JP2008103257A

JP2008103257A - Fuel cell system

Info

Publication number: JP2008103257A
Application number: JP2006286352A
Authority: JP
Inventors: Itsushin So; 一新曽
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Aisin Corp
Priority date: 2006-10-20
Filing date: 2006-10-20
Publication date: 2008-05-01

Abstract

【課題】燃料電池に不具合等を引き起こすことなく、燃料電池内の水分量を適正にする。
【解決手段】電圧センサ１６ａ，１６ｂ，１６ｃと、燃料電池１０の出力電流Ｉを制御するインバータ１８と、を備え、電圧センサ１６ａ，１６ｂ，１６ｃで検知される各電圧とインバータ１８により制御される出力電流Ｉとにおいて、いずれか一方の変化量に対する他方の変化量、又は、いずれか一方に対する他方の位相差、に基づいて、燃料電池１０の掃気処理を制御する。
【選択図】図１The amount of water in a fuel cell is made appropriate without causing problems or the like in the fuel cell.
A voltage sensor (16a, 16b, 16c) and an inverter (18) for controlling an output current (I) of a fuel cell (10) are provided, and each voltage detected by the voltage sensor (16a, 16b, 16c) is controlled by the inverter (18). The scavenging process of the fuel cell 10 is controlled based on the other change amount with respect to any one change amount or the other phase difference with respect to any one of the output currents I.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、燃料電池内の水分量を適正にすることが可能な燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system capable of optimizing the amount of water in a fuel cell.

燃料電池を搭載した電気自動車やハイブリッド自動車が開発されている。一般的に燃料電池セルは、電解質膜と、燃料極（アノード極）と、空気極（カソード極）と、外部回路とを有する。アノード極に水素ガス等の燃料ガスを供給し、カソード極に空気等の酸化性ガスを供給することによって発電が行われる。アノード極側では、水素イオンと電子とにする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中を通りカソード極側に移動し、電子は外部回路を通じてカソード極に到達する。カソード極側では、水素イオン、電子及び酸素ガスが反応して水を生成する反応が行われる。このような反応によって電気エネルギーが発生する。 Electric vehicles and hybrid vehicles equipped with fuel cells have been developed. Generally, a fuel cell includes an electrolyte membrane, a fuel electrode (anode electrode), an air electrode (cathode electrode), and an external circuit. Power generation is performed by supplying a fuel gas such as hydrogen gas to the anode electrode and an oxidizing gas such as air to the cathode electrode. On the anode electrode side, a reaction for converting hydrogen ions and electrons is performed, the hydrogen ions move through the electrolyte membrane to the cathode electrode side, and the electrons reach the cathode electrode through an external circuit. On the cathode electrode side, a reaction in which hydrogen ions, electrons, and oxygen gas react to generate water is performed. Such a reaction generates electrical energy.

このように水素と酸素との化学反応を利用して発電を行う固体高分子形燃料電池では、燃料電池内の水分量を適正な範囲に維持することが必要である。水分量が不足すると、電解質膜の作用が抑えられ、電池の出力が低下する。一方、電解質膜の水分量が過剰になると、電極に水分が付着してガスの透過が阻害され、電池の出力が低下する。 Thus, in a polymer electrolyte fuel cell that generates power using a chemical reaction between hydrogen and oxygen, it is necessary to maintain the water content in the fuel cell within an appropriate range. When the amount of water is insufficient, the action of the electrolyte membrane is suppressed, and the output of the battery is reduced. On the other hand, when the amount of water in the electrolyte membrane becomes excessive, water adheres to the electrodes and gas permeation is hindered, resulting in a decrease in battery output.

また、燃料電池の運転終了時に燃料電池内部に過剰な水分が残留している場合、低温環境下では残留した水分が凍結することがある。このように水分が凍結した場合、燃料電池を再起動する際に、凍結した水分によって燃料ガスや酸素含有ガスの流れが妨げられたり、電解質膜へのガスの供給が阻害されたりする。その結果、燃料電池が再起動できなくなるおそれがある。 Further, when excessive moisture remains in the fuel cell at the end of the operation of the fuel cell, the remaining moisture may freeze in a low temperature environment. When moisture is frozen in this way, when the fuel cell is restarted, the flow of fuel gas or oxygen-containing gas is hindered by the frozen moisture, or supply of gas to the electrolyte membrane is hindered. As a result, the fuel cell may not be restarted.

そこで、特許文献１のように、燃料電池を停止させる際に燃料電池内に残留する水分を掃気する技術が開示されている。また、この文献には、セルモニタにより燃料電池を構成する複数のセルの各出力電圧を検出し、その各出力電圧に基づいて各セルの湿潤状態を間接的に求め、その湿潤状態に応じて掃気処理を制御する技術が開示されている。 Therefore, as in Patent Document 1, a technique for scavenging moisture remaining in the fuel cell when the fuel cell is stopped is disclosed. Further, in this document, each output voltage of a plurality of cells constituting a fuel cell is detected by a cell monitor, and a wet state of each cell is indirectly determined based on each output voltage, and scavenging is performed according to the wet state. Techniques for controlling processing are disclosed.

特開２００２−２０８４２１号公報JP 2002-208421 A

ところで、燃料電池を停止させた後にスタックに乾燥空気を送って水分を排除する際に、燃料電池の電解質膜の温度が低いと、電解質膜に付着している水分を除去しきれない場合がある。このとき、パージ空気の露点のみで燃料電池内に残留する水分量を把握することができなくなる。 By the way, when the moisture is removed by sending dry air to the stack after stopping the fuel cell, if the temperature of the electrolyte membrane of the fuel cell is low, the moisture adhering to the electrolyte membrane may not be completely removed. . At this time, it becomes impossible to grasp the amount of water remaining in the fuel cell only by the dew point of the purge air.

また、燃料電池の運転時よりも少ない流量で非加湿の空気を供給することによって燃料電池内の水分を除去しようとした場合、電解質膜の上流部は乾燥状態、電解質膜の下流部は高加湿状態となるおそれがある。すなわち、セル面内に水分量の偏りを生じ、その結果、発電状態まで偏りを生ずる原因となるおそれがある。また、かえって、セル面内に局在的な水詰まりを引き起こす可能性もある。 In addition, when trying to remove moisture in the fuel cell by supplying non-humidified air at a lower flow rate than when operating the fuel cell, the upstream part of the electrolyte membrane is in a dry state and the downstream part of the electrolyte membrane is highly humidified. There is a risk of a situation. That is, there is a possibility that the moisture amount is uneven in the cell surface, and as a result, the unevenness is caused to the power generation state. On the contrary, there is a possibility of causing local water clogging in the cell surface.

また、セル電圧の絶対値によって水分量を評価する方法では、セル面内に局在的な水分の分布を生じた場合に燃料電池内に残留する水分量を正確に把握することができなくなるおそれがある。したがって、残留水分量を評価しつつ、水分のパージ処理を制御することが困難となるおそれがある。 In addition, in the method of evaluating the moisture content based on the absolute value of the cell voltage, it is difficult to accurately grasp the moisture content remaining in the fuel cell when a localized moisture distribution occurs in the cell surface. There is. Therefore, it may be difficult to control the moisture purge process while evaluating the residual moisture content.

また、燃料極に空気を送って水分を除去する方法では、燃料極付近に空気の残留を引き起こし、燃料電池を再起動する際に燃料極近傍に燃料ガスと空気との混在状態をつくりだす。このような燃料ガスと空気との混在状態は、燃料極及び空気極の触媒の劣化を早めてしまう原因となり得る。 Also, in the method of removing moisture by sending air to the fuel electrode, air remains in the vicinity of the fuel electrode, and when the fuel cell is restarted, a mixed state of fuel gas and air is created in the vicinity of the fuel electrode. Such a mixed state of the fuel gas and the air can cause deterioration of the catalyst of the fuel electrode and the air electrode.

本発明は、上記課題を鑑み、上記課題の少なくとも１つを解決すべく、燃料電池内の水分量を適正に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する。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of optimizing the amount of water in the fuel cell in order to solve at least one of the above problems.

燃料ガスと酸素含有ガスとの供給を受けて発電する燃料電池セルが複数積層された燃料電池積層体を含む燃料電池システムであって、燃料電池積層体のうち一部のセルの電流と、当該セルの電圧との両方に基づいて、掃気を制御することを特徴とする。 A fuel cell system including a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells that generate power by receiving supply of a fuel gas and an oxygen-containing gas are stacked, and a current of a part of the cells in the fuel cell stack, The scavenging is controlled based on both the cell voltage and the cell voltage.

ここで、「一部のセルの電流と電圧の関係」には、燃料電池積層体の端部またはその近傍の一以上のセルの電流と電圧の関係の他、燃料電池セル積層体を複数の組に分け、それぞれの組ごとの電流と電圧との関係が含まれる。さらに「一部のセルの電流と電圧との関係」には、燃料電池積層体の全てのセルに関し、セルごとの電流と電圧の関係も含まれる。つまり、燃料電池積層体の全体の総電流と総電圧との関係ではなく、その一部のセルまたはセル群の電流と電圧の関係が所定の条件に達した場合に、それをトリガとして掃気の制御を変更する構成であればいかなる構成であっても良い。ここでいう掃気の制御とは、例えば、掃気の終了や、掃気中の温度、ガス流量などの種々の掃気の条件の変更である。 Here, “the relationship between the current and voltage of some cells” includes a relationship between the current and voltage of one or more cells at or near the end of the fuel cell stack, and a plurality of fuel cell stacks. Divided into sets, the relationship between current and voltage for each set is included. Furthermore, “the relationship between the current and voltage of some cells” includes the relationship between the current and voltage for each cell for all cells of the fuel cell stack. In other words, instead of the relationship between the total current and the total voltage of the entire fuel cell stack, when the relationship between the current and voltage of some of the cells or cell groups reaches a predetermined condition, it is used as a trigger for scavenging. Any configuration may be used as long as the control is changed. The control of scavenging here is, for example, the end of scavenging, or changes in various scavenging conditions such as the temperature during scavenging and the gas flow rate.

さらに、前記電流と前記電圧のうち一方に対する他方の変化量または位相差に基づき、掃気を終了する燃料電池システムとすることができる。一部のセルの電流および電圧のうち、一方が周期的に変化する場合、一方と他方の位相ずれや、一方が変化する場合における電流と電圧との比に基づいて、当該セルの電気抵抗を求め、その電気抵抗から当該セルの電解質膜の湿潤状態を推定することも可能である。 Further, the scavenging can be completed based on the change amount or phase difference of the other of the current and the voltage with respect to the other. When one of the currents and voltages of some cells changes periodically, the electrical resistance of the cell is determined based on the phase shift between one and the other and the ratio of the current and voltage when one changes. It is also possible to estimate the wet state of the electrolyte membrane of the cell from the electrical resistance.

また、具体的な例として、燃料ガスと酸素含有ガスとを供給することによって発電するセル、を複数積層させた燃料電池を含む燃料電池システムであって、前記燃料電池の一方の端部セルを第１端部セルとし、他方の端部セルを第２端部セルとした場合に、前記第１端部セル又は前記第１端部セルを含む部分セルスタックの出力電圧を検知する第１電圧センサと、前記第２端部セル又は前記第２端部セルを含む部分セルスタックの出力電圧を検知する第２電圧センサと、前記燃料電池の前記第１端部セル及び前記第２端部セルではない中央部セル、又は、前記中央部セルを含む部分セルスタックの出力電圧を検知する第３電圧センサと、前記燃料電池の出力電流を制御する出力制御部と、前記第１電圧センサ、前記第２電圧センサ及び前記第３電圧センサで検知される各電圧と、前記出力制御部により制御される出力電流と、において、いずれか一方の変化量に対する他方の変化量、又は、いずれか一方に対する他方の位相差、に基づいて、前記燃料電池の掃気処理を制御する制御部と、を備えることを特徴とする。 Further, as a specific example, a fuel cell system including a fuel cell in which a plurality of cells that generate power by supplying a fuel gas and an oxygen-containing gas are stacked, and one end cell of the fuel cell is The first voltage for detecting the output voltage of the first end cell or the partial cell stack including the first end cell when the first end cell is the second end cell and the other end cell is the second end cell. A sensor, a second voltage sensor for detecting an output voltage of the second end cell or a partial cell stack including the second end cell, and the first end cell and the second end cell of the fuel cell. Is not a central cell, or a third voltage sensor that detects an output voltage of a partial cell stack including the central cell, an output control unit that controls an output current of the fuel cell, the first voltage sensor, A second voltage sensor and said second In each voltage detected by the voltage sensor and the output current controlled by the output control unit, based on the other change amount with respect to any one change amount, or the other phase difference with respect to either one And a controller for controlling the scavenging process of the fuel cell.

また、前記いずれか一方の変化量に対する他方の変化量、又は、いずれか一方に対する他方の位相差が所定の条件を満たすまで掃気を行うことが好適である。 Further, it is preferable to perform scavenging until the other change amount with respect to one of the change amounts or the other phase difference with respect to either one satisfies a predetermined condition.

また、前記掃気処理の際に、前記燃料電池へ供給される酸素含有ガスの利用率を２０％以下とすることが好適である。また、前記掃気処理の際に、前記燃料電池へ供給される酸素含有ガスの加湿量を、相対湿度が５％以上３０％以下となるようにすることが好適である。 In the scavenging process, it is preferable that the utilization rate of the oxygen-containing gas supplied to the fuel cell is 20% or less. In addition, it is preferable that the humidification amount of the oxygen-containing gas supplied to the fuel cell during the scavenging process is such that the relative humidity is 5% or more and 30% or less.

また、前記出力電流を前記燃料電池のセル面積に対する電流密度が０．１Ａ／ｃｍ²以下としつつ掃気処理を行うことが好適である。また、前記燃料電池に接続される負荷を定抵抗負荷に切り替えて掃気処理を行ってもよい。 Further, it is preferable to perform the scavenging process while setting the output current to a current density of 0.1 A / cm ² or less with respect to the cell area of the fuel cell. Further, the scavenging process may be performed by switching the load connected to the fuel cell to a constant resistance load.

より具体的には、前記制御部は、前記第１電圧センサ、前記第２電圧センサ及び前記第３電圧センサで検知される各電圧と、前記出力制御部により制御される出力電流と、に基づいて、前記第１端部セル又は前記第１端部セルを含む部分セルスタックの内部抵抗値ｒａと、前記第２端部セル又は前記第２端部セルを含む部分セルスタックの内部抵抗ｒｂと、前記燃料電池の前記第１端部セル及び前記第２端部セルではない中央部セル、又は、前記中央部セルを含む部分セルスタックの内部抵抗ｒｃと、を求め、前記内部抵抗ｒｃが前記内部抵抗ｒａ及び前記内部抵抗ｒｂ以上であり、かつ、前記内部抵抗ｒａ及び前記内部抵抗ｒｂが所定の基準抵抗値Ｒ以上となるまで掃気処理を行うことが好適である。 More specifically, the control unit is based on each voltage detected by the first voltage sensor, the second voltage sensor, and the third voltage sensor, and an output current controlled by the output control unit. And the internal resistance value ra of the partial cell stack including the first end cell or the first end cell, and the internal resistance rb of the partial cell stack including the second end cell or the second end cell, A central cell that is not the first end cell and the second end cell of the fuel cell, or an internal resistance rc of a partial cell stack including the central cell, and the internal resistance rc It is preferable that the scavenging process is performed until the internal resistance ra and the internal resistance rb are equal to or higher than the internal resistance ra and the internal resistance rb is equal to or higher than a predetermined reference resistance value R.

例えば、前記出力電流に微少交流電流を重畳させた際の前記第１電圧センサ、前記第２電圧センサ及び前記第３電圧センサで検知される各電圧の変化に基づいて、前記内部抵抗ｒａ、前記内部抵抗ｒｂ及び前記内部抵抗ｒｃを求める。 For example, based on a change in each voltage detected by the first voltage sensor, the second voltage sensor, and the third voltage sensor when a minute alternating current is superimposed on the output current, the internal resistance ra, The internal resistance rb and the internal resistance rc are obtained.

また、例えば、前記出力電流を瞬断させた際の前記第１電圧センサ、前記第２電圧センサ及び前記第３電圧センサで検知される各電圧の変化に基づいて、前記内部抵抗ｒａ、前記内部抵抗ｒｂ及び前記内部抵抗ｒｃを求める。 Further, for example, based on the change of each voltage detected by the first voltage sensor, the second voltage sensor, and the third voltage sensor when the output current is momentarily interrupted, the internal resistance ra, the internal resistance The resistance rb and the internal resistance rc are obtained.

本発明に係る燃料電池システムでは、燃料電池に不具合等を引き起こすことなく、燃料電池内の水分量を適正にすることが可能である。 In the fuel cell system according to the present invention, it is possible to make the amount of water in the fuel cell appropriate without causing problems or the like in the fuel cell.

［第１の実施の形態］
本発明の実施の形態における燃料電池システムは、図１に示すように、燃料電池（燃料電池セルスタック）１０、燃料ガス供給装置１２、酸化剤供給装置１４、セル電圧センサ１６（１６ａ，１６ｂ，１６ｂ）、インバータ１８及び制御部１９を含んで構成される。本実施の形態における燃料電池システムは、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等の車両に搭載される。また、定置型としても用いることができる。 [First Embodiment]
As shown in FIG. 1, the fuel cell system according to the embodiment of the present invention includes a fuel cell (fuel cell stack) 10, a fuel gas supply device 12, an oxidant supply device 14, and cell voltage sensors 16 (16a, 16b, 16b), including an inverter 18 and a control unit 19. The fuel cell system in the present embodiment is mounted on a vehicle such as an electric vehicle or a hybrid vehicle. It can also be used as a stationary type.

燃料電池１０は、それぞれが発電の単位となる複数の単セルが積層されて構成される。各セルは、電解質と、電解質を両側から挟む燃料極(アノード)及び空気極(カソード)と、燃料極及び空気極を挟む燃料極側セパレータ及び空気極側セパレータを含んで構成される。燃料極は、拡散層と触媒層とを有する。燃料極には、水素ガス等の燃料ガスが燃料供給装置１２により供給される。燃料極に供給された燃料ガスは、拡散層で拡散され触媒層に到達する。触媒層では、酸化反応により水素がプロトン(水素イオン)と電子とに分離される。水素イオンは電解質を通って空気極に移動し、電子は外部回路を通って空気極に移動する。 The fuel cell 10 is configured by laminating a plurality of single cells each serving as a unit of power generation. Each cell includes an electrolyte, a fuel electrode (anode) and an air electrode (cathode) that sandwich the electrolyte from both sides, and a fuel electrode-side separator and an air electrode-side separator that sandwich the fuel electrode and the air electrode. The fuel electrode has a diffusion layer and a catalyst layer. A fuel gas such as hydrogen gas is supplied to the fuel electrode by the fuel supply device 12. The fuel gas supplied to the fuel electrode is diffused in the diffusion layer and reaches the catalyst layer. In the catalyst layer, hydrogen is separated into protons (hydrogen ions) and electrons by an oxidation reaction. Hydrogen ions move through the electrolyte to the air electrode, and electrons move through the external circuit to the air electrode.

空気極は、拡散層と触媒層とを有する。空気極には、空気等の酸化剤ガスが酸化剤供給装置（図示しない）により供給される。空気極に供給された酸化剤ガスは、拡散層で拡散され触媒層に到達する。触媒層では、酸化剤ガスと、電解質を通って空気極に到達した水素イオンと、外部回路を通って空気極に到達した電子とによる還元反応が生ずる。これにより水が生成される。 The air electrode has a diffusion layer and a catalyst layer. An oxidant gas such as air is supplied to the air electrode by an oxidant supply device (not shown). The oxidant gas supplied to the air electrode is diffused in the diffusion layer and reaches the catalyst layer. In the catalyst layer, a reduction reaction is caused by the oxidant gas, hydrogen ions that have reached the air electrode through the electrolyte, and electrons that have reached the air electrode through the external circuit. This produces water.

また、燃料極における酸化反応と空気極における還元反応の際に、外部回路を通る電子が燃料電池１０のセルスタックの両端子間に接続される負荷に対する電力として取り出される。 Further, during the oxidation reaction at the fuel electrode and the reduction reaction at the air electrode, electrons passing through the external circuit are taken out as electric power for a load connected between both terminals of the cell stack of the fuel cell 10.

燃料ガス供給装置１２は、水素タンク１２ａ、コンプレッサ１２ｂ、流量調整バルブ１２ｃ等を含んで構成される。燃料ガス供給装置１２は、燃料電池１０を構成する各セルの燃料極に水素ガスを供給する。 The fuel gas supply device 12 includes a hydrogen tank 12a, a compressor 12b, a flow rate adjusting valve 12c, and the like. The fuel gas supply device 12 supplies hydrogen gas to the fuel electrode of each cell constituting the fuel cell 10.

酸化剤供給装置１４は、コンプレッサ２０、空気三方弁２２、温度センサ２４、加湿器２６及び加湿制御弁２８を含んで構成される。コンプレッサ２０の出口は配管Ａへ接続される。配管Ａには、空気三方弁２２の入口ａに接続される。空気三方弁２２の第１の出口ｂは、配管Ｂを介して、加湿器２６の吸湿側の入口に接続される。加湿器２６の吸湿側の出口は、配管Ｃを介して、燃料電池１０の空気供給口に接続される。また、配管Ｃの途中には、燃料電池１０へ流入する空気の温度を検知して、制御部１９へ出力する温度センサ２４が設けられる。空気三方弁２２の第２の出口ｃは、配管Ｄを介して、加湿器２６の吸湿側の出口の配管Ｃに接続される。 The oxidant supply device 14 includes a compressor 20, an air three-way valve 22, a temperature sensor 24, a humidifier 26, and a humidification control valve 28. The outlet of the compressor 20 is connected to the pipe A. The pipe A is connected to the inlet a of the air three-way valve 22. A first outlet b of the air three-way valve 22 is connected to a moisture absorption side inlet of the humidifier 26 via a pipe B. The outlet on the moisture absorption side of the humidifier 26 is connected to the air supply port of the fuel cell 10 via the pipe C. A temperature sensor 24 that detects the temperature of the air flowing into the fuel cell 10 and outputs it to the control unit 19 is provided in the middle of the pipe C. A second outlet c of the air three-way valve 22 is connected via a pipe D to a pipe C at the outlet on the moisture absorption side of the humidifier 26.

燃料電池１０の空気排出口には、配管Ｅを介して、加湿器２６の排湿側の入口に接続される。加湿器２６の排湿側の出口は配管Ｆに接続され、加湿器２６から空気が外気へ排出される。また、配管Ｅの中間部には、加湿制御弁２８の入口が接続される。加湿制御弁２８の出口は、配管Ｇを介して、配管Ｆに接続される。 The air discharge port of the fuel cell 10 is connected to the inlet on the exhaust side of the humidifier 26 via the pipe E. The outlet on the humidification side of the humidifier 26 is connected to the pipe F, and air is discharged from the humidifier 26 to the outside air. Further, an inlet of the humidification control valve 28 is connected to an intermediate portion of the pipe E. The outlet of the humidification control valve 28 is connected to the pipe F through the pipe G.

入口ａと第１の出口ｂが接続されるように空気三方弁２２が切り替えられている場合、コンプレッサ２０により空気を圧縮して配管Ａへ供給すると、圧縮空気は加湿器２６を通じて燃料電池１０へ供給される。入口ａと第２の出口ｃが接続されるように空気三方弁２２が切り替えられている場合、圧縮空気は加湿器２６を介さずに、燃料電池１０へ供給される。 When the air three-way valve 22 is switched so that the inlet a and the first outlet b are connected, when the air is compressed by the compressor 20 and supplied to the pipe A, the compressed air is supplied to the fuel cell 10 through the humidifier 26. Supplied. When the air three-way valve 22 is switched so that the inlet a and the second outlet c are connected, the compressed air is supplied to the fuel cell 10 without passing through the humidifier 26.

加湿制御弁２８が閉じている場合には、燃料電池１０から排出された空気は加湿器２６を介して、外気へ排出される。一方、加湿制御弁２８が開いている場合には、燃料電池１０から排出された空気は加湿器２６を介さずに、外気へ排出される。 When the humidification control valve 28 is closed, the air discharged from the fuel cell 10 is discharged to the outside air via the humidifier 26. On the other hand, when the humidification control valve 28 is open, the air discharged from the fuel cell 10 is discharged to the outside air without passing through the humidifier 26.

加湿器２６の吸湿側と排湿側との両方に空気が流れている場合、燃料電池１０で加湿された空気が排湿側を流れ、排湿側を流れる空気から吸湿側を流れる空気へ水分が移る。これにより、燃料電池１０へ供給される空気が加湿される。一方、加湿器２６の吸湿側に空気が流れ、排湿側には空気が流れていない場合、又は、加湿器２６の吸湿側に空気が流れておらず、排湿側には空気が流れている場合には燃料電池１０へ供給される空気は加湿されない。 When air flows on both the moisture absorption side and the moisture removal side of the humidifier 26, the air humidified by the fuel cell 10 flows on the moisture removal side, and moisture flows from the air flowing on the moisture removal side to the air flowing on the moisture absorption side. Move. Thereby, the air supplied to the fuel cell 10 is humidified. On the other hand, when air flows on the moisture absorption side of the humidifier 26 and air does not flow on the moisture removal side, or air does not flow on the moisture absorption side of the humidifier 26 and air flows on the moisture removal side. If it is, the air supplied to the fuel cell 10 is not humidified.

セル電圧センサ１６ａ，１６ｂ，１６ｃは、燃料電池１０に含まれる所定のセル（あるいはセルスタック１０の一部のセル群である部分セルスタック）の電圧を検知して制御部１９へ出力する。セル電圧センサ１６ａは、燃料電池１０の空気供給口に近い側の端部セル（又は、その端部セルを含む部分セルスタック）に配設される。セル電圧センサ１６ａは、空気供給口に近い側の端部セル（又は、その端部セルを含む部分セルスタック）の出力電圧を検知して制御部１９へ出力する。セル電圧センサ１６ｂは、燃料電池１０の空気供給口に遠い側の端部セル（又は、その端部セルを含む部分セルスタック）に配設される。セル電圧センサ１６ｂは、空気供給口に遠い側の端部セル（又は、その端部セルを含む部分セルスタック）の出力電圧を検知して制御部１９へ出力する。セル電圧センサ１６ｃは、燃料電池１０の中央部付近のセル（又は、そのセルを含む部分セルスタック）に配設される。すなわち、セル電圧センサ１６ａ及び１６ｂの電圧検知対象となるセル（又は部分セルスタック）に挟まれた部分のセル（又は、そのセルを含む部分セルスタック）に配設される。セル電圧センサ１６ｃは、燃料電池１０の中央部付近のセル（又は、そのセルを含む部分セルスタック）の出力電圧を検知して制御部１９へ出力する。以下では、本実施の形態では、セル電圧センサ１６ａ，１６ｂ，１６ｃは単一のセルの電圧を検出するように設けられているものとして説明するが、複数のセルを含む部分セルスタックの電圧を検出するようにしても同様の作用を得ることができる。 The cell voltage sensors 16 a, 16 b and 16 c detect the voltage of a predetermined cell (or a partial cell stack which is a partial cell group of the cell stack 10) included in the fuel cell 10 and output it to the control unit 19. The cell voltage sensor 16 a is disposed in an end cell (or a partial cell stack including the end cell) on the side close to the air supply port of the fuel cell 10. The cell voltage sensor 16a detects the output voltage of the end cell on the side close to the air supply port (or the partial cell stack including the end cell) and outputs it to the control unit 19. The cell voltage sensor 16b is disposed in an end cell far from the air supply port of the fuel cell 10 (or a partial cell stack including the end cell). The cell voltage sensor 16 b detects the output voltage of the end cell far from the air supply port (or the partial cell stack including the end cell) and outputs it to the control unit 19. The cell voltage sensor 16c is disposed in a cell near the center of the fuel cell 10 (or a partial cell stack including the cell). That is, the cell voltage sensors 16a and 16b are arranged in a cell (or a partial cell stack including the cell) sandwiched between cells (or partial cell stacks) that are voltage detection targets. The cell voltage sensor 16 c detects an output voltage of a cell near the center of the fuel cell 10 (or a partial cell stack including the cell) and outputs the output voltage to the control unit 19. Hereinafter, in the present embodiment, the cell voltage sensors 16a, 16b, and 16c are described as being provided to detect the voltage of a single cell. However, the voltage of a partial cell stack including a plurality of cells is described. Even if it detects, the same effect | action can be acquired.

インバータ１８は、制御部１９からの出力制御信号を受けて、燃料電池１０から負荷へ出力される電流値を制御することによって電力を調整する。インバータ１８は、既存のインバータ回路を含んで構成することができる。 The inverter 18 receives the output control signal from the control unit 19 and adjusts the electric power by controlling the current value output from the fuel cell 10 to the load. The inverter 18 can be configured to include an existing inverter circuit.

制御部（電子コントロールユニット：ＥＣＵ）１９は、ＣＰＵ及びその周辺回路を含んで構成され、セル電圧センサ１６ａ，１６ｂ，１６ｃ、温度センサ２４からの検出値等を受けて、燃料ガス供給装置１２、コンプレッサ２０、空気三方弁２２、加湿制御弁２８及びインバータ１８等を制御する。これにより、制御部１９は、燃料電池システムを統合的に制御する。 The control unit (electronic control unit: ECU) 19 includes a CPU and its peripheral circuits, receives the detection values from the cell voltage sensors 16a, 16b, and 16c, the temperature sensor 24, and the like, The compressor 20, the air three-way valve 22, the humidification control valve 28, the inverter 18 and the like are controlled. Thereby, the control unit 19 controls the fuel cell system in an integrated manner.

燃料電池１０の定常運転時は、制御部１９は、車両のアクセル（図示しない）等から信号を受けて、必要出力電力に応じてコンプレッサ１２ｂ及びコンプレッサ２０の回転数を制御すると共に、インバータ１８によって出力電力及び出力電流を制御することによって車両に設けられたモータを駆動させる。このとき、必要に応じて、空気三方弁２２や加湿制御弁２８の開度を調整することによって、燃料電池１０へ供給される空気の湿度を調整し、燃料電池１０内の水分量を適切に保持する。 During steady operation of the fuel cell 10, the control unit 19 receives a signal from an accelerator (not shown) of the vehicle and controls the rotation speeds of the compressor 12 b and the compressor 20 according to the required output power, and also by the inverter 18. A motor provided in the vehicle is driven by controlling output power and output current. At this time, the humidity of the air supplied to the fuel cell 10 is adjusted by adjusting the opening degree of the air three-way valve 22 and the humidification control valve 28 as necessary, and the amount of water in the fuel cell 10 is appropriately adjusted. Hold.

次に、燃料電池１０を停止する際の制御について説明する。図２に、本実施の形態に係る燃料電池１０の停止時の制御のフローチャートを示す。フローチャートの各ステップは、制御部１９による燃料電池システムの各部の制御によって実現される。制御部１９は、燃料電池システムの停止制御信号を受けるとステップＳ１０からの処理を開始する。 Next, control when stopping the fuel cell 10 will be described. FIG. 2 shows a flowchart of control when the fuel cell 10 according to the present embodiment is stopped. Each step of the flowchart is realized by control of each part of the fuel cell system by the control unit 19. The control part 19 will start the process from step S10, if the stop control signal of a fuel cell system is received.

ステップＳ１０では、燃料電池１０から出力されている電流Ｉが所定の最低電流値Ｉｍｉｎよりも大きいか否かが判定される。制御部１９は、電流Ｉが最低電流値Ｉｍｉｎより大きい場合にはステップＳ１２へ処理を移行させ、そうでない場合にはステップＳ１６へ処理を移行させる。ここで、最低電流値Ｉｍｉｎは、燃料電池１０のセル面積に対する電流密度が０．１Ａ／ｃｍ²以下となるように設定することが好適である。 In step S10, it is determined whether or not the current I output from the fuel cell 10 is greater than a predetermined minimum current value Imin. If the current I is greater than the minimum current value Imin, the control unit 19 shifts the process to step S12, and otherwise shifts the process to step S16. Here, the minimum current value Imin is preferably set such that the current density with respect to the cell area of the fuel cell 10 is 0.1 A / cm ² or less.

ステップＳ１２では、電流Ｉが調整される。制御部１９は、燃料電池１０から出力される電流Ｉを低下させるための制御信号をインバータ１８へ送る。インバータ１８は、その制御信号を受けて、電流Ｉが最低電流値Ｉｍｉｎとなるようにインバータ回路のスイッチングを制御する。 In step S12, the current I is adjusted. The control unit 19 sends a control signal for reducing the current I output from the fuel cell 10 to the inverter 18. The inverter 18 receives the control signal and controls the switching of the inverter circuit so that the current I becomes the minimum current value Imin.

ステップＳ１４では、電流Ｉが最低電流値Ｉｍｉｎに等しくなったか否かが判定される。制御部１９は、電流Ｉが最低電流値Ｉｍｉｎに等しくなった場合にはステップＳ１６へ処理を移行させ、そうでない場合にはステップＳ１２へ処理を戻す。なお、電流Ｉは所定の範囲内で最低電流値Ｉｍｉｎと略一致していればよい。 In step S14, it is determined whether or not the current I is equal to the minimum current value Imin. When the current I becomes equal to the minimum current value Imin, the control unit 19 shifts the process to step S16, and otherwise returns the process to step S12. Note that the current I only needs to be substantially equal to the minimum current value Imin within a predetermined range.

このように、燃料電池１０のセル面積に対する電流密度が０．１Ａ／ｃｍ²以下となるように最低電流値Ｉｍｉｎを設定することによって、以下の処理において電圧や内部抵抗の変化量に基づいて燃料電池１０内の残留水分量を正確に把握し易くなる。 In this way, by setting the minimum current value Imin so that the current density with respect to the cell area of the fuel cell 10 is 0.1 A / cm ² or less, the fuel is obtained based on the amount of change in voltage and internal resistance in the following processing. It becomes easy to accurately grasp the residual water content in the battery 10.

ステップＳ１６では、水素の供給量が燃料電池１０の定常出力時の供給量に調整される。制御部１９は、燃料ガス供給装置１２のコンプレッサ１２ｂ及び流量調整バルブ１２ｃへ制御信号を送信することによって、燃料ガス供給装置１２から燃料電池１０へ供給される水素の供給量を燃料電池１０の定常出力時の供給量に維持する。 In step S <b> 16, the supply amount of hydrogen is adjusted to the supply amount at the time of steady output of the fuel cell 10. The control unit 19 transmits a control signal to the compressor 12b and the flow rate adjustment valve 12c of the fuel gas supply device 12, thereby changing the supply amount of hydrogen supplied from the fuel gas supply device 12 to the fuel cell 10 to the steady state of the fuel cell 10. Maintain supply at output.

ステップＳ１８では、空気の供給量が燃料電池１０の定常出力時よりも低利用率となるように調整される。制御部１９は、酸化剤供給装置１４のコンプレッサ２０へ制御信号を送信することによって、酸化剤供給装置１４から燃料電池１０へ供給される空気の供給量を燃料電池１０の定常出力時よりも多くし、空気が低利用率となるように調整する。ここでは、空気の利用率が２０％以下となるように空気の供給量を増加させる。 In step S <b> 18, the air supply amount is adjusted to be a lower utilization rate than during steady output of the fuel cell 10. The control unit 19 transmits a control signal to the compressor 20 of the oxidant supply device 14 so that the amount of air supplied from the oxidant supply device 14 to the fuel cell 10 is larger than that during steady output of the fuel cell 10. And adjust the air to have a low utilization rate. Here, the air supply amount is increased so that the air utilization rate is 20% or less.

なお、空気の利用率とは、燃料電池１０で実際に消費される酸素量を、燃料電池１０へ供給される空気に含まれる酸素量で割った比率のことである。この空気の利用率と、燃料電池１０の出力電力との相関関係を予め求めておくことによって、燃料電池１０の出力電力に応じて所定の空気利用率となるように空気の供給量を調整することができる。このように、空気の利用率を下げて掃気を行うことによって、以下の処理において電圧や内部抵抗の変化量に基づいて燃料電池１０内の残留水分量を正確に把握し易くなる。 The air utilization ratio is a ratio obtained by dividing the amount of oxygen actually consumed by the fuel cell 10 by the amount of oxygen contained in the air supplied to the fuel cell 10. By obtaining a correlation between the air utilization rate and the output power of the fuel cell 10 in advance, the supply amount of air is adjusted so that a predetermined air utilization rate is obtained according to the output power of the fuel cell 10. be able to. In this way, by performing scavenging while reducing the air utilization rate, it becomes easy to accurately grasp the residual moisture content in the fuel cell 10 based on the amount of change in voltage and internal resistance in the following processing.

ステップＳ２０では、供給される空気の加湿量を所定の範囲に設定する。制御部１９は、温度センサ２４から燃料電池１０へ供給される空気の温度Ｔｈを得る。制御部１９には、予め測定された空気温度Ｔｈと空気の相対湿度（ＲＨ）との関係を示すテーブルが保持されており、制御部１９は温度センサ２４から得た温度Ｔｈが所定の基準温度Ｔｈ１以下となるように制御を行う。所定の温度Ｔｈ１は、加湿された空気の相対湿度が５％〜３０％の範囲となる温度とする。 In step S20, the humidification amount of the supplied air is set to a predetermined range. The control unit 19 obtains the temperature Th of the air supplied from the temperature sensor 24 to the fuel cell 10. The control unit 19 holds a table indicating the relationship between the air temperature Th measured in advance and the relative humidity (RH) of the air. The control unit 19 uses the temperature Th obtained from the temperature sensor 24 as a predetermined reference temperature. Control is performed so as to be equal to or less than Th1. The predetermined temperature Th1 is a temperature at which the relative humidity of the humidified air is in the range of 5% to 30%.

具体的には、制御部１９は、空気三方弁２２及び加湿制御弁２８の少なくとも一方へ制御信号を送信することによって、空気三方弁２２及び加湿制御弁２８の少なくとも一方の開度を調整し、加湿器２６において燃料電池１０から排出された空気から燃料電池１０へ供給される空気への加湿が適度になるように制御を行う。 Specifically, the control unit 19 adjusts the opening degree of at least one of the air three-way valve 22 and the humidification control valve 28 by transmitting a control signal to at least one of the air three-way valve 22 and the humidification control valve 28, In the humidifier 26, control is performed so that humidification of air supplied from the fuel cell 10 to air supplied to the fuel cell 10 is moderate.

例えば、空気三方弁２２の入口ａと第２の出口ｃとが接続され、入口ａと第１の出口ｂとが遮断された状態とする。これによって、燃料電池１０へ供給される空気を完全に非加湿状態とする。このとき、加湿制御弁２８を閉の状態として、燃料電池１０から排出された空気を加湿器２６に通して、加湿器２８を低水蒸気分圧の環境においてもよいし、加湿制御弁２８を開の状態として、燃料電池１０から排出された空気を加湿器２６に通さないようにしてもよい。 For example, the inlet a and the second outlet c of the air three-way valve 22 are connected, and the inlet a and the first outlet b are blocked. This completely brings the air supplied to the fuel cell 10 into a non-humidified state. At this time, the humidification control valve 28 is closed, the air discharged from the fuel cell 10 is passed through the humidifier 26, and the humidifier 28 may be in a low water vapor partial pressure environment, or the humidification control valve 28 is opened. In this state, the air discharged from the fuel cell 10 may not be passed through the humidifier 26.

また、例えば、空気三方弁２２の入口ａと第１の出口ｂとが接続され、入口ａと第２の出口ｃとが遮断された状態とする。これによって、燃料電池１０へ供給される空気を加湿器２６に通し、加湿状態とする。このとき、加湿制御弁２８の開度を調整することによって、燃料電池１０へ供給される空気の加湿量が相対湿度５％〜３０％の範囲にとなるように調整する。 For example, the inlet a and the first outlet b of the air three-way valve 22 are connected, and the inlet a and the second outlet c are blocked. As a result, the air supplied to the fuel cell 10 is passed through the humidifier 26 to be in a humidified state. At this time, by adjusting the opening degree of the humidification control valve 28, the humidification amount of the air supplied to the fuel cell 10 is adjusted to be in the range of 5% to 30% relative humidity.

ステップＳ２２では、温度Ｔｈが基準温度Ｔｈ１以下であるか否かが判定される。制御部１９は、温度Ｔｈが基準温度Ｔｈ１以下であれば処理をステップＳ２４へ移行させ、そうでなければ処理をステップＳ２０へ戻す。このように、燃料電池１０へ供給される空気の温度Ｔｈを評価しつつ、燃料電池１０へ所定の湿度に乾燥させた空気を供給することによって燃料電池１０内に残留する水分を乾燥させる。このように、空気の加湿量を所定の範囲に調整することによって、燃料電池１０内を過剰に乾燥させることなく、適切な加湿度となるように乾燥させることができる。 In step S22, it is determined whether or not the temperature Th is equal to or lower than the reference temperature Th1. If the temperature Th is equal to or lower than the reference temperature Th1, the control unit 19 shifts the process to step S24, and if not, returns the process to step S20. In this way, moisture remaining in the fuel cell 10 is dried by supplying air dried to a predetermined humidity to the fuel cell 10 while evaluating the temperature Th of the air supplied to the fuel cell 10. Thus, by adjusting the humidification amount of air to a predetermined range, it is possible to dry the fuel cell 10 to an appropriate humidification without excessively drying the inside of the fuel cell 10.

ステップＳ２４では、端部セル及び中央部セルの電圧及び電流における一方の変化に対する他方の変化に基づいてそれぞれのセルの内部抵抗が求められる。内部抵抗の求め方としては、例えば、交流インピーダンス法や瞬間電流遮断法が挙げられる。 In step S24, the internal resistance of each cell is determined based on the other change with respect to one change in the voltage and current of the end cell and the center cell. Examples of the method for obtaining the internal resistance include an AC impedance method and an instantaneous current interruption method.

交流インピーダンス法を採用した場合、制御部１９は、インバータ１８を制御して、燃料電池１０を流れる最低電流値Ｉｍｉｎに１〜４ｋＨｚ程度の平均振幅ΔＩの微少交流電流が重畳されるようにする。このように微少交流電流を重畳させた状態で、セル電圧センサ１６ａ，１６ｂ，１６ｃからそれぞれ燃料電池１０の空気供給口に近い側の端部セルの電圧Ｖａの変化量ΔＶａ、空気供給口に遠い側の端部セルの電圧Ｖｂの変化量Ｖｂ及び燃料電池１０の中央部セルの電圧Ｖｃの変化量ΔＶｃを測定する。そして、変化量ΔＶａ，ΔＶｂ，ΔＶｃを微少交流電流ΔＩで除することによって燃料電池１０の空気供給口に近い側の端部セルの内部抵抗ｒａ、空気供給口に遠い側の端部セルの内部抵抗ｒｂ及び燃料電池１０の中央部セルの内部抵抗ｒｃを求めることができる。 When the AC impedance method is employed, the control unit 19 controls the inverter 18 so that a minute AC current having an average amplitude ΔI of about 1 to 4 kHz is superimposed on the minimum current value Imin flowing through the fuel cell 10. In such a state where the minute alternating current is superimposed, the change amount ΔVa of the voltage Va of the end cell on the side close to the air supply port of the fuel cell 10 from the cell voltage sensors 16a, 16b, and 16c is far from the air supply port. A change amount Vb of the voltage Vb of the side end cell and a change amount ΔVc of the voltage Vc of the center cell of the fuel cell 10 are measured. Then, by dividing the change amounts ΔVa, ΔVb, ΔVc by the minute alternating current ΔI, the internal resistance ra of the end cell on the side close to the air supply port of the fuel cell 10 and the inside of the end cell on the side far from the air supply port The resistance rb and the internal resistance rc of the center cell of the fuel cell 10 can be obtained.

また、瞬間電流遮断法を採用することもできる。この場合、制御部１９は、インバータ１８を制御して、燃料電池１０を流れる最低電流値Ｉｍｉｎを瞬間的に遮断させる。このように燃料電池１０に流れる電流を瞬断させることによって、セル電圧センサ１６ａ，１６ｂ，１６ｃからそれぞれ燃料電池１０の空気供給口に近い側の端部セルの電圧Ｖａの変化量ΔＶａ、空気供給口に遠い側の端部セルの電圧Ｖｂの変化量Ｖｂ及び燃料電池１０の中央部セルの電圧Ｖｃの変化量ΔＶｃを測定する。そして、変化量ΔＶａ，ΔＶｂ，ΔＶｃを最低電流値Ｉｍｉｎで除することによって燃料電池１０の空気供給口に近い側の端部セルの内部抵抗ｒａ、空気供給口に遠い側の端部セルの内部抵抗ｒｂ及び燃料電池１０の中央部セルの内部抵抗ｒｃを求めることができる。 An instantaneous current interruption method can also be adopted. In this case, the control unit 19 controls the inverter 18 to momentarily cut off the minimum current value Imin flowing through the fuel cell 10. By instantaneously interrupting the current flowing through the fuel cell 10 in this way, the change amount ΔVa of the voltage Va at the end cell on the side close to the air supply port of the fuel cell 10 from the cell voltage sensors 16a, 16b, 16c, air supply A change amount Vb of the voltage Vb of the end cell far from the mouth and a change amount ΔVc of the voltage Vc of the central cell of the fuel cell 10 are measured. Then, by dividing the changes ΔVa, ΔVb, ΔVc by the minimum current value Imin, the internal resistance ra of the end cell on the side close to the air supply port of the fuel cell 10 and the inside of the end cell on the side far from the air supply port The resistance rb and the internal resistance rc of the center cell of the fuel cell 10 can be obtained.

なお、各セルの内部抵抗の算出方法はこれらの方法に限定されるものでない。各セルの内部抵抗が算出できる方法であればよい。 In addition, the calculation method of the internal resistance of each cell is not limited to these methods. Any method that can calculate the internal resistance of each cell may be used.

ステップＳ２６では、端部セルの内部抵抗ｒａ，ｒｂ及び中央部セルの内部抵抗ｒｃの値に基づいて燃料電池１０の乾燥処理を終了するか否かが判定される。制御部１９は、端部セルの内部抵抗ｒａ，ｒｂが所定の基準抵抗Ｒ以上であり、かつ、中央部セルの内部抵抗ｒｃが端部セルの内部抵抗ｒａ，ｒｂ以上であれば処理をステップＳ２８へ移行させ、そうでなければステップＳ２４へ処理を戻す。 In step S26, it is determined whether or not to end the drying process of the fuel cell 10 based on the values of the internal resistances ra and rb of the end cells and the internal resistance rc of the central cell. If the internal resistance ra, rb of the end cell is equal to or greater than the predetermined reference resistance R and the internal resistance rc of the center cell is equal to or greater than the internal resistance ra, rb of the end cell, the control unit 19 performs processing. If not, the process returns to step S24.

ステップＳ２８では、燃料電池１０から出力される電流Ｉを０に向けて低下させる処理を行う。制御部１９は、インバータ１８へ制御信号を送信し、燃料電池１０から出力される電流Ｉを０に近づけるようにインバータ１８のスイッチングを制御する。 In step S28, a process of reducing the current I output from the fuel cell 10 toward 0 is performed. The control unit 19 transmits a control signal to the inverter 18 and controls switching of the inverter 18 so that the current I output from the fuel cell 10 approaches 0.

ステップＳ３０では、燃料電池１０から出力される電流Ｉが０になったか否かが判定される。制御部１９は、電流Ｉが０であれば処理をステップＳ３２へ移行させ、そうでなければ処理をステップＳ２８へ戻す。 In step S30, it is determined whether or not the current I output from the fuel cell 10 has become zero. If current I is 0, control unit 19 causes the process to proceed to step S32; otherwise, the process returns to step S28.

ステップＳ３２では、燃料電池１０への空気の供給を停止する。制御部１９は、酸化剤供給装置１４のコンプレッサ２０へ制御信号を送信し、コンプレッサ２０を停止させることによって、酸化剤供給装置１４から燃料電池１０へ供給される空気の供給量が０となるように制御する。 In step S32, the supply of air to the fuel cell 10 is stopped. The control unit 19 transmits a control signal to the compressor 20 of the oxidant supply device 14 and stops the compressor 20 so that the amount of air supplied from the oxidant supply device 14 to the fuel cell 10 becomes zero. To control.

ステップＳ３４では。燃料電池１０への水素ガスの供給を停止する。制御部１９は、燃料ガス供給装置１２のコンプレッサ１２ｂ及び流量調整バルブ１２ｃへ制御信号を送信し、コンプレッサ１２ｂを停止させると共に流量調整バルブ１２ｃを閉とすることによって、燃料ガス供給装置１２から燃料電池１０へ供給される水素の供給量が０となるように制御する。 In step S34. The supply of hydrogen gas to the fuel cell 10 is stopped. The control unit 19 transmits a control signal to the compressor 12b and the flow rate adjustment valve 12c of the fuel gas supply device 12, stops the compressor 12b, and closes the flow rate adjustment valve 12c. Control is performed so that the amount of hydrogen supplied to 10 is zero.

以上のように、燃料電池１０の停止の際に、燃料電池１０の内部の水分を排除するための掃気処理を行った後に燃料電池１０を停止させる。その際、燃料電池１０の端部セル及び中央部セルの出力電圧Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃと、燃料電池１０の出力電流Ｉとの関係において、いずれか一方の変化量に対する他方の変化量に基づいて、燃料電池１０の掃気処理を制御する。このように、燃料電池１０全体ではなく、燃料電池１０を構成するセルスタックの部分毎に電圧と電流の一方の変化量に対する他方の変化量に基づいて掃気処理を行うことによって、残留水分量を正確に把握しつつ、燃料電池内の水分量を適切にすることができる。 As described above, when the fuel cell 10 is stopped, the fuel cell 10 is stopped after the scavenging process for removing moisture inside the fuel cell 10 is performed. At that time, in the relationship between the output voltages Va, Vb, and Vc of the end cells and the center cell of the fuel cell 10 and the output current I of the fuel cell 10, based on the change amount of the other to the change amount of one of them. The scavenging process of the fuel cell 10 is controlled. As described above, the scavenging process is performed not on the whole fuel cell 10 but on the part of the cell stack constituting the fuel cell 10 based on the change amount of one of the voltage and the current with respect to the change amount of the other, thereby reducing the residual moisture amount. While accurately grasping, the amount of water in the fuel cell can be made appropriate.

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態における燃料電池システムについて説明する。本実施の形態における燃料電池システムは、図３に示すように、燃料電池（燃料電池セルスタック）１０、燃料ガス供給装置１２、酸化剤供給装置１４、セル電圧センサ１６（１６ａ，１６ｂ，１６ｂ）、制御部１９、負荷切替器３０及び定抵抗負荷３２を含んで構成される。本実施の形態における燃料電池システムは、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等の車両に搭載される。また、定置型としても用いることができる。 [Second Embodiment]
Next, a fuel cell system according to a second embodiment of the present invention will be described. As shown in FIG. 3, the fuel cell system in the present embodiment includes a fuel cell (fuel cell stack) 10, a fuel gas supply device 12, an oxidant supply device 14, and a cell voltage sensor 16 (16a, 16b, 16b). The control unit 19, the load switch 30, and the constant resistance load 32 are configured. The fuel cell system in the present embodiment is mounted on a vehicle such as an electric vehicle or a hybrid vehicle. It can also be used as a stationary type.

図３に示す燃料電池システムにおいて、上記第１の実施の形態と同一の構成部については同一の符号を付して説明を省略する。 In the fuel cell system shown in FIG. 3, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.

負荷切替器３０は、制御部１９から切替制御信号を受けて、インバータ１８を、本負荷（車両を駆動するモータ等の負荷）に接続された状態、掃気用に設けられた定抵抗負荷３２に接続された状態、又は、無負荷状態に切り替える。 The load switch 30 receives the switching control signal from the control unit 19 and connects the inverter 18 to the main load (load such as a motor driving the vehicle), to the constant resistance load 32 provided for scavenging. Switch to connected state or no-load state.

次に、燃料電池１０を停止する際の制御について説明する。図４に、本実施の形態に係る燃料電池１０の停止時の制御のフローチャートを示す。フローチャートの各ステップは、制御部１９による燃料電池システムの各部の制御によって実現される。なお、上記第１の実施の形態と同様の処理を行うステップについては同一の符号を付して説明を省略する。 Next, control when stopping the fuel cell 10 will be described. FIG. 4 shows a flowchart of control when the fuel cell 10 according to the present embodiment is stopped. Each step of the flowchart is realized by control of each part of the fuel cell system by the control unit 19. Note that steps that perform the same processing as in the first embodiment are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.

ステップＳ１５では、燃料電池１０に接続される負荷を本負荷から定抵抗負荷３２へ切り替える。制御部１９は、負荷切替器３０へ切替制御信号を出力する。負荷切替器３０は、インバータ１８に接続される負荷を本負荷から定抵抗負荷３２へ切り替える。すなわち、本実施の形態では、燃料電池１０内の水分の掃気処理時において定抵抗負荷３２を放電負荷として利用する。このとき、燃料電池のセル面積に対する電流密度０．１Ａ／ｃｍ²以下に対応する最低電流値Ｉｍｉｎとするには、燃料電池１０の停止処理時の定抵抗負荷を定格負荷の３０％以下となるようにするとよい。 In step S15, the load connected to the fuel cell 10 is switched from the main load to the constant resistance load 32. The control unit 19 outputs a switching control signal to the load switch 30. The load switch 30 switches the load connected to the inverter 18 from the main load to the constant resistance load 32. That is, in the present embodiment, the constant resistance load 32 is used as a discharge load during the scavenging process of moisture in the fuel cell 10. At this time, in order to obtain the minimum current value Imin corresponding to the current density of 0.1 A / cm ² or less with respect to the cell area of the fuel cell, the constant resistance load during the stop process of the fuel cell 10 is 30% or less of the rated load. It is good to do so.

ステップＳ３３では、燃料電池１０を無負荷状態にする。制御部１９は、負荷切替器３０へ切替制御信号を出力する。負荷切替器３０は、インバータ１８に定抵抗負荷３２が接続された状態から、インバータ１８が無負荷状態となるように切り替える。 In step S33, the fuel cell 10 is brought into a no-load state. The control unit 19 outputs a switching control signal to the load switch 30. The load switch 30 switches from the state in which the constant resistance load 32 is connected to the inverter 18 so that the inverter 18 enters a no-load state.

以上のように、本実施の形態においても、燃料電池１０全体ではなく、燃料電池１０を構成するセルスタックの部分毎に電圧と電流の一方の変化量に対する他方の変化量に基づいて掃気処理を行うことによって、残留水分量を正確に把握しつつ、燃料電池内の水分量を適切にすることができる。 As described above, also in the present embodiment, the scavenging process is performed not on the whole fuel cell 10 but on the basis of the other change amount with respect to one change amount of voltage and current for each part of the cell stack constituting the fuel cell 10. By doing so, the moisture content in the fuel cell can be made appropriate while accurately grasping the residual moisture content.

＜変形例＞
なお、上記第１及び第２の実施の形態では、燃料電池１０を構成するセルスタックの部分毎の内部抵抗ｒａ，ｒｂ，ｒｃに基づいて掃気処理の制御を行ったが、電圧と電流との位相差に基づいて掃気処理の制御を行ってもよい。 <Modification>
In the first and second embodiments, the scavenging process is controlled based on the internal resistances ra, rb, and rc for each portion of the cell stack that constitutes the fuel cell 10. The scavenging process may be controlled based on the phase difference.

本変形例における掃気処理は図５又は図６に示すフローチャートに沿って行われる。上記第１及び第２の実施の形態におけるステップＳ２４及びＳ２６における処理が変更されている。 The scavenging process in this modification is performed according to the flowchart shown in FIG. The processes in steps S24 and S26 in the first and second embodiments are changed.

ステップＳ２４−２では、端部セル及び中央部セルの電圧及び電流における位相差が求められる。例えば、制御部１９は、インバータ１８を制御して、燃料電池１０を流れる最低電流値Ｉｍｉｎに１〜４ｋＨｚ程度の平均振幅ΔＩの微少交流電流が重畳されるようにする。このように微少交流電流を重畳させた状態で、セル電圧センサ１６ａ，１６ｂ，１６ｃからそれぞれ燃料電池１０の空気供給口に近い側の端部セルの電圧Ｖａの変化量ΔＶａ、空気供給口に遠い側の端部セルの電圧Ｖｂの変化量ΔＶｂ及び燃料電池１０の中央部セルの電圧Ｖｃの変化量ΔＶｃと、電流ΔＩとの位相差θａ，θｂ，θｃを求める。 In step S24-2, the phase difference in the voltage and current of the end cell and the center cell is obtained. For example, the control unit 19 controls the inverter 18 so that a minute alternating current having an average amplitude ΔI of about 1 to 4 kHz is superimposed on the minimum current value Imin flowing through the fuel cell 10. In such a state where the minute alternating current is superimposed, the change amount ΔVa of the voltage Va of the end cell on the side close to the air supply port of the fuel cell 10 from the cell voltage sensors 16a, 16b, and 16c is far from the air supply port. The phase differences θa, θb, θc between the change ΔVb in the voltage Vb at the end cell on the side and the change ΔVc in the voltage Vc at the center cell of the fuel cell 10 and the current ΔI are obtained.

ステップＳ２６−２では、電圧と電流との位相差に基づいて燃料電池１０の乾燥処理を終了するか否かが判定される。制御部１９は、電圧の変化量ΔＶａ，ΔＶｂと電流ΔＩとの位相差θａ，θｂが所定の基準位相差θ以下であり、かつ、電圧の変化量ΔＶｃと電流ΔＩの位相差θｃが電圧の変化量ΔＶａ，ΔＶｂと電流ΔＩの位相差θａ，θｂ以下であれば処理をステップＳ２８へ移行させ、そうでなければステップＳ２４へ処理を戻す。 In step S26-2, it is determined whether or not to end the drying process of the fuel cell 10 based on the phase difference between the voltage and the current. The control unit 19 determines that the phase differences θa and θb between the voltage changes ΔVa and ΔVb and the current ΔI are equal to or less than a predetermined reference phase difference θ, and the phase difference θc between the voltage change ΔVc and the current ΔI is the voltage. If it is equal to or smaller than the phase differences θa, θb between the change amounts ΔVa, ΔVb and the current ΔI, the process proceeds to step S28, and if not, the process returns to step S24.

燃料電池１０を構成するセルスタックの部分毎の電圧と、燃料電池１０の出力電流との位相差は、燃料電池１０内に残留する水分量による燃料電池１０内のセルの容量の変化を示していると考えられる。したがって、燃料電池１０を構成するセルスタックの部分毎の電圧と、燃料電池１０の出力電流との位相差に基づいて掃気処理の制御を行うことによって、残留水分量を正確に把握しつつ、燃料電池内の水分量を適切にすることができる。 The phase difference between the voltage of each part of the cell stack constituting the fuel cell 10 and the output current of the fuel cell 10 indicates a change in the capacity of the cells in the fuel cell 10 due to the amount of moisture remaining in the fuel cell 10. It is thought that there is. Therefore, by controlling the scavenging process based on the phase difference between the voltage of each part of the cell stack constituting the fuel cell 10 and the output current of the fuel cell 10, it is possible to accurately grasp the residual moisture amount and The amount of water in the battery can be made appropriate.

以上の実施の形態および変形例において、セル電圧センサ１６ａ，１６ｂは、端部のセル、または端部のセルを含む部分セルスタックの電圧を検出するものであるが、端部セルは含まない端部付近のセルまたは部分セルスタックの電圧を検出するものとすることもできる。 In the above embodiments and modifications, the cell voltage sensors 16a and 16b detect the voltage of the end cell or the partial cell stack including the end cell, but do not include the end cell. It is also possible to detect the voltage of the cell near the part or the partial cell stack.

また、端部付近のセルと、中央付近のセルにおいて、内部抵抗ｒａ，ｒｂ，ｒｃまたは位相値θａ，θｂ，θｃを比較し、掃気の制御を行う態様を示したが、一部のセルのみの電流と当該セルの電圧との両方に基づいて掃気の制御を行うようにすることもできる。 In addition, in the cell near the end portion and the cell near the center, the internal resistance ra, rb, rc or the phase values θa, θb, θc are compared and the scavenging control is shown. The scavenging control can also be performed based on both the current and the voltage of the cell.

セルの電流および電圧が検出できるとき、一方が周期的に変化する場合に、一方と他方の位相のずれや、一方が変化する場合における電流と電圧の比に基づいて、当該セルの電気抵抗を求めることが可能である。この電気抵抗から当該セルの電解質膜の湿潤状態を推定することができる。この推定をするにあたって必要とされる電力として、燃料電池セルの発電電力を用いる場合には、抵抗値が可変の外部負荷を接続し、当該外部負荷の抵抗値を時系列的に変化させつつ推定することが可能である。これとは別に、電流を外部から供給する場合には、その供給電流を時系列的に変化させつつ推定しても良い。いずれの場合にも電流または電圧は周期的に変化させることが好ましい。 When the current and voltage of a cell can be detected, the electrical resistance of the cell is determined based on the phase shift between one and the other when one of them changes periodically, and the ratio of the current and voltage when one changes. It is possible to ask. From this electric resistance, the wet state of the electrolyte membrane of the cell can be estimated. When using the power generated by the fuel cell as the power required for this estimation, connect an external load with a variable resistance value and estimate the resistance value of the external load while changing it in time series. Is possible. Apart from this, in the case of supplying current from the outside, the supply current may be estimated while changing in time series. In either case, the current or voltage is preferably changed periodically.

別の態様として、発電時におけるセルの電圧および電流と、当該セルがその電圧および電流を示す場合の含水量との対応関係をあらかじめ経験的（実験的）に求め、それらの対応関係から、掃気中の燃料電池内の水分量を推定し掃気を制御しても良い。この場合には、セルの電圧および電流と、セルの含水量との対応関係を示すデータベースを記憶する記憶装置を燃料電池システムが有し、当該記憶装置から読み出したデータベースから、掃気中に計測したセルの電圧および電流に対応づけられた水分量を取得し、掃気を制御することが好ましい。確認的であるが、このデータベースでは、電圧と電流との組に対し、それに対応づけられた水分量が好ましくは一意に特定できる。 As another aspect, a correspondence relationship between the voltage and current of a cell during power generation and the water content when the cell exhibits the voltage and current is obtained empirically in advance (experimental), and scavenging is performed based on the correspondence relationship. The scavenging may be controlled by estimating the amount of water in the fuel cell inside. In this case, the fuel cell system has a storage device that stores a database indicating the correspondence between the cell voltage and current and the water content of the cell, and measurement was performed during scavenging from the database read from the storage device. It is preferable to obtain the amount of moisture associated with the cell voltage and current and control the scavenging. Although confirming, in this database, the amount of water associated with a set of voltage and current is preferably uniquely identified.

以上の構成によれば、セルの電圧のみで診断する従来の構成を比較して、以下の効果を奏する。一般にセル電圧の低下は、セル内に水分が多い場合のみならず、セル内の水分が少ない場合にも生じる。前者は、凝縮水がガス流路または拡散層に存在することにより反応ガスの触媒層への供給が妨げられることに起因し、後者は、固体高分子膜の乾燥によりイオン交換性が低下することに起因する。このため、単にセル電圧のみで掃気の制御を実行すれば、本来セルが乾燥気味であるのにも拘わらず、水分過多と推定してしまうなどの水分量の推定ミスが生じる可能性が高くなる。これに対し、セルの電圧と、電流との両者に基づいて診断することにより、セルの電気抵抗、またはセル内の膜のイオンの交換度を介して、セルの水分量を推定できるため、推定精度が飛躍的に向上し、ひいては好適な湿潤状態で終了可能となるように掃気処理を実行することが可能となる。 According to the above configuration, the following effects can be obtained by comparing the conventional configuration in which diagnosis is performed only with the cell voltage. In general, the drop in cell voltage occurs not only when there is a lot of moisture in the cell, but also when there is little moisture in the cell. The former is due to the fact that condensed water is present in the gas flow path or the diffusion layer, which prevents the reaction gas from being supplied to the catalyst layer, and the latter is that the ion exchange performance decreases due to the drying of the solid polymer membrane. caused by. For this reason, if the scavenging control is executed only by the cell voltage, there is a high possibility that an error in estimation of the amount of moisture such as estimation of excessive moisture occurs even though the cell is originally dry. . On the other hand, since the diagnosis is based on both the voltage and current of the cell, the moisture content of the cell can be estimated through the electric resistance of the cell or the ion exchange degree of the membrane in the cell. The scavenging process can be executed so that the accuracy is dramatically improved, and as a result, it can be completed in a suitable wet state.

本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムの構成図である。It is a block diagram of the fuel cell system in the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第１の実施の形態における掃気処理のフローチャートである。It is a flowchart of the scavenging process in the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第２の実施の形態における燃料電池システムの構成図である。It is a block diagram of the fuel cell system in the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第２の実施の形態における掃気処理のフローチャートである。It is a flowchart of the scavenging process in the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の変形例における掃気処理のフローチャートである。It is a flowchart of the scavenging process in the modification of this invention. 本発明の変形例における掃気処理のフローチャートである。It is a flowchart of the scavenging process in the modification of this invention.

Explanation of symbols

１０燃料電池、１２燃料ガス供給装置、１２ａ水素タンク、１２ｂコンプレッサ、１２ｃ流量調整バルブ、１４酸化剤供給装置、１６（１６ａ，１６ｂ，１６ｃ）セル電圧センサ、１８インバータ、１９制御部、２０コンプレッサ、２２空気三方弁、２４温度センサ、２６加湿器、２８加湿制御弁、３０負荷切替器、３２定抵抗負荷。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fuel cell, 12 Fuel gas supply apparatus, 12a Hydrogen tank, 12b Compressor, 12c Flow control valve, 14 Oxidant supply apparatus, 16 (16a, 16b, 16c) cell voltage sensor, 18 Inverter, 19 Control part, 20 Compressor, 22 Air three-way valve, 24 Temperature sensor, 26 Humidifier, 28 Humidification control valve, 30 Load changer, 32 Constant resistance load.

Claims

A fuel cell system including a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells that generate power by receiving supply of a fuel gas and an oxygen-containing gas are stacked,
A scavenging control is performed based on both a current of a part of cells in the fuel cell stack and a voltage of the cell.

2. The fuel cell system according to claim 1, wherein scavenging is terminated based on a change amount or phase difference of one of the current and the voltage with respect to the other.

A fuel cell system including a fuel cell in which a plurality of cells that generate electricity by supplying a fuel gas and an oxygen-containing gas are stacked,
When one end cell of the fuel cell is a first end cell and the other end cell is a second end cell,
A first voltage sensor for detecting an output voltage of the first end cell or a partial cell stack including the first end cell;
A second voltage sensor for detecting an output voltage of the second end cell or a partial cell stack including the second end cell;
A third voltage sensor that detects an output voltage of a central cell that is not the first end cell and the second end cell of the fuel cell, or a partial cell stack including the central cell;
An output control unit for controlling an output current of the fuel cell;
In each voltage detected by the first voltage sensor, the second voltage sensor, and the third voltage sensor, and the output current controlled by the output control unit, the other change amount with respect to any one change amount Or a control unit that controls the scavenging process of the fuel cell based on the other phase difference with respect to any one of the above,
A fuel cell system comprising:

The fuel cell system according to claim 3, wherein
The scavenging is performed until the other change amount with respect to any one of the change amounts or the other phase difference with respect to either one satisfies a predetermined condition.

In the fuel cell system according to any one of claims 1 to 4,
In the scavenging process, the utilization rate of the oxygen-containing gas supplied to the fuel cell is set to 20% or less.

In the fuel cell system according to any one of claims 1 to 5,
In the scavenging process, the humidification amount of the oxygen-containing gas supplied to the fuel cell is set such that the relative humidity is 5% or more and 30% or less.

In the fuel cell system according to any one of claims 1 to 6,
A scavenging process is performed while the output current is set to a current density of 0.1 A / cm ² or less with respect to the cell area of the fuel cell.

In the fuel cell system according to any one of claims 1 to 6,
A scavenging process is performed by switching a load connected to the fuel cell to a constant resistance load.

In the fuel cell system according to any one of claims 3 to 8,
The control unit includes the first terminal based on each voltage detected by the first voltage sensor, the second voltage sensor, and the third voltage sensor, and an output current controlled by the output control unit. An internal resistance value ra of the partial cell stack including the partial cell or the first end cell, an internal resistance rb of the partial cell stack including the second end cell or the second end cell, and the fuel cell A central cell that is not the first end cell and the second end cell, or an internal resistance rc of a partial cell stack including the central cell, and
A scavenging process is performed until the internal resistance rc is equal to or greater than the internal resistance ra and the internal resistance rb, and the internal resistance ra and the internal resistance rb are equal to or greater than a predetermined reference resistance value R. Battery system.

The fuel cell system according to claim 9, wherein
Based on a change in each voltage detected by the first voltage sensor, the second voltage sensor, and the third voltage sensor when a minute alternating current is superimposed on the output current, the internal resistance ra, the internal resistance A fuel cell system, wherein rb and the internal resistance rc are obtained.

The fuel cell system according to claim 9, wherein
Based on changes in the voltages detected by the first voltage sensor, the second voltage sensor, and the third voltage sensor when the output current is momentarily interrupted, the internal resistance ra, the internal resistance rb, and the A fuel cell system for obtaining an internal resistance rc.