JP4973060B2 - Humidity determination device for fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池を構成する単電池ユニットの電圧変化から燃料電池の加湿状態を判断する装置に関する。 The present invention relates to an apparatus for determining a humidified state of a fuel cell from a change in voltage of a single cell unit constituting the fuel cell.
燃料電池の加湿状態を判断する方法として、特許文献1の技術が開示されている。すなわち、燃料電池を構成する単セルの電圧を測定し、電圧が所定値以下となった場合に、電圧低下が発生した単セルの積層位置を判断し、積層位置がスタックの端部付近であればスタックの加湿状態を加湿過剰と判断し、中央部付近であれば、加湿不足であると判断する。
As a method for determining the humidified state of the fuel cell, the technique of
さらに、単セルの電圧が所定値以下となったとき電圧を経時的に記憶し、電圧が経時的に低下している場合に加湿不足と判断し、経時的な電圧低下が計測されない場合、加湿過剰と判断するという技術が公開されている。
しかしながら、実際には単セルの積層位置が中央部であっても加湿過剰で単セルの電圧低下が発生することがあるし、積層位置が端部付近であっても、加湿不足で単セルの電圧低下が発生することがある。従って、特許文献1の技術では燃料電池の加湿状態の判断を正確にできない。
However, even if the stack position of the single cell is in the central part, the voltage drop of the single cell may occur due to excessive humidification, and even if the stack position is near the end, the humidification is insufficient. A voltage drop may occur. Therefore, the technique of
また、燃料電池運転中は電圧が経時に変化する為、特許文献1の技術では、加湿状態を判断するまでに時間がかかり、過失不足により単セルを構成する電解質膜が破れてしまう問題がある。
In addition, since the voltage changes with time during operation of the fuel cell, the technique of
本発明は、燃料電池の加湿状態判定装置であって、燃料電池を構成する単電池ユニットの電圧を測定する電圧測定手段と、制御部とを備え、制御部は、所定電圧以下となる単電池ユニットが存在する場合、その単電池ユニットの近傍にある単電池ユニットの電圧から燃料電池の加湿状態を判断する加湿状態判定部を備える。 The present invention relates to a humidifying state determination device for a fuel cell, comprising a voltage measuring means for measuring a voltage of a single cell unit constituting the fuel cell, and a control unit, and the control unit is a single cell having a predetermined voltage or less. When the unit is present, a humidification state determination unit is provided that determines the humidification state of the fuel cell from the voltage of the unit cell unit in the vicinity of the unit cell unit.
本発明によれば、簡単な構成で燃料電池の加湿状態を正確かつ迅速に判断できる。 According to the present invention, the humidified state of the fuel cell can be accurately and quickly determined with a simple configuration.
以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。図面の記載において同一あるいは類似の部分には同一あるいは類似な符号を付している。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals.
(第1実施形態)
図1を参照して、本発明の第1実施形態に係る燃料電池の加湿状態判定装置を説明する。
(First embodiment)
With reference to FIG. 1, a humidified state determination device for a fuel cell according to a first embodiment of the present invention will be described.
図1は、第1実施形態に係る燃料電池の加湿状態判定装置を含む燃料電池システムの全体の構成を表す。 FIG. 1 shows an overall configuration of a fuel cell system including a humidification state determination device for a fuel cell according to the first embodiment.
第1実施形態に係る燃料電池システムは、水素を含有する燃料ガスと酸素を含有する酸化剤ガスの反応により発電する燃料電池1と、燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置2と、酸化剤ガス(例えば、空気)を供給する酸化剤ガス供給装置3と、冷却水を循環する冷却水循環部11、電圧測定装置(電圧センサ)22と、燃料電池システムを構成する各部材の動作を制御することで燃料電池1の発電をコントロールする制御部(コントロールユニット)20を備える。
The fuel cell system according to the first embodiment includes a
燃料ガス供給装置2としては、例えば水素を含有する燃料ガスを高圧で貯蔵する貯蔵タンクでもよい。また、酸化剤ガス供給装置3としては、例えば空気を供給するコンプレッサーでもよい。
The fuel
燃料電池1の燃料ガス入口と燃料ガス供給装置2は、燃料ガス供給配管4で接続され、燃料電池1の酸化剤ガス入口と酸化剤ガス供給装置3は、酸化剤ガス供給配管5で接続される。また、燃料電池1の燃料ガス出口に接続された燃料ガス排出配管6からアノード排ガスが排出され、燃料電池1の酸化剤ガス出口に接続された酸化剤ガス排出配管7からカソード排ガスが排出される。
The fuel gas inlet of the
燃料ガス配管4には、燃料ガス圧力調整弁8が配置され燃料電池1に供給する燃料ガスの圧力を調整する。燃料ガス排出配管6には、パージ弁9が配置される。パージ弁9は、通常閉じられているが、燃料電池1が一定電力または一定時間発電した場合、パージ弁9が開き、燃料ガスとともに水分及び窒素ガスが排出する。また、酸化剤ガス排出配管7には、酸化剤ガス圧力調整弁10が配置され酸化剤ガスの圧力を調整する。
A fuel gas pressure adjustment valve 8 is disposed in the fuel gas pipe 4 to adjust the pressure of the fuel gas supplied to the
冷却水循環部11は、燃料電池1の冷却水の出入り口に接続される冷却水供給配管13と、冷却水供給配管13に配置され、冷却水を循環させる循環ポンプ12とから構成される。
The cooling
制御部20は、燃料電池1の加湿状態を判断する加湿状態判定部21を備える。
The
燃料電池1は、単セルから成る単電池ユニット30が、図2のように複数積層された構造を持つ。
The
すなわち、燃料電池1には、燃料電池1を構成する全ての単電池ユニット30(1)〜30(n)のそれぞれに、各単電池ユニット30の端部aの電圧V(a1)〜V(an)を検出する電圧センサ22(a1)〜22(an)と、各単電池ユニット30の端部bの電圧V(b1)〜V(bn)を検出する電圧センサ22(b1)〜22(bn)とが設けられている(図2)。ここで、定数nの値は、単電池ユニットの積層組数に相当し、本実施形態では例えばn=100とする。
That is, the
電圧センサ22は、単電池ユニット30の加湿過剰および加湿不足になる可能性の高い部位に設置することが望ましく、測定部位として酸化剤ガスまたは燃料ガスの出口に設置することが好ましい。なぜならば、例えば、酸化剤ガス側では発電に伴う水の生成により、一般に入口から出口にかけて湿度が上昇していくため、出口側では加湿過剰に陥る可能性が高いからである。また、燃料ガス側では、燃料ガスが消費されることにより入口から出口に向かって相対湿度が高くなること、および、酸化剤ガスから燃料ガス側に水が拡散することによって出口側では加湿過剰に陥る可能性が高くなる。
The
従って、図2に示すように燃料ガスと酸化剤ガスの流れが相反する向きに供給されているならば、燃料ガスの出口(酸化剤ガスの入口)、及び酸化剤ガスの出口(燃料ガスの入口)の両側に電圧センサ22を設置することで、酸化剤ガス側が加湿過剰であるか、燃料ガス側が加湿過剰であるかを判断することが出来る。
Therefore, as shown in FIG. 2, if the flows of the fuel gas and the oxidant gas are supplied in opposite directions, the fuel gas outlet (oxidant gas inlet) and the oxidant gas outlet (fuel gas outlet) By installing the
図3は、図2の燃料電池1のA−A’断面を示す図である。単電池ユニット30は、プロトン伝導性を有する固体電解質膜31と、酸化剤電極層(カソード)32と、燃料電極層(アノード)33と、酸化剤ガスセパレータ34と、燃料ガスセパレータ35とを備える。固体電解質膜31は、カソード32とアノード33との間に挟まれる。酸化剤ガスセパレータ34は、カソード32の固体電解質膜31に対して反対側に配置され、燃料ガスセパレータ35は、アノード33の固体電解質膜31に対して反対側に配置される。
FIG. 3 is a view showing a cross section A-A ′ of the
カソード32とアノード33は、カーボン繊維などの多孔質体から構成した酸化剤ガス拡散層32aおよび燃料ガス拡散層33aと、触媒として白金を担持したカーボン担体から構成したカソード触媒層32bとアノード触媒層33bを備える。
The
また、酸化剤セパレータ34は、カソード32側に酸化剤ガス流路36を、燃料ガスセパレータ35は、アノード側に燃料ガス流路37を、隣り合うカソード32とアノード33の間には冷却水流路38が設けられている。
The
次に第1実施形態における燃料電池の加湿状態判定装置の動作を図4のフローチャートを用いて説明する。 Next, the operation of the fuel cell humidification state determination apparatus according to the first embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG.
(イ)先ず、S100で単電池ユニット30(1)〜30(n)の電圧V(a1)〜V(an)およびV(b1)〜V(bn)を測定する。 (A) First, in S100, the voltages V (a1) to V (an) and V (b1) to V (bn) of the cell units 30 (1) to 30 (n) are measured.
(ロ)S101では、S100で測定した単電池ユニット30の電圧V(a1)〜V(an)およびV(b1)〜V(bn)のうち、所定電圧以下となる単電池ユニット30が存在するかを検出する。所定電圧以下となる単電池ユニット30(第1の単電池ユニット)が存在する場合(S101にてYES)、S102へ進む。所定電圧以下となる単電池ユニット30が存在したい場合(S101にてNO)、S100に戻り運転を継続する。なお、「所定電圧」は、加湿不足或いは過剰を判断するための条件の一部であるが、本発明の実施形式により変化するパラメータであるため、その設定範囲を明確に特定することは難しい。
(B) In S101, there is a
(ハ)S102では、電圧が所定電圧以下となる単電池ユニットの近傍にある単電池ユニット(第2の単電池ユニット)の電圧を加湿不足判定電圧と比較する。第2の単電池ユニットの電圧が加湿不足判定電圧以下の場合(S102にてYES)、加湿状態判定部21は、燃料電池1は加湿不足であると判断し(S103)、S104に進み制御部20が、冷却水の流量を増加させる。一方、第2の単電池ユニットの電圧が加湿不足判定電圧より大きい場合(S102にてNO)、S105へ進む。なお、「近傍」とは、第1の単電池ユニットに隣接する単電池ユニットのみならず、第1の単電池ユニットから複数個離れた単電池ユニットまでをも含む概念である。つまり、第1の単電池ユニットの近傍にある第2の単電池ユニットには、複数個の単電池ユニットが含まれる。ただし、複数個の単電池ユニットの総てが上記条件(S102)を満たしている必要は無く、少なくとも何れか1つの単電池ユニットが満たしていればよい。
(C) In S102, the voltage of the unit cell unit (second unit cell unit) in the vicinity of the unit cell unit whose voltage is equal to or lower than the predetermined voltage is compared with the insufficient humidification determination voltage. When the voltage of the second unit cell unit is equal to or lower than the humidification shortage determination voltage (YES in S102), humidification
(ニ)S105では、第2の単電池ユニットの電圧を加湿過剰判定電圧と比較する。第2の単電池ユニットの電圧が加湿過剰判定電圧以上の場合(S105にてYES)、加湿状態判定部21は、燃料電池1は加湿過剰であると判断し(S106)、S107に進み制御部20が、冷却水の流量を減少させる。一方、第2の単電池ユニットの電圧が加湿過剰判定電圧より小さい場合(S105にてNO)、S100に戻り運転を継続する。
(D) In S105, the voltage of the second unit cell unit is compared with the humidification excess determination voltage. When the voltage of the second unit cell unit is equal to or higher than the excessive humidification determination voltage (YES in S105), humidification
S104において、第2の単電池ユニットの電圧が加湿不足判定電圧以下の場合、燃料電池1が加湿不足であると判断するが、理由を以下に説明する。
In S104, when the voltage of the second unit cell unit is equal to or lower than the humidification insufficient determination voltage, it is determined that the
すなわち、単電池ユニット30が加湿不足なると固体電解質膜が乾燥し、固体電解質膜の抵抗が増大する。一方、単電池ユニット30の電圧Vは、単電池ユニット30の起電力をE、電流をI、単電池ユニット30の抵抗をRとすると、式(1)で表せる。
That is, when the
V=E−I×R・・・(1)
従って、加湿不足の単電池ユニット30は抵抗Rが増加することで電圧が低下する。さらに抵抗Rが増加した分の熱が放出される。そのため、加湿不足により電圧低下し、第1の単電池ユニットの近傍では温度が上昇するため、第2の単電池ユニットも乾燥方向へと移行する。結果、第1の単電池ユニットの近傍も加湿不足となり第2の単電池ユニットの電圧低下を招くことになるからである。
V = EI × R (1)
Therefore, the voltage of the
さらに、S106において、第2の単電池ユニットの電圧が加湿過剰判定電圧より大きい場合、燃料電池1が加湿過剰であると判断するが、理由を以下に説明する。
Furthermore, in S106, when the voltage of the second unit cell unit is larger than the excessive humidification determination voltage, it is determined that the
単電池ユニット30が、加湿過剰になると凝縮した水によって供給ガス流路が閉塞される。従って、燃料ガスと酸化剤ガスの反応が阻害される為、発電が起こらず電圧低下を招く。しかし、発電していない部分に関係なく電流は一定の値を示すためには電流は発電していない部分を迂回して通る必要があり、電流密度分布が出来てしまう。図5にその概念図を示す。矢印は電流の流れを示している。例えば単電池ユニット30で1(A/cm2)の電流密度であったとしても、加湿過剰で発電してない部分60ができると、61に示す部分では0.6(A/cm2)、62に示す部分では1.1(A/cm2)のように、電流密度に分布が生じる。一方、単電池ユニット30の電流密度と電圧の関係は一般的に図6で示す性能曲線となる。図6より電流密度が小さくなると電圧が高くなる。
When the
従って、第1の単電池ユニットに加湿過剰で発電していない部分60が存在すると、第2の単電池ユニットのうち61に示す部分では電流密度が小さくなり、電圧が高くなる。
Therefore, when there is a
一方、本実施形態では、加湿不足判定電圧および加湿過剰判定電圧を以下のように設定する。燃料電池では配流バラツキ等により電圧にバラツキがみられる。そのため、正常に運転されている場合であっても平均電圧よりも低い単電池ユニットや高い単電池ユニットが存在する。そのため図7で示すように、加湿不足判定電圧を平均電圧よりも低い値に設定し、図8に示すように加湿過剰判定電圧を平均電圧よりも高い値に設定する。 On the other hand, in this embodiment, the insufficient humidification determination voltage and the excessive humidification determination voltage are set as follows. In the fuel cell, the voltage varies due to the distribution variation. For this reason, even when the battery is operating normally, there are single battery units that are lower or higher than the average voltage. Therefore, as shown in FIG. 7, the humidification shortage determination voltage is set to a value lower than the average voltage, and as shown in FIG. 8, the humidification excess determination voltage is set to a value higher than the average voltage.
以上のことから、第1実施形態では、第2の単電池ユニットの電圧を測定することで、燃料電池の加湿状態を判断することが出来るので、加湿状態の判断を瞬時にできる。 From the above, in the first embodiment, the humidification state of the fuel cell can be determined by measuring the voltage of the second unit cell unit, so the determination of the humidification state can be made instantaneously.
また、燃料電池1の加湿不足を判断する所定値と、加湿過剰を判断する所定値を別の値とすることで、電圧にバラツキがある場合にも加湿状態の判断をより正確に行うことができる。
In addition, the predetermined value for determining insufficient humidification of the
さらに、単電池ユニット30が単セルからなり、全単セルの電圧を計測しているので、電圧の測定精度が良く加湿状態を正確に判断できる。
Furthermore, since the
また、S103で燃料電池1が加湿不足であると判断した後、S104で冷却水の流量を増加させることで、燃料電池の発電に伴う熱を冷却水で吸収し、燃料電池内の温度を下げることにより湿度を上げることができるので、燃料電池1を適切な運転状態にすることができる。同様に、S106で燃料電池1が加湿過剰であると判断した後に、S107で冷却水の流量を減少させることで、燃料電池1を適切な運転状態にすることができる。
Further, after determining that the
(第1実施形態の変形例)
第1実施形態では、単電池ユニット30は単セルとし、各単セルごとに電圧を測定したが、図9のように単電池ユニット30を複数の単セル40から構成しても良い。これにより、燃料電池の加湿状態判定装置を簡易にすることができる。
(Modification of the first embodiment)
In the first embodiment, the
また、第1実施形態では、燃料電池1が加湿不足であると判断した場合、(1)冷却水の流量を増加させているが、(2)燃料ガスと酸化剤ガスの少なくとも一方の流量を減少させる、(3)燃料ガスと酸化剤ガスの少なくとも一方の圧力を上げる、または、(4)燃料ガスと酸化剤ガスの少なくとも一方の湿度を上げても良い。または、(1)、(2)、(3)および(4)の動作を組み合わせても良い。
In the first embodiment, when it is determined that the
以上の効果として、燃料ガスと酸化剤ガスの少なくとも一方の流量を減少させることにより、単電池ユニット30から持ち出される水分を押さえ加湿状態を湿潤方向にすることがでる。燃料ガスと酸化剤ガスの少なくとも一方の圧力を上昇させることにより、圧力を上昇させたガスにおいてスタック内部に持ち込める水分量が増えるので、加湿状態を湿潤方向にすることができるる。また当然、燃料ガスと酸化剤ガスの少なくとも一方の湿度を高くすることで、水蒸気が凝縮しやすくなるため加湿状態を湿潤方向にすることができるる。よって、燃料電池を適切な運転状態にすることができる。
As an effect as described above, by reducing the flow rate of at least one of the fuel gas and the oxidant gas, moisture taken out from the
また、燃料電池1が加湿過剰であると判断した場合も、第1実施形態では、(1)冷却水の流量を減少させているが、(2)燃料ガスと酸化剤ガスの少なくとも一方の流量を増加させる、(3)燃料ガスと酸化剤ガスの少なくとも一方の圧力を下げる、または、(4)燃料ガスと酸化剤ガスの少なくとも一方の湿度を下げても良いし、または、(1)、(2)、(3)および(4)の動作を組み合わせても良い。効果としては、加湿不足の場合の動作と逆である為説明を省略する。
Even when it is determined that the
第1の実施形態では、加湿不足判定電圧と加湿過剰判定電圧を違う値としたが、同じ値にしても良い。例えば、第2の単電池ユニットの電圧は、加湿不足の場合は平均電圧よりも低くなり、加湿過剰の場合は平均電圧よりも高くなる。従って、加湿不足判定電圧および加湿過剰判定電圧を、燃料電池1を構成する単電池ユニット30の平均電圧とし、同じ値にしても良い。平均電圧は、容易に演算できるので、燃料電池の加湿状態判定装置を簡易にすることができる。
In the first embodiment, the insufficient humidification determination voltage and the excessive humidification determination voltage are different values, but may be the same value. For example, the voltage of the second unit cell unit is lower than the average voltage when the humidification is insufficient, and is higher than the average voltage when the humidification is excessive. Therefore, the insufficient humidification determination voltage and the excessive humidification determination voltage may be the same value as the average voltage of the
(第2実施形態)
第1実施形態では、加湿不足の判断において(図4のS102)、第2の単電池ユニットの電圧を加湿不足判定電圧と比較するのみであったが、第2実施形態では、第2の単電池ユニットの電圧に対して、時間の経過に対しての変化を測定し加湿不足の判断をする。
(Second Embodiment)
In the first embodiment, in the determination of insufficient humidification (S102 in FIG. 4), the voltage of the second single battery unit is only compared with the insufficient humidification determination voltage. However, in the second embodiment, the second single unit is compared. The change of the battery unit voltage over time is measured to determine whether the humidification is insufficient.
第2実施形態における燃料電池の加湿状態判定装置の構成は、図1と同じであるので、説明は省略する。 The configuration of the fuel cell humidified state determination apparatus in the second embodiment is the same as that shown in FIG.
次に第2実施形態における燃料電池の加湿状態判定装置の動作を図10のフローチャートを用いて説明する。 Next, the operation of the fuel cell humidification state determination apparatus according to the second embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG.
S200からS202までは、図4におけるS100からS102と同じである。 Steps S200 to S202 are the same as steps S100 to S102 in FIG.
S203において、第2の単電池ユニットの電圧が、時間の経過に伴い低下しているかの判断をする。時間の経過に伴い低下している場合(S203にてYES)、S204に進み、加湿状態判定部21は、燃料電池1は加湿不足であると判断する。時間の経過に伴い低下していない場合(S203にてNO)、S200に戻り運転を継続する。
In S203, it is determined whether the voltage of the second unit cell unit has decreased with the passage of time. If it decreases with the passage of time (YES in S203), the process proceeds to S204, and the humidification
S205からS208は、図4におけるS104からS107と同じ動作であるので、説明は省略する。 Steps S205 to S208 are the same as steps S104 to S107 in FIG.
以上より、第2実施形態では、単電池ユニット30が加湿不足の場合は、運転を継続すると乾燥が進むので電圧は低下し続けるので、電圧の経時変化をみることでさらに精度よく加湿不足を判断することが出来る。
As described above, in the second embodiment, when the
(第3実施形態)
第1実施形態では、加湿過剰の判断において(図4のS105)、第2の単電池ユニットの電圧を加湿過剰判定電圧と比較するのみであったが、第3実施形態では、第2の単電池ユニットの電圧が加湿過剰判定電圧を2回以上超えた場合に加湿過剰の判断をする。
(Third embodiment)
In the first embodiment, in the determination of excessive humidification (S105 in FIG. 4), the voltage of the second single battery unit is only compared with the excessive humidification determination voltage. However, in the third embodiment, the second single cell unit is compared. When the voltage of the battery unit exceeds the excessive humidification determination voltage twice or more, the excessive humidification determination is made.
第3実施形態における燃料電池の加湿状態判定装置の構成は、図1と同じであるので、説明は省略する。 The configuration of the fuel cell humidification state determination apparatus according to the third embodiment is the same as that shown in FIG.
次に第3実施形態における燃料電池の加湿状態判定装置の動作を図11のフローチャートを用いて説明する。 Next, the operation of the fuel cell humidification state determination apparatus according to the third embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG.
S300からS305までは、図4におけるS100からS105と同じである。 S300 to S305 are the same as S100 to S105 in FIG.
S306において、第2の単電池ユニットの電圧が、2回以上、加湿過剰判定電圧を超えるか判断をする。2回以上、加湿過剰判定電圧を超える場合(S306にてYES)、S307に進み、加湿状態判定部21は、燃料電池1は加湿過剰であると判断する。そして、S308にて、冷却水の流量を減少させる。一方、2回以上、加湿過剰判定電圧を超えない場合(S306にてNO)、S300に戻り運転を継続する。
In S306, it is determined whether the voltage of the second unit cell unit exceeds the humidification excess determination voltage at least twice. If the humidification excess determination voltage is exceeded twice or more (YES in S306), the process proceeds to S307, and humidification
以上より、第3実施形態では、単電池ユニット30が加湿過剰の場合は、水つまりの場所が変化する為、電圧を測定している位置でガス流路の水詰まりと水詰まり解消により電圧低下と電圧回復とが起こることがあり、それに伴って第2の単電池ユニットの電圧も上昇と通常電圧値に戻ることがあるので、電圧の変化を複数回みることで、さらに精度よく加湿過剰を判断することが出来る。
As described above, in the third embodiment, when the
また、本実施形態において、第2実施形態における加湿不足の判断の動作を組み合わせてもよい。これにより、加湿過剰の判断のみならず、加湿不足の判断もより精度良く判断できる。 Moreover, in this embodiment, you may combine the operation | movement of the humidification insufficient determination in 2nd Embodiment. Thereby, not only the determination of excessive humidification but also the determination of insufficient humidification can be determined with higher accuracy.
(第4実施形態)
第1実施形態では、加湿不足の判断(図4のS102)後、加湿不足を解消する動作に移ったが、第4実施形態では、さらに加湿不足の要因が冷却水流路38の詰まりであるかの判断をする。
(Fourth embodiment)
In the first embodiment, after the determination of insufficient humidification (S102 in FIG. 4), the operation has been shifted to the operation of eliminating the insufficient humidification. However, in the fourth embodiment, whether the cause of insufficient humidification is the clogging of the cooling
第4実施形態に係る燃料電池の加湿状態判定装置を含む燃料電池システムの全体の構成を図12に示す。第4の実施形態では、さらに、制御部20が、水詰まり判定部23を備える。水詰まり判定部23は、燃料電池の加湿不足の要因が冷却水流路38の詰まりであるかの判断をする。
FIG. 12 shows an overall configuration of a fuel cell system including a humidified state determination device for a fuel cell according to the fourth embodiment. In the fourth embodiment, the
次に第4実施形態における燃料電池の加湿状態判定装置の動作を図13のフローチャートを用いて説明する。 Next, the operation of the fuel cell humidification state determination apparatus according to the fourth embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG.
S400からS403までは、図4におけるS100からS103と同じである。 S400 to S403 are the same as S100 to S103 in FIG.
(い)S404で、制御部20が、冷却水循環ポンプ12の噴出圧力を上げる。
(Ii) In S404, the
(ろ)次に、S405において、第1の単電池ユニットの電圧を所定電圧と比較する。電圧が所定電圧以下のままである場合(S405にてYES)、S406に進み、制御部20が、冷却水の流量を増加させる。一方、電圧が所定電圧より大きくなる場合(S405にてNO)、水詰まり判定部23は、加湿不足の要因が冷却水流路38の詰まりであると判断する(S410)。
(B) Next, in S405, the voltage of the first unit cell unit is compared with a predetermined voltage. If the voltage remains below the predetermined voltage (YES in S405), the process proceeds to S406, and
S407からS409は、図4におけるS105からS107と同じ動作である為、説明は省略する。 Steps S407 to S409 are the same as steps S105 to S107 in FIG.
S405において、冷却水循環ポンプ12の噴出圧力を上げることで、第1の単電池ユニットの電圧が所定電圧より大きくなる場合、加湿不足の要因が冷却水流路38の詰まりであると判断をするが、以下に理由を説明する。
In S405, when the voltage of the first unit cell unit becomes higher than the predetermined voltage by increasing the jet pressure of the cooling
冷却水流路38に詰っていた空気等が冷却水の圧力を上げることにより強制的に排除される。よって、冷却水が流れていなかったために放熱できなかった熱を冷却水に放出できるため、単電池ユニット30の温度が下がることで、燃料電池内の湿度が上昇し、固体電解質膜の抵抗Rが小さくなる為、式(1)より単電池ユニット30の電圧が上昇するからである。
Air or the like clogged in the cooling
以上より、第4実施形態では、冷却水の圧力を上げることにより、電圧が低下していた第1の単電池ユニットの電圧が上昇する場合、加湿不足の要因は、冷却水流路38の詰りと判断することができる。
As mentioned above, in 4th Embodiment, when the voltage of the 1st single cell unit in which the voltage was falling by raising the pressure of cooling water rises, the cause of insufficient humidification is clogging of the cooling
(第4実施形態の変形例)
第4の実施形態の変形例に係る燃料電池の加湿状態判定装置を含む燃料電池システムの全体の構成を図14に示す。本実施形態では、図1の燃料電池の加湿状態判定装置において、冷却水循環部11に第1バルブ40と、第2バルブ41と、第1バイパス流路42、第2バイパス流路43を更に備える。
(Modification of the fourth embodiment)
FIG. 14 shows an overall configuration of a fuel cell system including a fuel cell humidification state determination device according to a modification of the fourth embodiment. In the present embodiment, the fuel cell humidification state determination apparatus of FIG. 1 further includes a
第1バルブ40は、循環ポンプ12と燃料電池1の間で冷却水供給配管13に配置され、第2バルブ41は、循環ポンプ12と燃料電池1の間で冷却水供給配管13に配置される。
The
第1バイパス流路42は、循環ポンプ12と第2バルブ41の間から分岐し、第1バルブ40と燃料電池1の間で冷却水供給配管13に接続される。第2バイパス流路43は、循環ポンプ12と第1バルブ40の間から分岐し、第2バルブ41と燃料電池1の間で冷却水供給配管13に接続される。
The
第4の実施形態では、S405において、冷却水循環ポンプ12の噴出圧力を上げたが、第1バルブ40および第2バルブ41を閉じることにより、冷却水の循環方向を逆にしても良い。これにより、異物フィルタ等で回収しきれず冷却水流路につまっていた異物等を取り除くことができる。従って、冷却水が流れていなかったために放熱できなかった熱を冷却水に放出できるため、単電池ユニット30の温度が下がるので、第4の実施形態と同じ効果を得ることができる。
In the fourth embodiment, the ejection pressure of the cooling
(第5実施形態)
第5実施形態では、各単電池ユニット30の2以上の部位(例えば、図2の端部a及び端部b)にそれぞれ電圧センサ22を配置し、加湿状態判定部が、各部位で測定される単電池ユニット30の電圧分布から燃料電池1の加湿状態を判断する方法について説明する。
(Fifth embodiment)
In 5th Embodiment, the
第5実施形態に係わる燃料電池の加湿状態判定装置を含む燃料電池システムの全体の構成は、図1と同様である。また、図2に示したように、燃料電池1を構成する全ての単電池ユニット30(1)〜30(n)のそれぞれに、各単電池ユニット30の端部aの電圧V(a1)〜V(an)を検出する電圧センサ22(a1)〜22(an)と、各単電池ユニット30の端部bの電圧V(b1)〜V(bn)を検出する電圧センサ22(b1)〜22(bn)とが設けられている。燃料ガスと酸化剤ガスの流れが相反する向きに供給されているため、端部a及び端部bは、単電池ユニットの酸化剤ガスの入口側の部位及び出口側の部位であると同時に、燃料ガスの出口側の部位及び入口側の部位でもあることになる。また、これらの端部aおよび端部bは、単電池ユニットの構造上、このユニットの長手方向における両端部位に相当する。
The overall configuration of the fuel cell system including the humidified state determination device for a fuel cell according to the fifth embodiment is the same as that shown in FIG. In addition, as shown in FIG. 2, the voltage V (a1) ˜ at the end a of each
次に第5実施形態における燃料電池の加湿状態判定装置の動作を図15のフローチャートを用いて説明する。 Next, the operation of the fuel cell humidification state determination apparatus according to the fifth embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG.
(イ)先ず、S500において、単電池ユニット30(1)〜30(n)の電圧V(a1)〜V(an)およびV(b1)〜V(bn)を測定する。 (A) First, in S500, the voltages V (a1) to V (an) and V (b1) to V (bn) of the cell units 30 (1) to 30 (n) are measured.
(ロ)S501では、S500で測定した単電池ユニット30の電圧V(a1)〜V(an)およびV(b1)〜V(bn)のうち、所定電圧以下となる単電池ユニット30が存在するかを検出する。所定電圧以下となる単電池ユニット30(第1の単電池ユニット)が存在する場合(S501にてYES)、S502へ進む。所定電圧以下となる単電池ユニット30が存在したい場合(S501にてNO)、S500に戻り運転を継続する。
(B) In S501, there is a
(ハ)S502では、電圧が所定電圧以下となる単電池ユニットの近傍にある単電池ユニット(第2の単電池ユニット)の電圧を加湿不足判定電圧と比較する。第2の単電池ユニットの電圧が加湿不足判定電圧以下の場合(S502にてYES)、S503に進み、第2の単電池ユニットの電圧が加湿不足判定電圧よりも大きい場合(S502にてNO)、S506に進む。 (C) In S502, the voltage of the unit cell unit (second unit cell unit) in the vicinity of the unit cell unit whose voltage is equal to or lower than the predetermined voltage is compared with the insufficient humidification determination voltage. If the voltage of the second cell unit is equal to or lower than the humidification deficiency determination voltage (YES in S502), the process proceeds to S503, and the voltage of the second cell unit is greater than the dampness deficiency determination voltage (NO in S502). , The process proceeds to S506.
(ニ)S503において、電圧が所定電圧以下となる単電池ユニットの面内最遠部の電圧を測定する。つまり、所定電圧以下となる電圧を測定した電圧センサ22(a)が端部aに設置されている場合、同じ単電池ユニット面内の最遠部に位置する端部bに配置された電圧センサ22(b)を用いて、面内最遠部の電圧を測定する。 (D) In S503, the voltage at the farthest in-plane portion of the unit cell unit where the voltage is equal to or lower than the predetermined voltage is measured. That is, when the voltage sensor 22 (a) that measures a voltage that is equal to or lower than the predetermined voltage is installed at the end a, the voltage sensor disposed at the end b located at the farthest part in the same unit cell unit surface. 22 (b) is used to measure the farthest in-plane voltage.
(ホ)S504に進み、面内最遠部の電圧が所定電圧以下となるか否かを判断する。所定電圧以下となる場合(S504にてYES)S505に進み、所定電圧以下とならない場合(S504にてNO)S509に進む。 (E) Proceeding to S504, it is determined whether or not the voltage at the farthest portion in the plane is equal to or lower than a predetermined voltage. If the voltage is lower than the predetermined voltage (YES in S504), the process proceeds to S505. If the voltage is not lower than the predetermined voltage (NO in S504), the process proceeds to S509.
(へ)S505にて、電圧が所定電圧以下となる単電池ユニットの近傍にある単電池ユニット(第2の単電池ユニット)の面内最遠部の電圧を加湿過剰判定電圧と比較する。第2の単電池ユニットの面内最遠部の電圧が加湿過剰判定電圧以上の場合(S505にてYES)、S507に進み、第2の単電池ユニットの面内最遠部の電圧が加湿過剰判定電圧未満の場合(S505にてNO)、S509に進む。 (F) In S505, the voltage at the farthest in-plane portion of the unit cell unit (second unit cell unit) in the vicinity of the unit cell unit whose voltage is equal to or lower than the predetermined voltage is compared with the excessive humidification determination voltage. If the voltage at the farthest in-plane portion of the second cell unit is equal to or higher than the excessive humidification determination voltage (YES in S505), the process proceeds to S507, and the voltage at the farthest in-plane portion of the second cell unit is excessively humidified. If it is less than the determination voltage (NO in S505), the process proceeds to S509.
(ト)S509にて、加湿状態判定部21は、燃料電池1は加湿不足であると判断し、S510に進み、制御部20が、冷却水の流量を増加させる。
(G) In S509, the humidification
(チ)一方、S502において第2の単電池ユニットの電圧が加湿不足判定電圧より大きい場合(S502にてNO)、S506へ進み、第2の単電池ユニットの電圧を加湿過剰判定電圧と比較する。第2の単電池ユニットの電圧が加湿過剰判定電圧以上の場合(S506にてYES)、加湿状態判定部21は、燃料電池1は加湿過剰であると判断し(S507)、S508に進み制御部20が、冷却水の流量を減少させる。一方、第2の単電池ユニットの電圧が加湿過剰判定電圧より小さい場合(S506にてNO)、S500に戻り運転を継続する。
(H) On the other hand, when the voltage of the second unit cell unit is higher than the humidification deficiency determination voltage in S502 (NO in S502), the process proceeds to S506 and the voltage of the second unit cell unit is compared with the humidification excess determination voltage. . When the voltage of the second unit cell unit is equal to or higher than the excessive humidification determination voltage (YES in S506), humidification
このように、単電池ユニット30の一方の部位(端部a又は端部b)において、所定電圧以下となる単電池ユニットの近傍にある単電池ユニット(第2の単電池ユニット)の電圧が加湿不足判定電圧以下であり(S502にてYES)、且つ、単電池ユニットの他方の部位(端部b又は端部a)において、第2の単電池ユニットの電圧が加湿過剰判定電圧より大きい(S505にてYES)場合、加湿状態判定部21は、燃料電池1が加湿過剰であると判断する。つまり、単電池ユニット30の一方の部位が加湿不足の挙動(図7)を示している場合であっても、他方の部位が加湿過剰の挙動(図8)を示していれば、加湿過剰であると判断することにより、誤った判定を回避して電解質膜の穴あきや車両がフェールに落ちることを回避できる。
In this way, the voltage of the unit cell unit (second unit cell unit) in the vicinity of the unit cell unit that is equal to or lower than the predetermined voltage is humidified at one part (end part a or end part b) of the
単電池ユニット30の一方の部位(端部a又は端部b)において、所定電圧以下となる単電池ユニットの近傍にある単電池ユニット(第2の単電池ユニット)の電圧が加湿不足判定電圧以下であり(S502にてYES)、且つ、単電池ユニットの他方の部位(端部b又は端部a)において、第2の単電池ユニットの電圧が加湿過剰判定電圧以下の場合(S505にてNO)場合、加湿状態判定部は、燃料電池1が加湿不足であると判断する。つまり、単電池ユニット30の一方の部位が加湿不足の挙動を示している場合であり、他方の部位が加湿過剰の挙動を示していなければ、加湿不足であると判断することにより、誤った判定を回避して、電解質膜の穴あきや車両がフェールに落ちることを回避できる。
In one part (end part a or end part b) of the
酸化剤ガスの入口側部位及び出口側部位に電圧センサを設置することにより、酸化剤ガスに起因するフラッディングを検知することができる。 By installing voltage sensors at the inlet side portion and the outlet side portion of the oxidant gas, flooding caused by the oxidant gas can be detected.
燃料ガスの入口側部位及び出口側部位に電圧センサを設置することにより、燃料ガスに起因するフラッディングを検知することができる。 By installing voltage sensors at the inlet side portion and the outlet side portion of the fuel gas, flooding caused by the fuel gas can be detected.
第5実施形態における加湿過剰時の判定方法について更に詳細に説明する。加湿過剰時において電圧測定部位近辺での積層方向の電圧分布の挙動がどうなるのかをまず説明する。図5に示したように、ある特定のセル(単電池ユニット)で加湿過剰状態が発生すると、その単電池ユニットの加湿過剰部位60は発電をしなくなる。正確には加湿過剰により発電面にガスが届かない、もしくは届きにくいということが起こり、発電が阻害され電圧低下する。そのため、スタック内部の負荷電流は、未発電及び発電性能低下部位60を回避するように流れるが、未発電部位のみをさけて流れることが出来ない。なぜならば面方向(図5の-X方向)に流れる電流はセパレータを介して流れるため、数A程度しか面方向に流れない。よって、発電性能低下部位60よりも数セル離れたセルから電流が減少し始める。そして、発電性能低下部位60の隣のセルは発電可能であるにもかかわらず、負荷電流量が低下するため、図6に示したIV特性より、電圧が上昇する。したがって、加湿過剰部位60側の電圧センサが測定する電圧の分布は、図8に示したように、加湿過剰部位60の電圧が低下すると、その周辺のセルの電圧は上昇する。
The determination method at the time of excessive humidification in the fifth embodiment will be described in more detail. First, the behavior of the voltage distribution in the stacking direction in the vicinity of the voltage measurement site when the humidification is excessive will be described. As shown in FIG. 5, when an excessively humidified state occurs in a specific cell (single cell unit), the excessively humidified
しかしながら、このとき、同一セル面内の特に反対側、即ち、同一セルの面内最遠部は、加湿過剰部位を含まないため、電流が集中している。よって、加湿過剰部位60の反対側では電流が増加して電圧が低下してしまう。加湿過剰部位60の反対側における電圧分布は、図7に示すように、加湿不足に似た挙動を示す。
However, at this time, the current is concentrated on the opposite side in the same cell plane, that is, the farthest in-plane portion of the same cell, because it does not include the excessively humidified portion. Therefore, the current increases and the voltage decreases on the side opposite to the excessively humidified
このように、加湿過剰時においては、単電池ユニット30内の加湿過剰部位(フラッディング発生部位)60以外の部位(特に、面内最遠部)では、電流密度が上昇して電圧が低下するため、図7に示す加湿不足時と同様な電圧の分布を示す。このため、加湿過剰部位60以外の部位の電圧分布だけに基づいて加湿状態を判断すると、実際にはフラッディングしているのに、加湿不足(ドライアウト)であると誤判断してしまうおそれがある。
As described above, when the humidification is excessive, the current density is increased and the voltage is decreased at a portion other than the excessive humidification portion (flooding occurrence portion) 60 in the unit cell unit 30 (particularly, the farthest in-plane portion). The voltage distribution similar to that at the time of insufficient humidification shown in FIG. 7 is shown. For this reason, if the humidification state is determined based only on the voltage distribution of the part other than the excessively humidified
特に、電流分布の影響を受けやすい長手方向に短いスタック(単電池ユニット)や激しいフラッディングを起きている時には誤判断を起こす可能性が高くなる。以下に、誤判断を起こす可能性の有る場合を示す。 In particular, there is a high possibility of misjudgment when a short stack (single cell unit) in the longitudinal direction that is easily affected by the current distribution or severe flooding occurs. The following shows cases where there is a possibility of misjudgment.
(1)1つの単電池ユニット30面内に一箇所しか電圧測定部位を設けていない場合に加湿不足であるような挙動を見せたとき、実は電圧測定部位の反対面で加湿過剰であるおそれがある。
(1) When only one voltage measurement part is provided in the surface of one
(2)1つの単電池ユニット30面内に複数個所電圧測定部位を取り付けているが、それぞれが独立して判断する場合、複数箇所を見比べて判断するという機能をつけていないため、各部位ごとに相反する判断をしてしまい、結果的に誤判断を起こす。もしくは判定不能になる可能性がある。
(2) Although a plurality of voltage measurement parts are attached to the surface of one
(3)スタックが長手方向に短い場合、つまり、図2のY方向に短い場合、フラッディング部位に対して面内の反対方向にまで電流分布の影響が出やすくなるため、フラッディング部位の反対側部位での電圧分布が加湿不足の挙動を示しやすくなる。 (3) If the stack is short in the longitudinal direction, that is, if it is short in the Y direction in FIG. 2, the influence of the current distribution is likely to occur in the opposite direction in the plane with respect to the flooding part. The voltage distribution at becomes easy to show the behavior of insufficient humidification.
(4)著しく激しいフラッディングの場合、(3)と同じように、発電不良部位の面積が増大するため、電流分布がついたときに電流が流れられる面積が減少しているので、長手方向に短いスタックと同様の挙動を示す。 (4) In the case of remarkably intense flooding, the area of power generation failure is increased as in (3), so the area through which current flows when the current distribution is applied is reduced, so it is short in the longitudinal direction. Behaves like a stack.
これに対して、加湿不足(ドライアウト)時の判定方法について説明する。 On the other hand, the determination method at the time of insufficient humidification (dry out) is demonstrated.
ドライアウト時には固体電解質膜が乾燥し、固体電解質膜の抵抗が増大し、加湿不足の単電池はIRロス分の電圧低下を招き、さらにIRロス分の熱が放出される。そのため、加湿不足により電圧低下した単電池ユニット30の周辺の温度が上昇し、周辺の単電池ユニット30も乾燥方向へと移行していく。よって、周辺の単電池ユニット30も加湿不足となり電圧低下を招くことになる。そのため加湿不足部位のみならず近辺の電圧も低下する。そのため、加湿過剰時のような近辺の単電池ユニット30の電圧が上昇するような挙動を示さない。また、加湿不足時の面内の他の電圧測定部位の積層方向の電位分布はフラットかもしくは発熱による乾燥に起因して電圧低下傾向にある。これは加湿過剰時と異なり電流分布による影響を受けないからである。このように、ドライアウト時には電圧低下したときに電流分布の影響を受けてどこかの電圧が上昇するということはない。
At the time of dryout, the solid electrolyte membrane is dried, the resistance of the solid electrolyte membrane is increased, the unit cell insufficiently humidified causes a voltage drop for the IR loss, and heat for the IR loss is released. Therefore, the temperature around the
したがって、電圧低下した単電池ユニット30を検知したときに電圧低下部位に近接する単電池ユニット30の電圧挙動をみて図8のように電圧上昇が確認されれば(S506にてYES)、面内に複数取り付けた他の電圧測定部位の電圧挙動をみなくとも(比較しなくとも)、フラッディングと判定する(S507)。一方、電圧低下した単電池ユニット30を検知したときに電圧低下部位に近接する単電池ユニット30の電圧挙動をみて図7のように電圧低下しているようであれば(S502にてYES)、面内に複数取り付けた他の電圧測定部位の電圧挙動をみてドライアウトかフラッディングかを判断する。具体的には、他の電圧測定部位の電圧挙動が加湿過剰を示すものであれば、フラッディングと判定し、他の電圧測定部位の電圧挙動が加湿過剰を示すものでなければ、ドライアウトと判定する。
Therefore, if a voltage increase is confirmed as shown in FIG. 8 by looking at the voltage behavior of the
以上説明したように、第5実施形態によれば、同一の単電池ユニット30内の2箇所以上に電圧測定部位を設けて、発電中の電圧分布を積層方向のみならず、面内方向の分布をも考慮して乾燥湿潤判定を行なう。これにより、判定制度が向上し、加湿不足による電解質膜の穴あき・出力低下を回避できる。
As described above, according to the fifth embodiment, voltage measurement parts are provided at two or more places in the same
なお、3カ所以上(例えば、単電池ユニットの長手方向における両端部位に加えて中央部位)の電圧測定部位が設置されている場合、3カ所のうち1カ所でもフラッディング時の挙動を示した場合、フラッディングと判断し、3カ所総てでドライアウト時の挙動を示した場合、ドライアウトと判断すればよい。 In addition, when the voltage measurement part of three or more places (for example, the central part in addition to the both end parts in the longitudinal direction of the unit cell unit) is installed, if one of the three places shows the behavior during flooding, If it is determined that flooding has occurred and all three locations exhibit behavior during dryout, it may be determined as dryout.
また、制御部20は、冷却水流路の水詰まりを判断する水詰まり判定部23を更に備えていていも構わない。加湿状態判定部21が、燃料電池1が加湿不足であると判断した場合、冷却水の圧力を上昇させる処理と、冷却水の流れる方向を逆にする処理の少なくとも一方を実行する。そして、これらの処理の後、電圧が所定電圧以下となる単電池ユニットの電圧が上昇する場合、水詰まり判定部23は、冷却水流路に水が詰まっていると判断する。
The
また、加湿状態判定部21が、燃料電池1が加湿不足であると判断した場合、制御部20は、単電池ユニット30を冷却する冷却水の流量を増加させる処理、燃料ガスと酸化剤ガスの少なくとも一方の流量を減少させる処理、燃料ガスと酸化剤ガスの少なくとも一方の圧力を加圧する処理、及び、燃料ガスと酸化剤ガスの少なくとも一方の湿度を上げる処理、のうち少なくとも何れか一つの処理を実行してもよい。
Further, when the humidification
また、加湿状態判定部21が、燃料電池1が加湿過剰であると判断した場合、制御部20は、単電池ユニット30を冷却する冷却水の流量を減少させる処理、燃料ガスと酸化剤ガスの少なくとも一方の流量を増加させる処理、燃料ガスと酸化剤ガスの少なくとも一方の圧力を減圧する処理、及び、燃料ガスと酸化剤ガスの少なくとも一方の湿度を下げる処理、のうち少なくとも何れか一つの処理を実行してもよい。
Further, when the humidification
なお、第1から第5の実施の形態及びその変形例において、加湿状態判定部21は、所定電圧以下となる単電池ユニットにおける電圧の測定部位が、酸化剤ガスの出口側部位である場合には、カソード側において燃料電池は加湿過剰であると判断してもよい。かかる構成によれば、酸化剤ガスに起因するフラッディングを検知することができる。
In the first to fifth embodiments and the modifications thereof, the humidified
また、加湿状態判定部21は、所定電圧以下となる単電池ユニットにおける電圧の測定部位が、燃料ガスの出口側部位である場合には、アノード側において燃料電池は加湿過剰であると判断してもよい。かかる構成によれば、酸化剤ガスに起因するフラッディングおを検知することができる。
Further, the humidification
さらに、加湿状態判定部21は、加湿過剰判定電圧より大きい第2の加湿過剰判定電圧を設定し、所定電圧以下となる単電池ユニットの近傍にある単電池ユニットの電圧がこの第2の加湿過剰判定電圧より大きい場合、前記燃料電池は加湿過剰であり、かつ、その程度が激しいと判断してもよい。かかる構成によれば、加湿過剰時の過剰度合いを判断することができる。また、この場合には、制御部20は、単電池ユニット30を冷却する冷却水の流量を減少させる処理、燃料ガスと酸化剤ガスの少なくとも一方の流量を増加させる処理、燃料ガスと酸化剤ガスの少なくとも一方の圧力を減圧する処理、及び、燃料ガスと酸化剤ガスの少なくとも一方の湿度を下げる処理、のうち少なくとも何れか一つの処理を通常時よりも増加させて実行してもよい。
Furthermore, the humidification
上記のように、本発明は、第1から第5の実施の形態及びその変形例によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。即ち、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ限定されるものである。 As described above, the present invention has been described with reference to the first to fifth embodiments and modifications thereof. However, it should be understood that the description and drawings constituting a part of this disclosure limit the present invention. is not. From this disclosure, various alternative embodiments, examples and operational techniques will be apparent to those skilled in the art. That is, it should be understood that the present invention includes various embodiments not described herein. Therefore, the present invention is limited only by the invention specifying matters according to the scope of claims reasonable from this disclosure.
1 燃料電池
2 燃料ガス供給装置
3 酸化剤ガス供給装置
4 燃料ガス供給配管
5 酸化剤ガス供給配管
6 燃料ガス排出配管
7 酸化剤ガス排出配管
8 燃料ガス圧力調整弁
9 パージ弁
10 酸化剤ガス圧力調整弁
11 冷却水循環部
12 循環ポンプ
13 冷却水供給配管
20 制御部
21 加湿状態判定部
22 電圧センサ(電圧測定手段)
23 水詰まり判定部
30 単電池ユニット
31 固体電解質膜
32 酸化剤電極層(カソード)
32a 酸化剤ガス拡散層
32b 酸化剤触媒層
33 燃料電極層(アノード)
33a 燃料ガス拡散層
33b 燃料剤触媒層
34 酸化剤ガスセパレータ
35 燃料ガスセパレータ
36 酸化剤ガス流路
37 燃料ガス流路
38 冷却水流路
DESCRIPTION OF
23 Water
32a Oxidant gas diffusion layer 32b
33a Fuel gas diffusion layer 33b Fuel
Claims (22)
前記単電池ユニットの電圧を測定する電圧測定手段と、
制御部を備え、
前記制御部は、前記電圧測定手段が、複数の前記単電池ユニットの中に所定電圧以下となる電圧を検出した場合、前記所定電圧以下となった単電池ユニットの近傍にある単電池ユニットの電圧から前記燃料電池の加湿状態を判断する加湿状態判定部を備えること
を特徴とする燃料電池の加湿状態判定装置。 A fuel cell humidification state determination device in which a plurality of unit cell units that generate electricity by reacting fuel gas and oxidant gas are stacked,
Voltage measuring means for measuring the voltage of the unit cell unit;
With a control unit,
When the voltage measuring unit detects a voltage that is equal to or lower than a predetermined voltage among the plurality of single cell units, the control unit detects the voltage of the single battery unit in the vicinity of the single cell unit that is equal to or lower than the predetermined voltage. A humidification state determination device for a fuel cell, comprising: a humidification state determination unit that determines a humidification state of the fuel cell.
前記所定電圧以下となる単電池ユニットの近傍にある単電池ユニットの電圧が前記所定電圧より大きい加湿不足判定電圧以下の場合、前記燃料電池は加湿不足であると判断し、
前記所定電圧以下となる単電池ユニットの近傍にある単電池ユニットの電圧が前記加湿不足判定電圧以上である加湿過剰判定電圧より大きい場合、前記燃料電池は加湿過剰であると判断すること
を特徴とする請求項1記載の燃料電池の加湿状態判定装置。 The humidified state determination unit
When the voltage of the unit cell unit in the vicinity of the unit cell unit that is equal to or less than the predetermined voltage is equal to or less than the insufficient humidification determination voltage greater than the predetermined voltage, it is determined that the fuel cell is insufficiently humidified,
The fuel cell is determined to be excessively humidified when a voltage of a single cell unit in the vicinity of the single cell unit that is equal to or lower than the predetermined voltage is greater than an excessive humidification determination voltage that is equal to or higher than the insufficient humidification determination voltage. The humidifying state determination device for a fuel cell according to claim 1.
を特徴とする請求項2記載の燃料電池の加湿状態判定装置。 The humidification state determination device for a fuel cell according to claim 2, wherein the humidification shortage determination voltage and the humidification excess determination voltage are equal.
前記加湿不足判定電圧は、前記平均電圧以下であり、
前記加湿過剰判定電圧は、前記平均電圧以上あること
を特徴とする請求項2又は請求項3記載の燃料電池の加湿状態判定装置。 The control unit further includes an average voltage calculation unit, and the average voltage calculation unit calculates an average voltage of the plurality of unit cell units,
The humidification shortage determination voltage is equal to or lower than the average voltage,
4. The humidification state determination device for a fuel cell according to claim 2, wherein the humidification excess determination voltage is equal to or higher than the average voltage.
前記加湿状態判定部が、前記燃料電池が加湿不足であると判断した場合、
前記冷却水の圧力を上昇させる処理と、
前記冷却水の流れる方向を逆にする処理の少なくとも一方を実行し、
前記処理の後、前記電圧が前記所定電圧以下となる単電池ユニットの電圧が上昇する場合、
前記水詰まり判定部は、前記冷却水流路に水が詰まっていると判断すること
を特徴とする請求項2から6何れか一項記載の燃料電池の加湿状態判定装置。 The control unit further includes a water clogging determination unit that determines whether the cooling water passage is clogged,
When the humidification state determination unit determines that the fuel cell is insufficiently humidified,
Treatment for increasing the pressure of the cooling water;
Performing at least one of the processes of reversing the flow direction of the cooling water;
After the process, when the voltage of the unit cell that the voltage is equal to or lower than the predetermined voltage,
The humidified state determination device for a fuel cell according to any one of claims 2 to 6, wherein the water clogging determination unit determines that the cooling water passage is clogged with water.
前記制御部は、前記単電池ユニットを冷却する冷却水の流量を増加させる処理、
前記燃料ガスと前記酸化剤ガスの少なくとも一方の流量を減少させる処理、
前記燃料ガスと前記酸化剤ガスの少なくとも一方の圧力を加圧する処理、及び、
前記燃料ガスと前記酸化剤ガスの少なくとも一方の湿度を上げる処理、のうち少なくとも何れか一つの処理を実行すること
を特徴とする請求項2から7何れか一項記載の燃料電池の加湿状態判定装置。 When the humidification state determination unit determines that the fuel cell is insufficiently humidified,
The controller is configured to increase a flow rate of cooling water for cooling the unit cell unit;
A process for reducing the flow rate of at least one of the fuel gas and the oxidant gas;
A process of pressurizing at least one of the fuel gas and the oxidant gas; and
The humidification state determination of a fuel cell according to any one of claims 2 to 7, wherein at least one of the processes of increasing the humidity of at least one of the fuel gas and the oxidant gas is performed. apparatus.
前記制御部は、前記単電池ユニットを冷却する冷却水の流量を減少させる処理、
前記燃料ガスと前記酸化剤ガスの少なくとも一方の流量を増加させる処理、
前記燃料ガスと前記酸化剤ガスの少なくとも一方の圧力を減圧する処理、及び、
前記燃料ガスと前記酸化剤ガスの少なくとも一方の湿度を下げる処理、のうち少なくとも何れか一つの処理を実行すること
を特徴とする請求項2から7何れか一項記載の燃料電池の加湿状態判定装置。 When the humidification state determination unit determines that the fuel cell is excessively humidified,
The controller is configured to reduce a flow rate of cooling water for cooling the unit cell unit;
A process for increasing the flow rate of at least one of the fuel gas and the oxidant gas;
A process of reducing the pressure of at least one of the fuel gas and the oxidant gas; and
The humidification state determination of a fuel cell according to any one of claims 2 to 7, wherein at least one of the processes of reducing the humidity of at least one of the fuel gas and the oxidant gas is performed. apparatus.
前記加湿状態判定部は、各部位で測定される前記単電池ユニットの電圧分布から前記燃料電池の加湿状態を判断することを特徴とする請求項1記載の燃料電池の加湿状態判定装置。 The voltage measuring means is respectively disposed at two or more parts of the unit cell unit,
2. The fuel cell humidification state determination device according to claim 1, wherein the humidification state determination unit determines a humidification state of the fuel cell from a voltage distribution of the unit cell unit measured at each part. 3.
前記単電池ユニットの一方の部位において、前記所定電圧以下となる単電池ユニットの近傍にある単電池ユニットの電圧が前記所定電圧より大きい加湿不足判定電圧以下であり、且つ、前記単電池ユニットの他方の部位において、前記所定電圧以下となる単電池ユニットの近傍にある単電池ユニットの電圧が前記加湿不足判定電圧以上である加湿過剰判定電圧より大きい場合、前記燃料電池は加湿過剰であると判断する
ことを特徴とする請求項12記載の燃料電池の加湿状態判定装置。 The humidified state determination unit
In one part of the unit cell unit, the voltage of the unit cell unit in the vicinity of the unit cell unit that is equal to or lower than the predetermined voltage is equal to or lower than the humidification shortage determination voltage that is greater than the predetermined voltage, and the other side of the unit cell unit If the voltage of the single cell unit in the vicinity of the single cell unit that is equal to or lower than the predetermined voltage is greater than the excessive humidification determination voltage that is equal to or higher than the insufficient humidification determination voltage, it is determined that the fuel cell is excessively humidified. The humidified state determination device for a fuel cell according to claim 12.
前記単電池ユニットの一方の部位において、前記所定電圧以下となる単電池ユニットの近傍にある単電池ユニットの電圧が前記所定電圧より大きい加湿不足判定電圧以下であり、且つ、前記単電池ユニットの他方の部位において、前記所定電圧以下となる単電池ユニットの近傍にある単電池ユニットの電圧が前記加湿不足判定電圧以上である加湿過剰判定電圧以下の場合、前記燃料電池は加湿不足であると判断する
ことを特徴とする請求項12又は13記載の燃料電池の加湿状態判定装置。 The humidified state determination unit
In one part of the unit cell unit, the voltage of the unit cell unit in the vicinity of the unit cell unit that is equal to or lower than the predetermined voltage is equal to or lower than the humidification shortage determination voltage that is greater than the predetermined voltage, and the other side of the unit cell unit When the voltage of the single cell unit in the vicinity of the single cell unit that is equal to or lower than the predetermined voltage is equal to or lower than the excessive humidification determination voltage that is equal to or higher than the insufficient humidification determination voltage, the fuel cell is determined to be insufficiently humidified. 14. The fuel cell humidification state determination device according to claim 12 or 13,
前記所定電圧以下となる単電池ユニットにおける電圧の測定部位が、前記酸化剤ガスの出口側部位である場合には、カソード側において前記燃料電池は加湿過剰であると判断する
ことを特徴とする請求項2または13記載の燃料電池の加湿状態判定装置。 The humidified state determination unit
The fuel cell is determined to be excessively humidified on the cathode side when the voltage measurement site in the unit cell unit having the predetermined voltage or less is the outlet side site of the oxidant gas. Item 14. The fuel cell humidification state determination device according to Item 2 or 13.
前記所定電圧以下となる単電池ユニットにおける電圧の測定部位が、前記燃料ガスの出口側部位である場合には、アノード側において前記燃料電池は加湿過剰であると判断する
ことを特徴とする請求項2または13記載の燃料電池の加湿状態判定装置。 The humidified state determination unit
The fuel cell is determined to be excessively humidified on the anode side when a voltage measurement site in the unit cell unit that is equal to or lower than the predetermined voltage is the fuel gas outlet side site. 14. A humidifying state determination device for a fuel cell according to 2 or 13.
前記所定電圧以下となる単電池ユニットの近傍にある単電池ユニットの電圧が前記加湿過剰判定電圧より大きい第2の加湿過剰判定電圧より大きい場合、前記燃料電池は加湿過剰であり、かつ、その程度が激しいと判断する
ことを特徴とする請求項2記載の燃料電池の加湿状態判定装置。 The humidified state determination unit
When the voltage of the unit cell unit in the vicinity of the unit cell unit that is equal to or lower than the predetermined voltage is larger than the second humidification excess determination voltage that is larger than the humidification excess determination voltage, the fuel cell is excessively humidified, and to the extent The humidified state determination device for a fuel cell according to claim 2, wherein the determination is that the fuel is intense.
前記単電池ユニットの他方の部位において、前記所定電圧以下となる単電池ユニットの近傍にある単電池ユニットの電圧が前記加湿過剰判定電圧より大きい第2の加湿過剰判定電圧より大きい場合、前記燃料電池は加湿過剰であり、かつ、その程度が激しいと判断する
ことを特徴とする請求項13記載の燃料電池の加湿状態判定装置。 The humidified state determination unit
In the other part of the unit cell unit, when the voltage of the unit cell unit in the vicinity of the unit cell unit that is equal to or lower than the predetermined voltage is greater than a second humidification excess determination voltage greater than the humidification excess determination voltage, the fuel cell The humidification state determination device for a fuel cell according to claim 13, wherein is determined to be excessive and humid.
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