JP5070830B2 - Fuel cell system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system capable of supplying water inside a fuel cell by adjusting a partial pressure difference of gas of an anode and a cathode, in case the fuel cell is in short of water inside. <P>SOLUTION: The fuel cell 12 is made provided with a variable pressure regulating valve 20 and an air drainage pressure regulating valve 62 as a structure for regulating pressure of an anode and a cathode. A water shortage judgment treatment (steps S100, S102) for judging if moisture is lacking inside the fuel cell 12 is executed, and a hydrogen partial pressure difference between the anode and the cathode of the fuel cell 12 is increased (a step S120) as a rule, if the moisture inside the fuel cell 12 is judged to be in shortage. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&amp;INPIT

Description

この発明は、燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system.

従来、例えば、特開2004−127914号公報に開示されているように、電解質膜の加湿等の目的で、燃料電池内部に水を供給する燃料電池システムが知られている。燃料電池内の電解質膜は、適度な湿潤状態にあると良好な電気特性を示す。しかしながら、運転状態によっては、電解質膜に含まれる水量が変化することがある。   2. Description of the Related Art Conventionally, as disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-127914, a fuel cell system that supplies water into a fuel cell for the purpose of humidifying an electrolyte membrane is known. The electrolyte membrane in the fuel cell exhibits good electrical characteristics when in an appropriate wet state. However, depending on the operating state, the amount of water contained in the electrolyte membrane may change.

上記従来の燃料電池システムでは、これに対処するため、電解質膜に水を供給すべき状況においては、通常の運転状態に比して、カソード圧をアノード圧よりも高圧にする。電解質膜を挟んでアノードとカソードの圧力差があると、高圧の極から低圧の極へと、電解質膜を透過して水が移動する。上記従来の技術では、圧力差を大きくすることでカソードからアノードへの水移動を促進し、電解質膜に水分を供給することができる。   In the above-described conventional fuel cell system, in order to cope with this, in a situation where water is to be supplied to the electrolyte membrane, the cathode pressure is set higher than the anode pressure as compared with a normal operation state. When there is a pressure difference between the anode and the cathode across the electrolyte membrane, water moves through the electrolyte membrane from the high-pressure pole to the low-pressure pole. In the above conventional technique, it is possible to promote water movement from the cathode to the anode by increasing the pressure difference, and to supply moisture to the electrolyte membrane.

また、電解質膜への水供給を抑制すべき状況においては、逆に、アノード圧をカソード圧よりも高圧にする。これにより、アノードへの水移動を抑制し、電解質膜の加湿を抑制できる。このように、上記従来の技術によれば、両極間の圧力差により生ずる電解質膜を介した水移動を利用して、電解質膜を適切な湿潤状態に保つことができる。   On the other hand, in a situation where water supply to the electrolyte membrane should be suppressed, the anode pressure is set higher than the cathode pressure. Thereby, water movement to the anode can be suppressed and humidification of the electrolyte membrane can be suppressed. Thus, according to the above conventional technique, the electrolyte membrane can be kept in an appropriate wet state by utilizing the water movement through the electrolyte membrane caused by the pressure difference between the two electrodes.

特開2004−127914号公報JP 2004-127914 A 特開2000−340241号公報JP 2000-340241 A 特許2541288号公報Japanese Patent No. 2541288 特開2005−251482号公報JP-A-2005-251482 特開2005−228709号公報JP 2005-228709 A 特開2003−45466号公報JP 2003-45466 A

ところで、電解質膜を挟んで両極(アノード極、カソード極)間にガスの分圧差が生じている状況下では、分圧の高い極から分圧の低い極へと電解質膜を介してガスが移動する(このようなガスの移動は、「クロスリーク」とも呼称される)。クロスリークによりアノードの水素がカソードへと移動すると、当該移動した水素がカソードの酸素と触媒上で反応し、水が生成する。逆に、カソードの酸素がアノードへと移動すると、当該移動した酸素がアノードの水素と触媒上で反応し、水が生成する。そこで、本願発明者はこの点に着目し、当該水生成の機能を燃料電池内部への水供給に利用することに想到した。   By the way, in the situation where there is a difference in gas partial pressure between the two electrodes (anode electrode, cathode electrode) across the electrolyte membrane, the gas moves through the electrolyte membrane from the high partial pressure electrode to the low partial pressure electrode. (Such gas movement is also called "cross leak"). When the anode hydrogen moves to the cathode due to the cross leak, the moved hydrogen reacts with the cathode oxygen on the catalyst to produce water. Conversely, when the oxygen at the cathode moves to the anode, the moved oxygen reacts with the hydrogen at the anode on the catalyst to produce water. The inventors of the present application paid attention to this point and came up with the idea of utilizing the water generation function for supplying water into the fuel cell.

この発明は、上記のような思想に基づいてなされたもので、燃料電池内部の水が不足した場合に、アノードとカソードのガスの分圧差を調整して燃料電池の内部に水を供給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。   The present invention has been made on the basis of the above-described idea. When the water in the fuel cell is insufficient, the water is supplied into the fuel cell by adjusting the partial pressure difference between the anode gas and the cathode gas. It is an object of the present invention to provide a fuel cell system capable of

第1の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池のアノードとカソードの圧力を調整する圧力調整手段と、
前記燃料電池の内部の水分が不足しているか否かを判定する水不足判定手段と、
前記燃料電池の内部の水分が不足していると判定されたら、該燃料電池のアノードとカソードの水素分圧差を増大する水素分圧差調整手段と、
を有し、
前記水不足判定手段は、前記燃料電池の内部の水分の不足が実質的に該燃料電池のカソード側のみで生じていることを判別するカソード水不足判別手段を含み、
前記水分の不足が実質的に前記燃料電池のカソード側のみで生じていると判別されたら前記燃料電池のアノードとカソードの水素分圧差を増大することを特徴とする。
In order to achieve the above object, a first invention is a fuel cell system,
A fuel cell;
Pressure adjusting means for adjusting the pressure of the anode and cathode of the fuel cell;
Water shortage determining means for determining whether or not the water inside the fuel cell is short;
A hydrogen partial pressure difference adjusting means for increasing the hydrogen partial pressure difference between the anode and the cathode of the fuel cell when it is determined that the moisture inside the fuel cell is insufficient;
I have a,
The water shortage determining means includes a cathode water shortage determining means for determining that a shortage of water inside the fuel cell is substantially caused only on the cathode side of the fuel cell,
If it is determined that the water shortage is substantially caused only on the cathode side of the fuel cell, the hydrogen partial pressure difference between the anode and the cathode of the fuel cell is increased .

また、第の発明は、第1の発明において、
前記アノードの圧力を増加することで前記水素分圧差を増大することを特徴とする。
The second invention is the first invention, wherein
The hydrogen partial pressure difference is increased by increasing the pressure of the anode.

また、第の発明は、第1または2の発明において、
前記燃料電池に連通する冷却液流路と、
前記燃料電池のアノードとカソードの水素分圧差が大きいほど前記冷却液流路を流れる冷却液の流量を多くする冷却液流量調整手段と、
を有することを特徴とする。
The third invention is the first or second invention, wherein
A coolant flow path communicating with the fuel cell;
A coolant flow rate adjusting means for increasing the flow rate of the coolant flowing through the coolant flow path as the difference in hydrogen partial pressure between the anode and cathode of the fuel cell increases,
It is characterized by having.

また、第の発明は、第1乃至第の発明のいずれか1つにおいて、
前記燃料電池に連通する冷却液流路と、
前記冷却液流路を流れる冷却液の温度を調節する手段と、
前記燃料電池のアノードとカソードの水素分圧差が大きいほど前記冷却液の温度を低くする冷却温度調整手段と、
を有することを特徴とする。
According to a fourth invention , in any one of the first to third inventions,
A coolant flow path communicating with the fuel cell;
Means for adjusting the temperature of the coolant flowing through the coolant flow path;
Cooling temperature adjusting means for lowering the temperature of the coolant as the difference in hydrogen partial pressure between the anode and cathode of the fuel cell increases,
It is characterized by having.

また、第の発明は、第1乃至第の発明のいずれか1つにおいて、
前記水不足判定手段は、前記燃料電池の内部の水分の不足が実質的に該燃料電池のアノード側のみで生じていることを判別するアノード水不足判別手段を含み、
前記水分の不足が実質的に前記燃料電池のアノード側のみで生じていると判別されたら前記燃料電池のアノードとカソードの酸素分圧差を増大するアノード水不足時酸素分圧差調整手段をさらに有することを特徴とする。
According to a fifth invention , in any one of the first to fourth inventions,
The water shortage determining means includes anode water shortage determining means for determining that a shortage of water inside the fuel cell is substantially caused only on the anode side of the fuel cell,
When it is determined that the water shortage substantially occurs only on the anode side of the fuel cell, the fuel cell further comprises an oxygen partial pressure difference adjusting means for increasing the anode water pressure difference between the anode and the cathode of the fuel cell. Features.

また、第の発明は、第の発明において、
前記カソードの圧力を増加することで前記酸素分圧差を増大することを特徴とする。
The sixth invention is the fifth invention, wherein
The oxygen partial pressure difference is increased by increasing the pressure of the cathode.

また、第の発明は、第または第の発明において、
前記燃料電池に連通する冷却液流路と、
前記燃料電池のアノードとカソードの酸素分圧差が大きいほど前記冷却液流路を流れる冷却液の流量を多くする冷却液流量調整手段と、
を有することを特徴とする。
The seventh invention is the fifth or sixth invention, wherein
A coolant flow path communicating with the fuel cell;
A coolant flow rate adjusting means for increasing the flow rate of the coolant flowing through the coolant flow path as the oxygen partial pressure difference between the anode and the cathode of the fuel cell increases,
It is characterized by having.

また、第の発明は、第乃至第の発明のいずれか1つにおいて、
前記燃料電池に連通する冷却液流路と、
前記冷却液流路を流れる冷却液の温度を調節する手段と、
前記燃料電池のアノードとカソードの酸素分圧差が大きいほど前記冷却液の温度を低くする冷却温度調整手段と、
を有することを特徴とする。
In addition, an eighth invention according to any one of the fifth to seventh inventions,
A coolant flow path communicating with the fuel cell;
Means for adjusting the temperature of the coolant flowing through the coolant flow path;
A cooling temperature adjusting means for lowering the temperature of the coolant as the oxygen partial pressure difference between the anode and the cathode of the fuel cell increases.
It is characterized by having.

また、第の発明は、第乃至第の発明のいずれか1つにおいて、
前記燃料電池のアノードに連通するアノードガス循環流路と、
前記アノードガス循環流路内のガスの循環を促進する循環ポンプと、
前記燃料電池のアノードとカソードの酸素分圧差が大きいほど前記アノードガス循環流路内のガスの循環量を多くするガス循環量調整手段と、
を有することを特徴とする。
According to a ninth invention , in any one of the fifth to eighth inventions,
An anode gas circulation passage communicating with the anode of the fuel cell;
A circulation pump for promoting the circulation of gas in the anode gas circulation flow path;
Gas circulation amount adjusting means for increasing the amount of gas circulation in the anode gas circulation passage as the difference in oxygen partial pressure between the anode and cathode of the fuel cell increases,
It is characterized by having.

また、第10の発明は、第1乃至第の発明のいずれか1つにおいて、
前記燃料電池が複数の燃料電池セルからなり、
前記複数の燃料電池セルのうち、内部の水分が相対的に少ない燃料電池セルを特定する水分少量セル特定手段を有し、
前記水不足判定手段は、前記内部の水分が相対的に少ないと特定された燃料電池セルが水分の不足を生じているか否かを判定する特定セル水不足判定手段であり、
前記特定された燃料電池セルの内部の水分が不足していると判定されたら該燃料電池のアノードとカソードの水素分圧差を増大することを特徴とする。
According to a tenth invention , in any one of the first to ninth inventions,
The fuel cell comprises a plurality of fuel cells,
Among the plurality of fuel cells, it has a low water content cell specifying means for specifying a fuel cell having relatively low internal moisture,
The water shortage determining means is a specific cell water shortage determining means for determining whether or not the fuel battery cell specified as having relatively low water content in the interior has a shortage of water,
If it is determined that the moisture inside the specified fuel cell is insufficient, the hydrogen partial pressure difference between the anode and the cathode of the fuel cell is increased.

また、第11の発明は、第10の発明において、
前記複数の燃料電池セルの各セルのクロスリーク量を検知する手段を有し、
前記水分少量セル特定手段は、前記複数の燃料電池セルのうちクロスリーク量が相対的に少ない燃料電池セルを前記水分が相対的に少ない燃料電池セルと特定することを特徴とする。
The eleventh aspect of the invention is the tenth aspect of the invention,
Means for detecting a cross leak amount of each of the plurality of fuel cells;
The low water content cell specifying means specifies a fuel battery cell having a relatively small amount of cross leak among the plurality of fuel battery cells as a fuel battery cell having a relatively low water content.

また、第12の発明は、第10または第11の発明のいずれか1つにおいて、
前記複数の燃料電池セルの各セルのストイキ比を算出する手段を有し、
前記水分少量セル特定手段は、前記複数の燃料電池のうちストイキ比が相対的に大きい燃料電池セルを前記水分が相対的に少ない燃料電池セルと特定することを特徴とする。
The twelfth aspect of the invention is any one of the tenth and eleventh aspects of the invention.
Means for calculating a stoichiometric ratio of each of the plurality of fuel cells;
The low water content cell specifying means specifies a fuel battery cell having a relatively large stoichiometric ratio among the plurality of fuel cells as a fuel battery cell having a relatively low water content.

また、第13の発明は、第1乃至第12の発明のいずれか1つにおいて、
前記燃料電池が複数の燃料電池セルからなり、
前記複数の燃料電池セルのうち、内部の水分が相対的に多い燃料電池セルを特定する水分多量セル特定手段と、
前記水分が相対的に多いと特定された燃料電池セルで水分が過剰となっているか否かを判定するセル水分過剰判定手段と、
前記特定された燃料電池セルの内部の水分が過剰であると判定されたら、該燃料電池セルのアノードとカソードの水素分圧差を減少させる水分過剰時水素分圧差調整手段と、
を有することを特徴とする。
According to a thirteenth invention , in any one of the first to twelfth inventions,
The fuel cell comprises a plurality of fuel cells,
Among the plurality of fuel cells, a water-rich cell specifying means for specifying a fuel cell having a relatively large amount of water inside,
Cell moisture excess determination means for determining whether or not the moisture is excessive in the fuel cell identified as having a relatively large amount of moisture,
When it is determined that the moisture inside the specified fuel cell is excessive, the hydrogen partial pressure difference adjusting means for reducing the hydrogen partial pressure difference between the anode and the cathode of the fuel cell,
It is characterized by having.

また、第14の発明は、第13の発明において、
前記複数の燃料電池セルの各セルのクロスリーク量を検知する手段を有し、
前記水分多量セル特定手段は、前記複数の燃料電池のうちクロスリーク量が相対的に多い燃料電池セルを前記水分が相対的に多い燃料電池セルと特定することを特徴とする。
The fourteenth invention is the thirteenth invention, in which
Means for detecting a cross leak amount of each of the plurality of fuel cells;
The moisture-rich cell identifying means identifies a fuel cell having a relatively large amount of cross leak among the plurality of fuel cells as a fuel cell having a relatively large amount of moisture.

また、第15の発明は、第13または第14の発明において、
前記複数の燃料電池セルの各セルのストイキ比を算出する手段を有し、
前記水分多量セル特定手段は、前記複数の燃料電池セルのうちストイキ比が相対的に小さい燃料電池セルを前記水分が相対的に多い燃料電池セルと特定することを特徴とする。
The fifteenth invention is the thirteenth or fourteenth invention, in which
Means for calculating a stoichiometric ratio of each of the plurality of fuel cells;
The moisture-rich cell identifying means identifies a fuel cell having a relatively small stoichiometric ratio among the plurality of fuel cells as a fuel cell having relatively much moisture.

第1の発明によれば、燃料電池内部で水分が不足している場合に、電解質膜を介してカソードへ移動する水素の量を増加させることができる。アノードの水素がカソードへと移動した場合、酸素と反応してカソードの触媒層で水が生成する。このため、第1の発明によれば、電極触媒層で生成する水の量を増加し、燃料電池内部の水量を増加することができる。さらに、実質的にカソードのみが水不足の状態にあるときにカソードで水を生成することで、カソード側に直接水を供給することができる。 According to the first invention, when water is insufficient inside the fuel cell, the amount of hydrogen that moves to the cathode via the electrolyte membrane can be increased. When the anode hydrogen moves to the cathode, it reacts with oxygen to produce water in the cathode catalyst layer. For this reason, according to 1st invention, the quantity of the water produced | generated by an electrode catalyst layer can be increased, and the quantity of water inside a fuel cell can be increased. Furthermore, water can be directly supplied to the cathode side by generating water at the cathode when substantially only the cathode is in a water-deficient state.

の発明によれば、アノードの圧力を増加させることで、簡易な方法で水素分圧差を大きくすることができる。 According to the second invention, it is possible to increase the hydrogen partial pressure difference by a simple method by increasing the pressure of the anode.

の発明によれば、電極触媒層において水素と酸素の反応が局所的に生じ、電極触媒層に局所的な高温の部分(ヒートスポットとも呼称される)が生じても、冷却液の循環量を増加させることで、当該部分に集中している熱を分散することができる。 According to the third invention, even if a reaction between hydrogen and oxygen occurs locally in the electrode catalyst layer, and a local high-temperature portion (also referred to as a heat spot) occurs in the electrode catalyst layer, the coolant is circulated. By increasing the amount, it is possible to disperse the heat concentrated in the part.

の発明によれば、電極触媒層において水素と酸素の反応が局所的に生じ、電極触媒層に局所的な高温の部分(ヒートスポットとも呼称される)が生じても、冷却温度を低下させることで、電極触媒層の過熱を防止することができる。 According to the fourth invention, even if a reaction between hydrogen and oxygen occurs locally in the electrode catalyst layer and a locally high temperature portion (also called a heat spot) occurs in the electrode catalyst layer, the cooling temperature is lowered. By doing so, overheating of the electrode catalyst layer can be prevented.

の発明によれば、実質的にアノードのみが水不足の状態にあるときには、アノードへ移動する酸素の量を増加させることができる。カソードの酸素がアノードに移動すると、アノードの触媒層で水が生成する。その結果、アノードへと直接水を供給することができる。 According to the fifth aspect , when only the anode is substantially in a water-deficient state, the amount of oxygen that moves to the anode can be increased. When the oxygen at the cathode moves to the anode, water is generated in the catalyst layer of the anode. As a result, water can be supplied directly to the anode.

の発明によれば、カソードの圧力を増加させることで、簡易な方法で酸素分圧差を大きくすることができる。 According to the sixth aspect of the present invention, the oxygen partial pressure difference can be increased by a simple method by increasing the cathode pressure.

の発明によれば、電極触媒層において水素と酸素の反応が局所的に生じ、電極触媒層に局所的な高温の部分(ヒートスポットとも呼称される)が生じても、冷却液の循環量を増加させることで、当該部分に集中している熱を分散することができる。 According to the seventh invention, even if a reaction between hydrogen and oxygen occurs locally in the electrode catalyst layer, and a local high-temperature portion (also referred to as a heat spot) occurs in the electrode catalyst layer, the coolant is circulated. By increasing the amount, it is possible to disperse the heat concentrated in the part.

の発明によれば、電極触媒層において水素と酸素の反応が局所的に生じ、電極触媒
層に局所的な高温の部分(ヒートスポットとも呼称される)が生じても、冷却温度を低下
させることで、電極触媒層の過熱を防止することができる。
According to the eighth aspect of the invention, the reaction of hydrogen and oxygen locally occurs in the electrode catalyst layer, and the cooling temperature is lowered even when a locally high temperature portion (also called a heat spot) occurs in the electrode catalyst layer. By doing so, overheating of the electrode catalyst layer can be prevented.

の発明によれば、上述した酸素分圧差の増加に伴ってアノード触媒層における生成水量が増加した場合に、アノードを流れる水素量を増加することにより、フラッディングが生ずるのを防ぐことができる。 According to the ninth aspect of the present invention, when the amount of generated water in the anode catalyst layer increases with the increase in the oxygen partial pressure difference described above, flooding can be prevented from occurring by increasing the amount of hydrogen flowing through the anode. .

10の発明によれば、水分がより不足しやすい燃料電池セルに対して水不足の判定を行い、この燃料電池セルが水不足となった場合に、当該燃料電池セルに水を供給することができる。 According to the tenth aspect of the present invention, water shortage is determined for a fuel cell that is more likely to be deficient in water, and water can be supplied to the fuel cell when the fuel cell is short of water. .

11の発明によれば、電解質膜を介したクロスリーク量が相対的に少ない、すなわち、ガスが移動し難い(ガス透過量が少ない)燃料電池セルを特定し、この燃料電池セルに水不足の判定を行うことができる。クロスリーク量が少ない燃料電池セルは、より燃料電池内部の水分が不足しやすい燃料電池セルに相当する。第11の発明によれば、そのような燃料電池セルの水不足を効果的に防止することができる。 According to the eleventh aspect of the invention, a fuel cell that has a relatively small amount of cross leak through the electrolyte membrane, that is, a gas that is difficult to move (has a small amount of gas permeation) is specified, and the fuel cell has a shortage of water. Judgment can be made. A fuel battery cell with a small amount of cross leak corresponds to a fuel battery cell in which moisture inside the fuel battery tends to be insufficient. According to the eleventh aspect , it is possible to effectively prevent water shortage of such fuel cells.

12の発明によれば、複数の燃料電池セルのうちストイキ比が相対的に大きい燃料電池セルを判別し、当該ストイキ比が大きい燃料電池セルに水不足の判定を行うことができる。ストイキ比が大きい燃料電池セルは、内部から水分が持ち去られ易く、より乾燥しやすい状況にある。第12の発明によれば、そのような燃料電池セルの水不足を効果的に防止することができる。 According to the twelfth aspect , it is possible to determine a fuel cell having a relatively large stoichiometric ratio among the plurality of fuel cells and to determine whether or not the fuel cell has a large stoichiometric ratio. A fuel cell having a large stoichiometric ratio is in a state where moisture is easily taken away from the inside and is more easily dried. According to the twelfth aspect , it is possible to effectively prevent water shortage of such fuel cells.

13の発明によれば、内部の水分が過剰となり易い(フラッディングを招き易い)燃料電池セルを特定し、当該特定された燃料電池セルでフラッディングが生じた場合には、アノードとカソードの水素分圧差を小さくすることができる。これにより、クロスリークに伴う水生成の反応を抑制することができる。 According to the thirteenth aspect, the fuel cell in which the internal moisture tends to be excessive (prone to flooding) is specified, and when flooding occurs in the specified fuel cell, the hydrogen content of the anode and the cathode The pressure difference can be reduced. Thereby, the reaction of water production accompanying cross leak can be suppressed.

14の発明によれば、電解質膜を介したクロスリーク量が相対的に多い、すなわち、ガスが移動し易い(ガス透過量が多い)燃料電池セルを特定し、この燃料電池セルにフラッディングの判定を行うことができる。クロスリーク量が多い燃料電池セルは、より燃料電池内部の水分が過剰となりやすい燃料電池セルに相当する。第14の発明によれば、そのような燃料電池セルのフラッディングを効果的に防止することができる。 According to the fourteenth aspect of the invention, a fuel cell that has a relatively large amount of cross leakage through the electrolyte membrane, that is, a gas that easily moves (has a large amount of gas permeation) is specified, and flooding is performed on the fuel cell. Judgment can be made. A fuel battery cell having a large amount of cross leak corresponds to a fuel battery cell in which moisture inside the fuel battery tends to be excessive. According to the fourteenth aspect , such flooding of the fuel cells can be effectively prevented.

15の発明によれば、複数の燃料電池セルのうちストイキ比が相対的に小さい燃料電池セルを判別し、当該ストイキ比が最大の燃料電池セルに水不足の判定を行うことができる。ストイキ比が最大の燃料電池セルは、内部から水分が持ち去られにくく、より水分が過剰となりやすい状況にある。第15の発明によれば、そのような燃料電池セルにおけるフラッディングを効果的に防止することができる。 According to the fifteenth aspect , it is possible to determine a fuel battery cell having a relatively small stoichiometric ratio among the plurality of fuel battery cells, and to determine whether or not the fuel battery cell having the maximum stoichiometric ratio has water shortage. The fuel cell having the maximum stoichiometric ratio is in a situation where moisture is not easily taken away from the inside, and moisture tends to be excessive. According to the fifteenth aspect , flooding in such fuel cells can be effectively prevented.

実施の形態1.
[実施の形態1の構成]
図1は、本発明の実施の形態1の燃料電池システムの構成を説明するための図である。実施の形態1のシステムは、燃料電池12を有している。燃料電池12は、複数の燃料電池セルを積層して構成される。各燃料電池セルは、電解質膜、アノード、カソード、およびセパレータとから構成される。電解質膜はプロトン伝導性であり、適当な湿潤状態にあると良好な電気特性を発揮する。また、燃料電池のアノードおよびカソードには、それぞれ電極触媒層が備えられている。
Embodiment 1 FIG.
[Configuration of Embodiment 1]
FIG. 1 is a diagram for explaining a configuration of a fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention. The system of the first embodiment has a fuel cell 12. The fuel cell 12 is configured by stacking a plurality of fuel cells. Each fuel cell is composed of an electrolyte membrane, an anode, a cathode, and a separator. The electrolyte membrane is proton conductive and exhibits good electrical properties when in an appropriate wet state. The anode and cathode of the fuel cell are each provided with an electrode catalyst layer.

図1に示すように、燃料電池12には、アノードガス流路14及びカソードガス流路16が導入されている。アノードガス流路14は、循環ポンプ26、可変調圧弁20、シャットバルブ21を介して、水素タンク18に連通している。水素タンク18内には水素リッチなアノードガスが高圧な状態で貯留されている。   As shown in FIG. 1, an anode gas channel 14 and a cathode gas channel 16 are introduced into the fuel cell 12. The anode gas flow path 14 communicates with the hydrogen tank 18 via the circulation pump 26, the adjustable pressure valve 20, and the shut valve 21. Hydrogen-rich anode gas is stored in the hydrogen tank 18 in a high-pressure state.

シャットバルブ21を閉じた状態ではアノードガスの供給が停止され、シャットバルブ21を開くことでアノードガスが燃料電池12に供給される。アノードガスの供給中に可変調圧弁20を制御することで、燃料電池12の入口におけるアノードガスの圧力を調圧することができる。また、アノードガス流路14における燃料電池12の入口付近には、圧力センサ22が接続されている。   When the shut valve 21 is closed, the supply of the anode gas is stopped, and the anode gas is supplied to the fuel cell 12 by opening the shut valve 21. By controlling the adjustable pressure valve 20 during the supply of the anode gas, the pressure of the anode gas at the inlet of the fuel cell 12 can be regulated. A pressure sensor 22 is connected to the anode gas flow path 14 near the inlet of the fuel cell 12.

カソードガス流路16には、ポンプ24が設けられている。ポンプ24の駆動により燃料電池12のカソードへ、酸素を含む酸化ガスとしてのカソードガスが送られる。そして、ポンプ24の動作量を調整することにより、燃料電池12に送られるカソードガスの流量を調整することができる。   A pump 24 is provided in the cathode gas flow path 16. By driving the pump 24, a cathode gas as an oxidizing gas containing oxygen is sent to the cathode of the fuel cell 12. Then, by adjusting the operation amount of the pump 24, the flow rate of the cathode gas sent to the fuel cell 12 can be adjusted.

このような構成によれば、アノードガス流路14から燃料電池12に送られたアノードガスは、燃料電池12内の各燃料電池セルのアノードに送られる。同様に、カソードガス流路16から燃料電池12に送られたカソードガスは、燃料電池12内の各燃料電池セルのカソードに送られる。なお、以下の説明では、燃料電池12内の各燃料電池セルのアノードを、ひとまとめとして、単に「燃料電池12のアノード」とも呼称する。同様に、燃料電池12内の燃料電池セルのカソードを、ひとまとめとして、単に「燃料電池12のカソード」とも呼称する。   According to such a configuration, the anode gas sent from the anode gas flow path 14 to the fuel cell 12 is sent to the anode of each fuel cell in the fuel cell 12. Similarly, the cathode gas sent from the cathode gas flow channel 16 to the fuel cell 12 is sent to the cathode of each fuel cell in the fuel cell 12. In the following description, the anodes of the fuel cells in the fuel cell 12 are collectively referred to simply as “the anode of the fuel cell 12”. Similarly, the cathodes of the fuel cells in the fuel cell 12 are collectively referred to simply as “the cathode of the fuel cell 12”.

燃料電池12のアノードでは、アノードガスが送り込まれると、このアノードガス中の水素から水素イオンを生成する(H→2H+2e)。また、カソードは、カソードガスが送り込まれると、このカソードガス中の酸素から酸素イオンを生成し、燃料電池12内では電力が発生する。また、これと同時にカソードにおいて、上記の水素イオンと酸素イオンとから水(生成水)が生成される((1/2)O+2H+2e→HO)。この水のほとんどは、燃料電池12内で発生する熱を吸収して水蒸気となり、カソードオフガス中に含まれて排出される。 In the anode of the fuel cell 12, when an anode gas is fed, hydrogen ions are generated from the hydrogen in the anode gas (H 2 → 2H + + 2e ). When the cathode gas is fed into the cathode, oxygen ions are generated from oxygen in the cathode gas, and electric power is generated in the fuel cell 12. At the same time, water (product water) is generated from the hydrogen ions and oxygen ions at the cathode ((1/2) O 2 + 2H + + 2e → H 2 O). Most of this water absorbs the heat generated in the fuel cell 12 to become water vapor, which is contained in the cathode offgas and discharged.

アノードから排出されたアノードオフガスは、アノードオフガス流路46に送られる。アノードオフガス流路46は、その下流で循環ポンプ26に連通している。アノードオフガスは循環ポンプ26の駆動によりアノードガス流路14へ戻され、燃料電池12へと再び供給される。そして、このようなアノードオフガスの再供給と共に、水素タンク18からの水素の補充が行われる。このような構成によれば、アノードオフガスを燃料電池12送ることができ、アノードオフガス中に含まれる未反応の水素を燃料電池12内で反応させることができる。その結果、水素の利用効率を高めることができる。なお、上述したアノードガス流路14→燃料電池12のアノード→アノードオフガス流路46→循環ポンプ26を含む循環流路が、アノードガス循環流路を形成しているとも言うことができる。   The anode off gas discharged from the anode is sent to the anode off gas flow path 46. The anode off gas flow path 46 communicates with the circulation pump 26 downstream thereof. The anode off gas is returned to the anode gas flow path 14 by driving the circulation pump 26 and supplied to the fuel cell 12 again. Then, replenishment of hydrogen from the hydrogen tank 18 is performed along with such resupply of the anode off gas. According to such a configuration, the anode off gas can be sent to the fuel cell 12, and unreacted hydrogen contained in the anode off gas can be reacted in the fuel cell 12. As a result, the utilization efficiency of hydrogen can be increased. It can also be said that the above-described circulation path including the anode gas flow path 14 → the anode of the fuel cell 12 → the anode off-gas flow path 46 → the circulation pump 26 forms the anode gas circulation path.

燃料電池12のカソードから排出されたカソードオフガスは、図1に示すカソードオフガス流路58に送られる。カソードオフガスは、カソードオフガス流路58を通り、最終的には希釈器60から排出される。カソードオフガス流路58は、エア排圧調整弁62、希釈器60を介して、図示しないエア排気系へと連通している。   The cathode offgas discharged from the cathode of the fuel cell 12 is sent to the cathode offgas passage 58 shown in FIG. The cathode off gas passes through the cathode off gas flow path 58 and is finally discharged from the diluter 60. The cathode off-gas flow path 58 communicates with an air exhaust system (not shown) via an air exhaust pressure adjustment valve 62 and a diluter 60.

エア排圧調整弁62を制御することで、カソードオフガスの圧力を調整することができる。また、カソードオフガス流路58におけるエア排圧調整弁62の上流には、カソードオフガス圧力を検出する圧力センサ64が設けられている。   By controlling the air exhaust pressure regulating valve 62, the pressure of the cathode off-gas can be adjusted. Further, a pressure sensor 64 for detecting the cathode offgas pressure is provided upstream of the air exhaust pressure regulating valve 62 in the cathode offgas flow path 58.

また、図1のシステムは、燃料電池12を冷却するための冷却液流路70を有している。冷却液流路70は、各燃料電池セルのセパレータに形成される冷却流路に連通している。このような構成によれば、冷却液流路70内で冷却液を循環させることにより、燃料電池セルを冷却することができる。なお、図1のシステムは、図示しない冷却液循環ポンプにより、冷却液の循環量を制御することができる。冷却液の循環量を適切に制御することで、発電に伴う燃料電池12の過度な温度上昇が抑えられ、燃料電池12の温度を最適なものとすることができる。   In addition, the system of FIG. 1 has a coolant flow path 70 for cooling the fuel cell 12. The coolant channel 70 communicates with a cooling channel formed in the separator of each fuel cell. According to such a configuration, the fuel cell can be cooled by circulating the coolant in the coolant channel 70. In the system of FIG. 1, the circulation amount of the coolant can be controlled by a coolant circulation pump (not shown). By appropriately controlling the circulating amount of the coolant, an excessive temperature rise of the fuel cell 12 accompanying power generation can be suppressed, and the temperature of the fuel cell 12 can be optimized.

図1に示すように、本実施形態のシステムはECU(Electronic Control Unit)40を備えている。ECU40には、システムの運転状態を把握すべく、燃料電池12の出力(電圧値、電流値)、冷却水温などを検出するための各種センサ(不図示)が接続されている。これにより、ECU40は、燃料電池12が備えるそれぞれの燃料電池セルの電圧を検知することができる。   As shown in FIG. 1, the system of the present embodiment includes an ECU (Electronic Control Unit) 40. The ECU 40 is connected with various sensors (not shown) for detecting the output (voltage value, current value) of the fuel cell 12, the coolant temperature, etc., in order to grasp the operating state of the system. Thereby, ECU40 can detect the voltage of each fuel cell with which fuel cell 12 is provided.

また、ECU40には、上述した圧力センサ22、64、可変調圧弁20、排水弁52、排気弁54、エア排圧調整弁62、冷却液循環ポンプ(図示せず)などが接続されている。ECU40は、燃料電池12の出力、各ガスの圧力、各ガスの流量、冷却液の循環量を制御することで、燃料電池12を所望の運転状態で運転することができる。   In addition, the ECU 40 is connected to the pressure sensors 22 and 64, the adjustable pressure valve 20, the drain valve 52, the exhaust valve 54, the air exhaust pressure adjusting valve 62, the coolant circulation pump (not shown), and the like. The ECU 40 can operate the fuel cell 12 in a desired operation state by controlling the output of the fuel cell 12, the pressure of each gas, the flow rate of each gas, and the circulation amount of the coolant.

また、ECU40は、燃料電池セル内の水分が不足しているか否かを判定する処理(以下、「水不足判定処理」とも呼称する)を記憶している。この処理は、具体的には、燃料電池12の出力、主に電圧値の情報に基づいて、燃料電池12内部の水分の不足が生じているか否かを判定するものである。   Further, the ECU 40 stores a process for determining whether or not water in the fuel cell is insufficient (hereinafter also referred to as “water shortage determination process”). Specifically, this process determines whether or not there is a shortage of moisture inside the fuel cell 12 based on the output of the fuel cell 12, mainly information on the voltage value.

上述したように、電解質膜は、適当な湿潤状態にあると良好な電気特性を示す。しかしながら、燃料電池システムの運転状態が変化すると、電解質膜に含まれる水量が変化することがある。このような場合、電解質膜の湿潤状態は燃料電池セルの出力に影響を及ぼすことになる。   As described above, the electrolyte membrane exhibits good electrical characteristics when in an appropriate wet state. However, when the operating state of the fuel cell system changes, the amount of water contained in the electrolyte membrane may change. In such a case, the wet state of the electrolyte membrane affects the output of the fuel cell.

すなわち、電解質膜に含まれる水分が減少した場合には、それに付随して燃料電池セルの出力電圧の低下が見られることになる(このような状態は、「ドライアップ」とも呼称される)。実施の形態1では、このような電圧変化を観測することにより、燃料電池の水不足が生じているか否かを判定することとする。なお、このような燃料電池の水不足判定に関する技術は既に公知となっており、例えば、特開2004−127914号公報で開示されているような燃料電池の水分状態診断手法により実現することができる。このため、水不足判定に関する更なる詳細についてはその説明を省略することとする。   That is, when the water content in the electrolyte membrane is reduced, the output voltage of the fuel cell is reduced accordingly (this state is also called “dry up”). In the first embodiment, it is determined whether or not the fuel cell is short of water by observing such a voltage change. It should be noted that such a technique relating to the determination of water shortage of a fuel cell is already known, and can be realized by, for example, a fuel cell moisture state diagnostic method as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-127914. For this reason, the further details regarding the water shortage determination will be omitted.

[実施の形態1の動作]
(実施の形態1の第1特徴動作「クロスリークに伴う水生成の利用」)
上述したように、実施の形態1の燃料電池システムが発電を行う際には、アノードガスおよびカソードガスがそれぞれ燃料電池12に供給される。そして、燃料電池12の出力が観測されるとともに、燃料電池12内の水不足の判定が継続的に実行されている。
[Operation of Embodiment 1]
(First characteristic operation of Embodiment 1 “Utilization of water generation accompanying cross leak”)
As described above, when the fuel cell system of Embodiment 1 generates power, the anode gas and the cathode gas are supplied to the fuel cell 12, respectively. Then, the output of the fuel cell 12 is observed, and the determination of water shortage in the fuel cell 12 is continuously performed.

水不足判定処理により燃料電池12内の水分が不足しているとの判定がなされた場合には、水不足を解消するために、燃料電池12に水を供給する必要がある。実施の形態1では、燃料電池12が水不足であると判定された場合、下記の手法を用いて当該水不足を解消することとする。   When it is determined by the water shortage determination process that the moisture in the fuel cell 12 is insufficient, it is necessary to supply water to the fuel cell 12 in order to eliminate the water shortage. In the first embodiment, when it is determined that the fuel cell 12 is short of water, the shortage of water is resolved using the following method.

電解質膜を挟んで両極(アノード極、カソード極)間にガスの分圧差が生じている状況下では、分圧の高い極から分圧の低い極へと電解質膜を介してガスが移動する。このようなガスの移動は、「クロスリーク」とも呼称される。このクロスリークにより、アノードの水素がカソードへと移動すると、当該移動した水素がカソードの酸素と触媒上で反応し、水が生成する。逆に、カソードの酸素がアノードへと移動すると、当該移動した酸素がアノードの水素と触媒上で反応し、水が生成する。そこで、実施の形態1のシステムでは、このようなクロスリークに伴う水生成を燃料電池への水供給に利用することとする。   Under a situation where a partial pressure difference of gas is generated between both electrodes (anode electrode and cathode electrode) sandwiching the electrolyte membrane, the gas moves from the high partial pressure electrode to the low partial pressure electrode through the electrolyte membrane. Such gas movement is also referred to as “cross leak”. When the anode hydrogen moves to the cathode due to the cross leak, the moved hydrogen reacts with the oxygen on the cathode on the catalyst to produce water. Conversely, when the oxygen at the cathode moves to the anode, the moved oxygen reacts with the hydrogen at the anode on the catalyst to produce water. Therefore, in the system of the first embodiment, water generation accompanying such cross leak is used for water supply to the fuel cell.

具体的には、実施の形態1では、水不足判定処理が燃料電池12の水不足の発生を検出した場合、原則として、アノードの圧力を増加してアノードとカソードの水素分圧差を大きくする。アノードとカソードの間の水素分圧差が大きくなると、電解質膜を介してアノードからカソードへと向かう水素の移動量が増加し、カソードの電極触媒層で酸素と反応する水素の量が増加する。その結果、生成水量が増加し、電解質膜へと供給される水量が増加することになる。このようにすることで、燃料電池の水分が不足している場合に、カソードの電極触媒層で生成する水の量を増加し、燃料電池12に水を供給することができる。   Specifically, in the first embodiment, when the water shortage determination process detects the occurrence of water shortage in the fuel cell 12, in principle, the anode pressure is increased to increase the hydrogen partial pressure difference between the anode and the cathode. When the difference in hydrogen partial pressure between the anode and the cathode increases, the amount of hydrogen moving from the anode to the cathode through the electrolyte membrane increases, and the amount of hydrogen that reacts with oxygen in the electrode catalyst layer of the cathode increases. As a result, the amount of generated water increases and the amount of water supplied to the electrolyte membrane increases. By doing so, when the water content of the fuel cell is insufficient, the amount of water generated in the cathode electrode catalyst layer can be increased and water can be supplied to the fuel cell 12.

なお、実施の形態1は、従来、例えば特開2004−127914号公報に開示されている圧力制御方法とは、次の点において相違している。上記従来の技術では、電解質膜に水を供給すべき状況においては、通常の運転状態に比して、カソード圧をアノード圧よりも高圧にし、高圧の極から低圧の極へと電解質膜を透過して移動する水の量を増加させている。これに対し、本実施形態では、水不足時においては、アノード圧を増加させることで水素分圧差を増加させることとしている点で、上記従来の技術と明確に相違している。   The first embodiment differs from the conventional pressure control method disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-127914 in the following points. In the above-described conventional technology, in a situation where water should be supplied to the electrolyte membrane, the cathode pressure is set higher than the anode pressure and the electrolyte membrane permeates from the high-pressure electrode to the low-pressure electrode as compared with the normal operation state. The amount of water that moves is increased. On the other hand, the present embodiment is clearly different from the conventional technique in that the hydrogen partial pressure difference is increased by increasing the anode pressure when water is insufficient.

また、上記従来の技術においては、電解質膜への水供給を抑制すべき状況においては、逆に、アノード圧をカソード圧よりも高圧にし、アノードへの水移動を抑制することとしている。電解質膜への水供給を抑制すべき状況においてアノード圧をカソード圧よりも高圧にすると、アノードへの水移動(拡散)は抑制されるものの、アノード圧をカソード圧よりも増加させた結果、水素分圧差が大きくなってクロスリーク量も増加し、カソード触媒層における反応生成水量が増加するという事態が生じうる。本実施形態では、水移動(拡散)の量ではなく、クロスリーク量に着目しているため、上記のような弊害を回避しつつ燃料電池への水供給を行うことができるという優れた特徴を有している。   Further, in the above conventional technique, in a situation where the supply of water to the electrolyte membrane should be suppressed, the anode pressure is set higher than the cathode pressure to suppress water movement to the anode. If the anode pressure is set higher than the cathode pressure in a situation where the water supply to the electrolyte membrane should be suppressed, water movement (diffusion) to the anode is suppressed, but the anode pressure is increased above the cathode pressure. The partial pressure difference increases, the cross leak amount increases, and the amount of reaction product water in the cathode catalyst layer may increase. The present embodiment focuses on the amount of cross leak rather than the amount of water movement (diffusion), and therefore has an excellent feature that water can be supplied to the fuel cell while avoiding the above-described adverse effects. Have.

(実施の形態1の第2特徴動作「水不足状態に応じたガス分圧差の調整」)
実施の形態1の第1特徴動作には、上述したように、クロスリークに伴う水生成を燃料電池への水供給に利用する思想が含まれている。更に、実施の形態1では、第1特徴動作で述べた思想に、以下に述べる水不足状態に応じてガス分圧差を調整する思想を加えてシステムを構成するものとする。
(Second characteristic operation of Embodiment 1 “Adjustment of gas partial pressure difference according to water shortage state”)
As described above, the first characteristic operation of the first embodiment includes the idea of utilizing water generation accompanying cross leak for supplying water to the fuel cell. Further, in the first embodiment, the system is configured by adding the idea of adjusting the gas partial pressure difference according to the water shortage state described below to the idea described in the first characteristic operation.

燃料電池の水不足(ドライアップ)が生じた際に電圧を低下させる要因としては、次の4つが考えられる。
a.電解質膜のプロトン伝導性の低下
b.触媒層内のプロトン伝導性の低下(ソリューションの乾燥)
c.触媒利用率の低下
d.触媒層内の反応ガスの輸送性の低下
電圧低下の要因がb〜dの要因である場合、すなわち、触媒層における分極が電圧低下の支配要因となっている場合、水分が不足して加湿を必要とする部分は触媒層である。燃料電池はカソードとアノードにそれぞれ触媒層を備えており、燃料電池システムの運転状態によっては、実質的にアノードの触媒層のみが水不足となる場合や、実質的にカソードの触媒層のみが水不足となるという事態が生じうる。
The following four factors can be considered as a factor for reducing the voltage when water shortage (dry up) occurs in the fuel cell.
a. Decrease in proton conductivity of electrolyte membrane b. Decreased proton conductivity in the catalyst layer (drying of the solution)
c. Reduced catalyst utilization d. Decrease in transportability of reaction gas in catalyst layer When the factor of voltage drop is the factor of b to d, that is, when polarization in the catalyst layer is the governing factor of voltage drop, moisture is insufficient and humidification is performed. The necessary part is a catalyst layer. The fuel cell is provided with a catalyst layer on each of the cathode and the anode, and depending on the operation state of the fuel cell system, only the anode catalyst layer is substantially insufficient in water, or only the cathode catalyst layer is substantially insufficient in water. Can happen.

一方、上述したクロスリークを利用した生成水の増加は、ガスの分圧差を大きくすることにより、電解質膜を介して一方の極から他方の極へと移動する水素または酸素の量を増加させることで実現される。水素分圧差を増加した場合にはアノードからカソードへ移動する水素量が増加し、逆に、酸素分圧差を増加した場合にはカソードからアノードへ移動する酸素量が増加する。従って、水素分圧差を大きくするとカソード触媒層における生成水量が増加し、酸素分圧差を大きくするとアノード触媒層における生成水量が増加する。   On the other hand, the increase in the generated water using the cross leak described above increases the amount of hydrogen or oxygen that moves from one electrode to the other electrode via the electrolyte membrane by increasing the partial pressure difference of the gas. It is realized with. When the hydrogen partial pressure difference is increased, the amount of hydrogen moving from the anode to the cathode is increased. Conversely, when the oxygen partial pressure difference is increased, the amount of oxygen moving from the cathode to the anode is increased. Therefore, increasing the hydrogen partial pressure difference increases the amount of water produced in the cathode catalyst layer, and increasing the oxygen partial pressure difference increases the amount of water produced in the anode catalyst layer.

そこで、実施の形態1では、燃料電池12が水不足であるとの判定がなされた後、さらに、水不足が実質的にアノードのみで生じている場合または実質的にカソードのみで生じている場合を判別して、それらの場合には水不足が生じている側の触媒層において生成水量が増加するようにする。具体的には、実施の形態1では、水不足の発生が検知されたら、先ず、燃料電池システムの運転状態に基づいて、下記の判断基準を用いて、燃料電池12内部における水不足の状態を推定する。   Therefore, in the first embodiment, after it is determined that the fuel cell 12 is short of water, it is further determined whether the water shortage is substantially caused only by the anode or substantially only by the cathode. In those cases, the amount of generated water is increased in the catalyst layer on the side where water shortage occurs. Specifically, in the first embodiment, when the occurrence of water shortage is detected, first, based on the operating state of the fuel cell system, the state of water shortage inside the fuel cell 12 is estimated using the following criteria. .

燃料電池システムが高温高負荷の状態であり、その運転温度時が上昇している状況下では、燃料電池12の内部から持ち去られる水の量が増加する。実施の形態1のようにカソード側で継続的にガスを流通させるシステムでは、カソードを流通するカソードガスにより燃料電池12から持ち去られる水分が増加し、カソードで水不足が生じることになる。そこで、実施の形態1では、このような場合には燃料電池12の水不足が実質的にカソードのみで生じていると判断することにする。   When the fuel cell system is in a high temperature and high load state and the operating temperature is rising, the amount of water taken away from the inside of the fuel cell 12 increases. In the system in which the gas is continuously circulated on the cathode side as in the first embodiment, the moisture taken away from the fuel cell 12 by the cathode gas flowing through the cathode increases, and water shortage occurs at the cathode. Therefore, in the first embodiment, in such a case, it is determined that the water shortage of the fuel cell 12 substantially occurs only at the cathode.

一方、燃料電池が低温低負荷で運転されている状況下では、燃料電池の温度およびその発電性能が低くなっているため、アノードガスからの加湿が少なく、また、カソードから逆拡散してくる水が少なくなる。その結果、このような運転状態にあっては、アノード側の水分が不足しやすくなっている。また、燃料電池が高温運転されている状況下では、カソードの水の持ち去り量が増加する。その結果、アノードからカソードに移動する水の量が増加し、アノード側の水分が不足しやすくなる。   On the other hand, when the fuel cell is operated at a low temperature and a low load, the temperature of the fuel cell and its power generation performance are low, so there is little humidification from the anode gas and water that is back-diffused from the cathode. Less. As a result, in such an operating state, the moisture on the anode side tends to be insufficient. Further, when the fuel cell is operated at a high temperature, the amount of cathode water taken away increases. As a result, the amount of water moving from the anode to the cathode increases, and the moisture on the anode side tends to be insufficient.

また、燃料電池が高負荷で運転されている状況下では、発電反応中のプロトン(H)伝導に随伴してアノードからカソードへと移動する水(以下、「随伴水」とも呼称する)の量が増加する。このような状況にあって、かつ、カソード圧が低い状況下では、逆拡散が追いつかず、アノード側の水分が不足しやすい。そこで、実施の形態1では、上記のようなアノードの水分が不足する傾向にあるいくつかの状況で燃料電池が運転されている場合には、燃料電池12の水不足が実質的にアノードのみで生じていると判断することにする。 In a situation where the fuel cell is operated at a high load, water (hereinafter also referred to as “associated water”) that moves from the anode to the cathode accompanying the conduction of proton (H + ) during the power generation reaction. The amount increases. Under such circumstances and under a situation where the cathode pressure is low, the reverse diffusion cannot catch up, and the moisture on the anode side tends to be insufficient. Therefore, in the first embodiment, when the fuel cell is operated in some situations where the moisture in the anode tends to be insufficient as described above, the water shortage of the fuel cell 12 occurs substantially only in the anode. I will judge that.

そして、実施の形態1では、上記の条件のいずれにも当てはまらない場合には、燃料電池12の水不足の状態がアノードのみの水不足とカソードのみの水不足のどちらでもないと判断することにする。   In the first embodiment, when none of the above conditions is satisfied, it is determined that the water shortage state of the fuel cell 12 is neither water shortage of the anode alone nor water shortage of the cathode alone.

上記の手法により当該水不足が実質的にアノードのみで生じていると判断された場合には、水素分圧差を大きくする。これにより、アノードへの酸素の移動量を増加し、アノード触媒層の生成水量を増加する。また、当該水不足が実質的にカソードのみで生じていると判断された場合には、酸素分圧差を大きくする。これにより、カソードへの水素の移動量を増加し、カソード触媒層における生成水量を増加することとする。   If it is determined by the above method that the water shortage occurs substantially only at the anode, the hydrogen partial pressure difference is increased. This increases the amount of oxygen transferred to the anode and increases the amount of water produced in the anode catalyst layer. Further, when it is determined that the water shortage is substantially caused only by the cathode, the oxygen partial pressure difference is increased. As a result, the amount of hydrogen transferred to the cathode is increased, and the amount of water produced in the cathode catalyst layer is increased.

以上の動作によれば、アノードのみで水が不足している場合にはアノードへと直接水を供給し、カソードのみで水が不足している場合にはカソードへと直接水を供給することができる。その結果、アノード若しくはカソードの触媒層の水不足を、確実かつ速やかに解消することができる。また、水不足が生じている側の極で直接水を生成する本手法によれば、本手法とは逆に水不足が生じていない側の極で水を生成する手法に比して、得られる加湿効果が極めて高くなる。加えて、本手法によれば、前述したように効率よく水供給を行うことができるため、MEAに大きな差圧をつける必要がなく、耐久性への影響も抑えることができる。   According to the above operation, water is supplied directly to the anode when water is insufficient only by the anode, and water is supplied directly to the cathode when water is insufficient only by the cathode. it can. As a result, the shortage of water in the anode or cathode catalyst layer can be reliably and quickly resolved. In addition, according to this method, which generates water directly at the pole where water shortage occurs, the humidification obtained can be compared to the method where water is generated at the pole where water shortage does not occur, contrary to this method. The effect is extremely high. In addition, according to this method, since water can be supplied efficiently as described above, it is not necessary to apply a large differential pressure to the MEA, and the influence on durability can be suppressed.

なお、実施の形態1では、上記のいずれにも該当しない場合、すなわち、アノードのみの水不足やカソードのみの水不足ではない場合(例えば、上述した要因aの場合や、アノードとカソードの両方の触媒層で水不足が生じている場合など)には、上述した第1特徴動作で述べたように水素分圧差を大きくすることとする。これにより、生成水量を増加し、電解質膜および触媒層の水不足を解消することができる。   In the first embodiment, when none of the above applies, that is, when there is no shortage of water only for the anode or only for the cathode (for example, in the case of the above-mentioned factor a, the catalyst layers of both the anode and the cathode) When the water shortage occurs, the hydrogen partial pressure difference is increased as described in the first feature operation. Thereby, the amount of generated water can be increased, and the shortage of water in the electrolyte membrane and the catalyst layer can be solved.

[実施の形態1の具体的処理]
以下、図2を用いて、実施の形態1のシステムが行う具体的処理を説明する。図2は、実施の形態1においてECU40が実行するルーチンのフローチャートである。図2のルーチンは、実施の形態1のシステムの運転中に実行される。また、図2のルーチンは、上述した実施の形態1の第1特徴動作を実現する処理と、第2特徴動作を実現する処理の双方の処理を含んでいる。
[Specific Processing in First Embodiment]
Hereinafter, specific processing performed by the system of the first embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a flowchart of a routine executed by ECU 40 in the first embodiment. The routine of FIG. 2 is executed during operation of the system of the first embodiment. The routine of FIG. 2 includes both processing for realizing the first feature operation of the first embodiment and processing for realizing the second feature operation.

図2に示すルーチンでは、先ず、水不足(ドライアップ)が発生しているか否かが判定される(ステップS100)。具体的には、ECU40に備えられている水不足判定処理により、燃料電池12の出力に基づいて、水不足の判定がなされる。当該ステップS100の条件の成立が認められない場合には、燃料電池12内部に十分な水分が確保されているとの判断がなされ、今回のルーチンが終了する。   In the routine shown in FIG. 2, it is first determined whether or not water shortage (dry up) has occurred (step S100). Specifically, the water shortage determination process provided in the ECU 40 determines the water shortage based on the output of the fuel cell 12. If the establishment of the condition in step S100 is not confirmed, it is determined that sufficient moisture is secured in the fuel cell 12, and the current routine is terminated.

ステップS100の条件の成立が認められた場合には、燃料電池12内部の水分が不足しているとの判断がなされる。この場合には、続いて、水不足の状態が、実質的にアノード側のみの水不足の場合と、実質的にカソード側のみの水不足の場合と、そのいずれでもない場合の3つの場合のうちのいずれに該当するかが判別される(ステップS102)。具体的には、ステップS102では、先ず、ECU40が燃料電池システムの運転状態に関する情報を取得する。   If the establishment of the condition in step S100 is confirmed, it is determined that the moisture in the fuel cell 12 is insufficient. In this case, subsequently, the water shortage state is any of the three cases of the case where water is substantially deficient only on the anode side, the case where water is substantially deficient only on the cathode side, or none of them. Is determined (step S102). Specifically, in step S102, first, the ECU 40 acquires information related to the operating state of the fuel cell system.

そして、予め実験等により上述のアノードおよびカソードの水不足が生じる運転条件(温度、負荷など)の範囲のマップを作成しておき、ECU40が取得した運転状態(温度、負荷など)の情報が、このマップにおける水不足の発生条件範囲内に含まれるか否かの判定を行う。これにより、燃料電池12の水不足の状態が上記いずれの状態に当てはまるかを判別できる。   Then, a map of the range of operating conditions (temperature, load, etc.) in which the above-described anode and cathode water shortages occur by experiments or the like is prepared in advance, and information on the operating state (temperature, load, etc.) acquired by the ECU 40 is this Judgment is made as to whether or not it is included in the condition range of occurrence of water shortage on the map. Thereby, it can be determined which of the above states the water shortage state of the fuel cell 12 applies.

以下、図2のフローチャートの処理を、アノード側のみで水不足の場合と、カソード側のみで水不足の場合と、それ以外の場合についてそれぞれ説明する。   Hereinafter, the process of the flowchart of FIG. 2 will be described for each of the case where water is insufficient only on the anode side, the case where water is insufficient only on the cathode side, and the other cases.

(実質的にアノード側のみで水不足が生じている場合)
ステップS102において、燃料電池12の水不足の状態が実質的にアノードのみで生じていると判別された場合には、カソードの圧力を増加する処理がなされる(ステップS104)。具体的には、所定の圧力だけカソードの圧力が増加するように、可変調圧弁20が開弁側に制御される。
(When water shortage has occurred only on the anode side)
In step S102, when it is determined that the water shortage state of the fuel cell 12 substantially occurs only in the anode, a process of increasing the cathode pressure is performed (step S104). Specifically, the adjustable pressure valve 20 is controlled to the valve opening side so that the cathode pressure increases by a predetermined pressure.

これにより、アノードとカソードの酸素分圧差が増加し、カソードからアノードへクロスリークする酸素量が増加する。その結果、アノード触媒上で水素と反応する酸素が増加し、生成水量が増加する。これにより、アノードのみで水が不足している場合に、アノードへと直接水を供給することができる。その結果、アノードの電極触媒層の水不足を、確実かつ速やかに解消することができる。   Thereby, the oxygen partial pressure difference between the anode and the cathode increases, and the amount of oxygen that cross leaks from the cathode to the anode increases. As a result, oxygen that reacts with hydrogen on the anode catalyst increases, and the amount of generated water increases. As a result, when water is insufficient only by the anode, water can be directly supplied to the anode. As a result, the shortage of water in the anode electrode catalyst layer can be resolved reliably and promptly.

続いて、冷却液量の増加が行われる(ステップS106)。具体的には、冷却液循環ポンプ(不図示)が制御され、冷却液流路70内を流れる冷却液の循環量を増加する処理がなされる。クロスリークにより水素と酸素が反応する際に、当該反応が電極触媒層上で局所的に生じる(或いは、その反応量に偏りが生じる)場合がある。これに起因して、電極触媒層に局所的な高温の部分(ヒートスポットとも呼称される)が生じてしまう場合がある。実施の形態1によれば、クロスリーク量の増加に応じて冷却液の循環量を増加させることとしているので、上述したような状況が生じても、集中している熱を分散することができる。   Subsequently, the amount of coolant is increased (step S106). Specifically, a coolant circulation pump (not shown) is controlled, and processing for increasing the circulation amount of the coolant flowing in the coolant flow path 70 is performed. When hydrogen and oxygen react due to cross leak, the reaction may occur locally on the electrode catalyst layer (or the reaction amount may be biased). As a result, a locally high temperature portion (also referred to as a heat spot) may occur in the electrode catalyst layer. According to the first embodiment, since the circulation amount of the coolant is increased in accordance with the increase in the cross leak amount, the concentrated heat can be dispersed even if the situation described above occurs. .

なお、カソード圧の増加量を大きくするほど冷却液の循環流量を多くしたり、カソード圧の絶対値やカソード圧とアノード圧の差の絶対値に応じて循環流量を設定したりするなどの手法を加えても良い。これにより、クロスリークによる水生成反応の増加に応じて冷却液の循環量を増やすことができ、上述したような状況に、より効果的に対処することが可能となる。   A method such as increasing the circulating flow rate of the coolant as the increase in the cathode pressure is increased, or setting the circulating flow rate according to the absolute value of the cathode pressure or the absolute value of the difference between the cathode pressure and the anode pressure. May be added. As a result, the circulation amount of the coolant can be increased in accordance with an increase in the water production reaction due to cross leak, and the situation as described above can be dealt with more effectively.

ステップS106の処理が実行されると、次に、水素循環比を増やす処理が行われる(ステップS108)。具体的には、ECU40により、循環ポンプ26の動作量を増加する処理がなされる。上述した水素分圧差の増加に伴ってアノードの生成水量が増加した場合に、アノード内の水分が、燃料電池12の水不足のために必要な量を上回る場合がある。   When the process of step S106 is executed, a process of increasing the hydrogen circulation ratio is then performed (step S108). Specifically, the ECU 40 performs a process for increasing the operation amount of the circulation pump 26. When the amount of water produced in the anode increases with the increase in the hydrogen partial pressure difference described above, the water content in the anode may exceed the amount necessary for the shortage of water in the fuel cell 12.

そのような場合に、いわゆるフラッディングを招来し、燃料電池12の発電に好ましくない影響を及ぼすおそれがある。実施の形態1では、ステップS108の処理によりアノードを流れる水素量を増加することとしているため、アノードを循環することにより持ち去られる水の量を増加することができ、このような弊害が生ずるのを防止することができる。   In such a case, so-called flooding is caused, which may adversely affect the power generation of the fuel cell 12. In the first embodiment, the amount of hydrogen flowing through the anode is increased by the process of step S108. Therefore, the amount of water taken away can be increased by circulating through the anode. Can be prevented.

続いて、ステップS100で検知された水不足(ドライアップ)が解消しているか否かの判定が行われる(ステップS110)。具体的には、燃料電池12のスタック抵抗が、予め実験等により求められた許容範囲内にあるか否かが判定される。算出されたスタック抵抗値が許容範囲内に無ければ、ステップS110の条件の成立は認められず水不足は未だ解消されていないと判断され、ステップS104からの処理が再び実行される。   Subsequently, it is determined whether or not the water shortage (dry up) detected in step S100 has been resolved (step S110). Specifically, it is determined whether or not the stack resistance of the fuel cell 12 is within an allowable range obtained in advance through experiments or the like. If the calculated stack resistance value is not within the allowable range, it is determined that the condition of step S110 is not satisfied and water shortage has not yet been resolved, and the processing from step S104 is executed again.

ステップS110の条件の成立が認められた場合には、水不足が解消したとの判断がなされ、システムの状態を標準運転状態に徐々に戻す処理が実行される(ステップS112)。その後、今回のルーチンが終了する。   When the establishment of the condition in step S110 is confirmed, it is determined that the water shortage has been resolved, and a process of gradually returning the system state to the standard operation state is executed (step S112). Thereafter, the current routine ends.

(実質的にカソード側のみで水不足が生じている場合)
ステップS102において、燃料電池12の水不足の状態が実質的にカソードのみで生じていると判別された場合には、アノードの圧力を増加する処理がなされる(ステップS114)。具体的には、所定の圧力だけアノードの圧力が増加するように、可変調圧弁20が開弁側に制御される。
(When water shortage occurs only on the cathode side)
In step S102, when it is determined that the water shortage of the fuel cell 12 is substantially caused only by the cathode, a process of increasing the anode pressure is performed (step S114). Specifically, the adjustable pressure valve 20 is controlled to the valve opening side so that the anode pressure increases by a predetermined pressure.

これにより、アノードとカソードの水素分圧差が増加し、アノードからカソードへクロスリークする水素量が増加する。その結果、カソード触媒上で反応する水素量が増加し、生成水量が増加する。そして、カソードのみで水が不足している場合に、カソードへと直接水を供給することができるので、カソード電極触媒層の水不足を確実かつ速やかに解消することができる。   Thereby, the hydrogen partial pressure difference between the anode and the cathode increases, and the amount of hydrogen that cross leaks from the anode to the cathode increases. As a result, the amount of hydrogen that reacts on the cathode catalyst increases and the amount of produced water increases. And when water is insufficient only with the cathode, water can be supplied directly to the cathode, so that the shortage of water in the cathode electrode catalyst layer can be resolved reliably and promptly.

続いて、ステップS106と同様に冷却液量の増加が行われ(ステップS116)、その後、ステップS110と同様に水不足(ドライアップ)が解消しているか否かの判定が行われる(ステップS118)。ステップS118の条件の成立が認められない場合には、再びステップS114からの処理が実行される。ステップS118の条件の成立が認められた場合には、水不足が解消したとの判断がなされ、システムの状態を標準運転状態に徐々に戻す処理が実行される(ステップS112)。その後、今回のルーチンが終了する。   Subsequently, the amount of the coolant is increased in the same manner as in step S106 (step S116), and then it is determined whether or not the water shortage (dry up) has been resolved in the same manner as in step S110 (step S118). If the establishment of the condition in step S118 is not confirmed, the processing from step S114 is executed again. If the establishment of the condition in step S118 is confirmed, it is determined that the water shortage has been resolved, and a process of gradually returning the system state to the standard operation state is executed (step S112). Thereafter, the current routine ends.

(アノードのみの水不足とカソードのみの水不足のどちらでもない場合)
ステップS102において、燃料電池12の水不足の状態がアノードのみの水不足とカソードのみの水不足のどちらでもないと判断された場合には、アノードの圧力を増加する処理がなされる(ステップS120)。
(Neither the anode-only water shortage nor the cathode-only water shortage)
If it is determined in step S102 that the fuel cell 12 is in a state of water shortage, neither anode-only water shortage nor cathode-only water shortage, a process of increasing the anode pressure is performed (step S120).

具体的には、ステップS104の処理と同様に、所定の圧力だけアノードの圧力が増加するように、可変調圧弁20が開き気味に制御される。その結果、カソード触媒上で酸素と反応する水素量が増加し、生成する水の量が増加する。生成水量が増加することで、燃料電池12内部の水の量が増加することとなり、燃料電池12内の水不足が緩和されることになる。   Specifically, like the process of step S104, the adjustable pressure valve 20 is opened and controlled so that the anode pressure increases by a predetermined pressure. As a result, the amount of hydrogen that reacts with oxygen on the cathode catalyst increases and the amount of water produced increases. As the amount of generated water increases, the amount of water in the fuel cell 12 increases, and the shortage of water in the fuel cell 12 is alleviated.

続いて、ステップS106と同様に冷却液量の増加が行われ(ステップS122)、ステップS100で検知された水不足が改善したか否かが判定される(ステップS126)。具体的には、ECU40が燃料電池12のスタック抵抗を算出し、この値が、予め実験等により求められた通常運転時におけるスタック抵抗の標準値側へと変化しているか否かが判定される。算出されたスタック抵抗値が標準値側へと変化していれば、水不足が改善したとの判断がなされる。また、そのような変化が認められない場合には、水不足の改善が得られていないとの判断がなされる。   Subsequently, the amount of the coolant is increased as in step S106 (step S122), and it is determined whether the water shortage detected in step S100 has been improved (step S126). Specifically, the ECU 40 calculates the stack resistance of the fuel cell 12, and it is determined whether or not this value has changed to the standard value side of the stack resistance during normal operation obtained in advance through experiments or the like. . If the calculated stack resistance value has changed to the standard value side, it is determined that the water shortage has improved. Moreover, when such a change is not recognized, it is judged that the improvement of water shortage has not been obtained.

ステップS110の条件の成立が認められた場合には、その後、水不足が解消しているか否かの判定が行われる(ステップS128)。具体的には、燃料電池12のスタック抵抗が、予め実験等により求められた許容範囲内にあるか否かが判定される。算出されたスタック抵抗値が許容範囲内に無ければ、ステップS128の条件の成立は認められず水不足は未だ解消されていないと判断され、ステップS120からの処理が再び実行される。   If the establishment of the condition of step S110 is confirmed, it is then determined whether or not the water shortage has been resolved (step S128). Specifically, it is determined whether or not the stack resistance of the fuel cell 12 is within an allowable range obtained in advance through experiments or the like. If the calculated stack resistance value is not within the allowable range, it is determined that the condition of step S128 is not satisfied and water shortage has not yet been resolved, and the processing from step S120 is executed again.

ステップS128の条件の成立が認められた場合には、水不足が解消したとの判断がなされ、システムの状態を標準運転状態に徐々に戻す処理が実行される(ステップS112)。その後、今回のルーチンが終了する。このような一連の処理によれば、アノード圧を増加することによる水不足の改善効果が認められることを確認しつつ、水不足が解消されるまで当該アノード圧の増加を継続することができる。   When the establishment of the condition in step S128 is confirmed, it is determined that the water shortage has been resolved, and a process of gradually returning the system state to the standard operation state is executed (step S112). Thereafter, the current routine ends. According to such a series of processes, it is possible to continue increasing the anode pressure until the shortage of water is resolved, while confirming that the effect of improving the water shortage by increasing the anode pressure is recognized.

一方、ステップS126の条件の成立が認められない場合には、カソード圧を増加する処理が実行される(ステップS130)。具体的には、ステップS114の処理と同様に、所定の圧力だけアノードの圧力が増加するように、エア排圧調整弁62が制御される。これにより、アノードとカソードの酸素分圧差が増加し、カソードからアノードへクロスリークする酸素量が増加する。その結果、アノードの生成水量が増加することで、燃料電池12内部の水の量が増加することとなり、燃料電池12内の水不足が緩和されることになる。   On the other hand, if the establishment of the condition in step S126 is not confirmed, a process for increasing the cathode pressure is executed (step S130). Specifically, as in the process of step S114, the air exhaust pressure adjustment valve 62 is controlled so that the anode pressure increases by a predetermined pressure. Thereby, the oxygen partial pressure difference between the anode and the cathode increases, and the amount of oxygen that cross leaks from the cathode to the anode increases. As a result, the amount of water produced in the anode increases, so that the amount of water inside the fuel cell 12 increases, and the shortage of water in the fuel cell 12 is alleviated.

続いて、ステップS108と同様に水素循環比を増やす処理が行われ(ステップS131)、その後、ステップS128の処理と同様に、水不足が解消しているか否かの判定が行われる(ステップS132)。水不足が解消しているとの判定が成されない場合には、当該判定が成されるまで、ステップS130からの処理が実行される。水不足の解消が認められた場合には、ステップS112へと移行し、その後、今回のルーチンが終了する。   Subsequently, a process for increasing the hydrogen circulation ratio is performed in the same manner as in step S108 (step S131), and thereafter, as in the process in step S128, it is determined whether or not the water shortage has been resolved (step S132). If it is not determined that the water shortage has been resolved, the processing from step S130 is executed until the determination is made. If the elimination of water shortage is recognized, the process proceeds to step S112, and then the current routine ends.

以上説明した処理によれば、燃料電池12内部で水分が不足している場合に、クロスリークに伴う水生成を利用して、燃料電池12に水を供給することができる。具体的には、実施の形態1では、燃料電池12内の水分の不足時にアノードとカソードの水素分圧差を大きくして、電解質膜を介してカソードへ移動する水素の量を増加させることができる。その結果、電極触媒層で反応する水素量が増加し、燃料電池12内部の生成水量を増加することができる。なお、実施の形態1では水素分圧差を大きくするためにアノード圧を増加しているが、このような手法によれば、水素タンク18に水素が高圧に貯留されている点から、より簡易にかつ効率よく水素分圧差を大きくすることができる。   According to the processing described above, when water is insufficient in the fuel cell 12, water can be supplied to the fuel cell 12 using water generation accompanying cross leak. Specifically, in the first embodiment, when the moisture in the fuel cell 12 is insufficient, the hydrogen partial pressure difference between the anode and the cathode can be increased to increase the amount of hydrogen that moves to the cathode through the electrolyte membrane. . As a result, the amount of hydrogen that reacts in the electrode catalyst layer increases, and the amount of water produced in the fuel cell 12 can be increased. In the first embodiment, the anode pressure is increased in order to increase the hydrogen partial pressure difference. However, according to such a method, since hydrogen is stored in the hydrogen tank 18 at a high pressure, it is simpler. In addition, the hydrogen partial pressure difference can be increased efficiently.

また、上述した具体的処理によれば、実質的にカソードのみが水不足の状態にある場合を判別したうえで、カソードで水を生成することとしている。その結果、アノードのみで水が不足している場合に、アノードへと直接水を供給することができる。さらに、上述した具体的処理では、水素分圧差を大きくする際に、アノードの圧力を増加させることとしている。これにより、簡易な方法で水素分圧差を大きくすることができる。   Further, according to the specific processing described above, water is generated at the cathode after it is determined that only the cathode is substantially in a water-deficient state. As a result, water can be supplied directly to the anode when the anode alone is insufficient. Furthermore, in the specific processing described above, the anode pressure is increased when the hydrogen partial pressure difference is increased. Thereby, the hydrogen partial pressure difference can be increased by a simple method.

また、上述した具体的処理では、実質的にアノードのみが水不足の状態にある場合を判別し、この場合にはアノードへ移動する酸素の量を増加させることができる。これにより、カソードのみで水が不足している場合に、カソードへと直接水を供給することができる。更に、上述した具体的処理では、酸素分圧差を大きくする際にカソードの圧力を増加させるという手法をとることで、簡易な方法で酸素分圧差を大きくすることができる。   Further, in the specific processing described above, it is possible to determine a case where only the anode is in a water-deficient state, and in this case, it is possible to increase the amount of oxygen moving to the anode. Thereby, when water is insufficient only with the cathode, it is possible to supply water directly to the cathode. Furthermore, in the specific process described above, the oxygen partial pressure difference can be increased by a simple method by increasing the cathode pressure when increasing the oxygen partial pressure difference.

また、上述したような水不足が生じている側の極で直接水を生成する本手法によれば、得られる加湿効果が極めて高くなる利点や、効率よく水供給を行うことができるためMEAに大きな差圧をつける必要がないなどの利点がある。   In addition, according to the present method for generating water directly at the pole on the side where water shortage occurs as described above, the obtained humidification effect is extremely high, and water supply can be performed efficiently, so that the MEA has a large effect. There are advantages such as no need to apply differential pressure.

また、上述した具体的処理では、電極触媒層において水素と酸素の反応が局所的に生じ、電極触媒層に局所的な高温の部分(ヒートスポットとも呼称される)が生じても、冷却液の循環量を増加させることで、当該部分に集中している熱を分散することができる。   Further, in the specific treatment described above, even if a reaction between hydrogen and oxygen occurs locally in the electrode catalyst layer, and a local high temperature portion (also referred to as a heat spot) occurs in the electrode catalyst layer, By increasing the circulation amount, the heat concentrated in the part can be dispersed.

また、上述した具体的処理によれば、酸素分圧差の増加に伴ってアノードの生成水量が増加した場合に、アノードを循環する水素量を増加することができる。その結果、いわゆるフラッディングを招来するおそれを少なくすることができる。また、実施の形態1のようにクロスリーク量の増加に合わせて水素循環量を増加させることで、クロスリークに伴って生成された水をアノードのガス流路を介して循環させることができ、アノードをより一様に(むらなく)加湿することができる。   Further, according to the specific treatment described above, the amount of hydrogen circulating in the anode can be increased when the amount of water produced in the anode increases with an increase in the oxygen partial pressure difference. As a result, the risk of causing so-called flooding can be reduced. Further, by increasing the hydrogen circulation amount in accordance with the increase in the cross leak amount as in the first embodiment, the water generated along with the cross leak can be circulated through the anode gas flow path, The anode can be humidified more evenly (evenly).

尚、上述した実施の形態1では、燃料電池12が前記第1の発明における「燃料電池」に相当し、可変調圧弁20およびエア排圧調整弁62が前記第1の発明の「圧力調整手段」に相当し、上述したルーチンのステップS100、S102の処理が実行されることで、前記第1の発明における「水不足判定手段」が、ステップS120の処理が実行されることで、前記第1の発明における「水素分圧差調整手段」が、それぞれ実現されている。   In the first embodiment described above, the fuel cell 12 corresponds to the “fuel cell” in the first invention, and the adjustable pressure valve 20 and the air exhaust pressure adjusting valve 62 are the “pressure adjusting means” in the first invention. And the processing of steps S100 and S102 of the routine described above is executed, so that the “water shortage determination means” in the first invention executes the processing of step S120. The “hydrogen partial pressure difference adjusting means” in the present invention is realized.

また、上述した実施の形態1では、その具体的処理において、ステップS102の処理が実行されることで、前記第の発明における「カソード水不足判別手段」が実現されている。 Further, in the first embodiment described above, the “cathode water shortage determining means” in the first aspect of the present invention is realized by executing the process of step S102 in the specific process.

また、上述した実施の形態1では、冷却液流路70が、前記第の発明の「冷却液流路」に相当し、上述した具体的処理においてステップS116またはS122の処理が実行されることで、前記第の発明の「冷却液流量調整手段」が実現されている。 In the first embodiment described above, the coolant channel 70 corresponds to the “coolant channel” of the third invention, and the process of step S116 or S122 is executed in the specific process described above. Thus, the “coolant flow rate adjusting means” according to the third aspect of the present invention is realized.

また、上述した実施の形態1では、その具体的処理において、ステップS102の処理が実行されることで、前記第の発明における「アノード水不足判別手段」が、ステップS104の処理が実行されることにより、前記第の発明における「アノード水不足時酸素分圧差調整手段」が、それぞれ実現されている。 In the first embodiment described above, in the specific process, the process of step S102 is executed, so that the “anode water shortage determining means” in the fifth aspect of the invention executes the process of step S104. Accordingly, the “anode water shortage oxygen partial pressure difference adjusting means” in the fifth invention is realized.

また、上述した実施の形態1では、冷却液流路70が、前記第の発明の「冷却液流路」に相当し、その具体的処理において、ステップS106の処理が実行されることで、前記第の発明の「冷却液流量調整手段」が実現されている。 In the first embodiment described above, the coolant flow path 70 corresponds to the “cooling liquid flow path” of the seventh invention, and in the specific process, the process of step S106 is executed. The “cooling liquid flow rate adjusting means” of the seventh aspect of the invention is realized.

また、上述した実施の形態1では、アノードガス流路14→燃料電池12のアノード→アノードオフガス流路46→循環ポンプ26を含む循環流路(アノードガス循環流路)が、前記第の発明の「アノードガス循環流路」に、循環ポンプ26が、前記第の発明の「循環ポンプ」に、それぞれ相当している。また、上述した実施の形態1の具体的処理において、ステップS108またはS131が実行されることにより、前記第の発明の「ガス循環量調整手段」が実現されている。 In the first embodiment described above, the anode gas passage 14 → the anode of the fuel cell 12 → the anode offgas passage 46 → the circulation passage (anode gas circulation passage) including the circulation pump 26 is the ninth invention. The “circulation pump” corresponds to the “circulation pump” of the ninth aspect of the invention. In the specific processing of the first embodiment described above, step S108 or S131 is executed to realize the “gas circulation amount adjusting means” of the ninth aspect of the invention.

なお、上述のステップS102の処理は、より具体的には、「燃料電池の運転状態が、当該燃料電池の水不足が実質的にカソードのみで発生する第1運転状態と、当該燃料電池の水不足が実質的にアノードのみで発生する第2運転状態と、そのいずれにも該当しない第3運転状態のいずれに該当するかを判別する処理」を行っているともいうことができる。   More specifically, the process of step S102 described above is more specifically described as follows: “The fuel cell operating state is the first operating state where water shortage of the fuel cell occurs substantially only at the cathode, and the fuel cell water shortage occurs. It can also be said that “a process for determining which of the second operating state that occurs substantially only in the anode and the third operating state that does not correspond to any of them” is performed.

[実施の形態1の変形例]
(第1変形例)
実施の形態1では、上述した第1特徴動作に含まれる「クロスリークに伴う水生成を燃料電池への水供給に利用する思想」と、第2特徴動作に含まれる「水不足状態に応じてガス分圧差を調整する思想」の双方の思想を応用して、システムを構成した。しかしながら、これらの思想は必ずしも組み合わせて用いられる必要は無く、「クロスリークに伴う水生成を燃料電池への水供給に利用する思想」のみを利用して燃料電池システムを構成することとしてもよい。
[Modification of Embodiment 1]
(First modification)
In the first embodiment, “the idea of utilizing water generation accompanying cross leak for water supply to the fuel cell” included in the first feature operation described above and “gas depending on the water shortage state” included in the second feature operation. The system was constructed by applying both the ideas of “adjustment of partial pressure difference”. However, these ideas do not necessarily need to be used in combination, and the fuel cell system may be configured using only “the idea of using water generation accompanying cross leak for supplying water to the fuel cell”.

具体的には、例えば、実施の形態1のシステムと同様の構成とし、図2のフローチャートを応用して、ECU40に「スタート→水不足判定(ステップS100)→アノード圧増加(S120)→冷却液循環量増加(S122)→水不足解消?(S128)→標準運転状態へ移行(S112)→終了(S128で成立が認められない場合はS120へ戻す)」のルーチンを実行させることとしてもよい。   Specifically, for example, the system has the same configuration as the system of the first embodiment, and the flowchart of FIG. 2 is applied to the ECU 40 to “start → water shortage determination (step S100) → anode pressure increase (S120) → coolant circulation. It is also possible to execute a routine of “volume increase (S122) → water shortage elimination? (S128) → transition to standard operation state (S112) → end (return to S120 if establishment is not recognized in S128)”.

または、図2のフローチャートから、「水不足状態に応じてガス分圧差を調整する思想」に相当するステップS102〜S110およびステップS114〜S118の処理を除くこととしてもよい。   Alternatively, the processes of steps S102 to S110 and steps S114 to S118 corresponding to “the idea of adjusting the gas partial pressure difference according to the water shortage state” may be excluded from the flowchart of FIG.

なお、上述した第1変形例では、ステップS100の処理が実行されることで前記第1の発明の「水不足判定手段」が、ステップS120の処理が実行されることで、前記第1の発明の「水素分圧差調整手段」が、それぞれ実現されている。   In the above-described first modification, the “water shortage determining means” of the first invention is executed by executing the process of step S100, and the process of step S120 is executed by the “water shortage determining unit” of the first invention. “Hydrogen partial pressure difference adjusting means” is realized.

(第2変形例)
実施の形態1では、第2特徴動作の「水不足状態に応じてガス分圧差を調整する思想」の思想に基づき、水不足が実質的にアノードのみで生じている場合と、実質的にカソードのみで生じている場合との両方を判別して(図2のルーチンのステップS102)、それぞれの場合に応じて適切なガス分圧差を調整した。しかしながら、上述した水不足状態の判別は、必ずしもアノードとカソードの双方に対して行わなくともよい。必要に応じて、「水不足が実質的にアノードのみで生じている場合を判別する処理」と、「実質的にカソードのみで生じている場合を判別する処理」のどちらか一方のみを備えるシステムとしてもよい。
(Second modification)
In the first embodiment, on the basis of the idea of “the idea of adjusting the gas partial pressure difference according to the water shortage state” of the second characteristic operation, there is a case where water shortage substantially occurs only in the anode, and substantially only in the cathode. Both cases were determined (step S102 in the routine of FIG. 2), and an appropriate gas partial pressure difference was adjusted according to each case. However, the determination of the water shortage state described above is not necessarily performed for both the anode and the cathode. As necessary, as a system with only one of “a process for determining when water shortage substantially occurs only at the anode” and “a process for determining when water shortage occurs substantially only at the cathode” Also good.

(第3変形例)
実施の形態1では、アノードとカソードの水素分圧差を大きくする際に、アノードの圧力を増加する手法を用いた。しかしながら、本発明におけるアノードとカソードの水素分圧差を大きくする手法はこれに限られるものではない。アノードとカソードの圧力をそれぞれ適宜調整(増減)することにより、水素分圧差を大きくしてもよい。また、実施の形態1では、アノードとカソードの酸素分圧差を大きくする際に、カソードの圧力を増加する手法を用いた。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。アノードとカソードの圧力をそれぞれ適宜調整(増減)し、酸素分圧差を大きくすることとすればよい。
(Third Modification)
In the first embodiment, a method of increasing the anode pressure when increasing the hydrogen partial pressure difference between the anode and the cathode is used. However, the method for increasing the hydrogen partial pressure difference between the anode and the cathode in the present invention is not limited to this. The hydrogen partial pressure difference may be increased by appropriately adjusting (increasing or decreasing) the pressures of the anode and cathode. In the first embodiment, a method of increasing the cathode pressure is used when increasing the oxygen partial pressure difference between the anode and the cathode. However, the present invention is not limited to this. What is necessary is just to adjust the pressure of an anode and a cathode suitably, respectively, and to enlarge an oxygen partial pressure difference.

(第4変形例)
実施の形態1の具体的処理では、水素分圧差または酸素分圧差が大きいほど、冷却液流路70内の冷却液の流量(循環量)が多くなるようにした。このような冷却液流量の調整に換えて、またはそれと共に、次に述べるような冷却温度調整を行うこととしてもよい。
(Fourth modification)
In the specific processing of the first embodiment, the flow rate (circulation amount) of the coolant in the coolant flow path 70 is increased as the hydrogen partial pressure difference or the oxygen partial pressure difference is increased. Instead of or together with such adjustment of the coolant flow rate, the following cooling temperature adjustment may be performed.

図3は、実施の形態1のシステムに、付加的に、冷却温度調整手法を組み合わせたシステムを説明するための図である。図3のシステムは、冷却液流路70が冷却系72に置き換えられている点を除いて、図1に示した実施の形態1のシステムとほぼ同様の構成を有している。なお、図1のシステムが備える他の構成に関しては、図示を省略している。   FIG. 3 is a diagram for explaining a system in which a cooling temperature adjustment method is additionally combined with the system of the first embodiment. The system of FIG. 3 has substantially the same configuration as the system of the first embodiment shown in FIG. 1 except that the coolant channel 70 is replaced with a cooling system 72. In addition, illustration is abbreviate | omitted about the other structure with which the system of FIG. 1 is provided.

図3のシステムでは、燃料電池12に冷却系72が接続されている。冷却系72は、図1のシステムの冷却液流路70と同様に、系内で冷却液を循環させることにより燃料電池12を冷却することができる。冷却系72は、燃料電池12に連通する管路74を有している。管路74には、燃料電池12内部を冷却した後の冷却液が流出する。また、管路74は切替弁80に連通し、切替弁80は管路76および管路78に連通している。そして、管路76は直接切替弁82に、管路78はラジエータ84を介して切替弁82に連通している。切替弁80、82およびラジエータ84は、ECU40に接続されている。   In the system of FIG. 3, a cooling system 72 is connected to the fuel cell 12. The cooling system 72 can cool the fuel cell 12 by circulating the coolant in the system, similarly to the coolant channel 70 of the system of FIG. The cooling system 72 has a pipe line 74 that communicates with the fuel cell 12. The coolant after cooling the inside of the fuel cell 12 flows out to the pipe line 74. The pipe 74 communicates with the switching valve 80, and the switching valve 80 communicates with the pipe 76 and the pipe 78. The pipe line 76 communicates directly with the switching valve 82, and the pipe line 78 communicates with the switching valve 82 via the radiator 84. The switching valves 80 and 82 and the radiator 84 are connected to the ECU 40.

このような構成において、ECU40が切替弁80、82を制御することで、燃料電池12→管路74→切替弁80→管路76→切替弁82→燃料電池12の経路(以下、「第1冷却経路」とも呼称する)と、燃料電池12→管路74→切替弁80→管路78→ラジエータ84→切替弁82→燃料電池12の経路(以下、「第2冷却経路」とも呼称する)とを、適宜切り替えることができる。   In such a configuration, the ECU 40 controls the switching valves 80 and 82, whereby the fuel cell 12 → the pipe 74 → the switching valve 80 → the pipe 76 → the switching valve 82 → the path of the fuel cell 12 (hereinafter referred to as “first” The fuel cell 12 → the pipe 74 → the switching valve 80 → the pipe 78 → the radiator 84 → the switching valve 82 → the path of the fuel cell 12 (hereinafter also referred to as “second cooling path”). Can be switched as appropriate.

第4変形例では、上記のようなシステム構成において、通常運転時、即ち、水不足が生じていない場合には、冷却系を第1冷却経路に設定する。そして、水不足判定がなされて水素分圧差または酸素分圧差を増加させる際には、冷却系を第2冷却経路に切替るとともに、分圧差の増加量に応じて、ラジエータ84における冷却温度を低く設定する(換言すれば、ラジエータ84による冷却量を増加する)。   In the fourth modification, in the system configuration as described above, the cooling system is set as the first cooling path during normal operation, that is, when there is no water shortage. When the water shortage determination is made and the hydrogen partial pressure difference or the oxygen partial pressure difference is increased, the cooling system is switched to the second cooling path, and the cooling temperature in the radiator 84 is set low according to the increase in the partial pressure difference. (In other words, the amount of cooling by the radiator 84 is increased).

このようにすることで、水素分圧差または酸素分圧差を増加させてクロスリーク量が増大したことにより、電極触媒層において水素と酸素の反応が局所的に生じて電極触媒層に局所的な高温の部分(ヒートスポットとも呼称される)が生じた場合でも、冷却温度を低下させることで電極触媒層の過熱を防止することができる。   By doing so, the hydrogen partial pressure difference or the oxygen partial pressure difference is increased to increase the cross leak amount, so that the reaction between hydrogen and oxygen locally occurs in the electrode catalyst layer, and the local high temperature is generated in the electrode catalyst layer. Even when this portion (also referred to as a heat spot) occurs, it is possible to prevent overheating of the electrode catalyst layer by lowering the cooling temperature.

なお、上記の手法において、第2冷却系への切替えとともに、実施の形態1と同様に、冷却流量を増大させることとしてもよい。また、上述した第4変形例では、ラジエータを含まない経路(第1冷却経路)とラジエータを含む経路(第2冷却経路)とを有し、これらを適宜切り替える構成とした。しかしながら、ラジエータを含む1つの冷却経路のみを有する構成としても良い。   In the above method, the cooling flow rate may be increased together with the switching to the second cooling system as in the first embodiment. Further, in the above-described fourth modification, a path not including the radiator (first cooling path) and a path including the radiator (second cooling path) are provided, and these are appropriately switched. However, it is good also as a structure which has only one cooling path containing a radiator.

なお、上述した第4変形例では、第2冷却経路が、前記第の発明または前記第の発明の「冷却液流路」に、ラジエータ84が、前記第の発明または前記第の発明の「冷却液の温度を調節する手段」に、それぞれ相当している。また、上述した第4変形例の中で、分圧差の増加量に応じてラジエータ84における冷却温度を低く設定する手法が、前記第の発明または前記第の発明の「冷却温度調整手段」に相当している。 In the fourth modified example described above, the second cooling path, said fourth invention or the eighth aspect of the present invention to the "cooling fluid channel", the radiator 84, the fourth invention or the eighth This corresponds to the “means for adjusting the temperature of the coolant” in the present invention. Further, in the fourth modified example described above, the method of setting the cooling temperature in the radiator 84 to be low according to the amount of increase in the partial pressure difference is the “cooling temperature adjusting means” in the fourth invention or the eighth invention. It corresponds to.

(その他の変形例)
なお、実施の形態1の具体的処理では、水素分圧差または酸素分圧差が大きいほど冷却液流路70内の冷却液の流量(循環量)が多くなるようにした。また、実施の形態1では、循環ポンプ26とアノードガス循環流路とを有するシステムにおいて、酸素分圧差の増加に応じて循環ポンプ26の動作量を増加して、アノードガス循環流路内のガスの循環量を増加することとした。
(Other variations)
In the specific processing of the first embodiment, the flow rate (circulation amount) of the coolant in the coolant flow path 70 is increased as the hydrogen partial pressure difference or the oxygen partial pressure difference is increased. In the first embodiment, in the system having the circulation pump 26 and the anode gas circulation channel, the operation amount of the circulation pump 26 is increased in accordance with the increase in the oxygen partial pressure difference, and the gas in the anode gas circulation channel is increased. It was decided to increase the amount of circulation.

しかしながら、これらの手法は、「クロスリークに伴う水生成を燃料電池への水供給に利用する思想」を用いる上で、またはそれに加えて「水不足状態に応じてガス分圧差を調整する思想」を用いる上では、必須のものではない。必要に応じて、上記列挙した手法を適宜加えることとすればよい。   However, these methods use the “philosophy of utilizing water generation accompanying cross leak for water supply to the fuel cell” or in addition to the “philosophy of adjusting the gas partial pressure difference according to the water shortage state”. In use, it is not essential. If necessary, the above-described methods may be added as appropriate.

すなわち、冷却液の流量増加を行わないシステムや冷却系そのものを有さないシステム、ガス循環量の増加を行わないシステム、アノードの系内でアノードガスを循環させないシステムなどに対しても、「クロスリークに伴う水生成を燃料電池への水供給に利用する思想」と、「水不足状態に応じてガス分圧差を調整する思想」とを用いることができる。   In other words, even for a system that does not increase the coolant flow rate, a system that does not have a cooling system itself, a system that does not increase the amount of gas circulation, or a system that does not circulate the anode gas in the anode system, It is possible to use the “philosophy of utilizing the water generation accompanying the leak for supplying water to the fuel cell” and the “philosophy of adjusting the gas partial pressure difference according to the water shortage state”.

なお、実施の形態1のシステムは、外部の加湿器など加湿モジュールを有さない構成となっている。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。必要に応じ、本発明の水供給の手法と、加湿モジュールとを併用してもよい。なお、加湿モジュールを有する燃料電池システムにあっては、低温始動時には、当該加湿モジュールの加湿能力が低下する。その結果、カソードに供給するガスの加湿量が低下してしまう。   In addition, the system of Embodiment 1 becomes a structure which does not have humidification modules, such as an external humidifier. However, the present invention is not limited to this. If necessary, the water supply method of the present invention and the humidification module may be used in combination. In a fuel cell system having a humidifying module, the humidifying capacity of the humidifying module is reduced at the time of low temperature start. As a result, the humidification amount of the gas supplied to the cathode is reduced.

このため、加湿モジュールを有する燃料電池システムに本発明の思想を適用する場合には、上述した具体的処理のステップS102に、「低温始動時に加湿モジュールの加湿能力の低下が予想される場合には実質的にカソード側のみで水不足が生じている」と判別する条件を加えてもよい。   For this reason, when applying the idea of the present invention to a fuel cell system having a humidifying module, in step S102 of the specific process described above, “when the humidification module is expected to be degraded at the time of low temperature start-up. It may be possible to add a condition for determining that water shortage has substantially occurred only on the cathode side.

また、上述した実施の形態1では、第2特徴動作における水不足状態の判別条件として、実質的にアノードのみの水不足が生じる運転条件と、実質的にカソードのみの水不足が生じる運転条件とを、それぞれいくつか示した。しかしながら、水不足状態を判別する条件は、上記示したもののみに限られるものではない。運転状態による判別を行う場合には、上記例示した以外にも、適宜、システムの運転状態と水不足状態との相関を把握しておき、これに基づいて判断を行うことができる。   Further, in the first embodiment described above, as the determination condition of the water shortage state in the second characteristic operation, the operation condition in which the water shortage substantially only of the anode and the operation condition in which the water shortage of the cathode only substantially occurs are respectively Some were shown. However, the conditions for determining the water shortage state are not limited to those shown above. In the case of performing determination based on the operating state, in addition to the above examples, it is possible to appropriately grasp the correlation between the operating state of the system and the water shortage state and make a determination based on this.

また、上記示した運転条件に基づく判別手法以外にも、水不足状態の判別を実現しうる種々の技術を利用することとすればよい。例えば、アノードオフガス流路46とカソードオフガス流路58にそれぞれ湿度計を設けて、それぞれの極の乾燥状態を判定するような手法を用いても良い。   Moreover, what is necessary is just to utilize the various techniques which can implement | achieve discrimination | determination of a water shortage state besides the discrimination | determination method based on the above-mentioned operating conditions. For example, a method may be used in which a hygrometer is provided in each of the anode off-gas channel 46 and the cathode off-gas channel 58 to determine the dry state of each electrode.

また、上述した実施の形態1において、水不足が実質的にアノードもしくはカソードのみで生じている場合とは、換言すれば、燃料電池の水不足(ドライアップ)が生じた際に電圧を低下させる要因が、上述した実施の形態1の第2特徴動作で述べたb〜dの要因となっている場合を意味している。すなわち、触媒層における分極が電圧低下の主たる要因となっており、水分が不足して加湿を必要とする部分がアノードもしくはカソードの触媒層である場合を意味している。   In the first embodiment described above, the case where the water shortage substantially occurs only at the anode or the cathode is, in other words, the factor that reduces the voltage when the water shortage (dry up) of the fuel cell occurs. This means the case where the factors b to d described in the second characteristic operation of the first embodiment are described. That is, the polarization in the catalyst layer is the main factor for the voltage drop, which means that the portion where the moisture is insufficient and humidification is required is the anode or cathode catalyst layer.

実施の形態2.
[実施の形態2の構成および特徴動作]
実施の形態1では、第1特徴動作の説明で述べたように、燃料電池12が水不足状態にある場合には、原則として燃料電池12内の水素分圧差を大きくしている。一方、上述したように、クロスリークを利用した生成水の増加は、水素分圧差を増加してアノードからカソードへ移動する水素量が増加する以外にも、酸素分圧差を増加してカソードからアノードへ移動する酸素量を増加することによっても実現できる。
Embodiment 2. FIG.
[Configuration and Characteristic Operation of Embodiment 2]
In the first embodiment, as described in the explanation of the first characteristic operation, when the fuel cell 12 is in a water-deficient state, the hydrogen partial pressure difference in the fuel cell 12 is increased in principle. On the other hand, as described above, the increase in generated water using cross leak increases the oxygen partial pressure difference and increases the oxygen partial pressure difference to increase the amount of hydrogen moving from the anode to the cathode. This can also be realized by increasing the amount of oxygen transferred to

そこで、実施の形態2では、実施の形態1と同様の構成において、燃料電池12が水不足状態にある場合には、原則として、燃料電池12内の酸素分圧差を大きくすることにする。換言すれば、実施の形態1の第1特徴動作では水素分圧差を大きくしていたところを、実施の形態2では酸素分圧差を大きくすることにする。このようにすることで、アノード触媒層で反応する酸素量が増加し、実施の形態1と同様に、燃料電池12内の生成水量を増加することができる。   Therefore, in the second embodiment, in the same configuration as in the first embodiment, when the fuel cell 12 is in a water-deficient state, in principle, the oxygen partial pressure difference in the fuel cell 12 is increased. In other words, where the hydrogen partial pressure difference is increased in the first feature operation of the first embodiment, the oxygen partial pressure difference is increased in the second embodiment. By doing so, the amount of oxygen that reacts in the anode catalyst layer increases, and the amount of generated water in the fuel cell 12 can be increased as in the first embodiment.

[実施の形態2の具体的処理]
実施の形態2は、実施の形態1と同様の構成で、図4のフローチャートに示すルーチンを実行することにより実現される。図4のフローチャートは、図2のフローチャートのステップS120、370をそれぞれステップS170、470に置き換えている点、およびステッS131の処理を削除して新たにステップS171の処理を加えた点を除いて、図2のフローチャートと同様のものである。従って、図2のフローチャートと同様の処理に関しては、その説明を省略または簡略して行う。
[Specific Processing of Embodiment 2]
The second embodiment is realized by executing a routine shown in the flowchart of FIG. 4 with the same configuration as that of the first embodiment. The flowchart of FIG. 4 is different from the flowchart of FIG. 2 in that steps S120 and 370 are replaced with steps S170 and 470, respectively, and the process of step S131 is deleted and a process of step S171 is newly added. This is the same as the flowchart of FIG. Therefore, the description of the processing similar to the flowchart of FIG. 2 is omitted or simplified.

また、実施の形態2の具体的処理では、上述した実施の形態2の特徴動作に加え、実施の形態1の第2特徴動作である「水不足状態に応じたガス分圧差の調整」をも含む処理を実行することにする。なお、以下の説明では、実施の形態2の実施の形態1に対する相違点である、ステップS170以降の処理についてのみ説明する。ステップS104以降またはS114以降の処理に関しては、実施の形態1と同様の処理のため、その説明を省略する。   In addition to the characteristic operation of the second embodiment described above, the specific process of the second embodiment also includes “adjustment of the gas partial pressure difference according to the water shortage state” which is the second characteristic operation of the first embodiment. The process will be executed. In the following description, only the processing after step S170, which is the difference of the second embodiment from the first embodiment, will be described. Since the processes after step S104 or S114 are the same as those in the first embodiment, the description thereof is omitted.

ステップS170では、カソードの圧力を増加することにより、酸素分圧差を大きくする処理が実行される。これにより、クロスリークに伴う燃料電池12内部の生成水量が増加し、燃料電池12の水不足が緩和される。その後、ステップS122の処理が実行される。ステップS122の処理がなされたあとは、酸素分圧差の増大に伴うアノードの生成水量増加に合わせて、ステップS131と同様の目的で、水素の循環量を増加する処理が実行される(ステップS171)。その後、S126の処理が実行される。   In step S170, a process of increasing the oxygen partial pressure difference is performed by increasing the cathode pressure. As a result, the amount of water produced inside the fuel cell 12 due to cross leak increases, and the water shortage of the fuel cell 12 is alleviated. Thereafter, the process of step S122 is executed. After the process of step S122 is performed, a process of increasing the amount of hydrogen circulation is executed for the same purpose as step S131 in accordance with the increase in the amount of generated water in the anode accompanying the increase in the oxygen partial pressure difference (step S171). . Thereafter, the process of S126 is executed.

ステップS126で水不足の改善が認められた場合には、再度ステップS170からの処理が実行される。また、当該ステップで水不足の改善が認められない場合には、アノード圧を増加して、水素分圧差を大きくする処理が実行される(ステップS180)。その後、ステップS132、S112の処理がなされ、今回のルーチンが終了する。   If improvement of water shortage is recognized in step S126, the processing from step S170 is executed again. In addition, when improvement of water shortage is not recognized in this step, a process for increasing the anode pressure and increasing the hydrogen partial pressure difference is executed (step S180). Thereafter, the processes of steps S132 and S112 are performed, and the current routine is terminated.

以上の処理によれば、実施の形態1と同様に、燃料電池12が水不足にある状況下で、クロスリークに伴う水生成を利用して、燃料電池12に水を供給することができる。   According to the above process, water can be supplied to the fuel cell 12 using the water generation accompanying the cross leak under the situation where the fuel cell 12 is short of water as in the first embodiment.

なお、実施の形態2も、実施の形態1と同様に、実施の形態1で述べた種々の変形を加えることができる。   Note that the second embodiment can be modified in various manners as described in the first embodiment, similarly to the first embodiment.

実施の形態3.
実施の形態3の燃料電池システムは、上述した実施の形態1と同様に、「クロスリークに伴う水生成の利用」の思想を応用している。しかしながら、実施の形態3では、実施の形態1の第2特徴動作の「水不足状態に応じたガス分圧差の調整」の思想が用いられておらず、これに換えて、後述する「クロスリーク量に基づく水不足判定」の思想および「ストイキ比に基づく水不足判定」の思想が応用されている点で、実施の形態1と主に相違している。
Embodiment 3 FIG.
The fuel cell system of the third embodiment applies the idea of “utilization of water generation accompanying cross leak” as in the first embodiment. However, in the third embodiment, the idea of “adjustment of the gas partial pressure difference according to the water shortage state” of the second characteristic operation of the first embodiment is not used. Instead, the “cross leak amount” described later is used. This is mainly different from the first embodiment in that the idea of “water shortage determination based on” and the idea of “water shortage determination based on stoichiometric ratio” are applied.

[実施の形態3の構成]
図5は、本発明の実施の形態3に係る燃料電池システム10の構成を示す模式図である。燃料電池システム210は、例えば燃料電池自動車に搭載されるものである。燃料電池システム210は燃料電池212を備えている。本実施形態において、燃料電池(FC)212は固体高分子分離膜を備えた燃料電池(PEMFC)であり、2つの燃料電池スタック(スタック212aとスタック212b)から構成されている。
[Configuration of Embodiment 3]
FIG. 5 is a schematic diagram showing the configuration of the fuel cell system 10 according to Embodiment 3 of the present invention. The fuel cell system 210 is mounted on, for example, a fuel cell vehicle. The fuel cell system 210 includes a fuel cell 212. In this embodiment, the fuel cell (FC) 212 is a fuel cell (PEMFC) having a solid polymer separation membrane, and is composed of two fuel cell stacks (a stack 212a and a stack 212b).

各スタック212a,212bは、電解質膜、アノード、カソード、およびセパレータとから構成される燃料電池セル(以下、「単位セル」とも呼称する)を複数積層して構成される。図5及び図6において、矢印Aは単位セルの積層方向を示している。本実施形態において、スタック212a,122bのそれぞれは200個の単位セルを備えている。隣接する単位セル同士は、一方のセルのアノードと他方のセルのカソードがセパレータを介して対向した状態で積層されている。   Each of the stacks 212a and 212b is configured by stacking a plurality of fuel battery cells (hereinafter also referred to as “unit cells”) including an electrolyte membrane, an anode, a cathode, and a separator. 5 and 6, arrow A indicates the stacking direction of the unit cells. In the present embodiment, each of the stacks 212a and 122b includes 200 unit cells. Adjacent unit cells are stacked with the anode of one cell and the cathode of the other cell facing each other via a separator.

図5に示すように、燃料電池212には、アノードガス流路214及びカソードガス流路216が導入されている。アノードガス流路214は高圧の水素タンク218と接続されており、水素タンク218から各スタック212a,212b内のアノードへ水素リッチなアノードガスが送られる。アノードガス流路214には、水素タンク218の下流にレギュレータ220が設けられている。レギュレータ220は、燃料電池212の入口におけるアノードガスの圧力を要求される適正圧力に調圧するものである。また、アノードガス流路214には、レギュレータ220の下流に圧力センサ222が接続されている。   As shown in FIG. 5, an anode gas channel 214 and a cathode gas channel 216 are introduced into the fuel cell 212. The anode gas flow path 214 is connected to a high-pressure hydrogen tank 218, and hydrogen-rich anode gas is sent from the hydrogen tank 218 to the anodes in the stacks 212a and 212b. A regulator 220 is provided in the anode gas channel 214 downstream of the hydrogen tank 218. The regulator 220 adjusts the pressure of the anode gas at the inlet of the fuel cell 212 to a required appropriate pressure. Further, a pressure sensor 222 is connected to the anode gas flow path 214 downstream of the regulator 220.

カソードガス流路216にはポンプ224が設けられており、ポンプ224の駆動により各スタック212a,212b内のカソードへ酸素を含む酸化ガスとしてのカソードガスが送られる。   The cathode gas flow path 216 is provided with a pump 224. When the pump 224 is driven, a cathode gas as an oxidizing gas containing oxygen is sent to the cathodes in the stacks 212a and 212b.

図6は、アノードガス流路214、カソードガス流路216と各スタック212a,212bとの接続部を詳細に示す模式図である。ここで、図6(A)は、アノードガス流路214と各スタック212a,212bとの接続部を示している。図6(A)に示すように、アノードガス流路214は分配管226を介して各スタック212a,212bと接続されている。分配管226は、アノードガス流路214から送られたアノードガスをスタック212aとスタック212bに分配する機能を有している。   FIG. 6 is a schematic diagram showing in detail the connection between the anode gas channel 214 and the cathode gas channel 216 and each of the stacks 212a and 212b. Here, FIG. 6A shows a connecting portion between the anode gas flow path 214 and each of the stacks 212a and 212b. As shown in FIG. 6A, the anode gas flow path 214 is connected to the stacks 212a and 212b via the distribution pipe 226. The distribution pipe 226 has a function of distributing the anode gas sent from the anode gas flow path 214 to the stack 212a and the stack 212b.

図6(B)は、カソードガス流路216と各スタック212a,212bとの接続部を示している。図6(B)に示すように、カソードガス流路216は分配管228を介して各スタック212a,212bと接続されている。分配管228は、カソードガス流路216から送られたカソードガスをスタック212aとスタック212bに分配する機能を有している。   FIG. 6B shows a connection portion between the cathode gas channel 216 and each of the stacks 212a and 212b. As shown in FIG. 6B, the cathode gas flow path 216 is connected to each of the stacks 212a and 212b via the distribution pipe 228. The distribution pipe 228 has a function of distributing the cathode gas sent from the cathode gas channel 216 to the stack 212a and the stack 212b.

また、図6は、各スタック212a,212bが備える400個の単位セルの配置を示している。図6(A)及び図6(B)に示すように、スタック212aにはセル番号#1〜#200のセルが設けられており、スタック212bにはセル番号#201〜#400のセルが設けられている。スタック212aにおいては、セル番号#1のセルは分配管226,228が接続された端部の反対側に配置され、分配管226,228に近づくほどセル番号は増加し、最も分配管226,228に近接したセルの番号は#200となる。一方、スタック212bにおいては、セル番号#201のセルは分配管226,228が接続された端部側に配置され、分配管226,228から離れるほどセル番号は増加し、最も分配管226,228から離れたセルの番号は#400となる。   FIG. 6 shows an arrangement of 400 unit cells included in each of the stacks 212a and 212b. As shown in FIGS. 6A and 6B, the stack 212a is provided with cells with cell numbers # 1 to # 200, and the stack 212b is provided with cells with cell numbers # 201 to # 400. It has been. In the stack 212a, the cell with the cell number # 1 is arranged on the opposite side of the end to which the distribution pipes 226 and 228 are connected, and the cell number increases as the distribution pipes 226 and 228 are approached. The cell number adjacent to is # 200. On the other hand, in the stack 212b, the cell with the cell number # 201 is arranged on the end side to which the distribution pipes 226 and 228 are connected, and the cell number increases as the distance from the distribution pipes 226 and 228 increases. The number of the cell away from is # 400.

図7は、各単位セルとその周辺の平面構成を示す模式図であって、単位セルの積層方向から各スタック212a,212bの内部を見た状態を模式的に示している。すなわち、図7は、セルの積層方向と直交する方向に沿った断面を模式的に示したものであり、例えば図6(A)中の一点鎖線I−I’に沿った断面に対応している。   FIG. 7 is a schematic diagram showing a planar configuration of each unit cell and its periphery, and schematically shows a state in which the inside of each stack 212a, 212b is viewed from the stacking direction of the unit cells. That is, FIG. 7 schematically shows a cross section along a direction orthogonal to the cell stacking direction, and corresponds to, for example, the cross section along the alternate long and short dash line II ′ in FIG. Yes.

図7に示すように、各単位セルには、アノードガスの流路230とカソードガスの流路232が設けられている。流路230,232は単位セルの積層方向に沿って重なるように設けられているため、図7では各流路230,232を破線で略式に示している。図7に示すように、各流路230,232はセルの一端から他端に向けて直線状に延在している。   As shown in FIG. 7, each unit cell is provided with an anode gas channel 230 and a cathode gas channel 232. Since the flow paths 230 and 232 are provided so as to overlap in the stacking direction of the unit cells, the flow paths 230 and 232 are schematically shown by broken lines in FIG. As shown in FIG. 7, each flow path 230, 232 extends linearly from one end of the cell to the other end.

各流路230,232の両端には、各流路230,232のそれぞれと個別に接続される分配部234,235が単位セルの積層方向に重なるように設けられている。分配部234,235の更に外側には、マニホールド236,238,242,244が設けられている。マニホールド236は分配部234を介してアノードガスの流路230と接続されている。また、マニホールド238は分配部235を介してカソードガスの流路232と接続されている。マニホールド236,238及び後述するマニホールド242,244は、単位セルの積層方向に貫通する孔として設けられている。マニホールド236の端部は分配管226と接続され、マニホールド238の端部は分配管228と接続されている。   Distributing portions 234 and 235 individually connected to the respective flow paths 230 and 232 are provided at both ends of the respective flow paths 230 and 232 so as to overlap in the stacking direction of the unit cells. Manifolds 236, 238, 242, and 244 are provided on the outer sides of the distribution units 234 and 235, respectively. The manifold 236 is connected to the anode gas flow path 230 via the distributor 234. The manifold 238 is connected to a cathode gas flow path 232 via a distribution portion 235. Manifolds 236 and 238 and manifolds 242 and 244 described later are provided as holes penetrating in the stacking direction of the unit cells. The end of the manifold 236 is connected to the distribution pipe 226, and the end of the manifold 238 is connected to the distribution pipe 228.

また、燃料電池212の各単位セルには冷却液が循環している。これにより、発電に伴う燃料電池212の過度な温度上昇が抑えられ、燃料電池212の温度が最適値に設定される。この冷却液は燃料電池212外部に備えられる冷却系(不図示)を通って流れており、冷却液循環ポンプ(不図示)によってその循環量が制御されている。   A coolant is circulated in each unit cell of the fuel cell 212. Thereby, the excessive temperature rise of the fuel cell 212 accompanying power generation is suppressed, and the temperature of the fuel cell 212 is set to an optimal value. The coolant flows through a cooling system (not shown) provided outside the fuel cell 212, and the circulation amount is controlled by a coolant circulation pump (not shown).

このような構成によれば、アノードガス流路214から分配管226を経由して各スタック212a,212bに送られたアノードガスは、マニホールド236に送られ、マニホールド236から分配部234および流路230を経由して各単位セルのアノードに送られる。同様に、カソードガス流路216から分配管228を経由して各スタック212a,212bに送られたカソードガスは、マニホールド238に送られ、マニホールド238から分配部235および流路232を経由して各単位セルのカソードに送られる。   According to such a configuration, the anode gas sent from the anode gas flow path 214 to each of the stacks 212a and 212b via the distribution pipe 226 is sent to the manifold 236, and from the manifold 236 to the distribution unit 234 and the flow path 230. To the anode of each unit cell. Similarly, the cathode gas sent from the cathode gas flow path 216 to each of the stacks 212 a and 212 b via the distribution pipe 228 is sent to the manifold 238, and from the manifold 238 to each of the distribution section 235 and the flow path 232. Sent to the cathode of the unit cell.

燃料電池212のアノードでは、アノードガスが送り込まれると、このアノードガス中の水素から水素イオンを生成し(H→2H+2e)、カソードは、カソードガスが送り込まれると、このカソードガス中の酸素から酸素イオンを生成し、燃料電池212内では電力が発生する。また、これと同時にカソードにおいて、上記の水素イオンと酸素イオンとから水(生成水)が生成される((1/2)O+2H+2e→HO)。この水のほとんどは、燃料電池212内で発生する熱を吸収して水蒸気となり、カソードオフガス中に含まれて排出される。 In the anode of the fuel cell 212, when the anode gas is sent in, hydrogen ions are generated from hydrogen in the anode gas (H 2 → 2H + + 2e ), and when the cathode gas is sent in the cathode, Oxygen ions are generated from the oxygen and electric power is generated in the fuel cell 212. At the same time, water (product water) is generated from the hydrogen ions and oxygen ions at the cathode ((1/2) O 2 + 2H + + 2e → H 2 O). Most of this water absorbs heat generated in the fuel cell 212 to become water vapor, and is contained in the cathode offgas and discharged.

アノードから排出されたアノードオフガスは、図7に示すマニホールド242に送られ、マニホールド242を経由して図5に示すアノードオフガス流路246に送られる。アノードオフガス流路246にはポンプ248が設けられており、アノードオフガスは、ポンプ248の駆動により再びアノードガス流路214へ戻される。アノードガス流路214に戻されたアノードオフガスは、水素タンク218からの水素の補充を受けて、再度燃料電池212へ送られる。アノードオフガスを燃料電池212へ送ることで、アノードオフガス中に含まれる未反応の水素を燃料電池212内で反応させることができ、水素の利用効率を高めることができる。なお、上述したアノードガス流路214→燃料電池212のアノード→アノードオフガス流路246→ポンプ226を含む循環流路が、アノードガス循環流路を形成しているとも言うことができる。   The anode off gas discharged from the anode is sent to the manifold 242 shown in FIG. 7, and is sent to the anode off gas flow path 246 shown in FIG. The anode off gas channel 246 is provided with a pump 248, and the anode off gas is returned to the anode gas channel 214 again by driving the pump 248. The anode off gas returned to the anode gas flow path 214 is replenished with hydrogen from the hydrogen tank 218 and is sent to the fuel cell 212 again. By sending the anode off gas to the fuel cell 212, unreacted hydrogen contained in the anode off gas can be reacted in the fuel cell 212, and the utilization efficiency of hydrogen can be improved. It can also be said that the above-described circulation path including the anode gas passage 214 → the anode of the fuel cell 212 → the anode off-gas passage 246 → the pump 226 forms an anode gas circulation passage.

アノードオフガス流路246には、アノードオフガス中の水分を捕集する気液分離器250が設けられている。ポンプ248の下流において、アノードオフガス流路246には排気弁254が接続されている。アノードオフガス流路246→アノードガス流路214→燃料電池212の経路からなるアノード循環系に窒素(N)等の不純物成分が多く含まれる場合は、排気弁254を間欠的に開くことでパージを行い、これらの成分を排出する。 The anode off gas flow path 246 is provided with a gas-liquid separator 250 that collects moisture in the anode off gas. An exhaust valve 254 is connected to the anode off gas flow path 246 downstream of the pump 248. When the anode circulation system consisting of the anode off-gas passage 246 → the anode gas passage 214 → the fuel cell 212 contains a large amount of impurity components such as nitrogen (N 2 ), the purge is performed by opening the exhaust valve 254 intermittently. To discharge these components.

また、排気弁254が接続された箇所の下流には、逆止弁256が設けられている。逆止弁256は、アノードガス流路214からポンプ248へ向かう流れを阻止する機能を有している。   Further, a check valve 256 is provided downstream of the location where the exhaust valve 254 is connected. The check valve 256 has a function of preventing the flow from the anode gas flow path 214 toward the pump 248.

一方、各単位セルのカソードから排出されたカソードオフガスは、図7に示すマニホールド244に送られ、マニホールド244から図5に示すカソードオフガス流路258に送られる。カソードオフガスは、カソードオフガス流路258を通り、排出される。カソードオフガス流路258には、カソードオフガスの圧力を調整する制御弁262、および制御弁262の上流におけるカソードオフガス圧力を検出する圧力センサ264が設けられている。制御弁262によれば、燃料電池212から排出されるカソードオフガスの圧力を制御することができる。また、燃料電池212に送られるカソードガスの流量はポンプ224により制御することができる。   On the other hand, the cathode off gas discharged from the cathode of each unit cell is sent to the manifold 244 shown in FIG. 7 and sent from the manifold 244 to the cathode off gas flow path 258 shown in FIG. The cathode off gas passes through the cathode off gas flow path 258 and is discharged. The cathode offgas flow path 258 is provided with a control valve 262 that adjusts the pressure of the cathode offgas, and a pressure sensor 264 that detects the cathode offgas pressure upstream of the control valve 262. According to the control valve 262, the pressure of the cathode off gas discharged from the fuel cell 212 can be controlled. Further, the flow rate of the cathode gas sent to the fuel cell 212 can be controlled by the pump 224.

また、カソードオフガス流路258には加湿器266が設けられている。加湿器266にはカソードガス流路216が導入されている。加湿器266は、燃料電池212内で生成されてカソードオフガスに含まれる水分を吸収し、吸収した水分によりカソードガス流路216中のカソードガスを加湿する機能を有している。   In addition, a humidifier 266 is provided in the cathode off gas flow path 258. A cathode gas flow path 216 is introduced into the humidifier 266. The humidifier 266 has a function of absorbing moisture contained in the cathode offgas generated in the fuel cell 212 and humidifying the cathode gas in the cathode gas flow channel 216 with the absorbed moisture.

図5に示すように、本実施形態のシステムはECU(Electronic Control Unit)240を備えている。ECU240には、システムの運転状態を把握すべく、燃料電池212の出力(電圧値、電流値)、冷却水温などを検出するための各種センサ(不図示)が接続されており、ECU240は、燃料電池212が備える400個の単位セルのそれぞれのセル電圧を検知することができる。また、ECU240には、上述した圧力センサ222,264、レギュレータ220、排気弁254、制御弁262、冷却液循環ポンプ(不図示)などが接続されている。ECU240は、燃料電池212の出力、各ガスの圧力、各ガスの流量、冷却液の循環量を制御することで、燃料電池212を所望の運転状態で運転することができる。   As shown in FIG. 5, the system of the present embodiment includes an ECU (Electronic Control Unit) 240. The ECU 240 is connected to various sensors (not shown) for detecting the output (voltage value, current value), cooling water temperature, etc. of the fuel cell 212 in order to grasp the operating state of the system. The cell voltages of the 400 unit cells included in the battery 212 can be detected. The ECU 240 is connected to the pressure sensors 222 and 264, the regulator 220, the exhaust valve 254, the control valve 262, a coolant circulation pump (not shown), and the like. The ECU 240 can operate the fuel cell 212 in a desired operation state by controlling the output of the fuel cell 212, the pressure of each gas, the flow rate of each gas, and the circulation amount of the coolant.

また、ECU240は、実施の形態3のECU40と同様に、燃料電池212内の水分の不足が生じているか否かを判定する水不足判定処理を実行できるように構成されている。   In addition, ECU 240 is configured to execute water shortage determination processing for determining whether or not water shortage in fuel cell 212 has occurred, as with ECU 40 of the third embodiment.

[実施の形態3の動作]
(実施の形態3の第1特徴動作「クロスリークに伴う水生成の利用」)
実施の形態3においても、実施の形態1と同様に、燃料電池212が水不足であるとの判定がなされた場合には、クロスリークに伴う水生成を燃料電池212への水供給に利用することとする。具体的には、実施の形態1と同じく、水不足判定処理が燃料電池12の水不足の発生を検出した場合、原則として、アノードの圧力を増加してアノードとカソードの水素分圧差を大きくする。その結果、実施の形態1と同様に、カソードの電極触媒層で生成する水の量を増加し、燃料電池12に水を供給することができる。
[Operation of Embodiment 3]
(First characteristic operation of Embodiment 3 “Utilization of water generation accompanying cross leak”)
Also in the third embodiment, as in the first embodiment, when it is determined that the fuel cell 212 is short of water, the water generation accompanying the cross leak is used for water supply to the fuel cell 212. And Specifically, as in the first embodiment, when the water shortage determination process detects the occurrence of water shortage in the fuel cell 12, in principle, the anode pressure is increased to increase the hydrogen partial pressure difference between the anode and the cathode. As a result, as in the first embodiment, the amount of water generated in the electrode catalyst layer of the cathode can be increased and water can be supplied to the fuel cell 12.

(実施の形態3の第2特徴動作「クロスリーク量に基づく水不足判定」)
実施の形態3では、更に、上述した水不足の判定を効率よく行う目的で、クロスリーク量に基づいて、個々の燃料電池セルのうち水不足が発生し易い燃料電池セルを特定することとする。具体的には、実施の形態3ではクロスリーク量が相対的に少ないセルを特定して、当該セルに対して水不足判定処理を行うこととする。
(Second characteristic operation of Embodiment 3 “Water shortage determination based on cross leak amount”)
In the third embodiment, further, for the purpose of efficiently determining the above-described water shortage, a fuel battery cell that is likely to cause water shortage among individual fuel battery cells is specified based on the amount of cross leak. Specifically, in the third embodiment, a cell having a relatively small amount of cross leak is specified, and water shortage determination processing is performed on the cell.

図8は、各単位セルのクロスリーク量を算出するための手法を説明する図である。図8には、単位セルの初期の電圧値に対して、カソードとアノードの間で差圧をつけた場合と、カソードとアノードを同圧とした場合とのそれぞれについて生ずる電圧低下が示されている。図に示すように、差圧をかけたときには電圧降下が大きく、同圧とした時には差圧時に比して電圧降下の程度が小さくなっている。   FIG. 8 is a diagram illustrating a method for calculating the cross leak amount of each unit cell. FIG. 8 shows the voltage drop that occurs when a differential pressure is applied between the cathode and the anode with respect to the initial voltage value of the unit cell and when the cathode and the anode are set to the same pressure. Yes. As shown in the figure, when the differential pressure is applied, the voltage drop is large, and when the same pressure is applied, the degree of the voltage drop is smaller than when the differential pressure is applied.

図8において、差圧時電圧と同圧時電圧との電圧差(電圧低下1)の絶対値に相当する量がクロスリークに由来する電圧低下を意味し、同圧時における電圧低下2はクロスリーク以外の要因に由来するものである。このように、差圧時および同圧時における電圧差から、各単位セルの電圧低下要因を分析することができる。そして、当該分析から、各単位セルのクロスリーク量(ガス透過量)を算出することができる。   In FIG. 8, the amount corresponding to the absolute value of the voltage difference (voltage drop 1) between the voltage at the time of differential pressure and the voltage at the same pressure means a voltage drop due to cross leak, and the voltage drop 2 at the same pressure is a cross It comes from factors other than leaks. Thus, the voltage drop factor of each unit cell can be analyzed from the voltage difference at the time of the differential pressure and at the same pressure. From the analysis, the cross leak amount (gas permeation amount) of each unit cell can be calculated.

このような分析によって得られた各単位セルのガス透過量を比較することで、クロスリーク量が少ない燃料電池セルを特定することができる。なお、上記のようなクロスリーク量の算出を行う技術は、特開2005−251482号公報にも開示されている。従って、より具体的かつ詳細な手法に関しては、その説明を省略する。   By comparing the gas permeation amount of each unit cell obtained by such an analysis, it is possible to specify a fuel cell having a small cross leak amount. A technique for calculating the cross leak amount as described above is also disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2005-251482. Therefore, the description of a more specific and detailed method is omitted.

燃料電池212の各単位セルが発電する過程で、アノードとカソードの間でガスの分圧差が生じている状況下では、当該単位セル内で水素及び酸素がそれぞれ電解質膜を介してクロスリークしている。単位セル毎にそのクロスリーク量が相違する場合には、通常運転状態においてクロスリークしている水素および酸素の量も単位セル毎に相違することになる。   In the process in which each unit cell of the fuel cell 212 generates power, under a situation where a gas partial pressure difference occurs between the anode and the cathode, hydrogen and oxygen cross-leak through the electrolyte membrane in the unit cell. Yes. When the cross leak amount is different for each unit cell, the amounts of hydrogen and oxygen that are cross leaked in the normal operation state are also different for each unit cell.

クロスリーク量が少ない場合には、クロスリークに起因する生成水の量も当然に少なくなる。このため、クロスリークが相対的に少ない単位セルでは、通常運転時において内部に存在する水の量も少なくなる。その結果、クロスリーク量が少ないセルは、他の単位セルと比較して、より水不足を生じ易い状態にあることになる。   When the amount of cross leak is small, the amount of water generated due to the cross leak naturally becomes small. For this reason, in a unit cell with relatively little cross leak, the amount of water present inside during normal operation is also reduced. As a result, a cell with a small amount of cross leak is in a state where water shortage is more likely to occur compared to other unit cells.

そこで、実施の形態3の第2特徴動作では、クロスリーク量が少ないセルを判別して、当該セルに対して水不足の判定を行うこととする。これにより、燃料電池212内で生ずる水不足を確実かつ迅速に発見することができる。   Therefore, in the second characteristic operation of the third embodiment, a cell with a small amount of cross leak is determined and water shortage is determined for the cell. As a result, water shortage occurring in the fuel cell 212 can be detected reliably and quickly.

(実施の形態3の第3特徴動作「ストイキ比に基づく水不足判定」)
実施の形態3では、上述した水不足への対処を効果的に行う目的で、更に、ストイキ比に基づいて、個々の燃料電池セルのうち水不足が発生し易い燃料電池セルを特定することとする。具体的には、実施の形態3では、ストイキ比が相対的に大きいセルの特定を行い、当該セルに対して水不足の判定を行うこととする。先ず、以下に、セル電圧の変化率に基づいて各単位セルの供給ガス量を求める方法を詳細に説明する。なお、以下の説明では、各単位セルへのカソードガス供給量を求める方法を説明するが、アノードガスの供給量についても同様の方法で求めることができる。
(Third feature operation of the third embodiment “water shortage determination based on stoichiometric ratio”)
In the third embodiment, in order to effectively cope with the above-described water shortage, a fuel cell that is likely to cause water shortage among individual fuel cells is specified based on the stoichiometric ratio. Specifically, in the third embodiment, a cell having a relatively large stoichiometric ratio is specified, and the lack of water is determined for the cell. First, a method for obtaining the amount of gas supplied to each unit cell based on the cell voltage change rate will be described in detail below. In the following description, a method of obtaining the cathode gas supply amount to each unit cell will be described. However, the anode gas supply amount can also be obtained by the same method.

図9は、燃料電池212に供給されるカソードガスのストイキ比と、燃料電池212の出力との関係を示す特性図であって、燃料電池212の定常運転中に実測して得られた特性を示している。図9の特性は、燃料電池212の単体状態で取得しても良いし、燃料電池システム210を燃料電池自動車に搭載した状態で取得しても良い。   FIG. 9 is a characteristic diagram showing the relationship between the stoichiometric ratio of the cathode gas supplied to the fuel cell 212 and the output of the fuel cell 212. The characteristic obtained by actual measurement during steady operation of the fuel cell 212 is shown. Show. The characteristics shown in FIG. 9 may be acquired with the fuel cell 212 alone or may be acquired with the fuel cell system 210 mounted on a fuel cell vehicle.

図9において、横軸は、カソードガス流路216を流れるカソードガスのストイキ比を示している。このストイキ比は、カソードガス流量の理論値に対する実際のカソードガス流量の比率である。カソードガス流量の理論値は、燃料電池212の駆動負荷に基づいて算出される値である。通常、高電流密度域でのカソードガスのストイキ比は1.2〜1.5程度の値とされ、理論値よりも実際のカソードガス流量を多くすることで、燃料電池212を安定して運転することができる。   In FIG. 9, the horizontal axis indicates the stoichiometric ratio of the cathode gas flowing through the cathode gas channel 216. This stoichiometric ratio is the ratio of the actual cathode gas flow rate to the theoretical value of the cathode gas flow rate. The theoretical value of the cathode gas flow rate is a value calculated based on the driving load of the fuel cell 212. Usually, the stoichiometric ratio of the cathode gas in the high current density region is set to a value of about 1.2 to 1.5, and the fuel cell 212 is stably operated by increasing the actual cathode gas flow rate from the theoretical value. can do.

また、図9の縦軸は、燃料電池212が備える全ての単位セルのセル電圧値の平均値(平均セル電圧)を示している。上述したようにECU240は各単位セルのセル電圧を検出することができ、これらのセル電圧を平均することで平均セル電圧が求まる。   In addition, the vertical axis in FIG. 9 indicates the average value (average cell voltage) of the cell voltage values of all unit cells included in the fuel cell 212. As described above, the ECU 240 can detect the cell voltage of each unit cell, and the average cell voltage is obtained by averaging these cell voltages.

図9の特性を取得する際には、アノードガス流路214におけるアノードガスの流量は一定値に固定されている。図9の特性を取得する際には、先ず、ストイキ比を基準ストイキ比S0に設定した状態で平均セル電圧(基準電圧V0)を検出する。ここで、基準ストイキ比S0は、通常運転時のストイキ比SAよりも大きな値に設定されている。その後、ストイキ比を基準ストイキ比S0から減少させ、各ストイキ比S1,S2,S3毎に平均セル電圧を検出する。   When acquiring the characteristics of FIG. 9, the flow rate of the anode gas in the anode gas flow path 214 is fixed to a constant value. In obtaining the characteristics of FIG. 9, first, the average cell voltage (reference voltage V0) is detected in a state where the stoichiometric ratio is set to the reference stoichiometric ratio S0. Here, the reference stoichiometric ratio S0 is set to a value larger than the stoichiometric ratio SA during normal operation. Thereafter, the stoichiometric ratio is decreased from the reference stoichiometric ratio S0, and the average cell voltage is detected for each stoichiometric ratio S1, S2, S3.

基準ストイキ比S0からストイキ比を減少させていくと、カソードガスの流量が低下し、燃料電池212内での反応量が低下するため、平均セル電圧は基準電圧V0から低下していく。図9に示すように、ストイキ比がS0からS1に低下すると平均セル電圧はV1となり、基準電圧V0からの平均セル電圧の変化量ΔV1は(V0−V1)となる。同様に、ストイキ比がS0からS2に低下すると平均セル電圧はV2となり、平均セル電圧の変化量はΔV2(=V0−V2)となる。また、ストイキ比がS0からS3に低下すると平均セル電圧はV3となり、平均セル電圧の変化量はΔV3(=V0−V3)となる。このように、平均セル電圧の変化量は、ストイキ比が基準ストイキ比S0から低下するほど増加する。   As the stoichiometric ratio is decreased from the reference stoichiometric ratio S0, the flow rate of the cathode gas decreases and the amount of reaction in the fuel cell 212 decreases, so the average cell voltage decreases from the reference voltage V0. As shown in FIG. 9, when the stoichiometric ratio decreases from S0 to S1, the average cell voltage becomes V1, and the change ΔV1 in the average cell voltage from the reference voltage V0 becomes (V0−V1). Similarly, when the stoichiometric ratio decreases from S0 to S2, the average cell voltage becomes V2, and the change amount of the average cell voltage becomes ΔV2 (= V0−V2). When the stoichiometric ratio decreases from S0 to S3, the average cell voltage becomes V3, and the amount of change in the average cell voltage becomes ΔV3 (= V0−V3). Thus, the amount of change in the average cell voltage increases as the stoichiometric ratio decreases from the reference stoichiometric ratio S0.

図10は、平均セル電圧の変化率とストイキ比との関係を示す特性図(近似式)であって、図9の特性に基づいて得られるものである。図10において、横軸は平均セル電圧の変化率を示している。平均セル電圧の変化率は、例えば図9に示す各ストイキ比S1,S2,S3において、平均セル電圧の変化量ΔV1,ΔV2,ΔV3をそれぞれ基準電圧V0で除算することにより求めることができる。すなわち、ストイキ比S1における電圧変化率はΔV1/V0となり、ストイキ比S2における電圧変化率はΔV2/V0となり、ストイキ比S3における電圧変化率はΔV3/V0となる。図10の近似式は、各ストイキ比S1,S2,S3において電圧変化率をプロットし、近似曲線(直線)で結ぶことにより得られたものである。   FIG. 10 is a characteristic diagram (approximate expression) showing the relationship between the change rate of the average cell voltage and the stoichiometric ratio, and is obtained based on the characteristic of FIG. In FIG. 10, the horizontal axis represents the rate of change of the average cell voltage. The change rate of the average cell voltage can be obtained, for example, by dividing the change amounts ΔV1, ΔV2, and ΔV3 of the average cell voltage by the reference voltage V0 in each of the stoichiometric ratios S1, S2, and S3 shown in FIG. That is, the voltage change rate at the stoichiometric ratio S1 is ΔV1 / V0, the voltage change rate at the stoichiometric ratio S2 is ΔV2 / V0, and the voltage change rate at the stoichiometric ratio S3 is ΔV3 / V0. The approximate expression in FIG. 10 is obtained by plotting the voltage change rate at each of the stoichiometric ratios S1, S2, and S3 and connecting them with an approximate curve (straight line).

図10の特性によれば、単位セルの電圧変化率とカソードガスのストイキ比との関係が明らかになる。従って、各単位セルにおいて、セル電圧の変化率が求まれば、電圧変化率に基づいて各単位セルのストイキ比を求めることが可能になる。   The characteristics shown in FIG. 10 reveal the relationship between the voltage change rate of the unit cell and the stoichiometric ratio of the cathode gas. Accordingly, if the cell voltage change rate is obtained in each unit cell, the stoichiometric ratio of each unit cell can be obtained based on the voltage change rate.

各単位セルにおけるセル電圧は、燃料電池212に供給されるカソードガスのストイキ比を可変することで変化する。従って、ストイキ比を可変した際の各単位セルのセル電圧の変化量から、セル電圧の電圧変化率を求めることができる。   The cell voltage in each unit cell changes by changing the stoichiometric ratio of the cathode gas supplied to the fuel cell 212. Therefore, the voltage change rate of the cell voltage can be obtained from the change amount of the cell voltage of each unit cell when the stoichiometric ratio is varied.

以下、各単位セルにおいてセル電圧の変化率を求める方法を説明する。各単位セルの電圧変化率を求める際には、先ずカソードガス流路216におけるカソードガスのストイキ比を図9で説明した基準ストイキ比S0に設定し、この状態で各単位セルにおいて基準電圧V0(n)を求める。その後、カソードガス流路16におけるストイキ比を基準ストイキ比S0から通常運転時のストイキ比SAまで低下させる。そして、ストイキ比をSAとした状態で、各単位セルにおいてセル電圧VA(n)を求める。これにより、ストイキ比がS0からSAに変化した際のセル電圧の変化量(V0(n)−VA(n))が求まり、変化量(V0(n)−VA(n))を基準電圧V0(n)で除算することで、各単位セルのセル電圧の変化率P(n)を求めることができる。すなわち、電圧変化率P(n)は以下の式から求められる。
P(n)=(V0(n)−VA(n))/V0(n)
但し、上式において、nはセル番号である。
Hereinafter, a method of obtaining the cell voltage change rate in each unit cell will be described. When obtaining the voltage change rate of each unit cell, first, the stoichiometric ratio of the cathode gas in the cathode gas flow path 216 is set to the reference stoichiometric ratio S0 described in FIG. 9, and in this state, the reference voltage V0 ( n). Thereafter, the stoichiometric ratio in the cathode gas passage 16 is lowered from the reference stoichiometric ratio S0 to the stoichiometric ratio SA during normal operation. Then, the cell voltage VA (n) is obtained in each unit cell in a state where the stoichiometric ratio is SA. As a result, the change amount (V0 (n) −VA (n)) of the cell voltage when the stoichiometric ratio changes from S0 to SA is obtained, and the change amount (V0 (n) −VA (n)) is obtained as the reference voltage V0. By dividing by (n), the cell voltage change rate P (n) of each unit cell can be obtained. That is, the voltage change rate P (n) is obtained from the following equation.
P (n) = (V0 (n) -VA (n)) / V0 (n)
In the above formula, n is a cell number.

このようにして求められた各単位セルのセル電圧の変化率P(n)は、図10の特性(横軸)に当てはめられる。これにより、各単位セルにおいてカソードガスのストイキ比を求めることが可能になる。   The cell voltage change rate P (n) of each unit cell thus obtained is applied to the characteristic (horizontal axis) of FIG. Thereby, the stoichiometric ratio of the cathode gas can be obtained in each unit cell.

上述したように、燃料電池212が必要とするカソードガス流量の理論値は、燃料電池212の負荷に基づいて算出され、これに基づいて各単位セルにおけるカソードガス流量の理論値が算出される。従って、図10の特性から各単位セルにおける実際のストイキ比が求まると、これを各単位セルにおけるカソードガス流量の理論値に乗算することで、各単位セルにおける実際のカソードガス流量を求めることが可能となる。   As described above, the theoretical value of the cathode gas flow rate required by the fuel cell 212 is calculated based on the load of the fuel cell 212, and based on this, the theoretical value of the cathode gas flow rate in each unit cell is calculated. Therefore, when the actual stoichiometric ratio in each unit cell is obtained from the characteristics shown in FIG. 10, the actual cathode gas flow rate in each unit cell can be obtained by multiplying this by the theoretical value of the cathode gas flow rate in each unit cell. It becomes possible.

なお、全ての単位セルに均等にカソードガスを供給することを想定した場合、各単位セルにおけるカソードガス流量の理論値は、燃料電池212全体へのカソードガス供給量の理論値をセル数で除算した値となる。   When it is assumed that the cathode gas is uniformly supplied to all unit cells, the theoretical value of the cathode gas flow rate in each unit cell is divided by the number of cells by the theoretical value of the cathode gas supply amount to the entire fuel cell 212. It becomes the value.

このように、本実施形態の手法によれば、各単位セルのセル電圧の変化率に基づいて、各単位セルにおけるストイキ比、及びカソードガス流量を求めることができる。従って、各単位セルのそれぞれに対してカソードガスの供給が良好に行われているか否かを判定することが可能になる。   Thus, according to the method of the present embodiment, the stoichiometric ratio and the cathode gas flow rate in each unit cell can be obtained based on the change rate of the cell voltage of each unit cell. Therefore, it is possible to determine whether or not the cathode gas is satisfactorily supplied to each unit cell.

また、本実施形態の手法では、セル電圧の変化率は基準電圧V0からの電圧変化量を基準電圧V0で除算することにより算出されるため、ガスの供給量以外の要因、例えば電解質膜、アノード、カソードを構成する触媒層、拡散層などの劣化、短絡、流路への異物混入などの要因でセル電圧が変動した場合であっても、その影響が及ぶことはない。従って、本実施形態の手法によれば、これらの要因を排除した状態で各単位セルにおけるストイキ比、カソードガス流量を正確に求めることができる。   In the method of this embodiment, since the cell voltage change rate is calculated by dividing the voltage change amount from the reference voltage V0 by the reference voltage V0, factors other than the gas supply amount, such as the electrolyte membrane and the anode Even if the cell voltage fluctuates due to factors such as deterioration of the catalyst layer and diffusion layer constituting the cathode, short-circuiting, foreign matter mixing into the flow path, etc., the influence is not exerted. Therefore, according to the method of this embodiment, the stoichiometric ratio and the cathode gas flow rate in each unit cell can be accurately obtained in a state where these factors are excluded.

図11は、燃料電池212の各単位セル(#1〜#400)において、上述した方法でストイキ比(カソードガス流量)を算出した結果を示す模式図である。図11において、横軸はセル番号を、縦軸はストイキ比(カソードガス流量)を示している。このような手法により、ストイキ比が相対的に大きくなっているセル番号を特定することができる。   FIG. 11 is a schematic diagram showing the result of calculating the stoichiometric ratio (cathode gas flow rate) by the above-described method in each unit cell (# 1 to # 400) of the fuel cell 212. In FIG. 11, the horizontal axis indicates the cell number, and the vertical axis indicates the stoichiometric ratio (cathode gas flow rate). By such a method, it is possible to specify a cell number having a relatively large stoichiometric ratio.

ストイキ比の大きい単位セルでは、内部から持ち去られる水の量が多くなる傾向にある。従って、ストイキ比が大きいほど、内部の水分が不足しやすい状況にある。そこで、実施の形態3の第3特徴動作では、上記の手法によりストイキ比が大きいセルを特定し、当該セルに対して水不足判定処理を行うこととする。これにより、燃料電池212内で生ずる水不足を確実かつ迅速に発見することができる。   In a unit cell with a large stoichiometric ratio, the amount of water taken away from the interior tends to increase. Therefore, the larger the stoichiometric ratio, the more easily the internal moisture is insufficient. Therefore, in the third characteristic operation of the third embodiment, a cell having a large stoichiometric ratio is specified by the above method, and water shortage determination processing is performed on the cell. As a result, water shortage occurring in the fuel cell 212 can be detected reliably and quickly.

[実施の形態3の具体的処理]
以下、図12を用いて、実施の形態3のシステムが行う具体的処理を説明する。図12は、実施の形態3においてECU240が実行するルーチンのフローチャートである。図12のルーチンは、実施の形態3のシステムの運転中に実行される。また、図12のルーチンは、上述した実施の形態3の第1〜3特徴動作を実現する処理となっている。
[Specific Processing of Embodiment 3]
Hereinafter, specific processing performed by the system according to the third embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 12 is a flowchart of a routine executed by ECU 240 in the third embodiment. The routine of FIG. 12 is executed during the operation of the system of the third embodiment. Further, the routine of FIG. 12 is processing for realizing the first to third characteristic operations of the third embodiment described above.

図12のルーチンが開始されると、先ず、燃料電池212の冷却水の温度が測定される(ステップS300)。この処理では、ECU240が冷却系の冷却液温度の情報を取得して、燃料電池212の温度を検知する。   When the routine of FIG. 12 is started, first, the temperature of the cooling water of the fuel cell 212 is measured (step S300). In this process, the ECU 240 acquires information on the coolant temperature of the cooling system and detects the temperature of the fuel cell 212.

次に、水不足し易いセルの特定ができているか否かが判別される(ステップS302)。ここでは、ECU40が、セル特定済フラグがON状態となっているか否かを判別する。実施の形態3のルーチンでは、水不足し易いセルの特定が前回のルーチン等によりなされており、当該特定結果が有効に利用できると判断できている間は、セル特定済フラグをONとすることとする。当該セルの特定が未だなされていない場合や、前回の結果が有効に利用できない状況にある場合には、セル特定済フラグをOFF状態とする。   Next, it is determined whether or not a cell that is likely to be short of water has been identified (step S302). Here, the ECU 40 determines whether or not the cell specified flag is ON. In the routine of the third embodiment, the cell that is likely to be short of water is specified by the previous routine, and the cell specified flag is turned ON while it can be determined that the specified result can be used effectively. To do. If the cell has not yet been specified, or if the previous result cannot be used effectively, the cell specified flag is set to the OFF state.

ステップS302でセルの特定ができていないと判別された場合には、先ず、ガス透過量の小さいセルを特定する処理が実行される(ステップS304)。この処理では、上記の実施の形態3の第2特徴動作にある思想に基づき、先ず、電流密度を一定とした条件下で、#1〜#400の単位セルのそれぞれのガス透過量(クロスリーク量)が算出される。   If it is determined in step S302 that the cell is not specified, first, a process for specifying a cell having a small gas permeation amount is executed (step S304). In this process, based on the idea in the second characteristic operation of the third embodiment, first, the gas permeation amount (cross-leakage) of each of the unit cells # 1 to # 400 under the condition that the current density is constant. Amount) is calculated.

実施の形態3では、予め実験などにより、クロスリーク量と水不足の発生し易さとの間の相関を求めておき、所定の閾値を定めておく。そして、クロスリーク量がこの閾値以下のセルは、水不足し易いセルと判断することとする。ステップS304では、#1〜#400のそれぞれのセルについて、クロスリーク量を閾値と比較し、閾値以下となっているセルの番号を保持する。   In the third embodiment, a correlation between the amount of cross leak and the ease of occurrence of water shortage is obtained in advance through experiments or the like, and a predetermined threshold is determined. A cell having a cross leak amount equal to or less than this threshold is determined as a cell that is likely to be short of water. In step S304, for each of cells # 1 to # 400, the cross leak amount is compared with a threshold value, and the cell number that is equal to or less than the threshold value is held.

続いて、ストイキ比が多いセルを算出する処理が実行される(ステップS306)。具体的には、上記の実施の形態3の第3特徴動作にある思想に基づき、先ず、カソードガス流量を一定とした条件下で、#1〜#400の単位セルのそれぞれのストイキ比の値が算出される(図11参照)。実施の形態3では、予め実験などにより、ストイキ比と水不足の発生し易さとの間の相関を求めておき、所定の閾値を定めておく、そして、ストイキ比がこの閾値以下のセルは、水不足し易いセルと判断することにする。ステップS306では、#1〜#400のそれぞれのセルについて、ストイキ比を閾値と比較し、閾値以下となっているセルの番号を保持する。   Subsequently, a process for calculating a cell having a large stoichiometric ratio is executed (step S306). Specifically, based on the idea in the third characteristic operation of the above-described third embodiment, first, the values of the stoichiometric ratios of the unit cells # 1 to # 400 under the condition that the cathode gas flow rate is constant. Is calculated (see FIG. 11). In the third embodiment, a correlation between the stoichiometric ratio and the likelihood of occurrence of water shortage is obtained in advance by experiments or the like, and a predetermined threshold value is set, and a cell having a stoichiometric ratio equal to or lower than this threshold value is insufficient for water. It is determined that the cell is easy to perform. In step S306, for each of cells # 1 to # 400, the stoichiometric ratio is compared with a threshold value, and the cell number that is equal to or less than the threshold value is held.

次に、積層セル中の水不足し易いセルを特定する処理が実行される(ステップS308)。この処理では、ステップS304で特定されたセルとステップS306で特定されたセルの中で、最も水不足を生じ易いセルが特定される。具体的には、実施の形態3では、ステップS304の結果を水不足の発生し易さのパラメータDに換算し、ステップS306の結果を水不足の発生し易さのパラメータDに換算し、DとDの合計値が最も大きいセルを特定する。このように、ステップS304〜S308の処理が実行されることで、燃料電池212中で最も水不足を発生し易いセルを特定することができる。 Next, a process of identifying a cell in the stacked cell that is likely to be short of water is executed (step S308). In this process, the cell that is most likely to cause water shortage is identified among the cells identified in step S304 and the cells identified in step S306. Specifically, in the third embodiment, in terms of the parameter D A result of generating the ease of water shortage step S304, converted into parameters D B results generated ease shortages in step S306, D the sum of a and D B to identify the largest cells. As described above, by executing the processing of steps S304 to S308, it is possible to identify the cell that is most likely to cause water shortage in the fuel cell 212.

ステップS308の処理が実行された後、または、ステップS302において水不足し易いセルが特定できているとの判断がなされた後は、続いて、燃料電池212が高温運転状態にあるか否かが判別される(ステップS310)。実施の形態3では、予め所定の閾値温度を定めておき、ステップS300で検知された温度が当該閾値を超えているか否かによって、燃料電池212が高温運転状態にあるか否かを判断することとする。この条件の成立が認められない場合には、後述するステップS318へと移行する。   After the process of step S308 is executed, or after it is determined in step S302 that a cell that is likely to be short of water has been identified, it is subsequently determined whether or not the fuel cell 212 is in a high-temperature operation state. (Step S310). In the third embodiment, a predetermined threshold temperature is set in advance, and it is determined whether or not the fuel cell 212 is in a high temperature operation state based on whether or not the temperature detected in step S300 exceeds the threshold. And If the establishment of this condition is not recognized, the process proceeds to step S318 described later.

ステップS310の条件の成立が認められた場合には、次に、セル電圧が低下しているか否かが判別される(ステップS312)。具体的には、ECU40が取得する燃料電池212の出力電圧の情報に基づいて、燃料電池212で水不足が生じていると判断されうるような電圧低下が生じているか否かが判別される。なお、電圧値に基づいて水不足発生を判定する技術は、例えば、特開2004−127914に開示されているように、既に公知となっている技術である。従って、その詳細な説明は省略する。この条件の成立が認められない場合には、後述するステップS318へと移行する。   If it is determined that the condition in step S310 is satisfied, it is next determined whether or not the cell voltage has decreased (step S312). Specifically, based on the information on the output voltage of the fuel cell 212 acquired by the ECU 40, it is determined whether or not there is a voltage drop that can be determined that water shortage has occurred in the fuel cell 212. The technique for determining the occurrence of water shortage based on the voltage value is a technique already known as disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-127914. Therefore, the detailed description is abbreviate | omitted. If the establishment of this condition is not recognized, the process proceeds to step S318 described later.

ステップS312の条件の成立が認められた場合には、次に、水不足し易いセルの状態が確認される(ステップS314)。具体的には、ステップS308において特定されたセル、または、ステップS302で特定されているセルで、水不足の発生が認められる電圧低下が生じているか否かが判断される。この条件の成立が認められない場合には、後述するステップS318へと移行する。   If the establishment of the condition in step S312 is confirmed, then the state of the cell that is likely to be short of water is confirmed (step S314). Specifically, it is determined whether or not there is a voltage drop in which the occurrence of water shortage is recognized in the cell specified in step S308 or the cell specified in step S302. If the establishment of this condition is not recognized, the process proceeds to step S318 described later.

ステップS314の条件の成立が認められた場合には、アノードの圧力を増加する処理が実行される(ステップS316)。具体的には、ECU240が、レギュレータ220を所定の量だけ開弁側に制御する。その結果、カソード触媒上で酸素と反応する水素量が増加し、生成する水の量が増加する。生成水量が増加することで、燃料電池212内部の水の量が増加することとなり、燃料電池212内の水不足が緩和されることになる。   When the establishment of the condition in step S314 is confirmed, a process for increasing the anode pressure is executed (step S316). Specifically, the ECU 240 controls the regulator 220 to the valve opening side by a predetermined amount. As a result, the amount of hydrogen that reacts with oxygen on the cathode catalyst increases and the amount of water produced increases. As the amount of generated water increases, the amount of water in the fuel cell 212 increases, and the shortage of water in the fuel cell 212 is alleviated.

ステップS314の処理の実行後、または、前述したステップS310,312,314の判定条件が不成立であった場合には、続いて、システムの運転が継続されるか否かが判別される(ステップS318)。このルーチンでは、ECU40が、燃料電池システム210の停止の要求が成されているか否かを検出する。燃料電池システム210が車両等に搭載されている場合には、イグニションキーの状態などからこの判別を行うことが可能である。   After the execution of the process of step S314, or when the determination conditions of steps S310, 312, and 314 described above are not satisfied, it is subsequently determined whether or not the system operation is continued (step S318). ). In this routine, the ECU 40 detects whether or not a request for stopping the fuel cell system 210 is made. When the fuel cell system 210 is mounted on a vehicle or the like, this determination can be made based on the state of the ignition key.

当該条件成立が認められない場合には、燃料電池システム210は未だ運転を継続すべき状態にあると判断され、ステップS310からの処理が実行される。これにより、水不足の判定(S310〜S314)およびその対処(S316)を行いつつ、運転が継続される。運転停止要求があった場合には、運転を停止すべき状況にあると判断され、今回のルーチンが終了する。   If the condition is not satisfied, it is determined that the fuel cell system 210 is still in a state where the operation should be continued, and the processing from step S310 is executed. Accordingly, the operation is continued while performing the determination of water shortage (S310 to S314) and the countermeasure (S316). If there is an operation stop request, it is determined that the operation should be stopped, and the current routine ends.

以上の処理によれば、単位セルのなかで最も水不足が生じ易いセルを特定して、このセルについて水不足が生じているか否かを判定することで、燃料電池212の水不足を効率よく、確実に検知することができる。そして、当該水不足の発生時にはアノードの圧力を増加することにより、水素分圧差を大きくして、水素のクロスリーク量を増加することができる。その結果、クロスリークに伴う水生成の機能を利用して、燃料電池212内部に水を供給し、水不足を緩和することができる。   According to the above processing, by identifying the cell in which the water shortage is most likely to occur among the unit cells and determining whether or not the water shortage has occurred for this cell, the water shortage of the fuel cell 212 can be efficiently and reliably ensured. Can be detected. When the water shortage occurs, by increasing the anode pressure, the hydrogen partial pressure difference can be increased and the hydrogen cross leak amount can be increased. As a result, water can be supplied into the fuel cell 212 using the water generation function associated with the cross leak, and water shortage can be alleviated.

尚、上述した実施の形態3では、燃料電池212が、前記第1の発明における「燃料電池」に相当し、レギュレータ220および制御弁262が前記第1の発明の「圧力調整手段」に相当し、上述したルーチンのステップS300〜S314の処理が実行されることで、前記第1の発明における「水不足判定手段」が、ステップS316の処理が実行されることで、前記第1の発明における「水素分圧差調整手段」が、それぞれ実現されている。   In the third embodiment described above, the fuel cell 212 corresponds to the “fuel cell” in the first invention, and the regulator 220 and the control valve 262 correspond to the “pressure adjusting means” in the first invention. When the processing of steps S300 to S314 of the routine described above is executed, the “water shortage determining means” in the first invention performs the processing of step S316, thereby “hydrogen” in the first invention. “Partial pressure difference adjusting means” is realized.

また、上述した実施の形態3では、燃料電池212を構成する各燃料電池セル(単位セル)が、前記第10の発明の「燃料電池セル」に相当している。また、上述した具体的処理において、ステップS302〜S308の処理が実行されることで、前記第10の発明の「水分少量セル特定手段」が、ステップS310〜S314の処理が実行されることで、前記第10の発明の「特定セル水不足判定手段」が、それぞれ実現されている。 In the above-described third embodiment, each fuel cell (unit cell) constituting the fuel cell 212 corresponds to the “fuel cell” of the tenth aspect of the present invention. Further, in the specific process described above, the processes of steps S302 to S308 are executed, so that the “moisture-poor cell specifying means” of the tenth aspect of the invention executes the processes of steps S310 to S314. The “specific cell water shortage determining means” according to the tenth aspect of the present invention is realized.

また、上述した実施の形態3の具体的処理において、ステップS304の処理が実行されることで、前記第11の発明の「各セルのクロスリーク量を検知する手段」が、ステップS308の処理が実行されることで、前記第11の発明の「前記複数の燃料電池セルのうちクロスリーク量が相対的に少ない燃料電池セルを前記水分が相対的に少ない燃料電池セルと特定する」という処理が、それぞれ実現されている。 In the specific process of the third embodiment described above, the process of step S304 is executed, so that the “means for detecting the cross leak amount of each cell” of the eleventh invention performs the process of step S308. As a result of the execution, the processing according to the eleventh aspect of the invention “identifies a fuel battery cell having a relatively low cross leak amount among the plurality of fuel battery cells as a fuel battery cell having a relatively low moisture content”. , Each has been realized.

また、上述した実施の形態3の具体的処理において、ステップS306の処理が実行されることで、前記第12の発明の「各セルのストイキ比を算出する手段」が、ステップS308の処理が実行されることで、前記第12の発明の「前記複数の燃料電池のうちストイキ比が相対的に大きい燃料電池セルを前記水分が相対的に少ない燃料電池セルと特定する」という処理が、それぞれ実現されている。 In the specific process of the third embodiment described above, the process of step S306 is executed, so that the “means for calculating the stoichiometric ratio of each cell” of the twelfth invention executes the process of step S308. As a result, the processing of “identifying a fuel cell having a relatively large stoichiometric ratio among the plurality of fuel cells as a fuel cell having a relatively low water content” of the twelfth invention is realized. Has been.

[実施の形態3の変形例]
(第1変形例)
実施の形態3では、上述した実施の形態3の第1特徴動作に含まれる「クロスリークに伴う水生成を燃料電池への水供給に利用する思想」と、実施の形態3の第2特徴動作に含まれる「クロスリーク量に基づいて水不足判定を行う思想」と、実施の形態3の第3特徴動作に含まれる「ストイキ比に基づいて水不足判定を行う思想」の全てを応用して、システムを構成した。しかしながら、これらの思想は必ずしも組み合わせて用いられる必要は無く、「クロスリークに伴う水生成を燃料電池への水供給に利用する思想」のみを利用して燃料電池システムを構成することとしてもよい。
[Modification of Embodiment 3]
(First modification)
In the third embodiment, “the idea of utilizing water generation accompanying cross leak for water supply to the fuel cell” included in the first characteristic operation of the third embodiment described above and the second characteristic operation of the third embodiment. Applying both the “philosophy of determining water shortage based on the amount of cross leak” included in FIG. 5 and the “philosophy of determining water shortage based on stoichiometric ratio” included in the third feature operation of the third embodiment, Configured. However, these ideas do not necessarily need to be used in combination, and the fuel cell system may be configured using only “the idea of using water generation accompanying cross leak for supplying water to the fuel cell”.

具体的には、例えば、実施の形態3のシステムと同様の構成とし、図12のフローチャートを応用して、ECU240に「スタート→水不足判定(ステップS310、312)→アノード圧増加(S316)→運転継続?(S318)→終了(S318で成立が認められない場合はS310へ戻す)」のルーチンを実行させることとしてもよい。   Specifically, for example, the system has the same configuration as that of the system of the third embodiment and the flowchart of FIG. 12 is applied to the ECU 240 to “start → water shortage determination (steps S310, 312) → anode pressure increase (S316) → operation”. “Continue? (S318) → End (Return to S310 if establishment is not permitted in S318)” may be executed.

なお、上述した実施の形態3の第1変形例では、ステップS310、312の処理が実行されることで前記第1の発明の「水不足判定手段」が、ステップS316の処理が実行されることで、前記第1の発明の「水素分圧差調整手段」が、それぞれ実現されている。   In the above-described first modification of the third embodiment, the process of steps S310 and 312 is executed, so that the “water shortage determination unit” of the first invention executes the process of step S316. The “hydrogen partial pressure difference adjusting means” of the first invention is realized.

(第2変形例)
実施の形態3では、実施の形態3の第2特徴動作に含まれる「クロスリーク量に基づく水不足判定」の思想と、実施の形態3の第3特徴動作に含まれる「ストイキ比に基づく水不足判定」の思想の両方を用いて、水不足が発生し易いセルを特定した。しかしながら、これらの思想は必ずしも組み合わせて用いられる必要は無く、どちらか一方のみの思想を利用して燃料電池システムを構成することとしてもよい。
(Second modification)
In the third embodiment, the idea of “water shortage determination based on cross leak amount” included in the second feature operation of the third embodiment and the “water shortage determination based on stoichiometric ratio” included in the third feature operation of the third embodiment. Both of these ideas were used to identify cells that are prone to water shortages. However, these ideas are not necessarily used in combination, and the fuel cell system may be configured using only one of these ideas.

前述したように、電解質膜を介したガスのクロスリーク量が少ないセルほど、水不足を発生し易い。そこで、実施の形態3の第3変形例では、上述した「クロスリーク量に基づいて水不足判定を行う思想」のみを用いて、クロスリーク量が相対的に少ないセルを特定して、当該セルの電圧の挙動に基づいて、水不足の判定を行うこととする。具体的には、本変形例では、クロスリーク量が所定の閾値以下のセルを複数個特定して、これら複数のセルを総合的に観察して水不足の判定を行うこととする。   As described above, a cell having a smaller amount of gas cross leak through the electrolyte membrane is more likely to cause water shortage. Therefore, in the third modification of the third embodiment, using only the above-described “philosophy of performing water shortage determination based on the cross leak amount”, a cell having a relatively small cross leak amount is specified, and the cell Based on the behavior of the voltage, the water shortage is determined. Specifically, in this modification, a plurality of cells having a cross leak amount equal to or smaller than a predetermined threshold value are specified, and the plurality of cells are comprehensively observed to determine water shortage.

具体的には、第2変形例では、実施の形態3のシステムと同様の構成とし、図12のフローチャートを応用して、ECU240に「スタート→冷却水温度測定(ステップS300)→水不足し易いセルは特定済みか?(ステップS302)→クロスリーク量の少ないセルの特定(S304)→水不足判定(ステップS310、312、314)→アノード圧増加(S316)→運転継続?(S318)→終了(S318で成立が認められない場合はS310へ戻す)」のルーチンを実行させることとする。   Specifically, in the second modification, the configuration is the same as that of the system of the third embodiment, and by applying the flowchart of FIG. 12, the ECU 240 “start → cooling water temperature measurement (step S300) → cell where water is likely to be insufficient”. (Step S302) → Identification of a cell with a small amount of cross leak (S304) → Water shortage determination (Steps S310, 312, 314) → Anode pressure increase (S316) → Continuation of operation (S318) → End (S318) If the establishment is not confirmed in step S310, the process returns to step S310).

(第3変形例)
また、前述したように、ストイキ比が大きいセルほど水不足を発生し易い。そこで、第3変形例では、上述した「ストイキ比に基づいて水不足判定を行う思想」のみを用いて、ストイキ比が相対的に大きいセルを特定して、当該セルの電圧の挙動に基づいて、水不足の判定を行うこととする。具体的には、本変形例では、ストイキ比が所定の閾値以上のセルを複数特定して、これら複数のセルを総合的に観察して水不足の判定を行うこととする。
(Third Modification)
Further, as described above, a cell having a larger stoichiometric ratio is more likely to cause water shortage. Therefore, in the third modified example, using only the above-mentioned “thought of performing water shortage determination based on the stoichiometric ratio”, a cell having a relatively large stoichiometric ratio is specified, and based on the behavior of the voltage of the cell, Judgment of water shortage will be made. Specifically, in this modification, a plurality of cells having a stoichiometric ratio equal to or greater than a predetermined threshold are specified, and the plurality of cells are comprehensively observed to determine water shortage.

具体的には、第3変形例では、実施の形態3のシステムと同様の構成とし、図12のフローチャートを応用して、ECU240に「スタート→冷却水温度測定(ステップS300)→水不足し易いセルは特定済みか?(ステップS302)→ストイキ比が相対的に大きいセルの特定(S306)→水不足判定(ステップS310、312、314)→アノード圧増加(S316)→運転継続?(S318)→終了(S318で成立が認められない場合はS310へ戻す)」のルーチンを実行させることとすればよい。   Specifically, in the third modification, the configuration is the same as that of the system of the third embodiment, and the flow chart of FIG. 12 is applied to the ECU 240 to “start → cooling water temperature measurement (step S300) → cell where water is likely to be insufficient. (Step S302) → Identification of a cell having a relatively large stoichiometric ratio (S306) → Water shortage determination (Steps S310, 312, 314) → Anode pressure increase (S316) → Continue operation? (S318) → End The routine of “return to S310 when establishment is not recognized in S318” may be executed.

(第4変形例「フラッディングし易いセルへの対処」)
上述したように、電解質膜を介したガスのクロスリーク量が少ない燃料電池セル(単位セル)では、通常運転時において内部に存在する水の量が相対的に少なくなる。すなわち、逆に、クロスリーク量が多いセルでは、通常運転時において内部に存在する水の量が相対的に多くなることになる。また、上述したように、ストイキ比が大きいほど、燃料電池セル(単位セル)内部がより乾燥しやすい状態にある。換言すれば、ストイキ比が小さいほど、通常運転時において内部に存在する水の量が相対的に多くなることになる。
(Fourth modification example “Corresponding to cells that are easily flooded”)
As described above, in a fuel cell (unit cell) with a small amount of gas cross leak through the electrolyte membrane, the amount of water present inside is relatively small during normal operation. That is, conversely, in a cell with a large amount of cross leak, the amount of water present inside is relatively large during normal operation. Further, as described above, the larger the stoichiometric ratio, the more easily the inside of the fuel cell (unit cell) is dried. In other words, the smaller the stoichiometric ratio, the greater the amount of water present inside during normal operation.

燃料電池セル内部の水の量が多いセルでは、いわゆるフラッディングがより発生しやすくなる。そこで第4変形例では、先ず、単位セルの中でクロスリーク量が相対的に多く、かつストイキ比が相対的に小さいセルを特定する。続いて、当該特定されたセルにおいて、フラッディングが生じているか否かを判別する。そして、当該セルのフラッディングの発生を検知したら、アノードとカソードの水素分圧差(あるいは酸素分圧差)を小さくすることとする。   In a cell having a large amount of water inside the fuel cell, so-called flooding is more likely to occur. Therefore, in the fourth modified example, first, a cell having a relatively large cross leak amount and a relatively small stoichiometric ratio is specified among the unit cells. Subsequently, it is determined whether flooding has occurred in the specified cell. When the occurrence of flooding in the cell is detected, the hydrogen partial pressure difference (or oxygen partial pressure difference) between the anode and the cathode is reduced.

両極間の水素分圧差(あるいは酸素分圧差)を小さくすると、クロスリーク量が抑制される。その結果、クロスリークに伴う水生成の機能が抑制され、セル面内の水量を減少させることができる。このように、第4変形例によれば、フラッディングの発生を効率よく、かつ的確に検知し、フラッディング発生時にクロスリークによる生成水量を減少させることができる。   If the hydrogen partial pressure difference (or oxygen partial pressure difference) between the two electrodes is reduced, the cross leak amount is suppressed. As a result, the water generation function associated with the cross leak is suppressed, and the amount of water in the cell plane can be reduced. Thus, according to the fourth modification, the occurrence of flooding can be detected efficiently and accurately, and the amount of water generated due to cross leak can be reduced when flooding occurs.

また、フラッディングを生じているセルでは、電圧の挙動が不安定になる傾向にある。そこで、第4変形例では、上述した分圧差の減少後に電圧の安定化が認められたら、セル面内の水が減少してフラッディングが解消されているものと判断し、通常の運転状態に戻すことにする。このようにすることで、フラッディングが解消されているにもかかわらず水生成が抑制されるような事態が生ずるのを、回避することができる。   Further, in a cell in which flooding occurs, the voltage behavior tends to become unstable. Therefore, in the fourth modified example, when the stabilization of the voltage is recognized after the above-described partial pressure difference is decreased, it is determined that the water in the cell surface has decreased and the flooding has been eliminated, and the normal operation state is restored. I will decide. By doing in this way, it can avoid that the situation where water generation is suppressed although flooding is eliminated is generated.

具体的処理としては、例えば、図12のルーチンの実行と独立して、「スタート→フラッディングし易いセルの特定(第1ステップ)→当該セルでフラッディングが生じているか否かの判定(第2ステップ)→フラッディングが生じている場合には分圧差を小さくし、フラッディングが生じていない場合には分圧差変化させず(第3ステップ)→今回のルーチン終了」というルーチンを実行させることができる。   As specific processing, for example, independently of execution of the routine of FIG. 12, “Start → Identify cells that are easily flooded (first step) → Determine whether flooding has occurred in the cells (second step) ) → If the flooding has occurred, the partial pressure difference can be reduced, and if no flooding has occurred, the partial pressure difference is not changed (third step) → the routine is completed.

尚、上述した第4変形例では、上述した第1ステップが、前記第13の発明の「水分多量セル特定手段」に、第2ステップが、前記第13の発明の「セル水分過剰判定手段」に、第3ステップが、前記第13の発明の「水分過剰時水素分圧差調整手段」に、それぞれ相当している。 In the fourth modified example described above, the first step described above is the thirteenth "water multimeric cell identification means" of the present invention, the second step is the "cell overhydration determination means" of the thirteenth aspect of the In addition, the third step corresponds to the “hydration excess hydrogen partial pressure difference adjusting means” according to the thirteenth aspect of the present invention.

また、上述した第1ステップが含む「単位セルの中でクロスリーク量が相対的に多く、かつストイキ比が相対的に小さいセルを特定する」処理が、前記第14の発明の「前記複数の燃料電池のうちクロスリーク量が相対的に多い燃料電池セルを前記水分が相対的に多い燃料電池セルと特定する」処理および前記第15の発明の「前記複数の燃料電池セルのうちストイキ比が相対的に小さい燃料電池セルを前記水分が相対的に多い燃料電池セルと特定する」処理にそれぞれ相当している。 The first step comprises the above-described "Many cross leak amount is relatively in the unit cell, and the stoichiometric ratio to identify the relatively small cells" process, the fourteenth invention of "the plurality of The fuel cell having a relatively large amount of cross leak among the fuel cells is identified as the fuel cell having a relatively high water content, and the “stoichiometric ratio among the plurality of fuel cells” in the fifteenth aspect of the invention. It corresponds to a process of “specifying a relatively small fuel cell as a fuel cell having a relatively high water content”.

なお、第4変形例においては、単位セルの中でクロスリーク量が相対的に多く、かつストイキ比が相対的に小さいセルについて、フラッディングが生じているか否かを判別する手法を用いた。しかしながら、必ずしもクロスリーク量とストイキ比との両方の情報をフラッディングの判定に用いなくともよく、例えば、クロスリーク量が相対的に多いセルのみについてフラッディングの判定を行うことにしても、或いは、ストイキ比が相対的に小さいセルのみについてフラッディングの判定を行うことにしてもよい。   In the fourth modification, a method is used for determining whether flooding has occurred in a unit cell that has a relatively large cross leak amount and a relatively small stoichiometric ratio. However, it is not always necessary to use both information on the cross leak amount and the stoichiometric ratio for the determination of flooding. For example, the determination of flooding may be performed only for a cell having a relatively large cross leak amount, or the stoichiometry may be determined. The determination of flooding may be performed only for cells having a relatively small ratio.

(その他の変形例)
電解質膜を介してクロスリークするガスの量は、膜の構造(分子構造、膜厚など)によって変化する。図13は、電解質膜の膜厚に対する水素の初期透過量の傾向を説明する図である。この図にあるように、膜厚が増加するほど、初期透過量が少なくなる傾向にあることがわかる。そこで、このような傾向を把握しておき、電解質膜の膜厚が大きい場合には水不足が生じ易くなるなどの条件を、水不足判定の条件に加えることができる。また、膜厚が大きいほど差圧をつけた際のクロスリーク量が少なくなることから、このような傾向を、水不足時の水素分圧差(および酸素分圧差)の増加量に反映(例えば、膜厚に応じたパラメータを設定するなど)させることとしてもよい。
(Other variations)
The amount of gas that cross leaks through the electrolyte membrane varies depending on the membrane structure (molecular structure, film thickness, etc.). FIG. 13 is a diagram for explaining the tendency of the initial permeation amount of hydrogen with respect to the thickness of the electrolyte membrane. As shown in this figure, it can be seen that the initial transmission amount tends to decrease as the film thickness increases. Therefore, by grasping such a tendency, it is possible to add a condition such that water shortage is likely to occur when the thickness of the electrolyte membrane is large to the water shortage determination condition. In addition, since the amount of cross leak when a differential pressure is applied decreases as the film thickness increases, this tendency is reflected in the increase amount of the hydrogen partial pressure difference (and oxygen partial pressure difference) at the time of water shortage (for example, the film It is also possible to set a parameter according to the thickness).

また、燃料電池システムが車両に搭載されている場合には、図14に示すように、走行距離が長くなるほどクロスリーク量が増加する傾向がある。これに起因して、水不足の発生のし易さや、差圧を大きくした場合のクロスリーク量の増加具合などが、走行距離に応じて変化すると考えられる。そこで、このような傾向を予め実験などにより把握しておき、走行距離の情報を、水不足の判定や水素分圧差(および酸素分圧差)の増加量に反映(例えば、パラメータを走行距離に応じて変化させる)させることとしてもよい。   Further, when the fuel cell system is mounted on a vehicle, as shown in FIG. 14, the cross leak amount tends to increase as the travel distance becomes longer. Due to this, it is considered that the ease of occurrence of water shortage, the increase in the amount of cross leak when the differential pressure is increased, and the like change according to the travel distance. Therefore, such a tendency is grasped by an experiment or the like in advance, and travel distance information is reflected in the determination of water shortage and the amount of increase in hydrogen partial pressure difference (and oxygen partial pressure difference) (for example, depending on the distance traveled by the parameter) It may be changed).

なお、本実施の形態を、次に述べるような場合に適用することもできる。燃料電池システムが車両等に搭載されている場合に、燃費を上昇させる(走行距離を伸ばす)目的などで、アイドル時にカソードガス或いはアノードガスを供給するポンプ(実施の形態3では、ポンプ224、248)を間欠的に停止しつつ、燃料電池の発電を行うことがある(間欠運転)。このような間欠運転の際には、本実施形態における圧力制御を、間欠運転時の通常の圧力制御に、以下のように組み合わせることができる。   The present embodiment can also be applied to the following cases. When the fuel cell system is mounted on a vehicle or the like, pumps that supply cathode gas or anode gas during idle (for example, pumps 224 and 248 in the third embodiment) for the purpose of increasing fuel efficiency (increasing travel distance) and the like. ) May be intermittently stopped while the fuel cell generates power (intermittent operation). In such intermittent operation, the pressure control in the present embodiment can be combined with normal pressure control during intermittent operation as follows.

図15は、燃料電池の運転状態が通常運転(通常走行)と間欠運転とで切り替わる前後における、燃料電池内の圧力制御の様子を説明するための図である。図15では、間欠運転時に回路を開放状態(OC:Open circuit)とした場合の様子を示している。 図15(a)に示す矢印は、運転状態が通常運転から間欠運転に切り替わる様子を示している。   FIG. 15 is a diagram for explaining the state of pressure control in the fuel cell before and after the operation state of the fuel cell is switched between normal operation (normal traveling) and intermittent operation. FIG. 15 shows a state where the circuit is in an open state (OC: Open circuit) during intermittent operation. The arrow shown to Fig.15 (a) has shown a mode that a driving | running state switches from a normal driving | operation to an intermittent driving | operation.

また、図15(b)は、間欠運転へ切り替わる際に実行される通常の圧力制御の一例を示している。図15(c)は、図15(b)と同様に運転状態が切り替わる場合であって、かつ、燃料電池が水不足と判定された場合において、「クロスリークに伴う水生成を燃料電池への水供給に利用する思想」に基づく圧力制御が実行されている様子を示している。   FIG. 15B shows an example of normal pressure control executed when switching to intermittent operation. FIG. 15 (c) shows a case where the operating state is switched as in FIG. 15 (b) and when it is determined that the fuel cell is short of water. It shows a state where pressure control based on the “ideology used for supply” is being executed.

図15(b)に示す圧力制御方法おいては、通常運転時には、アノード圧力が増加傾向に制御される。そして、間欠運転時には、アノード圧力が所定値に達したらポンプの運転が停止される。このような状態で回路が開放状態とされていれば、発電によるガスの消費はなされない。しかしながら、前述したクロスリークにより水素および酸素の移動が生じ、実際にはアノード圧力が徐々に減少することになる(図15(b)の点線)。   In the pressure control method shown in FIG. 15B, the anode pressure is controlled to increase during normal operation. During intermittent operation, the pump is stopped when the anode pressure reaches a predetermined value. If the circuit is open in such a state, no gas is consumed by power generation. However, the above-described cross leak causes movement of hydrogen and oxygen, and actually the anode pressure gradually decreases (dotted line in FIG. 15B).

そこで、本実施の形態では、図15(c)の圧力制御の際に、間欠運転時のクロスリークに起因して生ずる圧力低下分を考慮して、アノード圧を制御することにする。具体的には、本実施の形態では、通常の間欠運転の際にクロスリークに伴って生ずるアノード圧の減少の傾向を把握しておく。そして、燃料電池内の水不足が生じている場合の間欠運転時には、アノード圧を増加させると共に、クロスリークによる圧力低下分を見込んで、アノード圧の増加分を若干過剰にする。   Therefore, in the present embodiment, the anode pressure is controlled in consideration of the pressure drop caused by the cross leak during the intermittent operation during the pressure control in FIG. Specifically, in the present embodiment, the tendency of a decrease in anode pressure that occurs due to cross leak during normal intermittent operation is grasped. In the intermittent operation when water shortage occurs in the fuel cell, the anode pressure is increased, and the increase in the anode pressure is made slightly excessive in consideration of the pressure drop due to cross leak.

このようにすることで、間欠運転時においても、水不足に対処するためのアノード圧力の増加を適切に行い、クロスリークに伴う水生成を燃料電池への水供給に利用することができる。   By doing in this way, the anode pressure for coping with water shortage can be appropriately increased even during intermittent operation, and water generation accompanying cross leak can be used for water supply to the fuel cell.

なお、実施の形態3も、実施の形態1および2と同様に、実施の形態1および2で述べた種々の変形を加えることができる。具体的には、例えば、実施の形態3に対して、実施の形態1の具体的処理で行ったのと同様に、水素分圧差または酸素分圧差が大きいほど冷却系内の冷却液の流量(循環量)が多くなるようにしてもよい。また、ラジエータを含む冷却系を備える構成とし、水素分圧差または酸素分圧差が大きいほど、冷却系における冷却温度を低くすることにしてもよい。また、酸素分圧差の増加に応じてポンプ226の動作量を増加して、アノードガス循環流路内のガスの循環量を増加することとしてもよい。   Note that the third embodiment can be modified in various manners described in the first and second embodiments, similarly to the first and second embodiments. Specifically, for example, the flow rate of the coolant in the cooling system increases as the hydrogen partial pressure difference or the oxygen partial pressure difference increases as in the case of the specific process of the first embodiment with respect to the third embodiment. (Circulation amount) may be increased. Moreover, it is set as the structure provided with the cooling system containing a radiator, and you may decide to make the cooling temperature in a cooling system low, so that a hydrogen partial pressure difference or an oxygen partial pressure difference is large. Further, the operation amount of the pump 226 may be increased in accordance with the increase in the oxygen partial pressure difference to increase the gas circulation amount in the anode gas circulation passage.

実施の形態4.
実施の形態1では、「クロスリークに伴う水生成を燃料電池への水供給に利用する思想」と、「水不足状態に応じてガス分圧差を調整する思想」とを組み合わせて用いた。また、実施の形態3では、「クロスリークに伴う水生成を燃料電池への水供給に利用する思想」と、「クロスリーク量に基づいて水不足判定を行う思想」と、「ストイキ比に基づいて水不足判定を行う思想」とを、組み合わせて用いた。これらの思想を、更に組み合わせて用いることもできる。
Embodiment 4 FIG.
In the first embodiment, “the idea of using water generation associated with cross leak for water supply to the fuel cell” and “the idea of adjusting the gas partial pressure difference according to the water shortage state” are used in combination. Further, in the third embodiment, based on “the idea of using water generation accompanying cross leak for supplying water to the fuel cell”, “the idea of determining water shortage based on the amount of cross leak”, and “the stoichiometric ratio” The idea of “determination of water shortage” was used in combination. These ideas can also be used in combination.

実施の形態4では、「クロスリークに伴う水生成を燃料電池への水供給に利用する思想」と、「水不足状態に応じてガス分圧差を調整する思想」と、「クロスリーク量に基づいて水不足判定を行う思想」と、「ストイキ比に基づいて水不足判定を行う思想」の4つの思想を組み合わせて用いることとしている。換言すれば、実施の形態4のシステムは、実施の形態1と実施の形態3の思想を組み合わせた形態となっている。   In the fourth embodiment, “the idea of using water generation associated with cross leak for supplying water to the fuel cell”, “the idea of adjusting the gas partial pressure difference according to the water shortage state”, and “the amount of cross leak” The four ideas of “idea for determining water shortage” and “idea for determining water shortage based on stoichiometric ratio” are used in combination. In other words, the system of the fourth embodiment is a combination of the ideas of the first and third embodiments.

図16は、実施の形態4の燃料電池システムが実行するルーチンのフローチャートである。図16のフローチャートは、図2のフローチャートにおいて、ステップS400、S410の処理を加えるとともに、ステップS100をステップS420に置き換えたものである。実施の形態4は、図16のフローチャートを、実施の形態3と同様の構成(即ち、図5〜7に示す構成)で実行することにより実現される。   FIG. 16 is a flowchart of a routine executed by the fuel cell system according to the fourth embodiment. The flowchart of FIG. 16 is obtained by adding steps S400 and S410 to the flowchart of FIG. 2 and replacing step S100 with step S420. The fourth embodiment is realized by executing the flowchart of FIG. 16 with the same configuration as that of the third embodiment (that is, the configuration shown in FIGS. 5 to 7).

図16のルーチンが実行されると、先ず、水不足が発生し易い燃料電池セルの特定ができているか否かが判別される(ステップS400)。ステップS400の処理は、実施の形態3の具体的処理におけるステップS302の処理に相当しており、その処理を同様に実行することで実現できるため、説明は省略する。   When the routine of FIG. 16 is executed, first, it is determined whether or not a fuel cell that is likely to be short of water has been identified (step S400). The process of step S400 corresponds to the process of step S302 in the specific process of the third embodiment, and can be realized by executing the process in the same manner, so the description thereof is omitted.

ステップS400の条件の成立が認められなかった場合には、水不足が生じ易い燃料電池セルの特定が行われる(ステップS410)。ステップS410の処理は、実施の形態3の具体的処理におけるステップS304〜S308の処理に相当しており、それらの処理を同様に実行することで実現されるため、説明は省略する。   If the establishment of the condition of step S400 is not confirmed, the fuel cell that is likely to be short of water is specified (step S410). The process of step S410 corresponds to the process of steps S304 to S308 in the specific process of the third embodiment, and since it is realized by executing these processes in the same manner, the description thereof is omitted.

ステップS400の条件の成立が認められた場合、または、ステップS410の処理の実行後には、燃料電池212で水不足が生じているか否かが判別される(ステップS420)。ステップS420の処理では、実施の形態3で述べたように、燃料電池212が高温運転状態にあるか否か(図12のルーチンのステップS310に相当)、燃料電池212の出力電圧の情報に基づき燃料電池212で水不足が生じていると判断されうるような電圧低下が生じているか否か(ステップS314に相当)、特定されたセルで水不足の発生が認められる電圧低下が生じているか否か(ステップS314に相当)について、それぞれ判別が行われる。これらの条件を全て満たしている場合には燃料電池212内で水不足が生じていると判断される。   If the establishment of the condition of step S400 is confirmed, or after the execution of the process of step S410, it is determined whether or not water shortage has occurred in the fuel cell 212 (step S420). In the process of step S420, as described in the third embodiment, whether or not the fuel cell 212 is in a high temperature operation state (corresponding to step S310 of the routine of FIG. 12), and based on the output voltage information of the fuel cell 212. Whether there is a voltage drop that can be determined that water shortage has occurred in fuel cell 212 (corresponding to step S314), or whether there is a voltage drop in which the occurrence of water shortage is recognized in the specified cell ( A determination is made for each of the steps (corresponding to step S314). If all of these conditions are satisfied, it is determined that water shortage has occurred in the fuel cell 212.

ステップS420の条件の成立が認められた場合には、実施の形態1と同様に、ステップS102以降の処理が実行される。ステップS420の条件の成立が認められない場合には、燃料電池212では水不足が生じていないと判断され、今回のルーチンが終了する。   If the establishment of the condition in step S420 is confirmed, the processing from step S102 onward is executed as in the first embodiment. If the determination in step S420 is not satisfied, it is determined that there is no water shortage in the fuel cell 212, and the current routine is terminated.

以上説明した処理によれば、実施の形態1の利点と実施の形態3の利点とを併せて享受することができる。   According to the process described above, the advantages of the first embodiment and the advantages of the third embodiment can be enjoyed together.

なお、実施の形態4で実行した図16のフローチャートは、図2のフローチャートにおいて、ステップS400、S410の処理を加えるとともに、ステップS100をステップS420に置き換えたものである。これに対し、実施の形態2で実行した図4のフローチャートに対して、ステップS400、S410の処理を加えるとともに、ステップS100をステップS420に置き換えることとしてもよい。この場合には、実施の形態2と実施の形態3とを組み合わせた処理が実行されることになり、実施の形態2の利点と実施の形態3の利点とをあわせて享受することができる。   The flowchart of FIG. 16 executed in the fourth embodiment is obtained by adding steps S400 and S410 to step S420 in the flowchart of FIG. On the other hand, steps S400 and S410 may be added to the flowchart of FIG. 4 executed in the second embodiment, and step S100 may be replaced with step S420. In this case, the process combining the second embodiment and the third embodiment is executed, and the advantages of the second embodiment and the advantages of the third embodiment can be enjoyed together.

なお、実施の形態4も、実施の形態1乃至3と同様に、実施の形態1乃至3で述べた種々の変形を加えることができる。   Note that the fourth embodiment can be modified in various manners described in the first to third embodiments, similarly to the first to third embodiments.

なお、上述したように、クロスリーク量は、電解質膜を挟んだ二つの極におけるガスの分圧差によって生ずる。このため、ガスの分圧差が変化すれば、これに応じてクロスリーク量が変化する。水素分圧差はアノードの圧力(以下、アノード圧とも呼称)の増加に応じて、酸素分圧差はカソードの圧力(以下カソード圧とも呼称)の増加に応じて、それぞれ増大する。しかしながら、この場合において、水素分圧差の増加の際に必ずアノード圧がカソード圧よりも大きくなることが求められたり、逆に、酸素分圧差の増加の際に必ずカソード圧がアノード圧よりも大きくなることが求められるということではない。また、酸素または水素の分圧差を増大する際に、必ずしも差圧を増大させることが要求されるものではない。   As described above, the cross leak amount is caused by the difference in gas partial pressure between the two electrodes sandwiching the electrolyte membrane. For this reason, if the partial pressure difference of the gas changes, the amount of cross leak changes accordingly. The hydrogen partial pressure difference increases as the anode pressure (hereinafter also referred to as anode pressure) increases, and the oxygen partial pressure difference increases as the cathode pressure (hereinafter also referred to as cathode pressure) increases. However, in this case, it is required that the anode pressure is always greater than the cathode pressure when the hydrogen partial pressure difference is increased, or conversely, the cathode pressure is always greater than the anode pressure when the oxygen partial pressure difference is increased. It does not mean that it is required. Further, when increasing the partial pressure difference of oxygen or hydrogen, it is not always required to increase the differential pressure.

例えば、アノード圧がカソード圧よりも大きい状況においてカソード圧を増加して、それらを同圧に近づけた場合には、原理的には、酸素分圧差が増大する効果が得られる。また、これと反対の状況下においてアノード圧を同様に増加することにより、原理的には、水素分圧差が増大する効果が得られる。アノードとカソードの差圧が過大となると、電解質膜への負担が増加し、好ましくない。よって、この点を考慮してそれぞれの極の圧力値を調整し、差圧が過大となるのを避けつつ酸素または水素の分圧差を増大することにより、そのような差圧の過大を避けることもできる。具体的には、例えば、アノードの圧力以下の範囲でカソードの圧力を増加して、酸素分圧差を増大するような圧力制御を行うことができる。   For example, in the situation where the anode pressure is larger than the cathode pressure, when the cathode pressure is increased and brought close to the same pressure, in principle, the effect of increasing the oxygen partial pressure difference can be obtained. Further, by increasing the anode pressure similarly in the opposite situation, the effect of increasing the hydrogen partial pressure difference can be obtained in principle. If the differential pressure between the anode and the cathode is excessive, the burden on the electrolyte membrane increases, which is not preferable. Therefore, in consideration of this point, the pressure value of each electrode is adjusted to avoid such an excessive pressure difference by increasing the partial pressure difference of oxygen or hydrogen while avoiding an excessive differential pressure. You can also. Specifically, for example, pressure control can be performed such that the cathode pressure is increased within a range equal to or lower than the anode pressure to increase the oxygen partial pressure difference.

本発明の実施の形態1の燃料電池システムを説明するための図である。It is a figure for demonstrating the fuel cell system of Embodiment 1 of this invention. 実施の形態1においてECUが実行するルーチンのフローチャートである。3 is a flowchart of a routine that is executed by an ECU in the first embodiment. 実施の形態1の変形例を説明するための図である。FIG. 10 is a diagram for illustrating a modification of the first embodiment. 本発明の実施の形態2においてECUが実行するルーチンのフローチャートである。It is a flowchart of the routine which ECU performs in Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態3の燃料電池システムを説明するための図である。It is a figure for demonstrating the fuel cell system of Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施の形態3の燃料電池システムを説明するための図である。It is a figure for demonstrating the fuel cell system of Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施の形態3の燃料電池システムを説明するための図である。It is a figure for demonstrating the fuel cell system of Embodiment 3 of this invention. 各単位セルのクロスリーク量を算出するための手法を説明する図である。It is a figure explaining the method for calculating the amount of cross leaks of each unit cell. 燃料電池に供給されるカソードガスの流量と、燃料電池の出力との関係を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the relationship between the flow volume of the cathode gas supplied to a fuel cell, and the output of a fuel cell. 各単位セルの平均電圧の変化率とカソードガス流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 change rate of the average voltage of each unit cell, and a cathode gas flow rate. 燃料電池の各単位セル(#1〜#400)において、カソードガス流量(ストイキ比)を算出した結果を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the result of having calculated the cathode gas flow rate (stoichiometric ratio) in each unit cell (# 1- # 400) of a fuel cell. 実施の形態3においてECUが実行するルーチンのフローチャートである。10 is a flowchart of a routine that the ECU executes in the third embodiment. 実施の形態3の変形例を説明するための図である。FIG. 10 is a diagram for explaining a modification of the third embodiment. 実施の形態3の変形例を説明するための図である。FIG. 10 is a diagram for explaining a modification of the third embodiment. 実施の形態3の変形例を説明するための図である。FIG. 10 is a diagram for explaining a modification of the third embodiment. 本発明の実施の形態4においてECUが実行するルーチンのフローチャートである。It is a flowchart of the routine which ECU performs in Embodiment 4 of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

10 燃料電池システム 12 燃料電池
14 アノードガス流路 16 カソードガス流路
18 水素タンク 20 可変調圧弁
21 シャットバルブ 22 圧力センサ
24 ポンプ 26 循環ポンプ
46 アノードオフガス流路 52 排水弁
54 排気弁 58 カソードオフガス流路
60 希釈器 62 エア排圧調整弁
64 圧力センサ 70 冷却系
72 冷却系 74、76、78 管路
80、82 切替弁 84 ラジエータ
210 燃料電池システム 212 燃料電池
212a,122b 燃料電池スタック
214 アノードガス流路 216 カソードガス流路
218 水素タンク 220 レギュレータ
222、264 圧力センサ
224 ポンプ 226,228 分配管
230,232 流路 234,235 分配部
236,238,242,244 マニホールド
246 アノードオフガス流路 246 アノードオフガス流路
248 ポンプ 250 気液分離器
252 排水弁 254 排気弁
256 逆止弁 258 カソードオフガス流路
262 制御弁 264 圧力センサ
266 加湿器 S0 基準ストイキ比
S1,S2,S3 ストイキ比
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fuel cell system 12 Fuel cell 14 Anode gas flow path 16 Cathode gas flow path 18 Hydrogen tank 20 Modulating pressure valve 21 Shut valve 22 Pressure sensor 24 Pump 26 Circulation pump 46 Anode off-gas flow path 52 Drain valve 54 Exhaust valve 58 Cathode off-gas flow Path 60 Diluter 62 Air exhaust pressure regulating valve 64 Pressure sensor 70 Cooling system 72 Cooling system 74, 76, 78 Pipe line 80, 82 Switching valve 84 Radiator 210 Fuel cell system 212 Fuel cells 212a, 122b Fuel cell stack 214 Anode gas flow Channel 216 Cathode gas channel 218 Hydrogen tank 220 Regulator
222, 264 Pressure sensor 224 Pump 226, 228 Distribution pipe 230, 232 Flow path 234, 235 Distributor 236, 238, 242, 244 Manifold 246 Anode off gas flow path 246 Anode off gas flow path 248 Pump 250 Gas-liquid separator 252 Drain valve 254 Exhaust valve 256 Check valve 258 Cathode off-gas flow path 262 Control valve 264 Pressure sensor 266 Humidifier S0 Standard stoichiometric ratio S1, S2, S3

Claims (15)

燃料電池と、
前記燃料電池のアノードとカソードの圧力を調整する圧力調整手段と、
前記燃料電池の内部の水分が不足しているか否かを判定する水不足判定手段と、
前記燃料電池の内部の水分が不足していると判定されたら、該燃料電池のアノードとカソードの水素分圧差を増大する水素分圧差調整手段と、
を有し、
前記水不足判定手段は、前記燃料電池の内部の水分の不足が実質的に該燃料電池のカソード側のみで生じていることを判別するカソード水不足判別手段を含み、
前記水分の不足が実質的に前記燃料電池のカソード側のみで生じていると判別されたら前記燃料電池のアノードとカソードの水素分圧差を増大することを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell;
Pressure adjusting means for adjusting the pressure of the anode and cathode of the fuel cell;
Water shortage determining means for determining whether or not the water inside the fuel cell is short;
A hydrogen partial pressure difference adjusting means for increasing the hydrogen partial pressure difference between the anode and the cathode of the fuel cell when it is determined that the moisture inside the fuel cell is insufficient;
I have a,
The water shortage determining means includes a cathode water shortage determining means for determining that a shortage of water inside the fuel cell is substantially caused only on the cathode side of the fuel cell,
A fuel cell system characterized by increasing a hydrogen partial pressure difference between an anode and a cathode of the fuel cell when it is determined that the water shortage is substantially caused only on the cathode side of the fuel cell.
前記アノードの圧力を増加することで前記水素分圧差を増大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 fuel cell system according to claim 1, characterized in that to increase the hydrogen partial pressure difference by increasing the pressure of the anode. 前記燃料電池に連通する冷却液流路と、
前記燃料電池のアノードとカソードの水素分圧差が大きいほど前記冷却液流路を流れる冷却液の流量を多くする冷却液流量調整手段と、
を有することを特徴とする請求項1または2に記載の燃料電池システム。
A coolant flow path communicating with the fuel cell;
A coolant flow rate adjusting means for increasing the flow rate of the coolant flowing through the coolant flow path as the difference in hydrogen partial pressure between the anode and cathode of the fuel cell increases,
The fuel cell system according to claim 1 or 2, characterized in that it has a.
前記燃料電池に連通する冷却液流路と、
前記冷却液流路を流れる冷却液の温度を調節する手段と、
前記燃料電池のアノードとカソードの水素分圧差が大きいほど前記冷却液の温度を低くする冷却温度調整手段と、
を有することを特徴とする請求項1乃至のいずれか1項記載の燃料電池システム。
A coolant flow path communicating with the fuel cell;
Means for adjusting the temperature of the coolant flowing through the coolant flow path;
Cooling temperature adjusting means for lowering the temperature of the coolant as the difference in hydrogen partial pressure between the anode and cathode of the fuel cell increases,
The fuel cell system of any one of claims 1 to 3, characterized in that it has a.
前記水不足判定手段は、前記燃料電池の内部の水分の不足が実質的に該燃料電池のアノード側のみで生じていることを判別するアノード水不足判別手段を含み、
前記水分の不足が実質的に前記燃料電池のアノード側のみで生じていると判別されたら前記燃料電池のアノードとカソードの酸素分圧差を増大するアノード水不足時酸素分圧差調整手段をさらに有することを特徴とする請求項1乃至のいずれか1項記載の燃料電池システム。
The water shortage determining means includes anode water shortage determining means for determining that a shortage of water inside the fuel cell is substantially caused only on the anode side of the fuel cell,
When it is determined that the water shortage substantially occurs only on the anode side of the fuel cell, the fuel cell further comprises an oxygen partial pressure difference adjusting means for increasing the anode water pressure difference between the anode and the cathode of the fuel cell. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4 , characterized in that:
前記カソードの圧力を増加することで前記酸素分圧差を増大することを特徴とする請求項記載の燃料電池システム。 6. The fuel cell system according to claim 5 , wherein the oxygen partial pressure difference is increased by increasing the pressure of the cathode. 前記燃料電池に連通する冷却液流路と、
前記燃料電池のアノードとカソードの酸素分圧差が大きいほど前記冷却液流路を流れる冷却液の流量を多くする冷却液流量調整手段と、
を有することを特徴とする請求項5または6のいずれか1項記載の燃料電池システム。
A coolant flow path communicating with the fuel cell;
A coolant flow rate adjusting means for increasing the flow rate of the coolant flowing through the coolant flow path as the oxygen partial pressure difference between the anode and the cathode of the fuel cell increases,
The fuel cell system according to claim 5 , wherein the fuel cell system comprises:
前記燃料電池に連通する冷却液流路と、
前記冷却液流路を流れる冷却液の温度を調節する手段と、
前記燃料電池のアノードとカソードの酸素分圧差が大きいほど前記冷却液の温度を低くする冷却温度調整手段と、
を有することを特徴とする請求項5乃至7のいずれか1項記載の燃料電池システム。
A coolant flow path communicating with the fuel cell;
Means for adjusting the temperature of the coolant flowing through the coolant flow path;
A cooling temperature adjusting means for lowering the temperature of the coolant as the oxygen partial pressure difference between the anode and the cathode of the fuel cell increases.
The fuel cell system according to claim 5, comprising:
前記燃料電池のアノードに連通するアノードガス循環流路と、
前記アノードガス循環流路内のガスの循環を促進する循環ポンプと、
前記燃料電池のアノードとカソードの酸素分圧差が大きいほど前記アノードガス循環流路内のガスの循環量を多くするガス循環量調整手段と、
を有することを特徴とする請求項5乃至8のいずれか1項記載の燃料電池システム。
An anode gas circulation passage communicating with the anode of the fuel cell;
A circulation pump for promoting the circulation of gas in the anode gas circulation flow path;
Gas circulation amount adjusting means for increasing the amount of gas circulation in the anode gas circulation passage as the difference in oxygen partial pressure between the anode and cathode of the fuel cell increases,
9. The fuel cell system according to claim 5 , wherein the fuel cell system includes:
前記燃料電池が複数の燃料電池セルからなり、
前記複数の燃料電池セルのうち、内部の水分が相対的に少ない燃料電池セルを特定する水分少量セル特定手段を有し、
前記水不足判定手段は、前記内部の水分が相対的に少ないと特定された燃料電池セルが水分の不足を生じているか否かを判定する特定セル水不足判定手段であり、
前記特定された燃料電池セルの内部の水分が不足していると判定されたら該燃料電池のアノードとカソードの水素分圧差を増大することを特徴とする請求項1乃至いずれか1項記載の燃料電池システム。
The fuel cell comprises a plurality of fuel cells,
Among the plurality of fuel cells, it has a low water content cell specifying means for specifying a fuel cell having relatively low internal moisture,
The water shortage determining means is a specific cell water shortage determining means for determining whether or not the fuel battery cell specified as having relatively low water content in the interior has a shortage of water,
Internal moisture missing judged as Once the fuel cell anode and cathode of claims 1 to 9 any one of claims, characterized in that to increase the hydrogen partial pressure difference of the identified fuel cells Fuel cell system.
前記複数の燃料電池セルの各セルのクロスリーク量を検知する手段を有し、
前記水分少量セル特定手段は、前記複数の燃料電池セルのうちクロスリーク量が相対的に少ない燃料電池セルを前記水分が相対的に少ない燃料電池セルと特定することを特徴とする請求項10記載の燃料電池システム。
Means for detecting a cross leak amount of each of the plurality of fuel cells;
The moisture minor cell specifying means, according to claim 10, wherein said water cross leak amount is relatively small fuel cells of the plurality of fuel cells to identify relatively small fuel cells Fuel cell system.
前記複数の燃料電池セルの各セルのストイキ比を算出する手段を有し、
前記水分少量セル特定手段は、前記複数の燃料電池のうちストイキ比が相対的に大きい燃料電池セルを前記水分が相対的に少ない燃料電池セルと特定することを特徴とする請求項10または11に記載の燃料電池システム。
Means for calculating a stoichiometric ratio of each of the plurality of fuel cells;
The moisture minor cell specifying means to claim 10 or 11, characterized in that said moisture stoichiometric ratio is relatively large fuel cell of the plurality of fuel cells to identify relatively small fuel cells The fuel cell system described.
前記燃料電池が複数の燃料電池セルからなり、
前記複数の燃料電池セルのうち、内部の水分が相対的に多い燃料電池セルを特定する水分多量セル特定手段と、
前記水分が相対的に多いと特定された燃料電池セルで水分が過剰となっているか否かを判定するセル水分過剰判定手段と、
前記特定された燃料電池セルの内部の水分が過剰であると判定されたら、該燃料電池セルのアノードとカソードの水素分圧差を減少させる水分過剰時水素分圧差調整手段と、
を有することを特徴とする請求項1乃至12のいずれか1項記載の燃料電池システム。
The fuel cell comprises a plurality of fuel cells,
Among the plurality of fuel cells, a water-rich cell specifying means for specifying a fuel cell having a relatively large amount of water inside,
Cell moisture excess determination means for determining whether or not the moisture is excessive in the fuel cell identified as having a relatively large amount of moisture,
When it is determined that the moisture inside the specified fuel cell is excessive, the hydrogen partial pressure difference adjusting means for reducing the hydrogen partial pressure difference between the anode and the cathode of the fuel cell,
The fuel cell system of any one of claims 1 to 12, characterized in that it has a.
前記複数の燃料電池セルの各セルのクロスリーク量を検知する手段を有し、
前記水分多量セル特定手段は、前記複数の燃料電池のうちクロスリーク量が相対的に多い燃料電池セルを前記水分が相対的に多い燃料電池セルと特定することを特徴とする請求項13記載の燃料電池システム。
Means for detecting a cross leak amount of each of the plurality of fuel cells;
The moisture multimeric cell specifying means, according to claim 13, wherein the moisture cross leak amount is relatively large fuel cell of the plurality of fuel cells is identified as relatively high fuel cell Fuel cell system.
前記複数の燃料電池セルの各セルのストイキ比を算出する手段を有し、
前記水分多量セル特定手段は、前記複数の燃料電池セルのうちストイキ比が相対的に小さい燃料電池セルを前記水分が相対的に多い燃料電池セルと特定することを特徴とする請求項13または14に記載の燃料電池システム。
Means for calculating a stoichiometric ratio of each of the plurality of fuel cells;
The moisture multimeric cell specifying means, according to claim 13 or 14, wherein the moisture stoichiometric ratio is relatively small fuel cells of the plurality of fuel cells is identified as relatively high fuel cell the fuel cell system according to.
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