JP4839694B2 - Fuel cell system - Google Patents

Fuel cell system Download PDF

Info

Publication number
JP4839694B2
JP4839694B2 JP2005190960A JP2005190960A JP4839694B2 JP 4839694 B2 JP4839694 B2 JP 4839694B2 JP 2005190960 A JP2005190960 A JP 2005190960A JP 2005190960 A JP2005190960 A JP 2005190960A JP 4839694 B2 JP4839694 B2 JP 4839694B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
fuel cell
characteristic
temperature
current value
storage device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2005190960A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2007012402A (en
Inventor
斉 神谷
憲二 加藤
真規 岡田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Equos Research Co Ltd
Original Assignee
Equos Research Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Equos Research Co Ltd filed Critical Equos Research Co Ltd
Priority to JP2005190960A priority Critical patent/JP4839694B2/en
Publication of JP2007012402A publication Critical patent/JP2007012402A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP4839694B2 publication Critical patent/JP4839694B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)

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.

特許文献１、２に従来の燃料電池システムが開示されている。この燃料電池システムは、燃料と空気とを反応させて電力を出力する単セルが複数積層された燃料電池スタックを備えている。各単セルは、固体高分子膜型のもの（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cells）であり、イオン交換樹脂からなる電解質膜を燃料極（アノード極、水素極ともいう。）と空気極（カソード極、酸素極ともいう。）とで挟持したものである。また、各単セルは、燃料極に水素ガス等の燃料を供給するための燃料室と、空気極に酸素を含む空気を供給するための空気室とを有している。   Patent Documents 1 and 2 disclose conventional fuel cell systems. This fuel cell system includes a fuel cell stack in which a plurality of single cells that output electric power by reacting fuel and air are stacked. Each single cell is of a solid polymer membrane type (PEFC: Polymer Electrolyte Fuel Cells), and an electrolyte membrane made of an ion exchange resin is composed of a fuel electrode (also referred to as an anode electrode or a hydrogen electrode) and an air electrode (a cathode electrode, It is also called an oxygen electrode.) Each unit cell has a fuel chamber for supplying fuel such as hydrogen gas to the fuel electrode and an air chamber for supplying air containing oxygen to the air electrode.

また、この種の燃料電池システムは、蓄電装置と負荷装置と制御装置とを備えている。蓄電装置は、燃料電池スタックと並列に接続され、燃料電池スタックから出力された電力を蓄えるものである。負荷装置は、燃料電池スタック及び蓄電装置とそれぞれ接続され、少なくとも一方からの電力により駆動されるものである。制御装置は、燃料電池スタックとの接続を蓄電装置又は負荷装置に切り換えると共に燃料電池スタックの電流値を制御するものである。   In addition, this type of fuel cell system includes a power storage device, a load device, and a control device. The power storage device is connected in parallel with the fuel cell stack and stores electric power output from the fuel cell stack. The load device is connected to each of the fuel cell stack and the power storage device, and is driven by electric power from at least one. The control device switches the connection with the fuel cell stack to the power storage device or the load device and controls the current value of the fuel cell stack.

このような構成である従来の燃料電池システムは、燃料電池スタックの発電時に、水素ガス等の燃料が各単セルの燃料室に供給され、それと同時に各単セルの空気極にも酸素を含む空気が供給される。これにより、各単セルでは、燃料極と空気極との間で燃料と酸素とが反応する。具体的には、燃料極で得られた水素イオンがプロトン（Ｈ 3 Ｏ+）の形態で水分を含んだ電解質膜中を空気極側に移動し、空気極で空気中の酸素と反応し、水を生成する。一方、燃料極で得られた電子は負荷装置を通って空気極側に移動する。こうした一連の電気化学反応の結果、各単セルにおいて、電力が出力される。その結果、単セルが複数積層された燃料電池スタックは、全体として大きな電力を出力することが可能となっている。 In the conventional fuel cell system having such a configuration, when power is generated by the fuel cell stack, fuel such as hydrogen gas is supplied to the fuel chamber of each single cell, and at the same time, air containing oxygen also in the air electrode of each single cell. Is supplied. Thereby, in each single cell, a fuel and oxygen react between a fuel electrode and an air electrode. Specifically, hydrogen ions obtained at the fuel electrode move to the air electrode side in the electrolyte membrane containing water in the form of protons ( H 3 O + ), and react with oxygen in the air at the air electrode, Produce water. On the other hand, the electrons obtained at the fuel electrode move to the air electrode side through the load device. As a result of such a series of electrochemical reactions, electric power is output in each single cell. As a result, the fuel cell stack in which a plurality of single cells are stacked can output large electric power as a whole.

そして、燃料電池システムでは、制御装置が燃料電池スタックから出力された電力を負荷装置に直接供給して負荷装置を駆動する他、制御装置が燃料電池スタックとの接続を蓄電装置に切り換え、燃料電池スタックから出力された電力を蓄電装置に供給して蓄電装置を充電する。また、燃料電池スタックから出力される電力が減少したり、停止したりする場合には、制御装置が負荷装置との接続を蓄電装置に切り換え、蓄電装置から供給される電力によって負荷装置を駆動する。   In the fuel cell system, the control device directly supplies the power output from the fuel cell stack to the load device to drive the load device, and the control device switches the connection with the fuel cell stack to the power storage device. The power output from the stack is supplied to the power storage device to charge the power storage device. When the power output from the fuel cell stack decreases or stops, the control device switches the connection with the load device to the power storage device, and drives the load device with the power supplied from the power storage device. .

この燃料電池システムでは、燃料電池スタックの発電時に良好な発電状態を維持するため、各単セルの電解質膜を適度に湿潤させておく必要がある。なぜなら、電解質膜が乾燥してしまうと、燃料室から電解質膜を介して空気室へプロトンが移動することが阻害されることとなり、その結果、単セルの発電能力が低下するからである。そして、その状態が継続すれば、燃料電池スタックに回復困難な性能低下や故障が生じ得るからである。   In this fuel cell system, it is necessary to appropriately wet the electrolyte membrane of each single cell in order to maintain a good power generation state during power generation of the fuel cell stack. This is because when the electrolyte membrane is dried, protons are inhibited from moving from the fuel chamber to the air chamber via the electrolyte membrane, and as a result, the power generation capability of the single cell is reduced. And if that state continues, it is because the performance degradation and failure which cannot be recovered may occur in the fuel cell stack.

このため、特許文献１の燃料電池システムでは、空気室に供給される空気に液体状の水を噴霧することにより、電解質膜を冷却したり、適度に湿潤させるようにしている。特に、燃料電池スタックの温度が上昇する場合には、温度上昇に対する冷却能力が不足し、電解質膜が乾いてしまうという事態（以下、「ドライアップ」という。）が生じ易いため、この燃料電池システムでは、燃料電池スタックの温度を測定し、所定の温度より燃料電池スタックの温度が高い場合にはドライアップが生じ得ると判定し、供給する空気量と水量とを独立して制御して冷却能力を高くする。これにより、この燃料電池システムでは、電解質膜のドライアップの発生を抑制可能としている。   For this reason, in the fuel cell system of Patent Document 1, the electrolyte membrane is cooled or appropriately wetted by spraying liquid water onto the air supplied to the air chamber. In particular, when the temperature of the fuel cell stack rises, the cooling capacity against the temperature rise is insufficient, and the electrolyte membrane is likely to dry (hereinafter referred to as “dry up”). Then, the temperature of the fuel cell stack is measured, and if the temperature of the fuel cell stack is higher than the predetermined temperature, it is determined that the dry-up can occur, and the cooling capacity is controlled by independently controlling the amount of air and water supplied To increase. Thereby, in this fuel cell system, it is possible to suppress the occurrence of dry-up of the electrolyte membrane.

また、特許文献２の燃料電池システムでは、燃料室に供給される燃料及び空気室に供給される空気の湿度を加湿器を用いて高くすることにより、電解質膜を適度に湿潤させるようにしている。特に、この燃料電池システムでは、燃料電池スタックを積層方向に伸縮自在に固定した上で、燃料電池スタックの伸縮量と温度とを測定することによってドライアップが生じていると判定し、加湿器による加湿を強化して冷却能力を高くする。これにより、この燃料電池システムでも、ドライアップを抑制可能としている。   In the fuel cell system of Patent Document 2, the humidity of the fuel supplied to the fuel chamber and the air supplied to the air chamber is increased by using a humidifier, so that the electrolyte membrane is appropriately moistened. . In particular, in this fuel cell system, it is determined that dry-up has occurred by measuring the amount of expansion and contraction of the fuel cell stack and the temperature after fixing the fuel cell stack in the stacking direction, and using a humidifier Increase humidification to increase cooling capacity. Thereby, also in this fuel cell system, dry-up can be suppressed.

特開２００１−２１０３４８号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2001-210348 特開２００１−３３２２８０号公報JP 2001-332280 A

しかし、上記特許文献１、２の燃料電池システムでは、ドライアップを燃料電池スタック全体の温度や伸縮量に基付いてしか判定していない。このため、他の影響で燃料電池スタック全体の温度や伸縮量が変化してしまうような場合には、ドライアップを正確に判定することができない。その結果、この燃料電池システムでは、ドライアップの抑制並びにそれに起因する性能低下及び耐久性劣化を抑制することが不十分であった。   However, in the fuel cell systems disclosed in Patent Documents 1 and 2, the dry-up is determined only on the basis of the temperature and expansion / contraction amount of the entire fuel cell stack. For this reason, when the temperature and the amount of expansion and contraction of the entire fuel cell stack change due to other influences, it is not possible to accurately determine dry-up. As a result, in this fuel cell system, it has been insufficient to suppress dry-up, and to suppress performance degradation and durability deterioration resulting therefrom.

また、上記特許文献１、２の燃料電池システムでは、ドライアップと判定した場合でも、空気量と水量とを独立して制御したり、燃料及び空気に加湿を行ったりすることしか行っておらず、ドライアップからのより効果的な復旧方法が求められていた。   Further, in the fuel cell systems of Patent Documents 1 and 2, even when it is determined that the dry-up is performed, only the air amount and the water amount are controlled independently or the fuel and the air are humidified. There was a need for a more effective recovery method from dry-up.

本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、ドライアップが生じているかどうかをより正確に判定し、その抑制並びに性能低下及び耐久性劣化を抑制可能であるとともに、ドライアップからのより効果的な復旧が可能な燃料電池システムを提供することを解決すべき課題としている。 The present invention has been made in view of the above-described conventional situation, and more accurately determines whether or not dry-up has occurred, and can suppress the suppression, performance degradation and durability deterioration , and dry-up. The problem to be solved is to provide a fuel cell system capable of more effective recovery from the above .

請求項１に係る燃料電池システムは、燃料と空気とを反応させて電力を出力する燃料電池と、
該燃料電池と並列に接続され、該燃料電池から出力された電力を蓄える蓄電装置と、
該燃料電池及び該蓄電装置とそれぞれ接続され、少なくとも一方からの電力により駆動される負荷装置と、
該燃料電池との接続を該蓄電装置又は該負荷装置に切り換えると共に該燃料電池の電流値を制御する制御装置とを備えた燃料電池システムにおいて、
前記制御装置は、システム停止時からの経過時間を算出する経過時間算出手段と、
該経過時間と予め設定した基準時間とを比較する時間比較手段と、
前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、
該経過時間が該基準時間よりも長い場合、前記燃料電池の反応により生成される生成水が多くなるように電流値を増加させるとともに、該燃料電池の温度が高くなるほど多くの生成水が発生するように電流値を増加させ、該燃料電池の温度が予め設定した基準温度以上の場合、電流値の増加を停止させる電流制御手段とを有することを特徴とする。 A fuel cell system according to claim 1 is a fuel cell that outputs electric power by reacting fuel and air; and
A power storage device connected in parallel with the fuel cell and storing electric power output from the fuel cell;
A load device connected to each of the fuel cell and the power storage device and driven by power from at least one of the fuel cell and the power storage device;
In a fuel cell system comprising a control device for switching the connection with the fuel cell to the power storage device or the load device and controlling the current value of the fuel cell,
The control device includes an elapsed time calculating means for calculating an elapsed time from when the system is stopped,
A time comparison means for comparing the elapsed time with a preset reference time;
Temperature detecting means for detecting the temperature of the fuel cell;
When the elapsed time is longer than the reference time, the current value is increased so that the amount of generated water generated by the reaction of the fuel cell increases, and more generated water is generated as the temperature of the fuel cell increases. And a current control means for stopping the increase of the current value when the current value is increased and the temperature of the fuel cell is equal to or higher than a preset reference temperature .

発明者らの試験結果によれば、燃料電池システムは、長時間使用されずに放置される場合にも、電解質膜は徐々に乾燥して、ドライアップの状態となる。このため、長時間放置した後に燃料電池システムを起動する際、ドライアップを判定できなければ、ドライアップによる性能低下を防止できず、それに伴って、耐久性劣化や故障等が生じるおそれがあった。例えば、車両に搭載されている燃料電池システムは、車両の加速時に瞬時に高負荷が要求されるため、ドライアップ状態で高負荷が要求されれば、燃料電池が故障するおそれがある。   According to the test results of the inventors, even when the fuel cell system is left unused for a long time, the electrolyte membrane is gradually dried to be in a dry-up state. For this reason, when starting up the fuel cell system after leaving it for a long time, if it is not possible to determine the dry-up, it is not possible to prevent the performance deterioration due to the dry-up, and there is a possibility that the durability deterioration or failure may occur accordingly. . For example, since a fuel cell system mounted on a vehicle requires a high load instantaneously when the vehicle is accelerated, if a high load is required in a dry-up state, the fuel cell may fail.

このため、請求項１の燃料電池システムでは、まず、システム停止時からの経過時間を算出し、経過時間と予め設定した基準時間とを比較する。その結果、経過時間が基準時間よりも長い場合には、燃料電池がドライアップの状態であると判断できる。このため、この燃料電池システムでは、燃料電池の反応により生成される生成水が多くなるように電流値を増加させる。   For this reason, in the fuel cell system according to the first aspect, first, an elapsed time from when the system is stopped is calculated, and the elapsed time is compared with a preset reference time. As a result, when the elapsed time is longer than the reference time, it can be determined that the fuel cell is in a dry-up state. For this reason, in this fuel cell system, the current value is increased so that the amount of produced water generated by the reaction of the fuel cell increases.

請求項２に係る燃料電池システムは、燃料と空気とを反応させて電力を出力する燃料電池と、
該燃料電池と並列に接続され、該燃料電池から出力された電力を蓄える蓄電装置と、
該燃料電池及び該蓄電装置とそれぞれ接続され、少なくとも一方からの電力により駆動される負荷装置と、
該燃料電池との接続を該蓄電装置又は該負荷装置に切り換えると共に該燃料電池の電流値を制御する制御装置とを備えた燃料電池システムにおいて、
前記制御装置は、一定時間毎に前記燃料電池の電圧である測定電圧を検出する電圧検出手段と、
一定時間毎に前記燃料電池の電流値を検出する電流値検出手段と、
該測定電圧及び電流値から測定ＩＶ特性を導くＩＶ特性検出手段と、
該測定ＩＶ特性と予め設定した基準ＩＶ特性とを比較するＩＶ特性比較手段と、
前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、
該測定ＩＶ特性と該基準ＩＶ特性との電圧差が予め設定した規定電圧以上の場合、該燃料電池の反応により生成される生成水が多くなるように電流値を増加させるとともに、該燃料電池の温度が高くなるほど多くの生成水が発生するように電流値を増加させ、該燃料電池の温度が予め設定した基準温度以上の場合、電流値の増加を停止させる電流制御手段とを有することを特徴とする。 A fuel cell system according to claim 2 is a fuel cell that reacts fuel and air to output electric power;
A power storage device connected in parallel with the fuel cell and storing electric power output from the fuel cell;
A load device connected to each of the fuel cell and the power storage device and driven by power from at least one of the fuel cell and the power storage device;
In a fuel cell system comprising a control device for switching the connection with the fuel cell to the power storage device or the load device and controlling the current value of the fuel cell,
The control device includes a voltage detection means for detecting a measurement voltage which is a voltage of the fuel cell every predetermined time;
Current value detection means for detecting the current value of the fuel cell at regular intervals;
IV characteristic detection means for deriving a measurement IV characteristic from the measurement voltage and current value;
IV characteristic comparison means for comparing the measured IV characteristic with a preset reference IV characteristic;
Temperature detecting means for detecting the temperature of the fuel cell;
When the voltage difference between the measured IV characteristic and the reference IV characteristic is equal to or higher than a preset specified voltage, the current value is increased so that more water is generated by the reaction of the fuel cell, and the fuel cell Current control means for increasing the current value so that more product water is generated as the temperature increases, and stopping the increase in the current value when the temperature of the fuel cell is equal to or higher than a preset reference temperature. And

発明者らの試験結果によれば、以下の場合にもドライアップが生じたことを判断できる。まず、燃料電池の電圧と電流との相関特性である測定ＩＶ特性を検出し、測定ＩＶ特性と予め設定した基準ＩＶ特性とを比較する。その結果、測定ＩＶ特性と基準ＩＶ特性との電圧差が予め設定した規定電圧以上の場合には、燃料電池がドライアップの状態であると判断できる。このため、この燃料電池システムでは、燃料電池の反応により生成される生成水が多くなるように電流値を増加させる。   According to the test results of the inventors, it can be determined that dry-up has occurred in the following cases. First, a measured IV characteristic that is a correlation characteristic between the voltage and current of the fuel cell is detected, and the measured IV characteristic is compared with a preset reference IV characteristic. As a result, when the voltage difference between the measured IV characteristic and the reference IV characteristic is equal to or higher than a preset specified voltage, it can be determined that the fuel cell is in a dry-up state. For this reason, in this fuel cell system, the current value is increased so that the amount of produced water generated by the reaction of the fuel cell increases.

したがって、請求項１、２に係る燃料電池システムは、ドライアップが生じているかどうかをより正確に判定し、その抑制並びに性能低下及び耐久性劣化を抑制可能である。   Therefore, the fuel cell system according to claims 1 and 2 can more accurately determine whether or not dry-up has occurred, and can suppress the suppression as well as performance degradation and durability degradation.

電流制御手段は、蓄電装置と負荷装置との接続を行い、燃料電池が生成水により湿潤となった後に燃料電池と負荷装置との接続を行うことが好ましい。この場合、蓄電装置の電力を負荷装置によって消費することから、燃料電池が大電流で発電して生成水によって湿潤になりやすい。   The current control means preferably connects the power storage device and the load device, and connects the fuel cell and the load device after the fuel cell is wetted by the generated water. In this case, since the power of the power storage device is consumed by the load device, the fuel cell is likely to generate power with a large current and become wet with the generated water.

また、電流制御手段は、燃料電池の電流値を徐々に増加させることが好ましい。この場合、燃料電池の反応熱の急激な増加を抑制しつつ、燃料電池の反応により生成される生成水を多くすることができる。このため、この燃料電池システムは、燃料電池の温度が上昇して異常温度となる事態を防止することができる。   The current control means preferably gradually increases the current value of the fuel cell. In this case, the generated water generated by the reaction of the fuel cell can be increased while suppressing a rapid increase in the reaction heat of the fuel cell. For this reason, this fuel cell system can prevent the situation where the temperature of the fuel cell rises and becomes an abnormal temperature.

燃料電池の温度を検出する温度検出手段を備えている場合、電流制御手段は、燃料電池の温度が高くなるほど多くの生成水が発生するように電流値を増加させ、燃料電池の温度が予め設定した基準温度以上の場合、電流値の増加を停止させる。この場合、ドライアップを抑制するために必要十分な生成水を生じさせ、過剰な生成水によってフラッディングが生じないようにすることができる。 When temperature detecting means for detecting the temperature of the fuel cell is provided, the current control means increases the current value so that more generated water is generated as the temperature of the fuel cell increases, and the temperature of the fuel cell is preset. If you equal to or higher than the reference temperature, Ru stops the increase of the current value. In this case, the generated water necessary and sufficient for suppressing the dry-up can be generated, and flooding can be prevented from being generated by the excessive generated water.

温度検出装置としては、燃料電池スタックの温度を検出できるものであれば、種々のものを採用できるが、燃料電池スタックの排気温度に基づいて温度を検出するものであることが好ましい。これにより比較的簡易にかつ正確に燃料電池スタックの温度を検出することができるからである。   As the temperature detecting device, various devices can be adopted as long as they can detect the temperature of the fuel cell stack, but it is preferable to detect the temperature based on the exhaust temperature of the fuel cell stack. This is because the temperature of the fuel cell stack can be detected relatively easily and accurately.

発明者らの試験結果によれば、ＩＶ特性比較手段は、電流密度が０．３Ａ／ｃｍ2以上のときの測定ＩＶ特性と基準ＩＶ特性との電圧差を比較するものであることが好ましい。この場合、ドライアップの有無によって電位差が大きいからである。特に、ＩＶ特性比較手段は、電流密度が０．５Ａ／ｃｍ2以上のときの測定ＩＶ特性と基準ＩＶ特性との電圧差を比較するものであることが好ましい。この場合、ドライアップの有無によって電位差が特に大きいからである。 According to the test results of the inventors, the IV characteristic comparison means preferably compares the voltage difference between the measured IV characteristic and the reference IV characteristic when the current density is 0.3 A / cm 2 or more. This is because the potential difference is large depending on the presence or absence of dry-up. In particular, the IV characteristic comparison means preferably compares the voltage difference between the measured IV characteristic and the reference IV characteristic when the current density is 0.5 A / cm 2 or more. In this case, the potential difference is particularly large depending on the presence or absence of dry-up.

以下、本発明を具体化した実施例１を図面を参照しつつ説明する。   A first embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

図１に示す実施例１の燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１と、蓄電装置２と、負荷装置３と、制御装置４とを備えている。   A fuel cell system 100 according to the first embodiment shown in FIG. 1 includes a fuel cell stack 1, a power storage device 2, a load device 3, and a control device 4.

燃料電池スタック１は、図２に示すように、燃料と空気とを反応させて電力を出力する単セル１０が複数積層されたものである。単セル１０は、固体高分子膜型のもの（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cells）であり、イオン交換樹脂からなる電解質膜１１ａを燃料極１１ｂと、空気極１１ｃとで挟持したものである。燃料極１１ｂは、電解質膜１１ａの一面に一体に形成されたカーボンからなり、空気極１１ｃは、電解質膜１１ａの他面に一体に形成されたカーボンからなる。また、各単セル１０は、隣接する他の単セル１０との間にセパレータ１２を有している。各セパレータ１２の燃料極１１ｂ側には燃料室１２ａが形成されており、燃料室１２ａによって燃料ガスである水素ガスが燃料極１１ｂに供給されるようになっている。他方、各セパレータ１２の空気極１１ｃ側には空気室１２ｂが形成されており、空気室１２ｂによって酸素を含む空気が空気極１１ｃに供給されるようになっている。   As shown in FIG. 2, the fuel cell stack 1 is formed by stacking a plurality of single cells 10 that output electric power by reacting fuel and air. The single cell 10 is of a solid polymer membrane type (PEFC: Polymer Electrolyte Fuel Cells), in which an electrolyte membrane 11a made of an ion exchange resin is sandwiched between a fuel electrode 11b and an air electrode 11c. The fuel electrode 11b is made of carbon integrally formed on one surface of the electrolyte membrane 11a, and the air electrode 11c is made of carbon integrally formed on the other surface of the electrolyte membrane 11a. Each unit cell 10 has a separator 12 between other unit cells 10 adjacent thereto. A fuel chamber 12a is formed on the fuel electrode 11b side of each separator 12, and hydrogen gas, which is a fuel gas, is supplied to the fuel electrode 11b by the fuel chamber 12a. On the other hand, an air chamber 12b is formed on the air electrode 11c side of each separator 12, and air containing oxygen is supplied to the air electrode 11c by the air chamber 12b.

そして、この燃料電池スタック１は、図１に示すように、他の構成部品とともに組み付けられて、燃料電池システム１００を構成する。   As shown in FIG. 1, the fuel cell stack 1 is assembled together with other components to constitute a fuel cell system 100.

燃料電池スタック１の燃料室１２ａに設けられた供給口２１ａ及び排出口２１ｂには、次のような各種の構成部品が接続されて、燃料室１２ａ内への水素ガスの供給及び燃料室１２ａからの排気水素ガスの排出を実施することが可能とされている。   The following various components are connected to the supply port 21a and the discharge port 21b provided in the fuel chamber 12a of the fuel cell stack 1 to supply hydrogen gas into the fuel chamber 12a and from the fuel chamber 12a. The exhaust hydrogen gas can be discharged.

供給口２１ａの最も上流側には水素タンク５０があり、水素タンク５０と供給口２１ａとの間には、配管５１が設けられている。配管５１は、水素タンク５０側から、水素元電磁弁６１ａと、水素供給圧レギュレータ６１ｂと、水素供給電磁弁６１ｃとを有している。   There is a hydrogen tank 50 on the most upstream side of the supply port 21a, and a pipe 51 is provided between the hydrogen tank 50 and the supply port 21a. The pipe 51 includes a hydrogen source electromagnetic valve 61a, a hydrogen supply pressure regulator 61b, and a hydrogen supply electromagnetic valve 61c from the hydrogen tank 50 side.

排出口２１ｂから接続点Ｂまでには配管５２が設けられ、接続点Ｂからダクト９１までには、配管５３が設けられている。また、接続点Ｂから配管５１の途中の接続点Ａまでには、配管５４が設けられている。   A pipe 52 is provided from the discharge port 21 b to the connection point B, and a pipe 53 is provided from the connection point B to the duct 91. A pipe 54 is provided from the connection point B to the connection point A in the middle of the pipe 51.

配管５３は、排気水素ガスを排気口２１ｂから排出するための水素排気電磁弁６３を有している。配管５４は、排気水素ガスを供給口２１ａから再供給するための水素循環電磁弁６４を有している。水素タンク５０、配管５１〜５４、水素元電磁弁６１ａ、水素供給圧レギュレータ６１ｂ、水素供給電磁弁６１ｃ、水素排気電磁弁６３及び水素循環電磁弁６４が燃料供給装置である。   The pipe 53 has a hydrogen exhaust solenoid valve 63 for discharging exhaust hydrogen gas from the exhaust port 21b. The pipe 54 has a hydrogen circulation solenoid valve 64 for resupplying the exhaust hydrogen gas from the supply port 21a. The hydrogen tank 50, the pipes 51 to 54, the hydrogen source solenoid valve 61a, the hydrogen supply pressure regulator 61b, the hydrogen supply solenoid valve 61c, the hydrogen exhaust solenoid valve 63, and the hydrogen circulation solenoid valve 64 are fuel supply devices.

また、燃料電池スタック１の上方には、空気を取り入れる空気マニホールド４２が設けられている。この空気マニホールド４２には、フィルタ４１ａを有する空気吸入ファン４１が接続されており、空気室１２ｂ内に空気を供給可能とされている。空気吸入ファン４１及び空気マニホールド４２が空気供給装置である。   An air manifold 42 that takes in air is provided above the fuel cell stack 1. An air intake fan 41 having a filter 41a is connected to the air manifold 42 so that air can be supplied into the air chamber 12b. The air suction fan 41 and the air manifold 42 are air supply devices.

また、空気マニホールド４２には、水噴射ノズル９９が配設されている。この水噴射ノズル９９は、配管９８によりレベルゲージ９７ａが内装された水タンク９７と接続されている。配管９８は、フィルタ９８ａ及び水直噴ポンプ８３を有している。水直噴ポンプ８３、配管９８及び水噴射ノズル９９が燃料電池スタック１に水を供給する冷却装置である。   The air manifold 42 is provided with a water injection nozzle 99. The water injection nozzle 99 is connected to a water tank 97 in which a level gauge 97 a is built by a pipe 98. The pipe 98 includes a filter 98 a and a water direct injection pump 83. The water direct injection pump 83, the pipe 98 and the water injection nozzle 99 are cooling devices that supply water to the fuel cell stack 1.

さらに、燃料電池スタック１の下方には、温度センサ９０ａを有する空気排出経路９０と、凝縮器９２と、凝縮器ファン９３と、排出された空気を空気排出経路９０から凝縮器９２まで導くダクト９１とが設けられて、空気室１２ｂ内から空気を排出可能とされている。凝縮器９２は、空気と水とを分離することが可能であり、分離された空気を大気に排出するための配管９４と、フィルタ９４ａと、温度センサ９４ｂとを有しているとともに、分離された水を水タンク９７に輸送する配管９６と、水回収ポンプ８２とを有している。   Further, below the fuel cell stack 1, an air discharge path 90 having a temperature sensor 90 a, a condenser 92, a condenser fan 93, and a duct 91 that guides the discharged air from the air discharge path 90 to the condenser 92. Are provided so that air can be discharged from the air chamber 12b. The condenser 92 is capable of separating air and water. The condenser 92 includes a pipe 94 for discharging the separated air to the atmosphere, a filter 94a, and a temperature sensor 94b. A pipe 96 for transporting the water to the water tank 97 and a water recovery pump 82 are provided.

燃料電池スタック１、水素元電磁弁６１ａ、水素供給圧レギュレータ６１ｂ、水素供給電磁弁６１ｃ、水素排気電磁弁６３及び水素循環電磁弁６４は、制御装置４と電気的に接続されて制御可能とされている。また、空気吸入ファン４１、レベルゲージ９７ａ、水直噴ポンプ８３、温度センサ９０ａ、凝縮器ファン９３その他の構成部品も、制御装置４と電気的に接続されて制御可能とされている。   The fuel cell stack 1, the hydrogen source solenoid valve 61a, the hydrogen supply pressure regulator 61b, the hydrogen supply solenoid valve 61c, the hydrogen exhaust solenoid valve 63, and the hydrogen circulation solenoid valve 64 are electrically connected to the control device 4 and can be controlled. ing. Further, the air suction fan 41, the level gauge 97a, the water direct injection pump 83, the temperature sensor 90a, the condenser fan 93, and other components are also electrically connected to the control device 4 and can be controlled.

次に、蓄電装置２、負荷装置３及び制御装置４について説明する。   Next, the power storage device 2, the load device 3, and the control device 4 will be described.

蓄電装置２は、図１に示すように、燃料電池スタック１と並列に接続され、燃料電池スタック１から出力された電力を蓄えるものである。蓄電装置２としては、キャパシタや二次電池等の一般的な蓄電手段を採用することができる。   As shown in FIG. 1, the power storage device 2 is connected in parallel with the fuel cell stack 1 and stores electric power output from the fuel cell stack 1. As the power storage device 2, general power storage means such as a capacitor or a secondary battery can be employed.

負荷装置３は、燃料電池スタック１及び蓄電装置２とそれぞれ接続され、少なくとも一方からの電力により駆動されるものである。負荷装置３は、インバータ（図示しない）及び電動モータ（図示しない）を有し、燃料電池システム１００が搭載される自動車を走行させることが可能とされている。   The load device 3 is connected to the fuel cell stack 1 and the power storage device 2, respectively, and is driven by electric power from at least one. The load device 3 includes an inverter (not shown) and an electric motor (not shown), and can drive an automobile on which the fuel cell system 100 is mounted.

制御装置４は、燃料電池スタック１に供給する燃料量及び空気量を制御し、燃料電池スタック１との接続を蓄電装置２又は負荷装置３に切り換えると共に燃料電池スタック１の電流値を制御するものである。   The control device 4 controls the amount of fuel and air supplied to the fuel cell stack 1, switches the connection with the fuel cell stack 1 to the power storage device 2 or the load device 3, and controls the current value of the fuel cell stack 1. It is.

具体的には、空気吸入ファン４１及び水直噴ポンプ８３は制御装置４に接続されている。また、燃料電池スタック１の燃料極１１ｂ側の端子１ａには、制御装置４の一部を構成するリレー４５ａ、４５ｄ、ダイオード４５ｂ及びＩＰＭ（Intelligent Power Module）４５ｃが接続されている。 Specifically, the air suction fan 41 and the water direct injection pump 83 are connected to the control device 4. Further, relays 45 a and 45 d, a diode 45 b and an IPM (Intelligent Power Module) 45 c that constitute a part of the control device 4 are connected to the terminal 1 a on the fuel electrode 11 b side of the fuel cell stack 1.

リレー４５ａ、４５ｄの連携動作によって、燃料電池スタック１との接続を蓄電装置２又は負荷装置３に切り換えたり、燃料電池スタック１と蓄電装置２及び負荷装置３との接続を切り離したりすることが可能とされている。また、ダイオード４５ｂによって、蓄電装置２から燃料電池スタック１への電流を遮断するようになっている。さらに、ＩＰＭ４５ｃによって、燃料電池スタック１と蓄電装置２との電力供給の分担を状況に応じて調整し、燃料電池スタック１の電流値を制御することが可能とされている。   By the cooperative operation of the relays 45a and 45d, the connection with the fuel cell stack 1 can be switched to the power storage device 2 or the load device 3, and the connection between the fuel cell stack 1, the power storage device 2 and the load device 3 can be disconnected. It is said that. Further, the current from the power storage device 2 to the fuel cell stack 1 is interrupted by the diode 45b. Further, the IPM 45c can control the current value of the fuel cell stack 1 by adjusting the sharing of power supply between the fuel cell stack 1 and the power storage device 2 according to the situation.

また、制御装置４は、図３の第１検知処理ルーチンＳ１０１、Ｓ１０２のプログラムに示すように、経過時間算出手段Ｓ１０１及び時間比較手段Ｓ１０２を有する。また、制御装置４は、図４の第２検知処理ルーチンＳ２０１〜Ｓ２０９のプログラムに示すように、電圧検出手段Ｓ２０４、電流値検出手段Ｓ２０５、ＩＶ特性検出手段Ｓ２０６及びＩＶ特性比較手段Ｓ２０７を有する。   Further, the control device 4 includes an elapsed time calculation unit S101 and a time comparison unit S102 as shown in the program of the first detection processing routines S101 and S102 of FIG. Further, the control device 4 includes voltage detection means S204, current value detection means S205, IV characteristic detection means S206, and IV characteristic comparison means S207 as shown in the program of the second detection processing routines S201 to S209 in FIG.

さらに、制御装置４は、図５のドライアップ対策ルーチンＳ３０１〜Ｓ３１０のプログラムに示すように、電流制御手段Ｓ３０２〜Ｓ３０７を有する。   Furthermore, the control device 4 has current control means S302 to S307 as shown in the program of the dry-up countermeasure routines S301 to S310 in FIG.

このような構成である実施例１の燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１の発電時に、図２に示すように、水素ガス等の燃料が各単セル１０の燃料室１２ａに供給され、それと同時に各単セル１０の空気室１２ｂに酸素を含む空気が供給される。これにより、各単セル１０では、燃料極１１ｂと空気極１１ｃとの間で燃料と酸素とが反応する。具体的には、燃料極１１ｂで得られた水素イオンがプロトン（Ｈ 3 Ｏ + ）の形態で水分を含んだ電解質膜１１ａ中を空気極１１ｃ側に移動し、空気極１１ｃで空気中の酸素と反応し、水を生成する。一方、燃料極１１ｂで得られた電子は負荷装置３を通って空気極１１ｃ側に移動する。こうした一連の電気化学反応の結果、各単セル１０において、電力が出力される。その結果、単セル１０が複数積層された燃料電池スタック１は、全体として大きな電力を出力することが可能となっている。 In the fuel cell system 100 of Example 1 having such a configuration, as shown in FIG. 2, fuel such as hydrogen gas is supplied to the fuel chambers 12 a of each single cell 10 during power generation of the fuel cell stack 1. At the same time, air containing oxygen is supplied to the air chamber 12b of each single cell 10. Thereby, in each single cell 10, a fuel and oxygen react between the fuel electrode 11b and the air electrode 11c. Specifically, the hydrogen ions obtained at the fuel electrode 11b move to the air electrode 11c side in the electrolyte membrane 11a containing moisture in the form of protons ( H 3 O + ), and oxygen in the air at the air electrode 11c. Reacts with water to form water. On the other hand, the electrons obtained at the fuel electrode 11b move to the air electrode 11c side through the load device 3. As a result of such a series of electrochemical reactions, electric power is output in each single cell 10. As a result, the fuel cell stack 1 in which a plurality of single cells 10 are stacked can output large electric power as a whole.

この間、図１に示すように、配管５１、５２、５３、５４、水素元電磁弁６１ａ、水素供給レギュレータ６１ｂ、水素供給電磁弁６１ｃ、水素排気電磁弁６３及び水素循環電磁弁６４によって、水素タンク５１から水素ガスが供給口２１ａに供給されたり、排気水素ガスが排出口２１ｂから供給口２１ａに再供給されたりする。また、配管５２、５３と、水素排気電磁弁６３とによって、排気水素ガス及び電気化学反応により生成された生成水が燃料室１２ａの排出口２１ｂから間欠的にダクト９１を経て凝縮器９２に移送されたりして、電気化学反応を連続的に生じさせる。   During this time, as shown in FIG. 1, a hydrogen tank is provided by piping 51, 52, 53, 54, a hydrogen source solenoid valve 61a, a hydrogen supply regulator 61b, a hydrogen supply solenoid valve 61c, a hydrogen exhaust solenoid valve 63, and a hydrogen circulation solenoid valve 64. Hydrogen gas is supplied from 51 to the supply port 21a, or exhaust hydrogen gas is re-supplied from the discharge port 21b to the supply port 21a. Also, the piping 52 and 53 and the hydrogen exhaust electromagnetic valve 63 allow the exhaust hydrogen gas and the water produced by the electrochemical reaction to be intermittently transferred from the discharge port 21b of the fuel chamber 12a to the condenser 92 via the duct 91. Or cause an electrochemical reaction to occur continuously.

また、水タンク９７の水が水直噴ポンプ８３により圧送されて、水噴射ノズル９９から空気マニホールド４２内に噴射される。これにより、空気極１１ｃ及び電解質膜１１ａの乾燥が抑制され、適度な湿潤状態とされるとともに、燃料電池スタック１が冷却される。さらに、燃料電池スタック１の空気室１２ｂから排出された水を含む空気は、空気排出経路９０からダクト９１を経て凝縮器９２に移送される。そして、凝縮器９２により分離された空気は、配管９４から大気に排出され、分離された水は、水回収ポンプ８２により水タンク９７に回収される。なお、ダクト９１を経て凝縮器９２に移送された排気水素ガス及び生成水も、同様にして、水素と水とに分離され、水素は空気とともに大気に排出され、水は水タンク９７に回収される。   Further, the water in the water tank 97 is pumped by the water direct injection pump 83 and injected from the water injection nozzle 99 into the air manifold 42. Thereby, drying of the air electrode 11c and the electrolyte membrane 11a is suppressed, and the fuel cell stack 1 is cooled while being appropriately moistened. Further, air containing water discharged from the air chamber 12 b of the fuel cell stack 1 is transferred from the air discharge path 90 to the condenser 92 via the duct 91. The air separated by the condenser 92 is discharged from the pipe 94 to the atmosphere, and the separated water is collected in the water tank 97 by the water collection pump 82. Similarly, the exhaust hydrogen gas and the generated water transferred to the condenser 92 via the duct 91 are separated into hydrogen and water, the hydrogen is discharged into the atmosphere together with the air, and the water is collected in the water tank 97. The

このように動作する燃料電池システム１００において、制御装置４は、燃料電池スタック１の発電時に、まず、図３に示す第１検知処理ルーチンＳ１０１、Ｓ１０２を実施する。まず、ステップＳ１０１において、最終起動日時が記憶手段から読み出される。そして、ステップＳ１０２において、最終起動日時と現在の起動日時とが比較され、これらの差が３日を越えているか否かが判断される。ステップＳ１０２において、ＮＯであれば、燃料電池スタック１がドライアップ状態にあることはまずあり得ないため、検知処理が終了する。一方、ステップＳ１０２において、ＹＥＳであれば、図４の第２検知処理ルーチンＳ２０１〜Ｓ２０９に進む。そして、制御装置４は、燃料電池スタック１がドライアップであると判定した場合に警告信号を発する。   In the fuel cell system 100 operating as described above, the control device 4 first executes the first detection processing routines S101 and S102 shown in FIG. 3 when the fuel cell stack 1 generates power. First, in step S101, the last activation date and time is read from the storage means. In step S102, the last activation date and time and the current activation date and time are compared, and it is determined whether or not the difference exceeds three days. If NO in step S102, the fuel cell stack 1 is unlikely to be in a dry-up state, so the detection process ends. On the other hand, if YES in step S102, the process proceeds to second detection processing routines S201 to S209 in FIG. The control device 4 issues a warning signal when it is determined that the fuel cell stack 1 is dry-up.

この第２検知処理ルーチンＳ２０１〜Ｓ２０９が実行されると、ステップＳ２０１、Ｓ２０２において、初期設定がなされる。ステップＳ２０１では、検知処理実施回数ｍが０とされる。ステップＳ２０２では、燃料電池スタック１の電圧である測定電圧Ｖｓ（０）が検出され、記憶手段に記憶される。次に、ステップＳ２０３では、燃料電池スタック１の電流値Ｉｓ（０）が検出され、記憶手段に記憶される。   When the second detection processing routines S201 to S209 are executed, initial settings are made in steps S201 and S202. In step S201, the detection processing execution count m is set to zero. In step S202, the measured voltage Vs (0), which is the voltage of the fuel cell stack 1, is detected and stored in the storage means. Next, in step S203, the current value Is (0) of the fuel cell stack 1 is detected and stored in the storage means.

そして、ステップＳ２０４〜Ｓ２０９において、ドライアップの検知処理が繰り返される。ステップＳ２０４では、前回計測から一定時間経過後に測定電圧Ｖｓ（ｍ）が検出され、記憶手段に記憶される。ステップＳ２０５では、前回計測から一定時間経過後に燃料電池スタック１の電流値Ｉｓ（ｍ）が検出され、記憶手段に記憶される。   In steps S204 to S209, the dry-up detection process is repeated. In step S204, the measurement voltage Vs (m) is detected after a lapse of a predetermined time from the previous measurement and stored in the storage means. In step S205, the current value Is (m) of the fuel cell stack 1 is detected and stored in the storage means after a predetermined time has elapsed since the previous measurement.

ステップＳ２０６では、測定電圧Ｖｓ（ｍ）及び電流値Ｉｓ（ｍ）から、ある電流密度ｉｘ（例えば０．５Ａ／ｃｍ2）における測定ＩＶ特性Ｐ（ｍ）を導く。そして、ステップＳ２０７では、測定ＩＶ特性Ｐ（ｍ）と予め設定した基準ＩＶ特性Ｇｓとが比較される。ここで、測定ＩＶ特性Ｐ（ｍ）と基準ＩＶ特性Ｇｓとの電圧差が予め設定した規定電圧以上の場合、ドライアップを生じていると判断され、ステップＳ２０８に進んで警告信号を発する。他方、その電圧差が規定電圧未満の場合、ドライアップを生じていないと判断され、ステップＳ２０９に進んで検知処理実施回数ｍが１つ加算され、Ｓ２０４から再び、検知処理を繰り返すこととなる。 In step S206, a measured IV characteristic P (m) at a certain current density ix (for example, 0.5 A / cm 2 ) is derived from the measured voltage Vs (m) and the current value Is (m). In step S207, the measured IV characteristic P (m) is compared with a preset reference IV characteristic Gs. Here, if the voltage difference between the measured IV characteristic P (m) and the reference IV characteristic Gs is equal to or larger than a preset specified voltage, it is determined that dry-up has occurred, and the process proceeds to step S208 to issue a warning signal. On the other hand, if the voltage difference is less than the specified voltage, it is determined that dry-up has not occurred, the process proceeds to step S209, and the detection process execution count m is incremented by 1, and the detection process is repeated again from S204.

そして、ステップＳ２０８において、警告信号が発生された後、燃料電池システム１００は、所定の回復動作である図５に示すドライアップ対策ルーチンＳ３０１〜Ｓ３１０に移行することとなる。   In step S208, after the warning signal is generated, the fuel cell system 100 proceeds to the dry-up countermeasure routines S301 to S310 shown in FIG. 5, which is a predetermined recovery operation.

制御装置４は、ドライアップ対策ルーチンＳ３０１〜Ｓ３１０に移行した後、下記の通り、燃料電池システム１００の回復動作を実施する。   After shifting to the dry-up countermeasure routines S301 to S310, the control device 4 performs the recovery operation of the fuel cell system 100 as described below.

ステップＳ３０１では、車両に予め出力制限を通知する。次いで、ステップＳ３０２では、ＩＰＭ４５ｃをオフし、燃料電池スタック１を蓄電装置２及び負荷装置３と切り離す。そして、ステップＳ３０３では、蓄電装置２で車両を走行させる。この後、ステップＳ３０４では、蓄電装置２の電圧を検知する。   In step S301, the vehicle is notified in advance of the output restriction. Next, in step S302, the IPM 45c is turned off, and the fuel cell stack 1 is disconnected from the power storage device 2 and the load device 3. In step S303, the power storage device 2 drives the vehicle. Thereafter, in step S304, the voltage of the power storage device 2 is detected.

ステップＳ３０５では、蓄電装置２の電圧が規定電圧未満に下がったか否かを判断する。ここで、ＹＥＳであれば、ステップＳ３０６に進み、ＮＯであれば、ステップＳ３０３に戻って蓄電装置２の電力を負荷装置３によって消費する。   In step S305, it is determined whether or not the voltage of power storage device 2 has dropped below a specified voltage. If YES here, the process proceeds to step S306, and if NO, the process returns to step S303 and the power of the power storage device 2 is consumed by the load device 3.

ステップＳ３０６では、測定電圧Ｖｓ（ｍ）が規定電圧を超えているか否かを判断する。ここで、ＹＥＳであれば、ステップＳ３０７において、ＩＰＭ４５ｃによりＰＷＭ制御を行い、蓄電装置２に流す燃料電池スタック１の電流値を徐々に増加させる。この場合、燃料電池スタック１の反応熱の急激な増加を抑制しつつ、燃料電池スタック１の反応により生成される生成水を多くすることができる。このため、この燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１の温度が上昇して異常温度となる事態を防止することができる。一方、ＮＯであれば、ステップＳ３０８において、ＩＰＭ４５ｃを通常のようにＯＮする。こうして、燃料電池スタック１は蓄電装置２に対して大電流で発電し、生成水が多くなって湿潤し、ドライアップが解消される。   In step S306, it is determined whether or not the measured voltage Vs (m) exceeds a specified voltage. If YES here, in step S307, PWM control is performed by the IPM 45c, and the current value of the fuel cell stack 1 flowing to the power storage device 2 is gradually increased. In this case, the generated water generated by the reaction of the fuel cell stack 1 can be increased while suppressing a rapid increase in the reaction heat of the fuel cell stack 1. For this reason, this fuel cell system 100 can prevent a situation in which the temperature of the fuel cell stack 1 rises to an abnormal temperature. On the other hand, if NO, in step S308, the IPM 45c is turned on as usual. In this way, the fuel cell stack 1 generates electricity with a large current to the power storage device 2, and the generated water increases and gets wet, thereby eliminating dry-up.

そして、ステップＳ３０７、Ｓ３０８の後、ステップＳ３０９において、温度センサ９０ａによって排気温度を検知する。ステップＳ３１０では、排気温度が規定温度（例えば、６０°Ｃ）を超えているか否かを判断する。ここで、排気温度が規定温度未満である場合には、燃料電池スタック１の温度が高くなるほど多くの生成水が発生するように電流値を増加させるため、図４に示すステップＳ２０９に戻り、第２検知処理を実行する。一方、ここで、排気温度が規定温度を超えている場合には、電流値の増加を停止させるため、ドライアップ対策を終了する。こうして、ドライアップを抑制するために必要十分な生成水を生じさせ、過剰な生成水によってフラッディングが生じないようにする。   Then, after steps S307 and S308, the exhaust temperature is detected by the temperature sensor 90a in step S309. In step S310, it is determined whether or not the exhaust temperature exceeds a specified temperature (for example, 60 ° C.). Here, when the exhaust gas temperature is lower than the specified temperature, the current value is increased so that a larger amount of generated water is generated as the temperature of the fuel cell stack 1 becomes higher. Therefore, the process returns to step S209 shown in FIG. 2 The detection process is executed. On the other hand, when the exhaust gas temperature exceeds the specified temperature, the dry-up countermeasure is terminated in order to stop the increase in the current value. Thus, the generated water necessary and sufficient for suppressing the dry-up is generated, and the flooding is not generated by the excessive generated water.

このような手順により、実施例１の燃料電池システム１００は、ドライアップの抑制並びにそれに起因する性能低下及び耐久性劣化を抑制することができる。   By such a procedure, the fuel cell system 100 of the first embodiment can suppress the dry-up and the performance degradation and durability degradation caused by the suppression.

次に、上述した実施例１の燃料電池システム１００を自動車に搭載した状態で、確認試験を実施した。測定結果を図６に示す。図６は、測定電圧Ｖｓ（ｍ）及び電流値Ｉｓ（ｍ）から導いた測定ＩＶ特性Ｐ（ｍ）（Ｐ（ｍ）は、曲線Ｇｃ上の点）と予め設定した基準ＩＶ特性Ｇｓ（Ｇｓは曲線）とを比較するものである。なお、基準ＩＶ特性Ｇｓは、燃料電池スタック１の性能試験によって計測されたデータに基づいて、予め設定される。また、曲線Ｇｃは、燃料電池スタック１がドライアップとなった場合のＩ−Ｖ特性の一例である。図６より、ある電流密度ｉｘにおいては、測定ＩＶ特性Ｐ（ｍ）と基準ＩＶ特性Ｇｓとの電位差が大きく、ドライアップの有無を判断できることがわかる。   Next, a confirmation test was performed in a state where the fuel cell system 100 of Example 1 described above was mounted on an automobile. The measurement results are shown in FIG. FIG. 6 shows a measured IV characteristic P (m) (P (m) is a point on the curve Gc) derived from the measured voltage Vs (m) and the current value Is (m) and a preset reference IV characteristic Gs (Gs Is a curve). The reference IV characteristic Gs is set in advance based on data measured by the performance test of the fuel cell stack 1. Curve Gc is an example of the IV characteristic when the fuel cell stack 1 is dry-up. FIG. 6 shows that at a certain current density ix, the potential difference between the measured IV characteristic P (m) and the reference IV characteristic Gs is large, and it is possible to determine the presence or absence of dry-up.

したがって、実施例１の燃料電池システムは、燃料電池スタック１にドライアップが生じているかどうかをより正確に判定し、その抑制並びに性能低下及び耐久性劣化を抑制可能であるとともに、ドライアップからのより効果的な復旧が可能であることがわかる。 Therefore, the fuel cell system according to the first embodiment can more accurately determine whether or not dry-up has occurred in the fuel cell stack 1, and can suppress the suppression, performance degradation, and durability degradation, and more effective recovery is possible der Rukoto is seen.

以上において、本発明を実施例１に即して説明したが、本発明は上記実施例１に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。   In the above, the present invention has been described with reference to the first embodiment. However, the present invention is not limited to the first embodiment, and it is needless to say that the present invention can be appropriately modified and applied without departing from the spirit of the present invention. .

本発明は燃料電池システムに利用可能である。   The present invention is applicable to a fuel cell system.

実施例１の燃料電池システムに係る模式構成図である。1 is a schematic configuration diagram according to a fuel cell system of Example 1. FIG. 実施例１の燃料電池システムに係る燃料電池スタックの積層体の模式断面図である。1 is a schematic cross-sectional view of a stack of fuel cell stacks according to a fuel cell system of Example 1. FIG. 実施例１の燃料電池システムに係り、燃料電池スタックの第１検知処理ルーチンのフローチャートである。6 is a flowchart of a first detection processing routine of the fuel cell stack according to the fuel cell system of Example 1. 実施例１の燃料電池システムに係り、燃料電池スタックの第２検知処理ルーチンのフローチャートである。6 is a flowchart of a second detection processing routine of the fuel cell stack according to the fuel cell system of the first embodiment. 実施例１の燃料電池システムに係り、燃料電池スタックのドライアップ対策ルーチンのフローチャートである。3 is a flowchart of a fuel cell stack dry-up countermeasure routine according to the fuel cell system of Example 1; 実施例１の燃料電池システムに係り、電流（Ａ）と燃料電池スタックの測定電圧（Ｖ）との関係を示すグラフである。6 is a graph showing the relationship between the current (A) and the measured voltage (V) of the fuel cell stack in the fuel cell system of Example 1.

符号の説明Explanation of symbols

１…燃料電池（燃料電池スタック）
２…蓄電装置
３…負荷装置
４…制御装置
１００…燃料電池システム
Ｓ１０１…経過時間算出手段
Ｓ１０２…時間比較手段
Ｓ３０２〜Ｓ３０８…電流制御手段
Ｓ２０４…電圧検出手段
測定電圧…Ｖｓ（ｍ）
Ｓ２０５…電流値検出手段
Ｓ２０６…ＩＶ特性検出手段
Ｓ２０７…ＩＶ特性比較手段 1. Fuel cell (fuel cell stack)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 2 ... Power storage device 3 ... Load apparatus 4 ... Control apparatus 100 ... Fuel cell system S101 ... Elapsed time calculation means S102 ... Time comparison means S302-S308 ... Current control means S204 ... Voltage detection means Measurement voltage ... Vs (m)
S205 ... Current value detection means S206 ... IV characteristic detection means S207 ... IV characteristic comparison means

Claims (7)

燃料と空気とを反応させて電力を出力する燃料電池と、
該燃料電池と並列に接続され、該燃料電池から出力された電力を蓄える蓄電装置と、
該燃料電池及び該蓄電装置とそれぞれ接続され、少なくとも一方からの電力により駆動される負荷装置と、
該燃料電池との接続を該蓄電装置又は該負荷装置に切り換えると共に該燃料電池の電流値を制御する制御装置とを備えた燃料電池システムにおいて、
前記制御装置は、システム停止時からの経過時間を算出する経過時間算出手段と、
該経過時間と予め設定した基準時間とを比較する時間比較手段と、
前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、
該経過時間が該基準時間よりも長い場合、前記燃料電池の反応により生成される生成水が多くなるように電流値を増加させるとともに、該燃料電池の温度が高くなるほど多くの生成水が発生するように電流値を増加させ、該燃料電池の温度が予め設定した基準温度以上の場合、電流値の増加を停止させる電流制御手段とを有することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell that reacts fuel and air to output power; and
A power storage device connected in parallel with the fuel cell and storing electric power output from the fuel cell;
A load device connected to each of the fuel cell and the power storage device and driven by power from at least one of the fuel cell and the power storage device;
In a fuel cell system comprising a control device for switching the connection with the fuel cell to the power storage device or the load device and controlling the current value of the fuel cell,
The control device includes an elapsed time calculating means for calculating an elapsed time from when the system is stopped,
A time comparison means for comparing the elapsed time with a preset reference time;
Temperature detecting means for detecting the temperature of the fuel cell;
When the elapsed time is longer than the reference time, the current value is increased so that the amount of generated water generated by the reaction of the fuel cell increases, and more generated water is generated as the temperature of the fuel cell increases. And a current control means for stopping the increase of the current value when the temperature of the fuel cell is equal to or higher than a preset reference temperature . 燃料と空気とを反応させて電力を出力する燃料電池と、
該燃料電池と並列に接続され、該燃料電池から出力された電力を蓄える蓄電装置と、
該燃料電池及び該蓄電装置とそれぞれ接続され、少なくとも一方からの電力により駆動される負荷装置と、
該燃料電池との接続を該蓄電装置又は該負荷装置に切り換えると共に該燃料電池の電流値を制御する制御装置とを備えた燃料電池システムにおいて、
前記制御装置は、一定時間毎に前記燃料電池の電圧である測定電圧を検出する電圧検出手段と、
一定時間毎に前記燃料電池の電流値を検出する電流値検出手段と、
該測定電圧及び電流値から測定ＩＶ特性を導くＩＶ特性検出手段と、
該測定ＩＶ特性と予め設定した基準ＩＶ特性とを比較するＩＶ特性比較手段と、
前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、
該測定ＩＶ特性と該基準ＩＶ特性との電圧差が予め設定した規定電圧以上の場合、該燃料電池の反応により生成される生成水が多くなるように電流値を増加させるとともに、該燃料電池の温度が高くなるほど多くの生成水が発生するように電流値を増加させ、該燃料電池の温度が予め設定した基準温度以上の場合、電流値の増加を停止させる電流制御手段とを有することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell that reacts fuel and air to output power; and
A power storage device connected in parallel with the fuel cell and storing electric power output from the fuel cell;
A load device connected to each of the fuel cell and the power storage device and driven by power from at least one of the fuel cell and the power storage device;
In a fuel cell system comprising a control device for switching the connection with the fuel cell to the power storage device or the load device and controlling the current value of the fuel cell,
The control device includes a voltage detection means for detecting a measurement voltage which is a voltage of the fuel cell every predetermined time;
Current value detection means for detecting the current value of the fuel cell at regular intervals;
IV characteristic detection means for deriving a measurement IV characteristic from the measurement voltage and current value;
IV characteristic comparison means for comparing the measured IV characteristic with a preset reference IV characteristic;
Temperature detecting means for detecting the temperature of the fuel cell;
When the voltage difference between the measured IV characteristic and the reference IV characteristic is equal to or higher than a preset specified voltage, the current value is increased so that more water is generated by the reaction of the fuel cell, and the fuel cell Current control means for increasing the current value so that more product water is generated as the temperature increases, and stopping the increase in the current value when the temperature of the fuel cell is equal to or higher than a preset reference temperature. A fuel cell system. 前記電流制御手段は、前記蓄電装置と前記負荷装置との接続を行い、前記燃料電池が生成水により湿潤となった後に該燃料電池と該負荷装置との接続を行う請求項１又は２記載の燃料電池システム。   The current control means connects the power storage device and the load device, and connects the fuel cell and the load device after the fuel cell is wetted by generated water. Fuel cell system. 前記電流制御手段は、前記燃料電池の電流値を徐々に増加させる請求項１乃至３のいずれか１項記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein the current control means gradually increases the current value of the fuel cell. 前記温度検出手段は、前記燃料電池の排気温度に基づいて該燃料電池の温度を検出するものである請求項１乃至４のいずれか１項記載の燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, wherein the temperature detecting means detects the temperature of the fuel cell based on an exhaust temperature of the fuel cell. 前記ＩＶ特性比較手段は、電流密度が０．３Ａ／ｃｍ2以上のときの前記測定ＩＶ特性と前記基準ＩＶ特性との電圧差を比較する請求項２記載の燃料電池システム。 3. The fuel cell system according to claim 2, wherein the IV characteristic comparison unit compares a voltage difference between the measured IV characteristic and the reference IV characteristic when the current density is 0.3 A / cm 2 or more. 前記ＩＶ特性比較手段は、電流密度が０．５Ａ／ｃｍ2以上のときの前記測定ＩＶ特性と前記基準ＩＶ特性との電圧差を比較する請求項２記載の燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 2, wherein the IV characteristic comparison unit compares a voltage difference between the measured IV characteristic and the reference IV characteristic when the current density is 0.5 A / cm 2 or more.
JP2005190960A 2005-06-30 2005-06-30 Fuel cell system Expired - Fee Related JP4839694B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2005190960A JP4839694B2 (en) 2005-06-30 2005-06-30 Fuel cell system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2005190960A JP4839694B2 (en) 2005-06-30 2005-06-30 Fuel cell system

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2007012402A JP2007012402A (en) 2007-01-18
JP4839694B2 true JP4839694B2 (en) 2011-12-21

Family

ID=37750618

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2005190960A Expired - Fee Related JP4839694B2 (en) 2005-06-30 2005-06-30 Fuel cell system

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4839694B2 (en)

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008181768A (en) * 2007-01-25 2008-08-07 Equos Research Co Ltd Fuel cell system
JP5186794B2 (en) * 2007-04-19 2013-04-24 トヨタ自動車株式会社 Fuel cell system and gas pressure adjustment method in fuel cell system
JP2009004165A (en) * 2007-06-20 2009-01-08 Toyota Motor Corp Fuel cell system
GB2453127A (en) * 2007-09-26 2009-04-01 Intelligent Energy Ltd Fuel Cell System
JP5294934B2 (en) * 2009-03-13 2013-09-18 日立コンピュータ機器株式会社 Fuel cell power generation system and maintenance power generation control method thereof
JP5803686B2 (en) * 2012-01-16 2015-11-04 トヨタ自動車株式会社 Fuel cell system and vehicle equipped with the same
JP5924996B2 (en) * 2012-03-15 2016-05-25 大阪瓦斯株式会社 Operation method of polymer electrolyte fuel cell
JP5924997B2 (en) * 2012-03-15 2016-05-25 大阪瓦斯株式会社 Operation method of polymer electrolyte fuel cell
JP6413491B2 (en) * 2014-08-28 2018-10-31 スズキ株式会社 Fuel cell system

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2709873B1 (en) * 1993-09-06 1995-10-20 Imra Europe Sa Fuel cell voltage generator.
JP3681467B2 (en) * 1996-03-29 2005-08-10 株式会社エクォス・リサーチ Fuel cell power generator and method of operating the same
JP2003173805A (en) * 2001-12-05 2003-06-20 Aisin Seiki Co Ltd Fuel cell power generating system
JP3879517B2 (en) * 2002-01-17 2007-02-14 日産自動車株式会社 Fuel cell operating method and polymer electrolyte fuel cell

Also Published As

Publication number Publication date
JP2007012402A (en) 2007-01-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4839694B2 (en) Fuel cell system
JP5083234B2 (en) Fuel cell system
JP5327557B2 (en) Method for determining the state of cell water content in a fuel cell, apparatus thereof, method for controlling the state of cell water content in a fuel cell, apparatus and fuel cell system
US8956775B2 (en) Fuel cell system and method of detecting abnormality of fuel cell system
EP1805839B1 (en) Fuel cell system
JP4839697B2 (en) Fuel cell system
JP5155734B2 (en) Fuel cell system and operation method thereof
JP2006351408A (en) Fuel cell system
US8877396B2 (en) Fuel cell system
KR20160141420A (en) Operation control method of fuel cell system
KR20170001192A (en) Method for controlling operation pressure of fuel cell system
CN111092249B (en) Fuel cell system and control method thereof
JP5304863B2 (en) Fuel cell system
JP4982977B2 (en) Fuel cell system
JP2010086692A (en) Fuel battery system
US8691459B2 (en) Fuel cell system and scavenging method therefor
JP6200009B2 (en) Operation method of fuel cell system
JP4839698B2 (en) Fuel cell system
JP4839695B2 (en) Fuel cell system
US11799098B2 (en) Fuel cell system
US11888193B2 (en) Fuel cell system
US11799108B2 (en) Fuel cell system
JP5485930B2 (en) Control method of fuel cell system
CN113285104A (en) Fuel cell system and control method thereof
JP2008078163A (en) Fuel cell system

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20070329

RD02 Notification of acceptance of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422

Effective date: 20091228

RD04 Notification of resignation of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424

Effective date: 20100130

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20100917

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20101019

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20101220

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20110906

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20110919

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

Ref document number: 4839694

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20141014

Year of fee payment: 3

S531 Written request for registration of change of domicile

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees