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JP5205986B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description

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

近年、運転効率および環境性に優れる電源として燃料電池が注目されている。燃料電池は、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電する。燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応は、触媒を担持した燃料電池セルで行われる。燃料ガスと酸化ガスとが反応すると、水が生成される。燃料電池セルに生成水が付着するとガスの反応に影響を及ぼすため、安定した発電を行うためには生成水の状態を把握し、適切な水管理を行う必要がある。   In recent years, a fuel cell has attracted attention as a power source excellent in operating efficiency and environmental performance. A fuel cell generates power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidizing gas. The electrochemical reaction between the fuel gas and the oxidizing gas is performed in a fuel battery cell that supports a catalyst. When the fuel gas and the oxidizing gas react, water is generated. If the produced water adheres to the fuel battery cell, it affects the gas reaction. Therefore, in order to perform stable power generation, it is necessary to grasp the state of the produced water and perform appropriate water management.

燃料電池の含水量を測定する技術として、陽極と陰極との間のインピーダンスを検出し、マップや特性式から含水量を算定する技術が知られている(例えば、特許文献1〜3を参照)。また、燃料電池のインピーダンスを測定する技術として、反応ガスの流路内に設けたモニターセルの抵抗を検出し、燃料電池本体のインピーダンスを推定する技術(例えば、特許文献4を参照)や、燃料電池の陽極と陰極との間に交流の電気信号を印加し、電圧および電流の変化からインピーダンスを推定する技術(例えば、特許文献5を参照)が知られている。
特開2007−179833号公報 特開2007−157414号公報 特開2007−149572号公報 特開昭62−31957号公報 特表2001−519081号公報
As a technique for measuring the water content of a fuel cell, a technique for detecting the impedance between an anode and a cathode and calculating the water content from a map or a characteristic equation is known (see, for example, Patent Documents 1 to 3). . In addition, as a technique for measuring the impedance of the fuel cell, a technique for detecting the resistance of a monitor cell provided in the reaction gas flow path and estimating the impedance of the fuel cell main body (see, for example, Patent Document 4), A technique is known in which an alternating electrical signal is applied between an anode and a cathode of a battery and impedance is estimated from changes in voltage and current (see, for example, Patent Document 5).
JP 2007-179833 A JP 2007-157414 A JP 2007-149572 A Japanese Unexamined Patent Publication No. 62-31957 JP-T-2001-519081

燃料電池セルを積層した燃料電池スタックは、セル間に隙間が生ずるのを防ぐため、両端のセルが挟持されるように構成される。ところで、積層された燃料電池セルは、含水量や温度の変化によって積層方向に伸縮する。よって、例えば、このような積層方向の伸縮を拘束する定寸締結構造を採用して挟持部材の簡素化を図る場合、燃料電池スタックの小型化が図れる反面、含水量や温度の変化によって各セルに加わる挟持力が大きく変化しやすい。セルの積層体に加わる力が変化すると、構造部材間に作用する力が変化するため、スタック全体の導電率が変化する。燃料電池スタックの電気的な特性が安定しない場合、水管理に必要な含水量をセルの電気的特性から算定することが著しく困難になる。本発明は、係る問題に鑑みてなされたものであり、燃料電池の含水量の推定精度を向上可能な燃料電池システムを提供することを課題とする。   A fuel cell stack in which fuel cells are stacked is configured such that cells at both ends are sandwiched in order to prevent a gap from being formed between the cells. By the way, the stacked fuel cells expand and contract in the stacking direction due to changes in water content and temperature. Therefore, for example, when a fixed fastening structure that restrains expansion and contraction in the stacking direction is adopted to simplify the holding member, the fuel cell stack can be reduced in size, but each cell can be changed depending on changes in water content and temperature. The clamping force applied to the lens is likely to change greatly. When the force applied to the cell stack changes, the force acting between the structural members changes, so the conductivity of the entire stack changes. If the electrical characteristics of the fuel cell stack are not stable, it becomes extremely difficult to calculate the water content necessary for water management from the electrical characteristics of the cell. This invention is made | formed in view of the problem which concerns, and makes it a subject to provide the fuel cell system which can improve the estimation precision of the moisture content of a fuel cell.

本発明は、上記課題を解決するため、燃料電池セルに加わる力に応じて変化する燃料電池スタックの導電率の変化量を加味して含水量を推定することにした。   In order to solve the above-described problems, the present invention has been made to estimate the water content in consideration of the amount of change in the conductivity of the fuel cell stack that changes in accordance with the force applied to the fuel cell.

詳細には、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応で発電する燃料電池システムであって、膜電極接合体を有する燃料電池セルを複数重ねた積層部と、該積層部の積層方向における両端を挟持する挟持部と、を有する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックのインピーダンスを検知する第一の検知手段と、前記インピーダンスを変化させる前記燃料電池スタックの導電率の変化量であって、前記挟持部が前記積層部に加える挟持力の変化に起因する該燃料電池スタックの導電率変化量を検知する第二の検知手段と、前記第一の検知
手段が検知した前記インピーダンスと前記第二の検知手段が検知した前記導電率変化量とに基づいて含水量を推定する推定手段と、を備える。
Specifically, the fuel cell system generates power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidizing gas, and includes a stacked portion in which a plurality of fuel cell units each having a membrane electrode assembly are stacked, and both ends of the stacked portion in the stacking direction. A fuel cell stack having a clamping part; a first detection means for detecting an impedance of the fuel cell stack; and a change amount of conductivity of the fuel cell stack for changing the impedance, wherein the clamping A second detecting means for detecting a change in conductivity of the fuel cell stack due to a change in clamping force applied to the stacked part by the part, the impedance detected by the first detecting means, and the second detection Estimation means for estimating the water content based on the conductivity change amount detected by the means.

本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスとを電気化学反応させて発電する膜電極接合体を有する燃料電池セルを複数重ねた燃料電池スタックを用いることを前提としている。また、この燃料電池スタックは、燃料電池セルの積層体を積層方向における両端を挟持することで燃料電池セル同士を締結したものであることを前提とする。   The fuel cell system according to the present invention is premised on the use of a fuel cell stack in which a plurality of fuel cell cells each having a membrane electrode assembly that generates electricity by causing an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidizing gas. In addition, this fuel cell stack is premised on the fact that the fuel cells are fastened together by sandwiching both ends of the fuel cell stack in the stacking direction.

燃料電池セルといった導電性部材を組み合わせることで構成される燃料電池スタックは、含水量変化以外の要因で変動する構成部材の導電率の成分を有する。ここで、燃料電池セルが積層方向における両端が挟持されることで締結されている場合、燃料電池スタックの導電率は、部材同士の締結力の変化に応じてその値が変化し得る。特に、セルに加わる締結力を略一定に保つ手段の無い燃料電池スタックのような場合、セルの温度変化や含水量の変化に起因する積層体の体格変動により、締結力の変化が特に著しい。なお、本願において含水量とは、膜電極接合体の電解質膜に含まれる水の物理量(絶対量)を示すものであってもよいし、電解質膜に含まれる水の量が燃料電池スタックの発電に支障を与えるか否かを示すものであってもよい。   A fuel cell stack configured by combining conductive members such as fuel cells has a component component conductivity that varies due to factors other than a change in water content. Here, when the fuel cell is fastened by being clamped at both ends in the stacking direction, the value of the conductivity of the fuel cell stack can be changed according to the change in the fastening force between the members. In particular, in the case of a fuel cell stack that does not have a means for keeping the fastening force applied to the cells substantially constant, the change in fastening force is particularly significant due to the body size variation of the laminate due to the change in cell temperature and the change in water content. In this application, the water content may indicate the physical amount (absolute amount) of water contained in the electrolyte membrane of the membrane electrode assembly, or the amount of water contained in the electrolyte membrane may be the power generation of the fuel cell stack. It may indicate whether or not the problem is caused.

燃料電池スタックのインピーダンスを計測することでスタック内の含水量を検知する場合、スタックのインピーダンスは上記導電率の変化に起因して大きく変動するため、第一の検知手段が検知する燃料電池スタックのインピーダンスには、スタック内の水量の変化に起因する変化量の他、導電率の変化に起因する変化量も混在した状態になる。ここで、挟持力の変化に起因するスタックの導電率の変化は単純な直流抵抗成分であるため、インピーダンス計測によっても導電率の変化と含水量変化に伴う電解質膜抵抗等の変化とを区別することが困難である。そこで、本発明に係る燃料電池システムは、第一の検知手段が検知するインピーダンスの変化量から導電率の変化に起因する成分を特定するため、挟持力の変化に起因する燃料電池スタックの導電率変化量を検知する第二の検知手段を備える。挟持力の変化に起因する導電率変化量を特定することにより、このような変動成分を加味した含水量の推定が可能になる。よって、燃料電池スタックの推定含水量の精度を高めることが可能になる。なお、本願において燃料電池スタックのインピーダンスとは、燃料電池スタックの電気的な内部抵抗を示すパラメータであり、例えば、膜電極接合体に含まれる含水量の変動に応じて変化するパラメータである。また、挟持力の変化に起因する燃料電池スタックの導電率変化量とは、積層体に加えられる挟持力の変化によって生ずる燃料電池スタックの電気的な内部抵抗の変化量を示すパラメータであり、且つ膜電極接合体に含まれる含水量が変動してもその影響を受けないように検知される燃料電池スタックの電気的な内部抵抗の変化量のパラメータである。   When the moisture content in the stack is detected by measuring the impedance of the fuel cell stack, the impedance of the stack largely fluctuates due to the change in conductivity, so the first detection means detects the fuel cell stack. In addition to the amount of change caused by the change in the amount of water in the stack, the impedance also includes a change amount caused by the change in conductivity. Here, since the change in the conductivity of the stack due to the change in the clamping force is a simple DC resistance component, the change in the conductivity and the change in the electrolyte membrane resistance due to the change in the water content are also distinguished by impedance measurement. Is difficult. Therefore, in the fuel cell system according to the present invention, the conductivity of the fuel cell stack caused by the change in the clamping force is specified in order to identify the component caused by the change in the conductivity from the amount of change in the impedance detected by the first detection means. Second detection means for detecting the amount of change is provided. By specifying the amount of change in conductivity caused by the change in the clamping force, it is possible to estimate the water content in consideration of such a fluctuation component. Therefore, it is possible to improve the accuracy of the estimated water content of the fuel cell stack. In addition, in this application, the impedance of a fuel cell stack is a parameter which shows the electrical internal resistance of a fuel cell stack, for example, is a parameter which changes according to the fluctuation | variation of the moisture content contained in a membrane electrode assembly. In addition, the change in the conductivity of the fuel cell stack due to the change in the clamping force is a parameter indicating the change in the electrical internal resistance of the fuel cell stack caused by the change in the clamping force applied to the stack, and This is a parameter of the amount of change in the electrical internal resistance of the fuel cell stack that is detected so as not to be affected even if the moisture content contained in the membrane electrode assembly varies.

また、前記推定手段は、前記第一の検知手段が検知した前記インピーダンスを前記第二の検知手段が検知した前記導電率変化量で補正し、補正した該インピーダンスに基づいて前記含水量を推定するようにしてもよい。これにより、挟持力の変化に起因する変動成分が除去された燃料電池スタックの推定含水量を取得することが可能になる。   Further, the estimating means corrects the impedance detected by the first detecting means with the change in conductivity detected by the second detecting means, and estimates the water content based on the corrected impedance. You may do it. As a result, it is possible to obtain the estimated water content of the fuel cell stack from which the fluctuation component due to the change in the clamping force has been removed.

また、前記積層部は、前記電気化学反応を起こさない模擬燃料電池セルを有し、前記第二の検知手段は、前記模擬燃料電池セルの導電率の変化量を検知することにより、前記挟持部が前記積層部に加える挟持力の変化に起因する前記燃料電池スタックの前記導電率変化量を検知するようにしてもよい。   In addition, the stacked unit includes a simulated fuel cell that does not cause the electrochemical reaction, and the second detection unit detects the amount of change in conductivity of the simulated fuel cell, thereby May detect the amount of change in the conductivity of the fuel cell stack due to a change in clamping force applied to the stacked portion.

燃料電池スタックのインピーダンスから導電率の変化に起因する変動成分を除去してやるためには、含水量の変化に起因する変動成分が除かれたパラメータを知得し、除算処理してやればよい。そこで、水が含まれず、挟持力の変化に起因する導電率の変化のみを取
得可能な模擬燃料電池セルを配置し、この導電率の変化を計測する。これにより、挟持力の変化に起因する変動因子の量を特定し、第一の検知手段が検知したインピーダンスからこの量を除くことが可能になる。
In order to remove the fluctuation component due to the change in conductivity from the impedance of the fuel cell stack, it is only necessary to know the parameter from which the fluctuation component due to the change in water content has been removed and perform division processing. Therefore, a simulated fuel cell that does not contain water and can acquire only a change in conductivity due to a change in clamping force is arranged, and the change in conductivity is measured. As a result, it is possible to specify the amount of the variation factor resulting from the change in the clamping force and remove this amount from the impedance detected by the first detection means.

また、前記燃料電池スタックの温度変化量を検知する第三の検知手段を更に備え、前記推定手段は、前記第三の検知手段が検知した前記温度変化量に基づいて前記第二の検知手段が検知した前記導電率変化量を補正し、補正した該導電率変化量に基づいて前記第一の検知手段が検知した前記インピーダンスを補正し、補正した該インピーダンスに基づいて前記含水量を推定するようにしてもよい。   The fuel cell stack further includes third detection means for detecting a temperature change amount of the fuel cell stack, and the estimation means includes the second detection means based on the temperature change amount detected by the third detection means. The detected change in conductivity is corrected, the impedance detected by the first detection means is corrected based on the corrected change in conductivity, and the moisture content is estimated based on the corrected impedance. It may be.

燃料電池スタックの導電率は、温度変化に伴うスタック構成部材の電気的特性の変化によっても変動し得る。ここで、第二の検知手段が検知する導電率変化量がこのような温度変化を加味していない場合、生成水量の推定結果に誤差を与えうる。そこで、燃料電池スタックの温度変化量を検知して第二の検知手段の検知結果を補正してやることにより、含水量の推定結果の精度を高めることが可能になる。   The conductivity of the fuel cell stack can also vary due to changes in the electrical properties of the stack components as the temperature changes. Here, if the conductivity change amount detected by the second detection means does not take into account such a temperature change, an error may be given to the estimation result of the generated water amount. Thus, by detecting the temperature change amount of the fuel cell stack and correcting the detection result of the second detection means, it is possible to improve the accuracy of the moisture content estimation result.

また、前記第二の検知手段が検知する前記導電率変化量は、前記積層部を構成する複数の導電性部材間の接触抵抗の変化に起因する物理量であってもよい。挟持部が積層部に加える挟持力の変化に起因するスタックの導電率変化量の因子として、スタックを構成する導電性部材間に生ずる導電率の変化が挙げられる。接触抵抗は構成部材の表面の粗さ等に起因するため、挟持力の変化によって部材間の密着度合いが大きく変化し、抵抗値が大きく変動するためである。そこで、第二の検知手段が検知する物理量として、このような接触抵抗に着目し、接触抵抗の変化を検知する。これにより、第一の検知手段が検知するインピーダンスに含まれる、含水量変化以外の変動因子を取り除き、含水量の推定結果の精度を高めることが可能になる。   The conductivity change amount detected by the second detection unit may be a physical amount resulting from a change in contact resistance between a plurality of conductive members constituting the stacked portion. As a factor of the amount of change in the conductivity of the stack due to the change in the holding force applied to the stacked portion by the holding portion, there is a change in the conductivity that occurs between the conductive members constituting the stack. This is because the contact resistance is caused by the roughness of the surface of the constituent member, etc., and the degree of adhesion between the members greatly changes due to the change in the clamping force, and the resistance value largely fluctuates. Therefore, paying attention to such a contact resistance as a physical quantity detected by the second detection means, a change in the contact resistance is detected. As a result, it is possible to remove fluctuation factors other than the change in the water content included in the impedance detected by the first detection means, and to increase the accuracy of the estimation result of the water content.

また、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応で発電する燃料電池システムであって、膜電極接合体を有する燃料電池セルを複数重ねた積層部と、該積層部の積層方向における両端を挟持する挟持部と、を有する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックのインピーダンスを検知する第一の検知手段と、前記インピーダンスを変化させる前記燃料電池スタックの導電率の変化量であって、前記挟持部が前記積層部に加える挟持力の変化に起因する該燃料電池スタックの導電率変化量を検知する第二の検知手段と、を備え、前記第一の検知手段が検知した前記インピーダンスと前記第二の検知手段が検知した前記導電率変化量とに基づいて膜の含水量を調整する制御を行うものであってもよい。すなわち、膜電極接合体の含水量の状態を特定することなく膜の含水量を調整する。   Also, a fuel cell system that generates electric power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas, wherein a stacked portion in which a plurality of fuel battery cells each having a membrane electrode assembly are stacked, and both ends in the stacking direction of the stacked portion are sandwiched A fuel cell stack having a sandwiching portion; first detection means for sensing an impedance of the fuel cell stack; and a change amount of the conductivity of the fuel cell stack that changes the impedance. And a second detection means for detecting a change in conductivity of the fuel cell stack caused by a change in clamping force applied to the stacked portion, and the impedance detected by the first detection means and the second Control for adjusting the water content of the film may be performed based on the conductivity change amount detected by the detection means. That is, the water content of the membrane is adjusted without specifying the state of the water content of the membrane electrode assembly.

ここで、含水量の調整とは、膜電極接合体の含水量を増減させる制御であり、例えば、燃料電池スタックへ供給するガスの加湿量の調整、燃料電池スタックを冷却する冷媒の温度や流量の調整等、膜電極接合体の含水量を変化させ得るあらゆる制御を含むものである。また、インピーダンスと導電率変化量とに基づく含水量の調整とは、インピーダンスと導電率変化量のパラメータの変化に応じて含水量を調整することであり、例えば、インピーダンスや導電率変化量が既定の所定値を超えた場合に含水量を増加させる処理を行ったり、インピーダンスや導電率変化量の変化に比例するように含水量の増減処理を行うことである。なお、ここで、所定値とは、含水量の調整を行うか否かを決定する際のインピーダンス及び導電率変化量の閾値であり、例えば、燃料電池スタックが発電を行う上で許容される値や電解質膜のドライアップ等を防ぐ観点で予め実験等から定められる値である。   Here, the adjustment of the moisture content is a control to increase or decrease the moisture content of the membrane electrode assembly. All the controls that can change the water content of the membrane electrode assembly, such as adjustment of the above, are included. The adjustment of the moisture content based on the impedance and the change in conductivity is to adjust the moisture content according to the change in the parameters of the impedance and the conductivity change. When the predetermined value is exceeded, the water content is increased, or the water content is increased or decreased in proportion to the change in impedance or conductivity. Here, the predetermined value is a threshold value for impedance and conductivity change when determining whether or not to adjust the water content, for example, a value allowed for the fuel cell stack to generate power. And a value determined in advance from experiments or the like from the viewpoint of preventing dry-up of the electrolyte membrane.

なお、本発明は、上記何れかの機能を実行する方法の発明であってもよい。また、上記何れかの機能を燃料電池システムの制御手段に実行させるコンピュータプログラム、或いはこのようなプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体であってもよい
The present invention may be an invention of a method for executing any one of the above functions. Further, the present invention may be a computer program that causes the control means of the fuel cell system to execute any of the above functions, or a computer-readable recording medium that records such a program.

本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池の含水量の推定精度を向上させることが可能になる。   According to the fuel cell system of the present invention, it is possible to improve the estimation accuracy of the water content of the fuel cell.

本発明に係る燃料電池システム1の一実施形態について、図面に基づいて詳細に説明する。本実施形態に係る燃料電池システム1は、車両の駆動源である駆動モータに対して電力を供給することを前提とするが、船舶やロボット等の移動体や地上に設置されたものに対しても適用が可能である。   An embodiment of a fuel cell system 1 according to the present invention will be described in detail based on the drawings. The fuel cell system 1 according to this embodiment is based on the premise that power is supplied to a drive motor that is a drive source of a vehicle, but for a moving object such as a ship or a robot or a thing installed on the ground. Is also applicable.

<構成>
図1は、本実施形態に係る燃料電池システム1の概略構成を示す図である。図1に示すように、燃料電池システム1は、含水量検出装置2、及び燃料電池スタック3を備える。なお、図1は、燃料電池スタック3を電気等価回路図で示している。
<Configuration>
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system 1 according to the present embodiment. As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 includes a water content detection device 2 and a fuel cell stack 3. FIG. 1 shows the fuel cell stack 3 in an electrical equivalent circuit diagram.

含水量検出装置2は、インピーダンス計測装置4(本発明でいう、第一の検知部に相当する)、接触抵抗計測装置5(本発明でいう、第二の検知部に相当する)、及び含水量推定装置6(本発明でいう、推定部に相当する)を備える。   The water content detection device 2 includes an impedance measurement device 4 (corresponding to a first detection unit in the present invention), a contact resistance measurement device 5 (corresponding to a second detection unit in the present invention), and A water amount estimation device 6 (corresponding to an estimation unit in the present invention) is provided.

インピーダンス計測装置4は、燃料電池スタック3の含水量を計測する目的で設けられており、燃料電池スタック3のインピーダンスを計測することで含水量を検知する。インピーダンス計測装置4は、燃料電池スタック3の発電電力を出力する出力端子の陽極と陰極との間に交流の電気を印加する交流負荷装置7、電位差を計測する電圧計8、及び電流値を計測する電流計9にそれぞれ接続されている。インピーダンス計測装置4は、燃料電池スタック3のインピーダンスを計測する際、交流負荷装置7を制御して燃料電池スタック3のインピーダンスを計測するために必要な交流電気を生成し、生成した交流電気を燃料電池スタック3に印加すると共に、電圧計8および電流計9で燃料電池スタック3の電圧および電流を計測する。そして、インピーダンス計測装置4は、燃料電池スタック3に交流電気を印加した際の燃料電池スタック3の電圧および電流の関係から、燃料電池スタック3のインピーダンスを特定する。   The impedance measuring device 4 is provided for the purpose of measuring the water content of the fuel cell stack 3 and detects the water content by measuring the impedance of the fuel cell stack 3. The impedance measuring device 4 measures an AC load device 7 that applies AC electricity between an anode and a cathode of an output terminal that outputs generated power of the fuel cell stack 3, a voltmeter 8 that measures a potential difference, and a current value. Are connected to the ammeters 9 respectively. When measuring the impedance of the fuel cell stack 3, the impedance measuring device 4 controls the AC load device 7 to generate AC electricity necessary for measuring the impedance of the fuel cell stack 3, and the generated AC electricity is used as fuel. While being applied to the battery stack 3, the voltage and current of the fuel cell stack 3 are measured by the voltmeter 8 and the ammeter 9. Then, the impedance measuring device 4 specifies the impedance of the fuel cell stack 3 from the relationship between the voltage and current of the fuel cell stack 3 when AC electricity is applied to the fuel cell stack 3.

接触抵抗計測装置5は、燃料電池スタック3の模擬燃料電池セルに計測電流を通電して得られる接触抵抗検出モジュール12の抵抗値(接触抵抗)を計測する。すなわち、接触抵抗計測装置5は、模擬燃料電池セルの抵抗値を計測し、計測した値に所定の係数を乗算することで燃料電池スタック3を構成する燃料電池セル全体の接触抵抗を推定する。係数の乗算処理は、具体的には、模擬燃料電池セルの抵抗値を、燃料電池セル10の枚数を模擬燃料電池セルの枚数で除した値で乗算する。また、模擬燃料電池セルの抵抗値を、模擬燃料電池セルの面積を燃料電池セル10の面積で除した値で乗算する。計測した模擬燃料電池セルの抵抗値をこのように演算処理することにより、燃料電池スタック3内部の接触抵抗(すなわち、スタックを構成する燃料電池セル同士の接触抵抗の総計)を取得することが可能になる。   The contact resistance measuring device 5 measures the resistance value (contact resistance) of the contact resistance detection module 12 obtained by supplying a measurement current to the simulated fuel cell of the fuel cell stack 3. That is, the contact resistance measuring device 5 measures the resistance value of the simulated fuel cell, and estimates the contact resistance of the entire fuel cell constituting the fuel cell stack 3 by multiplying the measured value by a predetermined coefficient. Specifically, the coefficient multiplication process multiplies the resistance value of the simulated fuel cell by a value obtained by dividing the number of fuel cells 10 by the number of simulated fuel cells. Further, the resistance value of the simulated fuel cell is multiplied by a value obtained by dividing the area of the simulated fuel cell by the area of the fuel cell 10. By calculating the resistance value of the measured simulated fuel cell in this way, it is possible to obtain the contact resistance inside the fuel cell stack 3 (that is, the total contact resistance between the fuel cells constituting the stack). become.

含水量推定装置6は、インピーダンス計測装置4や接触抵抗計測装置5から得られるパラメータに基づいて燃料電池スタック3の含水量を推定する。含水量推定装置6は、含水量の推定結果を図示しない制御手段に通知する。通知される含水量の推定結果は、燃料電池システム1を構成する各機器の制御パラメータとして活用される。   The water content estimation device 6 estimates the water content of the fuel cell stack 3 based on parameters obtained from the impedance measurement device 4 and the contact resistance measurement device 5. The moisture content estimation device 6 notifies the control means (not shown) of the moisture content estimation result. The notified moisture content estimation result is utilized as a control parameter for each device constituting the fuel cell system 1.

図2は、燃料電池スタック3の構成図である。燃料電池スタック3は、燃料電池自動車
等の移動媒体に適する高分子電解質形燃料電池(PEFC)であり、複数の燃料電池セル10を積層した積層体11と、積層体11の積層方向における両端を挟持するためのスタック締結ケース13を備える。なお、燃料電池スタック3は、積層体11とスタック締結ケース13との間を電気的に絶縁する絶縁スペーサ14を備えている。
FIG. 2 is a configuration diagram of the fuel cell stack 3. The fuel cell stack 3 is a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) suitable for a moving medium such as a fuel cell automobile, and includes a stacked body 11 in which a plurality of fuel battery cells 10 are stacked, and both ends of the stacked body 11 in the stacking direction. A stack fastening case 13 for clamping is provided. The fuel cell stack 3 includes an insulating spacer 14 that electrically insulates between the stacked body 11 and the stack fastening case 13.

燃料電池セル10は、高分子電解質膜をアノード触媒電極とカソード触媒電極とで挟持するように接合した膜電極接合体(MEA)を備える。また、燃料電池セル10は、膜電極接合体を挟持するように配置される導電性のガス拡散層膜やセパレータを備える。高分子電解質膜は、ポリフルオロカーボンなどの固体の高分子を主鎖とし、電荷を運ぶためにスルホン基やカルボン酸基などの側鎖を付けたイオン交換能を有する導電性の物質で構成される。また、触媒電極は、白金(Pt)を担持したカーボンブラック等で構成される。膜電極接合体は、ガス拡散層に燃料ガスおよび酸化ガスが通気されることで電気化学反応を起こし、両電極間に電位差を発生させる。   The fuel cell 10 includes a membrane electrode assembly (MEA) in which a polymer electrolyte membrane is joined so as to be sandwiched between an anode catalyst electrode and a cathode catalyst electrode. Further, the fuel cell 10 includes a conductive gas diffusion layer film and a separator that are arranged so as to sandwich the membrane electrode assembly. The polymer electrolyte membrane is composed of a conductive material having ion exchange ability with a solid polymer such as polyfluorocarbon as a main chain and a side chain such as a sulfone group or a carboxylic acid group attached to carry a charge. . The catalyst electrode is made of carbon black or the like carrying platinum (Pt). The membrane electrode assembly causes an electrochemical reaction when fuel gas and oxidizing gas are passed through the gas diffusion layer, and generates a potential difference between the electrodes.

なお、燃料電池スタック3は、燃料ガスである水素と酸化ガスである酸素の供給を受けて発電する燃料電池セル10の他、燃料電池スタック3の導電率を計測するための接触抵抗検出モジュール12(本発明でいう、模擬燃料電池セルに相当する)を備えている。接触抵抗検出モジュール12は、燃料電池セル10と同様の部材で構成されているが、燃料ガスおよび酸化ガスが供給されないように構成されており、燃料電池セル10が発電中でも電気化学反応を起こさないように構成されている。この接触抵抗検出モジュール12は、発電を行う燃料電池セル10の積層体11に隣接して配置されており、スタック締結ケース13と積層体11との間に挟まれるように配置されている。接触抵抗検出モジュール12は、スタック締結ケース13と燃料電池セル10との間に絶縁スペーサ14が配置され、電気的に絶縁されている。   The fuel cell stack 3 has a contact resistance detection module 12 for measuring the conductivity of the fuel cell stack 3 in addition to the fuel cell 10 that generates power by receiving supply of hydrogen as a fuel gas and oxygen as an oxidizing gas. (Corresponding to the simulated fuel cell in the present invention). The contact resistance detection module 12 is composed of the same members as the fuel cell 10, but is configured not to be supplied with fuel gas and oxidant gas, and does not cause an electrochemical reaction even when the fuel cell 10 is generating power. It is configured as follows. The contact resistance detection module 12 is disposed adjacent to the stacked body 11 of the fuel cells 10 that generate power, and is disposed so as to be sandwiched between the stack fastening case 13 and the stacked body 11. In the contact resistance detection module 12, an insulating spacer 14 is disposed between the stack fastening case 13 and the fuel cell 10 and is electrically insulated.

ここで、燃料電池セル10を積層した積層体の積層方向における両端を一定荷重で押圧している場合、燃料電池スタック3を構成する触媒電極、電解質膜、ガス拡散層膜、及びセパレータ間に発生する接触抵抗はほぼ一定である。しかし、このような導電性部材間に作用する接触抵抗は、各導電性部材の表面の粗さ等に起因して発生するものであるため、相互間に作用する接触力が変化すると、その抵抗値も変化する。特に、本実施形態に係る燃料電池スタック3のように、燃料電池セルの積層体の両端とスタック締結ケース13との間にスプリング等のような、構成部材間の変位を吸収する部材が配設されていない場合、燃料電池セル10が発電を行うことにより生ずる熱や水の生成による積層体の膨張収縮により、スタック締結ケース13から燃料電池セル10に加わる締結力が大きく変化する。締結力の変化によって燃料電池スタック3を構成する導電性部材間の接触抵抗が大きく変動する場合、燃料電池スタック3のインピーダンスが大きく変化する。インピーダンスは、抵抗成分(レジスタンス)と誘導成分(リアクタンス)と容量成分(キャパシタンス)の3要素によって決定される値であるため、燃料電池スタック3を構成する部材の接触抵抗が変化すると、インピーダンス計測装置4によって計測される燃料電池スタック3のインピーダンスが大きく変動する。よって、燃料電池スタック3の含水量を計測する目的で設けられているインピーダンス計測装置4の計測値に、燃料電池スタック3の接触抵抗の変化に起因するインピーダンス変化が混ざると、含水量の変化によるインピーダンス変化と接触抵抗の変化によるインピーダンス変化は、互いに直流成分の変化量であるため、これらを区別することができない。接触抵抗計測装置5は、インピーダンス変化のうち、このような接触抵抗の変化量を分離するために設けられている。   Here, when both ends in the stacking direction of the stacked body in which the fuel cells 10 are stacked are pressed with a constant load, the fuel cell stack 3 is generated between the catalyst electrode, the electrolyte membrane, the gas diffusion layer film, and the separator constituting the fuel cell stack 3. The contact resistance is almost constant. However, the contact resistance acting between the conductive members is generated due to the roughness of the surface of each conductive member. Therefore, when the contact force acting between the conductive members changes, the resistance The value also changes. In particular, like the fuel cell stack 3 according to the present embodiment, a member that absorbs the displacement between the constituent members, such as a spring, is disposed between both ends of the stack of fuel cells and the stack fastening case 13. Otherwise, the fastening force applied from the stack fastening case 13 to the fuel battery cell 10 varies greatly due to the expansion and contraction of the laminate due to the heat and water generated by the fuel battery cell 10 generating power. When the contact resistance between the conductive members constituting the fuel cell stack 3 varies greatly due to the change in the fastening force, the impedance of the fuel cell stack 3 varies greatly. Since the impedance is a value determined by three elements of a resistance component (resistance), an inductive component (reactance), and a capacitance component (capacitance), when the contact resistance of the members constituting the fuel cell stack 3 changes, the impedance measuring device The impedance of the fuel cell stack 3 measured by 4 varies greatly. Therefore, when the impedance change caused by the change in the contact resistance of the fuel cell stack 3 is mixed with the measured value of the impedance measuring device 4 provided for the purpose of measuring the water content of the fuel cell stack 3, the change in the moisture content is caused. The impedance change caused by the impedance change and the contact resistance change is a change amount of the direct current component and cannot be distinguished from each other. The contact resistance measuring device 5 is provided to separate such a change amount of the contact resistance among the impedance changes.

<含水量の推定>
次に、燃料電池スタック3のインピーダンスと含水量との相関関係を特定する。すなわち、燃料電池スタック3に燃料ガスおよび酸化ガスを供給して発電を行わせ、電気化学反応に伴う生成水等を発生させる。燃料電池スタック3内に生成された水の水量は、発電電
力量、供給ガスの加湿量、あるいはスタックの重量等により計測する。燃料ガスおよび酸化ガスの供給量を調整して燃料電池スタック3内の生成水量を変化させ、生成水量とインピーダンスとの関係を調べる。燃料電池スタック3のインピーダンスは、インピーダンス計測装置4によって計測されるパラメータであり、交流負荷装置7で燃料電池スタック3に高い周波数の交流電力(電圧印加による反応抵抗成分を分離するため、例えば、数百Hz以上とする)を印加した際の燃料電池スタック3の電圧と電流の関係から特定される。図3は、燃料電池スタック3の含水量を変化させて特定した含水量とインピーダンスとの関係を示すマップである。図3に示すように、含水量が多い場合は燃料電池スタック3を構成する導電性部材を電子が通過しやすくなるため抵抗成分(レジスタンス)が減少し、インピーダンスが減少する。他方、含水量が少ない場合は燃料電池スタック3を構成する導電性部材を電子が通過しにくくなるため抵抗成分が増大し、インピーダンスが増加する。なお、このときの燃料電池スタック3の構成部材間の接触抵抗を標準状態とする。
<Estimation of water content>
Next, the correlation between the impedance of the fuel cell stack 3 and the water content is specified. That is, fuel gas and oxidant gas are supplied to the fuel cell stack 3 to generate power, and generated water or the like accompanying an electrochemical reaction is generated. The amount of water generated in the fuel cell stack 3 is measured by the amount of generated power, the humidification amount of the supply gas, the weight of the stack, or the like. The amount of generated water in the fuel cell stack 3 is changed by adjusting the supply amounts of the fuel gas and the oxidizing gas, and the relationship between the generated water amount and the impedance is examined. The impedance of the fuel cell stack 3 is a parameter measured by the impedance measuring device 4, and the alternating current load device 7 supplies high frequency AC power to the fuel cell stack 3 (in order to separate reaction resistance components due to voltage application, for example, several It is specified from the relationship between the voltage and current of the fuel cell stack 3 when a voltage of 100 Hz or more is applied. FIG. 3 is a map showing the relationship between the water content specified by changing the water content of the fuel cell stack 3 and the impedance. As shown in FIG. 3, when the water content is high, electrons easily pass through the conductive member constituting the fuel cell stack 3, so that the resistance component (resistance) is reduced and the impedance is reduced. On the other hand, when the water content is small, electrons are difficult to pass through the conductive members constituting the fuel cell stack 3, so that the resistance component increases and the impedance increases. The contact resistance between the constituent members of the fuel cell stack 3 at this time is set to the standard state.

次に、接触抵抗に応じて推定含水量を補正する処理の内容について説明する。図4は、接触抵抗の実測値に応じてインピーダンスを補正する場合の、含水量とインピーダンスとの関係を示すマップである。接触抵抗検出モジュール12を用いて接触抵抗計測装置5で計測される燃料電池スタック3の接触抵抗が、上述の標準状態における接触抵抗よりも低い場合、インピーダンス計測装置4で計測された燃料電池スタック3の計測値は接触抵抗が低下した分だけ低い値が計測される。よって、この計測値を基に図3のマップから含水量を推定すると、推定含水量が実際の含水量よりも多くなってしまう。そこで、図4に示すように、接触抵抗計測装置5で計測される燃料電池スタック3の接触抵抗が上述の標準状態における接触抵抗よりも低い場合、インピーダンス計測装置4で計測された燃料電池スタック3の計測値からこの分の接触抵抗を上乗せして補正する。これにより、推定含水量と実際の含水量との差を小さくすることができる。   Next, the content of the process of correcting the estimated water content according to the contact resistance will be described. FIG. 4 is a map showing the relationship between the water content and the impedance when the impedance is corrected according to the actual measurement value of the contact resistance. When the contact resistance of the fuel cell stack 3 measured by the contact resistance measurement device 5 using the contact resistance detection module 12 is lower than the contact resistance in the standard state described above, the fuel cell stack 3 measured by the impedance measurement device 4 The measured value of is lower by the amount corresponding to the decrease in contact resistance. Therefore, if the water content is estimated from the map of FIG. 3 based on this measured value, the estimated water content will be larger than the actual water content. Therefore, as shown in FIG. 4, when the contact resistance of the fuel cell stack 3 measured by the contact resistance measuring device 5 is lower than the contact resistance in the standard state described above, the fuel cell stack 3 measured by the impedance measuring device 4. The contact resistance is added from the measured value and corrected. Thereby, the difference between the estimated water content and the actual water content can be reduced.

図5は、生成水を含んだ状態の燃料電池スタック3の構成図である。燃料電池セル10に水が生成されると積層体11が膨張するため、図5に示すように積層体の積層方向における両端がスタック締結ケースで挟持されるように固定されていると、燃料電池セル10に加わる挟持力が変化する。このため、燃料電池セル10を構成する触媒電極やセパレータ、ガス拡散層膜や電解質膜といった導電性部材間の接触抵抗が変化する。図6は、補正前後のインピーダンスおよび含水量の相関関係を示すグラフである。インピーダンス及び含水量の相関関係は、接触抵抗の変化を補正しない場合には破線で示すようなグラフになる。また、補正した場合には実線で示すようなグラフになる。図6に示すように、含水量が少ない場合、換言すると、燃料電池セル10に加わる挟持力が小さい場合、接触抵抗は標準状態に近いため、補正量が小さくなる。一方、含水量が多い場合、換言すると、燃料電池セル10に加わる挟持力が大きい場合、接触抵抗は標準状態よりも遥かに小さくなるため、補正量が大きくなる。   FIG. 5 is a configuration diagram of the fuel cell stack 3 in a state containing generated water. When water is generated in the fuel cell 10, the laminate 11 expands. Therefore, when both ends of the laminate in the stacking direction are fixed so as to be sandwiched between stack fastening cases as shown in FIG. The clamping force applied to the cell 10 changes. For this reason, the contact resistance between conductive members such as catalyst electrodes and separators, gas diffusion layer films, and electrolyte films constituting the fuel cell 10 changes. FIG. 6 is a graph showing the correlation between the impedance before and after correction and the water content. The correlation between the impedance and the water content becomes a graph as shown by a broken line when the change in the contact resistance is not corrected. Moreover, when it correct | amends, it becomes a graph as shown with a continuous line. As shown in FIG. 6, when the water content is small, in other words, when the clamping force applied to the fuel cell 10 is small, the contact resistance is close to the standard state, so the correction amount is small. On the other hand, when the water content is high, in other words, when the holding force applied to the fuel cell 10 is large, the contact resistance is much smaller than that in the standard state, and thus the correction amount is large.

<効果>
燃料電池スタックの小型化等を図る目的で採用される定寸締結構造の燃料電池スタックを採用した燃料電池システムにおいて、燃料電池セルに加わる外力の変化等に起因する燃料電池スタックのインピーダンスの変化を取り除き、生成水の推定精度を高めることが可能になる。そして、推定精度が高められたパラメータを用いて燃料電池システムを構成する図示しない各機器類を制御することにより、膜電極接合体の含水量を調整する制御を適切に行うことが可能になる。例えば、含水量が少ないと推定されれば含水量を増加させるため、冷却装置を制御して燃料電池スタックの冷却温度を下げたり、加湿器における加湿量を増やしたりすることにより、電解質膜のドライアップ等を防ぐ。なお、膜電極接合体の含水量調整は、推定される含水量が所定の閾値を満たすか否かで実行するようにしてもよいし、推定される含水量の変動に比例してシステムの制御パラメータを無段階に調整してもよい。
<Effect>
In a fuel cell system that employs a fuel cell stack with a fixed-size fastening structure that is used to reduce the size of the fuel cell stack, the change in the impedance of the fuel cell stack due to a change in external force applied to the fuel cell, etc. It becomes possible to remove and improve the estimation accuracy of generated water. And it becomes possible to control appropriately which adjusts the moisture content of a membrane electrode assembly by controlling each device which does not constitute a fuel cell system using a parameter whose estimation accuracy was improved. For example, if the water content is estimated to be low, the water content is increased. Therefore, the cooling device is controlled to lower the cooling temperature of the fuel cell stack, or the humidification amount in the humidifier is increased. Prevent ups. It should be noted that the water content adjustment of the membrane electrode assembly may be executed based on whether or not the estimated water content satisfies a predetermined threshold, or the control of the system in proportion to the fluctuation of the estimated water content. The parameter may be adjusted steplessly.

<変形例1>
以下、上記実施形態の変形例について説明する。上述した実施形態では、燃料電池セル10に加わる挟持力の変化に起因する接触抵抗の変化を接触抵抗検出モジュール12で検知し、インピーダンスの補正を行っていた。ところで、導電性部材間に発生する接触抵抗は、接触面の表面の粗さ等に起因する抵抗であるため、温度変化によって材料の硬度等が変化し、材料間に発生する接触抵抗が変化する。ここで、上記実施形態の接触抵抗検出モジュール12は、電気化学反応を生じないことは上述した通りである。よって、電気化学反応を生じない接触抵抗検出モジュール12は、実際に電気化学反応を起こしている燃料電池セル10に比べ、反応熱が生じない分だけ温度が低くなる。換言すると、接触抵抗検出モジュール12が検知する接触抵抗の変化量は、燃料電池セル10の接触抵抗の変化量に比べて温度変化に起因する物理量が加味されていないと言える。そこで、本変形例は、温度変化に起因する接触抵抗の変化量も加味したインピーダンス補正を行うことで推定値の精度を高める。
<Modification 1>
Hereinafter, modifications of the embodiment will be described. In the embodiment described above, the contact resistance detection module 12 detects a change in contact resistance caused by a change in the clamping force applied to the fuel battery cell 10 and corrects the impedance. By the way, the contact resistance generated between the conductive members is a resistance due to the roughness of the surface of the contact surface, etc., so the hardness of the material changes due to temperature change, and the contact resistance generated between the materials changes. . Here, as described above, the contact resistance detection module 12 of the above embodiment does not cause an electrochemical reaction. Therefore, the temperature of the contact resistance detection module 12 that does not cause an electrochemical reaction is lower by an amount that does not generate reaction heat than the fuel cell 10 that is actually causing an electrochemical reaction. In other words, it can be said that the amount of change in contact resistance detected by the contact resistance detection module 12 does not take into account a physical quantity resulting from a temperature change compared to the amount of change in contact resistance of the fuel cell 10. Therefore, in the present modification, the accuracy of the estimated value is improved by performing impedance correction that also takes into account the amount of change in contact resistance caused by a temperature change.

具体的には、燃料電池セル10に温度センサを設ける。図7は、本変形例に係る燃料電池スタック3’の構成図である。図7に示すように、本変形例に係る燃料電池スタック3’は、燃料電池セル10に温度検出モジュール15が配設されている。この温度検出モジュール15は、温度変化に対する電気抵抗の変化が大きい、いわゆるサーミスタであり、燃料電池セル10の温度変化を検知する。なお、説明の便宜上、上述した実施形態と同様の構成要素については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。   Specifically, a temperature sensor is provided in the fuel battery cell 10. FIG. 7 is a configuration diagram of a fuel cell stack 3 ′ according to this modification. As shown in FIG. 7, in the fuel cell stack 3 ′ according to this modification, the temperature detection module 15 is disposed in the fuel cell 10. The temperature detection module 15 is a so-called thermistor having a large change in electrical resistance with respect to a temperature change, and detects a temperature change in the fuel cell 10. For convenience of explanation, the same reference numerals are given to the same components as those in the above-described embodiment, and detailed description thereof is omitted.

図8は、本変形例に係る燃料電池システム1’の概略構成を示す図である。図8に示すように、燃料電池システム1’は、上述の実施形態と同様、含水量検出装置2’、及び燃料電池スタック3’を備える。燃料電池スタック3’については、温度検出モジュール15が配設されている点を除き、上述した実施形態に係る燃料電池スタック3と同じであるため、その説明を省略する。   FIG. 8 is a diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system 1 ′ according to this modification. As shown in FIG. 8, the fuel cell system 1 ′ includes a water content detection device 2 ′ and a fuel cell stack 3 ′, as in the above embodiment. Since the fuel cell stack 3 ′ is the same as the fuel cell stack 3 according to the above-described embodiment except that the temperature detection module 15 is disposed, the description thereof is omitted.

本変形例に係る含水量検出装置2’と上述した実施形態に係る含水量検出装置2とは、インピーダンスの補正に用いる接触抵抗の検知回路に差異点がある。すなわち、上述した実施形態では、計測した模擬燃料電池セル10の接触抵抗のみをインピーダンスの補正パラメータに用いていたが、本変形例では、燃料電池セル10の温度もインピーダンスの補正パラメータに用いる。具体的には、含水量検出装置2’は、接触抵抗計測装置5に代わり、温度計測装置16、締結圧計測装置17、及び接触抵抗マップ部18を備える。   The moisture content detection device 2 ′ according to the present modified example and the moisture content detection device 2 according to the above-described embodiment are different in the contact resistance detection circuit used for impedance correction. That is, in the above-described embodiment, only the measured contact resistance of the simulated fuel cell 10 is used as the impedance correction parameter. In this modification, the temperature of the fuel cell 10 is also used as the impedance correction parameter. Specifically, the water content detection device 2 ′ includes a temperature measurement device 16, a fastening pressure measurement device 17, and a contact resistance map unit 18 instead of the contact resistance measurement device 5.

締結圧計測装置17は、接触抵抗検出モジュール12に計測電流を通電して得られる接触抵抗検出モジュール12の抵抗値を締結圧の値として計測する。そして、計測値を接触抵抗マップ部18に通知する。また、温度計測装置16は、温度検出モジュール15の抵抗値の変化を計測して得られる燃料電池セル10の温度を計測する。そして、計測値を接触抵抗マップ部18に通知する。接触抵抗マップ部18は、締結圧計測装置17から通知される締結力と温度計測装置16から通知される温度に基づいて燃料電池スタック3の接触抵抗を計測する。図9は、接触抵抗マップ部18が保持している締結圧と接触抵抗との関係を示すマップである。図9が示すように、接触抵抗マップ部18は、締結圧と接触抵抗との対応関係を示すマップを温度別に保持しており、締結圧計測装置17及び温度計測装置16から通知される締結圧および温度のパラメータから、燃料電池スタック3の接触抵抗を取得する。なお、図9のマップの縦軸は、単位面積あたりの接触抵抗を示しているが、上述した実施形態に係る接触抵抗計測装置5と同様、セルの面積や積層枚数に応じて適宜係数を乗算する。含水量推定装置6には、上述した実施形態の場合と異なり、接触抵抗マップ部18によって取得された燃料電池スタック3の接触抵抗でインピーダンスを補正した値を基に、燃料電池スタック3の含水量を推定する。   The fastening pressure measuring device 17 measures the resistance value of the contact resistance detection module 12 obtained by applying a measurement current to the contact resistance detection module 12 as a fastening pressure value. Then, the measured value is notified to the contact resistance map unit 18. Further, the temperature measuring device 16 measures the temperature of the fuel cell 10 obtained by measuring the change in the resistance value of the temperature detection module 15. Then, the measured value is notified to the contact resistance map unit 18. The contact resistance map unit 18 measures the contact resistance of the fuel cell stack 3 based on the fastening force notified from the fastening pressure measuring device 17 and the temperature notified from the temperature measuring device 16. FIG. 9 is a map showing the relationship between the fastening pressure held by the contact resistance map unit 18 and the contact resistance. As shown in FIG. 9, the contact resistance map unit 18 holds a map indicating the correspondence between the fastening pressure and the contact resistance for each temperature, and the fastening pressure notified from the fastening pressure measuring device 17 and the temperature measuring device 16. Then, the contact resistance of the fuel cell stack 3 is obtained from the temperature parameter. The vertical axis of the map in FIG. 9 indicates the contact resistance per unit area, but as with the contact resistance measuring device 5 according to the above-described embodiment, a coefficient is appropriately multiplied according to the cell area and the number of stacked layers. To do. Unlike the case of the above-described embodiment, the water content estimation device 6 includes the water content of the fuel cell stack 3 based on the value obtained by correcting the impedance with the contact resistance of the fuel cell stack 3 acquired by the contact resistance map unit 18. Is estimated.

図10は、生成水を含んだ状態の燃料電池スタック3’の構成図である。燃料電池セル10’に水が生成されると燃料電池セル10’の積層体が膨張し、セルに加わる挟持力が変化する。また、燃料電池セル10’で起こる電気化学反応によって燃料電池セル10’の温度が上昇する。これにより、燃料電池スタック3’を構成する導電性部材間の接触抵抗が変化する。図11は、含水量推定装置6が保持している含水量と抵抗値との関係を示すマップである。含水量推定装置6は、接触抵抗マップ部18から通知される接触抵抗と図11に示すマップとに基づいて燃料電池スタック3の含水量を推定する。これにより、燃料電池セルに加わる外力の変化及びセルの温度変化等に起因する燃料電池スタックのインピーダンスの変化を取り除き、生成水の推定精度を高めることが可能になる。   FIG. 10 is a configuration diagram of the fuel cell stack 3 ′ including generated water. When water is generated in the fuel cell 10 ′, the stacked body of the fuel cell 10 ′ expands, and the clamping force applied to the cell changes. In addition, the temperature of the fuel cell 10 'rises due to an electrochemical reaction that occurs in the fuel cell 10'. Thereby, the contact resistance between the conductive members constituting the fuel cell stack 3 ′ changes. FIG. 11 is a map showing the relationship between the water content held by the water content estimation device 6 and the resistance value. The water content estimation device 6 estimates the water content of the fuel cell stack 3 based on the contact resistance notified from the contact resistance map unit 18 and the map shown in FIG. As a result, it is possible to remove the change in the impedance of the fuel cell stack due to the change in the external force applied to the fuel cell, the temperature change of the cell, etc., and to increase the estimation accuracy of the generated water.

<変形例2>
また、上記実施形態や変形例では、インピーダンス計測装置4が計測したインピーダンスを、接触抵抗計測装置5が計測したパラメータに基づいて補正し、補正されたインピーダンスに基づいて含水量を推定していた。しかし、上記実施形態や変形例は、補正されていないインピーダンスと接触抵抗とに基づいて膜電極接合体の含水量の状態を推定するようにしてもよい。すなわち、インピーダンス計測装置4と接触抵抗計測装置5とを含水量推定装置6にそれぞれ直接接続する。また、含水量推定装置6は、図12に示すようなインピーダンスと抵抗値との関係から含水量の状態を特定するマップを予め記憶、あるいは記憶媒体から参照可能なようにしておく。そして、含水量推定装置6は、インピーダンス計測装置4及び抵抗計測装置5から通知されるパラメータを基に、膜電極接合体の含水量の状態を推定する。
<Modification 2>
Moreover, in the said embodiment and modification, the impedance measured by the impedance measuring device 4 was correct | amended based on the parameter which the contact resistance measuring device 5 measured, and the moisture content was estimated based on the corrected impedance. However, the embodiment and the modification may estimate the water content of the membrane electrode assembly based on the uncorrected impedance and contact resistance. That is, the impedance measuring device 4 and the contact resistance measuring device 5 are directly connected to the water content estimating device 6 respectively. Further, the water content estimation device 6 stores in advance a map that specifies the state of the water content from the relationship between the impedance and the resistance value as shown in FIG. The moisture content estimation device 6 estimates the moisture content state of the membrane electrode assembly based on the parameters notified from the impedance measurement device 4 and the resistance measurement device 5.

なお、図12に示すマップは、次に示すような考え方に基づいて含水量の状態が定義されている。すなわち、インピーダンス計測装置4から通知されるインピーダンスが大きくなる場合、通常はこれに比例して含水量が少なくなっていると推定し得るが、抵抗計測装置5から通知される接触抵抗も大きくなっている場合、実際の含水量の低下量は小さい。そこで、図12に示すマップは、インピーダンスが大きいほど含水量が少ないと判断しつつ、接触抵抗が大きいほど含水量が多いと判断するように定義している。   In the map shown in FIG. 12, the water content state is defined based on the following concept. That is, when the impedance notified from the impedance measuring device 4 increases, it can be estimated that the water content is usually reduced in proportion to this, but the contact resistance notified from the resistance measuring device 5 also increases. If so, the actual decrease in water content is small. Therefore, the map shown in FIG. 12 is defined so that it is determined that the greater the impedance, the smaller the moisture content, while the greater the contact resistance, the greater the moisture content.

本変形例によれば、インピーダンスの補正処理を行うことなく膜電極接合体の含水量の状態を推定することが可能になる。なお、図12に示すマップは、インピーダンスと接触抵抗との関係から含水量の状態が特定されるように定義されているが、本発明はこれに限定されるものでなく、例えば、図12のマップが定義する条件を数式化したもので含水量の状態判定を行うようにしてもよい。   According to this modification, it is possible to estimate the water content state of the membrane electrode assembly without performing an impedance correction process. In addition, although the map shown in FIG. 12 is defined so that the state of water content is specified from the relationship between impedance and contact resistance, the present invention is not limited to this, and for example, FIG. You may make it perform the water content state determination by formulating the conditions defined by the map.

燃料電池システムの概略構成図。The schematic block diagram of a fuel cell system. 燃料電池スタックの構成図。The block diagram of a fuel cell stack. 含水量とインピーダンスとの関係を示すマップ。A map showing the relationship between water content and impedance. 含水量とインピーダンスとの関係を示すマップ。A map showing the relationship between water content and impedance. 燃料電池スタックの構成図。The block diagram of a fuel cell stack. インピーダンスおよび含水量の相関関係を示すグラフ。The graph which shows the correlation of an impedance and moisture content. 変形例に係る燃料電池スタックの構成図。The block diagram of the fuel cell stack which concerns on a modification. 変形例に係る燃料電池システムの概略構成図。The schematic block diagram of the fuel cell system which concerns on a modification. 締結圧と接触抵抗との関係を示すマップ。The map which shows the relationship between fastening pressure and contact resistance. 燃料電池スタックの構成図。The block diagram of a fuel cell stack. 含水量と抵抗値との関係を示すマップ。A map showing the relationship between water content and resistance value. インピーダンスと抵抗値との関係から含水量の状態を特定するマップ。A map that identifies the moisture content from the relationship between impedance and resistance.

符号の説明Explanation of symbols

1・・・燃料電池システム
2・・・含水量検出装置
3・・・燃料電池スタック
4・・・インピーダンス計測装置
5・・・接触抵抗計測装置
6・・・含水量推定装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell system 2 ... Water content detection apparatus 3 ... Fuel cell stack 4 ... Impedance measurement device 5 ... Contact resistance measurement device 6 ... Water content estimation apparatus

Claims (6)

燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応で発電する燃料電池システムであって、
膜電極接合体を有する燃料電池セルを複数重ねた積層部と、該積層部の積層方向における両端を挟持する挟持部と、を有する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックのインピーダンスを検知する第一の検知手段と、
前記インピーダンスを変化させる前記燃料電池スタックの導電率であって、前記挟持部が前記積層部に加える挟持力に起因する該燃料電池スタックの導電率を検知する第二の検知手段と、
前記第一の検知手段が検知した前記インピーダンスと前記第二の検知手段が検知した前記導電率とに基づいて含水量を推定する推定手段と、を備える、
燃料電池システム。
A fuel cell system that generates electricity by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidizing gas,
A fuel cell stack having a stacked portion in which a plurality of fuel cells each having a membrane electrode assembly are stacked, and a sandwiching portion that sandwiches both ends of the stacked portion in the stacking direction;
First detection means for detecting the impedance of the fuel cell stack;
A conductivity of the fuel cell stack for changing the impedance, a second detecting means for detecting the conductivity of the fuel cell stack the clamping portion due to the clamping force applied to the laminated portion,
And a estimation unit that estimates the water content on the basis of said conductivity, wherein the said impedance first detection unit detects the second detection unit detects,
Fuel cell system.
前記推定手段は、前記第一の検知手段が検知した前記インピーダンスを前記第二の検知手段が検知した前記導電率で補正し、補正した該インピーダンスに基づいて前記含水量を推定する、
請求項1に記載の燃料電池システム。
Said estimating means, said the impedance first detection unit detects the second detection means is corrected by the conductivity detected to estimate the water content based on the corrected said impedance,
The fuel cell system according to claim 1.
前記積層部は、前記電気化学反応を起こさない模擬燃料電池セルを有し、
前記第二の検知手段は、前記模擬燃料電池セルの導電率を検知することにより、前記挟持部が前記積層部に加える挟持力に起因する前記燃料電池スタックの前記導電率を検知する、
請求項1または2に記載の燃料電池システム。
The stacked portion has a simulated fuel cell that does not cause the electrochemical reaction,
It said second detection means, by detecting the conductivity of the simulated fuel cell, for detecting the conductivity of said fuel cell stack the clamping portion due to the clamping force applied to the laminated portion,
The fuel cell system according to claim 1 or 2.
前記燃料電池スタックの温度変化量を検知する第三の検知手段を更に備え、
前記推定手段は、前記第三の検知手段が検知した前記温度変化量に基づいて前記第二の検知手段が検知した前記導電率を補正し、補正した該導電率に基づいて前記第一の検知手段が検知した前記インピーダンスを補正し、補正した該インピーダンスに基づいて前記含水量を推定する、
請求項1から3の何れか一項に記載の燃料電池システム。
Further comprising third detection means for detecting a temperature change amount of the fuel cell stack,
Said estimating means, said third of said second detecting means corrects the conductivity detected on the basis of the temperature change amount is detected sensing means, said first detection based on the corrected conductive rate Correcting the impedance detected by the means, and estimating the water content based on the corrected impedance;
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3.
前記第二の検知手段が検知する前記導電率は、前記積層部を構成する複数の導電性部材
間の接触抵抗に起因する物理量である、
請求項1から4の何れか一項に記載の燃料電池システム。
The conductivity of the second detection means is detected, a physical quantity due to contact resistance between the plurality of conductive members constituting the laminate unit,
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4.
燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応で発電する燃料電池システムであって、
膜電極接合体を有する燃料電池セルを複数重ねた積層部と、該積層部の積層方向における両端を挟持する挟持部と、を有する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックのインピーダンスを検知する第一の検知手段と、
前記インピーダンスを変化させる前記燃料電池スタックの導電率であって、前記挟持部が前記積層部に加える挟持力に起因する該燃料電池スタックの導電率を検知する第二の検知手段と、を備え、
前記第一の検知手段が検知した前記インピーダンスと前記第二の検知手段が検知した前記導電率とに基づいて膜の含水量を調整する制御を行う、
燃料電池システム。
A fuel cell system that generates electricity by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidizing gas,
A fuel cell stack having a stacked portion in which a plurality of fuel cells each having a membrane electrode assembly are stacked, and a sandwiching portion that sandwiches both ends of the stacked portion in the stacking direction;
First detection means for detecting the impedance of the fuel cell stack;
A conductivity of the fuel cell stack for changing the impedance, and a second detecting means for detecting the conductivity of the fuel cell stack due to the clamping force applied the clamping unit in the stacking unit,
Performs control for adjusting the water content of the film on the basis of said conductivity, wherein the said impedance first detection unit detects the second detection unit detects,
Fuel cell system.
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