JP4973138B2 - 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り電気エネルギを発生させる燃料電池を備える燃料電池システムに関するもので、車両、船舶及びポータブル発電機等の移動体用発電機に適用して有効である。   The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell that generates electrical energy by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, and is effective when applied to a mobile generator such as a vehicle, a ship, and a portable generator. .

固体高分子型燃料電池は、燃料電池内部の電解質膜の導電率を維持するために加湿する必要がある。燃料電池の内部水分量が少なく電解質膜が乾燥している場合には、内部抵抗が大きくなり燃料電池の出力電圧が低下する。一方、燃料電池の内部水分量が過剰である場合には、燃料電池の電極が水分で覆われてしまうため、反応物質である酸素、水素の拡散が阻害され、出力電圧が低下する。   The polymer electrolyte fuel cell needs to be humidified in order to maintain the conductivity of the electrolyte membrane inside the fuel cell. When the amount of moisture in the fuel cell is small and the electrolyte membrane is dry, the internal resistance increases and the output voltage of the fuel cell decreases. On the other hand, when the internal water content of the fuel cell is excessive, the electrode of the fuel cell is covered with water, so that the diffusion of oxygen and hydrogen as reactants is hindered, and the output voltage decreases.

このため、燃料電池の内部水分量を診断する方法として、燃料電池の発電電力または空気流量の変化時にセル電圧が閾値を超えた場合に、フラッディングあるいはドライアップが発生したと診断する方法(特許文献1参照)や、セル電圧の偏差から外れたセルがある場合に、フラッディングあるいはドライアップが発生したと診断する方法(特許文献2参照)が提案されている。
特開2005−228688号公報 特開2005−108673号公報
For this reason, as a method of diagnosing the internal moisture content of the fuel cell, a method of diagnosing that flooding or dry-up has occurred when the cell voltage exceeds a threshold when the generated power or air flow rate of the fuel cell changes (Patent Document) 1) and a method of diagnosing that flooding or dry-up has occurred when there is a cell that is not within the deviation of the cell voltage (see Patent Document 2).
JP 2005-228688 A JP 2005-108673 A

しかしながら、特許文献1、2の水分診断方法では、セル電圧の変化に基づいて燃料電池の内部水分状態を診断するため、燃料電池の内部水分量が大きく変化しないと、セル電圧の変化に現れてこないため、燃料電池の内部水分状態を正確に診断することが困難であるという問題がある。   However, in the moisture diagnosis methods of Patent Documents 1 and 2, since the internal moisture state of the fuel cell is diagnosed based on the change in the cell voltage, if the internal moisture content of the fuel cell does not change significantly, it appears in the change in the cell voltage. Therefore, there is a problem that it is difficult to accurately diagnose the internal moisture state of the fuel cell.

本発明は上記点に鑑み、燃料電池の内部水分状態を正確に診断することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。   In view of the above points, an object of the present invention is to provide a fuel cell system that can accurately diagnose the internal moisture state of a fuel cell.

上記目的を達成するため、本発明の特徴は、酸化剤ガスと燃料ガスを電気化学反応させて電気エネルギーを発生させる固体高分子電解質型の燃料電池(10)と、燃料電池(10)の出力電流を検出する電流検出手段(12)と、燃料電池(10)の出力電圧を検出する電圧検出手段(13)とを備える燃料電池システムであって、 燃料電池(10)の出力電流を所定の変化率で変化させる電流制御手段と、燃料電池(10)の出力電流の時間的変化に対する出力電圧の変化率を取得する電圧変化率測定手段と、出力電流の変化率に対応する出力電圧の基準変化率を取得する基準変化率取得手段と、取得された基準変化率と取得された出力電圧の変化率との差に基づいて燃料電池(10)の水素極で発生するコンデンサ成分の静電容量を取得する静電容量取得手段と、コンデンサ成分の静電容量に基づいて燃料電池(10)の水素極側における内部水分量を診断する内部水分量診断手段とを備え、静電容量取得手段は、基準変化率と出力電圧の変化率との差と、燃料電池(10)の水素極で発生するコンデンサ成分の静電容量との間のマップ化された関係を用いて、取得された基準変化率と取得された出力電圧の変化率との差に基づいて燃料電池(10)の水素極で発生するコンデンサ成分の静電容量を取得することを特徴としている。 In order to achieve the above object, the present invention is characterized by a solid polymer electrolyte type fuel cell (10) that generates an electric energy by electrochemical reaction of an oxidant gas and a fuel gas, and an output of the fuel cell (10). A fuel cell system comprising current detection means (12) for detecting current and voltage detection means (13) for detecting output voltage of the fuel cell (10), wherein the output current of the fuel cell (10) Current control means for changing at a rate of change; voltage change rate measuring means for obtaining a rate of change of the output voltage with respect to a temporal change in the output current of the fuel cell (10); Capacitance of the capacitor component generated at the hydrogen electrode of the fuel cell (10) based on the difference between the reference change rate acquisition means for acquiring the change rate and the difference between the acquired reference change rate and the acquired output voltage change rate Get And an internal moisture amount diagnostic means for diagnosing the internal moisture content on the hydrogen electrode side of the fuel cell (10) based on the capacitance of the capacitor component , Using the mapped relationship between the difference between the rate of change and the rate of change of the output voltage and the capacitance of the capacitor component generated at the hydrogen electrode of the fuel cell (10), The capacitance of the capacitor component generated at the hydrogen electrode of the fuel cell (10) is acquired based on the difference from the obtained change rate of the output voltage .

このように、燃料電池(10)の出力電流変化時における出力電圧変化率を求め、水素極のコンデンサ成分の静電容量の変化を求めることで、燃料電池の内部水分量、特に水素極の三相界面に存在する水分量を正確に診断することができる。なお、燃料電池(10)が複数のセル(100)を積層されたスタック構造の場合には、電圧変化率測定手段により各セルの電圧変化率を測定してもよく、あるいは複数のセルを一組にしたブロック毎に電圧変化率を測定してもよい。各セルの電圧変化率を測定する場合には、各セルの水分量を診断でき、複数のセルからなるブロック毎に電圧変化率を測定する場合には、ブロック毎の水分量を診断することができる。   In this way, the output voltage change rate when the output current of the fuel cell (10) changes is obtained, and the change in the capacitance of the capacitor component of the hydrogen electrode is obtained, so that the internal moisture content of the fuel cell, particularly the three of the hydrogen electrode, The amount of water present at the phase interface can be accurately diagnosed. When the fuel cell (10) has a stack structure in which a plurality of cells (100) are stacked, the voltage change rate of each cell may be measured by the voltage change rate measuring means, or a plurality of cells may be integrated. You may measure a voltage change rate for every block made into a group. When measuring the voltage change rate of each cell, the moisture content of each cell can be diagnosed. When measuring the voltage change rate for each block consisting of a plurality of cells, the moisture content of each block can be diagnosed. it can.

また、内部水分量診断手段は、燃料電池(10)の水素極側における内部水分量と燃料電池(10)の電解質膜(101)の水分量勾配に基づいて燃料電池(10)全体の内部水分量を診断することができる。   Further, the internal water content diagnosis means is configured to determine the internal water content of the entire fuel cell (10) based on the internal water content on the hydrogen electrode side of the fuel cell (10) and the water content gradient of the electrolyte membrane (101) of the fuel cell (10). The amount can be diagnosed.

また、電流制御手段は、燃料電池(10)の負荷変動時において、出力電流の変動初期における電流変化率を所定変化率に制御することで、負荷変動時に内部水分量の診断を行うことができる。さらに、燃料電池(10)の電流変化率に対する電圧変化率のずれが大きくなる電流変化率を実験的に求めておき、その電流変化率を所定電流変化率とすることで、燃料電池の内部水分量をより正確に診断することができる。   Further, the current control means can diagnose the internal water content at the time of load fluctuation by controlling the current change rate at the initial stage of fluctuation of the output current to a predetermined change rate at the time of load fluctuation of the fuel cell (10). . Furthermore, the current change rate at which the deviation of the voltage change rate with respect to the current change rate of the fuel cell (10) becomes large is obtained experimentally, and the current change rate is set to a predetermined current change rate, whereby the internal moisture of the fuel cell is determined. The amount can be diagnosed more accurately.

また、燃料電池(10)の温度を検出する温度検出手段(44)と、燃料電池温度に基づいて基準変化率と出力電圧の変化率とを補正する補正手段とを設けることで、燃料電池(10)の温度が変化した場合にも、燃料電池の内部水分量を正確に診断することができる。   Further, by providing temperature detecting means (44) for detecting the temperature of the fuel cell (10) and correcting means for correcting the reference change rate and the output voltage change rate based on the fuel cell temperature, the fuel cell ( Even when the temperature of 10) changes, the internal moisture content of the fuel cell can be accurately diagnosed.

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。   In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.

(第1実施形態)
本発明の第1実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。図1は本実施形態に係る燃料電池システムを示す模式図で、この燃料電池システムは例えば電気自動車に適用される。
(First embodiment)
A fuel cell system according to a first embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a schematic diagram showing a fuel cell system according to this embodiment, and this fuel cell system is applied to, for example, an electric vehicle.

図1に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池10を備えている。この燃料電池10は、電力機器11や2次電池(図示せず)等に電力を供給するように構成されている。電気自動車の場合、車両走行駆動源としての電動モータが電力機器11に相当する。   As shown in FIG. 1, the fuel cell system of this embodiment includes a fuel cell 10 that generates electric power by utilizing an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. The fuel cell 10 is configured to supply power to the power device 11 and a secondary battery (not shown). In the case of an electric vehicle, an electric motor as a vehicle driving source corresponds to the electric power device 11.

本実施形態では燃料電池10として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となるセルが複数個積層され、且つ電気的に直列接続されている。セルの構成については後述する。燃料電池10では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギが発生する。   In the present embodiment, a solid polymer electrolyte fuel cell is used as the fuel cell 10, and a plurality of cells serving as basic units are stacked and electrically connected in series. The configuration of the cell will be described later. In the fuel cell 10, the following electrochemical reaction between hydrogen and oxygen occurs to generate electric energy.

(水素極:アノード)H2→2H++2e-
(空気極:カソード)2H++1/2O2+2e-→H2
燃料電池システムには、燃料電池10の出力電流を検出する電流センサ12と、各セル毎の出力電圧を検出するセルモニタ13が設けられている。電流センサ12で検出した電流信号とセルモニタ13で検出したセル電圧信号は、後述する制御部50に入力されるようになっている。
(Hydrogen electrode: anode) H 2 → 2H + + 2e
(Air electrode: cathode) 2H + + 1 / 2O 2 + 2e → H 2 O
The fuel cell system is provided with a current sensor 12 that detects an output current of the fuel cell 10 and a cell monitor 13 that detects an output voltage for each cell. The current signal detected by the current sensor 12 and the cell voltage signal detected by the cell monitor 13 are input to the control unit 50 described later.

燃料電池システムには、燃料電池10の空気極(正極)側に空気(酸素)を供給するための空気流路20と、燃料電池10の水素極(負極)側に水素を供給するための水素流路30が設けられている。なお、空気は本発明の酸化剤ガスに相当し、水素は本発明の燃料ガスに相当する。   The fuel cell system includes an air flow path 20 for supplying air (oxygen) to the air electrode (positive electrode) side of the fuel cell 10 and hydrogen for supplying hydrogen to the hydrogen electrode (negative electrode) side of the fuel cell 10. A flow path 30 is provided. Air corresponds to the oxidant gas of the present invention, and hydrogen corresponds to the fuel gas of the present invention.

空気流路20の最上流部には、大気中から吸入した空気を燃料電池10に圧送するための空気供給装置21が設けられている。空気供給装置21としては、例えばコンプレッサを用いることができる。空気流路20における空気供給装置21と燃料電池10との間には、空気への加湿を行う加湿器22が設けられ、空気流路20における燃料電池10の下流側には、燃料電池10に供給される空気の圧力を調整するための空気調圧弁23が設けられている。   An air supply device 21 for pumping air sucked from the atmosphere to the fuel cell 10 is provided at the most upstream portion of the air flow path 20. For example, a compressor can be used as the air supply device 21. A humidifier 22 that humidifies the air is provided between the air supply device 21 and the fuel cell 10 in the air flow path 20, and the fuel cell 10 is disposed downstream of the fuel cell 10 in the air flow path 20. An air pressure regulating valve 23 for adjusting the pressure of the supplied air is provided.

水素流路30の最上流部には、水素供給装置31が設けられている。本実施形態では、水素供給装置31として、水素が充填された高圧水素タンクを用いている。水素供給装置31からの燃料電池10への水素供給量の調整は、後述の制御部50により行われる。水素流路30における燃料電池10の下流側は、燃料電池10の上流側に接続されて水素流路30が閉ループに構成されている。これにより、水素流路30内で水素を循環させて、燃料電池10での未使用水素を燃料電池10に再供給するようにしている。そして、水素流路30における燃料電池10の下流側には、水素流路30内で水素を循環させるための水素ポンプ32が設けられている。   A hydrogen supply device 31 is provided at the most upstream part of the hydrogen flow path 30. In the present embodiment, a high-pressure hydrogen tank filled with hydrogen is used as the hydrogen supply device 31. Adjustment of the hydrogen supply amount from the hydrogen supply device 31 to the fuel cell 10 is performed by the control unit 50 described later. The downstream side of the fuel cell 10 in the hydrogen channel 30 is connected to the upstream side of the fuel cell 10 so that the hydrogen channel 30 is configured in a closed loop. Thus, hydrogen is circulated in the hydrogen flow path 30 so that unused hydrogen in the fuel cell 10 is resupplied to the fuel cell 10. A hydrogen pump 32 for circulating hydrogen in the hydrogen flow path 30 is provided on the downstream side of the fuel cell 10 in the hydrogen flow path 30.

燃料電池10は発電効率確保のために運転中一定温度(例えば80℃程度)に維持する必要がある。このため、燃料電池10を冷却するための冷却システムが設けられている。冷却システムには、燃料電池10に冷却水(冷却媒体)を循環させる冷却水経路40、冷却水を循環させるウォータポンプ41、ファン42を備えたラジエータ43が設けられている。冷却水経路40における燃料電池10の出口側近傍には、燃料電池10から流出した冷却水の温度を検出する温度検出手段としての温度センサ44が設けられている。この温度センサ44により冷却水温度を検出することで、燃料電池10の温度を間接的に検出することができる。   The fuel cell 10 needs to be maintained at a constant temperature (for example, about 80 ° C.) during operation to ensure power generation efficiency. For this reason, a cooling system for cooling the fuel cell 10 is provided. The cooling system is provided with a cooling water path 40 that circulates cooling water (cooling medium) in the fuel cell 10, a water pump 41 that circulates the cooling water, and a radiator 43 that includes a fan 42. In the vicinity of the outlet side of the fuel cell 10 in the cooling water path 40, a temperature sensor 44 is provided as a temperature detecting means for detecting the temperature of the cooling water flowing out from the fuel cell 10. By detecting the cooling water temperature by the temperature sensor 44, the temperature of the fuel cell 10 can be indirectly detected.

制御部(ECU)50は、CPU、ROM、RAM等からなる周知のマイクロコンピュータとその周辺回路にて構成されている。そして、制御部50には、電流センサ12からの電流信号、セルモニタ13からのセル電圧信号、温度センサ44からの温度信号等が入力される。また、燃料電池制御部50は、演算結果に基づいて、空気供給装置21、加湿器22、空気調圧弁23、水素ポンプ32等に制御信号を出力する。   The control unit (ECU) 50 includes a well-known microcomputer including a CPU, a ROM, a RAM, and the like and its peripheral circuits. The controller 50 receives a current signal from the current sensor 12, a cell voltage signal from the cell monitor 13, a temperature signal from the temperature sensor 44, and the like. Further, the fuel cell control unit 50 outputs a control signal to the air supply device 21, the humidifier 22, the air pressure regulating valve 23, the hydrogen pump 32, and the like based on the calculation result.

図2は、燃料電池10を構成するセル100の構成を示す模式図である。図3は、セル100の水素極側を拡大した模式図である。図2に示すように、セル100は、電解質膜101、水素極側拡散層102、空気極側拡散層103、セパレータ104を備えている。拡散層102、103は電極を構成している。電解質膜101の両面側には拡散層102、103とが配置されており、各拡散層102、103の外側には、セパレータ104が配置されている。電解質膜101と拡散層102、103との境界面には触媒が設けられている。   FIG. 2 is a schematic diagram showing the configuration of the cell 100 constituting the fuel cell 10. FIG. 3 is an enlarged schematic view of the hydrogen electrode side of the cell 100. As shown in FIG. 2, the cell 100 includes an electrolyte membrane 101, a hydrogen electrode side diffusion layer 102, an air electrode side diffusion layer 103, and a separator 104. The diffusion layers 102 and 103 constitute an electrode. Diffusion layers 102 and 103 are disposed on both sides of the electrolyte membrane 101, and a separator 104 is disposed outside each diffusion layer 102 and 103. A catalyst is provided on the boundary surface between the electrolyte membrane 101 and the diffusion layers 102 and 103.

図3に示すように、電解質膜101と拡散層102と触媒105との三相界面では、水素分子がプロトンと電子に分離する反応が起こる。この反応が起こるためには、三相界面に水分が存在している必要がある。このとき、水素極では反応抵抗Raが発生する。そして、電子は拡散層102に流れ、プロトンは電解質膜101に流れる。電解質膜101に移動したプロトンは水和され、H3+として電解質膜101内をカソード側に移動する。このように、プロトンがセル100の水素極で生成して電解質膜101内を移動するためには、セル100の水素極に水分が存在していることが必要となる。このため、燃料電池10の電気化学反応が起こるためには、セル100の水素極の水分が重要な役割を果たす。 As shown in FIG. 3, at the three-phase interface of the electrolyte membrane 101, the diffusion layer 102, and the catalyst 105, a reaction in which hydrogen molecules are separated into protons and electrons occurs. In order for this reaction to occur, water must be present at the three-phase interface. At this time, reaction resistance Ra is generated at the hydrogen electrode. Then, electrons flow to the diffusion layer 102 and protons flow to the electrolyte membrane 101. Protons that have moved to the electrolyte membrane 101 are hydrated and move as H 3 O + to the cathode side in the electrolyte membrane 101. Thus, in order for protons to be generated at the hydrogen electrode of the cell 100 and move within the electrolyte membrane 101, it is necessary that moisture be present in the hydrogen electrode of the cell 100. For this reason, in order for the electrochemical reaction of the fuel cell 10 to occur, the moisture at the hydrogen electrode of the cell 100 plays an important role.

図4(a)は電解質膜101内におけるプロトンを模式的に示しており、図4(b)は電解質膜101内のプロトン濃度勾配を示している。図4(a)、図4(b)に示すように、電解質膜101では、水素極付近が最もプロトン濃度が高くなっており、水素極側から空気極側に向かってプロトン濃度が低くなっている。電解質膜101の水素極側では、電気二重層が発生しており、コンデンサ成分(電気二重層コンデンサ)が存在する。電気二重層コンデンサの静電容量は水素極の水分量により変化する。以下、この点について説明する。   4A schematically shows protons in the electrolyte membrane 101, and FIG. 4B shows proton concentration gradients in the electrolyte membrane 101. FIG. As shown in FIGS. 4A and 4B, in the electrolyte membrane 101, the proton concentration is highest near the hydrogen electrode, and the proton concentration decreases from the hydrogen electrode side toward the air electrode side. Yes. On the hydrogen electrode side of the electrolyte membrane 101, an electric double layer is generated, and a capacitor component (electric double layer capacitor) exists. The capacitance of the electric double layer capacitor varies depending on the water content of the hydrogen electrode. Hereinafter, this point will be described.

図5は、水素極の触媒105の有効面積Saと水素極の水分量との関係を示している。図5に示すように、水素極の水分量が所定値に達するまで、有効触媒面積Saは水素極の水分量に比例して増加し、水素極の水分量が所定値を超えた場合には、有効触媒面積Saは一定となる。このため、所定値を超えた水分は水素極での反応に寄与しない。   FIG. 5 shows the relationship between the effective area Sa of the hydrogen electrode catalyst 105 and the water content of the hydrogen electrode. As shown in FIG. 5, the effective catalyst area Sa increases in proportion to the water content of the hydrogen electrode until the water content of the hydrogen electrode reaches a predetermined value, and when the water content of the hydrogen electrode exceeds the predetermined value, The effective catalyst area Sa is constant. For this reason, the water | moisture content exceeding a predetermined value does not contribute to the reaction in a hydrogen electrode.

図6は、セル100の等価回路を示している。図6に示すように、セル100の水素極には反応抵抗Raと電気二重層コンデンサが存在し、電解質膜101には膜抵抗Rmが存在し、空気極には(反応抵抗+拡散抵抗)Rcが存在している。電気二重層コンデンサの静電容量Caは、Ca=ε・Sa/dで求めることができる。ただし、εは電解質膜101の誘電率、dは電気二重層の厚み、Saは有効触媒面積(三相界面の面積)である。   FIG. 6 shows an equivalent circuit of the cell 100. As shown in FIG. 6, a reaction resistance Ra and an electric double layer capacitor are present in the hydrogen electrode of the cell 100, a membrane resistance Rm is present in the electrolyte membrane 101, and (reaction resistance + diffusion resistance) Rc is present in the air electrode. Is present. The capacitance Ca of the electric double layer capacitor can be obtained by Ca = ε · Sa / d. Where ε is the dielectric constant of the electrolyte membrane 101, d is the thickness of the electric double layer, and Sa is the effective catalyst area (the area of the three-phase interface).

このように、電気二重層コンデンサ容量Caは有効触媒面積Saによって変化する。具体的には、有効触媒面積Saが大きいほど電気二重層コンデンサ容量Caが大きくなり、有効触媒面積Saが小さいほど電気二重層コンデンサ容量Caが小さくなる。上述のように、水素極の水分量が多いほど有効触媒面積Saが大きくなり、水素極の水分量が少ないほど有効触媒面積Saが小さくなる。したがって、水素極の水分量が多いほど電気二重層コンデンサ容量Caが大きくなり、水素極の水分量が少ないほど電気二重層コンデンサ容量Caが小さくなる。   Thus, the electric double layer capacitor capacitance Ca varies depending on the effective catalyst area Sa. Specifically, the larger the effective catalyst area Sa, the larger the electric double layer capacitor capacitance Ca, and the smaller the effective catalyst area Sa, the smaller the electric double layer capacitor capacitance Ca. As described above, the effective catalyst area Sa increases as the water content of the hydrogen electrode increases, and the effective catalyst area Sa decreases as the water content of the hydrogen electrode decreases. Therefore, the electric double layer capacitor capacitance Ca increases as the water content of the hydrogen electrode increases, and the electric double layer capacitor capacitance Ca decreases as the water content of the hydrogen electrode decreases.

図7は、燃料電池10の内部水分量と、電気二重層コンデンサ容量Caおよび各抵抗Ra、Rm、Rcとの関係を示している。図7に示すように、電気二重層コンデンサ容量Caは燃料電池10の内部水分量(水素極の三相界面に存在する水分量)に比例して増加し、水分量が過剰な領域(フラッディング領域)では一定値となっている。このため、電気二重層コンデンサ容量Caは水分量に比例して増加している領域では、電気二重層コンデンサ容量Caに基づいて燃料電池10の内部水分量を得ることができる。電気二重層コンデンサ容量Caと燃料電池10の内部水分量との関係は、予め実験的に求めてマップ化しておけばよい。   FIG. 7 shows the relationship between the internal moisture content of the fuel cell 10 and the electric double layer capacitor capacitance Ca and the resistors Ra, Rm, and Rc. As shown in FIG. 7, the electric double layer capacitor capacitance Ca increases in proportion to the internal moisture content of the fuel cell 10 (the moisture content present at the three-phase interface of the hydrogen electrode), and the moisture content is excessive (flooding region). ) Is a constant value. For this reason, in the region where the electric double layer capacitor capacitance Ca increases in proportion to the moisture content, the internal moisture content of the fuel cell 10 can be obtained based on the electric double layer capacitor capacitance Ca. The relationship between the electric double layer capacitor capacitance Ca and the internal moisture content of the fuel cell 10 may be experimentally obtained in advance and mapped.

次に、本実施形態の燃料電池システムの水分量診断制御について説明する。図8は、制御部50のCPUがROM等に格納された制御プログラムにしたがって行う水分量診断制御の流れを示すフローチャートである。図8に示す水分量診断制御は、所定の制御間隔で繰り返し行われる。   Next, the moisture amount diagnosis control of the fuel cell system of the present embodiment will be described. FIG. 8 is a flowchart showing a flow of moisture amount diagnosis control performed by the CPU of the control unit 50 in accordance with a control program stored in a ROM or the like. The moisture amount diagnosis control shown in FIG. 8 is repeatedly performed at predetermined control intervals.

図8に示すように、まず、燃料電池システムの運転を終了させるか否かを判定する(S10)。この結果、燃料電池システムの運転を終了させると判定された場合には(S10:YES)、システムを停止させる。一方、燃料電池システムの運転を終了させないと判定された場合には(S10:NO)、燃料電池10の出力電流を一定の変化率で変化させる(S11)。燃料電池10の出力電流を一定の変化率で変化させるためには、水素供給装置31から燃料電池10に供給される水素量を変化させればよい。   As shown in FIG. 8, first, it is determined whether or not the operation of the fuel cell system is to be terminated (S10). As a result, when it is determined that the operation of the fuel cell system is to be terminated (S10: YES), the system is stopped. On the other hand, when it is determined not to end the operation of the fuel cell system (S10: NO), the output current of the fuel cell 10 is changed at a constant rate of change (S11). In order to change the output current of the fuel cell 10 at a constant rate of change, the amount of hydrogen supplied from the hydrogen supply device 31 to the fuel cell 10 may be changed.

次に、燃料電池10の出力電流が変化している際に、各セル100の出力電圧の変化率をセルモニタ13で測定し(S12)、燃料電池10の出力電流の変化率を電流センサ12で測定する(S13)。そして、S13で測定した出力電流の変化率に対応する電圧の変化率を基準電圧変化率として算出する(S14)。   Next, when the output current of the fuel cell 10 is changing, the change rate of the output voltage of each cell 100 is measured by the cell monitor 13 (S12), and the change rate of the output current of the fuel cell 10 is measured by the current sensor 12. Measure (S13). Then, the voltage change rate corresponding to the output current change rate measured in S13 is calculated as the reference voltage change rate (S14).

ここで、燃料電池10の出力電流を変化させた場合の出力電圧の変化について説明する。図9は、水分量診断制御を行う際の燃料電池10の出力電流と出力電圧の変化を示しており、(a)が出力電流を増加させた場合を示し、(b)が出力電流を減少させた場合を示している。図9(a)、図9(b)ともに上段が出力電流の変化率を示し、下段が出力電流の変化率に対応する出力電圧の変化率を示している。図9における破線が基準電圧変化率を示している。   Here, changes in the output voltage when the output current of the fuel cell 10 is changed will be described. FIG. 9 shows changes in the output current and output voltage of the fuel cell 10 when performing moisture amount diagnosis control. (A) shows a case where the output current is increased, and (b) shows a decrease in the output current. The case where it was made to show is shown. In both FIG. 9A and FIG. 9B, the upper part shows the change rate of the output current, and the lower part shows the change rate of the output voltage corresponding to the change rate of the output current. The broken line in FIG. 9 indicates the reference voltage change rate.

まず、図9(a)に示すように、出力電流を一定の変化率で増加させた場合には、基準電圧変化率は一定の変化率で減少する。出力電流を一定の変化率で増加させた場合には、セル100の水素極に存在する電気二重層コンデンサに電荷が蓄えられる。このため、出力電流を一定の変化率で増加させた場合の出力電圧の変化率は、基準電圧変化率に対して傾きが大きくなる方向にずれる。上述のように、電気二重層コンデンサ容量Caは、燃料電池10の内部水分量が多いほど大きくなり、燃料電池10の内部水分量が少ないほど小さくなるので、燃料電池10の内部水分量が多い場合には、出力電圧の変化率は傾きが大きい方向にずれ、燃料電池10の内部水分量が少ない場合には、出力電圧の変化率は傾きが小さい方向にずれる。   First, as shown in FIG. 9A, when the output current is increased at a constant change rate, the reference voltage change rate decreases at a constant change rate. When the output current is increased at a constant rate of change, electric charge is stored in the electric double layer capacitor present at the hydrogen electrode of the cell 100. For this reason, when the output current is increased at a constant rate of change, the rate of change of the output voltage is shifted in a direction in which the slope becomes larger than the reference voltage rate of change. As described above, the electric double layer capacitor capacitance Ca increases as the internal water content of the fuel cell 10 increases, and decreases as the internal water content of the fuel cell 10 decreases, so that the internal water content of the fuel cell 10 is large. The change rate of the output voltage shifts in a direction in which the inclination is large, and when the amount of moisture in the fuel cell 10 is small, the change rate of the output voltage shifts in a direction in which the inclination is small.

次に、図9(b)に示すように、出力電流を一定の変化率で減少させた場合には、基準電圧変化率は一定の変化率で増加する。出力電流を一定の変化率で減少させた場合には、電気二重層コンデンサから電荷が放出される。このため、出力電流を一定の変化率で減少させた場合の出力電圧の変化率も、基準電圧変化率に対して傾きが大きくなる方向にずれる。そして、燃料電池10の内部水分量が多い場合には、出力電圧の変化率は傾きが大きい方向にずれ、燃料電池10の内部水分量が少ない場合には、出力電圧の変化率は傾きが小さい方向にずれる。   Next, as shown in FIG. 9B, when the output current is decreased at a constant change rate, the reference voltage change rate increases at a constant change rate. When the output current is reduced at a constant rate of change, charge is released from the electric double layer capacitor. For this reason, the change rate of the output voltage when the output current is decreased at a constant change rate also shifts in a direction in which the slope becomes larger than the reference voltage change rate. When the internal moisture amount of the fuel cell 10 is large, the change rate of the output voltage shifts in a direction in which the slope is large, and when the internal moisture amount of the fuel cell 10 is small, the change rate of the output voltage has a small slope. Deviation in direction.

以上のことから、燃料電池10の出力電流の変化に対するセル100の基準電圧変化率と実際に測定したセル100の測定電圧変化率との差から、電気二重層コンデンサ容量Caを得ることができる。この電圧変化率の差と電気二重層コンデンサ容量Caとの関係を予め実験的に求めてマップ化しておけばよい。   From the above, the electric double layer capacitor capacitance Ca can be obtained from the difference between the reference voltage change rate of the cell 100 with respect to the change of the output current of the fuel cell 10 and the actually measured voltage change rate of the cell 100. The relationship between the voltage change rate difference and the electric double layer capacitor capacitance Ca may be experimentally obtained in advance and mapped.

図8に戻り、S14で算出した基準電圧変化率とS12で測定した測定電圧変化率との差からセル100の水素極における電気二重層コンデンサ容量Caを取得する(S15)。そして、電気二重層コンデンサ容量Caに基づいて燃料電池10の内部水分量の診断を行う(S16)。このS16の診断処理は、電気二重層コンデンサ容量Caと燃料電池10の内部水分量とが関係付けられたマップ(図7参照)を用いて行われる。ここでは、燃料電池10の水素極における水分量を診断することができる。例えば、内部水分量が適正な範囲に対応する電気二重層コンデンサ容量Caの上限値と下限値を予め設定しておき、S15で取得した電気二重層コンデンサ容量Caが上限値を上回っている場合に水分過剰と診断し、下限値を下回っている場合に水分不足と診断することができる。   Returning to FIG. 8, the electric double layer capacitor capacitance Ca at the hydrogen electrode of the cell 100 is obtained from the difference between the reference voltage change rate calculated in S14 and the measured voltage change rate measured in S12 (S15). Then, the internal moisture content of the fuel cell 10 is diagnosed based on the electric double layer capacitor capacity Ca (S16). The diagnosis process of S16 is performed using a map (see FIG. 7) in which the electric double layer capacitor capacity Ca and the internal moisture content of the fuel cell 10 are related. Here, the amount of water in the hydrogen electrode of the fuel cell 10 can be diagnosed. For example, when the upper limit value and the lower limit value of the electric double layer capacitor capacitance Ca corresponding to the appropriate range of the internal moisture content are set in advance, and the electric double layer capacitor capacitance Ca acquired in S15 exceeds the upper limit value. Diagnosis of excessive water content and diagnosis of water shortage can be made when it is below the lower limit.

次に、S16の診断結果に基づいて燃料電池10の内部水分量の制御を行う(S17)。燃料電池10の内部水分量の制御は、例えば加湿器22による燃料電池10への供給空気の加湿量の調整により行うことができる。さらに、空気供給装置21による燃料電池10への空気供給量の調整や空気調圧弁23による燃料電池10への空気供給圧力の調整を行うことで、燃料電池10内での水分蒸発量を調整して内部水分量を制御することができる。   Next, the internal moisture content of the fuel cell 10 is controlled based on the diagnosis result of S16 (S17). Control of the internal moisture content of the fuel cell 10 can be performed, for example, by adjusting the humidification amount of air supplied to the fuel cell 10 by the humidifier 22. Furthermore, the amount of water evaporation in the fuel cell 10 is adjusted by adjusting the air supply amount to the fuel cell 10 by the air supply device 21 and adjusting the air supply pressure to the fuel cell 10 by the air pressure regulating valve 23. The internal moisture content can be controlled.

以上説明したように、燃料電池10の出力電流変化時におけるセル電圧の変化率を求め、水素極の電気二重層コンデンサの静電容量の変化を求めることで、燃料電池10の内部水分量、特に水素極の三相界面に存在する水分量を正確に診断することができる。なお、本発明の電流制御手段、基準変化率取得手段、静電容量取得手段、内部水分量診断手段は、それぞれ制御部50の処理によって構成されるものであり、電流制御手段はS11の処理に対応し、基準変化率取得手段はS12の処理に対応し、静電容量取得手段はS15の処理に対応し、内部水分量診断手段はS16の処理に対応している。   As described above, the rate of change of the cell voltage when the output current of the fuel cell 10 is changed is obtained, and the change in the capacitance of the electric double layer capacitor of the hydrogen electrode is obtained. It is possible to accurately diagnose the amount of water present at the three-phase interface of the hydrogen electrode. Note that the current control means, reference change rate acquisition means, capacitance acquisition means, and internal moisture amount diagnosis means of the present invention are each constituted by the processing of the control unit 50, and the current control means performs the processing of S11. Correspondingly, the reference change rate acquisition means corresponds to the process of S12, the capacitance acquisition means corresponds to the process of S15, and the internal moisture amount diagnosis means corresponds to the process of S16.

(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態について説明する。以下、上記第1実施形態と同様の部分は同一の符号を付して説明を省略し、上記第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. Hereinafter, the same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted. Only parts different from those in the first embodiment will be described.

図10は、セル100の電解質膜101における水分量の勾配を示している。図10に示すように、電解質膜101では、空気極側における水分量が最も多くなっており、水素極側に向かって徐々に水分量が減少している。電解質膜101における水分量の勾配は、電解質膜101の拡散係数等によって定まり、全体の水分量が変化しても勾配はほぼ一定である。この電解質膜101における水分量の勾配は、予めマップ化して用いればよい。このため、セル100の水素極の水分量を求め、水素極の水分量を図10に示す水分量勾配に当てはめることで、セル100全体の内部水分量を求めることができる。   FIG. 10 shows the water content gradient in the electrolyte membrane 101 of the cell 100. As shown in FIG. 10, in the electrolyte membrane 101, the amount of water on the air electrode side is the largest, and the amount of water gradually decreases toward the hydrogen electrode side. The gradient of the amount of water in the electrolyte membrane 101 is determined by the diffusion coefficient of the electrolyte membrane 101 and the like, and the gradient is almost constant even when the total amount of moisture changes. The water content gradient in the electrolyte membrane 101 may be mapped in advance. For this reason, the water content of the cell 100 can be obtained, and the water content of the cell 100 can be obtained by applying the water content of the hydrogen electrode to the water content gradient shown in FIG.

(第3実施形態)
次に、本発明の第3実施形態について説明する。本第3実施形態では、燃料電池10の負荷変動時に水分量診断制御を行うように構成されている。以下、上記第1実施形態と同様の部分は同一の符号を付して説明を省略し、上記第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment of the present invention will be described. In the third embodiment, the water amount diagnosis control is performed when the load of the fuel cell 10 changes. Hereinafter, the same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted. Only parts different from those in the first embodiment will be described.

図11は、本第3実施形態の水分量診断制御の流れを示すフローチャートである。図11に示すように、運転終了判定処理S10の後で、燃料電池10の負荷変動があったか否か、すなわち燃料電池10に対する要求発電量が変化したか否かを判定する(S20)。この結果、燃料電池10の負荷変動がないと判定された場合には(S20:NO)、何もせずリターンし、燃料電池10の負荷変動があったと判定された場合には(S20:YES)、燃料電池10に供給する水素量を変化させ、燃料電池10の出力電流を一定の変化率で変化させる(S11)。本第3実施形態では、燃料電池10の出力電流を予め設定された所定変化率で変化させる。例えば図示しない2次電池から電流を流すことで、燃料電池10の出力電流の変化率を調整することができる。   FIG. 11 is a flowchart showing the flow of moisture amount diagnosis control according to the third embodiment. As shown in FIG. 11, after the operation end determination process S10, it is determined whether or not there has been a load fluctuation of the fuel cell 10, that is, whether or not the required power generation amount for the fuel cell 10 has changed (S20). As a result, when it is determined that there is no load fluctuation of the fuel cell 10 (S20: NO), the process returns without doing anything, and when it is determined that there is a load fluctuation of the fuel cell 10 (S20: YES). Then, the amount of hydrogen supplied to the fuel cell 10 is changed, and the output current of the fuel cell 10 is changed at a constant rate of change (S11). In the third embodiment, the output current of the fuel cell 10 is changed at a preset predetermined change rate. For example, the rate of change of the output current of the fuel cell 10 can be adjusted by flowing current from a secondary battery (not shown).

図12は、本第3実施形態の水分診断制御を行う際の燃料電池10の出力電流と出力電圧の変化を示している。本第3実施形態では、S11の電流変化制御を燃料電池10の負荷変動に対する電流変動の初期に一定時間だけ行う。また、S11の電流変化制御では、要求発電量から設定される目標電流値とは関係なく、所定電流変化率で電流を変化させている。燃料電池10の電流変化率に対する基準電圧変化率と実際の出力電圧の変化率との差が大きくなる電流変化率を実験的に求めておき、その電流変化率を所定電流変化率とすればよい。   FIG. 12 shows changes in the output current and the output voltage of the fuel cell 10 when the moisture diagnosis control of the third embodiment is performed. In the third embodiment, the current change control of S11 is performed for a certain period of time at the initial stage of the current change with respect to the load change of the fuel cell 10. In the current change control of S11, the current is changed at a predetermined current change rate regardless of the target current value set from the required power generation amount. A current change rate at which the difference between the reference voltage change rate with respect to the current change rate of the fuel cell 10 and the actual output voltage change rate is determined experimentally, and the current change rate may be set as a predetermined current change rate. .

図11に戻り、電流変化時における電圧変化率を電流変化率を測定した後で(S12、S13)、燃料電池10の出力電流を目標電流値に変化させる(S21)。   Returning to FIG. 11, after measuring the rate of voltage change at the time of current change (S12, S13), the output current of the fuel cell 10 is changed to the target current value (S21).

以上のように、燃料電池10の負荷変動時において、電流変化初期に電流変化率を一定にすることで電圧変化率を測定でき、燃料電池10の内部水分量を診断することができる。   As described above, when the load of the fuel cell 10 changes, the voltage change rate can be measured by making the current change rate constant at the beginning of the current change, and the internal moisture content of the fuel cell 10 can be diagnosed.

(第4実施形態)
次に、本発明の第4実施形態について説明する。本第4実施形態では、水分量診断制御において温度補正を行うように構成されている。以下、上記第1実施形態と同様の部分は同一の符号を付して説明を省略し、上記第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. In the fourth embodiment, temperature correction is performed in the moisture amount diagnosis control. Hereinafter, the same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted. Only parts different from those in the first embodiment will be described.

燃料電池10の温度が高くなると燃料電池10の内部抵抗は小さくなる。このため、セル100の出力電圧は燃料電池10の温度変化に伴って変化し、燃料電池10の出力電流を変化させた際の電圧挙動は燃料電池10の温度の影響を受ける。燃料電池温度に対する電圧変化率の変化は、予め実験的に求めてマップ化しておけばよい。   As the temperature of the fuel cell 10 increases, the internal resistance of the fuel cell 10 decreases. For this reason, the output voltage of the cell 100 changes as the temperature of the fuel cell 10 changes, and the voltage behavior when the output current of the fuel cell 10 is changed is affected by the temperature of the fuel cell 10. The change in the voltage change rate with respect to the fuel cell temperature may be experimentally obtained in advance and mapped.

図13は、本第4実施形態の水分量診断制御の流れを示すフローチャートである。図13に示すように、本第4実施形態では、基準電圧変化率算出処理S14の後で、温度センサ44を用いて燃料電池温度を検出する(S30)。そして、燃料電池温度に基づいて基準電圧変化率と測定電圧変化率を補正する温度補正処理を行う(S31)。S31の温度補正処理は、燃料電池温度と電圧変化率とが関連づけられたマップを用いて行えばよい。   FIG. 13 is a flowchart showing the flow of moisture amount diagnosis control according to the fourth embodiment. As shown in FIG. 13, in the fourth embodiment, after the reference voltage change rate calculation process S14, the temperature of the fuel cell is detected using the temperature sensor 44 (S30). Then, a temperature correction process for correcting the reference voltage change rate and the measured voltage change rate based on the fuel cell temperature is performed (S31). The temperature correction process in S31 may be performed using a map in which the fuel cell temperature and the voltage change rate are associated with each other.

以上のように、燃料電池温度に基づいて電圧変化率を補正することで、燃料電池10の温度が変化した場合においても、燃料電池10の内部水分量を正確に診断することができる。なお、本発明の補正手段は制御部50の処理によって構成されるものであり、S31の処理が補正手段に対応している。   As described above, by correcting the voltage change rate based on the fuel cell temperature, the internal moisture content of the fuel cell 10 can be accurately diagnosed even when the temperature of the fuel cell 10 changes. The correcting means of the present invention is constituted by the processing of the control unit 50, and the processing of S31 corresponds to the correcting means.

(他の実施形態)
なお、上記各実施形態では、セルモニタ13にて個々のセル100毎の出力電圧を測定するように構成したが、これに限らず、複数(例えば10枚)のセル100をひとまとめにして、燃料電池10を構成するセル100を複数ブロックに分割し、複数のセル100からなるブロック毎に出力電圧を測定するように構成してもよい。
(Other embodiments)
In each of the above embodiments, the cell monitor 13 is configured to measure the output voltage for each individual cell 100. However, the present invention is not limited to this, and a plurality of (for example, ten) cells 100 are grouped to form a fuel cell. 10 may be divided into a plurality of blocks, and the output voltage may be measured for each block including the plurality of cells 100.

第1実施形態に係る燃料電池システムを示す模式図である。1 is a schematic diagram showing a fuel cell system according to a first embodiment. 燃料電池を構成するセルの構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the cell which comprises a fuel cell. セルの水素極側を拡大した模式図である。It is the schematic diagram which expanded the hydrogen electrode side of the cell. (a)は電解質膜内におけるプロトンを模式的に示した図であり、(b)は電解質膜内のプロトン濃度勾配を示した図である。(A) is the figure which showed typically the proton in an electrolyte membrane, (b) is the figure which showed the proton concentration gradient in an electrolyte membrane. 水素極の触媒の有効面積Saと水素極の水分量との関係を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the relationship between the effective area Sa of the catalyst of a hydrogen electrode, and the moisture content of a hydrogen electrode. セルの等価回路を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the equivalent circuit of a cell. 燃料電池の内部水分量と、電気二重層コンデンサの静電容量およびセルの抵抗との関係を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the relationship between the internal moisture content of a fuel cell, the electrostatic capacitance of an electric double layer capacitor, and the resistance of a cell. 第1実施形態の水分量診断制御の流れを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the flow of the moisture content diagnostic control of 1st Embodiment. 燃料電池の出力電流を変化させた場合の出力電圧の変化を示す特性図であり、(a)が出力電流を増加させた場合を示し、(b)が出力電流を減少させた場合を示している。It is a characteristic view which shows the change of the output voltage at the time of changing the output current of a fuel cell, (a) shows the case where output current is increased, (b) shows the case where output current is decreased. Yes. 第2実施形態における電解質膜の水分量勾配を示す図である。It is a figure which shows the moisture content gradient of the electrolyte membrane in 2nd Embodiment. 第3実施形態の水分量診断制御の流れを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the flow of the moisture content diagnostic control of 3rd Embodiment. 第3実施形態の水分診断制御を行う際の燃料電池の出力電流と出力電圧の変化を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the change of the output current and output voltage of a fuel cell at the time of performing the moisture diagnostic control of 3rd Embodiment. 第4実施形態の水分量診断制御の流れを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the flow of the moisture content diagnostic control of 4th Embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

10…固体高分子電解質型燃料電池、100…セル、101…電解質膜、12…電流センサ、13…セルモニタ、20…空気経路、21…空気供給装置、22…加湿器、23…空気調圧弁、30…水素経路、31…水素供給装置、40…冷却水経路、44…温度センサ、50…制御部。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Solid polymer electrolyte type fuel cell, 100 ... Cell, 101 ... Electrolyte membrane, 12 ... Current sensor, 13 ... Cell monitor, 20 ... Air path, 21 ... Air supply device, 22 ... Humidifier, 23 ... Air pressure regulating valve, DESCRIPTION OF SYMBOLS 30 ... Hydrogen path | route, 31 ... Hydrogen supply apparatus, 40 ... Cooling water path | route, 44 ... Temperature sensor, 50 ... Control part.

Claims (1)

酸化剤ガスと燃料ガスを電気化学反応させて電気エネルギーを発生させる固体高分子電解質型の燃料電池(10)と、
前記燃料電池(10)の出力電流を検出する電流検出手段(12)と、
前記燃料電池(10)の出力電圧を検出する電圧検出手段(13)とを備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池(10)の出力電流を所定の変化率で変化させる電流制御手段と、
前記燃料電池(10)の出力電流の時間的変化に対する出力電圧の変化率を取得する電圧変化率測定手段と、
前記出力電流の変化率に対応する出力電圧の基準変化率を取得する基準変化率取得手段と、
前記取得された基準変化率と前記取得された出力電圧の変化率との差に基づいて前記燃料電池(10)の水素極で発生するコンデンサ成分の静電容量を取得する静電容量取得手段と、
前記コンデンサ成分の静電容量に基づいて前記燃料電池(10)の水素極側における内部水分量を診断する内部水分量診断手段とを備え
前記静電容量取得手段は、前記基準変化率と前記出力電圧の変化率との差と、前記燃料電池(10)の水素極で発生するコンデンサ成分の静電容量との間のマップ化された関係を用いて、前記取得された基準変化率と前記取得された出力電圧の変化率との差に基づいて前記燃料電池(10)の水素極で発生するコンデンサ成分の静電容量を取得するものであり、
前記内部水分量診断手段は、前記燃料電池(10)の水素極側における内部水分量と前記燃料電池(10)の電解質膜(101)の水分量勾配に基づいて前記燃料電池(10)全体の内部水分量を診断し、
前記電流制御手段は、前記燃料電池(10)の負荷変動時において、出力電流の変動初期における電流変化率を所定変化率に制御することを特徴とする燃料電池システム。
A solid polymer electrolyte type fuel cell (10) for generating electric energy by electrochemical reaction of an oxidant gas and a fuel gas;
Current detection means (12) for detecting the output current of the fuel cell (10);
A fuel cell system comprising voltage detection means (13) for detecting an output voltage of the fuel cell (10),
Current control means for changing the output current of the fuel cell (10) at a predetermined rate of change;
A voltage change rate measuring means for obtaining a change rate of the output voltage with respect to a temporal change of the output current of the fuel cell (10);
Reference change rate acquisition means for acquiring a reference change rate of the output voltage corresponding to the change rate of the output current;
And the electrostatic capacity acquisition unit that acquires an electrostatic capacitance of the capacitor components generated in the hydrogen electrode of the fuel cell (10) based on the difference between the rate of change of the obtained output voltage and the acquired reference change rate ,
An internal water amount diagnosis means for diagnosing the internal water content on the hydrogen electrode side of the fuel cell (10) based on the capacitance of the capacitor component ;
The capacitance acquisition means is mapped between a difference between the reference change rate and the change rate of the output voltage and a capacitance of a capacitor component generated at a hydrogen electrode of the fuel cell (10). Using the relationship, the capacitance of the capacitor component generated at the hydrogen electrode of the fuel cell (10) is acquired based on the difference between the acquired reference change rate and the acquired output voltage change rate. And
The internal moisture amount diagnosis means is configured to determine the entire fuel cell (10) based on the internal moisture amount on the hydrogen electrode side of the fuel cell (10) and the moisture amount gradient of the electrolyte membrane (101) of the fuel cell (10). Diagnose the internal moisture content,
The current control means controls the current change rate at the initial stage of output current fluctuation to a predetermined change rate when the load of the fuel cell (10) fluctuates .
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2010131351A1 (en) 2009-05-14 2010-11-18 トヨタ自動車株式会社 Fuel cell system
JP5876318B2 (en) * 2012-02-21 2016-03-02 株式会社日本自動車部品総合研究所 Fuel cell system
JP6413491B2 (en) * 2014-08-28 2018-10-31 スズキ株式会社 Fuel cell system
KR101601498B1 (en) 2014-10-06 2016-03-22 현대자동차주식회사 Method and system for diagnosing fuel cell stack
JP6554662B2 (en) * 2015-08-25 2019-08-07 パナソニックIpマネジメント株式会社 Fuel cell simulation method
JP2017084451A (en) * 2015-10-22 2017-05-18 日産自動車株式会社 Catalyst deterioration determination method and device for fuel battery
CN110752396B (en) * 2019-09-30 2021-04-30 青岛大学 Method for online evaluation and abnormal self-healing control of hydration state of proton exchange membrane fuel cell

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005063946A (en) * 2003-07-24 2005-03-10 Matsushita Electric Ind Co Ltd Fuel cell system, fuel cell operation method, program, and record medium
JP2006024437A (en) * 2004-07-07 2006-01-26 Matsushita Electric Ind Co Ltd Service life estimation method for fuel cell system, and operating method for fuel cell system

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