JP2009134977A - Fuel cell system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To optimally control an operation state of a fuel cell by a simple structure without detecting a wet state inside the fuel cell in a fuel cell system. <P>SOLUTION: A control part is started (S100), a detecting means detects unique information from a memory part to memorize the unique information related to the fuel cell (S101). Based on the unique information detected by the detecting means, characteristics of wet state inside the fuel cell is determined by a determining means (S102), and corresponding to the characteristics of the wet state determined by the determining means, the control means controls a fluid supplied to the fuel cell (S103). By this, without detecting the wet state inside the fuel cell, the operation state of the fuel cell can be controlled optimally. <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.

燃料電池は、例えば燃料電池スタックのアノード側に水素等の燃料ガスを供給し、カソード側に酸素を含む酸化ガス、例えば空気を供給し、電解質膜を通して電気化学反応により必要な電力を取り出すことができる装置である。この電気化学反応は、適当な湿度を要する。例えば、酸化ガスが乾きすぎて湿度が低くなりすぎると、いわゆるドライアップが生じて十分な電気化学反応が進行せず、逆に酸化ガスの湿度が高くなりすぎると、いわゆるフラッティングが生じて電気化学反応の進行が低下する。   For example, a fuel cell supplies a fuel gas such as hydrogen to the anode side of a fuel cell stack, supplies an oxygen-containing oxidizing gas such as air to the cathode side, and takes out necessary power through an electrolyte membrane by an electrochemical reaction. It is a device that can. This electrochemical reaction requires appropriate humidity. For example, if the oxidizing gas is too dry and the humidity is too low, so-called dry-up occurs and sufficient electrochemical reaction does not proceed. Conversely, if the oxidizing gas is too high in humidity, so-called flatting occurs and electricity is generated. The progress of the chemical reaction is reduced.

ドライアップとは、電解質膜に含まれる水分が減少し、電解質膜が乾燥することを指す。ドライアップの状態になると、水素イオンが電解質膜を移動するための水が不足することから、水素イオンが電解質膜を透過するときの電気抵抗が大きくなり、電気化学反応の進行が低下する。   Drying up means that the moisture contained in the electrolyte membrane is reduced and the electrolyte membrane is dried. In the dry-up state, water for hydrogen ions to move through the electrolyte membrane is insufficient, so that the electrical resistance when hydrogen ions permeate the electrolyte membrane increases, and the progress of the electrochemical reaction decreases.

また、フラッティングとは、狭義では、燃料電池を構成するガス拡散層が水で覆われることを指すことが多いが、広義では、ガス拡散層のほかに触媒層、セパレータなども含み、燃料電池のカソード側またはアノード側の少なくとも一方において、ガス流路が水で覆われることを指す。フラッティングの状態になると、ガス流路が水に覆われることから、酸化ガスあるいは燃料ガスが十分に電解質膜などに供給されず、電気化学反応の進行が低下する。   In the narrow sense, the term “flatting” often means that the gas diffusion layer constituting the fuel cell is covered with water. In the broad sense, the fuel cell includes a catalyst layer, a separator, etc. in addition to the gas diffusion layer. This means that the gas flow path is covered with water on at least one of the cathode side and the anode side. In the flatting state, since the gas flow path is covered with water, the oxidizing gas or the fuel gas is not sufficiently supplied to the electrolyte membrane or the like, and the progress of the electrochemical reaction is reduced.

このように、ドライアップやフラッティングが生じると、燃料電池の電気化学反応が十分に行なわれなくなる。そこで、これらの状態になることを防止または抑制するために、燃料電池の湿度などの管理が行なわれる。   Thus, when dry-up or flatting occurs, the electrochemical reaction of the fuel cell is not sufficiently performed. Therefore, in order to prevent or suppress the occurrence of these conditions, the fuel cell humidity and the like are managed.

下記特許文献１には、燃料電池の内部の濡れ状態を検知する濡れ状態検知手段の検知信号に基づいて、燃料電池の内部、例えば酸化剤極が濡れ状態であるか、乾き状態であるか否かを判定する燃料電池システムが記載されている。そして、この燃料電池システムが、濡れ状態の判定に応じて、湿分調整手段によってガスを燃料電池に供給し、燃料電池の内部の湿分を調整することが開示されている。この燃料電池システムは、燃料電池の濡れ状態が相対的に高いと判定した場合、燃料電池に供給されるガスの乾燥力を相対的に増加させてフラッティング状態を抑制する。一方、燃料電池の濡れ状態が相対的に低いと判定した場合、燃料電池に供給されるガスの乾燥力を低下させてドライアウト（ドライアップ）を抑制する。   In Patent Document 1 below, based on a detection signal from a wet state detection unit that detects a wet state inside the fuel cell, whether or not the inside of the fuel cell, for example, the oxidizer electrode is wet or dry. A fuel cell system for determining whether or not is described. And it is disclosed that this fuel cell system adjusts the moisture inside the fuel cell by supplying gas to the fuel cell by the moisture adjusting means according to the determination of the wet state. In the fuel cell system, when it is determined that the wet state of the fuel cell is relatively high, the drying power of the gas supplied to the fuel cell is relatively increased to suppress the flat state. On the other hand, when it is determined that the wet state of the fuel cell is relatively low, the dry power of the gas supplied to the fuel cell is reduced to suppress dry out (dry up).

特開２００５−２７６７６３号公報JP 2005-276663 A

上記特許文献１の燃料電池システムにおいては、濡れ状態検知手段が燃料電池の内部の濡れ状態を検知し、その検知結果に基づいて燃料電池の内部の湿分を適切な状態に制御することができる。このように、燃料電池の内部の湿分を適切な状態に制御する場合、現状の濡れ状態を検知する検知手段が必要とされる。しかしながら、検知手段を燃料電池に設けることにより、構成が複雑になり、製造工数が増加してしまう。   In the fuel cell system of Patent Document 1, the wet state detection means can detect the wet state inside the fuel cell and control the moisture inside the fuel cell to an appropriate state based on the detection result. . Thus, when the moisture inside the fuel cell is controlled to an appropriate state, a detecting means for detecting the current wet state is required. However, providing the detection means in the fuel cell complicates the configuration and increases the number of manufacturing steps.

本発明の目的は、燃料電池の内部の濡れ状態を検知することなく、簡易な構造で、燃料電池の運転状態を最適に制御することができる燃料電池システムを提供することにある。   An object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of optimally controlling the operating state of a fuel cell with a simple structure without detecting the wet state inside the fuel cell.

本発明は、燃料電池と、前記燃料電池に関する固有情報を記憶する記憶部と、前記燃料電池の運転を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記記憶部から前記固有情報を検知する検知手段と、前記検知手段が検知した前記固有情報に基づいて、前記燃料電池の内部の濡れ状態の特性を判断する判断手段と、前記判断手段により判断される前記濡れ状態の特性に応じて、前記燃料電池に供給される流体を制御して前記燃料電池の運転状態を最適に制御する制御手段と、を含むことを特徴とする。   The present invention includes a fuel cell, a storage unit that stores unique information about the fuel cell, and a control unit that controls operation of the fuel cell, and the control unit detects the unique information from the storage unit. Based on the characteristic information detected by the detection means, a determination means for determining the characteristic of the wet state inside the fuel cell, and the characteristic of the wet state determined by the determination means And control means for controlling the fluid supplied to the fuel cell to optimally control the operating state of the fuel cell.

また、前記濡れ状態が相対的に高くなると前記判断手段により判断された場合、前記制御手段は、前記流体による乾燥力を相対的に増加させ、前記濡れ状態が相対的に低くなると前記判断手段により判断された場合、前記制御手段は、前記流体による乾燥力を相対的に低下させることができる。   In addition, when the determination unit determines that the wet state is relatively high, the control unit relatively increases the drying force by the fluid, and when the wet state is relatively low, the determination unit When judged, the control means can relatively reduce the drying force by the fluid.

また、前記制御手段により制御される前記流体は、燃料ガス、酸化ガスおよび冷却液の少なくとも１つであることが好適である。   Moreover, it is preferable that the fluid controlled by the control means is at least one of a fuel gas, an oxidizing gas, and a coolant.

さらに、前記燃料電池は、電解質膜を燃料極と空気極とで挟み、それをさらに２枚のセパレータで挟み込んで構成される単電池を複数積層した電池積層体であり、前記燃料電池に関する固有情報は、前記電池積層体に関する固有情報であることが好適である。   Further, the fuel cell is a cell stack in which a plurality of single cells configured by sandwiching an electrolyte membrane between a fuel electrode and an air electrode and further sandwiching it between two separators, and specific information on the fuel cell Is preferably unique information regarding the battery stack.

本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池の内部の濡れ状態を検知することなく、簡易な構造で、燃料電池の運転状態を最適に制御することができる。   According to the fuel cell system of the present invention, the operating state of the fuel cell can be optimally controlled with a simple structure without detecting the wet state inside the fuel cell.

以下、本発明に係る燃料電池システムの実施形態について、図を用いて説明する。一例として、燃料電池が発電した電力で走行する自動車、すなわち燃料電池自動車を挙げ、この自動車に搭載される燃料電池システムについて説明する。なお、本発明は燃料電池自動車に限らず、移動体（例えば、船舶や飛行機など）または定置型電源に用いられる燃料電池システムにも適用可能である。   Embodiments of a fuel cell system according to the present invention will be described below with reference to the drawings. As an example, an automobile that runs on the electric power generated by the fuel cell, that is, a fuel cell automobile is cited, and a fuel cell system mounted on the automobile will be described. Note that the present invention is not limited to a fuel cell vehicle, but can be applied to a mobile body (for example, a ship or an airplane) or a fuel cell system used for a stationary power source.

図１は、本実施形態の燃料電池システムの概略構成を示す図である。燃料電池システム１０は、２種の反応ガスである燃料ガスと酸化ガスとを電気化学反応させて発電を行なう燃料電池１２を有する。なお、本実施形態の燃料電池システム１０に使用される燃料ガスは水素であり、酸化ガスは酸素を含む空気である。   FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of the fuel cell system of the present embodiment. The fuel cell system 10 includes a fuel cell 12 that generates electricity by causing an electrochemical reaction between a fuel gas that is two kinds of reaction gases and an oxidizing gas. Note that the fuel gas used in the fuel cell system 10 of this embodiment is hydrogen, and the oxidizing gas is air containing oxygen.

燃料電池１２には、これの燃料極（図示せず）に燃料ガスを供給する燃料ガス管路１４と、燃料電池１２の空気極（図示せず）に酸化ガスを供給する酸化ガス管路１６とが接続されている。   The fuel cell 12 includes a fuel gas line 14 that supplies fuel gas to a fuel electrode (not shown) thereof, and an oxidizing gas line 16 that supplies oxidizing gas to an air electrode (not shown) of the fuel cell 12. And are connected.

また、燃料電池１２には、燃料極から排出されるアノードオフガスを燃料ガス管路１４に戻し、そのアノードオフガスを燃料電池１２に循環させる循環管路１８と、空気極から排出される排出酸化ガスを後述する希釈装置３６を介して外部へ放出する排出管路２０とが接続されている。   Further, in the fuel cell 12, the anode off-gas discharged from the fuel electrode is returned to the fuel gas line 14, and the circulated line 18 for circulating the anode off-gas to the fuel cell 12, and the discharged oxidizing gas discharged from the air electrode. Is connected to a discharge pipe 20 that discharges to the outside via a diluting device 36 described later.

燃料電池システム１０は、燃料ガスを燃料電池１２に供給する供給源として、貯蔵タンク２２を有する。貯蔵タンク２２は、燃料ガスを高圧状態にして貯蔵する。貯蔵タンク２２と燃料電池１２とは、燃料ガス管路１４で接続される。燃料ガス管路１４には、貯蔵タンク２２の近傍に燃料ガス制御弁２４が取り付けられている。燃料ガス制御弁２４は、燃料電池１２に要求される電力に応じて、貯蔵タンク２２から燃料電池１２に供給される燃料ガスの流量および圧力を制御する。   The fuel cell system 10 includes a storage tank 22 as a supply source for supplying fuel gas to the fuel cell 12. The storage tank 22 stores the fuel gas in a high pressure state. The storage tank 22 and the fuel cell 12 are connected by a fuel gas pipe 14. A fuel gas control valve 24 is attached to the fuel gas conduit 14 in the vicinity of the storage tank 22. The fuel gas control valve 24 controls the flow rate and pressure of the fuel gas supplied from the storage tank 22 to the fuel cell 12 according to the power required for the fuel cell 12.

また、燃料ガス管路１４には、燃料ガス制御弁２４の下流側に循環管路１８が接続されている。循環管路１８には、燃料電池１２から燃料ガス管路１４に接続する部分までの間に、気液分離装置２６と循環装置２８とが順に設けられている。燃料電池１２から排出されるアノードオフガスには、未反応の燃料ガスと、電気化学反応により生成される水（水蒸気も含む）とが含まれる。気液分離装置２６は、アノードオフガスに含まれる水を分離する。循環装置２８は、ポンプ（図示せず）を内蔵し、このポンプの動作により、燃料電池１２から排出されるアノードオフガスを燃料ガス管路１４に送り出す。   In addition, a circulation pipe 18 is connected to the fuel gas pipe 14 on the downstream side of the fuel gas control valve 24. In the circulation line 18, a gas-liquid separation device 26 and a circulation device 28 are sequentially provided between the fuel cell 12 and the portion connected to the fuel gas line 14. The anode off gas discharged from the fuel cell 12 includes unreacted fuel gas and water (including water vapor) generated by an electrochemical reaction. The gas-liquid separator 26 separates water contained in the anode off gas. The circulation device 28 incorporates a pump (not shown), and sends out the anode off-gas discharged from the fuel cell 12 to the fuel gas line 14 by the operation of this pump.

燃料電池１２の空気極の入口側に接続する酸化ガス管路１６は、その端部を外部に開放している。酸化ガス管路１６には、空気ポンプ３０と加湿装置３２とが設けられている。加湿装置３２は、酸化ガス管路１６を流れる酸化ガスに水分を加え加湿する装置であり、その内部に給水弁３４を収容する。給水弁３４は、開度を調整して加湿する水分量を調整可能なバルブであり、例えば、ストップ弁、ボール弁及びゲート弁である。空気ポンプ３０の動作により、外部から加湿装置３２を介して燃料電池１２に空気が供給される。このとき、加湿装置３２により加湿量が制御され、空気が適切に加湿される。   An end portion of the oxidizing gas pipe 16 connected to the inlet side of the air electrode of the fuel cell 12 is opened to the outside. The oxidizing gas pipe 16 is provided with an air pump 30 and a humidifier 32. The humidifier 32 is a device that adds moisture to the oxidizing gas flowing through the oxidizing gas pipe 16 and humidifies it, and houses a water supply valve 34 therein. The water supply valve 34 is a valve capable of adjusting the amount of moisture to be humidified by adjusting the opening, and is, for example, a stop valve, a ball valve, or a gate valve. By the operation of the air pump 30, air is supplied to the fuel cell 12 from the outside via the humidifier 32. At this time, the humidification amount is controlled by the humidifier 32, and the air is appropriately humidified.

一方、燃料電池１２の空気極の出口側に接続する排出管路２０は、その端部を外部に開放している。排出管路２０には、上流から酸化ガス制御弁３８、そして希釈装置３６が順に取り付けられている。酸化ガス制御弁３８は、燃料電池１２に要求される電力に応じて、燃料電池１２から排出される排出酸化ガスの圧力を制御する。酸化ガス制御弁３８は、開度を調整可能なバルブであり、例えば、バタフライ弁、ストップ弁及びボール弁である。   On the other hand, the discharge pipe 20 connected to the outlet side of the air electrode of the fuel cell 12 has its end open to the outside. An oxidizing gas control valve 38 and a diluting device 36 are sequentially attached to the discharge pipe 20 from the upstream side. The oxidant gas control valve 38 controls the pressure of the oxidant gas discharged from the fuel cell 12 in accordance with the power required for the fuel cell 12. The oxidizing gas control valve 38 is a valve whose opening degree can be adjusted, and is, for example, a butterfly valve, a stop valve, or a ball valve.

希釈装置３６は、燃料電池１２の空気極の出口側に排出管路２０を介して接続しており、気液分離装置２６に放出管路４０を介して接続している。放出管路４０の途中、すなわち気液分離装置２６と希釈装置３６との間には、放出弁４２が取り付けられている。通常時、放出弁４２を開状態にすることにより、気液分離装置２６においてアノードオフガスから分離した水が放出管路４０を介して希釈装置３６に導入され、排出管路２０から外部に排出される。一方、水素パージ時には、放出弁４２を開状態にすることにより、気液分離装置２６から放出管路４０を介して希釈装置３６にアノードオフガスが導入される。そして、希釈装置３６の内部において、アノードオフガスと燃料電池１２から排出される排出酸化ガスとが混合してアノードオフガスが希釈される。希釈されたアノードオフガスは、排出管路２０から外部に排出される。アノードオフガスは、本実施形態においては水素であり可燃性ガスであるので、希釈装置３６を通過せずにそのまま外部に排出されると何らかの火種により燃焼してしまう危険性がある。そこで、上述したような希釈装置３６によりアノードオフガスを希釈して外部に排出することにより、アノードオフガスの濃度を燃焼限界より低くし、そのような危険性を未然に防止している。   The dilution device 36 is connected to the outlet side of the air electrode of the fuel cell 12 via the discharge conduit 20, and is connected to the gas-liquid separator 26 via the discharge conduit 40. A discharge valve 42 is attached in the middle of the discharge pipe 40, that is, between the gas-liquid separation device 26 and the dilution device 36. Normally, by opening the release valve 42, water separated from the anode off-gas in the gas-liquid separator 26 is introduced into the diluter 36 through the discharge line 40 and discharged to the outside from the discharge line 20. The On the other hand, at the time of hydrogen purge, the anode off gas is introduced from the gas-liquid separation device 26 to the dilution device 36 through the discharge conduit 40 by opening the release valve 42. Then, inside the diluting device 36, the anode off-gas and the exhaust oxidizing gas discharged from the fuel cell 12 are mixed to dilute the anode off-gas. The diluted anode off gas is discharged from the discharge pipe 20 to the outside. In this embodiment, the anode off-gas is hydrogen and is a combustible gas. Therefore, if the anode off-gas is discharged to the outside without passing through the diluting device 36, there is a risk of burning by some kind of fire. Therefore, by diluting the anode off gas with the diluting device 36 as described above and discharging it to the outside, the concentration of the anode off gas is made lower than the combustion limit to prevent such a risk.

ところで、燃料電池１２は電気化学反応により発熱する。この熱は冷却系の冷却液により除去される。冷却系は、冷却液を冷却する熱交換器４４と、冷却液を循環させる冷却ポンプ４６と、これらの機器と燃料電池１２を順に接続し、冷却液が循環する冷却管路４８とを有する。冷却ポンプ４６の動作により、冷却管路４８を循環する冷却液が、熱交換器４４で冷却され、冷却された冷却液が燃料電池１２に送られ、そこで発生する熱を除去し、燃料電池１２の温度が管理される。   By the way, the fuel cell 12 generates heat by an electrochemical reaction. This heat is removed by the coolant in the cooling system. The cooling system includes a heat exchanger 44 that cools the coolant, a cooling pump 46 that circulates the coolant, and a cooling pipe 48 that connects these devices and the fuel cell 12 in order and circulates the coolant. By the operation of the cooling pump 46, the coolant circulating in the cooling pipe 48 is cooled by the heat exchanger 44, and the cooled coolant is sent to the fuel cell 12, where the generated heat is removed and the fuel cell 12 is removed. Temperature is controlled.

また、冷却管路４８は、熱交換器４４を迂回するバイパス管路５０を有している。バイパス管路５０の両端は、燃料電池１２と熱交換器４４とを結ぶ冷却管路４８と、熱交換器４４と冷却ポンプ４６とを結ぶ冷却管路４８とにそれぞれ接続している。バイパス管路５０の一端であって、熱交換器４４と冷却ポンプ４６とを結ぶ冷却管路４８に接続する部分には、三方弁５２が設けられている。三方弁５２は、その開度を調整することにより、熱交換器４４を流れる冷却液の流量を調整する。三方弁５２の動作により、熱交換器４４を流れる冷却液の流量を増加させると、冷却液が良好に冷却され、燃料電池１２に対する冷却効果が増大する。一方、熱交換器４４を流れる冷却液の流量を減少、すなわちバイパス管路５０を流れる冷却液の流量を増加させると、冷却液が冷却され難くなり、燃料電池１２に対する冷却効果が低減する。   The cooling pipe 48 has a bypass pipe 50 that bypasses the heat exchanger 44. Both ends of the bypass conduit 50 are connected to a cooling conduit 48 connecting the fuel cell 12 and the heat exchanger 44 and a cooling conduit 48 connecting the heat exchanger 44 and the cooling pump 46, respectively. A three-way valve 52 is provided at one end of the bypass conduit 50 and connected to the cooling conduit 48 connecting the heat exchanger 44 and the cooling pump 46. The three-way valve 52 adjusts the flow rate of the coolant flowing through the heat exchanger 44 by adjusting the opening degree. When the flow rate of the coolant flowing through the heat exchanger 44 is increased by the operation of the three-way valve 52, the coolant is cooled well, and the cooling effect on the fuel cell 12 is increased. On the other hand, when the flow rate of the coolant flowing through the heat exchanger 44 is decreased, that is, when the flow rate of the coolant flowing through the bypass conduit 50 is increased, the coolant becomes difficult to cool and the cooling effect on the fuel cell 12 is reduced.

燃料電池１２の構成について図２を用いて説明する。図２は、単電池の概略構成を示す図である。燃料電池１２は、単電池６０を複数積層した電池積層体である。単電池６０は、図に示すように、膜−電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）６２を二つのセパレータ６４，６６で挟み込んで構成される。ＭＥＡ６２は、電解質膜６８と、この電解質膜６８の両面に配置されるガス拡散電極７０，７２とから構成されている。電解質膜６８は、例えばフッ素樹脂などの固体高分子材料により形成されたプロトン導電性の膜体である。ガス拡散電極７０，７２は、炭素繊維からなる糸で織ったカーボンクロスにより電解質膜６８に比べ一回り小さく形成されている。このガス拡散電極７０，７２の電解質膜６８側の表面には、触媒として白金または白金と他の金属からなる合金などを担持した触媒電極７４，７６が形成されている。セパレータ６４，６６は、例えばカーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンからなり、外観的には略四角形状に形成されると共に単電池６０の隔壁をなす。セパレータ６４のガス拡散電極７０側の表面には燃料ガス流路７８が形成され、セパレータ６６のガス拡散電極７２側の表面には酸化ガス流路８０が形成される。ＭＥＡ６２を挟み込んでいる二つのセパレータ６４，６６の間隔のうちガス拡散電極７０，７２の存在しない箇所にはシール材８２が設けられている。このシール材８２は、燃料ガスや酸化ガスのリークを防止したり、この箇所での両ガスの混合を防止したりする役割を果している。   The configuration of the fuel cell 12 will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of a single cell. The fuel cell 12 is a battery stack in which a plurality of unit cells 60 are stacked. As shown in the figure, the unit cell 60 is configured by sandwiching a membrane-electrode assembly (MEA) 62 between two separators 64 and 66. The MEA 62 includes an electrolyte membrane 68 and gas diffusion electrodes 70 and 72 disposed on both surfaces of the electrolyte membrane 68. The electrolyte membrane 68 is a proton conductive membrane formed of a solid polymer material such as a fluororesin. The gas diffusion electrodes 70 and 72 are formed to be slightly smaller than the electrolyte membrane 68 by carbon cloth woven with yarns made of carbon fibers. On the surface of the gas diffusion electrodes 70 and 72 on the electrolyte membrane 68 side, catalyst electrodes 74 and 76 carrying platinum or an alloy made of platinum and another metal as a catalyst are formed. The separators 64 and 66 are made of, for example, dense carbon that is compressed by carbon and made impermeable to gas. The separators 64 and 66 are formed in a substantially square shape in appearance and form a partition of the unit cell 60. A fuel gas channel 78 is formed on the surface of the separator 64 on the gas diffusion electrode 70 side, and an oxidizing gas channel 80 is formed on the surface of the separator 66 on the gas diffusion electrode 72 side. A sealing material 82 is provided at a location where the gas diffusion electrodes 70 and 72 do not exist in the interval between the two separators 64 and 66 sandwiching the MEA 62. This sealing material 82 plays a role of preventing leakage of fuel gas and oxidizing gas and preventing mixing of both gases at this location.

ガス拡散電極７０は、燃料ガス流路７８から燃料ガスとしての水素が供給される燃料極である。ガス拡散電極７０においては、水素分子（Ｈ2）からプロトン（Ｈ+）と電子（ｅ)が生成する。一方、ガス拡散電極７２は、酸化ガス流路８０から酸化ガスとしての空気が供給される空気極である。ガス拡散電極７２においては、酸素分子（Ｏ2）とプロトン（Ｈ+）と電子（ｅ）とが反応して水（Ｈ2Ｏ）が生成する。また、ガス拡散電極７０で生成したプロトンおよび電子のうち、プロトンは電解質膜６８を通ってガス拡散電極７２へ移動し、電子は図示しない外部経路を通ってガス拡散電極７２へ移動する。このとき、両電極７０，７２間に起電力が生ずる。燃料電池１２は、単電池６０の起電力が１Ｖ程度であるため、この単電池６０を複数直列接続することにより所望の電圧値を出力するように構成される。 The gas diffusion electrode 70 is a fuel electrode to which hydrogen as a fuel gas is supplied from the fuel gas channel 78. In the gas diffusion electrode 70, protons (H + ) and electrons (e) are generated from hydrogen molecules (H 2 ). On the other hand, the gas diffusion electrode 72 is an air electrode to which air as an oxidizing gas is supplied from the oxidizing gas channel 80. In the gas diffusion electrode 72, oxygen molecules (O 2 ), protons (H + ), and electrons (e) react to generate water (H 2 O). Of the protons and electrons generated by the gas diffusion electrode 70, the protons move to the gas diffusion electrode 72 through the electrolyte membrane 68, and the electrons move to the gas diffusion electrode 72 through an external path (not shown). At this time, an electromotive force is generated between the electrodes 70 and 72. Since the electromotive force of the unit cell 60 is about 1V, the fuel cell 12 is configured to output a desired voltage value by connecting a plurality of the unit cells 60 in series.

図１に戻り、燃料電池システム１０は、燃料電池１２に関する固有情報を記憶する記憶部５４と、燃料電池１２の運転を制御する制御部５６とを有する。燃料電池１２に関する固有情報とは、電池積層体に関する固有情報のことである。具体的には、図２を用いて説明した電解質膜６８、ガス拡散電極７０，７２、触媒電極７４，７６およびセパレータ６４，６６などの材質、形状、製造条件、製品名などのことである。あるいは、いつどのような修理を受けたなどのメンテナンス情報を含んでもよい。   Returning to FIG. 1, the fuel cell system 10 includes a storage unit 54 that stores unique information about the fuel cell 12 and a control unit 56 that controls the operation of the fuel cell 12. The specific information regarding the fuel cell 12 is specific information regarding the battery stack. Specifically, the material, shape, manufacturing conditions, product name, and the like of the electrolyte membrane 68, the gas diffusion electrodes 70 and 72, the catalyst electrodes 74 and 76, and the separators 64 and 66 described with reference to FIG. Alternatively, maintenance information such as when and what kind of repairs have been received may be included.

制御部５６は、燃料電池システム１０を構成する上記の各要素をシステム全体として制御するもので、いわゆる燃料電池ＥＣＵと呼ばれることがある。特に本実施形態においては、燃料電池１２の内部の濡れ状態を良好に維持し、燃料電池１２の運転状態を最適に制御する機能を有する。具体的には、記憶部５４から燃料電池１２に関する固有情報を検知する検知手段と、この手段が検知した固有情報に基づいて、燃料電池１２の内部の濡れ状態の特性を判断する判断手段と、この手段により判断される濡れ状態の特性に応じて、燃料電池１２に供給される流体を制御して燃料電池１２の運転状態を最適に制御する制御手段とを含んで構成される。   The control unit 56 controls the above-described elements constituting the fuel cell system 10 as a whole system, and is sometimes called a so-called fuel cell ECU. In particular, in the present embodiment, the fuel cell 12 has a function of maintaining a good wet state inside and optimally controlling the operating state of the fuel cell 12. Specifically, a detection unit that detects specific information about the fuel cell 12 from the storage unit 54, a determination unit that determines characteristics of the wet state inside the fuel cell 12 based on the specific information detected by the unit, And control means for controlling the fluid supplied to the fuel cell 12 in accordance with the wet state characteristics determined by this means to optimally control the operation state of the fuel cell 12.

制御部５６の制御動作の一例について図３のフローチャートを用いて説明する。   An example of the control operation of the control unit 56 will be described with reference to the flowchart of FIG.

まず、ステップＳ１００において、制御部５６が起動する。そして、ステップＳ１０１において、記憶部５４から燃料電池１２に関する固有情報が検知される。   First, in step S100, the control unit 56 is activated. In step S <b> 101, unique information regarding the fuel cell 12 is detected from the storage unit 54.

続いて、ステップＳ１０２において、検知された固有情報に基づいて燃料電池１２の内部の濡れ状態の特性が判断される。濡れ状態の特性は、予め実験により求めることができる。例えば、ガス拡散電極７０，７２と接着剤との材質の相性から撥水性が良好であるか否かにより、濡れ状態の特性が判断される。撥水性が良好であれば、濡れ状態が相対的に低くなると判断され、逆に撥水性が良好でなければ、濡れ状態が相対的に高くなると判断される。   Subsequently, in step S102, the characteristic of the wet state inside the fuel cell 12 is determined based on the detected unique information. The characteristics of the wet state can be obtained in advance by experiments. For example, the characteristics of the wet state are determined depending on whether the water repellency is good from the compatibility of the materials of the gas diffusion electrodes 70 and 72 and the adhesive. If the water repellency is good, it is determined that the wet state is relatively low. Conversely, if the water repellency is not good, it is determined that the wet state is relatively high.

次に、ステップＳ１０３において、燃料電池１２の運転状態が最適になるように、燃料電池１２に供給される流体が制御されて、制御部５６の制御動作が終了する。このステップＳ１０３において、制御部５６は、濡れ状態が相対的に高くなると判断された場合、流体による乾燥力を相対的に増加させる。一方、濡れ状態が相対的に低くなると判断された場合、流体による乾燥力を相対的に低下させる。ここで、流体とは、燃料ガス、酸化ガス、そして冷却液のことである。流体の乾燥力とは、例えば、その流体の流量、圧力、加湿量、温度、またはそれらの要素の組み合わせのことである。   Next, in step S103, the fluid supplied to the fuel cell 12 is controlled so that the operation state of the fuel cell 12 is optimized, and the control operation of the control unit 56 is completed. In step S103, when it is determined that the wet state is relatively high, the control unit 56 relatively increases the drying force by the fluid. On the other hand, when it is determined that the wet state is relatively low, the drying power by the fluid is relatively reduced. Here, the fluid is a fuel gas, an oxidizing gas, and a coolant. The fluid drying power is, for example, the flow rate, pressure, humidification amount, temperature, or a combination of these elements of the fluid.

ステップＳ１０３における制御であって、空気極の濡れ状態が相対的に高くなると判断された場合の制御について以下に詳述する。   The control in step S103 when it is determined that the wet state of the air electrode is relatively high will be described in detail below.

制御部５６は、空気極の濡れ状態が相対的に高くなると判断された場合、流体による乾燥力を相対的に増加させる。   When it is determined that the wet state of the air electrode is relatively high, the control unit 56 relatively increases the drying force by the fluid.

具体的には、制御部５６が空気ポンプ３０の出力を制御し、空気極に供給される酸化ガスの流量を増加させる。空気極において酸化ガスの流量が増加することにより、空気極に溜まっている水分を効果的に気化させ乾燥させることができ、乾燥力を増加させることができる。   Specifically, the control unit 56 controls the output of the air pump 30 to increase the flow rate of the oxidizing gas supplied to the air electrode. By increasing the flow rate of the oxidizing gas in the air electrode, the water accumulated in the air electrode can be effectively vaporized and dried, and the drying power can be increased.

また、制御部５６が酸化ガス制御弁３８の開度を制御し、空気極から排出される排出酸化ガスの圧力（背圧）を低下させる。排出酸化ガスの圧力が低下することにより、空気極に溜まっている水分を効果的に気化させ乾燥させることができ、上述と同様に乾燥力を増加させることができる。   Further, the control unit 56 controls the opening degree of the oxidizing gas control valve 38 to reduce the pressure (back pressure) of the exhausted oxidizing gas discharged from the air electrode. By reducing the pressure of the exhausted oxidant gas, moisture accumulated in the air electrode can be effectively vaporized and dried, and the drying power can be increased as described above.

また、制御部５６が給水弁３４の開度を制御し、加湿装置３２から酸化ガスに加湿される水分量を低下させる。これにより、空気極に新たに供給される水分量が低下するので、空気極に溜まる水分の増加を抑制することができる。結果として、乾燥力を増加させることができる。   Moreover, the control part 56 controls the opening degree of the water supply valve 34, and reduces the moisture content humidified by the oxidizing gas from the humidifier 32. Thereby, since the amount of water newly supplied to the air electrode is reduced, an increase in water accumulated in the air electrode can be suppressed. As a result, the drying power can be increased.

さらに、制御部５６が三方弁５２の開度を制御し、燃料電池１２に供給される冷却液の温度を上昇させる。これにより、燃料電池１２の内部の温度が上昇するので、空気極に溜まる水分を効果的に気化させて乾燥させることができ、乾燥力を増加させることができる。また、制御部５６が冷却ポンプ４６の出力を制御し、燃料電池１２に供給される冷却液の流量を減少させることもできる。これによっても、燃料電池１２の内部の温度が上昇するので、乾燥力を増加させることができる。   Further, the control unit 56 controls the opening degree of the three-way valve 52 to increase the temperature of the coolant supplied to the fuel cell 12. Thereby, since the temperature inside the fuel cell 12 rises, the moisture accumulated in the air electrode can be effectively vaporized and dried, and the drying power can be increased. In addition, the control unit 56 can control the output of the cooling pump 46 to reduce the flow rate of the coolant supplied to the fuel cell 12. This also increases the temperature inside the fuel cell 12, so that the drying power can be increased.

このように、制御部５６が燃料電池システム１０の特定の要素を制御し、各流体の乾燥力を相対的に増加させることにより、空気極の濡れ状態を相対的に低下させることができる。   As described above, the control unit 56 controls specific elements of the fuel cell system 10 and relatively increases the drying power of each fluid, so that the wet state of the air electrode can be relatively decreased.

一方、空気極の濡れ状態が相対的に低いと判断された場合においては、制御部５６は、上述した動作とは逆の動作をさせることで、流体による乾燥力を相対的に低下させる。具体的な動作は、以下の通りである。空気ポンプ３０の制御により、空気極に供給される酸化ガスの流量を減少させる。また、酸化ガス制御弁３８の制御により、排出酸化ガスの圧力を増加させる。また、給水弁３４の制御により、加湿装置３２から酸化ガスに加湿される水分量を増加させる。さらに、三方弁５２や冷却ポンプ４６の制御により、燃料電池１２に供給される冷却液の温度を低下させる。   On the other hand, when it is determined that the wet state of the air electrode is relatively low, the control unit 56 performs a reverse operation to the above-described operation, thereby relatively reducing the drying force by the fluid. The specific operation is as follows. By controlling the air pump 30, the flow rate of the oxidizing gas supplied to the air electrode is reduced. Further, the pressure of the exhaust oxidant gas is increased by the control of the oxidant gas control valve 38. In addition, the amount of moisture humidified by the oxidizing gas from the humidifier 32 is increased by controlling the water supply valve 34. Further, the temperature of the coolant supplied to the fuel cell 12 is lowered by the control of the three-way valve 52 and the cooling pump 46.

このように、制御部５６が燃料電池システム１０の特定の要素を制御し、各流体の乾燥力を相対的に低下させることにより、空気極の濡れ状態を相対的に増加させることができる。   As described above, the control unit 56 controls specific elements of the fuel cell system 10 to relatively decrease the drying power of each fluid, thereby relatively increasing the wet state of the air electrode.

本実施形態においては、空気極の濡れ状態の特性による対応について説明したが、燃料極の濡れ状態の特性についても同様の対応をとることができる。   In the present embodiment, the correspondence due to the wet state characteristic of the air electrode has been described, but the same correspondence can be taken for the wet state characteristic of the fuel electrode.

本実施形態の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 of this embodiment. 単電池の概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of a cell. 制御部の制御動作の一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the control action of a control part.

符号の説明Explanation of symbols

１０ 燃料電池システム、１２ 燃料電池、１４ 燃料ガス管路、１６ 酸化ガス管路、１８ 循環管路、２０ 排出管路、２６ 気液分離装置、３０ 空気ポンプ、３２ 加湿装置、３４ 給水弁、３６ 希釈装置、３８ 酸化ガス制御弁、４０ 放出管路、４６ 冷却ポンプ、５２ 三方弁、５４ 記憶部、５６ 制御部。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fuel cell system, 12 Fuel cell, 14 Fuel gas line, 16 Oxidation gas line, 18 Circulation line, 20 Discharge line, 26 Gas-liquid separator, 30 Air pump, 32 Humidifier, 34 Water supply valve, 36 Diluting device, 38 Oxidizing gas control valve, 40 discharge pipe, 46 cooling pump, 52 three-way valve, 54 storage unit, 56 control unit.

Claims (4)

燃料電池と、
前記燃料電池に関する固有情報を記憶する記憶部と、
前記燃料電池の運転を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記記憶部から前記固有情報を検知する検知手段と、
前記検知手段が検知した前記固有情報に基づいて、前記燃料電池の内部の濡れ状態の特性を判断する判断手段と、
前記判断手段により判断される前記濡れ状態の特性に応じて、前記燃料電池に供給される流体を制御して前記燃料電池の運転状態を最適に制御する制御手段と、
を含むことを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell;
A storage unit for storing unique information about the fuel cell;
A control unit for controlling the operation of the fuel cell;
With
The controller is
Detecting means for detecting the unique information from the storage unit;
Determination means for determining characteristics of the wet state inside the fuel cell based on the unique information detected by the detection means;
Control means for optimally controlling the operating state of the fuel cell by controlling the fluid supplied to the fuel cell according to the characteristics of the wet state determined by the determining means;
A fuel cell system comprising: 請求項１に記載に燃料電池システムにおいて、
前記濡れ状態が相対的に高くなると前記判断手段により判断された場合、前記制御手段は、前記流体による乾燥力を相対的に増加させ、
前記濡れ状態が相対的に低くなると前記判断手段により判断された場合、前記制御手段は、前記流体による乾燥力を相対的に低下させる、
ことを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1,
When the determination means determines that the wet state is relatively high, the control means relatively increases the drying force by the fluid,
When the determination unit determines that the wet state is relatively low, the control unit relatively reduces the drying force by the fluid;
A fuel cell system. 請求項１または２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御手段により制御される前記流体は、燃料ガス、酸化ガスおよび冷却液の少なくとも１つである、
ことを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1 or 2,
The fluid controlled by the control means is at least one of a fuel gas, an oxidizing gas, and a coolant.
A fuel cell system. 請求項１から３のいずれか１つに記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池は、電解質膜を燃料極と空気極とで挟み、それをさらに２枚のセパレータで挟み込んで構成される単電池を複数積層した電池積層体であり、
前記燃料電池に関する固有情報は、前記電池積層体に関する固有情報である、
ことを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3,
The fuel cell is a battery stack in which a plurality of single cells configured by sandwiching an electrolyte membrane between a fuel electrode and an air electrode and further sandwiching it between two separators are stacked,
The specific information about the fuel cell is specific information about the battery stack.
A fuel cell system.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2011146208A (en) * 2010-01-13 2011-07-28 Osaka Gas Co Ltd Operation control device for fuel cell
JP2011222176A (en) * 2010-04-06 2011-11-04 Honda Motor Co Ltd Fuel cell system

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