JP2008047368A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料電池車両に適用した場合のように燃料電池の出力が過渡的に変化する運転状態において、電解質膜の乾燥湿潤状態を迅速且つ正確に判定して、それに応じた適切な動作制御を実施できるようにする。
【解決手段】燃料電池スタック1の少なくとも1つの単位セル上のガスの流れ方向に沿った少なくとも2つの部位に局所電流センサ26a,26bを接続する。そして、燃料電池積層体22からの出力を過渡的に増加させた際に、これら局所電流センサ26a,26bを用いて燃料電池積層体22の局所的な電流密度を計測し、その局所的な電流密度の変化挙動から電解質膜の乾燥湿潤状態を判定して、判定結果に応じた動作制御を実施する。
【選択図】図2In an operating state where the output of a fuel cell changes transiently as in a fuel cell vehicle, the dry and wet state of an electrolyte membrane is quickly and accurately determined, and appropriate operation control is performed accordingly. Be able to implement.
Local current sensors (26a, 26b) are connected to at least two portions along a gas flow direction on at least one unit cell of a fuel cell stack (1). Then, when the output from the fuel cell stack 22 is transiently increased, the local current density of the fuel cell stack 22 is measured using these local current sensors 26a and 26b, and the local current is measured. The dry and wet state of the electrolyte membrane is determined from the density change behavior, and operation control is performed according to the determination result.
[Selection] Figure 2
Description
本発明は、複数の単位セルを積層してなる燃料電池積層体によって発電を行う燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system that generates power using a fuel cell stack formed by stacking a plurality of unit cells.
複数の単位セルを積層してなる燃料電池積層体(燃料電池スタック)を自動車用動力源として利用する場合、燃料電池システムの容積を低減させる目的で、固体高分子電解質膜の加湿系を簡略化することが一般的に行なわれる。燃料電池システムの加湿能力は、設計運転点においては固体高分子電解質膜が加湿不足にならないように設計されているが、設計運転点を超える運転条件、例えば、設計運転温度よりも高い温度に達する場合などには、固体高分子電解質膜の加湿不足が起こりうる。そして、加湿不足が起こると、固体高分子電解質膜が乾燥し、乾燥が過度に進行する場合は膜の穴あきに繋がるという問題がある。 When a fuel cell stack (fuel cell stack) consisting of multiple unit cells is used as a power source for automobiles, the humidification system of the solid polymer electrolyte membrane is simplified for the purpose of reducing the volume of the fuel cell system It is generally done. The humidification capacity of the fuel cell system is designed so that the solid polymer electrolyte membrane does not become insufficiently humidified at the design operating point, but reaches an operating condition exceeding the designed operating point, for example, a temperature higher than the designed operating temperature. In some cases, the polymer electrolyte membrane may be insufficiently humidified. And when humidification insufficiency occurs, there exists a problem that a solid polymer electrolyte membrane will dry, and when drying advances excessively, it will lead to the perforation of a membrane.
一方、自動車を運転し始めた直後など、燃料電池スタックの運転温度が低い場合、単位セル面内のカソードガス流路またはアノードガス流路から持ち出せる水分量が少ないため、カソードガス流路やアノードガス流路では水つまりの発生確率が高くなる。また、十分に運転温度が高い場合であっても、燃料電池スタックから取り出す負荷(出力)が高ければ、その分、燃料電池スタックで生成される水量が増加するため、固体高分子電解質膜が湿潤過剰の状態となり、カソードガス流路やアノードガス流路に水つまりが起こりやすくなる。そして、カソードガス流路やアノードガス流路に水つまりが発生すると、燃料電池スタックの発電効率が低下するという問題がある。 On the other hand, when the operating temperature of the fuel cell stack is low, such as immediately after starting to drive an automobile, the amount of water that can be taken out from the cathode gas passage or anode gas passage in the unit cell surface is small, so the cathode gas passage and anode gas The probability of occurrence of water clogging in the channel increases. Even when the operating temperature is sufficiently high, if the load (output) extracted from the fuel cell stack is high, the amount of water generated in the fuel cell stack increases accordingly, so that the solid polymer electrolyte membrane is wetted. It becomes an excessive state and water clogging is likely to occur in the cathode gas passage and the anode gas passage. When water is clogged in the cathode gas passage and the anode gas passage, there is a problem that the power generation efficiency of the fuel cell stack is lowered.
そこで、このような過度の乾燥による電解質膜の穴あきや、水つまりによる発電性能の低下を防止するため、従来より、例えば、燃料電池スタックの運転温度があらかじめ定められた温度に達すると、燃料電池スタックから取り出す出力に制限を設けたり、燃料電池スタック内部の乾燥湿潤度合いを判定して、常に適正湿潤状態が保たれるような制御を行うといった対策がとられている。 Therefore, in order to prevent the perforation of the electrolyte membrane due to such excessive drying and the decrease in power generation performance due to water clogging, for example, when the operating temperature of the fuel cell stack reaches a predetermined temperature, Measures are taken such as limiting the output to be taken out from the battery stack, or determining the degree of dryness and wetness inside the fuel cell stack, and performing control so that the proper wet state is always maintained.
また、燃料電池スタック内部の電解質膜の乾燥湿潤状態を判定する方法はこれまで多数開示されており、例えば以下に示す文献がある。特許文献1には、単位セルの電圧の経時変化を見てセル電圧がある閾値未満であり、振動が所定の範囲未満であれば電解質膜が乾燥していると判定する方法が開示されている。また、特許文献2には、特定部位の局所的な電流値で電解質膜の乾燥を判定する方法が開示されている。
特許文献1の発明では、セル電圧の振動現象を利用して乾燥を判定しているが、この方法で電解質膜の乾燥湿潤状態を精度良く判定するには、燃料電池スタックの出力が所定値以上であって且つ一定出力状態が継続していることが求められる。ところが、燃料電池車両における燃料電池の使い方を考えると、ある出力以上で一定出力でいるような条件は、例えば連続する上り坂をある速度で上り続けるときや、最高速度で連続的に走行するような条件などの、限定された走行条件でしか現れない。このため、車両での使い方を考慮した場合、この方法では精度のよい乾燥湿潤状態の判定は困難であり、実際にはセル電圧がある閾値未満であったら乾燥と判定することになり、本来は湿潤過剰と判断して水つまり回避の制御を行うべき場合にも乾燥と誤って判断して乾燥回避の制御を行ってしまう可能性がある。
In the invention of
また、特許文献2の発明では、局所的な電流密度の大小で乾燥を判定しているが、この判定方法が有効なのは、電流密度の高い状態すなわち高出力を取り出している状態となっている場合である。このため、先の特許文献1の発明と同様に、燃料電池車両での使い方を考えると、この方法が有効な走行条件は限定されてしまうことになる。
In the invention of
また、これら特許文献1,2で開示される従来例を燃料電池車両に適用した場合、過度な乾燥を避けるためにはそれぞれの閾値にある安全率を加えて運用することが必要となる。その結果、運転可能な温度範囲などを本来の実力よりも狭い範囲とせざるを得なくなり、過度の出力制限により燃料電池システムの利用効率が低下してしまうという問題も生じる。
Further, when the conventional examples disclosed in
また、燃料電池の出力を過渡的に増加、減少させるような運用の頻度が高い車両においては、過渡的に出力が変化している際に乾燥湿潤を判定でき、特に乾燥と判断した場合には過渡運用の中で乾燥状態を回避できるような方法が取れることが望ましい。 In addition, in vehicles with a high frequency of operation that transiently increases or decreases the output of the fuel cell, it is possible to determine dry and wet when the output changes transiently, especially when it is determined to be dry It is desirable to be able to take a method that can avoid dry conditions during transient operation.
本発明は、以上のような従来の実情に鑑みて創案されたものであって、燃料電池車両に適用した場合のように燃料電池の出力が過渡的に変化する運転状態において、電解質膜の乾燥湿潤状態を迅速且つ正確に判定して、それに応じた適切な動作制御を実施することが可能な燃料電池システムを提供することを目的としている。 The present invention was devised in view of the above-described conventional situation, and the electrolyte membrane is dried in an operating state in which the output of the fuel cell changes transiently as applied to a fuel cell vehicle. An object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of quickly and accurately determining a wet state and performing appropriate operation control according to the wet state.
本発明は、燃料電池積層体を構成する単位セルのガスの流れ方向に沿った少なくとも2つの部位に局所電流計測手段を接続し、燃料電池積層体からの出力を増加させた際にこれらの局所電流計測手段で計測される各部位ごとの局所的な電流密度の変化に応じて電解質膜の乾燥湿潤状態を判定し、その判定結果に応じてシステム動作を制御することにより、上述した課題を解決する。 In the present invention, local current measuring means is connected to at least two portions along the gas flow direction of the unit cell constituting the fuel cell stack, and when the output from the fuel cell stack is increased, these local Solving the above-mentioned problems by determining the dry and wet state of the electrolyte membrane according to the local current density change for each part measured by the current measuring means, and controlling the system operation according to the determination result To do.
本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池の出力が過渡的に変化する運転状態において、電解質膜の乾燥湿潤状態を迅速且つ正確に判定して、それに応じた適切な動作制御を実施することができる。 According to the fuel cell system of the present invention, in an operation state in which the output of the fuel cell changes transiently, the dry and wet state of the electrolyte membrane is quickly and accurately determined, and appropriate operation control is performed accordingly. be able to.
以下、本発明を適用した燃料電池システムの具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, specific embodiments of a fuel cell system to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings.
まず、燃料電池システム全体の概略構成について、図1を用いて簡単に説明する。燃料電池システムは、発電を行う燃料電池スタック1と、燃料電池スタック1に燃料ガスとしての水素ガスを供給する水素供給系と、燃料電池スタック1に酸化剤ガスとしての空気を供給する空気供給系とを主要な構成要素として備える。
First, a schematic configuration of the entire fuel cell system will be briefly described with reference to FIG. The fuel cell system includes a
燃料電池スタック1としては、例えば、電解質に固体高分子膜を用いた固体高分子型燃料電池が用いられる。固体高分子電解質膜は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン(プロトン)伝導性の高分子膜からなるものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する性質を持つ。固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜の両面に電極触媒層を形成した膜電極構造体を一対のセパレータで挟持してなる発電セルを1単位とし、この単位セルが多段に積層されたスタック構造を有する。そして、各単位セルのアノード電極側に水素供給系からの水素ガス、カソード電極側に空気供給系からの空気がそれぞれ供給されることで、各単位セルのアノード、カソード間での電極反応により電力が発電される。なお、各単位セルの電極触媒層には、例えば、白金微粒子などの触媒をカーボンブラックなどの触媒担体で担持したものが用いられる。
As the
水素供給系は、例えば、高圧の水素ガスを貯蔵する高圧水素タンク2を備え、この高圧水素タンク2から取り出した水素ガスを減圧弁や水素調圧弁で所望の圧力に調整した上で、燃料電池スタック1のアノード電極側に供給する構成となっている。なお、水素供給系の構成は以上の例に限定されるものではなく、この種の燃料電池システムにおいて従来公知の構成が何れも採用可能である。
The hydrogen supply system includes, for example, a high-
また、空気供給系は、例えば、外気を吸入し、圧縮して吐出するエアコンプレッサ3を備え、このエアコンプレッサ3で圧縮した空気を、加湿装置4などにより十分に加湿した上で、燃料電池スタック1のカソード電極側に供給する構成となっている。なお、この空気供給系の構成についても以上の例に限定されるものではなく、この種の燃料電池システムにおいて従来公知の構成が何れも採用可能である。また、燃料電池車両に電源として搭載される燃料電池システムにおいては、以上の水素供給系や空気供給系のほか、燃料電池スタック1を適正な動作温度に保つための冷却系なども適宜設けられるが、これら冷却系などの構成も、この種の燃料電池システムにおいて従来公知の構成が何れも採用可能である。
The air supply system includes, for example, an
以上の構成を有する燃料電池システムにおいて、システム内の各部の動作はコントロールユニット10によって統括的に制御される。すなわち、コントロールユニット10は、システム内に設けられた各種センサ(圧力センサや流量センサ、温度センサ、電圧センサ、電流センサなど)の検出値をモニタリングしてシステムの動作状況を把握するとともに、車両の運転状況などに応じて燃料電池システムに要求される発電量を把握し、燃料電池スタック1から要求発電量に見合う出力が得られるように、水素供給系の動作や空気供給系の動作などを統括的に制御する。また、特に本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池スタック1の出力が過渡的に変化する運転状態において燃料電池スタック1の固体高分子電解質膜の乾燥湿潤状態を判定し、その判定結果に応じて、固体高分子電解質膜の過乾燥を防止したり水つまりを防止したりするための各種制御を実行するが、この乾燥湿潤状態の判定や判定結果に応じた動作制御もコントロールユニット10によって実施される。
In the fuel cell system having the above-described configuration, the operation of each part in the system is comprehensively controlled by the
次に、本実施形態の燃料電池システムで用いられる燃料電池スタック1の具体的な構成例について、図2を用いて説明する。本実施形態の燃料電池システムで用いられる燃料電池スタック1は、図2(a)に示すように、電解質膜、カソード電極及びアノード電極を有する単位セル21a,21b,・・・が複数積層された燃料電池積層体22の両端面に集電板23a,23bを接続し、これらを締付構造体24a,24bで締め付け保持する構造となっている。
Next, a specific configuration example of the
集電板23a,23bは、燃料電池積層体22により発電される電流を集電する機能を有する。本実施形態の燃料電池システムで用いられる燃料電池スタック1では、燃料電池積層体22の局所的な電流密度を計測できるようにするために、この集電板23a,23bのうちの一方を、絶縁物25a,25bを用いて複数の部位に分割している。具体的には、例えば図2(a)及び図2(b)に示すように、一方の集電板23aの単位セル上の酸化剤ガスの流れ方向に沿った両端部、すなわち、酸化剤ガスである空気がカソード電極へ流入する位置であるカソード電極入口の近傍の部位と、酸化剤ガスである空気がカソード電極から流出する位置であるカソード電極出口の近傍の部位とを、絶縁物25a,25bにより電気的に分割している。これら集電板23aの各部位にはそれぞれバスバー27が接続されており、これら各部位に接続されたバスバー27を1つにまとめることで、集電板23a全体で集電された電流が取り出される。そして、1つにまとめられたバスバー27にはスタック電流センサ28が接続されて、このスタック電流センサ28により燃料電池積層体22が発電する電流全体が測定される。また、絶縁物25a,25bにより電気的に分割された集電板23aのカソード電極入口近傍の部位とカソード電極出口近傍の部位には局所電流センサ26a,26bがそれぞれ接続され、これら局所電流センサ26a,26bによって、分割された各部位から取り出される局所電流が測定される。そして、予め把握されている各部位の面積から、分割された各部位の電流密度、すなわち燃料電池積層体22の局所的な電流密度が計測される。
The
このように、本実施形態の燃料電池システムで用いられる燃料電池スタック1では、燃料電池積層体22により発電される電流を集電する集電板23aのカソード電極入口の近傍の部位とカソード電極出口近傍の部位とを絶縁物25a,25bにより電気的に分割し、これら分割された2つの部位の局所電流を局所電流センサ26a,26bで測定することで、比較的簡単な構成で燃料電池積層体22の局所的な電流密度を計測できるようにしているが、本発明はこれに限定されるものではなく、1つ以上の単位セル上のガスの流れ方向に沿ったかたちで、電流が流れる部分を単位セル面内で複数の部位に分けて、単位セル面内の特定の部位を流れる局所的な電流密度を局所電流センサ26a,26bを用いて計測すればよい。また、集電板23aの代わりに燃料電池積層体22の逆側の端面に接続されたもう一方の集電板23bを用いて、同様な構成で局所的な電流を備えるようにしても構わない。勿論、3つ以上の部位で局所的な電流密度を求めるようにしてもよい。
As described above, in the
また、図2(a)及び図2(b)では、いわゆる直線もしくはそれに準じたセル内の流路形状をとる場合などの構成例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば図3(a)及び図3(b)に示すように、いわゆるサーペンタイン形状もしくはそれに準じたセル内の流路形状をとる場合にも適用できる。この場合も、集電板23aのカソード電極入口近傍の部位及びカソード電極出口近傍の部位を絶縁物25a,25bなどを用いて電気的に分割する。そして、これら分割された各部位から取り出される局所電流を局所電流センサ26a,26bで測定し、各部位の面積から局所的な電流密度を求める。これにより、比較的簡単な構成で燃料電池積層体22の局所的な電流密度を計測することが可能となる。
In addition, in FIGS. 2A and 2B, a configuration example in the case of taking a so-called straight line or a flow path shape in the cell according to the so-called straight line is shown, but the present invention is not limited to this. For example, as shown in FIG. 3 (a) and FIG. 3 (b), the present invention can also be applied to a case where a so-called serpentine shape or a flow path shape in a cell according to the shape is adopted. Also in this case, the part near the cathode electrode inlet and the part near the cathode electrode outlet of the
本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池積層体22からの出力を過渡的に増加させた際に、燃料電池積層体22を構成する各単セルの電解質膜の乾燥湿潤状態に応じて、燃料電池積層体22の局所的な電流密度の変化に特徴が現われることに着目し、燃料電池積層体22からの出力を過渡的に増加させた際の局所的な電流密度の変化から、電解質膜の乾燥湿潤状態を判定するようにしている。ここで、燃料電池積層体22の出力を過渡的に増加させた場合における、局所的な電流密度の変化の様子を図4及び図5を参照して説明する。なお、図4及び図5において、[1],[2],[3]及び[4]は、燃料電池積層体22の出力が変化し始めてからの経過時間の順番を示す。
In the fuel cell system according to the present embodiment, when the output from the
まず、図4(a)及び図4(b)を参照して、電解質膜が乾燥状態にある時の過渡時の局所電流の典型的挙動を説明する。電解質膜が乾燥状態にある時、燃料電池スタック1のガス流れ方向に沿って異なる部位ごとに局所電流密度の増加率に違いが出る。具体的には、電解質膜が乾燥状態にある時、燃料電池積層体22の出力が過渡的に増加すると、[1]〜[4]にかけてスタック電流が増加し、カソード電極出口近傍の局所電流及びカソード電極入口近傍の局所電流も、スタック電流の増加に対応して増加する。しかし、カソード電極出口近傍の局所電流及びカソード電極入口近傍の局所電流の増加率を比較すると、カソード電極出口に比べて、カソード電極入口の方が、電流の増加率が低くなる、つまり、電流が増加しにくくなる。
First, with reference to FIG. 4A and FIG. 4B, a typical behavior of the local current at the time of transition when the electrolyte membrane is in a dry state will be described. When the electrolyte membrane is in a dry state, the rate of increase in local current density differs at different sites along the gas flow direction of the
次に、図5(a)及び図5(b)を参照して、電解質膜が湿潤過剰状態にある時(フラッディング時)における過渡時の局所電流の典型的挙動を説明する。電解質膜が湿潤過剰状態にある時も、燃料電池スタック2のガス流れ方向に沿って異なる部位ごとに局所電流密度の増加率に違いが出る。具体的には、湿潤過剰状態にある時、燃料電池積層体22の出力が過渡的に増加すると、[1]〜[4]にかけてスタック電流が増加し、カソード電極出口近傍の局所電流及びカソード電極入口近傍の局所電流も、スタック電流の増加に対応して増加する。しかし、カソード電極出口近傍の局所電流及びカソード電極入口近傍の局所電流の増加率を比較すると、カソード電極入口に比べて、カソード電極出口の方が、電流の増加率が低くなる、つまり、電流が増加しにくくなる。
Next, with reference to FIG. 5A and FIG. 5B, a typical behavior of the local current at the time of transient when the electrolyte membrane is in an excessively wet state (during flooding) will be described. Even when the electrolyte membrane is in an excessively wet state, the rate of increase in the local current density differs at different sites along the gas flow direction of the
このように、乾燥時にはカソード出口側の局所電流密度が比較的早く増加し、カソード入口側の局所電流密度増加が遅い。その逆にフラッディング時にはカソード入口側の局所電流密度が比較的早く増加し、カソード出口側の局所電流密度増加が遅い。このような特徴を利用すると、燃料電池スタック2の出力を低負荷状態から高負荷状態まで過渡的に増加させた場合に、スタック電流が増加をはじめてから所定時間までの、カソード入口近傍部とカソード出口近傍部の少なくとも2箇所の局所電流密度の増加速度を比較することにより、従来の方法に比べてより早い段階で正確に電解質膜の乾燥湿潤状態を判定することが可能となる。また、過渡的に電流を増加させたときの比較的初期の段階(例えば、[2]の段階)で判定可能であるため、その後の過渡動作継続中、つまり、[2]〜[4]の段階の間に、過渡電流の増加速度に制限を加えることで電圧低下を回避するなどの回避手段を取ることも可能である。更に、電流増加速度に制限を加え、負荷変化速度を遅くすることで、電解質膜内部の水移動を利用して含水率の高い部位から低い部位へと水移動させるために必要な時間を確保でき、乾燥による電圧低下の程度を緩和させることができる。
Thus, during drying, the local current density on the cathode outlet side increases relatively quickly, and the local current density on the cathode inlet side increases slowly. In contrast, during flooding, the local current density on the cathode inlet side increases relatively quickly, and the local current density on the cathode outlet side increases slowly. By utilizing such a feature, when the output of the
次に、図6を参照して、電解質膜が乾燥状態にある場合に、燃料電池スタック1から取り出す電流を過渡的に増加させた時の電解質膜31中の含水率変化のメカニズムを説明する。先に述べた図4(a)及び図4(b)のような現象は、電解質膜31中の含水率の経時変化によって説明が可能である。以下に、電解質膜31中のそれぞれの部位での過渡時の含水率変化の特徴を説明する。
Next, with reference to FIG. 6, the mechanism of the moisture content change in the
まず、図6の部位[A]の含水率の変化について説明する。部位[A]は、カソード電極入口近傍部である。電解質膜31が乾燥状態である場合、部位[A]の含水率は低い。出力電流を増加させると、部位[A]の含水率が低いため、部位[A]の電流は増加しにくい。なぜなら、外部からの持込水分が含水率を上昇させるために必要だからである。所定時間が経過して、部位[A]の含水率が上昇してくると、Drug水がアノード電極から移動してきて含水率が増加する。
First, the change of the moisture content of the site | part [A] of FIG. 6 is demonstrated. Part [A] is the vicinity of the cathode electrode entrance. When the
次に、図6の部位[B]の含水率の変化について説明する。部位[B]は、カソード電極出口近傍部である。電解質膜31が乾燥状態である場合、部位[B]の含水率は低い。出力電流を増加させると、空気上流側(部位[A]側)で生成した水が運ばれてくるため、空気により加湿される分が部位[A]に比べて多い。よって、早い段階で含水率が上昇し、その結果、部位[B]の電流も増加しやすい。
Next, the change of the moisture content of the site | part [B] of FIG. 6 is demonstrated. Part [B] is the vicinity of the cathode electrode outlet. When the
次に、図6の部位[C]の含水率の変化について説明する。部位[C]は、アノード電極出口近傍部である。電解質膜31が乾燥状態である場合、部位[C]の含水率は低い。出力電流を増加させると、部位[A]の含水率が低いため、電流が増加しにくい。それでも流れた電流分だけはDrug水として部位[A]から部位[C]へ水が移動するので、含水率がさらに下がる。水の逆拡散は水分濃度差がドライビングフォースであるため、逆拡散による含水率上昇が起こるまでに時間遅れがある。このため、電流が増加しにくい状態となる。
Next, the change in the moisture content of the part [C] in FIG. 6 will be described. Part [C] is the vicinity of the anode electrode outlet. When the
次に、図6の部位[D]の含水率の変化について説明する。部位[D]は、アノード電極入口近傍部である。電解質膜31が乾燥状態では部位[D]の含水率は低い。出力電流を増加させると、部位[B]側の含水率が上がりやすいので、水の逆拡散による含水率の上昇も起こりやすい。このため、早い段階で含水率が上昇し、その結果電流も増加しやすくなる。
Next, the change of the moisture content of the site | part [D] of FIG. 6 is demonstrated. Part [D] is the vicinity of the anode electrode entrance. When the
このように、カソード電極入口近傍部及びカソード電極出口近傍部は、過渡時の電流密度変化に乾燥及び湿潤の特徴が最も出やすい箇所である。なお、ここでは、メカニズム解説のための一例として、いわゆるアノードガスとカソードガスとが対向する流れ方向となるカウンターフローの場合を示したが、他の流れ方向を選択した場合にも、流し方に応じて特徴的に乾燥しやすい箇所と湿潤しやすい箇所とが生じる場合、同様のメカニズムおよびそのときの電流密度変化挙動を利用することが可能である。 As described above, the vicinity of the cathode electrode inlet and the vicinity of the cathode electrode outlet are places where the characteristics of drying and wetting are most likely to appear in the current density change during the transition. In addition, here, as an example for explaining the mechanism, the case of the counter flow in which the so-called anode gas and the cathode gas are opposed to each other is shown. However, even when another flow direction is selected, the flow is not changed. Accordingly, in the case where there are characteristically easy-to-dry parts and easy-to-wet parts, it is possible to use the same mechanism and the current density change behavior at that time.
ここで、本実施形態の燃料電池システムにおいて、コントロールユニット10が過渡応答時の局所電流変化を利用して電解質膜の乾燥湿潤状態を判定し、その判定結果に応じた動作制御を行う一連の処理の流れを、図7のフローチャートを参照して説明する。
Here, in the fuel cell system of the present embodiment, a series of processing in which the
図7のフローがスタートすると、コントロールユニット10は、まずステップS1において、スタック電流センサ28により測定されるスタック電流の電流密度の増加率が、所定値A0以上であるか否かを判定する。そして、スタック電流密度の増加率が所定値A0以上の場合にステップS2に進み、本発明に特徴的な電解質膜の乾燥湿潤状態の判定を実施する。ここで所定値A0は、ある一定値に予め設定しておくようにしてもよいし、スタック温度や圧力などのスタック運転パラメータを考慮した関数形態をとるようにしてもよい。
When the flow of FIG. 7 starts, the
次に、コントロールユニット10は、ステップS2において、局所電流センサ26bにより測定されるカソード電極出口近傍部における局所電流の電流密度の増加率が、閾値A1以上であるか否かを判定する。そして、カソード電極出口近傍部における局所的な電流密度の増加率が閾値A1以上であればステップS3に進み、閾値A1未満であればステップS5に進む。ここで、閾値A1は、ある一定値に予め設定しておくようにしてもよいし、スタック電流密度増加率の関数であってもよい。また、スタック電流密度の増加率だけでなくスタック温度や圧力などのスタック運転パラメータも考慮した関数形態をとるようにしてもよい。また、閾値A1として2つの値(閾値A1−1、閾値A1−2)を用意して、カソード電極出口近傍部における局所的な電流密度の増加率が閾値A1−1以上の場合はステップS3へ進み、閾値A1−2未満の場合はステップS5へ進み、閾値A1−2以上A1−1未満の場合はステップS1に戻るようにしても構わない。このとき、閾値A1−1と閾値A1−2との関係はA1−1>A1−2となる。このように閾値A1として2つの値を用意する場合も、それぞれの閾値は、一定値、スタック電流密度増加率の関数、電流密度増加率だけでなくスタック温度や圧力などのスタック運転パラメータも考慮した関数のいずれの形態であってもよい。
Next, in step S2, the
ステップS2でYESの判定となりステップS3に進んだ場合、コントロールユニット10は、ステップS3において、局所電流センサ26aにより測定されるカソード電極入口近傍部における局所電流の電流密度の増加率が、閾値A2以下であるか否かを判定する。そして、このステップS3の判定がYESの場合、つまりカソード電極出口近傍部における局所的な電流密度の増加率が閾値A1以上であり、且つ、カソード電極入口近傍部における局所電流の電流密度の増加率が閾値A2以下の場合にはステップS4に進み、ステップS4において、電解質膜31が乾燥状態にあると判断する。一方、ステップS3の判定がNOの場合、つまりカソード電極入口近傍部における局所電流の電流密度の増加率が閾値A2以上である場合には、ステップS1に戻る。ここで、閾値A2は、先の閾値A1と同様に、ある一定値に予め設定しておくようにしてもよいし、スタック電流密度増加率の関数であってもよい。また、スタック電流密度の増加率だけでなくスタック温度や圧力などのスタック運転パラメータも考慮した関数形態をとるようにしてもよい。
If the determination in step S2 is YES and the process proceeds to step S3, the
ステップS4において電解質膜31が乾燥状態にあると判断した場合、コントロールユニット10は、その後、電解質膜31の乾燥状態が進行して過乾燥状態となることを回避するための各種動作制御を実施する。この過乾燥回避のための動作制御の一例としては、例えば、スタック電流の増加率の上限を閾値A4以下に設定することが挙げられる。そのほかにも、燃料電池スタック1の制御温度(温度制御目標値)を下げる、ガス流量制御目標値を低下させて目標SR(ストイキ比)を下げる、燃料電池積層体22の出力自体に制限を加えるなど、過乾燥状態を回避するために一般的に知られている動作制御を行うことも可能である。なお、スタック電流の増加率を制限するための閾値A4は、ある一定値に予め設定しておくようにしてもよいし、スタック温度や圧力などのスタック運転パラメータを考慮した関数形態をとるようにしてもよい。
When it is determined in step S4 that the
ステップS2でNOの判定となりステップS5に進んだ場合、コントロールユニット10は、ステップS5において、局所電流センサ26aにより測定されるカソード電極入口近傍部における局所電流の電流密度の増加率が、閾値A3以上であるか否かを判定する。そして、このステップS5の判定がYESの場合、つまりカソード電極出口近傍部における局所的な電流密度の増加率が閾値A1未満であり、且つ、カソード電極入口近傍部における局所電流の電流密度の増加率が閾値A3以上の場合にはステップS6に進み、ステップS6において、電解質膜31が湿潤過剰(フラッディング)状態にあると判断する。一方、ステップS5の判定がNOの場合、つまりカソード電極入口近傍部における局所電流の電流密度の増加率が閾値A3未満である場合には、ステップS1に戻る。ここで、閾値A3は、先の閾値A1と同様に、ある一定値に予め設定しておくようにしてもよいし、スタック電流密度増加率の関数であってもよい。また、スタック電流密度の増加率だけでなくスタック温度や圧力などのスタック運転パラメータも考慮した関数形態をとるようにしてもよい。また、先に述べた閾値A2と閾値A3との関係は、A3>A2となる。
When the determination in step S2 is NO and the process proceeds to step S5, the
ステップS6において電解質膜31がフラッディング状態にあると判断した場合、コントロールユニット10は、その後、フラッディングを解消してガス流路の水つまりを回避するための各種動作制御を実施する。このフラッディング解消のための動作制御としては、例えば、燃料電池スタック1の制御温度(温度制御目標値)を上げる、或いは、ガス流量制御目標値を上昇させて目標SR(ストイキ比)を増やすなど、フラッディングを解消するために一般的に知られている動作制御を行うことが可能である。
When it is determined in step S6 that the
なお、局部電流の電流密度増加率の判定順序としては、以上の例以外にも、カソード電極入口近傍部における電流密度の増加率をカソード電極出口近傍部における電流密度の増加率よりも先に判定する場合、或いはカソード電極入口近傍部とカソード電極出口近傍部とで電流密度の増加率を同時に判定する場合など、種々の組み合わせが考えられる。図7のフローでは、そのうちの一例としてカソード電極出口近傍部における電流密度の増加率を先に判定する場合を示しているが、判定順序の組み合わせについては図7の例に限定されるものではなく、実施可能な順序すべてが採用可能である。 In addition to the above examples, the current density increase rate in the vicinity of the cathode electrode entrance is determined before the current density increase rate in the vicinity of the cathode electrode exit. Various combinations are conceivable, such as when determining the rate of increase in current density at the cathode electrode inlet vicinity and the cathode electrode outlet vicinity at the same time. In the flow of FIG. 7, as an example, the case where the increase rate of the current density in the vicinity of the cathode electrode outlet is determined first is shown, but the combination of the determination order is not limited to the example of FIG. 7. Any feasible order can be employed.
以上、本実施形態の燃料電池システムについて具体的な例を挙げながら説明したが、この燃料電池システムでは、本発明に特徴的な構成及びコントロールユニット10による処理により、以下のような作用効果が得られる。
The fuel cell system according to the present embodiment has been described above with specific examples. However, in this fuel cell system, the following functions and effects are obtained by the characteristic configuration of the present invention and the processing by the
すなわち、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池スタック1の少なくとも1つの単位セル上の酸化剤ガスの流れ方向に沿った少なくとも2つの部位に局所電流センサ26a,26bを接続して、コントロールユニット10が、燃料電池スタック1の燃料電池積層体22からの出力を過渡的に増加させた際にこれらの局所電流センサ26a,26bを用いて計測された各部位ごとの局所的な電流密度の挙動から、電解質膜31の乾燥湿潤状態を判定するようにしている。これにより、燃料電池システムを車両の駆動源として使用するなど、高い頻度で出力を過渡的に増減するような条件で使用する場合であっても、電解質膜31の乾燥湿潤状態を迅速且つ正確に判定して、それに応じた適切な動作制御を実施することができる。
That is, in the fuel cell system of the present embodiment, the local
また、本実施形態の燃料電池システムでは、局所電流センサ26a,26bを、過渡時の電流変化が特徴的に出やすい部位の代表箇所であるカソード電極入口近傍の部位とカソード電極出口近傍の部位にそれぞれ接続し、これら各部位での電流変化挙動を測定するようにしているので、電解質膜31の乾燥湿潤状態を極めて正確に判定することができる。
Further, in the fuel cell system of the present embodiment, the local
また、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池積層体22により発電される電流を集電する機能を持つ集電板23aを絶縁物25a,25bにより複数の部位に電気的に分割し、これら集電板23aの電気的に分割された部位に局所電流センサ26a,26bを各々接続して、各部位に集電される電流を計測するようにしているので、比較的簡易な方法で、燃料電池積層体22の局所的な電流密度を正確に測定することが可能である。
Further, in the fuel cell system of the present embodiment, the
また、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池積層体22が発電する電流が所定値以上の増加率で増加し、カソード電極出口近傍部位に接続された局所電流センサ26bを用いて計測される電流密度が増加し、且つ、カソード電極入口近傍部位に接続された局所電流センサ26aを用いて計測される電流密度の増加率が、燃料電池積層体22が発電する電流の増加率に対して所定割合以下である場合に、コントロールユニット10が電解質膜31が乾燥状態にあると判断するようにしているので、電解質膜31が乾燥状態にあることを迅速且つ正確に判断することができる。すなわち、燃料電池スタック1の各単位セルの膜電極構造体(MEA)には、電流を取り出す際に、抵抗が最も小さい部位から電流が増加するという性質がある。この抵抗は電解質膜31内の乾燥湿潤状態により大きく変わり、湿潤な場所ほど小さく、乾燥している場所ほど大きくなる。このMEAの性質により、最も乾燥しやすい部位で過渡時に局所電流密度の増加が遅くなり、最も乾燥しにくい部位では電流密度の増加が早くなる。本実施形態の燃料電池システムでは、コントロールユニット10がこのようなMEAの特性を利用して、過渡時の局所電流変化をもとに乾燥判断を行なうようにしているので、従来の判定より正確で、しかも早いタイミングで乾燥を判断することが可能となり、結果として乾燥状態でいる時間帯を短縮でき、実際の運転状態での性能向上を図ることが可能となる。
In the fuel cell system of the present embodiment, the current generated by the
また、本実施形態の燃料電池システムでは、コントロールユニット10が、電解質膜31が乾燥状態にあると判断した場合に、燃料電池積層体22が発電する電流の増加率に所定の制限を設けることにより、電解質膜31の乾燥状態が進行して過乾燥状態となり電解質膜31にダメージを与える不都合を防止することができる。電解質膜31の乾燥部位を湿潤させるためには、電解質膜31内の逆拡散を増やす必要があるが、逆拡散の駆動源は水分濃度差であり、濃度差がついてから実際に濃度差を緩和するまでには時間遅れが生じる。ここで、本実施形態の燃料電池システムでは、上記のMEAの性質を利用して過渡時の最初の段階で乾燥判定を行なうことができるので、その後の負荷の変化速度を遅くし、逆拡散を利用した湿潤を促すことができ、乾燥状態から電解質膜31を回復させることが可能となる。
Further, in the fuel cell system of the present embodiment, when the
また、本実施形態の燃料電池システムでは、コントロールユニット10が、電解質膜31が乾燥状態にあると判断した場合に、燃料電池積層体22の温度制御目標値を低下させることにより、ガスが燃料電池スタック1から水分を外部へ持ち出す量を減らすことができ、発電による生成水を燃料電池スタック1外部へ持ち出す量を減らすことができる。その結果、電解質膜31の含水量を増やすことができ、電解質膜31が過乾燥状態となることを回避できる。
Further, in the fuel cell system of the present embodiment, when the
また、本実施形態の燃料電池システムでは、コントロールユニット10が、電解質膜31が乾燥状態にあると判断した場合に、ガス流量制御目標値を低下させて目標ストイキ比を下げることにより、ガスが燃料電池スタック1から水分を外部へ持ち出す量を減らすことができ、発電による生成水を燃料電池スタック1外部へ持ち出す量を減らすことができる。その結果、電解質膜31の含水量を増やすことができ、電解質膜31が過乾燥状態となることを回避できる。
Further, in the fuel cell system of the present embodiment, when the
また、本実施形態の燃料電池システムでは、コントロールユニット10が、電解質膜31が乾燥状態にあると判断した場合に、燃料電池積層体22が発電する最大出力値の制限値を低下させることにより、電解質膜31内でのプロトン移動にともなう水移動量を減らし、最も乾燥しやすいアノード電極出口近傍の電解質膜31の含水量の減少を抑えることができる。その後、電解質膜31全体の含水量が上昇すると逆拡散等によりアノード電極出口近傍の含水量も増加することで過乾燥状態を回避できる。
Further, in the fuel cell system of the present embodiment, when the
また、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池積層体22が発電する電流が所定値以上の増加率で増加し、カソード電極入口近傍部位に接続された局所電流センサ26aを用いて計測される電流密度が増加し、且つ、カソード電極出口近傍部位に接続された局所電流センサ26bを用いて計測される電流密度の増加率が、燃料電池積層体22が発電する電流の増加率に対して所定割合以下である場合に、コントロールユニット10が電解質膜31が湿潤過剰(フラッディング)状態にあると判断するようにしているので、電解質膜31がフラッディング状態にあることを迅速且つ正確に判断することができる。すなわち、電解質膜31が十分に湿潤している場合、電流を取り出して生成水量が増えたとき、カソード電極出口側でフラッディングが生じやすい。フラッディングが生じると、電池反応に必要なガスが触媒部まで届きにくくなり、局所的な電流密度が増加しにくくなる。その跳ね返りとしてカソード電極入口側で局所電流密度が増加しやすくなる。本実施形態の燃料電池システムでは、コントロールユニット10がこのような性質を利用して、過渡時の局所電流変化をもとに電解質膜31の湿潤判断を行なうようにしているので、フラッディングの発生を精度良く判定することができる。
In the fuel cell system of the present embodiment, the current generated by the
また、本実施形態の燃料電池システムでは、コントロールユニット10が、電解質膜31がフラッディング状態にあると判断した場合に、ガス流量制御目標値を上昇させて目標ストイキ比を上げることにより、ガスが燃料電池スタック1から水分を外部へ持ち出す量を増やすことができ、余剰な水分を外部へ持ち出すことが可能となり、電解質膜31の余剰水分を排除できるので、フラッディングを解消することができる。
Further, in the fuel cell system according to the present embodiment, when the
また、本実施形態の燃料電池システムでは、コントロールユニット10が、電解質膜31がフラッディング状態にあると判断した場合に、燃料電池積層体22の温度制御目標値を上昇させることにより、ガスが燃料電池スタック1から水分を外部へ持ち出す量を増やすことができ、余剰水を燃料電池スタック1外部へ持ち出す量自体を増やすことができる。その結果、電解質膜31の余剰水分を排除できるので、フラッディングを解消することができる。
Further, in the fuel cell system according to the present embodiment, when the
なお、以上の実施形態は本発明の一適用例を例示したものであり、本発明の技術的範囲は、以上の実施形態の説明で開示した内容に限定されるものではなく、これらの開示から容易に導き得る様々な代替技術も含まれることは勿論である。 Note that the above embodiment exemplifies an application example of the present invention, and the technical scope of the present invention is not limited to the contents disclosed in the description of the above embodiment, and from these disclosures. Of course, various alternative techniques that can be easily derived are also included.
1 燃料電池スタック
10 コントロールユニット
21a,21b,・・・ 単位セル
22 燃料電池積層体
23a,23b 集電板
25a,25b 絶縁部
26a,26b 局所電流センサ
28 スタック電流センサ
DESCRIPTION OF
Claims (12)
少なくとも1つの単位セル上のガスの流れ方向に沿った少なくとも2つの部位に各々接続され、前記燃料電池積層体の局所的な電流密度を計測する局所電流計測手段と、
前記燃料電池積層体からの出力を増加させた際に前記局所電流計測手段で計測される各部位ごとの局所的な電流密度の変化に応じて前記電解質膜の乾燥湿潤状態を判定し、前記電解質膜の乾燥湿潤状態の判定結果に応じてシステム動作を制御する制御手段とを備えることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell system for generating power by a fuel cell laminate comprising a plurality of unit cells each having an electrolyte membrane, a cathode electrode and an anode electrode,
Local current measuring means connected to each of at least two sites along the gas flow direction on at least one unit cell and measuring a local current density of the fuel cell stack;
Determining the dry and wet state of the electrolyte membrane according to a change in local current density for each part measured by the local current measuring means when the output from the fuel cell stack is increased, and the electrolyte A fuel cell system comprising: control means for controlling system operation in accordance with a determination result of a dry and wet state of the membrane.
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