JP2004158274A

JP2004158274A - Fuel cell moisture state estimation device and fuel cell system

Info

Publication number: JP2004158274A
Application number: JP2002322186A
Authority: JP
Inventors: Kiyomi Eimiya; 清美永宮
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-11-06
Filing date: 2002-11-06
Publication date: 2004-06-03

Abstract

【課題】燃料電池の電解質膜に含まれる水分量をより正確に推定し、この推定された水分量に基づいて水分管理を行なう。
【解決手段】燃料電池３０の重量を重量センサ４０で検出すると共に燃料電池３０の温度と内圧とに基づいて燃料電池３０内に含まれているガスの重量を推定する。そして、検出された燃料電池３０の重量から、推定されたガスの重量と燃料電池３０内に含水がない状態として予め測定された基準重量とを減じて、燃料電池３０内の水分量を推定し、推定した水分量が燃料電池３０の運転に適した水分量となるようにポンプ２４やエアポンプ２８、加湿器２５，２７を駆動制御する。これにより、より直接的で正確に推定された水分量に基づいて燃料電池３０内の水分管理をより適切に行なうことができるから、燃料電池３０の効率をより向上させることができる。
【選択図】図１An object of the present invention is to more accurately estimate the amount of water contained in an electrolyte membrane of a fuel cell, and perform water management based on the estimated amount of water.
A weight of a fuel cell is detected by a weight sensor and a weight of gas contained in the fuel cell is estimated based on a temperature and an internal pressure of the fuel cell. Then, the amount of water in the fuel cell 30 is estimated by subtracting the estimated weight of the gas and the reference weight previously measured in a state where there is no water in the fuel cell 30 from the detected weight of the fuel cell 30. The driving of the pump 24, the air pump 28, and the humidifiers 25 and 27 is controlled so that the estimated water amount becomes a water amount suitable for the operation of the fuel cell 30. Thereby, the water management in the fuel cell 30 can be more appropriately performed based on the more directly and accurately estimated water content, and the efficiency of the fuel cell 30 can be further improved.
[Selection diagram] Fig. 1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の水分状態推定装置および燃料電池システムに関し、詳しくは、燃料ガスと酸化ガスとにより発電する燃料電池の水分状態を推定する水分状態推定装置および燃料ガスと酸化ガスとにより発電する燃料電池を有する燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、燃料電池システムとして、湿潤状態で良好なプロトン導伝性を呈する電解質膜とこの電解質膜を狭持するアノード電極およびカソード電極とからなる単セルとこのセル間の隔壁をなすセパレータとにより構成された単電池を複数積層した燃料電池スタックを有するものが知られている。セパレータには、アノード電極とにより燃料ガスとしての水素ガスを単セル内に行き渡らせるための燃料ガス通路が形成されると共に、カソード電極とにより酸化ガスとしての空気を単セル内に行き渡らせるための酸化ガス通路が形成されている。
【０００３】
この電解質膜は通常湿潤状態で良好なプロトン導電性を呈する電解質として機能するため、燃料ガスや酸化ガスを予め加湿したうえで供給することにより電解質膜の湿潤状態を維持しているが、種々の理由によりフラッディング現象（水分過多の状態）が発生し種々の不都合が生じることがある。例えばフラッディング現象が発生すると、ガス通路に水が生成してガス流れの抵抗になり、ガス拡散電極に対して十分なガスを供給できなくなることがある。したがって、燃料電池の水分状態を的確に把握して、燃料電池内を適切な水分状態に維持することは、燃料電池を効率よく運転する上で極めて重要である。
【０００４】
この点、燃料電池内の水分状態を判定する燃料電池システムとしては、燃料電池スタックの積層方向を伸縮自在に固定すると共に燃料電池スタックの積層方向の変位量を検出する変位センサを設けたものが提案されている（特許文献１参照）。このシステムでは、燃料電池の電解質膜が乾燥しているとスタックの積層方向の長さが短くなるという前提のもと変位センサにより検出された変位量に基づいて燃料電池の電解質膜の乾燥の有無を判定し、燃料電池への加湿量を調節している。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−３３２２８０号公報（図１）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、こうした燃料電池システムでは、燃料電池スタックの積層方向を伸縮自在に固定する必要から、構造が複雑になりがちであり、また燃料電池スタックの積層方向の変位量を燃料電池内の水分量と対応させるため燃料電池の水分量の推定として間接的であり必要な精度が得られないことも多い。
【０００７】
本発明の燃料電池の水分状態推定装置は、こうした問題を解決し、燃料電池内の水分状態をより正確に推定することを目的の一つとする。また、本発明の燃料電池システムは、燃料電池内の水分管理をより適切に行なうことを目的の一つとする。
【０００８】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の燃料電池の水分状態推定装置および燃料電池システムは、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。
【０００９】
本発明の燃料電池の水分状態推定装置は、
燃料ガスと酸化ガスとにより発電する燃料電池内の水分状態を推定する燃料電池の水分状態推定装置であって、
燃料電池本体の重量を検出する重量検出手段と、
前記検出された重量と前記燃料電池本体が所定の含水状態にあるときの重量として予め設定されている燃料電池本体の基準重量とに基づいて前記燃料電池の水分状態を推定する水分状態推定手段と
を備えることを要旨とする。
【００１０】
この本発明の燃料電池の水分状態推定装置では、燃料電池本体の重量を検出し、この検出された燃料電池本体の重量と燃料電池本体が所定の含水状態にあるときの重量として予め設定されている燃料電池本体の基準重量とに基づいて燃料電池の水分状態を推定する。これにより、燃料電池の水分状態を直接的でより正確に推定することができる。
【００１１】
こうした本発明の燃料電池の水分状態推定装置において、前記水分状態推定手段は、前記所定の含水状態として含水がない状態にあるときの重量を前記基準重量として予め設定して前記水分状態を推定する手段であるものとすることもできる。
【００１２】
また、本発明の燃料電池の水分状態推定装置において、前記燃料電池内に含まれる燃料ガスおよび酸化ガスの重量を推定するガス重量推定手段を備え、前記水分状態推定手段は、前記検出された燃料電池本体の重量と前記燃料電池本体の基準重量と前記推定されたガス重量とに基づいて前記水分状態を推定する手段であるものとすることもできる。燃料電池内に含まれているガスの重量も考慮するから、より正確に水分状態を推定することができる。
【００１３】
さらに、本発明の燃料電池の水分状態推定装置において、前記燃料電池は、車両に搭載されており、前記水分状態推定手段は、前記車両が停車しているときに前記重量検出手段により検出された重量に基づいて前記水分状態を推定する手段であるものとすることもできる。こうすれば、車両に搭載された燃料電池の水分状態を正確に推定することができる。
【００１４】
本発明の第１の燃料電池システムは、
燃料ガスと酸化ガスとにより発電する燃料電池を有する燃料電池システムであって、
上記の各態様の燃料電池の水分状態推定装置と、
該水分状態推定装置により推定された水分状態に基づいて前記燃料電池を運転制御する制御手段と
を備えることを要旨とする。
【００１５】
この本発明の第１の燃料電池システムでは、上記の各態様の本発明の燃料電池の水分状態推定装置により推定された水分状態に基づいて燃料電池を運転制御する。燃料電池の水分状態は、上述の本発明の燃料電池の水分状態推定装置により正確に推定されるから、この正確に推定された水分状態に基づいて燃料電池を運転制御することにより燃料電池の水分管理をより適切に行なうことができる。この結果、燃料電池の運転効率をより向上させることができる。
【００１６】
こうした本発明の第１の燃料電池システムにおいて、前記燃料ガスを燃料電池に供給する燃料ガス供給手段と、前記酸化ガスを燃料電池に供給する酸化ガス供給手段と、前記燃料ガス供給手段により供給される燃料ガスおよび／または前記酸化ガス供給手段により供給される酸化ガスを加湿可能な加湿手段とを備え、前記制御手段は、前記水分状態推定装置により推定された水分状態に基づいて前記燃料ガス供給手段による燃料ガスの供給および／または前記酸化ガス供給手段による酸化ガスの供給および／または前記加湿手段による加湿を制御する手段であるものとすることもできる。こうすれば、燃料電池の水分状態をより適切な状態に維持することができる。
【００１７】
また、本発明の第１の燃料電池システムにおいて、前記加湿制御手段は、前記推定された水分状態が所定の目標水分状態となるよう制御する手段であるものとすることもできる。
【００１８】
本発明の第２の燃料電池システムは、
燃料ガスと酸化ガスとにより発電する燃料電池を有する燃料電池システムであって、
燃料電池本体の重量を検出する重量検出手段と、
前記検出された重量と前記燃料電池本体が所定の含水状態にあるときの重量として予め設定されている基準重量とに基づいて前記燃料電池を運転制御する制御手段と
を備えることを要旨とする。
【００１９】
この本発明の第２の燃料電池システムでは、検出された燃料電池本体の重量と、所定の含水状態にあるときの重量として予め設定されている基準重量とに基づいて燃料電池を運転制御するから、燃料電池の水分管理をより直接的で適切に行なうことができる。この結果、燃料電池の運転効率をより向上させることができる。
【００２０】
こうした本発明の第２の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、前記燃料ガス供給手段により供給される燃料ガスおよび／または前記酸化ガス供給手段により供給される酸化ガスを加湿可能な加湿手段とを備え、前記制御手段は、前記燃料ガス供給手段による燃料ガスの供給および／または前記酸化ガス供給手段による酸化ガスの供給および／または前記加湿手段による加湿を制御する手段であるものとすることもできる。こうすれば、燃料電池の水分状態をより適切な状態に維持することができる。
【００２１】
また、本発明の第２の燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記検出された重量と前記基準重量との偏差に基づいて制御する手段であるものとすることもできる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例を用いて説明する。図１は、本発明の一実施例である燃料電池システム２０の構成の概略を示す構成図であり、図２は、実施例の燃料電池システム２０を自動車１０に搭載したときの構成の概略を示す構成図である。実施例の燃料電池システム２０は、図示するように、水素タンク２２からポンプ２４を介して供給された燃料ガスとしての水素とエアポンプ２６により供給された空気（酸化ガス）中の酸素とにより発電する燃料電池３０と、燃料電池３０の重量を検出する重量センサ４０と、燃料電池３０に供給される燃料ガスおよび空気をそれぞれ加湿する加湿器２５，２７と、燃料電池３０から排出される燃料系の排出ガスと空気系の排出ガスの各排出管路５６，５８にそれぞれ設けられ各排出ガスの流量を調節可能な流量調節弁３４，３６と、システム全体をコントロールする電子制御ユニット７０とを備える。なお、流量調節弁３４，３６を介して排出された水素系の排出ガスに含まれる未反応の水素は、図示しない燃焼室で燃焼させてから排気されるようになっている。勿論、未反応の水素を燃料電池３０に循環させて再び燃料として使用するものとしてもよい。
【００２３】
燃料電池３０は、例えば、湿潤状態で良好なプロトン導伝性を有する電解質膜とこの電解質膜を狭持するカソード電極およびアノード電極とからなる単セルとセル間の隔壁をなすセパレータとからなる単電池を複数積層した燃料電池スタックとして構成されており、セパレータに形成されたガス流路を通ってアノード電極に供給される水素とカソード電極に供給される空気中の酸素との電気化学反応により水の生成を伴って発電する。この燃料電池３０には、発電に伴って生じる熱を排出するために冷却媒体（例えば、冷却水）の循環路３１が形成されており、循環路３１上には冷却媒体を循環させるポンプ３２と、燃料電池３０と熱交換した冷却媒体を冷却する熱交換器３３とが取り付けられている。このポンプ３２は電子制御ユニット７０による駆動制御を受けている。電子制御ユニット７０は、ポンプ３２を駆動制御して燃料電池３０の温度をその運転に適した温度（実施例では、６５℃〜８５℃）に調節している。
【００２４】
燃料電池３０の出力端子からの電力ラインには、図２に示すように、燃料電池３０から取り出された電力を調節するインバータ１２などを介してモータ１４に接続されており、モータ１４の回転軸には車輪１６が接続されている。したがって、燃料電池３０から電力の供給を受けて駆動するモータ１４からの動力を用いて、自動車１０を走行させることができる。
【００２５】
電子制御ユニット７０は、ＣＰＵ７２を中心としたマイクロプロセッサとして構成されており、処理プログラムを記憶したＲＯＭ７４と、データを一時的に記憶するＲＡＭ７６と、入出力ポート（図示せず）とを備える。電子制御ユニット７０には、重量センサ４０により検出された燃料電池重量Ｗｆｃや、水素タンク２２から燃料電池３０への供給管路５２における燃料電池３０への入口近傍に取り付けられた圧力センサ４１からの入口圧力Ｐａｉｎ、排出管路５６における燃料電池３０の出口近傍に取り付けられた圧力センサ４２からの出口圧力Ｐａｏｕｔ、エアポンプ２６から燃料電池３０への供給管路５４における燃料電池３０の入口近傍に取り付けられた圧力センサ４３からの入口圧力Ｐｃｉｎ、排出管路５８における燃料電池３０の出口近傍に取り付けられた圧力センサ４４からの出口圧力Ｐｃｏｕｔ、循環路３１における冷却媒体の燃料電池３０への入口近傍に取り付けられた温度センサ４５からの入口温度Ｔｉｎ、循環路３１における冷却媒体の燃料電池３０からの出口近傍に取り付けられた温度センサ４６からの出口温度Ｔｏｕｔ、車速センサ４７により検出された自動車１０の車速Ｖ、傾斜角センサ４８により検出された自動車１０の傾斜角θなどが入力ポートを介して入力されている。また、電子制御ユニット７０からは、ポンプ２４への駆動信号や、エアポンプ２６への駆動信号、加湿器２５，２７への駆動信号、ポンプ３２への駆動信号、流量調節弁３４，３６の各アクチュエータの駆動信号などが出力ポートを介して出力されている。
【００２６】
こうして構成された電子制御ユニット７０の動作、特に、燃料電池３０内に含まれる水分量を管理するための動作について説明する。図３は、実施例の燃料電池システム２０の電子制御ユニット７０により実行される水分管理制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、所定時間毎に繰り返し実行される。
【００２７】
水分管理処理ルーチンが実行されると、電子制御ユニット７０のＣＰＵ７２は、まず、車速センサ４７により検出された車速Ｖや傾斜角センサ４８により検出された傾斜角θを入力し（ステップＳ１００）、入力した車速Ｖや傾斜角θに基づいて車両が停車し且つ車体が水平となった状態が所定時間継続したか否かを判定する（ステップＳ１０２，Ｓ１０４）。所定時間継続して車両が停止していないと判定されたり車体が水平でないと判定されたときには、水分管理を行なうのに不適当であると判断して何もせずに本ルーチンを終了する。なお、車両の停止や車体の水平の状態が所定時間継続するのを判定するのは、車両の振動が落ち着くのを待ち後述する各センサ、特に重量センサ４０の検出精度を向上させるためである。
【００２８】
所定時間継続して車両が停止しており且つ車体が水平であると判定されたときには、重量センサ４０により検出された燃料電池重量Ｗｆｃや、圧力センサ４１〜４４により検出された燃料ガスの入口圧力Ｐａｉｎ，出口圧力Ｐａｏｕｔ，空気の入口圧力Ｐｃｉｎ，出口圧力Ｐｃｏｕｔ、温度センサ４５，４６により検出された入口温度Ｔｉｎ，出口温度Ｔｏｕｔを入力し（ステップＳ１０６）、入力した燃料ガスの入口圧力Ｐａｉｎ，出口圧力Ｐａｏｕｔ，空気の入口圧力Ｐｃｉｎ，出口圧力Ｐｃｏｕｔ，入口温度Ｔｉｎ，出口温度Ｔｏｕｔに基づいて燃料電池３０内に含まれるガスの重量Ｗｇを推定する処理を行なう（ステップＳ１０８）。ガスの重量Ｗｇを推定する処理は、実施例では、以下に示すように行なわれる。
【００２９】
まず、燃料ガスの入口圧力Ｐａｉｎ，出口圧力Ｐａｏｕｔとに基づいて次式（１）によりアノード電極側の流路内の圧力Ｐａを計算すると共に、入口温度Ｔｉｎと出口温度Ｔｏｕｔとに基づいて次式（２）により燃料電池３０内の温度Ｔｆｃを計算する。
【００３０】
Ｐａ＝（Ｐａｉｎ＋Ｐａｏｕｔ）／２（１）
Ｔｆｃ＝（Ｔｉｎ＋Ｔｏｕｔ）／２（２）
【００３１】
次に、計算された圧力Ｐａと燃料電池３０の温度Ｔｆｃとに基づいてアノード電極側の流路内の燃料ガス全体のモル数ｎａを次式（３）の状態方程式を用いて計算する。ここで、Ｖａはアノード電極側の流路内の体積であり予め求めた値が用いられる。また、Ｒは気体定数である。
【００３２】
ｎａ＝Ｐａ・Ｖａ／Ｒ・Ｔｆｃ（３）
【００３３】
そして、計算されたモル数ｎａにアノード電極側の流路内に含まれる燃料ガスの割合（モル比）に応じた分子量を乗じることによりアノード電極側の流路内のガス重量Ｗａｇを算出することができる。実施例では、燃料ガスとして水素タンク２２に充填された水素ガスを用いたから、アノード電極に含まれるガスのほぼ全てを水素ガスとみなしてアノード電極内のガス重量Ｗａｇを算出することができる。なお、炭化水素系の燃料を水素リッチな燃料ガスに改質して燃料電池の燃料として用いるときには、通常燃料電池に供給される燃料ガスのうち水素ガス以外の不純物も含まれるが、アノード電極内に含まれるガスの割合を予め実験などにより求めておけば、式（３）で計算されたモル数とガスの割合とによりガス重量Ｗａｇを算出することができる。例えば、アノード電極側の流路内に含まれる燃料ガスの割合（モル比）をＮ_２：Ｈ_２：Ｈ_２Ｏ：ＣＯ_２＝ａ：ｂ：ｃ：ｄとすると、アノード電極側の流路内に含まれるガス重量Ｗａｇは次式（４）で計算できる。なお、このときの燃料ガスの割合は、Ｈ_２に関しては供給される分量から燃料電池３０による発電により消費される分量を差し引いたものとして設定することが好適である。
【００３４】
Ｗａｇ＝ｎａ（２８ａ＋２ｂ＋１８ｃ＋４４ｄ）／（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ）（４）
【００３５】
カソード電極側の流路内に含まれる酸化ガスの重量Ｗｃｇに関しても、アノード電極側の流路内に含まれる燃料ガスの重量Ｗａｇの計算と同様にして、空気の入口圧力Ｐｃｉｎ，出口圧力Ｐｃｏｕｔとに基づいて次式（５）によりカソード電極側の流路内の圧力Ｐｃを計算し、圧力Ｐｃと式（２）で計算された燃料電池３０の温度Ｔｆｃとに基づいてカソード電極側の流路内のガス全体のモル数ｎｃを次式（６）の状態方程式を用いて計算する。ここで、Ｖｃはカソード電極側の流路内の体積であり予め求めた値が用いられる。また、Ｒは気体定数である。
【００３６】
Ｐｃ＝（Ｐｃｉｎ＋Ｐｃｏｕｔ）／２（５）
ｎｃ＝Ｐｃ・Ｖｃ／Ｒ・Ｔｆｃ（６）
【００３７】
そして、計算されたモル数ｎｃにカソード電極側の流路内に含まれる酸化ガスの割合に応じた分子量を乗じてカソード電極側の流路内のガス重量Ｗｃｇを算出することができる。例えば、カソード電極側の流路内に含まれる酸化ガスの割合（モル比）をＮ_２：Ｏ_２：Ｈ_２Ｏ＝ｘ：ｙ：ｚとすると、カソード電極側の流路内に含まれるガス重量Ｗｃｇは次式（７）で計算できる。なお、酸化ガスの割合は、Ｏ_２に関してはエアポンプ２６により供給される分量から燃料電池３０による発電により消費される分量を差し引いたものとして、Ｈ_２Ｏに関しては加湿器２７による加湿により供給される分量と燃料電池３０による発電により生成される分量とを加算したものとして設定することが好適である。
【００３８】
Ｗｃｇ＝ｎｃ（２８ｘ＋１６ｙ＋１８ｚ）／（ｘ＋ｙ＋ｚ）（７）
【００３９】
アノード電極側の流路内のガス重量Ｗａｇとカソード電極側の流路内のガス重量Ｗｃｇとを計算すると、両者を加算することにより燃料電池３０内のガス重量Ｗｇを算出することができる。以上が燃料電池３０内のガス重量Ｗｇを推定する処理である。
【００４０】
こうしてガス重量Ｗｇが推定されると、次に、重量センサ４０により検出された燃料電池３０の重量Ｗｆｃから燃料電池３０内に含水がない状態として予め設定された基準重量Ｗｆｃ０とステップＳ１０８で推定された燃料電池３０内のガス重量Ｗｇとを減算、すなわち次式（８）を用いて燃料電池３０内に含まれている水分量Ｗｗを推定する処理を行なう（ステップＳ１１０）。
【００４１】
Ｗｗ＝Ｗｆｃ−Ｗｆｃ０−Ｗｇ（８）
【００４２】
ここで、燃料電池３０内に含水がない状態として予め設定された基準重量Ｗｆｃ０は、例えば、燃料電池３０の製造過程において燃料電池として組み付けると共に燃料電池３０内に形成された循環路３１に冷却媒体を充填させたときに、重量計により測定された燃料電池３０本体の重量として設定するものとした。これにより、式（８）により算出される水分量Ｗｗは燃料電池３０（電解質膜）に含まれる水分量とみなすことができるから、燃料電池３０（電解質膜）の含水量を直接的に把握することができる。
【００４３】
こうして水分量Ｗｗが算出されると、算出された水分量Ｗｗが目標水分量Ｗｗｒｅｆとなるよう加湿量Ｑを設定すると共に設定された加湿量Ｑをもって加湿器２５，２７を駆動制御して（ステップＳ１１２）、本ルーチンを終了する。加湿量Ｑの設定は、実施例では、次式（９）を用いたＰＩ（比例積分）制御により行なうものとした。ここで、Ｋ１は比例ゲインを示し、Ｋ２は積分ゲインを示し、ｄｔは本ルーチンの実行時間間隔を示す。もとより、加湿量Ｑの設定を、Ｐ（比例）制御やＰＩＤ（比例積分微分）制御を用いて行なうものとしても構わない。
【００４４】
Ｑ＝Ｋ１（Ｗｗ−Ｗｗｒｅｆ）＋Ｋ２∫（Ｗｗ−Ｗｗｒｅｆ）ｄｔ（９）
【００４５】
以上説明した実施例の燃料電池システム２０によれば、重量センサ４０により検出された燃料電池３０の重量Ｗｆｃから、燃料電池３０に含水がない状態のときの重量として予め測定されている燃料電池３０の基準重量Ｗｆｃ０と燃料電池３０の流路内に含まれるガス重量Ｗｇとを減じて燃料電池３０（電解質膜）に含まれている水分量Ｗｗを推定し、推定した水分量Ｗｗが目標水分量Ｗｗｒｅｆとなるように加湿器２５，２７を駆動制御するから、燃料電池３０の水分状態を良好に維持することができる。この結果、燃料電池システム２０の効率をより向上させることができる。
【００４６】
実施例の燃料電池システム２０では、基準重量Ｗｆｃ０を、燃料電池３０（電解質膜）に含水がない状態のときに予め測定された重量として設定するものとし、重量センサ４０により検出された燃料電池３０の重量Ｗｆｃから基準重量Ｗｆｃ０とガス重量Ｗｇとを減じて水分量Ｗｗを推定するものとしたが、燃料電池３０が所定の含水量、例えば、燃料電池３０の運転に最適な含水量を予め実験などにより決定し、この状態のときに予め測定された重量を基準重量Ｗｆｃ０として設定し、重量センサ４０により検出された燃料電池３０の重量Ｗｆｃから設定された基準重量Ｗｆｃ０とガス重量Ｗｇとを減じて水分量Ｗｗを推定するものとしても構わない。このときの水分量Ｗｗは所定の含水量を基準とした相対的な水分量として算出されることになる。
【００４７】
実施例の燃料電池システム２０やその変形例では、燃料電池３０の重量Ｗｆｃから基準重量Ｗｆｃ０とガス重量Ｗｇとを減じたものを燃料電池３０内の水分量Ｗｗとして推定するものとしたが、ガス重量Ｗｇは考慮せずに燃料電池３０の重量Ｗｆｃから基準重量Ｗｆｃ０を減じたものを燃料電池３０内の水分量Ｗｗとして推定するものとしても構わない。
【００４８】
実施例の燃料電池システム２０では、燃料電池３０（電解質膜）の水分量Ｗｗを推定し、推定された水分量Ｗｗが目標水分量Ｗｗｒｅｆとなるよう水分管理を行なうものとしたが、水分量Ｗｗを推定せずに重量センサ４０により検出された燃料電池３０の重量Ｗｆｃと基準重量Ｗｆｃ０とに基づいて直接加湿量の制御を行なうものとしても構わない。例えば、基準重量Ｗｆｃ０として燃料電池３０が所定の含水量を有する状態のときに予め測定された重量を設定し、重量センサ４０により検出された燃料電池３０の重量Ｗｆｃ（およびガス重量Ｗｇの和）と基準重量Ｗｆｃ０との偏差が燃料電池３０の運転に適した含水量になるように加湿量を制御するものとすればよい。特に、所定の含水量として燃料電池３０の運転に最適な含水量の状態にあるときの燃料電池３０の重量を基準重量Ｗｆｃ０に設定するものとすれば、重量センサ４０により検出された燃料電池３０の重量Ｗｆｃ（およびガス重量Ｗｇとの和）が基準重量Ｗｆｃ０となるように加湿量を制御すればよいことになる。
【００４９】
実施例の燃料電池システム２０では、燃料電池３０内の水分量の調整を加湿器２５，２７を駆動制御することにより行なうものとしたが、流量調節弁３４，３６での排出ガスの流量の調節による燃料電池３０内の圧力変動を利用すれば、燃料電池３０内の余剰な水分を排出することもできるから、流量調節弁３４，３６の駆動制御により燃料電池３０内の水分量を調節するものとしてもよい。また、ポンプ２４やエアポンプ２６により燃料電池３０へ供給する燃料ガスや酸化ガスの流量を調節することにより燃料電池３０内の水分量を調節するものとしてもよい。さらに、燃料電池３０内に形成された循環路内を流れる冷却媒体の循環量を調節して、燃料電池３０の温度を調節することにより燃料電池３０内の水分量を調節するものとしてもよい。また、これらのうちの２つ以上を組み合わせて水分量を調節するものとしても構わない。
【００５０】
実施例の燃料電池システム２０では、燃料電池３０を自動車１０など車両に搭載するものとして説明したが、燃料電池３０を据え置き型のものに適用するものとしてもよいことは勿論である。このとき、車速センサ４７などが不要なのは勿論である。
【００５１】
実施例では、燃料電池３０（電解質膜）内の水分量を推定して燃料電池３０への加湿制御を行なう燃料電池システム２０の形態として説明したが、燃料電池３０内の水分量（水分状態）を推定する水分状態推定装置の形態とするものとしても構わない。
【００５２】
以上、本発明の実施の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である燃料電池システム２０の構成の概略を示す構成図である。
【図２】実施例の燃料電池システム２０を自動車１０に搭載したときの構成の概略を示す構成図である。
【図３】実施例の燃料電池システム２０の電子制御ユニットにより実行される水分管理制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０自動車、１２インバータ、１４モータ、１６車輪、２０燃料電池システム、２２水素タンク、２４ポンプ、２５加湿器、２６エアポンプ、２７加湿器、３０燃料電池、３１循環路、３２ポンプ、３３熱交換器、３４，３６流量調節弁、４０重量センサ、４１〜４４圧力センサ、４５，４６温度センサ、４７車速センサ、４８傾斜角センサ、５２，５４供給管路、５６，５８排出管路、７０電子制御ユニット、７２ＣＰＵ、７４ＲＯＭ、７６ＲＡＭ。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a moisture state estimating apparatus and a fuel cell system for a fuel cell, and more particularly, to a moisture state estimating apparatus for estimating a moisture state of a fuel cell that generates power using a fuel gas and an oxidizing gas, and power generation using the fuel gas and the oxidizing gas. The present invention relates to a fuel cell system having a fuel cell.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as a fuel cell system, a single cell composed of an electrolyte membrane exhibiting good proton conductivity in a wet state, an anode electrode and a cathode electrode sandwiching the electrolyte membrane, and a separator forming a partition between the cells. 2. Description of the Related Art There is known a fuel cell stack having a plurality of unit cells stacked. In the separator, a fuel gas passage for distributing hydrogen gas as a fuel gas into the single cell is formed by the anode electrode, and air for oxidizing gas is spread to the single cell by the cathode electrode. An oxidizing gas passage is formed.
[0003]
Since this electrolyte membrane normally functions as an electrolyte exhibiting good proton conductivity in a wet state, the wet state of the electrolyte membrane is maintained by supplying a fuel gas or an oxidizing gas after being humidified in advance. For a reason, a flooding phenomenon (a state of excessive moisture) occurs, and various inconveniences may occur. For example, when the flooding phenomenon occurs, water is generated in the gas passage to cause a resistance of the gas flow, and it may be impossible to supply a sufficient gas to the gas diffusion electrode. Therefore, it is extremely important to accurately grasp the moisture state of the fuel cell and to maintain the inside of the fuel cell in an appropriate moisture state for efficient operation of the fuel cell.
[0004]
In this regard, a fuel cell system that determines the state of water in a fuel cell includes a fuel cell stack in which a stacking direction of a fuel cell stack is elastically fixed and a displacement sensor that detects a displacement amount of the fuel cell stack in the stacking direction is provided. It has been proposed (see Patent Document 1). In this system, if the electrolyte membrane of the fuel cell is dry, the length of the stack in the stacking direction will be shortened, and based on the displacement amount detected by the displacement sensor, the presence or absence of drying of the electrolyte membrane of the fuel cell And the amount of humidification to the fuel cell is adjusted.
[0005]
[Patent Document 1]
JP 2001-332280 A (FIG. 1)
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in such a fuel cell system, the structure tends to be complicated because the stacking direction of the fuel cell stack needs to be fixed to be able to expand and contract, and the amount of displacement in the stacking direction of the fuel cell stack is determined by the amount of water in the fuel cell. In order to cope with this, the estimation of the water content of the fuel cell is indirect and often the required accuracy cannot be obtained.
[0007]
An object of the present invention is to solve the above problem and to more accurately estimate the moisture state in the fuel cell. Another object of the fuel cell system of the present invention is to more appropriately manage moisture in the fuel cell.
[0008]
[Means for Solving the Problems and Their Functions and Effects]
The water state estimating apparatus and the fuel cell system for a fuel cell according to the present invention employ the following means in order to at least partially achieve the above-described object.
[0009]
The moisture state estimating device for a fuel cell of the present invention,
A fuel cell moisture state estimating device for estimating a moisture state in a fuel cell that generates power by using a fuel gas and an oxidizing gas,
Weight detection means for detecting the weight of the fuel cell body;
Moisture state estimating means for estimating the moisture state of the fuel cell based on the detected weight and a reference weight of the fuel cell body preset as a weight when the fuel cell body is in a predetermined water-containing state; The gist is to provide
[0010]
In the device for estimating the moisture state of a fuel cell according to the present invention, the weight of the fuel cell main body is detected, and the detected weight of the fuel cell main body and the weight when the fuel cell main body is in a predetermined water-containing state are set in advance. The water condition of the fuel cell is estimated based on the reference weight of the fuel cell body. This makes it possible to directly and more accurately estimate the water state of the fuel cell.
[0011]
In the moisture state estimating device for a fuel cell according to the present invention, the moisture state estimating means estimates the moisture state by presetting a weight when there is no moisture as the predetermined moisture state as the reference weight. It can also be a means.
[0012]
Further, in the water condition estimating device for a fuel cell according to the present invention, the device further comprises gas weight estimating means for estimating the weight of the fuel gas and the oxidizing gas contained in the fuel cell, wherein the water condition estimating means comprises the detected fuel Means for estimating the moisture state based on the weight of the battery main body, the reference weight of the fuel cell main body, and the estimated gas weight may be employed. Since the weight of the gas contained in the fuel cell is also taken into account, it is possible to more accurately estimate the moisture state.
[0013]
Further, in the moisture state estimating device for a fuel cell according to the present invention, the fuel cell is mounted on a vehicle, and the moisture state estimating means is detected by the weight detecting means when the vehicle is stopped. It may be a means for estimating the moisture state based on the weight. This makes it possible to accurately estimate the moisture state of the fuel cell mounted on the vehicle.
[0014]
The first fuel cell system of the present invention comprises:
A fuel cell system having a fuel cell that generates power using a fuel gas and an oxidizing gas,
A device for estimating the moisture state of the fuel cell according to each of the above aspects,
The gist of the present invention is to include control means for controlling the operation of the fuel cell based on the moisture state estimated by the moisture state estimation device.
[0015]
In the first fuel cell system according to the present invention, the operation of the fuel cell is controlled based on the moisture state estimated by the moisture state estimating device for a fuel cell according to each of the above aspects of the present invention. Since the moisture state of the fuel cell is accurately estimated by the above-described apparatus for estimating the moisture state of a fuel cell of the present invention, the operation of the fuel cell is controlled based on the accurately estimated moisture state to thereby determine the moisture state of the fuel cell. Management can be performed more appropriately. As a result, the operation efficiency of the fuel cell can be further improved.
[0016]
In the first fuel cell system of the present invention, the fuel gas is supplied by the fuel gas supply means for supplying the fuel gas to the fuel cell, the oxidizing gas supply means for supplying the oxidizing gas to the fuel cell, and the fuel gas supply means. Humidifying means capable of humidifying the fuel gas supplied by the oxidizing gas supply means and / or the oxidizing gas supplied by the oxidizing gas supplying means, wherein the control means controls the fuel gas supply based on the moisture state estimated by the moisture state estimating device. It may be a means for controlling the supply of the fuel gas by the means and / or the supply of the oxidizing gas by the oxidizing gas supply means and / or the humidification by the humidifying means. In this case, the water state of the fuel cell can be maintained in a more appropriate state.
[0017]
Further, in the first fuel cell system of the present invention, the humidification control means may be means for controlling the estimated water state to be a predetermined target water state.
[0018]
The second fuel cell system of the present invention comprises:
A fuel cell system having a fuel cell that generates power using a fuel gas and an oxidizing gas,
Weight detection means for detecting the weight of the fuel cell body;
The gist of the present invention is to include control means for controlling the operation of the fuel cell based on the detected weight and a reference weight set in advance as a weight when the fuel cell main body is in a predetermined water-containing state.
[0019]
In the second fuel cell system of the present invention, the operation of the fuel cell is controlled based on the detected weight of the fuel cell main body and a reference weight that is set in advance as a weight in a predetermined water-containing state. Thus, the water management of the fuel cell can be performed more directly and appropriately. As a result, the operation efficiency of the fuel cell can be further improved.
[0020]
In the second fuel cell system according to the present invention, the fuel gas is supplied by the fuel gas supply means for supplying the fuel gas to the fuel cell, the oxidizing gas supply means for supplying the oxidizing gas to the fuel cell, and the fuel gas supply means. Humidifying means capable of humidifying the fuel gas supplied by the oxidizing gas supply means and / or the oxidizing gas supplied by the oxidizing gas supply means, wherein the control means supplies the fuel gas by the fuel gas supply means and / or the oxidizing gas supply means And / or means for controlling the supply of oxidizing gas and / or the humidification by the humidification means. In this case, the water state of the fuel cell can be maintained in a more appropriate state.
[0021]
Further, in the second fuel cell system of the present invention, the control means may be means for controlling based on a deviation between the detected weight and the reference weight.
[0022]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described using examples. FIG. 1 is a configuration diagram schematically illustrating a configuration of a fuel cell system 20 according to one embodiment of the present invention. FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a configuration when the fuel cell system 20 according to the embodiment is mounted on an automobile 10. FIG. As shown in the figure, the fuel cell system 20 of the embodiment generates power from hydrogen as a fuel gas supplied from a hydrogen tank 22 via a pump 24 and oxygen in air (oxidizing gas) supplied from an air pump 26. A fuel cell 30; a weight sensor 40 for detecting the weight of the fuel cell 30; humidifiers 25 and 27 for humidifying fuel gas and air supplied to the fuel cell 30, respectively; The system includes flow control valves 34 and 36 provided in each of the exhaust pipes 56 and 58 for the exhaust gas and the exhaust gas of the air system and capable of adjusting the flow rate of each exhaust gas, and an electronic control unit 70 for controlling the entire system. Unreacted hydrogen contained in the hydrogen-based exhaust gas discharged through the flow control valves 34 and 36 is exhausted after being burned in a combustion chamber (not shown). Of course, unreacted hydrogen may be circulated through the fuel cell 30 and used again as fuel.
[0023]
The fuel cell 30 includes, for example, a single cell including an electrolyte membrane having good proton conductivity in a wet state, a cathode electrode and an anode electrode sandwiching the electrolyte membrane, and a separator forming a partition between cells. It is configured as a fuel cell stack in which a plurality of cells are stacked, and water is generated by an electrochemical reaction between hydrogen supplied to the anode electrode and oxygen in air supplied to the cathode electrode through a gas flow path formed in the separator. Power generation with the generation of In the fuel cell 30, a circulation path 31 for a cooling medium (for example, cooling water) is formed for discharging heat generated by power generation. On the circulation path 31, a pump 32 for circulating the cooling medium is provided. And a heat exchanger 33 for cooling the cooling medium that has exchanged heat with the fuel cell 30. The drive of the pump 32 is controlled by an electronic control unit 70. The electronic control unit 70 drives and controls the pump 32 to adjust the temperature of the fuel cell 30 to a temperature suitable for the operation (65 ° C. to 85 ° C. in the embodiment).
[0024]
As shown in FIG. 2, the power line from the output terminal of the fuel cell 30 is connected to the motor 14 via an inverter 12 for adjusting the power taken out of the fuel cell 30 and the like. Is connected to a wheel 16. Therefore, the vehicle 10 can be run using the power from the motor 14 driven by receiving the supply of electric power from the fuel cell 30.
[0025]
The electronic control unit 70 is configured as a microprocessor mainly including a CPU 72, and includes a ROM 74 storing a processing program, a RAM 76 storing data temporarily, and an input / output port (not shown). The electronic control unit 70 receives the fuel cell weight Wfc detected by the weight sensor 40 and the pressure sensor 41 attached near the inlet to the fuel cell 30 in the supply line 52 from the hydrogen tank 22 to the fuel cell 30. The inlet pressure Pain, the outlet pressure Paout from the pressure sensor 42 attached near the outlet of the fuel cell 30 in the discharge pipe 56, and the inlet pressure Paout attached near the inlet of the fuel cell 30 in the supply pipe 54 from the air pump 26 to the fuel cell 30. The inlet pressure Pcin from the pressure sensor 43, the outlet pressure Pcout from the pressure sensor 44 mounted near the outlet of the fuel cell 30 in the discharge line 58, and the cooling medium in the circulation path 31 near the inlet to the fuel cell 30. Inlet temperature Tin from the detected temperature sensor 45, the cooling medium in the circulation path 31 The outlet temperature Tout from the temperature sensor 46 attached near the outlet from the fuel cell 30, the vehicle speed V of the vehicle 10 detected by the vehicle speed sensor 47, the inclination angle θ of the vehicle 10 detected by the inclination angle sensor 48, and the like are input. Has been entered through the port. In addition, the electronic control unit 70 supplies a drive signal to the pump 24, a drive signal to the air pump 26, a drive signal to the humidifiers 25 and 27, a drive signal to the pump 32, and actuators for the flow control valves 34 and 36. Are output via the output port.
[0026]
The operation of the electronic control unit 70 thus configured, in particular, the operation for managing the amount of water contained in the fuel cell 30 will be described. FIG. 3 is a flowchart illustrating an example of a moisture management control routine executed by the electronic control unit 70 of the fuel cell system 20 according to the embodiment. This routine is repeatedly executed at predetermined time intervals.
[0027]
When the moisture management processing routine is executed, the CPU 72 of the electronic control unit 70 first inputs the vehicle speed V detected by the vehicle speed sensor 47 and the tilt angle θ detected by the tilt angle sensor 48 (step S100). Based on the vehicle speed V and the inclination angle θ, it is determined whether or not the state where the vehicle has stopped and the vehicle body has been horizontal has continued for a predetermined time (steps S102 and S104). When it is determined that the vehicle has not stopped for a predetermined period of time or that the vehicle body is not horizontal, it is determined that the vehicle is not suitable for performing moisture management, and this routine is terminated without doing anything. The reason why the stop of the vehicle and the horizontal state of the vehicle body are determined to continue for a predetermined period of time is to wait for the vibration of the vehicle to settle and to improve the detection accuracy of the sensors described below, in particular, the weight sensor 40.
[0028]
When it is determined that the vehicle has been stopped for a predetermined time and the vehicle body is horizontal, the fuel cell weight Wfc detected by the weight sensor 40 and the fuel gas inlet pressure detected by the pressure sensors 41 to 44 are determined. Pain, the outlet pressure Paout, the air inlet pressure Pcin, the outlet pressure Pcout, the inlet temperature Tin detected by the temperature sensors 45 and 46, and the outlet temperature Tout are input (step S106), and the input fuel gas inlet pressure Pain and outlet are input. A process of estimating the weight Wg of the gas contained in the fuel cell 30 based on the pressure Paout, the air inlet pressure Pcin, the outlet pressure Pcout, the inlet temperature Tin, and the outlet temperature Tout is performed (step S108). In the embodiment, the process of estimating the weight Wg of the gas is performed as described below.
[0029]
First, based on the fuel gas inlet pressure Pain and outlet pressure Paout, the pressure Pa in the flow path on the anode electrode side is calculated by the following equation (1), and the following equation is calculated based on the inlet temperature Tin and the outlet temperature Tout. The temperature Tfc in the fuel cell 30 is calculated according to (2).
[0030]
Pa = (Pain + Paout) / 2 (1)
Tfc = (Tin + Tout) / 2 (2)
[0031]
Next, based on the calculated pressure Pa and the temperature Tfc of the fuel cell 30, the number of moles na of the entire fuel gas in the flow path on the anode electrode side is calculated using the following equation (3). Here, Va is the volume in the flow path on the anode electrode side, and a value obtained in advance is used. R is a gas constant.
[0032]
na = Pa · Va / R · Tfc (3)
[0033]
Then, the gas weight Wag in the flow path on the anode electrode side is calculated by multiplying the calculated number of moles na by a molecular weight corresponding to the ratio (molar ratio) of the fuel gas contained in the flow path on the anode electrode side. Can be. In the embodiment, since the hydrogen gas filled in the hydrogen tank 22 is used as the fuel gas, almost all of the gas contained in the anode electrode is regarded as the hydrogen gas, and the gas weight Wag in the anode electrode can be calculated. When a hydrocarbon-based fuel is reformed into a hydrogen-rich fuel gas and used as a fuel for a fuel cell, impurities other than hydrogen gas are usually included in the fuel gas supplied to the fuel cell. If the ratio of the gas contained in is calculated in advance by an experiment or the like, the gas weight Wag can be calculated from the number of moles calculated by the equation (3) and the ratio of the gas. For example, assuming that the ratio (molar ratio) of the fuel gas contained in the flow path on the anode electrode side is N ₂ : H ₂ : H ₂ O: CO ₂ = a: b: c: d, the flow path on the anode electrode side The weight of gas Wag contained therein can be calculated by the following equation (4). The ratio of the fuel gas at this time, it is preferable to set as minus the amount consumed by the power generation by the fuel cell 30 from the amount to be supplied with respect to H _2.
[0034]
Wag = na (28a + 2b + 18c + 44d) / (a + b + c + d) (4)
[0035]
Regarding the weight Wcg of the oxidizing gas contained in the flow path on the cathode electrode side, similarly to the calculation of the weight Wag of the fuel gas contained in the flow path on the anode electrode side, the air inlet pressure Pcin, the outlet pressure Pcout, and The pressure Pc in the flow path on the cathode electrode side is calculated based on the following equation (5), and the flow path on the cathode electrode side is calculated based on the pressure Pc and the temperature Tfc of the fuel cell 30 calculated by the equation (2). Is calculated using the equation of state of the following equation (6). Here, Vc is the volume in the flow path on the cathode electrode side, and a value obtained in advance is used. R is a gas constant.
[0036]
Pc = (Pcin + Pcout) / 2 (5)
nc = Pc · Vc / R · Tfc (6)
[0037]
Then, by multiplying the calculated number of moles nc by a molecular weight corresponding to the ratio of the oxidizing gas contained in the flow path on the cathode electrode side, the gas weight Wcg in the flow path on the cathode electrode side can be calculated. For example, assuming that the ratio (molar ratio) of the oxidizing gas contained in the flow path on the cathode electrode side is N ₂ : O ₂ : H ₂ O = x: y: z, the gas contained in the flow path on the cathode electrode side The weight Wcg can be calculated by the following equation (7). The ratio of the oxidizing gas is obtained by subtracting the amount consumed by the power generation by the fuel cell 30 from the amount supplied by the air pump 26 for O ₂ , and is supplied by humidification by the humidifier 27 for H ₂ O. It is preferable to set the sum as the sum of the amount and the amount generated by power generation by the fuel cell 30.
[0038]
Wcg = nc (28x + 16y + 18z) / (x + y + z) (7)
[0039]
When the gas weight Wag in the flow path on the anode electrode side and the gas weight Wcg in the flow path on the cathode electrode side are calculated, the gas weight Wg in the fuel cell 30 can be calculated by adding both. The above is the processing for estimating the gas weight Wg in the fuel cell 30.
[0040]
After the gas weight Wg is estimated in this manner, the reference weight Wfc0, which is set in advance as a state in which there is no water in the fuel cell 30, is estimated from the weight Wfc of the fuel cell 30 detected by the weight sensor 40 in step S108. Then, a process of subtracting the gas weight Wg in the fuel cell 30, that is, estimating the amount of water Ww contained in the fuel cell 30 using the following equation (8) is performed (step S110).
[0041]
Ww = Wfc−Wfc0−Wg (8)
[0042]
Here, the reference weight Wfc0 preset as a state in which there is no water in the fuel cell 30 is, for example, assembled as a fuel cell in the manufacturing process of the fuel cell 30 and the cooling medium in the circulation path 31 formed in the fuel cell 30. Was set as the weight of the fuel cell 30 measured by the weighing scale. As a result, the water content Ww calculated by the equation (8) can be regarded as the water content contained in the fuel cell 30 (electrolyte membrane), so that the water content of the fuel cell 30 (electrolyte membrane) is directly grasped. be able to.
[0043]
When the water content Ww is calculated in this manner, the humidification amount Q is set so that the calculated water content Ww becomes the target water content Wwref, and the humidifiers 25 and 27 are drive-controlled with the set humidification amount Q (step). (S112), this routine ends. In the embodiment, the humidification amount Q is set by PI (proportional integration) control using the following equation (9). Here, K1 indicates a proportional gain, K2 indicates an integral gain, and dt indicates an execution time interval of this routine. Of course, the humidification amount Q may be set using P (proportional) control or PID (proportional integral derivative) control.
[0044]
Q = K1 (Ww−Wwref) + K2∫ (Ww−Wwref) dt (9)
[0045]
According to the fuel cell system 20 of the embodiment described above, from the weight Wfc of the fuel cell 30 detected by the weight sensor 40, the fuel cell 30 is measured in advance as the weight when the fuel cell 30 has no water. Is subtracted from the reference weight Wfc0 of the fuel cell 30 and the weight Wg of the gas contained in the flow path of the fuel cell 30 to estimate the water content Ww contained in the fuel cell 30 (electrolyte membrane), and the estimated water content Ww is the target water content. Since the driving of the humidifiers 25 and 27 is controlled so as to achieve Wwref, the water state of the fuel cell 30 can be favorably maintained. As a result, the efficiency of the fuel cell system 20 can be further improved.
[0046]
In the fuel cell system 20 of the embodiment, the reference weight Wfc0 is set as a weight measured in advance when the fuel cell 30 (electrolyte membrane) does not contain water, and the fuel cell 30 detected by the weight sensor 40 is used. The weight Ww is estimated by subtracting the reference weight Wfc0 and the gas weight Wg from the weight Wfc of the fuel cell 30. However, the fuel cell 30 is designed to previously determine a predetermined water content, for example, a water content optimal for operation of the fuel cell 30. The weight measured in advance in this state is set as the reference weight Wfc0, and the set reference weight Wfc0 and the gas weight Wg are subtracted from the weight Wfc of the fuel cell 30 detected by the weight sensor 40. May be used to estimate the water content Ww. The water content Ww at this time is calculated as a relative water content based on a predetermined water content.
[0047]
In the fuel cell system 20 of the embodiment and its modified example, the value obtained by subtracting the reference weight Wfc0 and the gas weight Wg from the weight Wfc of the fuel cell 30 is estimated as the water content Ww in the fuel cell 30. The weight Wg of the fuel cell 30 minus the reference weight Wfc0 may be estimated as the water content Ww in the fuel cell 30 without considering the weight Wg.
[0048]
In the fuel cell system 20 of the embodiment, the moisture amount Ww of the fuel cell 30 (electrolyte membrane) is estimated, and the moisture management is performed so that the estimated moisture amount Ww becomes the target moisture amount Wwref. , The humidification amount may be directly controlled based on the weight Wfc of the fuel cell 30 detected by the weight sensor 40 and the reference weight Wfc0. For example, a weight measured in advance when the fuel cell 30 has a predetermined water content is set as the reference weight Wfc0, and the weight Wfc (and the sum of the gas weight Wg) of the fuel cell 30 detected by the weight sensor 40 is set. The humidification amount may be controlled so that the deviation between the reference weight Wfc0 and the reference weight Wfc0 becomes a water content suitable for the operation of the fuel cell 30. In particular, if the weight of the fuel cell 30 when the water content is optimal for the operation of the fuel cell 30 as the predetermined water content is set to the reference weight Wfc0, the fuel cell 30 detected by the weight sensor 40 The humidification amount may be controlled so that the weight Wfc (and the sum with the gas weight Wg) becomes the reference weight Wfc0.
[0049]
In the fuel cell system 20 of the embodiment, the amount of water in the fuel cell 30 is adjusted by controlling the driving of the humidifiers 25 and 27. However, the flow rate of exhaust gas is adjusted by the flow rate control valves 34 and 36. If the pressure fluctuation in the fuel cell 30 due to the above is used, the excess water in the fuel cell 30 can be discharged. Therefore, the amount of water in the fuel cell 30 is adjusted by controlling the driving of the flow rate control valves 34 and 36. It may be. Further, the amount of water in the fuel cell 30 may be adjusted by adjusting the flow rate of the fuel gas or the oxidizing gas supplied to the fuel cell 30 by the pump 24 or the air pump 26. Further, the amount of water in the fuel cell 30 may be adjusted by adjusting the temperature of the fuel cell 30 by adjusting the amount of circulation of the cooling medium flowing in the circulation path formed in the fuel cell 30. Further, two or more of these may be combined to adjust the water content.
[0050]
In the fuel cell system 20 of the embodiment, the fuel cell 30 has been described as being mounted on a vehicle such as the automobile 10, but it is needless to say that the fuel cell 30 may be applied to a stationary type. At this time, the vehicle speed sensor 47 and the like are of course unnecessary.
[0051]
In the embodiment, the fuel cell system 20 that performs the humidification control on the fuel cell 30 by estimating the water content in the fuel cell 30 (electrolyte membrane) has been described. However, the water content (moisture state) in the fuel cell 30 is described. May be in the form of a moisture state estimating device for estimating.
[0052]
As described above, the embodiments of the present invention have been described using the examples. However, the present invention is not limited to these examples, and may be implemented in various forms without departing from the gist of the present invention. Obviously you can get it.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram schematically showing the configuration of a fuel cell system 20 according to one embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a configuration diagram schematically illustrating a configuration when the fuel cell system 20 according to the embodiment is mounted on an automobile 10.
FIG. 3 is a flowchart illustrating an example of a moisture management control routine executed by an electronic control unit of the fuel cell system 20 according to the embodiment.
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 10 automobile, 12 inverter, 14 motor, 16 wheels, 20 fuel cell system, 22 hydrogen tank, 24 pump, 25 humidifier, 26 air pump, 27 humidifier, 30 fuel cell, 31 circulation path, 32 pump, 33 heat exchanger , 34, 36 flow control valve, 40 weight sensor, 41-44 pressure sensor, 45, 46 temperature sensor, 47 vehicle speed sensor, 48 inclination angle sensor, 52, 54 supply line, 56, 58 discharge line, 70 electronic control Unit, 72 CPU, 74 ROM, 76 RAM.

Claims

A fuel cell moisture state estimating device for estimating a moisture state in a fuel cell that generates power by using a fuel gas and an oxidizing gas,
Weight detection means for detecting the weight of the fuel cell body;
Moisture state estimating means for estimating the moisture state of the fuel cell based on the detected weight and a reference weight of the fuel cell body preset as a weight when the fuel cell body is in a predetermined water-containing state; A water condition estimating device for a fuel cell comprising:

The moisture state estimating device for a fuel cell according to claim 1,
The moisture state estimating device for a fuel cell, wherein the moisture state estimating means is means for estimating the moisture state by presetting a weight when there is no moisture as the predetermined moisture state as the reference weight.

The moisture state estimating device for a fuel cell according to claim 1 or 2,
Gas weight estimating means for estimating the weight of the fuel gas and the oxidizing gas contained in the fuel cell,
The moisture state estimating means is means for estimating the moisture state based on the detected weight of the fuel cell body, the reference weight of the fuel cell body, and the estimated gas weight. apparatus.

The moisture state estimating device for a fuel cell according to any one of claims 1 to 3,
The fuel cell is mounted on a vehicle,
The water state estimating device for a fuel cell, wherein the water state estimating means is means for estimating the water state based on the weight detected by the weight detecting means when the vehicle is stopped.

A fuel cell system having a fuel cell that generates power using a fuel gas and an oxidizing gas,
A water condition estimating device for a fuel cell according to any one of claims 1 to 4,
Control means for controlling the operation of the fuel cell based on the moisture state estimated by the moisture state estimation device.

The fuel cell system according to claim 5, wherein
Fuel gas supply means for supplying the fuel gas to a fuel cell;
Oxidizing gas supply means for supplying the oxidizing gas to a fuel cell,
Humidifying means capable of humidifying the fuel gas supplied by the fuel gas supplying means and / or the oxidizing gas supplied by the oxidizing gas supplying means,
The control means supplies the fuel gas by the fuel gas supply means and / or supplies the oxidizing gas by the oxidizing gas supply means and / or humidifies by the humidifying means based on the moisture state estimated by the moisture state estimating device. Fuel cell system which is a means for controlling the fuel cell.

The fuel cell system according to claim 5, wherein
The fuel cell system, wherein the control unit is a unit that controls the estimated moisture state to be a predetermined target moisture state.

A fuel cell system having a fuel cell that generates power using a fuel gas and an oxidizing gas,
Weight detection means for detecting the weight of the fuel cell body;
A fuel cell system comprising: control means for controlling the operation of the fuel cell based on the detected weight and a reference weight preset as a weight when the fuel cell body is in a predetermined water-containing state.

The fuel cell system according to claim 8, wherein
Fuel gas supply means for supplying fuel gas to the fuel cell;
Oxidizing gas supply means for supplying oxidizing gas to the fuel cell,
Humidifying means capable of humidifying the fuel gas supplied by the fuel gas supplying means and / or the oxidizing gas supplied by the oxidizing gas supplying means,
The control means controls supply of fuel gas by the fuel gas supply means and / or supply of oxidizing gas by the oxidizing gas supply means and / or humidification by the humidifying means based on the detected weight and the reference weight. A fuel cell system that is means for controlling.

The fuel cell system according to claim 8, wherein:
The fuel cell system, wherein the control unit is a unit that performs control based on a deviation between the reference weight and the detected weight.