JP2007035493A - Voltage regulation device for fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a voltage regulation device for a fuel cell that detects and determines the cause of a voltage drop and takes appropriate measures depending on the cause to recover the voltage. <P>SOLUTION: The fuel cell voltage regulation device, which controls a fuel cell stack in which a plurality of unit cells each including an electrolyte membrane held between an air electrode and a hydrogen electrode are stacked and flows of air to the air electrodes and flows of hydrogen to the hydrogen electrodes generate power, comprises a cell voltage measurement means for measuring voltages of the unit cells, and a cell voltage recovery means (S40, S90, S100, S110) for, when the voltage measured by the cell voltage measurement means drops, recovering the cell voltage in a manner depending on the area where the unit cell with the voltage drop is arranged. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池の電圧調整装置に関する。   The present invention relates to a voltage regulator for a fuel cell.

固体高分子電解質型燃料電池では、電解質膜の乾燥によって導電率が低下する。そのため、電解質膜は水素と酸素といった作動ガスを加湿して供給することによって湿潤状態を保つ。しかし、加湿量が過剰の場合にはガス流路内に凝縮水が発生する。さらに、燃料電池は水素と酸素の電気化学反応によって空気極側に水を生成する。この生成水は、電解質膜の中を拡散して水素極側にも蓄積する。このような凝縮水や生成水は、ガス流路内に蓄積して起電力を低下させる。   In a solid polymer electrolyte fuel cell, the conductivity decreases due to drying of the electrolyte membrane. Therefore, the electrolyte membrane is kept wet by supplying the working gas such as hydrogen and oxygen with humidification. However, when the amount of humidification is excessive, condensed water is generated in the gas flow path. Further, the fuel cell generates water on the air electrode side by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. This generated water diffuses in the electrolyte membrane and accumulates on the hydrogen electrode side. Such condensed water and produced water accumulate in the gas flow path and reduce the electromotive force.

また、セルを積層して構成する燃料電池では、複数のセルを直列に接続して必要な電力を確保する。しかし、前述のように凝縮水がガス流路内の作動ガスの流れを阻害すると、セルの起電力にばらつきが生じる。起電力にばらつきが生じると、起電力の低下していないセルに高負荷がかかって破損してしまうおそれがある。   In a fuel cell configured by stacking cells, a plurality of cells are connected in series to ensure necessary power. However, if the condensed water hinders the flow of the working gas in the gas flow path as described above, the cell electromotive force varies. When the electromotive force varies, there is a possibility that a cell having no lowered electromotive force is subjected to a high load and is damaged.

そこで、セルに電圧検出部を設けて電圧が低下する異常を早期に発見し、システム全体を停止させて、セルの破損を防止する燃料電池の制御装置が提案されている（特許文献１参照）。
特開２００２−３１３３９６号公報 In view of this, a fuel cell control device has been proposed in which a voltage detection unit is provided in a cell to detect an abnormality in which the voltage drops early, and the entire system is stopped to prevent cell damage (see Patent Document 1). .
JP 2002-313396 A

しかし、上述の特許文献１に開示された燃料電池の制御装置では、電圧の低下のみを判断指標としている。また、従来技術では電圧が低下する要因をすべて水詰まりによるものと判断していた。そのため、膜の乾燥などの水詰まり以外の原因による電圧低下も水詰まりと誤診断してしまった。したがって、セルの電圧低下に対して適切な処置を行なうことができない場合があった。また、セルの電圧降下に対してシステム全体を停止させるため、安定した発電を行うことができなかった。   However, in the fuel cell control device disclosed in Patent Document 1 described above, only a decrease in voltage is used as a determination index. Further, in the prior art, it has been determined that all the factors that cause the voltage drop are due to water clogging. For this reason, a voltage drop due to a cause other than water clogging such as drying of the membrane has been misdiagnosed as water clogging. Therefore, there have been cases where appropriate measures cannot be taken against the voltage drop of the cell. Further, since the entire system is stopped with respect to the voltage drop of the cell, stable power generation cannot be performed.

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、電圧が低下する原因を検知判断し、その原因に応じて適切な処置を施して電圧を復帰させる制御を行う燃料電池の電圧調整装置を提供することを目的としている。   The present invention has been made paying attention to such a conventional problem, and detects and determines the cause of the voltage drop, and performs a control to restore the voltage by applying appropriate measures according to the cause. It aims at providing the voltage regulator of a battery.

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。   The present invention solves the above problems by the following means. In addition, in order to make an understanding easy, although the code | symbol corresponding to embodiment of this invention is attached | subjected, it is not limited to this.

本発明は、空気極と水素極とに挟まれた電解質膜を含む単セル（１１）を複数積層し、前記空気極側に空気が通流するとともに、前記水素極側に水素が通流して発電する燃料電池スタック（１０）を制御する燃料電池の電圧調整装置（２０）であって、前記単セルの電圧を計測するセル電圧計測手段（１３）と、前記セル電圧計測手段（１３）によって計測された電圧が低下したときに、電圧の低下した単セルが配置された領域に応じて異なる態様でセル電圧を復帰させるセル電圧復帰手段（３０；ステップＳ４０，Ｓ９０，Ｓ１００，Ｓ１１０）とを備えることを特徴とする。   In the present invention, a plurality of single cells (11) including an electrolyte membrane sandwiched between an air electrode and a hydrogen electrode are stacked, air flows to the air electrode side, and hydrogen flows to the hydrogen electrode side. A fuel cell voltage adjustment device (20) for controlling a fuel cell stack (10) for generating power, comprising: a cell voltage measurement means (13) for measuring the voltage of the single cell; and the cell voltage measurement means (13). Cell voltage recovery means (30; steps S40, S90, S100, S110) for recovering the cell voltage in a different manner depending on the region where the single cell with the decreased voltage is arranged when the measured voltage decreases. It is characterized by providing.

本発明によれば、単セルの電圧を計測して電圧の低下した単セルを検出し、この単セルの位置や電流・電圧の変化など要因を考慮して電圧の低下した原因を診断する。そして、診断結果に応じて作動ガスの加湿や供給量の調節などの制御を行うことによって電圧を復帰させ、安定した発電を行なうことができる。   According to the present invention, the voltage of a single cell is measured to detect a single cell whose voltage has dropped, and the cause of the voltage drop is diagnosed in consideration of factors such as the position of the single cell and changes in current and voltage. The voltage can be restored by performing control such as humidification of the working gas and adjustment of the supply amount according to the diagnosis result, and stable power generation can be performed.

以下では図面等を参照して本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.

図１は、本発明による制御装置を搭載した燃料電池自動車向けの燃料電池システム１の概略構成図である。   FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system 1 for a fuel cell vehicle equipped with a control device according to the present invention.

燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、電圧検出装置２０と、制御装置３０とを有する。また、燃料電池システム１には発電した電力を充電する二次電池３３や発電した電力によって駆動するモータ３４などを備える。   The fuel cell system 1 includes a fuel cell stack 10, a voltage detection device 20, and a control device 30. The fuel cell system 1 also includes a secondary battery 33 that charges the generated power, a motor 34 that is driven by the generated power, and the like.

燃料電池スタック１０は、内部に備える電解質膜に水素や空気（酸素）といった作動ガスの供給を受けて、電気化学反応を起こして発電する。燃料電池スタック１０内部の温度は、温度調整装置２３によって調整される。また、燃料電池スタック１０内部の圧力は、圧力調整装置２４によって調整される。   The fuel cell stack 10 is supplied with a working gas such as hydrogen or air (oxygen) to an electrolyte membrane provided therein, and generates an electric power by causing an electrochemical reaction. The temperature inside the fuel cell stack 10 is adjusted by the temperature adjusting device 23. Further, the pressure inside the fuel cell stack 10 is adjusted by the pressure adjusting device 24.

燃料電池スタック１０には、水素を供給する水素経路と、空気を供給する空気経路が連結される。水素供給装置２１は、水素経路の最上流部に設けられる。水素供給装置２１は、水素タンク２７から水素を供給する。水素タンク２７には、水素吸蔵合金等の水素貯蔵材を内蔵して純水素を貯蔵するものなどがある。また、空気供給装置２５は空気経路の最上流部に設けられる。空気供給装置２５は、燃料電池スタック１０に空気を送り込むコンプレッサである。   The fuel cell stack 10 is connected to a hydrogen path for supplying hydrogen and an air path for supplying air. The hydrogen supply device 21 is provided at the most upstream part of the hydrogen path. The hydrogen supply device 21 supplies hydrogen from the hydrogen tank 27. The hydrogen tank 27 includes a hydrogen storage material such as a hydrogen storage alloy that stores pure hydrogen. The air supply device 25 is provided at the most upstream part of the air path. The air supply device 25 is a compressor that sends air into the fuel cell stack 10.

燃料電池スタック１０の電解質膜は、効率的な発電を行なうために適度に湿潤状態にする必要がある。電解質膜は、乾燥すると膜抵抗が上昇し、発熱することによって破損するおそれがあるからである。このため、水素経路には燃料電池スタック１０に供給する水素を加湿する加湿装置２２が設けられる。また、空気経路には水交換器２６が備えられ、発電にともなって生成された水が燃料電池スタック１０から供給されて空気を加湿する。一方、電解質膜に過剰に水分を含む場合には、作動ガスの拡散が阻害されて起電力が低下する。   The electrolyte membrane of the fuel cell stack 10 needs to be in a moderately wet state in order to perform efficient power generation. This is because when the electrolyte membrane is dried, the membrane resistance increases, and the electrolyte membrane may be damaged due to heat generation. For this reason, a humidifier 22 for humidifying the hydrogen supplied to the fuel cell stack 10 is provided in the hydrogen path. In addition, a water exchanger 26 is provided in the air path, and water generated during power generation is supplied from the fuel cell stack 10 to humidify the air. On the other hand, when the electrolyte membrane contains excessive moisture, diffusion of the working gas is inhibited and the electromotive force is reduced.

電圧検出装置２０は、燃料電池スタック１０が発電した電力の電圧を測定する。   The voltage detection device 20 measures the voltage of the power generated by the fuel cell stack 10.

制御装置３０は、電圧検出装置２０や二次電池３３などからのセンサ信号が入力される。また、制御装置３０は、インバータ３１、水素供給装置２１及び空気供給装置２５などに対して制御信号を出力する。さらに、制御装置３０は加湿装置２２や水交換器２６を制御して電解質膜の湿潤状態を適切な状態に保つ。   The control device 30 receives sensor signals from the voltage detection device 20 and the secondary battery 33. Further, the control device 30 outputs a control signal to the inverter 31, the hydrogen supply device 21, the air supply device 25, and the like. Further, the control device 30 controls the humidifying device 22 and the water exchanger 26 to keep the wet state of the electrolyte membrane in an appropriate state.

制御装置３０は、電圧検出装置２０から入力された電圧が低下した場合に、その原因を診断する機能を備える。さらに、制御装置３０は電圧が低下した原因に応じて温度調整装置２３や圧力調整装置２４などを制御することによって、低下した電圧を復帰させる。これらの診断方法や電圧復帰方法の詳細は後述する。   The control device 30 has a function of diagnosing the cause when the voltage input from the voltage detection device 20 decreases. Furthermore, the control device 30 restores the reduced voltage by controlling the temperature adjusting device 23, the pressure adjusting device 24, etc. according to the cause of the voltage drop. Details of these diagnostic methods and voltage recovery methods will be described later.

燃料電池スタック１０が発電した電力は、インバータ３１や補機類に供給される。インバータ３１は、燃料電池スタック１０から供給された直流電流を交流電流に変換してモータ３４に供給する。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２は電圧調整手段である。ＤＣ／ＤＣコンバータ３２は、燃料電池スタック１０と二次電池３３とを並列に接続する。燃料電池スタック１０が発電した余剰電力は、二次電池３３に充電される。二次電池３３は、燃料電池スタック１０の出力が不足する場合には、充電した電力で不足分を補う。   The electric power generated by the fuel cell stack 10 is supplied to the inverter 31 and auxiliary equipment. The inverter 31 converts the direct current supplied from the fuel cell stack 10 into an alternating current and supplies the alternating current to the motor 34. The DC / DC converter 32 is voltage adjusting means. The DC / DC converter 32 connects the fuel cell stack 10 and the secondary battery 33 in parallel. The surplus power generated by the fuel cell stack 10 is charged in the secondary battery 33. When the output of the fuel cell stack 10 is insufficient, the secondary battery 33 compensates for the shortage with the charged power.

図２は、本発明による燃料電池スタック１０を示す図であり、図２（Ａ）は単セル１１を積層してスタックを構成した図、図２（Ｂ）は単セル１１の拡大図である。   FIG. 2 is a view showing a fuel cell stack 10 according to the present invention. FIG. 2 (A) is a diagram in which a single cell 11 is stacked, and FIG. 2 (B) is an enlarged view of the single cell 11. .

図２（Ａ）に示すように、燃料電池スタック１０は複数の単セル１１を積層して構成される。単セル１１は、アノードセパレータ１１１とカソードセパレータ１１３との間にＭＥＡプレート１１２を挟み込んで構成される。燃料電池スタック１０には、水素や空気及び冷却水が通流するマニホールド１４が形成されている。マニホールド１４は、積層された単セル１１を貫通するように形成される。   As shown in FIG. 2A, the fuel cell stack 10 is formed by stacking a plurality of single cells 11. The single cell 11 is configured by sandwiching an MEA plate 112 between an anode separator 111 and a cathode separator 113. The fuel cell stack 10 is formed with a manifold 14 through which hydrogen, air, and cooling water flow. The manifold 14 is formed so as to penetrate the stacked single cells 11.

図２（Ｂ）に示すように、単セル１１は長方形のプレート状に形成される。単セル１１は、短辺に沿って作動ガスや冷却水が通流するマニホールド１４を形成する連通孔を備える。これらの連通孔は、水素入口孔１１４、冷却水出口孔１１５、空気出口孔１１６、空気入口孔１１７、冷却水入口孔１１８及び水素出口孔１１９である。水素入口孔１１４と水素出口孔１１９とは、対角に位置する。同様に空気入口孔１１７と空気出口孔１１６とについても、対角に位置する。例えば、図２（Ｂ）に示すように水素入口孔１１４が単セル１１の左上方に位置する場合には、右下方に水素出口孔１１９が位置する。同様に冷却水入口孔１１８は、空気入口孔１１７と水素出口孔１１９との間に形成される。冷却水出口孔１１５は、水素入口孔１１４と空気出口孔１１６との間に形成される。   As shown in FIG. 2B, the single cell 11 is formed in a rectangular plate shape. The single cell 11 includes a communication hole that forms a manifold 14 through which working gas and cooling water flow along a short side. These communication holes are a hydrogen inlet hole 114, a cooling water outlet hole 115, an air outlet hole 116, an air inlet hole 117, a cooling water inlet hole 118 and a hydrogen outlet hole 119. The hydrogen inlet hole 114 and the hydrogen outlet hole 119 are located diagonally. Similarly, the air inlet hole 117 and the air outlet hole 116 are diagonally located. For example, as shown in FIG. 2B, when the hydrogen inlet hole 114 is located at the upper left of the single cell 11, the hydrogen outlet hole 119 is located at the lower right. Similarly, the cooling water inlet hole 118 is formed between the air inlet hole 117 and the hydrogen outlet hole 119. The cooling water outlet hole 115 is formed between the hydrogen inlet hole 114 and the air outlet hole 116.

水素は、図２（Ａ）の左側のマニホールド１４に矢印Ｃの方向から供給される。そして水素は、アノードセパレータ１１１とＭＥＡプレート１１２との間を通流して右側のマニホールド１４から矢印Ｄの方向に排出される。また、空気は右側のマニホールド１４から供給され、ＭＥＡプレート１１２とカソードセパレータ１１３との間を通流して左側のマニホールド１４から排出される。図２（Ａ）の矢印Ｅは、供給される作動ガスの通流する方向を示し、上流から下流に向かうことを示している。ＭＥＡプレート１１２とアノードセパレータ１１１及びカソードセパレータ１１３との間は、水素と空気と冷却水と大気とが互いに接触することを防ぐためにそれぞれシールされる。   Hydrogen is supplied from the direction of the arrow C to the left manifold 14 in FIG. The hydrogen flows between the anode separator 111 and the MEA plate 112 and is discharged from the right manifold 14 in the direction of arrow D. Air is supplied from the right manifold 14, flows between the MEA plate 112 and the cathode separator 113, and is discharged from the left manifold 14. An arrow E in FIG. 2A indicates the direction in which the supplied working gas flows, and indicates that the direction is from upstream to downstream. The MEA plate 112 and the anode separator 111 and the cathode separator 113 are sealed to prevent hydrogen, air, cooling water, and the atmosphere from coming into contact with each other.

図３は、燃料電池スタック１０を構成する単セル１１を示す図であり、ＭＥＡプレート１１２とアノードセパレータ１１１との間を通流する水素の流路及びＭＥＡプレート１１２とカソードセパレータ１１３との間を通流する空気の流路を示す図である。マニホールド１４を形成する連通孔は、図２（Ｂ）に示したように長辺方向両端に３箇所ずつ形成されているが、図３では単セル１１内部の水素及び空気の通流方向を明確に示すために連通孔は両端に１箇所ずつ表示する。   FIG. 3 is a view showing the single cell 11 constituting the fuel cell stack 10, and the hydrogen flow path between the MEA plate 112 and the anode separator 111 and the space between the MEA plate 112 and the cathode separator 113. It is a figure which shows the flow path of the air which flows. As shown in FIG. 2B, three communication holes forming the manifold 14 are formed at both ends in the long side direction. In FIG. 3, the flow direction of hydrogen and air inside the single cell 11 is clearly shown. For the sake of illustration, the communication holes are displayed one at each end.

ＭＥＡプレート１１２は、中央に膜−電極接合体１２（Membrane Electrode Assemblies、以下「ＭＥＡ」と略す）を備える。ＭＥＡ１２は、電解質膜の両側に電極を挟み込んで構成する。これらの電極は、アノードセパレータ１１１側に水素極、カソードセパレータ１１３側に空気極が配置される。これらの電極は、触媒層とガス拡散層とを有する。触媒層は、電解質膜と接触する側に位置する。ガス拡散層は、触媒層の外側に配置され、セパレータと接触する。   The MEA plate 112 includes a membrane-electrode assembly 12 (hereinafter abbreviated as “MEA”) in the center. The MEA 12 is configured by sandwiching electrodes on both sides of the electrolyte membrane. These electrodes have a hydrogen electrode on the anode separator 111 side and an air electrode on the cathode separator 113 side. These electrodes have a catalyst layer and a gas diffusion layer. The catalyst layer is located on the side in contact with the electrolyte membrane. The gas diffusion layer is disposed outside the catalyst layer and contacts the separator.

アノードセパレータ１１１は、ＭＥＡプレート１１２との接触面に水素の流路として多数の溝が形成される。また、カソードセパレータ１１３にも同様にＭＥＡプレート１１２との接触面に空気の流路として多数の溝が形成される。   The anode separator 111 has a number of grooves formed as hydrogen channels on the contact surface with the MEA plate 112. Similarly, the cathode separator 113 is also formed with a number of grooves as air flow paths on the contact surface with the MEA plate 112.

ＭＥＡ１２のアノードセパレータ１１１側には水素が、カソードセパレータ１１３側には空気が、それぞれＭＥＡ１２と接触する。ＭＥＡ１２と接触した水素は、ガス拡散層で拡散して触媒層に到達し、水素イオンと電子とに分離する。また、空気に含まれる酸素はガス拡散層で拡散して触媒層に到達し、電解質膜を通過した水素イオンと電子と反応して水を生成する。この反応の際の電子の移動によって電流が流れる。   Hydrogen contacts the MEA 12 on the anode separator 111 side, and air contacts the MEA 12 on the cathode separator 113 side. Hydrogen in contact with the MEA 12 diffuses in the gas diffusion layer, reaches the catalyst layer, and is separated into hydrogen ions and electrons. Further, oxygen contained in the air diffuses in the gas diffusion layer and reaches the catalyst layer, and reacts with hydrogen ions and electrons that have passed through the electrolyte membrane to generate water. An electric current flows by the movement of electrons during this reaction.

また、作動ガス流路の入口から出口に向かって十分な作動ガスが存在すれば、セパレータの面全体で一様な起電力が発生する。一方、作動ガスの流量が不足すると、上流で作動ガスが発電に消費されるため、出口付近において特に起電力が弱まる。さらに、水詰まりによって作動ガスの通流が阻害された場合にも同様に作動ガス流路の出口付近で最も電圧が低下する。   Further, if there is sufficient working gas from the inlet to the outlet of the working gas flow path, a uniform electromotive force is generated over the entire surface of the separator. On the other hand, when the flow rate of the working gas is insufficient, the working gas is consumed upstream for power generation, so that the electromotive force is particularly weak near the outlet. Furthermore, even when the working gas flow is hindered by water clogging, the voltage is reduced most in the vicinity of the outlet of the working gas flow path.

アノードセパレータ１１１及びカソードセパレータ１１３は、カーボンなどの導電性を有する材料で形成される。アノードセパレータ１１１及びカソードセパレータ１１３は面方向の距離が長くなると抵抗成分が大きくなる。したがって、単セル１１の作動ガス流路の出口付近では、セパレータの面方向の抵抗成分によるＩＲ損失も含めて電圧が計測される。   The anode separator 111 and the cathode separator 113 are formed of a conductive material such as carbon. The resistance component of the anode separator 111 and the cathode separator 113 increases as the distance in the surface direction increases. Therefore, in the vicinity of the outlet of the working gas flow path of the single cell 11, the voltage is measured including the IR loss due to the resistance component in the surface direction of the separator.

そこで、単セル１１の作動ガス流路の出口付近に電圧計測端子１３を設けることによって、いずれかの単セル１１で電圧低下が生じた場合に、いち早く検出することできる。本実施形態では図３に示すように、電圧計測端子１３をカソードセパレータ１１３の空気出口付近に設ける。   Therefore, by providing the voltage measurement terminal 13 in the vicinity of the outlet of the working gas flow path of the single cell 11, it is possible to quickly detect when a voltage drop occurs in any single cell 11. In the present embodiment, as shown in FIG. 3, the voltage measurement terminal 13 is provided near the air outlet of the cathode separator 113.

図４は、燃料電池スタック１０を通流する作動ガスの分配性能を示すグラフである。縦軸は分配性能、横軸は作動ガスの通流方向を示している。作動ガスの通流方向は、積層された単セルの位置と対応する。分配性能とは、平均ガス流量を１００％としたときのセルを通流する作動ガスの流量であり、この値が大きくなるとセルを通流する作動ガスの流量も大きくなる。また、平均ガス流量とは単セル１枚を通流する作動ガスの平均流量であって、燃料電池スタック１１に投入された全作動ガスの流量を単セルの総数で割った量である。   FIG. 4 is a graph showing the distribution performance of the working gas flowing through the fuel cell stack 10. The vertical axis represents the distribution performance, and the horizontal axis represents the flow direction of the working gas. The flow direction of the working gas corresponds to the position of the stacked single cells. The distribution performance is the flow rate of the working gas flowing through the cell when the average gas flow rate is 100%. When this value increases, the flow rate of the working gas flowing through the cell also increases. The average gas flow rate is an average flow rate of the working gas flowing through one single cell, and is an amount obtained by dividing the flow rate of all the working gases charged into the fuel cell stack 11 by the total number of single cells.

図４に示すように、燃料電池スタック１０は、作動ガスの流れる方向に対してセルが上流に位置するほど分配性能が大きくなる傾向を示している。そこで、本実施形態では１００％以上の分配性能を有する位置を上流とし、１００％未満の位置を下流と定義することができる。なお、横軸は図２（Ａ）の矢印Ｅの示す上流・下流と対応する。   As shown in FIG. 4, the fuel cell stack 10 shows a tendency that the distribution performance increases as the cell is positioned upstream in the direction in which the working gas flows. Therefore, in this embodiment, a position having a distribution performance of 100% or more can be defined as upstream, and a position less than 100% can be defined as downstream. The horizontal axis corresponds to the upstream / downstream direction indicated by the arrow E in FIG.

また、単セルの位置と作動ガスの流量との関係を表すマップは、図４に示すグラフから導出することができる。制御装置３０は、このマップをあらかじめ備えておくことによって、電圧の低下した単セルの位置から単セルを通流する作動ガスの流量を求めることができる。   A map representing the relationship between the position of the single cell and the flow rate of the working gas can be derived from the graph shown in FIG. By providing this map in advance, the control device 30 can determine the flow rate of the working gas flowing through the single cell from the position of the single cell where the voltage has decreased.

前述のように、単セルが下流に位置するほど通流するガス流量が少なくなっている。したがって、電解質膜を覆うガス拡散層の表面に付着した水滴は、ガス流路の下流においてガスの通流によって受ける力が弱くなる。そのため、水滴が外部に排出されにくくなり、水詰まりが発生しやすくなる。よって、作動ガスの流路の下流で電圧が大きく低下した場合には、水詰まりが発生したものと判断できる。一方、電圧降下が作動ガスの流路の上流で起こった場合には、膜乾燥など水詰まり以外の要因によるものと判断できる。   As described above, the flow rate of the gas flowing through the single cell decreases as the unit cell is located downstream. Therefore, the water droplets adhering to the surface of the gas diffusion layer covering the electrolyte membrane are weakened by the gas flow downstream of the gas flow path. Therefore, it is difficult for water droplets to be discharged to the outside, and water clogging is likely to occur. Therefore, when the voltage greatly decreases downstream of the working gas flow path, it can be determined that water clogging has occurred. On the other hand, if a voltage drop occurs upstream of the working gas flow path, it can be determined that the voltage drop is caused by factors other than water clogging such as membrane drying.

本願発明における燃料電池の制御装置３０の制御を図５のフローチャートに基づいて説明する。本ルーチンの実行に先立って、制御装置３０はアクセル開度などの情報をもとに必要な出力を算出する。制御装置３０は、必要な出力に応じた水素流量、空気流量、電流、作動圧力、作動温度を設定して発電を開始する。本ルーチンは、発電開始後に制御装置３０によって所定時間毎（例えば１０ミリ秒）に周期的に実行される。以下、フローチャートに従って本ルーチンの詳細を説明する。   Control of the fuel cell control device 30 according to the present invention will be described with reference to the flowchart of FIG. Prior to execution of this routine, the control device 30 calculates a necessary output based on information such as the accelerator opening. The control device 30 sets the hydrogen flow rate, the air flow rate, the current, the operating pressure, and the operating temperature according to the required output and starts power generation. This routine is periodically executed by the control device 30 every predetermined time (for example, 10 milliseconds) after the start of power generation. Details of this routine will be described below according to the flowchart.

ステップＳ１０において、制御装置３０は、電流値の時間変動を検出する。   In step S10, the control device 30 detects time variation of the current value.

ステップＳ２０において、制御装置３０は、燃料電池が定常状態であるか否かを判定する。ステップ１０において検出した電流値の時間変動が大きい場合には、過渡状態にあるものとしてステップＳ３０に進み、電流値の時間変動が小さく定常状態と判断した場合には、ステップＳ５０に進む。   In step S20, the control device 30 determines whether or not the fuel cell is in a steady state. If the time variation of the current value detected in step 10 is large, the process proceeds to step S30 as being in a transient state, and if it is determined that the time variation of the current value is small and the steady state, the process proceeds to step S50.

ステップＳ３０において、制御装置３０は、燃料電池全体の発電する電力について総電圧が所定値よりも低下しているか否かを判定する。総電圧が所定値よりも低下している場合にはステップＳ４０に進む。この所定値は、燃料電池が要求されている出力から算出する。また、総電圧が所定値よりも低下していない場合には、過渡的な電圧降下が起こったために一時的に電圧が低下したものとして、電圧の復帰処理を行わずに本ルーチンを抜ける。   In step S30, the control device 30 determines whether or not the total voltage of the electric power generated by the entire fuel cell is lower than a predetermined value. If the total voltage is lower than the predetermined value, the process proceeds to step S40. This predetermined value is calculated from the output at which the fuel cell is required. If the total voltage has not dropped below the predetermined value, it is assumed that the voltage has temporarily dropped because of a transient voltage drop, and the routine exits without performing the voltage recovery process.

ステップＳ４０において、制御装置３０は、電流値を低く設定することによって電圧を安定させ、本ルーチンを抜ける。   In step S40, the control device 30 stabilizes the voltage by setting the current value low, and exits this routine.

ステップＳ５０において、制御装置３０は、特定セルの電圧が所定値よりも低下しているか否かを判定する。この値は、燃料電池全体に要求した総電圧から計算できる単セル１枚あたりの電圧の平均値から導出する。特定セルの電圧が所定値よりも低下していない場合には、正常に運転しているものとして本ルーチンを抜ける。一方、特定セルの電圧が所定値よりも低下した場合には、ステップＳ６０に進む。   In step S50, the control device 30 determines whether or not the voltage of the specific cell is lower than a predetermined value. This value is derived from the average value of the voltage per single cell that can be calculated from the total voltage required for the entire fuel cell. When the voltage of the specific cell is not lower than the predetermined value, it is assumed that the specific cell is operating normally and this routine is exited. On the other hand, if the voltage of the specific cell has dropped below a predetermined value, the process proceeds to step S60.

ステップＳ６０において、制御装置３０は、総電圧が所定値よりも低下しているか否かを判定する。総電圧が所定値よりも低下していない場合には、ステップＳ７０に進む。総電圧が所定値よりも低下した場合には、ステップＳ４０に進む。この状態を長時間放置すると、発電によって発熱量が増大して作動温度が上昇し、電解質膜を劣化させる可能性がある。そこで、制御装置３０は、ステップＳ４０において、電流値を低く設定して電圧を安定させる。   In step S60, control device 30 determines whether or not the total voltage has decreased below a predetermined value. If the total voltage has not fallen below the predetermined value, the process proceeds to step S70. If the total voltage has fallen below the predetermined value, the process proceeds to step S40. If this state is left for a long time, the amount of heat generated by power generation increases, the operating temperature rises, and the electrolyte membrane may be deteriorated. Therefore, in step S40, control device 30 sets the current value to be low and stabilizes the voltage.

ステップＳ７０において、制御装置３０は、電圧が低下したセルが下流に位置しているか否かを判定する。電圧が低下したセルが下流に位置している場合には、水詰まりを原因とする電圧低下と判断し、ステップＳ８０に進む。一方、電圧が低下したセルが上流に位置している場合には、膜乾燥と判断してステップＳ１１０に進む。   In step S <b> 70, the control device 30 determines whether or not the cell whose voltage has dropped is located downstream. If the cell whose voltage has dropped is located downstream, it is determined that the voltage has dropped due to water clogging, and the process proceeds to step S80. On the other hand, if the cell whose voltage has dropped is located upstream, it is determined that the film is dry, and the process proceeds to step S110.

ステップＳ８０において、制御装置３０は、セル電圧が脈動しているか否かを判定する。セル電圧が脈動していない場合には、ステップＳ９０に進み、セル電圧が脈動している場合には、ステップＳ１００に進む。   In step S80, control device 30 determines whether or not the cell voltage is pulsating. If the cell voltage is not pulsating, the process proceeds to step S90. If the cell voltage is pulsating, the process proceeds to step S100.

ステップＳ９０において、制御装置３０は、空気の流量を増大させる。セル電圧の原因は、水詰まりによる電圧降下と判断されているため、空気の流量を増大させて、電解質膜を覆うガス拡散層の表面に付着した水を飛散させることによって水詰まりを解消させることができる。   In step S90, the control device 30 increases the flow rate of air. Since the cause of the cell voltage is determined to be a voltage drop due to water clogging, the clogging is eliminated by increasing the air flow rate and scattering the water adhering to the surface of the gas diffusion layer covering the electrolyte membrane. Can do.

ステップＳ１００において、制御装置３０は、燃料電池スタック１１内部の作動圧力を低下させて作動温度を上昇させる。セル電圧の脈動は、ガス拡散層や触媒層の表面に形成された細孔（ポア）内に水滴が詰まったり、離れたりすることによって発生する。例えば、ガス拡散層のポアに詰まった水滴が作動ガスの通流などによって離れると、ガス拡散性が復帰してセル電圧が上昇する。一方、ポアから離れた水滴が別のポアに詰まってしまうと、ガス拡散性が悪化して電圧が降下する。そこで、燃料電池スタック１０内の作動圧力を低下させたり作動温度を上昇させることによって、水滴の蒸発を促進させてポアに詰まった水滴を効果的に除去することができる。ポア内に詰まった水は、作動ガスの流体力によって除去することが困難であるため、このように蒸発による拡散が最も効果的な除去方法となる。   In step S100, the control device 30 decreases the operating pressure inside the fuel cell stack 11 and increases the operating temperature. The pulsation of the cell voltage is generated when water droplets are clogged or separated from pores (pores) formed on the surfaces of the gas diffusion layer and the catalyst layer. For example, when water droplets clogged in the pores of the gas diffusion layer are separated by the working gas flow or the like, the gas diffusibility is restored and the cell voltage increases. On the other hand, when a water droplet away from the pore is clogged with another pore, the gas diffusibility deteriorates and the voltage drops. Therefore, by reducing the operating pressure in the fuel cell stack 10 or increasing the operating temperature, it is possible to promote the evaporation of the water droplets and effectively remove the water droplets clogged in the pores. Since the water clogged in the pore is difficult to remove by the fluid force of the working gas, diffusion by evaporation is the most effective removal method in this way.

ステップＳ１１０において、制御装置３０は、空気の流量低下、水素の加湿、作動圧力の上昇及び作動温度の低下を実行する。これにより、電解質膜に含まれる水分を増量させるとともに蒸発を抑えて、電解質膜を湿潤状態として乾燥を防ぐことができる。   In step S110, the control device 30 executes air flow rate reduction, hydrogen humidification, operating pressure increase, and operating temperature decrease. As a result, the amount of water contained in the electrolyte membrane can be increased and evaporation can be suppressed to keep the electrolyte membrane wet and prevent drying.

本実施形態によれば、電圧の低下した単セルを検出するとともに電圧の低下した単セルの位置や電圧の変化などから電圧の低下した原因を判断することができる。したがって、電圧の低下した原因に応じた電圧の復帰処理を適切に行うことができ、安定した発電を行なうことができる。   According to the present embodiment, it is possible to detect a single cell having a reduced voltage and determine the cause of the voltage drop from the position of the single cell having the reduced voltage, a change in voltage, or the like. Therefore, the voltage restoration process according to the cause of the voltage drop can be appropriately performed, and stable power generation can be performed.

また、本実施形態によれば、総電圧が低下した場合に局所的に大きな電圧がかかることによってＭＥＡの劣化を招くおそれがあるが、負荷電流を低下させることによって局所的な負荷の増大を抑制し、ＭＥＡの劣化を最小限に抑えることができる。   Further, according to the present embodiment, when the total voltage is reduced, a large voltage may be applied locally, which may cause deterioration of the MEA. However, the increase in the local load is suppressed by reducing the load current. In addition, the deterioration of the MEA can be minimized.

さらに、本実施形態によれば、過渡応答時の総電圧低下やセル電圧の低下を検知判断することによって診断精度を向上させ、安定した発電を行うことができる。   Furthermore, according to the present embodiment, it is possible to improve diagnosis accuracy by detecting and determining a decrease in total voltage or a decrease in cell voltage during a transient response, and stable power generation can be performed.

以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明と均等であることは明白である。   The present invention is not limited to the embodiment described above, and various modifications and changes can be made within the scope of the technical idea, and it is obvious that these are equivalent to the present invention.

例えば、電圧計測端子はすべての単セルに設けてもよいし、一定枚数ごとに設けてもよい。また、電圧計測端子を設けた単セルは、水詰まりや膜乾燥の発生しやすい位置に重点的に配置してもよい。   For example, the voltage measurement terminals may be provided in all single cells, or may be provided for every fixed number of sheets. In addition, the single cell provided with the voltage measurement terminal may be intensively arranged at a position where water clogging or film drying is likely to occur.

本発明による燃料電池制御装置を採用した燃料電池車両の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the fuel cell vehicle which employ | adopted the fuel cell control apparatus by this invention. 本発明による燃料電池制御装置が制御する燃料電池スタックである。1 is a fuel cell stack controlled by a fuel cell control device according to the present invention. 本発明による燃料電池制御装置が制御する燃料電池スタックに用いられるセルの詳細図である。It is a detailed view of a cell used in a fuel cell stack controlled by a fuel cell control device according to the present invention. 本発明による燃料電池制御装置の制御対象である燃料電池スタックを通流する作動ガスの流量の分配性能を示すグラフである。It is a graph which shows the distribution performance of the flow volume of the working gas which flows through the fuel cell stack which is the control object of the fuel cell control apparatus by this invention. 本発明による燃料電池制御装置の制御を示すフローチャートである。3 is a flowchart showing control of the fuel cell control device according to the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

１０ 燃料電池スタック
１１ 単セル
１２ ＭＥＡ（電解質膜、水素極、空気極）
１３ 電圧計測端子（セル電圧検出手段）
２０ 電圧検出装置
３０ 制御装置（電圧調整装置）
ステップＳ４０，Ｓ９０，Ｓ１００，Ｓ１１０ 電圧復帰手段 10 Fuel cell stack 11 Single cell 12 MEA (electrolyte membrane, hydrogen electrode, air electrode)
13 Voltage measurement terminal (cell voltage detection means)
20 Voltage detection device 30 Control device (voltage adjustment device)
Steps S40, S90, S100, S110 Voltage recovery means

Claims (14)

空気極と水素極とに挟まれた電解質膜を含む単セルを複数積層し、前記空気極側に空気が通流するとともに、前記水素極側に水素が通流して発電する燃料電池スタックを制御する燃料電池の電圧調整装置であって、
前記単セルの電圧を計測するセル電圧計測手段と、
前記セル電圧計測手段によって計測された電圧が低下したときに、電圧の低下した単セルが配置された領域に応じて異なる態様でセル電圧を復帰させるセル電圧復帰手段と、
を備える燃料電池の電圧調整装置。 A plurality of unit cells including an electrolyte membrane sandwiched between an air electrode and a hydrogen electrode are stacked to control a fuel cell stack in which air flows to the air electrode side and hydrogen flows to the hydrogen electrode side to generate power. A fuel cell voltage regulator that performs
Cell voltage measuring means for measuring the voltage of the single cell;
When the voltage measured by the cell voltage measuring means is reduced, cell voltage return means for returning the cell voltage in a different manner depending on the region where the single cell having the reduced voltage is disposed;
A voltage adjustment device for a fuel cell comprising: 前記セル電圧復帰手段は、単セルの配置と単セルを通流する空気又は水素の流量との関係を表したマップをあらかじめ備え、
前記マップに基づいて、電圧の低下した単セルが、単セル１枚あたりに通流する空気又は水素の平均流量よりも多くの空気又は水素が通流する領域に配置されているか否かによって異なる態様でセル電圧を復帰させる、
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の電圧調整装置。 The cell voltage recovery means includes a map representing a relationship between the arrangement of single cells and the flow rate of air or hydrogen flowing through the single cells,
Based on the map, whether or not a single cell with a reduced voltage is arranged in a region through which more air or hydrogen flows than the average flow rate of air or hydrogen flowing per single cell is different. Restore the cell voltage in a manner,
The voltage regulator for a fuel cell according to claim 1. 前記セル電圧計測手段は、通流する空気又は水素の流量が平均流量よりも少ない領域に配置された単セルに設けられる、
ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池の電圧調整装置。 The cell voltage measuring means is provided in a single cell arranged in a region where the flow rate of flowing air or hydrogen is less than the average flow rate.
3. The fuel cell voltage regulator according to claim 2, wherein: 前記セル電圧計測手段は、通流する空気又は水素の流量が平均流量よりも多い領域に配置された単セルに設けられる、
ことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の燃料電池の電圧調整装置。 The cell voltage measuring means is provided in a single cell arranged in a region where the flow rate of flowing air or hydrogen is higher than the average flow rate.
4. The fuel cell voltage regulator according to claim 2 or claim 3, wherein 前記セル電圧復帰手段は、電圧の低下した単セルが、通流する空気又は水素の流量が平均流量よりも少ない領域に配置されているときに、前記燃料電池スタックに供給する空気又は水素の流量を増量する、
ことを特徴とする請求項２から請求項４までのいずれか１項に記載の燃料電池の電圧調整装置。 The cell voltage return means is configured to provide a flow rate of air or hydrogen supplied to the fuel cell stack when a single cell having a reduced voltage is disposed in a region where the flow rate of flowing air or hydrogen is less than the average flow rate. Increase the weight,
The voltage regulator for a fuel cell according to any one of claims 2 to 4, wherein the voltage regulator is for a fuel cell. 前記セル電圧復帰手段は、電圧の低下した単セルが、通流する空気又は水素の流量が平均流量よりも少ない領域に配置され、さらにセル電圧の脈動を起こしているときに、前記燃料電池スタック内部の作動圧力を低下させる、
ことを特徴とする請求項２から請求項５までのいずれか１項に記載の燃料電池の電圧調整装置。 The cell voltage recovery means is configured such that when the single cell having a reduced voltage is disposed in a region where the flow rate of flowing air or hydrogen is less than the average flow rate, and further causes pulsation of the cell voltage, the fuel cell stack Reduce internal working pressure,
6. The fuel cell voltage regulator according to any one of claims 2 to 5, wherein: 前記セル電圧復帰手段は、電圧の低下した単セルが、通流する空気又は水素の流量が平均流量よりも少ない領域に配置され、さらにセル電圧の脈動を起こしているときに、前記燃料電池スタック内部の作動温度を上昇させる、
ことを特徴とする請求項２から請求項６までのいずれか１項に記載の燃料電池の電圧調整装置。 The cell voltage recovery means is configured such that when the single cell having a reduced voltage is disposed in a region where the flow rate of flowing air or hydrogen is less than the average flow rate, and further causes pulsation of the cell voltage, the fuel cell stack Increase the internal operating temperature,
The voltage regulator for a fuel cell according to any one of claims 2 to 6, wherein the voltage regulator is for a fuel cell. 前記セル電圧復帰手段は、電圧の低下した単セルが、通流する空気又は水素の流量が平均流量よりも多い領域に配置されているときに、前記燃料電池スタックに供給する空気又は水素の流量を減量する、
ことを特徴とする請求項２から請求項７までのいずれか１項に記載の燃料電池の電圧調整装置。 The cell voltage return means is configured to provide a flow rate of air or hydrogen supplied to the fuel cell stack when a single cell having a reduced voltage is disposed in a region where the flow rate of flowing air or hydrogen is higher than the average flow rate. To lose weight,
The fuel cell voltage regulator according to any one of claims 2 to 7, wherein 前記セル電圧復帰手段は、電圧の低下した単セルが、通流する空気又は水素の流量が平均流量よりも多い領域に配置されているときに、前記燃料電池スタックに供給する空気又は水素の加湿量を増量する、
ことを特徴とする請求項２から請求項８までのいずれか１項に記載の燃料電池の電圧調整装置。 The cell voltage recovery means is configured to humidify air or hydrogen supplied to the fuel cell stack when a single cell having a reduced voltage is disposed in a region where the flow rate of flowing air or hydrogen is higher than the average flow rate. Increase the amount,
9. The fuel cell voltage regulator according to any one of claims 2 to 8, wherein: 前記セル電圧復帰手段は、電圧の低下した単セルが、通流する空気又は水素の流量が平均流量よりも多い領域に配置されているときに、前記燃料電池スタック内部の作動圧力を上昇させる、
ことを特徴とする請求項２から請求項９までのいずれか１項に記載の燃料電池の電圧調整装置。 The cell voltage return means increases the operating pressure inside the fuel cell stack when the single cell having a reduced voltage is disposed in a region where the flow rate of flowing air or hydrogen is higher than the average flow rate.
The fuel cell voltage regulator according to any one of claims 2 to 9, wherein 前記セル電圧復帰手段は、電圧の低下した単セルが、通流する空気又は水素の流量が平均流量よりも多い領域に配置されているときに、前記燃料電池スタック内部の作動温度を低下させる、
ことを特徴とする請求項２から請求項１０までのいずれか１項に記載の燃料電池の電圧調整装置。 The cell voltage return means lowers the operating temperature inside the fuel cell stack when the single cell whose voltage has been lowered is arranged in a region where the flow rate of flowing air or hydrogen is higher than the average flow rate.
11. The fuel cell voltage regulator according to claim 2, wherein the voltage regulator is a fuel cell. 前記セル電圧復帰手段は、セル電圧が低下するとともに総電圧が所定値よりも低下したときには、電流値を低く設定する、
ことを特徴とする請求項１から請求項１１までのいずれか１項に記載の燃料電池の電圧調整装置。 The cell voltage recovery means sets the current value low when the cell voltage decreases and the total voltage decreases below a predetermined value.
The voltage regulator for a fuel cell according to any one of claims 1 to 11, wherein: 電流値の時間変動をともないながら総電圧が所定値よりも低下したときに、電流値を低く設定する、
ことを特徴とする請求項１から請求項１２までのいずれか１項に記載の燃料電池の電圧調整装置。 When the total voltage drops below a predetermined value with time fluctuation of the current value, the current value is set low.
The voltage regulator for a fuel cell according to any one of claims 1 to 12, characterized in that: 電流値の時間変動をともないながらも総電圧が所定値よりも大きいときには、過渡応答遅れと判断して定常状態となるまで待機する、
ことを特徴とする請求項１から請求項１３までのいずれか１項に記載の燃料電池の電圧調整装置。 When the total voltage is larger than the predetermined value with time variation of the current value, it is determined that the transient response is delayed and waits until it reaches a steady state.
14. The fuel cell voltage regulator according to any one of claims 1 to 13, wherein
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