JP2006032094A - Fuel cell system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an inside humidification type fuel cell system capable of restraining occurrence of dry-out by keeping the balance of moisture in a fuel cell regardless of operational conditions or environmental conditions. <P>SOLUTION: A standard pressure setting means 31, a wet condition determining means 32, a target pressure setting means 33, a reaction gas pressure control means 34, and a pure water pressure control means 35 are arranged to a control unit 2. The standard pressure setting means 31 sets the standard pressure of reaction gas and pure water depending on an intended output and temperature of the fuel cell, and the wet condition determining means determines the wet condition of the fuel cell. When the fuel cell is in a dry state, the target pressure setting means sets a target pressure by correcting the standard pressure of the reaction gas or the pure water so as to reduce pressure difference, and the the reaction gas pressure control means 34 and the pure water pressure control means 35 control the operation of a reaction gas supplying system and a pure water supplying system so as to realize the target pressure. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、固体高分子型の燃料電池を使用した燃料電池システムに関し、特に燃料電池に直接純水を供給して加湿する内部加湿方式の燃料電池システムにおいて燃料電池内部の水分バランスを最適な状態に保つための技術に関する。   The present invention relates to a fuel cell system using a polymer electrolyte fuel cell, and in particular, in an internal humidification type fuel cell system in which pure water is directly supplied to the fuel cell to humidify, the moisture balance inside the fuel cell is optimal. Relating to technology to keep up.

燃料電池は、反応ガスである水素を含む燃料ガスと空気等の酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることにより、燃料の持つ化学エネルギを直接電気エネルギに変換するものである。燃料電池は、排気がクリーンであること、高エネルギ効率であること等から、大気汚染や二酸化炭素による地球温暖化の問題等に対処し得る技術として注目されている。   A fuel cell directly converts chemical energy of a fuel into electric energy by electrochemically reacting a fuel gas containing hydrogen as a reaction gas with an oxidant gas such as air. A fuel cell is attracting attention as a technology that can cope with problems such as air pollution and global warming due to carbon dioxide because of its clean exhaust and high energy efficiency.

燃料電池のアノード（燃料極）、カソード（酸化剤極）の両電極において進行する電極反応は、以下の通りである。   The electrode reaction that proceeds at both the anode (fuel electrode) and cathode (oxidant electrode) of the fuel cell is as follows.

燃料極：２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ− ・・・（１）
酸化剤極：４Ｈ＋＋４ｅ−＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ ・・・（２）
燃料電池では、燃料極に水素が供給されると、燃料極で（１）式に示す反応が進行して水素が水素イオンと電子とに解離する。この水素イオンは電解質を透過（拡散）して酸化剤極に至り、電子は外部回路を通って酸化剤極に至る。このとき酸化剤極に空気等の酸化剤ガスが供給されていると、酸化剤極では（２）式の反応が進行する。この（１）式、（２）式に示す電極反応が各極で進行することで、燃料電池は起電力を生じることになる。 Fuel electrode: 2H 2 → 4H + + 4e − (1)
Oxidant electrode: 4H + + 4e − + O 2 → 2H 2 O (2)
In the fuel cell, when hydrogen is supplied to the fuel electrode, the reaction shown in the formula (1) proceeds at the fuel electrode, and hydrogen is dissociated into hydrogen ions and electrons. The hydrogen ions permeate (diffuse) through the electrolyte and reach the oxidant electrode, and the electrons pass through the external circuit and reach the oxidant electrode. At this time, when an oxidant gas such as air is supplied to the oxidant electrode, the reaction of the formula (2) proceeds at the oxidant electrode. The fuel cell generates an electromotive force when the electrode reactions shown in the equations (1) and (2) proceed at each electrode.

燃料電池は、電解質の違い等により様々なタイプのものに分類されるが、その一つとして、電解質に固体高分子膜を用いる固体高分子型の燃料電池が知られている。固体高分子型燃料電池は、低コストで小型化、軽量化が容易であり、しかも高い出力密度を有することから、例えば車両用電源としての用途が期待されている。   Fuel cells are classified into various types depending on differences in electrolytes, and one of them is a solid polymer fuel cell that uses a solid polymer membrane as an electrolyte. The polymer electrolyte fuel cell is low in cost, easily reduced in size and weight, and has a high output density. Therefore, the polymer electrolyte fuel cell is expected to be used as a power source for vehicles, for example.

固体高分子型燃料電池の一般的な構成について説明すると、固体高分子型燃料電池では、固体高分子膜よりなる電極層の両側にアノード及びカソードとなる電極層が配置され、さらに各電極に接するようにガス拡散層がそれぞれ設けられる。これらを総合して膜・電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）と呼ぶ。そして、この膜・電極接合体を挟持するように、反応ガスである燃料ガスや酸化剤ガスを流通させる反応ガス流路を膜・電極接合体との対向面に設けた一対のセパレータが配置される。これらセパレータは、ガスマニホールドと呼ばれる貫通孔の内部を流れる燃料ガス或いは酸化剤ガスを、それぞれ反応ガス流路を介してアノードやカソードに供給する機能を有する。また、セパレータは、以上のようなガス供給機能だけでなく、膜・電極接合体で生じた起電力により流れる電流を、膜・電極接合体と接するリブ部を介して集電する役割を担う。   The general configuration of the polymer electrolyte fuel cell will be described. In the polymer electrolyte fuel cell, electrode layers serving as an anode and a cathode are arranged on both sides of an electrode layer composed of a polymer electrolyte membrane, and further in contact with each electrode. A gas diffusion layer is provided as described above. These are collectively called a membrane electrode assembly (MEA). Then, a pair of separators provided with a reaction gas flow path through which a fuel gas or an oxidant gas, which is a reaction gas, flows on the surface facing the membrane / electrode assembly is disposed so as to sandwich the membrane / electrode assembly. The These separators have a function of supplying a fuel gas or an oxidant gas flowing through a through-hole called a gas manifold to the anode and the cathode through the reaction gas flow paths, respectively. In addition to the gas supply function as described above, the separator plays a role of collecting a current flowing by an electromotive force generated in the membrane / electrode assembly through a rib portion in contact with the membrane / electrode assembly.

これらを１つのユニットとして単セルと呼ぶ。固体高分子型の燃料電池は、通常、この単セルを直列に複数積層してスタックとしたものを指す。また、酸化剤極における電気化学反応は発熱反応であるため、その熱を冷却するための冷却液を流通させるため、冷却液流路を設けたセパレータが各単セル間、或いは所定の単セル数毎に挿入される場合もある。   These are called a single cell as one unit. The polymer electrolyte fuel cell generally indicates a stack obtained by stacking a plurality of single cells in series. In addition, since the electrochemical reaction at the oxidant electrode is an exothermic reaction, a separator provided with a cooling liquid flow path is provided between each single cell or a predetermined number of single cells in order to distribute a cooling liquid for cooling the heat. It may be inserted every time.

ところで、以上のような固体高分子型の燃料電池においては、固体高分子膜は、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とともに、水素と酸素とを分離する機能も有する。固体高分子膜の含水量が不足すると、イオン抵抗が高くなり、水素と酸素とが混合して燃料電池としての発電ができなくなってしまう。一方で、発電により燃料極で分離した水素イオンが電解質膜を通るときには、水も一緒に移動するため、燃料極側は乾燥する傾向にある。また、供給する水素または空気に含まれる水蒸気が少ないと、それぞれの反応ガス入口付近で固体高分子膜が乾燥する傾向にある。   By the way, in the solid polymer type fuel cell as described above, the solid polymer membrane functions as an ion conductive electrolyte when saturated with water, and also has a function of separating hydrogen and oxygen. If the water content of the solid polymer membrane is insufficient, the ionic resistance becomes high, and hydrogen and oxygen are mixed to make it impossible to generate power as a fuel cell. On the other hand, when hydrogen ions separated at the fuel electrode by power generation pass through the electrolyte membrane, water also moves together, so the fuel electrode side tends to dry. In addition, when the amount of water vapor contained in the supplied hydrogen or air is small, the solid polymer membrane tends to dry near the respective reaction gas inlets.

このようなことから、固体高分子型燃料電池における固体高分子膜は、外部から水分を供給して積極的にこれを加湿する必要がある。そこで、固体高分子型燃料電池を備える燃料電池システムでは、通常、燃料ガスや酸化剤ガスを加湿した状態で燃料電池に供給することで、燃料電池の電解質として用いる固体高分子膜を積極的に加湿することが広く行われている。   For this reason, it is necessary to positively humidify the solid polymer membrane in the polymer electrolyte fuel cell by supplying moisture from the outside. Therefore, in a fuel cell system including a solid polymer fuel cell, normally, a fuel cell or an oxidant gas is supplied to the fuel cell in a humidified state, so that a solid polymer membrane used as an electrolyte for the fuel cell is actively added. Humidification is widely performed.

このように燃料電池に供給する燃料ガスや酸化剤ガスを加湿するタイプの燃料電池システムは外部加湿方式の燃料電池システムと呼ばれるが、この外部加湿方式の燃料電池システムでは、燃料電池の外部に燃料ガスや酸化剤ガスを加湿するための加湿器や水回収装置を設ける必要があり、部品点数の増加やシステム構成の複雑化が避けられない。そこで、近年では、燃料電池内部に純水を直接供給し、加湿を行う内部加湿方式の燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１等を参照）。   This type of fuel cell system that humidifies the fuel gas or oxidant gas supplied to the fuel cell is called an external humidification type fuel cell system. In this external humidification type fuel cell system, the fuel cell system is connected to the outside of the fuel cell. It is necessary to provide a humidifier and a water recovery device for humidifying the gas and the oxidant gas, and an increase in the number of parts and a complicated system configuration are inevitable. Therefore, in recent years, an internal humidification type fuel cell system in which pure water is directly supplied to the inside of the fuel cell to perform humidification has been proposed (see, for example, Patent Document 1).

特許文献１にて開示される燃料電池システムでは、燃料電池の各単セルにおいて、膜・電極接合体のアノード側に隣接配置されるセパレータとカソード側に隣接配置されるセパレータとの少なくとも一方を多孔質材料よりなるポーラスプレートで構成し、この多孔質材料よりなるセパレータの反応ガス流路が形成された面とは逆側の面に純水流路を形成している。そして、この純水流路に純水を流通させて、反応ガス流路を流れる燃料ガスや酸化剤ガスとの間で多孔質材料よりなるセパレータを介して水分交換を行うことで、燃料電池内部での固体高分子膜の加湿を実現している。このような内部加湿方式の燃料電池システムでは、燃料ガス及び酸化剤ガスを加湿するための加湿器や水回収装置が不要となるため、システム構成を簡素化できるという利点がある。
米国特許第６２４８４６２号明細書 In the fuel cell system disclosed in Patent Document 1, in each unit cell of the fuel cell, at least one of the separator disposed adjacent to the anode side of the membrane / electrode assembly and the separator disposed adjacent to the cathode side is porous. A porous plate made of a porous material is used, and a pure water channel is formed on the surface of the separator made of a porous material opposite to the surface on which the reaction gas channel is formed. Then, pure water is circulated through the pure water flow path, and moisture is exchanged between the fuel gas and the oxidant gas flowing through the reaction gas flow path via a separator made of a porous material, thereby allowing the inside of the fuel cell to We realize humidification of solid polymer film. Such an internal humidification type fuel cell system has an advantage that the system configuration can be simplified because a humidifier and a water recovery device for humidifying the fuel gas and the oxidant gas are not required.
US Pat. No. 6,248,462

ところで、前述の特許文献１にて開示される燃料電池システムでは、燃料電池での電気化学反応により生成される水を純水流路へと回収させるため、反応ガスの圧力が純水の圧力よりも高くなるように、これらの圧力を制御している。すなわち、燃料電池での電気化学反応により生成される水が反応ガス流路側で凝縮し液水の状態で滞留すると、この液水が反応ガス流路を塞いでしまうフラッディング（水詰まり）と呼ばれる現象が発生して安定的な発電が阻害されることになるので、反応ガスの圧力が純水の圧力よりも常に高くなるように、既定値以上の圧力差を確保するようにしている。   By the way, in the fuel cell system disclosed in the above-mentioned Patent Document 1, water generated by the electrochemical reaction in the fuel cell is recovered to the pure water flow path, so that the pressure of the reaction gas is higher than the pressure of pure water. These pressures are controlled so as to increase. That is, when water generated by an electrochemical reaction in the fuel cell condenses on the reaction gas channel side and stays in a liquid water state, this liquid water closes the reaction gas channel and is called a flooding phenomenon. Therefore, stable power generation is hindered, so that a pressure difference equal to or greater than a predetermined value is ensured so that the pressure of the reaction gas is always higher than the pressure of pure water.

ここで、燃料電池での電気化学反応による生成水を純水流路へと回収させるという観点からは、反応ガスの圧力と純水の圧力との圧力差をできるだけ大きくする方が有利となるが、これらの圧力差をあまり大きくすると、特に反応ガス流路の上流側において純水流路を流れる純水を反応ガス流路側へと移動させることが困難となり、純水流路を流れる純水で酸化剤ガスを十分に加湿できずに、固体高分子膜が乾燥するドライアウトと呼ばれる現象が発生してしまうことが懸念される。このドライアウトが発生すると、アノード側からカソード側への水素イオンの移動が阻害され、発電を安定して継続することが困難になる。   Here, from the viewpoint of collecting the water produced by the electrochemical reaction in the fuel cell into the pure water flow path, it is advantageous to increase the pressure difference between the pressure of the reaction gas and the pure water as much as possible. If these pressure differences are too large, it becomes difficult to move the pure water flowing through the pure water flow channel to the reaction gas flow channel side, particularly on the upstream side of the reaction gas flow channel. There is a concern that a phenomenon called dryout may occur in which the solid polymer film dries without being sufficiently humidified. When this dryout occurs, the movement of hydrogen ions from the anode side to the cathode side is hindered, making it difficult to stably continue power generation.

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、内部加湿方式の燃料電池システムにおいて、燃料電池の運転条件や環境条件に因らずに燃料電池内部の水分バランスを常に最適な状態に保てるようにして、ドライアウトの発生を有効に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 was devised in view of the above-described conventional situation, and in an internal humidification type fuel cell system, the moisture balance inside the fuel cell is independent of the operating conditions and environmental conditions of the fuel cell. It is an object of the present invention to provide a fuel cell system capable of effectively suppressing the occurrence of dryout so that the fuel cell can be kept in an optimum state.

本発明の燃料電池システムは、固体高分子型の燃料電池を備え、この燃料電池内部に加湿用の純水を直接供給する内部加湿方式の燃料電池システムである。内部加湿方式の燃料電池システムでは、燃料電池に供給される反応ガスの圧力が純水の圧力よりも高くなるように制御されるが、特に本発明では、燃料電池が乾燥状態にあると判定されたときに、これら反応ガスの圧力と純水の圧力との圧力差を減少させるように、これらの圧力を制御するようにしている。   The fuel cell system of the present invention is an internal humidification type fuel cell system that includes a polymer electrolyte fuel cell and supplies pure water for humidification directly into the fuel cell. In the internal humidification type fuel cell system, the pressure of the reaction gas supplied to the fuel cell is controlled to be higher than the pressure of pure water. In particular, in the present invention, it is determined that the fuel cell is in a dry state. These pressures are controlled so as to reduce the pressure difference between the pressure of the reaction gas and the pressure of pure water.

そのための具体的な構成として、本発明の燃料電池システムは、燃料電池に供給される反応ガス及び純水の圧力を制御する制御装置を備え、この制御装置が、基準圧力設定手段、湿潤状態判定手段、目標圧力設定手段、動作制御手段の各手段を備えている。   As a specific configuration for that purpose, the fuel cell system of the present invention includes a control device for controlling the pressure of the reaction gas and pure water supplied to the fuel cell, and this control device comprises reference pressure setting means, wet state determination. Means, target pressure setting means, and operation control means.

基準圧力設定手段では、燃料電池に要求される出力と燃料電池の温度とに基づいて、燃料電池に供給される反応ガス及び純水の基準圧力が設定される。また、湿潤状態判定手段では、燃料電池の湿潤状態が判定される。目標圧力設定手段は、湿潤状態判定手段によって燃料電池が乾燥状態にあると判定されたときに、反応ガスの圧力と純水の圧力との圧力差を減少させるように、基準圧力設定手段で設定された基準圧力を補正して、目標圧力を設定する。そして、動作制御手段が、目標圧力設定手段で設定された目標圧力を実現するように、反応ガス供給系と純水供給系との動作制御を行う。   In the reference pressure setting means, the reference pressure of the reaction gas and pure water supplied to the fuel cell is set based on the output required for the fuel cell and the temperature of the fuel cell. Further, the wet state determination means determines the wet state of the fuel cell. The target pressure setting means is set by the reference pressure setting means so as to reduce the pressure difference between the reaction gas pressure and the pure water pressure when the wet state determination means determines that the fuel cell is in a dry state. The target pressure is set by correcting the reference pressure. Then, the operation control means controls the operation of the reaction gas supply system and the pure water supply system so as to realize the target pressure set by the target pressure setting means.

本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池に要求される出力と燃料電池の温度とに基づいて反応ガス及び純水の基準圧力が設定され、燃料電池が乾燥状態にあると判定されたときには、反応ガスの圧力と純水の圧力との圧力差を減少させるように基準圧力が補正されて目標圧力が設定され、この目標圧力を実現するように反応ガス供給系と純水供給系との動作制御が行われるので、燃料電池の運転条件や環境条件に因らず、常に燃料電池のドライアウト発生を有効に抑制することができる。   According to the fuel cell system of the present invention, when the reference pressure of the reaction gas and pure water is set based on the output required for the fuel cell and the temperature of the fuel cell, and it is determined that the fuel cell is in a dry state. The reference pressure is corrected so as to reduce the pressure difference between the reaction gas pressure and the pure water pressure, the target pressure is set, and the reaction gas supply system and the pure water supply system are configured to achieve this target pressure. Since the operation control is performed, it is possible to always effectively suppress the occurrence of dryout of the fuel cell regardless of the operating condition and environmental condition of the fuel cell.

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、図面を参照して説明する。   Hereinafter, specific embodiments of a fuel cell system to which the present invention is applied will be described with reference to the drawings.

（第１の実施形態）
本発明を適用した燃料電池システムの概略構成を図１に示す。この燃料電池システムは、電解質に固体高分子膜を用いた固体高分子型の燃料電池１を備え、この燃料電池１の内部に加湿用の純水を直接供給して加湿を行う内部加湿方式の燃料電池システムとして構成されている。そして、この燃料電池システムは、燃料電池１内部の湿潤状態を判定して、その判定結果に応じて燃料電池１に供給する反応ガス（燃料ガスや酸化剤ガス）の圧力と加湿用の純水の圧力との圧力差を制御する点に大きな特徴を有している。 (First embodiment)
A schematic configuration of a fuel cell system to which the present invention is applied is shown in FIG. This fuel cell system includes a solid polymer fuel cell 1 using a solid polymer membrane as an electrolyte, and is an internal humidification type system that humidifies by directly supplying humidified pure water into the fuel cell 1. It is configured as a fuel cell system. In this fuel cell system, the wet state inside the fuel cell 1 is determined, and the pressure of the reaction gas (fuel gas or oxidant gas) supplied to the fuel cell 1 according to the determination result and pure water for humidification are determined. It has a great feature in that it controls the pressure difference from the pressure.

この燃料電池システムには、燃料電池１の他、主要な構成要素として、燃料電池１に水素を含む燃料ガスを供給する燃料ガス供給系、及び燃料電池１に空気等の酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給系（反応ガス供給系）と、燃料電池１を最適な温度に保つための冷却液を供給する冷却液供給系と、燃料電池１に加湿用の純水を供給する純水供給系と、燃料電池システム全体の動作を制御する制御ユニット２とが設けられている。   In addition to the fuel cell 1, the fuel cell system includes, as main components, a fuel gas supply system that supplies a fuel gas containing hydrogen to the fuel cell 1, and an oxidant gas such as air to the fuel cell 1. An oxidant gas supply system (reactive gas supply system), a coolant supply system that supplies a coolant for keeping the fuel cell 1 at an optimum temperature, and a pure water supply that supplies pure water for humidification to the fuel cell 1 A system and a control unit 2 for controlling the operation of the entire fuel cell system are provided.

燃料ガス供給系は、水素タンク等の燃料ガス供給装置３を有し、この燃料ガス供給装置３から取り出された燃料ガスが、調圧バルブ４にて所望の圧力に調整された上で、燃料ガス供給配管５を介して燃料電池１のアノード側へと供給されるようになっている。   The fuel gas supply system has a fuel gas supply device 3 such as a hydrogen tank, and the fuel gas taken out from the fuel gas supply device 3 is adjusted to a desired pressure by the pressure regulating valve 4, and then the fuel gas supply system 3 The gas is supplied to the anode side of the fuel cell 1 through the gas supply pipe 5.

燃料ガス供給配管５を流れる燃料ガスの圧力は圧力センサ６によって検出され、制御ユニット２が圧力センサ６の検出値をフィードバックして調圧バルブ４の動作を制御することによって、燃料電池１のアノード側の圧力が所望の圧力に保たれる。また、燃料電池１のアノード側出口には燃料ガス排出配管７が接続されており、燃料電池１のアノード側から排出されたアノードオフガスは、この燃料ガス排出配管７を通って外部に導かれる。   The pressure of the fuel gas flowing through the fuel gas supply pipe 5 is detected by the pressure sensor 6, and the control unit 2 feeds back the detected value of the pressure sensor 6 to control the operation of the pressure regulating valve 4. The side pressure is maintained at the desired pressure. Further, a fuel gas discharge pipe 7 is connected to the anode side outlet of the fuel cell 1, and the anode off-gas discharged from the anode side of the fuel cell 1 is guided to the outside through the fuel gas discharge pipe 7.

酸化剤ガス供給系は、エアコンプレッサ等の酸化剤ガス供給装置８を有し、この酸化剤ガス供給装置８からの酸化剤ガスが、酸化剤ガス供給配管９を介して燃料電池１のカソード側へと供給されるようになっている。   The oxidant gas supply system has an oxidant gas supply device 8 such as an air compressor, and the oxidant gas from the oxidant gas supply device 8 is connected to the cathode side of the fuel cell 1 via the oxidant gas supply pipe 9. To be supplied to.

また、燃料電池スタック１のカソード側出口には酸化剤ガス排出配管１０が接続されており、燃料電池１のカソード側から排出されたカソードオフガスは、この酸化剤ガス排出配管１０を通って外部に導かれる。酸化剤ガス供給配管９を流れる酸化剤ガスの圧力は圧力センサ１２によって検出される。また、酸化剤ガス排出配管１０中には調圧バルブ１３が設けられており、制御ユニット２が圧力センサ１２の検出値をフィードバックしてこの調圧バルブ１３の動作を制御することによって、燃料電池１のカソード側の圧力が所望の圧力に保たれるようになっている。   An oxidant gas discharge pipe 10 is connected to the cathode side outlet of the fuel cell stack 1, and the cathode off-gas discharged from the cathode side of the fuel cell 1 passes through the oxidant gas discharge pipe 10 to the outside. Led. The pressure of the oxidant gas flowing through the oxidant gas supply pipe 9 is detected by the pressure sensor 12. In addition, a pressure regulating valve 13 is provided in the oxidant gas discharge pipe 10, and the control unit 2 feeds back the detection value of the pressure sensor 12 to control the operation of the pressure regulating valve 13, whereby the fuel cell. The pressure on the cathode side of 1 is maintained at a desired pressure.

冷却液供給系は、不凍液である冷却液を貯留する冷却液タンク１４やこの冷却液を循環させる冷却液循環配管１５及び冷却液ポンプ１６を有し、例えば水にエチレングリコール等の凍結防止剤を混入した冷却液が、制御ユニット２によって動作制御される冷却液ポンプ１６の駆動によって冷却液タンク１４から取り出され、冷却液循環配管１５を流れて燃料電池１に供給されるようになっている。   The coolant supply system has a coolant tank 14 that stores coolant that is antifreeze, a coolant circulation pipe 15 that circulates this coolant, and a coolant pump 16. For example, an antifreezing agent such as ethylene glycol is added to water. The mixed coolant is taken out from the coolant tank 14 by driving the coolant pump 16 whose operation is controlled by the control unit 2, flows through the coolant circulation pipe 15, and is supplied to the fuel cell 1.

冷却液循環配管１５の中途部にはラジエータ１７が設置されており、燃料電池１の冷却により加熱された冷却液は、このラジエータ１７を通過する過程で図示しないラジエータファンの送風によって冷却される。また、冷却液循環配管１５には、ラジエータ１７と並列にバイパス配管１８が接続されており、その分岐部分にはバイパスバルブ１９が設けられている。冷却液循環配管１５を流れる冷却液の温度は温度センサ２０によって検出され、制御ユニット２が温度センサ２０の検出値に基づいてバイパスバルブ１９の動作を制御することによって、ラジエータ１７を通過する冷却液流量とバイパス配管１８を通過する冷却液流量とが調整されて、冷却液の温度制御が行われ、燃料電池１が最適な温度に保たれる。   A radiator 17 is installed in the middle of the coolant circulation pipe 15, and the coolant heated by the cooling of the fuel cell 1 is cooled by blowing air from a radiator fan (not shown) while passing through the radiator 17. Further, a bypass pipe 18 is connected to the coolant circulation pipe 15 in parallel with the radiator 17, and a bypass valve 19 is provided at a branch portion thereof. The temperature of the coolant flowing through the coolant circulation pipe 15 is detected by the temperature sensor 20, and the control unit 2 controls the operation of the bypass valve 19 based on the detected value of the temperature sensor 20, so that the coolant that passes through the radiator 17. The flow rate and the coolant flow rate passing through the bypass pipe 18 are adjusted to control the temperature of the coolant, and the fuel cell 1 is maintained at an optimum temperature.

純水供給系は、燃料電池１の電解質として用いられている固体高分子膜を加湿するための純水を貯留する純水タンク２１やこの純水を循環させる純水循環配管２２及び純水ポンプ２３を有し、制御ユニット２によって動作制御される純水ポンプ２３の駆動によって純水タンク２１から加湿用の純水が取り出され、純水循環配管２２を流れて燃料電池１に供給されるようになっている。   The pure water supply system includes a pure water tank 21 that stores pure water for humidifying a solid polymer membrane used as an electrolyte of the fuel cell 1, a pure water circulation pipe 22 that circulates the pure water, and a pure water pump. The pure water for humidification is taken out from the pure water tank 21 by driving of the pure water pump 23 that is controlled by the control unit 2 and is supplied to the fuel cell 1 through the pure water circulation pipe 22. It has become.

純水循環配管２２を流れる加湿用の純水の圧力は圧力センサ２４によって検出され、制御ユニット２が圧力センサ２４の検出値に基づいて純水ポンプ２３の動作を制御することによって、燃料電池１に供給される純水の圧力が所望の圧力に保たれるようになっている。また、純水タンク２１には水位センサ２５及び排水バルブ２６が設置されており、水位センサ２５の検出値から純水量が過剰となっていると判断される場合には、制御ユニット２が排水バルブ２６を開放することによって、余剰の純水を外部に排出できるようになっている。   The pressure of the pure water for humidification flowing through the pure water circulation pipe 22 is detected by the pressure sensor 24, and the control unit 2 controls the operation of the pure water pump 23 based on the detected value of the pressure sensor 24, whereby the fuel cell 1. The pressure of pure water supplied to the water is maintained at a desired pressure. Further, the pure water tank 21 is provided with a water level sensor 25 and a drain valve 26, and when it is determined that the amount of pure water is excessive from the detection value of the water level sensor 25, the control unit 2 sets the drain valve. By opening 26, excess pure water can be discharged to the outside.

また、本発明を適用した燃料電池システムでは、燃料電池１に温度センサ２７及びセル電圧センサ２８が設置されており、これら温度センサ２７及びセル電圧センサ２８によって、燃料電池１の温度と、燃料電池１を構成する各単セルの電圧とを検出できるようになっている。これら温度センサ２７やセル電圧センサ２８の検出値は、他のセンサ検出値と同様に制御ユニット２へと送られる。   In the fuel cell system to which the present invention is applied, the temperature sensor 27 and the cell voltage sensor 28 are installed in the fuel cell 1, and the temperature of the fuel cell 1 and the fuel cell are detected by the temperature sensor 27 and the cell voltage sensor 28. The voltage of each single cell constituting 1 can be detected. The detection values of the temperature sensor 27 and the cell voltage sensor 28 are sent to the control unit 2 in the same manner as other sensor detection values.

制御ユニット２は、上述したように、燃料電池システム全体の動作制御を行うものであるが、特に、本発明を適用した燃料電池システムでは、この制御ユニット２が、燃料電池１内部の湿潤状態を判定して、その判定結果に応じて、燃料ガス供給系から燃料電池１のアノード側に供給される燃料ガス、或いは酸化剤ガス供給系から燃料電池１のカソード側に供給される酸化剤ガス（以下、燃料ガスと酸化剤ガスとを特に区別しないときは反応ガスと総称する。）の圧力と、純水供給系から燃料電池１に供給される加湿用の純水の圧力との圧力差を制御する機能を有している。   As described above, the control unit 2 controls the operation of the entire fuel cell system. In particular, in the fuel cell system to which the present invention is applied, the control unit 2 controls the wet state inside the fuel cell 1. According to the determination result, the fuel gas supplied from the fuel gas supply system to the anode side of the fuel cell 1 or the oxidant gas supplied from the oxidant gas supply system to the cathode side of the fuel cell 1 ( Hereinafter, when the fuel gas and the oxidant gas are not particularly distinguished, they are collectively referred to as a reaction gas.) And the pressure difference between the pressure of humidified pure water supplied to the fuel cell 1 from the pure water supply system. It has a function to control.

図２は、制御ユニット２に実現される機能のうちで、本発明を適用した燃料電池システムに特徴的な機能に関わる部分を表す機能ブロック図である。この図２に示すように、本発明を適用した燃料電池システムでは、制御ユニット２が、基準圧力設定手段３１と、湿潤状態判定手段３２と、目標圧力設定手段３３と、反応ガス圧力制御手段３４と、純水圧力制御手段３５とを有している。   FIG. 2 is a functional block diagram showing a part related to functions characteristic of the fuel cell system to which the present invention is applied, among the functions realized in the control unit 2. As shown in FIG. 2, in the fuel cell system to which the present invention is applied, the control unit 2 includes a reference pressure setting means 31, a wet state determination means 32, a target pressure setting means 33, and a reactive gas pressure control means 34. And pure water pressure control means 35.

基準圧力設定手段３１は、燃料電池１に要求される出力と温度センサ２７によって検出される燃料電池１の温度とに基づいて、燃料電池１に供給される反応ガスの基準圧力ＰＢＡＳＥ＿Ｒと、燃料電池１に供給される加湿用の純水の基準圧力ＰＢＡＳＥ＿Ｗとを設定するものである。ここで、反応ガスの基準圧力ＰＢＡＳＥ＿Ｒと純水の基準圧力ＰＢＡＳＥ＿Ｗとは、反応ガスの基準圧力ＰＢＡＳＥ＿Ｒが純水の基準圧力ＰＢＡＳＥ＿ＷよりもΔＰ１分だけ高くなるように、すなわち反応ガスの基準圧力ＰＢＡＳＥ＿Ｒと純水の基準圧力ＰＢＡＳＥ＿Ｗとの圧力差がΔＰ１となるように設定される。 The reference pressure setting means 31 is based on the output required for the fuel cell 1 and the temperature of the fuel cell 1 detected by the temperature sensor 27, and the reference pressure P BASE_R of the reaction gas supplied to the fuel cell 1 and the fuel A reference pressure P BASE_W for pure water for humidification supplied to the battery 1 is set. Here, the reference pressure P BASE_W reference pressure P BASE_R and pure water of the reaction gas, the reference pressure P BASE_R reactive gas to be higher by ΔP1 minutes than the reference pressure P BASE_W of pure water, i.e. the reaction gas The pressure difference between the reference pressure P BASE_R and the pure water reference pressure P BASE_W is set to be ΔP1.

湿潤状態判定手段３２は、セル電圧センサ２８によって検出される燃料電池１のセル電圧に基づいて、燃料電池１の湿潤状態を判定するものである。すなわち、燃料電池１が水過剰状態となると、セル電圧の変動幅が大きくなる傾向にあるので、湿潤状態判定手段３２はセル電圧センサ２８によって検出されるセル電圧の変動幅に基づいて、燃料電池１が水過剰状態となっているか否かを判定する。また、燃料電池１が乾燥状態となると、セル電圧が低下してくる傾向にあるので、湿潤状態判定手段３２はセル電圧センサ２８によって検出されるセル電圧の低下度合いに基づいて、燃料電池１が乾燥状態となっているか否かを判定する。   The wet state determination means 32 determines the wet state of the fuel cell 1 based on the cell voltage of the fuel cell 1 detected by the cell voltage sensor 28. That is, when the fuel cell 1 is in an excessive water state, the fluctuation range of the cell voltage tends to increase. Therefore, the wet state determination unit 32 determines the fuel cell based on the fluctuation range of the cell voltage detected by the cell voltage sensor 28. It is determined whether 1 is in an excessive water state. Further, since the cell voltage tends to decrease when the fuel cell 1 is in a dry state, the wet state determination means 32 determines whether the fuel cell 1 is based on the degree of decrease in the cell voltage detected by the cell voltage sensor 28. It is determined whether or not it is in a dry state.

目標圧力設定手段３３は、湿潤状態判定手段３２によって判定された燃料電池１の湿潤状態に応じて、基準圧力設定手段３１で設定された反応ガスの基準圧力ＰＢＡＳＥ＿Ｒ、或いは純水の基準圧力ＰＢＡＳＥ＿Ｗを補正して、反応ガスの目標圧力ＰＴＡＲＧＥＴ＿Ｒと純水の目標圧力ＰＴＡＲＧＥＴ＿Ｗとを設定するものである。すなわち、湿潤状態判定手段３２によって燃料電池１の湿潤状態が適正範囲内にあり、水過剰状態にも乾燥状態にもなっていないと判定された場合には、目標圧力設定手段３３は、基準圧力設定手段３１で設定された反応ガスの基準圧力ＰＢＡＳＥ＿Ｒ及び純水の基準圧力ＰＢＡＳＥ＿Ｗをそのまま反応ガスの目標圧力ＰＴＡＲＧＥＴ＿Ｒ及び純水の目標圧力ＰＴＡＲＧＥＴ＿Ｗとして設定するが、湿潤状態判定手段３２によって燃料電池１が水過剰状態にあると判定された場合には、目標圧力設定手段３３は、反応ガスの圧力と純水の圧力との圧力差がΔＰ１よりも大きくなるように、反応ガスの基準圧力ＰＢＡＳＥ＿Ｒ或いは純水の基準圧力ＰＢＡＳＥ＿Ｗを補正して、反応ガスの目標圧力ＰＴＡＲＧＥＴ＿Ｒと純水の目標圧力ＰＴＡＲＧＥＴ＿Ｗとを設定する。また、湿潤状態判定手段３２によって燃料電池１が乾燥状態にあると判定された場合には、目標圧力設定手段３３は、反応ガスの圧力と純水の圧力との圧力差がΔＰ１よりも小さくなるように、反応ガスの基準圧力ＰＢＡＳＥ＿Ｒ或いは純水の基準圧力ＰＢＡＳＥ＿Ｗを補正して、反応ガスの目標圧力ＰＴＡＲＧＥＴ＿Ｒと純水の目標圧力ＰＴＡＲＧＥＴ＿Ｗとを設定する。 The target pressure setting means 33 is based on the reference pressure P BASE_R of the reaction gas set by the reference pressure setting means 31 or the reference pressure P of pure water according to the wet state of the fuel cell 1 determined by the wet state determination means 32. BASE_W by correcting, is for setting the target pressure P TARGET_R and pure water in the reaction gas and the target pressure P TARGET_W. That is, when the wet state determination unit 32 determines that the wet state of the fuel cell 1 is within the appropriate range and is neither in an excessive water state nor in a dry state, the target pressure setting unit 33 sets the reference pressure. While setting a reference pressure P BASE_R and reference pressure P BASE_W of pure water set reaction gas in setting means 31 as it is as the target pressure P TARGET_W the target pressure P TARGET_R and pure water in the reaction gas, the wet state determining means 32 When it is determined that the fuel cell 1 is in an excessive water state, the target pressure setting means 33 sets the reference of the reaction gas so that the pressure difference between the reaction gas pressure and the pure water pressure is larger than ΔP1. The target pressure P TARGET_R of the reaction gas and the target pressure P T of pure water are corrected by correcting the pressure P BASE_R or the reference pressure P BASE_W of pure water. ARGET_W is set. When the wet state determination unit 32 determines that the fuel cell 1 is in the dry state, the target pressure setting unit 33 determines that the pressure difference between the reaction gas pressure and the pure water pressure is smaller than ΔP1. as described above, the reference pressure P BASE_W reference pressure P BASE_R or pure water of the reaction gas is corrected, it sets the target pressure P TARGET_R and pure water in the reaction gas and the target pressure P TARGET_W.

反応ガス圧力制御手段３４は、目標圧力設定手段３３で設定された反応ガスの目標圧力ＰＴＡＲＧＥＴ＿Ｒを実現するように、燃料ガス供給系に設けられた調圧バルブ４、或いは酸化剤ガス供給系に設けられた調圧バルブ１３の動作を制御するものである。すなわち、反応ガス圧力制御手段３４は、燃料電池１に供給される燃料ガスの圧力を制御する場合には、圧力センサ６によって検出される燃料ガスの圧力が、目標圧力設定手段３３で設定された反応ガスの目標圧力ＰＴＡＲＧＥＴ＿Ｒとなるように、調圧バルブ４に対して駆動指令を出力して、この調圧バルブ４の動作を制御する。また、反応ガス圧力制御手段３４は、燃料電池１に供給される酸化剤ガスの圧力を制御する場合には、圧力センサ１２によって検出される酸化剤ガスの圧力が、目標圧力設定手段３３で設定された反応ガスの目標圧力ＰＴＡＲＧＥＴ＿Ｒとなるように、調圧バルブ１３に対して駆動指令を出力して、この調圧バルブ１３の動作を制御する。 The reaction gas pressure control means 34, so as to realize the target pressure P TARGET_R the set reaction gas at the target pressure setting means 33, a pressure regulating valve 4 provided in the fuel gas supply system, or the oxidant gas supply system The operation of the pressure regulating valve 13 provided is controlled. That is, when the reaction gas pressure control means 34 controls the pressure of the fuel gas supplied to the fuel cell 1, the fuel gas pressure detected by the pressure sensor 6 is set by the target pressure setting means 33. A drive command is output to the pressure regulating valve 4 so that the target pressure P TARGET_R of the reaction gas is reached, and the operation of the pressure regulating valve 4 is controlled. Further, when the reactive gas pressure control means 34 controls the pressure of the oxidant gas supplied to the fuel cell 1, the target pressure setting means 33 sets the pressure of the oxidant gas detected by the pressure sensor 12. A drive command is output to the pressure regulating valve 13 to control the operation of the pressure regulating valve 13 so that the target pressure P TARGET_R of the reaction gas is obtained.

純水圧力制御手段３５は、目標圧力設定手段３３で設定された純水の目標圧力ＰＴＡＲＧＥＴ＿Ｗを実現するように、純水供給系に設けられた純水ポンプ２３の動作を制御するものである。すなわち、純水圧力制御手段３５は、圧力センサ２４によって検出される純水の圧力が、目標圧力設定手段３３で設定された純水の目標圧力ＰＴＡＲＧＥＴ＿Ｗとなるように、純水ポンプ２３に対して駆動指令を出力して、この純水ポンプ２３の動作を制御する。 The pure water pressure control means 35 controls the operation of the pure water pump 23 provided in the pure water supply system so as to realize the pure water target pressure P TARGET_W set by the target pressure setting means 33. . That is, the deionized water pressure control unit 35 controls the deionized water pump 23 so that the deionized water pressure detected by the pressure sensor 24 becomes the deionized water target pressure P TARGET_W set by the target pressure setting unit 33. The drive command is output to control the operation of the pure water pump 23.

本発明を適用した燃料電池システムでは、制御ユニット２における以上の各手段での処理によって、燃料電池１に要求される出力と燃料電池１の温度とに基づいて反応ガス及び純水の基準圧力が設定され、燃料電池１が水過剰状態にあると判定されたときには、反応ガスの圧力と純水の圧力との圧力差を増加させるように基準圧力が補正されて目標圧力が設定され、また、燃料電池１が乾燥状態にあると判定されたときには、反応ガスの圧力と純水の圧力との圧力差を減少させるように基準圧力が補正されて目標圧力が設定され、この目標圧力を実現するように反応ガス供給系と純水供給系との動作制御が行われることになる。   In the fuel cell system to which the present invention is applied, the reference pressure of the reaction gas and pure water is set based on the output required for the fuel cell 1 and the temperature of the fuel cell 1 by the processing in the above-described means in the control unit 2. When it is determined that the fuel cell 1 is in an excessive water state, the reference pressure is corrected so as to increase the pressure difference between the reaction gas pressure and the pure water pressure, and the target pressure is set. When it is determined that the fuel cell 1 is in a dry state, the reference pressure is corrected and the target pressure is set so as to reduce the pressure difference between the reaction gas pressure and the pure water pressure, and this target pressure is realized. Thus, operation control of the reactive gas supply system and the pure water supply system is performed.

図３は、本実施形態の燃料電池システムで使用される固体高分子型の燃料電池１の単セル構造を示す断面図である。この燃料電池１の単セルは、図３に示すように、膜・電極接合体４１と、アノードセパレータ４２及びカソードセパレータ４３と、冷却プレート４４とから構成される。   FIG. 3 is a cross-sectional view showing a single cell structure of the polymer electrolyte fuel cell 1 used in the fuel cell system of the present embodiment. As shown in FIG. 3, the single cell of the fuel cell 1 includes a membrane / electrode assembly 41, an anode separator 42, a cathode separator 43, and a cooling plate 44.

膜・電極接合体４１は、固体高分子膜よりなる電解質層の両面にアノード及びカソードとなる電極層が配置され、さらに各電極に接するようにガス拡散層がそれぞれ設けられてなる。固体高分子膜は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等のイオン（プロトン）伝導性を有する膜であり、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。また、電極層は、白金または、白金とその他の金属からなる触媒を含有するカーボンからなり、触媒の存在する面が電解質層と接触するように形成されている。ガス拡散層は、ガス拡散効果によって電極層に反応ガスを供給するものである。   In the membrane / electrode assembly 41, electrode layers serving as an anode and a cathode are disposed on both surfaces of an electrolyte layer made of a solid polymer film, and a gas diffusion layer is provided so as to be in contact with each electrode. The solid polymer membrane is a membrane having ion (proton) conductivity, such as a fluororesin-based ion exchange membrane, and functions as an ion conductive electrolyte when saturated with water. The electrode layer is made of platinum or carbon containing a catalyst made of platinum and other metals, and is formed so that the surface on which the catalyst exists is in contact with the electrolyte layer. The gas diffusion layer supplies a reaction gas to the electrode layer by a gas diffusion effect.

この膜・電極接合体４１では、アノード側に燃料ガスが供給されると、燃料ガス中の水素が水素イオン（プロトン）と電子とに解離し、水素イオンは電解質層を通過し、電子は外部回路を通って電力を発生させ、カソード側へとそれぞれ移動する。このときカソード側に酸化剤ガスが供給されていると、カソード側では酸化剤ガス中の酸素とアノード側から移動してきた水素イオン及び電子が反応して水が生成される。   In this membrane / electrode assembly 41, when fuel gas is supplied to the anode side, hydrogen in the fuel gas is dissociated into hydrogen ions (protons) and electrons, and the hydrogen ions pass through the electrolyte layer, and the electrons are external. Electric power is generated through the circuit and moved to the cathode side. If oxidant gas is supplied to the cathode side at this time, oxygen in the oxidant gas reacts with hydrogen ions and electrons moved from the anode side to generate water on the cathode side.

アノードセパレータ４２及びカソードセパレータ４３は、膜・電極接合体４１のアノード側に燃料ガス、カソード側に酸化剤ガスをそれぞれ供給すると共に、膜・電極接合体４１で生じた起電力により流れる電流を集電する機能を有するものであり、膜・電極接合体４１をその両側から挟み込むようにして各々配置されている。アノードセパレータ４２の膜・電極接合体４１と接する面には、燃料ガスを流通させる燃料ガス流路４２ａが形成されている。また、カソードセパレータ４２の膜・電極接合体４１と接する面には、酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス流路４３ａが形成されている。   The anode separator 42 and the cathode separator 43 supply fuel gas to the anode side of the membrane / electrode assembly 41 and oxidant gas to the cathode side, respectively, and collect current flowing due to electromotive force generated in the membrane / electrode assembly 41. The membrane / electrode assembly 41 is disposed so as to sandwich the membrane / electrode assembly 41 from both sides thereof. A fuel gas flow path 42 a through which fuel gas flows is formed on the surface of the anode separator 42 in contact with the membrane / electrode assembly 41. In addition, an oxidant gas flow path 43 a through which an oxidant gas flows is formed on the surface of the cathode separator 42 that contacts the membrane / electrode assembly 41.

また、冷却プレート４４は、冷却液を流通させて燃料電池１の温度調整を行うためのものであり、冷却液を流通させる冷却液流路４４ａが形成されて、例えば各単セル毎に１枚ずつ配置されている。   Further, the cooling plate 44 is for adjusting the temperature of the fuel cell 1 by circulating the cooling liquid, and has a cooling liquid channel 44a for circulating the cooling liquid, for example, one for each single cell. It is arranged one by one.

本発明を適用した燃料電池システムは内部加湿方式の燃料電池システムであるので、燃料電池１の単セルを構成するアノードセパレータ４２とカソードセパレータ４３の少なくとも何れか一方のセパレータ（本実施形態ではカソードセパレータ４３）は、多孔質材料よりなるポーラスプレートで構成されている。また、他方のセパレータ（本実施形態ではアノードセパレータ４２）と冷却プレート４４がソリッドプレートで構成されている。そして、ポーラスタイプのカソードセパレータ４３には、酸化剤ガス流路４３ａが形成された面とは逆側の面に、加湿用の純水を流通させる純水流路４３ｂが形成されている。この純水流路４３ｂに純水を流通させることで、ポーラスタイプのカソードセパレータ４３内部の空間（孔）は純水で満たされることになる。ポーラスタイプのカソードセパレータ４３は、このように内部の空間が純水で満たされることによって、この水によるシール機能が働いて、酸化剤ガス流路４３ａを流れる酸化剤ガスが純水流路４３ｂ側へと漏れ出すことが防止される。   Since the fuel cell system to which the present invention is applied is an internal humidification type fuel cell system, at least one of an anode separator 42 and a cathode separator 43 constituting a single cell of the fuel cell 1 (in this embodiment, a cathode separator). 43) is composed of a porous plate made of a porous material. The other separator (the anode separator 42 in the present embodiment) and the cooling plate 44 are formed of a solid plate. The porous cathode separator 43 is provided with a pure water passage 43b through which pure water for humidification is circulated on the surface opposite to the surface on which the oxidant gas passage 43a is formed. By allowing pure water to flow through the pure water passage 43b, the space (hole) inside the porous cathode separator 43 is filled with pure water. The porous cathode separator 43 is filled with pure water in this way, so that the sealing function by this water works, and the oxidant gas flowing through the oxidant gas flow path 43a moves toward the pure water flow path 43b. And leakage is prevented.

なお、本実施形態ではカソードセパレータ４３のみをポーラスタイプとしているが、アノードセパレータ４２のみにポーラスプレートを用いる、或いはアノードセパレータ４２とカソードセパレータ４３の両方にポーラスプレートを用いるようにしてもよい。   In this embodiment, only the cathode separator 43 is a porous type, but a porous plate may be used only for the anode separator 42, or a porous plate may be used for both the anode separator 42 and the cathode separator 43.

図４は、ポーラスタイプのセパレータであるカソードセパレータ４３の平面図であり、図４（ａ）が酸化剤ガス流路４３ａが形成された面、図４（ｂ）が純水流路４３ｂが形成された面をそれぞれ示している。上述したように、燃料電池１には反応ガスである燃料ガス及び酸化剤ガスと、温度調整のための冷却液と、加湿用の純水とが供給されるので、各単セルのセパレータ４２，４３及び冷却プレート４４には、燃料ガス供給マニホールド４５及び燃料ガス排出マニホールド４６、酸化剤ガス供給マニホールド４７及び酸化剤ガス排出マニホールド４８、冷却液供給マニホールド４９及び冷却液排出マニホールド５０、純水供給マニホールド５１及び純水排出マニホールド５２の計８つのマニホールドが、厚み方向に貫通するように形成されている。   4A and 4B are plan views of a cathode separator 43 that is a porous type separator. FIG. 4A shows a surface on which an oxidant gas flow path 43a is formed, and FIG. 4B shows a pure water flow path 43b. Each side is shown. As described above, the fuel cell 1 is supplied with the fuel gas and oxidant gas, which are the reaction gases, the coolant for adjusting the temperature, and the pure water for humidification. 43 and cooling plate 44 include fuel gas supply manifold 45 and fuel gas discharge manifold 46, oxidant gas supply manifold 47 and oxidant gas discharge manifold 48, coolant supply manifold 49 and coolant discharge manifold 50, and pure water supply manifold. A total of eight manifolds 51 and a pure water discharge manifold 52 are formed to penetrate in the thickness direction.

カソードセパレータ４３の酸化剤ガス流路４３ａは、図４（ａ）に示すように、入口側平行流路を流れる酸化剤ガスが集合流路で折り返されて出口側平行流路を流れるリターンタイプのフローパターンとされており、入口側平行流路が酸化剤ガス供給マニホールド４７に、出口側平行流路が酸化剤ガス排出マニホールド４８にそれぞれ接続されている。また、カソードセパレータ４３の純水流路４３ｂは、図４（ｂ）に示すように、酸化剤ガス流路４３ａの入口側平行流路及び出口側平行流路とは直交する方向に形成された平行流路を、入口側から出口側に向かって純水が流れるフローパターンとされており、平行流路の一端側が純水供給マニホールド５１に接続され、平行流路の他端が純水排出マニホールド５２に接続されている。そして、純水流路４３ｂを流れる純水は、酸化剤ガス流路４３ａ側で見ると、出口側平行流路から入口側平行流路に向かって、これらと直交する方向に流れるようになっている。   As shown in FIG. 4A, the oxidant gas flow path 43a of the cathode separator 43 is a return type in which the oxidant gas flowing through the inlet side parallel flow path is folded back in the collecting flow path and flows through the outlet side parallel flow path. The inlet side parallel flow path is connected to the oxidant gas supply manifold 47, and the outlet side parallel flow path is connected to the oxidant gas discharge manifold 48. Further, as shown in FIG. 4B, the pure water flow path 43b of the cathode separator 43 is a parallel formed in a direction orthogonal to the inlet side parallel flow path and the outlet side parallel flow path of the oxidant gas flow path 43a. The flow path has a flow pattern in which pure water flows from the inlet side toward the outlet side, one end of the parallel flow path is connected to the pure water supply manifold 51, and the other end of the parallel flow path is the pure water discharge manifold 52. It is connected to the. And the pure water which flows through the pure water flow path 43b flows in the direction orthogonal to these from the outlet side parallel flow path toward the inlet side parallel flow path when viewed on the oxidant gas flow path 43a side. .

したがって、酸化剤ガス供給マニホールド４７から酸化剤ガス流路４３ａの入口側平行流路に流れ込んだ乾燥状態の酸化剤ガスは、この入口側平行流路を流れる過程で、純水流路４３ｂを流れる純水によって加湿されることになる。また、集合流路で折り返されて出口側平行流路を流れる酸化剤ガスは、発電反応によって生じる生成水で水分過剰になる場合があるが、この出口側平行流路を流れる酸化剤ガスの水分過剰によって凝縮水が発生すると、その凝縮水が純水流路４３ｂの上流側へと受け渡され、純水流路４３ｂの上流側から下流側へと流れることで、酸化剤ガス流路４３ａの入口側平行流路での加湿に供される。   Accordingly, the dry oxidant gas flowing from the oxidant gas supply manifold 47 into the inlet side parallel flow path of the oxidant gas flow path 43a flows through the pure water flow path 43b in the course of flowing through the inlet side parallel flow path. It will be humidified by water. In addition, the oxidant gas that is folded back in the collective flow path and flows through the outlet-side parallel flow path may be excessive in the water generated by the power generation reaction. When condensed water is generated due to excess, the condensed water is transferred to the upstream side of the pure water channel 43b and flows from the upstream side to the downstream side of the pure water channel 43b, so that the inlet side of the oxidant gas channel 43a. It is used for humidification in parallel flow paths.

カソードセパレータ４３内における水移動の様子を図５に示す。なお、図５（ａ）は酸化剤ガス流路４３ａの出口側平行流路の部分（図４中のＡ−Ａ線）の断面図であり、図５（ｂ）は酸化剤ガス流路４３ａの入口側平行流路の部分（図４中のＢ−Ｂ線）の断面図である。   A state of water movement in the cathode separator 43 is shown in FIG. 5A is a cross-sectional view of the outlet side parallel flow path portion (the line AA in FIG. 4) of the oxidant gas flow path 43a, and FIG. 5B is the oxidant gas flow path 43a. It is sectional drawing of the part (BB line in FIG. 4) of the inlet side parallel flow path.

多孔質材料であるポーラスプレートよりなるカソードセパレータ４３内部には、多数の空間（孔）が存在するため、この空間を通じてカソードセパレータ４３内部を水が移動できるようになっている。ここで、水が移動するドライビングフォースは毛細管力であるため、水は余剰部分から不足部分へと自然に移動していくことになる。したがって、酸化剤ガス流路４３ａの出口側平行流路の部分では、図５（ａ）に示すように、生成水の凝縮によって酸化剤ガス流路４３ａ表面に形成された液相の水がカソードセパレータ４３内部を純水流路４３ｂ側に向かって移動する。一方、酸化剤ガス流路４３ａの入口側平行流路の部分では、図５（ｂ）に示すように、酸化剤ガスの加湿によって酸化剤ガス流路４３ａ表面で水が気化してカソードセパレータ４３内部の水を奪うので、純水流路４３ｂを流れる純水がカソードセパレータ４３内部を酸化剤ガス流路４３ａ側に向かって移動する。このようなカソードセパレータ４３内部での水の動きによって、カソードセパレータ４３内部に常に充分な水が存在することになり、この水で酸化剤ガスが加湿されて膜・電極接合体４１に供給されることで、膜・電極接合体４１の固体高分子膜の水分が最適に保たれることになる。また、このとき、酸化剤ガス流路４３ａを流れる酸化剤ガスは、カソードセパレータ４３に水シール機能が働いているので、純水流路４３ｂ側へと漏れ出すことはない。   Since there are many spaces (holes) inside the cathode separator 43 made of a porous plate made of a porous material, water can move inside the cathode separator 43 through these spaces. Here, since the driving force in which the water moves is a capillary force, the water naturally moves from the surplus portion to the deficient portion. Therefore, at the outlet side parallel flow path portion of the oxidant gas flow path 43a, as shown in FIG. 5A, the liquid phase water formed on the surface of the oxidant gas flow path 43a by the condensation of the produced water is the cathode. The separator 43 moves toward the pure water channel 43b side. On the other hand, at the inlet side parallel flow path portion of the oxidant gas flow path 43a, as shown in FIG. 5 (b), water is vaporized on the surface of the oxidant gas flow path 43a due to humidification of the oxidant gas, and the cathode separator 43. Since the internal water is taken away, the pure water flowing through the pure water flow path 43b moves inside the cathode separator 43 toward the oxidant gas flow path 43a. Due to such movement of the water inside the cathode separator 43, there is always sufficient water inside the cathode separator 43, and the oxidant gas is humidified with this water and supplied to the membrane-electrode assembly 41. As a result, the moisture of the solid polymer film of the membrane-electrode assembly 41 is optimally maintained. At this time, the oxidant gas flowing through the oxidant gas flow path 43a does not leak out to the pure water flow path 43b side because the cathode separator 43 has a water sealing function.

以上のように、カソードセパレータ４３にポーラスプレートを用いた燃料電池１では、当該燃料電池１での電気化学反応によって生じる生成水が、主に酸化剤ガス流路４３ａの出口側平行流路の部分で凝縮して液水となったものを、カソードセパレータ４３を介して純水流路４３ｂ側へと回収して酸化剤ガス流路４３ａ上流側での加湿に用いることで、燃料電池１内部での水分バランスを保つようにしている。ここで、酸化剤ガス流路４３ａの出口側平行流路の部分で、液水となった生成水をカソードセパレータ４３内部を通じて純水流路４３ｂ側へと適切に回収させるためには、酸化剤ガス流路４３ａ側の圧力、すなわち酸化剤ガスの圧力が、純水流路４３ｂ側の圧力、すなわち純水の圧力よりも高くなっていることが必要であり、このような燃料電池１を備える燃料電池システムでは、酸化剤ガス及び燃料ガス（反応ガス）の圧力を、純水の圧力よりも高い圧力となることを前提条件として、これらの圧力を制御している。   As described above, in the fuel cell 1 using the porous plate for the cathode separator 43, the generated water generated by the electrochemical reaction in the fuel cell 1 is mainly the part of the outlet side parallel flow path of the oxidant gas flow path 43a. In the fuel cell 1, the water that has been condensed in this way is recovered into the pure water channel 43 b via the cathode separator 43 and used for humidification on the upstream side of the oxidant gas channel 43 a. The water balance is maintained. Here, in order to appropriately recover the generated water that has become liquid water through the cathode separator 43 to the pure water flow path 43b side at the outlet side parallel flow path portion of the oxidant gas flow path 43a, the oxidant gas The pressure on the flow path 43a side, that is, the pressure of the oxidant gas needs to be higher than the pressure on the pure water flow path 43b side, that is, the pressure of pure water. A fuel cell including such a fuel cell 1 is required. In the system, the pressures of the oxidant gas and the fuel gas (reactive gas) are controlled on the precondition that the pressure is higher than the pressure of pure water.

このとき、反応ガスの圧力と純水の圧力との圧力差が大きいほど、酸化剤ガス流路４３ａの出口側平行流路の部分で液水となった生成水が純水流路４３ｂ側へと回収され易くなる。したがって、反応ガスの圧力と純水の圧力との圧力差が大きいほど、フラディングを防止する効果が高まることになり、フラッディング防止の観点からは、反応ガスの圧力と純水の圧力との圧力差を大きくする方が有利となる。フラッディングとは、電気化学反応によって発生した生成水が反応面から除去できずに、反応面への反応ガスの供給が不安定になることにより、燃料電池１での適切な発電が阻害される現象をいう。   At this time, the larger the pressure difference between the pressure of the reaction gas and the pressure of pure water, the more the generated water that has become liquid water at the outlet side parallel flow path portion of the oxidant gas flow path 43a moves toward the pure water flow path 43b. It becomes easy to collect. Therefore, the greater the pressure difference between the reaction gas pressure and the pure water pressure, the greater the effect of preventing flooding. From the standpoint of preventing flooding, the pressure between the reaction gas pressure and the pure water pressure. It is advantageous to increase the difference. Flooding is a phenomenon in which water generated by an electrochemical reaction cannot be removed from the reaction surface, and the supply of the reaction gas to the reaction surface becomes unstable, thereby preventing proper power generation in the fuel cell 1. Say.

また、その一方で、反応ガスの圧力と純水の圧力との圧力差が大きいほど、酸化剤ガス流路４３ａの入口側平行流路の部分では、純水流路４３ｂ側から酸化剤ガス流路４３ａ側へと移動する純水の移動スピードが低下するため、加湿が不十分なドライアウトと呼ばれる現象を生じやすくなり、ドライアウト防止の観点からは、反応ガスの圧力と純水の圧力との圧力差を小さくする方が有利となる。ドライアウトとは、純水流路４３ｂからカソードセパレータ４３を介して酸化剤ガス流路４３ａ側へと移動する水分量が不足し、加湿量が十分となって膜・電極接合体４１の固体高分子膜が乾燥することによって、燃料電池１での適切な発電が阻害される現象をいう。   On the other hand, the larger the pressure difference between the pressure of the reaction gas and the pressure of pure water, the greater the difference in pressure between the pure water flow path 43b and the oxidant gas flow path at the inlet side parallel flow path portion of the oxidant gas flow path 43a. Since the movement speed of pure water moving to the 43a side decreases, a phenomenon called dryout with insufficient humidification is likely to occur. From the viewpoint of preventing dryout, the reaction gas pressure and pure water pressure It is advantageous to reduce the pressure difference. The dryout means that the amount of moisture moving from the pure water channel 43b to the oxidant gas channel 43a side through the cathode separator 43 is insufficient, and the humidification amount becomes sufficient, so that the solid polymer of the membrane / electrode assembly 41 It means a phenomenon in which appropriate power generation in the fuel cell 1 is hindered by the drying of the membrane.

図６は、酸化剤ガス流路４３ａ中の酸化剤ガス圧力と純水流路４３ｂ中の純水圧力との関係を示したものである。上述したように、これら酸化剤ガス流路４３ａ及び純水流路４３ｂでは、常に酸化剤ガスの圧力が純水の圧力よりも高くなるように、これらの圧力が制御されている。ここで、酸化剤ガスの流路出口側の圧力と純水の流路入口側の圧力との圧力差をΔＰ２とすると、このΔＰ２が流路中における酸化剤ガスの圧力と純水の圧力との圧力差の最小値となる。この圧力差の最小値であるΔＰ２をある程度確保しておかないと、フラッディングが発生することになる。 FIG. 6 shows the relationship between the oxidant gas pressure in the oxidant gas flow path 43a and the pure water pressure in the pure water flow path 43b. As described above, in the oxidant gas flow path 43a and the pure water flow path 43b, these pressures are controlled so that the pressure of the oxidant gas is always higher than the pressure of pure water. Here, when the pressure difference between the pressure in the flow path inlet side of the pressure and pure water flow path outlet side of the oxidant gas and [Delta] P 2, the [Delta] P 2 is the pressure of pure water in the oxidant gas in the flow path It is the minimum value of the pressure difference from the pressure. If ΔP 2 that is the minimum value of the pressure difference is not secured to some extent, flooding occurs.

また、酸化剤ガスの流路入口側の圧力と純水の流路出口側の圧力との圧力差をΔＰ１とすると、このΔＰ１が流路中における酸化剤ガスの圧力と純水の圧力との圧力差の最大値となる。この圧力差の最大値であるΔＰ１が、カソードセパレータ４３のバブルプレッシャであるΔＰＢよりも大きくなると、カソードセパレータ４３の水シールが機能しなくなって、酸化剤ガス流路４３ａ側から純水流路４３ｂ側へと酸化剤ガスが漏れ出してしまうことになるので、ΔＰ１はΔＰＢよりも小さくする必要がある。 Further, if the pressure difference between the pressure on the oxidant gas flow path inlet side and the pressure on the pure water flow path outlet side is ΔP 1 , ΔP 1 is the pressure of the oxidant gas in the flow path and the pressure of pure water. And the maximum pressure difference. [Delta] P 1 is the maximum value of this pressure difference becomes larger than [Delta] P B is the bubble pressure of the cathode separator 43, the water seal of the cathode separator 43 is no longer functioning, pure water passage from the oxidizing gas passage 43a side Since the oxidant gas leaks to the 43b side, ΔP 1 needs to be smaller than ΔP B.

図７は、酸化剤ガスの流路入口側の圧力と純水の流路出口側の圧力との圧力差ΔＰ１の大きさと、酸化剤ガス流路４３ａ側から純水流路４３ｂ側への酸化剤ガスの漏れ量との関係を示したものである。この図７に示すように、ΔＰ１がΔＰＢよりも小さい値に保たれていれば、酸化剤ガス流路４３ａ側から純水流路４３ｂ側へと酸化剤ガスが漏れ出すことはないが、ΔＰ１がΔＰＢを越えると酸化剤ガスのガス漏れが始まり、ΔＰ１が大きくなるにつれて、酸化剤ガスの漏れ量が急激に増加することになる。 FIG. 7 shows the magnitude of the pressure difference ΔP 1 between the pressure on the oxidant gas flow path inlet side and the pressure on the pure water flow path outlet side, and the oxidation from the oxidant gas flow path 43 a side to the pure water flow path 43 b side. It shows the relationship with the leakage amount of the agent gas. As shown in FIG. 7, if ΔP 1 is kept at a value smaller than ΔP B , the oxidant gas does not leak from the oxidant gas flow path 43a side to the pure water flow path 43b side. When ΔP 1 exceeds ΔP B , oxidant gas leakage begins, and as ΔP 1 increases, the amount of oxidant gas leakage increases abruptly.

燃料電池システムでは、燃料電池１に要求される要求出力に応じて燃料電池１へと供給する燃料ガス及び酸化剤ガス（反応ガス）の流量が決定される。このとき、反応ガスの圧損の増加を抑えるために、反応ガスの流量変化に伴って反応ガスの圧力も変化させるようにしているが、反応ガス（本実施形態では酸化剤ガス）の圧力との純水の圧力との圧力差は、上述したように燃料電池１内部における水バランスに大きく影響するので、これらの圧力差を最適に制御することが望まれる。ここで、流路中における酸化剤ガスの圧力と純水の圧力との圧力差の最小値ΔＰ２が常に既定値以上となるようにこれらの圧力差を制御すると、システムの運転状況によっては、流路中における酸化剤ガスの圧力と純水の圧力との圧力差の最大値ΔＰ１がカソードセパレータ４３のバブルプレッシャΔＰＢよりも大きくなって、酸化剤ガスのガス漏れが生じてしまう場合がある。 In the fuel cell system, the flow rates of the fuel gas and the oxidant gas (reactive gas) supplied to the fuel cell 1 are determined according to the required output required for the fuel cell 1. At this time, in order to suppress an increase in the pressure loss of the reaction gas, the pressure of the reaction gas is also changed in accordance with the change in the flow rate of the reaction gas, but the pressure of the reaction gas (oxidant gas in the present embodiment) Since the pressure difference from the pure water pressure greatly affects the water balance in the fuel cell 1 as described above, it is desirable to optimally control these pressure differences. Here, if these pressure differences are controlled so that the minimum value ΔP 2 of the pressure difference between the pressure of the oxidant gas in the flow path and the pressure of pure water is always equal to or greater than the predetermined value, depending on the operating conditions of the system, In some cases, the maximum value ΔP 1 of the pressure difference between the pressure of the oxidant gas in the flow path and the pressure of pure water becomes larger than the bubble pressure ΔP B of the cathode separator 43, resulting in gas leakage of the oxidant gas. is there.

そこで、本実施形態の燃料電池システムでは、制御ユニット２が燃料電池１の湿潤状態を判定し、その判定結果に応じて酸化剤ガスの圧力と純水の圧力との圧力差を最適な状態に制御するようにしている。具体的には、燃料電池１が水過剰状態にあってフラッディングが発生する状況にある場合には、これらの圧力差を増加させて、カソードセパレータ４３の酸化剤流路４３ａ側から純水流路４３ｂ側への水の移動を積極的に生じさせ、燃料電池１での電気化学反応によって発生した生成水を反応面から除去できるようにしている。また、燃料電池１が乾燥状態にあってドライアウトが発生する状況にある場合には、これらの圧力差を減少させて、カソードセパレータ４３の純水流路４３ｂ側から酸化剤流路４３ａ側への水の移動を積極的に生じさせ、このカソードセパレータ４３内部を移動する水によって十分な加湿が行われるようにしている。   Therefore, in the fuel cell system of the present embodiment, the control unit 2 determines the wet state of the fuel cell 1, and sets the pressure difference between the pressure of the oxidant gas and the pressure of pure water to an optimal state according to the determination result. I try to control it. Specifically, when the fuel cell 1 is in an excessive water state and flooding occurs, these pressure differences are increased so that the pure water channel 43b from the oxidant channel 43a side of the cathode separator 43 is increased. Water is actively generated to the side, so that water generated by the electrochemical reaction in the fuel cell 1 can be removed from the reaction surface. Further, when the fuel cell 1 is in a dry state and dryout occurs, these pressure differences are reduced so that the pure water flow path 43b side of the cathode separator 43 moves from the oxidant flow path 43a side. Water is positively moved, and sufficient humidification is performed by the water moving inside the cathode separator 43.

ここで、燃料電池１の湿潤状態は、セル電圧センサ２８によって検出される燃料電池１のセル電圧に基づいて判定することが可能である。   Here, the wet state of the fuel cell 1 can be determined based on the cell voltage of the fuel cell 1 detected by the cell voltage sensor 28.

燃料電池１の湿潤状態が標準状態のときのセル電圧の変化の様子を図８（ａ）、水過剰状態のときのセル電圧の変化の様子を図８（ｂ）にそれぞれ示す。これら図８（ａ）及び図８（ｂ）に示すように、燃料電池１の内部が水過剰状態となると、電気化学反応によって発生する生成水が反応面から確実に除去されずに、反応ガスの供給が不安定となるため、標準の湿潤状態のときと比べて、セル電圧に大きなばらつきが発生することになる。したがって、このセル電圧ＶＣのばらつきとして、例えば標準偏差σＶＣを見ることによって、燃料電池１内部の水過剰状態によるフラッディングの発生を予測することができる。 FIG. 8A shows a change in the cell voltage when the fuel cell 1 is in the standard state, and FIG. 8B shows a change in the cell voltage when the fuel cell 1 is in an excessive water state. As shown in FIGS. 8A and 8B, when the inside of the fuel cell 1 is in an excessive water state, the generated water generated by the electrochemical reaction is not reliably removed from the reaction surface, and the reaction gas As a result, the cell voltage will vary more greatly than in the standard wet state. Therefore, as the variation of the cell voltage V C , for example, the occurrence of flooding due to the excessive water state in the fuel cell 1 can be predicted by looking at the standard deviation σV C.

本実施形態の燃料電池システムでは、制御ユニット２でこのセル電圧ＶＣの標準偏差σＶＣから燃料電池１が水過剰状態となっているか否か判定し、フラッディングの発生が予測される場合には、酸化剤ガスの圧力と純水の圧力との圧力差を増加させるように、これらの圧力差を制御することによって、生成水を反応面から除去できるようにしている。 When the fuel cell system of this embodiment, the fuel cell 1 from the standard deviation [sigma] v C of the cell voltage V C at the control unit 2 determines whether or not a water excess state, flooding is predicted The generated water can be removed from the reaction surface by controlling the pressure difference so that the pressure difference between the pressure of the oxidant gas and the pressure of pure water is increased.

燃料電池１の湿潤状態が標準状態のときのセル電圧の変化の様子を図９（ａ）、乾燥状態のときのセル電圧の変化の様子を図９（ｂ）にそれぞれ示す。これら図９（ａ）及び図９（ｂ）に示すように、燃料電池１の内部が乾燥状態となると、膜・電極接合体４１の固体高分子膜が乾燥してセル抵抗が増加するため、標準の湿潤状態のときと比べて、セル電圧が低下することになる。したがって、このセル電圧の低下代ΔＶＣを見ることによって、燃料電池１内部の乾燥状態によるドライアウトの発生を予測することができる。 FIG. 9A shows how the cell voltage changes when the fuel cell 1 is in the standard state, and FIG. 9B shows how the cell voltage changes when the fuel cell 1 is in the dry state. As shown in FIGS. 9A and 9B, when the inside of the fuel cell 1 is in a dry state, the solid polymer film of the membrane-electrode assembly 41 is dried and the cell resistance increases. The cell voltage will be lower than in the standard wet state. Therefore, by looking at the drop allowance [Delta] V C of the cell voltage, it is possible to predict the occurrence of dry-out by dry in the fuel cell 1.

本実施形態の燃料電池システムでは、制御ユニット２でこのセル電圧の低下代ΔＶＣから燃料電池１が乾燥状態となっているか否かを判定し、ドライアウトの発生が予測される場合には、酸化剤ガスの圧力と純水の圧力との圧力差を減少させるように、これらの圧力差を制御することによって、純水流路４３ｂ側から酸化剤ガス流路４３ａ側へと純水が流れ易くなるようにしている。 When the fuel cell system of this embodiment, the fuel cell 1 is determined whether a dry state, the occurrence of dry-out is predicted from the drop allowance [Delta] V C of the cell voltage at the control unit 2, By controlling these pressure differences so as to reduce the pressure difference between the pressure of the oxidant gas and the pressure of pure water, pure water can easily flow from the pure water channel 43b side to the oxidant gas channel 43a side. It is trying to become.

ここで、本実施形態の燃料電池システムで特徴的な制御ユニット２による差圧制御の一例について、図１０のフローチャートに沿って具体的に説明する。   Here, an example of differential pressure control by the control unit 2 which is characteristic in the fuel cell system of the present embodiment will be specifically described along the flowchart of FIG.

制御ユニット２は、先ず、ステップＳ１０１において、燃料電池１に要求される要求出力Ｗと、温度センサ２７によって検出される燃料電池１の温度検出値ＴＦとを読み込む。なお、ここでは燃料電池１の温度として温度センサ２７によって検出される燃料電池１自体の温度検出値を用いているが、燃料電池１に供給される冷却液の温度が燃料電池１の温度を反映しているので、この冷却液の温度を温度センサで検出してその検出値を用いるようにしてもよい。 First, in step S101, the control unit 2 reads the required output W required for the fuel cell 1 and the temperature detection value TF of the fuel cell 1 detected by the temperature sensor 27. Although the temperature detection value of the fuel cell 1 itself detected by the temperature sensor 27 is used as the temperature of the fuel cell 1 here, the temperature of the coolant supplied to the fuel cell 1 reflects the temperature of the fuel cell 1. Therefore, the temperature of the coolant may be detected by a temperature sensor and the detected value may be used.

そして、ステップＳ１０２において、これら読み込んだ要求出力Ｗと温度検出値ＴＦとに基づいて、反応ガス（ここでは酸化剤ガス）の基準圧力ＰＢＡＳＥ＿Ｒと、加湿用の純水の基準圧力ＰＢＡＳＥ＿Ｗとを設定する（基準圧力設定手段３１）。ここで、反応ガスの基準圧力ＰＢＡＳＥ＿Ｒは、図１１に示すようなマップを用いて算出する。この図１１に示すように、反応ガスの基準圧力ＰＢＡＳＥ＿Ｗは、燃料電池１に要求される要求出力Ｗが高いほど、また、燃料電池１の温度検出値ＴＦが高いほど高い値に設定される。なお、燃料電池１の温度が低いときに反応ガス圧力を下げるのは、その圧力低下分を反応ガスの流量増加によって賄うことでガスの流速を高くし、生成水を押し流すためである。また、純水の基準圧力ＰＢＡＳＥ＿Ｗは、図１２に示すようなマップを用いて算出する。この図１２に示すように、純水の基準圧力ＰＢＡＳＥ＿Ｗは、燃料電池１に要求される要求出力Ｗが高いほど高い値に設定される。 In step S102, based on the read request output W and the detected temperature value TF , the reference pressure PBASE_R of the reaction gas (oxidant gas in this case) and the reference pressure PBASE_W of the pure water for humidification are obtained . Is set (reference pressure setting means 31). Here, the reference pressure P BASE_R of the reaction gas is calculated using a map as shown in FIG. As shown in FIG. 11, the reference pressure P BASE_W of the reaction gas is set to a higher value as the required output W required for the fuel cell 1 is higher and as the temperature detection value TF of the fuel cell 1 is higher. The The reason why the reaction gas pressure is lowered when the temperature of the fuel cell 1 is low is to increase the flow rate of the gas by covering the pressure drop by increasing the flow rate of the reaction gas, thereby flushing out the generated water. Further, the reference pressure P BASE_W of pure water is calculated using a map as shown in FIG. As shown in FIG. 12, the reference pressure P BASE_W of pure water is set to a higher value as the required output W required for the fuel cell 1 is higher.

次に、制御ユニット２は、ステップＳ１０３において、セル電圧センサ２８によって検出される燃料電池１のセル電圧検出値ＶＣを読み込む。そして、ステップＳ１０４において、セル電圧ＶＣの降下代ΔＶＣに基づいて、燃料電池１内部が乾燥状態にあるか否かを判定する（湿潤状態判定手段３２）。具体的には、セル電圧ＶＣの降下代ΔＶＣと所定の判定閾値ΔＶＣ０（例えば１ｍＶ／ｈｏｕｒ）とを比較して、セル電圧降下代ΔＶＣが閾値ΔＶＣ０を越えていれば、燃料電池１内部がドライアウトに繋がる乾燥状態にあると判定して次のステップＳ１０５に進み、セル電圧降下代ΔＶＣが閾値ΔＶＣ０以下であればステップＳ１０７へと処理を移行する。 Next, the control unit 2, in step S103, reads the cell voltage detection value V C of the fuel cell 1 detected by the cell voltage sensor 28. Then, in step S104, based on the drop margin [Delta] V C of the cell voltage V C, the fuel cell 1 inside determines whether in a dry state (wet state determining means 32). Specifically, when the cell voltage drop allowance ΔV C exceeds the threshold ΔV C 0 by comparing the drop allowance ΔV C of the cell voltage V C with a predetermined determination threshold ΔV C 0 (for example, 1 mV / hour). Then, it is determined that the inside of the fuel cell 1 is in a dry state that leads to dryout, and the process proceeds to the next step S105. If the cell voltage drop ΔV C is equal to or less than the threshold value ΔV C 0, the process proceeds to step S107.

ステップＳ１０４で燃料電池１内部がドライアウトに繋がる乾燥状態にあると判定した場合、制御ユニット２は、次に、ステップＳ１０５において、純水の基準圧力ＰＢＡＳＥ＿Ｗに対する補正値αを設定し、ステップＳ１０６において、純水の基準圧力ＰＢａｓｅ＿Ｗを補正値αで補正して、純水の目標圧力ＰＴＡＲＧＥＴ＿Ｗ（ＰＴＡＲＧＥＴ＿Ｗ＝ＰＢＡＳＥ＿Ｗ＋α）を設定する（目標圧力設定手段３３）。ここで、基準圧力ＰＢＡＳＥ＿Ｗに対する補正値αは、例えば１ｋＰａとする。なお、本例では、反応ガスの目標圧力ＰＴＡＲＧＥＴ＿Ｒについては、ステップＳ１０２で設定した反応ガスの基準圧力ＰＢＡＳＥ＿Ｒがそのまま反応ガスの目標圧力ＰＴＡＲＧＥＴ＿Ｒとして設定される。 If it is determined in step S104 that the inside of the fuel cell 1 is in a dry state leading to dryout, the control unit 2 next sets a correction value α for the reference pressure P BASE_W of pure water in step S105, and step S106. , The reference pressure P Base_W of pure water is corrected by the correction value α, and the target pressure P TARGET_W (P TARGET_W = P BASE_W + α) of pure water is set (target pressure setting means 33). Here, the correction value α for the reference pressure P BASE_W is, for example, 1 kPa. In this example, for the target pressure P TARGET_R of the reaction gas, the reference pressure P BASE_R of the reaction gas set in step S102 is set as the target pressure P TARGET_R of the reaction gas as it is.

一方、ステップＳ１０４で燃料電池１内部が乾燥状態にないと判定した場合、制御ユニット２は、次に、ステップＳ１０７において、セル電圧検出値ＶＣのばらつき（標準偏差）σＶＣに基づいて、燃料電池１内部が水過剰状態にあるか否かを判定する（湿潤状態判定手段３２）。具体的には、セル電圧ＶＣのばらつきσＶＣと所定の判定閾値σＶＣ０（例えば５ｍＶ）とを比較して、セル電圧ばらつきσＶＣが閾値σＶＣ０を越えていれば、燃料電池１内部がフラッディングに繋がる水過剰状態にあると判定して次のステップＳ１０８に進み、セル電圧ばらつきσＶＣが閾値σＶＣ０以下であればステップＳ１１２へと処理を移行する。 On the other hand, when the fuel cell 1 inside is determined not to dryness in the step S104, the control unit 2, then, in step S107, on the basis of the variation of the cell voltage detection value V C (standard deviation) [sigma] v C, fuel It is determined whether or not the inside of the battery 1 is in an excessive water state (wet state determination means 32). Specifically, the variation σV C of the cell voltage V C is compared with a predetermined determination threshold σV C 0 (for example, 5 mV), and if the cell voltage variation σV C exceeds the threshold σV C 0, the fuel cell 1 It is determined that the inside is in an excessive water state leading to flooding, and the process proceeds to the next step S108. If the cell voltage variation σV C is equal to or less than the threshold σV C 0, the process proceeds to step S112.

ステップＳ１０７で燃料電池１内部がフラッディングに繋がる水過剰状態にあると判定した場合、制御ユニット２は、次に、ステップＳ１０８において、純水の基準圧力ＰＢａｓｅ＿Ｗに対する補正値βを設定し、ステップＳ１０９において、純水の基準圧力ＰＢＡＳＥ＿Ｗを補正値βで補正した純水の目標圧力ＰＴＡＲＧＥＴ＿Ｗ（ＰＴＡＲＧＥＴ＿Ｗ＝ＰＢＡＳＥ＿Ｗ−β）を設定する（目標圧力設定手段３３）。ここで、基準圧力ＰＢＡＳＥ＿Ｗに対する補正値βは、例えば２ｋＰａとする。なお、この場合も、反応ガスの目標圧力ＰＴＡＲＧＥＴ＿Ｒについては、ステップＳ１０２で設定した反応ガスの基準圧力ＰＢＡＳＥ＿Ｒがそのまま反応ガスの目標圧力ＰＴＡＲＧＥＴ＿Ｒとして設定される。 If the fuel cell 1 inside is determined to be in the water excess state lead to flooding in step S107, the control unit 2, then, in step S108, and sets a correction value β for the reference pressure P Base_W of pure water, the step S109 Then, a pure water target pressure P TARGET_W (P TARGET_W = P BASE_W −β) obtained by correcting the pure water reference pressure P BASE_W with the correction value β is set (target pressure setting means 33). Here, the correction value β for the reference pressure P BASE_W is, for example, 2 kPa. In this case as well, for the reaction gas target pressure P TARGET_R , the reaction gas reference pressure P BASE_R set in step S102 is set as the reaction gas target pressure P TARGET_R as it is.

次に、制御ユニット２は、ステップＳ１１０において、反応ガス（本例では酸化剤ガス）の圧力と純水の圧力とをステップＳ１０９で設定した目標圧力とした場合における、カソードセパレータ４３内でのこれらの圧力差の最大値ΔＰ１を求める。そして、ステップＳ１１１において、この圧力差の最大値ΔＰ１が、カソードセパレータ４３のバブルプレッシャであるΔＰＢよりも大きくなるかどうかを判定する。この判定の結果、圧力差の最大値ΔＰ１がΔＰＢ以下であれば、ステップＳ１０９で設定した純水の目標圧力ＰＴＡＲＧＥＴ＿Ｗ（ＰＴＡＲＧＥＴ＿Ｗ＝ＰＢＡＳＥ＿Ｗ−β）が維持されるが、圧力差の最大値ΔＰ１がΔＰＢよりも大きくなると判定された場合には、ガス漏れが生じる懸念があるので、次のステップＳ１１２において、純水の目標圧力ＰＴＡＲＧＥＴ＿Ｗを補正値βで補正する前の圧力、すなわちステップＳ１０２で設定した純水の基準圧力ＰＢＡＳＥ＿Ｗに戻す。 Next, in step S110, the control unit 2 sets the pressure in the cathode separator 43 when the pressure of the reaction gas (oxidant gas in this example) and the pressure of pure water are set to the target pressure set in step S109. The maximum value ΔP 1 of the pressure difference is obtained. In step S 111, it is determined whether or not the maximum value ΔP 1 of the pressure difference is larger than ΔP B that is the bubble pressure of the cathode separator 43. As a result of this determination, if the maximum value ΔP 1 of the pressure difference is equal to or less than ΔP B , the pure water target pressure P TARGET_W (P TARGET_W = P BASE_W −β) set in step S109 is maintained. If it is determined that the maximum value ΔP 1 is larger than ΔP B , there is a risk of gas leakage. Therefore, in the next step S112, the pressure before correcting the target pressure P TARGET_W of pure water with the correction value β. That is, it returns to the pure water reference pressure P BASE_W set in step S102.

また、ステップＳ１０４で燃料電池１内部が乾燥状態にないと判定し、且つ、ステップＳ１０７で燃料電池１内部が水過剰状態でもないと判定した場合にも、ステップＳ１１２において、ステップＳ１０２で設定した純水の基準圧力ＰＢＡＳＥ＿Ｗがそのまま純水の目標圧力ＰＴＡＲＧＥＴ＿Ｗとして設定され、また、ステップＳ１０２で設定した反応ガスの基準圧力ＰＢＡＳＥ＿Ｒがそのまま反応ガスの目標圧力ＰＴＡＲＧＥＴ＿Ｒとして設定される。 Also, if it is determined in step S104 that the inside of the fuel cell 1 is not in a dry state, and it is determined in step S107 that the inside of the fuel cell 1 is not in an excessive water state, the pure value set in step S102 is set in step S112. The water reference pressure P BASE_W is set as it is as the pure water target pressure P TARGET_W , and the reaction gas reference pressure P BASE_R set in step S102 is set as the reaction gas target pressure P TARGET_R as it is.

最後に、制御ユニット２は、ステップＳ１１３において、ステップＳ１０６、またはステップＳ１０９、またはステップＳ１１２で設定した目標圧力ＰＴＡＲＧＥＴ＿Ｒ、ＰＴＡＲＧＥＴ＿Ｗを実現するように、反応ガス供給系の動作（本例では酸化剤ガス供給系の調圧バルブ１３の動作）を制御する（反応ガス圧力制御手段３４）と共に、純水供給系の純水ポンプ２３の動作を制御して（純水圧力制御手段３５）、リターンする。 Finally, in step S113, the control unit 2 operates the reaction gas supply system (in this example, the oxidizing agent so as to realize the target pressures P TARGET_R and P TARGET_W set in step S106, step S109, or step S112). The operation of the pressure regulating valve 13 of the gas supply system) is controlled (reaction gas pressure control means 34), and the operation of the pure water pump 23 of the pure water supply system is controlled (pure water pressure control means 35), and the process returns. .

以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムでは、制御ユニット２が燃料電池１の湿潤状態を判定し、燃料電池１内部がドライアウトに繋がるような乾燥状態にあるときは、反応ガス（本例では酸化剤ガス）の圧力と純水の圧力との圧力差を減少させて、純水流路４３ｂ側から反応ガス流路（本例では酸化剤ガス流路４３ａ）側への水分移動を積極的に生じさせるようにしていると共に、燃料電池１内部がフラッディングに繋がるような水過剰状態にあるときには、反応ガス（本例では酸化剤ガス）の圧力と純水の圧力との圧力差をポーラスプレートのバブルプレッシャを越えない範囲で増加させて、反応ガス流路（本例では酸化剤ガス流路４３ａ）側から純水流路４３ｂ側への水分移動を積極的に生じさせるようにしているので、燃料電池１の運転条件や環境条件に因らず、常に燃料電池１内部の水分バランスを最適な状態に保って、ドライアウトの発生やフラッディングの発生を有効に抑制することができる。   As described above, in the fuel cell system of this embodiment, when the control unit 2 determines the wet state of the fuel cell 1 and the fuel cell 1 is in a dry state that leads to dryout, the reaction gas ( In this example, the pressure difference between the pressure of the oxidant gas) and the pressure of pure water is reduced to move the moisture from the pure water channel 43b side to the reaction gas channel (oxidant gas channel 43a in this example) side. When the fuel cell 1 is in a water-excess state that leads to flooding, the pressure difference between the pressure of the reaction gas (oxidant gas in this example) and the pressure of pure water is increased. It is increased within a range not exceeding the bubble pressure of the porous plate, so that moisture movement from the reaction gas channel (oxidant gas channel 43a in this example) side to the pure water channel 43b side is positively generated. So Fee regardless of the operating conditions and environmental conditions of the battery 1, always maintaining the water balance in the fuel cell 1 in an optimum state, it is possible to effectively suppress the occurrence of dry-out occurred and flooding.

なお、以上説明した例では、カソードセパレータ４３をポーラスプレートで構成し、このカソードセパレータ４３内部を通じて水分を移動させることを前提として、燃料電池１の湿潤状態に応じて酸化剤ガスの圧力と純水の圧力との圧力差を制御するようにしているが、アノードセパレータ４２をポーラスプレートで構成し、このアノードセパレータ４２内部を通じて水分を移動させる場合には、上述した例と同様に、燃料電池１の湿潤状態に応じて燃料ガスの圧力と純水の圧力との圧力差を制御するようにすれば、同様の効果を得ることができる。   In the example described above, the cathode separator 43 is formed of a porous plate, and the pressure of the oxidant gas and the pure water are determined according to the wet state of the fuel cell 1 on the assumption that the moisture moves through the cathode separator 43. However, in the case where the anode separator 42 is formed of a porous plate and moisture is moved through the anode separator 42, the fuel cell 1 of the fuel cell 1 is controlled as in the above-described example. The same effect can be obtained if the pressure difference between the pressure of the fuel gas and the pressure of pure water is controlled according to the wet state.

（第２の実施形態）
次に、本発明を適用した燃料電池システムの第２の実施形態について説明する。本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池１のアノードセパレータ４２とカソードセパレータ４３の双方をポーラスプレートで構成し、反応ガスと純水の圧力差を反応ガスの圧力で制御するようにした点に特徴を有するものである。なお、基本的なシステム構成は上述した第１の実施形態と同様であるので、以下、第１の実施形態と同様の部分については重複した説明を省略し、本実施形態に特徴的な部分について詳しく説明する。 (Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the fuel cell system to which the present invention is applied will be described. In the fuel cell system of the present embodiment, both the anode separator 42 and the cathode separator 43 of the fuel cell 1 are constituted by porous plates, and the pressure difference between the reaction gas and pure water is controlled by the pressure of the reaction gas. It has characteristics. Since the basic system configuration is the same as that of the first embodiment described above, the description of the same parts as those of the first embodiment will be omitted below, and the characteristic parts of this embodiment will be omitted. explain in detail.

図１３は、本実施形態の燃料電池システムで使用される固体高分子型の燃料電池１の単セル構造を示す断面図である。本実施形態の燃料電池システムで使用される燃料電池１では、アノードセパレータ４２とカソードセパレータ４３の双方がポーラスプレートで構成されている。そして、カソードセパレータ４３に純水流路４３ｂが形成されている点は第１の実施形態で使用した燃料電池１（図３参照）と同様であるが、本実施形態で使用する燃料電池１では、アノードセパレータ４２の燃料ガス流路４２ａが形成された面とは逆側の面にも、加湿用の純水を流通させる純水流路４２ｂが形成されている。   FIG. 13 is a cross-sectional view showing a single cell structure of the polymer electrolyte fuel cell 1 used in the fuel cell system of the present embodiment. In the fuel cell 1 used in the fuel cell system of the present embodiment, both the anode separator 42 and the cathode separator 43 are constituted by porous plates. And the point that the pure water flow path 43b is formed in the cathode separator 43 is the same as that of the fuel cell 1 (see FIG. 3) used in the first embodiment, but in the fuel cell 1 used in the present embodiment, A pure water flow path 42b for flowing humidifying pure water is also formed on the surface of the anode separator 42 opposite to the surface where the fuel gas flow path 42a is formed.

この燃料電池１では、アノードセパレータ４２に形成された純水流路４２ｂに純水を流通させることで、カソードセパレータ４３と同様に、アノードセパレータ４２内部の空間（孔）も純水で満たされることになる。そして、このように内部の空間が純水で満たされることによって、アノードセパレータ４２に水シール機能が働いて、燃料ガス流路４２ａを流れる燃料ガスが純水流路４２ｂ側へと漏れ出すことが防止される。   In this fuel cell 1, the pure water is circulated through the pure water flow path 42 b formed in the anode separator 42, so that the space (hole) inside the anode separator 42 is filled with pure water as in the cathode separator 43. Become. In addition, when the internal space is filled with pure water in this way, a water sealing function works on the anode separator 42 to prevent the fuel gas flowing through the fuel gas passage 42a from leaking to the pure water passage 42b side. Is done.

また、本実施形態で使用する燃料電池１では、アノードセパレータ４２とカソードセパレータ４３の双方がポーラスプレートで構成されたことに伴い、ソリッドプレートよりなる冷却プレート４４は、冷却液流路４４ａがプレート内部を貫通するように形成されて、冷却液流路４４ａを流れる冷却液がアノードセパレータ４２やカソードセパレータ４３側に漏れ出すことが防止されている。   Further, in the fuel cell 1 used in the present embodiment, since both the anode separator 42 and the cathode separator 43 are composed of porous plates, the cooling plate 44 made of a solid plate has a coolant flow path 44a inside the plate. The coolant flowing through the coolant flow path 44a is prevented from leaking out to the anode separator 42 and the cathode separator 43 side.

図１４は、本実施形態の燃料電池システムで使用される燃料電池１における燃料ガス流路４２ａ中の燃料ガスの圧力と、酸化剤ガス流路４３ａ中の酸化剤ガス圧力と、純水流路４２ｂ，４３ｂ中の純水圧力との関係を示したものである。この燃料電池１においては、フラッディングを防止するためには、酸化剤ガスの流路出口側の圧力と純水の流路入口側の圧力との圧力差ΔＰ２だけでなく、燃料ガスの流路出口側の圧力と純水の流路入口側の圧力との圧力差ΔＰ３についても考慮する必要があるが、フラッディングが発生し易いのは、電気化学反応によって生成水が発生するカソード側である。そこで、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池１の湿潤状態を判定して、燃料電池１内部が水過剰状態にあるときは酸化剤ガスの圧力調整によって、酸化剤ガスの圧力と純水の圧力との圧力差を増加させるように制御するようにしている。 FIG. 14 shows the pressure of the fuel gas in the fuel gas channel 42a, the oxidant gas pressure in the oxidant gas channel 43a, and the pure water channel 42b in the fuel cell 1 used in the fuel cell system of the present embodiment. , 43b shows the relationship with the pure water pressure. In this fuel cell 1, in order to prevent flooding, not only the pressure difference ΔP 2 between the pressure on the oxidant gas flow path outlet side and the pressure on the pure water flow path inlet side, but also the flow path of the fuel gas Although it is necessary to consider the pressure difference ΔP 3 between the pressure on the outlet side and the pressure on the inlet side of the pure water flow path, flooding is likely to occur on the cathode side where generated water is generated by an electrochemical reaction. . Therefore, in the fuel cell system of the present embodiment, the wet state of the fuel cell 1 is determined, and when the inside of the fuel cell 1 is in an excessive water state, the pressure of the oxidant gas and the pure water are adjusted by adjusting the pressure of the oxidant gas. Control is performed so as to increase the pressure difference between the pressure and the pressure.

また、一方で、ドライアウトが発生し易いのは、水素イオンが固体高分子膜を通過する際に水分が奪われるアノード側である。そこで、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池１の湿潤状態を判定して、燃料電池１内部が乾燥状態にあるときは燃料ガスの圧力調整によって、燃料ガスの圧力と純水の圧力との圧力差を減少させるように制御するようにしている。   On the other hand, the dry-out is likely to occur on the anode side where water is taken away when hydrogen ions pass through the solid polymer membrane. Therefore, in the fuel cell system of the present embodiment, the wet state of the fuel cell 1 is determined, and when the inside of the fuel cell 1 is in a dry state, the pressure of the fuel gas and the pressure of pure water are adjusted by adjusting the pressure of the fuel gas. The pressure difference is controlled to decrease.

ここで、本実施形態の燃料電池システムにおいて、制御ユニット２により実行される差圧制御の一例について、図１５のフローチャートに沿って具体的に説明する。   Here, in the fuel cell system of the present embodiment, an example of the differential pressure control executed by the control unit 2 will be specifically described along the flowchart of FIG.

燃料ガス及び酸化剤ガス（反応ガス）と純水との差圧制御を行う場合、制御ユニット２は、先ず、ステップＳ２０１において、燃料電池１に要求される要求出力Ｗと、温度センサ２７によって検出される燃料電池１の温度検出値ＴＦとを読み込んで、ステップＳ２０２において、これら読み込んだ要求出力Ｗと温度検出値ＴＦとに基づいて、燃料ガスの基準圧力ＰＢＡＳＥ＿ＲＦと、酸化剤ガスの基準圧力ＰＢＡＳＥ＿ＲＡと、加湿用の純水の基準圧力ＰＢＡＳＥ＿Ｗとを設定する（基準圧力設定手段３１）。ここで、燃料ガスの基準圧力ＰＢＡＳＥ＿ＲＦと酸化剤ガスの基準圧力ＰＢＡＳＥ＿ＲＡとは、これらの圧力差が固体高分子膜の耐圧特性を上回ることがない範囲内で設定される。 When performing differential pressure control of the fuel gas and oxidant gas (reactive gas) and pure water, the control unit 2 first detects the required output W required for the fuel cell 1 and the temperature sensor 27 in step S201. The detected temperature value TF of the fuel cell 1 is read, and in step S202, based on the read request output W and the detected temperature value TF , the reference pressure P BASE_RF of the fuel gas and the oxidant gas a reference pressure P BASE_RA, setting the reference pressure P BASE_W of pure water for humidification (reference pressure setting means 31). Here, the reference pressure P BASE_RA reference pressure P BASE_RF and oxidizer gas in the fuel gas, these pressure differences are set within the range does not exceed the withstand voltage characteristics of the solid polymer membrane.

次に、制御ユニット２は、ステップＳ２０３において、セル電圧センサ２８によって検出される燃料電池１のセル電圧検出値ＶＣを読み込んで、ステップＳ２０４において、セル電圧ＶＣの降下代ΔＶＣに基づいて、燃料電池１内部が乾燥状態にあるか否かを判定する（湿潤状態判定手段３２）。具体的には、セル電圧ＶＣの降下代ΔＶＣと所定の判定閾値ΔＶＣ０（例えば１ｍＶ／ｈｏｕｒ）とを比較して、セル電圧降下代ΔＶＣが閾値ΔＶＣ０を越えていれば、燃料電池１内部がドライアウトに繋がる乾燥状態にあると判定して次のステップＳ２０５に進み、セル電圧降下代ΔＶＣが閾値ΔＶＣ０以下であればステップＳ２０７へと処理を移行する。 Next, the control unit 2, in step S203, reads the cell voltage detection value V C of the fuel cell 1 detected by the cell voltage sensor 28, at step S204, on the basis of the drop margin [Delta] V C of the cell voltage V C Then, it is determined whether or not the inside of the fuel cell 1 is in a dry state (wet state determination means 32). Specifically, when the cell voltage drop allowance ΔV C exceeds the threshold ΔV C 0 by comparing the drop allowance ΔV C of the cell voltage V C with a predetermined determination threshold ΔV C 0 (for example, 1 mV / hour). Then, it is determined that the inside of the fuel cell 1 is in a dry state leading to dryout, and the process proceeds to the next step S205. If the cell voltage drop allowance ΔV C is equal to or less than the threshold value ΔV C 0, the process proceeds to step S207.

ステップＳ２０４で燃料電池１内部がドライアウトに繋がる乾燥状態にあると判定した場合、制御ユニット２は、次に、ステップＳ２０５において、燃料ガスの基準圧力ＰＢＡＳＥ＿ＲＦに対する補正値αを設定し、ステップＳ２０６において、燃料ガスの基準圧力ＰＢＡＳＥ＿ＲＦを補正値αで補正して、燃料ガスの目標圧力ＰＴＡＲＧＥＴ＿ＲＦ（ＰＴＡＲＧＥＴ＿ＲＦ＝ＰＢＡＳＥ＿ＲＦ−α）を設定する（目標圧力設定手段３３）。ここで、燃料ガスの基準圧力ＰＢＡＳＥ＿ＲＦに対する補正値αは、例えば１ｋＰａとする。なお、ここでは、酸化剤ガスの目標圧力ＰＴＡＲＧＥＴ＿ＲＡ及び純水の目標圧力ＰＴＡＲＧＥＴ＿Ｗについては、ステップＳ２０２で設定した基準圧力ＰＢＡＳＥ＿ＲＡ、ＰＢＡＳＥ＿Ｗがそのまま酸化剤ガスの目標圧力ＰＴＡＲＧＥＴ＿ＲＡ、純水の目標圧力ＰＴＡＲＧＥＴ＿Ｗとして設定される。 When it is determined in step S204 that the inside of the fuel cell 1 is in a dry state leading to dryout, the control unit 2 next sets a correction value α for the reference pressure P BASE_RF of the fuel gas in step S205, and step S206. The fuel gas reference pressure P BASE_RF is corrected with the correction value α to set the fuel gas target pressure P TARGET_RF (P TARGET_RF = P BASE_RF −α) (target pressure setting means 33). Here, the correction value α for the reference pressure P BASE_RF of the fuel gas is, for example, 1 kPa. Here, for the target pressure P TARGET_W the target pressure P TARGET_RA and pure water of the oxygen-containing gas, reference pressure P BASE_RA set in step S202, the target pressure P TARGET_RA of P BASE_W is as oxidizing gas, pure water It is set as the target pressure P TARGET_W .

一方、ステップＳ２０４で燃料電池１内部が乾燥状態にないと判定した場合、制御ユニット２は、次に、ステップＳ２０７において、セル電圧検出値ＶＣのばらつき（標準偏差）σＶＣに基づいて、燃料電池１内部が水過剰状態にあるか否かを判定する（湿潤状態判定手段３２）。具体的には、セル電圧ＶＣのばらつきσＶＣと所定の判定閾値σＶＣ０（例えば５ｍＶ）とを比較して、セル電圧ばらつきσＶＣが閾値σＶＣ０を越えていれば、燃料電池１内部がフラッディングに繋がる水過剰状態にあると判定して次のステップＳ２０８に進み、セル電圧ばらつきσＶＣが閾値σＶＣ０以下であればステップＳ２１２へと処理を移行する。 On the other hand, when the fuel cell 1 inside is determined not to dryness in the step S204, the control unit 2, then, in step S207, on the basis of the variation of the cell voltage detection value V C (standard deviation) [sigma] v C, fuel It is determined whether or not the inside of the battery 1 is in an excessive water state (wet state determination means 32). Specifically, the variation σV C of the cell voltage V C is compared with a predetermined determination threshold σV C 0 (for example, 5 mV), and if the cell voltage variation σV C exceeds the threshold σV C 0, the fuel cell 1 internal is determined to be in the water excess state lead to flooding proceeds to the next step S208, the processing proceeds to step S212 if the cell voltage variation [sigma] v C is the threshold value [sigma] v C 0 or less.

ステップＳ２０７で燃料電池１内部がフラッディングに繋がる水過剰状態にあると判定した場合、制御ユニット２は、次に、ステップＳ２０８において、酸化剤ガスの基準圧力ＰＢＡＳＥ＿ＲＡに対する補正値βを設定し、ステップＳ２０９において、酸化剤ガスの基準圧力ＰＢＡＳＥ＿ＲＡを補正値βで補正した酸化剤ガスの目標圧力ＰＴＡＲＧＥＴ＿ＲＡ（ＰＴＡＲＧＥＴ＿ＲＡ＝ＰＢＡＳＥ＿ＲＡ＋β）を設定する（目標圧力設定手段３３）。ここで、酸化剤ガスの基準圧力ＰＢＡＳＥ＿ＲＡに対する補正値βは、例えば２ｋＰａとする。なお、ここでは、燃料ガスの目標圧力ＰＴＡＲＧＥＴ＿ＲＦ及び純水の目標圧力ＰＴＡＲＧＥＴ＿Ｗについては、ステップＳ２０２で設定した基準圧力ＰＢＡＳＥ＿ＲＦ、ＰＢＡＳＥ＿Ｗがそのまま燃料ガスの目標圧力ＰＴＡＲＧＥＴ＿ＲＦ、純水の目標圧力ＰＴＡＲＧＥＴ＿Ｗとして設定される。 If the fuel cell 1 inside is determined to be in the water excess state lead to flooding in step S207, the control unit 2, then, in step S208, and sets a correction value β for the reference pressure P BASE_RA of the oxidizing gas, the step In S209, an oxidant gas target pressure P TARGET_RA (P TARGET_RA = P BASE_RA + β) obtained by correcting the oxidant gas reference pressure P BASE_RA with the correction value β is set (target pressure setting means 33). Here, the correction value β with respect to the reference pressure P BASE_RA of the oxidant gas is set to 2 kPa, for example. Here, for the fuel gas target pressure P TARGET_RF and the pure water target pressure P TARGET_W , the reference pressures P BASE_RF , P BASE_W set in step S202 are the same as the fuel gas target pressure P TARGET_RF , the pure water target pressure Set as P TARGET_W .

次に、制御ユニット２は、ステップＳ２１０において、酸化剤ガスの圧力と純水の圧力とをステップＳ２０９で設定した目標圧力とした場合における、カソードセパレータ４３内でのこれらの圧力差の最大値ΔＰ１を求める。そして、ステップＳ２１１において、この圧力差の最大値ΔＰ１が、カソードセパレータ４３のバブルプレッシャであるΔＰＢよりも大きくなるかどうかを判定する。この判定の結果、圧力差の最大値ΔＰ１がΔＰＢ以下であれば、ステップＳ２０９で設定した酸化剤ガスの目標圧力ＰＴＡＲＧＥＴ＿ＲＡ（ＰＴＡＲＧＥＴ＿ＲＡ＝ＰＢＡＳＥ＿ＲＡ＋β）が維持されるが、圧力差の最大値ΔＰ１がΔＰＢよりも大きくなると判定された場合には、ガス漏れが生じる懸念があるので、次のステップＳ２１２において、酸化剤ガスの目標圧力ＰＴＡＲＧＥＴ＿ＲＡを補正値βで補正する前の圧力、すなわちステップＳ２０２で設定した酸化剤ガスの基準圧力ＰＢＡＳＥ＿ＲＡに戻す。 Next, in step S210, the control unit 2 sets the maximum value ΔP of these pressure differences in the cathode separator 43 when the pressure of the oxidant gas and the pressure of pure water are set to the target pressure set in step S209. Find 1 In step S211, it is determined whether or not the maximum value ΔP 1 of the pressure difference is larger than ΔP B that is the bubble pressure of the cathode separator 43. If the maximum value ΔP 1 of the pressure difference is equal to or less than ΔP B as a result of this determination, the target pressure P TARGET_RA (P TARGET_RA = P BASE_RA + β) set in step S209 is maintained, but the pressure difference If the maximum value [Delta] P 1 is determined to be larger than [Delta] P B, since there is a concern that gas leakage occurs at the next step S212, the before correcting the target pressure P TARGET_RA of the oxidizing gas by the correction value β The pressure is returned to the reference pressure P BASE_RA of the oxidant gas set in step S202.

また、ステップＳ２０４で燃料電池１内部が乾燥状態にないと判定し、且つ、ステップＳ２０７で燃料電池１内部が水過剰状態でもないと判定した場合にも、ステップＳ２１２において、ステップＳ２０２で設定した基準圧力ＰＢＡＳＥ＿ＲＦ、ＰＢＡＳＥ＿ＲＡ、ＰＢＡＳＥ＿Ｗが、そのまま燃料ガスの目標圧力ＰＴＡＲＧＥＴ＿ＲＦ、酸化剤ガスの目標圧力ＰＴＡＲＧＥＴ＿ＲＡ、純水の目標圧力ＰＴＡＲＧＥＴ＿Ｗとしてそれぞれ設定される。 Also, when it is determined in step S204 that the inside of the fuel cell 1 is not in a dry state, and it is determined in step S207 that the inside of the fuel cell 1 is not in an excessive water state, the reference set in step S202 in step S212. The pressures P BASE_RF , P BASE_RA , and P BASE_W are set as the fuel gas target pressure P TARGET_RF , the oxidant gas target pressure P TARGET_RA , and the pure water target pressure P TARGET_W , respectively.

最後に、制御ユニット２は、ステップＳ２１３において、ステップＳ２０６、またはステップＳ２０９、またはステップＳ２１２で設定した目標圧力ＰＴＡＲＧＥＴ＿ＲＦ、ＰＴＡＲＧＥＴ＿ＲＡ、ＰＴＡＲＧＥＴ＿Ｗを実現するように、燃料ガス供給系の動作（調圧バルブ４の動作）や酸化剤ガス供給系の動作（調圧バルブ１３の動作）を制御する（反応ガス圧力制御手段３４）と共に、純水供給系の純水ポンプ２３の動作を制御して（純水圧力制御手段３５）、リターンする。 Finally, in step S213, the control unit 2 operates the fuel gas supply system (pressure regulation) so as to realize the target pressures P TARGET_RF , P TARGET_RA , P TARGET_W set in step S206, step S209, or step S212. Control of the operation of the pure water pump 23 of the pure water supply system (operation of the valve 4) and operation of the oxidant gas supply system (operation of the pressure regulating valve 13) (reaction gas pressure control means 34) ( The pure water pressure control means 35) returns.

以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムでは、制御ユニット２が燃料電池１の湿潤状態を判定し、燃料電池１内部がドライアウトに繋がるような乾燥状態にあるときは、ドライアウトが発生し易いアノード側の燃料ガスの圧力を制御して、この燃料ガスと純水との圧力差を減少させ、純水流路４２ｂ側から燃料ガス流路４２ａ側への水分移動を積極的に生じさせるようにしていると共に、燃料電池１内部がフラッディングに繋がるような水過剰状態にあるときには、フラッディングが発生し易いカソード側の酸化剤ガスの圧力を制御して、酸化剤ガスと純水との圧力差をポーラスプレートのバブルプレッシャを越えない範囲で増加させて、酸化剤ガス流路４３ａ側から純水流路４３ｂ側への水分移動を積極的に生じさせるようにしているので、燃料電池１の運転条件や環境条件に因らず、燃料電池１内部の水分バランスをより最適な状態に保って、ドライアウトの発生やフラッディングの発生を極めて有効に抑制することができる。   As described above, in the fuel cell system of the present embodiment, when the control unit 2 determines the wet state of the fuel cell 1 and the fuel cell 1 is in a dry state that leads to dry out, the dry out is The pressure of the fuel gas on the anode side, which is likely to be generated, is controlled to reduce the pressure difference between the fuel gas and pure water, and water movement from the pure water flow path 42b side to the fuel gas flow path 42a side is actively generated. When the fuel cell 1 is in an excessive water state that leads to flooding, the pressure of the oxidant gas on the cathode side where flooding is likely to occur is controlled so that the oxidant gas and pure water are mixed. The pressure difference is increased within a range not exceeding the bubble pressure of the porous plate so as to positively cause moisture movement from the oxidant gas flow path 43a side to the pure water flow path 43b side. Therefore, regardless of the operating conditions and environmental conditions of the fuel cell 1, it is possible to extremely effectively suppress the occurrence of dryout and flooding by keeping the moisture balance inside the fuel cell 1 in a more optimal state. it can.

（第３の実施形態）
次に、本発明を適用した燃料電池システムの第３の実施形態について説明する。本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池１が備えるポーラスタイプのセパレータの両面に、反応ガス流路と純水流路とが互いに平行となる流路形状で形成されている点に特徴を有するものである。なお、基本的なシステム構成及び差圧制御の概要は上述した第１の実施形態と同様であるので、以下、第１の実施形態と同様の部分については重複した説明を省略し、本実施形態に特徴的な部分について、カソードセパレータ４３がポーラスプレートで構成されている場合を例に挙げて詳しく説明する。 (Third embodiment)
Next, a third embodiment of the fuel cell system to which the present invention is applied will be described. The fuel cell system according to the present embodiment is characterized in that the reaction gas channel and the pure water channel are formed in a channel shape that is parallel to each other on both surfaces of the porous separator provided in the fuel cell 1. It is. Since the basic system configuration and the outline of the differential pressure control are the same as those of the first embodiment described above, the description of the same parts as those of the first embodiment will be omitted below, and this embodiment will be omitted. The characteristic part will be described in detail by taking as an example the case where the cathode separator 43 is formed of a porous plate.

図１６は、本実施形態の燃料電池システムで使用される燃料電池１において、ポーラスタイプのセパレータとされたカソードセパレータ４３を示す平面図であり、図１６（ａ）が酸化剤ガス流路４３ａが形成された面、図１６（ｂ）が純水流路４３ｂが形成された面をそれぞれ示している。このカソードセパレータ４８には、上述した第１の実施形態と同様に、燃料ガス供給マニホールド４５及び燃料ガス排出マニホールド４６、酸化剤ガス供給マニホールド４７及び酸化剤ガス排出マニホールド４８、冷却液供給マニホールド４９及び冷却液排出マニホールド５０、純水供給マニホールド５１及び純水排出マニホールド５２の計８つのマニホールドが、厚み方向に貫通するように形成されている。   FIG. 16 is a plan view showing a cathode separator 43 as a porous separator in the fuel cell 1 used in the fuel cell system of the present embodiment. FIG. 16A shows an oxidant gas flow path 43a. The formed surface and FIG. 16B show the surface on which the pure water flow path 43b is formed. As in the first embodiment, the cathode separator 48 includes a fuel gas supply manifold 45 and a fuel gas discharge manifold 46, an oxidant gas supply manifold 47 and an oxidant gas discharge manifold 48, a coolant supply manifold 49 and A total of eight manifolds of a coolant discharge manifold 50, a pure water supply manifold 51, and a pure water discharge manifold 52 are formed so as to penetrate in the thickness direction.

カソードセパレータ４３の酸化剤ガス流路４３ａは、図１６（ａ）に示すように、入口側平行流路を流れる酸化剤ガスが集合流路で折り返されて出口側平行流路を流れるリターンタイプのフローパターンとされており、入口側平行流路が酸化剤ガス供給マニホールド４７に、出口側平行流路が酸化剤ガス排出マニホールド４８にそれぞれ接続されている。また、カソードセパレータ４３の純水流路４３ｂは、図１６（ｂ）に示すように、酸化剤ガス流路４３ａと同様のリターンタイプのフローパターンとされており、純水供給マニホールド５１に接続される入口側平行流路と純水排出マニホールド５２に接続される出口側平行流路とが、それぞれ酸化剤ガス流路４３ａの入口側平行流路及び出口側平行流路に対して平行となるように配置されている。そして、純水が流れる方向と酸化剤ガスが流れる方向とが同一方向となるように構成されている。   As shown in FIG. 16A, the oxidant gas flow path 43a of the cathode separator 43 is a return type in which the oxidant gas flowing in the inlet side parallel flow path is folded back in the collecting flow path and flows in the outlet side parallel flow path. The inlet side parallel flow path is connected to the oxidant gas supply manifold 47, and the outlet side parallel flow path is connected to the oxidant gas discharge manifold 48. Further, as shown in FIG. 16B, the pure water flow path 43 b of the cathode separator 43 has a return type flow pattern similar to the oxidant gas flow path 43 a and is connected to the pure water supply manifold 51. The inlet side parallel flow path and the outlet side parallel flow path connected to the pure water discharge manifold 52 are parallel to the inlet side parallel flow path and the outlet side parallel flow path of the oxidant gas flow path 43a, respectively. Has been placed. The direction in which the pure water flows and the direction in which the oxidant gas flows are configured to be the same direction.

したがって、本実施形態の燃料電池システムで使用される燃料電池１においては、カソードセパレータ４３の酸化剤ガス流路４３ａを流れる酸化剤ガスの圧力が低下する方向と、純水流路４３ｂを流れる純水の圧力が低下する方向とが一致することになり、これら酸化剤ガスの圧力と純水の圧力との圧力差の確保が容易となる。   Therefore, in the fuel cell 1 used in the fuel cell system of this embodiment, the direction in which the pressure of the oxidant gas flowing through the oxidant gas flow path 43a of the cathode separator 43 decreases and the pure water flowing through the pure water flow path 43b. Accordingly, the pressure difference between the pressure of the oxidant gas and the pressure of pure water can be easily ensured.

図１７は、本実施形態の燃料電池システムで使用される燃料電池１における酸化剤ガス流路４３ａ中の酸化剤ガス圧力と純水流路４３ｂ中の純水圧力との関係を示したものである。本実施形態の燃料電池システムで使用される燃料電池１では、酸化剤ガス流路４３ａと純水流路４３ｂとが互いに平行に形成され、酸化剤ガスが流れる方向と純水が流れる方向とが同一方向となっているので、これら酸化剤ガスの圧力と純水の圧力との圧力差としては、各々の流路の同じ場所で比較すればよいことになる。したがって、例えばフラッディングに対する影響が大きい圧力差については、酸化剤ガスの出口側の圧力と純水の出口側の圧力との圧力差（第１の実施形態で説明したΔＰ２に相当）を見ればよく、フラッディングを抑制するための圧力差の確保が容易となる。また、酸化剤ガスと純水との圧力差を容易に確保できるということは、各流体が流路を流れる過程での圧損をある程度大きく取れることを意味する。そして、圧損を大きく取れるということは流路を浅くできるということになるので、その分、セパレータ（ここではカソードセパレータ４３）の厚みを薄くして、燃料電池１を構成する各単セルのピッチを短くすることが可能となる。その結果、燃料電池１全体の出力増加を実現することも可能となる。 FIG. 17 shows the relationship between the oxidant gas pressure in the oxidant gas flow path 43a and the pure water pressure in the pure water flow path 43b in the fuel cell 1 used in the fuel cell system of this embodiment. . In the fuel cell 1 used in the fuel cell system of the present embodiment, the oxidant gas flow path 43a and the pure water flow path 43b are formed in parallel to each other, and the direction in which the oxidant gas flows and the direction in which the pure water flows are the same. Therefore, the pressure difference between the pressure of the oxidant gas and the pressure of pure water may be compared at the same place in each flow path. Therefore, for example, regarding a pressure difference that has a large influence on flooding, the pressure difference between the pressure on the outlet side of the oxidant gas and the pressure on the outlet side of pure water (corresponding to ΔP 2 described in the first embodiment) can be seen. It is easy to secure a pressure difference for suppressing flooding. In addition, the fact that the pressure difference between the oxidant gas and the pure water can be easily secured means that the pressure loss in the process in which each fluid flows through the flow path can be increased to some extent. In addition, the fact that the pressure loss can be greatly increased means that the flow path can be made shallower, and accordingly, the thickness of the separator (here, the cathode separator 43) is reduced, and the pitch of each single cell constituting the fuel cell 1 is increased. It can be shortened. As a result, it is possible to increase the output of the entire fuel cell 1.

また、酸化剤ガスと純水の圧力差を酸化剤ガスの圧力で制御することを考えた場合、図１７に示すように、酸化剤ガスの出口側の圧力と純水の出口側の圧力との圧力差（第１の実施形態で説明したΔＰ２に相当）をある程度確保できる範囲で、純水の入口側圧力が酸化剤ガスの入口側圧力よりも高くなるように、酸化剤ガスの圧力を低圧に制御することも可能となる。このように酸化剤ガスの圧力を制御した場合には、入口部分において純水流路４３ｂ側から酸化剤ガス流路４３ａ側へと純水が素速く供給されることになり、酸化剤ガスの加湿を容易に行って、ドライアウトの発生をより効果的に防止することが可能となる。 Further, when considering that the pressure difference between the oxidant gas and the pure water is controlled by the pressure of the oxidant gas, the pressure on the outlet side of the oxidant gas and the pressure on the outlet side of the pure water are as shown in FIG. pressure differential in a range to some extent ensure a (first corresponds to [Delta] P 2 described in the embodiment), as inlet pressure of the pure water is higher than the inlet pressure of the oxidant gas, the pressure of the oxidant gas Can be controlled to a low pressure. When the pressure of the oxidant gas is controlled in this way, pure water is quickly supplied from the pure water flow path 43b side to the oxidant gas flow path 43a side at the inlet portion. It is possible to easily prevent the occurrence of dryout.

なお、以上は、カソードセパレータ４３をポーラスプレートで構成した場合を例に挙げて説明したが、アノードセパレータ４２をポーラスプレートで構成した場合には、このアノードセパレータ４２の両面に、燃料ガス流路４２ａと純水流路４２ｂとを互いに平行となる流路形状で形成し、燃料ガスと純水とがこれらの流路に沿って同一方向に流れるようにすれば、以上説明した例と同様の効果を得ることができる。   In the above, the case where the cathode separator 43 is constituted by a porous plate has been described as an example. However, when the anode separator 42 is constituted by a porous plate, the fuel gas flow path 42a is formed on both surfaces of the anode separator 42. And the pure water flow path 42b are formed in a parallel flow path shape so that the fuel gas and the pure water flow in the same direction along these flow paths, the same effect as the above-described example can be obtained. Obtainable.

本発明を適用した燃料電池システムの概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the fuel cell system to which this invention is applied. 前記燃料電池システムの制御ユニットに実現される圧力差制御に関わる機能を示す機能ブロック図である。It is a functional block diagram which shows the function in connection with the pressure difference control implement | achieved by the control unit of the said fuel cell system. 第１の実施形態の燃料電池システムで使用される燃料電池の単セル構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the single cell structure of the fuel cell used with the fuel cell system of 1st Embodiment. ポーラスプレートよりなるカソードセパレータの平面図であり、（ａ）は酸化剤ガス流路が形成された面側から見た平面図、（ｂ）は純水流路が形成された面側から見た平面図である。It is a top view of the cathode separator which consists of a porous plate, (a) is the top view seen from the surface side in which the oxidant gas flow path was formed, (b) is the top view seen from the surface side in which the pure water flow path was formed. FIG. ポーラスプレートよりなるカソードセパレータ内部における水移動の様子を模式的に示す図であり、（ａ）は図４中のＡ−Ａ線断面図、（ｂ）図４中のＢ−Ｂ線断面図である。It is a figure which shows typically the mode of the water movement inside the cathode separator which consists of porous plates, (a) is the sectional view on the AA line in FIG. 4, (b) It is a sectional view on the BB line in FIG. is there. 酸化剤ガス流路中の酸化剤ガス圧力と純水流路中の純水圧力との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the oxidant gas pressure in an oxidant gas flow path, and the pure water pressure in a pure water flow path. 酸化剤ガスの流路入口側の圧力と純水の流路出口側の圧力との圧力差の大きさと、酸化剤ガス流路側から純水流路側への酸化剤ガスの漏れ量との関係を示す図である。The relationship between the magnitude of the pressure difference between the pressure at the inlet side of the oxidant gas channel and the pressure at the outlet side of the pure water channel and the amount of oxidant gas leaked from the oxidant gas channel side to the pure water channel side is shown. FIG. 燃料電池の湿潤状態とセル電圧の変化との関係を示す図であり、（ａ）は燃料電池が標準の湿潤状態のときのセル電圧の変化の様子を示す図、（ｂ）は燃料電池が水過剰状態のときのセル電圧の変化の様子を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the wet state of a fuel cell, and the change of a cell voltage, (a) is a figure which shows the mode of a change of a cell voltage when a fuel cell is a standard wet state, (b) is a figure which shows a fuel cell. It is a figure which shows the mode of a change of the cell voltage at the time of a water excess state. 燃料電池の湿潤状態とセル電圧の変化との関係を示す図であり、（ａ）は燃料電池が標準の湿潤状態のときのセル電圧の変化の様子を示す図、（ｂ）は燃料電池が乾燥状態のときのセル電圧の変化の様子を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the wet state of a fuel cell, and the change of a cell voltage, (a) is a figure which shows the mode of a change of a cell voltage when a fuel cell is a standard wet state, (b) is a figure which shows a fuel cell. It is a figure which shows the mode of a change of the cell voltage at the time of a dry state. 第１の実施形態の燃料電池システムにおいて、制御ユニットにより実行される差圧制御の一例を示すフローチャートである。4 is a flowchart illustrating an example of differential pressure control executed by a control unit in the fuel cell system according to the first embodiment. 燃料電池に要求される要求出力及び燃料電池の温度検出値と、これらに基づいて設定される反応ガスの基準圧力との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the required output requested | required of a fuel cell, the temperature detection value of a fuel cell, and the reference pressure of the reactive gas set based on these. 燃料電池に要求される要求出力とこれに基づいて設定される純水の基準圧力との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the request | requirement output requested | required of a fuel cell, and the reference pressure of the pure water set based on this. 第２の実施形態の燃料電池システムで使用される燃料電池の単セル構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the single cell structure of the fuel cell used with the fuel cell system of 2nd Embodiment. 第２の実施形態を説明する図であり、燃料ガス流路中の燃料ガス圧力及び酸化剤ガス流路中の酸化剤ガス圧力と純水流路中の純水圧力との関係を示す図である。It is a figure explaining 2nd Embodiment, and is a figure which shows the relationship between the fuel gas pressure in a fuel gas flow path, the oxidant gas pressure in an oxidant gas flow path, and the pure water pressure in a pure water flow path. . 第２の実施形態の燃料電池システムにおいて、制御ユニットにより実行される差圧制御の一例を示すフローチャートである。6 is a flowchart showing an example of differential pressure control executed by a control unit in the fuel cell system of the second embodiment. 第３の実施形態の燃料電池システムで使用される燃料電池のポーラスプレートよりなるカソードセパレータの平面図であり、（ａ）は酸化剤ガス流路が形成された面側から見た平面図、（ｂ）は純水流路が形成された面側から見た平面図である。It is a top view of the cathode separator which consists of the porous plate of the fuel cell used with the fuel cell system of 3rd Embodiment, (a) is the top view seen from the surface side in which the oxidant gas flow path was formed, b) is a plan view seen from the surface side on which the pure water flow path is formed. 第３の実施形態を説明する図であり、酸化剤ガス流路中の酸化剤ガス圧力と純水流路中の純水圧力との関係を示す図である。It is a figure explaining 3rd Embodiment and is a figure which shows the relationship between the oxidant gas pressure in an oxidant gas flow path, and the pure water pressure in a pure water flow path.

符号の説明Explanation of symbols

１ 燃料電池
２ 制御ユニット
３ 燃料ガス供給装置
４ 調圧バルブ
５ 燃料ガス供給配管
８ 酸化剤ガス供給装置
９ 酸化剤ガス供給配管
１３ 調圧バルブ
２１ 純水タンク
２２ 純水循環配管
２３ 純水ポンプ
３１ 基準圧力設定手段
３２ 湿潤状態判定手段
３３ 目標圧力設定手段
３４ 反応ガス圧力制御手段
３５ 純水圧力制御手段
４１ 膜・電極接合体
４２ アノードセパレータ
４２ａ 燃料ガス流路
４３ カソードセパレータ
４３ａ 酸化剤ガス流路
４３ｂ 純水流路 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell 2 Control unit 3 Fuel gas supply device 4 Pressure regulation valve 5 Fuel gas supply piping 8 Oxidant gas supply device 9 Oxidant gas supply piping 13 Pressure regulation valve 21 Pure water tank 22 Pure water circulation piping 23 Pure water pump 31 Reference pressure setting means 32 Wet state determination means 33 Target pressure setting means 34 Reaction gas pressure control means 35 Pure water pressure control means 41 Membrane / electrode assembly 42 Anode separator 42a Fuel gas flow path 43 Cathode separator 43a Oxidant gas flow path 43b Pure water flow path

Claims (5)

固体高分子膜よりなる電解質層の両面に電極層が設けられた膜・電極接合体が、当該膜・電極接合体との対向面に反応ガスを流通させる反応ガス流路が形成された一対のセパレータで挟持されて単セルが構成され、当該単セルが繰り返し並設された積層構造を有する固体高分子型の燃料電池であって、前記単セルを構成する一対のセパレータのうちの少なくとも一方が多孔質材料よりなり、当該多孔質材料よりなるセパレータの前記反応ガス流路が形成された面とは逆側の面に純水流路が形成されて、この純水流路を流通する純水によって加湿が行われる燃料電池と、
前記燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給系と、
前記燃料電池に加湿用の純水を供給する純水供給系と、
前記燃料電池に供給される反応ガス及び純水の圧力を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置が、
前記燃料電池に要求されるの出力と前記燃料電池の温度とに基づいて、前記燃料電池に供給される反応ガス及び純水の基準圧力を設定する基準圧力設定手段と、
前記燃料電池の湿潤状態を判定する湿潤状態判定手段と、
前記湿潤状態判定手段によって前記燃料電池が乾燥状態にあると判定されたときに、前記反応ガスの圧力と純水の圧力との圧力差を減少させるように、前記基準圧力設定手段で設定された基準圧力を補正して目標圧力を設定する目標圧力設定手段と、
前記目標圧力設定手段で設定された目標圧力を実現するように、前記反応ガス供給系と前記純水供給系との動作制御を行う動作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 pair of membrane / electrode assemblies in which electrode layers are provided on both surfaces of an electrolyte layer made of a solid polymer membrane is formed with a reaction gas flow path for allowing a reaction gas to flow on the surface facing the membrane / electrode assembly. A solid polymer fuel cell having a stacked structure in which a single cell is configured by being sandwiched between separators, and the single cells are repeatedly arranged, and at least one of a pair of separators constituting the single cell is A pure water channel is formed on the surface of the separator made of a porous material opposite to the surface on which the reaction gas channel is formed, and humidified by pure water flowing through the pure water channel. A fuel cell where
A reaction gas supply system for supplying a reaction gas to the fuel cell;
A pure water supply system for supplying pure water for humidification to the fuel cell;
A control device for controlling the pressure of the reaction gas and pure water supplied to the fuel cell,
The control device is
A reference pressure setting means for setting a reference pressure of the reaction gas and pure water supplied to the fuel cell based on the output required for the fuel cell and the temperature of the fuel cell;
Wet state determination means for determining a wet state of the fuel cell;
When the fuel cell is determined to be in a dry state by the wet state determination unit, the reference pressure setting unit sets the pressure difference between the reaction gas pressure and the pure water pressure. Target pressure setting means for correcting the reference pressure and setting the target pressure;
A fuel cell system comprising: operation control means for performing operation control of the reaction gas supply system and the pure water supply system so as to realize the target pressure set by the target pressure setting means. 前記湿潤状態判定手段は、前記燃料電池の乾燥状態を当該燃料電池のセル電圧の低下率から予測することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。   2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the wet state determination unit predicts a dry state of the fuel cell from a cell voltage decrease rate of the fuel cell. 3. 前記目標圧力設定手段は、前記基準圧力設定手段で設定された純水の基準圧力を補正することで、前記反応ガスの圧力と純水の圧力との圧力差を減少させることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。   The target pressure setting means corrects a reference pressure of pure water set by the reference pressure setting means to reduce a pressure difference between the pressure of the reaction gas and the pressure of pure water. Item 3. The fuel cell system according to Item 1 or 2. 前記目標圧力設定手段は、前記基準圧力設定手段で設定された反応ガスのうちの燃料ガスの基準圧力を補正することで、当該酸化剤ガスの圧力と純水の圧力との圧力差を減少させることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。   The target pressure setting means corrects the reference pressure of the fuel gas among the reaction gases set by the reference pressure setting means, thereby reducing the pressure difference between the pressure of the oxidant gas and the pressure of pure water. The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein 前記多孔質材料よりなるセパレータの両面に形成された反応ガス流路及び純水流路は、少なくとも一部の流路同士が互いに平行となるように形成されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の燃料電池システム。   The reaction gas channel and the pure water channel formed on both surfaces of the separator made of the porous material are formed so that at least some of the channels are parallel to each other. 5. The fuel cell system according to any one of 4.
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