JP7076418B2 - Fuel cell system and its control method - Google Patents

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Description

本発明は、発電セルを複数積層した積層体を備える燃料電池システム及びその制御方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell system including a laminated body in which a plurality of power generation cells are stacked, and a control method thereof.

一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の一方の面にアノード電極が配設され、他方の面にカソード電極が配設された電解質膜・電極構造体(MEA)を備えている。電解質膜・電極構造体をセパレータで挟持することにより発電セルが構成され、複数個の発電セルを積層することにより積層体が構成される。この積層体の積層方向両端に、各発電セルによって発電された電流を集める電力取り出し用のターミナルプレートや、発電セルを積層状態で保持するためのエンドプレート等が設けられて燃料電池スタックが構成される。 Generally, in a polymer electrolyte fuel cell, an electrolyte membrane / electrode structure in which an anode electrode is arranged on one surface of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane and a cathode electrode is arranged on the other surface. (MEA) is provided. A power generation cell is formed by sandwiching the electrolyte membrane / electrode structure with a separator, and a laminated body is formed by laminating a plurality of power generation cells. A fuel cell stack is configured by providing terminal plates for collecting electric power generated by each power generation cell, end plates for holding the power generation cells in a stacked state, and the like at both ends of the stack in the stacking direction. To.

この種の燃料電池スタックを備える燃料電池システムでは、各発電セルのアノード電極側に水素含有ガス等の燃料ガスを供給するとともに、カソード電極側に酸素含有ガス等の酸化剤ガスを供給することで、燃料ガス及び酸化剤ガスを電気化学反応させて発電(運転)を行う。この際、アノード電極では、水素が電離してプロトンが生成し、該プロトンが電解質膜内を伝導してカソード電極に移動する。 In a fuel cell system equipped with this type of fuel cell stack, fuel gas such as hydrogen-containing gas is supplied to the anode electrode side of each power generation cell, and an oxidizing agent gas such as oxygen-containing gas is supplied to the cathode electrode side. , Fuel gas and oxidant gas are electrochemically reacted to generate power (operation). At this time, at the anode electrode, hydrogen is ionized to generate a proton, and the proton is conducted in the electrolyte membrane and moves to the cathode electrode.

プロトン伝導を良好に生じさせるには、電解質膜を湿潤状態とする必要がある。しかしながら、積層体の含水量が過剰となり、カソード電極やアノード電極に滞留水が生じると、該滞留水が燃料ガスや酸化剤ガスの流れを阻害して、発電安定性が低下する懸念がある。このため、積層体の含水量を適切に制御することが求められる。 The electrolyte membrane needs to be wet in order to produce good proton conduction. However, if the water content of the laminate becomes excessive and stagnant water is generated in the cathode electrode and the anode electrode, there is a concern that the stagnant water obstructs the flow of the fuel gas and the oxidant gas, and the power generation stability is lowered. Therefore, it is required to appropriately control the water content of the laminated body.

例えば、特許文献1には、積層体の全体のインピーダンス測定値等に基づいて、カソード電極が濡れすぎているか否かを判断する燃料電池システムが提案されている。積層体の全体のインピーダンスは、積層体(電解質膜)の含水量が低下して乾燥傾向となると上昇し、積層体の含水量が上昇して湿潤傾向となると低下する。このため、積層体の全体のインピーダンス測定値に基づいて、例えば、カソード電極に供給する酸化剤ガスの湿度を調整すること等によって、積層体の含水制御が行われる。 For example, Patent Document 1 proposes a fuel cell system for determining whether or not the cathode electrode is too wet based on the measured impedance value of the entire laminated body. The overall impedance of the laminate increases when the water content of the laminate (electrolyte film) decreases and tends to dry, and decreases when the water content of the laminate increases and tends to become wet. Therefore, the water content of the laminated body is controlled by, for example, adjusting the humidity of the oxidizing agent gas supplied to the cathode electrode based on the measured impedance value of the entire laminated body.

特開平7-235324号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 7-235324

ところで、積層体の積層方向の端部側は、ターミナルプレート等を介した放熱が促されること等から、該積層体の積層方向の中央側に比べ、外気温の影響等を受けて低温となり易い。つまり、積層体の端部側に配設される少なくとも1個の電解質膜・電極構造体を有する端部発電部では、積層体の中央側よりも結露が生じ易く含水量が多くなり易い。このため、上記のように、積層体の全体のインピーダンス測定値に基づいた含水制御を行うと、端部発電部の含水量が過剰となって滞留水が生じる懸念がある。この場合、結局、発電安定性の低下を抑制することが困難となる。 By the way, since heat dissipation is promoted via a terminal plate or the like on the end side of the laminated body in the laminating direction, the temperature tends to be lower due to the influence of the outside air temperature or the like as compared with the central side of the laminated body in the laminating direction. .. That is, in the end power generation section having at least one electrolyte membrane / electrode structure disposed on the end side of the laminate, dew condensation is likely to occur and the water content is likely to be higher than that on the center side of the laminate. Therefore, as described above, if the water content is controlled based on the measured impedance value of the entire laminated body, there is a concern that the water content of the end power generation unit becomes excessive and stagnant water is generated. In this case, it becomes difficult to suppress the decrease in power generation stability after all.

そこで本発明は、積層体の端部発電部に滞留水が生じることを抑制でき、良好な発電安定性を維持できる燃料電池システム及びその制御方法を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a fuel cell system and a control method thereof that can suppress the generation of stagnant water in the power generation portion at the end of the laminated body and can maintain good power generation stability.

本発明の一態様は、電解質膜がアノード電極及びカソード電極で挟まれた電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の両側に配設されたセパレータとを有する発電セルを複数積層した積層体を備え、前記アノード電極に燃料ガスが供給されるとともに前記カソード電極に酸化剤ガスが供給されることで発電する燃料電池システムであって、前記積層体のインピーダンス測定値を得るインピーダンス測定部と、前記積層体の温度測定値を得る温度測定部と、前記インピーダンス測定値と前記温度測定値とを用いて、前記積層体の積層方向の端部に配設された少なくとも1個の前記電解質膜・電極構造体を有する端部発電部のインピーダンスの推定値を求める端部インピーダンス推定部と、前記推定値に基づいて、前記積層体の含水量を制御する含水制御部と、を備える。 In one aspect of the present invention, a plurality of power generation cells having an electrolyte membrane / electrode structure in which an electrolyte membrane is sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode and separators arranged on both sides of the electrolyte membrane / electrode structure are laminated. It is a fuel cell system that generates power by supplying a fuel gas to the anode electrode and supplying an oxidant gas to the cathode electrode, and is an impedance measurement for obtaining an impedance measurement value of the laminate. At least one of the above, which is arranged at the end of the laminate in the stacking direction by using the unit, the temperature measurement unit for obtaining the temperature measurement value of the laminate, and the impedance measurement value and the temperature measurement value. It includes an end impedance estimation unit that obtains an estimated value of the impedance of the end power generation unit having an electrolyte film / electrode structure, and a water content control unit that controls the water content of the laminate based on the estimated value.

本発明の別の一態様は、電解質膜がアノード電極及びカソード電極で挟まれた電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の両側に配設されたセパレータとを有する発電セルを複数積層した積層体を備え、前記アノード電極に燃料ガスが供給されるとともに前記カソード電極に酸化剤ガスが供給されることで発電する燃料電池システムの制御方法であって、前記積層体のインピーダンス測定値を得るインピーダンス測定工程と、前記積層体の温度測定値を得る温度測定工程と、前記インピーダンス測定値と前記温度測定値とを用いて、前記積層体の積層方向の端部に配設された少なくとも1個の前記電解質膜・電極構造体を有する端部発電部のインピーダンスの推定値を求める端部インピーダンス推定工程と、前記推定値に基づいて、前記積層体の含水量を制御する含水制御工程と、を有する。 Another aspect of the present invention is a power generation cell having an electrolyte membrane / electrode structure in which an electrolyte membrane is sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode, and separators arranged on both sides of the electrolyte membrane / electrode structure. It is a control method of a fuel cell system in which a plurality of laminated bodies are provided, and fuel gas is supplied to the anode electrode and an oxidizing agent gas is supplied to the cathode electrode to generate power, and the impedance of the laminated body is measured. Using the impedance measuring step for obtaining a value, the temperature measuring step for obtaining the temperature measured value of the laminated body, and the impedance measured value and the temperature measured value, they are arranged at the end of the laminated body in the stacking direction. An end impedance estimation step for obtaining an estimated value of the impedance of an end power generation unit having at least one electrolyte film / electrode structure, and a water content control step for controlling the water content of the laminate based on the estimated value. And have.

この燃料電池システム及びその制御方法では、積層体のインピーダンス測定値及び温度測定値を用いて、端部発電部のインピーダンスの推定値を求め、該推定値に基づいて積層体の含水量を制御する。このため、端部発電部が、例えば、積層体の中央側よりも低温となっているような場合であっても、端部発電部の含水量が過剰となることを抑制できる。これによって、積層体の端部発電部に滞留水が生じること等を抑制でき、ひいては、燃料電池システムの発電安定性を良好に維持することが可能となる。 In this fuel cell system and its control method, the impedance measured value and the temperature measured value of the laminated body are used to obtain an estimated value of the impedance of the end power generation unit, and the water content of the laminated body is controlled based on the estimated value. .. Therefore, even when the temperature of the end power generation unit is lower than that of the center side of the laminated body, for example, it is possible to prevent the water content of the end power generation unit from becoming excessive. As a result, it is possible to suppress the generation of stagnant water in the power generation portion at the end of the laminated body, and it is possible to maintain good power generation stability of the fuel cell system.

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。It is a schematic configuration explanatory view of the fuel cell system which concerns on embodiment of this invention. 燃料電池スタックの分解斜視図である。It is an exploded perspective view of a fuel cell stack. 積層体の温度に応じた、積層体のインピーダンス及び端部発電部のインピーダンスの差分を、積層体のインピーダンスごとに示したマップである。It is a map which showed the difference between the impedance of a laminated body and the impedance of an end power generation part according to the temperature of a laminated body for each impedance of a laminated body. 本発明の実施形態に係る燃料電池システムの制御方法を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the control method of the fuel cell system which concerns on embodiment of this invention.

本発明に係る燃料電池システム及びその制御方法について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の図において、同一又は同様の機能及び効果を奏する構成要素に対しては同一の参照符号を付し、繰り返しの説明を省略する場合がある。 A suitable embodiment of the fuel cell system and the control method thereof according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following figures, components having the same or similar functions and effects may be designated by the same reference numerals, and repeated description may be omitted.

図1に示す本実施形態に係る燃料電池システム10は、例えば、燃料電池電気自動車等の燃料電池車両(不図示)に搭載することができる。また、燃料電池システム10は、燃料電池スタック12と、燃料ガス給排部14と、酸化剤ガス給排部16と、冷却媒体給排部18と、インピーダンス測定部20と、温度測定部22と、制御部24(ECU)とを備える。なお、燃料電池システム10は、エネルギ貯蔵装置であるバッテリ(不図示)をさらに備えてもよい。 The fuel cell system 10 according to the present embodiment shown in FIG. 1 can be mounted on, for example, a fuel cell vehicle (not shown) such as a fuel cell electric vehicle. Further, the fuel cell system 10 includes a fuel cell stack 12, a fuel gas supply / discharge unit 14, an oxidant gas supply / discharge unit 16, a cooling medium supply / discharge unit 18, an impedance measurement unit 20, and a temperature measurement unit 22. , A control unit 24 (ECU) is provided. The fuel cell system 10 may further include a battery (not shown) which is an energy storage device.

図2に示すように、燃料電池スタック12は、複数の発電セル26が水平方向(矢印A1、A2方向)又は重力方向(矢印C1、C2方向)に積層された積層体28を備える。積層体28の積層方向の一端側(矢印A1側)には、ターミナルプレート30a、インシュレータ32a及びエンドプレート34aがこの順に積層される。積層体28の積層方向の他端側(矢印A2側)には、ターミナルプレート30b、インシュレータ32b及びエンドプレート34bがこの順に積層される。 As shown in FIG. 2, the fuel cell stack 12 includes a laminated body 28 in which a plurality of power generation cells 26 are laminated in the horizontal direction (arrows A1 and A2 directions) or in the gravity direction (arrows C1 and C2 directions). The terminal plate 30a, the insulator 32a, and the end plate 34a are laminated in this order on one end side (arrow A1 side) of the laminated body 28 in the stacking direction. The terminal plate 30b, the insulator 32b, and the end plate 34b are laminated in this order on the other end side (arrow A2 side) of the laminated body 28 in the stacking direction.

矩形状からなるエンドプレート34a、34bの各辺間には、連結バー(不図示)が配置される。各連結バーは、両端をエンドプレート34a、34bの内面にボルト(不図示)等を介して固定され、複数の積層された発電セル26に積層方向(矢印A1、A2方向)の締め付け荷重を付与する。なお、不図示ではあるが、燃料電池スタック12では、エンドプレート34a、34bを端板とする筐体を備え、前記筐体内に積層体28等を収容するように構成してもよい。 A connecting bar (not shown) is arranged between each side of the rectangular end plates 34a and 34b. Both ends of each connecting bar are fixed to the inner surfaces of the end plates 34a and 34b via bolts (not shown), and a tightening load in the stacking direction (arrows A1 and A2 directions) is applied to the plurality of stacked power generation cells 26. do. Although not shown, the fuel cell stack 12 may include a housing having end plates 34a and 34b as end plates, and may be configured to accommodate the laminated body 28 and the like in the housing.

図1に示すように、本実施形態では、発電セル26は、第1セパレータ36と、電解質膜・電極構造体38と、第2セパレータ40と、電解質膜・電極構造体38と、第3セパレータ42とがこの順に積層されて構成される。第1セパレータ36、第2セパレータ40及び第3セパレータ42(これらを総称して「セパレータ」ともいう)のそれぞれは、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板等により構成され、平面が矩形状であるとともに、プレス加工等により、断面凹凸形状に成形される。 As shown in FIG. 1, in the present embodiment, the power generation cell 26 includes a first separator 36, an electrolyte membrane / electrode structure 38, a second separator 40, an electrolyte membrane / electrode structure 38, and a third separator. 42 and 42 are laminated in this order. Each of the first separator 36, the second separator 40, and the third separator 42 (collectively referred to as "separator") is composed of, for example, a steel plate, a stainless steel plate, an aluminum plate, a plated steel plate, or the like, and has a flat surface. In addition to being rectangular, it is formed into an uneven cross-sectional shape by press working or the like.

図1のセパレータ36、40、42には、図2に示すように、その長辺方向の一端側(矢印B1側)の縁部に、それぞれ矢印A1、A2方向(積層方向)に個別に連通して、酸化剤ガス入口連通孔44a及び燃料ガス出口連通孔46bが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔44aには、例えば、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。燃料ガス出口連通孔46bには、例えば、水素含有ガス等の燃料ガスが排出される。これらの酸化剤ガス及び燃料ガスを総称して「反応ガス」ともいう。 As shown in FIG. 2, the separators 36, 40, and 42 of FIG. 1 are individually communicated with the edges of one end side (arrow B1 side) in the long side direction in the arrow A1 and A2 directions (stacking direction), respectively. Then, the oxidant gas inlet communication hole 44a and the fuel gas outlet communication hole 46b are provided. An oxidant gas such as an oxygen-containing gas is supplied to the oxidant gas inlet communication hole 44a. A fuel gas such as a hydrogen-containing gas is discharged to the fuel gas outlet communication hole 46b. These oxidant gas and fuel gas are also collectively referred to as "reaction gas".

図1のセパレータ36、40、42には、図2に示すように、その長辺方向の他端側(矢印B2側)の縁部に、それぞれ矢印A1、A2方向に個別に連通して、燃料ガスが供給される燃料ガス入口連通孔46a及び酸化剤ガスが排出される酸化剤ガス出口連通孔44bが設けられる。なお、これらの酸化剤ガス入口連通孔44a、燃料ガス出口連通孔46b、燃料ガス入口連通孔46a、酸化剤ガス出口連通孔44bを総称して「反応ガス連通孔」ともいう。 As shown in FIG. 2, the separators 36, 40, and 42 of FIG. 1 are individually communicated with the edges of the other end side (arrow B2 side) in the long side direction in the directions of arrows A1 and A2, respectively. A fuel gas inlet communication hole 46a to which the fuel gas is supplied and an oxidant gas outlet communication hole 44b to which the oxidant gas is discharged are provided. The oxidant gas inlet communication hole 44a, the fuel gas outlet communication hole 46b, the fuel gas inlet communication hole 46a, and the oxidant gas outlet communication hole 44b are collectively referred to as "reaction gas communication hole".

図1のセパレータ36、40、42には、図2に示すように、その短辺方向(矢印C1、C2方向)両端縁部の矢印B1側に、矢印A1、A2方向に個別に連通して、冷却媒体が供給される一対の冷却媒体入口連通孔48aがそれぞれ設けられる。冷却媒体としては、純水やエチレングリコール、オイル等を用いることができる。図1のセパレータ36、40、42には、図2に示すように、その短辺方向の両端縁部の矢印B2側に、矢印A1、A2方向に個別に連通して、冷却媒体が排出される一対の冷却媒体出口連通孔48bがそれぞれ設けられる。 As shown in FIG. 2, the separators 36, 40, and 42 of FIG. 1 are individually communicated with the arrow B1 side of both end edges in the short side direction (arrows C1 and C2 directions) in the arrow A1 and A2 directions. , A pair of cooling medium inlet communication holes 48a to which the cooling medium is supplied are provided respectively. As the cooling medium, pure water, ethylene glycol, oil or the like can be used. As shown in FIG. 2, the separators 36, 40, and 42 of FIG. 1 communicate with each other individually in the directions of arrows A1 and A2 on the arrow B2 side of both end edges in the short side direction, and the cooling medium is discharged. A pair of cooling medium outlet communication holes 48b are provided respectively.

図1の第1セパレータ36の矢印A1側の面及び第3セパレータ42の矢印A2側の面には、図2の冷却媒体入口連通孔48aと冷却媒体出口連通孔48bとを連通する図1の冷却媒体流路50が形成される。図1の第1セパレータ36の矢印A2側の面及び第2セパレータ40の矢印A2側の面には、図2の酸化剤ガス入口連通孔44aと酸化剤ガス出口連通孔44bとに連通する酸化剤ガス流路52が形成される。酸化剤ガス流路52は、互いに並列する複数本の波状流路溝(又は直線状流路溝)からなる。 FIG. 1 shows that the cooling medium inlet communication hole 48a and the cooling medium outlet communication hole 48b of FIG. 2 communicate with each other on the surface of the first separator 36 on the arrow A1 side and the surface of the third separator 42 on the arrow A2 side. The cooling medium flow path 50 is formed. On the surface of the first separator 36 on the arrow A2 side and the surface of the second separator 40 on the arrow A2 side, oxidation communicating with the oxidant gas inlet communication hole 44a and the oxidant gas outlet communication hole 44b of FIG. 2 is performed. The agent gas flow path 52 is formed. The oxidant gas flow path 52 is composed of a plurality of wavy flow path grooves (or linear flow path grooves) parallel to each other.

図1の第2セパレータ40の矢印A1側の面及び第3セパレータ42の矢印A1側の面には、図2の燃料ガス入口連通孔46aと燃料ガス出口連通孔46bとに連通する図1の燃料ガス流路54が形成される。燃料ガス流路54は、互いに並列する複数本の波状流路溝(又は直線状流路溝)からなる。 FIG. 1 shows that the surface of the second separator 40 on the arrow A1 side and the surface of the third separator 42 on the arrow A1 side communicate with the fuel gas inlet communication hole 46a and the fuel gas outlet communication hole 46b of FIG. The fuel gas flow path 54 is formed. The fuel gas flow path 54 is composed of a plurality of wavy flow path grooves (or linear flow path grooves) that are parallel to each other.

積層体28で互いに隣接する発電セル26において、第3セパレータ42の矢印A2側の面の冷却媒体流路50と、第1セパレータ36の矢印A1側の面の冷却媒体流路50とが対向して、その内部を冷却媒体が流通可能となっている。すなわち、積層体28では隣接する発電セル26同士の間に冷却媒体が流通する冷却媒体流路50が設けられる。なお、各発電セル26を構成するセパレータ36、40、42及び電解質膜・電極構造体38の個数は特に上記に限定されるものではなく、例えば、不図示の2枚のセパレータと1個の電解質膜・電極構造体38から発電セル26が構成されてもよい。 In the power generation cell 26 adjacent to each other in the laminated body 28, the cooling medium flow path 50 on the arrow A2 side surface of the third separator 42 and the cooling medium flow path 50 on the arrow A1 side surface of the first separator 36 face each other. Therefore, the cooling medium can be distributed inside. That is, in the laminated body 28, a cooling medium flow path 50 through which a cooling medium flows is provided between adjacent power generation cells 26. The number of separators 36, 40, 42 and the electrolyte membrane / electrode structure 38 constituting each power generation cell 26 is not particularly limited to the above. For example, two separators (not shown) and one electrolyte are not shown. The power generation cell 26 may be configured from the membrane / electrode structure 38.

図1に示すように、電解質膜・電極構造体38は、例えば、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜である固体高分子電解質膜(以下、単に電解質膜ともいう)56を備える。なお、電解質膜56は、フッ素系電解質の他、HC(炭化水素)系電解質を使用してもよい。電解質膜56は、カソード電極58及びアノード電極60により挟持される。なお、電解質膜・電極構造体38の外周には、不図示の樹脂枠部材が接合されてもよい。 As shown in FIG. 1, the electrolyte membrane / electrode structure 38 includes, for example, a solid polymer electrolyte membrane (hereinafter, also simply referred to as an electrolyte membrane) 56 which is a thin film of perfluorosulfonic acid containing water. As the electrolyte membrane 56, an HC (hydrocarbon) -based electrolyte may be used in addition to the fluorine-based electrolyte. The electrolyte membrane 56 is sandwiched between the cathode electrode 58 and the anode electrode 60. A resin frame member (not shown) may be bonded to the outer periphery of the electrolyte membrane / electrode structure 38.

カソード電極58は、不図示ではあるが、電解質膜56の一端側(矢印A1側)の面に接合されるカソード電極触媒層と、該カソード電極触媒層に積層されるカソードガス拡散層とを有する。アノード電極60は、不図示ではあるが、電解質膜56の他端側(矢印A2側)の面に接合されるアノード電極触媒層と、該アノード電極触媒層に積層されるアノードガス拡散層とを有する。 Although not shown, the cathode electrode 58 has a cathode electrode catalyst layer bonded to a surface on one end side (arrow A1 side) of the electrolyte film 56, and a cathode gas diffusion layer laminated on the cathode electrode catalyst layer. .. Although not shown, the anode electrode 60 has an anode electrode catalyst layer bonded to the other end side (arrow A2 side) of the electrolyte film 56 and an anode gas diffusion layer laminated on the anode electrode catalyst layer. Have.

カソード電極触媒層は、例えば、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が、イオン導電性高分子バインダとともにカソードガス拡散層の表面に一様に塗布して形成される。アノード電極触媒層は、例えば、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が、イオン導電性高分子バインダとともにアノードガス拡散層の表面に一様に塗布して形成される。カソードガス拡散層及びアノードガス拡散層は、カーボンペーパ又はカーボンクロス等の導電性多孔質体から形成される。 The cathode electrode catalyst layer is formed, for example, by uniformly applying porous carbon particles having a platinum alloy on the surface to the surface of the cathode gas diffusion layer together with an ion conductive polymer binder. The anode electrode catalyst layer is formed, for example, by uniformly coating the surface of the anode gas diffusion layer with porous carbon particles having a platinum alloy supported on the surface together with an ion conductive polymer binder. The cathode gas diffusion layer and the anode gas diffusion layer are formed of a conductive porous body such as carbon paper or carbon cloth.

図2に示すように、ターミナルプレート30a、30bは、導電性を有する材料から構成され、例えば、銅、アルミニウム又はステンレススチール等の金属で構成される。ターミナルプレート30a、30bの略中央には、積層方向外方に延在する端子部62a、62bがそれぞれ設けられる。 As shown in FIG. 2, the terminal plates 30a and 30b are made of a conductive material, for example, a metal such as copper, aluminum or stainless steel. Terminal portions 62a and 62b extending outward in the stacking direction are provided at substantially the center of the terminal plates 30a and 30b, respectively.

端子部62aは、絶縁性筒体64aに挿入されてインシュレータ32aの孔部66a及びエンドプレート34aの孔部67aを貫通し、該エンドプレート34aの外部に突出する。端子部62bは、絶縁性筒体64bに挿入されてインシュレータ32bの孔部66b及びエンドプレート34bの孔部67bを貫通し、該エンドプレート34bの外部に突出する。 The terminal portion 62a is inserted into the insulating tubular body 64a, penetrates the hole portion 66a of the insulator 32a and the hole portion 67a of the end plate 34a, and projects to the outside of the end plate 34a. The terminal portion 62b is inserted into the insulating tubular body 64b, penetrates the hole portion 66b of the insulator 32b and the hole portion 67b of the end plate 34b, and projects to the outside of the end plate 34b.

インシュレータ32a、32bは、例えば、ポリカーボネート(PC)やフェノール樹脂等の絶縁性材料から形成される。インシュレータ32a、32bの中央部には、積層体28に向かって開口される凹部68a、68bが形成され、該凹部68a、68bは、孔部66a、66bに連通する。インシュレータ32a及びエンドプレート34aには、反応ガス連通孔が設けられる。一方、インシュレータ32b及びエンドプレート34bには、冷却媒体入口連通孔48a及び冷却媒体出口連通孔48bが設けられる。 The insulators 32a and 32b are formed of an insulating material such as polycarbonate (PC) or a phenol resin. Recesses 68a and 68b opened toward the laminated body 28 are formed in the central portions of the insulators 32a and 32b, and the recesses 68a and 68b communicate with the holes 66a and 66b. The insulator 32a and the end plate 34a are provided with reaction gas communication holes. On the other hand, the insulator 32b and the end plate 34b are provided with a cooling medium inlet communication hole 48a and a cooling medium outlet communication hole 48b.

凹部68aには、ターミナルプレート30a及び断熱体70が収容され、凹部68bには、ターミナルプレート30b及び断熱体70が収容される。断熱体70は、一対の導電性を有する断熱プレート72間に導電性を有する断熱部材74が挟持されて構成される。断熱プレート72は、例えば、平坦な形状を有する多孔性カーボンプレートで構成されるとともに、断熱部材74は、断面波板状の金属製のプレートで構成される。 The terminal plate 30a and the heat insulating body 70 are housed in the recess 68a, and the terminal plate 30b and the heat insulating body 70 are housed in the recess 68b. The heat insulating body 70 is configured by sandwiching a conductive heat insulating member 74 between a pair of conductive heat insulating plates 72. The heat insulating plate 72 is made of, for example, a porous carbon plate having a flat shape, and the heat insulating member 74 is made of a metal plate having a corrugated cross section.

図2に示すように、積層体28の積層方向の端部側に配設される発電セル26の電解質膜・電極構造体38(図1)は、その近傍に配設されるターミナルプレート30a、30b、エンドプレート34a、34b等を介して放熱が促され易い。このため、積層体28の積層方向の端部に配設された少なくとも1個の電解質膜・電極構造体38(図1)は、積層体28の積層方向の中央側の電解質膜・電極構造体38(図1)に比して、外気温の影響等を受けて低温となり易い。このように積層体28の積層方向の端部に配設されることで、該積層方向の中央側に比して低温となり易い少なくとも1個の電解質膜・電極構造体38(図1)を端部発電部76とする。 As shown in FIG. 2, the electrolyte membrane / electrode structure 38 (FIG. 1) of the power generation cell 26 arranged on the end side of the laminated body 28 in the stacking direction is a terminal plate 30a arranged in the vicinity thereof. Heat dissipation is likely to be promoted via 30b, end plates 34a, 34b and the like. Therefore, at least one electrolyte membrane / electrode structure 38 (FIG. 1) disposed at the end of the laminate 28 in the stacking direction is an electrolyte membrane / electrode structure on the center side in the stacking direction of the laminate 28. Compared to 38 (Fig. 1), the temperature tends to be lower due to the influence of the outside temperature and the like. By being arranged at the end of the laminated body 28 in the laminating direction in this way, at least one electrolyte membrane / electrode structure 38 (FIG. 1), which tends to have a lower temperature than the central side in the laminating direction, is end at the end. The power generation unit 76.

本実施形態では、図2に示すように、積層体28の積層方向の一端側に配設される2個の電解質膜・電極構造体38(図1)と、積層体28の積層方向の他端側に配設される2個の電解質膜・電極構造体38(図1)との合計4個から端部発電部76が構成されることとする。しかしながら、端部発電部76は、上記の4個の電解質膜・電極構造体38から構成されることに限定されるものではない。すなわち、端部発電部76は1個の電解質膜・電極構造体38を有してもよいし、4個以外の複数個の電解質膜・電極構造体38を有してもよい。なお、端部発電部76が有する電解質膜・電極構造体38の個数の上限は、積層体28を構成する電解質膜・電極構造体38の全個数の1~5%程度、又は、積層体28を構成する発電セル26の全枚数の1~5%程度であることが好ましい。 In the present embodiment, as shown in FIG. 2, the two electrolyte membrane / electrode structures 38 (FIG. 1) disposed on one end side of the laminated body 28 in the stacking direction, and the other in the stacking direction of the laminated body 28. It is assumed that the end power generation unit 76 is composed of a total of four pieces including the two electrolyte membranes / electrode structures 38 (FIG. 1) arranged on the end side. However, the end power generation unit 76 is not limited to being composed of the above-mentioned four electrolyte membrane / electrode structures 38. That is, the end power generation unit 76 may have one electrolyte membrane / electrode structure 38, or may have a plurality of electrolyte membranes / electrode structures 38 other than four. The upper limit of the number of electrolyte membranes / electrode structures 38 possessed by the end power generation unit 76 is about 1 to 5% of the total number of electrolyte membranes / electrode structures 38 constituting the laminate 28, or the laminate 28. It is preferably about 1 to 5% of the total number of power generation cells 26 constituting the above.

図1に示すように、燃料電池スタック12には、燃料ガス供給口78aと、燃料排ガス排出口78bと、酸化剤ガス供給口80aと、酸化剤排ガス排出口80bと、冷却媒体供給口82aと、冷却媒体排出口82bとが設けられる。燃料ガス供給口78aを介して燃料ガス入口連通孔46a(図2)に燃料ガスが供給される。燃料ガス入口連通孔46aに供給された燃料ガスは、燃料ガス流路54に沿って移動することにより積層体28の各発電セル26のアノード電極60(図1)に供給される。 As shown in FIG. 1, the fuel cell stack 12 includes a fuel gas supply port 78a, a fuel exhaust gas discharge port 78b, an oxidant gas supply port 80a, an oxidant exhaust gas discharge port 80b, and a cooling medium supply port 82a. , A cooling medium discharge port 82b is provided. Fuel gas is supplied to the fuel gas inlet communication hole 46a (FIG. 2) via the fuel gas supply port 78a. The fuel gas supplied to the fuel gas inlet communication hole 46a is supplied to the anode electrode 60 (FIG. 1) of each power generation cell 26 of the laminated body 28 by moving along the fuel gas flow path 54.

また、図1の酸化剤ガス供給口80aを介して図2の酸化剤ガス入口連通孔44aに酸化剤ガスが供給される。図2の酸化剤ガス入口連通孔44aに供給された酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路52に沿って移動することにより積層体28の各発電セル26のカソード電極58(図1)に供給される。燃料電池スタック12では、上記のようにして供給された燃料ガス及び酸化剤ガスが、アノード電極60及びカソード電極58での電気化学反応(発電反応)に消費されることで発電が行われる。 Further, the oxidant gas is supplied to the oxidant gas inlet communication hole 44a of FIG. 2 through the oxidant gas supply port 80a of FIG. The oxidant gas supplied to the oxidant gas inlet communication hole 44a in FIG. 2 is supplied to the cathode electrode 58 (FIG. 1) of each power generation cell 26 of the laminated body 28 by moving along the oxidant gas flow path 52. Will be done. In the fuel cell stack 12, power is generated by consuming the fuel gas and the oxidizing agent gas supplied as described above in the electrochemical reaction (power generation reaction) at the anode electrode 60 and the cathode electrode 58.

図1に示すように、燃料電池スタック12に供給された燃料ガスのうち、上記の発電反応で消費されなかった残余の燃料ガスは、燃料排ガスとして、燃料ガス出口連通孔46b(図2)から燃料排ガス排出口78bに排出される。また、燃料電池スタック12に供給された酸化剤ガスのうち、上記の発電反応で消費されなかった残余の酸化剤ガスは、酸化剤排ガスとして、酸化剤ガス出口連通孔44b(図2)から酸化剤排ガス排出口80bに排出される。 As shown in FIG. 1, of the fuel gas supplied to the fuel cell stack 12, the remaining fuel gas not consumed in the above power generation reaction is used as fuel exhaust gas from the fuel gas outlet communication hole 46b (FIG. 2). It is discharged to the fuel exhaust gas discharge port 78b. Further, of the oxidizing agent gas supplied to the fuel cell stack 12, the remaining oxidizing agent gas not consumed in the above power generation reaction is oxidized as the oxidizing agent exhaust gas from the oxidizing agent gas outlet communication hole 44b (FIG. 2). It is discharged to the agent exhaust gas discharge port 80b.

図1の冷却媒体供給口82aを介して図2の冷却媒体入口連通孔48aに冷却媒体が供給される。図2の冷却媒体入口連通孔48aに供給された冷却媒体は、積層体28の各発電セル26の冷却媒体流路50に沿って流通する。このようにして、冷却媒体流路50を流通することで各発電セル26と熱交換した後の冷却媒体は、冷却媒体出口連通孔48bから図1の冷却媒体排出口82bに排出される。 The cooling medium is supplied to the cooling medium inlet communication hole 48a of FIG. 2 through the cooling medium supply port 82a of FIG. The cooling medium supplied to the cooling medium inlet communication hole 48a in FIG. 2 flows along the cooling medium flow path 50 of each power generation cell 26 of the laminated body 28. In this way, the cooling medium after heat exchange with each power generation cell 26 by flowing through the cooling medium flow path 50 is discharged from the cooling medium outlet communication hole 48b to the cooling medium discharge port 82b of FIG.

燃料ガス給排部14は、水素タンク84と、燃料ガス供給路86と、インジェクタ88と、エゼクタ90と、燃料排ガス排出路92と、気液分離器94と、ドレイン路96と、ドレイン弁98と、気体側排出路100と、燃料ガス循環路102と、水素ポンプ104と、パージ路106と、パージ弁108とを有する。 The fuel gas supply / discharge unit 14 includes a hydrogen tank 84, a fuel gas supply path 86, an injector 88, an ejector 90, a fuel exhaust gas discharge path 92, a gas / liquid separator 94, a drain path 96, and a drain valve 98. It has a gas side discharge path 100, a fuel gas circulation path 102, a hydrogen pump 104, a purge path 106, and a purge valve 108.

水素タンク84は、燃料ガスを貯蔵し、該燃料ガスを燃料ガス供給路86に供給可能に設けられる。燃料ガス供給路86は、水素タンク84から供給された燃料ガスを燃料電池スタック12の燃料ガス供給口78a(積層体28)に導く燃料ガスの流路である。燃料ガス供給路86には、その上流側から、インジェクタ88と、エゼクタ90とがこの順に設けられ、インジェクタ88を介してエゼクタ90に燃料ガスが供給される。エゼクタ90から排出された燃料ガスは、燃料ガス供給口78aに供給される。 The hydrogen tank 84 stores the fuel gas and is provided so that the fuel gas can be supplied to the fuel gas supply path 86. The fuel gas supply path 86 is a fuel gas flow path that guides the fuel gas supplied from the hydrogen tank 84 to the fuel gas supply port 78a (stacked body 28) of the fuel cell stack 12. In the fuel gas supply path 86, an injector 88 and an ejector 90 are provided in this order from the upstream side thereof, and fuel gas is supplied to the ejector 90 via the injector 88. The fuel gas discharged from the ejector 90 is supplied to the fuel gas supply port 78a.

燃料排ガス排出路92は、燃料排ガス排出口78bから排出された燃料排ガスを気液分離器94に導く。燃料排ガスには、燃料電池スタック12で消費されなかった燃料ガスの未消費分や、カソード電極58から電解質膜56を介してアノード電極60に移動してきた水分等が含まれる。気液分離器94では、燃料排ガスを、燃料ガスの未消費分を主に含む排出ガスと、水分(液水)等を主に含む排出流体とに分離する。 The fuel exhaust gas discharge path 92 guides the fuel exhaust gas discharged from the fuel exhaust gas discharge port 78b to the gas-liquid separator 94. The fuel exhaust gas includes unconsumed fuel gas that was not consumed by the fuel cell stack 12, water that has moved from the cathode electrode 58 to the anode electrode 60 via the electrolyte membrane 56, and the like. The gas-liquid separator 94 separates the fuel exhaust gas into an exhaust gas mainly containing an unconsumed portion of the fuel gas and an exhaust fluid mainly containing water (liquid water) and the like.

排出ガスを排出する気液分離器94の気体側排出口94aには、気体側排出路100が接続されている。このため、排出ガスは、気体側排出口94aから気体側排出路100に排出される。気体側排出路100の下流側は、燃料ガス循環路102とパージ路106とに分岐する。燃料ガス循環路102の下流側はエゼクタ90に接続され、燃料ガス循環路102の途上には水素ポンプ104が設けられている。水素ポンプ104は、燃料ガス循環路102の排出ガスをエゼクタ90に送る。エゼクタ90には、上記の通りインジェクタ88を介して燃料ガスが供給されるため、排出ガスは燃料ガスとともに、燃料ガス供給口78aを介して燃料電池スタック12に供給される。 A gas-side discharge path 100 is connected to the gas-side discharge port 94a of the gas-liquid separator 94 that discharges the exhaust gas. Therefore, the exhaust gas is discharged from the gas side discharge port 94a to the gas side discharge path 100. The downstream side of the gas side discharge path 100 branches into a fuel gas circulation path 102 and a purge path 106. The downstream side of the fuel gas circulation path 102 is connected to the ejector 90, and a hydrogen pump 104 is provided in the middle of the fuel gas circulation path 102. The hydrogen pump 104 sends the exhaust gas from the fuel gas circulation path 102 to the ejector 90. Since the fuel gas is supplied to the ejector 90 via the injector 88 as described above, the exhaust gas is supplied to the fuel cell stack 12 together with the fuel gas via the fuel gas supply port 78a.

パージ路106の下流は、酸化剤ガス給排部16の後述する酸化剤排ガス排出路122に連通する。また、パージ路106の途上には、パージ弁108が設けられる。排出ガスは、必要に応じて、パージ弁108の開放作用下にパージ路106及び酸化剤排ガス排出路122を介して燃料電池システム10の外部に排出される。 The downstream of the purge path 106 communicates with the oxidant exhaust gas discharge path 122, which will be described later, of the oxidant gas supply / discharge section 16. Further, a purge valve 108 is provided in the middle of the purge path 106. The exhaust gas is discharged to the outside of the fuel cell system 10 via the purge path 106 and the oxidant exhaust gas discharge path 122 under the opening action of the purge valve 108, if necessary.

排出流体を排出する気液分離器94の液体側排出口94bには、ドレイン路96が接続されている。このため、排出流体は、液体側排出口94bからドレイン路96に排出される。ドレイン路96の下流は、酸化剤排ガス排出路122に連通する。また、ドレイン路96の途上にはドレイン弁98が設けられる。排出流体は、必要に応じて、ドレイン弁98の開放作用下にドレイン路96及び酸化剤排ガス排出路122を介して燃料電池システム10の外部に排出される。 A drain path 96 is connected to the liquid side discharge port 94b of the gas-liquid separator 94 that discharges the discharged fluid. Therefore, the discharged fluid is discharged from the liquid side discharge port 94b to the drain path 96. The downstream of the drain path 96 communicates with the oxidant exhaust gas discharge path 122. Further, a drain valve 98 is provided in the middle of the drain path 96. The discharged fluid is discharged to the outside of the fuel cell system 10 via the drain passage 96 and the oxidant exhaust gas discharge passage 122 under the opening action of the drain valve 98, if necessary.

酸化剤ガス給排部16は、エアポンプ110と、酸化剤ガス供給路112と、供給側開閉弁(入口封止弁)114と、加湿器116と、加湿バイパス路118と、加湿バイパス弁120と、酸化剤排ガス排出路122と、排出側開閉弁(出口封止弁)124と、背圧弁126と、排出側バイパス路128と、排出側バイパス弁130と、酸化剤ガス循環路132と、循環ポンプ134とを有する。 The oxidant gas supply / discharge unit 16 includes an air pump 110, an oxidant gas supply path 112, a supply side on-off valve (inlet sealing valve) 114, a humidifier 116, a humidification bypass path 118, and a humidification bypass valve 120. , Oxidizing agent exhaust gas discharge passage 122, discharge side on-off valve (outlet sealing valve) 124, back pressure valve 126, discharge side bypass passage 128, discharge side bypass valve 130, oxidant gas circulation passage 132, and circulation. It has a pump 134 and.

エアポンプ110は、大気から酸化剤ガス供給路112に酸化剤ガスとして空気を取り込み圧縮した状態でその下流側に供給する。酸化剤ガス供給路112は、エアポンプ110を介して取り込まれた酸化剤ガスを燃料電池スタック12の酸化剤ガス供給口80a(積層体28)に導く酸化剤ガスの流路である。酸化剤ガス供給路112には、その上流側から供給側開閉弁114と、加湿器116とがこの順に設けられている。 The air pump 110 takes in air as an oxidant gas from the atmosphere into the oxidant gas supply path 112 and supplies it to the downstream side in a compressed state. The oxidant gas supply path 112 is a flow path for the oxidant gas that guides the oxidant gas taken in through the air pump 110 to the oxidant gas supply port 80a (layer 28) of the fuel cell stack 12. The oxidant gas supply path 112 is provided with a supply-side on-off valve 114 and a humidifier 116 in this order from the upstream side thereof.

また、酸化剤ガス供給路112の供給側開閉弁114と加湿器116との間には、加湿バイパス路118の上流側の端部が接続されている。加湿バイパス路118の下流側の端部は、加湿バイパス路118の加湿器116の下流側と酸化剤ガス供給口80aとの間に接続されている。加湿バイパス路118には、該加湿バイパス路118を流通する空気の流量を調整する加湿バイパス弁120が配設される。なお、加湿バイパス弁120は、加湿バイパス路118を開閉する開閉弁であってもよい。 Further, an upstream end of the humidification bypass path 118 is connected between the supply-side on-off valve 114 of the oxidant gas supply path 112 and the humidifier 116. The downstream end of the humidifying bypass path 118 is connected between the downstream side of the humidifier 116 of the humidifying bypass path 118 and the oxidant gas supply port 80a. The humidifying bypass path 118 is provided with a humidifying bypass valve 120 that adjusts the flow rate of air flowing through the humidifying bypass path 118. The humidifying bypass valve 120 may be an on-off valve that opens and closes the humidifying bypass path 118.

酸化剤排ガス排出路122は、酸化剤排ガス排出口80bから排出された酸化剤排ガスが流通する酸化剤排ガスの流路である。酸化剤排ガス排出路122には、加湿器116と、排出側開閉弁124と、背圧弁126とが下流側に向かってこの順に配設される。酸化剤排ガスは、燃料電池スタック12で消費されなかった酸化剤ガスの未消費分や、発電反応によって生じる生成水等が含まれる。また、酸化剤排ガスは、発電反応によって生じる熱等によって、燃料電池スタック12に供給される前の酸化剤ガスよりも昇温している。加湿器116は、酸化剤ガス供給路112の酸化剤ガス(燃料電池スタック12に供給される前の酸化剤ガス)と、酸化剤排ガス排出路122の酸化剤排ガス(燃料電池スタック12から排出された後の酸化剤排ガス)との間で水分及び熱を交換させる。 The oxidant exhaust gas discharge path 122 is a flow path of the oxidant exhaust gas through which the oxidant exhaust gas discharged from the oxidant exhaust gas discharge port 80b flows. In the oxidant exhaust gas discharge path 122, the humidifier 116, the discharge side on-off valve 124, and the back pressure valve 126 are arranged in this order toward the downstream side. The oxidant exhaust gas includes an unconsumed portion of the oxidant gas that was not consumed in the fuel cell stack 12, water generated by the power generation reaction, and the like. Further, the oxidant exhaust gas has a higher temperature than the oxidant gas before being supplied to the fuel cell stack 12 due to heat generated by the power generation reaction or the like. The humidifier 116 is discharged from the oxidant gas of the oxidant gas supply path 112 (oxidant gas before being supplied to the fuel cell stack 12) and the oxidant exhaust gas of the oxidant exhaust gas discharge path 122 (fuel cell stack 12). Moisture and heat are exchanged with the oxidant exhaust gas after the process.

このため、加湿器116を通過した酸化剤ガスは、酸化剤排ガスによって加湿されるとともに昇温された後に、燃料電池スタック12の酸化剤ガス供給口80aに供給される。従って、加湿バイパス弁120の開度を大きくすると(弁開度を100%とすることを含む)、加湿バイパス路118を流通することで、加湿器116を介さずに酸化剤ガス供給口80aに供給される酸化剤ガスの量が増大する。すなわち、加湿器116による加湿が行われない分、乾燥した酸化剤ガスが酸化剤ガス供給口80aに供給される割合が増大する。 Therefore, the oxidant gas that has passed through the humidifier 116 is supplied to the oxidant gas supply port 80a of the fuel cell stack 12 after being humidified by the oxidant exhaust gas and raised in temperature. Therefore, when the opening degree of the humidifying bypass valve 120 is increased (including setting the valve opening degree to 100%), the oxidant gas supply port 80a is circulated through the humidifying bypass path 118 without going through the humidifying device 116. The amount of oxidant gas supplied increases. That is, the proportion of the dried oxidant gas supplied to the oxidant gas supply port 80a increases as the humidification by the humidifier 116 is not performed.

一方、加湿バイパス弁120の開度を小さくすると(弁開度を0%とすることを含む)、加湿器116を介して酸化剤ガス供給口80aに供給される酸化剤ガスの量が増大する。すなわち、加湿器116による加湿が行われる分、湿度が高い酸化剤ガスが酸化剤ガス供給口80aに供給される割合が増大する。 On the other hand, when the opening degree of the humidifying bypass valve 120 is reduced (including setting the valve opening degree to 0%), the amount of the oxidizing agent gas supplied to the oxidizing agent gas supply port 80a via the humidifier 116 increases. .. That is, the proportion of the oxidant gas having a high humidity supplied to the oxidant gas supply port 80a increases as the humidification is performed by the humidifier 116.

排出側バイパス路128は、酸化剤ガス供給路112のエアポンプ110及び供給側開閉弁114の間を、酸化剤排ガス排出路122の背圧弁126の下流側に連通させる。排出側バイパス路128には、該排出側バイパス路128を流通する酸化剤ガスの流量を調整する排出側バイパス弁130が配設される。エアポンプ110により酸化剤ガス供給路112に取り込まれた酸化剤ガスは、必要に応じて、排出側バイパス弁130が開放することで、排出側バイパス路128及び酸化剤排ガス排出路122を介して燃料電池システム10の外部に排出される。 The discharge side bypass path 128 communicates between the air pump 110 of the oxidant gas supply path 112 and the supply side on-off valve 114 to the downstream side of the back pressure valve 126 of the oxidant exhaust gas discharge path 122. The discharge-side bypass path 128 is provided with a discharge-side bypass valve 130 that regulates the flow rate of the oxidant gas flowing through the discharge-side bypass path 128. The oxidant gas taken into the oxidant gas supply path 112 by the air pump 110 is fueled through the oxidant exhaust gas discharge path 122 and the oxidant exhaust gas discharge path 122 by opening the discharge side bypass valve 130 as needed. It is discharged to the outside of the battery system 10.

酸化剤ガス循環路132は、酸化剤排ガス排出路122の加湿器116及び排出側開閉弁124の間を、酸化剤ガス供給路112の供給側開閉弁114と加湿器116との間に連通させる。酸化剤ガス循環路132には、循環ポンプ134が設けられる。加湿器116を通過した酸化剤排ガスを、循環ポンプ134が必要に応じて酸化剤ガス供給路112に送ることで、酸化剤排ガスは、酸化剤ガスとともに、加湿器116を介して酸化剤ガス供給口80aに供給される。 The oxidant gas circulation path 132 communicates between the humidifier 116 of the oxidant exhaust gas discharge path 122 and the discharge side on-off valve 124 between the supply-side on-off valve 114 of the oxidant gas supply path 112 and the humidifier 116. .. A circulation pump 134 is provided in the oxidant gas circulation path 132. The oxidant exhaust gas that has passed through the humidifier 116 is sent to the oxidant gas supply path 112 by the circulation pump 134 as needed, so that the oxidant exhaust gas is supplied together with the oxidant gas through the humidifier gas 116. It is supplied to the mouth 80a.

排出側開閉弁124の開放作用下に、排出側開閉弁124を通過した酸化剤排ガスは、背圧弁126の設定圧力に調整された状態で、酸化剤排ガス排出路122の下流側に向かう。酸化剤排ガス排出路122の下流側(酸化剤排ガス排出路122の排出側バイパス路128との接続部よりも下流側)には、燃料ガス給排部14のパージ路106及びドレイン路96が接続されている。このため、パージ弁108が開状態であるとき、パージ路106内の排出ガスは酸化剤排ガス排出路122に流入する。また、ドレイン弁98が開状態であるとき、ドレイン路96内の排出流体は酸化剤排ガス排出路122に流入する。これらの排出ガス及び排出流体は、酸化剤排ガス排出路122を流れる酸化剤排ガスによって希釈されてから燃料電池システム10の外部に排出される。 Under the opening action of the discharge side on-off valve 124, the oxidant exhaust gas that has passed through the discharge side on-off valve 124 goes to the downstream side of the oxidant exhaust gas discharge passage 122 in a state of being adjusted to the set pressure of the back pressure valve 126. The purge path 106 and the drain path 96 of the fuel gas supply / discharge section 14 are connected to the downstream side of the oxidant exhaust gas discharge path 122 (the downstream side of the connection portion of the oxidant exhaust gas discharge path 122 with the discharge side bypass path 128). Has been done. Therefore, when the purge valve 108 is in the open state, the exhaust gas in the purge path 106 flows into the oxidant exhaust gas discharge path 122. Further, when the drain valve 98 is in the open state, the exhaust fluid in the drain passage 96 flows into the oxidant exhaust gas discharge passage 122. These exhaust gas and exhaust fluid are diluted by the oxidant exhaust gas flowing through the oxidant exhaust gas discharge passage 122 and then discharged to the outside of the fuel cell system 10.

冷却媒体給排部18は、燃料電池スタック12の冷却媒体供給口82aに接続される冷却媒体供給路136と、冷却媒体排出口82bに接続される冷却媒体排出路138とを備える。冷却媒体供給路136の上流側の端部及び冷却媒体排出路138の下流側の端部には、ラジエータ140が接続される。冷却媒体供給路136の途上には水ポンプ142が設けられる。水ポンプ142を駆動することにより、燃料電池スタック12と、冷却媒体排出路138と、ラジエータ140と、冷却媒体供給路136との間で冷却媒体が循環する。 The cooling medium supply / discharge unit 18 includes a cooling medium supply path 136 connected to the cooling medium supply port 82a of the fuel cell stack 12 and a cooling medium discharge path 138 connected to the cooling medium discharge port 82b. The radiator 140 is connected to the upstream end of the cooling medium supply path 136 and the downstream end of the cooling medium discharge path 138. A water pump 142 is provided in the middle of the cooling medium supply path 136. By driving the water pump 142, the cooling medium circulates between the fuel cell stack 12, the cooling medium discharge path 138, the radiator 140, and the cooling medium supply path 136.

インピーダンス測定部20は、燃料電池スタック12の積層体28の全体のインピーダンスを測定して得られたインピーダンス測定値を制御部24に出力する。温度測定部22は、例えば、冷却媒体排出口82b近傍の冷却媒体排出路138(冷却媒体)の温度を測定して得られる温度測定値を、積層体28の温度測定値として制御部24に出力する。 The impedance measuring unit 20 measures the impedance of the entire laminated body 28 of the fuel cell stack 12 and outputs the impedance measurement value obtained to the control unit 24. The temperature measuring unit 22 outputs, for example, a temperature measured value obtained by measuring the temperature of the cooling medium discharge path 138 (cooling medium) near the cooling medium discharge port 82b to the control unit 24 as a temperature measured value of the laminated body 28. do.

なお、温度測定部22は、積層体28の温度測定値を検出可能に設けられればよいため、例えば、積層体28自体の温度を直接検出してもよい。また、温度測定部22は、冷却媒体排出路138に代えて、燃料排ガス排出路92や、酸化剤排ガス排出路122に設けられてもよい。つまり、温度測定部22は、燃料排ガス排出口78b近傍の燃料排ガスの温度測定値や、酸化剤排ガス排出口80b近傍の酸化剤排ガスの温度測定値を、積層体28の温度測定値として検出してもよい。 Since the temperature measuring unit 22 may be provided so as to be able to detect the temperature measured value of the laminated body 28, for example, the temperature of the laminated body 28 itself may be directly detected. Further, the temperature measuring unit 22 may be provided in the fuel exhaust gas discharge path 92 or the oxidant exhaust gas discharge path 122 instead of the cooling medium discharge path 138. That is, the temperature measuring unit 22 detects the temperature measured value of the fuel exhaust gas near the fuel exhaust gas discharge port 78b and the temperature measured value of the oxidant exhaust gas near the oxidant exhaust gas exhaust port 80b as the temperature measured value of the laminated body 28. You may.

制御部24は、不図示のCPUやメモリ等を備えたコンピュータとして構成され、該CPUは、制御プログラムに従って所定の演算を実行し、燃料電池システム10の運転等に関する種々の処理や制御を行う。具体的には、制御部24は、端部インピーダンス推定部144と、含水制御部146とを有する。端部インピーダンス推定部144は、インピーダンス測定部20で検出された積層体28の全体のインピーダンス測定値と、温度測定部22で検出された積層体28の温度測定値とを用いて、積層体28の端部発電部76のインピーダンスの推定値(以下、単に推定値ともいう)を求める。 The control unit 24 is configured as a computer equipped with a CPU (not shown), a memory, or the like, and the CPU executes a predetermined calculation according to a control program, and performs various processes and controls related to the operation of the fuel cell system 10. Specifically, the control unit 24 has an end impedance estimation unit 144 and a water content control unit 146. The end impedance estimation unit 144 uses the overall impedance measurement value of the laminate 28 detected by the impedance measurement unit 20 and the temperature measurement value of the laminate 28 detected by the temperature measurement unit 22, and the laminate 28 is used. The estimated value of the impedance of the end power generation unit 76 (hereinafter, also simply referred to as an estimated value) is obtained.

推定値を求める方法の一例として、端部インピーダンス推定部144は、実験やシミュレーション等によって予め求められた、積層体28の全体のインピーダンスと、積層体28の温度と、積層体28の全体のインピーダンス及び端部発電部76のインピーダンスの差分(以下、単に「差分」ともいう)と、の関係を用いる。この関係に基づき、先ず、インピーダンス測定部20で得られたインピーダンス測定値及び温度測定部22で得られた温度測定値に対応する差分を求める。 As an example of the method of obtaining the estimated value, the end impedance estimation unit 144 has the total impedance of the laminated body 28, the temperature of the laminated body 28, and the total impedance of the laminated body 28 obtained in advance by experiments, simulations, and the like. And the impedance difference of the end power generation unit 76 (hereinafter, also simply referred to as “difference”) and the relationship are used. Based on this relationship, first, the difference corresponding to the impedance measurement value obtained by the impedance measurement unit 20 and the temperature measurement value obtained by the temperature measurement unit 22 is obtained.

本実施形態では、上記の関係を、図3に示すように、積層体28の温度に応じた差分を、例えば、A~Cの積層体28の全体のインピーダンスごとに示したマップMの形式で、制御部24が備える不図示の記憶部に記憶することとする。A、B、Cは、例えば、所定の間隔でこの順に大きくなり、燃料電池システム10の運転時に、積層体28の全体のインピーダンスが取り得る範囲内で設定される。なお、図3では、A~Cの3個の積層体28の全体のインピーダンスごとに、積層体28の温度に応じた差分を示すこととしたが、3個以上又は3個未満の積層体28の全体のインピーダンスごとに、積層体28の温度に応じた差分を示すこととしてもよい。 In the present embodiment, as shown in FIG. 3, the above relationship is shown in the form of a map M in which the difference depending on the temperature of the laminated body 28 is shown, for example, for each impedance of the entire laminated body 28 of A to C. , It is stored in a storage unit (not shown) provided in the control unit 24. A, B, and C increase, for example, in this order at predetermined intervals, and are set within a range in which the impedance of the entire laminated body 28 can be taken during the operation of the fuel cell system 10. In addition, in FIG. 3, it was decided to show the difference according to the temperature of the laminated body 28 for each impedance of the whole of the three laminated bodies 28 of A to C, but the laminated body 28 having 3 or more or less than 3 is shown. It is also possible to show the difference according to the temperature of the laminated body 28 for each impedance of the whole.

なお、記憶部は、上記の関係を図3に示すマップMの形式で記憶することに代えて、例えば、上記の関係を関数の形式で記憶してもよい。また、端部インピーダンス推定部144は、上記の関係を記憶部に記憶することに代えて、例えば、燃料電池システム10の外部から取得するようにしてもよい。 In addition, instead of storing the above relationship in the form of the map M shown in FIG. 3, the storage unit may store the above relationship in the form of a function, for example. Further, the end impedance estimation unit 144 may acquire the above relationship from the outside of the fuel cell system 10, for example, instead of storing the above relationship in the storage unit.

次に、端部インピーダンス推定部144は、インピーダンス測定部20で得られたインピーダンス測定値から、上記のようにして求めた差分を引いた値を端部発電部76が有する電解質膜・電極構造体38の個数(本実施形態では4個)で除す。これによって、端部発電部76のインピーダンスの推定値を求めることができる。すなわち、ここでの推定値は、端部発電部76が有する電解質膜・電極構造体38の平均のインピーダンスに相当するが、特にこれには限定されない。 Next, the end impedance estimation unit 144 has an electrolyte film / electrode structure in which the end power generation unit 76 has a value obtained by subtracting the difference obtained as described above from the impedance measurement value obtained by the impedance measurement unit 20. Divide by the number of 38 (4 in this embodiment). This makes it possible to obtain an estimated value of the impedance of the end power generation unit 76. That is, the estimated value here corresponds to, but is not limited to, the average impedance of the electrolyte membrane / electrode structure 38 possessed by the end power generation unit 76.

含水制御部146は、端部インピーダンス推定部144で得られた推定値に基づいて、積層体28の含水量を制御する。積層体28の全体のインピーダンスは、積層体28(電解質膜56)の含水量が低下して乾燥傾向となると上昇し、積層体28の含水量が上昇して湿潤傾向となると低下する。このため、含水制御部146は、推定値に基づき、例えば、燃料電池システム10が置かれた環境の温度や、燃料電池システム10の運転状況や、積層体28の温度等に応じた適切な大きさとなるように積層体28の含水量を制御する。これによって、電解質膜56を、プロトン伝導を良好に生じさせることが可能な湿潤状態に維持したり、カソード電極58やアノード電極60における滞留水の発生を抑制したり、外気温が氷点下である場合等における積層体28内の水分の凍結を抑制したりすることが可能になる。 The water content control unit 146 controls the water content of the laminated body 28 based on the estimated value obtained by the end impedance estimation unit 144. The overall impedance of the laminated body 28 increases when the water content of the laminated body 28 (electrolyte film 56) decreases and tends to dry, and decreases when the water content of the laminated body 28 increases and tends to become wet. Therefore, the water-containing control unit 146 has an appropriate size based on the estimated value, for example, according to the temperature of the environment in which the fuel cell system 10 is placed, the operating condition of the fuel cell system 10, the temperature of the laminated body 28, and the like. The water content of the laminated body 28 is controlled so as to be. As a result, the electrolyte membrane 56 is maintained in a wet state capable of producing good proton conduction, the generation of stagnant water in the cathode electrode 58 and the anode electrode 60 is suppressed, and the outside temperature is below freezing point. It becomes possible to suppress the freezing of the water content in the laminated body 28 in the above.

本実施形態では、含水制御部146は、積層体28の含水量を低下させる制御を行う場合には、加湿バイパス弁120を開く方向に動作させ(加湿バイパス弁120の開度を大きくし)、積層体28の含水量を増大させる制御を行う場合には、加湿バイパス弁120を閉じる方向に動作させる(加湿バイパス弁120の開度を小さくする)。 In the present embodiment, the water content control unit 146 operates in the direction of opening the humidification bypass valve 120 (increasing the opening degree of the humidification bypass valve 120) when controlling to reduce the water content of the laminated body 28. When controlling to increase the water content of the laminated body 28, the humidifying bypass valve 120 is operated in the closing direction (the opening degree of the humidifying bypass valve 120 is reduced).

基本的には、上記のように構成される燃料電池システム10の制御方法について、図4も併せて参照しつつ説明する。 Basically, the control method of the fuel cell system 10 configured as described above will be described with reference to FIG.

例えば、不図示ではあるが、燃料電池システム10を搭載する燃料電池車両のイグニッションスイッチ(IG)がオンされると、燃料電池システム10を所定の動作温度まで暖機するための暖機運転が開始される。これとともに、インピーダンス測定部20により、積層体28の全体のインピーダンス測定値を得るインピーダンス測定工程と、温度測定部22により、積層体28の温度測定値を得る温度測定工程とを行う(図4のステップS1)。 For example, although not shown, when the ignition switch (IG) of the fuel cell vehicle equipped with the fuel cell system 10 is turned on, a warm-up operation for warming up the fuel cell system 10 to a predetermined operating temperature starts. Will be done. At the same time, the impedance measuring unit 20 performs an impedance measuring step of obtaining the overall impedance measured value of the laminated body 28, and the temperature measuring unit 22 performs a temperature measuring step of obtaining the temperature measured value of the laminated body 28 (FIG. 4). Step S1).

次に、図4のステップS2に示すように、インピーダンス測定値と温度測定値とを用いて、端部インピーダンス推定部144により、端部発電部76のインピーダンスの推定値を求める端部インピーダンス推定工程を行う。 Next, as shown in step S2 of FIG. 4, an end impedance estimation step of obtaining an estimated value of the impedance of the end power generation unit 76 by the end impedance estimation unit 144 using the impedance measurement value and the temperature measurement value. I do.

例えば、端部インピーダンス推定工程では、端部インピーダンス推定部144は、図3のマップMのA~Cから、インピーダンス測定部20で得られたインピーダンス測定値に対応する1個を選択する。そして、選択した積層体28の全体のインピーダンスに応じた、積層体28の温度と差分との関係から、温度測定部22で得られた温度測定値に対応する差分を検出する。次に、インピーダンス測定部20で得られた積層体28の全体のインピーダンス測定値から、上記のようにして求めた差分を減じた値を、端部発電部76が有する電解質膜・電極構造体38の個数である4で除す。これによって、端部発電部76のインピーダンスの推定値が求められる。 For example, in the end impedance estimation step, the end impedance estimation unit 144 selects one from A to C of the map M in FIG. 3 corresponding to the impedance measurement value obtained by the impedance measurement unit 20. Then, from the relationship between the temperature and the difference of the laminated body 28 according to the overall impedance of the selected laminated body 28, the difference corresponding to the temperature measured value obtained by the temperature measuring unit 22 is detected. Next, the electrolyte film / electrode structure 38 of the end power generation unit 76 is obtained by subtracting the difference obtained as described above from the overall impedance measurement value of the laminated body 28 obtained by the impedance measurement unit 20. Divide by 4, which is the number of. As a result, an estimated value of the impedance of the end power generation unit 76 can be obtained.

次に、図4のステップS3に示すように、端部インピーダンス推定工程で求めた端部発電部76のインピーダンスの推定値に基づいて、含水制御部146により積層体28の含水量を制御する含水制御工程を行う。 Next, as shown in step S3 of FIG. 4, the water content in which the water content of the laminated body 28 is controlled by the water content control unit 146 based on the estimated value of the impedance of the end power generation unit 76 obtained in the end impedance estimation step. Perform the control process.

例えば、この含水制御工程では、含水制御部146は、推定値と、予め定められた所定の閾値とを比較し、推定値が閾値よりも大きいときには、積層体28が乾燥傾向にあると判断し、加湿バイパス弁120の開度を小さくする。これによって、加湿器116で加湿された後に酸化剤ガス供給口80aに供給される酸化剤ガスの量が増大するため、積層体28の含水量を増大させる加湿制御が行われる。 For example, in this water content control step, the water content control unit 146 compares the estimated value with a predetermined threshold value, and when the estimated value is larger than the threshold value, determines that the laminated body 28 tends to dry. , The opening degree of the humidification bypass valve 120 is reduced. As a result, the amount of the oxidant gas supplied to the oxidant gas supply port 80a after being humidified by the humidifier 116 increases, so that humidification control for increasing the water content of the laminate 28 is performed.

一方、推定値が閾値以下であるときには、積層体28が過加湿傾向にあると判断し、加湿バイパス弁120の開度を大きくする。これによって、加湿器116で加湿されずに酸化剤ガス供給口80aに供給される酸化剤ガスの量が増大するため、積層体28の含水量を低減させる乾燥制御が行われる。 On the other hand, when the estimated value is equal to or less than the threshold value, it is determined that the laminated body 28 tends to be over-humidified, and the opening degree of the humidification bypass valve 120 is increased. As a result, the amount of the oxidant gas supplied to the oxidant gas supply port 80a without being humidified by the humidifier 116 increases, so that drying control is performed to reduce the water content of the laminate 28.

上記のステップS1~ステップS3までの各工程を、例えば、燃料電池スタック12での電気化学反応等により、燃料電池システム10が所定の動作温度に昇温するまで繰り返した後、図4のフローチャートを終了する。なお、上記のステップS1~ステップS3までの各工程を、燃料電池車両のIGをオフするまで繰り返し行った後に図4のフローチャートを終了してもよい。 After repeating each of the above steps S1 to S3 until the fuel cell system 10 rises to a predetermined operating temperature by, for example, an electrochemical reaction in the fuel cell stack 12, the flowchart of FIG. 4 is shown. finish. The flowchart of FIG. 4 may be terminated after each step from step S1 to step S3 is repeated until the IG of the fuel cell vehicle is turned off.

以上から、本実施形態に係る燃料電池システム10及びその制御方法では、積層体28の全体のインピーダンス測定値及び温度測定値を用いて、端部発電部76のインピーダンスの推定値を求め、該推定値に基づいて積層体28の含水量を制御する。このため、端部発電部76が、例えば、積層体28の中央側よりも低温となっているような場合であっても、端部発電部76の含水量が過剰となることを抑制できる。 From the above, in the fuel cell system 10 and the control method thereof according to the present embodiment, the estimated value of the impedance of the end power generation unit 76 is obtained by using the measured impedance value and the temperature measured value of the entire laminated body 28, and the estimated value is obtained. The water content of the laminate 28 is controlled based on the value. Therefore, even when the temperature of the end power generation unit 76 is lower than that of the central side of the laminated body 28, for example, it is possible to prevent the end power generation unit 76 from having an excessive water content.

すなわち、例えば、積層体28の端部発電部76のインピーダンスが所定の閾値以下であるにも関わらず、積層体28の中央部又は積層体28の全体のインピーダンスが所定の閾値よりも大きいことで、含水制御部146による乾燥制御を終了する事態が生じることを回避できる。その結果、積層体28の端部発電部76に滞留水が生じること等を効果的に抑制できるため、端部発電部76の電解質膜56の劣化を抑制したり、端部発電部76における反応ガスの拡散性が阻害されることを抑制したりできる。つまり、積層体28の含水量を適切に制御して、燃料電池システム10の発電安定性を良好に維持することが可能となる。 That is, for example, even though the impedance of the end power generation unit 76 of the laminated body 28 is equal to or less than a predetermined threshold value, the impedance of the central portion of the laminated body 28 or the entire laminated body 28 is larger than the predetermined threshold value. , It is possible to avoid the situation where the drying control by the water content control unit 146 is terminated. As a result, it is possible to effectively suppress the generation of stagnant water in the end power generation unit 76 of the laminated body 28, so that deterioration of the electrolyte membrane 56 of the end power generation unit 76 can be suppressed, or the reaction in the end power generation unit 76 can be suppressed. It is possible to suppress the inhibition of gas diffusivity. That is, it is possible to appropriately control the water content of the laminated body 28 to maintain good power generation stability of the fuel cell system 10.

上記の実施形態に係る燃料電池システム10では、端部インピーダンス推定部144は、積層体28のインピーダンスと、積層体28の温度と、積層体28のインピーダンス及び端部発電部76のインピーダンスの差分との関係に基づき、インピーダンス測定値及び温度測定値に対応する差分を求め、インピーダンス測定値から差分を引いた値を端部発電部76が有する電解質膜・電極構造体38の個数で除すことで推定値を求めることとした。 In the fuel cell system 10 according to the above embodiment, the end impedance estimation unit 144 determines the impedance of the laminate 28, the temperature of the laminate 28, the impedance of the laminate 28, and the difference between the impedances of the end power generation unit 76. Based on the above relationship, the difference corresponding to the impedance measurement value and the temperature measurement value is obtained, and the value obtained by subtracting the difference from the impedance measurement value is divided by the number of the electrolyte membrane / electrode structure 38 of the end power generation unit 76. We decided to obtain an estimated value.

また、上記の実施形態に係る燃料電池システム10の制御方法では、端部インピーダンス推定工程では、積層体28のインピーダンスと、積層体28の温度と、積層体28のインピーダンス及び端部発電部76のインピーダンスの差分との関係に基づき、インピーダンス測定値及び温度測定値に対応する差分を求め、インピーダンス測定値から差分を引いた値を端部発電部76が有する電解質膜・電極構造体38の個数で除すことで推定値を求めることとした。 Further, in the control method of the fuel cell system 10 according to the above embodiment, in the end impedance estimation step, the impedance of the laminate 28, the temperature of the laminate 28, the impedance of the laminate 28, and the end power generation unit 76 Based on the relationship with the impedance difference, the difference corresponding to the impedance measurement value and the temperature measurement value is obtained, and the value obtained by subtracting the difference from the impedance measurement value is the number of the electrolyte membrane / electrode structure 38 possessed by the end power generation unit 76. It was decided to obtain the estimated value by dividing.

これらの場合、上記の関係を、実験やシミュレーション等によって予め求めておくことで、インピーダンス推定値を容易に求めることができ、該インピーダンス推定値に基づき積層体28の含水量を精度良く制御することができる。その結果、燃料電池システム10の発電安定性を簡単な構成で良好に維持することが可能となる。なお、推定値を得る方法は特に限定されるものではない。 In these cases, the impedance estimation value can be easily obtained by obtaining the above relationship in advance by experiments, simulations, etc., and the water content of the laminated body 28 can be accurately controlled based on the impedance estimation value. Can be done. As a result, the power generation stability of the fuel cell system 10 can be well maintained with a simple configuration. The method for obtaining the estimated value is not particularly limited.

上記の実施形態に係る燃料電池システム10では、積層体28に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路112と、酸化剤ガス供給路112に設けられ、酸化剤ガスを加湿する加湿器116と、酸化剤ガス供給路112に設けられ、加湿器116をバイパスすることで、加湿前の酸化剤ガスを加湿器116の下流側に供給する加湿バイパス路118と、加湿バイパス路118を開閉する加湿バイパス弁120と、を備え、含水制御部146は、含水量を低下させる場合には、加湿バイパス弁120を開く方向に動作させ、含水量を増大させる場合には、加湿バイパス弁120を閉じる方向に動作させることとした。 In the fuel cell system 10 according to the above embodiment, the oxidant gas supply path 112 for supplying the oxidant gas to the laminate 28 and the humidifier 116 provided in the oxidant gas supply path 112 to humidify the oxidant gas. , A humidification bypass path 118 that is provided in the oxidant gas supply path 112 and supplies the oxidant gas before humidification to the downstream side of the humidifier 116 by bypassing the humidifier 116, and a humidification bypass path 118 that opens and closes the humidification bypass path 118. A bypass valve 120 is provided, and the water content control unit 146 operates in the direction of opening the humidification bypass valve 120 when the water content is decreased, and in the direction of closing the humidification bypass valve 120 when the water content is increased. I decided to operate it.

また、上記の実施形態に係る燃料電池システム10の制御方法では、燃料電池システム10は、積層体28に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路112と、酸化剤ガス供給路112に設けられ、酸化剤ガスを加湿する加湿器116と、酸化剤ガス供給路112に設けられ、加湿器116をバイパスすることで、加湿前の酸化剤ガスを加湿器116の下流側に供給する加湿バイパス路118と、加湿バイパス路118を開閉する加湿バイパス弁120と、を備え、含水制御工程では、含水量を低下させる場合には、加湿バイパス弁120を開く方向に動作させ、含水量を増大させる場合には、加湿バイパス弁120を閉じる方向に動作させることとした。 Further, in the control method of the fuel cell system 10 according to the above embodiment, the fuel cell system 10 is provided in the oxidant gas supply path 112 for supplying the oxidant gas to the laminate 28 and the oxidant gas supply path 112. , A humidifying bypass path provided in the oxidizing agent gas supply path 112 and a humidifying device 116 for humidifying the oxidizing agent gas, and supplying the oxidizing agent gas before humidification to the downstream side of the humidifying device 116 by bypassing the humidifying device 116. A humidifying bypass valve 120 that opens and closes the humidifying bypass path 118 is provided, and in the water content control step, when the water content is decreased, the humidifying bypass valve 120 is operated in the opening direction to increase the water content. It was decided to operate the humidification bypass valve 120 in the closing direction.

これらの場合、含水制御部146によって、加湿バイパス弁120を開閉する簡単な構成によって、積層体28の含水量を容易に調整することが可能となる。 In these cases, the water content control unit 146 makes it possible to easily adjust the water content of the laminated body 28 by a simple configuration for opening and closing the humidification bypass valve 120.

上記の実施形態に係る燃料電池システム10では、含水制御部146は、少なくとも、積層体28(燃料電池システム10)の起動開始から、積層体28が所定の動作温度に達するまでの間、推定値に基づいて、積層体28の含水量を制御することとした。 In the fuel cell system 10 according to the above embodiment, the water content control unit 146 is estimated to be at least from the start of the start-up of the laminate 28 (fuel cell system 10) until the laminate 28 reaches a predetermined operating temperature. Based on the above, it was decided to control the water content of the laminated body 28.

また、上記の実施形態に係る燃料電池システム10の制御方法では、含水制御工程は、少なくとも、積層体28(燃料電池システム10)の起動開始から、積層体28が所定の動作温度に達するまでの間に行われることとした。 Further, in the control method of the fuel cell system 10 according to the above embodiment, the water content control step is at least from the start of the start-up of the laminated body 28 (fuel cell system 10) to the time when the laminated body 28 reaches a predetermined operating temperature. It was decided to be done in the meantime.

特に、積層体28の起動を開始してから、積層体28が所定の動作温度に達するまでの期間は、端部発電部76と積層体28の中央部との間で、インピーダンスの差が大きくなり易い傾向にある。このため、上記の期間に、含水制御部146による含水制御工程を行うことで、端部発電部76に滞留水が生じることを効果的に抑制することができる。ひいては、燃料電池システム10の発電安定性を良好に維持することが可能となる。 In particular, during the period from the start of the start-up of the laminated body 28 until the laminated body 28 reaches a predetermined operating temperature, the difference in impedance between the end power generation unit 76 and the central portion of the laminated body 28 is large. It tends to be easy. Therefore, by performing the water content control step by the water content control unit 146 during the above period, it is possible to effectively suppress the generation of stagnant water in the end power generation unit 76. As a result, it becomes possible to maintain good power generation stability of the fuel cell system 10.

また、例えば、氷点下等の低温環境下で燃料電池システム10を起動する場合、外気温の影響を受けて、端部発電部76の温度は、積層体28の中央部の電解質膜・電極構造体38の温度よりも低くなり易い。このため、端部発電部76では、結露が生じて含水量が過剰になり易い。端部発電部76の含水量が過剰となると、端部発電部76内の水分が凍結する懸念がある。このような場合であっても、上記の通り、端部発電部76のインピーダンスの推定値に基づいて積層体28の含水量を制御することで、端部発電部76の含水量を適切に維持することができる。これによって、水分の凍結等を抑制できるため、燃料電池システム10の発電安定性や耐久性を良好に維持することができる。 Further, for example, when the fuel cell system 10 is started in a low temperature environment such as below freezing point, the temperature of the end power generation unit 76 is affected by the outside temperature, and the temperature of the end power generation unit 76 is the electrolyte film / electrode structure in the central portion of the laminate 28. It tends to be lower than the temperature of 38. Therefore, in the end power generation unit 76, dew condensation tends to occur and the water content tends to be excessive. If the water content of the end power generation unit 76 becomes excessive, there is a concern that the water content in the end power generation unit 76 may freeze. Even in such a case, as described above, the water content of the end power generation unit 76 is appropriately maintained by controlling the water content of the laminated body 28 based on the estimated value of the impedance of the end power generation unit 76. can do. As a result, it is possible to suppress freezing of water and the like, so that the power generation stability and durability of the fuel cell system 10 can be maintained satisfactorily.

本発明は、上記した実施形態に特に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。 The present invention is not particularly limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the gist thereof.

上記の実施形態では、含水制御部146は、積層体28の含水量を低下させる制御を行う場合には、加湿バイパス弁120を開く方向に動作させ、積層体28の含水量を増大させる制御を行う場合には、加湿バイパス弁120を閉じる方向に動作させることとした。しかしながら、含水制御部146によって積層体28の含水量を制御する方法は、特にこれに限定されるものではない。 In the above embodiment, the water content control unit 146 operates in the direction of opening the humidification bypass valve 120 when controlling to reduce the water content of the laminated body 28, and controls to increase the water content of the laminated body 28. When doing so, it was decided to operate the humidification bypass valve 120 in the closing direction. However, the method of controlling the water content of the laminated body 28 by the water content control unit 146 is not particularly limited to this.

例えば、図1に示すように、エアポンプ110の回転数や、背圧弁126の開度を調整し、燃料電池スタック12内の酸化剤ガスの圧力を制御することによって、積層体28の含水量を制御してもよい。この場合、例えば、エアポンプ110の回転数を上げたり、背圧弁126の開度を小さくしたりすること等によって、燃料電池スタック12内の酸化剤ガスの圧力を増大させると、酸化剤ガスに含まれる水蒸気が凝縮し易くなり、これによって生成された凝縮水によって積層体28の含水量を増大させることができる。これとは逆に、エアポンプ110の回転数を下げたり、背圧弁126の開度を大きくしたりすることで、積層体28の含水量を低減させることができる。 For example, as shown in FIG. 1, the water content of the laminated body 28 is adjusted by adjusting the rotation speed of the air pump 110 and the opening degree of the back pressure valve 126 to control the pressure of the oxidant gas in the fuel cell stack 12. You may control it. In this case, if the pressure of the oxidant gas in the fuel cell stack 12 is increased by, for example, increasing the rotation speed of the air pump 110 or reducing the opening degree of the back pressure valve 126, it is included in the oxidant gas. The water vapor is easily condensed, and the condensed water generated thereby can increase the water content of the laminate 28. On the contrary, the water content of the laminated body 28 can be reduced by lowering the rotation speed of the air pump 110 or increasing the opening degree of the back pressure valve 126.

また、例えば、水ポンプ142の回転数を調整して、燃料電池スタック12の冷却媒体流路50を流通する冷却媒体の流量を制御することによって、積層体28の含水量を制御してもよい。例えば、積層体28の温度が冷却媒体より低い場合には、冷却媒体流路50を流通する冷却媒体の流量を増大させることで、積層体28の温度上昇を促すことができる。ひいては、結露の発生を抑制して、積層体28の含水量を低減させることができる。 Further, for example, the water content of the laminated body 28 may be controlled by adjusting the rotation speed of the water pump 142 to control the flow rate of the cooling medium flowing through the cooling medium flow path 50 of the fuel cell stack 12. .. For example, when the temperature of the laminated body 28 is lower than that of the cooling medium, the temperature of the laminated body 28 can be promoted by increasing the flow rate of the cooling medium flowing through the cooling medium flow path 50. As a result, the occurrence of dew condensation can be suppressed and the water content of the laminated body 28 can be reduced.

10…燃料電池システム 20…インピーダンス測定部
22…温度測定部 26…発電セル
28…積層体 36…第1セパレータ
38…電解質膜・電極構造体 40…第2セパレータ
42…第3セパレータ 56…電解質膜
58…カソード電極 60…アノード電極
76…端部発電部 112…酸化剤ガス供給路
116…加湿器 118…加湿バイパス路
120…加湿バイパス弁 144…端部インピーダンス推定部
146…含水制御部
10 ... Fuel cell system 20 ... Impedance measuring unit 22 ... Temperature measuring unit 26 ... Power generation cell 28 ... Laminated body 36 ... First separator 38 ... Electrolyte film / electrode structure 40 ... Second separator 42 ... Third separator 56 ... Electrolyte film 58 ... Cathode electrode 60 ... Anode electrode 76 ... End power generation unit 112 ... Oxidizing agent gas supply path 116 ... Humidifier 118 ... Humidity bypass path 120 ... Humidity bypass valve 144 ... End impedance estimation unit 146 ... Water content control unit

Claims (8)

電解質膜がアノード電極及びカソード電極で挟まれた電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の両側に配設されたセパレータとを有する発電セルを複数積層した積層体を備え、前記アノード電極に燃料ガスが供給されるとともに前記カソード電極に酸化剤ガスが供給されることで発電する燃料電池システムであって、
前記積層体のインピーダンス測定値を得るインピーダンス測定部と、
前記積層体の温度測定値を得る温度測定部と、
前記インピーダンス測定値と前記温度測定値とを用いて、前記積層体の積層方向の端部に配設された少なくとも1個の前記電解質膜・電極構造体を有する端部発電部のインピーダンスの推定値を求める端部インピーダンス推定部と、
前記推定値に基づいて、前記積層体の含水量を制御する含水制御部と、
を備える燃料電池システム。
A laminate comprising a plurality of power generation cells having an electrolyte membrane / electrode structure in which an electrolyte membrane is sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode and separators arranged on both sides of the electrolyte membrane / electrode structure is provided. A fuel cell system that generates power by supplying fuel gas to the anode electrode and supplying oxidant gas to the cathode electrode.
An impedance measuring unit that obtains the impedance measured value of the laminated body, and
A temperature measuring unit that obtains the temperature measured value of the laminated body, and
Using the impedance measurement value and the temperature measurement value, an estimated value of the impedance of the end power generation unit having at least one electrolyte film / electrode structure disposed at the end portion of the laminate in the stacking direction. The end impedance estimation unit that obtains
A water content control unit that controls the water content of the laminate based on the estimated value,
A fuel cell system equipped with.
請求項1記載の燃料電池システムにおいて、
前記端部インピーダンス推定部は、前記積層体のインピーダンスと、前記積層体の温度と、前記積層体のインピーダンス及び前記端部発電部のインピーダンスの差分との関係に基づき、前記インピーダンス測定値及び前記温度測定値に対応する前記差分を求め、前記インピーダンス測定値から前記差分を引いた値を前記端部発電部が有する前記電解質膜・電極構造体の個数で除すことで前記推定値を求める、燃料電池システム。
In the fuel cell system according to claim 1,
The end impedance estimation unit has the impedance measurement value and the temperature based on the relationship between the impedance of the laminate, the temperature of the laminate, the impedance of the laminate, and the impedance of the end power generation unit. The fuel corresponding to the measured value is obtained, and the estimated value is obtained by dividing the value obtained by subtracting the difference from the impedance measured value by the number of the electrolyte membrane / electrode structure possessed by the end power generation unit. Battery system.
請求項1又は2記載の燃料電池システムにおいて、
前記積層体に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路と、
前記酸化剤ガス供給路に設けられ、前記酸化剤ガスを加湿する加湿器と、
前記酸化剤ガス供給路に設けられ、前記加湿器をバイパスすることで、加湿前の前記酸化剤ガスを前記加湿器の下流側に供給する加湿バイパス路と、
前記加湿バイパス路を開閉する加湿バイパス弁と、
を備え、
前記含水制御部は、前記含水量を低下させる場合には、前記加湿バイパス弁を開く方向に動作させ、前記含水量を増大させる場合には、前記加湿バイパス弁を閉じる方向に動作させる、燃料電池システム。
In the fuel cell system according to claim 1 or 2.
An oxidant gas supply path for supplying the oxidant gas to the laminate,
A humidifier provided in the oxidant gas supply path to humidify the oxidant gas, and
A humidification bypass path provided in the oxidant gas supply path and bypassing the humidifier to supply the oxidant gas before humidification to the downstream side of the humidifier.
A humidifying bypass valve that opens and closes the humidifying bypass path,
Equipped with
The water content control unit operates in the direction of opening the humidification bypass valve when the water content is decreased, and operates in the direction of closing the humidification bypass valve when the water content is increased. system.
請求項1~3の何れか1項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記含水制御部は、少なくとも、前記積層体の起動開始から、前記積層体が所定の動作温度に達するまでの間、前記推定値に基づいて、前記積層体の含水量を制御する、燃料電池システム。
In the fuel cell system according to any one of claims 1 to 3.
The water content control unit controls the water content of the laminate based on the estimated value, at least from the start of activation of the laminate until the laminate reaches a predetermined operating temperature. ..
電解質膜がアノード電極及びカソード電極で挟まれた電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の両側に配設されたセパレータとを有する発電セルを複数積層した積層体を備え、前記アノード電極に燃料ガスが供給されるとともに前記カソード電極に酸化剤ガスが供給されることで発電する燃料電池システムの制御方法であって、
前記積層体のインピーダンス測定値を得るインピーダンス測定工程と、
前記積層体の温度測定値を得る温度測定工程と、
前記インピーダンス測定値と前記温度測定値とを用いて、前記積層体の積層方向の端部に配設された少なくとも1個の前記電解質膜・電極構造体を有する端部発電部のインピーダンスの推定値を求める端部インピーダンス推定工程と、
前記推定値に基づいて、前記積層体の含水量を制御する含水制御工程と、
を有する燃料電池システムの制御方法。
A laminate comprising a plurality of power generation cells having an electrolyte membrane / electrode structure in which an electrolyte membrane is sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode and separators arranged on both sides of the electrolyte membrane / electrode structure is provided. It is a control method of a fuel cell system that generates power by supplying fuel gas to the anode electrode and supplying oxidant gas to the cathode electrode.
An impedance measurement step for obtaining an impedance measurement value of the laminate, and
A temperature measurement step for obtaining a temperature measurement value of the laminate, and
Using the impedance measurement value and the temperature measurement value, an estimated value of the impedance of the end power generation unit having at least one electrolyte film / electrode structure disposed at the end portion of the laminate in the stacking direction. The end impedance estimation process to obtain
A water content control step for controlling the water content of the laminate based on the estimated value, and
How to control a fuel cell system.
請求項5記載の燃料電池システムの制御方法において、
前記端部インピーダンス推定工程では、前記積層体のインピーダンスと、前記積層体の温度と、前記積層体のインピーダンス及び前記端部発電部のインピーダンスの差分との関係に基づき、前記インピーダンス測定値及び前記温度測定値に対応する前記差分を求め、前記インピーダンス測定値から前記差分を引いた値を前記端部発電部が有する前記電解質膜・電極構造体の個数で除すことで前記推定値を求める、燃料電池システムの制御方法。
In the control method of the fuel cell system according to claim 5,
In the end impedance estimation step, the impedance measurement value and the temperature are based on the relationship between the impedance of the laminate, the temperature of the laminate, the impedance of the laminate, and the impedance of the end power generation unit. The fuel corresponding to the measured value is obtained, and the estimated value is obtained by dividing the value obtained by subtracting the difference from the impedance measured value by the number of the electrolyte membrane / electrode structure possessed by the end power generation unit. How to control the battery system.
請求項5又は6記載の燃料電池システムの制御方法において、
前記燃料電池システムは、
前記積層体に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路と、
前記酸化剤ガス供給路に設けられ、前記酸化剤ガスを加湿する加湿器と、
前記酸化剤ガス供給路に設けられ、前記加湿器をバイパスすることで、加湿前の前記酸化剤ガスを前記加湿器の下流側に供給する加湿バイパス路と、
前記加湿バイパス路を開閉する加湿バイパス弁と、
を備え、
前記含水制御工程では、前記含水量を低下させる場合には、前記加湿バイパス弁を開く方向に動作させ、前記含水量を増大させる場合には、前記加湿バイパス弁を閉じる方向に動作させる、燃料電池システムの制御方法。
In the control method of the fuel cell system according to claim 5 or 6.
The fuel cell system is
An oxidant gas supply path for supplying the oxidant gas to the laminate,
A humidifier provided in the oxidant gas supply path to humidify the oxidant gas, and
A humidification bypass path provided in the oxidant gas supply path and bypassing the humidifier to supply the oxidant gas before humidification to the downstream side of the humidifier.
A humidifying bypass valve that opens and closes the humidifying bypass path,
Equipped with
In the water content control step, the fuel cell is operated in the direction of opening the humidification bypass valve when the water content is decreased, and is operated in the direction of closing the humidification bypass valve when the water content is increased. How to control the system.
請求項5~7の何れか1項に記載の燃料電池システムの制御方法において、
前記含水制御工程は、少なくとも、前記積層体の起動開始から、前記積層体が所定の動作温度に達するまでの間に行われる、燃料電池システムの制御方法。
The method for controlling a fuel cell system according to any one of claims 5 to 7.
The water content control step is a method for controlling a fuel cell system, which is performed at least from the start of activation of the laminate to the time when the laminate reaches a predetermined operating temperature.
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