JP2009129684A

JP2009129684A - Fuel cell system

Info

Publication number: JP2009129684A
Application number: JP2007303176A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Suzuki; 昭博鈴木; Hidetoshi Oishi; 英俊大石; Shunji Tsukabayashi; 俊二塚林
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2007-11-22
Filing date: 2007-11-22
Publication date: 2009-06-11
Anticipated expiration: 2027-11-22
Also published as: JP5204465B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system capable of preventing deterioration of a fuel cell. <P>SOLUTION: The fuel cell system 1 includes a fuel cell stack 10 which generates power by being supplied with hydrogen and air, a hydrogen tank 21 to supply hydrogen to the fuel cell stack 10, a compressor 31 to supply air to the fuel cell stack 10, humidifiers 22, 32 which humidify respectively hydrogen and air supplied to the fuel cell stack 10, humidity sensors 23, 33 which detect humidity of hydrogen or air that is humidified and going to the fuel cell stack 10, a VCU (voltage control unit) 43 which restricts generated power of the fuel cell stack 10, and an ECU 60 which controls the VCU 43 so as to restrict the generated power of the fuel cell stack 10 when the humidity detected by the humidity sensors 23, 33 is lower than a reference humidity. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.

近年、水素（燃料ガス）がアノードに、酸素（酸化剤ガス）がカソードに、それぞれ供給されることで発電する固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）等の燃料電池の開発が盛んである。燃料電池は、その発電電力によって走行する燃料電池自動車や、家庭用電源など広範囲で適用されつつあり、今後もその適用範囲の拡大が期待されている。 In recent years, the development of fuel cells such as polymer electrolyte fuel cells (PEFC) that generate electricity by supplying hydrogen (fuel gas) to the anode and oxygen (oxidant gas) to the cathode has been developed. It is thriving. Fuel cells are being applied in a wide range, such as fuel cell vehicles that run on the power generated by them, and household power supplies, and their application range is expected to expand in the future.

このような燃料電池が発電すると、アノードでは式（１）の電極反応が生じ、水素イオンが生成する。そして、この水素イオンは、電解質膜（固体高分子膜）中を、カソード側に透過する。この水素イオンの透過に伴って、水素イオンに水和する水もカソード側に浸透する（電気浸透）。
一方、カソードでは式（２）の電極反応が生じ、水が生成し、この水が、電解質膜中をアノード側に浸透する（特許文献１参照）。
２Ｈ_２→４Ｈ^＋＋４ｅ⁻ …（１）
Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻→２Ｈ_２Ｏ …（２） When such a fuel cell generates electric power, an electrode reaction of formula (1) occurs at the anode, and hydrogen ions are generated. The hydrogen ions permeate the electrolyte membrane (solid polymer membrane) to the cathode side. With the permeation of hydrogen ions, water hydrated with hydrogen ions also permeates the cathode side (electroosmosis).
On the other hand, the electrode reaction of Formula (2) occurs at the cathode, and water is generated, and this water penetrates into the anode side through the electrolyte membrane (see Patent Document 1).
2H ₂ → 4H ⁺ + 4e ⁻ (1)
O ₂ + 4H ⁺ + 4e ⁻ → 2H ₂ O (2)

特開２００５−２５１６９６号公報JP 2005-251696 A

ここで、特許文献１には、燃料電池に供給されるガス（水素、空気）の加湿状態に応じて、空気を供給するコンプレッサの応答時間を制御することについて記載されているものの、加湿不足の状態では電解質膜のイオン抵抗が高く、このように加湿不足の状態で、要求された発電電力に応じて、燃料電池を発電させると、電解質膜が分解等し、燃料電池が劣化する虞がある。 Here, Patent Document 1 describes controlling the response time of a compressor that supplies air in accordance with the humidification state of the gas (hydrogen, air) supplied to the fuel cell. In this state, the ionic resistance of the electrolyte membrane is high, and when the fuel cell is generated according to the required generated power in such a state of insufficient humidification, the electrolyte membrane may be decomposed and the fuel cell may be deteriorated. .

そこで、本発明は、燃料電池の劣化を好適に防止可能な燃料電池システムを提供することを課題とする。 Then, this invention makes it a subject to provide the fuel cell system which can prevent deterioration of a fuel cell suitably.

前記課題を解決するための手段として、本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることで発電する燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池に供給される燃料ガス又は酸化剤ガスを加湿する加湿手段と、前記加湿手段で加湿され前記燃料電池に向かう、前記燃料ガス又は酸化剤ガスの湿度を検出する湿度センサと、前記燃料電池の発電電力を制限する発電電力制限手段と、前記湿度センサが検出した湿度が、基準湿度よりも低い場合、前記燃料電池の発電電力を制限するように前記発電電力制限手段を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システムである。 As means for solving the above-mentioned problems, the present invention provides a fuel cell that generates power by being supplied with fuel gas and oxidant gas, fuel gas supply means for supplying fuel gas to the fuel cell, and the fuel cell. An oxidant gas supply means for supplying an oxidant gas to the fuel cell, a humidifying means for humidifying the fuel gas or the oxidant gas supplied to the fuel cell, and the fuel gas humidified by the humidification means toward the fuel cell or A humidity sensor that detects the humidity of the oxidant gas, a generated power limiting means that limits the generated power of the fuel cell, and when the humidity detected by the humidity sensor is lower than a reference humidity, the generated power of the fuel cell is And a control means for controlling the generated power limiting means so as to limit the fuel cell system.

このような燃料電池システムによれば、湿度センサによって検出され、加湿手段で加湿され燃料電池に向かう、燃料ガス又は酸化剤ガスの湿度が、基準湿度よりも低い場合、制御手段が、燃料電池の発電電力を制限するように発電電力制限手段を制御する。
このようにして、燃料電池の発電電力が制限、つまり、燃料電池の発電が制限されるので、燃料電池を構成する電解質膜（固体高分子膜）の加湿不足下において、燃料電池の過放電（過負荷）を防止し、燃料電池の劣化を好適に防止できる。 According to such a fuel cell system, when the humidity of the fuel gas or the oxidant gas detected by the humidity sensor, humidified by the humidifying means and directed to the fuel cell is lower than the reference humidity, the control means The generated power limiting means is controlled so as to limit the generated power.
In this way, the generated power of the fuel cell is limited, that is, the power generation of the fuel cell is limited. Therefore, the fuel cell overdischarge (under the humidification of the electrolyte membrane (solid polymer membrane) constituting the fuel cell) (Overload) can be prevented, and deterioration of the fuel cell can be suitably prevented.

また、前記燃料電池を補助する補助電力供給手段を備え、前記発電電力制限手段により前記燃料電池の発電電力を制限する場合、前記制御手段は、制限した発電電力を補助するように、前記補助電力供給手段を制御することを特徴とする燃料電池システムである。 In addition, the auxiliary power supply means for assisting the fuel cell is provided, and when the generated power of the fuel cell is limited by the generated power limiting means, the control means is configured to assist the limited generated power with the auxiliary power. A fuel cell system that controls supply means.

このような燃料電池システムによれば、発電電力制限手段により燃料電池の発電電力を制限する場合、制御手段は、この制限した発電電力を補助するように、補助電力供給手段を制御する。これにより、外部に供給される電力が不足になることはない。 According to such a fuel cell system, when the generated power of the fuel cell is limited by the generated power limiting means, the control means controls the auxiliary power supply means to assist the limited generated power. Thereby, the power supplied to the outside does not become insufficient.

また、前記制御手段は、要求発電量に基づいて前記基準湿度を算出することを特徴とする燃料電池システムである。 The control unit may calculate the reference humidity based on a required power generation amount.

このような燃料電池システムによれば、要求発電量に基づいて基準湿度を算出し、燃料電池の発電電力を適切に制限できる。 According to such a fuel cell system, the reference humidity can be calculated based on the required power generation amount, and the generated power of the fuel cell can be appropriately limited.

本発明によれば、燃料電池の劣化を防止可能な燃料電池システムを提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fuel cell system which can prevent deterioration of a fuel cell can be provided.

以下、本発明の一実施形態について、図１から図３を参照して説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 3.

≪燃料電池システムの構成≫
図１に示す本実施形態に係る燃料電池システム１は、図示しない燃料電池自動車（移動体）に搭載されている。燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０のアノードに対して水素（燃料ガス）を給排するアノード系（燃料ガス供給手段）と、燃料電池スタック１０のカソードに対して酸素を含む空気（酸化剤ガス）を給排するカソード系（酸化剤ガス供給手段）と、燃料電池スタック１０の発電電力を消費・アシスト（補助）する電力消費系と、アクセルペダル５１と、これらを電子制御するＥＣＵ６０（Electronic Control Unit、電子制御装置）と、を備えている。 ≪Configuration of fuel cell system≫
A fuel cell system 1 according to this embodiment shown in FIG. 1 is mounted on a fuel cell vehicle (moving body) (not shown). The fuel cell system 1 includes a fuel cell stack 10, an anode system (fuel gas supply means) for supplying and discharging hydrogen (fuel gas) to and from the anode of the fuel cell stack 10, and oxygen to the cathode of the fuel cell stack 10. A cathode system (oxidant gas supply means) that supplies and discharges air (oxidant gas) containing gas, a power consumption system that consumes and assists (supplements) the generated power of the fuel cell stack 10, an accelerator pedal 51, and ECU 60 (Electronic Control Unit, electronic control device) for electronic control.

＜燃料電池スタック＞
燃料電池スタック１０は、複数（例えば２００〜４００枚）の固体高分子型の単セルが積層して構成されたスタックであり、複数の単セルは電気的に直列で接続されている。単セルは、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）と、これを挟み２枚の導電性を有するアノードセパレータ及びカソードセパレータと、を備えている。ＭＥＡは、１価の陽イオン交換膜等からなる電解質膜（固体高分子膜）と、これを挟むアノード及びカソードとを備えている。 <Fuel cell stack>
The fuel cell stack 10 is a stack formed by stacking a plurality of (for example, 200 to 400) solid polymer type single cells, and the plurality of single cells are electrically connected in series. The single cell includes an MEA (Membrane Electrode Assembly) and two conductive anode separators and cathode separators sandwiching the MEA. The MEA includes an electrolyte membrane (solid polymer membrane) made of a monovalent cation exchange membrane or the like, and an anode and a cathode sandwiching the electrolyte membrane.

アノード及びカソードは、カーボンペーパ等の導電性を有する多孔質体から主に構成されると共に、アノード及びカソードにおける電極反応を生じさせるための触媒（Ｐｔ、Ｒｕ等）を含んでいる。 The anode and cathode are mainly composed of a conductive porous material such as carbon paper, and contain a catalyst (Pt, Ru, etc.) for causing an electrode reaction in the anode and cathode.

アノードセパレータには、各ＭＥＡのアノードに対して水素を給排するための溝や貫通孔が形成されており、これら溝及び貫通孔がアノード流路１１（燃料ガス流路）として機能している。
カソードセパレータには、各ＭＥＡのカソードに対して空気を給排するための溝や貫通孔が形成されており、これら溝及び貫通孔がカソード流路１２（酸化剤ガス流路）として機能している。 The anode separator is formed with grooves and through holes for supplying and discharging hydrogen to the anode of each MEA, and these grooves and through holes function as the anode flow path 11 (fuel gas flow path). .
The cathode separator is formed with grooves and through holes for supplying and discharging air to and from the cathode of each MEA, and these grooves and through holes function as the cathode flow path 12 (oxidant gas flow path). Yes.

そして、アノード流路１１を介して各アノードに水素が供給され、カソード流路１２を介して各カソードに空気が供給されると、電極反応が起こり、各単セルで電位差（ＯＣＶ（Open Circuit Voltage）、開回路電圧）が発生するようになっている。次いで、燃料電池スタック１０と走行モータ４１等の外部回路とが電気的に接続され、電流が取り出されると、燃料電池スタック１０が発電するようになっている。
また、このように燃料電池が発電すると、カソードで水分（水蒸気）が生成し、この水分は電解質膜をアノード側に浸透するので、アノードから排出されるアノードオフガス、カソードから排出されるカソードオフガスは、いずれも多湿となる。 Then, when hydrogen is supplied to each anode via the anode flow path 11 and air is supplied to each cathode via the cathode flow path 12, an electrode reaction occurs, and a potential difference (OCV (Open Circuit Voltage) is generated in each single cell. ), Open circuit voltage). Next, when the fuel cell stack 10 and an external circuit such as the travel motor 41 are electrically connected and a current is taken out, the fuel cell stack 10 generates power.
Further, when the fuel cell generates electricity in this way, moisture (water vapor) is generated at the cathode, and this moisture permeates the electrolyte membrane to the anode side. Therefore, the anode off-gas discharged from the anode and the cathode off-gas discharged from the cathode are , Both are humid.

＜アノード系＞
アノード系は、水素タンク２１（燃料ガス源）と、加湿器２２（加湿手段）と、湿度センサ２３とを備えている。
水素タンク２１は、配管２１ａ、加湿器２２、配管２２ａを介して、アノード流路１１の入口に接続されており、水素タンク２１の水素が、配管２１ａ等を介して、アノード流路１１に供給されるようになっている。配管２１ａには、水素供給時に開かれる常閉型の遮断弁（図示しない）が設けられている。
アノード流路１１の出口には、配管２２ｂ、加湿器２２、配管２２ｃが順に接続されており、燃料電池スタック１０のアノードから排出されたアノードオフガスが、配管２２ｂ等を介して車外（外部）に排出されるようになっている。 <Anode system>
The anode system includes a hydrogen tank 21 (fuel gas source), a humidifier 22 (humidifying means), and a humidity sensor 23.
The hydrogen tank 21 is connected to the inlet of the anode channel 11 via the pipe 21a, the humidifier 22, and the pipe 22a, and the hydrogen in the hydrogen tank 21 is supplied to the anode channel 11 via the pipe 21a and the like. It has come to be. The pipe 21a is provided with a normally closed shut-off valve (not shown) that is opened when hydrogen is supplied.
A pipe 22b, a humidifier 22, and a pipe 22c are sequentially connected to the outlet of the anode flow path 11, and the anode off gas discharged from the anode of the fuel cell stack 10 is externally (externally) via the pipe 22b and the like. It is supposed to be discharged.

加湿器２２は、ポリイミド等から形成された中空糸膜２２ｄを複数本備えている。そして、加湿器２２は、この中空糸膜２２ｄを介して、アノードから排出された多湿のアノードオフガスと、アノードに向かう水素との間で水分交換し、アノードに向かう水素を加湿するように構成されている。 The humidifier 22 includes a plurality of hollow fiber membranes 22d made of polyimide or the like. The humidifier 22 is configured to exchange moisture between the humid anode off-gas discharged from the anode and hydrogen toward the anode via the hollow fiber membrane 22d, and humidify the hydrogen toward the anode. ing.

湿度センサ２３は、配管２２ａに配置されており、加湿器２２で加湿された後、配管２２ａを介して、アノードに向かう水素の湿度を検出するようになっている。そして、湿度センサ２３は、検出した水素の湿度を、ＥＣＵ６０に出力するようになっている。 The humidity sensor 23 is disposed in the pipe 22a, and after humidified by the humidifier 22, detects the humidity of hydrogen toward the anode through the pipe 22a. The humidity sensor 23 outputs the detected hydrogen humidity to the ECU 60.

＜カソード系＞
カソード系は、コンプレッサ３１（酸化剤ガス源）と、加湿器３２と、湿度センサ３３とを備えている。
コンプレッサ３１は、配管３１ａ、加湿器３２、配管３２ａを介して、カソード流路１２の入口に接続されており、ＥＣＵ６０の指令に従って作動すると、酸素を含む空気を取り込み、カソード流路１２に供給するようになっている。
カソード流路１２の出口には、配管３２ｂ、加湿器３２、配管３２ｃが順に接続されており、燃料電池スタック１０のカソードから排出されたカソードオフガスが、配管２２ｂ等を介して、車外に排出されるようになっている。 <Cathode system>
The cathode system includes a compressor 31 (oxidant gas source), a humidifier 32, and a humidity sensor 33.
The compressor 31 is connected to the inlet of the cathode flow path 12 via the pipe 31a, the humidifier 32, and the pipe 32a. When the compressor 31 operates in accordance with a command from the ECU 60, it takes in oxygen-containing air and supplies it to the cathode flow path 12. It is like that.
A pipe 32b, a humidifier 32, and a pipe 32c are sequentially connected to the outlet of the cathode flow path 12, and the cathode off gas discharged from the cathode of the fuel cell stack 10 is discharged outside the vehicle through the pipe 22b and the like. It has become so.

加湿器３２は、加湿器２２と同様に、中空糸膜３２ｄを複数本備えている。そして、加湿器３２は、この中空糸膜３２ｄを介して、カソードから排出された多湿のカソードオフガスと、カソードに向かう空気との間で水分交換し、カソードに向かう空気を加湿するように構成されている。 Similar to the humidifier 22, the humidifier 32 includes a plurality of hollow fiber membranes 32 d. The humidifier 32 is configured to exchange moisture between the humid cathode off-gas discharged from the cathode and the air toward the cathode via the hollow fiber membrane 32d, and humidify the air toward the cathode. ing.

湿度センサ３３は、配管３２ａに配置されており、加湿器３２で加湿された後、配管３２ａを介して、カソードに向かう空気の湿度を検出するようになっている。そして、湿度センサ３３は、検出した空気の湿度を、ＥＣＵ６０に出力するようになっている。 The humidity sensor 33 is disposed in the pipe 32a, and is humidified by the humidifier 32 and then detects the humidity of the air toward the cathode via the pipe 32a. The humidity sensor 33 is configured to output the detected humidity of the air to the ECU 60.

＜電力消費系＞
電力消費系は、走行モータ４１と、電力分配器４２と、ＶＣＵ４３（Voltage Control Unit、発電電力制限手段）と、高圧バッテリ４４とを備えている。走行モータ４１は、電力分配器４２、ＶＣＵ４３を順に介して、燃料電池スタック１０の出力端子（図示しない）に接続されている。高圧バッテリ４４は、電力分配器４２に接続されている。 <Power consumption system>
The power consumption system includes a travel motor 41, a power distributor 42, a VCU 43 (Voltage Control Unit, generated power limiting means), and a high voltage battery 44. The travel motor 41 is connected to an output terminal (not shown) of the fuel cell stack 10 through the power distributor 42 and the VCU 43 in this order. The high voltage battery 44 is connected to the power distributor 42.

走行モータ４１は、燃料電池自動車の動力源となる外部負荷である。
ＶＣＵ４３は、ＥＣＵ６０からの指令に従って、燃料電池スタック１０の発電電力を制限する機器であり、ＤＣ／ＤＣチョッパ等の電子回路を備えている。
高圧バッテリ４４は、リチウムイオン型の二次電池から構成され、燃料電池スタック１０の余剰電力を充電したり、燃料電池スタック１０の発電を制限する場合に燃料電池スタック１０をアシストしたりするものである。 The travel motor 41 is an external load that is a power source of the fuel cell vehicle.
The VCU 43 is a device that limits the generated power of the fuel cell stack 10 in accordance with a command from the ECU 60, and includes an electronic circuit such as a DC / DC chopper.
The high voltage battery 44 is composed of a lithium ion type secondary battery, and charges the surplus power of the fuel cell stack 10 or assists the fuel cell stack 10 when the power generation of the fuel cell stack 10 is limited. is there.

電力分配器４２は、スイッチング回路等を備えており、ＶＣＵ４３で燃料電池スタック１０の発電電力を制限する場合、ＥＣＵ６０の指令に従って、高圧バッテリ４４の充電電力を放電させ、制限された燃料電池スタック１０の発電電力を補うように、高圧バッテリ４４を放電させる機能を備えている。そして、電力分配器４２は、燃料電池スタック１０からの電力と、高圧バッテリ４４からの電力とを走行モータ４１に供給するようになっている。
なお、本実施形態において、燃料電池スタック１０を補助する補助電力供給手段は、高圧バッテリ４４と、電力分配器４２とを備えて構成されている。 The power distributor 42 includes a switching circuit and the like. When the VCU 43 restricts the generated power of the fuel cell stack 10, the charging power of the high-voltage battery 44 is discharged in accordance with a command from the ECU 60, and the restricted fuel cell stack 10. A function of discharging the high-voltage battery 44 is provided so as to supplement the generated power. The power distributor 42 supplies the traveling motor 41 with the power from the fuel cell stack 10 and the power from the high voltage battery 44.
In the present embodiment, the auxiliary power supply means for assisting the fuel cell stack 10 includes the high voltage battery 44 and the power distributor 42.

＜アクセルペダル＞
アクセルペダル５１（Accelerator Pedal：ＡＰ）は、運転者が走行要求に応じて踏み込むペダルであり、運転席の足元に配置されている。そして、アクセルペダル５１は、その踏み込み程度に基づいた信号を、ＥＣＵ６０に送り、ＥＣＵ６０は、アクセルペダル５１の踏み込み量に基づいて、運転者からの要求発電電力（要求発電量）を検知するようになっている。 <Accelerator pedal>
An accelerator pedal 51 (Accelerator Pedal: AP) is a pedal that the driver steps on in response to a travel request, and is disposed at the foot of the driver's seat. Then, the accelerator pedal 51 sends a signal based on the degree of depression of the accelerator pedal 51 to the ECU 60, and the ECU 60 detects the required generated power (required power generation amount) from the driver based on the depressed amount of the accelerator pedal 51. It has become.

＜ＥＣＵ＞
ＥＣＵ６０（制御手段）は、燃料電池システム１を電子制御する制御装置であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されており、その内部に記憶されたプログラムに従って、各種機器を制御し、各種処理を実行するようになっている。
なお、ＥＣＵ６０による具体的制御内容は、図２のフローチャート等を参照して、以下詳細に説明する。 <ECU>
The ECU 60 (control means) is a control device that electronically controls the fuel cell system 1 and includes a CPU, a ROM, a RAM, various interfaces, an electronic circuit, and the like, and according to a program stored therein, Various devices are controlled and various processes are executed.
The specific control contents by the ECU 60 will be described in detail below with reference to the flowchart of FIG.

≪燃料電池システムの動作≫
次に、図２を主に参照して、燃料電池システム１の動作を、ＥＣＵ６０に設定されたプログラム（フローチャート）の流れと共に説明する。
なお、前提として、燃料電池システム１は作動しており、燃料電池スタック１０は発電している。また、ここでは、湿度センサ３３が検出する現在における空気の湿度と、アクセルペダル５１の踏み込み量に基づいて算出される基準湿度とに基づいて、ＶＣＵ４３により燃料電池スタック１０の発電を制御する場合を例示する。 ≪Operation of fuel cell system≫
Next, mainly referring to FIG. 2, the operation of the fuel cell system 1 will be described together with the flow of a program (flow chart) set in the ECU 60.
As a premise, the fuel cell system 1 is operating and the fuel cell stack 10 is generating electricity. Here, a case where the power generation of the fuel cell stack 10 is controlled by the VCU 43 based on the current air humidity detected by the humidity sensor 33 and the reference humidity calculated based on the depression amount of the accelerator pedal 51 is used. Illustrate.

ステップＳ１０１において、ＥＣＵ６０は、現在のアクセルペダル５１の踏み込み量と図３のマップとに基づいて、現在における運転者からの要求発電電力と基準湿度とを算出する。なお、図３のマップは、事前試験等により求められ、ＥＣＵ６０に予め記憶されている。 In step S101, the ECU 60 calculates the current required power generation and the reference humidity from the driver based on the current depression amount of the accelerator pedal 51 and the map of FIG. Note that the map of FIG. 3 is obtained by a preliminary test or the like and stored in the ECU 60 in advance.

要求発電電力とは、アクセルペダル５１の踏み込み量に対応して、燃料電池スタック１０に要求された要求発電量であり、図３に示すように、アクセルペダル５１の踏み込み量が大きいほど、要求発電電力が大きくなる関係となっている。これに対し、「アクセルペダル５１の踏み込み量に対応して走行モータ４１に供給される電力」は、「燃料電池スタック１０の実際の発電電力」と、「高圧バッテリ４４の放電電力」との和で示される。 The required power generation is the required power generation required for the fuel cell stack 10 corresponding to the amount of depression of the accelerator pedal 51. As shown in FIG. 3, the required power generation increases as the amount of depression of the accelerator pedal 51 increases. There is a relationship that increases power. On the other hand, “the electric power supplied to the travel motor 41 corresponding to the amount of depression of the accelerator pedal 51” is the sum of “the actual generated electric power of the fuel cell stack 10” and “the discharged electric power of the high-voltage battery 44”. Indicated by

基準湿度とは、加湿不足下で燃料電池スタック１０が発電しないように、アクセルペダル５１の踏み込み量に基づいて求められ、燃料電池スタック１０に供給される空気の基準湿度である。すなわち、燃料電池スタック１０の発電電力が大きくなると、燃料電池スタック１０の電解質膜中をカソードに向かって透過する水素イオン及びこれに水和する水の移動量が大きくなるので、電解質膜等が加湿不足とならないように、アクセルペダル５１の踏み込み量が大きく、要求発電電力が大きくなると、図３に示すように、カソードに向かう空気の基準湿度が大きくなる関係となっている。 The reference humidity is a reference humidity of air that is obtained based on the amount of depression of the accelerator pedal 51 and is supplied to the fuel cell stack 10 so that the fuel cell stack 10 does not generate power under insufficient humidification. That is, as the generated power of the fuel cell stack 10 increases, the amount of hydrogen ions that permeate through the electrolyte membrane of the fuel cell stack 10 toward the cathode and the amount of water hydrated thereby increase, so that the electrolyte membrane and the like are humidified. In order not to become insufficient, when the amount of depression of the accelerator pedal 51 is large and the required generated power is large, the reference humidity of the air toward the cathode increases as shown in FIG.

ステップＳ１０２において、ＥＣＵ６０は、湿度センサ３３を介して、カソードに向かう空気の現在の湿度を検出する。 In step S102, the ECU 60 detects the current humidity of the air toward the cathode via the humidity sensor 33.

ステップＳ１０３において、ＥＣＵ６０は、カソードに向かう空気の現在の湿度が、ステップＳ１０１で算出された基準湿度よりも低いか否かを判定する。
現在の空気の湿度が、基準湿度よりも低いと判定された場合（Ｓ１０３・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１０４に進む。一方、現在の空気の湿度が、基準湿度よりも低くないと判定された場合（Ｓ１０３・Ｎｏ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１０６に進む。 In step S103, the ECU 60 determines whether or not the current humidity of the air toward the cathode is lower than the reference humidity calculated in step S101.
When it is determined that the current humidity of the air is lower than the reference humidity (S103 / Yes), the process of the ECU 60 proceeds to step S104. On the other hand, when it is determined that the current humidity of the air is not lower than the reference humidity (No in S103), the process of the ECU 60 proceeds to step S106.

ステップＳ１０４において、ＥＣＵ６０は、燃料電池スタック１０で加湿（水分）不足とならないように、ＶＣＵ４３によって、燃料電池スタック１０の発電電力を制限する。さらに説明すると、現在の湿度と、図３のマップとに基づいて、加湿不足とならないように、燃料電池スタック１０の発電電力を下げる。 In step S104, the ECU 60 limits the generated power of the fuel cell stack 10 by the VCU 43 so that humidification (moisture) is not insufficient in the fuel cell stack 10. More specifically, based on the current humidity and the map of FIG. 3, the generated power of the fuel cell stack 10 is reduced so as not to be insufficiently humidified.

ステップＳ１０５において、ＥＣＵ６０は、ステップＳ１０４で制限した燃料電池スタック１０の発電電力をアシスト（補助）するため、低下させた発電電力分が高圧バッテリ４４から放電されるように電力分配器４２を制御する。
これにより、電力分配器４２から走行モータ４１には、アクセルペダル５１の踏み込み量に対応した要求発電電力（燃料電池スタック１０の発電電力＋高圧バッテリ４４の放電電力）が供給される。その結果、走行モータ４１は、アクセルペダル５１の踏み込み量に対応して回転する。
その後、ＥＣＵ６０の処理は、リターンを介して、スタートに戻る。 In step S105, the ECU 60 controls the power distributor 42 so that the reduced generated power is discharged from the high-voltage battery 44 in order to assist the generation power of the fuel cell stack 10 restricted in step S104. .
As a result, the required power generation (the generated power of the fuel cell stack 10 + the discharged power of the high-voltage battery 44) corresponding to the amount of depression of the accelerator pedal 51 is supplied from the power distributor 42 to the traveling motor 41. As a result, the traveling motor 41 rotates in accordance with the depression amount of the accelerator pedal 51.
Thereafter, the processing of the ECU 60 returns to the start via return.

次に、ステップＳ１０３の判定結果がＮｏとなって進むステップＳ１０６を説明する。
ステップＳ１０６において、ＥＣＵ６０は、燃料電池スタック１０を通常に発電させる。すなわち、ＥＣＵ６０は、燃料電池スタック１０の発電電力を制限せず、要求発電電力で燃料電池スタック１０が発電するように、ＶＣＵ４３を制御する。
その後、ＥＣＵ６０の処理は、リターンを介して、スタートに戻る。 Next, step S106 in which the determination result in step S103 is No will be described.
In step S106, the ECU 60 causes the fuel cell stack 10 to generate electric power normally. That is, the ECU 60 controls the VCU 43 so that the fuel cell stack 10 generates power with the required generated power without limiting the generated power of the fuel cell stack 10.
Thereafter, the processing of the ECU 60 returns to the start via return.

≪燃料電池システムの効果≫
このような燃料電池システム１によれば、次の効果を得る。
アクセルペダル５１の踏み込み量に対応した要求発電電力に基づいて判定基準となる基準湿度を算出し、カソードに向かう空気の現在の湿度が、前記基準湿度よりも低い場合（Ｓ１０３・Ｙｅｓ）、燃料電池スタック１０の発電電力を制限するので（Ｓ１０４）、加湿不足下での燃料電池スタック１０の発電が防止されると共に、電解質膜の更なる乾燥を防止できる。これにより、電解質膜の分解等による燃料電池スタック１０の劣化を防止できる。その結果、燃料電池スタック１０の耐久性を高めることができる。 ≪Effect of fuel cell system≫
According to such a fuel cell system 1, the following effects are obtained.
When the reference humidity serving as a determination reference is calculated based on the required generated power corresponding to the amount of depression of the accelerator pedal 51, and the current humidity of the air toward the cathode is lower than the reference humidity (S103 / Yes), the fuel cell Since the generated power of the stack 10 is limited (S104), power generation of the fuel cell stack 10 under insufficient humidification is prevented, and further drying of the electrolyte membrane can be prevented. Thereby, deterioration of the fuel cell stack 10 due to decomposition of the electrolyte membrane or the like can be prevented. As a result, the durability of the fuel cell stack 10 can be improved.

なお、アクセルペダル５１からの要求発電量だけでなく、その他補機類（車両用エアコン等）からの要求発電量や、高圧バッテリ４４のＳＯＣ（State Of Charge）も考慮して、燃料電池スタック１０の発電を制限し、その制限量に対応して高圧バッテリ４４を放電する構成としてもよい。 The fuel cell stack 10 takes into account not only the required power generation amount from the accelerator pedal 51 but also the required power generation amount from other auxiliary equipment (vehicle air conditioner etc.) and the SOC (State Of Charge) of the high voltage battery 44. The power generation may be limited, and the high voltage battery 44 may be discharged corresponding to the limited amount.

また、燃料電池スタック１０の発電を制限する場合、高圧バッテリ４４を放電させ、その充電電力を走行モータ４１に供給するので、アクセルペダル５１の踏み込み量に対応して走行モータ４１を回転させ、燃料電池自動車を走行させることができる。 Further, when the power generation of the fuel cell stack 10 is limited, the high voltage battery 44 is discharged and the charged power is supplied to the traveling motor 41. Therefore, the traveling motor 41 is rotated in accordance with the depression amount of the accelerator pedal 51, and the fuel is supplied. A battery car can be run.

さらに、加湿の程度の判定基準となる基準湿度は、アクセルペダル５１の踏み込み量に対応して算出するので、加湿が十分であるか否かについての判定を、適切に実行すると共に、燃料電池スタック１０の発電電力を適切に制限できる。 Furthermore, since the reference humidity, which is a criterion for determining the degree of humidification, is calculated corresponding to the amount of depression of the accelerator pedal 51, the determination as to whether or not the humidification is sufficient is appropriately performed, and the fuel cell stack The generated power of 10 can be appropriately limited.

さらにまた、低温環境下での起動後等では、加湿器２２、３２の温度が低く、燃料電池スタック１０に向かう水素、空気を適切に加湿できない虞があるが、このように燃料電池スタック１０に向かう水素、空気の湿度を実際に検出し、そして、加湿されているか否かについて判定し、燃料電池スタック１０の発電電力を制限するので、燃料電池スタック１０（電解質膜等）の劣化を好適に防止できる。 Furthermore, after starting in a low temperature environment, the humidifiers 22 and 32 are low in temperature, and there is a possibility that hydrogen and air toward the fuel cell stack 10 cannot be appropriately humidified. Since the humidity of the hydrogen and air that is heading is actually detected and it is determined whether or not it is humidified, and the generated power of the fuel cell stack 10 is limited, so that the deterioration of the fuel cell stack 10 (electrolyte membrane, etc.) Can be prevented.

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば次のように変更することができる。 As mentioned above, although one Embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the said embodiment, For example, it can change as follows in the range which does not deviate from the meaning of this invention.

前記した実施形態では、湿度センサ３３が検出する空気の現在の湿度と、アクセルペダル５１の踏み込み量に基づく空気の基準湿度とに基づいて、加湿されているか否かについて判定したが、これに代えて、又は加えて、湿度センサ２３が検出する水素の現在の湿度と、アクセルペダル５１の踏み込み量に基づく水素の基準湿度とに基づいて、判定する構成としてもよい。 In the above-described embodiment, whether or not the air is humidified is determined based on the current humidity of the air detected by the humidity sensor 33 and the reference humidity of the air based on the depression amount of the accelerator pedal 51. Alternatively or additionally, the determination may be made based on the current humidity of hydrogen detected by the humidity sensor 23 and the reference humidity of hydrogen based on the depression amount of the accelerator pedal 51.

前記した実施形態では、判定基準となる基準湿度を、アクセルペダル５１の踏み込み量に基づいて算出する構成としたが、基準湿度は事前試験等により予め定められた固定値（例えば、２０％ＲＨ）である構成でもよい。 In the above-described embodiment, the reference humidity serving as the determination reference is calculated based on the depression amount of the accelerator pedal 51. However, the reference humidity is a fixed value (for example, 20% RH) determined in advance by a preliminary test or the like. The structure which is may be sufficient.

この構成について図４を参照して、さらに説明すると、ステップＳ２０１において、ＥＣＵ６０は、アクセルペダル５１の踏み込み量に基づいて、要求発電電力のみを算出する。そして、ステップＳ２０２において、ＥＣＵ６０は、予め内部に記憶されている基準湿度を読み出す。その後、湿度センサ３３を介して空気の現在の湿度を検出し（Ｓ１０２）、ステップＳ２０３で、この空気の現在の湿度が基準湿度よりも低いか否かを判定する。 This configuration will be further described with reference to FIG. 4. In step S201, the ECU 60 calculates only the required generated power based on the depression amount of the accelerator pedal 51. In step S202, the ECU 60 reads out the reference humidity stored in advance. Thereafter, the current humidity of the air is detected via the humidity sensor 33 (S102), and it is determined in step S203 whether or not the current humidity of the air is lower than the reference humidity.

前記した実施形態では、水素又は空気を加湿する加湿手段が、中空糸膜２２ｄ、３２ｄを備える加湿器２２、３２である場合を例示したが、加湿手段はこれに限定されず、例えば、バブリング方式による加湿器でもよい。 In the above-described embodiment, the case where the humidifying means for humidifying hydrogen or air is the humidifiers 22 and 32 provided with the hollow fiber membranes 22d and 32d is exemplified, but the humidifying means is not limited to this, for example, a bubbling method A humidifier may be used.

前記した実施形態では、燃料電池システム１が燃料電池自動車に搭載された場合を例示したが、その他に例えば、自動二輪車、列車、船舶に搭載された燃料電池システムでもよい。また、家庭用の据え置き型の燃料電池システムや、給湯システムに組み込まれた燃料電池システムに、本発明を適用してもよい。 In the above-described embodiment, the case where the fuel cell system 1 is mounted on a fuel cell vehicle has been illustrated. However, for example, a fuel cell system mounted on a motorcycle, a train, or a ship may be used. Further, the present invention may be applied to a stationary fuel cell system for home use or a fuel cell system incorporated in a hot water supply system.

本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the fuel cell system which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows operation | movement of the fuel cell system which concerns on this embodiment. アクセルペダルの踏み込み量と、要求発電電力（基準湿度）との関係を示すマップである。It is a map which shows the relationship between the depression amount of an accelerator pedal, and required electric power generation (reference humidity). 変形例に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows operation | movement of the fuel cell system which concerns on a modification.

符号の説明Explanation of symbols

１燃料電池システム
１０燃料電池スタック
２１水素タンク（燃料ガス供給手段）
２２加湿器（加湿手段）
２３湿度センサ
３１コンプレッサ（酸化剤ガス供給手段）
３２加湿器（加湿手段）
３３湿度センサ
４１走行モータ
４２電力分配器（補助電力供給手段）
４３ＶＣＵ（発電電力制限手段）
４４高圧バッテリ（補助電力供給手段）
６０ＥＣＵ（制御手段） DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell system 10 Fuel cell stack 21 Hydrogen tank (fuel gas supply means)
22 Humidifier (humidifying means)
23 Humidity sensor 31 Compressor (Oxidant gas supply means)
32 Humidifier (humidifying means)
33 Humidity sensor 41 Traveling motor 42 Power distributor (auxiliary power supply means)
43 VCU (Power generation limiting means)
44 High voltage battery (auxiliary power supply means)
60 ECU (control means)

Claims

燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることで発電する燃料電池と、
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料電池に供給される燃料ガス又は酸化剤ガスを加湿する加湿手段と、
前記加湿手段で加湿され前記燃料電池に向かう、前記燃料ガス又は酸化剤ガスの湿度を検出する湿度センサと、
前記燃料電池の発電電力を制限する発電電力制限手段と、
前記湿度センサが検出した湿度が、基準湿度よりも低い場合、前記燃料電池の発電電力を制限するように前記発電電力制限手段を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell that generates electricity by being supplied with fuel gas and oxidant gas;
Fuel gas supply means for supplying fuel gas to the fuel cell;
An oxidant gas supply means for supplying an oxidant gas to the fuel cell;
Humidifying means for humidifying the fuel gas or oxidant gas supplied to the fuel cell;
A humidity sensor that detects the humidity of the fuel gas or oxidant gas that is humidified by the humidifying means and travels toward the fuel cell;
Generated power limiting means for limiting the generated power of the fuel cell;
Control means for controlling the generated power limiting means to limit the generated power of the fuel cell when the humidity detected by the humidity sensor is lower than a reference humidity;
A fuel cell system comprising:

前記燃料電池を補助する補助電力供給手段を備え、
前記発電電力制限手段により前記燃料電池の発電電力を制限する場合、前記制御手段は、制限した発電電力を補助するように、前記補助電力供給手段を制御する
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。 Auxiliary power supply means for assisting the fuel cell,
The said control means controls the said auxiliary | assistant electric power supply means so that the generation | occurrence | production power which restricted the said generation | occurrence | production electric power limiting means may restrict | limit the generated electric power of the said fuel cell. Fuel cell system.

前記制御手段は、要求発電量に基づいて前記基準湿度を算出する
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1, wherein the control unit calculates the reference humidity based on a required power generation amount.