JP5181709B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.
従来、単セル上の複数の測定点において電圧を検出し、検出電圧に基づいて発電状態が異常であるか否かを判定する燃料電池システムがある(特許文献1を参照)。 Conventionally, there is a fuel cell system that detects voltages at a plurality of measurement points on a single cell and determines whether the power generation state is abnormal based on the detected voltages (see Patent Document 1).
また、燃料電池スタックの両端のセルの電圧を測定し、測定結果に基づいて供給ガスの湿度を制御する燃料電池システムがあり(特許文献2を参照)、燃料電池の燃料ガス出口と酸化剤ガス出口の電圧を検出することで、水詰まりを検出する燃料電池システムがあり(特許文献3を参照)、最下流に接続されたモジュールの電極板に隣接したセルの出力と、他の単位セルの出力とを検出し、検出値に基づいて燃料ガス流路に溜まった水量を判定する燃料電池システムがある(特許文献4を参照)。
燃料電池システムでは、効率的な発電を行うために、燃料電池内の含水量が適切な量であり、また、燃料電池内において水が均一に分布していることが好ましい。また、運転継続に従って水がガス拡散層または流路まで溢れるフラッディングが発生した場合、発電が不可能となる場合があり、高温運転時には燃料電池内で一時的に水不足が生じる可能性もある。更に、氷点下起動を可能にするためには、燃料電池内の水分量が、通常の運転時よりは少なく、且つ完全に乾燥しない程度の水分量であることが好ましい。このため、燃料電池を運転するにあたっては、効率的な発電を行う目的や、問題の発生を防止する目的のために、燃料電池内の含水量が適切に制御されることが好ましい。 In the fuel cell system, in order to perform efficient power generation, it is preferable that the water content in the fuel cell is an appropriate amount, and that the water is uniformly distributed in the fuel cell. In addition, when flooding occurs in which water overflows to the gas diffusion layer or flow path as the operation continues, power generation may not be possible, and water shortage may occur temporarily in the fuel cell during high temperature operation. Furthermore, in order to enable starting below freezing point, it is preferable that the amount of water in the fuel cell is less than that during normal operation and that it does not dry completely. For this reason, when operating the fuel cell, it is preferable that the water content in the fuel cell is appropriately controlled for the purpose of efficient power generation and the prevention of problems.
しかし、燃料電池では、ガスの流れ方向や、ガスの加湿量、発電に伴う生成水、燃料電池内の温度差、等の原因から、スタックの積層方向および各セルの面内における水の分布の不均一、即ち燃料電池内の水の偏在が生じる。このため、含水量の制御を適切に行うためには、燃料電池内の水の分布を知ることが好ましい。 However, in the fuel cell, the distribution of water in the stacking direction of the stack and in the plane of each cell depends on the gas flow direction, the amount of humidified gas, the water generated during power generation, the temperature difference in the fuel cell, etc. Non-uniformity, that is, uneven distribution of water in the fuel cell occurs. For this reason, in order to appropriately control the water content, it is preferable to know the distribution of water in the fuel cell.
本発明は、上記した問題に鑑み、燃料電池内の水分布の傾き、即ち燃料電池における水の偏在を推定可能な燃料電池システムを提供することを課題とする。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of estimating the inclination of water distribution in a fuel cell, that is, the uneven distribution of water in the fuel cell.
本発明は、上記した課題を解決するために、燃料電池システムに以下の手段を備えることとした。即ち、本発明は、酸化ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、前記燃料電池における複数の計測箇所で電圧を計測する計測手段と、前記計測手段によって計測された電圧のうち、異なる計測箇所において計測された電圧の差から推定される、前記複数の計測箇所間の含水量の差に基づいて、前記燃料電池の、前記複数の計測箇所間における水分の偏在状況を推定する推定手段と、を備える、燃料電池システムである。 In order to solve the above-described problems, the present invention includes the following means in a fuel cell system. That is, the present invention relates to a fuel cell that generates electric power by an electrochemical reaction between an oxidizing gas and a fuel gas, a measuring unit that measures a voltage at a plurality of measurement points in the fuel cell, and a voltage measured by the measuring unit. Estimating the uneven distribution of moisture between the plurality of measurement points of the fuel cell based on the difference in water content between the plurality of measurement points, which is estimated from the difference in voltage measured at different measurement points. And a fuel cell system.
計測手段は、燃料電池における、含水量に差が発生する可能性がある少なくとも二箇所
において、電圧を計測する。燃料電池による出力電圧は、計測箇所の含水量によって左右される。これは、燃料電池の十分に湿潤な箇所は発電効率が高く、燃料電池の乾燥した箇所は発電効率が低いためである。このため、推定手段は、異なる計測箇所において計測された電圧の差から、計測箇所間の含水量の差を推定し、これによって、燃料電池における水分の偏在状況を推定することが出来る。
The measuring means measures the voltage in at least two places where a difference in water content may occur in the fuel cell. The output voltage from the fuel cell depends on the water content at the measurement location. This is because a sufficiently wet location of the fuel cell has high power generation efficiency, and a dry location of the fuel cell has low power generation efficiency. For this reason, the estimation means can estimate the difference in moisture content between the measurement locations from the difference in voltage measured at different measurement locations, thereby estimating the uneven distribution of moisture in the fuel cell.
なお、ここで、水分の偏在状況の推定には、燃料電池において水分の偏在が発生しているか否かを推定することや、燃料電池において発生している水分の偏在の程度(含水量の傾き)を推定することが含まれる。また、複数の計測箇所としては、単一のセルにおける異なる箇所や、スタックにおける異なるセルが挙げられる。水分の偏在を推定したい領域や範囲に応じて計測箇所を適宜設定することで、単一セルにおける水分の偏在や、スタックの積層方向における水分の偏在等、燃料電池内の様々な領域における水分の偏在を推定することが出来る。 Here, in estimating the uneven distribution of moisture, it is estimated whether or not the moisture is unevenly distributed in the fuel cell, and the degree of uneven distribution of moisture generated in the fuel cell (inclination of water content). ) Is included. Moreover, as a some measurement location, the different location in a single cell and the different cell in a stack are mentioned. By appropriately setting the measurement location according to the region and range where moisture distribution is to be estimated, the moisture distribution in various regions within the fuel cell, such as the uneven distribution of moisture in a single cell and the uneven distribution of moisture in the stacking direction of the stack, etc. Uneven distribution can be estimated.
また、前記推定手段は、前記電圧の差が、所定の閾値以上である場合に、前記燃料電池において水分の偏在が発生していると推定してもよい。即ち、本発明に拠れば、電圧差が所定の閾値以上である場合に、計測箇所間で所定以上の含水量の差が発生しており、燃料電池において水分の偏在が発生していることを推定することが可能である。 In addition, the estimation unit may estimate that moisture is unevenly distributed in the fuel cell when the voltage difference is equal to or greater than a predetermined threshold. That is, according to the present invention, when the voltage difference is greater than or equal to a predetermined threshold, a difference in moisture content greater than or equal to a predetermined value occurs between the measurement points, and the uneven distribution of moisture occurs in the fuel cell. It is possible to estimate.
ここで用いられる閾値としては、予め燃料電池において計測された電圧の差と含水量の差との関係に基づいて、含水量の差が水分の偏在が発生していると判断可能な程度の差に至った場合に計測された電圧の差、等が採用されてよい。但し、閾値は、実測値に基づいて定められる方法や、理論値に基づいて定められる方法等、実施の態様に応じて適宜最適な方法を用いて定められることが好ましい。また、どの程度の含水量の差が発生した時点で水分の偏在が発生したと判定するかの基準も、その後の水分量の制御処理の目的等、実施の態様に応じて異なってよい。 The threshold value used here is based on the relationship between the voltage difference measured in advance in the fuel cell and the difference in moisture content, so that the difference in moisture content is such that it can be determined that moisture is unevenly distributed. For example, a difference in voltage measured in the case of reaching the above may be adopted. However, it is preferable that the threshold value is determined using an optimum method as appropriate according to the embodiment, such as a method determined based on an actual measurement value or a method determined based on a theoretical value. In addition, the standard for determining that the uneven distribution of moisture has occurred at the time when the difference in moisture content occurs may vary depending on the embodiment, such as the purpose of the subsequent moisture content control processing.
また、本発明に係る燃料電池システムは、前記推定手段によって推定された前記燃料電池における水分の偏在状況に基づいて、該燃料電池における水分の偏在状況または水分量を制御する制御手段を更に備えてもよい。これによって、水分の偏在の解消による発電効率の向上や、水分量の最小化による氷点下起動性の向上、負荷変動の緩和によるセル落ちの防止等が可能となる。 In addition, the fuel cell system according to the present invention further includes control means for controlling the uneven distribution of water or the amount of water in the fuel cell based on the uneven distribution of water in the fuel cell estimated by the estimating means. Also good. As a result, it is possible to improve power generation efficiency by eliminating the uneven distribution of moisture, improve below-freezing startability by minimizing the amount of moisture, and prevent cells from dropping due to relaxation of load fluctuations.
ここで、前記制御手段は、例えば、前記燃料電池へ供給されるガスの湿度、ガスの流量およびガス圧のうち少なくとも何れか一を調整することで、前記燃料電池における水分の偏在状況または水分量を制御することが出来る。より具体的には、ガスの湿度の調整によって、燃料電池に供給される水分の量を調整し、燃料電池の含水量を直接増減させることが出来る。また、ガスの流量またはガス圧の調整によって、燃料電池から持ち去られる水分量の調整、または燃料電池内における水分の移動の促進を行い、燃料電池における水分の偏在状況を制御することが出来る。 Here, the control means adjusts at least one of the humidity of the gas supplied to the fuel cell, the flow rate of the gas, and the gas pressure, for example, so that the uneven distribution of moisture or the amount of moisture in the fuel cell Can be controlled. More specifically, by adjusting the gas humidity, the amount of moisture supplied to the fuel cell can be adjusted, and the water content of the fuel cell can be directly increased or decreased. Further, by adjusting the gas flow rate or gas pressure, it is possible to adjust the amount of moisture removed from the fuel cell or to promote the movement of moisture in the fuel cell, thereby controlling the uneven distribution of moisture in the fuel cell.
また、本発明に係る燃料電池システムは、前記推定手段によって、前記燃料電池において水分の偏在が発生していると推定された場合に、該燃料電池における二極のうち、何れの極が反対極より乾燥している乾燥極であり、また、何れの極が反対極より湿潤な湿潤極であるかを判定する判定手段を更に備えてもよい。 Further, in the fuel cell system according to the present invention, when the estimation unit estimates that uneven distribution of moisture occurs in the fuel cell, any of the two poles in the fuel cell is the opposite pole. It may further comprise a determination means for determining which electrode is a dry electrode that is drier, and which electrode is a wet electrode that is wetter than the opposite electrode.
これによって、単一セルの面における水分の偏在状況や、スタックの積層方向におけるセル間の水分の偏在状況に加えて、水分の偏在が発生しているセルにおいて、何れの極(アノードまたはカソード)が乾燥極であり、また湿潤極であるかを判定出来る。このため、本発明に拠れば、より詳細に水分の偏在状況を推定することが可能となり、また、この
推定結果に基づいて、制御手段がより精度の高い水分の偏在状況の制御を行うことが可能となる。
As a result, in addition to the uneven distribution of moisture on the surface of a single cell and the uneven distribution of moisture between cells in the stacking direction of the stack, any pole (anode or cathode) in the cell where the uneven distribution of moisture occurs. It is possible to determine whether is a dry electrode or a wet electrode. For this reason, according to the present invention, it becomes possible to estimate the uneven distribution of moisture in more detail, and based on the estimation result, the control means can control the uneven distribution of moisture with higher accuracy. It becomes possible.
ここで、前記判定手段は、例えば、前記二極の夫々から排出されるオフガスの露点に基づいて、二極のうち何れの極が前記乾燥極であり、また前記湿潤極であるかを判定することが出来る。 Here, the determination means determines, for example, which of the two electrodes is the dry electrode and the wet electrode based on the dew point of the off-gas discharged from each of the two electrodes. I can do it.
また、前記制御手段は、前記判定手段によって前記乾燥極であると判定された極へ供給されるガスの流量を増やすことで、前記湿潤極から該乾燥極への水分の移動を促進してもよいし、前記判定手段によって前記乾燥極であると判定された極のガス圧を前記湿潤極のガス圧に対して下げることで、該湿潤極から該乾燥極への水分の移動を促進してもよい。 In addition, the control unit may promote the movement of moisture from the wet electrode to the dry electrode by increasing the flow rate of the gas supplied to the electrode determined to be the dry electrode by the determination unit. In addition, by reducing the gas pressure of the electrode determined to be the dry electrode by the determination unit with respect to the gas pressure of the wet electrode, the movement of moisture from the wet electrode to the dry electrode is promoted. Also good.
乾燥極へ供給されるガスの流量が増えること、または乾燥極のガス圧が湿潤極のガス圧に対して低くなることで、乾燥極の反対極(湿潤極)から乾燥極への、膜電極接合体を介した水分の透過が促進される。これによって、乾燥極と湿潤極との間の水分量の差、即ち水分の偏在を緩和することが出来る。 Membrane electrode from the opposite electrode (wet electrode) to the dry electrode by increasing the flow rate of the gas supplied to the dry electrode or the gas pressure of the dry electrode is lower than the gas pressure of the wet electrode Moisture permeation through the joined body is promoted. Thereby, the difference in the amount of water between the dry electrode and the wet electrode, that is, the uneven distribution of water can be alleviated.
また、本発明に係る燃料電池システムは、前記燃料電池から排出された燃料オフガスを循環させて再びアノード極に供給する循環手段と、前記循環手段によって循環される前記燃料オフガスを所定のタイミングで外部にパージするパージ手段と、前記パージ手段によるパージに伴って、前記燃料電池から排出された燃料オフガスに比べて乾燥した燃料ガスを前記燃料電池に供給する供給手段と、を更に備え、前記制御手段は、前記湿潤極が燃料ガスが供給される極である場合、前記パージ手段によるパージ量またはパージ頻度を上げることで、該湿潤極に供給される前記燃料ガスの湿度を下げ、該湿潤極の水分量を減らしてもよい。 In addition, the fuel cell system according to the present invention includes a circulation unit that circulates the fuel off-gas discharged from the fuel cell and supplies the fuel off-gas again to the anode electrode, and the fuel off-gas circulated by the circulation unit externally at a predetermined timing. Purge means for purging the fuel cell, and supply means for supplying the fuel cell with a fuel gas that is dry compared to the fuel off-gas discharged from the fuel cell in accordance with the purge by the purge means. When the wet electrode is an electrode to which fuel gas is supplied, the humidity of the fuel gas supplied to the wet electrode is lowered by increasing the purge amount or purge frequency by the purge means, and the wet electrode The amount of water may be reduced.
ここで、供給手段によって供給される燃料ガスは、一般に、燃料タンクより供給される燃料ガスである。燃料電池から排出された燃料オフガスは、加湿されたこと、または燃料電池内において水分を含んだことにより、燃料タンク等から供給される燃料ガスに比べて湿潤である。そこで、本発明では、燃料オフガスを循環させる燃料電池システムにおいて、湿潤な燃料オフガスをパージする頻度または量を増やし、燃料オフガスに比べて乾燥した燃料ガスを供給する頻度または量を増やすことで、水分の偏在によって湿潤となっている極の水分量を減らすことを可能とした。 Here, the fuel gas supplied by the supply means is generally the fuel gas supplied from the fuel tank. The fuel off-gas discharged from the fuel cell is wet compared to the fuel gas supplied from the fuel tank or the like because it is humidified or contains moisture in the fuel cell. Therefore, in the present invention, in a fuel cell system that circulates fuel off-gas, the frequency or amount of purging wet fuel off-gas is increased, and the frequency or amount of supplying dry fuel gas compared to fuel off-gas is increased to increase moisture content. It was possible to reduce the moisture content of the wet pole due to the uneven distribution.
また、前記計測手段は、単一のセルにおける、供給されるガスの入口近傍における電圧および出口近傍における電圧を計測し、前記推定手段は、計測された電圧の差に基づいて、単一のセルにおける水分の偏在状況を推定してもよい。そして、ここで前記制御手段は、前記推定手段によって、ガスの入口近傍が出口近傍に比べて乾燥していると推定された場合に、供給されるガスの流量を増やすことで、反対極から前記入口近傍への水分の移動を促進してもよい。 The measuring means measures a voltage in the vicinity of the inlet of the supplied gas and a voltage in the vicinity of the outlet in the single cell, and the estimating means determines the single cell based on the difference between the measured voltages. You may estimate the uneven distribution state of the water | moisture content. And here, when the estimation means estimates that the vicinity of the gas inlet is dry compared to the vicinity of the outlet by the estimation means, the control means increases the flow rate of the gas to be supplied from the opposite pole. You may accelerate | stimulate the movement of the water | moisture content to the entrance vicinity.
単一のセルにおいて、ガスの入口近傍と出口近傍との間で水分の偏在が発生しており、且つガスの入口近傍が出口近傍に比べて乾燥していると推定された場合、ガス入口から供給されるガスの流量を増やすことで、反対極から乾燥部分(入口近傍)への、膜電極接合体を介した水分の透過が促進される。これによって、ガスの入口近傍と出口近傍との間の水分量の差、即ち水分の偏在を緩和することが出来る。 In a single cell, if there is an uneven distribution of moisture between the vicinity of the gas inlet and the vicinity of the outlet, and it is estimated that the vicinity of the gas inlet is dry compared to the vicinity of the outlet, By increasing the flow rate of the supplied gas, moisture permeation through the membrane electrode assembly from the opposite electrode to the dry portion (near the inlet) is promoted. As a result, the difference in the amount of water between the vicinity of the gas inlet and the vicinity of the outlet, that is, uneven distribution of water can be reduced.
また、前記燃料電池は、複数のセルが積層された燃料電池であり、前記計測手段は、異なるセルにおける電圧を計測し、前記推定手段は、計測された電圧の差に基づいて、前記積層の方向における、電圧が計測されたセル間の水分の偏在状況を推定してもよい。そし
て、ここで前記制御手段は、前記推定手段によって前記複数のセルの積層方向における水分の偏在が発生していると推定された場合、前記燃料電池へ供給されるガスの流量またはガス圧を変動させる際に、流量またはガス圧を緩やかに変動させてもよい。
In addition, the fuel cell is a fuel cell in which a plurality of cells are stacked, the measuring unit measures voltages in different cells, and the estimating unit is configured to measure the stack of cells based on the measured voltage difference. You may estimate the uneven distribution of the water | moisture content between the cells in which the voltage was measured in the direction. Here, the control unit varies the flow rate or gas pressure of the gas supplied to the fuel cell when the estimation unit estimates that the moisture is unevenly distributed in the stacking direction of the plurality of cells. In this case, the flow rate or the gas pressure may be gradually changed.
セルの積層方向において水分の偏在が発生している場合、運転を継続すると、水分量の多いセルにおいてフラッディングが発生し、セルにおける発電が行われなくなる現象、所謂セル落ちが発生する可能性が高くなる。このため、本発明では、積層方向における水分の偏在が発生していると推定された場合に、燃料電池へ供給されるガスの流量またはガス圧の変動速度を下げる、即ち燃料電池の運転における負荷変動を緩やかにする。これによって、本発明に拠れば、水分量の多いセルにもガスが浸透し、所謂セル落ちを防止することが可能となる。 If there is uneven distribution of moisture in the cell stacking direction, if the operation is continued, flooding occurs in the cell with a large amount of moisture, and there is a high possibility that so-called cell dropping will occur. Become. Therefore, in the present invention, when it is estimated that moisture is unevenly distributed in the stacking direction, the flow rate of the gas supplied to the fuel cell or the fluctuation speed of the gas pressure is reduced, that is, the load in the operation of the fuel cell. Reduce fluctuations. As a result, according to the present invention, gas penetrates into a cell having a large amount of water, and so-called cell dropping can be prevented.
また、前記推定手段は、前記燃料電池に対して供給されるガスの流量が、該燃料電池が発電を行うにあたって適正な流量である場合に、前記電圧の差に基づいて、前記燃料電池における水分の偏在状況を推定してもよい。 In addition, the estimation means may determine the moisture content in the fuel cell based on the voltage difference when the flow rate of the gas supplied to the fuel cell is an appropriate flow rate for the fuel cell to generate power. May be estimated.
供給されるガスの流量が発電にあたって適正な流量である場合に限定して、水分の偏在状況を推定することで、電圧の変動要因としてのガスの流量を除外し、電圧差に基づいて含水量の差を推定するのに適した状態で、水分の偏在を推定することが可能となる。 Only when the flow rate of the supplied gas is an appropriate flow rate for power generation, by estimating the uneven distribution of moisture, the flow rate of gas as a voltage fluctuation factor is excluded, and the moisture content based on the voltage difference It is possible to estimate the uneven distribution of moisture in a state suitable for estimating the difference.
本発明によって、燃料電池における水の偏在を推定可能な燃料電池システムを提供することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to provide a fuel cell system capable of estimating the uneven distribution of water in a fuel cell.
本発明に係る燃料電池システムの実施の形態について、図面に基づいて説明する。 Embodiments of a fuel cell system according to the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本実施形態における燃料電池システムの構成の概略を示した図である。燃料電池システムは、燃料電池1と、燃料ガスを貯蔵するガスタンク21と、燃料ガス通路22と、循環通路25と、燃料オフガス通路30と、空気ブロワ51と、酸化ガス通路52と、酸化オフガス通路53と、計測装置60と、加湿器70と、電子制御ユニット(以下、「ECU」と称する)90と、を備える。燃料電池システムは、ガスタンク21より燃料ガス通路22を通って供給される燃料ガスと、空気ブロワ51より酸化ガス通路52を通って供給される酸化ガスと、による電気化学反応を燃料電池1内で進行させることで、発電を行う。
FIG. 1 is a diagram showing an outline of the configuration of the fuel cell system in the present embodiment. The fuel cell system includes a fuel cell 1, a
燃料ガス通路22には、減圧弁23及び流量制御弁24が設けられている。ガスタンク21から燃料電池1に供給される燃料ガスは、減圧弁23によって所定の圧力に減圧され、流量制御弁24によって流量を調整されて、燃料ガス通路22を通って燃料電池1に供給される。燃料電池1内を通過した燃料ガスは、循環通路25へ排出される。
A
循環通路25には、循環ポンプ26が設けられている。循環ポンプ26によって、燃料電池1から排出された燃料ガスを燃料ガス通路22に戻し、燃料電池1に単位時間当たりに供給される水素ガス流量を増やすことが可能となる。
A
燃料オフガス通路30には、パージ弁31が設けられている。燃料ガスは、循環によってガス内の水素ガス濃度が低下するため、パージ弁31を制御することによって、水素ガス濃度の低い燃料オフガスを循環通路25から燃料オフガス通路30に排出し、流量制御弁24を制御することによって、ガスタンク21から水素ガス濃度の高い燃料ガスを供給する。
A purge valve 31 is provided in the fuel off-
計測装置60は、燃料電池1の各セル10(図2を参照)の電圧および後述するセル面における所定箇所の電圧を含む、燃料電池1の各種状態を計測する。計測装置60によって計測された各セル10の電圧等は、ECU90へ送られる。
The measuring
ECU90は、CPUの他、後述する各種のプログラム及びマップを記憶するROM、RAM等を備えており、燃料電池システム全体の各要素を制御する。パージ弁31、減圧弁23、および流量制御弁24は、ECU90によって開閉制御される。ECU90は、燃料電池内の推定水分布を含む燃料電池の状態に基づいて、燃料電池の発電効率が最適となるようにパージ弁31、減圧弁23、および流量制御弁24を制御する。
In addition to the CPU, the
ECU90は、計測装置60によって計測された各セル10の電圧等に基づいて、燃料電池1のスタックの積層方向またはセル面における水の偏在を判定し、この判定の結果に従って、燃料電池内の水分量の制御を行う。即ち、ECU90は、本発明の推定手段、判定手段および制御手段に相当する。
The
図2は、本実施形態における燃料電池1を構成するセル10の概略断面図である。燃料電池1は、セル10が複数積層されることで構成されたスタックを有し、夫々のセル10は、酸化ガス流路16を内面に有するカソード側セパレータ11、カソード側ガス拡散層12、膜電極接合体13、アノード側ガス拡散層14、燃料ガス流路17を内面に有するアノード側セパレータ15が順に積層されてなる。そして、燃料電池1は、供給される反応ガスによる電気化学反応を、カソード側触媒層13c、電解質膜13b、アノード側触媒層13aが積層された膜電極接合体13において進行させることで、発電を行う。反応ガスは、図示しない燃料タンクより供給される燃料ガスおよび外気より取得されて供給される酸化ガスである。酸化ガスはカソード側ガス拡散層12に供給され、燃料ガスはアノード側ガス拡散層14に供給される。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the
図3は、本実施形態における燃料電池1を構成するセル10の平面図である。セル10に供給された酸化ガスは、セル10の面上を蛇行するように形成された酸化ガス流路16を通ってカソード側ガス拡散層12へ拡散される。同様に、セル10に供給された燃料ガスは、セル10の面上を蛇行するように形成された燃料ガス流路17を通ってアノード側ガス拡散層14へ拡散される。また、酸化ガス流路16と燃料ガス流路17とは、酸化ガスと燃料ガスとが互いに対向する方向に流れるように配置されている(所謂カウンターフロー構造)。更に、セル10には、計測装置60に接続された電圧計61、62および露点計63、64が設置される。
FIG. 3 is a plan view of the
ここで、酸化ガス流路16、カソード側ガス拡散層12、燃料ガス流路17およびアノード側ガス拡散層14は、膜電極接合体13に対して均一に酸化ガスおよび燃料ガスが拡散され、均一な発電が行われるように考慮された形状を有しているが、それでもなお、水分布の不均一や、発電電圧の不均一、等が生じる。例えば、発電によって生成水が生じるカソード側では、入口側からガスが流入してカソード側の水を移動させるため、通常、酸化ガス流路16の入口付近と出口付近とを比較すると出口付近が湿潤となり、入口付近が相対的に乾燥する。また、セル10の外延付近は、中心部に比べて放熱の影響で温度が低くなり易く、これによって、セル10における外側と内側において含水量に差が発生する。
Here, the oxidizing
電圧計61および電圧計62は、セル面の所定の箇所における発電の電圧を計測することができる位置に設けられる。本実施形態において、電圧計61は、酸化ガス流路16の入口付近(即ち、燃料ガス流路17の出口付近)における電圧(以下、電圧1と称する)を計測できる位置に設けられる。同様に、電圧計62は、酸化ガス流路16の出口付近(
即ち、燃料ガス流路17の入口付近)における電圧(以下、電圧2と称する)を計測できる位置に設けられる。そして、本実施形態に係る燃料電池システムは、上記単一セル内での水の偏在を、電圧1と、電圧2との電圧差に基づいて判定する。なお、本実施形態では、電圧計をガスの出入口近傍に設けることとしているが、燃料電池1における水分の偏在は、ガスの流れとは関係なく発生する場合もある。このため、電圧計の設置箇所はガス流路の出入口付近に限定されるものではなく、実施の形態および水分の偏在を推定したい箇所に応じて適宜決定されることが好ましい。
The
That is, it is provided at a position where a voltage (hereinafter referred to as voltage 2) in the vicinity of the inlet of the
露点計63、64は、オフガスの露点を計測可能な位置に設けられる。露点計63は、燃料ガス流路17の出口付近における燃料オフガスの露点を計測できる位置に設けられる。また、露点計64は、酸化ガス流路16の出口付近における酸化オフガスの露点を計測できる位置に設けられる。ECU90は、露点計63、64による計測結果を受信し、露点計63、64が設けられたセル10において、アノード側とカソード側のどちらの極が乾いているか(乾燥極であるか)を判定する。具体的には、ECU90は、オフガスの露点が飽和点より低い側を乾燥極であると判定する。
The
図4は、本実施形態における、電圧差と水分布の傾きとの関係を示す図である。縦軸にはセル面上の所定の箇所における水分量を示し、横軸上の2点は電圧計61による計測箇所および電圧計62による計測箇所を示す。即ち、図4は、電圧計62による計測箇所(酸化ガス流路16の出口付近)から電圧計61による計測箇所(酸化ガス流路16の入口付近)にかけて水分布に傾きが生じている様子を示す。
FIG. 4 is a diagram illustrating the relationship between the voltage difference and the slope of the water distribution in the present embodiment. The vertical axis indicates the amount of water at a predetermined location on the cell surface, and two points on the horizontal axis indicate the measurement location by the
水分布の傾きは、電圧1と電圧2との電圧差が大きいほど大きく、電圧差が小さいほど小さい。これは、フラッディング等が発生しない状態では、一般に電解質膜13bが湿潤であるほど発電効率が高くなるためである。また、フラッディング等が発生しない状態では、電圧計62の設置箇所における水分量は概ね一定である。また、本実施形態における水分布の推定処理を行うためには、セル10に対して、発電を行うために十分かつ適切な量の燃料ガスおよび酸化ガスが供給されていることが好ましい。発電を行うために十分かつ適切な量の燃料ガスおよび酸化ガスが供給されている場合、電圧の変動要因として空燃比を除外できるためである。図4の枠線と水分布の傾きを示す線とで囲まれた台形の面積の変化は、電圧差と、セル10全体に含まれる水分の量であるセル含水量との間に、電圧1と電圧2との電圧差が大きいほどセル含水量が少なく、電圧差が小さいほどセル含水量が多くなるという相関関係があることを示している。
The slope of the water distribution increases as the voltage difference between voltage 1 and voltage 2 increases, and decreases as the voltage difference decreases. This is because in a state where flooding or the like does not occur, the power generation efficiency generally increases as the
図5は、本実施形態におけるセル10内の電圧差とセル含水量との関係を示すグラフである。通常、酸化ガス流路16の出口付近は十分湿潤であるため、電圧差が極小である場合、酸化ガス流路16の入口付近も十分に湿潤であり、セル含水量は多いと推定される。これに対して、電圧差が大きい場合、酸化ガス流路16の入口付近が乾燥していると考えられ、セル含水量は少ないと推定される。
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the voltage difference in the
そこで、本実施形態におけるECU90は、セル含水量を目標の状態まで制御するために、図5に示した、電圧差(水分布の傾き)とセル含水量との関係を用いる。即ち、セル含水量を最大化したい場合、ECU90は、電圧差または推定される水分布の傾きを監視しながら制御を行い、電圧差または水分布の傾きが最小となるように制御することで、セル含水量を最大化することが出来る。反対に、セル含水量を最小化したい場合、電圧差または水分布の傾きが最大となるように制御すればよい。
Therefore, the
図6は、本実施形態における、セル含水量を最大化させる処理の流れを示すフローチャートである。本フローチャートに示された処理は、燃料電池1が運転されている状態において、発電効率を最大化させることが好ましい運転環境である場合に、定期的に実行され
る。また、本フローチャートに示された処理は、燃料電池1に設けられた全てのセル10ごとに実行される。
FIG. 6 is a flowchart showing a processing flow for maximizing the cell water content in the present embodiment. The processing shown in this flowchart is periodically executed when the fuel cell 1 is in an operating environment where it is preferable to maximize the power generation efficiency. Further, the processing shown in this flowchart is executed for every
ステップS101では、電圧1および電圧2が計測される。電圧計61および電圧計62は、設置箇所における電圧を計測し、ECU90へ出力する。その後、処理はステップS102へ進む。
In step S101, voltage 1 and voltage 2 are measured. The
ステップS102では、処理対象のセル10において、燃料ガスおよび酸化ガスが十分且つ適切に供給されているか否かが判定される。ECU90は、酸化ガス通路52に設置された計測器(図示は省略する)によって計測された酸化ガス供給量、燃料ガス通路22に設置された計測器(図示は省略する)によって計測された燃料ガス供給量、および理論空燃比との関係に基づいて、燃料ガスおよび酸化ガスが十分且つ適切に供給されているか否かを判定する。
In step S102, it is determined whether or not the fuel gas and the oxidizing gas are sufficiently and appropriately supplied in the
但し、燃料ガスおよび酸化ガスが十分且つ適切に供給されている状態とは、燃料ガスの供給量と酸化ガスの供給量との比が理論空燃比に一致する状態には限られない。実際には、燃料電池1における発電効率に応じて、燃料ガスと酸化ガスとの比率は調整される。ガス供給が十分且つ適切であると判定された場合、処理はステップS103へ進む。ガス供給が十分且つ適切ではないと判定された場合、本フローチャートに示された処理は終了する。これは、電圧の変動要因として空燃比を除外できず、電圧差から水分布の傾きを推定することが困難であるためである。なお、本実施形態では、電圧の変動要因として空燃比を除外するために、ステップS102に示した処理を実行することとしているが、この処理は省略されてもよい。 However, the state in which the fuel gas and the oxidizing gas are sufficiently and appropriately supplied is not limited to the state in which the ratio between the fuel gas supply amount and the oxidizing gas supply amount matches the stoichiometric air-fuel ratio. Actually, the ratio of the fuel gas to the oxidizing gas is adjusted according to the power generation efficiency in the fuel cell 1. If it is determined that the gas supply is sufficient and appropriate, the process proceeds to step S103. When it is determined that the gas supply is not sufficient and appropriate, the processing shown in this flowchart ends. This is because the air-fuel ratio cannot be excluded as a voltage fluctuation factor, and it is difficult to estimate the slope of the water distribution from the voltage difference. In the present embodiment, the process shown in step S102 is executed in order to exclude the air-fuel ratio as a voltage fluctuation factor. However, this process may be omitted.
ステップS103では、電圧差に基づいてセル面における水の偏在が推定される。ステップS101で出力された計測結果を受けたECU90は、電圧1と電圧2との電圧差を算出し、算出された電圧差と、予め設定された閾値とを比較することで、セル面における水の偏在を推定する。この閾値は、セル含水量が最大化されているか否かを判定するための閾値である。電圧差が閾値よりも小さい場合、セル含水量は最大化されており、セル面における水は略均一に分布していると推定される。この場合、含水量を最大化(水分布を均一化)する制御は不要であるため、本フローチャートに示された処理は終了する。これに対して、電圧差が閾値以上である場合、セル含水量は最大化されておらず、セル面において水の偏在(不均一な水分布)が発生していると推定される。この場合、処理はステップS104へ進み、以降、含水量を最大化(水分布を均一化)する制御が行われる。
In step S103, the uneven distribution of water on the cell surface is estimated based on the voltage difference. Receiving the measurement result output in step S101, the
ステップS104およびステップS105では、含水量を最大化(水分布を均一化)する制御が行われる。ECU90は、加湿器70を制御することで、低い電圧が検出された方の電圧計61、62の設置箇所近傍にあるガス流路入口から供給されるガスへの加湿量を増やす。例えば、酸化ガス流路16の入口付近の電圧1が、電圧2に比べて低い場合、ECU90は、電圧計61の設置箇所近傍のガス流路入口から供給されるガスである、酸化ガスへの加湿量を増加させる。
In step S104 and step S105, control for maximizing the water content (homogenizing the water distribution) is performed. The
また、ECU90は、空気ブロワ51または流量制御弁24を制御することで、露点計63、64からの計測結果に基づいてECU90が乾燥極であると判定した極へ供給されるガスの流量を増やす。例えば、ECU90によって、カソード側が乾燥極であると判定された場合、ECU90は、セル10に供給する酸化ガスの流量を増加させる。
Further, the
図7は、本実施形態における、ガス流量を増加させることで反対極からの水分移動を促進させる仕組みを示す図である。加湿されたガスの流量が増えることにより、乾燥極における水分の持ち去り量が増加する。すると、反対極(即ち、酸化ガスの流量を増やした場
合には、反対側のアノード側)からの水分の電解質膜13bを介した移動が促進され、結果的に、乾燥極の水分量が増加し、水分布の均一化が行われる。その後、上記ステップS101からステップS105の処理は、ステップS102においてガス供給が十分且つ適切な状態ではないと判定されるか、ステップS103において電圧差が閾値よりも小さいと判定される(即ち、セル含水量は最大化されており、セル面における水は略均一に分布していると推定される)まで、繰り返される。
FIG. 7 is a diagram showing a mechanism for promoting moisture movement from the opposite pole by increasing the gas flow rate in the present embodiment. As the flow rate of the humidified gas increases, the amount of moisture carried away at the drying electrode increases. Then, the movement of moisture through the
図8は、本実施形態における、ガス流量の変化に応じて反対側の触媒層から移動する水分の量が変化する仕組みを示す模式図である。図8には、セル10の大きさを考慮しない場合の局所的な水分の移動についての、ガスの流量と、触媒層の含水量、および水分の移動量との関係が示されている。図8に示された式のうち、式1は、アノード側における単位時間あたりの水の持ち去り量dQg/dtとアノード側入口のガス蒸気圧Pwaとの関係を示す式であり、式2は、アノード側入口のガス蒸気圧とPwaと燃料ガス流量QH2との関係を示す式である。また、式3は、カソード側における単位時間あたりの水の持ち去り量dQg/dtとカソード側入口のガス蒸気圧Pwcとの関係を示す式であり、式4は、カソード側入口のガス蒸気圧とPwcと燃料ガス流量Qairとの関係を示す式である。
FIG. 8 is a schematic diagram showing a mechanism in which the amount of moisture moving from the opposite catalyst layer changes according to a change in gas flow rate in the present embodiment. FIG. 8 shows the relationship between the gas flow rate, the water content of the catalyst layer, and the amount of moisture transfer with respect to local moisture transfer when the size of the
なお、図8に示された式のうち、sはアノード側触媒層13aの含水量、uはカソード側触媒層13cの含水量、Pwaはアノード入口ガス蒸気圧、Pwcはカソード入口ガス蒸気圧、k1は電解質膜の水移動係数、k2、k3はガスの持ち去り係数、Vは各層における許容含水量を示す。また、式5は、電解質膜における単位時間あたりの水の移動量Qmを示す式である。
In the equation shown in FIG. 8, s is the water content of the anode
例えば、アノード入口の電圧が低く、アノード入口付近が乾燥していると推定される場合、燃料ガスの流量QH2を増やすことで、Pwaが減少し(式2を参照)、これに応じて単位時間当たりの水の持ち去り量Qgおよびアノード側触媒層の含水量sが減少する(式1を参照)。この結果、電解質膜における単位時間あたりの水の移動量Qmが増加する(式5を参照)。これは、カソード入口の電圧が低い場合についても同様である。即ち、図8に示した模式図によれば、ガスの流量を増やすことで、反対極からの水分の移動が促進されることがわかる。 For example, when it is estimated that the anode inlet voltage is low and the vicinity of the anode inlet is dry, increasing the fuel gas flow rate QH2 reduces Pwa (see Equation 2), and unit time accordingly. The amount of water taken away per hit Qg and the water content s of the anode catalyst layer are reduced (see Formula 1). As a result, the amount of water movement Qm per unit time in the electrolyte membrane increases (see Formula 5). The same applies to the case where the voltage at the cathode inlet is low. That is, according to the schematic diagram shown in FIG. 8, it is understood that the movement of moisture from the opposite electrode is promoted by increasing the gas flow rate.
本実施形態に拠れば、水の偏在(水分布)を推定し、この結果に基づいて、セル面における水分布の均一化を行うことが可能となる。水分布に基づいて水分布の均一化を行うことで、燃料電池の運転効率を最適化することが可能である。 According to the present embodiment, it is possible to estimate the uneven distribution of water (water distribution) and make the water distribution uniform on the cell surface based on this result. By making the water distribution uniform based on the water distribution, the operation efficiency of the fuel cell can be optimized.
また、上記図6に示したフローチャートでは、電圧差に基づいてセル含水量を最大化することで、燃料電池1の性能を最大化する制御について説明したが、本発明における電圧差に基づく水の偏在の推定は、セル含水量を最小化するための制御に用いられてもよい。セル含水量の最小化は、起動性(特に、氷点下起動性)を向上させる等の目的で、燃料電池の終了処理時等に実行される。 In the flowchart shown in FIG. 6, the control for maximizing the performance of the fuel cell 1 by maximizing the cell water content based on the voltage difference is described. However, the water based on the voltage difference in the present invention is described. The estimation of uneven distribution may be used for control for minimizing the cell water content. The minimization of the water content of the cell is performed at the time of termination processing of the fuel cell for the purpose of improving the startability (particularly, the startability below freezing point).
図9は、本実施形態における、セル含水量を最小化させる処理の流れを示すフローチャートである。本フローチャートに示された処理は、燃料電池1が運転されている状態において、燃料電池1内の含水量を最小化させる必要がある場合(例えば、運転終了処理時)に実行される。また、本フローチャートに示された処理は、燃料電池1に設けられた全てのセル10ごとに実行される。
FIG. 9 is a flowchart showing the flow of processing for minimizing the cell water content in this embodiment. The process shown in this flowchart is executed when it is necessary to minimize the water content in the fuel cell 1 while the fuel cell 1 is in operation (for example, during the operation end process). Further, the processing shown in this flowchart is executed for every
ステップS201およびステップS202では、電圧1および電圧2が計測され、また、処理対象のセル10において、燃料ガスおよび酸化ガスが十分且つ適切に供給されてい
るか否かが判定される。処理の詳細は図6において説明したステップS101およびステップS102と同様であるため、説明を省略する。その後、処理はステップS203へ進む。
In Step S201 and Step S202, the voltage 1 and the voltage 2 are measured, and it is determined whether or not the fuel gas and the oxidizing gas are sufficiently and appropriately supplied in the
ステップS203では、電圧差に基づいてセル面における水の偏在が推定される。ステップS201で出力された計測結果を受けたECU90は、電圧1と電圧2との電圧差を算出し、算出された電圧差と、予め設定された閾値とを比較することで、セル面における水の偏在を推定する。この閾値は、セル含水量が最小化されているか否かを判定するための閾値であり、ステップS103において用いられた閾値とは異なる値に設定された閾値である。電圧差が閾値よりも大きい場合、セル含水量は最小化されていると推定される。この場合、含水量を最小化する制御は不要であるため、本フローチャートに示された処理は終了する。これに対して、電圧差が閾値以下である場合、セル含水量は最小化されていないと推定される。この場合、処理はステップS204へ進み、以降、含水量を最小化する制御が行われる。
In step S203, the uneven distribution of water on the cell surface is estimated based on the voltage difference. Receiving the measurement result output in step S201, the
ステップS204およびステップS205では、含水量を最小化する制御が行われる。ECU90は、加湿器70を制御することで、供給されるガスへの加湿量を減らす。また、ECU90は、空気ブロワ51または流量制御弁24を制御することで、供給されるガスの流量を増やす。ここで、一般に、アノード側出口からの水分の持ち去り量に比べて、カソード側出口からの水分の持ち去り量が多いため、少なくとも酸化ガスに対する加湿量を減らし、酸化ガスの流量を増やすことが好ましい。
In step S204 and step S205, control for minimizing the water content is performed. The
図10は、本実施形態における、ガス流量を増加させることでセル含水量を減少させる仕組みを示す図である。乾燥したガスの流量が増えることにより、供給されるガスの流路入口付近における水分の持ち去り量が増加する。すると、湿潤であったガス入口付近の水分量が減少し、セル含水量が減少する。その後、上記ステップS201からステップS205の処理は、ステップS202においてガス供給が十分且つ適切な状態ではないと判定されるか、ステップS203において電圧差が閾値よりも大きいと判定される(即ち、セル含水量は最小化されていると推定される)まで、繰り返される。 FIG. 10 is a diagram showing a mechanism for decreasing the cell water content by increasing the gas flow rate in the present embodiment. As the flow rate of the dried gas increases, the amount of moisture carried away near the flow channel inlet of the supplied gas increases. Then, the moisture content in the vicinity of the wet gas inlet decreases, and the cell moisture content decreases. Thereafter, in the processing from step S201 to step S205, it is determined in step S202 that the gas supply is not sufficient and appropriate, or in step S203, it is determined that the voltage difference is larger than the threshold (that is, the cell is included). Repeat until the water volume is estimated to be minimized).
本実施形態に拠れば、水の偏在(水分布)を推定し、この結果に基づいて、セル含水量の最小化を行うことが可能となる。これによって、燃料電池1の起動性(特に、氷点下起動性)を向上させることが可能である。 According to this embodiment, it is possible to estimate the uneven distribution of water (water distribution) and to minimize the cell water content based on this result. As a result, it is possible to improve the startability (particularly, below freezing point startability) of the fuel cell 1.
次に、燃料電池1のスタックの積層方向における水分布の傾き(水の偏在)を推定し、これに基づいて燃料電池1内の含水量を制御する方法について説明する。 Next, a method of estimating the water distribution gradient (water uneven distribution) in the stacking direction of the stack of the fuel cell 1 and controlling the water content in the fuel cell 1 based on this will be described.
図11は、本実施形態における燃料電池1のスタックの概略断面図である。先述の通り、燃料電池1のスタックは複数のセル10が積層されてなる。燃料電池1のスタックは、両端に設けられたエンドプレート18、19によって挟まれている。燃料電池1のスタックにおいて、ガスは、片方のエンド(供給排出エンド)から供給され、スタック内の全てのセル10へ分配される。そして、セル10から排出されたガスは、供給排出エンドから排出される。
FIG. 11 is a schematic cross-sectional view of the stack of the fuel cell 1 in the present embodiment. As described above, the stack of the fuel cell 1 is formed by stacking a plurality of
ここで、供給排出エンドの反対側エンドでは供給排出口を有する供給排出エンドに比べてガスの流れが弱まること、エンドプレート近傍のセル(以下、「端セル」と称する)はスタック中央付近のセル(以下、「中央セル」と称する)よりも放熱の影響により温度が低く、水が液化しやすいこと、等の原因により、積層方向の水の偏在が発生する。図12は、供給排出エンドの反対側エンド近傍の端セルにおいて、カソード側からアノード側への水の移動が発生する様子を示す図である。なお、端セルには端セルからの出力電圧を計
測するための電圧計65が、中央セルには中央セルからの出力電圧を計測するための電圧計66が設けられる。
Here, the gas flow is weaker at the end opposite to the supply / discharge end compared to the supply / discharge end having the supply / discharge port, and the cell near the end plate (hereinafter referred to as “end cell”) is the cell near the center of the stack. The uneven distribution of water in the stacking direction occurs due to the fact that the temperature is lower than that of the “central cell” (hereinafter referred to as “central cell”) and the water is liable to liquefy. FIG. 12 is a diagram showing how water moves from the cathode side to the anode side in the end cell near the end opposite to the supply / discharge end. The end cell is provided with a
図13は、燃料電池1の運転に伴って変化する含水量と電圧との関係を示す図である。ここでは、燃料電池1の運転開始時点において、端セルが十分に湿潤であり、中央セルが若干乾燥している状態であるものとする(図13の上のグラフを参照)。その後、燃料電池1の運転が継続されるのに従って、中央セルの含水量が上昇し、発電効率が上昇する。しかし、ある程度中央セルが湿潤となると、その後、徐々に端セルへの水分の偏在が発生する。ここで、端セルへの水の偏在が大きくなるに従って、端セルと中央セルとの間の電圧差が大きくなる。 FIG. 13 is a diagram showing the relationship between the water content and the voltage that change with the operation of the fuel cell 1. Here, it is assumed that the end cell is sufficiently wet and the center cell is slightly dry at the start of operation of the fuel cell 1 (see the upper graph in FIG. 13). Thereafter, as the operation of the fuel cell 1 is continued, the water content of the central cell increases and the power generation efficiency increases. However, when the central cell becomes wet to some extent, moisture is gradually distributed to the end cells thereafter. Here, as the uneven distribution of water in the end cell increases, the voltage difference between the end cell and the center cell increases.
本発明では、この電圧差が予め設定された閾値以上となったことを契機として、端セルへの水の偏在を推定する。なお、水の偏在が発生した後、水の偏在を解消せずに更に運転を継続すると、端セルではフラッディングが発生し、端セルにおける発電の継続が困難となる(セル落ち等が発生し、端セルにおける電圧が落ちる)。このため、本実施形態に係る燃料電池システムは、端セルと中央セルとの電圧差によって、スタックの積層方向における水の偏在を推定し、フラッディングの発生を予測する。そして、電圧差に基づいて、水の偏在を解消し、フラッディングの発生によるセル落ちを防止する制御を行う。 In the present invention, the uneven distribution of water in the end cell is estimated when this voltage difference is equal to or greater than a preset threshold value. In addition, if the operation is continued without eliminating the uneven distribution of water after the uneven distribution of water occurs, flooding occurs in the end cell, making it difficult to continue power generation in the end cell (cell dropping occurs, The voltage at the end cell drops). For this reason, the fuel cell system according to the present embodiment estimates the uneven distribution of water in the stacking direction of the stack based on the voltage difference between the end cell and the center cell, and predicts the occurrence of flooding. And based on a voltage difference, the control which eliminates the uneven distribution of water and prevents the cell drop by generation | occurrence | production of flooding is performed.
図14は、本実施形態における、端セル含水量を下げる処理の流れを示すフローチャートである。本フローチャートに示された処理は、燃料電池1が運転されている状態において、発電効率を最大化させることが好ましい運転環境である場合に、定期的に実行される。 FIG. 14 is a flowchart showing the flow of processing for lowering the end cell water content in the present embodiment. The processing shown in this flowchart is periodically executed when the fuel cell 1 is in an operating environment where it is preferable to maximize the power generation efficiency.
ステップS301では、端セル電圧および中央セル電圧が計測される。電圧計65、66は、端セル電圧および中央セル電圧を計測し、ECU90へ出力する。その後、処理はステップS302へ進む。
In step S301, the end cell voltage and the central cell voltage are measured. Voltmeters 65 and 66 measure the end cell voltage and the central cell voltage and output them to
ステップS302では、燃料電池1において、燃料ガスおよび酸化ガスが十分且つ適切に供給されているか否かが判定される。処理の詳細は図6において説明したステップS102と同様であるため、説明を省略する。その後、処理はステップS303へ進む。 In step S302, it is determined whether or not the fuel gas and the oxidizing gas are sufficiently and appropriately supplied in the fuel cell 1. Details of the processing are the same as step S102 described in FIG. Thereafter, the process proceeds to step S303.
ステップS303では、電圧差に基づいてスタックにおける水の偏在が推定される。ステップS301で出力された計測結果を受けたECU90は、端セル電圧と中央セル電圧との電圧差を算出し、算出された電圧差と、予め設定された閾値とを比較することで、積層方向における水の偏在を推定する。この閾値は、スタックにおける水の偏在を判定するための閾値であり、ステップS103またはステップS203において用いられた閾値とは異なる値に設定された閾値である。
In step S303, the uneven distribution of water in the stack is estimated based on the voltage difference. The
この閾値は、燃料電池の運転に伴って端セルにおいて含水量が増加し水分の偏在が発生するタイミングにおける端セルと中央セルとの電圧差に基づいて決定される(図13を参照)。電圧差が閾値よりも小さい場合、スタックにおける水の偏在は発生していないと推定される。この場合、端セル含水量を下げる制御は不要であるため、本フローチャートに示された処理は終了する。これに対して、電圧差が閾値以上である場合、スタックにおける水の偏在が発生していると推定される。この場合、処理はステップS304へ進み、以降、端セル含水量を下げる制御が行われる。 This threshold is determined based on the voltage difference between the end cell and the central cell at the timing when the moisture content increases in the end cell with the operation of the fuel cell and the uneven distribution of moisture occurs (see FIG. 13). When the voltage difference is smaller than the threshold value, it is estimated that water is not unevenly distributed in the stack. In this case, since the control for reducing the water content in the end cell is not necessary, the processing shown in this flowchart ends. On the other hand, when the voltage difference is equal to or greater than the threshold value, it is estimated that water is unevenly distributed in the stack. In this case, the process proceeds to step S304, and thereafter, control for reducing the end cell water content is performed.
ステップS304では、端セル含水量を下げる制御が行われる。ECU90は、供給ガス流量、パージ頻度、供給ガス圧等を制御することで、端セル含水量を下げる。例えば、供給排出エンドの反対側エンドに隣接するセルのアノード側に水が溜まっている場合にこ
の水の偏在を解消する具体的な方法として、流量制御弁24を制御し、燃料ガスの流量を増やすことで、アノード側からの水分の持ち去り量を増やす方法や、パージ弁31を制御し、燃料ガスのパージ頻度を上げることで、燃料タンク21からの乾燥した燃料ガスの燃料電池への供給量を増やす方法、燃料ガスのガス圧を下げて、スタックからの水分の持ち去り量を増やす方法、酸化ガスのガス圧を下げて、アノード側からカソード側への水分の透過を促進させる方法、等がある。これらの水の偏在を解消する具体的な方法は、状況に応じて、一または複数の方法が選択されて実行されることが好ましい。その後、処理はステップS305へ進む。
In step S304, control for reducing the water content of the end cell is performed. The
ステップS305では、端セル落ちを防止するために、負荷変動を緩やかにする制御が行われる。具体的には、ECU90は、ガス流量やガス圧の制御における、ガス流量やガス圧の変動の速度を緩やかにする。即ち、ガス流量やガス圧を変動させる場合に、変動の速度を緩やかにすることで、フラッディングが発生している端セルにもガスが行き渡るようにし、水が詰まっているセルにガスが通らずに発電がされなくなってしまう現象(セル落ち)が発生することを防止する。
In step S305, control is performed to moderate load fluctuations in order to prevent end cell dropping. Specifically, the
その後、上記ステップS301からステップS305の処理は、ステップS302においてガス供給が十分且つ適切な状態ではないと判定されるか、ステップS303において電圧差が閾値よりも小さいと判定される(即ち、スタックにおける水の偏在は発生していないと推定される)まで、繰り返される。 Thereafter, in the processing from step S301 to step S305, it is determined in step S302 that the gas supply is not sufficient and appropriate, or in step S303, it is determined that the voltage difference is smaller than the threshold (that is, in the stack). It is repeated until it is estimated that no water is unevenly distributed).
本実施形態に拠れば、水の偏在(水分布)を推定し、この結果に基づいて、端セル含水量を下げることが可能となる。これによって、燃料電池の運転効率を最適化し、更に、フラッディングによって落ちやすい端セルのセル落ちを防止することが可能である。 According to the present embodiment, it is possible to estimate the uneven distribution of water (water distribution) and reduce the water content of the end cell based on this result. As a result, it is possible to optimize the operation efficiency of the fuel cell, and to prevent the end cell from dropping due to flooding.
1 燃料電池
10 セル
12 カソード側ガス拡散層
13 膜電極接合体
14 アノード側ガス拡散層
16 酸化ガス流路
17 燃料ガス流路
18、19 エンドプレート
24 流量制御弁
25 循環通路
31 パージ弁
60 計測装置
61、62 電圧計
63、64 露点計
65、66 電圧計
70 加湿器
90 電子制御ユニット(ECU)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (12)
前記燃料電池における複数の計測箇所で電圧を計測する計測手段と、
前記計測手段によって計測された電圧のうち、異なる計測箇所において計測された電圧の差から推定される、前記複数の計測箇所間の含水量の差に基づいて、前記燃料電池の、前記複数の計測箇所間における水分の偏在状況を推定する推定手段と、
前記推定手段によって推定された前記燃料電池における水分の偏在状況に基づいて、該燃料電池における水分の偏在状況または水分量を制御する制御手段と、
前記推定手段によって、前記燃料電池において水分の偏在が発生していると推定された場合に、該燃料電池における二極のうち、何れの極が反対極より乾燥している乾燥極であり、また、何れの極が反対極より湿潤な湿潤極であるかを判定する判定手段と、を備える、
燃料電池システム。 A fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between an oxidizing gas and a fuel gas;
Measuring means for measuring voltage at a plurality of measurement points in the fuel cell;
The plurality of measurements of the fuel cell based on the difference in water content between the plurality of measurement points, which is estimated from the difference between the voltages measured at different measurement points among the voltages measured by the measurement unit. and estimating means for estimating the uneven distribution status of moisture between locations,
Control means for controlling the uneven distribution of water or the amount of water in the fuel cell based on the uneven distribution of water in the fuel cell estimated by the estimating means;
When it is estimated by the estimation means that uneven distribution of moisture occurs in the fuel cell, any one of the two poles in the fuel cell is a dry pole that is dried from the opposite pole, and Determination means for determining which pole is a wet pole wetter than the opposite pole,
Fuel cell system.
請求項1に記載の燃料電池システム。 The estimation means estimates that the uneven distribution of moisture occurs in the fuel cell when the voltage difference is equal to or greater than a predetermined threshold.
The fuel cell system according to claim 1.
請求項1または2に記載の燃料電池システム。 The control means controls the uneven distribution of moisture or the amount of moisture in the fuel cell by adjusting at least one of the humidity, gas flow rate and gas pressure of the gas supplied to the fuel cell.
The fuel cell system according to claim 1 or 2 .
請求項1に記載の燃料電池システム。 The determination means determines which of the two poles is the dry electrode and the wet electrode based on the dew point of the off gas discharged from each of the two electrodes.
The fuel cell system according to claim 1 .
請求項1または4に記載の燃料電池システム。 The control means promotes the movement of moisture from the wet electrode to the dry electrode by increasing the flow rate of the gas supplied to the electrode determined to be the dry electrode by the determining device.
The fuel cell system according to claim 1 or 4 .
請求項1、4、5の何れか一項に記載の燃料電池システム。 The control means reduces the gas pressure of the electrode determined to be the dry electrode by the determination device with respect to the gas pressure of the wet electrode, thereby moving moisture from the wet electrode to the dry electrode. Facilitate,
The fuel cell system according to any one of claims 1, 4, and 5 .
前記循環手段によって循環される前記燃料オフガスを所定のタイミングで外部にパージするパージ手段と、
前記パージ手段によるパージに伴って、前記燃料電池から排出された燃料オフガスに比べて乾燥した燃料ガスを前記燃料電池に供給する供給手段と、を更に備え、
前記制御手段は、前記湿潤極が燃料ガスが供給される極である場合、前記パージ手段によるパージ量またはパージ頻度を上げることで、該湿潤極に供給される前記燃料ガスの湿度を下げ、該湿潤極の水分量を減らす、
請求項1、4、5、6の何れか一項に記載の燃料電池システム。 Circulating means for circulating the fuel off-gas discharged from the fuel cell and supplying it again to the anode electrode;
Purge means for purging the fuel off-gas circulated by the circulation means to the outside at a predetermined timing;
Supply means for supplying the fuel cell with a fuel gas that is dry compared to the fuel off-gas discharged from the fuel cell in accordance with the purge by the purge means;
When the wet electrode is an electrode to which fuel gas is supplied, the control unit lowers the humidity of the fuel gas supplied to the wet electrode by increasing the purge amount or the purge frequency by the purge unit, Reduce the moisture content of the wet pole,
The fuel cell system according to any one of claims 1, 4, 5, and 6 .
前記燃料電池における複数の計測箇所で電圧を計測する計測手段と、
前記計測手段によって計測された電圧のうち、異なる計測箇所において計測された電圧の差から推定される、前記複数の計測箇所間の含水量の差に基づいて、前記燃料電池の、前記複数の計測箇所間における水分の偏在状況を推定する推定手段と、
を備え、
前記計測手段は、単一のセルにおける、供給されるガスの入口近傍における電圧および出口近傍における電圧を計測し、
前記推定手段は、計測された電圧の差に基づいて、単一のセルにおける水分の偏在状況を推定する、
燃料電池システム。 A fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between an oxidizing gas and a fuel gas;
Measuring means for measuring voltage at a plurality of measurement points in the fuel cell;
The plurality of measurements of the fuel cell based on the difference in water content between the plurality of measurement points, which is estimated from the difference between the voltages measured at different measurement points among the voltages measured by the measurement unit. An estimation means for estimating the uneven distribution of moisture between locations;
With
The measuring means measures the voltage in the vicinity of the inlet of the supplied gas and the voltage in the vicinity of the outlet in a single cell,
The estimation means estimates the uneven distribution of moisture in a single cell based on the measured voltage difference.
Fuel cell system.
請求項8に記載の燃料電池システム。 When the estimation means estimates that the vicinity of the gas inlet is dry compared to the vicinity of the outlet, the control means increases the flow rate of the supplied gas to increase the flow rate of the supplied gas from the opposite pole to the vicinity of the inlet. Promote the movement of moisture,
The fuel cell system according to claim 8 .
前記計測手段は、異なるセルにおける電圧を計測し、
前記推定手段は、計測された電圧の差に基づいて、前記積層の方向における、電圧が計測されたセル間の水分の偏在状況を推定する、
請求項1から7の何れか一項に記載の燃料電池システム。 The fuel cell is a fuel cell in which a plurality of cells are stacked,
The measuring means measures voltages in different cells;
The estimation means estimates the uneven distribution of moisture between the cells in which the voltage is measured in the direction of the stack, based on the measured voltage difference.
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 7 .
請求項10に記載の燃料電池システム。 When the control means estimates that the moisture is unevenly distributed in the stacking direction of the plurality of cells by the estimation means, when changing the flow rate or gas pressure of the gas supplied to the fuel cell, Slowly change the flow rate or gas pressure compared to the case where there is no uneven distribution of moisture ,
The fuel cell system according to claim 10 .
請求項1から11の何れか一項に記載の燃料電池システム。 When the flow rate of the gas supplied to the fuel cell is an appropriate flow rate for the power generation by the fuel cell, the estimation means is configured to distribute moisture in the fuel cell based on the voltage difference. Estimating the situation,
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 11 .
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