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JP2013168311A - Fuel cell system - Google Patents

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JP2013168311A
JP2013168311A JP2012031723A JP2012031723A JP2013168311A JP 2013168311 A JP2013168311 A JP 2013168311A JP 2012031723 A JP2012031723 A JP 2012031723A JP 2012031723 A JP2012031723 A JP 2012031723A JP 2013168311 A JP2013168311 A JP 2013168311A
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JP
Japan
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target
fuel cell
output
stoichiometric ratio
ionomer
Prior art date
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Pending
Application number
JP2012031723A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Shigetaka Hamada
成孝 浜田
Yuji Ishikawa
裕司 石川
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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Abstract

【課題】コストを抑えつつ発電効率の低下を抑制することが可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】触媒層に低EWのアイオノマを用いた複数のセルを備えた燃料電池に水素及び空気を供給し、これら水素と空気中の酸素とをセルで電気化学反応させて発電する燃料電池システムであって、燃料電池での目標出力Ptと実測出力Pとの出力差ΔPが所定値を超えた際に、予め設定されたアイオノマの収縮率Δδと発熱量Qとの関係から目標発熱量Qtを求め、目標発熱量Qtから目標出力電圧Etを算出し、さらに、予め設定された出力電圧Eとストイキ比STとの関係から目標ストイキ比STtを求め、目標ストイキ比STtとなるように燃料電池へ空気を供給する拡散抵抗抑制運転が行われる。
【選択図】図2
A fuel cell system capable of suppressing a decrease in power generation efficiency while suppressing cost.
A fuel cell that generates hydrogen by supplying hydrogen and air to a fuel cell having a plurality of cells using a low EW ionomer in a catalyst layer, and electrochemically reacting the hydrogen and oxygen in the air in the cell. In the system, when the output difference ΔP between the target output Pt and the measured output P in the fuel cell exceeds a predetermined value, the target calorific value is calculated from the relationship between a preset ionomer shrinkage rate Δδ and the calorific value Q. Qt is obtained, the target output voltage Et is calculated from the target calorific value Qt, and the target stoichiometric ratio STt is obtained from the relationship between the preset output voltage E and the stoichiometric ratio ST, and the fuel is set so as to be the target stoichiometric ratio STt. A diffusion resistance suppression operation for supplying air to the battery is performed.
[Selection] Figure 2

Description

本発明は、触媒層に低EWのアイオノマが用いられた燃料電池を備える燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell in which a low EW ionomer is used for a catalyst layer.

近年、反応ガス(燃料ガス及び酸化ガス)の電気化学反応によって発電する燃料電池をエネルギ源とする燃料電池システムが注目されている。燃料電池システムは、燃料電池のアノードに燃料ガスとしての水素を供給するとともに、カソードに酸化ガスとしての空気を供給し、これら燃料ガスと酸化ガスとを電気化学反応させ、起電力を発生させるものである。   In recent years, a fuel cell system that uses a fuel cell that generates electric power by an electrochemical reaction of reaction gases (fuel gas and oxidizing gas) as an energy source has attracted attention. The fuel cell system supplies hydrogen as a fuel gas to the anode of the fuel cell and supplies air as an oxidizing gas to the cathode, and causes an electrochemical reaction between the fuel gas and the oxidizing gas to generate an electromotive force. It is.

燃料電池システムに用いられる燃料電池として、電解質膜の上に形成された第1触媒層とこの第1触媒層の上に形成された第1触媒層より厚さの厚い第2触媒層とからなる燃料電池用電極触媒層において、第1触媒層を構成する触媒担持カーボン粒子の触媒の担持密度と電解質比率は第2触媒層より高くし、電解質アイオノマのEW値と水浸pHは第2触媒層より低くしたものが知られている(例えば、特許文献1参照)。   A fuel cell used in a fuel cell system includes a first catalyst layer formed on an electrolyte membrane and a second catalyst layer thicker than the first catalyst layer formed on the first catalyst layer. In the electrode catalyst layer for a fuel cell, the catalyst support density and the electrolyte ratio of the catalyst support carbon particles constituting the first catalyst layer are higher than those of the second catalyst layer, and the EW value and water immersion pH of the electrolyte ionomer are the second catalyst layer. A lower one is known (for example, see Patent Document 1).

特開2010−198844号公報JP 2010-198844 A

ところで、触媒層のアイオノマのスルホン酸当量EW(Equivalent Weight)が高いと、高温でドライアップして出力低下を生じてしまう。したがって、燃料電池システムでは、燃料電池を高温無加湿で効率的に発電させるために、触媒層のアイオノマのスルホン酸当量EWを低くすることが有効である。しかし、低EWアイオノマを用いた燃料電池では、常温域において、アイオノマの膨潤によって拡散抵抗が増加して出力低下を招き、目標出力に対して実際の出力が十分得られなくなるおそれがあった。   By the way, when the sulfonic acid equivalent EW (Equivalent Weight) of the ionomer of the catalyst layer is high, the catalyst layer is dried up at a high temperature and the output is reduced. Therefore, in the fuel cell system, it is effective to lower the sulfonic acid equivalent EW of the ionomer of the catalyst layer in order to efficiently generate power in the fuel cell without high temperature and humidity. However, in the fuel cell using the low EW ionomer, the diffusion resistance increases due to the swelling of the ionomer in the normal temperature range, leading to a decrease in output, and there is a possibility that the actual output cannot be sufficiently obtained with respect to the target output.

この場合、触媒層の水分量を判定する判定装置などを設け、この判定装置の判定結果に基づいて触媒層の水分量を制御することが考えられるが、新たに判定装置を追加することによるコストアップを招いてしまう。   In this case, it is conceivable to provide a determination device for determining the moisture content of the catalyst layer and control the moisture content of the catalyst layer based on the determination result of this determination device, but the cost of adding a new determination device is considered. Invite up.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、コストを抑えつつ発電効率の低下を抑制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 has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a fuel cell system capable of suppressing a decrease in power generation efficiency while suppressing cost.

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、
触媒層に低EWのアイオノマを用いた複数のセルを備えた燃料電池に水素及び空気を供給し、これら水素と空気中の酸素とを前記セルで電気化学反応させて発電する燃料電池システムであって、
前記燃料電池の目標出力と実測出力との出力差が所定値を超えた際に、予め設定された前記アイオノマの収縮率と発熱量との関係から目標発熱量を求め、該目標発熱量から目標出力電圧を算出し、さらに、予め設定された出力電圧とストイキ比との関係から目標ストイキ比を求め、該目標ストイキ比となるように前記燃料電池へ空気を供給する拡散抵抗抑制運転が行われる。
In order to achieve the above object, the fuel cell system of the present invention comprises:
This is a fuel cell system in which hydrogen and air are supplied to a fuel cell having a plurality of cells using a low EW ionomer in the catalyst layer, and the hydrogen and oxygen in the air are electrochemically reacted in the cell to generate electricity. And
When the output difference between the target output of the fuel cell and the actually measured output exceeds a predetermined value, a target heat generation amount is obtained from a preset relationship between the ionomer contraction rate and the heat generation amount, and the target heat generation amount is determined from the target heat generation amount. The output voltage is calculated, and further, the target stoichiometric ratio is obtained from the relationship between the preset output voltage and the stoichiometric ratio, and the diffusion resistance suppressing operation for supplying air to the fuel cell so as to be the target stoichiometric ratio is performed. .

この構成によれば、拡散抵抗抑制運転が行われて目標ストイキ比となるように燃料電池へ空気が供給されると、触媒層が目標発熱量で発熱し、触媒層のアイオノマの膨潤が抑制される。これにより、アイオノマの膨潤による拡散抵抗の増加を抑制して出力低下を抑えることができ、燃料電池からの出力を目標出力とすることができる。   According to this configuration, when the diffusion resistance suppression operation is performed and air is supplied to the fuel cell so as to achieve the target stoichiometric ratio, the catalyst layer generates heat with the target calorific value, and the ionomer swelling of the catalyst layer is suppressed. The Thereby, the increase in the diffusion resistance due to the swelling of the ionomer can be suppressed to suppress the output decrease, and the output from the fuel cell can be set as the target output.

特に、アイオノマの膨潤が生じ易い冷間発電時においても、発電効率を良好な状態に維持させることができる。つまり、触媒層の水分量を判定する判定装置などを新たに追加して設けることによるコストアップを招くことなく、発電効率の低下を抑制することができる。   In particular, the power generation efficiency can be maintained in a good state even during cold power generation where ionomer swelling easily occurs. That is, it is possible to suppress a decrease in power generation efficiency without incurring a cost increase by newly providing a determination device for determining the moisture content of the catalyst layer.

上記構成の燃料電池システムにおいては、前記燃料電池の目標出力と実測出力との出力差が所定値を超えたか否かを判定する出力差判定部と、
予め設定された前記アイオノマの収縮率と発熱量との関係から目標発熱量を求める目標発熱量算定部と、
前記目標発熱量から目標出力電圧を算出する目標出力電圧算出部と、
予め設定された出力電圧とストイキ比との関係から目標ストイキ比を求める目標ストイキ比算出部と、
前記燃料電池への空気供給量を前記目標ストイキ比となるように制御する空気供給量制御部と、を備えていてもよい。
In the fuel cell system configured as described above, an output difference determination unit that determines whether or not an output difference between the target output of the fuel cell and the actual output exceeds a predetermined value;
A target calorific value calculation unit for obtaining a target calorific value from the relationship between the ionomer contraction rate and the calorific value set in advance;
A target output voltage calculation unit for calculating a target output voltage from the target heat generation amount;
A target stoichiometric ratio calculating unit for obtaining a target stoichiometric ratio from a relationship between a preset output voltage and a stoichiometric ratio;
An air supply amount control unit configured to control an air supply amount to the fuel cell so as to be the target stoichiometric ratio.

本発明の燃料電池システムによれば、コストを抑えつつ発電効率の低下を抑制することができる。   According to the fuel cell system of the present invention, it is possible to suppress a decrease in power generation efficiency while suppressing costs.

本発明に係る燃料電池システムの一実施形態を模式的に示す構成図である。1 is a configuration diagram schematically showing one embodiment of a fuel cell system according to the present invention. 拡散抵抗抑制制御を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows diffusion resistance suppression control. アイオノマの収縮率と発熱量との関係を示すマップ図である。It is a map figure which shows the relationship between the shrinkage | contraction rate of an ionomer, and the emitted-heat amount. 出力電圧とストイキ比との関係を示すマップ図である。It is a map figure which shows the relationship between an output voltage and stoichiometric ratio.

まず、本発明に係る燃料電池システムの全体構成を説明する。この燃料電池システムは燃料電池車両の車載発電システムであるが、車両搭載用の燃料電池システム以外にも、船舶,航空機,電車、歩行ロボット等のあらゆる移動体用の燃料電池システムや、例えば燃料電池が建物(住宅、ビル等)用の発電設備として用いられる定置用の燃料電池システムへの適用も可能である。   First, the overall configuration of the fuel cell system according to the present invention will be described. This fuel cell system is an in-vehicle power generation system for a fuel cell vehicle. In addition to a fuel cell system mounted on a vehicle, a fuel cell system for any moving body such as a ship, an aircraft, a train, a walking robot, or the like, for example, a fuel cell However, it can also be applied to stationary fuel cell systems used as power generation equipment for buildings (housing, buildings, etc.).

図1に示される燃料電池システム1において、酸化ガスとしての空気は、空気供給路11を介して燃料電池20の空気供給口に供給される。空気供給路11には、空気から微粒子を除去するエアフィルタA1、空気を加圧するコンプレッサA2、及び空気に所要の水分を加える加湿器A3が設けられている。エアフィルタA1には、空気流量を検出する図示省略のエアフローメータ(流量計)が設けられている。コンプレッサA2は、モータによって駆動される。このモータは、後述の制御部50によって駆動制御される。   In the fuel cell system 1 shown in FIG. 1, the air as the oxidizing gas is supplied to the air supply port of the fuel cell 20 via the air supply path 11. The air supply path 11 is provided with an air filter A1 that removes particulates from the air, a compressor A2 that pressurizes the air, and a humidifier A3 that adds required moisture to the air. The air filter A1 is provided with an air flow meter (flow meter) (not shown) that detects the air flow rate. The compressor A2 is driven by a motor. This motor is driven and controlled by a control unit 50 described later.

燃料電池20から排出される空気オフガス(酸化オフガス)は、排気路12を経て外部に放出される。排気路12には、圧力調整弁A4、及び加湿器A3が設けられている。圧力調整弁A4は、燃料電池20への供給空気圧を設定する調圧(減圧)器として機能する。制御部50は、コンプレッサA2を駆動するモータの回転数及び圧力調整弁A4の開度面積を調整することによって、燃料電池20への供給空気圧や供給空気流量を設定する。   Air off-gas (oxidation off-gas) discharged from the fuel cell 20 is discharged to the outside through the exhaust passage 12. The exhaust passage 12 is provided with a pressure adjustment valve A4 and a humidifier A3. The pressure adjustment valve A4 functions as a pressure regulator (pressure reduction) that sets the supply air pressure to the fuel cell 20. The control unit 50 sets the supply air pressure and the supply air flow rate to the fuel cell 20 by adjusting the rotation speed of the motor that drives the compressor A2 and the opening area of the pressure adjustment valve A4.

燃料ガスとしての水素ガスは、水素供給源30から水素供給路31を介して燃料電池20の水素供給口に供給される。水素供給源30は、例えば高圧水素タンクが該当するが、いわゆる燃料改質器や水素吸蔵合金等であっても良い。   Hydrogen gas as fuel gas is supplied from a hydrogen supply source 30 to a hydrogen supply port of the fuel cell 20 through a hydrogen supply path 31. The hydrogen supply source 30 corresponds to, for example, a high-pressure hydrogen tank, but may be a so-called fuel reformer, a hydrogen storage alloy, or the like.

水素供給路31には、水素供給源30から水素を供給しあるいは供給を停止する遮断弁H1、燃料電池20への水素ガスの供給圧力を減圧して調整する水素調圧弁H2、及び燃料電池20の水素供給口と水素供給路31間を開閉する遮断弁H3が設けられている。水素調圧弁H2としては、例えば機械式の減圧を行う調圧弁を使用できるが、パルスモータで弁の開度がリニアあるいは連続的に調整される弁であっても良い。   In the hydrogen supply path 31, a shutoff valve H1 that supplies or stops supplying hydrogen from the hydrogen supply source 30, a hydrogen pressure regulating valve H2 that adjusts the supply pressure of hydrogen gas to the fuel cell 20 by reducing the pressure, and the fuel cell 20 A shutoff valve H3 for opening and closing between the hydrogen supply port and the hydrogen supply path 31 is provided. As the hydrogen pressure regulating valve H2, for example, a pressure regulating valve that performs mechanical pressure reduction can be used, but a valve whose valve opening degree is linearly or continuously adjusted by a pulse motor may be used.

燃料電池20で消費されなかった水素ガスは、水素オフガス(燃料オフガス)として水素循環路32に排出され、水素供給路31の水素調圧弁H2の下流側に戻される。水素循環路32には、水素オフガスから水分を回収する気液分離装置H11、回収した生成水を水素循環路32外の図示しないタンク等に回収する排水弁H12、及び水素オフガスを加圧する水素ポンプH13が設けられている。水素ポンプH13は、制御部50によって動作が制御される。水素オフガスは、水素供給路31で水素ガスと合流し、燃料電池20に供給されて再利用される。   The hydrogen gas that has not been consumed in the fuel cell 20 is discharged as hydrogen offgas (fuel offgas) to the hydrogen circulation path 32 and returned to the downstream side of the hydrogen pressure regulating valve H2 in the hydrogen supply path 31. The hydrogen circulation path 32 includes a gas-liquid separator H11 that collects moisture from the hydrogen off-gas, a drain valve H12 that collects the collected product water in a tank (not shown) outside the hydrogen circulation path 32, and a hydrogen pump that pressurizes the hydrogen off-gas. H13 is provided. The operation of the hydrogen pump H13 is controlled by the control unit 50. The hydrogen off gas merges with the hydrogen gas in the hydrogen supply path 31 and is supplied to the fuel cell 20 for reuse.

水素循環路32は、排出制御弁H14を介して、パージ流路33によって加湿器A3の下流側の排気路12に接続されている。排出制御弁H14は、電磁式の遮断弁であり、制御部50からの指令によって作動することにより、水素オフガスは燃料電池20から排出された空気オフガスとともに外部へ排出(パージ)される。このパージ動作を間欠的に行うことによって、水素ガス中の不純物濃度が増加することによるセル電圧の低下を防止することができる。   The hydrogen circulation path 32 is connected to the exhaust path 12 on the downstream side of the humidifier A3 by the purge flow path 33 via the discharge control valve H14. The discharge control valve H <b> 14 is an electromagnetic shut-off valve, and operates according to a command from the control unit 50, whereby the hydrogen off gas is discharged (purged) together with the air off gas discharged from the fuel cell 20. By performing this purge operation intermittently, it is possible to prevent a cell voltage from being lowered due to an increase in the impurity concentration in the hydrogen gas.

燃料電池20の冷却水出入口には、冷却水を循環させる冷却路41が設けられている。冷却路41には、冷却水の熱を外部に放熱するラジエータ(熱交換器)C2、及び冷却水を加圧して循環させるポンプC1が設けられている。また、ラジエータC2には、モータによって回転駆動される冷却ファンC3が設けられている。   A cooling passage 41 for circulating the cooling water is provided at the cooling water inlet / outlet of the fuel cell 20. The cooling path 41 is provided with a radiator (heat exchanger) C2 that radiates heat of the cooling water to the outside, and a pump C1 that pressurizes and circulates the cooling water. The radiator C2 is provided with a cooling fan C3 that is rotationally driven by a motor.

燃料電池20は、水素ガスと空気の供給を受けて電気化学反応により発電する単セルを所要数積層してなる燃料電池スタックとして構成されている。燃料電池20が発生した電力は、図示しないパワーコントロールユニットに供給される。パワーコントロールユニットは、車両の駆動モータに電力を供給するインバータと、コンプレッサモータや水素ポンプ用モータなどの各種の補機類に電力を供給するインバータと、二次電池等の蓄電手段への充電や該蓄電手段からのモータ類への電力供給を行うDC−DCコンバータなどが備えられている。   The fuel cell 20 is configured as a fuel cell stack in which a required number of single cells that receive supply of hydrogen gas and air and generate electric power through an electrochemical reaction are stacked. The electric power generated by the fuel cell 20 is supplied to a power control unit (not shown). The power control unit consists of an inverter that supplies electric power to the drive motor of the vehicle, an inverter that supplies electric power to various auxiliary devices such as a compressor motor and a motor for a hydrogen pump, and charging of power storage means such as a secondary battery. A DC-DC converter or the like that supplies power to the motors from the power storage means is provided.

制御部50は、CPU、ROM、RAM、HDD、入出力インタフェース及びディスプレイなどの公知構成から成る制御コンピュータシステムによって構成されており、図示しない車両のアクセル信号などの要求負荷や燃料電池システム1の各部のセンサ(圧力センサ、温度センサ、流量センサ、出力電流計、出力電圧計等)から制御情報を受け取り、システム各部の弁類やモータ類の運転を制御する。   The control unit 50 is configured by a control computer system having a known configuration such as a CPU, ROM, RAM, HDD, input / output interface, display, and the like, and a required load such as an accelerator signal of a vehicle (not shown) and each part of the fuel cell system 1 Control information is received from these sensors (pressure sensor, temperature sensor, flow sensor, output ammeter, output voltmeter, etc.), and the operation of valves and motors in each part of the system is controlled.

そして、上記燃料電池システム1では、燃料電池20が、水素供給路41を介して供給される水素ガスと、空気供給路11を介して供給される空気とを電気化学反応させ、起電力を発生させる。   In the fuel cell system 1, the fuel cell 20 generates an electromotive force by causing an electrochemical reaction between hydrogen gas supplied through the hydrogen supply path 41 and air supplied through the air supply path 11. Let

本実施形態に係る燃料電池システム1では、高温無加湿で円滑に発電させるために燃料電池20の触媒層として、低EW(Equivalent Weight)のアイオノマが用いられている。しかし、この低EWのアイオノマを触媒層として用いた燃料電池20では、特に、常温域において、アイオノマの膨潤によって拡散抵抗が増加して出力低下を招き、目標出力に対して実際の出力が十分得られなくなるおそれがある。   In the fuel cell system 1 according to the present embodiment, a low EW (Equivalent Weight) ionomer is used as the catalyst layer of the fuel cell 20 in order to generate electricity smoothly without high-temperature humidification. However, in the fuel cell 20 using this low EW ionomer as the catalyst layer, the diffusion resistance increases due to the swelling of the ionomer, particularly in the normal temperature range, resulting in a decrease in the output, and an actual output sufficient for the target output can be obtained. There is a risk of being lost.

このため、本実施形態の燃料電池システム1では、拡散抵抗を抑制する拡散抵抗抑制制御を行う。なお、本発明において、低EWとはEWが1000以下のものをいう。   For this reason, in the fuel cell system 1 of the present embodiment, diffusion resistance suppression control that suppresses diffusion resistance is performed. In the present invention, low EW means that EW is 1000 or less.

次に、この拡散抵抗抑制制御について、制御部50によって実施される一制御例を図2に示すフローチャートに沿って説明する。なお、以下の説明から明らかなように、本実施形態の制御部50は、本発明に係る出力差判定部、目標発熱量算定部、目標出力電圧算出部、目標ストイキ比算出部、及び空気供給量制御部として機能する。   Next, the diffusion resistance suppression control will be described with reference to a flowchart shown in FIG. As will be apparent from the following description, the control unit 50 according to the present embodiment includes an output difference determination unit, a target heat generation amount calculation unit, a target output voltage calculation unit, a target stoichiometric ratio calculation unit, and an air supply. Functions as a quantity control unit.

例えば、常温域での運転において、燃料電池20の実測出力Pと目標出力Ptとを比較する出力比較判定を行う(ステップS01)。この出力比較判定では、出力差ΔP(ΔP=P−Pt)が所定値を超えているか否かを判定する。なお、本実施形態では、所定値を0とし、出力差ΔPが生じて|ΔP|>0となっているか否かが判定される。   For example, in an operation in a normal temperature range, an output comparison determination is performed to compare the measured output P of the fuel cell 20 with the target output Pt (step S01). In this output comparison determination, it is determined whether or not the output difference ΔP (ΔP = P−Pt) exceeds a predetermined value. In this embodiment, the predetermined value is set to 0, and it is determined whether or not an output difference ΔP is generated and | ΔP |> 0.

この出力比較判定(ステップS01)で、出力差ΔPが生じていないと判定すると(ステップS01:No)、燃料電池20に対して通常制御が行われる。これにより、燃料電池20では、通常に発電が行われる(ステップS02)。   If it is determined in this output comparison determination (step S01) that the output difference ΔP has not occurred (step S01: No), the fuel cell 20 is subjected to normal control. As a result, the fuel cell 20 normally generates power (step S02).

出力比較判定(ステップS01)で、出力差ΔPが生じていると判定すると(ステップS01:Yes)、以降の拡散抵抗抑制制御を行う。   If it is determined in the output comparison determination (step S01) that the output difference ΔP has occurred (step S01: Yes), the subsequent diffusion resistance suppression control is performed.

まず、出力差ΔPをなくすために必要となる必要電流向上代ΔI、制御電圧E及び実験やシミュレーションの結果に基づいて設定される所定の点数βとから、次式に基づいて、拡散層で必要となる必要拡散向上代ΔDを算する(ステップS03)。
ΔI=β・E・ΔD
First, it is necessary in the diffusion layer based on the following formula from the necessary current improvement allowance ΔI necessary for eliminating the output difference ΔP, the control voltage E, and a predetermined score β set based on the results of experiments and simulations. The required diffusion improvement allowance ΔD is calculated (step S03).
ΔI = β ・ E ・ ΔD

次に、必要拡散向上代ΔD及び実験やシミュレーションの結果に基づいて設定される所定の係数αから次式に基づいて、拡散層における目標アイオノマ収縮率Δδtを算出する(ステップS04)。
ΔD=αΔδt
Next, a target ionomer shrinkage rate Δδt in the diffusion layer is calculated from the required diffusion improvement allowance ΔD and a predetermined coefficient α set based on the results of experiments and simulations (step S04).
ΔD = αΔδt

なお、この目標アイオノマ収縮率Δδtは、予め求めておいた拡散向上代ΔDとアイオノマの収縮率Δδとの関係のマップから求めても良い。   The target ionomer shrinkage rate Δδt may be obtained from a map of the relationship between the diffusion improvement allowance ΔD and the ionomer shrinkage rate Δδ obtained in advance.

さらに、この目標アイオノマ収縮率Δδtから目標発熱量Qtを求める。この目標発熱量Qtは、図3に示すように、予め求めておいたアイオノマの収縮率Δδと発熱量Qとの関係のマップから求める(ステップS05)。この収縮率Δδと発熱量Qとの関係は、触媒層における電解質比率、すなわちカーボン当たりの電解質量(I/C)に応じて特性が変化するものである。   Further, a target heat generation amount Qt is obtained from the target ionomer contraction rate Δδt. As shown in FIG. 3, the target heat generation amount Qt is obtained from a map of the relationship between the ionomer contraction rate Δδ and the heat generation amount Q, which have been obtained in advance (step S05). The relationship between the shrinkage rate Δδ and the calorific value Q changes depending on the electrolyte ratio in the catalyst layer, that is, the electrolytic mass per carbon (I / C).

例えば、I/C=0.85、I/C=0.75、I/C=0.65の各種の触媒層のそれぞれについて収縮率Δδと発熱量Qとの関係をそれぞれ求めておく。そして、実際に用いられている触媒層の電解質量が、例えば、I/C=0.75である場合、このマップにおけるI/C=0.75に対応するものを選択して目標発熱量Qtを求める。   For example, the relationship between the shrinkage rate Δδ and the calorific value Q is determined for each of the various catalyst layers with I / C = 0.85, I / C = 0.75, and I / C = 0.65. Then, when the electrolytic mass of the catalyst layer actually used is, for example, I / C = 0.75, the one corresponding to I / C = 0.75 in this map is selected and the target heat generation amount Qt Ask for.

次に、目標発熱量Qt、電流値I及び実測電圧E0から次式に基づいて、目標出力電圧Etを算出する(ステップS06)。 Then, the target heating value Qt, the current value I and the actual measurement voltage E 0 based on the following equation to calculate the target output voltage Et (step S06).

Qt=(E0−Et)I Qt = (E 0 −Et) I

さらに、この目標出力電圧Etから目標ストイキ比STtを求める。この目標ストイキ比STtは、図4に示すように、予め求めておいた出力電圧Eとストイキ比STとの関係のマップから求める(ステップS07)。   Further, a target stoichiometric ratio STt is obtained from the target output voltage Et. As shown in FIG. 4, the target stoichiometric ratio STt is obtained from a map of the relationship between the output voltage E and the stoichiometric ratio ST obtained in advance (step S07).

目標出力電圧Etと目標ストイキ比STtとを求めたら、目標出力電圧Etで出力させるべく燃料電池20を制御するとともに、目標ストイキ比STtとなるようにコンプレッサA2を制御する(ステップS08)。   When the target output voltage Et and the target stoichiometric ratio STt are obtained, the fuel cell 20 is controlled to output at the target output voltage Et, and the compressor A2 is controlled so as to achieve the target stoichiometric ratio STt (step S08).

すると、燃料電池20では、各セルの拡散層で発熱が生じ、アイオノマの膨潤が抑制される。これにより、アイオノマの膨潤による拡散抵抗の増加が抑制されて出力低下が抑えられ、燃料電池20からの出力Pが目標出力Ptとされる。   Then, in the fuel cell 20, heat is generated in the diffusion layer of each cell, and the swelling of the ionomer is suppressed. As a result, an increase in diffusion resistance due to the swelling of the ionomer is suppressed to suppress a decrease in output, and the output P from the fuel cell 20 is set as the target output Pt.

燃料電池20の出力低下が抑えられて実測出力Pと目標出力Ptとに出力差ΔPが生じなくなると、燃料電池20は通常制御で運転される(ステップS01,S02)。   When the output drop of the fuel cell 20 is suppressed and the output difference ΔP does not occur between the measured output P and the target output Pt, the fuel cell 20 is operated under normal control (steps S01 and S02).

このように、上記実施形態に係る燃料電池システムによれば、拡散抵抗抑制運転が行われて目標ストイキ比STtとなるように燃料電池20へ空気が供給されると、触媒層が目標発熱量で発熱し、触媒層のアイオノマの膨潤が抑制される。これにより、アイオノマの膨潤による拡散抵抗の増加を抑制して出力低下を抑えることができ、燃料電池20からの出力Pを目標出力Ptとすることができる。   As described above, according to the fuel cell system according to the above-described embodiment, when the diffusion resistance suppression operation is performed and air is supplied to the fuel cell 20 so as to achieve the target stoichiometric ratio STt, the catalyst layer has the target heating value. Heat is generated and the swelling of the ionomer in the catalyst layer is suppressed. Thereby, the increase in the diffusion resistance due to the swelling of the ionomer can be suppressed to suppress the output decrease, and the output P from the fuel cell 20 can be set as the target output Pt.

特に、アイオノマの膨潤が生じ易い冷間発電時においても、発電効率を良好な状態に維持させることができる。つまり、触媒層の水分量を判定する判定装置などを新たに追加して設けることによるコストアップを招くことなく、発電効率の低下を抑制することができる。   In particular, the power generation efficiency can be maintained in a good state even during cold power generation where ionomer swelling easily occurs. That is, it is possible to suppress a decrease in power generation efficiency without incurring a cost increase by newly providing a determination device for determining the moisture content of the catalyst layer.

1 燃料電池システム
20 燃料電池
50 制御部(出力差判定部、目標発熱量算定部、目標出力電圧算出部、目標ストイキ比算出部、及び空気供給量制御部)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell system 20 Fuel cell 50 Control part (Output difference determination part, target calorific value calculation part, target output voltage calculation part, target stoichiometric ratio calculation part, and air supply amount control part)

Claims (2)

触媒層に低EWのアイオノマを用いた複数のセルを備えた燃料電池に水素及び空気を供給し、これら水素と空気中の酸素とを前記セルで電気化学反応させて発電する燃料電池システムであって、
前記燃料電池の目標出力と実測出力との出力差が所定値を超えた際に、予め設定された前記アイオノマの収縮率と発熱量との関係から目標発熱量を求め、該目標発熱量から目標出力電圧を算出し、さらに、予め設定された出力電圧とストイキ比との関係から目標ストイキ比を求め、該目標ストイキ比となるように前記燃料電池へ空気を供給する拡散抵抗抑制運転が行われる燃料電池システム。
This is a fuel cell system in which hydrogen and air are supplied to a fuel cell having a plurality of cells using a low EW ionomer in the catalyst layer, and the hydrogen and oxygen in the air are electrochemically reacted in the cell to generate electricity. And
When the output difference between the target output of the fuel cell and the actually measured output exceeds a predetermined value, a target heat generation amount is obtained from a preset relationship between the ionomer contraction rate and the heat generation amount, and the target heat generation amount is determined from the target heat generation amount. The output voltage is calculated, and further, the target stoichiometric ratio is obtained from the relationship between the preset output voltage and the stoichiometric ratio, and the diffusion resistance suppressing operation for supplying air to the fuel cell so as to be the target stoichiometric ratio is performed. Fuel cell system.
前記燃料電池の目標出力と実測出力との出力差が所定値を超えたか否かを判定する出力差判定部と、
予め設定された前記アイオノマの収縮率と発熱量との関係から目標発熱量を求める目標発熱量算定部と、
前記目標発熱量から目標出力電圧を算出する目標出力電圧算出部と、
予め設定された出力電圧とストイキ比との関係から目標ストイキ比を求める目標ストイキ比算出部と、
前記燃料電池への空気供給量を前記目標ストイキ比となるように制御する空気供給量制御部と、
を備える請求項1に記載の燃料電池システム。
An output difference determination unit for determining whether an output difference between the target output of the fuel cell and the actual measurement output exceeds a predetermined value;
A target calorific value calculation unit that obtains a target calorific value from a relationship between a preset shrinkage rate of the ionomer and a calorific value;
A target output voltage calculation unit for calculating a target output voltage from the target heat generation amount;
A target stoichiometric ratio calculating unit for obtaining a target stoichiometric ratio from a relationship between a preset output voltage and a stoichiometric ratio;
An air supply amount control unit for controlling the air supply amount to the fuel cell to be the target stoichiometric ratio;
A fuel cell system according to claim 1.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20140081497A1 (en) * 2012-09-19 2014-03-20 Kia Motors Corporation System and method for controlling fuel cell system
JP2016033849A (en) * 2014-07-30 2016-03-10 本田技研工業株式会社 Fuel cell system
CN113140761A (en) * 2020-01-16 2021-07-20 丰田自动车株式会社 Fuel cell system and control method of fuel cell system

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