JP4678132B2 - Fuel cell system - Google Patents

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Description

本発明は、水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system that generates power by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen.

水素と酸素との電気化学反応を利用して発電する燃料電池の一例としては、固体高分子型燃料電池がある。この固体高分子型燃料電池は、複数のセルを積層することで構成されたスタックを備えている。スタックを構成するセルは、アノード(燃料極)とカソード(空気極)とを備えており、これらのアノードとカソードとの間には、イオン交換基としてスルフォン酸基を有する固体高分子電解質膜が介在している。   An example of a fuel cell that generates electricity using an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen is a polymer electrolyte fuel cell. This polymer electrolyte fuel cell includes a stack constituted by stacking a plurality of cells. The cell constituting the stack includes an anode (fuel electrode) and a cathode (air electrode), and a solid polymer electrolyte membrane having a sulfonic acid group as an ion exchange group is interposed between the anode and the cathode. Intervene.

アノードには燃料ガス(水素ガス又は炭化水素を改質して水素リッチにした改質水素)を含む燃料ガスが供給され、カソードには酸化剤として酸素を含むガス、一例として空気が供給される。アノードに燃料ガスが供給されることで、燃料ガスに含まれる水素がアノードを構成する触媒層の触媒と反応し、これによって水素イオンが発生される。発生した水素イオンは固体高分子電解質膜を通過して、カソードで酸素と電気化学反応を起す。この電気化学反応により発電される構成となっている。   A fuel gas containing a fuel gas (hydrogen gas or reformed hydrogen made by reforming hydrocarbons to be hydrogen rich) is supplied to the anode, and a gas containing oxygen as an oxidant, for example, air is supplied to the cathode. . By supplying the fuel gas to the anode, hydrogen contained in the fuel gas reacts with the catalyst of the catalyst layer constituting the anode, thereby generating hydrogen ions. The generated hydrogen ions pass through the solid polymer electrolyte membrane and cause an electrochemical reaction with oxygen at the cathode. It has a configuration in which power is generated by this electrochemical reaction.

ところで、固体高分子電解質膜の機能としては、良好に水素イオンを通過させることである。したがって、導電率は極力高いことが望まれる。このように、固体高分子電解質膜の導電率を向上させるため、供給するガスを加湿して固体高分子電解質膜に水分を含ませ、固体高分子電解質膜の乾燥を防止している。   By the way, the function of the solid polymer electrolyte membrane is to pass hydrogen ions well. Therefore, it is desirable that the conductivity is as high as possible. As described above, in order to improve the electrical conductivity of the solid polymer electrolyte membrane, the supplied gas is humidified to include moisture in the solid polymer electrolyte membrane, thereby preventing the solid polymer electrolyte membrane from drying.

一方で、アノードやカソード等の電極は、触媒層とガス拡散層とにより構成されている。さらに、触媒層は白金(プラチナ:Pt)等の触媒を担持した触媒担持炭素と電解質とが適度に混ざり合ったマトリックスになっており、炭素に担持された触媒と電解質の界面との間で電気化学反応が行なわれる。   On the other hand, electrodes such as an anode and a cathode are composed of a catalyst layer and a gas diffusion layer. Furthermore, the catalyst layer is a matrix in which a catalyst-carrying carbon carrying a catalyst such as platinum (platinum: Pt) and an electrolyte are appropriately mixed, and an electric current is generated between the catalyst supported on the carbon and the electrolyte interface. A chemical reaction takes place.

したがって、触媒と電解質の界面との間に反応ガスを供給するための供給路、すなわち、ガスチャンネルを確保しなくてはならない。ところで、燃料電池は水素と酸素との電気化学反応で発電する構造であるため、この電気化学反応では水が生成される。ここで、このように電気化学反応(すなわち、発電)に伴う生成水の生成量が過剰であると、ガスチャンネルであるところの触媒層中の空隙が生成水で埋まってしまい、反応ガスの流通が妨げられると言う問題がある。   Therefore, a supply path for supplying a reaction gas, that is, a gas channel, must be secured between the catalyst and the electrolyte interface. By the way, since the fuel cell has a structure that generates electricity by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, water is generated by this electrochemical reaction. Here, if the amount of produced water generated in this way due to electrochemical reaction (that is, power generation) is excessive, voids in the catalyst layer, which is a gas channel, are filled with the produced water, and the reaction gas flows. There is a problem that is disturbed.

このように、固体高分子電解質膜に含水させるためには加湿を行なわなければならないが、その一方で、ガスチャンネルを確保するためには生成水の排水を行なわなければならない。このため、燃料電池システムのスタック内の水分量を高い精度で検出しなくてはならない。   As described above, humidification must be performed in order to allow the solid polymer electrolyte membrane to contain water. On the other hand, in order to secure a gas channel, generated water must be drained. For this reason, the amount of water in the stack of the fuel cell system must be detected with high accuracy.

このような燃料電池システムのスタック内の水分量の検出するため、例えば、下記特許文献1では、スタックに供給する空気の水分量と、スタックから排出される空気の水分量と、及びスタックにおいて発電量に基づく生成水量と、から算出している。   In order to detect the moisture content in the stack of such a fuel cell system, for example, in Patent Document 1 below, the moisture content of air supplied to the stack, the moisture content of air discharged from the stack, and power generation in the stack It is calculated from the amount of produced water based on the amount.

ここで、この特許文献1に開示されている技術では、スタック内に供給される空気の水分量を、湿度センサによる空気の湿度の検出結果に基づいて算出している。湿度センサは水分が凝固している場合、この凝固した水分に関しては湿度センサで検出することができない。   Here, in the technique disclosed in Patent Document 1, the moisture content of the air supplied into the stack is calculated based on the detection result of the humidity of the air by the humidity sensor. When moisture is coagulated in the humidity sensor, the moisture sensor cannot detect the coagulated moisture.

このため、湿度センサでの検出結果に基づく水分変化量の計算結果は信頼性が低く、スタック内の水分変化量を正確に算出することができない。   For this reason, the calculation result of the moisture change amount based on the detection result of the humidity sensor has low reliability, and the moisture change amount in the stack cannot be accurately calculated.

一方、下記特許文献2では、スタックから排出された空気の温度、圧力、及び流量から、スタックから排出された空気の飽和蒸気圧を算出し、スタックでの発電量に基づき算出された生成水分量と飽和蒸気圧との比率を水量制御比として算出している。さらに、特許文献2では、上記のようにして算出された水量制御比が所定の範囲にとなるように燃料電池システムを運転することで、空気の加湿を廃することができるとしている。   On the other hand, in the following Patent Document 2, the saturated vapor pressure of the air discharged from the stack is calculated from the temperature, pressure, and flow rate of the air discharged from the stack, and the generated moisture amount calculated based on the power generation amount in the stack The ratio between the saturated vapor pressure and the water vapor control ratio is calculated. Furthermore, Patent Document 2 states that air humidification can be eliminated by operating the fuel cell system so that the water amount control ratio calculated as described above falls within a predetermined range.

すなわち、上記の水量制御比は、電気化学反応により生成された生成水の量に対して、排出された水蒸気の量がどれだけであるかを示すものである。しかしながら、特許文献2では算出される水蒸気量は、あくまでも飽和水蒸気量である。このため、水蒸気量が飽和していないと、算出した水蒸気量と実際の水蒸気量との間に大きな誤差が生じる。このため、このような特許文献2に開示された技術に基づいて算出したスタック内の水分変化量は信頼性が低く、スタック内の水分変化量を正確に算出することができない。
特開2003−17104公報 特開2001−256988公報
That is, the water amount control ratio indicates how much water vapor is discharged with respect to the amount of water produced by the electrochemical reaction. However, in Patent Document 2, the calculated water vapor amount is a saturated water vapor amount to the last. For this reason, if the amount of water vapor is not saturated, a large error occurs between the calculated amount of water vapor and the actual amount of water vapor. For this reason, the moisture change amount in the stack calculated based on the technique disclosed in Patent Document 2 has low reliability, and the moisture change amount in the stack cannot be accurately calculated.
JP 2003-17104 A Japanese Patent Laid-Open No. 2001-256888

本発明は、上記事実を考慮して、燃料電池スタック内の水分量を精度良く正確に得ることができる燃料電池システムを得ることが目的である。   In view of the above facts, an object of the present invention is to obtain a fuel cell system capable of accurately and accurately obtaining the water content in the fuel cell stack.

請求項1に記載の本発明に係る燃料電池システムは、固体高分子を含めて構成された電解質膜を介してアノード及びカソードが対向配置され、アノード側スタック入口から水素を含む燃料ガスを前記アノード側に供給すると共に、カソード側スタック入口から酸素を含む酸化ガスを前記カソード側に供給することにより電気化学反応で発電する燃料電池スタックを含めて構成した燃料電池システムであって、前記燃料電池スタックにおける水素イオンと電子と酸素との電気化学反応により生成された生成水の量が、前記燃料電池スタックで発電した電気の電流量に比例する関係にあることから、前記生成水量を前記電流量に基づき推定すると共に、前記燃料電池スタックに供給された前記酸化ガスのうち前記電気化学反応で消費された酸素の量である消費酸素量が、前記燃料電池スタックで発電した電気の電流量に比例する関係にあることから、前記消費酸素量を前記電流量に基づいて推定し、前記生成水のうち前記酸化ガスと共に前記燃料電池スタックから水蒸気として排出されるカソード側の排出水蒸気の量を、前記燃料電池スタックからの前記酸化ガスの排出量と前記消費酸素量とを加えた値と前記燃料電池スタックに供給された前記酸化ガスの供給量との差異から推定し、前記生成水の量と前記カソード側の排出水蒸気量との差異を前記燃料電池スタック内に残留した水分量として前記燃料電池スタック内における水分の変化量を推定する水分変化量推定手段を備える、ことを特徴としている。 In the fuel cell system according to the first aspect of the present invention, an anode and a cathode are arranged to face each other through an electrolyte membrane including a solid polymer, and a fuel gas containing hydrogen is supplied to the anode from an anode side stack inlet. A fuel cell system including a fuel cell stack configured to supply power to the cathode side and generate an electric power by an electrochemical reaction by supplying an oxidizing gas containing oxygen from the cathode side stack inlet to the cathode side, The amount of produced water generated by the electrochemical reaction of hydrogen ions, electrons and oxygen in the battery is proportional to the amount of electric current generated by the fuel cell stack. Of the oxygen consumed in the electrochemical reaction out of the oxidizing gas supplied to the fuel cell stack. Therefore, the consumed oxygen amount is estimated based on the current amount, together with the oxidizing gas in the generated water. The amount of water vapor on the cathode side discharged as water vapor from the fuel cell stack is added to the value obtained by adding the amount of oxygen gas discharged from the fuel cell stack and the amount of oxygen consumed and supplied to the fuel cell stack. Estimated from the difference between the supply amount of the oxidizing gas and the difference between the amount of generated water and the amount of water vapor discharged on the cathode side as the amount of water remaining in the fuel cell stack, the change in moisture in the fuel cell stack It is characterized by comprising a moisture change amount estimating means for estimating the amount.

請求項1に記載の本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池スタックのアノード側に水素を含む燃料ガスが供給され、燃料電池スタックのカソード側に酸素を含む酸化ガス(酸化剤)が供給される。アノード側では電気化学反応により水素分子が水素イオンと電子が分解され、水素イオンは電解質膜を透過してカソード側へ移動する。一方、電子は外部回路を介して負荷へ向かう。   According to the fuel cell system of the present invention, the fuel gas containing hydrogen is supplied to the anode side of the fuel cell stack, and the oxidizing gas (oxidant) containing oxygen is supplied to the cathode side of the fuel cell stack. Supplied. On the anode side, hydrogen molecules are decomposed into hydrogen ions and electrons by electrochemical reaction, and the hydrogen ions permeate the electrolyte membrane and move to the cathode side. On the other hand, the electrons go to the load via an external circuit.

カソード側では、カソードに供給された酸化ガス中の酸素分子と、電解質膜を透過した水素イオンと、負荷からの電子とで電気化学反応が生じて水が生成される(以下、この水を「生成水」と称する)。このように、アノード側とカソード側とで生じる電気化学反応で電子が負荷へと向かうことにより電流が生じ、これにより、発電がなされる。   On the cathode side, water is produced by an electrochemical reaction between oxygen molecules in the oxidizing gas supplied to the cathode, hydrogen ions that have passed through the electrolyte membrane, and electrons from the load (hereinafter, this water is referred to as “ Product water "). In this way, an electric current is generated by electrons traveling to the load by an electrochemical reaction that occurs on the anode side and the cathode side, thereby generating electric power.

ところで、上記のように水素イオンと電子と酸化ガス中の酸素との電気化学反応により水(生成水)が生成されることから、基本的に生成水の量は発電量(電流値)に比例しており、このため発電量(電流値)に基づいて生成水量を算出できる。 By the way, water (product water) is generated by the electrochemical reaction between hydrogen ions, electrons and oxygen in the oxidizing gas as described above, so the amount of produced water is basically proportional to the power generation amount (current value). Therefore, the amount of generated water can be calculated based on the power generation amount (current value) .

また、燃料電池スタックから排出された酸化ガスに含まれる水蒸気の量は、燃料電池スタックから排出される酸化ガスの量燃料電池スタック内にて消費された酸素(すなわち、上記の電気化学反応に供された酸素)の量を加えた値と、燃料電池スタックに供給される酸化ガスの量との差異として算出できる。 Further, the amount of water vapor contained in the oxidizing gas discharged from the fuel cell stack is equal to the amount of oxidizing gas discharged from the fuel cell stack, that is, oxygen consumed in the fuel cell stack (that is, the above electrochemical reaction). It can be calculated as the difference between the value obtained by adding the amount of oxygen provided) and the amount of oxidizing gas supplied to the fuel cell stack .

上記の生成水が全て水蒸気となって酸化ガスと共に燃料電池スタックから排出されるのであれば、生成水量と排出水蒸気量とは一致する筈である。したがって、排出水蒸気量と生成水量との差異は、燃料電池スタック内に残留した水分量と考えることができる。   If all the generated water is converted into water vapor and discharged from the fuel cell stack together with the oxidizing gas, the amount of generated water and the amount of discharged water vapor should match. Therefore, the difference between the discharged water vapor amount and the generated water amount can be considered as the water amount remaining in the fuel cell stack.

ここで、本発明に係る燃料電池システムは水分変化量推定手段を備えており、水分変化量推定手段では、燃料電池スタックでの発電量に基づき生成水量が算出される。さらに、燃料電池スタック内での消費酸素量は、電気化学反応に供された酸素量であるため、水分変化量推定手段では燃料電池スタックでの発電量に比例しており、このため発電量(電流値)に基づいて消費酸素量が算出される。このようにして算出された生成水量と消費酸素量、更に、燃料電池スタックに供給された酸化ガスの量と燃料電池スタックから排出された酸化ガスの量とに基づいて水分変化量推定手段では、燃料電池スタック内における水分量の変化が推定される。 Here, the fuel cell system according to the present invention includes a moisture change amount estimating means, and the moisture change amount estimating means calculates the generated water amount based on the power generation amount in the fuel cell stack. Furthermore, since the amount of oxygen consumed in the fuel cell stack is the amount of oxygen supplied to the electrochemical reaction, the moisture change estimation means is proportional to the amount of power generated in the fuel cell stack, and thus the amount of power generated ( The amount of oxygen consumed is calculated based on the current value . Based on the amount of generated water and the amount of oxygen consumed thus calculated, and the amount of oxidizing gas supplied to the fuel cell stack and the amount of oxidizing gas discharged from the fuel cell stack, A change in the amount of water in the fuel cell stack is estimated.

このようにして得られた水分変化量は外気の湿度や水分凝固の影響を受けないため、酸化ガス中の湿度を検出する湿度センサでの検出結果に基づく水分変化量に比べて精度が高い。このため、このような水分変化量の推定値に基づいて燃料電池システムを制御することで、アノードやカソードを構成する触媒層やガス拡散層のガスチャンネルが水分に埋められることや、電解質膜の乾燥と言った不具合の発生を効果的に防止又は抑制でき、本燃料電池システムの発電効率や信頼性を向上できる。   Since the moisture change amount obtained in this way is not affected by the humidity of the outside air or moisture coagulation, the accuracy is higher than the moisture change amount based on the detection result of the humidity sensor that detects the humidity in the oxidizing gas. For this reason, by controlling the fuel cell system based on the estimated value of the amount of moisture change, the gas channels of the catalyst layer and the gas diffusion layer constituting the anode and the cathode are filled with moisture, and the electrolyte membrane Generation | occurrence | production of the malfunction called drying can be prevented or suppressed effectively, and the electric power generation efficiency and reliability of this fuel cell system can be improved.

請求項2に記載の本発明に係る燃料電池システムは、請求項1に記載の本発明において、前記水分変化量推定手段は、前記生成水量をWp、前記消費酸素量をOe、前記燃料電池スタックに供給された酸化ガス量をAs、及び前記燃料電池スタックから排出された酸化ガス量をGsとした場合、前記燃料電池スタック内の水分の変化量Wcを、Wc=As−Gs+Wp−Oeの式に基づいて計算する、ことを特徴としている。 Fuel cell system according to the present invention described in claim 2 is the invention according to claim 1, wherein the moisture variation estimating means, a pre-Symbol water quantity Wp, said consumption acid quantal Oe, the Assuming that the amount of oxidizing gas supplied to the fuel cell stack is As and the amount of oxidizing gas discharged from the fuel cell stack is Gs, the amount of change in water Wc in the fuel cell stack is Wc = As−Gs + Wp−. The calculation is based on the equation of Oe.

請求項2に記載の本発明に係る燃料電池システムによれば、水分変化量推定手段において燃料電池スタックで発電した電気の電流量に基づき電気化学反応にて生じた生成水量と、電気化学反応にて消費された酸化ガス中の酸素量(以下、この酸素量を、便宜上、「消費酸素量」と称する)が算出される。   According to the fuel cell system of the present invention as set forth in claim 2, the amount of water produced in the electrochemical reaction based on the amount of electricity generated by the fuel cell stack in the moisture change amount estimation means, and the electrochemical reaction Thus, the amount of oxygen in the oxidizing gas consumed (hereinafter, this amount of oxygen is referred to as “the amount of consumed oxygen” for convenience) is calculated.

さらに、水分変化量推定手段では、生成水量をWp、消費酸素量をOe、燃料電池スタックに供給される酸化ガス量をAs、燃料電池スタックから排出された酸化ガス量をGsとした場合、燃料電池スタック内の水分変化量Wcが、
Wc=As−Gs+Wp−Oe
の式に基づいて算出される。
Further, in the moisture change amount estimation means, when the generated water amount is Wp, the consumed oxygen amount is Oe, the oxidizing gas amount supplied to the fuel cell stack is As, and the oxidizing gas amount discharged from the fuel cell stack is Gs, The amount of water change Wc in the battery stack is
Wc = As−Gs + Wp−Oe
It is calculated based on the following formula.

このように、本発明に係る燃料電池システムでは、燃料電池スタック内の水分変化量を外気の湿度や水分凝固の影響を受けることなく、発電により生じた電流値と、燃料電池スタックに供給された酸化ガスの量と、燃料電池スタックから排出された酸化ガスの量とに基づき、燃料電池スタック内の水分変化量を求めることができる。   As described above, in the fuel cell system according to the present invention, the amount of water change in the fuel cell stack is supplied to the fuel cell stack with the current value generated by power generation without being affected by the humidity of the outside air or moisture coagulation. Based on the amount of oxidizing gas and the amount of oxidizing gas discharged from the fuel cell stack, the amount of moisture change in the fuel cell stack can be determined.

請求項3に記載の本発明に係る燃料電池システムは、請求項1に記載の本発明において、前記燃料電池スタックに供給された前記燃料ガスのうち前記電気化学反応で消費された水素の量である消費水素量が、前記燃料電池スタックで発電した電気の電流量に比例する関係にあることから、前記消費水素量を前記電流量に基づいて推定し、前記生成水のうち前記燃料ガスと共に前記燃料電池スタックから水蒸気として排出されるアノード側の排出水蒸気の量を、前記燃料電池スタックからの前記燃料ガスの排出量と前記消費水素量とを加えた値と前記燃料電池スタックに供給された前記燃料ガスの供給量との差異から推定し、前記生成水量と前記カソード側の排出水蒸気の量と前記アノード側の排出水蒸気の量とから前記水分変化量推定手段が前記燃料電池スタック内における水分の変化量を推定する、ことを特徴としている。 A fuel cell system according to a third aspect of the present invention is the fuel cell system according to the first aspect of the present invention , wherein the amount of hydrogen consumed in the electrochemical reaction in the fuel gas supplied to the fuel cell stack. Since a certain amount of consumed hydrogen is proportional to the amount of electric current generated by the fuel cell stack, the amount of consumed hydrogen is estimated based on the amount of current, and the fuel gas and the fuel gas are included in the generated water. The amount of water vapor discharged on the anode side discharged as water vapor from the fuel cell stack, the value obtained by adding the amount of the fuel gas discharged from the fuel cell stack and the amount of hydrogen consumption, and the fuel cell stack supplied to the fuel cell stack estimated from the difference between the supply amount of the fuel gas, the amount and the anode side the water variation estimating means from the amount of exhaust steam of the exhaust steam of the cathode side and the amount of produced water Estimating an amount of change water in a serial fuel cell stack is characterized in that.

請求項3に記載の本発明に係る燃料電池システムでは、上記のように水素イオンと電子と酸化ガス中の酸素との電気化学反応にて燃料ガスの水素が消費されることから、基本的に消費水素量は発電量(電流値)に比例しており、このため発電量(電流値)に基づいて消費水素量算出できる。 In the fuel cell system according to the third aspect of the present invention, since hydrogen in the fuel gas is consumed by the electrochemical reaction between hydrogen ions, electrons and oxygen in the oxidizing gas as described above, basically, The amount of hydrogen consumed is proportional to the amount of power generation (current value), and therefore the amount of hydrogen consumption can be calculated based on the amount of power generation (current value).

一方で、燃料電池スタックから排出された燃料ガスに生成水の水蒸気が含まれているとすれば、この燃料ガスに含まれる水蒸気の量は、燃料電池スタックから排出された燃料ガスの量に燃料電池スタック内にて消費された水素(すなわち、上記の電気化学反応に供された水素)の量を加えた値から燃料電池スタックに供給される燃料ガスの量を差異を差し引くことで算出できる。  On the other hand, if the fuel gas discharged from the fuel cell stack contains water vapor of the generated water, the amount of water vapor contained in the fuel gas is equal to the amount of fuel gas discharged from the fuel cell stack. It can be calculated by subtracting the difference in the amount of fuel gas supplied to the fuel cell stack from the value obtained by adding the amount of hydrogen consumed in the cell stack (that is, hydrogen supplied to the electrochemical reaction).

ここで、本発明に係る燃料電池システムの水分変化量推定手段では、生成水量、消費酸素量に加えて消費水素量が算出される。さらに、水分変化量推定手段では、算出した生成水量、消費酸素量、消費水素量、更に、燃料電池スタックに供給された酸化ガス及び燃料ガスの量と燃料電池スタックから排出された酸化ガス及び燃料ガスの量とに基づいて燃料電池スタック内における水分量の変化が推定される。   Here, in the moisture change amount estimation means of the fuel cell system according to the present invention, the amount of hydrogen consumed is calculated in addition to the amount of generated water and the amount of oxygen consumed. Further, the moisture change amount estimation means calculates the amount of generated water, the amount of oxygen consumed, the amount of hydrogen consumed, the amount of oxidizing gas and fuel gas supplied to the fuel cell stack, and the oxidizing gas and fuel discharged from the fuel cell stack. A change in the amount of water in the fuel cell stack is estimated based on the amount of gas.

このように、本発明に係る燃料電池システムでは、酸化ガスが供給される燃料電池スタックのカソード側のみならず燃料電池スタックのアノード側における水素の消費量や燃料ガスの供給、排出量を加味して水分変化量が推定される。このため、仮に、生成水が全て水蒸気となっても、その全てが酸化ガスと共に燃料電池スタックから排出されず、一部が燃料ガスと共に排出されるような条件下であっても、推定した燃料電池スタック内における水分量の変化の信頼性を高めることできる。   Thus, in the fuel cell system according to the present invention, the consumption of hydrogen and the supply and discharge of fuel gas are taken into account not only on the cathode side of the fuel cell stack to which the oxidizing gas is supplied but also on the anode side of the fuel cell stack. Thus, the amount of moisture change is estimated. For this reason, even if all the generated water becomes water vapor, even if the conditions are such that all of the generated water is not discharged from the fuel cell stack together with the oxidizing gas, and a part is discharged together with the fuel gas, the estimated fuel The reliability of the change in the amount of moisture in the battery stack can be increased.

請求項4に記載の本発明に係る燃料電池システムは、請求項1乃至請求項3の何れか1項に記載の本発明において、前記燃料電池スタックに供給する酸化ガスの流路である供給路と前記燃料電池スタックから排出された酸化ガスの流路である排気路とを接続し、前記燃料電池スタックから排出された酸化ガスを前記供給路に供給可能にすると共に、前記供給路の前記排気路との接続部分よりも前記燃料電池スタック側に前記供給路の酸化ガスを前記燃料電池スタックに供給する酸化ガス供給手段を備え、更に、前記酸化ガス供給手段の駆動力の大きさから前記水分変化量推定手段が前記燃料電池スタックへの前記酸化ガスの供給量を算出する、ことを特徴としている。 A fuel cell system according to a fourth aspect of the present invention is the fuel cell system according to any one of the first to third aspects, wherein the supply channel is a flow path of an oxidizing gas supplied to the fuel cell stack. And an exhaust path that is a flow path of the oxidizing gas discharged from the fuel cell stack, the oxidizing gas discharged from the fuel cell stack can be supplied to the supply path, and the exhaust of the supply path An oxidizing gas supply means for supplying the oxidizing gas in the supply path to the fuel cell stack on the fuel cell stack side of the connection portion with the path, and further, the moisture from the magnitude of the driving force of the oxidizing gas supply means The change amount estimating means calculates the supply amount of the oxidizing gas to the fuel cell stack.

請求項4に記載の本発明に係る燃料電池システムでは、酸化ガスを燃料電池スタックに供給する流路である供給路と、燃料電池スタックから排出された酸化ガスが通過する流路である排気路とが接続される。したがって、燃料電池スタックから排出された酸化ガスが供給路に流れ込むことで、供給路には新たに吸入した酸化ガスと燃料電池スタックから排出された酸化ガスとの混合気が通過し、この混合気が燃料電池スタックに供給される。   In the fuel cell system according to the fourth aspect of the present invention, a supply path that is a flow path for supplying oxidizing gas to the fuel cell stack, and an exhaust path that is a flow path for passing the oxidizing gas discharged from the fuel cell stack. And are connected. Therefore, when the oxidizing gas discharged from the fuel cell stack flows into the supply path, a mixture of the newly sucked oxidizing gas and the oxidizing gas discharged from the fuel cell stack passes through the supply path. Is supplied to the fuel cell stack.

燃料電池スタックから排出された酸化ガスには、燃料電池スタック内での電気化学反応で生じた生成水が含まれため、供給路にて新たに吸入した酸化ガスに比べて水分の含有率が高い。このため、混合気は新たに吸入した酸化ガスよりも湿度が高くなり、この混合気を燃料電池スタックに供給することで、特別な制御を必要とする加湿器等を用いなくても電解質膜の乾燥が効果的に防止又は抑制される。   The oxidizing gas discharged from the fuel cell stack contains the water produced by the electrochemical reaction in the fuel cell stack, so the moisture content is higher than the oxidizing gas newly sucked in the supply channel. . For this reason, the air-fuel mixture has a higher humidity than the newly sucked oxidant gas. By supplying this air-fuel mixture to the fuel cell stack, the electrolyte membrane can be removed without using a humidifier or the like that requires special control. Drying is effectively prevented or suppressed.

一方で、本発明に係る燃料電池システムでは、酸化ガス供給手段が設けられており、この酸化ガス供給手段が作動することで、燃料電池スタックに酸化ガスが供給される。 また、本発明に係る燃料電池システムでは、酸化ガス供給手段は上記の供給路の排気路との接続部分よりも供給路の燃料電池スタック側に設けられる。このため、酸化ガス供給手段は、新たに吸入した酸化ガスのみならず、燃料電池スタックから排出されて供給路に流れ込んだ酸化ガスも燃料電池スタックに供給する。   On the other hand, in the fuel cell system according to the present invention, an oxidizing gas supply means is provided, and the oxidizing gas is supplied to the fuel cell stack by operating the oxidizing gas supply means. Further, in the fuel cell system according to the present invention, the oxidizing gas supply means is provided on the fuel cell stack side of the supply path with respect to the connection portion of the supply path with the exhaust path. Therefore, the oxidizing gas supply means supplies not only newly sucked oxidizing gas but also oxidizing gas discharged from the fuel cell stack and flowing into the supply path to the fuel cell stack.

ここで、本発明に係る燃料電池システムでは、酸化ガス供給手段がモータ等の駆動手段の駆動力により作動しているのであれば駆動力の大きさに基づいて燃料電池スタックに供給される酸化ガスの量が算出される。上記のように、酸化ガス供給手段により燃料電池スタックに供給される酸化ガスは、新たに吸入した酸化ガスと、燃料電池スタックから排出されて供給路に流れ込んだ酸化ガスとの混合気である。このため、燃料電池スタックから排出されて供給路に流れ込んだ酸化ガスに含まれる水分量に影響されず、精度良く燃料電池スタック内の水分量を算出できる。 Here, the fuel cell system according to the present invention, oxidation gas supply means is supplied to the fuel cell stack based on the magnitude of the driving force as long as is operated by the driving force of the driving means such as a motor oxide The amount of gas is calculated. As described above, the oxidizing gas supplied to the fuel cell stack by the oxidizing gas supply means is a mixture of the newly sucked oxidizing gas and the oxidizing gas discharged from the fuel cell stack and flowing into the supply path. For this reason, the moisture content in the fuel cell stack can be accurately calculated without being influenced by the moisture content contained in the oxidizing gas discharged from the fuel cell stack and flowing into the supply path.

以上説明したように、本発明に係る燃料電池システムでは、燃料電池スタック内の水分の変化量を精度良く正確に得ることができる。   As described above, in the fuel cell system according to the present invention, the amount of change in moisture in the fuel cell stack can be obtained accurately and accurately.

<第1の実施の形態の構成>
図1には本発明の第1の実施の形態に係る燃料電池システム10の全体構成の概略がブロック図により示されている。
<Configuration of First Embodiment>
FIG. 1 is a block diagram schematically showing the overall configuration of a fuel cell system 10 according to a first embodiment of the present invention.

この図に示されるように、本燃料電池システム10は、燃料電池スタック又は燃料電池本体としてのスタック12を備えている。図4に示されるように、スタック12はセル14を備えている。セル14は電解質膜16を備えている。   As shown in this figure, the fuel cell system 10 includes a fuel cell stack or a stack 12 as a fuel cell body. As shown in FIG. 4, the stack 12 includes a cell 14. The cell 14 includes an electrolyte membrane 16.

電解質膜16は、例えば、イオン交換基としてスルフォン酸基を有する固体高分子により薄膜状に形成されている。この電解質膜16の厚さ方向一方の側にはアノード18が設けられている。   The electrolyte membrane 16 is formed in a thin film shape from, for example, a solid polymer having a sulfonic acid group as an ion exchange group. An anode 18 is provided on one side in the thickness direction of the electrolyte membrane 16.

アノード18は略板状のセパレータ20を備えている。セパレータ20には電解質膜16側へ向けて開口したガス流通溝22が形成されている。ガス流通溝22は一端がスタック12のアノード側入口24に接続されている。   The anode 18 includes a substantially plate-like separator 20. The separator 20 is formed with a gas flow groove 22 opened toward the electrolyte membrane 16 side. One end of the gas flow groove 22 is connected to the anode side inlet 24 of the stack 12.

図1に示されるように、アノード側入口24は燃料ガス供給路26を介して燃料ガスタンク28に接続されており、アノード側入口24からは水素を含む燃料ガスがスタック12内に供給されている。また、燃料ガス供給路26には流量計30が設けられており、単位時間当たりに燃料ガス供給路26中を流れてアノード側入口24に供給される燃料ガスの流量が計測されている。   As shown in FIG. 1, the anode side inlet 24 is connected to a fuel gas tank 28 via a fuel gas supply path 26, and fuel gas containing hydrogen is supplied into the stack 12 from the anode side inlet 24. . Further, a flow meter 30 is provided in the fuel gas supply path 26, and the flow rate of the fuel gas flowing through the fuel gas supply path 26 per unit time and supplied to the anode side inlet 24 is measured.

図2に示されるように、流量計30は、本燃料電池システム10の水分変化量推定手段としての制御部32の入力ポートに接続されており、流量計30から出力された電流値に対応する電気信号(以下、この電気信号を他の電気信号と区別するため、便宜上、「燃料ガス流量信号」と称する)が直接又はA/D変換器等を介して制御部32に入力される構成となっている。   As shown in FIG. 2, the flow meter 30 is connected to the input port of the control unit 32 as the moisture change amount estimation means of the fuel cell system 10, and corresponds to the current value output from the flow meter 30. An electric signal (hereinafter referred to as “fuel gas flow rate signal” for the sake of convenience in order to distinguish this electric signal from other electric signals) is input to the control unit 32 directly or via an A / D converter or the like. It has become.

アノード側入口24から供給された燃料ガスは上記のガス流通溝22を通過する。図2に示されるように、セパレータ20と電解質膜16との間にはガス拡散層34が設けられている。   The fuel gas supplied from the anode side inlet 24 passes through the gas circulation groove 22. As shown in FIG. 2, a gas diffusion layer 34 is provided between the separator 20 and the electrolyte membrane 16.

ガス拡散層34は撥水化したカーボンペーパやカーボンクロスにより形成されており良好な導電性及び通気性を有している。ガス拡散層34と電解質膜16との間には触媒層36が設けられている。触媒層36は触媒としての白金や白金系合金を担持した炭素と、電解質とが適度に混ざり合ったマトリックスになっており、ガス流通溝22から供給されてガス拡散層34を通過した燃料ガスが触媒層36に送られる構造となっている。   The gas diffusion layer 34 is made of water-repellent carbon paper or carbon cloth and has good conductivity and air permeability. A catalyst layer 36 is provided between the gas diffusion layer 34 and the electrolyte membrane 16. The catalyst layer 36 is a matrix in which platinum as a catalyst or carbon carrying a platinum-based alloy and an electrolyte are appropriately mixed, and the fuel gas supplied from the gas flow groove 22 and passing through the gas diffusion layer 34 is supplied. The structure is sent to the catalyst layer 36.

一方、ガス流通溝22の他端はスタック12のアノード側出口38に接続されている。図1に示されるように、アノード側出口38には燃料ガス排気路40が接続されており、この燃料ガス排気路40を介して気液分離器42に接続されている。気液分離器42ではアノード側出口38から排出された燃料ガスの排気ガス(以下、この排気ガスを燃料ガスや後述のカソード排気ガスと区別するため、「アノード排気ガス」と称する)が供給されると、アノード排気ガスに含まれる水分が分離される。   On the other hand, the other end of the gas flow groove 22 is connected to the anode side outlet 38 of the stack 12. As shown in FIG. 1, a fuel gas exhaust path 40 is connected to the anode side outlet 38, and is connected to a gas-liquid separator 42 via the fuel gas exhaust path 40. The gas-liquid separator 42 is supplied with exhaust gas of fuel gas discharged from the anode side outlet 38 (hereinafter referred to as “anode exhaust gas” in order to distinguish this exhaust gas from fuel gas and cathode exhaust gas described later). Then, moisture contained in the anode exhaust gas is separated.

さらに、気液分離器42の一対の出口の一方には排気路44が接続されており、排気路44を介して排気部46に接続され、排気路44を通過したアノード排気ガスのガス成分が排気部46から排気される構成となっている。また、この排気路44には流量計48が設けられており、単位時間当たりに排気路44を流れて排気部46から排気されるアノード排気ガスのガス成分の流量が計測されている。   Further, an exhaust passage 44 is connected to one of the pair of outlets of the gas-liquid separator 42, and the gas component of the anode exhaust gas that is connected to the exhaust portion 46 through the exhaust passage 44 and passes through the exhaust passage 44 is obtained. The exhaust section 46 exhausts the air. The exhaust passage 44 is provided with a flow meter 48, and the flow rate of the gas component of the anode exhaust gas flowing through the exhaust passage 44 and exhausted from the exhaust portion 46 per unit time is measured.

図2に示されるように、流量計48は、本燃料電池システム10の制御部32の入力ポートに接続されており、流量計48から出力された電流値に対応する電気信号(以下、この電気信号を他の電気信号と区別するため、便宜上、「アノード排気ガス流量信号」と称する)が直接又はA/D変換器等を介して制御部32に入力される構成となっている。   As shown in FIG. 2, the flow meter 48 is connected to the input port of the control unit 32 of the fuel cell system 10, and an electric signal corresponding to the current value output from the flow meter 48 (hereinafter referred to as the electric meter). In order to distinguish the signal from other electrical signals, for the sake of convenience, the “anode exhaust gas flow rate signal” is input to the control unit 32 directly or via an A / D converter or the like.

これに対して、図1に示されるように、気液分離器42の一対の出口の他方には排水路50が接続されており、排水路50を介して排水部52に接続され、排水路50を通過したアノード排気ガスに含まれていた水分が排水路50から排水される構成となっている。また、この排水路50には流量計54が設けられており、単位時間当たりに排水路50を流れて排水部52から排気される水分の流量が計測されている。   On the other hand, as shown in FIG. 1, a drainage channel 50 is connected to the other of the pair of outlets of the gas-liquid separator 42, and is connected to the drainage unit 52 via the drainage channel 50. The moisture contained in the anode exhaust gas that has passed through 50 is drained from the drainage channel 50. The drainage channel 50 is provided with a flow meter 54, and the flow rate of moisture exhausted from the drainage unit 52 through the drainage channel 50 per unit time is measured.

図2に示されるように、流量計54は、本燃料電池システム10の制御部32の入力ポートに接続されており、流量計54から出力された電流値に対応する電気信号(以下、この電気信号を他の電気信号と区別するため、便宜上、「アノード水分流量信号」と称する)が直接又はA/D変換器等を介して制御部32に入力される構成となっている。   As shown in FIG. 2, the flow meter 54 is connected to the input port of the control unit 32 of the fuel cell system 10, and an electric signal corresponding to the current value output from the flow meter 54 (hereinafter referred to as the electric meter). In order to distinguish the signal from other electrical signals, for the sake of convenience, it will be referred to as an “anode moisture flow signal”) or input to the control unit 32 directly or via an A / D converter or the like.

一方、図4に示されるように、上記の電解質膜16を介してアノード18の反対側にはカソード56が設けられている。カソード56もまたセパレータ20、ガス拡散層34、触媒層36を備えている。但し、アノード18とは異なり、カソード56のセパレータ20に形成されたガス流通溝22の一端はスタック12のカソード側入口58に接続されており、他端がスタック12のカソード側出口60に接続されている。   On the other hand, as shown in FIG. 4, a cathode 56 is provided on the opposite side of the anode 18 via the electrolyte membrane 16. The cathode 56 also includes the separator 20, the gas diffusion layer 34, and the catalyst layer 36. However, unlike the anode 18, one end of the gas flow groove 22 formed in the separator 20 of the cathode 56 is connected to the cathode side inlet 58 of the stack 12, and the other end is connected to the cathode side outlet 60 of the stack 12. ing.

カソード側入口58からは酸素を含む酸化ガス又は酸化剤としての空気がスタック12内に供給され、カソード側入口58から供給された空気がカソード56を構成するセパレータ20のガス流通溝22を通過する。以上の構成のセル14は、その厚さ方向、すなわち、アノード18とカソード56との対向方向に複数積層されており、このように、セル14を複数積層することでスタック12が構成されている。   From the cathode side inlet 58, an oxidizing gas containing oxygen or air as an oxidant is supplied into the stack 12, and the air supplied from the cathode side inlet 58 passes through the gas flow groove 22 of the separator 20 constituting the cathode 56. . A plurality of the cells 14 having the above configuration are stacked in the thickness direction, that is, the facing direction of the anode 18 and the cathode 56, and thus the stack 12 is configured by stacking a plurality of cells 14. .

また、図1に示されるように、スタック12のアノード側及びカソード側にはそれぞれ端子62が取り付けられている。端子62は、コード等の電気的な接続部材を介して負荷64に接続されており、スタック12で発電された電気を負荷64に供給している。   Further, as shown in FIG. 1, terminals 62 are attached to the anode side and the cathode side of the stack 12, respectively. The terminal 62 is connected to a load 64 via an electrical connection member such as a cord, and supplies electricity generated by the stack 12 to the load 64.

さらに、アノード18側の端子に接続されたコード等の接続部材には電流計66が設けられており、負荷64に供給される電気の電流値を計測している。   Further, an ammeter 66 is provided on a connecting member such as a cord connected to the terminal on the anode 18 side, and the current value of electricity supplied to the load 64 is measured.

図2に示されるように、電流計66は、本燃料電池システム10の水分変化量推定手段としての制御部32の入力ポートに接続されており、電流計66から出力された電流値に対応する電気信号(以下、この電気信号を他の電気信号と区別するため、便宜上、「電流値信号」と称する)が直接又はA/D変換器等を介して制御部32に入力される構成となっている。   As shown in FIG. 2, the ammeter 66 is connected to the input port of the control unit 32 as the moisture change amount estimation means of the fuel cell system 10, and corresponds to the current value output from the ammeter 66. An electric signal (hereinafter referred to as a “current value signal” for the sake of convenience in order to distinguish this electric signal from other electric signals) is input to the control unit 32 directly or via an A / D converter or the like. ing.

一方、図1に示されるように、スタック12のカソード側入口58は、供給路としての空気供給路68を介して空気吸入部70に接続されている。空気吸入部70よりもカソード側入口58側にはエアフィルタ72が設けられている。さらに、エアフィルタ72よりもカソード側入口58側には、酸化ガス供給手段(又は酸化剤供給手段)としてのエアコンプレッサ74が設けられている。   On the other hand, as shown in FIG. 1, the cathode side inlet 58 of the stack 12 is connected to an air suction portion 70 via an air supply path 68 as a supply path. An air filter 72 is provided closer to the cathode side inlet 58 than the air suction part 70. Further, an air compressor 74 as an oxidant gas supply means (or oxidant supply means) is provided on the cathode side inlet 58 side of the air filter 72.

エアコンプレッサ74はモータ76を備えており、モータ76の駆動力によって空気吸入部70側に負圧を生じさせ、モータ76の回転数に対応した量の空気を外部から吸入する。エアコンプレッサ74により空気吸入部70から吸入された空気はエアフィルタ72を通過することで空気と共に吸入された微小な塵等が除去される構成となっている。   The air compressor 74 includes a motor 76, and a negative pressure is generated on the air suction portion 70 side by the driving force of the motor 76, and an amount of air corresponding to the rotational speed of the motor 76 is sucked from the outside. The air sucked from the air suction part 70 by the air compressor 74 passes through the air filter 72 so that minute dusts sucked together with the air are removed.

また、図3に示されるように、エアコンプレッサ74の駆動手段であるモータ76は、上記の制御部32に設けられたエアストイキ比制御器78の出力ポートに直接又はモータドライバ等を介して間接的に接続されており、エアストイキ比制御器78から出力された電気信号(以下、この電気信号を他の電気信号と区別するため、便宜上、「コンプレッサ制御信号」と称する)に基づいてモータ76が駆動される構成となっている。また、図1に示されるように、エアフィルタ72とエアコンプレッサ74との間には流量計80が設けられており、エアフィルタ72とエアコンプレッサ74との間を単位時間当たりに流れる空気の流量が計測されている。   Further, as shown in FIG. 3, the motor 76 which is a driving means of the air compressor 74 is directly or indirectly through an output port of the air stoichiometric ratio controller 78 provided in the control unit 32 or via a motor driver or the like. The motor 76 is driven on the basis of an electric signal output from the air stoichiometric ratio controller 78 (hereinafter referred to as “compressor control signal” for the sake of convenience in order to distinguish this electric signal from other electric signals). It becomes the composition which is done. In addition, as shown in FIG. 1, a flow meter 80 is provided between the air filter 72 and the air compressor 74, and the flow rate of air flowing between the air filter 72 and the air compressor 74 per unit time. Is measured.

図2に示されるように、流量計80は制御部32の入力ポートに接続されており、流量計80から出力された空気の流量に対応する電気信号(以下、この電気信号を他の電気信号と区別するため、便宜上、「供給流量信号」と称する)が直接又はA/D変換器等を介して制御部32に入力される構成となっている。   As shown in FIG. 2, the flow meter 80 is connected to an input port of the control unit 32, and an electric signal corresponding to the flow rate of air output from the flow meter 80 (hereinafter, this electric signal is referred to as another electric signal). In order to distinguish them from each other, for the sake of convenience, this is referred to as a “supply flow rate signal”) or input to the control unit 32 directly or via an A / D converter or the like.

一方、図1に示されるように、スタック12のカソード側出口60は排気路としての空気排気路82が接続されており、この空気排気路82を介して気液分離器84に接続されている。気液分離器84ではカソード側出口60から排出された燃料ガスの排気ガス(以下、この排気ガスを燃料ガスや上記のアノード排気ガスと区別するため、「カソード排気ガス」と称する)が供給されると、カソード排気ガスに含まれる水分が分離される。   On the other hand, as shown in FIG. 1, the cathode side outlet 60 of the stack 12 is connected to an air exhaust path 82 as an exhaust path, and is connected to a gas-liquid separator 84 via the air exhaust path 82. . The gas-liquid separator 84 is supplied with the exhaust gas of the fuel gas discharged from the cathode side outlet 60 (hereinafter referred to as “cathode exhaust gas” in order to distinguish this exhaust gas from the fuel gas and the anode exhaust gas). Then, moisture contained in the cathode exhaust gas is separated.

さらに、気液分離器84の一対の出口の一方には排気路86が接続されており、排気路86を介して排気部88に接続され、排気路86を通過したカソード排気ガスのガス成分が排気部88から排気される構成となっている。また、この排気路86には流量計90が設けられており、単位時間当たりに排気路86を流れて排気部88から排気されるカソード排気ガスのガス成分の流量が計測されている。   Further, an exhaust path 86 is connected to one of the pair of outlets of the gas-liquid separator 84, and the gas component of the cathode exhaust gas passing through the exhaust path 86 is connected to the exhaust section 88 via the exhaust path 86. The exhaust section 88 exhausts the air. Further, a flow meter 90 is provided in the exhaust path 86, and the flow rate of the gas component of the cathode exhaust gas that flows through the exhaust path 86 and is exhausted from the exhaust unit 88 per unit time is measured.

図2に示されるように、流量計90は制御部32の入力ポートに接続されており、流量計90から出力された電流値に対応する電気信号(以下、この電気信号を他の電気信号と区別するため、便宜上、「カソード排気ガス流量信号」と称する)が直接又はA/D変換器等を介して制御部32に入力される構成となっている。   As shown in FIG. 2, the flow meter 90 is connected to an input port of the control unit 32, and an electric signal corresponding to the current value output from the flow meter 90 (hereinafter, this electric signal is referred to as another electric signal). For the sake of distinction, for the sake of convenience, a “cathode exhaust gas flow rate signal” is input to the control unit 32 directly or via an A / D converter or the like.

これに対して、図1に示されるように、気液分離器84の一対の出口の他方には排水路92が接続されており、排水路92を介して排水部94に接続され、排水路92を通過したカソード排気ガスに含まれていた水分が排水路92から排水される構成となっている。また、この排水路92には流量計96が設けられており、単位時間当たりに排水路92を流れて排水部94から排気される水分の流量が計測されている。   On the other hand, as shown in FIG. 1, a drainage channel 92 is connected to the other of the pair of outlets of the gas-liquid separator 84, and is connected to the drainage part 94 via the drainage channel 92. The moisture contained in the cathode exhaust gas that has passed through 92 is drained from the drainage channel 92. The drainage channel 92 is provided with a flow meter 96, and the flow rate of moisture exhausted from the drainage part 94 through the drainage channel 92 per unit time is measured.

図2に示されるように、流量計96は制御部32の入力ポートに接続されており、流量計96から出力された電流値に対応する電気信号(以下、この電気信号を他の電気信号と区別するため、便宜上、「カソード水分流量信号」と称する)が直接又はA/D変換器等を介して制御部32に入力される構成となっている。   As shown in FIG. 2, the flow meter 96 is connected to an input port of the control unit 32, and an electric signal corresponding to the current value output from the flow meter 96 (hereinafter, this electric signal is referred to as another electric signal). In order to make a distinction, for the sake of convenience, the “cathode moisture flow rate signal” is input to the control unit 32 directly or via an A / D converter or the like.

また、図1及び図4における図示は省略するが、本燃料電池システム10は、温度センサ98(図2参照)を備えており、上記のスタック12内の温度が温度センサ98により検出されている。温度センサ98は制御部32の入力ポートに接続されており、温度センサ98から出力された電圧値に対応する電気信号(以下、この電気信号を他の電気信号と区別するため、便宜上、「温度検出信号」と称する)が直接又はA/D変換器等を介して制御部32に入力される構成となっている。   Although not shown in FIGS. 1 and 4, the fuel cell system 10 includes a temperature sensor 98 (see FIG. 2), and the temperature in the stack 12 is detected by the temperature sensor 98. . The temperature sensor 98 is connected to the input port of the control unit 32, and an electric signal corresponding to the voltage value output from the temperature sensor 98 (hereinafter, for the sake of convenience, in order to distinguish this electric signal from other electric signals, “temperature The detection signal ”is input to the control unit 32 directly or via an A / D converter or the like.

さらに、図3に示されるように、制御部32には冷却水温度制御器100が設けられており、この冷却水温度制御器100の出力ポートには冷却水ポンプ102の駆動源(例えば、モータ)が接続されている。図1における図示は省略するが、冷却水ポンプ102には、スタック12の内側又は外側を通過する冷却水管が接続されており、冷却水温度制御器100から出力された電気信号(以下、この電気信号を他の電気信号と区別するため、便宜上、「ポンプ制御信号」と称する)に基づいて冷却水ポンプ102が作動すると、冷却水ポンプ102の状態(例えば、冷却水ポンプ102の駆動源がモータであるならば、モータの回転数)に応じた速度で冷却水管内を冷却水が流れ、スタック12の内外の熱を吸収してスタック12の内外を冷却する構成となっている。   Further, as shown in FIG. 3, the control unit 32 is provided with a cooling water temperature controller 100, and a driving source (for example, a motor) of the cooling water pump 102 is provided at an output port of the cooling water temperature controller 100. ) Is connected. Although not shown in FIG. 1, the cooling water pump 102 is connected to a cooling water pipe passing through the inside or outside of the stack 12, and an electric signal output from the cooling water temperature controller 100 (hereinafter referred to as this electric power). When the cooling water pump 102 is operated based on a “pump control signal” for convenience in order to distinguish the signal from other electrical signals, the state of the cooling water pump 102 (for example, the driving source of the cooling water pump 102 is a motor). If so, the cooling water flows through the cooling water pipe at a speed corresponding to the number of rotations of the motor, absorbs heat inside and outside the stack 12, and cools the inside and outside of the stack 12.

<第1の実施の形態の作用、効果>
次に、本実施の形態の作用並びに効果について説明する。
<Operation and Effect of First Embodiment>
Next, the operation and effect of the present embodiment will be described.

本燃料電池システム10では、燃料ガスタンク28からスタック12に供給された燃料ガスは、セル14のアノード18側にてセパレータ20のガス流通溝22を通過する。ガス流通溝22を流れる燃料ガスは、通気性を有するガス拡散層34を通過して触媒層36に到達する。   In the fuel cell system 10, the fuel gas supplied from the fuel gas tank 28 to the stack 12 passes through the gas flow groove 22 of the separator 20 on the anode 18 side of the cell 14. The fuel gas flowing through the gas flow groove 22 passes through the gas diffusion layer 34 having air permeability and reaches the catalyst layer 36.

一方、エアコンプレッサ74が作動することでスタック12に供給された空気は、セル14のカソード56側にてセパレータ20のガス流通溝22を通過する。ガス流通溝22を流れる空気は、通気性を有するガス拡散層34を通過して触媒層36に到達する。   On the other hand, the air supplied to the stack 12 by the operation of the air compressor 74 passes through the gas flow groove 22 of the separator 20 on the cathode 56 side of the cell 14. The air flowing through the gas flow groove 22 passes through the gas diffusion layer 34 having air permeability and reaches the catalyst layer 36.

このように、アノード18側の触媒層36に水素を含む燃料ガスが供給され、カソード56側の触媒層36に酸素を含む空気が供給されると、両触媒層36にて電気化学反応が生じる。アノード18側の触媒層36では、水素分子(H2)から水素イオン(H+)と電子(e-)が生じる。水素イオンは電解質膜16を透過してカソード56側の触媒層36に到達する。 As described above, when the fuel gas containing hydrogen is supplied to the catalyst layer 36 on the anode 18 side and the air containing oxygen is supplied to the catalyst layer 36 on the cathode 56 side, an electrochemical reaction occurs in both catalyst layers 36. . In the catalyst layer 36 on the anode 18 side, hydrogen ions (H + ) and electrons (e ) are generated from hydrogen molecules (H 2 ). Hydrogen ions permeate the electrolyte membrane 16 and reach the catalyst layer 36 on the cathode 56 side.

一方、電子は外部回路を介して負荷64へ流れる電流となり、負荷64の動力として供される。カソード56側の触媒層36では、電解質膜16を透過した水素イオンと空気中の酸素分子(O2)、及び負荷64からの外部回路を介してカソード56側の触媒層36に到達した電子によって電気化学反応が生じ、その結果、水が生成される(このようにして生成された水を以下、「生成水」と称する)。生成水は電気化学反応終了後の空気であるカソード排気ガスと共にカソード側出口60から排出される。 On the other hand, the electrons become a current that flows to the load 64 via an external circuit, and are used as power for the load 64. In the catalyst layer 36 on the cathode 56 side, hydrogen ions that have permeated through the electrolyte membrane 16, oxygen molecules (O 2 ) in the air, and electrons that have reached the catalyst layer 36 on the cathode 56 side through an external circuit from the load 64 are used. An electrochemical reaction occurs, and as a result, water is generated (the water thus generated is hereinafter referred to as “product water”). The produced water is discharged from the cathode side outlet 60 together with the cathode exhaust gas which is air after the completion of the electrochemical reaction.

ところで、本燃料電池システム10では、電気化学反応で生じて負荷64へ向かう電子、すなわち、本燃料電池システム10にて発電された電気の電流値が電流計66により検出される。電流計66では、検出した電流値に対応する電気信号、すなわち、電流値信号が出力される。この電流値信号は例えばA/D変換器等により変換されて制御部32に入力される。   By the way, in the fuel cell system 10, electrons generated by an electrochemical reaction and directed to the load 64, that is, an electric current value generated by the fuel cell system 10 is detected by an ammeter 66. The ammeter 66 outputs an electrical signal corresponding to the detected current value, that is, a current value signal. This current value signal is converted by, for example, an A / D converter and is input to the control unit 32.

ここで、本燃料電池システム10で発電された電気の電流値Iと、上記の電気化学反応により生成された水の量、すなわち、生成水量Wpとの間には、次の式(1)に示される関係がある。   Here, between the current value I of electricity generated by the fuel cell system 10 and the amount of water generated by the electrochemical reaction, that is, the generated water amount Wp, the following equation (1) is satisfied. There is a relationship shown.

Wp[mol/s]=I[A]×S[枚数]÷2e[e]÷F [C/mol]・・・(1)
また、電流値Iと、上記の電気化学反応にて消費された酸素の量、すなわち、消費酸素量Oeとの間には、次の式(2)に示される関係がある。
Wp [mol / s] = I [A] × S [number of sheets] ÷ 2e [e] ÷ F [C / mol] (1)
Further, there is a relationship represented by the following formula (2) between the current value I and the amount of oxygen consumed in the electrochemical reaction, that is, the consumed oxygen amount Oe.

Oe[mol/s]=I[A]×S[枚数]÷4e[e]÷F [C/mol]・・・(2)
さらに、電流値Iと、上記の電気化学反応にて消費された水素の量、すなわち、消費水素量Heとの間には、次の式(3)に示される関係がある。
Oe [mol / s] = I [A] x S [number of sheets] ÷ 4e [e] ÷ F [C / mol] (2)
Further, there is a relationship represented by the following formula (3) between the current value I and the amount of hydrogen consumed in the electrochemical reaction, that is, the consumed hydrogen amount He.

He[mol/s]=I[A]×S[枚数]÷2e[e]÷F [C/mol]・・・(3)
なお、上記の式(1)乃至式(3)において、Iは電流値信号に基づく電流計66が計測した電流値、Sはスタック12のセル14の枚数、eは電荷、Fはファラデー定数であり、基本的にI以外は既知の数値である。制御部32では、入力された電流値信号と、これらの式(1)乃至式(3)に基づいて生成水量Wp、消費酸素量Oe、及び消費水素量Heが計算される。
He [mol / s] = I [A] x S [number of sheets] ÷ 2e [e] ÷ F [C / mol] (3)
In the above formulas (1) to (3), I is the current value measured by the ammeter 66 based on the current value signal, S is the number of cells 14 in the stack 12, e is the charge, and F is the Faraday constant. There are basically known values other than I. The control unit 32 calculates the generated water amount Wp, the consumed oxygen amount Oe, and the consumed hydrogen amount He based on the input current value signal and these equations (1) to (3).

一方、上述したように、制御部32の入力ポートには、流量計30〜96が接続されており、これらの流量計30〜96での計測値に基づく各電気信号、すなわち、燃料ガス流量信号、アノード排気ガス流量信号、アノード水分流量信号、供給流量信号、カソード排気ガス流量信号、及びカソード水分流量信号が入力される。制御部32では、これらの流量信号のからアノード18側での排出水蒸気量AVeと、カソード56側での排出水蒸気量CVeと、が以下の式(4)及び式(5)に基づき計算される。   On the other hand, as described above, the flow meters 30 to 96 are connected to the input ports of the control unit 32, and each electric signal based on the measurement value of these flow meters 30 to 96, that is, the fuel gas flow signal. , An anode exhaust gas flow signal, an anode moisture flow signal, a supply flow signal, a cathode exhaust gas flow signal, and a cathode moisture flow signal are input. In the control unit 32, the discharge water vapor amount AVe on the anode 18 side and the discharge water vapor amount CVe on the cathode 56 side are calculated based on the following equations (4) and (5) from these flow rate signals. .

AVe[mol/s]=AGe[mol/s]−(AGs[mol/s]−He[mol/s])・・・(4)
CVe[mol/s]=CGe[mol/s]−(CGs[mol/s]−e[mol/s])・・・(5)
なお、上記の式(4)及び式(5)において、AGeはアノード排気ガス流量信号に基づく流量計48の計測値、AGsは燃料ガス流量信号に基づく流量計30の計測値、CGeはカソード排気ガス流量信号に基づく流量計90の計測値、CGsは供給流量信号に基づく流量計80の計測値である。
AVe [mol / s] = AGe [mol / s] − (AGs [mol / s] −He [mol / s]) (4)
CVe [mol / s] = CGe [mol / s] - (CGs [mol / s] - O e [mol / s]) ··· (5)
In the above equations (4) and (5), AGe is a measured value of the flow meter 48 based on the anode exhaust gas flow signal, AGs is a measured value of the flow meter 30 based on the fuel gas flow signal, and CGe is cathode exhaust. The measured value of the flow meter 90 based on the gas flow signal, CGs is the measured value of the flow meter 80 based on the supply flow signal.

さらに、このようにして計算された排出水蒸気量AVe、CVe、生成水量Wp、そして、アノード水分流量信号及びカソード水分流量信号から本燃料電池システム10における水分の変化量である水分量収支Wcが以下の式(6)に基づき計算される。   Furthermore, the water vapor balance Wc, which is the amount of change in water in the present fuel cell system 10, is calculated from the exhaust water vapor amounts AVe and CVe, the produced water amount Wp, and the anode water flow rate signal and the cathode water flow rate signal calculated as described above. It is calculated based on the equation (6).

Wc[mol/s]=Wp[mol/s]−Ve[mol/s]−We[mol/s]・・・(6)
但し、
Ve[mol/s]=CVe[mol/s]+AVe[mol/s] ・・・(7)
We[mol/s]=CWe[mol/s]+AWe[mol/s] ・・・(8)
なお、上記の式(8)におけるCWeはカソード水分流量信号に基づく流量計96の計測値で、AWeはアノード水分流量信号に基づく流量計54の計測値である。すなわち、Weはアノード18側及びカソード56側の双方の気液分離器42、84において分離された水分の総和である。
Wc [mol / s] = Wp [mol / s] −Ve [mol / s] −We [mol / s] (6)
However,
Ve [mol / s] = CVe [mol / s] + AVe [mol / s] (7)
We [mol / s] = CWe [mol / s] + AWe [mol / s] (8)
In the above equation (8), CWe is a measured value of the flow meter 96 based on the cathode moisture flow signal, and AWe is a measured value of the flow meter 54 based on the anode moisture flow signal. That is, We is the total amount of water separated in the gas-liquid separators 42 and 84 on both the anode 18 side and the cathode 56 side.

一方、制御部32には水分量マップが予め設定されており、上記のカソード56側での排出水蒸気量CVe、電流計66からの電流値信号、温度センサ98からの温度検出信号、及び流量計80での計測値に基づく供給流量信号の各々からカソード56側での水分量計測値が導き出される。   On the other hand, a moisture amount map is preset in the control unit 32, and the discharge water vapor amount CVe on the cathode 56 side, a current value signal from the ammeter 66, a temperature detection signal from the temperature sensor 98, and a flow meter. From each of the supply flow rate signals based on the measurement value at 80, a moisture content measurement value on the cathode 56 side is derived.

このようにして求められた水分量計測値と水分量収支Wcとは水分量推定オブザーバ104に入力される。水分量推定オブザーバ104では、水分量収支Wcの時間積分値である保有水分変化量Wd[mol]が計算される。さらに、この保有水分変化量Wd[mol]と、ある時刻での水分量計測値との和が保有水分量の推定値(以下、「水分量推定値」と称する)として計算される。   The water content measurement value and the water content balance Wc thus determined are input to the water content estimation observer 104. In the moisture amount estimation observer 104, the retained moisture change amount Wd [mol], which is a time integral value of the moisture amount balance Wc, is calculated. Further, the sum of the retained water change amount Wd [mol] and the measured moisture content at a certain time is calculated as an estimated value of retained moisture (hereinafter referred to as “moisture estimated value”).

次に、図3に示されるように、制御部32にはROM106が設けられており、このROM106には適正保有水分量がマップ等の状態で予め記憶されている。制御部32では、ROM106から適正保有水分量を読み込み、更に、水分量推定オブザーバ104にて計算された水分量推定値と適正保有水分量との差が、保有水分量偏差として計算される。   Next, as shown in FIG. 3, the control unit 32 is provided with a ROM 106, and an appropriate water content is stored in advance in a state of a map or the like in the ROM 106. In the control unit 32, the proper retained water amount is read from the ROM 106, and the difference between the estimated moisture amount calculated by the moisture amount estimation observer 104 and the proper retained water amount is calculated as the retained moisture amount deviation.

このようにして計算された保有水分量偏差は、冷却水温度制御器100やエアストイキ比制御器78に入力される。   The retained water amount deviation calculated in this way is input to the cooling water temperature controller 100 and the air stoichiometric ratio controller 78.

冷却水温度制御器100では、入力された保有水分量偏差に基づいてポンプ制御信号を生成して出力する。冷却水温度制御器100から出力されたポンプ制御信号は冷却水ポンプ102の駆動源(例えば、モータ)のドライバ等に入力され、これにより、冷却水ポンプ102の駆動源が出力する駆動力が増減される。   The cooling water temperature controller 100 generates and outputs a pump control signal based on the inputted retained water content deviation. The pump control signal output from the cooling water temperature controller 100 is input to a driver or the like of a driving source (for example, a motor) of the cooling water pump 102, thereby increasing or decreasing the driving force output from the driving source of the cooling water pump 102. Is done.

例えば、上記の保有水分量偏差が負となって水分が失われたと推定できる状態では、冷却水ポンプ102の動作速度を上昇させて冷却水の温度を低下させる。これにより、スタック12内の水分の排出が抑制され、電解質膜16の乾燥等が防止される。   For example, in a state where it is estimated that the retained water amount deviation is negative and the water is lost, the operating speed of the cooling water pump 102 is increased to decrease the temperature of the cooling water. Thereby, the discharge | emission of the water | moisture content in the stack 12 is suppressed, and the drying of the electrolyte membrane 16 is prevented.

また、上記の保有水分量偏差が正となって水分が過剰であると推定できる状態では、冷却水ポンプ102の動作速度を低下させて冷却水の温度を上昇させる。これにより、スタック12内の水分の蒸発が促され、水蒸気となった水分がカソード排気ガスやアノード排気ガスと共にスタック12の外部に効果的に排出される。これにより、過剰な水分がガス拡散層34や触媒層36におけるガスの流通部分(ガスチャンネル)を埋めてしまうことを防止できる。   In the state where the retained water amount deviation is positive and it can be estimated that the water is excessive, the operating speed of the cooling water pump 102 is decreased to increase the temperature of the cooling water. Thereby, the evaporation of moisture in the stack 12 is promoted, and the moisture that has become water vapor is effectively discharged to the outside of the stack 12 together with the cathode exhaust gas and the anode exhaust gas. Thereby, it is possible to prevent excessive moisture from filling gas distribution portions (gas channels) in the gas diffusion layer 34 and the catalyst layer 36.

一方、エアストイキ比制御器78では、入力された保有水分量偏差に基づいてコンプレッサ制御信号を生成して出力する。エアストイキ比制御器78から出力されたコンプレッサ制御信号はエアコンプレッサ74のモータ76を駆動制御するドライバ等に入力され、これにより、モータ76の回転数が増減される。このようにモータ76の回転数が増減されることでスタック12に供給される空気量が増減される。スタック12に供給される空気量が増減されることで、燃料ガスと空気との比率、すなわち、エアストイキ比が増減する。   On the other hand, the air stoichiometric ratio controller 78 generates and outputs a compressor control signal based on the input retained moisture content deviation. The compressor control signal output from the air stoichiometric ratio controller 78 is input to a driver or the like that drives and controls the motor 76 of the air compressor 74, whereby the rotational speed of the motor 76 is increased or decreased. Thus, the amount of air supplied to the stack 12 is increased or decreased by increasing or decreasing the rotation speed of the motor 76. As the amount of air supplied to the stack 12 is increased or decreased, the ratio of fuel gas to air, that is, the air stoichiometric ratio is increased or decreased.

例えば、上記の保有水分量偏差が負の状態では、エアストイキ比が小さくなるようにモータ76を駆動させる。これにより、スタック12内の水分の排出が抑制され、電解質膜16の乾燥等が防止される。   For example, when the retained water content deviation is negative, the motor 76 is driven so that the air stoichiometric ratio becomes small. Thereby, the discharge | emission of the water | moisture content in the stack 12 is suppressed, and the drying of the electrolyte membrane 16 is prevented.

また、上記の水分量偏差が正の状態では、エアストイキ比が大きくなるようにモータ76を駆動させる。これにより、水分がカソード排気ガスと共にスタック12の外部に効果的に排出される。これにより、過剰な水分がガス拡散層34や触媒層36におけるガスの流通部分(ガスチャンネル)を埋めてしまうことを防止できる。   Further, when the moisture content deviation is positive, the motor 76 is driven so that the air stoichiometric ratio becomes large. Thereby, moisture is effectively discharged out of the stack 12 together with the cathode exhaust gas. Thereby, it is possible to prevent excessive moisture from filling gas distribution portions (gas channels) in the gas diffusion layer 34 and the catalyst layer 36.

このように、本燃料電池システム10では、保有水分量偏差に基づいてスタック12内の水分量を調節しているため、上記のような電解質膜16の乾燥や、過剰な水分がガスチャンネルを埋めてしまうという不具合の発生を極めて効果的に防止できる。これにより、本燃料電池システム10の信頼性や効率を効果的に向上させることができる。   As described above, in the present fuel cell system 10, the moisture content in the stack 12 is adjusted based on the retained moisture content deviation. Therefore, the electrolyte membrane 16 is dried as described above, and excess moisture fills the gas channel. It is possible to prevent the occurrence of the problem of being extremely effective. Thereby, the reliability and efficiency of this fuel cell system 10 can be improved effectively.

また、本燃料電池システム10では、基本的にスタック12での発電量(電流計66における計測結果)、各流量計30〜96での計測結果に基づいて水分量偏差を推定している。このため、湿度センサ等の水分量を直接検出する検出手段を用いる場合に比べ、水分凝固等に起因する誤差が極めて少ない。   In the fuel cell system 10, the moisture amount deviation is basically estimated based on the power generation amount in the stack 12 (measurement result in the ammeter 66) and the measurement results in the flow meters 30 to 96. For this reason, the error resulting from moisture coagulation or the like is extremely small as compared with the case of using a detection means that directly detects the amount of moisture such as a humidity sensor.

これにより、得られる水分量偏差(又は、水分量収支)の信頼性が極めて高く、上記のようなスタック12内の水分量の調節を適切に行なうことができ、この意味でも、本燃料電池システム10の信頼性や効率を効果的に向上させることができる。   Thereby, the reliability of the obtained water content deviation (or water content balance) is extremely high, and the water content in the stack 12 can be adjusted appropriately as described above. In this sense as well, the present fuel cell system 10 reliability and efficiency can be improved effectively.

一方で、カソード56側から排出される水蒸気は、スタック12内の温度、発電量、及び空気の流量により変化するが、これら同じ状態であってもスタック12内の水分量が異なるとスタック12内における水分の拡散速度が異なるが故にカソード56側から排出される水蒸気量が変化する。   On the other hand, the water vapor discharged from the cathode 56 side varies depending on the temperature in the stack 12, the amount of power generation, and the flow rate of air, but even in these same states, if the water content in the stack 12 is different, Therefore, the amount of water vapor discharged from the cathode 56 side changes.

ここで、本実施の形態では、電流計66、温度センサ98、流量計80での各計測値をパラメータとして水分量計測値が制御部32に設定された水分量マップにより導き出される。このため、水分量計測値の精度が高く、これにより、スタック12内の水分量の調節を適切に行なうことができ、この意味でも、本燃料電池システム10の信頼性や効率を効果的に向上させることができる。   Here, in the present embodiment, the measured moisture value is derived from the moisture content map set in the control unit 32 using the measured values of the ammeter 66, the temperature sensor 98, and the flow meter 80 as parameters. For this reason, the accuracy of the moisture content measurement value is high, and accordingly, the moisture content in the stack 12 can be adjusted appropriately. In this sense, the reliability and efficiency of the fuel cell system 10 are effectively improved. Can be made.

しかも、水分量マップを用いていることで空気を流しさえすれば水分量計測値を得ることが可能である。このため、燃料電池システム10の運転開始時や終了時を含め、基本的に燃料電池システム10で発電を行っていない状態でも水分量計測値を得ることが可能である。   In addition, by using the moisture amount map, it is possible to obtain a measured amount of moisture as long as air is flowed. For this reason, it is possible to obtain a moisture content measurement value even when the fuel cell system 10 is basically not generating electric power, including when the fuel cell system 10 starts operation and when it ends.

したがって、このような燃料電池システム10で発電を行っていない状態では、水分量計測値に基づいてスタック12内の水分を検出できる。これにより、例えば、燃料電池システム10を運転開始前や運転終了後等にスタック12内の水分量を調節することが可能となる。このため、低温時のスタック12内の水分の凍結を防止でき、また、燃料電池システム10の運転開始直後における不要な乾燥や加湿等を行なうことを防止できる。   Therefore, in such a state where the fuel cell system 10 does not generate power, the moisture in the stack 12 can be detected based on the measured moisture content. Thereby, for example, the moisture content in the stack 12 can be adjusted before the fuel cell system 10 starts operating or after the operation ends. For this reason, it is possible to prevent freezing of moisture in the stack 12 at a low temperature, and it is possible to prevent unnecessary drying or humidification immediately after the start of operation of the fuel cell system 10.

なお、本実施の形態では、上記のように保有水分量偏差に基づいて、冷却水の循環速度や温度とエアストイキ比を調節する構成であったが、保有水分量偏差に基づいて、冷却水の循環速度や温度、エアストイキ比の双方を全て調節する構成に限定されるものではなく、何れか1つを調節する構成としてもよい。   In the present embodiment, the cooling water circulation speed and the temperature and the air stoichiometric ratio are adjusted based on the retained water content deviation as described above. However, based on the retained water content deviation, The present invention is not limited to a configuration that adjusts all of the circulation speed, temperature, and air stoichiometric ratio, and may be configured to adjust any one of them.

また、本実施の形態では、保有水分量偏差に基づいて、冷却水の循環速度や温度やエアストイキ比を調節したが、これら以外にも例えば、保有水分量偏差に基づいてスタック12における発電量や空気の流速を調節する構成としてもよい。すなわち、例えば、保有水分量偏差が閾値を下回った場合には、燃料ガス及び空気の双方の流量を低減させてスタック12における発電量を抑制する。これにより、所謂「ドライアップ」を防止できる。また、保有水分量偏差が閾値を上回った場合には、空気の流量を増加させる。これにより、所謂「フラッディング」を防止できる。   Further, in the present embodiment, the circulation speed, temperature, and air stoichiometric ratio of the cooling water are adjusted based on the retained water amount deviation, but other than these, for example, the power generation amount in the stack 12 based on the retained water amount deviation, It is good also as a structure which adjusts the flow velocity of air. That is, for example, when the retained water content deviation falls below a threshold value, the flow rates of both fuel gas and air are reduced to suppress the power generation amount in the stack 12. Thereby, so-called “dry-up” can be prevented. Further, when the retained water content deviation exceeds the threshold, the air flow rate is increased. Thereby, so-called “flooding” can be prevented.

<第2の実施の形態の構成>
次に、本発明のその他の実施の形態について説明する。なお、以下の各実施の形態を説明するにあたり、前記第1の実施の形態を含めて説明している実施の形態よりも前出の実施の形態と基本的に同一に構成に関しては、同一の符号を付与してその説明を省略する。
<Configuration of Second Embodiment>
Next, other embodiments of the present invention will be described. In the following description of each embodiment, the configuration is basically the same as that of the previous embodiment, including the first embodiment, with the same configuration. Reference numerals are assigned and description thereof is omitted.

図5には本発明の第2の実施の形態に係る燃料電池システム120の全体構成の概略がブロック図により示されている。   FIG. 5 is a block diagram schematically showing the overall configuration of the fuel cell system 120 according to the second embodiment of the present invention.

この図に示されるように、本燃料電池システム120は、気液分離器42及び流量計30〜54を備えていない。したがって、基本的にはアノード側入口24が燃料ガス供給路26を介して燃料ガスタンク28に直接接続され、アノード側出口38は燃料ガス排気路40を介して排気部122に接続されている。   As shown in this figure, the fuel cell system 120 does not include the gas-liquid separator 42 and the flow meters 30 to 54. Therefore, basically, the anode side inlet 24 is directly connected to the fuel gas tank 28 via the fuel gas supply path 26, and the anode side outlet 38 is connected to the exhaust part 122 via the fuel gas exhaust path 40.

また、本燃料電池システム120は、気液分離器84及び流量計90、96を備えておらず、代わりに、空気排気路82にはマフラ(消音器)124が設けられており、カソード側出口60はマフラ124を介して排気部126に接続されている。   The fuel cell system 120 does not include the gas-liquid separator 84 and the flow meters 90 and 96. Instead, the air exhaust path 82 is provided with a muffler (silencer) 124, and the cathode side outlet is provided. 60 is connected to the exhaust part 126 via the muffler 124.

さらに、マフラ124とカソード側出口60との間には圧力調整バルブ128が設けられており、圧力調整バルブ128を開閉すること、すなわち、圧力調整バルブ128の弁体を開閉移動させるための駆動源であるモータを駆動させることで、カソード側出口60から出るカソード排気ガスの圧力を調整できる。   Further, a pressure adjustment valve 128 is provided between the muffler 124 and the cathode side outlet 60, and a drive source for opening and closing the pressure adjustment valve 128, that is, for opening and closing the valve body of the pressure adjustment valve 128. By driving the motor, the pressure of the cathode exhaust gas coming out from the cathode side outlet 60 can be adjusted.

また、図6に示されるように、圧力調整バルブ128には弁体の開度を検出する回転角センサ130が設けられている。回転角センサ130は、上記の制御部132の入力ポートに直接又は間接的に接続されており、圧力調整バルブ128の弁体の開度に対応した電気信号(以下、この電気信号を他の電気信号と区別するため、便宜上、「バルブ開閉信号」と称する)が制御部132に入力される。   As shown in FIG. 6, the pressure adjusting valve 128 is provided with a rotation angle sensor 130 for detecting the opening degree of the valve body. The rotation angle sensor 130 is directly or indirectly connected to the input port of the control unit 132, and an electrical signal corresponding to the opening degree of the pressure regulating valve 128 (hereinafter, this electrical signal is used as another electrical signal). In order to distinguish it from the signal, for the sake of convenience, it will be referred to as a “valve opening / closing signal”).

さらに、圧力調整バルブ128は制御部132に設けられたカソードガス圧力制御器134の出力ポートにも直接又は間接的に接続されており、カソードガス圧力制御器134から出力された電気信号(以下、この電気信号を他の電気信号と区別するため、便宜上、「バルブ制御信号」と称する)に基づいて圧力調整バルブ128の弁体が開閉移動させられる。   Further, the pressure regulating valve 128 is also connected directly or indirectly to the output port of the cathode gas pressure controller 134 provided in the control unit 132, and an electric signal (hereinafter referred to as the following) output from the cathode gas pressure controller 134. In order to distinguish this electrical signal from other electrical signals, the valve body of the pressure regulating valve 128 is opened and closed based on the “valve control signal” for convenience.

また、図5に示されるように、圧力調整バルブ128とカソード側出口60との間には、圧力センサ136が設けられており、カソード側出口60から圧力調整バルブ128へ流れるカソード排気ガスの圧力が検出されている。また、圧力センサ136とカソード側出口60との間には、温度センサ138が設けられており、カソード側出口60から圧力調整バルブ128へ流れるカソード排気ガスの温度が検出されている。   Further, as shown in FIG. 5, a pressure sensor 136 is provided between the pressure adjustment valve 128 and the cathode side outlet 60, and the pressure of the cathode exhaust gas flowing from the cathode side outlet 60 to the pressure adjustment valve 128. Has been detected. Further, a temperature sensor 138 is provided between the pressure sensor 136 and the cathode side outlet 60, and the temperature of the cathode exhaust gas flowing from the cathode side outlet 60 to the pressure adjustment valve 128 is detected.

図6に示されるように、圧力センサ136及び温度センサ138は制御部132の入力ポートに直接又は間接的に接続されている。圧力センサ136からは、圧力センサ136が検出したカソード排気ガスの圧力に対応した電気信号(以下、この電気信号を他の電気信号と区別するため、便宜上、「圧力信号」と称する)が出力され、この圧力信号が制御部132に入力される。また、温度センサ138からは、温度センサ138が検出したカソード排気ガスの温度に対応した電気信号(以下、この電気信号を他の電気信号と区別するため、便宜上、「ガス温度信号」と称する)が出力され、このガス温度信号が制御部132に入力される。   As shown in FIG. 6, the pressure sensor 136 and the temperature sensor 138 are directly or indirectly connected to the input port of the control unit 132. The pressure sensor 136 outputs an electrical signal corresponding to the pressure of the cathode exhaust gas detected by the pressure sensor 136 (hereinafter referred to as “pressure signal” for the sake of convenience in order to distinguish this electrical signal from other electrical signals). The pressure signal is input to the control unit 132. Further, the temperature sensor 138 receives an electrical signal corresponding to the temperature of the cathode exhaust gas detected by the temperature sensor 138 (hereinafter referred to as “gas temperature signal” for the sake of convenience in order to distinguish this electrical signal from other electrical signals). Is output, and this gas temperature signal is input to the controller 132.

<第2の実施の形態の作用、効果>
次に、本実施の形態の作用並びに効果について説明する。
<Operation and Effect of Second Embodiment>
Next, the operation and effect of the present embodiment will be described.

本燃料電池システム120では、前記第1の実施の形態と同様に、本燃料電池システム120にて発電された電気の電流値が電流計66により検出される。電流計66では、検出した電流値に対応する電気信号、すなわち、電流値信号が出力される。この電流値信号は例えばA/D変換器等により変換されて制御部132に入力される。   In the fuel cell system 120, the current value of electricity generated by the fuel cell system 120 is detected by the ammeter 66, as in the first embodiment. The ammeter 66 outputs an electrical signal corresponding to the detected current value, that is, a current value signal. This current value signal is converted by, for example, an A / D converter or the like and input to the control unit 132.

ここで、前記第1の実施の形態では、式(1)に基づいて生成水量Wpを計算したが、一定の条件では式(1)の右辺に、電解質膜16の性質等により決まる生成水アノード非透過係数Rc(0<Rc<1)が掛け合わされ、すなわち、次の式(9)で生成水量Wpが求められる。   Here, in the first embodiment, the generated water amount Wp is calculated based on the formula (1). However, under certain conditions, the generated water anode determined on the right side of the formula (1) is determined by the properties of the electrolyte membrane 16 and the like. The non-permeability coefficient Rc (0 <Rc <1) is multiplied, that is, the generated water amount Wp is obtained by the following equation (9).

Wp[mol/s]=I[A]×S[枚数]÷2e[e]÷F [C/mol]×Rc・・・(9)
また、温度センサ138からのガス温度信号、圧力センサ136からの圧力信号、及び回転角センサ130からのバルブ開閉信号に基づいてカソード側出口60からのカソード排気ガスの流量であるカソード排気ガス流量CGsが演算される。さらに、制御部132では、流量計80からの供給流量信号に基づくカソード側入口58へ向かう空気の流量である供給空気流量AGsが演算される。
Wp [mol / s] = I [A] × S [number of sheets] ÷ 2e [e] ÷ F [C / mol] × Rc (9)
Further, the cathode exhaust gas flow rate CGs which is the flow rate of the cathode exhaust gas from the cathode side outlet 60 based on the gas temperature signal from the temperature sensor 138, the pressure signal from the pressure sensor 136, and the valve opening / closing signal from the rotation angle sensor 130. Is calculated. Further, the control unit 132 calculates a supply air flow rate AGs that is a flow rate of air toward the cathode side inlet 58 based on a supply flow rate signal from the flow meter 80.

ここで、本燃料電池システム120においてスタック12内で酸素と水蒸気以外のガス成分が変化しないとした場合、カソード排気ガスに含まれる水蒸気量とスタック12内に供給される空気に含まれる水蒸気との差、すなわち、空気がスタック12内を通過してカソード排気ガスとなることで生じる水蒸気量であるカソード56側の排出水蒸気量CVeと、消費酸素量Oe、供給空気量AGs、及びカソード排気ガス流量CGsとの間には、次の式(10)に示される関係がある。   Here, in the fuel cell system 120, when gas components other than oxygen and water vapor do not change in the stack 12, the amount of water vapor contained in the cathode exhaust gas and water vapor contained in the air supplied into the stack 12 The difference, that is, the amount of water vapor CVe exhausted on the cathode 56 side, which is the amount of water vapor generated when air passes through the stack 12 and becomes cathode exhaust gas, the amount of oxygen consumed Oe, the amount of supplied air AGs, and the cathode exhaust gas flow rate. There is a relationship represented by the following equation (10) with CGs.

CVe[mol/s]=CGs[mol/s]−(AGs[mol/s]−Oe[mol/s])・・・(10)
制御部132では、上記の式(3)に基づいて排出水蒸気量CVeが計算され、更に、上記の生成水量Wpと排出水蒸気量CVeとの差である水分量収支Wc(すなわち、Wc=Wp−CVe)が計算される。
CVe [mol / s] = CGs [mol / s] − (AGs [mol / s] −Oe [mol / s]) (10)
In the control unit 132, the discharged water vapor amount CVe is calculated based on the above equation (3), and the water amount balance Wc (that is, Wc = Wp−), which is the difference between the generated water amount Wp and the discharged water vapor amount CVe. CVe) is calculated.

このようにして水分量収支Wcが計算されると、更に、この水分量収支Wcの時間積分値である保有水分変化量Wd[mol]が計算される。さらに、前記第1の実施の形態と同様に、保有水分変化量Wd[mol]と、ある時刻での水分量計測値との和が水分量推定値として計算され、更に、水分量推定値と、ROM106から読み込まれた適正保有水分量との差が、保有水分量偏差として計算される。   When the moisture balance Wc is calculated in this way, the retained moisture change amount Wd [mol], which is a time integral value of the moisture balance Wc, is further calculated. Further, as in the first embodiment, the sum of the retained water change amount Wd [mol] and the measured amount of water at a certain time is calculated as the estimated amount of water, and the estimated amount of water The difference from the proper retained water amount read from the ROM 106 is calculated as the retained moisture amount deviation.

このようにして計算された保有水分量偏差は、前記第1の実施の形態と同様に、冷却水温度制御器100及びエアストイキ比制御器78に入力されると共に、更に、図7に示されるように、本実施の形態では、カソードガス圧力制御器134に保有水分量偏差が入力される。   The retained water amount deviation calculated in this way is input to the cooling water temperature controller 100 and the air stoichiometric ratio controller 78 as in the first embodiment, and is further shown in FIG. In addition, in the present embodiment, the retained water amount deviation is input to the cathode gas pressure controller 134.

カソードガス圧力制御器134では、保有水分量偏差に基づいてバルブ制御信号を生成して出力する。カソードガス圧力制御器134から出力されたバルブ制御信号は圧力調整バルブ128の弁体を駆動する駆動源(例えば、モータ)を駆動制御するドライバ等に入力され、これにより弁体の開度が増減される。このように弁体の開度が増減されることでカソード排気ガスの流量が増減され、この結果、カソード排気ガスの圧力が増減される。   The cathode gas pressure controller 134 generates and outputs a valve control signal based on the retained water content deviation. The valve control signal output from the cathode gas pressure controller 134 is input to a driver or the like that drives and controls a drive source (for example, a motor) that drives the valve body of the pressure regulating valve 128, thereby increasing or decreasing the opening degree of the valve body. Is done. Thus, the flow rate of the cathode exhaust gas is increased or decreased by increasing or decreasing the opening degree of the valve body. As a result, the pressure of the cathode exhaust gas is increased or decreased.

例えば、上記の保有水分量偏差が負の状態では、圧力調整バルブ128の弁体の開度が大きくなるように調整され、これにより、カソード排気ガスの圧力が増加する。このようにカソード排気ガスの圧力が増加することで、スタック12内の水分の排出が抑制され、電解質膜16の乾燥等が防止される。   For example, in the state where the retained water content deviation is negative, the opening of the pressure adjusting valve 128 is adjusted so as to increase, thereby increasing the pressure of the cathode exhaust gas. As the pressure of the cathode exhaust gas increases in this way, the discharge of moisture in the stack 12 is suppressed, and drying of the electrolyte membrane 16 is prevented.

また、上記の保有水分量偏差が正の状態では、圧力調整バルブ128の弁体の開度が小さくなるように調整され、これにより、カソード排気ガスの圧力が低下する。このようにカソード排気ガスの圧力が低下することで、水分がカソード排気ガスと共にスタック12の外部に効果的に排出される。これにより、過剰な水分がガス拡散層34や触媒層36におけるガスの流通部分(ガスチャンネル)を埋めてしまうことを防止できる。   Further, in the state where the retained water content deviation is positive, the opening of the pressure adjusting valve 128 is adjusted to be small, thereby reducing the pressure of the cathode exhaust gas. As the pressure of the cathode exhaust gas decreases in this way, moisture is effectively discharged to the outside of the stack 12 together with the cathode exhaust gas. Thereby, it is possible to prevent excessive moisture from filling gas distribution portions (gas channels) in the gas diffusion layer 34 and the catalyst layer 36.

このように、本燃料電池システム120では、保有水分量偏差に基づいてスタック12内の水分量を調節しているため、上記のような電解質膜16の乾燥や、過剰な水分がガスチャンネルを埋めてしまうという不具合の発生を極めて効果的に防止できる。これにより、本燃料電池システム120の信頼性や効率を効果的に向上させることができる。   As described above, in the fuel cell system 120, the moisture content in the stack 12 is adjusted based on the retained moisture content deviation. Therefore, the electrolyte membrane 16 is dried as described above, and excess moisture fills the gas channel. It is possible to prevent the occurrence of the problem of being extremely effective. Thereby, the reliability and efficiency of the fuel cell system 120 can be effectively improved.

また、本燃料電池システム120では、スタック12での発電量(電流計66における計測結果)、スタック12内への空気の流量(流量計80での計測結果)、及びカソード排気ガスの流量(温度センサ138、圧力センサ136、及び圧力調整バルブ128の弁体の開度)に基づいて保有水分量偏差を推定している。このため、湿度センサ等の水分量を直接検出する検出手段を用いる場合に比べ、水分凝固等に起因する誤差が極めて少ない。   Further, in the fuel cell system 120, the power generation amount in the stack 12 (measurement result in the ammeter 66), the air flow rate into the stack 12 (measurement result in the flow meter 80), and the cathode exhaust gas flow rate (temperature). Based on the sensor 138, the pressure sensor 136, and the opening degree of the valve body of the pressure adjustment valve 128, the retained water amount deviation is estimated. For this reason, the error resulting from moisture coagulation or the like is extremely small as compared with the case of using a detection means that directly detects the amount of moisture such as a humidity sensor.

これにより、得られる保有水分量偏差の信頼性が極めて高く、上記のようなスタック12内の水分量の調節を適切に行なうことができ、この意味でも、本燃料電池システム120の信頼性や効率を効果的に向上させることができる。   As a result, the reliability of the retained water content deviation obtained is extremely high, and the water content in the stack 12 can be adjusted appropriately as described above. In this sense, the reliability and efficiency of the fuel cell system 120 can be adjusted. Can be improved effectively.

<第3の実施の形態>
次に、本発明の第3の実施の形態について説明する。
<Third Embodiment>
Next, a third embodiment of the present invention will be described.

図8及び図9には、本実施の形態に係る燃料電池システム150の水分変化量推定手段としての制御部152における演算工程(各種計算手順)が前記第2の実施の形態を説明する図6及び図7に対応したブロック図により示されている。   FIG. 8 and FIG. 9 show the calculation process (various calculation procedures) in the control unit 152 as the moisture change amount estimation means of the fuel cell system 150 according to the present embodiment, explaining the second embodiment. And a block diagram corresponding to FIG.

本燃料電池システム150は、その構成が基本的に前記第2の実施の形態に係る燃料電池システム120と同じである。但し、燃料電池システム120とは異なり本燃料電池システム150はスタック12における内部抵抗を検出する内部抵抗検出器154を備えている。内部抵抗検出器154は制御部152の入力ポートに接続されており、スタック12における内部抵抗に対応した電気信号(以下、この電気信号を他の電気信号と区別するため、便宜上、「内部抵抗信号」と称する)。   The configuration of the fuel cell system 150 is basically the same as that of the fuel cell system 120 according to the second embodiment. However, unlike the fuel cell system 120, the present fuel cell system 150 includes an internal resistance detector 154 that detects the internal resistance in the stack 12. The internal resistance detector 154 is connected to the input port of the control unit 152, and an electric signal corresponding to the internal resistance in the stack 12 (hereinafter, for the sake of convenience, in order to distinguish this electric signal from other electric signals, “internal resistance signal ").

本燃料電池システム150の制御部152では、上記の内部抵抗検出器154からの内部抵抗信号に基づいてスタック12内の保有水分量が計測され、この保有水分量計測値が所謂「プラント観測信号」として水分量測定オブザーバ156に入力される。また、前記第2の実施の形態と同様に計算された水分量収支Wcは所謂「プラント入力信号」として水分量測定オブザーバ156に入力される。   The control unit 152 of the fuel cell system 150 measures the amount of water retained in the stack 12 based on the internal resistance signal from the internal resistance detector 154, and this measured amount of retained water is the so-called “plant observation signal”. Is input to the moisture measurement observer 156. Further, the moisture balance Wc calculated in the same manner as in the second embodiment is input to the moisture measurement observer 156 as a so-called “plant input signal”.

水分量測定オブザーバ156では、この保有水分量計測値と水分量収支Wcとに基づき水分量推定値が計算され、更に、ROM106から読み込まれた適正保有水分量との差が、保有水分量偏差として計算される。   In the moisture content measurement observer 156, the estimated moisture content is calculated based on the measured retained moisture content and the moisture balance Wc, and the difference from the proper retained moisture read from the ROM 106 is calculated as the retained moisture content deviation. Calculated.

ここで、水分量推定値に代わって保有水分量計測値とROM106から読み込んだ適正保有水分量との差を保有水分量偏差として計算しても構わない。しかしながら、このようにして計算された保有水分量偏差は、ノイズや計測誤差の影響が大きい。   Here, instead of the estimated amount of moisture, the difference between the measured amount of retained water and the appropriate amount of retained moisture read from the ROM 106 may be calculated as the retained moisture amount deviation. However, the retained water content deviation calculated in this way is greatly affected by noise and measurement errors.

一方、水分量収支Wcを得るにあたっても当然ノイズや計測誤差の影響がある。しかしながら、水分量収支Wcと保有水分量計測値とから水分量推定値を求める構成として所謂「プラント動特性」を織り込むことにより、単純に保有水分量計測値だけを用いる場合に比べて高い信頼性を得ることができる。   On the other hand, in obtaining the moisture balance Wc, there is naturally an influence of noise and measurement errors. However, by incorporating a so-called “plant dynamic characteristic” as a configuration for obtaining an estimated amount of moisture from the moisture balance Wc and the measured amount of retained water, higher reliability than when using only the measured amount of retained water is used. Can be obtained.

このように、本実施の形態では、前記第2の実施の形態とは異なり水分量収支Wcを時間積分せずに、保有水分量計測値、水分量収支Wc、及び適正保有水分量から保有水分量偏差が計算される。しかしながら、上記のように、保有水分量偏差の信頼性が高いため、上記のようなスタック12内の水分量の調節を適切に行なうことができ、この意味でも、本燃料電池システム150の信頼性や効率を効果的に向上させることができる。   Thus, in the present embodiment, unlike the second embodiment, the moisture content balance Wc is not integrated over time, and the retained moisture content is determined from the measured retained moisture amount, the moisture content balance Wc, and the appropriate retained moisture amount. A quantity deviation is calculated. However, as described above, since the reliability of the retained water amount deviation is high, the water amount in the stack 12 can be appropriately adjusted as described above. In this sense as well, the reliability of the fuel cell system 150 is improved. And efficiency can be improved effectively.

しかも、湿度センサ等の水分量を直接検出する検出手段を用いる場合に比べ、水分凝固等に起因する誤差が極めて少ない。したがって、得られる水分量偏差(又は、水分量収支)の信頼性が極めて高く、上記のようなスタック12内の水分量の調節を適切に行なうことができ、この意味でも、本燃料電池システム150の信頼性や効率を効果的に向上させることができる。   In addition, the error due to moisture coagulation and the like is extremely small as compared with the case of using a detection means that directly detects the amount of moisture such as a humidity sensor. Therefore, the reliability of the obtained moisture content deviation (or moisture content balance) is extremely high, and the moisture content in the stack 12 can be adjusted appropriately as described above. In this sense, the fuel cell system 150 The reliability and efficiency can be effectively improved.

<第4の実施の形態>
次に、本発明の第4の実施の形態について説明する。
<Fourth embodiment>
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described.

図10には、本実施の形態に係る燃料電池システム170の全体構成の概略が示されており、図11には本燃料電池システム170の水分変化量推定手段としての制御部172における演算工程(各種計算手順)が前記第1の実施の形態を説明する図2に対応したブロック図により示されている。   FIG. 10 shows an outline of the entire configuration of the fuel cell system 170 according to the present embodiment, and FIG. 11 shows a calculation process (in a control unit 172 as a moisture change amount estimation means of the fuel cell system 170 ( Various calculation procedures) are shown in a block diagram corresponding to FIG. 2 for explaining the first embodiment.

図10に示されるように、本燃料電池システム170は前記第2の実施の形態に係る燃料電池システム120とは異なり、温度センサ138及び圧力センサ136を備えておらず、代わりに、圧力調整バルブ128とマフラ124との間に流量計174が設けられている。流量計174は流量計80と基本的に同じ構成で、圧力調整バルブ128を通過してマフラ124へ向かうカソード排気ガスの流量を計測している。   As shown in FIG. 10, unlike the fuel cell system 120 according to the second embodiment, the present fuel cell system 170 does not include the temperature sensor 138 and the pressure sensor 136. Instead, the pressure adjustment valve A flow meter 174 is provided between 128 and the muffler 124. The flow meter 174 has basically the same configuration as the flow meter 80, and measures the flow rate of the cathode exhaust gas that passes through the pressure adjustment valve 128 and travels toward the muffler 124.

図11に示されるように、流量計174は制御部172に接続されており、流量計174から出力されたカソード排気ガスの流量に対応する電気信号(以下、この電気信号を他の電気信号と区別するため、便宜上、「排気流量信号」と称する)が直接又はA/D変換器等を介して制御部172に入力される構成となっている。   As shown in FIG. 11, the flow meter 174 is connected to the control unit 172, and an electric signal corresponding to the flow rate of the cathode exhaust gas output from the flow meter 174 (hereinafter, this electric signal is referred to as another electric signal). In order to make a distinction, for the sake of convenience, the “exhaust flow rate signal” is input to the control unit 172 directly or via an A / D converter or the like.

また、本燃料電池システム170では、圧力調整バルブ128と流量計174との間に加湿手段としての加湿装置176が設けられており、圧力調整バルブ128から流量計174に向かうカソード排気ガスが通過する。   Further, in the fuel cell system 170, a humidifier 176 as a humidifying means is provided between the pressure adjustment valve 128 and the flow meter 174, and the cathode exhaust gas from the pressure adjustment valve 128 toward the flow meter 174 passes. .

また、加湿装置176はエアコンプレッサ74からカソード側入口58へ向かう空気が通過し、カソード排気ガスに含まれる水分の一部又は全部が加湿装置176により吸収される。さらに、カソード排気ガスから吸収した水分又は加湿装置176に設けられた図示しない貯水部に予め溜められた水がエアコンプレッサ74からカソード側入口58へ向かう空気に湿気として付与される。   The humidifier 176 passes air from the air compressor 74 toward the cathode side inlet 58, and part or all of the moisture contained in the cathode exhaust gas is absorbed by the humidifier 176. Further, moisture absorbed from the cathode exhaust gas or water stored in advance in a water storage unit (not shown) provided in the humidifier 176 is given to the air from the air compressor 74 toward the cathode side inlet 58 as moisture.

本燃料電池システム170の制御部172では、流量計174によってカソード排気ガスの流量が計測され、流量計174からの排気流量信号に基づいて制御部172ではカソード排気ガス出口流量が計算される。このカソード排気ガス出口流量計算結果は、前記第2の実施の形態と同様に、水分量収支Wcの計算に供される。   In the control unit 172 of the fuel cell system 170, the flow rate of the cathode exhaust gas is measured by the flow meter 174, and based on the exhaust flow rate signal from the flow meter 174, the control unit 172 calculates the cathode exhaust gas outlet flow rate. This cathode exhaust gas outlet flow rate calculation result is used for the calculation of the moisture balance Wc, as in the second embodiment.

さらに、本燃料電池システム170では、流量計174からの排気流量信号に基づくカソード排気ガス出口流量の計算結果と、流量計80からの供給流量信号に基づく空気流入量の計算結果との差が計算される。すなわち、流量計174の計測結果は、スタック12内で生じた水分を含むカソード排気ガスの流量であるのに対し、流量計80の計測結果は空気がスタック12に供給される前の状態での流量である。したがって、その差はカソード排気ガスに含まれるスタック12内で生じた水分の量、すなわち、前記第2の実施の形態でスタック12の内部抵抗に基づき計算された保有水分量に他ならない。   Further, in the present fuel cell system 170, the difference between the calculation result of the cathode exhaust gas outlet flow rate based on the exhaust flow rate signal from the flow meter 174 and the calculation result of the air inflow amount based on the supply flow rate signal from the flow meter 80 is calculated. Is done. That is, the measurement result of the flow meter 174 is the flow rate of the cathode exhaust gas containing moisture generated in the stack 12, whereas the measurement result of the flow meter 80 is the state before the air is supplied to the stack 12. Flow rate. Therefore, the difference is nothing but the amount of moisture generated in the stack 12 included in the cathode exhaust gas, that is, the amount of retained moisture calculated based on the internal resistance of the stack 12 in the second embodiment.

このように、本燃料電池システム170では、その検出のための手段が異なるものの現状の保有水分量と適正保有水分量、及び水分量収支Wcからエアコンプレッサ74及び流量計174よりもスタック12側における保有水分量偏差が計算されることになる。   As described above, in the present fuel cell system 170, although the means for detecting the fuel cell system 170 are different, the current moisture content and the proper moisture content and the moisture balance Wc are closer to the stack 12 than the air compressor 74 and the flow meter 174. The retained water content deviation will be calculated.

したがって、この保有水分量偏差に基づいて、冷却水温度制御器100、エアストイキ比制御器78、及びカソードガス圧力制御器134等を制御することで、特別に加湿装置176を制御しなくても電解質膜16の乾燥や、過剰な水分がガスチャンネルを埋めてしまうという不具合の発生を極めて効果的に防止できる。これにより、本燃料電池システム170の信頼性や効率を効果的に向上させることができる。   Therefore, by controlling the cooling water temperature controller 100, the air stoichiometric ratio controller 78, the cathode gas pressure controller 134, and the like based on this retained water amount deviation, the electrolyte can be controlled without specially controlling the humidifier 176. Generation | occurrence | production of the malfunction that drying of the film | membrane 16 and an excess water fills a gas channel can be prevented very effectively. Thereby, the reliability and efficiency of the fuel cell system 170 can be effectively improved.

<第5の実施の形態>
次に、本発明の第5の実施の形態について説明する。
<Fifth embodiment>
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described.

図12には、本実施の形態に係る燃料電池システム190の全体構成の概略が示されている。   FIG. 12 shows an outline of the overall configuration of the fuel cell system 190 according to the present embodiment.

この図に示されるように、本燃料電池システム190は基本的に前記第2の実施の形態に係る燃料電池システム120と同じ構成である。但し、図12に示されるように、本燃料電池システム190では、流量計80とエアコンプレッサ74との間と、圧力調整バルブ128とマフラ124との間が繋がっている。このため、本燃料電池システム190では、カソード側出口60から排気されて圧力調整バルブを通過したカソード排気ガスの一部又は全部を、流量計80とエアコンプレッサ74との間に供給できる構成となっている。   As shown in this figure, the fuel cell system 190 has basically the same configuration as the fuel cell system 120 according to the second embodiment. However, as shown in FIG. 12, in the fuel cell system 190, the flow meter 80 and the air compressor 74 are connected, and the pressure adjustment valve 128 and the muffler 124 are connected. For this reason, the present fuel cell system 190 is configured such that a part or all of the cathode exhaust gas exhausted from the cathode side outlet 60 and passed through the pressure adjustment valve can be supplied between the flow meter 80 and the air compressor 74. ing.

また、本燃料電池システム190は、循環バルブ192を備えており、循環バルブ192の弁体の開度に応じて圧力調整バルブ128を通過したカソード排気ガスの、流量計80とエアコンプレッサ74との間への供給量を調節できる構成となっている。   Further, the fuel cell system 190 includes a circulation valve 192, and the cathode exhaust gas that has passed through the pressure adjustment valve 128 according to the opening degree of the valve body of the circulation valve 192 includes the flow meter 80 and the air compressor 74. It is configured to be able to adjust the amount of supply to the space.

一方、図13に示されるように、本燃料電池システム190の水分変化量推定手段としての制御部194は、基本的に前記第2の実施の形態に係る燃料電池システム120の制御部132と同じである。但し、制御部132とは異なり制御部194では、流量計80が制御部194に接続されていない。   On the other hand, as shown in FIG. 13, the control unit 194 as the moisture change amount estimating means of the fuel cell system 190 is basically the same as the control unit 132 of the fuel cell system 120 according to the second embodiment. It is. However, unlike the control unit 132, in the control unit 194, the flow meter 80 is not connected to the control unit 194.

代わりに、本燃料電池システム190の制御部194の入力ポートには、速度検出器196が制御部194に接続されている。速度検出器196は、エアコンプレッサ74のモータ76の回転速度を検出しており、モータ76の回転速度に応じた電気信号(以下、この電気信号を他の電気信号と区別するため、便宜上、「速度検出信号」と称する)を出力する。速度検出器196から出力された速度検出信号に基づいてカソード側入口58に供給される空気の量が計算される。   Instead, a speed detector 196 is connected to the control unit 194 at an input port of the control unit 194 of the fuel cell system 190. The speed detector 196 detects the rotation speed of the motor 76 of the air compressor 74, and an electric signal corresponding to the rotation speed of the motor 76 (hereinafter, this electric signal is distinguished from other electric signals. Output speed detection signal). Based on the speed detection signal output from the speed detector 196, the amount of air supplied to the cathode side inlet 58 is calculated.

本燃料電池システム190では、上記のようにスタック12内で生じた水分を含むカソード排気ガスが、カソード側入口58へ向かう空気に供給されることで、スタック12内で生じてカソード排気ガスと共に排出された水分がカソード側入口58へ向かう空気に付与され、これにより、空気の湿度が上昇する。このように、本燃料電池システム190では、加湿装置176を設けなくても、カソード側入口58に向かう空気に水分を付与できるため、装置構成を簡素化できる。   In the present fuel cell system 190, the cathode exhaust gas containing moisture generated in the stack 12 as described above is supplied to the air toward the cathode side inlet 58, so that it is generated in the stack 12 and discharged together with the cathode exhaust gas. The moisture thus applied is imparted to the air toward the cathode side inlet 58, thereby increasing the humidity of the air. As described above, in the fuel cell system 190, since moisture can be imparted to the air toward the cathode side inlet 58 without providing the humidifying device 176, the device configuration can be simplified.

また、前記第2の実施の形態と同様に保有水分量偏差が計算されるため、保有水分量偏差に基づいて、冷却水温度制御器100、エアストイキ比制御器78、及びカソードガス圧力制御器134等を制御することで、圧力調整バルブ128を通過したカソード排気ガスに含まれる水分量を適切に調節でき、この結果、エアコンプレッサ74からカソード側入口58に向かう空気に含まれる水分量を適切に調節できる。   Further, since the retained water amount deviation is calculated as in the second embodiment, the cooling water temperature controller 100, the air stoichiometric ratio controller 78, and the cathode gas pressure controller 134 are based on the retained water amount deviation. Etc., the amount of water contained in the cathode exhaust gas that has passed through the pressure adjustment valve 128 can be adjusted appropriately. As a result, the amount of water contained in the air from the air compressor 74 toward the cathode side inlet 58 can be appropriately adjusted. Can be adjusted.

これにより、電解質膜16の乾燥や、過剰な水分がガスチャンネルを埋めてしまうという不具合の発生を極めて効果的に防止でき、本燃料電池システム190の信頼性や効率を効果的に向上させることができる。   Accordingly, it is possible to extremely effectively prevent the problem that the electrolyte membrane 16 is dried and excessive moisture fills the gas channel, and the reliability and efficiency of the fuel cell system 190 can be effectively improved. it can.

本発明の第1の実施の形態に係る燃料電池システムの全体構成の概略を示す図である。1 is a diagram showing an outline of the overall configuration of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施の形態に係る燃料電池システムの制御部の入力ポート側での概略を示す図である。It is a figure which shows the outline by the side of the input port of the control part of the fuel cell system which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態に係る燃料電池システムの制御部の出力ポート側での概略を示す図である。It is a figure which shows the outline by the side of the output port of the control part of the fuel cell system which concerns on the 1st Embodiment of this invention. セルの構成の概略を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the outline of a structure of a cell. 本発明の第2の実施の形態に係る燃料電池システムの全体構成の概略を示す図である。It is a figure which shows the outline of the whole structure of the fuel cell system which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施の形態に係る燃料電池システムの制御部の入力ポート側での概略を示す図である。It is a figure which shows the outline by the side of the input port of the control part of the fuel cell system which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施の形態に係る燃料電池システムの制御部の出力ポート側での概略を示す図である。It is a figure which shows the outline by the side of the output port of the control part of the fuel cell system which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施の形態に係る燃料電池システムの制御部の入力ポート側での概略を示す図である。It is a figure which shows the outline by the side of the input port of the control part of the fuel cell system which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施の形態に係る燃料電池システムの制御部の出力ポート側での概略を示す図である。It is a figure which shows the outline by the side of the output port of the control part of the fuel cell system which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施の形態に係る燃料電池システムの全体構成の概略を示す図である。It is a figure which shows the outline of the whole structure of the fuel cell system which concerns on the 4th Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施の形態に係る燃料電池システムの制御部の入力ポート側での概略を示す図である。It is a figure which shows the outline by the side of the input port of the control part of the fuel cell system which concerns on the 4th Embodiment of this invention. 本発明の第5の実施の形態に係る燃料電池システムの全体構成の概略を示す図である。It is a figure which shows the outline of the whole structure of the fuel cell system which concerns on the 5th Embodiment of this invention. 本発明の第5の実施の形態に係る燃料電池システムの制御部の入力ポート側での概略を示す図である。It is a figure which shows the outline by the side of the input port of the control part of the fuel cell system which concerns on the 5th Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

10 燃料電池システム
12 スタック(燃料電池)
16 電解質膜
18 アノード
32 制御部(水分変化量推定手段)
56 カソード
68 空気供給路(供給路)
82 空気排気路(排気路)
120 燃料電池システム
132 制御部(水分変化量推定手段)
150 燃料電池システム
152 制御部(水分変化量推定手段)
170 燃料電池システム
172 制御部(水分変化量推定手段)
190 燃料電池システム
194 制御部(水分変化量推定手段)
10 Fuel cell system 12 Stack (fuel cell)
16 Electrolyte membrane 18 Anode 32 Control unit (moisture change amount estimation means)
56 Cathode 68 Air supply path (supply path)
82 Air exhaust passage (exhaust passage)
120 Fuel Cell System 132 Control Unit (Moisture Change Estimation Unit)
150 Fuel Cell System 152 Control Unit (Moisture Change Estimation Unit)
170 Fuel Cell System 172 Control Unit (Moisture Change Estimation Unit)
190 Fuel Cell System 194 Control Unit (Moisture Change Estimation Unit)

Claims (4)

固体高分子を含めて構成された電解質膜を介してアノード及びカソードが対向配置され、アノード側スタック入口から水素を含む燃料ガスを前記アノード側に供給すると共に、カソード側スタック入口から酸素を含む酸化ガスを前記カソード側に供給することにより電気化学反応で発電する燃料電池スタックを含めて構成した燃料電池システムであって、
前記燃料電池スタックにおける水素イオンと電子と酸素との電気化学反応により生成された生成水の量が、前記燃料電池スタックで発電した電気の電流量に比例する関係にあることから、前記生成水量を前記電流量に基づき推定すると共に、前記燃料電池スタックに供給された前記酸化ガスのうち前記電気化学反応で消費された酸素の量である消費酸素量が、前記燃料電池スタックで発電した電気の電流量に比例する関係にあることから、前記消費酸素量を前記電流量に基づいて推定し、
前記生成水のうち前記酸化ガスと共に前記燃料電池スタックから水蒸気として排出されるカソード側の排出水蒸気の量を、前記燃料電池スタックからの前記酸化ガスの排出量と前記消費酸素量とを加えた値と前記燃料電池スタックに供給された前記酸化ガスの供給量との差異から推定し、
前記生成水の量と前記カソード側の排出水蒸気量との差異を前記燃料電池スタック内に残留した水分量として前記燃料電池スタック内における水分の変化量を推定する水分変化量推定手段を備える、
ことを特徴とする燃料電池システム。
An anode and a cathode are arranged opposite to each other through an electrolyte membrane configured to include a solid polymer, and a fuel gas containing hydrogen is supplied to the anode side from the anode side stack inlet, and an oxygen containing oxygen is supplied from the cathode side stack inlet. A fuel cell system configured to include a fuel cell stack that generates electricity by an electrochemical reaction by supplying gas to the cathode side,
Since the amount of generated water generated by the electrochemical reaction of hydrogen ions, electrons and oxygen in the fuel cell stack is proportional to the amount of electric current generated by the fuel cell stack, the amount of generated water is Based on the amount of current, the amount of oxygen consumed, which is the amount of oxygen consumed by the electrochemical reaction in the oxidizing gas supplied to the fuel cell stack, is the electric current generated by the fuel cell stack. Since the relationship is proportional to the amount, the amount of oxygen consumed is estimated based on the amount of current,
A value obtained by adding the discharge amount of the oxidizing gas from the fuel cell stack and the oxygen consumption amount to the amount of the discharge water vapor on the cathode side discharged as water vapor from the fuel cell stack together with the oxidizing gas in the generated water. And the difference between the supply amount of the oxidizing gas supplied to the fuel cell stack,
A moisture change amount estimating means for estimating a change amount of moisture in the fuel cell stack by using a difference between the amount of generated water and the amount of water vapor discharged on the cathode side as a moisture amount remaining in the fuel cell stack;
A fuel cell system.
前記水分変化量推定手段は、
記生成水量をWp、前記消費酸素量をOe、前記燃料電池スタックに供給された酸化ガス量をAs、及び前記燃料電池スタックから排出された酸化ガス量をGsとした場合、前記燃料電池スタック内の水分の変化量Wcを、
Wc=As−Gs+Wp−Oe
の式に基づいて計算する、
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
The moisture change amount estimation means includes:
The pre-Symbol water quantity Wp, said consumption acid quantal Oe, when the aforementioned fuel cell stack supplied oxidation gas amount As, and an oxidizing gas amount discharged from the fuel cell stack and Gs, the fuel The amount of water change Wc in the battery stack is
Wc = As−Gs + Wp−Oe
Calculate based on the formula of
The fuel cell system according to claim 1.
前記燃料電池スタックに供給された前記燃料ガスのうち前記電気化学反応で消費された水素の量である消費水素量が、前記燃料電池スタックで発電した電気の電流量に比例する関係にあることから、前記消費水素量を前記電流量に基づいて推定し、
前記生成水のうち前記燃料ガスと共に前記燃料電池スタックから水蒸気として排出されるアノード側の排出水蒸気の量を、前記燃料電池スタックからの前記燃料ガスの排出量と前記消費水素量とを加えた値と前記燃料電池スタックに供給された前記燃料ガスの供給量との差異から推定し、
前記生成水量と前記カソード側の排出水蒸気の量と前記アノード側の排出水蒸気の量とから前記水分変化量推定手段が前記燃料電池スタック内における水分の変化量を推定する、
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
From the fuel gas supplied to the fuel cell stack, the amount of hydrogen consumed, which is the amount of hydrogen consumed in the electrochemical reaction, is proportional to the amount of electricity generated by the fuel cell stack. , Estimating the amount of hydrogen consumed based on the amount of current,
A value obtained by adding the amount of water vapor discharged from the fuel cell stack together with the fuel gas and the amount of water consumed in the generated water to the amount of hydrogen gas consumed from the fuel cell stack. And the difference between the supply amount of the fuel gas supplied to the fuel cell stack,
The moisture change amount estimating means estimates the amount of change of moisture in the fuel cell stack from the amount of generated water, the amount of discharged steam on the cathode side, and the amount of discharged steam on the anode side ;
The fuel cell system according to claim 1.
前記燃料電池スタックに供給する酸化ガスの流路である供給路と前記燃料電池スタックから排出された酸化ガスの流路である排気路とを接続し、前記燃料電池スタックから排出された酸化ガスを前記供給路に供給可能にすると共に、前記供給路の前記排気路との接続部分よりも前記燃料電池スタック側に前記供給路の酸化ガスを前記燃料電池スタックに供給する酸化ガス供給手段を備え、
更に、前記酸化ガス供給手段の駆動力の大きさから前記水分変化量推定手段が前記燃料電池スタックへの前記酸化ガスの供給量を算出する、
ことを特徴とする請求項1乃至請求項3の何れか1項に記載の燃料電池システム。
A supply path, which is a flow path for oxidizing gas supplied to the fuel cell stack, and an exhaust path, which is a flow path for oxidizing gas discharged from the fuel cell stack, are connected, and the oxidizing gas discharged from the fuel cell stack is An oxidant gas supply means for supplying the oxidant gas in the supply path to the fuel cell stack on the fuel cell stack side than the connection part of the supply path with the exhaust path is provided.
Further, the moisture change amount estimating means calculates the supply amount of the oxidizing gas to the fuel cell stack from the magnitude of the driving force of the oxidizing gas supply means.
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein
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