JP4759815B2

JP4759815B2 - Fuel cell system

Info

Publication number: JP4759815B2
Application number: JP2001035934A
Authority: JP
Inventors: 朋範今村; 博邦佐々木; 晴彦加藤; 邦夫岡本; 直人堀田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-02-13
Filing date: 2001-02-13
Publication date: 2011-08-31
Anticipated expiration: 2021-02-13
Also published as: JP2002246053A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素と酸素との化学反応により電気エネルギーを発生させる燃料電池からなる燃料電池システムに関するもので、車両、船舶及びポータブル発電器等の移動体に適用して有効である。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、水素と酸素（空気）との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが知られている。例えば車両用等の駆動源として考えられている高分子電解質型燃料電池では、０℃以下の低温状態では、電極近傍に存在している水分が凍結して反応ガスの拡散を阻害したり、電解質膜の電気伝導率が低下するという問題がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような低温環境下で燃料電池を起動する際、凍結による反応ガス経路の目詰まりあるいは電解質膜への反応ガス（水素および空気）の進行・到達の阻害により、燃料ガスを供給しても電気化学反応が進行せず、燃料電池を起動できないという問題がある。さらに、反応ガス経路内で結露した水分の凍結によるガス経路の閉塞も生ずる。
【０００４】
本発明は、上記問題点に鑑み、低温環境下で使用される燃料電池システムにおいて、運転停止の際、短時間で燃料電池内部の水分を除去できることが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、水素と酸素とを電気化学反応させて電気エネルギを発生させる燃料電池（１０）を備える燃料電池システムであって、燃料電池（１０）の出力電流を制御する出力電流制御手段（１３）と、燃料電池（１０）内の残留水分量を検出する水分量検出手段（２４、３４）と、燃料電池（１０）内の水分除去制御を行う制御手段（５０）とを備え、制御手段（５０）は、燃料電池（１０）の通常運転が終了する際に、水分量検出手段（２４、３４）により検出した燃料電池（１０）内の残留水分量に基づいて目標電流値を設定し、出力電流制御手段（１３）を燃料電池（１０）の出力電流が目標電流値となるように制御させることを特徴としている。
【０００６】
このように、燃料電池（１０）内の残留水分量に基づいて燃料電池（１０）の出力電流を制御することで、電流を一定に制御した場合に比較して、残留水分量と蒸発速度の向上を両立させることができる。これにより、短時間で効率よく燃料電池（１０）内の残留水分を除去することが可能となる。
【０００７】
具体的には、請求項２に記載の発明のように、制御部（５０）が目標電流値を燃料電池（１０）内の残留水分量の減少に応じて低下するように設定することで、水分除去制御開始時には燃料電池（１０）の出力電流を大きくして水分蒸発速度を向上させ、残留水分量の減少に応じて出力電流を小さくして効果的に残留水分量を減少させることができる。
【０００８】
なお、出力電流制御手段（１３）による燃料電池（１０）の出力電流の制御は、燃料電池内の残留水分量が減少し、低温環境下にて凍結を生じる範囲以下となるまで行う。
【０００９】
このとき、燃料電池（１０）を構成する各セルにおける全ての部分について残留水分量を凍結範囲以下とする必要はなく、少なくとも各セルにおける一部分の残留水分量が凍結範囲以下となればよい。各セルの一部分が乾燥していれば、その乾燥部分に水素および空気を供給することで発電を開始できる。セルの一部にて発電が開始されれば、発電に伴う発熱により他の部分を昇温させることができ、セル全体で発電を行うことができるようになる。
【００１０】
また、請求項３に記載の発明では、燃料電池（１０）に酸素を供給する酸素供給手段（２１）を備え、制御手段（５０）は、酸素供給手段（２１）に燃料電池（１０）が目標電流値を出力するのに必要とされる酸素量に対して過剰な酸素量を含んだ空気を供給させることを特徴としている。これにより、空気流によって燃料電池（１０）内に液滴の状態で存在する水分を、燃料電池（１０）内から押し出す（吹き飛ばす）ことができる。
【００１１】
また、請求項４に記載の発明では、燃料電池（１０）と並列的に接続された２次電池（１２）と、燃料電池（１０）からの供給電力により作動する補機（２１、２２、２３、３２、３３、４１、４３、４５）とを備え、制御手段（５０）は、燃料電池（１０）を目標電流値にて発電させた際に、燃料電池（１０）の出力電力が補機の作動に必要な電力に対して余剰を生じる場合には、余剰電力を２次電池に充電し、燃料電池（１０）の出力電力が補機の作動に必要な電力に対して不足する場合には、不足電力を２次電池から補機に供給することを特徴としている。
【００１２】
これにより、送風機（２１）等の補機の負荷に関わらず、燃料電池（１０）の出力電流を燃料電池（１０）内の水分除去に最適な値に制御することができ、効率よく水分除去を行うことができる。
【００１３】
また、請求項５に記載の発明では、燃料電池（１０）の温度を制御する温度制御手段（４０〜４５）を備え、温度制御手段（４０〜４５）は、燃料電池（１０）の温度が所定上限温度（Ｔｍａｘ）から所定下限温度（Ｔｍｉｎ）の間となるように温度制御を行うことを特徴としている。
【００１４】
これにより、燃料電池温度が上限温度Ｔｍａｘ以上となって燃料電池内部の電解質膜等が破壊されるのを防ぐことができ、また、燃料電池温度が下限温度Ｔｍｉｎ以下となって残留水分の蒸発量が低下することを防止することができる。
【００１５】
また、出力電力制御手段は、請求項６に記載の発明のようにＤＣ／ＤＣコンバータ（１３）とすることができ、ＤＣ／ＤＣコンバータ（１３）にて燃料電池（１０）の出力電圧を制御することによって、燃料電池（１０）の出力電流を制御することができる。
【００１６】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図１〜図６に基づいて説明する。本実施形態は、燃料電池システムを燃料電池を電源として走行する電気自動車（燃料電池車両）に適用したものである。
【００１８】
図１は、実施形態の燃料電池システムの全体構成を示している。図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池（ＦＣスタック）１０を備えている。ＦＣスタック１０は、車両走行用の電動モータ（負荷）１１や２次電池１２等の電気機器に電力を供給するように構成されている。
【００１９】
ＦＣスタック１０では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギが発生する。
（負極側）Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-
（正極側）２Ｈ⁺＋１／２Ｏ₂ ＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ
本実施形態ではＦＣスタック１０として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となるセルが複数積層されて構成されている。各セルは、電解質膜が一対の電極で挟まれた構成となっている。
【００２０】
ＦＣスタック１０と２次電池１２との間にはＦＣスタック１０の出力電圧値を調整するＤＣ／ＤＣコンバータ（出力電流制御手段）１３が設けられている。図２はＦＣスタック１０の出力電圧と出力電流との関係を示している。図２に示すようにＦＣスタック１０の出力電圧と出力電流との間には相関関係があり、ＦＣスタック１０は出力電流の増加とともに出力電圧が低下し、出力電流の低下とともに出力電圧が増加するという特性を持っている。従って、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３にてＦＣスタック１０の出力電圧を制御することにより、ＦＣスタック１０の出力電流を任意に制御することが可能となる。
【００２１】
また、ＦＣスタック１０には、ＦＣスタック本体の温度を検出するための温度センサ１４が設けられている。さらに、燃料電池システムには、外気温を検出する外気温センサ１５が設けられている。
【００２２】
燃料電池システムには、ＦＣスタック１０の酸素極（正極）１０ａ側に空気（酸素）を供給するための空気経路２０と、ＦＣスタック１０の水素極（負極）１０ｂ側に水素を供給するための水素経路３０が設けられている。空気経路２０には空気供給用の空気圧送用の送風機（ガス圧縮機）２１が設けられている。水素経路３０には水素供給装置３１より水素が供給される。
【００２３】
発電時における電気化学反応のために、ＦＣスタック１０内の電解質膜を水分を含んだ湿潤状態にしておく必要がある。このため、通常運転時には、図示しない加湿装置により空気経路２０の空気および水素経路３０の水素に加湿が行われ、ＦＣスタック１０には加湿された空気および水素が供給される。これにより、ＦＣスタック１０内部は湿潤状態で作動することとなる。また、酸素極１０ａ側では上記電気化学反応により水分が生成する。
【００２４】
また、後述の水分除去運転時には、ＦＣスタック１０には、加湿されない乾燥空気と加湿されない乾燥水素が供給される。これらの乾燥ガスは、ＦＣスタック１０内に残留する水分を除去するために、できるだけ低湿度であることが望ましく、少なくともＦＣスタック１０内の湿度より低湿度である必要がある。
【００２５】
空気経路２０における両端部には、空気経路２０を遮断するためのシャットバルブ２２、２３が設けられている。これらのシャットバルブ２２、２３を閉じることで、ＦＣスタック１０内部および空気経路２０内部を外気から遮断することができる。水素経路３０の両端部にも、同様のシャットバルブ３２、３３が設けられている。
【００２６】
ＦＣスタック１０には、ＦＣスタック１０内部の酸素極１０ａおよび水素極１０ｂに存在する残留水分を検出するための水分センサ２４、３４が設けられている。本実施形態では、水分センサ２４、３４として湿度センサを用いている。湿度センサ２４、３４は、ＦＣスタック１０内部の湿度を適切に検出するために、酸素極１０ａおよび水素極１０ｂにおけるＦＣスタック１０出口付近に設けることが望ましい。
【００２７】
ＦＣスタック１０は発電に伴い発熱を生じる。このため、燃料電池システムには、ＦＣスタック１０を冷却して作動温度が電気化学反応に適温（８０℃程度）となるよう冷却システム４０〜４５が設けられている。
【００２８】
冷却システムには、ＦＣスタック１０に冷却水（熱媒体）を循環させる冷却水経路４０、冷却水を循環させるウォータポンプ４１、ファン４３を備えたラジエータ４２が設けられている。ラジエータ４２およびファン４３で冷却部を構成している。ＦＣスタック１０で発生した熱は、冷却水を介してラジエータ４２で系外に排出される。
【００２９】
また、冷却水経路４０には、冷却水をラジエータ４２をバイパスさせるためのバイパス経路４４がラジエータ４４と並列的に設けられている。冷却水の流路は、冷却水切替弁４５によってラジエータ４３側とバイパス通路４４側に切り替えられる。
【００３０】
このような冷却系によって、ウォータポンプ４１による循環流量制御、ラジエータ４２およびファン４３による風量制御、冷却水切替弁４５によるバイパス流量制御でＦＣスタック１０の冷却量制御を行うことができる。
【００３１】
本実施形態の燃料電池システムには各種制御を行う制御部（ＥＣＵ）５０が設けられている。制御部５０には、負荷１１からの要求電力信号、温度センサ１２からの温度信号、外気温センサ１５からの外気温信号、水分センサ２４、３４からの残留水分量信号等が入力される。また、制御部５０は、２次電池１２、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３、送風機２１、ウォータポンプ４１、ラジエータファン４３、冷却水切替弁４５等に制御信号を出力するように構成されている。
【００３２】
次に、上記構成の燃料電池システムの水分除去制御を図３〜６に基づいて説明する。図３は本実施形態の水分除去制御を示すフローチャートである。
【００３３】
まず、ＦＣスタック１０の運転を停止するか否かを判定する（ステップＳ１０）。運転停止判定は、運転者によるキーオフ信号を検出することにより行う。キーオフ信号が検出されない場合には、通常運転を継続する（ステップＳ１１）。キーオフ信号が検出された場合には、ＦＣスタック１０内の水分除去（水分パージ）が必要か否かを判定する（ステップＳ１２）。
【００３４】
水分除去を行うか否かの判定は、運転停止時の環境温度（外気温）や季節情報等を考慮して行う。すなわち、環境温度が０℃以下であるか、あるいは冬季等であり気温の低下が予測されるいった条件に基づいて水分除去運転の必要性についての判定を行う。当然のことながら、夏場などの条件では凍結のおそれがないため、水分運転は必要とならない。
【００３５】
また、ＦＣスタック１０の運転停止時に、運転者によるＦＣスタック１０停止時間の予想時間を入力するように構成してもよい。これは、ＦＣスタック１０の停止時に環境温度が氷結点以下であったとしても、ＦＣスタック１０の予熱が十分あるため、瞬時にＦＣスタック１０が氷結点以下とはならず、しばらくは高温が維持されるためである。従って、１０時間程度(一昼夜)の停止時間内であれば、運転停止時の残留水除去を行う必要がない。
【００３６】
水分除去が必要と判定された場合には、水分センサ２４、３４によりＦＣスタック１０内の残留水量を検出し（ステップＳ１３）、残留水量が低温環境下において凍結する範囲内であるか否かを判定する（ステップＳ１４）。その結果、残留水分量が凍結範囲を超えている場合には、残留水分量に基づいてＦＣスタック１０の出力電流値（目標電流値）を決定する（ステップＳ１５）。
【００３７】
ここで、ＦＣスタック１０内の残留水分を除去するのに必要なＦＣスタック出力電流値の決定方法を図４〜図６に基づいて説明する。
【００３８】
図４はＦＣスタック１０の出力電流、発熱量、生成水量の関係を示している。図４に示すように、ＦＣスタック１０の出力電流が増大すると発熱量が増大するため、ＦＣスタック１０内の残留水分の除去を促進できる。一方、電気化学反応により水分が生成されるため、ＦＣスタック１０出力電流が増大すると生成水が増大する。
【００３９】
図５はＦＣスタック１０の出力電流と残留水分量との関係を示している。縦軸は残留水分量であり、横軸は時間を示している。Ｉ₀〜Ｉ₃は、ＦＣスタック１０の出力電流を一定にした場合の残留水分量を示しており、Ｉ₀が最も電流値が大きく、Ｉ₃が最も電流値が小さい。Ｗ₀〜Ｗ₃は特定の電流値においてそれ以下に減らすことにできない飽和残留水分量であり、Ｗ₀〜Ｗ₃はそれぞれＩ₀〜Ｉ₃に対応している。
【００４０】
図５に示すように、出力電流が大きい場合には残留水分の除去速度が速い一方、生成水量が多いため残留水分量が高い値で飽和し、出力電流が小さい場合には残留水分の除去速度が遅い一方、生成水量が少ないため残留水分量の飽和値が小さくなる。従って、ＦＣスタック１０内の残留水分量が多い段階ではＦＣスタック１０の出力電流値を大きくして残留水分を速やかに除去し、残留水分量の減少に伴って出力電流値を小さくし、残留水分をできるだけ少なくすることで、効率よく残留水分を除去できる。
【００４１】
図６は、ＦＣスタック１０内の残留水分量とＦＣスタック１０の目標電流値との関係を示している。本実施形態では、図６に示すように、残留水分量がＷ₀になるまでは出力電流をＩ₀、残留水分量がＷ₁になるまでは出力電流をＩ₁、残留水分量がＷ₂になるまでは出力電流をＩ₂、残留水分量がＷ₃になるまでは出力電流をＩ₃としている。
【００４２】
このようにＦＣスタック１０内の残留水分量に基づいてＦＣスタック１０の出力電流値を最適値に制御することで、図５中のＩｖに示すように、ＦＣスタック１０内の残留水分を速やかに、かつ、効果的に減少させることができる。
【００４３】
次に、以上のように決定された目標電流値を発電するのに必要な水素量および酸素量を算出し、ＦＣスタック１０に送風機２１および水素供給装置３１により空気（酸素）および水素を供給する（ステップ１６）。このとき、空気および水素に加湿は行われず、ＦＣスタック１０の酸素極１０ａには乾燥空気が供給され、水素極１０ｂには乾燥水素が供給される。
【００４４】
本実施形態の燃料電池システムでは、ＦＣスタック１０には目標制御電流値の発電に必要な空気量に対して過剰な空気量を供給するように構成されている。これにより、空気流によってＦＣスタック１０内に液滴の状態で存在する水分をＦＣスタック１０内から押し出す（吹き飛ばす）ことができる。
【００４５】
次に、ＦＣスタック１０の出力電流値が目標制御電流となるように出力電流の制御を行う（ステップＳ１７）。具体的には、上記図２に基づいて説明したように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３にてＦＣスタック１０の出力電圧を制御することにより出力電流を制御する。
【００４６】
このとき、ＦＣスタック１０の出力電流はＦＣスタック１０内部の水分除去に最適な値となるように制御される。従って、ＦＣスタック１０で発電する電力は、送風機２１やウォータポンプ４１、流路切替弁４５等の補機類を作動させるために必要な電力に対して大きい場合と小さい場合があり得る。このため、ＦＣスタック１０の電力が補機作動電力より大きい場合には余剰電力を２次電池１２に充電し、逆にＦＣスタック１０の発電量が補機作動電力より小さい場合には不足する電力を２次電池１２より補機に供給する。これにより、補機の負荷の大小に関わらず、ＦＣスタック１０の出力電流をＦＣスタック１０内の水分除去に最適な値に制御することができ、効率よく水分除去を行うことができる。
【００４７】
次に、ＦＣスタック１０の温度制御を行う。ＦＣスタック１０は発電により発熱を生ずる。ＦＣスタック温度が上限温度Ｔｍａｘ以上となった場合には、ＦＣスタック１０内部の電解質膜等が破壊される。また、ＦＣスタック温度が下限温度Ｔｍｉｎ以下となった場合には、ＦＣスタック１０内の残留水分の蒸発量が低下する。このため、冷却システム４０〜４５によりＦＣスタック１０の温度が所定温度範囲に収まるようにＦＣスタック１０の温度制御を行う。なお、本実施形態では、ＦＣスタック１０の上限温度Ｔｍａｘを１２０℃程度、下限温度Ｔｍｉｎを６０℃程度に設定している。
【００４８】
まず、温度センサ１４によりＦＣスタック１０の温度を検出し（ステップＳ１８）、ＦＣスタック温度が冷却が必要か否かを判定する（ステップＳ１９）。その結果、ＦＣスタック温度が上限温度Ｔｍａｘを上回っていれば、冷却水をラジエータ４２側に循環させてＦＣスタック１０の冷却を行う（ステップＳ２０）。また、ＦＣスタック温度が下限温度Ｔｍｉｎを下回っていれば、冷却水をバイパス経路４４側に循環させるか、あるいはウォータポンプ４１を停止させてＦＣスタック１０の冷却を一時中止する（ステップＳ２１）。これにより、ＦＣスタック温度を上限温度Ｔｍａｘと下限温度Ｔｍｉｎの範囲内に制御することができる。
【００４９】
次に、ステップＳ１３に戻り、ＦＣスタック１０内の残留水分量を検出し、残留水分量が凍結範囲であるか否かを判定する。その結果、残留水分量が凍結範囲を下回っていれば、空気経路２０および水素経路３０の両端部に設けられているシャットバルブ２２、２３、３２、３３を閉じる（ステップＳ２１）。これにより、ＦＣスタック１０内部、空気経路２０内部、水素経路３０内部が外気から遮断され、外部環境からの水分侵入を防ぐことができる。その後、ＦＣスタック１０への燃料供給を停止して、ＦＣスタック１０を完全に停止させる。
【００５０】
残留水分量が凍結範囲を上回っている場合には、上記ステップＳ１５〜Ｓ２１を繰り返し行う。
【００５１】
以上、本実施形態のように、ＦＣスタック１０内の残留水分量に基づいて、制御開始時にはＦＣスタック１０の出力電流を大きくして水分蒸発速度を向上させ、残留水量に応じて出力電流を小さくすることで、電流を一定に制御した場合に比較して、残留水分量と蒸発速度の向上を両立させることができる。これにより、短時間で効率よくＦＣスタック１０内の残留水分を除去することが可能となる。
【００５２】
（他の実施形態）
なお、上記実施形態では、ＦＣスタック１０内の残留水分量を検出する水分センサ２４、３４として湿度センサを用いたが、これに限らず、例えば水分センサとしてＦＣスタック１０内部における電解質膜の電気抵抗の変化を測定することによっても、ＦＣスタック１０内部の残留水分量を検出することができる。
【００５３】
また、ＦＣスタック１０を構成する個々のセルにおいて、少なくとも一部が水分除去されていればよい。セルの一部が乾燥していれば、その乾燥部分に水素および空気を供給することで発電を開始できる。セルの一部にて発電が開始されれば、発電に伴う発熱により他の部分を昇温させることができ、セル全体で発電を行うことができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】上記実施形態の燃料電池システムの全体構成を示す概念図である。
【図２】燃料電池の出力電流と出力電圧との関係を示す特性図である。
【図３】上記実施形態の燃料電池システムの水分除去制御を示すフローチャートである。
【図４】燃料電池の出力電流、発熱量、生成水量の関係を示す特性図である。
【図５】燃料電池の出力電流と残留水分量との関係を示す特性図である。
【図６】本実施形態の燃料電池の残留水量と制御電流値との関係を示す特性図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池（ＦＣスタック）、１２…２次電池、１３…ＤＣ／ＤＣコンバータ（電流制御手段）、２０…空気通路、２２、２３…シャットバルブ、２４…湿度センサ（水分センサ）、３０…水素通路、３２、３３…シャットバルブ、３４…湿度センサ（水分センサ）、５０…制御部。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell that generates electric energy by a chemical reaction between hydrogen and oxygen, and is effective when applied to a moving body such as a vehicle, a ship, and a portable generator.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, a fuel cell system including a fuel cell that generates power using an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen (air) is known. For example, in a polymer electrolyte fuel cell that is considered as a driving source for vehicles and the like, in a low temperature state of 0 ° C. or lower, moisture present in the vicinity of the electrode freezes and inhibits diffusion of reaction gas, There is a problem that the electrical conductivity of the film is lowered.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
When starting a fuel cell in such a low-temperature environment, the fuel gas may be supplied even if fuel gas is supplied due to clogging of the reaction gas path due to freezing or hindering the progress or arrival of the reaction gas (hydrogen and air) to the electrolyte membrane. There is a problem that the fuel cell cannot be started because the chemical reaction does not proceed. Furthermore, the gas path is also blocked due to the freezing of moisture condensed in the reaction gas path.
[0004]
In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a fuel cell system that can remove moisture inside the fuel cell in a short time when the operation is stopped in a fuel cell system used in a low temperature environment. And
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, there is provided a fuel cell system including a fuel cell (10) that generates electric energy by electrochemical reaction of hydrogen and oxygen, the fuel cell (10). Output current control means (13) for controlling the output current of the fuel cell, water content detection means (24, 34) for detecting the residual water content in the fuel cell (10), and water removal control in the fuel cell (10). Control means (50) for performing the operation, and when the normal operation of the fuel cell (10) is completed, the control means (50) is provided in the fuel cell (10) detected by the moisture amount detection means (24, 34). based on the residual water content sets a target current value, the output current of the output current control means (13) of the fuel cell (10) is characterized Rukoto is controlled so that the target current value.
[0006]
In this way, by controlling the output current of the fuel cell (10) based on the residual moisture amount in the fuel cell (10), the residual moisture amount and the evaporation rate are compared with the case where the current is controlled to be constant. Improvements can be achieved at the same time. Thereby, it becomes possible to remove the residual moisture in the fuel cell (10) efficiently in a short time.
[0007]
Specifically, as in the invention described in claim 2, the control unit (50) sets the target current value so as to decrease in accordance with the decrease in the residual moisture content in the fuel cell (10). At the start of the moisture removal control, the output current of the fuel cell (10) can be increased to improve the moisture evaporation rate, and the output current can be reduced in accordance with the decrease in the residual moisture amount to effectively reduce the residual moisture amount. .
[0008]
Control of the output current of the fuel cell (10) by the output current control means (13) is performed until the amount of residual moisture in the fuel cell decreases and falls below the range where freezing occurs in a low temperature environment.
[0009]
At this time, it is not necessary to make the residual moisture content below the freezing range for all the portions in each cell constituting the fuel cell (10), and it is sufficient that at least a partial residual moisture content in each cell is below the freezing range. If a part of each cell is dry, power generation can be started by supplying hydrogen and air to the dry part. If power generation is started in a part of the cell, the temperature of the other part can be raised by heat generated by the power generation, and power generation can be performed in the entire cell.
[0010]
Further, in the invention described in claim 3, the fuel cell (10) is provided with an oxygen supply means (21) for supplying oxygen to the fuel cell (10), and the control means (50) includes the fuel cell (10) in the oxygen supply means (21). to supply the air containing excess oxygen amount to the amount of oxygen required to output the target current value is characterized in Rukoto. Thereby, the water which exists in the state of a droplet in a fuel cell (10) with an airflow can be pushed out from the inside of a fuel cell (10).
[0011]
In the invention according to claim 4, the secondary battery (12) connected in parallel with the fuel cell (10) and the auxiliary machines (21, 22, 23, 32, 33, 41, 43, 45), and the control means (50) compensates for the output power of the fuel cell (10) when the fuel cell (10) is generated at the target current value. When surplus is generated for the power required for the operation of the machine, the surplus power is charged in the secondary battery, and the output power of the fuel cell (10) is insufficient for the power required for the operation of the auxiliary machine Is characterized by supplying insufficient power from the secondary battery to the auxiliary machine.
[0012]
As a result, the output current of the fuel cell (10) can be controlled to an optimum value for water removal in the fuel cell (10) regardless of the load of the auxiliary machine such as the blower (21), and moisture removal can be performed efficiently. It can be performed.
[0013]
Further, in the invention described in claim 5, temperature control means (40 to 45) for controlling the temperature of the fuel cell (10) is provided, and the temperature control means (40 to 45) has a temperature of the fuel cell (10). The temperature control is performed so as to be between the predetermined upper limit temperature (Tmax) and the predetermined lower limit temperature (Tmin).
[0014]
As a result, it is possible to prevent the fuel cell temperature from exceeding the upper limit temperature Tmax and destroying the electrolyte membrane and the like inside the fuel cell, and the fuel cell temperature to be lower than the lower limit temperature Tmin to evaporate residual water. Can be prevented from decreasing.
[0015]
The output power control means can be a DC / DC converter (13) as in the invention described in claim 6, and the output voltage of the fuel cell (10) is controlled by the DC / DC converter (13). By doing so, the output current of the fuel cell (10) can be controlled.
[0016]
In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. In the present embodiment, the fuel cell system is applied to an electric vehicle (fuel cell vehicle) that runs using the fuel cell as a power source.
[0018]
FIG. 1 shows the overall configuration of the fuel cell system of the embodiment. As shown in FIG. 1, the fuel cell system of the present embodiment includes a fuel cell (FC stack) 10 that generates electric power by utilizing an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. The FC stack 10 is configured to supply electric power to an electric device (load) 11 and a secondary battery 12 for driving the vehicle.
[0019]
In the FC stack 10, the following electrochemical reaction between hydrogen and oxygen occurs to generate electric energy.
(Negative electrode side) H ₂ → 2H ⁺ + 2e ⁻
(Positive electrode side) 2H ⁺ + 1 / 2O ₂ + 2e ⁻ → H ₂ O
In this embodiment, a solid polymer electrolyte fuel cell is used as the FC stack 10, and a plurality of cells serving as basic units are stacked. Each cell has a configuration in which an electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrodes.
[0020]
A DC / DC converter (output current control means) 13 that adjusts the output voltage value of the FC stack 10 is provided between the FC stack 10 and the secondary battery 12. FIG. 2 shows the relationship between the output voltage and the output current of the FC stack 10. As shown in FIG. 2, there is a correlation between the output voltage and output current of the FC stack 10, and the output voltage of the FC stack 10 decreases as the output current increases, and the output voltage increases as the output current decreases. It has the characteristics of Therefore, by controlling the output voltage of the FC stack 10 with the DC / DC converter 13, the output current of the FC stack 10 can be arbitrarily controlled.
[0021]
The FC stack 10 is provided with a temperature sensor 14 for detecting the temperature of the FC stack body. Further, the fuel cell system is provided with an outside air temperature sensor 15 that detects the outside air temperature.
[0022]
In the fuel cell system, an air path 20 for supplying air (oxygen) to the oxygen electrode (positive electrode) 10a side of the FC stack 10 and hydrogen for supplying hydrogen to the hydrogen electrode (negative electrode) 10b side of the FC stack 10 are provided. A hydrogen path 30 is provided. The air path 20 is provided with a blower (gas compressor) 21 for air supply for supplying air. Hydrogen is supplied to the hydrogen path 30 from a hydrogen supply device 31.
[0023]
For the electrochemical reaction during power generation, the electrolyte membrane in the FC stack 10 needs to be in a wet state containing moisture. Therefore, during normal operation, humidification is performed on the air in the air path 20 and the hydrogen in the hydrogen path 30 by a humidifier (not shown), and the humidified air and hydrogen are supplied to the FC stack 10. As a result, the inside of the FC stack 10 operates in a wet state. Further, moisture is generated by the electrochemical reaction on the oxygen electrode 10a side.
[0024]
In addition, during the moisture removal operation described later, dry air that is not humidified and dry hydrogen that is not humidified are supplied to the FC stack 10. In order to remove moisture remaining in the FC stack 10, it is desirable that these dry gases have as low a humidity as possible, and at least lower than the humidity in the FC stack 10.
[0025]
Shut valves 22 and 23 for blocking the air path 20 are provided at both ends of the air path 20. By closing these shut valves 22, 23, the inside of the FC stack 10 and the inside of the air path 20 can be shut off from the outside air. Similar shut valves 32 and 33 are provided at both ends of the hydrogen passage 30.
[0026]
The FC stack 10 is provided with moisture sensors 24 and 34 for detecting residual moisture present in the oxygen electrode 10a and the hydrogen electrode 10b inside the FC stack 10. In the present embodiment, humidity sensors are used as the moisture sensors 24 and 34. The humidity sensors 24 and 34 are desirably provided near the outlet of the FC stack 10 in the oxygen electrode 10a and the hydrogen electrode 10b in order to appropriately detect the humidity inside the FC stack 10.
[0027]
The FC stack 10 generates heat with power generation. For this reason, the fuel cell system is provided with cooling systems 40 to 45 so that the FC stack 10 is cooled and the operating temperature becomes an appropriate temperature (about 80 ° C.) for the electrochemical reaction.
[0028]
The cooling system is provided with a cooling water path 40 that circulates cooling water (heat medium) through the FC stack 10, a water pump 41 that circulates the cooling water, and a radiator 42 that includes a fan 43. The radiator 42 and the fan 43 constitute a cooling unit. The heat generated in the FC stack 10 is discharged out of the system by the radiator 42 through the cooling water.
[0029]
The cooling water path 40 is provided with a bypass path 44 in parallel with the radiator 44 for bypassing the cooling water to the radiator 42. The flow path of the cooling water is switched to the radiator 43 side and the bypass passage 44 side by the cooling water switching valve 45.
[0030]
With such a cooling system, the cooling amount control of the FC stack 10 can be performed by the circulation flow rate control by the water pump 41, the air volume control by the radiator 42 and the fan 43, and the bypass flow rate control by the cooling water switching valve 45.
[0031]
The fuel cell system of this embodiment is provided with a control unit (ECU) 50 that performs various controls. The control unit 50 receives a required power signal from the load 11, a temperature signal from the temperature sensor 12, an outside air temperature signal from the outside air temperature sensor 15, a residual moisture amount signal from the moisture sensors 24 and 34, and the like. The control unit 50 is configured to output control signals to the secondary battery 12, the DC / DC converter 13, the blower 21, the water pump 41, the radiator fan 43, the cooling water switching valve 45, and the like.
[0032]
Next, the moisture removal control of the fuel cell system having the above configuration will be described with reference to FIGS. FIG. 3 is a flowchart showing the water removal control of this embodiment.
[0033]
First, it is determined whether or not to stop the operation of the FC stack 10 (step S10). The operation stop determination is performed by detecting a key-off signal from the driver. If the key-off signal is not detected, normal operation is continued (step S11). When the key-off signal is detected, it is determined whether or not moisture removal (moisture purge) in the FC stack 10 is necessary (step S12).
[0034]
The determination of whether or not to remove moisture is performed in consideration of the environmental temperature (outside temperature) at the time of operation stop, seasonal information, and the like. That is, the necessity for the water removal operation is determined based on the condition that the environmental temperature is 0 ° C. or lower, or that the temperature is predicted to decrease in winter. Naturally, moisture operation is not necessary because there is no risk of freezing in conditions such as summer.
[0035]
Further, when the operation of the FC stack 10 is stopped, an expected time of the FC stack 10 stop time by the driver may be input. This is because even if the environmental temperature is below the freezing point when the FC stack 10 is stopped, the FC stack 10 does not immediately drop below the freezing point because the FC stack 10 is sufficiently preheated, and the high temperature is maintained for a while. It is to be done. Therefore, it is not necessary to remove the residual water when the operation is stopped within the stop time of about 10 hours (all day and night).
[0036]
If it is determined that moisture removal is necessary, the moisture sensors 24 and 34 detect the residual water amount in the FC stack 10 (step S13), and determine whether the residual water amount is within the range of freezing in a low temperature environment. Determination is made (step S14). As a result, when the residual moisture content exceeds the freezing range, the output current value (target current value) of the FC stack 10 is determined based on the residual moisture content (step S15).
[0037]
Here, a method of determining the FC stack output current value necessary for removing residual moisture in the FC stack 10 will be described with reference to FIGS.
[0038]
FIG. 4 shows the relationship between the output current, the calorific value, and the generated water amount of the FC stack 10. As shown in FIG. 4, when the output current of the FC stack 10 increases, the amount of heat generation increases, so that it is possible to promote the removal of residual moisture in the FC stack 10. On the other hand, since water is generated by the electrochemical reaction, the generated water increases when the output current of the FC stack 10 increases.
[0039]
FIG. 5 shows the relationship between the output current of the FC stack 10 and the residual moisture content. The vertical axis represents the residual moisture content, and the horizontal axis represents time. I _{0 to} I ₃ indicate the amount of residual moisture when the output current of the FC stack 10 is constant. I ₀ has the largest current value and I ₃ has the smallest current value. W _{0 to} W ₃ are saturated residual moisture amounts that cannot be reduced below that at a specific current value, and W _{0 to} W ₃ correspond to I _{0 to} I ₃ , respectively.
[0040]
As shown in FIG. 5, when the output current is large, the residual water removal rate is fast, while the amount of generated water is large and the residual water amount is saturated at a high value. When the output current is small, the residual water removal rate is high. On the other hand, since the amount of generated water is small, the saturation value of the residual water amount becomes small. Therefore, when the amount of residual moisture in the FC stack 10 is large, the output current value of the FC stack 10 is increased to quickly remove the residual moisture, and the output current value is decreased as the residual moisture amount is reduced. As much as possible, residual moisture can be efficiently removed.
[0041]
FIG. 6 shows the relationship between the residual moisture content in the FC stack 10 and the target current value of the FC stack 10. In the present embodiment, as shown in FIG. 6, until the residual water content is W ₀ the output current I _0, until a residual water content of the W ₁ the output current I _1, the residual water content of W ₂ The output current is set to I ₂ until the residual water amount reaches W ₃ , and the output current is set to I ₃ until the residual water content reaches W ₃ .
[0042]
In this way, by controlling the output current value of the FC stack 10 to the optimum value based on the amount of residual moisture in the FC stack 10, the residual moisture in the FC stack 10 can be quickly increased as shown by Iv in FIG. And can be effectively reduced.
[0043]
Next, the amount of hydrogen and the amount of oxygen necessary to generate the target current value determined as described above are calculated, and air (oxygen) and hydrogen are supplied to the FC stack 10 by the blower 21 and the hydrogen supply device 31. (Step 16). At this time, air and hydrogen are not humidified, dry air is supplied to the oxygen electrode 10a of the FC stack 10, and dry hydrogen is supplied to the hydrogen electrode 10b.
[0044]
In the fuel cell system of this embodiment, the FC stack 10 is configured to supply an excessive amount of air with respect to the amount of air necessary for power generation of the target control current value. As a result, moisture existing in the form of droplets in the FC stack 10 can be pushed out (blown out) from the FC stack 10 by the air flow.
[0045]
Next, the output current is controlled so that the output current value of the FC stack 10 becomes the target control current (step S17). Specifically, as described with reference to FIG. 2, the output current of the FC stack 10 is controlled by the DC / DC converter 13 to control the output current.
[0046]
At this time, the output current of the FC stack 10 is controlled to be an optimum value for removing moisture inside the FC stack 10. Therefore, the electric power generated by the FC stack 10 may be larger or smaller than the electric power necessary for operating the auxiliary devices such as the blower 21, the water pump 41, and the flow path switching valve 45. For this reason, when the power of the FC stack 10 is larger than the auxiliary machine operating power, the surplus power is charged in the secondary battery 12, and conversely, when the power generation amount of the FC stack 10 is smaller than the auxiliary machine operating power, the power is insufficient. Is supplied from the secondary battery 12 to the auxiliary machine. Thereby, the output current of the FC stack 10 can be controlled to an optimum value for removing moisture in the FC stack 10 regardless of the load of the auxiliary machine, and moisture removal can be performed efficiently.
[0047]
Next, temperature control of the FC stack 10 is performed. The FC stack 10 generates heat by power generation. When the FC stack temperature becomes equal to or higher than the upper limit temperature Tmax, the electrolyte membrane or the like inside the FC stack 10 is destroyed. Further, when the FC stack temperature becomes equal to or lower than the lower limit temperature Tmin, the evaporation amount of residual moisture in the FC stack 10 decreases. For this reason, the temperature control of the FC stack 10 is performed by the cooling systems 40 to 45 so that the temperature of the FC stack 10 falls within a predetermined temperature range. In the present embodiment, the upper limit temperature Tmax of the FC stack 10 is set to about 120 ° C., and the lower limit temperature Tmin is set to about 60 ° C.
[0048]
First, the temperature of the FC stack 10 is detected by the temperature sensor 14 (step S18), and it is determined whether the FC stack temperature needs to be cooled (step S19). As a result, if the FC stack temperature exceeds the upper limit temperature Tmax, the cooling water is circulated to the radiator 42 side to cool the FC stack 10 (step S20). If the FC stack temperature is lower than the lower limit temperature Tmin, the cooling water is circulated to the bypass path 44 side, or the water pump 41 is stopped to temporarily stop the cooling of the FC stack 10 (step S21). As a result, the FC stack temperature can be controlled within the range between the upper limit temperature Tmax and the lower limit temperature Tmin.
[0049]
Next, returning to step S13, the residual moisture content in the FC stack 10 is detected, and it is determined whether or not the residual moisture content is within the freezing range. As a result, if the residual water content is below the freezing range, the shut valves 22, 23, 32, 33 provided at both ends of the air path 20 and the hydrogen path 30 are closed (step S21). As a result, the inside of the FC stack 10, the inside of the air path 20, and the inside of the hydrogen path 30 are blocked from the outside air, and moisture intrusion from the external environment can be prevented. Thereafter, the fuel supply to the FC stack 10 is stopped, and the FC stack 10 is completely stopped.
[0050]
When the residual moisture content exceeds the freezing range, the above steps S15 to S21 are repeated.
[0051]
As described above, based on the amount of residual moisture in the FC stack 10 as in the present embodiment, the output current of the FC stack 10 is increased at the start of control to improve the moisture evaporation rate, and the output current is reduced according to the amount of residual water. By doing so, compared to the case where the current is controlled to be constant, it is possible to achieve both improvement of the residual water content and the evaporation rate. Thereby, it becomes possible to remove the residual moisture in the FC stack 10 efficiently in a short time.
[0052]
(Other embodiments)
In the above embodiment, the humidity sensors are used as the moisture sensors 24 and 34 for detecting the residual moisture amount in the FC stack 10. However, the present invention is not limited to this. For example, the electrical resistance of the electrolyte membrane in the FC stack 10 as a moisture sensor. The residual moisture content inside the FC stack 10 can also be detected by measuring this change.
[0053]
Further, it is sufficient that at least a part of the water is removed from each cell constituting the FC stack 10. If a part of the cell is dry, power generation can be started by supplying hydrogen and air to the dry part. If power generation is started in a part of the cell, the temperature of the other part can be raised by heat generated by the power generation, and power generation can be performed in the entire cell.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram showing an overall configuration of a fuel cell system according to the embodiment.
FIG. 2 is a characteristic diagram showing a relationship between an output current and an output voltage of a fuel cell.
FIG. 3 is a flowchart showing water removal control of the fuel cell system according to the embodiment.
FIG. 4 is a characteristic diagram showing the relationship between the output current, the calorific value, and the generated water amount of the fuel cell.
FIG. 5 is a characteristic diagram showing the relationship between the output current of the fuel cell and the residual moisture content.
FIG. 6 is a characteristic diagram showing the relationship between the amount of residual water and the control current value of the fuel cell according to the present embodiment.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell (FC stack), 12 ... Secondary battery, 13 ... DC / DC converter (current control means), 20 ... Air passage, 22, 23 ... Shut valve, 24 ... Humidity sensor (moisture sensor), 30 ... Hydrogen passage, 32, 33 ... shut valve, 34 ... humidity sensor (moisture sensor), 50 ... control unit.

Claims

水素と酸素とを電気化学反応させて電気エネルギを発生させる燃料電池（１０）を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池（１０）の出力電流を制御する出力電流制御手段（１３）と、
前記燃料電池（１０）内の残留水分量を検出する水分量検出手段（２４、３４）と、
前記燃料電池（１０）内の水分除去制御を行う制御手段（５０）とを備え、
前記制御手段（５０）は、前記燃料電池（１０）の通常運転が終了する際に、前記水分量検出手段（２４、３４）により検出した前記燃料電池（１０）内の残留水分量に基づいて目標電流値を設定し、前記出力電流制御手段（１３）を前記燃料電池（１０）の出力電流が前記目標電流値となるように制御させることを特徴とする燃料電池システム。A fuel cell system comprising a fuel cell (10) for generating electric energy by electrochemical reaction of hydrogen and oxygen,
Output current control means (13) for controlling the output current of the fuel cell (10);
Water content detection means (24, 34) for detecting the residual water content in the fuel cell (10) ;
Control means (50) for performing moisture removal control in the fuel cell (10) ,
The control means (50) is based on the residual water content in the fuel cell (10) detected by the water content detection means (24, 34) when the normal operation of the fuel cell (10) ends. fuel cell system sets a target current value, and wherein the Rukoto is controlled so that the output current of the fuel cell the output current control means (13) (10) becomes the target current value.

前記制御手段（５０）は、前記目標電流値を前記燃料電池（１０）内の残留水分量の減少に応じて低下するように設定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。 Wherein said control means (50), a fuel cell system according to claim 1, set to said Rukoto to decrease in accordance with the target current value to decrease the residual water content of the fuel cell (10) .

前記燃料電池（１０）に酸素を供給する酸素供給手段（２１）を備え、
前記制御手段（５０）は、前記酸素供給手段（２１）に前記燃料電池（１０）が前記目標電流値を出力するのに必要とされる酸素量に対して過剰な酸素量を含んだ空気を供給させることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。 Oxygen supply means (21) for supplying oxygen to the fuel cell (10);
The control means (50) is configured to supply the oxygen supply means (21) with air containing an excessive amount of oxygen relative to the amount of oxygen required for the fuel cell (10) to output the target current value. the fuel cell system according to claim 1 or claim 2, characterized in Rukoto was supplied.

前記燃料電池（１０）と並列的に接続された２次電池（１２）と、
前記燃料電池（１０）からの供給電力により作動する補機（２１、２２、２３、３２、３３、４１、４３、４５）とを備え、
前記制御手段（５０）は、前記燃料電池（１０）を前記目標電流値にて発電させた際に、前記燃料電池（１０）の出力電力が前記補機の作動に必要な電力に対して余剰を生じる場合には、余剰電力を前記２次電池に充電し、前記燃料電池（１０）の出力電力が前記補機の作動に必要な電力に対して不足する場合には、不足電力を前記２次電池から前記補機に供給することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の燃料電池システム。A secondary battery (12) connected in parallel with the fuel cell (10);
An auxiliary machine (21, 22, 23, 32, 33, 41, 43, 45) that operates with electric power supplied from the fuel cell (10),
When the fuel cell (10) is generated at the target current value , the control means (50) causes the output power of the fuel cell (10) to be surplus with respect to the power required for the operation of the auxiliary machine. Is generated, the surplus power is charged into the secondary battery, and when the output power of the fuel cell (10) is insufficient with respect to the power required for the operation of the auxiliary machine, the insufficient power is The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein a secondary battery is supplied to the auxiliary machine.

前記燃料電池（１０）の温度を制御する温度制御手段（４０〜４５）を備え、
前記温度制御手段（４０〜４５）は、前記燃料電池（１０）の温度が所定上限温度（Ｔｍａｘ）から所定下限温度（Ｔｍｉｎ）の間となるように温度制御を行うことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の燃料電池システム。Temperature control means (40 to 45) for controlling the temperature of the fuel cell (10),
It said temperature control means (40-45) are claims, characterized in that the temperature of the fuel cell (10) control the temperature to be between a predetermined upper limit temperature (Tmax) of a predetermined minimum temperature (Tmin) 5. The fuel cell system according to any one of 1 to 4.

前記出力電力制御手段はＤＣ／ＤＣコンバータ（１３）であり、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ（１３）にて前記燃料電池（１０）の出力電圧を制御することによって、前記燃料電池（１０）の前記出力電流を制御することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の燃料電池システム。 The output power control means is a DC / DC converter (13), and the output of the fuel cell (10) is controlled by controlling the output voltage of the fuel cell (10) by the DC / DC converter (13). The fuel cell system according to any one of claims 1 to 5, wherein the current is controlled.