JP7059879B2

JP7059879B2 - Fuel cell system

Info

Publication number: JP7059879B2
Application number: JP2018188421A
Authority: JP
Inventors: 靖高橋; 浩己田中
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-10-03
Filing date: 2018-10-03
Publication date: 2022-04-26
Anticipated expiration: 2038-10-03
Also published as: JP2020057552A

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.

燃料電池システムには、例えば燃料電池を冷却するラジエータが備えられている。ラジエータの冷却能力は、例えば搭載スペースに応じたサイズに基づいて制限される。このため、ラジエータが供給する冷却水の温度が上限を超えるおそれがある場合、燃料電池の出力を制限することにより発熱量を低減する手法がある。 The fuel cell system is equipped with, for example, a radiator that cools the fuel cell. The cooling capacity of the radiator is limited, for example, based on the size according to the mounting space. Therefore, when the temperature of the cooling water supplied by the radiator may exceed the upper limit, there is a method of reducing the calorific value by limiting the output of the fuel cell.

これに対し、例えば燃料電池の出力が制限されないように、燃料電池から排出される水蒸気量を増加させることにより、水蒸気に含まれる潜熱を排出して燃料電池の昇温を抑制してラジエータの負荷を低減する手法がある（例えば特許文献１参照）。 On the other hand, for example, by increasing the amount of water vapor discharged from the fuel cell so that the output of the fuel cell is not limited, the latent heat contained in the water vapor is discharged to suppress the temperature rise of the fuel cell and the load on the radiator. There is a method for reducing the amount of fuel (see, for example, Patent Document 1).

特開２００３－１１５３２０号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-115320

しかし、水蒸気を排出すると、燃料電池の出力増加時、加湿が間に合わずに水分が不足して、燃料電池が乾燥状態となるおそれがある。乾燥状態において燃料電池の発電性能は低下する。 However, when water vapor is discharged, when the output of the fuel cell is increased, the fuel cell may become dry due to insufficient moisture due to insufficient humidification. The power generation performance of the fuel cell deteriorates in the dry state.

そこで本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、水蒸気の排出量を増やさずに燃料電池の温度上昇を抑制することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of suppressing a temperature rise of a fuel cell without increasing the amount of water vapor emitted.

本明細書に記載の燃料電池システムは、酸化剤ガスにより発電する燃料電池と、前記酸化剤ガスに水蒸気を加えることにより前記燃料電池を加湿する加湿装置と、前記燃料電池の温度を計測するセンサと、前記温度が閾値以上である場合、前記燃料電池の発電により生成される水分量と前記水蒸気量の和に対する前記燃料電池内の飽和水蒸気量の比が１以下となるように、前記加湿装置より前記酸化剤ガスに加えられる水蒸気量を制御する制御装置とを有する。
The fuel cell system described in the present specification includes a fuel cell that generates power by an oxidant gas, a humidifying device that humidifies the fuel cell by adding steam to the oxidant gas, and a sensor that measures the temperature of the fuel cell. When the temperature is equal to or higher than the threshold value, the humidifying device is such that the ratio of the saturated water vapor amount in the fuel cell to the sum of the water content generated by the power generation of the fuel cell and the water vapor amount is 1 or less. It also has a control device for controlling the amount of water vapor added to the oxidant gas.

本明細書に記載の他の燃料電池システムは、酸化剤ガスにより発電する燃料電池と、前記酸化剤ガスに水蒸気を加えることにより前記燃料電池を加湿する加湿装置と、前記燃料電池を冷却する冷却媒体を前記燃料電池に供給する冷却装置と、前記燃料電池の温度を計測するセンサと、前記温度が閾値以上である場合、前記燃料電池の発電により生成される水分量、及び前記加湿装置により前記酸化剤ガスに加えられる水蒸気量の和に対する前記燃料電池内の飽和水蒸気量の比が１以下となるように前記飽和水蒸気量の目標値を決定し、前記飽和水蒸気量が前記目標値に近づくように前記冷却媒体の流量を制御する制御装置とを有する。

Other fuel cell systems described herein include a fuel cell that generates power from the oxidant gas, a humidifier that humidifies the fuel cell by adding steam to the oxidant gas, and cooling that cools the fuel cell. A cooling device that supplies the medium to the fuel cell,When the sensor that measures the temperature of the fuel cell and the temperature are above the threshold valueThe saturated water vapor amount so that the ratio of the saturated water vapor amount in the fuel cell to the sum of the water content generated by the power generation of the fuel cell and the water vapor amount added to the oxidant gas by the humidifying device is 1 or less. It has a control device for determining a target value of the cooling medium and controlling the flow rate of the cooling medium so that the saturated water vapor amount approaches the target value.

本発明によれば、水蒸気の排出量を増やさずに燃料電池の温度上昇を抑制することができる。 According to the present invention, it is possible to suppress the temperature rise of the fuel cell without increasing the amount of water vapor emission.

燃料電池システムの一例を示す構成図である。It is a block diagram which shows an example of a fuel cell system. 燃料電池スタックの温度に対する電圧の変化の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the change of voltage with respect to the temperature of a fuel cell stack. 第１実施例におけるＥＣＵ（Electric Control Unit）の制御処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the control process of the ECU (Electric Control Unit) in 1st Embodiment. 飽和水蒸気圧曲線の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a saturated water vapor pressure curve. 燃料電池スタックの温度低下を抑制する場合のＥＣＵの制御処理の一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the control process of the ECU when suppressing the temperature drop of a fuel cell stack. 第２実施例におけるＥＣＵの制御処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the control process of the ECU in 2nd Embodiment.

図１は、燃料電池システムの一例を示す構成図である。燃料電池システムは、ＥＣＵ１、燃料電池スタック２、エアコンプレッサ３０、インタークーラ３１、加湿装置３２、燃料供給装置３３、冷却装置３４、加湿バルブ４０、バイパスバルブ４１、及びポンプ４２を有する。また、燃料電池システムは、流量センサ５０、出口温度センサ５１、入口温度センサ５２、及び電流センサ５３、酸化剤ガス供給路９０、酸化剤ガス迂回路９１、酸化剤ガス排出路９２、燃料ガス供給路９３、及び燃料ガス排出路９４を有する。 FIG. 1 is a block diagram showing an example of a fuel cell system. The fuel cell system includes an ECU 1, a fuel cell stack 2, an air compressor 30, an intercooler 31, a humidifying device 32, a fuel supply device 33, a cooling device 34, a humidifying valve 40, a bypass valve 41, and a pump 42. Further, the fuel cell system includes a flow rate sensor 50, an outlet temperature sensor 51, an inlet temperature sensor 52, a current sensor 53, an oxidant gas supply path 90, an oxidant gas detour 91, an oxidant gas discharge path 92, and a fuel gas supply. It has a road 93 and a fuel gas discharge road 94.

酸化剤ガス供給路９０には、燃料電池スタック２に供給される酸化剤ガスが流れ、酸化剤ガス排出路９２には、燃料電池スタック２から排出された酸化剤オフガスが流れる。また、酸化剤ガス迂回路９１には、加湿装置３２を迂回して燃料電池スタック２に供給される酸化剤ガスが流れる。 The oxidant gas supplied to the fuel cell stack 2 flows through the oxidant gas supply path 90, and the oxidant off gas discharged from the fuel cell stack 2 flows through the oxidant gas discharge path 92. Further, the oxidant gas supplied to the fuel cell stack 2 flows through the oxidant gas detour circuit 91 by bypassing the humidifying device 32.

燃料ガス供給路９３には、燃料電池スタック２に供給される燃料ガスが流れ、燃料ガス排出路９４には、燃料電池スタック２から排出された燃料オフガスが流れる。燃料ガスは一例として水素ガスであり、酸化剤ガスは一例として空気である。 The fuel gas supplied to the fuel cell stack 2 flows through the fuel gas supply path 93, and the fuel off gas discharged from the fuel cell stack 2 flows through the fuel gas discharge path 94. The fuel gas is, for example, hydrogen gas, and the oxidant gas is, for example, air.

燃料電池スタック２は、固体高分子形の複数の燃料電池（単セル）が積層された積層体である。燃料ガス及び酸化剤ガスはマニホルドを介して各燃料電池に供給される。各燃料電池には膜電極接合体（MEA： Membrane Electrode Assembly）が設けられており、膜電極接合体において酸化剤ガス中の酸素と燃料ガス中の水素とが電気化学反応することにより発電する。燃料電池は、発電とともに水分を生成する。 The fuel cell stack 2 is a laminated body in which a plurality of solid polymer type fuel cells (single cells) are laminated. The fuel gas and the oxidant gas are supplied to each fuel cell via the manifold. Each fuel cell is provided with a membrane electrode assembly (MEA), and generates electricity by electrochemical reaction between oxygen in the oxidizing agent gas and hydrogen in the fuel gas in the membrane electrode assembly. Fuel cells generate water as they generate electricity.

燃料ガス供給路９３には燃料供給装置３３が接続されている。燃料供給装置３３は、例えば、燃料ガスを蓄圧するタンク、及び燃料ガスを噴射するインジェクタなどが含まれる。燃料ガスは、燃料ガス供給路９３から燃料電池スタック２に供給されて発電に用いられ、燃料電池スタック２から燃料オフガスとして燃料ガス排出路９４に排出される。 A fuel supply device 33 is connected to the fuel gas supply path 93. The fuel supply device 33 includes, for example, a tank for accumulating fuel gas, an injector for injecting fuel gas, and the like. The fuel gas is supplied to the fuel cell stack 2 from the fuel gas supply path 93 and used for power generation, and is discharged from the fuel cell stack 2 to the fuel gas discharge path 94 as fuel off gas.

また、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給路９０から燃料電池スタック２に供給されて発電に用いられ、燃料電池スタック２から酸化剤オフガスとして酸化剤ガス排出路９２に排出される。 Further, the oxidant gas is supplied from the oxidant gas supply path 90 to the fuel cell stack 2 and used for power generation, and is discharged from the fuel cell stack 2 to the oxidant gas discharge path 92 as an oxidant off gas.

酸化剤ガス供給路９０には、エアコンプレッサ３０、インタークーラ３１、加湿バルブ４０、及び加湿装置３２が接続されている。エアコンプレッサ３０は、外部から酸化剤ガスを取り込んで圧縮する。圧縮された空気はインタークーラ３１に送られる。インタークーラ３１は、圧縮により昇温した酸化剤ガスを冷却する。 An air compressor 30, an intercooler 31, a humidifying valve 40, and a humidifying device 32 are connected to the oxidant gas supply path 90. The air compressor 30 takes in an oxidant gas from the outside and compresses it. The compressed air is sent to the intercooler 31. The intercooler 31 cools the oxidant gas that has been heated by compression.

インタークーラ３１の下流側には加湿バルブ４０が接続され、加湿バルブ４０の下流側には加湿装置３２が接続されている。酸化剤ガス迂回路９１の上流側の端部はインタークーラ３１と加湿バルブ４０の間の酸化剤ガス供給路９０に接続され、酸化剤ガス迂回路９１の下流側の端部は加湿装置３２と燃料電池スタック２の間の酸化剤ガス供給路９０に接続されている。酸化剤ガス迂回路９１にはバイパスバルブ４１が接続されている。 A humidifying valve 40 is connected to the downstream side of the intercooler 31, and a humidifying device 32 is connected to the downstream side of the humidifying valve 40. The upstream end of the oxidant gas detour 91 is connected to the oxidant gas supply path 90 between the intercooler 31 and the humidifying valve 40, and the downstream end of the oxidant gas detour 91 is the humidifying device 32. It is connected to the oxidant gas supply path 90 between the fuel cell stacks 2. A bypass valve 41 is connected to the oxidant gas detour circuit 91.

インタークーラ３１で冷却された酸化剤ガスは酸化剤ガス供給路９０と酸化剤ガス迂回路９１に分岐して流れる。酸化剤ガス供給路９０を流れる酸化剤ガスは加湿装置３２により加湿されて燃料電池スタック２に供給される。一方、酸化剤ガス迂回路９１を流れる酸化剤ガスは加湿装置３２を迂回して燃料電池スタック２に供給される。 The oxidant gas cooled by the intercooler 31 branches into the oxidant gas supply path 90 and the oxidant gas detour 91 and flows. The oxidant gas flowing through the oxidant gas supply path 90 is humidified by the humidifying device 32 and supplied to the fuel cell stack 2. On the other hand, the oxidant gas flowing through the oxidant gas detour circuit 91 bypasses the humidifying device 32 and is supplied to the fuel cell stack 2.

加湿装置３２は、酸化剤ガス供給路９０及び酸化剤ガス排出路９２に接続され、酸化剤ガスに水蒸気を加えることにより燃料電池スタック２を加湿する。加湿装置３２には、インタークーラ３１から低湿度の酸化剤ガスが導入され、燃料電池スタック２から高湿度の酸化剤オフガスが導入される。加湿装置３２は、例えば中空糸式または膜式の湿度交換器であり、燃料電池スタック２に供給される酸化剤ガスを、酸化剤オフガスに含まれる水分により加湿する。 The humidifying device 32 is connected to the oxidant gas supply path 90 and the oxidant gas discharge path 92, and humidifies the fuel cell stack 2 by adding steam to the oxidant gas. In the humidifying device 32, a low humidity oxidant gas is introduced from the intercooler 31, and a high humidity oxidant off gas is introduced from the fuel cell stack 2. The humidifying device 32 is, for example, a hollow fiber type or a membrane type humidity exchanger, and humidifies the oxidant gas supplied to the fuel cell stack 2 with the water contained in the oxidant off gas.

加湿バルブ４０は、加湿装置３２に流れる酸化剤ガスの流量を調整し、バイパスバルブ４１は、酸化剤ガス迂回路９１を流れる酸化剤ガスの流量を調整する。加湿バルブ４０の開度Ｖｍとバイパスバルブ４１の開度ＶｄはＥＣＵ１により制御される。 The humidification valve 40 adjusts the flow rate of the oxidant gas flowing through the humidifying device 32, and the bypass valve 41 adjusts the flow rate of the oxidant gas flowing through the oxidant gas detour circuit 91. The opening degree Vm of the humidifying valve 40 and the opening degree Vd of the bypass valve 41 are controlled by the ECU 1.

ＥＣＵ１は、制御装置の一例であり、燃料電池システムの動作を制御する。ＥＣＵ１は、ＣＰＵ１０と、ＣＰＵ１０を駆動するプログラム及び各種のデータなどが格納されたメモリ１１を有する。ＥＣＵ１は、加湿バルブ４０の開度Ｖｍとバイパスバルブ４１に開度Ｖｄを制御する。 The ECU 1 is an example of a control device and controls the operation of the fuel cell system. The ECU 1 has a CPU 10 and a memory 11 in which a program for driving the CPU 10 and various data are stored. The ECU 1 controls the opening degree Vm of the humidifying valve 40 and the opening degree Vd of the bypass valve 41.

加湿バルブ４０を通った酸化剤ガスは加湿装置３２により加湿され、バイパスバルブ４１を通った酸化剤ガスは加湿されない。このため、ＥＣＵ１は、開度Ｖｍ，Ｖｄの調整によって、加湿装置３２により酸化剤ガスに加えられる水蒸気量（以下、「加湿水量」と表記）を制御することができる。 The oxidant gas that has passed through the humidifying valve 40 is humidified by the humidifying device 32, and the oxidizing agent gas that has passed through the bypass valve 41 is not humidified. Therefore, the ECU 1 can control the amount of water vapor (hereinafter referred to as “humidified water amount”) added to the oxidant gas by the humidifying device 32 by adjusting the opening degree Vm and Vd.

冷却装置３４は、例えばラジエータであり、冷却水を燃料電池スタック２に供給する。冷却装置３４と燃料電池スタック２の間は、冷却水供給路９５と冷却水排出路９６により接続されている。 The cooling device 34 is, for example, a radiator, and supplies cooling water to the fuel cell stack 2. The cooling device 34 and the fuel cell stack 2 are connected by a cooling water supply path 95 and a cooling water discharge path 96.

冷却水は、燃料電池スタック２を冷却する冷却媒体の一例である。冷却水は、冷却装置３４から冷却水供給路９５を流れて燃料電池スタック２に供給される。また、冷却に用いられた冷却水は、燃料電池スタック２から冷却水排出路９６を流れて冷却装置３４に戻る。 The cooling water is an example of a cooling medium for cooling the fuel cell stack 2. The cooling water flows from the cooling device 34 through the cooling water supply path 95 and is supplied to the fuel cell stack 2. Further, the cooling water used for cooling flows from the fuel cell stack 2 through the cooling water discharge passage 96 and returns to the cooling device 34.

冷却水供給路９５にはポンプ４２が設けられている。ポンプ４２は、冷却水を燃料電池スタック２に圧送する。これにより、冷却水は冷却装置３４と燃料電池スタック２の間を循環する。 A pump 42 is provided in the cooling water supply path 95. The pump 42 pumps the cooling water to the fuel cell stack 2. As a result, the cooling water circulates between the cooling device 34 and the fuel cell stack 2.

ポンプ４２の回転数ＮはＥＣＵ１により制御され、冷却水の流量は回転数Ｎに応じて変化する。このため、ＥＣＵ１は、回転数Ｎを調整することにより冷却媒体の流量を制御することができる。 The rotation speed N of the pump 42 is controlled by the ECU 1, and the flow rate of the cooling water changes according to the rotation speed N. Therefore, the ECU 1 can control the flow rate of the cooling medium by adjusting the rotation speed N.

また、ＥＣＵ１は、燃料電池スタック２に要求される電力に応じて冷却装置３４の出力を制御する。冷却装置３４が例えばファンを備える場合、ＥＣＵ１は、ファンの回転数Ｍを制御する。これにより、燃料電池スタック２の温度が制御される。 Further, the ECU 1 controls the output of the cooling device 34 according to the electric power required for the fuel cell stack 2. When the cooling device 34 includes, for example, a fan, the ECU 1 controls the rotation speed M of the fan. As a result, the temperature of the fuel cell stack 2 is controlled.

冷却水供給路９５の下流側には入口温度センサ５２が設けられている。入口温度センサ５２は燃料電池スタック２の冷却水の入口の温度Ｔｉｎを計測する。温度Ｔｉｎは、燃料電池スタック２の冷却水の供給用マニホルドの入口近傍の冷却水の温度である。ＥＣＵ１は入口温度センサ５２の温度Ｔｉｎを取得して各種の制御に用いる。 An inlet temperature sensor 52 is provided on the downstream side of the cooling water supply path 95. The inlet temperature sensor 52 measures the temperature Tin at the inlet of the cooling water of the fuel cell stack 2. The temperature Tin is the temperature of the cooling water near the inlet of the cooling water supply manifold of the fuel cell stack 2. The ECU 1 acquires the temperature Tin of the inlet temperature sensor 52 and uses it for various controls.

冷却水排出路９６の上流側には出口温度センサ５１が設けられている。出口温度センサ５１は燃料電池スタック２の冷却水の出口の温度Ｔｏｕｔを計測する。温度Ｔｏｕｔは、燃料電池スタック２の冷却水の排出用マニホルドの出口近傍の冷却水の温度である。ＥＣＵ１は出口温度センサ５１の温度Ｔｏｕｔを取得して各種の制御に用いる。 An outlet temperature sensor 51 is provided on the upstream side of the cooling water discharge passage 96. The outlet temperature sensor 51 measures the temperature Tout of the outlet of the cooling water of the fuel cell stack 2. The temperature Tout is the temperature of the cooling water in the vicinity of the outlet of the cooling water discharging manifold of the fuel cell stack 2. The ECU 1 acquires the temperature Tout of the outlet temperature sensor 51 and uses it for various controls.

また、燃料電池スタック２には電流センサ５３が電気的に接続されている。電流センサ５３は、燃料電池スタック２から出力される電流値Ｉを測定する。ＥＣＵ１は電流センサ５３の電流値Ｉを取得して各種の制御に用いる。 Further, a current sensor 53 is electrically connected to the fuel cell stack 2. The current sensor 53 measures the current value I output from the fuel cell stack 2. The ECU 1 acquires the current value I of the current sensor 53 and uses it for various controls.

また、酸化剤ガス供給路９０において、エアコンプレッサ３０及びインタークーラ３１の間には流量センサ５０が設けられている。流量センサ５０は、エアコンプレッサ３０により外部から導入される酸化剤ガスの流量Ｆを測定する。ＥＣＵ１は流量センサ５０の流量Ｆを取得して各種の制御に用いる。 Further, in the oxidant gas supply path 90, a flow rate sensor 50 is provided between the air compressor 30 and the intercooler 31. The flow rate sensor 50 measures the flow rate F of the oxidant gas introduced from the outside by the air compressor 30. The ECU 1 acquires the flow rate F of the flow rate sensor 50 and uses it for various controls.

ＥＣＵ１は、燃料電池スタック２の発電特性が良好となるように燃料電池スタック２の昇温を抑制する。 The ECU 1 suppresses the temperature rise of the fuel cell stack 2 so that the power generation characteristics of the fuel cell stack 2 are good.

図２は、燃料電池スタック２の温度に対する電圧の変化の一例を示す図である。横軸は、燃料電池スタック２の温度の一例として、冷却水の入口の温度Ｔｉｎ（℃）を示す。縦軸は、燃料電池スタック２の発電特性として、一定の電流値Ｉに対応する電圧（Ｖ）を示す。 FIG. 2 is a diagram showing an example of a change in voltage with respect to the temperature of the fuel cell stack 2. The horizontal axis shows the temperature Tin (° C.) at the inlet of the cooling water as an example of the temperature of the fuel cell stack 2. The vertical axis shows the voltage (V) corresponding to a constant current value I as the power generation characteristic of the fuel cell stack 2.

燃料電池スタック２の発電特性は、電圧が高いほど、良好である。発電特性は、例えば温度が下限値ＴＨａから上限値ＴＨｂの間において良好となる。一例として、下限値ＴＨａは６８（℃）であり、上限値ＴＨｂは８５（℃）である。 The higher the voltage, the better the power generation characteristics of the fuel cell stack 2. The power generation characteristic becomes good, for example, when the temperature is between the lower limit value THa and the upper limit value THb. As an example, the lower limit value THa is 68 (° C.) and the upper limit value THb is 85 (° C.).

ＥＣＵ１は、例えば温度Ｔｉｎが下限値ＴＨａ以上となったとき、燃料電池スタック２の昇温を抑制する。このため、温度Ｔｉｎは、下限値ＴＨａから上限値ＴＨｂの間に維持される。 The ECU 1 suppresses the temperature rise of the fuel cell stack 2 when, for example, the temperature Tin becomes the lower limit value THa or more. Therefore, the temperature Tin is maintained between the lower limit value THa and the upper limit value THb.

ＥＣＵ１は、燃料電池スタック２の電気化学反応により生成される水分（以下、「生成水」と表記）が、液体である液水ではなく、気体である水蒸気となるように燃料電池スタック２の状態を制御する。生成水が液水である場合に生ずる反応熱は、生成水が水蒸気である場合に生ずる反応熱の約１．１５倍である。これは、気体の運動エネルギーが液体の運動エネルギーより高く、水蒸気には、熱に変化していないエネルギーが液水より多く含まれているからである。 In the ECU 1, the state of the fuel cell stack 2 is such that the water generated by the electrochemical reaction of the fuel cell stack 2 (hereinafter referred to as “generated water”) is not liquid water which is a liquid but water vapor which is a gas. To control. The heat of reaction generated when the produced water is liquid water is about 1.15 times the heat of reaction generated when the produced water is steam. This is because the kinetic energy of a gas is higher than the kinetic energy of a liquid, and water vapor contains more energy that has not been converted into heat than liquid water.

したがって、ＥＣＵ１は、全ての生成水が水蒸気となるように燃料電池スタック２の状態を制御することにより反応熱を低減して昇温を抑制することができる。 Therefore, the ECU 1 can reduce the heat of reaction and suppress the temperature rise by controlling the state of the fuel cell stack 2 so that all the generated water becomes steam.

Ｒ＝（生成水量＋加湿水量）／飽和水蒸気量≦１・・・（１） R = (Amount of generated water + amount of humidified water) / Amount of saturated water vapor ≤ 1 ... (1)

ＥＣＵ１は、例えば燃料電池スタック２内の酸化剤ガスの流路の出口において、上記の式（１）の条件が満たされるように燃料電池スタック２の状態を制御する。つまり、ＥＣＵ１は、生成水量と加湿水量の和に対する飽和水蒸気量の比Ｒ（以下、「水分比Ｒ」と表記）が１以下となるように加湿水量または飽和水蒸気量を制御する。なお、酸化剤ガスの流路の出口は流路内で最も湿度が高いため、流路の出口で式（１）の条件が満たされれば流路全体で条件が満たされると推定される。 The ECU 1 controls the state of the fuel cell stack 2 so that the condition of the above formula (1) is satisfied, for example, at the outlet of the flow path of the oxidant gas in the fuel cell stack 2. That is, the ECU 1 controls the humidified water amount or the saturated water vapor amount so that the ratio R of the saturated water vapor amount to the sum of the generated water amount and the humidified water amount (hereinafter, referred to as “moisture ratio R”) is 1 or less. Since the outlet of the oxidant gas flow path has the highest humidity in the flow path, it is presumed that if the condition of the equation (1) is satisfied at the outlet of the flow path, the condition is satisfied in the entire flow path.

これにより、燃料電池スタック２の電気化学反応による生成水が全て水蒸気となるため、生成水が全て液水である場合より反応熱が減少する。このため、ＥＣＵ１は、燃料電池スタック２の水蒸気の排出量を増加させずに燃料電池スタック２の昇温を抑制することができる。以下に制御方法の例を挙げて説明する。 As a result, all the water produced by the electrochemical reaction of the fuel cell stack 2 becomes steam, so that the heat of reaction is reduced as compared with the case where all the generated water is liquid water. Therefore, the ECU 1 can suppress the temperature rise of the fuel cell stack 2 without increasing the amount of water vapor discharged from the fuel cell stack 2. An example of the control method will be described below.

（第１実施例）
ＥＣＵ１は、式（１）の条件が満たされるように加湿水量を制御する。このため、ＥＣＵ１は、加湿バルブ４０の開度Ｖｍとバイパスバルブ４１の開度Ｖｄを制御する。 (First Example)
The ECU 1 controls the amount of humidified water so that the condition of the equation (1) is satisfied. Therefore, the ECU 1 controls the opening degree Vm of the humidifying valve 40 and the opening degree Vd of the bypass valve 41.

図３は、第１実施例におけるＥＣＵ１の制御処理を示すフローチャートである。本処理は、ＣＰＵ１０がメモリ１１内のプログラムに従って動作することにより実行される。 FIG. 3 is a flowchart showing a control process of the ECU 1 in the first embodiment. This process is executed by the CPU 10 operating according to the program in the memory 11.

ＥＣＵ１は、入口温度センサ５２から燃料電池スタック２の冷却水の入口の温度Ｔｉｎを取得する（ステップＳｔ１）。次に、ＥＣＵ１は、温度Ｔｉｎと下限値ＴＨａと比較する（ステップＳｔ２）。ＥＣＵ１は、温度Ｔｉｎが下限値ＴＨａより小さい場合（ステップＳｔ２のＮｏ）、再びステップＳｔ１の処理を実行する。 The ECU 1 acquires the temperature Tin at the inlet of the cooling water of the fuel cell stack 2 from the inlet temperature sensor 52 (step St1). Next, the ECU 1 compares the temperature Tin with the lower limit value THa (step St2). When the temperature Tin is smaller than the lower limit value THa (No in step St2), the ECU 1 executes the process of step St1 again.

ＥＣＵ１は、温度Ｔｉｎが下限値ＴＨａ以上である場合（ステップＳｔ２のＹｅｓ）、燃料電池スタック２の昇温を抑制する必要があると判断して、メモリ１１内の加湿水量マップデータを読み込む（ステップＳｔ３）。加湿水量マップデータには、温度Ｔｉｎに応じて加湿バルブ４０の開度Ｖｍ、バイパスバルブ４１の開度Ｖｄ、及び所定単位の流量の酸化剤ガスに含まれる水蒸気量の対応関係が登録されている。 When the temperature Tin is equal to or higher than the lower limit value THa (Yes in step St2), the ECU 1 determines that it is necessary to suppress the temperature rise of the fuel cell stack 2 and reads the humidified water amount map data in the memory 11 (step). St3). In the humidified water amount map data, the correspondence relationship between the opening Vm of the humidifying valve 40, the opening Vd of the bypass valve 41, and the amount of water vapor contained in the oxidant gas having a predetermined unit flow rate is registered according to the temperature Tin. ..

次にＥＣＵ１は、流量センサ５０から酸化剤ガスの流量Ｆを取得する（ステップＳｔ４）。次に、ＥＣＵ１は、加湿水量マップデータを参照することにより流量Ｆから加湿水量を算出する（ステップＳｔ５）。このとき、ＥＣＵ１は、例えば温度Ｔｉｎ及び現在の開度Ｖｍ，Ｖｄに対応する水蒸気量を加湿水量マップデータから取得して流量Ｆを乗ずることにより加湿水量を算出する。 Next, the ECU 1 acquires the flow rate F of the oxidant gas from the flow rate sensor 50 (step St4). Next, the ECU 1 calculates the humidified water amount from the flow rate F by referring to the humidified water amount map data (step St5). At this time, the ECU 1 calculates the humidified water amount by, for example, acquiring the amount of water vapor corresponding to the temperature Tin and the current opening degree Vm, Vd from the humidified water amount map data and multiplying by the flow rate F.

次にＥＣＵ１は、出口温度センサ５１から燃料電池スタック２の冷却水の出口の温度Ｔｏｕｔを取得する（ステップＳｔ６）。このとき、ＥＣＵ１は、冷却水の出口の温度Ｔｏｕｔから燃料電池スタック２の酸化剤ガスの出口の温度を推定する。酸化剤ガスの出口の温度の推定精度を高めるため、冷却水の出口と酸化剤ガスの出口は互いに近い位置に配置されていると好ましい。 Next, the ECU 1 acquires the temperature Tout of the outlet of the cooling water of the fuel cell stack 2 from the outlet temperature sensor 51 (step St6). At this time, the ECU 1 estimates the temperature at the outlet of the oxidant gas of the fuel cell stack 2 from the temperature Tout at the outlet of the cooling water. In order to improve the accuracy of estimating the temperature at the outlet of the oxidant gas, it is preferable that the outlet of the cooling water and the outlet of the oxidant gas are arranged close to each other.

また、ＥＣＵ１は、飽和水蒸気圧曲線に基づいて酸化剤ガスの出口の温度から飽和水蒸気圧を推定する。 Further, the ECU 1 estimates the saturated water vapor pressure from the temperature at the outlet of the oxidant gas based on the saturated water vapor pressure curve.

図４は、飽和水蒸気圧曲線の一例を示す図である。横軸は酸化剤ガスの出口の温度Ｔｏｕｔ（℃）を示し、縦軸は飽和水蒸気圧（KPa）を示す。ＥＣＵ１は温度Ｔｏｕｔに応じた飽和水蒸気圧を算出する。 FIG. 4 is a diagram showing an example of a saturated water vapor pressure curve. The horizontal axis shows the temperature Tout (° C.) at the outlet of the oxidant gas, and the vertical axis shows the saturated water vapor pressure (KPa). The ECU 1 calculates the saturated water vapor pressure according to the temperature Tout.

再び図３を参照すると、ＥＣＵ１は、酸化剤ガスの流量Ｆ、及び燃料電池スタック２の発電量から酸化剤ガスの出口の流量を推定し、酸化剤ガスの出口の流量と飽和水蒸気圧から飽和水蒸気量を算出する（ステップＳｔ７）。このとき、発電量は、例えば燃料電池スタック２に要求される電力から得られる。 Referring to FIG. 3 again, the ECU 1 estimates the flow rate of the oxidant gas outlet from the flow rate F of the oxidant gas and the amount of power generated by the fuel cell stack 2, and saturates from the flow rate of the oxidant gas outlet and the saturated water vapor pressure. The amount of water vapor is calculated (step St7). At this time, the amount of power generation is obtained from, for example, the electric power required for the fuel cell stack 2.

次にＥＣＵ１は、電流センサ５３から燃料電池スタック２の電流値Ｉを取得する（ステップＳｔ８）。次にＥＣＵ１は電流値Ｉから生成水量を算出する（ステップＳｔ９）。なお、ＥＣＵ１は、実際の電流値Ｉに代えて、燃料電池スタック２に要求される電力に応じた電流値、つまり電流の制御目標値から生成水量を算出してもよい。 Next, the ECU 1 acquires the current value I of the fuel cell stack 2 from the current sensor 53 (step St8). Next, the ECU 1 calculates the amount of generated water from the current value I (step St9). Instead of the actual current value I, the ECU 1 may calculate the amount of generated water from the current value corresponding to the electric power required for the fuel cell stack 2, that is, the control target value of the current.

次にＥＣＵ１は、式（１）に従い生成水量、加湿水量、及び飽和水蒸気量から水分比Ｒを算出する（ステップＳｔ１０）。次にＥＣＵ１は水分比Ｒを１と比較する（ステップＳｔ１１）。ＥＣＵ１は、水分比Ｒが１以下である場合（ステップＳｔ１１のＹｅｓ）、式（１）の条件が満たされるため、加湿水量を制御する必要がないと判断して再びステップＳｔ１以降の各処理を実行する。 Next, the ECU 1 calculates the water ratio R from the amount of generated water, the amount of humidified water, and the amount of saturated water vapor according to the equation (1) (step St10). Next, ECU 1 compares the moisture ratio R with 1 (step St11). When the moisture ratio R is 1 or less (Yes in step St11), the ECU 1 determines that it is not necessary to control the amount of humidified water because the condition of the equation (1) is satisfied, and performs each process after step St1 again. Run.

ＥＣＵ１は、水分比Ｒが１より大きい場合（ステップＳｔ１１のＮｏ）、式（１）の条件が満たされていないため、式（１）の条件を満たす加湿水量に応じた開度Ｖｍ，Ｖｄを加湿水量マップデータに基づき決定する（ステップＳｔ１２）。次にＥＣＵ１は、決定した開度Ｖｍ，Ｖｄとなるように加湿バルブ４０及びバイパスバルブ４１を制御する（ステップＳｔ１３）。 When the moisture ratio R is larger than 1 (No in step St11), the ECU 1 does not satisfy the condition of the formula (1), so that the opening degree Vm, Vd according to the amount of humidified water satisfying the condition of the formula (1) is set. Determined based on the humidified water amount map data (step St12). Next, the ECU 1 controls the humidification valve 40 and the bypass valve 41 so that the opening degrees Vm and Vd are determined (step St13).

より具体的には、ＥＣＵ１は、加湿バルブ４０の開度Ｖｍを小さくし、バイパスバルブ４１の開度Ｖｄを大きくすることにより、加湿装置３２を経由する酸化剤ガスの流量を減少させて加湿水量を減少させる。これにより、水分比Ｒが小さくなって式（１）の条件が満たされる。 More specifically, the ECU 1 reduces the opening Vm of the humidifying valve 40 and increases the opening Vd of the bypass valve 41 to reduce the flow rate of the oxidant gas passing through the humidifying device 32 and reduce the amount of humidified water. To reduce. As a result, the water ratio R becomes smaller and the condition of the formula (1) is satisfied.

その後、再びステップＳｔ３以降の各処理が実行される。このとき、ＥＣＵ１は、式（１）の条件が満たされると判定すると（ステップＳｔ１１のＹｅｓ）、制御を終了して再びステップＳｔ１以降の各処理を実行する。このようにして、ＥＣＵ１は制御処理を実行する。 After that, each process after step St3 is executed again. At this time, when the ECU 1 determines that the condition of the equation (1) is satisfied (Yes in step St11), the ECU 1 ends the control and executes each process after step St1 again. In this way, the ECU 1 executes the control process.

このように、ＥＣＵ１は、水分比Ｒが１以下となるように酸化剤ガスの加湿水量を制御する。このため、燃料電池スタック２の発電で生ずる生成水が全て水蒸気となるため、反応熱が減少することにより燃料電池スタック２の昇温が抑制される。 In this way, the ECU 1 controls the amount of humidified water of the oxidant gas so that the water ratio R is 1 or less. Therefore, all the water generated by the power generation of the fuel cell stack 2 becomes steam, and the heat of reaction is reduced, so that the temperature rise of the fuel cell stack 2 is suppressed.

また、ＥＣＵ１は、燃料電池スタック２の昇温を抑制するだけでなく、これとは逆に燃料電池スタック２の温度低下を抑制することもできる。 Further, the ECU 1 can not only suppress the temperature rise of the fuel cell stack 2 but also suppress the temperature drop of the fuel cell stack 2 on the contrary.

Ｒ＝（生成水量＋加湿水量）／飽和水蒸気量＞１・・・（２） R = (Amount of generated water + amount of humidified water) / Amount of saturated water vapor> 1 ... (2)

この場合、ＥＣＵ１は、生成水を液水として反応熱を増加させるため、上記の式（２）が満たされるように加湿水量を増加させる。 In this case, the ECU 1 uses the generated water as liquid water to increase the heat of reaction, so that the amount of humidified water is increased so that the above formula (2) is satisfied.

図５は、燃料電池スタック２の温度低下を抑制する場合のＥＣＵ１の制御処理の一例を示すフローチャートである。図５において、図３と共通する処理には同一の符号を付し、その説明は省略する。 FIG. 5 is a flowchart showing an example of the control process of the ECU 1 when suppressing the temperature drop of the fuel cell stack 2. In FIG. 5, the same reference numerals are given to the processes common to those in FIG. 3, and the description thereof will be omitted.

ＥＣＵ１は、温度Ｔｉｎと下限値ＴＨａと比較する（ステップＳｔ２ａ）。ＥＣＵ１は、温度Ｔｉｎが下限値ＴＨａ以上である場合（ステップＳｔ２ａのＮｏ）、再びステップＳｔ１の処理を実行する。また、ＥＣＵ１は、温度Ｔｉｎが下限値ＴＨａより小さい場合（ステップＳｔ２ａのＹｅｓ）、燃料電池スタック２の温度低下を抑制する必要があると判断して、ステップＳｔ３以降の各処理を実行する。 The ECU 1 compares the temperature Tin with the lower limit THa (step St2a). When the temperature Tin is equal to or higher than the lower limit value THa (No in step St2a), the ECU 1 executes the process of step St1 again. Further, when the temperature Tin is smaller than the lower limit value THa (Yes in step St2a), the ECU 1 determines that it is necessary to suppress the temperature drop of the fuel cell stack 2 and executes each process after step St3.

ＥＣＵ１は、水分比Ｒの算出後（ステップＳｔ１０）、水分比Ｒを１と比較する（ステップＳｔ１１ａ）。ＥＣＵ１は、水分比Ｒが１より大きい場合（ステップＳｔ１１ａのＹｅｓ）、式（２）の条件が満たされるため、加湿水量を制御する必要がないと判断して再びステップＳｔ１以降の各処理を実行する。 After calculating the moisture ratio R (step St10), the ECU 1 compares the moisture ratio R with 1 (step St11a). When the moisture ratio R is larger than 1 (Yes in step St11a), the ECU 1 determines that it is not necessary to control the amount of humidified water because the condition of the equation (2) is satisfied, and executes each process after step St1 again. do.

ＥＣＵ１は、水分比Ｒが１以下である場合（ステップＳｔ１１ａのＮｏ）、式（２）の条件が満たされていないため、式（２）の条件を満たす加湿水量に応じた開度Ｖｍ，Ｖｄを加湿水量マップデータに基づき決定する（ステップＳｔ１２ａ）。次にＥＣＵ１は、決定した開度Ｖｍ，Ｖｄとなるように加湿バルブ４０及びバイパスバルブ４１を制御する（ステップＳｔ１３ａ）。 When the moisture ratio R is 1 or less (No in step St11a), the ECU 1 does not satisfy the condition of the formula (2), so that the opening degree Vm, Vd according to the amount of humidified water satisfying the condition of the formula (2). Is determined based on the humidified water amount map data (step St12a). Next, the ECU 1 controls the humidification valve 40 and the bypass valve 41 so that the opening degrees Vm and Vd are determined (step St13a).

より具体的には、ＥＣＵ１は、加湿バルブ４０の開度Ｖｍを大きくし、バイパスバルブ４１の開度Ｖｄを小さくすることにより、加湿装置３２を経由する酸化剤ガスの流量を増加させて加湿水量を増加させる。これにより、水分比Ｒが大きくなって式（２）の条件が満たされる。 More specifically, the ECU 1 increases the flow rate of the oxidant gas via the humidifying device 32 by increasing the opening Vm of the humidifying valve 40 and decreasing the opening Vd of the bypass valve 41, thereby increasing the amount of humidified water. To increase. As a result, the water ratio R becomes large and the condition of the formula (2) is satisfied.

このように、ＥＣＵ１は、水分比Ｒが１より大きくなるように酸化剤ガスの加湿水量を制御する。このため、燃料電池スタック２の発電で生ずる生成水が液水となるため、反応熱が増加することにより燃料電池スタック２の温度低下が抑制される。 In this way, the ECU 1 controls the amount of humidified water of the oxidant gas so that the water ratio R becomes larger than 1. Therefore, since the generated water generated by the power generation of the fuel cell stack 2 becomes liquid water, the temperature decrease of the fuel cell stack 2 is suppressed by increasing the heat of reaction.

（第２実施例）
ＥＣＵ１は、式（１）の条件が満たされるように飽和水蒸気量を制御する。飽和水蒸気量は燃料電池スタック２の温度に応じて変化するため、ＥＣＵ１は、ポンプ４２の回転数Ｎを低下させることにより冷却水の流量を制御する。 (Second Example)
The ECU 1 controls the saturated water vapor amount so that the condition of the equation (1) is satisfied. Since the saturated water vapor amount changes according to the temperature of the fuel cell stack 2, the ECU 1 controls the flow rate of the cooling water by lowering the rotation speed N of the pump 42.

図６は、第２実施例におけるＥＣＵ１の制御処理を示すフローチャートである。図６において、図３と共通する処理には同一の符号を付し、その説明は省略する。本例では、式（１）の条件が満たされていない場合（ステップＳｔ１１のＮｏ）に実行されるステップＳｔ２１～Ｓｔ２４の各処理が第１実施例とは異なる。 FIG. 6 is a flowchart showing the control process of the ECU 1 in the second embodiment. In FIG. 6, the same reference numerals are given to the processes common to those in FIG. 3, and the description thereof will be omitted. In this example, each process of steps St21 to St24 executed when the condition of the formula (1) is not satisfied (No of step St11) is different from that of the first embodiment.

ＥＣＵ１は、水分比Ｒが１以下となるように飽和水蒸気量の目標値を決定する（ステップＳｔ２１）。次にＥＣＵ１は、メモリ１１内の回転数マップデータを読み込む（ステップＳｔ２２）。回転数マップデータには、冷却水の出口及び入口の各温度Ｔｏｕｔ，Ｔｉｎの差分（Ｔｏｕｔ－Ｔｉｎ）とポンプ４２の回転数Ｎの対応関係が登録されている。 The ECU 1 determines a target value of the saturated water vapor amount so that the water ratio R is 1 or less (step St21). Next, the ECU 1 reads the rotation speed map data in the memory 11 (step St22). In the rotation speed map data, the correspondence between the difference (Tout-Tin) of each temperature Tout and Tin at the outlet and the inlet of the cooling water and the rotation speed N of the pump 42 is registered.

次にＥＣＵ１は、飽和水蒸気量の目標値に基づいて回転数マップデータから回転数Ｎを取得する（ステップＳｔ２３）。このとき、ＥＣＵ１は、例えば、図４に示される飽和水蒸気圧曲線から、飽和水蒸気圧の目標値に応じた温度Ｔｏｕｔを取得し、温度Ｔｏｕｔと入口温度センサ５２の温度Ｔｉｎの差分（Ｔｏｕｔ－Ｔｉｎ）を算出する。そして、ＥＣＵ１は、差分（Ｔｏｕｔ－Ｔｉｎ）に対応する回転数Ｎを取得する。次にＥＣＵ１は、取得した回転数Ｎとなるようにポンプ４２を制御する（ステップＳｔ２４）。 Next, the ECU 1 acquires the rotation speed N from the rotation speed map data based on the target value of the saturated water vapor amount (step St23). At this time, the ECU 1 acquires, for example, the temperature Tout corresponding to the target value of the saturated water vapor pressure from the saturated water vapor pressure curve shown in FIG. 4, and the difference between the temperature Tout and the temperature Tin of the inlet temperature sensor 52 (Tout-Tin). ) Is calculated. Then, the ECU 1 acquires the rotation speed N corresponding to the difference (Tout-Tin). Next, the ECU 1 controls the pump 42 so that the acquired rotation speed is N (step St24).

より具体的には、ＥＣＵ１は、回転数Ｎを減少させることにより冷却水の流量を減少させて冷却水の出口の温度Ｔｏｕｔを上昇させる。冷却水の出口の温度Ｔｏｕｔが上昇すると、燃料電池スタック２内の熱伝導により酸化剤ガスの出口の温度も上昇する。これにより、酸化剤ガスの出口における飽和水蒸気量が増加して目標値に到達し、水分比Ｒが小さくなるため、式（１）の条件が満たされる。 More specifically, the ECU 1 reduces the flow rate of the cooling water by reducing the rotation speed N and raises the temperature Tout at the outlet of the cooling water. When the temperature Tout at the outlet of the cooling water rises, the temperature at the outlet of the oxidant gas also rises due to heat conduction in the fuel cell stack 2. As a result, the amount of saturated water vapor at the outlet of the oxidant gas increases to reach the target value, and the water ratio R decreases, so that the condition of the formula (1) is satisfied.

なお、冷却水の出口と酸化剤ガスの出口は、熱伝導が容易となるように互いに近い位置に設けられるのが好ましい。また、式（１）の条件が満たされることにより反応熱が減少するため、その減少による昇温の抑制の効果は、燃料電池スタック２全体で見れば、酸化剤ガスの出口の温度の上昇分を上回る。 It is preferable that the outlet of the cooling water and the outlet of the oxidant gas are provided close to each other so as to facilitate heat conduction. Further, since the heat of reaction decreases when the condition of the formula (1) is satisfied, the effect of suppressing the temperature rise due to the decrease is the amount of increase in the temperature of the outlet of the oxidant gas when viewed from the fuel cell stack 2 as a whole. Exceeds.

このように、ＥＣＵ１は、水分比Ｒが１以下となるように飽和水蒸気量の目標値を決定し、飽和水蒸気量が目標値に近づくように冷却水の流量を制御する。このため、燃料電池スタック２の発電で生ずる生成水が全て水蒸気となるため、反応熱が減少することにより燃料電池スタック２の昇温が抑制される。 In this way, the ECU 1 determines the target value of the saturated water vapor amount so that the water ratio R is 1 or less, and controls the flow rate of the cooling water so that the saturated water vapor amount approaches the target value. Therefore, all the water generated by the power generation of the fuel cell stack 2 becomes steam, and the heat of reaction is reduced, so that the temperature rise of the fuel cell stack 2 is suppressed.

上述した実施形態は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。 The embodiments described above are examples of preferred embodiments of the present invention. However, the present invention is not limited to this, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.

１ＥＣＵ（制御装置）
２燃料電池スタック（燃料電池）
３２加湿装置
３４冷却装置
４０加湿バルブ
４１バイパスバルブ４１
1 ECU (control unit)
2 Fuel cell stack (fuel cell)
32 Humidifier 34 Cooling device 40 Humidifying valve 41 Bypass valve 41

Claims

Fuel cells that generate electricity from oxidant gas and
A humidifier that humidifies the fuel cell by adding water vapor to the oxidant gas, and
A sensor that measures the temperature of the fuel cell and
When the temperature is equal to or higher than the threshold value, the humidifying device is used so that the ratio of the saturated water vapor amount in the fuel cell to the sum of the water content generated by the power generation of the fuel cell and the water vapor amount is 1 or less. A fuel cell system comprising a control device for controlling the amount of water vapor added to the oxidant gas.

Fuel cells that generate electricity from oxidant gas and
A humidifier that humidifies the fuel cell by adding water vapor to the oxidant gas, and
A cooling device that supplies a cooling medium for cooling the fuel cell to the fuel cell,
A sensor that measures the temperature of the fuel cell and
When the temperature is equal to or higher than the threshold value, the ratio of the saturated water vapor amount in the fuel cell to the sum of the water content generated by the power generation of the fuel cell and the water vapor amount added to the oxidizing agent gas by the humidifying device is 1. A fuel cell system comprising a control device for determining a target value of the saturated water vapor amount as follows and controlling the flow rate of the cooling medium so that the saturated water vapor amount approaches the target value.