JP5217123B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、酸化ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池セルと、燃料電池セルを複数積層した燃料電池セル積層体と、燃料電池セル積層体内に掃気ガスを供給する掃気ガス供給部とを備えた燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel battery cell that generates power by an electrochemical reaction between an oxidizing gas and a fuel gas, a fuel battery cell stack in which a plurality of fuel battery cells are stacked, and a scavenging gas supply that supplies a scavenging gas into the fuel cell stack. The present invention relates to a fuel cell system including a unit.
燃料電池スタックは、例えばアノード側電極、電解質膜およびカソード側電極から成る膜−電極アセンブリ(MEA)とセパレータとを1組の燃料電池セルとして、これを複数組積層した燃料電池セル積層体により構成している。すなわち、各燃料電池セルは、高分子イオン交換膜から成る電解質膜の一方の面にアノード側電極を、他方の面にカソード側電極を、それぞれ配置して、さらに両側にセパレータを設けることにより構成している。そして、このような燃料電池セルを複数組積層した燃料電池セル積層体とし、さらに集電板、絶縁板およびエンドプレートで狭持することにより、高電圧を発生する燃料電池スタックを構成する。 The fuel cell stack is composed of a fuel cell stack obtained by laminating a plurality of sets of fuel cell units, for example, a membrane-electrode assembly (MEA) composed of an anode side electrode, an electrolyte membrane and a cathode side electrode and a separator. doing. That is, each fuel cell is configured by arranging an anode side electrode on one side of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane, a cathode side electrode on the other side, and further providing separators on both sides. doing. A fuel cell stack in which a plurality of sets of such fuel cells are stacked is sandwiched between current collector plates, insulating plates, and end plates to constitute a fuel cell stack that generates a high voltage.
このような燃料電池では、アノード側電極に燃料ガス、例えば水素を含むガスを供給すると共に、カソード側電極に、酸化ガス、例えば空気を供給する。これにより、燃料ガスおよび酸化ガスが電池反応に供されて、起電力を発生し、カソード側電極では、水が生成される。 In such a fuel cell, a fuel gas, for example, a gas containing hydrogen is supplied to the anode side electrode, and an oxidizing gas, for example, air is supplied to the cathode side electrode. As a result, the fuel gas and the oxidizing gas are supplied to the cell reaction to generate an electromotive force, and water is generated at the cathode side electrode.
従来から、特許文献1、特許文献2に記載されているように、燃料電池においては、カソード側電極に水が存在するため、燃料電池を氷点下で始動しようとした場合に、燃料電池内の水分が凍結しやすく、燃料電池内で電気化学反応が行われにくいといった問題があることが知られている。すなわち、燃料電池内に残留する水分が凍結してしまうと、燃料電池セル内で酸化ガス不足や水素不足が生じ、燃料電池が発電不能となり能力を発揮できない。また、水分の凍結により流路の一部で体積膨張が生じて、水分の存在箇所を破壊し、耐久性を著しく悪化させる可能性もある。 Conventionally, as described in Patent Document 1 and Patent Document 2, in the fuel cell, since water exists in the cathode side electrode, when the fuel cell is to be started below freezing point, However, it is known that there is a problem that the electrochemical reaction is difficult to occur in the fuel cell. That is, if the water remaining in the fuel cell freezes, there will be a shortage of oxidizing gas or hydrogen in the fuel cell, and the fuel cell will not be able to generate power and will not be able to exhibit its capabilities. Moreover, volume expansion may occur in a part of the flow path due to freezing of water, destroying the location where water is present, and may significantly deteriorate durability.
これに対して、特許文献1、特許文献2に記載された燃料電池システムの場合、燃料電池の内部のカソード側電極側の酸化ガス流路中の水分を掃気する掃気ガス供給手段を設けている。また、燃料電池の発電停止時において、燃料電池内の残留水分が過剰である場合に、ガス流路内の残留水分を、加湿されていない空気により外部に排出するようにしている。 On the other hand, in the case of the fuel cell systems described in Patent Literature 1 and Patent Literature 2, scavenging gas supply means for scavenging moisture in the oxidizing gas flow channel on the cathode side electrode side inside the fuel cell is provided. . Further, when the fuel cell power generation is stopped, if the residual moisture in the fuel cell is excessive, the residual moisture in the gas flow path is discharged to the outside by unhumidified air.
また、特許文献1、特許文献2に記載された燃料電池システムの場合には、燃料電池内部の残留水量を推定するために、燃料電池に供給する酸化ガスの、燃料電池の入口側の圧力を検出する入口圧力センサと、出口側の圧力を検出する出口圧力センサとを備えている。そして、入口圧力センサにより検出された入口圧力値PA、および出口圧力センサにより検出された出口圧力値PBの間の入口出口圧力差Pdif(=PA−PB)が所定の圧力差Pdif’以下(Pdif≦Pdif’)になっているか否かの判定を行っている。すなわち、燃料電池セルを構成する酸化ガス流路内の残留水が多い場合に入口出口圧力差Pdifは大きな値となり、残留水が少なくなるに従って入口出口圧力差Pdifは小さな値になる。そして、入口出口圧力差Pdifが所定の圧力差Pdif’を超える場合に、酸化ガス流路内の残留水が過剰であると推定し、乾燥空気による掃気処理(パージ)を行う。これに対して、入口出口圧力差Pdifが所定の圧力差Pdif’以下である場合には、酸化ガス流路内に水が残留していないと推定し、掃気処理をしない。 Further, in the case of the fuel cell systems described in Patent Document 1 and Patent Document 2, in order to estimate the residual water amount inside the fuel cell, the pressure of the oxidizing gas supplied to the fuel cell on the inlet side of the fuel cell is set. An inlet pressure sensor for detecting and an outlet pressure sensor for detecting the pressure on the outlet side are provided. Then, the inlet pressure value detected by the inlet pressure sensor P A, and the pressure difference the inlet outlet pressure difference Pdif (= P A -P B) is given between the outlet pressure value P B detected by the outlet pressure sensor Pdif It is determined whether or not “Pdif ≦ Pdif”. That is, the inlet / outlet pressure difference Pdif becomes a large value when the residual water in the oxidizing gas flow path constituting the fuel cell is large, and the inlet / outlet pressure difference Pdif becomes a small value as the residual water decreases. When the inlet / outlet pressure difference Pdif exceeds a predetermined pressure difference Pdif ′, it is estimated that the residual water in the oxidizing gas flow path is excessive, and a scavenging process (purging) with dry air is performed. On the other hand, when the inlet / outlet pressure difference Pdif is equal to or smaller than the predetermined pressure difference Pdif ′, it is estimated that water does not remain in the oxidizing gas flow path, and the scavenging process is not performed.
上記のような特許文献1、特許文献2に記載された燃料電池システムの場合、酸化ガスの入口圧力値PAと出口圧力値PBとの間の入口出口圧力差Pdifを求めることにより、酸化ガス流路内の残留水が過剰か否かを推定している。このような燃料電池システムの場合、残留水量を精度よく推定できれば、燃料電池の内部を掃気する時間を最適化できる可能性はある。ただし、このような燃料電池システムで、残留水量の推定の精度を高くすることは難しい。すなわち、ガスが流れるガス経路中には水蒸気が含まれる場合があるため、酸化ガスの入口圧力値PAと出口圧力値PBとには、燃料電池の入口側と出口側とのそれぞれのガス経路中での水蒸気量が大きく関係してしまう。このため、入口出口圧力差Pdifも、燃料電池の入口側のガス中と、出口側のガス中とでそれぞれどれだけの量、水蒸気が存在しているかで大きく変化する。さらに、入口出口圧力差Pdifは、燃料電池の温度によっても変化する。したがって、入口出口圧力差Pdifを測定することでは、燃料電池内の残留水の量を精度よく推定すること、言い換えれば、残留水量の推定誤差を十分に小さくすることは難しい。残留水量の推定誤差を十分に小さくできない場合、燃料電池の内部を掃気する時間を最適化することが難しくなるだけでなく、氷点下において燃料電池を良好に再起動させることも難しくなる。 In the case of the fuel cell system described in Patent Literature 1 and Patent Literature 2 as described above, the oxidation pressure is obtained by obtaining the inlet / outlet pressure difference Pdif between the inlet pressure value P A and the outlet pressure value P B of the oxidizing gas. It is estimated whether or not the residual water in the gas flow path is excessive. In the case of such a fuel cell system, if the amount of residual water can be accurately estimated, there is a possibility that the time for scavenging the inside of the fuel cell can be optimized. However, with such a fuel cell system, it is difficult to increase the accuracy of estimation of the residual water amount. That is, since the gas path through which the gas flows may contain water vapor, the oxidation gas inlet pressure value P A and the outlet pressure value P B include the gas at the inlet side and the outlet side of the fuel cell, respectively. The amount of water vapor in the path is greatly related. Therefore, the inlet / outlet pressure difference Pdif also varies greatly depending on how much water vapor is present in the gas on the inlet side of the fuel cell and in the gas on the outlet side. Further, the inlet / outlet pressure difference Pdif also changes depending on the temperature of the fuel cell. Therefore, by measuring the inlet / outlet pressure difference Pdif, it is difficult to accurately estimate the amount of residual water in the fuel cell, in other words, to sufficiently reduce the estimation error of the residual water amount. If the estimation error of the residual water amount cannot be made sufficiently small, it becomes difficult not only to optimize the time for scavenging the inside of the fuel cell, but also to restart the fuel cell well below freezing point.
一方、本発明者は、燃料電池内部の残留水量が少なくなるにしたがって、燃料電池セルを複数積層した燃料電池セル積層体の、発電しない状態(いわゆる開回路状態)での電圧がある時点まで上昇する関係があると知見した。また、このことから、燃料電池内部の残留水量が少なくなると、ある時点まで、複数の燃料電池セルの間の電圧差である燃料電池セル間電圧差が上昇する関係があることも本発明者が知見した。したがって、本発明者は、燃料電池セル積層体の電圧または燃料電池セル間電圧差を測定することにより、燃料電池内部の残留水量を精度よく推定できると考えるに至った。 On the other hand, the present inventor, as the amount of residual water inside the fuel cell decreases, the fuel cell stack in which a plurality of fuel cells are stacked rises to a point in time when there is a voltage in a state where no power generation is performed (so-called open circuit state). I found that there is a relationship. In addition, from this, when the residual water amount inside the fuel cell decreases, the present inventors also have a relationship that the voltage difference between the fuel cells, which is the voltage difference between the plurality of fuel cells, increases until a certain point in time. I found out. Therefore, the present inventor has come to consider that the residual water amount inside the fuel cell can be accurately estimated by measuring the voltage of the fuel cell stack or the voltage difference between the fuel cells.
本発明は、ガス経路の互いに離れた部分の間での圧力差を利用することなく燃料電池内における残留水量が目標残留水量に達したことを推定して、燃料電池の内部を掃気する時間を最適化でき、しかも氷点下でも燃料電池を良好に再起動させ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 estimates that the amount of residual water in the fuel cell has reached the target residual water amount without using the pressure difference between the portions of the gas path that are separated from each other, and sets the time for scavenging the inside of the fuel cell. It is an object of the present invention to provide a fuel cell system that can be optimized and that can successfully restart the fuel cell even under freezing.
本発明に係る燃料電池システムは、酸化ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池セルと、燃料電池セルを複数積層した燃料電池セル積層体と、複数の燃料電池セルの電圧値を測定する電圧測定手段と、燃料電池セル積層体内に掃気ガスを供給する掃気ガス供給部と、制御部と、を備え、制御部は、掃気ガス供給部を作動させ燃料電池セル積層体内に掃気ガスを供給させた後、電圧測定手段により測定した複数の燃料電池セルの2個の燃料電池セルの電圧値の間の差である燃料電池セル間電圧差が所定値以上であることを条件に、掃気ガス供給部の作動を停止させる掃気ガス供給制御手段を有することを特徴とする燃料電池システムである。 A fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell that generates power by an electrochemical reaction between an oxidizing gas and a fuel gas, a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells are stacked, and a voltage value of the plurality of fuel cells. A voltage measuring means for measuring, a scavenging gas supply unit for supplying a scavenging gas into the fuel cell stack, and a control unit; the control unit operates the scavenging gas supply unit to scavenge the gas into the fuel cell stack; After the fuel cell voltage difference between the two fuel cells of the plurality of fuel cells measured by the voltage measuring means is greater than or equal to a predetermined value, A fuel cell system comprising scavenging gas supply control means for stopping the operation of the scavenging gas supply unit.
本発明に係る燃料電池システムの場合、掃気ガス供給部により燃料電池内に掃気ガスを供給させた後、燃料電池セル間電圧差が所定値以上となることを条件として掃気ガス供給部の作動を停止させるので、ガス経路の互いに離れた部分の間での圧力差を利用することなく燃料電池内における残留水量が目標残留水量に達したことを推定できる。このため、燃料電池の内部を掃気する時間を最適化でき、しかも氷点下でも燃料電池を良好に再起動させることができる。すなわち、本発明によれば、上記のように燃料電池内部の残留水量が少なくなると、燃料電池セル間電圧差がある時点まで上昇するという関係を利用して燃料電池内の残留水量が目標残留水量に達したことを推定できる。 If the fuel cell system according to the present invention, after supplying a scavenging gas to the fuel cell by the scavenging gas supply unit, fuel cell voltage difference of the scavenging gas supply unit on condition that a predetermined value or more operating Therefore, it can be estimated that the residual water amount in the fuel cell has reached the target residual water amount without using the pressure difference between the portions of the gas path that are separated from each other. For this reason, the time for scavenging the inside of the fuel cell can be optimized, and the fuel cell can be restarted satisfactorily even under freezing. That is, according to the present invention, the residual water volume of the fuel cell as described above is decreased, the residual water volume target residual in the fuel cell by utilizing the relationship that rises to the point where there is a voltage difference between the fuel cell It can be estimated that the amount of water has been reached.
一方、燃料電池の電解質膜の膜抵抗値を測定することにより残留水量を推定することも従来から考えられているが、この場合には、抵抗測定のために燃料が消費される。これに対して、電圧測定には燃料の消費が少ない。このため、本発明によれば、燃料消費を少なくできる。また、燃料消費が許容できる場合には、本発明において、膜抵抗値の抵抗測定手段を付加することにより、残留水量の推定の精度をより向上させることもできる。 On the other hand, it has been conventionally considered to estimate the residual water amount by measuring the membrane resistance value of the electrolyte membrane of the fuel cell, but in this case, fuel is consumed for resistance measurement. In contrast, the voltage measurement consumes less fuel. For this reason, according to the present invention, fuel consumption can be reduced. In addition, when fuel consumption is acceptable, the accuracy of estimation of the residual water amount can be further improved by adding a resistance measuring means for the membrane resistance value in the present invention.
なお、特許文献3には、燃料電池スタックの燃料ガス排出側に水素循環流路を設けて、燃料電池スタックで消費されなかった水素を燃料ガス供給経路に戻すようにした燃料電池システムが記載されている。また、運転時に燃料電池スタック内に不純物の濃度が高くなったり、水が詰まった場合に燃料電池セルの電圧が低下することから、燃料電池セル電圧を監視して、燃料電池セル電圧が所定値以上低下した場合に燃料ガス排出側に設けたパージ弁を開放して水素および不純物を外部に排出するようにしている。このような特許文献3に記載された燃料電池システムは、本発明の場合と異なり、燃料電池セル間電圧差が所定値以上となることを条件として掃気ガス供給部の作動を停止させることは考慮されていない。また、特許文献3に記載された燃料電池システムは、本発明の場合と異なり、燃料電池の内部を掃気する時間を最適化することも考慮されていない。 Patent Document 3 describes a fuel cell system in which a hydrogen circulation channel is provided on the fuel gas discharge side of the fuel cell stack so that hydrogen not consumed in the fuel cell stack is returned to the fuel gas supply path. ing. In addition, when the concentration of impurities in the fuel cell stack increases during operation or when water is clogged, the voltage of the fuel cell drops, so the fuel cell voltage is monitored and the fuel cell voltage is set to a predetermined value. When the pressure is lowered, the purge valve provided on the fuel gas discharge side is opened to discharge hydrogen and impurities to the outside. Such a fuel cell system described in Patent Document 3, unlike the present invention, that the voltage difference between the fuel battery cells to stop the operation of the scavenging gas supply unit on condition that a predetermined value or more Not considered. Further, unlike the case of the present invention, the fuel cell system described in Patent Document 3 does not consider optimizing the time for scavenging the inside of the fuel cell.
また、特許文献4には、燃料電池スタックの燃料ガス供給側に加湿器と加湿器を迂回するバイパス経路を設けて、加湿器バイパス弁により燃料ガスが加湿器とバイパス経路とのいずれを通過するかを選択するようにした燃料電池システムが記載されている。また、燃料電池の停止シーケンスを開始した場合に、燃料ガスを、バイパス経路を通過させたドライ水素として、燃料電池スタックに供給し、燃料電池の発電電圧の測定値が規定値以下となったことを条件にドライ水素の供給を停止している。このような特許文献4に記載された発明は、ドライ水素の供給を停止する条件を、本発明の場合と異なり、電圧の測定値が規定値以下となることとしているため、供給停止の制御の条件が全く異なる。このような特許文献4に記載された燃料電池システムの場合、後で詳しく説明するように燃料電池スタック内の水量が減少しすぎて電極および電解質膜が過度に乾燥する可能性がある。 In Patent Document 4, a bypass path that bypasses the humidifier and the humidifier is provided on the fuel gas supply side of the fuel cell stack, and the fuel gas passes through either the humidifier or the bypass path by the humidifier bypass valve. There is described a fuel cell system adapted to select one of these. In addition, when the fuel cell stop sequence was started, the fuel gas was supplied to the fuel cell stack as dry hydrogen that passed through the bypass path, and the measured value of the power generation voltage of the fuel cell was below the specified value. The supply of dry hydrogen is stopped on the condition. In the invention described in Patent Document 4, the condition for stopping the supply of dry hydrogen is different from the case of the present invention in that the measured voltage value is not more than a specified value. The conditions are completely different. In the case of such a fuel cell system described in Patent Document 4, there is a possibility that the amount of water in the fuel cell stack is excessively reduced and the electrode and the electrolyte membrane are excessively dried, as will be described in detail later.
[参考例]
以下において、図面を用いて本発明に係る実施の形態と参考例とにつき詳細に説明する。図1から図4は、参考例を示している。図1は、参考例の略構成図である。
[ Reference example ]
Hereinafter, embodiments and reference examples according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. 1 to 4 show a reference example . FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a reference example .
燃料電池システム10は、燃料電池スタック12を有する。この燃料電池スタック12は、複数の燃料電池セルを積層した燃料電池セル積層体とすると共に、燃料電池セル積層体の積層方向両端部に、集電板と、エンドプレートとを設けている。そして、燃料電池セル積層体と集電板とエンドプレートとをタイロッド、ナット等で締め付けている。なお、集電板とエンドプレートとの間に絶縁板を設けることもできる。
The
各燃料電池セルの詳細図は省略するが、例えば、電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とにより狭持して成る膜−アセンブリと、その両側のセパレータとを備えたものとする。また、アノード側電極には燃料ガスである水素ガスを供給可能とし、カソード側電極には酸化ガスである空気を供給可能としている。そして、アノード側電極で触媒反応により発生した水素イオンを、電解質膜を介してカソード側電極まで移動させ、カソード側電極で酸素と電池化学反応を起こさせることにより、水を生成する。アノード側電極からカソード側電極へ外部回路を通じて電子を移動させることにより起電力を発生する。 Although a detailed view of each fuel cell is omitted, it is assumed that, for example, a membrane assembly in which an electrolyte membrane is sandwiched between an anode side electrode and a cathode side electrode and separators on both sides thereof are provided. Further, hydrogen gas that is a fuel gas can be supplied to the anode side electrode, and air that is an oxidizing gas can be supplied to the cathode side electrode. Then, hydrogen ions generated by the catalytic reaction at the anode side electrode are moved to the cathode side electrode through the electrolyte membrane, and water is generated by causing a cell chemical reaction with oxygen at the cathode side electrode. An electromotive force is generated by moving electrons from the anode side electrode to the cathode side electrode through an external circuit.
また、燃料電池スタック12の内部で、セパレータの近くには、冷媒流路を設けている。この冷媒流路に冷媒である冷却水を流すことにより、燃料電池スタック12の発電に伴う発熱により温度が上昇しても、その温度が過度に上昇しないようにしている。
In addition, a refrigerant flow path is provided in the
また、酸化ガスである空気は、掃気ガス供給部でもあるエアコンプレッサ14により加圧され、加湿器16で加湿された後、燃料電池スタック12のカソード側電極側の酸化ガス流路に供給される。また、空気を加湿器16を通過させてから燃料電池スタック12に供給する本経路18とは別に、この本経路18と並行にバイパス経路20を設けている。このバイパス経路20を通過する空気は、加湿器16を通過せずに、燃料電池スタック12に供給される。バイパス経路20の途中には加湿器バイパス弁21を設けている。
The air that is the oxidizing gas is pressurized by the
なお、加湿器バイパス弁と共に、図1に破線22a、22bで示す位置に弁を設け、加湿器バイパス弁21と弁22a(または22b)との開度を制御することもできる。また、加湿器バイパス弁を設けずに、図1に点イまたは点ロで示す位置に三方弁を設け、この三方弁により互いに通じさせる流路を選択するようにすることもできる。
Along with the humidifier bypass valve, a valve may be provided at a position indicated by
燃料電池スタック12に供給され、各燃料電池セルで電池化学反応に供された後の空気は、燃料電池スタック12から排出され、加湿器16を通過した後、圧力制御弁23を介して大気に放出される。圧力制御弁23は、燃料電池スタック12に送られる空気の供給圧力が、燃料電池スタック12の運転状態に応じた適切な圧力値になるように制御される。
The air after being supplied to the
加湿器16は、燃料電池スタック12から排出された後の空気から得た水分を、燃料電池スタック12に供給される前の空気に与えて、加湿する役目を果たす。例えば、加湿器16は、多数の中空糸膜の内側と外側とに水分含有量の異なるガスが供給された場合に、水分含有量の多いガス中の水分が中空糸膜を通過するようにして、水分含有量の少ないガスに水分を与える。
The
また、燃料ガスである水素ガスは、燃料ガス供給装置である高圧水素タンク等の図示しない水素ガス供給装置から圧力制御弁である燃料制御弁24を介して燃料電池スタック12に供給される。燃料電池スタック12のアノード側電極側の燃料ガス流路に供給され、電池化学反応に供された後の水素ガスは、燃料電池スタック12から排出された後、気液分離機26で水分を除去されてから、循環路28を通り、水素ガス供給装置から供給された水素ガスと合流して、再び燃料電池スタック12に供給される。燃料電池スタック12に供給される水素ガスは、循環路28中に設けられた水素ポンプ30により昇圧される。
Further, hydrogen gas that is fuel gas is supplied to the
また、燃料電池スタック12を冷却するための冷媒である冷却水は、冷却水経路32を流れる。冷却水経路32は、燃料電池スタック12の冷却水入口34と冷却水出口36とに接続されている。この冷却水経路32は、冷却水出口36と分岐部38とを結ぶ冷却水送り出し経路40と、この分岐部38から分岐した本経路42およびバイパス経路44とを備える。また、本経路42とバイパス経路44との合流部に三方弁46を設け、三方弁46と冷却水ポンプ48とを中間経路50により結んでいる。さらに、冷却水ポンプ48と、燃料電池スタック12の冷却水入口34とを、冷却水送り込み経路52により通じさせている。冷却水ポンプ48は、吐出流量を変化させることができる。
In addition, cooling water that is a refrigerant for cooling the
冷却水は、冷却水ポンプ48により昇圧され燃料電池スタック12に供給された後で、燃料電池スタック12の内部冷却水流路54を流れることにより、燃料電池スタック12が発電運転により温度上昇している場合に燃料電池スタック12を冷却する。燃料電池スタック12を通過した冷却水は本経路42の途中に設けられたラジエータ56に送られて、温度上昇時には放熱される。ラジエータ56通過後の冷却水は三方弁46を通過後、再び冷却水ポンプ48に送られる。一方、バイパス経路44を流れる冷却水は、ラジエータ56を通過せずに三方弁46に送られる。
The cooling water is boosted by the cooling
また、冷却水ポンプ48から送り出された冷却水の一部はイオン交換樹脂58を通過後、本経路42とバイパス経路44との分岐部38に送られる。イオン交換樹脂58を通過後の冷却水は、金属イオン等のイオンが取り除かれる。
Further, a part of the cooling water sent out from the cooling
一方、燃料電池スタック12に電圧モニタ60を接続して、燃料電池セル積層体の電圧を測定している。電圧の測定値を表す信号である電圧信号は制御部(ECU)62に入力される。制御部62は、燃料電池スタック12の内部の残留水量を推定する残留水量推定手段と、エアコンプレッサ14の回転数および回転時間である作動状態を制御するエアコンプレッサ制御手段、すなわち掃気エア供給制御手段とを有する。また、制御部62には、燃料電池システムのイグニッションスイッチとして機能する図示しない起動スイッチが接続されており、起動スイッチからON状態に対応する発電開始信号を受け取ることを条件に、発電開始処理がされ、OFF状態に対応する発電停止信号を受け取ることを条件に、発電停止処理がされる。
On the other hand, a
また、制御部62は、起動スイッチからの信号、電圧モニタ60からの電圧信号、冷却水入口付近または冷却水出口付近に設けた温度センサ(図示せず)からの検出信号等の、入力信号を与えられることに対応して、エアコンプレッサ14の作動状態、加湿器バイパス弁21、圧力制御弁23、燃料制御弁24、三方弁46等の制御を行う。
The
制御部62は、上記のように、燃料電池スタック12の内部の残留水量推定手段を有するが、これは、電圧モニタ60により測定した燃料電池スタック12の燃料電池セル積層体の電圧値から、燃料電池スタック12の内部の残留水量を推定するものである。これについて図2を用いて説明する。図2は、燃料電池の燃料供給停止後に、エアコンプレッサ14により燃料電池スタック12に掃気ガスとして空気を供給した場合における、燃料電池スタック12(図1)内の残留水量と燃料電池セル積層体の電圧との関係の、本発明者が知見した1例を示している。
As described above, the
図2は、横軸により時間を表しており、縦軸により残留水量と燃料電池セル積層体の電圧とを表している。また、曲線aが残留水量と時間との関係を、曲線bが電圧と時間との関係を表している。なお、燃料電池スタック12への空気の供給流量は一定としている。図2から分かるように、燃料電池スタック12に空気の供給を行うにしたがって、残留水量(曲線a)は徐々に減少するのに対して、電圧(曲線b)は、時間の経過にしたがって徐々に上昇した後、ある時点を境に発電効率の低下により徐々に減少する。
In FIG. 2, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents the residual water amount and the voltage of the fuel cell stack. Curve a represents the relationship between the amount of residual water and time, and curve b represents the relationship between voltage and time. The supply flow rate of air to the
本参考例はこのような知見に基づいて発明したもので、残留水量が低下するのにしたがって電圧が上昇する場合の関係を利用している。すなわち、図2に矢印イで示す範囲の関係を利用している。これに対して、上記の特許文献4に記載された燃料電池システムの場合は、燃料電池スタック内の残留水量が低下するのにしたがって燃料電池の電圧が低下する、図2に矢印ロで示す範囲の関係を利用したもので、本発明とは基本となる着眼点が大きく異なる。また、特許文献4に記載された燃料電池システムの場合、残留水量が図2の矢印ロで示す範囲で、規定値以下となった場合にドライ水素の燃料電池スタックへの供給を停止している。このような特許文献4に記載された燃料電池システムの場合、残留水量が減少しすぎてしまう可能性がある。 This reference example was invented based on such knowledge, and utilizes the relationship in the case where the voltage increases as the residual water amount decreases. That is, the relationship of the range shown by the arrow a in FIG. 2 is used. On the other hand, in the case of the fuel cell system described in the above-mentioned Patent Document 4, the voltage of the fuel cell decreases as the residual water amount in the fuel cell stack decreases. The basic focus is greatly different from the present invention. Further, in the case of the fuel cell system described in Patent Document 4, the supply of dry hydrogen to the fuel cell stack is stopped when the amount of residual water falls below the specified value within the range indicated by the arrow b in FIG. . In the case of such a fuel cell system described in Patent Document 4, there is a possibility that the amount of residual water is excessively reduced.
本参考例は、従来着眼されていなかった残留水量が減少するのにしたがって燃料電池の電圧が上昇するとの関係を利用して、制御部62の残留水量推定手段が、燃料電池セル積層体の測定電圧から燃料電池スタック12内の残留水量を推定する。そして、制御部62のエアコンプレッサ制御手段は、測定電圧が目標となる残留水量に対応する目標電圧以上となるまでエアコンプレッサ14により燃料電池スタック12に空気を供給する。また、エアコンプレッサ制御手段は、測定電圧が目標電圧以上となった場合に、エアコンプレッサ14の作動を停止させる。
This reference example uses the relationship that the voltage of the fuel cell increases as the residual water amount that has not been focused on conventionally decreases, so that the residual water amount estimation means of the
次に、図3に示すフローチャートと、図4に示すタイムチャートとを用いて、燃料電池の発電運転停止後の残留水の掃気方法を説明する。なお、図4では、横軸で時間を表しており、(A)で燃料電池スタック12内部の残留水量を、(B)で燃料電池スタック12の発電量を、(C)で燃料電池セル積層体の電圧を表している。まず、ステップS1(図3)で、起動スイッチが停止される(OFFになる)と、制御部62が燃料供給停止の指令を表す信号を受けて、発電停止処理が実行される。この場合、ステップS2において、水素ガス供給装置からの水素ガスの供給を制御する燃料制御弁24が閉じられ、水素ガスの新たな供給が停止され、発電が停止される(図4のt0)。
Next, a method for scavenging residual water after stopping the power generation operation of the fuel cell will be described using the flowchart shown in FIG. 3 and the time chart shown in FIG. In FIG. 4, the horizontal axis represents time, (A) shows the amount of residual water in the
次に、ステップS3(図3)で、制御部62が、冷却水ポンプ48による冷却水の吐出流量が一定の所定流量Qcwになり、エアコンプレッサ14による燃料電池スタック12内への空気の供給流量が一定の所定流量Qcaになるように、冷却水ポンプ48とエアコンプレッサ14とを制御する。そして、燃料電池スタック12内の酸化ガス流路中に空気を供給して、掃気、すなわちパージする。この場合、エアコンプレッサ14から送り出された空気は、加湿器16を設けていないバイパス経路20を通過させても、本経路18を通過させてもよい。好ましくは、空気はバイパス経路20を通過させる。なお、この場合の冷却水の吐出流量および空気の供給流量は、それぞれ一定の所定値になるように限定するものではなく、変化させることもできる。
Next, in step S3 (FIG. 3), the
また、冷却水の冷却水経路32に設ける三方弁46は、冷却水がバイパス経路44を通過するように弁の位置を制御する。この理由は、必要以上に燃料電池スタック12を冷却することを防止して、燃料電池スタック12の温度をある程度高く保つためである。燃料電池スタック12が過度に冷却されてしまうと、燃料電池スタック12内からの水分の持ち去りの時間が長くなり、掃気時間が過度に長くなってしまう可能性がある。冷却水をバイパス経路44に通過させることにより、このような不都合をなくせる。
The three-
次に、ステップS4で、燃料電池スタック12中における残留水量が目標残留水量であるか否かの判定処理を行う。この判定処理は、燃料電池システム10の発電運転停止時に残留水を少なくする、またはほぼなくして、再起動時における起動性を良好に確保するために行う。すなわち、氷点下の環境でも、迅速な始動を行わせやすくできる。そして、残留水量が目標残留推量に達した場合には、冷却水の供給および酸化ガス流路への空気の供給を停止し、掃気、すなわちパージを停止する。
Next, in step S4, it is determined whether or not the residual water amount in the
すなわち、上記の図2を用いて説明したように、燃料電池スタック12内の残留水量と燃料電池セル積層体の電圧との間に相関関係がある、すなわち、残留水量が少なくなるにしたがって電圧が上昇することが分かっているので、電圧を測定することにより残留水量が目標残留水量になるように制御できる。より具体的には、上記のステップS4で、図4(A)(C)に示すように、目標残留水量に対応する目標電圧値Vtを予め求めておき、エアコンプレッサ制御手段が、測定される電圧値Vが目標電圧値Vt以上に達したか否かを判定する。エアコンプレッサ制御手段は、電圧値Vが目標電圧値Vt以上に達していなければ、目標残留水量に達していない、すなわち残留水が多いと判定して、空気の供給をし続ける。これに対して、エアコンプレッサ制御手段が、電圧値Vが目標電圧値Vt以上に達したならば、目標残留水量に達したと推定して、ステップS5で、冷却水ポンプ48およびエアコンプレッサ14の作動を停止させる(図4のt1)。
That is, as described with reference to FIG. 2 above, there is a correlation between the residual water amount in the
このように本参考例によれば、発電運転停止後に、燃料電池スタック12内の残留水量が目標残留水量に達したことを推定できる。特に、本参考例の場合、エアコンプレッサ14により燃料電池スタック12内に空気を供給させた後、燃料電池セル積層体の電圧の測定値が所定値Vt以上となることを条件としてエアコンプレッサ14の作動を停止させるので、ガス経路の互いに離れた部分の間での圧力差を利用することなく燃料電池スタック12内における残留水量が目標残留水量に達したことを推定できる。このため、燃料電池スタック12の内部を掃気する時間を最適化でき、しかも氷点下でも燃料電池を良好に再起動させることができる。
Thus, according to the present reference example , it can be estimated that the remaining water amount in the
また、本参考例の場合には、抵抗計測機器等の抵抗計測手段が不要となり、単純な構成で低コストのシステム構成とすることができる。また、燃料制御弁24(図1)を閉じた後、掃気時に抵抗測定が不要となることから、燃料不足が生じることを有効に防止できる。特に、従来から知られている燃料電池システムにおいては、抵抗計測等により燃料を消費すると、燃料電池スタックの燃料ガス出口付近で燃料不足を生じやすいが、抵抗計測を行わない本参考例の場合にはこのような不都合をなくせる。さらに、水素ポンプ30(図1)等の補機が燃料不足の状態で無理に駆動する等により損傷、劣化を招くような問題の発生を有効に防止できる。また、燃料不足による電解質膜の劣化を有効に防止できる。また、掃気時に燃料を消費しない、または消費するとしてもその消費量を十分に少なくできるため、燃料供給停止指令後の水素供給経路の水素圧力を所定の圧力に保ちやすくできる。 In the case of this reference example , resistance measuring means such as a resistance measuring device is not required, and a low-cost system configuration can be achieved with a simple configuration. In addition, after the fuel control valve 24 (FIG. 1) is closed, resistance measurement is not required during scavenging, so that fuel shortage can be effectively prevented. In particular, in the conventional fuel cell system, if fuel is consumed by resistance measurement or the like, fuel shortage tends to occur near the fuel gas outlet of the fuel cell stack, but in the case of this reference example where resistance measurement is not performed. Eliminates such inconvenience. Furthermore, it is possible to effectively prevent the occurrence of problems that may cause damage or deterioration by forcibly driving an auxiliary machine such as the hydrogen pump 30 (FIG. 1) in a fuel-deficient state. In addition, it is possible to effectively prevent deterioration of the electrolyte membrane due to fuel shortage. Further, even if the fuel is not consumed or consumed when scavenging, the consumption amount can be sufficiently reduced, so that the hydrogen pressure in the hydrogen supply path after the fuel supply stop command can be easily maintained at a predetermined pressure.
なお、燃料電池スタック12内の残留水量と燃料電池セル積層体の電圧との関係が図5に示すようになることが分かっているので、目標となる残留水量に幅を持たせて目標残留水量範囲とし、燃料電池セル積層体の目標電圧値をこの目標残留水量範囲に対応する目標電圧範囲とし、制御部62により、燃料電池セル積層体の測定電圧が目標電圧範囲内にある場合にエアコンプレッサ14の作動を停止させることもできる。
In addition, since it is known that the relationship between the residual water amount in the
[発明の実施の形態]
次に、図6から図7は、本発明の実施の形態を示している。本実施の形態の燃料電池システム10の場合には、上記の図1から図4に示した参考例において、燃料電池スタック12の燃料電池セル積層体の電圧を測定しないで、その代わりに、燃料電池スタック12を構成するすべての燃料電池セルの電圧を測定する複数の電圧モニタを備えている。そして、制御部62が、複数の燃料電池セルの2個の燃料電池セルの電圧値の間の差である、燃料電池セル間電圧差を求め、求めた燃料電池セル間電圧差により燃料電池スタック12内の残留水量を推定し、目標となる残留水量となるようにエアコンプレッサ14の作動を制御している。
[Embodiment of the Invention ]
Next, FIGS. 6 to 7 show an embodiment of the present invention . In the case of the
すなわち、本実施の形態においては、上記の参考例の場合と異なり、制御部62のエアコンプレッサ制御手段が、測定した2個の燃料電池セルの電圧値の間の差である燃料電池セル間電圧差が所定値以上であることを条件に、エアコンプレッサ14の作動を停止させる。このような本実施の形態は、燃料電池スタック12内の残留水量が低下するのにしたがって燃料電池セル間電圧差が上昇する関係があるとの本発明者の知見に基づいて発明したものである。この場合の残留水量と燃料電池セル間電圧差との関係は、上記の図2に示した残留水量(曲線a)と燃料電池セル積層体の電圧(曲線b)との矢印イの範囲での関係で、図2の縦軸を倍率を変えて燃料電池セル間電圧差とし、図2の曲線bを燃料電池セル間電圧差を表す曲線としたものと同様になる。
That is, in the present embodiment, unlike the above-described reference example , the air compressor control means of the
残留水量と燃料電池セル間電圧差との関係がこのような関係になるのは、次の理由による。すなわち、上記の参考例で説明したように、燃料電池スタック12の残留水量が少なくなるほど燃料電池セル積層体の電圧が高くなることから、残留水量が少なくなるほど、1個の燃料電池セルの電圧が高くなる関係があることが導き出される。また、1個の燃料電池セルの電圧が高いことは、2個の燃料電池セルの間で不可避に生じる電圧差である電圧ばらつきの値が大きくなることにつながる。このような理由により、2個の燃料電池セル間の電圧差が大きくなるにしたがって、残留水量が減少する関係があると考えられる。
The relationship between the residual water amount and the voltage difference between the fuel cells is such a reason as follows. That is, as described in the above reference example , the voltage of the fuel cell stack increases as the residual water amount in the
本実施の形態は、上記の図1に示した燃料電池システム10において、燃料電池セル積層体の電圧を測定する電圧モニタ60を省略する代わりに、すべての燃料電池セルの電圧値を測定する複数の電圧モニタを設けている。そして、制御部62が、複数の燃料電池セルの2個の燃料電池セルの測定電圧の間の燃料電池セル間電圧差を求めている。例えば、複数の燃料電池セルの電圧値のうち、最小電圧値と最大電圧値とを選択し、最小電圧値と最大電圧値との間の差を燃料電池セル間電圧差として求める。その他の燃料電池システム10の構成は、上記の図1に示した構成と同様であるため、本実施の形態の説明ではこの図1の符号を用いて説明する。
In the present embodiment, in the
制御部62は、燃料電池スタック12の内部の残留水量推定手段およびエアコンプレッサ14の回転数および回転時間である作動状態を制御するエアコンプレッサ制御手段を有する。このうちの残留水量推定手段は、2個の燃料電池セルの測定電圧の間の燃料電池セル間電圧差から、燃料電池スタック12の内部の残留水量を推定するものである。
The
そして、燃料電池の発電運転停止後の燃料電池スタック12内の残留水の掃気を行う場合に、図6に示すステップS4で、燃料電池スタック12中における残留水量が目標残留水量であるか否かの判定処理を行う。特に、本実施の形態の場合、燃料電池スタック12内の残留水量と燃料電池セル間電圧差との間に相関関係がある、すなわち、残留水量が少なくなるにしたがって燃料電池セル間電圧差が上昇することが分かっているので、図7(A)(C)に示すように、目標残留水量に対応する目標燃料電池セル間電圧差difVtを求めておき、エアコンプレッサ制御手段が測定された燃料電池セル間電圧差difVが目標燃料電池セル間電圧差difVt以上に達したか否かを判定する。エアコンプレッサ制御手段は、燃料電池セル間電圧差difVが目標燃料電池セル間電圧差difVt以上に達していなければ、目標残留水量に達していない、すなわち残留水が多いと判定して、空気の供給をし続ける。これに対して、エアコンプレッサ制御手段が、燃料電池セル間電圧差difVが目標燃料電池セル間電圧差difVt以上に達したならば、目標残留水量に達したと推定して、ステップS5で、冷却水ポンプ48およびエアコンプレッサ14の作動を停止させる。
Then, when scavenging the residual water in the
本実施の形態の場合、エアコンプレッサ14により燃料電池スタック12内に空気を供給させた後、求めた燃料電池セル間電圧差が所定値difVt以上となることを条件としてエアコンプレッサ14の作動を停止させるので、ガス経路の互いに離れた部分の間での圧力差を利用することなく燃料電池スタック12内における残留水量が目標残留水量に達したことを推定できる。このため、燃料電池スタック12の内部を掃気する時間を最適化でき、しかも氷点下でも燃料電池を良好に再起動させることができる。また、1個の燃料電池セルの電圧が過度に上昇すると燃料電池セルの劣化が促進される可能性があるが、本実施の形態の場合、2個の燃料電池セルの間の燃料電池セル間電圧差を小さくできるため、各燃料電池セルの電圧を小さくしやすくでき、燃料電池セルの劣化を抑えやすくできる。
その他の構成および燃料電池システム10の発電運転停止後の残留水の掃気方法は、上記の参考例の場合と同様であるため、重複する説明は省略する。
In the case of this embodiment, after air is supplied into the
Since the remaining structure and the scavenging method of the remaining water after stopping the power generation operation of the
なお、本実施の形態においては、燃料電池スタック12を構成するすべての燃料電池セルの電圧を測定しているが、複数の燃料電池セルで電圧を測定できれば電圧を測定する燃料電池セルの数を限定するものではない。ただし、電圧を測定する燃料電池セルの数を多くするほど残留推量の推定精度を向上できるのは勿論である。例えば、電圧を測定する燃料電池セルは、燃料電池スタック12の1個置きの燃料電池セルとしてもよい。
In the present embodiment, the voltage of all the fuel cells constituting the
また、燃料電池スタック12内の残留水量と燃料電池セル間電圧差との関係は、上記の図5に示した残留水量と燃料電池セル積層体の電圧との関係で、図5の縦軸を倍率を変えて燃料電池セル間電圧差としたものと同様になることが分かっている。このため、目標となる残留水量に幅を持たせて目標残留水量範囲とし、燃料電池セル間電圧差の目標電圧差をこの目標残留水量範囲に対応する目標電圧範囲とし、制御部62(図1参照)により、測定電圧に基づく燃料電池セル間電圧差が目標電圧差範囲内にある場合にエアコンプレッサ14(図1参照)の作動を停止させることもできる。
Further, the relationship between the residual water amount in the
なお、本発明に関する参考例として、上記の図1から図4に示した参考例において、制御部62のエアコンプレッサ制御手段により、燃料電池スタック12の燃料電池セル積層体の測定電圧の時間変化率が、目標となる所定値以下となるまでエアコンプレッサ14により燃料電池スタック12に空気を供給させ、測定電圧の時間変化率が目標所定値以下となった場合に、エアコンプレッサ14の作動を停止させることもできる。
As a reference example of the present invention, in the reference example shown in FIGS. 1 to 4 above, the air compressor control unit of the
すなわち、上記の図2に示したように、燃料電池スタック12に空気の供給を行うにしたがって、燃料電池スタック12内の残留水量(曲線a)は徐々に減少するが、電圧(曲線b)は、時間の経過にしたがって領域イで徐々に上昇した後、ある時点を堺に領域ロで徐々に減少する。したがって、残留水量がある程度まで減少した、図2の領域イと領域ロとの境界付近で、曲線bの電圧の時間変化率が正の値で減少し、0を経て、負の値となることが分かる。本参考例は、このような関係を利用したもので、電圧の時間変化率から残留水量を推定し、燃料電池スタック12の内部を掃気する時間を最適化する。すなわち、本参考例の場合には、制御部62の残留水量推定手段により、燃料電池の燃料供給停止後において、電圧の時間変化率が所定値以下(例えば0以下)の場合に、燃料電池スタック12内の残留水量が目標残留水量に達したと推定して、制御部62のエアコンプレッサ制御手段によりエアコンプレッサ14の作動を停止させる。
That is, as shown in FIG. 2 above, as air is supplied to the
このような本参考例によれば、発電運転停止後に、燃料電池スタック12内の残留水量が目標残留水量に達したことを推定できる。特に、本参考例の場合、エアコンプレッサ14により燃料電池スタック12内に空気を供給させた後、燃料電池セル積層体の電圧の測定値の時間変化率が所定値以下となることを条件としてエアコンプレッサ14の作動を停止させるので、ガス経路の互いに離れた部分の間での圧力差を利用することなく燃料電池スタック12内における残留水量が目標残留水量に達したことを推定できる。その他の構成および作用については、上記の図1から図4に示した参考例の場合と同様であるので、重複する説明ならびに図示を省略する。
According to this reference example, it can be estimated that the residual water amount in the
また、図示は省略するが、上記の実施の形態及び参考例は、次のような構成と組み合わせることもできる。
(1) 燃料電池セルの電解質膜の膜抵抗値を測定する膜抵抗測定手段を設け、制御部62(図1参照)が、燃料電池セル積層体の電圧または燃料電池セル間電圧差が所定値以上となり、かつ、燃料電池セルの電解質膜の膜抵抗値が所定値以上となることを条件に、エアコンプレッサ14(図1参照)の作動を停止させ、燃料電池スタック12(図1参照)への空気の供給を停止させる。この構成により、燃料電池スタック12内の残留水量の推定精度を向上させることができる。すなわち、膜抵抗値が大きくなるほど残留水量が少なくなり、膜抵抗値が小さくなるほど残留水量が多くなる関係があることが分かっているので、燃料電池セル積層体の電圧または燃料電池セル間電圧差と残留水量との相関関係に、膜抵抗値と残留水量との相関関係を合わせて、残留水量の推定精度をより向上させることができる。ただし、この場合には、上記の各実施の形態の場合と異なり、膜抵抗を測定する分、燃料が消費される。
(2) 燃料電池の劣化等により燃料電池セル積層体の電圧値または燃料電池セル間電圧差と残留水量との相関関係が変わる可能性があるため、例えば、制御部62(図1参照)が、燃料電池の起動時、運転時等において、燃料電池の負荷(車両駆動用モータ)64(図1参照)や燃料電池セル積層体の電圧、温度、湿度等の環境が一定の条件で、燃料電池セル積層体の電圧とインピーダンスとの相関をとり、予め求めておいた電圧とインピーダンスとの相関関係を表す曲線を補正することもできる。そして、制御部62の残留水量推定手段により、発電停止後に測定された燃料電池セル積層体の電圧から、電圧に対応するインピーダンス、および、インピーダンスと相関がある残留水量を推定することもできる。そして、制御部62のエアコンプレッサ制御手段により、目標残留水量に対応する目標電圧以上に達した時点でエアコンプレッサ14(図1参照)の作動を停止させ、燃料電池スタック12への空気の供給を停止させる。この構成により、電圧と残留水量との相関関係の精度をより向上させ、残留水量の推定精度をより向上させることもできる。上記の一定の条件とは、例えば発電停止と同じ条件または発電停止の条件と相関がとれる条件とし、例えば運転時のアクセルオフ時で発電しない条件、またはアイドル運転時等とする。
Moreover, although illustration is abbreviate | omitted, said embodiment and reference example can also be combined with the following structures.
(1) Membrane resistance measuring means for measuring the membrane resistance value of the electrolyte membrane of the fuel battery cell is provided, and the control unit 62 (see FIG. 1) determines that the voltage of the fuel cell stack or the voltage difference between the fuel battery cells is a predetermined value. On the condition that the membrane resistance value of the electrolyte membrane of the fuel cell becomes equal to or greater than a predetermined value, the operation of the air compressor 14 (see FIG. 1) is stopped, and the fuel cell stack 12 (see FIG. 1) is reached. Stop the air supply. With this configuration, the estimation accuracy of the residual water amount in the
(2) Since the correlation between the voltage value of the fuel cell stack or the voltage difference between fuel cells and the amount of residual water may change due to deterioration of the fuel cell or the like, for example, the control unit 62 (see FIG. 1) The fuel cell load (vehicle drive motor) 64 (see FIG. 1) and the fuel cell stack, such as voltage, temperature, and humidity, are constant when the fuel cell is started and operated. It is also possible to correct the curve representing the correlation between the voltage and the impedance obtained in advance by correlating the voltage and the impedance of the battery cell stack. And the residual water amount estimation means of the
また、本発明に関連する発明として、燃料電池セル積層体の電圧または燃料電池セル間電圧差と残留水量との関係が上記の図2または図2から推測できる関係にあることから、燃料電池の発電開始前に、燃料電池セル積層体の電圧または燃料電池セル間電圧差を測定することにより燃料電池の発電前の状態を判定することもできる。燃料電池の状態を発電前に判定できることにより、例えば、燃料電池スタック12(図1参照)内の残留水量が多い場合には、発電開始後に空気を多めに供給するように制御部62(図1参照)によりエアコンプレッサ14(図1参照)の作動を制御したり、氷点下時には発電できない旨を運転者に警告音、警告表示点灯等により知らせることもできる。 Further, as an invention related to the present invention, since the relationship between the voltage of the fuel cell stack or the voltage difference between the fuel cells and the residual water amount can be inferred from the above FIG. 2 or FIG. Prior to the start of power generation, the state of the fuel cell before power generation can be determined by measuring the voltage of the fuel cell stack or the voltage difference between fuel cells. Since the state of the fuel cell can be determined before power generation, for example, when the amount of residual water in the fuel cell stack 12 (see FIG. 1) is large, the control unit 62 (FIG. 1) is configured to supply more air after power generation is started. The control of the operation of the air compressor 14 (see FIG. 1) can be controlled by the reference), or the driver can be informed that the power cannot be generated when the temperature is below freezing by warning sound, warning display lighting, or the like.
なお、本発明は、燃料電池スタックの構造を限定するものではなく、従来から知られている構造等、いろいろな構造を採用できる。 The present invention does not limit the structure of the fuel cell stack, and various structures such as a conventionally known structure can be adopted.
10 燃料電池システム、12 燃料電池スタック、14 エアコンプレッサ、16 加湿器、18 本経路、20 バイパス経路、21 加湿器バイパス弁、22a、22b 弁、23 圧力制御弁、24 燃料制御弁、26 気液分離機、28 循環路、30 水素ポンプ、32 冷却水経路、34 冷却水入口、36 冷却水出口、38 分岐部、40 冷却水送り出し経路、42 本経路、44 バイパス経路、46 三方弁、48 冷却水ポンプ、50 中間経路、52 冷却水送り込み経路、54 内部冷却水流路、56 ラジエータ、58 イオン交換樹脂、60 電圧モニタ、62 制御部、64 負荷。
DESCRIPTION OF
Claims (2)
燃料電池セルを複数積層した燃料電池セル積層体と、
複数の燃料電池セルの電圧値を測定する電圧測定手段と、
燃料電池セル積層体内に掃気ガスを供給する掃気ガス供給部と、
制御部と、を備え、
前記制御部は、掃気ガス供給部を作動させ燃料電池セル積層体内に掃気ガスを供給させた後、電圧測定手段により測定した複数の燃料電池セルの2個の燃料電池セルの電圧値の間の差である燃料電池セル間電圧差が所定値以上であることを条件に、掃気ガス供給部の作動を停止させる掃気ガス供給制御手段を有することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between an oxidizing gas and a fuel gas;
A fuel cell stack in which a plurality of fuel cells are stacked;
Voltage measuring means for measuring voltage values of a plurality of fuel cells;
A scavenging gas supply unit for supplying a scavenging gas into the fuel cell stack;
A control unit,
The control unit operates the scavenging gas supply unit to supply the scavenging gas into the fuel cell stack, and then between the voltage values of two fuel cells of the plurality of fuel cells measured by the voltage measuring unit. A fuel cell system comprising scavenging gas supply control means for stopping the operation of the scavenging gas supply unit on condition that the voltage difference between fuel cells, which is the difference, is a predetermined value or more.
電圧測定手段は、燃料電池セル積層体のすべての燃料電池セルの電圧値を測定し、The voltage measuring means measures the voltage value of all the fuel cells of the fuel cell stack,
制御部は、測定電圧値から最小電圧値と最大電圧値とを選択し、最小電圧値と最大電圧値との差を燃料電池セル間電圧差として求めることを特徴とする燃料電池システム。The control unit selects a minimum voltage value and a maximum voltage value from the measured voltage value, and obtains a difference between the minimum voltage value and the maximum voltage value as a voltage difference between fuel cells.
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