric power to electric devices such as an electric load 11 and a secondary battery 12. Incidentally, in the case of an electric vehicle, an electric motor for running the vehicle corresponds to the electric load 11.
[0038]
In the present embodiment, a solid polymer electrolyte fuel cell is used as the fuel cell 10, and a plurality of fuel cells serving as basic units are stacked and electrically connected in series. In the fuel cell 10, when hydrogen and air (oxygen) are supplied, the following electrochemical reaction between hydrogen and oxygen occurs and electric energy is generated.
[0039]
(Fuel electrode side) H₂→ 2H⁺+ 2e^-
(Air electrode side) 2H⁺+ 1 / 2O₂ + 2e^-→ H₂O
Between the fuel cell 10 and the secondary battery 12, an output controller 13 that controls the output of the secondary battery 12 is provided. Further, a cell monitor 14 for detecting an output voltage for each cell is provided, and a cell voltage signal detected by the cell monitor 14 is input to a control unit 40 described later. The cell monitor 14 corresponds to voltage measuring means.
[0040]
The fuel cell system includes an air flow path 20 for supplying air (oxygen) to the air electrode (positive electrode) side of the fuel cell 10 and a fuel for supplying hydrogen to the fuel electrode (negative electrode) side of the fuel cell 10. A flow path 30 is provided. Air corresponds to the oxidizing gas of the present invention, and hydrogen corresponds to the fuel gas of the present invention.
[0041]
An air pump 21 is provided at the most upstream portion of the air flow path 20 to pump air sucked from the atmosphere to the fuel cell 10. Between the air pump 21 and the fuel cell 10 in the air flow path 20. A humidifier 22 for humidifying the air is provided, and an air pressure regulating valve 23 for adjusting the pressure of the air supplied to the fuel cell 10 is provided on the downstream side of the fuel cell 10 in the air flow path 20. ing. The air pump 21 corresponds to the oxidizing gas supply means of the present invention.
[0042]
A hydrogen cylinder 31 filled with hydrogen gas is provided at the most upstream portion of the fuel flow path 30, and hydrogen supplied to the fuel cell 10 is interposed between the hydrogen cylinder 31 and the fuel cell 10 in the fuel flow path 30. A hydrogen pressure regulating valve 32 for regulating the amount of hydrogen supplied to the fuel cell 10 by adjusting the pressure of the fuel cell 10 is provided, and a humidifier 33 for humidifying hydrogen is provided between the hydrogen pressure regulating valve 32 and the fuel cell 10. It has been. A hydrogen outlet flow rate adjustment valve 34 for adjusting the flow rate of hydrogen supplied from the hydrogen cylinder 31 to the fuel cell 10 is provided downstream of the fuel cell 10 in the fuel flow path 30.
[0043]
Further, a first hydrogen concentration sensor 35 that outputs an electric signal corresponding to the hydrogen concentration at the fuel cell inlet of the hydrogen supplied to the fuel cell 10 is provided between the humidifier 33 and the fuel cell 10. In addition, a second hydrogen concentration sensor 36 that outputs an electrical signal corresponding to the hydrogen concentration at the fuel cell outlet of hydrogen supplied to the fuel cell 10 is provided between the fuel cell 10 and the hydrogen outlet flow rate adjustment valve 34. Yes.
[0044]
The hydrogen cylinder 31 corresponds to the fuel gas supply means of the present invention, the hydrogen concentration sensors 35 and 36 correspond to the hydrogen concentration measurement means of the present invention, and the hydrogen pressure regulating valve 32 and the hydrogen outlet flow rate adjustment valve 34 correspond to the present invention. This corresponds to the fuel amount adjusting means.
[0045]
The control unit (ECU) 40 is composed of a well-known microcomputer comprising a CPU, ROM, RAM, etc. and its peripheral circuits. The control unit 40 receives the cell voltage signal from the cell monitor 14 and the hydrogen concentration signals from both the hydrogen concentration sensors 35 and 36. Further, the control unit 40 sends control signals to the output controller 13, the air pump 21, the humidifier 22, the air pressure adjustment valve 23, the hydrogen pressure adjustment valve 32, the humidifier 33, and the hydrogen outlet flow rate adjustment valve 34 based on the calculation result. Output. The control unit 40 corresponds to the control means of the present invention.
[0046]
Next, the operation of the fuel cell system configured as described above will be described with reference to FIGS. 1 and 2. FIG. 2 is a flowchart showing a control process executed by the control unit 40.
[0047]
First, the target output of the fuel cell 10 is input (step S101), and the target current of the fuel cell 10 is determined by a predetermined map or the like according to the target output (step S102).
[0048]
Next, the hydrogen concentration at the outlet of the fuel cell 10 (hereinafter referred to as hydrogen outlet concentration) is measured by the second hydrogen concentration sensor 36 (step S111), and it is determined whether or not the hydrogen outlet concentration is higher than a predetermined concentration. (Step S112).
[0049]
If the hydrogen outlet concentration is equal to or lower than the predetermined concentration (NO in step S112), the hydrogen pressure control valve 32 is controlled to increase the pressure of hydrogen supplied to the fuel cell 10 (step S113), and the hydrogen outlet concentration is predetermined. If it is higher than the concentration (YES in step S112), the hydrogen pressure control valve 32 is controlled to reduce the pressure of hydrogen supplied to the fuel cell 10 (step S114). By the control of Steps S111 to S114, the hydrogen outlet concentration is always controlled around a predetermined concentration.
[0050]
Next, the hydrogen concentration at the inlet of the fuel cell 10 (hereinafter referred to as hydrogen inlet concentration) is measured by the first hydrogen concentration sensor 35 (step S121), and the hydrogen outlet concentration is again measured by the second hydrogen concentration sensor 36. (Step S122), it is determined whether or not the difference between the hydrogen inlet concentration and the hydrogen outlet concentration is larger than a predetermined concentration difference (Step S123).
[0051]
If the hydrogen inlet / outlet concentration difference is larger than the predetermined concentration difference (YES in step S123), the hydrogen pressure regulating valve 32 is controlled to increase the pressure of hydrogen supplied to the fuel cell 10 (step S124). Uniform distribution of hydrogen concentration in the cell. On the other hand, if the hydrogen inlet / outlet concentration difference is within the predetermined concentration difference (NO in step S123), the pressure of hydrogen supplied to the fuel cell 10 is not changed.
[0052]
By the above control, hydrogen is sufficiently and uniformly supplied to the fuel electrode of the fuel cell 10. Therefore, in order to check the power generation state, the output voltage for each cell is measured (step S131), and it is determined whether or not the output voltages of all the cells are equal to or higher than a predetermined voltage (step S132).
[0053]
If there is a cell whose output voltage is less than the predetermined voltage (NO in step S132), the hydrogen pressure regulating valve 32 is controlled to increase the pressure of hydrogen supplied to the fuel cell 10 (step S133), thereby the cell. Increase the hydrogen concentration inside. On the other hand, if the output voltage of all the cells is equal to or higher than the predetermined voltage (YES in step S132), it is determined that the operation state is normal, and the pressure of hydrogen supplied to the fuel cell 10 is not changed.
[0054]
Next, when the hydrogen pressure is increased in step S133, the output voltage of each cell is measured again (step S141), and it is determined whether or not the output voltages of all the cells have become equal to or higher than a predetermined voltage ( Step S142).
[0055]
If there is still a cell whose output voltage is lower than the predetermined voltage (NO in step S142), the output current of the fuel cell 10 is reduced until the output voltage of all cells becomes equal to or higher than the predetermined voltage (YES in step S44) ( Step S143), the fuel cell 10 is protected. Specifically, the output current of the fuel cell 10 is reduced by controlling the output controller 13 so that the amount of power supplied from the secondary battery 12 to the electric load 11 is increased.
[0056]
On the other hand, if the output voltage of all the cells becomes equal to or higher than the predetermined voltage due to the increase in the hydrogen pressure in step S133 (YES in step S142), the operation state is determined to be quasi-normal, and the fuel cell There is no limit of 10 output currents.
[0057]
According to the present embodiment, since the hydrogen supply amount is adjusted based on the hydrogen concentration, it is possible to prevent a hydrogen-deficient region from occurring in the fuel cell 10. Therefore, it is possible to prevent a decrease in output voltage due to the occurrence of a hydrogen deficient region, and to improve fuel consumption.
[0058]
Further, when the fuel cell system is operated in a state where the hydrogen concentration is locally lowered, the deterioration of the fuel cell 10 is accelerated. However, since the hydrogen deficient region can be prevented from occurring, the deterioration of the fuel cell 10 is prevented or prevented. Can be suppressed.
[0059]
By the way, as a hydrogen supply system, there are a circulation system that circulates hydrogen and a non-circulation system that does not circulate hydrogen as in the present embodiment. In the non-circulation system, hydrogen is supplied to the fuel cell 10 using pressure. It is like that.
[0060]
According to this embodiment, the hydrogen outlet concentration is always controlled in the vicinity of the predetermined concentration, so that the hydrogen supply amount can be minimized, in other words, the hydrogen supply pressure can be reduced as much as possible. Therefore, mechanical breakdown of the electrolyte membrane due to high pressure can be prevented, and increase in the permeation amount of hydrogen to the air electrode side due to high pressure can be prevented.
[0061]
In the present embodiment, the hydrogen supply amount is basically adjusted based on the hydrogen outlet concentration to control the hydrogen outlet concentration in the vicinity of the predetermined concentration. However, the hydrogen supply amount is adjusted based on the hydrogen inlet concentration to adjust the hydrogen supply amount. The inlet concentration may be controlled around a predetermined concentration. Even in this case, hydrogen is sufficiently and uniformly supplied to the fuel electrode of the fuel cell 10 so that a hydrogen-deficient region does not occur in the fuel cell.
[0062]
(Second Embodiment)
3 and 4 show a second embodiment. The first embodiment is a non-circulation system that does not circulate hydrogen, but this embodiment is changed to a circulation system that circulates hydrogen. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same or equivalent part as 1st Embodiment, and the description is abbreviate | omitted.
[0063]
As shown in FIG. 3, the downstream side of the fuel cell 10 in the fuel flow path 30 is connected to the downstream side of the hydrogen pressure regulating valve 32 so that the fuel flow path 30 is configured in a closed loop. Then, hydrogen is circulated so that unused hydrogen in the fuel cell 10 is re-supplied to the fuel cell 10.
[0064]
A hydrogen pump 37 for circulating hydrogen in the fuel flow path 30 is provided on the downstream side of the fuel cell 10 in the fuel flow path 30. The control unit 40 controls the rotation speed of the hydrogen pump 37 to control the hydrogen circulation flow rate, and hence the hydrogen supply amount to the fuel cell 10.
[0065]
FIG. 4 is a flowchart showing a control process executed by the control unit 40. Steps S113, 114, 124, and 133 in the first embodiment are changed.
[0066]
First, when step S112 is NO, the rotation number of the hydrogen pump 37 is increased to increase the circulation flow rate of hydrogen (step S113A). When step S112 is YES, the rotation number of the hydrogen pump 37 is decreased to decrease the circulation rate of hydrogen. (Step S114A), and thereby the hydrogen outlet concentration is always controlled around the predetermined concentration.
[0067]
If step S123 is YES, the rotation speed of the hydrogen pump 37 is increased to increase the hydrogen circulation flow rate (step S124A), thereby achieving a uniform hydrogen concentration distribution in the cell.
[0068]
If step S132 is NO, the rotational speed of the hydrogen pump 37 is increased to increase the hydrogen circulation flow rate (step S133A), thereby increasing the hydrogen concentration in the cell.
[0069]
According to the present embodiment, since the hydrogen supply amount is adjusted based on the hydrogen concentration, it is possible to prevent a hydrogen-deficient region from occurring in the fuel cell 10. Therefore, it is possible to prevent a decrease in output voltage due to the occurrence of a hydrogen deficient region, and to improve fuel consumption.
[0070]
Further, when the fuel cell system is operated in a state where the hydrogen concentration is locally lowered, the deterioration of the fuel cell 10 is accelerated. However, since the hydrogen deficient region can be prevented from occurring, the deterioration of the fuel cell 10 is prevented or prevented. Can be suppressed.
[0071]
Further, the amount of hydrogen circulation can be minimized, and the device for circulating hydrogen, that is, the hydrogen pump 37 can be reduced in size and power reduced.
[0072]
In the present embodiment, the hydrogen circulation flow rate and thus the hydrogen supply amount to the fuel cell 10 are controlled by controlling the rotation speed of the hydrogen pump 37, but the rotation speed of the hydrogen pump 37 and the hydrogen by the hydrogen pressure regulating valve 32 are controlled. The hydrogen supply amount to the fuel cell 10 may be controlled by controlling the supply pressure, or the hydrogen supply amount to the fuel cell 10 may be controlled only by controlling the hydrogen supply pressure by the hydrogen pressure regulating valve 32. May be. Accordingly, the hydrogen pressure regulating valve 32 and the hydrogen pump 37 correspond to the fuel amount adjusting means of the present invention.
[0073]
In this embodiment, the hydrogen pump 37 is used as a device for circulating hydrogen, but an ejector may be used instead of the hydrogen pump 37.
[0074]
(Third embodiment)
FIG. 5 shows the configuration of the main part of the fuel cell system according to the third embodiment. A manifold for distributing and collecting air and hydrogen in the fuel cell system of the first embodiment or the fuel cell system of the second embodiment. Is added. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same or equivalent part as 1st, 2nd embodiment, and the description is abbreviate | omitted.
[0075]
As shown in FIG. 5, manifolds 51, 52, 61, and 62 are provided at the air inlet / outlet portion and the hydrogen inlet / outlet portion of the fuel cell 10.
[0076]
The air supplied through the air flow path 20 is distributed from the air inlet manifold 51 to the air electrode of each cell, and after passing through each cell, is gathered in the air outlet manifold 52. Further, the hydrogen supplied through the fuel flow path 30 is distributed from the hydrogen inlet manifold 61 to the fuel electrode of each cell, and after passing through each cell, is collected in the hydrogen outlet manifold 62.
[0077]
Here, the volumes of the manifolds 51, 52, 61, 62 are set so as not to cause variations in pressure distribution between cells. Incidentally, since the variation in pressure distribution tends to be particularly large at the maximum output of the fuel cell 10, the volume of each manifold 51, 52, 61, 62 is set so that the variation in pressure distribution at the maximum output falls within a predetermined range. That's fine.
[0078]
Thus, by providing the manifolds 51, 52, 61, 62 to reduce the variation in the pressure distribution between the cells, the hydrogen concentration distribution between the cells can be made more uniform.
[0079]
(Fourth embodiment)
FIG. 6 shows the configuration of the main part of the fuel cell system according to the fourth embodiment, in which a number of pressure sensors are added to the fuel cell system of the third embodiment. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same or equivalent part as 1st-3rd embodiment, and the description is abbreviate | omitted.
[0080]
As shown in FIG. 6, a plurality of pressure sensors 71, 72, 81, 82 for outputting electrical signals corresponding to the pressures in the manifolds 51, 52, 61, 62 are provided for each manifold 51, 52, 61, 62. (4 in this example) are provided.
[0081]
Specifically, the pressure at four locations in the air inlet manifold 51 is detected by the air inlet pressure sensor 71, the pressure at four locations in the air outlet manifold 52 is detected by the air outlet pressure sensor 72, and the hydrogen inlet pressure is detected. The sensor 81 detects the pressure at four locations in the hydrogen inlet manifold 61, and the hydrogen outlet pressure sensor 82 detects the pressure at four locations in the hydrogen outlet manifold 62.
[0082]
Next, the main part of the control process executed in the present embodiment will be described with reference to FIG.
[0083]
First, four pressures in the hydrogen outlet manifold 62 (hereinafter referred to as hydrogen outlet pressure) are measured by the hydrogen outlet pressure sensor 82 (step S201).
[0084]
If the lowest hydrogen outlet pressure among the four hydrogen outlet pressures is equal to or lower than the set pressure (YES in step S202), hydrogen supplied to the fuel cell 10 is controlled by controlling the hydrogen pressure regulating valve 32 (see FIG. 1). (Step S203), if all of the four hydrogen outlet pressures are higher than the set pressure (NO in step S202), the hydrogen pressure supplied to the fuel cell 10 is controlled by controlling the hydrogen pressure regulating valve 32. Is decreased (step S204). By this control, the hydrogen outlet pressure is always controlled around the set pressure.
[0085]
Thus, by controlling the hydrogen supply pressure based on the pressure measurement results at four locations in the hydrogen outlet manifold 62, the variation in the pressure distribution in the hydrogen outlet manifold 62 is reduced, and the distribution of the hydrogen concentration between cells is reduced. It can be made even more uniform.
[0086]
In this embodiment, the hydrogen supply pressure is controlled based on the pressure measurement results at four locations in the hydrogen outlet manifold 62. However, the hydrogen supply is based on the measurement results of the hydrogen outlet concentrations at a plurality of locations in the hydrogen outlet manifold 62. The pressure may be controlled. In this embodiment, the hydrogen supply pressure is controlled, but the hydrogen circulation flow rate may be controlled.
[0087]
(Other embodiments)
In the above embodiment, the hydrogen cylinder 31 filled with hydrogen gas is used as the fuel gas supply means for supplying the fuel gas to the fuel cell 10, but the liquid hydrogen tank filled with liquid hydrogen, the hydrogen by the reforming reaction, A reforming device to be produced or a hydrogen storage tank containing a hydrogen storage material such as a hydrogen storage alloy and storing pure hydrogen can be used as the fuel gas supply means. In the case of a liquid hydrogen tank or a storage hydrogen tank, the pressure of hydrogen supplied to the fuel cell 10 is controlled by the hydrogen pressure regulating valve 32 or the temperature control of the tank.
[0088]
In the first to third embodiments, the hydrogen concentration sensors 35 and 36 for directly detecting the hydrogen concentration are used as the hydrogen concentration measuring means for measuring the hydrogen concentration. However, the pressure and hydrogen concentration of the hydrogen supplied to the fuel cell 10 are used. Therefore, hydrogen pressure sensors 81 and 82 for detecting the hydrogen supply pressure may be used as the hydrogen concentration measuring means.
[0089]
Of course, the hydrogen concentration sensors 35 and 36 may be disposed inside the fuel cell 10.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an overall configuration of a fuel cell system according to a first embodiment.
FIG. 2 is a flowchart showing a control process executed by the control unit 40 of FIG.
FIG. 3 is a diagram showing an overall configuration of a fuel cell system according to a second embodiment.
4 is a flowchart showing a control process executed by the control unit 40 of FIG.
FIG. 5 is a diagram showing a main configuration of a fuel cell system according to a third embodiment.
FIG. 6 is a diagram showing a main configuration of a fuel cell system according to a fourth embodiment.
FIG. 7 is a flowchart showing a main part of a control process executed in the fourth embodiment.
[Explanation of symbols]
10 ... Fuel cell, 21 ... Air pump (oxidizing gas supply means),
31 ... Hydrogen cylinder (fuel gas supply means),
36 ... Hydrogen concentration sensor (hydrogen concentration measuring means),
32 ... Hydrogen pressure regulating valve (fuel amount adjusting means),
34 ... Hydrogen outlet flow rate adjusting valve (fuel amount adjusting means),
37 ... Hydrogen pump (fuel amount adjusting means), 40 ... Control section (control means).

Claims

A fuel cell (10) for generating electric energy by electrochemically reacting an oxidizing gas mainly composed of oxygen and a fuel gas mainly composed of hydrogen in a number of cells;
An oxidizing gas supply means (21) for supplying the oxidizing gas to the fuel cell (10);
Fuel gas supply means (31) for supplying the fuel gas to the fuel cell (10);
Hydrogen concentration measuring means (36, 82) for measuring a hydrogen concentration of the fuel gas supplied to the fuel cell (10) related to the fuel cell (10);
Fuel amount adjusting means (32, 34, 37) for adjusting the supply amount of the fuel gas to the fuel cell (10);
Wherein said control means (40) for controlling the operation of hydrogen the fuel quantity adjusting means on the basis of the concentration (32,34,37) and have a,
A plurality of the hydrogen concentration measuring means (36, 82) are provided at the outlet of the fuel gas in the fuel cell (10),
The control means (40) estimates distribution variation of the fuel gas to the plurality of cells based on the concentration difference of the hydrogen concentration measured by the plurality of hydrogen concentration measuring means (36, 82). A fuel cell system.

The fuel cell system according to claim 1, wherein the control means (40) controls the operation of the fuel amount adjusting means (32, 34, 37) so that the hydrogen concentration falls within a predetermined range.

The control means (40) is configured to adjust the fuel amount adjusting means (32, 34, 37) so that the supply amount of the fuel gas to the fuel cell (10) increases when the hydrogen concentration is equal to or lower than a predetermined value. The fuel cell system according to claim 1, wherein the operation of the fuel cell system is controlled.

The control means (40) is configured to adjust the fuel amount adjustment means (32, 34, 37) so that the supply amount of the fuel gas to the fuel cell (10) decreases when the hydrogen concentration is equal to or higher than a predetermined value. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein the operation of the fuel cell system is controlled.

The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4 , wherein the hydrogen concentration measuring means (36, 82) is provided inside the fuel cell (10).

The control means (40) operates the fuel amount adjusting means (32, 34, 37) based on the concentration difference between the hydrogen concentrations measured by the plurality of hydrogen concentration measuring means (36, 82). The fuel cell system according to claim 5 , wherein the fuel cell system is controlled.

The control means (40) is configured to adjust the fuel amount adjusting means (32, 34, 37) so that the concentration difference between the hydrogen concentrations measured by the plurality of hydrogen concentration measuring means (36, 82) is within a predetermined range. The fuel cell system according to claim 5 , wherein the operation of the fuel cell system is controlled.

The hydrogen concentration measuring unit is a fuel cell system according to any one of claims 1 to 7, characterized in that a hydrogen concentration sensor for outputting an electric signal corresponding to the hydrogen concentration (36).

The fuel cell system according to any one of claims 1 to 7 , wherein the hydrogen concentration measuring means is a pressure sensor (82) that outputs an electrical signal corresponding to the pressure of the fuel gas.

The fuel cell system according to any one of claims 1 to 9 , wherein when the output voltage of the cell does not recover to a predetermined value, the output current value of the fuel cell (10) is reduced.

The fuel according to any one of claims 1 to 10, wherein the hydrogen concentration measuring means (35, 81) is also provided at an inlet of the fuel gas in the fuel cell (10). Battery system.

Said fuel regulating means (32,34,37) is any one of claims 1 to 11, characterized in that for adjusting the flow rate of the fuel gas discharged from the outlet of the fuel cell (10) The fuel cell system described in 1.

The fuel adjusting means (32, 34, 37) adjusts a circulation amount of exhaust fuel gas discharged from the outlet side of the fuel cell (10) to the fuel cell (10) inlet side. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 11 .