JP2011216415A - Fuel cell system and film wet condition determination method for the same - Google Patents
Fuel cell system and film wet condition determination method for the same Download PDFInfo
- Publication number
- JP2011216415A JP2011216415A JP2010085395A JP2010085395A JP2011216415A JP 2011216415 A JP2011216415 A JP 2011216415A JP 2010085395 A JP2010085395 A JP 2010085395A JP 2010085395 A JP2010085395 A JP 2010085395A JP 2011216415 A JP2011216415 A JP 2011216415A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- fuel cell
- humidity
- anode
- cathode
- water level
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
【課題】燃料電池の膜湿潤状態をリアルタイムに判定する。
【解決手段】大気圧と、エアポンプ2の吸気温度と、加湿器4の入口空気温度に基づいて加湿器入口空気湿度を求めるとともに、燃料電池スタック1のカソード出口空気温度と燃料電池スタック1の冷媒出口における冷媒温度に基づいてカソード出口空気湿度を求め、加湿器入口空気湿度とカソード出口空気湿度に基づいてマップを参照して燃料電池スタック1のカソードの仮の湿度を求め、空気オフガス通路5に設けたカソード側キャッチタンク26の水位を水位センサ27で検出し、検出された実水位と燃料電池スタック1の定常運転状態におけるカソード側キャッチタンク26にの基準水位との水位差に基づいて補正係数を求め、前記仮のカソード湿度に前記補正係数を乗じることでカソード湿度を求める。
【選択図】図1A method of determining a membrane wet state of a fuel cell in real time.
A humidifier inlet air humidity is obtained based on an atmospheric pressure, an intake air temperature of an air pump 2, and an inlet air temperature of a humidifier 4, and a cathode outlet air temperature of the fuel cell stack 1 and a refrigerant of the fuel cell stack 1 are obtained. The cathode outlet air humidity is obtained based on the refrigerant temperature at the outlet, and the temporary humidity of the cathode of the fuel cell stack 1 is obtained by referring to the map based on the humidifier inlet air humidity and the cathode outlet air humidity. The water level of the cathode side catch tank 26 provided is detected by a water level sensor 27, and the correction coefficient is based on the difference in water level between the detected actual water level and the reference water level in the cathode side catch tank 26 in the steady operation state of the fuel cell stack 1. The cathode humidity is obtained by multiplying the provisional cathode humidity by the correction coefficient.
[Selection] Figure 1
Description
この発明は、燃料電池システム、および燃料電池システムにおける燃料電池の膜湿潤状態判定方法に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell system and a method for determining a membrane wet state of a fuel cell in the fuel cell system.
固体高分子電解質膜型の燃料電池を備えた燃料電池システムでは、燃料電池内部の加湿状態が燃料電池の発電性能に大きく影響を与えるため、燃料電池内部の湿度管理が大変に重要である。 In a fuel cell system equipped with a solid polymer electrolyte membrane type fuel cell, humidity control inside the fuel cell is extremely important because the humidified state inside the fuel cell greatly affects the power generation performance of the fuel cell.
従来の前記湿度の判定方法としては、例えば、燃料電池のセル電圧が低下した時に、酸化剤ガスの流量を増大させた後、平均セル電圧と最低セル電圧の電圧差を検出し、該電圧差が判定値以下の場合は加湿不足であると判定し、前記判定値よりも大きい場合は過加湿であると判定する方法が知られている(例えば、特許文献1参照)。 As a conventional method for determining the humidity, for example, when the cell voltage of the fuel cell is decreased, the flow rate of the oxidant gas is increased, and then the voltage difference between the average cell voltage and the minimum cell voltage is detected. A method is known in which it is determined that humidification is insufficient when the value is equal to or less than the determination value, and overhumidation is determined when it is greater than the determination value (see, for example, Patent Document 1).
また、別の湿度判定方法として、セル電圧が正常範囲を下回るセルを検出し、その異常セルの燃料電池スタックにおける積層位置に基づいて燃料電池スタックの加湿状態を判定する方法も知られている(例えば、特許文献2参照)。 As another humidity determination method, there is also known a method of detecting a cell whose cell voltage is below the normal range and determining the humidified state of the fuel cell stack based on the stacking position of the abnormal cell in the fuel cell stack ( For example, see Patent Document 2).
従来の湿度判定方法はいずれも、燃料電池内部の湿度状態が標準か湿度不足か過加湿かといった定性的な判定しかできない。
しかしながら、燃料電池システムを常に最適な作動状態に保つためには、燃料電池内部の湿度を定量的且つリアルタイムに把握することが求められており、従来の湿度判定方法ではこの要求に応えることができなかった。
Any of the conventional humidity determination methods can only perform qualitative determination as to whether the humidity state inside the fuel cell is normal, insufficient humidity, or excessive humidification.
However, in order to always keep the fuel cell system in an optimal operating state, it is required to grasp the humidity inside the fuel cell quantitatively and in real time, and the conventional humidity determination method can meet this requirement. There wasn't.
そこで、この発明は、燃料電池の膜湿潤状態を定量的且つリアルタイムに把握することができる燃料電池システム、および燃料電池システムの膜湿潤状態判定方法を提供するものである。 Accordingly, the present invention provides a fuel cell system that can quantitatively and in real time understand the membrane wet state of a fuel cell, and a method for determining the membrane wet state of a fuel cell system.
この発明は、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
請求項1に係る発明は、固体高分子電解質膜を挟むアノードとカソードとを備え反応ガスを供給されることにより発電を行う燃料電池(例えば、後述する実施例における燃料電池スタック1)と、
前記燃料電池のカソードから排出されるカソードオフガス(例えば、後述する実施例における空気オフガス)が流通するカソード排出流路(例えば、後述する実施例における空気オフガス通路5)と、
前記カソード排出流路に設けられカソードオフガスに含まれる水分の結露水を一時貯留するカソード排出水貯留部(例えば、後述する実施例におけるカソード側キャッチタンク26)と、
前記カソード排出水貯留部の水位を測定する水位測定手段(例えば、後述する実施例における水位センサ27)と、
前記燃料電池の環境条件を測定する環境条件測定手段(例えば、後述する実施例における大気圧センサ30、吸気温度センサ31、)と、
前記燃料電池の温度条件を測定する燃料電池温度条件測定手段(例えば、後述する実施例における加湿器入口温度センサ32、カソード出口温度センサ33、冷媒出口温度センサ34)と、
前記環境条件測定手段により測定された環境条件値と前記燃料電池温度条件測定手段により測定された燃料電池の温度条件値に基づいて前記カソードの湿度を演算するカソード湿度演算手段(例えば、後述する実施例における電子制御装置50)と、を備え、
前記カソード湿度演算手段は、
前記環境条件測定手段により測定された環境条件値および前記燃料電池温度条件測定手段により測定された燃料電池の温度条件値に基づいて2つの判定値を演算する判定値演算部(例えば、後述する実施例におけるステップS01,S02)と、
前記2つの判定値から前記カソードの仮の湿度を求める仮カソード湿度演算部(例えば、後述する実施例におけるステップS03)と、
前記水位測定手段によって測定された前記カソード排出水貯留部の実水位と、前記燃料電池の定常運転状態における前記カソード排出水貯留部の基準水位との比較値に基づいて補正係数を求める補正係数演算部と、
前記仮カソード湿度演算部により求められた仮カソード湿度に前記補正係数演算部により求められた補正係数を乗じることで前記カソードの湿度を求めるカソード湿度補正部(例えば、後述する実施例におけるステップS06,S07,S08)と、
を備えることを特徴とする燃料電池システムである。
The present invention employs the following means in order to solve the above problems.
The invention according to
A cathode discharge passage (for example, an
A cathode discharge water storage section (for example, a cathode side catch tank 26 in an embodiment to be described later), which is provided in the cathode discharge flow path and temporarily stores condensed water of moisture contained in the cathode off gas;
Water level measuring means for measuring the water level of the cathode discharge water storage section (for example, a
Environmental condition measuring means for measuring environmental conditions of the fuel cell (for example, an
Fuel cell temperature condition measuring means for measuring the temperature condition of the fuel cell (for example, a humidifier
Cathode humidity calculating means for calculating the humidity of the cathode based on the environmental condition value measured by the environmental condition measuring means and the temperature condition value of the fuel cell measured by the fuel cell temperature condition measuring means (for example, implementation described later) An electronic control device 50) in the example,
The cathode humidity calculation means includes
A determination value calculation unit (for example, implementation described later) that calculates two determination values based on the environmental condition value measured by the environmental condition measurement unit and the temperature condition value of the fuel cell measured by the fuel cell temperature condition measurement unit Steps S01 and S02) in the example,
A provisional cathode humidity calculation unit (for example, step S03 in an embodiment described later) for obtaining provisional humidity of the cathode from the two determination values;
Correction coefficient calculation for obtaining a correction coefficient based on a comparison value between the actual water level of the cathode discharge water storage unit measured by the water level measuring means and the reference water level of the cathode discharge water storage unit in the steady operation state of the fuel cell And
A cathode humidity correction unit for determining the humidity of the cathode by multiplying the temporary cathode humidity determined by the temporary cathode humidity calculation unit by the correction coefficient determined by the correction coefficient calculation unit (for example, step S06 in the embodiment described later) S07, S08),
A fuel cell system comprising:
請求項2に係る発明は、固体高分子電解質膜を挟むアノードとカソードとを備え反応ガスを供給されることにより発電を行う燃料電池(例えば、後述する実施例における燃料電池スタック1)と、
前記燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガス(例えば、後述する実施例における水素オフガス)が流通するアノード排出流路(例えば、後述する実施例における水素オフガス回収路12)と、
前記アノード排出流路に設けられアノードオフガスに含まれる水分の結露水を一時貯留するアノード排出水貯留部(例えば、後述する実施例におけるアノード側キャッチタンク13)と、
前記アノード排出水貯留部の水位を測定する水位測定手段(例えば、後述する実施例における水位センサ41)と、
前記燃料電池の環境条件を測定する環境条件測定手段(例えば、後述する実施例における大気圧センサ30、吸気温度センサ31、)と、
前記燃料電池の温度条件を測定する燃料電池温度条件測定手段(例えば、後述する実施例における加湿器入口温度センサ32、カソード出口温度センサ33、冷媒出口温度センサ34)と、
前記環境条件測定手段により測定された環境条件値と前記燃料電池温度条件測定手段により測定された燃料電池の温度条件値に基づいて前記アノードの湿度を演算するアノード湿度演算手段(例えば、後述する実施例における電子制御装置50)と、を備え、
前記アノード湿度演算手段は、
前記環境条件測定手段により測定された環境条件値および前記燃料電池温度条件測定手段により測定された燃料電池の温度条件値に基づいて2つの判定値を演算する判定値演算部(例えば、後述する実施例におけるステップS101,S102)と、
前記2つの判定値から前記アノードの仮の湿度を求める仮アノード湿度演算部(例えば、後述する実施例におけるステップS103)と、
前記水位測定手段によって測定された前記アノード排出水貯留部の実水位と、前記燃料電池の定常運転状態における前記アノード排出水貯留部の基準水位との比較値に基づいて補正係数を求める補正係数演算部と、
前記仮アノード湿度演算部により求められた仮アノード湿度に前記補正係数演算部により求められた補正係数を乗じることで前記アノードの湿度を求めるアノード湿度補正部(例えば、後述する実施例におけるステップS106,S107,S108)と、
を備えることを特徴とする燃料電池システムである。
The invention according to
An anode discharge passage (for example, a hydrogen
An anode discharge water storage section (for example, an anode
Water level measuring means (for example, a
Environmental condition measuring means for measuring environmental conditions of the fuel cell (for example, an
Fuel cell temperature condition measuring means for measuring the temperature condition of the fuel cell (for example, a humidifier
Anode humidity calculating means for calculating the humidity of the anode based on the environmental condition value measured by the environmental condition measuring means and the temperature condition value of the fuel cell measured by the fuel cell temperature condition measuring means (for example, implementation described later) An electronic control device 50) in the example,
The anode humidity calculating means includes
A determination value calculation unit (for example, implementation described later) that calculates two determination values based on the environmental condition value measured by the environmental condition measurement unit and the temperature condition value of the fuel cell measured by the fuel cell temperature condition measurement unit Steps S101, S102) in the example;
A temporary anode humidity calculator (for example, step S103 in the embodiment described later) for obtaining the temporary humidity of the anode from the two determination values;
Correction coefficient calculation for obtaining a correction coefficient based on a comparison value between the actual water level of the anode discharge water storage unit measured by the water level measurement means and the reference water level of the anode discharge water storage unit in a steady operation state of the fuel cell And
An anode humidity correction unit that calculates the humidity of the anode by multiplying the temporary anode humidity calculated by the temporary anode humidity calculation unit by the correction coefficient calculated by the correction coefficient calculation unit (for example, step S106 in the embodiments described later, S107, S108),
A fuel cell system comprising:
請求項3に係る発明は、固体高分子電解質膜を挟むアノードとカソードとを備え反応ガスを供給されることにより発電を行う燃料電池(例えば、後述する実施例における燃料電池スタック1)と、
前記燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスを再び前記燃料電池のアノードへ戻すアノード反応ガス循環流路(例えば、後述する実施例における水素供給通路8、水素オフガス回収路12)と、
前記アノード反応ガス循環流路に設けられた燃料ポンプ(例えば、後述する実施例における水素ポンプ42)と、
前記燃料ポンプ内でアノードオフガスに含まれる水分の結露水が一時的に溜まる貯留部の水位を測定する水位測定手段(例えば、後述する実施例における水位センサ43)と、
前記燃料電池の環境条件を測定する環境条件測定手段(例えば、後述する実施例における大気圧センサ30、吸気温度センサ31、)と、
前記燃料電池の温度条件を測定する燃料電池温度条件測定手段(例えば、後述する実施例における加湿器入口温度センサ32、カソード出口温度センサ33、冷媒出口温度センサ34)と、
前記環境条件測定手段により測定された環境条件値と前記燃料電池温度条件測定手段により測定された燃料電池の温度条件値に基づいて前記アノードの湿度を演算するアノード湿度演算手段(例えば、後述する実施例における電子制御装置50)と、を備え、
前記アノード湿度演算手段は、
前記環境条件測定手段により測定された環境条件値および前記燃料電池温度条件測定手段により測定された燃料電池の温度条件値に基づいて2つの判定値を演算する判定値演算部(例えば、後述する実施例におけるステップS101,S102)と、
前記2つの判定値から前記アノードの仮の湿度を求める仮アノード湿度演算部(例えば、後述する実施例におけるステップS103)と、
前記水位測定手段によって測定された前記貯留部の実水位と、前記燃料電池の定常運転状態における前記貯留部の基準水位との比較値に基づいて補正係数を求める補正係数演算部と、
前記仮アノード湿度演算部により求められた仮アノード湿度に前記補正係数演算部により求められた補正係数を乗じることで前記アノードの湿度を求めるアノード湿度補正部(例えば、後述する実施例におけるステップS106,S107,S108)と、
を備えることを特徴とする燃料電池システムである。
The invention according to
An anode reaction gas circulation passage (for example, a
A fuel pump (for example, a
A water level measuring means (for example, a
Environmental condition measuring means for measuring environmental conditions of the fuel cell (for example, an
Fuel cell temperature condition measuring means for measuring the temperature condition of the fuel cell (for example, a humidifier
Anode humidity calculating means for calculating the humidity of the anode based on the environmental condition value measured by the environmental condition measuring means and the temperature condition value of the fuel cell measured by the fuel cell temperature condition measuring means (for example, implementation described later) An electronic control device 50) in the example,
The anode humidity calculating means includes
A determination value calculation unit (for example, implementation described later) that calculates two determination values based on the environmental condition value measured by the environmental condition measurement unit and the temperature condition value of the fuel cell measured by the fuel cell temperature condition measurement unit Steps S101, S102) in the example;
A temporary anode humidity calculator (for example, step S103 in the embodiment described later) for obtaining the temporary humidity of the anode from the two determination values;
A correction coefficient calculation unit for obtaining a correction coefficient based on a comparison value between the actual water level of the storage unit measured by the water level measuring unit and the reference water level of the storage unit in a steady operation state of the fuel cell;
An anode humidity correction unit that calculates the humidity of the anode by multiplying the temporary anode humidity calculated by the temporary anode humidity calculation unit by the correction coefficient calculated by the correction coefficient calculation unit (for example, step S106 in the embodiments described later, S107, S108),
A fuel cell system comprising:
請求項4に係る発明は、固体高分子電解質膜を挟むアノードとカソードとを備え反応ガスを供給されることにより発電を行う燃料電池(例えば、後述する実施例における燃料電池スタック1)と、前記燃料電池の環境条件を測定する環境条件測定手段(例えば、後述する実施例における大気圧センサ30、吸気温度センサ31、)と、前記燃料電池の温度条件を測定する燃料電池温度条件測定手段(例えば、後述する実施例における加湿器入口温度センサ32、カソード出口温度センサ33、冷媒出口温度センサ34)と、を備える燃料電池システムにおける前記固体高分子電解質膜の湿潤状態を判定する方法において、
前記環境条件測定手段により測定された環境条件値および前記燃料電池温度条件測定手段により測定された燃料電池の温度条件値に基づいて2つの判定値を求める判定値演算工程(例えば、後述する実施例におけるステップS01,S02)と、
予め作成されたマップを用いて前記2つの判定値に基づいて前記カソードの仮の湿度を求める仮カソード湿度演算工程(例えば、後述する実施例におけるステップS03)と、
前記燃料電池のカソードから排出されるカソードオフガスに含まれる水分の結露水の実水量と、前記燃料電池の定常運転状態で前記カソードオフガスに含まれる水分の結露水の基準水量との比較値に基づいて補正係数を求める補正係数演算工程と、
前記カソードの仮の湿度に前記補正係数を乗じることで前記カソードの湿度を求めるカソード湿度補正工程(例えば、後述する実施例におけるステップS06,S07,S08)と、
を順に用いて前記固体高分子電解質膜の湿潤状態を判定することを特徴とする燃料電池システムの膜湿潤状態判定方法である。
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a fuel cell (for example, a
A judgment value calculation step for obtaining two judgment values based on the environmental condition value measured by the environmental condition measuring means and the temperature condition value of the fuel cell measured by the fuel cell temperature condition measuring means (for example, an embodiment described later) Steps S01, S02) in FIG.
A provisional cathode humidity calculation step (for example, step S03 in the embodiment described later) for obtaining provisional humidity of the cathode based on the two determination values using a map created in advance;
Based on a comparison value between the actual amount of condensed water contained in the cathode offgas discharged from the cathode of the fuel cell and the reference amount of condensed water contained in the cathode offgas in the steady operation state of the fuel cell. A correction coefficient calculation step for obtaining a correction coefficient by
A cathode humidity correction step for obtaining the cathode humidity by multiplying the provisional humidity of the cathode by the correction coefficient (for example, steps S06, S07, S08 in the embodiments described later);
The wet state of the solid polymer electrolyte membrane is determined in order, and the wet state of the membrane of the fuel cell system is determined.
請求項5に係る発明は、固体高分子電解質膜を挟むアノードとカソードとを備え反応ガスを供給されることにより発電を行う燃料電池(例えば、後述する実施例における燃料電池スタック1)と、前記燃料電池の環境条件を測定する環境条件測定手段(例えば、後述する実施例における大気圧センサ30、吸気温度センサ31、)と、前記燃料電池の温度条件を測定する燃料電池温度条件測定手段(例えば、後述する実施例における加湿器入口温度センサ32、カソード出口温度センサ33、冷媒出口温度センサ34)と、を備える燃料電池システムにおける前記固体高分子電解質膜の湿潤状態を判定する方法において、
前記環境条件測定手段により測定された環境条件値および前記燃料電池温度条件測定手段により測定された燃料電池の温度条件値に基づいて2つの判定値を求める判定値演算工程(例えば、後述する実施例におけるステップS101,S102)と、
予め作成されたマップを用いて前記2つの判定値に基づいて前記アノードの仮の湿度を求める仮アノード湿度演算工程(例えば、後述する実施例におけるステップS103)と、
前記燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスに含まれる水分の結露水の実水量と、前記燃料電池の定常運転状態で前記アノードオフガスに含まれる水分の結露水の基準水量との比較値に基づいて補正係数を求める補正係数演算工程と、
前記アノードの仮の湿度に前記補正係数を乗じることで前記アノードの湿度を求めるアノード湿度補正工程(例えば、後述する実施例におけるステップS106,S107,S108)と、
を順に用いて前記固体高分子電解質膜の湿潤状態を判定することを特徴とする燃料電池システムの膜湿潤状態判定方法である。
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a fuel cell (for example, a
A judgment value calculation step for obtaining two judgment values based on the environmental condition value measured by the environmental condition measuring means and the temperature condition value of the fuel cell measured by the fuel cell temperature condition measuring means (for example, an embodiment described later) Steps S101 and S102),
A temporary anode humidity calculation step (for example, step S103 in the embodiment described later) for obtaining a temporary humidity of the anode based on the two determination values using a map created in advance;
Based on a comparison value between the actual amount of condensed water of moisture contained in the anode off gas discharged from the anode of the fuel cell and the reference amount of condensed water of moisture contained in the anode off gas in the steady operation state of the fuel cell. A correction coefficient calculation step for obtaining a correction coefficient by
An anode humidity correction step (for example, steps S106, S107, and S108 in the embodiments described later) for determining the humidity of the anode by multiplying the provisional humidity of the anode by the correction coefficient;
The wet state of the solid polymer electrolyte membrane is determined in order, and the wet state of the membrane of the fuel cell system is determined.
請求項1に係る発明によれば、燃料電池スタックのカソードの湿度を真値に極めて近い値でリアルタイムに推定することができる。
請求項2に係る発明によれば、燃料電池スタックのアノードの湿度を真値に極めて近い値でリアルタイムに推定することができる。
請求項3に係る発明によれば、燃料電池スタックのアノードの湿度を真値に極めて近い値でリアルタイムに推定することができる。
請求項4に係る発明によれば、燃料電池スタックの固体高分子電解質膜の湿潤状態を、カソードの湿度の推定値に基づいて極めて正確に把握することができる。
請求項5に係る発明によれば、燃料電池スタックの固体高分子電解質膜の湿潤状態を、アノードの湿度の推定値に基づいて極めて正確に把握することができる。
According to the first aspect of the present invention, the humidity of the cathode of the fuel cell stack can be estimated in real time with a value very close to the true value.
According to the invention of
According to the invention of
According to the invention of claim 4, the wet state of the solid polymer electrolyte membrane of the fuel cell stack can be grasped very accurately based on the estimated value of the humidity of the cathode.
According to the fifth aspect of the present invention, the wet state of the solid polymer electrolyte membrane of the fuel cell stack can be grasped very accurately based on the estimated value of the humidity of the anode.
以下、この発明に係る燃料電池システム、および燃料電池システムの膜湿潤状態判定方法の実施例を図1から図11の図面を参照して説明する。なお、以下に説明する各実施例は、燃料電池自動車に搭載される燃料電池システムに適用した態様である。 Embodiments of a fuel cell system according to the present invention and a method for determining a membrane wet state of the fuel cell system will be described below with reference to the drawings of FIGS. In addition, each Example demonstrated below is the aspect applied to the fuel cell system mounted in a fuel cell vehicle.
<実施例1>
初めに、この発明に係る燃料電池システム、および燃料電池システムの膜湿潤状態判定方法の実施例1を図1から図7の図面を参照して説明する。
図1は実施例1の燃料電池システムの概略構成図である。燃料電池スタック(燃料電池)1は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで構成された単位燃料電池(以下、単セルという)を複数積層して構成されており、燃料ガスとして水素ガスが供給される水素極と、酸化剤ガスとして酸素を含む空気が供給される空気極と、冷却液が供給される冷却通路とを備えている。そして、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。また、この発電に伴う発熱により燃料電池スタック1が上限温度を越えないように、前記冷却通路を流れる冷却液で熱を奪い冷却するようになっている。
<Example 1>
First,
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system according to a first embodiment. A fuel cell stack (fuel cell) 1 includes a plurality of unit fuel cells (hereinafter referred to as single cells) formed by sandwiching a solid polymer electrolyte membrane made of, for example, a solid polymer ion exchange membrane between an anode and a cathode from both sides. A hydrogen electrode supplied with hydrogen gas as a fuel gas, an air electrode supplied with air containing oxygen as an oxidant gas, and a cooling passage supplied with a coolant. Then, hydrogen ions generated by the catalytic reaction at the anode move through the solid polymer electrolyte membrane to the cathode, cause an electrochemical reaction with oxygen at the cathode, and generate electric power, thereby generating water. In order to prevent the
外気はエアポンプ(コンプレッサ)2によって加圧され、供給空気通路3、加湿器4を通って燃料電池スタック1の空気極に供給され、この空気中の酸素が酸化剤として発電に供された後、燃料電池スタック1から空気オフガス(カソードオフガス)として排出され、空気オフガス通路(カソード排出流路)5、前記加湿器4を通って希釈ボックス(希釈器)6に排出される。なお、以下の説明では、燃料電池スタック1から排出される空気オフガスと区別するため、燃料電池スタック1に供給される空気を供給空気と称す。
The outside air is pressurized by an air pump (compressor) 2, supplied to the air electrode of the
加湿器4よりも上流の空気オフガス通路5には、燃料電池スタック1のカソードから排出される空気オフガスに含まれる水分の結露水を一時的に貯留するカソード側キャッチタンク26が設けられている。
カソード側キャッチタンク26には、貯留された水の水位を測定する水位センサ27が設けられている。また、カソード側キャッチタンク26は、ドレンバルブ28を備えたドレン通路29を介して希釈ボックス6に接続されており、ドレンバルブ28は所定時間毎に開弁制御され、カソード側キャッチタンク26に溜まった水を希釈ボックス6に排水する。
In the air off-
The cathode catch tank 26 is provided with a
加湿器4は、例えば中空糸膜等の水透過膜を備えて構成されており、燃料電池スタック1から排出された空気オフガスを、反応ガスとして燃料電池スタック1に供給される供給空気に対する加湿ガスとして利用している。加湿器4において、水透過膜を介して供給空気と空気オフガスが接触し、空気オフガスに含まれる水分が水透過膜の膜孔を透過して供給空気に移動することにより、供給空気が加湿される。このように加湿された空気が燃料電池スタック1に供給されることにより、燃料電池スタック1の固体高分子電解質膜のイオン導電性が所定の状態に確保される。
エアポンプ2は、燃料電池スタック1に要求されている出力に応じた質量の空気が空気極に供給されるように回転数制御される。
The humidifier 4 is configured to include a water permeable membrane such as a hollow fiber membrane, for example, and the air off-gas discharged from the
The rotation speed of the
一方、水素タンク7から放出された水素ガスは、水素供給通路8,水素遮断弁9、圧力制御弁10、エゼクタ11を通って燃料電池スタック1の水素極に供給される。この水素ガスは発電に供された後、未反応の水素ガスは燃料電池スタック1から水素オフガス(アノードオフガス)として排出され、水素オフガス回収路(アノード排出流路)12を通ってエゼクタ11に吸引され、水素タンク7から供給される水素ガスと合流し再び燃料電池スタック1に供給されるようになっている。
On the other hand, the hydrogen gas released from the
なお、圧力制御弁10は、例えば空気式の比例圧力制御弁からなり、エアポンプ2から供給される供給空気の圧力を信号圧として空気信号導入路19を介して入力され、圧力制御弁10の出口側の水素ガス圧力が前記信号圧に応じた所定圧力範囲となるように水素ガスの圧力を減圧制御する。このように供給空気の圧力を基準圧として、圧力制御弁10で燃料電池スタック1に供給される水素ガスの圧力を制御することによって、エゼクタ11を通過する水素ガスの流量が制御されるとともに、燃料電池スタック1内の固体高分子電解質膜を介した空気圧と水素ガス圧との差圧が所定の範囲に収まるように制御される。
The
水素オフガス回収路12は、パージ弁14を備えた水素オフガスパージ通路15が分岐し、希釈ボックス6に接続されている。パージ弁14は通常は閉じていて、燃料電池スタック1の運転状態に応じて開弁制御され、水素オフガス回収路12を流れる水素オフガスを希釈ボックス6へ排出する。
希釈ボックス6に排出された水素オフガスは、希釈ボックス6に排出された空気オフガスによって希釈され、排気通路18を介して外気に放出される。希釈ボックス6の出口には、外気に放出されるガスの水素濃度を検出するための水素センサ40が設けられている。
The hydrogen off-
The hydrogen off-gas discharged to the
また、燃料電池スタック1を冷却するための冷却液は、ウォーターポンプ20によって昇圧されて燃料電池スタック1に供給され、燃料電池スタック1内の冷却通路を通る際に燃料電池スタック1から熱を奪って燃料電池スタック1を冷却し、これにより熱せられた冷却液はラジエタ(放熱器)21に送られ、ラジエタ21において外部に放熱することにより冷却液は冷却され、再びウォーターポンプ20に戻るようになっている。この冷却液の循環回路22に、ラジエタ21を迂回するバイパス通路23が接続されており、循環回路22とバイパス通路23との連結部に設けられたサーモスタットバルブ24によって、冷却液をバイパス通路23を通さずラジエタ21を経由して循環させるか、ラジエタ21を通さずバイパス通路23を経由して循環させるかが決定される。つまり、冷却液が所定温度よりも低いときには、冷却液を冷却する必要がないので、ラジエタ21を通さずバイパス通路23を経由し燃料電池スタック1との間で冷却液を循環させ、冷却液が所定温度よりも高いときには、冷却液を冷却する必要があるので、バイパス通路23を通さずラジエタ21を経由し燃料電池スタック1との間で冷却液を循環させる。なお、図中、符号25はリザーブタンクであり、ラジエタ21およびウォータポンプ20に接続されている。
Further, the coolant for cooling the
また、この燃料電池システムには、燃料電池スタック1内のカソードまたはアノードの湿度を推定するために必要な物理量を検出するための各種センサが設置されている。すなわち、燃料電池システムは、大気圧Pを検出する大気圧センサ30と、エアポンプ2に吸引される空気の温度(以下、エアポンプ吸気温度という)T1を検出する吸気温度センサ31と、加湿器4に供給される空気の温度(以下、加湿器入口空気温度という)T2を検出する加湿器入口温度センサ32と、燃料電池スタック1から排出され加湿器4に供給される前の空気オフガスの温度(以下、カソード出口空気温度という)T3を検出するカソード出口温度センサ33と、燃料電池スタック1から排出された直後の冷却液の温度(以下、冷媒出口温度という)T4を検出する冷媒出口温度センサ34と、を備え、これらセンサ30〜34の出力信号が電子制御装置(ECU)50に入力される。
The fuel cell system is provided with various sensors for detecting a physical quantity necessary for estimating the humidity of the cathode or anode in the
なお、この実施例において、大気圧センサ30と吸気温度センサ31は環境条件測定手段を構成し、加湿器入口温度センサ32とカソード出口温度センサ33と冷媒出口温度センサ34は燃料電池スタック温度条件測定手段を構成し、電子制御装置50はカソード湿度演算手段を構成する。
In this embodiment, the
次に、この燃料電池システムにおいて燃料電池スタック1内のカソードの湿度あるいはアノードの湿度を推定する方法を説明する。
本出願の発明者は、このように構成された燃料電池システムに対して行った多くの実験を通して、大気圧Pと、エアポンプ吸気温度T1と、加湿器入口空気温度T2と、加湿器4に供給される空気の湿度(以下、加湿器入口空気湿度という)Aとの間には相関があること、カソード出口空気温度T3と、冷媒出口温度T4と、燃料電池スタック1のカソードから排出された空気の湿度(以下、カソード出口空気湿度という)Bとの間には相関があること、さらに、加湿器入口空気湿度Aと、カソード出口空気湿度Bと、燃料電池スタック1内のカソードにおける湿度(以下、カソード湿度という)Hcおよびアノードにおける湿度(以下、アノード湿度という)Haとの間には相関があることを、経験的な知見として得た。
Next, a method of estimating the humidity of the cathode or the humidity of the anode in the
The inventor of the present application has supplied the atmospheric pressure P, the air pump intake air temperature T1, the humidifier inlet air temperature T2, and the humidifier 4 through many experiments conducted on the fuel cell system configured as described above. That there is a correlation with the humidity of the air (hereinafter referred to as humidifier inlet air humidity) A, cathode outlet air temperature T3, refrigerant outlet temperature T4, and air discharged from the cathode of the
なお、加湿器入口空気湿度Aと、カソード出口空気湿度Bと、燃料電池スタック1内のアノード湿度Haとの間に相関があるのは、この燃料電池システムでは、前述したように、カソード側の供給空気の圧力を基準圧として圧力制御弁10を制御することによって、燃料電池スタック1に供給される水素ガスの圧力を制御し、エゼクタ11を通過する水素ガスの流量を制御していることによる。
Note that there is a correlation among the humidifier inlet air humidity A, the cathode outlet air humidity B, and the anode humidity Ha in the
そこで、この発明では、実際に燃料電池車両用に組み立てられた標準モデルとしての前記燃料電池システムに対して、予め、燃料電池スタック1の周りの環境条件や燃料電池スタック1の運転条件を種々変化させて、前記相関関係のある各物理量のデータを多数採取し、これに基づいて図3〜図5、および図10に示すようなマップを予め作成し、電子制御装置50の記憶手段に記憶しておく。なお、この事前のデータ採取のときには、前記標準モデルの燃料電池システムに、加湿器入口空気湿度A、カソード出口空気湿度B、カソード湿度Hc、アノード湿度Haを検出するためのセンサを設置して行う。
Therefore, in the present invention, the environmental conditions around the
図3に示される加湿器入口空気湿度マップは、大気圧Pと、エアポンプ吸気温度T1と、加湿器入口空気温度T2と、加湿器入口空気湿度Aのデータに基づいて作成されたマップであり、大気圧Pの大きさ(大気圧値)毎に、エアポンプ吸気温度T1と加湿器入口空気温度T2から加湿器入口空気湿度Aを検索することができるように構成されている。つまり、図3に示すマップは、大気圧がある値のときの加湿器入口空気湿度マップであり、このようなマップが大気圧値毎に多数作成されているのである。 The humidifier inlet air humidity map shown in FIG. 3 is a map created based on data of the atmospheric pressure P, the air pump intake air temperature T1, the humidifier inlet air temperature T2, and the humidifier inlet air humidity A. For each magnitude (atmospheric pressure value) of the atmospheric pressure P, the humidifier inlet air humidity A can be retrieved from the air pump intake air temperature T1 and the humidifier inlet air temperature T2. That is, the map shown in FIG. 3 is a humidifier inlet air humidity map when the atmospheric pressure has a certain value, and many such maps are created for each atmospheric pressure value.
図4に示されるカソード出口空気湿度マップは、カソード出口空気温度T3と、冷媒出口温度T4と、カソード出口空気湿度Bのデータに基づいて作成されたマップであり、カソード出口空気温度T3と冷媒出口温度T4からカソード出口空気湿度Bを検索することができるように構成されている。 The cathode outlet air humidity map shown in FIG. 4 is a map created based on the data of the cathode outlet air temperature T3, the refrigerant outlet temperature T4, and the cathode outlet air humidity B. The cathode outlet air temperature T3 and the refrigerant outlet The cathode outlet air humidity B can be searched from the temperature T4.
図5に示されるカソード湿度マップは、加湿器入口空気湿度Aとカソード出口空気湿度Bとカソード湿度Hcのデータに基づいて作成されたマップであり、加湿器入口空気湿度Aとカソード出口空気湿度Bからカソード湿度Hcを検索することができるように構成されている。 The cathode humidity map shown in FIG. 5 is a map created based on the data of the humidifier inlet air humidity A, the cathode outlet air humidity B, and the cathode humidity Hc, and the humidifier inlet air humidity A and the cathode outlet air humidity B. Thus, the cathode humidity Hc can be retrieved.
図10に示されるアノード湿度マップは、加湿器入口空気湿度Aとカソード出口空気湿度Bとアノード湿度Haのデータに基づいて作成されたマップであり、加湿器入口空気湿度Aとカソード出口空気湿度Bからアノード湿度Haを検索することができるように構成されている。 The anode humidity map shown in FIG. 10 is a map created based on the data of the humidifier inlet air humidity A, the cathode outlet air humidity B, and the anode humidity Ha, and the humidifier inlet air humidity A and the cathode outlet air humidity B. Thus, the anode humidity Ha can be retrieved.
図3の加湿器入口空気湿度マップと図4のカソード出口空気湿度マップと図5のカソード湿度マップを用いることにより、大気圧Pと、エアポンプ吸気温度T1と、加湿器入口空気温度T2と、カソード出口空気温度T3と、冷媒出口温度T4とに基づいて、燃料電池スタック1内のカソード湿度Hcを予測することができる。
By using the humidifier inlet air humidity map of FIG. 3, the cathode outlet air humidity map of FIG. 4, and the cathode humidity map of FIG. 5, the atmospheric pressure P, the air pump intake air temperature T1, the humidifier inlet air temperature T2, and the cathode The cathode humidity Hc in the
また、図3の加湿器入口空気湿度マップと図4のカソード出口空気湿度マップと図10のアノード湿度マップを用いることにより、大気圧Pと、エアポンプ吸気温度T1と、加湿器入口空気温度T2と、カソード出口空気温度T3と、冷媒出口温度T4とに基づいて、燃料電池スタック1内のアノード湿度Haを予測することができる。
Further, by using the humidifier inlet air humidity map in FIG. 3, the cathode outlet air humidity map in FIG. 4, and the anode humidity map in FIG. 10, the atmospheric pressure P, the air pump intake air temperature T1, and the humidifier inlet air temperature T2 The anode humidity Ha in the
ただし、このようにして予測されるカソード湿度Hcあるいはアノード湿度Haは、標準モデルの燃料電池システムに当てはめた場合の予測値であり、実際に現在運転している燃料電池システムにおける燃料電池スタック1内部の水分状況が反映されているとは言い難い。
However, the cathode humidity Hc or anode humidity Ha predicted in this way is a predicted value when applied to a standard model fuel cell system, and the inside of the
そこで、この発明では、前記マップに基づいて予測されるカソード湿度Hcあるいはアノード湿度Haを仮のカソード湿度あるいは仮のアノード湿度として、この仮のカソード湿度あるいは仮のアノード湿度に対して、現在運転中の燃料電池システムにおける燃料電池スタック1内部の水分状況に応じた補正を行うことで、より真値に近いカソード湿度Hcあるいはアノード湿度Haをリアルタイムに推定することができるようにする。
Therefore, in the present invention, the cathode humidity Hc or the anode humidity Ha predicted based on the map is used as the temporary cathode humidity or the temporary anode humidity, and the current operation is performed with respect to the temporary cathode humidity or the temporary anode humidity. In this fuel cell system, the correction according to the moisture state in the
次に、実施例1における仮のカソード湿度に対する補正方法を説明する。
空気オフガスの単位時間当たりの結露水量と、燃料電池スタックのカソード湿度には相関関係があり、カソード湿度が高いほど、空気オフガスの単位時間当たりの結露水量が多くなる。そこで、実施例1では、所定時間における空気オフガスの結露水量を測定し、これをカソード湿度が標準加湿状態(例えば、湿度70%)のときの基準となる結露水量(基準結露水量)と比較し、その比較値から補正係数を求めて仮のカソード湿度を補正することとした。
Next, a correction method for the temporary cathode humidity in the first embodiment will be described.
There is a correlation between the amount of condensed water per unit time of the air off gas and the cathode humidity of the fuel cell stack. The higher the cathode humidity, the larger the amount of condensed water per unit time of the air off gas. Therefore, in Example 1, the amount of dew condensation water of the air off gas at a predetermined time is measured, and this is compared with the amount of dew condensation water (reference dew condensation water amount) used as a reference when the cathode humidity is in a standard humidified state (for example,
具体的には、空気オフガスの結露水は、カソード側キャッチタンク26に貯留され、所定のインターバルでドレンバルブ28が開き排水されるので、この排水前のカソード側キャッチタンク26の水位から、所定時間(前記インターバルの間)における空気オフガスの結露水量を求めることができる。
図6は、ドレンバルブ28の開閉タイミングと、カソード側キャッチタンク26に貯留される水の水位の時間的変化を表したタイムチャートである。
Specifically, the dew condensation water of the air off gas is stored in the cathode side catch tank 26, and the
FIG. 6 is a time chart showing temporal changes in the opening / closing timing of the
一方、燃料電池スタック1が定常運転状態で、カソード湿度が標準加湿状態のときの空気オフガスの単位時間当たりの結露水量は実験的に既知であるので、この既知の結露水量に前記インターバルの時間を乗じれば、前記基準結露水量を求めることができ、カソード側キャッチタンク26の大きさは予めわかっているので、その時の水位(基準水位)も算出することができる。
On the other hand, since the amount of condensed water per unit time of the air off gas when the
そして、この実施例1では、カソード側キャッチタンク26に貯留された結露水量を比較する代わりに、カソード側キャッチタンク26に貯留された結露水の水位を比較することとし、実際のカソード側キャッチタンク26の水位が基準水位よりも大きい場合には、カソード湿度が標準加湿状態よりも高いことが推定されるので、この場合には増大させるように補正係数Yを設定し、実際のカソード側キャッチタンク26の水位が基準水位よりも小さい場合には、カソード湿度が標準加湿状態よりも低いことが推定されるので、この場合には減少させるように補正係数Yを設定する。 In the first embodiment, instead of comparing the amount of condensed water stored in the cathode-side catch tank 26, the water level of condensed water stored in the cathode-side catch tank 26 is compared. When the water level of 26 is larger than the reference water level, it is estimated that the cathode humidity is higher than the standard humidification state. In this case, the correction coefficient Y is set so as to increase, and the actual cathode side catch tank When the water level of 26 is smaller than the reference water level, it is estimated that the cathode humidity is lower than the standard humidification state. In this case, the correction coefficient Y is set so as to decrease.
これを実現するために、前述したように、カソード側キャッチタンク26に水位センサ27を設け、水位センサ27の出力信号を電子制御装置50に出力するようにした。
図7は、カソード側キャッチタンク26の水位差をパラメータとする補正係数マップの一例であり、水位差に応じて補正係数Yが設定されており、この補正係数マップを予め電子制御装置50の記憶手段に記憶しておく。
In order to realize this, as described above, the
FIG. 7 is an example of a correction coefficient map that uses the water level difference of the cathode side catch tank 26 as a parameter. A correction coefficient Y is set according to the water level difference, and this correction coefficient map is stored in advance in the
次に、カソード側キャッチタンク26の水位差に基づいて補正を行う場合のカソードの湿度判定処理を図2のフローチャートに従って説明する。このカソード湿度判定処理は電子制御装置50によって一定時間毎に繰り返し実行される。
まず、ステップS01において、吸気温度センサ31により検出された現在のエアポンプ吸気温度T1と、大気圧センサ30により検出された現在の大気圧Pと、加湿器入口温度センサ32により検出された現在の加湿器入口空気温度T2に基づき、図3の加湿器入口空気湿度マップを参照して、加湿器入口空気湿度Aを検索する。
Next, cathode humidity determination processing when correction is performed based on the water level difference of the cathode catch tank 26 will be described with reference to the flowchart of FIG. This cathode humidity determination process is repeatedly executed by the
First, in step S01, the current air pump intake air temperature T1 detected by the intake
次に、ステップS02に進み、カソード出口温度センサ33により検出された現在のカソード出口空気温度T3と、冷媒出口温度センサ34により検出された現在の冷媒出口温度T4に基づき、図4のカソード出口空気湿度マップを参照して、カソード出口空気湿度Bを検索する。
Next, the process proceeds to step S02, and the cathode outlet air shown in FIG. 4 is based on the current cathode outlet air temperature T3 detected by the cathode
次に、ステップS03に進み、加湿器入口空気湿度Aとカソード出口空気湿度Bに基づき、図5のカソード湿度マップを参照して、カソード湿度Hc(仮のカソード湿度)を検索する。
次に、ステップS04に進み、ステップS03の処理により得られたカソード湿度Hcが60%未満か否かを判定する。
ステップS04における判定結果が「NO」(60%以上)である場合には、ステップS05に進み、ステップS03の処理により得られたカソード湿度Hcが80%を越えているか否かを判定する。
Next, the process proceeds to step S03, and the cathode humidity Hc (temporary cathode humidity) is retrieved based on the humidifier inlet air humidity A and the cathode outlet air humidity B with reference to the cathode humidity map of FIG.
Next, it progresses to step S04 and it is determined whether the cathode humidity Hc obtained by the process of step S03 is less than 60%.
If the determination result in step S04 is “NO” (60% or more), the process proceeds to step S05 to determine whether or not the cathode humidity Hc obtained by the process in step S03 exceeds 80%.
ステップS05における判定結果が「NO」(80%以下)である場合には、ステップS06に進み、カソード湿度Hcが60%〜80%であるので、カソードは乾燥状態でもなく湿潤状態でもない標準状態であると判定し、ステップS03で得られたカソード湿度Hcに補正係数Yを乗じて、補正後のカソード湿度Hcを算出し、本ルーチンの実行を一旦終了する。なお、補正係数Yは、ドレンバルブ28を開弁する直前に水位センサ27により検出したカソード側キャッチタンク26の実水位と前記基準水位との水位差に基づいて、図7の補正係数マップを参照して検索し、決定する。
If the determination result in step S05 is “NO” (80% or less), the process proceeds to step S06, and the cathode humidity Hc is 60% to 80%. Therefore, the cathode is in a standard state in which it is neither dry nor wet. The corrected cathode humidity Hc is calculated by multiplying the cathode humidity Hc obtained in step S03 by the correction coefficient Y, and the execution of this routine is temporarily terminated. The correction coefficient Y is based on the difference in water level between the actual water level of the cathode-side catch tank 26 and the reference water level detected by the
ステップS04における判定結果が「YES」(60%未満)である場合には、ステップS07に進み、カソードは乾燥状態であると判定し、ステップS03で得られたカソード湿度Hcに補正係数Yを乗じて、補正後のカソード湿度Hcを算出し、本ルーチンの実行を一旦終了する。なお、補正係数Yは、ドレンバルブ28を開弁する直前に水位センサ27により検出したカソード側キャッチタンク26の実水位と前記基準水位との水位差に基づいて、図7の補正係数マップを参照して検索し、決定する。
If the determination result in step S04 is “YES” (less than 60%), the process proceeds to step S07, where it is determined that the cathode is in a dry state, and the cathode humidity Hc obtained in step S03 is multiplied by the correction coefficient Y. Then, the corrected cathode humidity Hc is calculated, and the execution of this routine is once ended. The correction coefficient Y is based on the difference in water level between the actual water level of the cathode-side catch tank 26 and the reference water level detected by the
ステップS05における判定結果が「YES」(80%を越えている)である場合には、ステップS08に進み、カソードは湿潤状態であると判定し、ステップS03で得られたカソード湿度Hcに補正係数Yを乗じて、補正後のカソード湿度Hcを算出し、本ルーチンの実行を一旦終了する。なお、補正係数Yは、ドレンバルブ28を開弁する直前に水位センサ27により検出したカソード側キャッチタンク26の実水位と前記基準水位との水位差に基づいて、図7の補正係数マップを参照して検索し、決定する。
ここで、図7に示す補正係数マップは、標準状態、乾燥状態、湿潤状態とも同じマップとしてもよいし、標準状態、乾燥状態、湿潤状態で互いに異なる専用のマップとしてもよい。
If the determination result in step S05 is “YES” (exceeds 80%), the process proceeds to step S08, where it is determined that the cathode is in a wet state, and the correction coefficient is added to the cathode humidity Hc obtained in step S03. Multiply by Y to calculate the corrected cathode humidity Hc, and the execution of this routine is temporarily terminated. The correction coefficient Y is based on the difference in water level between the actual water level of the cathode-side catch tank 26 and the reference water level detected by the
Here, the correction coefficient map shown in FIG. 7 may be the same map for the standard state, the dry state, and the wet state, or may be a dedicated map that is different from each other in the standard state, the dry state, and the wet state.
このように、図5のカソード湿度マップを検索することによって求めた仮のカソード湿度Hcに対して、補正係数Yを乗じて補正を行うと、真値に近いカソード湿度Hcをリアルタイムに推定することができる。また、このカソード湿度Hcの推定値に基づいて、燃料電池スタックの固体高分子電解質膜の湿潤状態を、極めて正確に把握することができる。 Thus, when the provisional cathode humidity Hc obtained by searching the cathode humidity map of FIG. 5 is corrected by multiplying by the correction coefficient Y, the cathode humidity Hc close to the true value is estimated in real time. Can do. Further, it is possible to grasp the wet state of the solid polymer electrolyte membrane of the fuel cell stack very accurately based on the estimated value of the cathode humidity Hc.
その結果、このカソード湿度Hcに基づき燃料電池スタック1の運転を制御することで、カソードの湿度管理を適正に実行することが可能となる。例えば、カソード湿度が乾燥状態の領域にあるときには、燃料電池スタック1からの取り出し電流を抑制することで、単セル面内での湿度不足に伴う電力集中を未然に防いだり、カソード湿度を上げる方向に進ませることができ、カソード湿度の適正化を図ることができる。
また、燃料電池システムを長時間停止していた場合にも、起動した瞬間からカソード湿度を把握することができるので、そのときのカソード湿度に応じた燃料電池スタックの起動制御が可能となり、発電し易い環境へ移行することができる。
As a result, by controlling the operation of the
In addition, even when the fuel cell system has been stopped for a long time, the cathode humidity can be grasped from the moment of startup, so that the startup control of the fuel cell stack according to the cathode humidity at that time becomes possible and power generation is possible. It is possible to shift to an easy environment.
<実施例2>
次に、この発明に係る燃料電池システム、および燃料電池システムの膜湿潤状態判定方法の実施例2を図8から図10の図面を参照して説明する。
図8は実施例2の燃料電池システムの概略構成図である。燃料電池システムの基本的な構成は、実施例1のものと同じであるので同一態様部分に同一符号を付して説明を省略し、実施例1との相違点だけを以下に説明する。
<Example 2>
Next, a second embodiment of the fuel cell system and the method for determining the membrane wet state of the fuel cell system according to the present invention will be described with reference to the drawings of FIGS.
FIG. 8 is a schematic configuration diagram of the fuel cell system according to the second embodiment. Since the basic configuration of the fuel cell system is the same as that of the first embodiment, the same reference numerals are given to the same mode portions and the description thereof will be omitted, and only the differences from the first embodiment will be described below.
実施例2の燃料電池システムでは、空気オフガス通路5にカソード側キャッチタンク26が設けられていない。
実施例2の燃料電池システムでは、水素オフガス回収路12に、水素オフガスに含まれる水分の結露水を一時的に貯留するアノード側キャッチタンク(アノード排出水貯留部)13が設けられており、エゼクタ11には水分を除去された水素オフガスが供給されるようになっている。
In the fuel cell system of the second embodiment, the cathode-side catch tank 26 is not provided in the air off-
In the fuel cell system of Example 2, the hydrogen
アノード側キャッチタンク13には、貯留された水の水位を測定する水位センサ41が設けられている。また、アノード側キャッチタンク13は、ドレンバルブ16を備えたドレン通路17を介して希釈ボックス6に接続されており、ドレンバルブ16は燃料電池スタック1の運転状態に応じて設定される所定時間毎に開弁制御され、キャッチタンク13に溜まった水を希釈ボックス6に排水する。
実施例2の燃料電池システムでは、パージ弁14を備えた水素オフガスパージ通路15が、キャッチタンク13よりも下流の水素オフガス回収路12から分岐している。
The anode
In the fuel cell system of Example 2, the hydrogen
前述したように、図3の加湿器入口空気湿度マップと図4のカソード出口空気湿度マップと図10のアノード湿度マップを用いることにより、大気圧Pと、エアポンプ吸気温度T1と、加湿器入口空気温度T2と、カソード出口空気温度T3と、冷媒出口温度T4とに基づいて、燃料電池スタック1内のアノード湿度Haを予測することができる。
As described above, by using the humidifier inlet air humidity map of FIG. 3, the cathode outlet air humidity map of FIG. 4, and the anode humidity map of FIG. 10, the atmospheric pressure P, the air pump intake air temperature T1, and the humidifier inlet air Based on the temperature T2, the cathode outlet air temperature T3, and the refrigerant outlet temperature T4, the anode humidity Ha in the
この実施例2では、前記マップに基づいて予測されるアノード湿度Haを仮のアノード湿度として、この仮のアノード湿度に対して、現在運転中の燃料電池システムにおける燃料電池スタック1内部の水分状況に応じた補正を行うことで、より真値に近いアノード湿度Haをリアルタイムに推定することができるようにする。
In the second embodiment, the anode humidity Ha predicted based on the map is set as a temporary anode humidity, and the moisture state inside the
実施例2における仮のアノード湿度に対する補正方法を説明する。
水素オフガスの単位時間当たりの結露水量と、燃料電池スタックのアノード湿度には相関関係があり、アノード湿度が高いほど、水素オフガスの単位時間当たりの結露水量が多くなる。そこで、実施例2では、所定時間における水素オフガスの結露水量を測定し、これをアノード湿度が標準加湿状態(例えば、湿度50%)のときの基準となる結露水量(基準結露水量)と比較し、その比較値から補正係数を求めて仮のアノード湿度を補正することとした。
A correction method for the temporary anode humidity in the second embodiment will be described.
There is a correlation between the amount of condensed water per unit time of hydrogen offgas and the anode humidity of the fuel cell stack. The higher the anode humidity, the greater the amount of condensed water per unit time of hydrogen offgas. Therefore, in Example 2, the amount of dew condensation water of hydrogen off-gas at a predetermined time is measured, and this is compared with the amount of dew condensation water (reference dew condensation water amount) as a reference when the anode humidity is in a standard humidified state (for example,
具体的には、水素オフガスの結露水は、アノード側キャッチタンク13に貯留され、燃料電池スタック1の運転状態に応じた所定のインターバルでドレンバルブ16が開き排水されるので、この排水前のアノード側キャッチタンク13の水位から、所定時間(前記インターバルの間)における水素オフガスの結露水量を求めることができる。
ドレンバルブ16の開閉タイミングと、アノード側キャッチタンク13に貯留される水の水位の時間的変化は、図6のタイムチャートに示すカソード側キャッチタンク26の場合と同様である。
Specifically, the dew condensation water of hydrogen off gas is stored in the anode
The opening / closing timing of the
一方、燃料電池スタック1が定常運転状態で、アノード湿度が標準加湿状態のときの空気オフガスの単位時間当たりの結露水量は実験的に既知であるので、この既知の結露水量に前記インターバルの時間を乗じれば、前記基準結露水量を求めることができ、アノード側キャッチタンク13の大きさは予めわかっているので、その時の水位(基準水位)も算出することができる。
On the other hand, since the amount of condensed water per unit time of the air off gas when the
そして、この実施例2では、アノード側キャッチタンク13に貯留された結露水量を比較する代わりに、アノード側キャッチタンク13に貯留された結露水の水位を比較することとし、実際のアノード側キャッチタンク13の水位が基準水位よりも大きい場合には、アノード湿度が標準加湿状態よりも高いことが推定されるので、この場合には増大させるように補正係数Yを設定し、実際のアノード側キャッチタンク13の水位が基準水位よりも小さい場合には、アノードの湿度が標準加湿状態よりも低いことが推定されるので、この場合には減少させるように補正係数Yを設定する。
In the second embodiment, instead of comparing the amount of condensed water stored in the anode
これを実現するために、前述したように、アノード側キャッチタンク13に水位センサ41を設け、水位センサ41の出力信号を電子制御装置50に出力するようにし、電子制御装置50の記憶手段に、予め作成されたアノード側キャッチタンク13の水位差をパラメータとする補正係数マップを記憶しておく。
なお、アノード側キャッチタンク13の水位差をパラメータとする補正係数マップは、前述した実施例1におけるカソード側キャッチタンク26の水位差をパラメータとする補正係数マップと同様であるので、図7を援用して説明を省略する。
In order to realize this, as described above, the
The correction coefficient map using the water level difference of the anode
次に、アノードの湿度判定処理を図9のフローチャートに従って説明する。このアノード湿度判定処理は電子制御装置50によって一定時間毎に繰り返し実行される。
まず、ステップS101において、吸気温度センサ31により検出された現在のエアポンプ吸気温度T1と、大気圧センサ30により検出された現在の大気圧Pと、加湿器入口温度センサ32により検出された現在の加湿器入口空気温度T2に基づき、図3の加湿器入口空気湿度マップを参照して、加湿器入口空気湿度Aを検索する。
Next, anode humidity determination processing will be described with reference to the flowchart of FIG. This anode humidity determination process is repeatedly executed by the
First, in step S101, the current air pump intake air temperature T1 detected by the intake
次に、ステップS102に進み、カソード出口温度センサ33により検出された現在のカソード出口空気温度T3と、冷媒出口温度センサ34により検出された現在の冷媒出口温度T4に基づき、図4のカソード出口空気湿度マップを参照して、カソード出口空気湿度Bを検索する。
Next, the process proceeds to step S102, where the cathode outlet air shown in FIG. 4 is based on the current cathode outlet air temperature T3 detected by the cathode
次に、ステップS103に進み、加湿器入口空気湿度Aとカソード出口空気湿度Bに基づき、図10のアノード湿度マップを参照して、アノード湿度Ha(仮のアノード湿度)を検索する。
次に、ステップS104に進み、ステップS103の処理により得られたアノード湿度Haが40%未満か否かを判定する。
ステップS104における判定結果が「NO」(40%以上)である場合には、ステップS105に進み、ステップS103の処理により得られたアノード湿度Haが60%を越えているか否かを判定する。
Next, the process proceeds to step S103, and the anode humidity Ha (temporary anode humidity) is retrieved based on the humidifier inlet air humidity A and the cathode outlet air humidity B with reference to the anode humidity map of FIG.
Next, it progresses to step S104 and it is determined whether the anode humidity Ha obtained by the process of step S103 is less than 40%.
If the determination result in step S104 is “NO” (40% or more), the process proceeds to step S105, and it is determined whether or not the anode humidity Ha obtained by the process in step S103 exceeds 60%.
ステップS105における判定結果が「NO」(60%以下)である場合には、ステップS106に進み、アノード湿度Haが40%〜60%であるので、アノードは乾燥状態でもなく湿潤状態でもない標準状態であると判定し、ステップS103で得られたアノード湿度Haに補正係数Yを乗じて、補正後のアノード湿度Hcを算出し、本ルーチンの実行を一旦終了する。なお、補正係数Yは、ドレンバルブ16を開弁する直前に水位センサ41により検出したアノード側キャッチタンク13の実水位と前記基準水位との水位差に基づいて、アノード側キャッチタンク13の水位差をパラメータとする補正係数マップを参照して検索し、決定する。
If the determination result in step S105 is “NO” (60% or less), the process proceeds to step S106, and the anode humidity Ha is 40% to 60%, so that the anode is in a standard state in which it is neither dry nor wet. The corrected anode humidity Hc is calculated by multiplying the anode humidity Ha obtained in step S103 by the correction coefficient Y, and the execution of this routine is temporarily terminated. The correction coefficient Y is based on the water level difference between the actual water level of the anode
ステップS104における判定結果が「YES」(40%未満)である場合には、ステップS107に進み、アノードは乾燥状態であると判定し、ステップS103で得られたアノード湿度Haに補正係数Yを乗じて、補正後のアノード湿度Haを算出し、本ルーチンの実行を一旦終了する。なお、補正係数Yは、ドレンバルブ16を開弁する直前に水位センサ41により検出したアノード側キャッチタンク13の実水位と前記基準水位との水位差に基づいて、アノード側キャッチタンク13の水位差をパラメータとする補正係数マップを参照して検索し、決定する。
If the determination result in step S104 is “YES” (less than 40%), the process proceeds to step S107, where it is determined that the anode is in a dry state, and the anode humidity Ha obtained in step S103 is multiplied by the correction coefficient Y. Then, the corrected anode humidity Ha is calculated, and the execution of this routine is temporarily terminated. The correction coefficient Y is based on the water level difference between the actual water level of the anode
ステップS105における判定結果が「YES」(60%を越えている)である場合には、ステップS108に進み、アノードは湿潤状態であると判定し、ステップS103で得られたアノード湿度Haに補正係数Yを乗じて、補正後のアノード湿度Haを算出し、本ルーチンの実行を一旦終了する。なお、補正係数Yは、ドレンバルブ16を開弁する直前に水位センサ41により検出したアノード側キャッチタンク13の実水位と前記基準水位との水位差に基づいて、アノード側キャッチタンク13の水位差をパラメータとする補正係数マップを参照して検索し、決定する。
この実施例2において、電子制御装置50はアノード湿度演算手段を構成する。
When the determination result in step S105 is “YES” (exceeds 60%), the process proceeds to step S108, where it is determined that the anode is in a wet state, and the correction coefficient is added to the anode humidity Ha obtained in step S103. Multiply by Y to calculate the corrected anode humidity Ha, and the execution of this routine is temporarily terminated. The correction coefficient Y is based on the water level difference between the actual water level of the anode
In the second embodiment, the
ここで、アノード側キャッチタンク13の水位差をパラメータとする補正係数マップは、標準状態、乾燥状態、湿潤状態とも同じマップとしてもよいし、標準状態、乾燥状態、湿潤状態で互いに異なる専用のマップとしてもよい。
Here, the correction coefficient map using the water level difference of the anode-
このように、図10のアノード湿度マップを検索することによって求めた仮のアノード湿度Haに対して、アノード側キャッチタンク13の水位差をパラメータとする補正係数Yを乗じて補正を行うと、真値に近いアノード湿度Haをリアルタイムに推定することができる。また、このアノード湿度Haの推定値に基づいて、燃料電池スタックの固体高分子電解質膜の湿潤状態を、極めて正確に把握することができる。
As described above, when the provisional anode humidity Ha obtained by searching the anode humidity map in FIG. 10 is corrected by multiplying by the correction coefficient Y using the water level difference of the anode
その結果、このアノード湿度Haに基づき燃料電池スタック1の運転を制御することで、アノードの湿度管理を適正に実行することが可能となる。例えば、アノード湿度が乾燥状態の領域にあるときには、燃料電池スタック1からの取り出し電流を抑制することで、単セル面内での湿度不足に伴う電力集中を未然に防いだり、アノード湿度を上げる方向に進ませることができ、アノード湿度の適正化を図ることができる。
また、燃料電池システムを長時間停止していた場合にも、起動した瞬間からアノード湿度を把握することができるので、そのときのアノード湿度に応じた燃料電池スタックの起動制御が可能となり、発電し易い環境へ移行することができる。
As a result, by controlling the operation of the
In addition, even when the fuel cell system has been stopped for a long time, the anode humidity can be grasped from the moment when it is started, so the start-up control of the fuel cell stack according to the anode humidity at that time becomes possible, and power generation is possible. It is possible to shift to an easy environment.
<実施例3>
次に、この発明に係る燃料電池システム、および燃料電池システムの膜湿潤状態判定方法の実施例3を図11の図面を参照して説明する。
図11は実施例3の燃料電池システムの要部構成図である。燃料電池システムの基本的な構成は、実施例2のものと同じであり、図11は実施例2の燃料電池システムと相違する部分だけを示した図である。
以下、実施例2との相違点についてだけ説明する。
<Example 3>
Next,
FIG. 11 is a configuration diagram of a main part of the fuel cell system according to the third embodiment. The basic configuration of the fuel cell system is the same as that of the second embodiment, and FIG. 11 is a diagram showing only the parts different from the fuel cell system of the second embodiment.
Only differences from the second embodiment will be described below.
実施例3の燃料電池システムでは、水素オフガス回収路12にアノードカソード側キャッチタンク26が設けられていない。
実施例3の燃料電池システムでは、水素オフガス回収路12に、水素ポンプ42が設けられており、燃料電池スタック1のアノードから排出された水素オフガスは水素ポンプ42で昇圧されてエゼクタ11に供給されるように構成されている。水素ポンプ42としては、容積形ポンプ(回転式、ルーツ式)やターボ形ポンプを例示することができる。
In the fuel cell system of Example 3, the anode / cathode side catch tank 26 is not provided in the hydrogen off-
In the fuel cell system of the third embodiment, a
このように、水素オフガス回収路12に水素ポンプ42を設けると、水素ポンプ42内で水素オフガス中の水分が結露し、その結露水が水素ポンプ42内に溜まる。そこで、この水素ポンプ42内に溜まった結露水の水位を検出する水位センサ43を水素ポンプ42に設けるとともに、水素ポンプ42を、ドレンバルブ44を備えたドレン通路45を介して希釈ボックス6に接続し、ドレンバルブ44を燃料電池スタック1の運転状態に応じて設定される所定時間毎に開弁制御して、水素ポンプ42に溜まった水を希釈ボックス6に排水する。
As described above, when the
なお、この実施例3において、水素供給通路8においてエゼクタ11よりも下流の部分と、水素オフガス回収路12は、アノード反応ガス循環流路を構成し、水素ポンプ42はアノード反応ガス循環流路に設けられている。
In Example 3, the portion of the
このように構成すると、実施例2におけるアノード側キャッチタンク13に溜まった水の水位に代えて、実施例3では水素ポンプ42に溜まった水の水位に基づいて、仮のアノード湿度に対する補正を行うことが可能となる。なお、仮のアノード湿度に対する補正の原理は、実施例2の場合と同じであるので、その説明は省略する。
If comprised in this way, it will replace with the water level of the water collected in the anode
実施例3では、水素ポンプ42に溜まった水の実水位と、燃料電池スタック1が定常運転状態でアノード湿度が標準加湿状態のときの水素ポンプ42に溜まる水の基準水位との水位差をパラメータとする補正係数マップを作成し、これを予め電子制御装置50の記憶手段に記憶しておく。
In the third embodiment, the difference in water level between the actual water level accumulated in the
そして、ドレンバルブ44を開弁する直前に水位センサ43により検出した水素ポンプ42の実水位と、水素ポンプ42の前記基準水位との水位差に基づいて、前記水位差をパラメータとする補正係数マップを参照して補正係数Yを決定し、仮のアノード湿度にこの補正係数Yを乗じることで、補正後のアノード湿度を算出する。
なお、実施例3におけるアノードの湿度判定処理は、図9のフローチャートに示す実施例2におけるアノードの湿度判定処理を同じであるので、説明を省略する。
Then, based on the water level difference between the actual water level of the
The anode humidity determination process in the third embodiment is the same as the anode humidity determination process in the second embodiment shown in the flowchart of FIG.
この実施例3の場合にも、図10のアノード湿度マップを検索することによって求めた仮のアノード湿度Haに対して、水素ポンプ42の水位差をパラメータとする補正係数Yを乗じて補正を行うと、真値に近いアノード湿度Haをリアルタイムに推定することができる。また、このアノード湿度Haの推定値に基づいて、燃料電池スタックの固体高分子電解質膜の湿潤状態を、極めて正確に把握することができる。
Also in the case of the third embodiment, correction is performed by multiplying the temporary anode humidity Ha obtained by searching the anode humidity map of FIG. 10 by the correction coefficient Y using the water level difference of the
その結果、このアノード湿度Haに基づき燃料電池スタック1の運転を制御することで、アノードの湿度管理を適正に実行することが可能となる。例えば、アノード湿度が乾燥状態の領域にあるときには、燃料電池スタック1からの取り出し電流を抑制することで、単セル面内での湿度不足に伴う電力集中を未然に防いだり、アノード湿度を上げる方向に進ませることができ、アノード湿度の適正化を図ることができる。
As a result, by controlling the operation of the
また、燃料電池システムを長時間停止していた場合にも、起動した瞬間からアノード湿度を把握することができるので、そのときのアノード湿度に応じた燃料電池スタックの起動制御が可能となり、発電し易い環境へ移行することができる。
なお、水素オフガスに含まれる水分の結露水を、実施例2ではアノード側キャッチタンク13に一時的に溜め、実施例3では水素ポンプ42の液溜まり部に一時的に溜めて、その結露水の水量を測定したが、これらに代えて、水素オフガス回収路12を構成する配管中に、水素オフガスの結露水を溜める液溜まり部を形成し、この液溜まり部に溜まった水の水位に基づいて補正係数Yを決定し、仮のアノード湿度にこの補正係数Yを乗じることで、補正後のアノード湿度を算出することも可能である。
In addition, even when the fuel cell system has been stopped for a long time, the anode humidity can be grasped from the moment when it is started, so the start-up control of the fuel cell stack according to the anode humidity at that time becomes possible, and power generation is possible. It is possible to shift to an easy environment.
It should be noted that the dew condensation water contained in the hydrogen off gas is temporarily stored in the
なお、カソードの湿度判定処理とアノードの湿度判定処理のいずれか一方を実行することにより、燃料電池スタック1の膜湿潤状態を判定することができる。
The membrane wet state of the
1 燃料電池スタック(燃料電池)
5 空気オフガス通路(カソード排出流路)
8 水素供給通路(アノード反応ガス循環流路)
12 水素オフガス回収路(アノード排出流路、アノード反応ガス循環流路)
13 アノード側キャッチタンク(アノード排出水貯留部)
26 カソード側キャッチタンク(カソード排出水貯留部)
27 水位センサ(水位測定手段)
30 大気圧センサ(環境条件測定手段)
31 吸気温度センサ(環境条件測定手段)
32 加湿器入口温度センサ(燃料電池スタック温度条件測定手段)
33 カソード出口温度センサ(燃料電池スタック温度条件測定手段)
34 冷媒出口温度センサ(燃料電池スタック温度条件測定手段)
41 水位センサ(水位測定手段)
42 水素ポンプ(燃料ポンプ)
43 水位センサ(水位測定手段)
50 電子制御装置(カソード湿度演算手段、アノード湿度演算手段)
1 Fuel cell stack (fuel cell)
5 Air off-gas passage (cathode discharge passage)
8 Hydrogen supply passage (Anode reaction gas circulation passage)
12 Hydrogen off-gas recovery path (anode discharge flow path, anode reaction gas circulation flow path)
13 Anode side catch tank (anode discharge water storage part)
26 Cathode side catch tank (cathode discharge water reservoir)
27 Water level sensor (water level measuring means)
30 Atmospheric pressure sensor (environmental condition measuring means)
31 Intake air temperature sensor (environmental condition measurement means)
32 Humidifier inlet temperature sensor (Fuel cell stack temperature condition measuring means)
33 Cathode outlet temperature sensor (Fuel cell stack temperature condition measuring means)
34 Refrigerant outlet temperature sensor (Fuel cell stack temperature condition measuring means)
41 Water level sensor (water level measuring means)
42 Hydrogen pump (fuel pump)
43 Water level sensor (water level measuring means)
50 Electronic control device (cathode humidity calculation means, anode humidity calculation means)
Claims (5)
前記燃料電池のカソードから排出されるカソードオフガスが流通するカソード排出流路と、
前記カソード排出流路に設けられカソードオフガスに含まれる水分の結露水を一時貯留するカソード排出水貯留部と、
前記カソード排出水貯留部の水位を測定する水位測定手段と、
前記燃料電池の環境条件を測定する環境条件測定手段と、
前記燃料電池の温度条件を測定する燃料電池温度条件測定手段と、
前記環境条件測定手段により測定された環境条件値と前記燃料電池温度条件測定手段により測定された燃料電池の温度条件値に基づいて前記カソードの湿度を演算するカソード湿度演算手段と、
を備え、
前記カソード湿度演算手段は、
前記環境条件測定手段により測定された環境条件値および前記燃料電池温度条件測定手段により測定された燃料電池の温度条件値に基づいて2つの判定値を演算する判定値演算部と、
前記2つの判定値から前記カソードの仮の湿度を求める仮カソード湿度演算部と、
前記水位測定手段によって測定された前記カソード排出水貯留部の実水位と、前記燃料電池の定常運転状態における前記カソード排出水貯留部の基準水位との比較値に基づいて補正係数を求める補正係数演算部と、
前記仮カソード湿度演算部により求められた仮カソード湿度に前記補正係数演算部により求められた補正係数を乗じることで前記カソードの湿度を求めるカソード湿度補正部と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell having an anode and a cathode sandwiching a solid polymer electrolyte membrane and generating power by being supplied with a reaction gas;
A cathode discharge passage through which a cathode off-gas discharged from the cathode of the fuel cell flows;
A cathode discharge water storage section that is provided in the cathode discharge flow path and temporarily stores condensed water of moisture contained in the cathode off gas;
Water level measuring means for measuring the water level of the cathode discharge water storage section;
Environmental condition measuring means for measuring environmental conditions of the fuel cell;
Fuel cell temperature condition measuring means for measuring the temperature condition of the fuel cell;
Cathode humidity calculating means for calculating the humidity of the cathode based on the environmental condition value measured by the environmental condition measuring means and the temperature condition value of the fuel cell measured by the fuel cell temperature condition measuring means;
With
The cathode humidity calculation means includes
A determination value calculation unit that calculates two determination values based on the environmental condition value measured by the environmental condition measurement unit and the temperature condition value of the fuel cell measured by the fuel cell temperature condition measurement unit;
A provisional cathode humidity calculation unit for obtaining provisional humidity of the cathode from the two determination values;
Correction coefficient calculation for obtaining a correction coefficient based on a comparison value between the actual water level of the cathode discharge water storage unit measured by the water level measuring means and the reference water level of the cathode discharge water storage unit in the steady operation state of the fuel cell And
A cathode humidity correction unit that determines the humidity of the cathode by multiplying the temporary cathode humidity determined by the temporary cathode humidity calculation unit by the correction coefficient determined by the correction coefficient calculation unit;
A fuel cell system comprising:
前記燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスが流通するアノード排出流路と、
前記アノード排出流路に設けられアノードオフガスに含まれる水分の結露水を一時貯留するアノード排出水貯留部と、
前記アノード排出水貯留部の水位を測定する水位測定手段と、
前記燃料電池の環境条件を測定する環境条件測定手段と、
前記燃料電池の温度条件を測定する燃料電池温度条件測定手段と、
前記環境条件測定手段により測定された環境条件値と前記燃料電池温度条件測定手段により測定された燃料電池の温度条件値に基づいて前記アノードの湿度を演算するアノード湿度演算手段と、
を備え、
前記アノード湿度演算手段は、
前記環境条件測定手段により測定された環境条件値および前記燃料電池温度条件測定手段により測定された燃料電池の温度条件値に基づいて2つの判定値を演算する判定値演算部と、
前記2つの判定値から前記アノードの仮の湿度を求める仮アノード湿度演算部と、
前記水位測定手段によって測定された前記アノード排出水貯留部の実水位と、前記燃料電池の定常運転状態における前記アノード排出水貯留部の基準水位との比較値に基づいて補正係数を求める補正係数演算部と、
前記仮アノード湿度演算部により求められた仮アノード湿度に前記補正係数演算部により求められた補正係数を乗じることで前記アノードの湿度を求めるアノード湿度補正部と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell having an anode and a cathode sandwiching a solid polymer electrolyte membrane and generating power by being supplied with a reaction gas;
An anode discharge passage through which anode off-gas discharged from the anode of the fuel cell flows;
An anode discharge water storage section that is provided in the anode discharge flow path and temporarily stores condensed water of moisture contained in the anode off gas;
Water level measuring means for measuring the water level of the anode discharge water storage section;
Environmental condition measuring means for measuring environmental conditions of the fuel cell;
Fuel cell temperature condition measuring means for measuring the temperature condition of the fuel cell;
An anode humidity calculating means for calculating the humidity of the anode based on the environmental condition value measured by the environmental condition measuring means and the temperature condition value of the fuel cell measured by the fuel cell temperature condition measuring means;
With
The anode humidity calculating means includes
A determination value calculation unit that calculates two determination values based on the environmental condition value measured by the environmental condition measurement unit and the temperature condition value of the fuel cell measured by the fuel cell temperature condition measurement unit;
A temporary anode humidity calculator for determining the temporary humidity of the anode from the two determination values;
Correction coefficient calculation for obtaining a correction coefficient based on a comparison value between the actual water level of the anode discharge water storage unit measured by the water level measurement means and the reference water level of the anode discharge water storage unit in a steady operation state of the fuel cell And
An anode humidity correction unit for determining the humidity of the anode by multiplying the temporary anode humidity determined by the temporary anode humidity calculation unit by the correction coefficient determined by the correction coefficient calculation unit;
A fuel cell system comprising:
前記燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスを再び前記燃料電池のアノードへ戻すアノード反応ガス循環流路と、
前記アノード反応ガス循環流路に設けられた燃料ポンプと、
前記燃料ポンプ内でアノードオフガスに含まれる水分の結露水が一時的に溜まる貯留部の水位を測定する水位測定手段と、
前記燃料電池の環境条件を測定する環境条件測定手段と、
前記燃料電池の温度条件を測定する燃料電池温度条件測定手段と、
前記環境条件測定手段により測定された環境条件値と前記燃料電池温度条件測定手段により測定された燃料電池の温度条件値に基づいて前記アノードの湿度を演算するアノード湿度演算手段と、
を備え、
前記アノード湿度演算手段は、
前記環境条件測定手段により測定された環境条件値および前記燃料電池温度条件測定手段により測定された燃料電池の温度条件値に基づいて2つの判定値を演算する判定値演算部と、
前記2つの判定値から前記アノードの仮の湿度を求める仮アノード湿度演算部と、
前記水位測定手段によって測定された前記貯留部の実水位と、前記燃料電池の定常運転状態における前記貯留部の基準水位との比較値に基づいて補正係数を求める補正係数演算部と、
前記仮アノード湿度演算部により求められた仮アノード湿度に前記補正係数演算部により求められた補正係数を乗じることで前記アノードの湿度を求めるアノード湿度補正部と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell having an anode and a cathode sandwiching a solid polymer electrolyte membrane and generating power by being supplied with a reaction gas;
An anode reaction gas circulation flow path for returning the anode off-gas discharged from the anode of the fuel cell to the anode of the fuel cell;
A fuel pump provided in the anode reaction gas circulation flow path;
A water level measuring means for measuring the water level of a reservoir in which condensed water of water contained in the anode off gas temporarily accumulates in the fuel pump;
Environmental condition measuring means for measuring environmental conditions of the fuel cell;
Fuel cell temperature condition measuring means for measuring the temperature condition of the fuel cell;
An anode humidity calculating means for calculating the humidity of the anode based on the environmental condition value measured by the environmental condition measuring means and the temperature condition value of the fuel cell measured by the fuel cell temperature condition measuring means;
With
The anode humidity calculating means includes
A determination value calculation unit that calculates two determination values based on the environmental condition value measured by the environmental condition measurement unit and the temperature condition value of the fuel cell measured by the fuel cell temperature condition measurement unit;
A temporary anode humidity calculator for determining the temporary humidity of the anode from the two determination values;
A correction coefficient calculation unit for obtaining a correction coefficient based on a comparison value between the actual water level of the storage unit measured by the water level measuring unit and the reference water level of the storage unit in a steady operation state of the fuel cell;
An anode humidity correction unit for determining the humidity of the anode by multiplying the temporary anode humidity determined by the temporary anode humidity calculation unit by the correction coefficient determined by the correction coefficient calculation unit;
A fuel cell system comprising:
前記環境条件測定手段により測定された環境条件値および前記燃料電池温度条件測定手段により測定された燃料電池の温度条件値に基づいて2つの判定値を求める判定値演算工程と、
予め作成されたマップを用いて前記2つの判定値に基づいて前記カソードの仮の湿度を求める仮カソード湿度演算工程と、
前記燃料電池のカソードから排出されるカソードオフガスに含まれる水分の結露水の実水量と、前記燃料電池の定常運転状態で前記カソードオフガスに含まれる水分の結露水の基準水量との比較値に基づいて補正係数を求める補正係数演算工程と、
前記カソードの仮の湿度に前記補正係数を乗じることで前記カソードの湿度を求めるカソード湿度補正工程と、
を順に用いて前記固体高分子電解質膜の湿潤状態を判定することを特徴とする燃料電池システムの膜湿潤状態判定方法。 A fuel cell comprising an anode and a cathode sandwiching a solid polymer electrolyte membrane and generating power by being supplied with a reaction gas, environmental condition measuring means for measuring environmental conditions of the fuel cell, and temperature conditions of the fuel cell A method of determining a wet state of the solid polymer electrolyte membrane in a fuel cell system comprising: a fuel cell temperature condition measuring means for measuring;
A determination value calculating step for obtaining two determination values based on the environmental condition value measured by the environmental condition measuring unit and the temperature condition value of the fuel cell measured by the fuel cell temperature condition measuring unit;
A provisional cathode humidity calculation step of obtaining a provisional humidity of the cathode based on the two determination values using a map created in advance;
Based on a comparison value between the actual amount of condensed water contained in the cathode offgas discharged from the cathode of the fuel cell and the reference amount of condensed water contained in the cathode offgas in the steady operation state of the fuel cell. A correction coefficient calculation step for obtaining a correction coefficient by
A cathode humidity correction step of obtaining the cathode humidity by multiplying the provisional humidity of the cathode by the correction coefficient;
A method for determining a wet state of a membrane of a fuel cell system, wherein the wet state of the solid polymer electrolyte membrane is determined in order.
前記環境条件測定手段により測定された環境条件値および前記燃料電池温度条件測定手段により測定された燃料電池の温度条件値に基づいて2つの判定値を求める判定値演算工程と、
予め作成されたマップを用いて前記2つの判定値に基づいて前記アノードの仮の湿度を求める仮アノード湿度演算工程と、
前記燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスに含まれる水分の結露水の実水量と、前記燃料電池の定常運転状態で前記アノードオフガスに含まれる水分の結露水の基準水量との比較値に基づいて補正係数を求める補正係数演算工程と、
前記アノードの仮の湿度に前記補正係数を乗じることで前記アノードの湿度を求めるアノード湿度補正工程と、
を順に用いて前記固体高分子電解質膜の湿潤状態を判定することを特徴とする燃料電池システムの膜湿潤状態判定方法。 A fuel cell comprising an anode and a cathode sandwiching a solid polymer electrolyte membrane and generating power by being supplied with a reaction gas, environmental condition measuring means for measuring environmental conditions of the fuel cell, and temperature conditions of the fuel cell A method of determining a wet state of the solid polymer electrolyte membrane in a fuel cell system comprising: a fuel cell temperature condition measuring means for measuring;
A determination value calculating step for obtaining two determination values based on the environmental condition value measured by the environmental condition measuring unit and the temperature condition value of the fuel cell measured by the fuel cell temperature condition measuring unit;
A temporary anode humidity calculation step of obtaining a temporary humidity of the anode based on the two determination values using a map created in advance;
Based on a comparison value between the actual amount of condensed water of moisture contained in the anode off gas discharged from the anode of the fuel cell and the reference amount of condensed water of moisture contained in the anode off gas in the steady operation state of the fuel cell. A correction coefficient calculation step for obtaining a correction coefficient by
An anode humidity correction step for determining the humidity of the anode by multiplying the provisional humidity of the anode by the correction coefficient;
A method for determining a wet state of a membrane of a fuel cell system, wherein the wet state of the solid polymer electrolyte membrane is determined in order.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2010085395A JP2011216415A (en) | 2010-04-01 | 2010-04-01 | Fuel cell system and film wet condition determination method for the same |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2010085395A JP2011216415A (en) | 2010-04-01 | 2010-04-01 | Fuel cell system and film wet condition determination method for the same |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2011216415A true JP2011216415A (en) | 2011-10-27 |
Family
ID=44945932
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2010085395A Pending JP2011216415A (en) | 2010-04-01 | 2010-04-01 | Fuel cell system and film wet condition determination method for the same |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2011216415A (en) |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20200037629A (en) * | 2018-10-01 | 2020-04-09 | 현대자동차주식회사 | Method for determining status of humidity of fuel cell system |
CN113707916A (en) * | 2021-07-23 | 2021-11-26 | 上海重塑能源科技有限公司 | Fuel cell humidity estimation method and estimation system |
CN114220999A (en) * | 2021-12-17 | 2022-03-22 | 山东国创燃料电池技术创新中心有限公司 | Air intake control method, device and system storage medium for fuel cell system |
CN116207304A (en) * | 2023-04-27 | 2023-06-02 | 中汽数据有限公司 | Modeling method of membrane humidifier for fuel cell, membrane humidifier module and model |
JP2023145824A (en) * | 2022-03-29 | 2023-10-12 | 本田技研工業株式会社 | fuel cell system |
WO2024168950A1 (en) * | 2023-02-16 | 2024-08-22 | 上海重塑能源科技有限公司 | Method for calculating humidity at inlet of stack |
-
2010
- 2010-04-01 JP JP2010085395A patent/JP2011216415A/en active Pending
Cited By (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20200037629A (en) * | 2018-10-01 | 2020-04-09 | 현대자동차주식회사 | Method for determining status of humidity of fuel cell system |
KR102621709B1 (en) * | 2018-10-01 | 2024-01-08 | 현대자동차주식회사 | Method for determining status of humidity of fuel cell system |
CN113707916A (en) * | 2021-07-23 | 2021-11-26 | 上海重塑能源科技有限公司 | Fuel cell humidity estimation method and estimation system |
CN113707916B (en) * | 2021-07-23 | 2023-08-04 | 上海重塑能源科技有限公司 | Method and system for estimating humidity of fuel cell |
CN114220999A (en) * | 2021-12-17 | 2022-03-22 | 山东国创燃料电池技术创新中心有限公司 | Air intake control method, device and system storage medium for fuel cell system |
JP2023145824A (en) * | 2022-03-29 | 2023-10-12 | 本田技研工業株式会社 | fuel cell system |
WO2024168950A1 (en) * | 2023-02-16 | 2024-08-22 | 上海重塑能源科技有限公司 | Method for calculating humidity at inlet of stack |
CN116207304A (en) * | 2023-04-27 | 2023-06-02 | 中汽数据有限公司 | Modeling method of membrane humidifier for fuel cell, membrane humidifier module and model |
CN116207304B (en) * | 2023-04-27 | 2023-08-01 | 中汽数据有限公司 | Modeling method of membrane humidifier for fuel cell, membrane humidifier module and model |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5324522B2 (en) | Fuel cell system | |
JP5397387B2 (en) | Fuel cell system | |
WO2007020768A1 (en) | Fuel cell system and generation control device | |
JP2011216415A (en) | Fuel cell system and film wet condition determination method for the same | |
EP2052429A2 (en) | Fuel cell system | |
JP2018106900A (en) | Fuel cell cooling system | |
JP2012164457A (en) | Fuel cell system | |
JP6325013B2 (en) | Low temperature startup method for fuel cell system | |
CN103326047A (en) | Model based approach for in-situ wvtd degradation detection in fuel cell vehicles | |
JP6258380B2 (en) | Fuel cell control method and fuel cell system | |
JP2006210004A (en) | Fuel cell system | |
JP5459223B2 (en) | Fuel cell system | |
JP2006351506A (en) | Fuel cell system | |
CN102193030B (en) | Auto-learning of base stack resistance for HFR based RH control | |
JP5470815B2 (en) | Fuel cell system | |
JP2011216416A (en) | Fuel cell system and film wet condition determination method for the same | |
JP2008021448A (en) | Fuel cell system and fuel cell control method | |
JP5103719B2 (en) | Fuel cell system | |
JP5017917B2 (en) | Fuel cell system | |
JP2009238669A (en) | Fuel cell system | |
JP5310739B2 (en) | Fuel cell system | |
JP2005251517A (en) | Fuel cell system | |
JP5172194B2 (en) | Fuel cell system | |
JP2004349067A (en) | Fuel cell system | |
JP2012059557A (en) | Fuel cell system |