JP6784246B2 - Fuel cell system - Google Patents

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Description

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

複数の単セルが積層された燃料電池スタックが知られている。このような燃料電池スタックには冷却水流路が形成されており、冷却水流路内に気泡が存在していると、燃料電池スタックへの冷却効率が低下する。ここで、気泡周辺の単セルは、気泡の存在により十分に冷却されずに温度が上昇して、出力電圧が低下する場合がある。このような気泡周辺の単セルの出力電圧の低下に基づいて、燃料電池スタックの冷却水流路内での気泡の有無を判定することが考えられる。 A fuel cell stack in which a plurality of single cells are stacked is known. A cooling water flow path is formed in such a fuel cell stack, and if bubbles are present in the cooling water flow path, the cooling efficiency to the fuel cell stack is lowered. Here, the single cell around the bubble may not be sufficiently cooled due to the presence of the bubble, the temperature may rise, and the output voltage may drop. It is conceivable to determine the presence or absence of bubbles in the cooling water flow path of the fuel cell stack based on such a decrease in the output voltage of the single cell around the bubbles.

気泡の存在により出力電圧が低下するセルは常に同一ではなないため、全ての単セル毎に電圧センサを設けて、単セル毎の出力電圧を検出することが考えられる。しかしながらこの場合、単セルと同数の電圧センサが必要となり、構成が複雑化する。特許文献１には、複数の単セルのうち積層方向の端部に配置された単セルを電圧センサによって検出し、積層方向の中央部近傍に配置された残りの複数の単セルの全体の出力電圧を単一の電圧センサにより検出することが記載されている。これにより、電圧センサの数を削減でき構成を簡易化できるが、気泡が積層方向の中央部近傍にある単セル周辺に存在している場合には、中央部近傍の複数の単セルの全体の出力電圧は大きく低下せずに、気泡の有無の判定精度が低下する可能性がある。 Since the cells whose output voltage drops due to the presence of bubbles are not always the same, it is conceivable to provide a voltage sensor for each single cell to detect the output voltage for each single cell. However, in this case, the same number of voltage sensors as a single cell is required, which complicates the configuration. In Patent Document 1, among a plurality of single cells, a single cell arranged at an end portion in the stacking direction is detected by a voltage sensor, and the entire output of the remaining plurality of single cells arranged near the central portion in the stacking direction is output. It is described that the voltage is detected by a single voltage sensor. As a result, the number of voltage sensors can be reduced and the configuration can be simplified. However, if air bubbles are present around a single cell near the central portion in the stacking direction, the entire number of single cells near the central portion may be used. The output voltage does not drop significantly, and the accuracy of determining the presence or absence of bubbles may decrease.

特開２００５−２８５６９２号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2005-285692

ところで燃料電池スタックは、単セルの積層方向が略鉛直方向に沿った姿勢で配置される場合がある。このような姿勢で配置された場合においても、燃料電池スタックの冷却水流路内での気泡の有無を簡易な構成で精度よく判定できることが望まれる。 By the way, in the fuel cell stack, the stacking direction of the single cells may be arranged in a substantially vertical direction. Even when the fuel cell stack is arranged in such a posture, it is desired that the presence or absence of air bubbles in the cooling water flow path of the fuel cell stack can be accurately determined with a simple configuration.

本発明は、複数の単セルの積層方向が略鉛直方向に沿うような姿勢で配置された燃料電池スタックの冷却水流路内での気泡の有無を簡易な構成で精度よく判定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 provides a fuel cell system capable of accurately determining the presence or absence of air bubbles in the cooling water flow path of a fuel cell stack arranged so that the stacking direction of a plurality of single cells is substantially along the vertical direction with a simple configuration. The purpose is to provide.

上記目的は、複数の単セルが積層された方向が略鉛直方向に沿った姿勢で配置された燃料電池スタックと、少なくとも一部が複数の前記単セルを貫通するように前記燃料電池スタックに形成された冷却水流路と、複数の前記単セルのうち最も鉛直上方側に配置された第１セルから複数の前記単セルの総数の１０分の１枚目までの間の何れかにある第２セルの出力電圧、温度、及びインピーダンスの何れかを検出する第１検出部と、前記複数の単セルの前記第２セル以外の部位で出力電圧、温度、及びインピーダンスの何れかを検出する第２検出部と、前記第２検出部の検出結果に基づいて代表出力電圧、代表温度、及び代表インピーダンスの何れかを取得する取得部と、前記燃料電池スタックの冷却水流路内での気泡の有無を判定する判定部と、を備え、前記判定部は、検出された前記第２セルの出力電圧と前記代表出力電圧との差分が第１閾値よりも大きい、検出された前記第２セルの温度と前記代表温度との差分が第２閾値よりも大きい、検出された前記第２セルのインピーダンスと前記代表インピーダンスとの差分が第３閾値よりも大きい、の何れかを充足する場合に前記冷却水流路内に気泡が有ると判定する、燃料電池システムによって達成できる。 The above purpose is to form a fuel cell stack in which a plurality of single cells are stacked so as to be arranged in a substantially vertical direction, and the fuel cell stack so that at least a part thereof penetrates the plurality of single cells. The cooling water flow path and the second cell located between the first cell arranged vertically above the single cell and the first tenth of the total number of the single cells. A first detection unit that detects any of the output voltage, temperature, and impedance of the cell, and a second detection unit that detects any of the output voltage, temperature, and impedance at a portion of the plurality of single cells other than the second cell. The detection unit, the acquisition unit that acquires any of the representative output voltage, the representative temperature, and the representative impedance based on the detection result of the second detection unit, and the presence / absence of air bubbles in the cooling water flow path of the fuel cell stack. A determination unit for determining is provided, and the determination unit includes a detected temperature of the second cell in which the difference between the detected output voltage of the second cell and the representative output voltage is larger than the first threshold value. The cooling water flow path is satisfied when either the difference from the representative temperature is larger than the second threshold value or the detected difference between the impedance of the second cell and the representative impedance is larger than the third threshold value. This can be achieved by a fuel cell system that determines that there are air bubbles inside.

本発明によれば、複数の単セルの積層方向が略鉛直方向に沿うような姿勢で配置された燃料電池スタックの冷却水流路内での気泡の有無を簡易な構成で精度よく判定できる燃料電池システムを提供できる。 According to the present invention, a fuel cell capable of accurately determining the presence or absence of air bubbles in the cooling water flow path of a fuel cell stack arranged so that the stacking direction of a plurality of single cells is substantially along the vertical direction with a simple configuration. Can provide a system.

図１Ａは、燃料電池システムの概略図であり、図１Ｂは、燃料電池スタックの冷却水流路内に気泡が存在している場合での各単セルの出力電圧を示したグラフである。FIG. 1A is a schematic view of the fuel cell system, and FIG. 1B is a graph showing the output voltage of each single cell in the case where bubbles are present in the cooling water flow path of the fuel cell stack. 図２Ａ及び図２Ｂは、燃料電池スタックの冷却水流路内に気泡が存在している場合での各単セルの温度及びインピーダンスをそれぞれ示したグラフである。2A and 2B are graphs showing the temperature and impedance of each single cell when bubbles are present in the cooling water flow path of the fuel cell stack.

図１Ａは、燃料電池システム（以下、システムと称する）１の概略図である。システム１は、たとえば、車両に搭載される。システム１は、燃料電池スタック（以下、スタックと称する）１０、冷却系２０、電圧センサＶ１及びＶ２、制御装置５０等を備える。制御装置５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えたコンピュータであり、後述する各機器と電気的に接続され、システム１全体を制御する。尚、システム１は、スタック１０にアノードガスである水素ガスを供給する不図示の水素ガス供給系、スタック１０にカソードガスである酸素を含む空気を供給する不図示の空気供給系、及びスタック１０の発電電力を制御する不図示の電力制御系を含む。 FIG. 1A is a schematic view of a fuel cell system (hereinafter referred to as a system) 1. The system 1 is mounted on a vehicle, for example. The system 1 includes a fuel cell stack (hereinafter referred to as a stack) 10, a cooling system 20, voltage sensors V1 and V2, a control device 50, and the like. The control device 50 is a computer provided with a CPU, ROM, RAM, etc., and is electrically connected to each device described later to control the entire system 1. The system 1 includes a hydrogen gas supply system (not shown) that supplies hydrogen gas as an anode gas to the stack 10, an air supply system (not shown) that supplies air containing oxygen as a cathode gas to the stack 10, and a stack 10. Includes a power control system (not shown) that controls the generated power of.

スタック１０では、複数の単セル１０−１、１０−２…１０−ｎが積層されており、これらの単セルの積層された方向が略鉛直方向に沿う姿勢で配置されている。これらの単セルはｎ枚積層されている。単セル１０−１は、これら複数の単セルのうち最も鉛直上方側に位置している。単セル１０―ｎは、これら複数の単セルのうち最も鉛直下方側に位置している。各単セルは、膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）、ＭＥＧＡを支持する絶縁部材、及びＭＥＧＡと絶縁部材を挟持する一対のセパレータを有している。ＭＥＧＡは、電解質膜と、電解質膜の両面にそれぞれ形成された触媒層と、触媒層にそれぞれ接合された一対のガス拡散層とを有している。尚、図示はしていないが、これらの複数の単セルを挟持するように、一対の集電板、一対の絶縁板、及び一対のエンドプレートが配置されている。また、スタック１０には冷却水流路が形成されている。 In the stack 10, a plurality of single cells 10-1, 10-2 ... 10-n are laminated, and the stacked directions of these single cells are arranged in a posture along a substantially vertical direction. These single cells are laminated with n sheets. The single cell 10-1 is located on the vertically upper side of the plurality of single cells. The single cell 10-n is located on the most vertically lower side of the plurality of single cells. Each single cell has a membrane electrode gas diffusion layer junction (MEGA), an insulating member that supports MEGA, and a pair of separators that sandwich the MEGA and the insulating member. MEGA has an electrolyte membrane, a catalyst layer formed on both sides of the electrolyte membrane, and a pair of gas diffusion layers bonded to the catalyst layer, respectively. Although not shown, a pair of current collector plates, a pair of insulating plates, and a pair of end plates are arranged so as to sandwich these a plurality of single cells. Further, a cooling water flow path is formed in the stack 10.

冷却系２０は、冷却水を所定の経路を経て循環させることにより、スタック１０を冷却するものである。冷却水は循環ポンプ２２により循環経路２１を流通し、ラジエータ２４で熱交換されて冷却されて、スタック１０に供給される。循環ポンプ２２は、制御装置５０に電気的に接続されて制御されている。 The cooling system 20 cools the stack 10 by circulating cooling water through a predetermined path. The cooling water flows through the circulation path 21 by the circulation pump 22, is heat exchanged by the radiator 24, is cooled, and is supplied to the stack 10. The circulation pump 22 is electrically connected to and controlled by the control device 50.

スタック１０の内部には、冷却水供給マニホールド１２及び冷却水排出マニホールド１４（以下、共にマニホールドと称する）が形成されており、マニホールド１２及び１４は共に、複数の単セルを貫通して形成されている。マニホールド１２及び１４は循環経路２１に連通している。冷却水は、循環経路２１からマニホールド１２に供給され、マニホールド１２から隣接する単セルのセパレータの間を通過してマニホールド１４へと流れる。これにより複数の単セルは冷却される。マニホールド１２及び１４は、単セル１０―ｎ側に配置されている集電板、絶縁板、及びエンドプレートを貫通して形成されている。尚、本明細書では、マニホールド１２及び１４と隣接する単セル間に形成された流路とを全て含めて、スタック１０の冷却水流路と称する。 A cooling water supply manifold 12 and a cooling water discharge manifold 14 (hereinafter both referred to as manifolds) are formed inside the stack 10, and both the manifolds 12 and 14 are formed so as to penetrate a plurality of single cells. There is. The manifolds 12 and 14 communicate with the circulation path 21. The cooling water is supplied from the circulation path 21 to the manifold 12, passes between the separators of the adjacent single cells from the manifold 12, and flows to the manifold 14. As a result, the plurality of single cells are cooled. The manifolds 12 and 14 are formed so as to penetrate the current collector plate, the insulating plate, and the end plate arranged on the single cell 10-n side. In this specification, the cooling water flow path of the stack 10 includes all the flow paths formed between the manifolds 12 and 14 and the adjacent single cells.

電圧センサＶ１及びＶ２は、制御装置５０に電気的に接続されており、それぞれ異なる単セルの出力電圧を検出する。具体的には、電圧センサＶ１は単セル１０−４の出力電圧を検出し、電圧センサＶ２は、積層方向で中央に配置された単セルである単セル１０−（ｎ／２）の電圧を検出する。制御装置５０は、電圧センサＶ１及びＶ２により検出された出力電圧に基づいて、スタック１０の冷却水流路内での気泡の有無について判定する気泡判定制御を実行する。気泡判定制御は、制御装置５０のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等により機能的に実現される取得部及び判定部により実行される。 The voltage sensors V1 and V2 are electrically connected to the control device 50 and detect different single cell output voltages. Specifically, the voltage sensor V1 detects the output voltage of the single cell 10-4, and the voltage sensor V2 detects the voltage of the single cell 10- (n / 2) which is a single cell arranged in the center in the stacking direction. To detect. The control device 50 executes bubble determination control for determining the presence or absence of bubbles in the cooling water flow path of the stack 10 based on the output voltages detected by the voltage sensors V1 and V2. The bubble determination control is executed by the acquisition unit and the determination unit functionally realized by the CPU, ROM, RAM, etc. of the control device 50.

次に、スタック１０の冷却水流路内に気泡が存在している場合での各単セルの出力電圧の特性について説明する。図１Ｂは、スタック１０の冷却水流路内に気泡が存在している場合での各単セルの出力電圧を示したグラフである。図１Ｂにおいて、縦軸は出力電圧を示し、横軸は各単セルを示しており、横軸の左側から右側にかけて鉛直上方側から順に単セルを示している。従って、横軸の最も左側の単セルが、最も鉛直上方側に位置する単セル１０−１である。また、図１Ｂには、単セルの総数がｎである場合に、鉛直上方側からの単セルの枚数がｎ／１０枚目に相当する単セル１０−（ｎ／１０）の位置を示している。図１Ｂは、単セル１０―４の出力電圧が最も低い場合を示している。 Next, the characteristics of the output voltage of each single cell when air bubbles are present in the cooling water flow path of the stack 10 will be described. FIG. 1B is a graph showing the output voltage of each single cell when air bubbles are present in the cooling water flow path of the stack 10. In FIG. 1B, the vertical axis represents the output voltage, the horizontal axis represents each single cell, and the single cells are shown in order from the vertically upper side from the left side to the right side of the horizontal axis. Therefore, the leftmost single cell on the horizontal axis is the single cell 10-1 located on the most vertically upper side. Further, FIG. 1B shows the position of the single cell 10- (n / 10) in which the number of single cells from the vertically upper side corresponds to the n / 10th sheet when the total number of single cells is n. There is. FIG. 1B shows the case where the output voltage of the single cell 10-4 is the lowest.

スタック１０の冷却水流路内に気泡が混入すると、気泡は鉛直上方側に浮上して、最も鉛直上方側に位置する単セル１０−１付近に滞留する。具体的には、気泡の大きさや量にもよるが、マニホールド１２又は１４内の単セル１０−１〜１０―４の近傍や、単セル１０−１〜１０−４の各単セル間に気泡が滞留する。気泡の存在により気泡周辺の単セルが十分に冷却されずに、気泡周辺の単セルの温度はそれ以外の単セルの温度と比較して上昇する。このため、気泡周辺の単セルの電解質膜は、それ以外の単セルの電解質膜と比較して乾燥が進行する。これにより、気泡周辺の単セルの出力電圧はそれ以外の単セルの出力電圧よりも低下する。ここで、図１Ｂに示すように、最も鉛直上方側に位置する単セル１０−１の出力電圧が最も低いのではなく、それよりも下方側にある単セル１０−４の出力電圧が最も低くなっている。この理由は、単セル１０−１は、スタック１０の最も外側に位置しているため、スタック１０の外部に放熱されて冷却されやすく、これに伴って単セル１０−１に隣接した単セル１０−２や単セル１０―２に隣接した単セル１０−３も冷却されやすいからと考えられる。尚、単セル１０−４以降の単セルの出力電圧が回復している理由は、単セル１０−４以降の単セル周辺には気泡が存在しておらず、冷却水による放熱効果が徐々に増大しているからと考えられる。本実施例では、冷却水流路内に気泡が存在している場合に最も出力電圧が低下しやすい単セルとして、単セル１０−４が選定されており、上述したように電圧センサＶ１はこの単セル１０−４の出力電圧を検出する。また、冷却水流路内に気泡が存在する場合であっても出力電圧が略変化しない単セルとして、単セル１０−（ｎ／２）が選定されており、上述したように電圧センサＶ２はこの単セル１０−（ｎ／２）の出力電圧を検出する。尚、このような気泡周辺の単セルの電解質膜の乾燥は、時間が経過するほど進行するため、気泡周辺の単セルの出力電圧は時間が経過するほど低下すると考えられる。 When air bubbles are mixed in the cooling water flow path of the stack 10, the air bubbles float upward on the vertical side and stay in the vicinity of the single cell 10-1 located on the uppermost vertical side. Specifically, although it depends on the size and amount of bubbles, bubbles are generated in the vicinity of single cells 10-1 to 10-4 in the manifold 12 or 14 or between each single cell of single cells 10-1 to 10-4. Stays. Due to the presence of bubbles, the single cell around the bubble is not sufficiently cooled, and the temperature of the single cell around the bubble rises as compared with the temperature of the other single cells. Therefore, the single-cell electrolyte membrane around the bubbles is dried as compared with the other single-cell electrolyte membranes. As a result, the output voltage of the single cell around the bubble is lower than the output voltage of the other single cells. Here, as shown in FIG. 1B, the output voltage of the single cell 10-1 located on the vertically upper side is not the lowest, but the output voltage of the single cell 10-4 located on the lower side thereof is the lowest. It has become. The reason for this is that since the single cell 10-1 is located on the outermost side of the stack 10, heat is dissipated to the outside of the stack 10 and it is easy to be cooled, and accordingly, the single cell 10 adjacent to the single cell 10-1 is easily cooled. It is considered that the single cell 10-3 adjacent to -2 and the single cell 10-2 is also easily cooled. The reason why the output voltage of the single cell after single cell 10-4 is recovered is that there are no bubbles around the single cell after single cell 10-4, and the heat dissipation effect by the cooling water gradually increases. It is thought that it is increasing. In this embodiment, the single cell 10-4 is selected as the single cell in which the output voltage is most likely to decrease when air bubbles are present in the cooling water flow path, and as described above, the voltage sensor V1 is this single cell. The output voltage of cells 10-4 is detected. Further, a single cell 10- (n / 2) is selected as a single cell in which the output voltage does not substantially change even when air bubbles are present in the cooling water flow path, and as described above, the voltage sensor V2 is this single cell. The output voltage of the single cell 10- (n / 2) is detected. Since the drying of the electrolyte membrane of the single cell around the bubble progresses as time passes, it is considered that the output voltage of the single cell around the bubble decreases as time passes.

制御装置５０は、電圧センサＶ１及びＶ２の検出結果に基づいてスタック１０の冷却水流路内での気泡の有無について精度よく判定する。具体的には、以下のようにして判定する。最初に、電圧センサＶ２の検出結果に基づいて代表出力電圧が取得される。ここで電圧センサＶ２により検出された単セル１０−（ｎ／２）の出力電圧が、代表出力電圧として取得される。次に、検出された単セル１０−４の出力電圧と代表電圧との差分が第１閾値よりも大きいか否かが判定される。否定判定の場合には、スタック１０の冷却水流路内に気泡は存在していないものとして本制御は終了する。肯定判定の場合には、スタック１０の冷却水流路内に気泡が存在していると判定される。 The control device 50 accurately determines the presence or absence of air bubbles in the cooling water flow path of the stack 10 based on the detection results of the voltage sensors V1 and V2. Specifically, the determination is made as follows. First, the representative output voltage is acquired based on the detection result of the voltage sensor V2. Here, the output voltage of the single cell 10- (n / 2) detected by the voltage sensor V2 is acquired as the representative output voltage. Next, it is determined whether or not the difference between the detected output voltage of the single cell 10-4 and the representative voltage is larger than the first threshold value. In the case of a negative determination, this control is terminated on the assumption that no air bubbles are present in the cooling water flow path of the stack 10. In the case of affirmative determination, it is determined that air bubbles are present in the cooling water flow path of the stack 10.

図１Ｂの例では、単セル１０−４の出力電圧と単セル１０−（ｎ／２）の出力電圧との差分が第１閾値よりも大きいとして、スタック１０の冷却水流路内に気泡が存在していると判定される。単セル１０−１は、最も鉛直上方側に配置された第１セルの一例である。単セル１０−４は、複数の単セル１０−１〜１０−ｎのうち最も鉛直上方側に配置された単セル１０−１から複数の単セル１０−１〜１０−ｎの総数の１０分の１枚目までの間の何れかにある第２セルの一例である。電圧センサＶ１は、単セル１０−４の出力電圧、温度、及びインピーダンスの何れかを検出する第１検出部の一例である。電圧センサＶ２は、複数の単セル１０−１〜１０−ｎの単セル１０−４以外の部位で出力電圧、温度、及びインピーダンスの何れかを検出する第２検出部の一例である。このように２つの電圧センサＶ１及びＶ２により、スタック１０の冷却水流路内での気泡の有無を簡易な構成で精度よく判定できる。 In the example of FIG. 1B, assuming that the difference between the output voltage of the single cell 10-4 and the output voltage of the single cell 10- (n / 2) is larger than the first threshold value, bubbles are present in the cooling water flow path of the stack 10. It is judged that it is. Single cell 10-1 is an example of the first cell arranged on the most vertically upper side. The single cell 10-4 is 10 minutes of the total number of the single cells 10-1 to 10-n arranged from the single cell 10-1 arranged on the most vertically upper side of the plurality of single cells 10-1 to 10-n. This is an example of the second cell in any of the cells up to the first sheet. The voltage sensor V1 is an example of a first detection unit that detects any of the output voltage, temperature, and impedance of the single cell 10-4. The voltage sensor V2 is an example of a second detection unit that detects any of the output voltage, temperature, and impedance at a portion other than the single cell 10-4 of the plurality of single cells 10-1 to 10-n. In this way, the two voltage sensors V1 and V2 can accurately determine the presence or absence of air bubbles in the cooling water flow path of the stack 10 with a simple configuration.

上記のようにスタック１０の冷却水流路内に気泡が存在していると判定された場合には、循環ポンプ２２の出力を増大させて気泡をスタック１０の冷却水流路内から排出してもよいし、ダイアグ表示又はモニター表示によりスタック１０の冷却水流路内に気泡が存在していることを報知してもよい。 When it is determined that air bubbles are present in the cooling water flow path of the stack 10 as described above, the output of the circulation pump 22 may be increased to discharge the air bubbles from the cooling water flow path of the stack 10. Then, the presence of air bubbles in the cooling water flow path of the stack 10 may be notified by a diagnostic display or a monitor display.

尚、スタック１０内に形成されたカソードガス及びアノードガスをそれぞれ供給及び排出するマニホールドも、複数の単セルを貫通するように略鉛直方向に延びて形成されているため、スタック１０内で発生した生成水を、重力の作用により上記のマニホールドを介してスタック１０の外部へと排出される。 The manifolds for supplying and discharging the cathode gas and the anode gas formed in the stack 10 are also formed so as to extend substantially in the vertical direction so as to penetrate the plurality of single cells, so that they are generated in the stack 10. The generated water is discharged to the outside of the stack 10 through the above-mentioned manifold by the action of gravity.

上記実施例では、電圧センサＶ２は積層方向で中央に配置された単セル１０−（ｎ／２）の出力電圧を検出するが、電圧センサＶ２が出力電圧を検出する単セルはこれに限定されず、電圧センサＶ１により出力電圧が検出される単セル１０−４以外の部位での単セルの出力電圧を検出してもよい。例えば電圧センサＶ２は、単セル１０−ｎの出力電圧を検出してもよい。また、電圧センサＶ２は、複数の単セル全体での出力電圧を検出してもよい。例えば、電圧センサＶ２は、単セル１０−１〜１０−ｎの合計出力電圧を検出してもよいし、単セル１０−１から単セル１０−ｎまでのうちの連続する複数の単セルの合計出力電圧を検出してもよい。この場合、代表出力電圧として、電圧センサＶ２により検出された合計出力電圧を電圧センサＶ２の検出対象である単セルの数で除算して得られる、一枚当たりの単セルの出力電圧の平均値を用いてもよい。代表出力電圧は、制御装置５０が上記のように算出することにより取得する。 In the above embodiment, the voltage sensor V2 detects the output voltage of the single cell 10- (n / 2) arranged in the center in the stacking direction, but the single cell in which the voltage sensor V2 detects the output voltage is limited to this. Instead, the output voltage of the single cell may be detected at a portion other than the single cell 10-4 where the output voltage is detected by the voltage sensor V1. For example, the voltage sensor V2 may detect the output voltage of the single cell 10-n. Further, the voltage sensor V2 may detect the output voltage of the entire plurality of single cells. For example, the voltage sensor V2 may detect the total output voltage of the single cells 10-1 to 10-n, or may detect a plurality of consecutive single cells from the single cell 10-1 to the single cell 10-n. The total output voltage may be detected. In this case, as the representative output voltage, the average value of the output voltage of each single cell obtained by dividing the total output voltage detected by the voltage sensor V2 by the number of single cells to be detected by the voltage sensor V2. May be used. The representative output voltage is acquired by the control device 50 by calculating as described above.

次に第１変形例の気泡判定制御について説明する。第１変形例の気泡判定制御は、単セル１０−４及び１０−（ｎ／２）のそれぞれの出力電圧ではなく、温度に基づいて実行される。制御装置５０は、単セル１０−４の温度を検出する温度センサと単セル１０−（ｎ／２）の温度を検出する温度センサとにより、これらの単セルの温度を取得する。図２Ａは、スタック１０の冷却水流路内に気泡が存在している場合での各単セルの温度を示したグラフであり、図１Ｂに対応している。上述したように、気泡周辺の単セルの温度はそれ以外の単セルの温度と比較して上昇するが、スタック１０の外側に配置された単セル１０−１や単セル１０−２、１０−３は、冷却されやすいため、単セル１０−４の温度が最も高くなっている。 Next, the bubble determination control of the first modification will be described. The bubble determination control of the first modification is executed based on the temperature, not the output voltage of each of the single cells 10-4 and 10- (n / 2). The control device 50 acquires the temperature of these single cells by the temperature sensor that detects the temperature of the single cell 10-4 and the temperature sensor that detects the temperature of the single cell 10- (n / 2). FIG. 2A is a graph showing the temperature of each single cell when bubbles are present in the cooling water flow path of the stack 10, and corresponds to FIG. 1B. As described above, the temperature of the single cell around the bubble rises as compared with the temperature of the other single cells, but the single cell 10-1 and the single cell 10-2, 10- arranged outside the stack 10 Since No. 3 is easily cooled, the temperature of the single cell 10-4 is the highest.

制御装置５０は、単セル１０−４及び１０−（ｎ／２）のそれぞれの温度を検出する温度センサの検出結果に基づいて、スタック１０の冷却水流路内での気泡の有無について精度よく判定する。具体的には以下のようにして判定する。最初に、単セル１０−（ｎ／２）の温度を検出する温度センサの検出結果に基づいて代表温度が取得される。ここでこの温度センサにより検出された単セル１０−（ｎ／２）の温度が、代表温度として取得される。次に、検出された単セル１０−４の温度と代表温度との差分が第２閾値よりも大きいか否かが判定される。否定判定の場合には、スタック１０の冷却水流路内に気泡は存在していないものとして本制御は終了する。肯定判定の場合には、スタック１０の冷却水流路内に気泡が存在していると判定される。 The control device 50 accurately determines the presence or absence of air bubbles in the cooling water flow path of the stack 10 based on the detection result of the temperature sensor that detects the respective temperatures of the single cells 10-4 and 10- (n / 2). To do. Specifically, the determination is made as follows. First, the representative temperature is acquired based on the detection result of the temperature sensor that detects the temperature of the single cell 10- (n / 2). Here, the temperature of the single cell 10- (n / 2) detected by this temperature sensor is acquired as the representative temperature. Next, it is determined whether or not the difference between the detected single cell 10-4 temperature and the representative temperature is larger than the second threshold value. In the case of a negative determination, this control is terminated on the assumption that no air bubbles are present in the cooling water flow path of the stack 10. In the case of affirmative determination, it is determined that air bubbles are present in the cooling water flow path of the stack 10.

図２Ａの例では、単セル１０−４の温度と単セル１０−（ｎ／２）の温度との差分が第２閾値よりも大きいとして、スタック１０の冷却水流路内に気泡が存在していると判定される。このように２つの温度センサにより、スタック１０の冷却水流路内での気泡の有無を簡易な構成で精度よく判定できる。 In the example of FIG. 2A, assuming that the difference between the temperature of the single cell 10-4 and the temperature of the single cell 10- (n / 2) is larger than the second threshold value, bubbles are present in the cooling water flow path of the stack 10. It is determined that there is. In this way, with the two temperature sensors, the presence or absence of air bubbles in the cooling water flow path of the stack 10 can be accurately determined with a simple configuration.

上記第１変形例では、２つの温度センサの一方は積層方向で中央に配置された単セル１０−（ｎ／２）の温度を検出するが、この温度センサが温度を検出する単セルはこれに限定されず、単セル１０−４以外の部位での単セルの温度を検出してもよい。例えば２つの温度センサの一方は、単セル１０−ｎの温度を検出してもよい。また、冷却水の循環経路２１内のスタック１０よりも下流かつラジエータ２４よりも上流に温度センサを配置して冷却水の温度を検出し、これを代表温度としてもよい。 In the first modification, one of the two temperature sensors detects the temperature of the single cell 10- (n / 2) arranged in the center in the stacking direction, but this is the single cell in which the temperature sensor detects the temperature. The temperature of the single cell may be detected at a site other than the single cell 10-4. For example, one of the two temperature sensors may detect the temperature of a single cell 10-n. Further, a temperature sensor may be arranged downstream of the stack 10 in the cooling water circulation path 21 and upstream of the radiator 24 to detect the temperature of the cooling water, and this may be used as the representative temperature.

次に第２変形例の気泡判定制御について説明する。第２変形例の気泡判定制御は、単セル１０−４及び１０−（ｎ／２）のそれぞれの出力電圧や温度ではなく、インピーダンスに基づいて実行される。制御装置５０は、単セル１０−４のインピーダンスを検出するセンサと単セル１０−（ｎ／２）のインピーダンスを検出するセンサとにより、これらの単セルのインピーダンス温度を取得する。インピーダンスは、例えば交流インピーダンス法により測定する。図２Ｂは、スタック１０の冷却水流路内に気泡が存在している場合での各単セルのインピーダンスを示したグラフであり、図１Ｂに対応している。上述したように気泡周辺の単セルの電解質膜は、それ以外の単セルの電解質膜と比較して湿度が低下する。これにより、気泡周辺の単セルのインピーダンスは、それ以外の単セルのインピーダンスと比較して増大する。尚、上述した場合と同様の理由により、単セル１０−１や単セル１０−２、１０−３の各インピーダンスが、単セル１０−４のインピーダンスほどは増大していない。 Next, the bubble determination control of the second modification will be described. The bubble determination control of the second modification is executed based on the impedance, not the output voltage and temperature of the single cells 10-4 and 10- (n / 2), respectively. The control device 50 acquires the impedance temperature of these single cells by a sensor that detects the impedance of the single cell 10-4 and a sensor that detects the impedance of the single cell 10- (n / 2). Impedance is measured by, for example, the AC impedance method. FIG. 2B is a graph showing the impedance of each single cell when bubbles are present in the cooling water flow path of the stack 10, and corresponds to FIG. 1B. As described above, the humidity of the single-cell electrolyte membrane around the bubbles is lower than that of the other single-cell electrolyte membranes. As a result, the impedance of the single cell around the bubble increases as compared with the impedance of the other single cells. For the same reason as described above, the impedances of the single cells 10-1 and the single cells 10-2 and 10-3 are not increased as much as the impedances of the single cells 10-4.

制御装置５０は、単セル１０−４及び１０−（ｎ／２）のそれぞれのインピーダンスを検出するセンサの検出結果に基づいて、スタック１０の冷却水流路内での気泡の有無について精度よく判定する。具体的には以下のようにして判定する。最初に、単セル１０−（ｎ／２）のインピーダンスを検出するセンサの検出結果に基づいて代表インピーダンスが取得される。ここでこのセンサにより検出された単セル１０−（ｎ／２）のインピーダンスが、代表インピーダンスとして取得される。次に、検出された単セル１０−４のインピーダンスと代表インピーダンスとの差分が第３閾値よりも大きいか否かが判定される。否定判定の場合には、スタック１０の冷却水流路内に気泡は存在していないものとして本制御は終了する。肯定判定の場合には、スタック１０の冷却水流路内に気泡が存在していると判定される。 The control device 50 accurately determines the presence or absence of air bubbles in the cooling water flow path of the stack 10 based on the detection results of the sensors that detect the impedances of the single cells 10-4 and 10- (n / 2), respectively. .. Specifically, the determination is made as follows. First, the representative impedance is acquired based on the detection result of the sensor that detects the impedance of the single cell 10- (n / 2). Here, the impedance of the single cell 10- (n / 2) detected by this sensor is acquired as the representative impedance. Next, it is determined whether or not the difference between the detected impedance of the single cell 10-4 and the representative impedance is larger than the third threshold value. In the case of a negative determination, this control is terminated on the assumption that no air bubbles are present in the cooling water flow path of the stack 10. In the case of affirmative determination, it is determined that air bubbles are present in the cooling water flow path of the stack 10.

図２Ｂの例では、単セル１０−４のインピーダンスと単セル１０−（ｎ／２）のインピーダンスとの差分が第３閾値よりも大きいとして、スタック１０の冷却水流路内に気泡が存在していると判定される。このように２つのセンサにより、スタック１０の冷却水流路内での気泡の有無を簡易な構成で精度よく判定できる。 In the example of FIG. 2B, assuming that the difference between the impedance of the single cell 10-4 and the impedance of the single cell 10- (n / 2) is larger than the third threshold value, air bubbles are present in the cooling water flow path of the stack 10. It is determined that there is. In this way, with the two sensors, the presence or absence of air bubbles in the cooling water flow path of the stack 10 can be accurately determined with a simple configuration.

上記第２変形例では、２つのセンサの一方は積層方向で中央に配置された単セル１０−（ｎ／２）のインピーダンスを検出するが、このセンサがインピーダンスを検出する単セルはこれに限定されず、単セル１０−４以外の部位での単セルのインピーダンスを検出してもよい。例えば２つのセンサの一方は、単セル１０−ｎのインピーダンスを検出してもよい。また、単セル１０−４以外の部位でのインピーダンスを検出するセンサは、複数の単セル全体でのインピーダンスを検出してもよい。例えば、このセンサは、単セル１０−１〜１０−ｎの合計インピーダンスを検出してもよいし、単セル１０−１から単セル１０−ｎまでのうちの連続する複数の単セルの合計インピーダンスを検出してもよい。この場合、代表インピーダンスとして、このセンサにより検出された合計インピーダンスをこのセンサの検出対象である単セルの数で除算して得られる、一枚当たりの単セルのインピーダンスの平均値を用いてもよい。代表インピーダンスは、制御装置５０が上記のように算出することにより取得する。 In the second modification, one of the two sensors detects the impedance of the single cell 10- (n / 2) arranged in the center in the stacking direction, but the single cell in which this sensor detects the impedance is limited to this. Instead, the impedance of the single cell at a portion other than the single cell 10-4 may be detected. For example, one of the two sensors may detect the impedance of a single cell 10-n. Further, the sensor that detects the impedance at a portion other than the single cell 10-4 may detect the impedance of the entire plurality of single cells. For example, this sensor may detect the total impedance of single cells 10-1 to 10-n, or the total impedance of a plurality of consecutive single cells from single cell 10-1 to single cell 10-n. May be detected. In this case, as the representative impedance, the average value of the impedance of each single cell obtained by dividing the total impedance detected by this sensor by the number of single cells to be detected by this sensor may be used. .. The representative impedance is acquired by the control device 50 by calculating as described above.

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 Although the examples of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to such specific examples, and various modifications and modifications are made within the scope of the gist of the present invention described in the claims. It can be changed.

尚、スタック１０は、単セルの積層方向が必ずしも鉛直方向と一致している必要はなく、本出願での「略鉛直方向に沿って」には、単セルの積層方向が鉛直方向から２０度程度までの範囲で傾いているものを含む。 In the stack 10, the stacking direction of the single cells does not necessarily have to coincide with the vertical direction, and in the "almost vertical direction" in the present application, the stacking direction of the single cells is 20 degrees from the vertical direction. Including those that are tilted to a certain extent.

１０ 燃料電池スタック
１０−１〜１０−ｎ 単セル
１０−１ 単セル（第1セル）
１０−４ 単セル（第２セル）
１２ 冷却水供給マニホールド（冷却水流路）
１４ 冷却水排出マニホールド（冷却水流路）
２０ 冷却系
５０ 制御装置（取得部及び判定部）
Ｖ１ 電圧センサ（第1検出部）
Ｖ２ 電圧センサ（第2検出部） 10 Fuel cell stack 10-1 to 10-n single cell 10-1 single cell (first cell)
10-4 Single cell (second cell)
12 Cooling water supply manifold (cooling water flow path)
14 Cooling water discharge manifold (cooling water flow path)
20 Cooling system 50 Control device (acquisition unit and judgment unit)
V1 voltage sensor (1st detector)
V2 voltage sensor (second detector)

Claims (1)

複数の単セルが積層された方向が略鉛直方向に沿った姿勢で配置された燃料電池スタックと、
少なくとも一部が複数の前記単セルを貫通するように前記燃料電池スタックに形成された冷却水流路と、
複数の前記単セルのうち最も鉛直上方側に配置された第１セルから複数の前記単セルの総数の１０分の１枚目までの間の何れかにある第２セルの出力電圧、温度、及びインピーダンスの何れかを検出する第１検出部と、
前記複数の単セルの前記第２セル以外の部位で出力電圧、温度、及びインピーダンスの何れかを検出する第２検出部と、
前記第２検出部の検出結果に基づいて代表出力電圧、代表温度、及び代表インピーダンスの何れかを取得する取得部と、
前記燃料電池スタックの冷却水流路内での気泡の有無を判定する判定部と、を備え、
前記判定部は、
検出された前記第２セルの出力電圧と前記代表出力電圧との差分が第１閾値よりも大きい、
検出された前記第２セルの温度と前記代表温度との差分が第２閾値よりも大きい、
検出された前記第２セルのインピーダンスと前記代表インピーダンスとの差分が第３閾値よりも大きい、
の何れかを充足する場合に前記冷却水流路内に気泡が有ると判定する、燃料電池システム。 A fuel cell stack in which a plurality of single cells are stacked so that they are arranged in a substantially vertical direction.
A cooling water flow path formed in the fuel cell stack so that at least a part penetrates the single cell.
The output voltage, temperature, and the like of the second cell located between the first cell arranged on the vertically upper side of the plurality of single cells and the first tenth of the total number of the plurality of single cells. And the first detector that detects any of the impedance and
A second detection unit that detects any of the output voltage, temperature, and impedance in a portion of the plurality of single cells other than the second cell, and
An acquisition unit that acquires any of the representative output voltage, representative temperature, and representative impedance based on the detection result of the second detection unit, and
A determination unit for determining the presence or absence of air bubbles in the cooling water flow path of the fuel cell stack is provided.
The determination unit
The difference between the detected output voltage of the second cell and the representative output voltage is larger than the first threshold value.
The difference between the detected temperature of the second cell and the representative temperature is larger than the second threshold value.
The difference between the detected impedance of the second cell and the representative impedance is larger than the third threshold value.
A fuel cell system that determines that there are air bubbles in the cooling water flow path when any of the above is satisfied.
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