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JP5396325B2 - FUEL CELL SYSTEM AND CONTROL METHOD FOR FUEL CELL SYSTEM - Google Patents
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Description

本発明は、燃料電池車両等に用いられる燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法に関するものである。   The present invention relates to a fuel cell system used in a fuel cell vehicle or the like and a control method for the fuel cell system.

燃料電池車両等に搭載される燃料電池には、固体高分子電解質膜(以下、電解質膜という)をアノードとカソードとで両側から挟んで膜電極構造体(MEA)を形成し、この膜電極構造体の両側に一対のセパレータを配置して平板状の単位燃料電池(以下、単位セルという)を構成し、この単位セルを複数枚積層して燃料電池スタックとするものが知られている。燃料電池は、アノードにアノードガス(反応ガス)として水素が供給され、カソードにカソードガス(反応ガス)として空気が供給されることで、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが電解質膜を通過してカソードまで移動し、カソードで空気中の酸素と電気化学反応を起こして発電するようになっている。   In a fuel cell mounted on a fuel cell vehicle or the like, a membrane electrode structure (MEA) is formed by sandwiching a solid polymer electrolyte membrane (hereinafter referred to as an electrolyte membrane) between an anode and a cathode from both sides. It is known that a pair of separators are arranged on both sides of a body to constitute a flat unit fuel cell (hereinafter referred to as a unit cell), and a plurality of unit cells are stacked to form a fuel cell stack. In a fuel cell, hydrogen is supplied as an anode gas (reactive gas) to the anode and air is supplied as a cathode gas (reactive gas) to the cathode, so that hydrogen ions generated by the catalytic reaction at the anode pass through the electrolyte membrane. It moves to the cathode and generates electricity by causing an electrochemical reaction with oxygen in the air at the cathode.

上述した燃料電池では、所望の発電性能を発揮させるために、電解質膜を湿潤な状態に維持する必要がある。そこで、下記の特許文献には、露点計を用いて燃料電池内の加湿状態(水分量等)を把握する技術が開示されている。
具体的に、特許文献1には、燃料電池で発電に供されたカソードオフガスが流通するカソードオフガス排出路に露点計を設置し、露点計により計測されるカソードオフガスの露点に基づいて、燃料電池から排出される水分量を測定する構成が知られている。
また、特許文献2には、アノードガスを燃料電池に供給するためのアノードガス供給路において、加湿器と燃料電池との間に露点計を設置し、露点計による計測結果に基づいてアノードガスを加熱または冷却することで、アノードガスの露点(加湿状態)を制御する構成が知られている。
In the fuel cell described above, it is necessary to maintain the electrolyte membrane in a wet state in order to exhibit desired power generation performance. Therefore, the following patent document discloses a technique for grasping a humidified state (water content or the like) in a fuel cell using a dew point meter.
Specifically, in Patent Document 1, a dew point meter is installed in a cathode off gas discharge passage through which a cathode off gas supplied for power generation by a fuel cell flows, and the fuel cell is based on the dew point of the cathode off gas measured by the dew point meter. A configuration for measuring the amount of water discharged from the water is known.
In Patent Document 2, a dew point meter is installed between a humidifier and a fuel cell in an anode gas supply path for supplying anode gas to the fuel cell, and the anode gas is determined based on the measurement result of the dew point meter. A configuration is known in which the dew point (humidified state) of the anode gas is controlled by heating or cooling.

特開2008−311081号公報JP 2008-311081 A 特開2005−166309号公報JP 2005-166309 A

しかしながら、上述した特許文献1において、カソードオフガス排出路を流通するカソードオフガスは、常に高湿である。そのため、燃料電池システムの起動時や、過渡時等、カソードオフガスの温度が比較的低い状況では、カソードオフガス排出路においてカソードオフガス中の水蒸気が結露し易い。そして、結露した水が露点計に付着することで、露点計で計測誤差が発生したり、応答性が低下したりして、カソードオフガスの露点が正確に測定できないという問題がある。
また、特許文献2の構成では、加湿器よりも下流側を流通するアノードガスは、加湿器で加湿されることで、比較的高湿である。そのため、上述した特許文献1と同様に結露等によって露点計に水が付着し、正確な測定ができないという問題がある。
However, in Patent Document 1 described above, the cathode offgas flowing through the cathode offgas discharge path is always highly humid. Therefore, when the temperature of the cathode offgas is relatively low, such as when the fuel cell system is started up or during a transition, water vapor in the cathode offgas is likely to condense in the cathode offgas discharge path. And since the condensed water adheres to the dew point meter, there is a problem that a measurement error occurs in the dew point meter or the responsiveness is lowered, so that the dew point of the cathode off gas cannot be measured accurately.
Moreover, in the structure of patent document 2, the anode gas which distribute | circulates the downstream rather than a humidifier is comparatively humid because it is humidified with a humidifier. For this reason, there is a problem that, as in the above-mentioned Patent Document 1, water adheres to the dew point meter due to condensation or the like, and accurate measurement cannot be performed.

そこで、本発明は、絶対湿度計測手段による測定精度を向上させるとともに、絶対湿度計測手段の計測結果に基づいて燃料電池内の状態量を正確に把握できる燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法を提供するものである。   Therefore, the present invention provides a fuel cell system and a control method for the fuel cell system that can improve the measurement accuracy by the absolute humidity measuring means and accurately grasp the state quantity in the fuel cell based on the measurement result of the absolute humidity measuring means. It is to provide.

上記の課題を解決するために、請求項1に記載した発明は、反応ガスが供給され、発電を行う燃料電池(例えば、実施形態における燃料電池スタック2)と、前記燃料電池内の電極に沿って反応ガスを流通させる反応ガス流路(例えば、実施形態におけるアノードガス流路21及びカソードガス流路22)と、前記反応ガス流路に供給される前記反応ガスが流通する反応ガス供給流路(例えば、実施形態におけるアノードガス供給流路23及びカソードガス供給流路24)と、前記反応ガス流路から排出されたオフガスが流通するオフガス排出流路(例えば、実施形態におけるアノードガス排出流路35及びカソードガス排出流路38)と、前記反応ガス供給流路及び前記オフガス排出流路のうち、少なくとも一つの流路上の分岐部から分岐した分岐流路(例えば、実施形態における分岐流路41〜44)と、前記分岐流路上に配置された絶対湿度計測手段(例えば、実施形態における露点計51〜54)と、を備え、前記分岐部から前記絶対湿度計測手段までの前記分岐流路に、加熱手段(例えば、実施形態におけるヒーター45〜48)が設けられ、前記分岐流路上の前記加熱手段の下流側には、圧力損失形成手段(例えば、実施形態における細管部55〜58)が設けられ、前記分岐流路の下流端は、前記オフガス排出流路のうち、前記燃料電池から排出されるカソードオフガスが流通するカソードオフガス排出流路(例えば、実施形態におけるカソードオフガス排出流路38)に接続されていることを特徴とする。 In order to solve the above problems, the invention described in claim 1 is directed to a fuel cell (for example, the fuel cell stack 2 in the embodiment) that is supplied with a reaction gas and generates electric power, and an electrode in the fuel cell. A reaction gas channel (for example, the anode gas channel 21 and the cathode gas channel 22 in the embodiment) and a reaction gas supply channel through which the reaction gas supplied to the reaction gas channel flows. (For example, the anode gas supply channel 23 and the cathode gas supply channel 24 in the embodiment) and the off gas discharge channel (for example, the anode gas discharge channel in the embodiment) through which the off gas discharged from the reaction gas channel flows. 35 and the cathode gas discharge flow path 38), and branch from a branch portion on at least one of the reaction gas supply flow path and the off-gas discharge flow path. A branch channel (for example, branch channels 41 to 44 in the embodiment) and an absolute humidity measuring means (for example, dew point meters 51 to 54 in the embodiment) disposed on the branch channel. A heating means (for example, heaters 45 to 48 in the embodiment) is provided in the branch flow path from the section to the absolute humidity measuring means , and a pressure loss forming means is provided downstream of the heating means on the branch flow path. (For example, the narrow tube portions 55 to 58 in the embodiment) are provided, and the downstream end of the branch flow path is a cathode off gas discharge flow path through which the cathode off gas discharged from the fuel cell flows out of the off gas discharge flow path. (For example, it is connected to the cathode offgas discharge channel 38 in the embodiment) .

請求項に記載した発明では、前記加熱手段は、前記分岐流路内を流通する流体を、前記燃料電池の動作温度以上に加熱することを特徴とする。 The invention described in claim 2 is characterized in that the heating means heats the fluid flowing through the branch channel to an operating temperature of the fuel cell or higher.

請求項3に記載した発明では、前記分岐流路には、前記分岐流路内を開閉可能とする開閉弁が設けられていることを特徴とする。
請求項4に記載した発明では、前記反応ガス流路として、前記燃料電池内のアノードに沿ってアノード反応ガスを流通させるアノード反応ガス流路(例えば、実施形態におけるアノードガス流路21)を備え、前記反応ガス供給流路として、前記アノード反応ガス流路に供給される前記アノード反応ガスが流通するアノード反応ガス供給流路(例えば、実施形態におけるアノードガス供給流路23)を備え、前記オフガス排出流路として、前記アノード反応ガス流路から排出されたアノードオフガスが流通するアノードオフガス排出流路(例えば、実施形態におけるアノードガス排出流路35)を備え、前記分岐流路は、前記アノード反応ガス供給流路及び前記アノードオフガス排出流路のうち、少なくとも一つの流路上の分岐部から分岐し、前記分岐流路には、前記分岐流路内を開閉可能とする開閉弁(例えば、実施形態における開閉弁59,60)が設けられ、前記燃料電池システムは、前記アノード反応ガスの圧力を計測するアノード反応ガス計測手段と、前記アノード反応ガス計測手段の計測結果に基づいて、前記開閉弁の開閉制御を行う圧力制御部(例えば、実施形態におけるアノードガス圧力判定手段61)とを備え、前記圧力制御部は、前記燃料電池の起動時において前記アノード反応ガスの圧力が所定以上の場合に、前記開閉弁を開成し、前記燃料電池を停止する場合に、前記開閉弁を閉成することを特徴とする。
The invention described in claim 3 is characterized in that the branch flow path is provided with an open / close valve capable of opening and closing the inside of the branch flow path.
In the invention described in claim 4, an anode reaction gas channel (for example, the anode gas channel 21 in the embodiment) that circulates the anode reaction gas along the anode in the fuel cell is provided as the reaction gas channel. The reaction gas supply channel includes an anode reaction gas supply channel (for example, the anode gas supply channel 23 in the embodiment) through which the anode reaction gas supplied to the anode reaction gas channel flows, and the off gas As an exhaust passage, an anode off-gas exhaust passage (for example, the anode gas exhaust passage 35 in the embodiment) through which the anode off-gas exhausted from the anode reaction gas passage circulates is provided, and the branch passage includes the anode reaction Branch from a branch portion on at least one of the gas supply channel and the anode off-gas discharge channel. The branch flow path is provided with an open / close valve (for example, the open / close valves 59 and 60 in the embodiment) that can open and close the branch flow path, and the fuel cell system measures the pressure of the anode reaction gas. An anode reaction gas measurement means; and a pressure control unit (for example, an anode gas pressure determination means 61 in the embodiment) that controls opening and closing of the on-off valve based on a measurement result of the anode reaction gas measurement means, and the pressure The control unit opens the on-off valve when the pressure of the anode reaction gas is equal to or higher than a predetermined value when the fuel cell is started, and closes the on-off valve when the fuel cell is stopped. And

請求項5に記載した発明は、請求項1ないし請求項4の何れか1項に記載の燃料電池システムの制御方法であって、前記湿度計測手段は、前記分岐流路を流通する前記反応ガスの露点を計測する露点計であり、前記燃料電池システムは、前記燃料電池に冷媒を流通させて前記燃料電池を冷却する冷却手段(例えば、実施形態における冷却手段13)と、前記露点計により計測された前記反応ガスの露点を用いて、前記燃料電池を制御する制御部(例えば、加湿状態判定手段64)とを備え、前記制御部は、計測された前記反応ガスの露点を用いて、前記反応ガスの温度に対する前記反応ガスの第1相対湿度、前記冷媒の温度に対する前記反応ガスの第2相対湿度、及び前記燃料電池の水分保持量のうち、少なくとも一つの状態量を求めるステップと、求めた前記状態量を用いて、前記燃料電池を制御するステップと、を行うことを特徴とする。   The invention described in claim 5 is the method of controlling a fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, wherein the humidity measuring means is the reaction gas flowing through the branch flow path. A dew point meter for measuring the dew point of the fuel cell system, wherein the fuel cell system is measured by a cooling means (for example, the cooling means 13 in the embodiment) for cooling the fuel cell by circulating a refrigerant through the fuel cell, and the dew point meter. A control unit (for example, a humidified state determination unit 64) that controls the fuel cell using the reactive gas dew point, and the control unit uses the measured reactive gas dew point to A step of obtaining at least one state quantity among a first relative humidity of the reaction gas with respect to a temperature of the reaction gas, a second relative humidity of the reaction gas with respect to a temperature of the refrigerant, and a moisture retention amount of the fuel cell. By using the up, the state quantity calculated, and performing, and controlling the fuel cell.

ところで、燃料電池システムのメイン流路(反応ガス供給流路や反応ガス排出流路)には、燃料電池から排出される生成水が多く存在している。そのため、メイン流路に湿度計測手段を直接配置する構成では、上述したように絶対湿度計測手段への水の付着により計測誤差や、応答性の低下を引き起こす可能性がある。
そこで、請求項1に記載した発明によれば、メイン流路から分岐した分岐流路を形成することで、分岐流路内への生成水の流入を抑制できる。これにより、絶対湿度計測手段の計測時において、生成水による影響を可能な限り排除して、絶対湿度計測手段による測定精度を向上させることができる。
また、分岐流路上に加熱手段を介して絶対湿度計測手段を配置することで、分岐流路内を流通する反応ガス温度を上昇させ、分岐流路内の反応ガスの相対湿度を低減することができる。これにより、反応ガス中に含まれる水蒸気の結露を抑制できるので、分岐流路内を流通する反応ガスの絶対湿度を正確に測定できる。そのため、燃料電池システムの起動時や過渡時等、反応ガス温度が比較的低い場合であっても、水蒸気の結露を抑制して絶対湿度計測手段による測定精度を向上させることができる。なお、上述したように分岐流路内は加熱手段によって反応ガスの相対湿度の低減が図られているため、仮に反応ガス中の水蒸気(絶対湿度を計測すべき水分)が分岐流路内で結露したとしても、この結露水を速やかに蒸発させることができる。したがって、絶対湿度計測手段の計測をより正確に行い、信頼性を向上できる。
By the way, in the main flow path (reactive gas supply flow path and reactive gas discharge flow path) of the fuel cell system, there is a lot of generated water discharged from the fuel cell. For this reason, in the configuration in which the humidity measuring means is directly arranged in the main flow path, there is a possibility that measurement error and responsiveness decrease due to the adhesion of water to the absolute humidity measuring means as described above.
Therefore, according to the first aspect of the present invention, by forming the branch channel branched from the main channel, the inflow of generated water into the branch channel can be suppressed. Thereby, at the time of measurement of an absolute humidity measuring means, the influence by produced | generated water can be excluded as much as possible, and the measurement precision by an absolute humidity measuring means can be improved.
In addition, by arranging the absolute humidity measurement means on the branch flow path via the heating means, the temperature of the reaction gas flowing through the branch flow path can be increased, and the relative humidity of the reaction gas in the branch flow path can be reduced. it can. Thereby, since dew condensation of water vapor contained in the reaction gas can be suppressed, the absolute humidity of the reaction gas flowing through the branch flow path can be accurately measured. Therefore, even when the reaction gas temperature is relatively low, such as when the fuel cell system is started up or during a transition, condensation of water vapor can be suppressed and measurement accuracy by the absolute humidity measuring means can be improved. As described above, since the relative humidity of the reaction gas is reduced by the heating means in the branch channel, water vapor in the reaction gas (moisture whose absolute humidity is to be measured) is condensed in the branch channel. Even if it does, this dew condensation water can be evaporated quickly. Therefore, the absolute humidity measuring means can be measured more accurately and the reliability can be improved.

また、圧力損失形成手段により分岐流路内で圧力損失を得ることで、分岐流路内を流通する反応ガスの流量を調整でき、絶対湿度計測手段による測定精度をより向上させることができる。 Further , by obtaining the pressure loss in the branch flow path by the pressure loss forming means, the flow rate of the reaction gas flowing in the branch flow path can be adjusted, and the measurement accuracy by the absolute humidity measuring means can be further improved.

請求項に記載した発明によれば、燃料電池システム内の最高温度である燃料電池の動作温度以上に分岐流路内の反応ガスを加熱することで、分岐流路内での水蒸気の結露を確実に抑制でき、より正確に絶対湿度計測手段での計測を行うことができる。 According to the second aspect of the present invention, the reaction gas in the branch channel is heated to a temperature higher than the operating temperature of the fuel cell, which is the maximum temperature in the fuel cell system. It is possible to reliably suppress, and more accurate measurement with the absolute humidity measuring means can be performed.

ところで、燃料電池システムでは、システム停止時において、アノード側の分岐流路が開成状態であると、外部から分岐流路内に向けて大気が逆流して、大気中に含まれる塵埃等がアノード反応ガス流路等に侵入してくる虞がある。
そこで、請求項4に記載した発明によれば、燃料電池の停止時に開閉弁を閉成しておくことで、燃料電池停止中における大気の逆流を防ぐことができる。これにより、アノード側の反応ガス流路内等への塵埃の侵入を防止できる。また、アノード反応ガスの圧力が所定以上の場合に、開閉弁を開成することで、開閉弁の開成した時点での大気の逆流を防止し、反応ガスを所望の流通方向に流通させることができる。よって、絶対湿度計測手段の計測をより正確に行い、信頼性を向上できる。
By the way, in the fuel cell system, when the anode side branch channel is open when the system is stopped, the atmosphere flows backward from the outside into the branch channel, and dust contained in the atmosphere undergoes an anode reaction. There is a risk of entering a gas flow path or the like.
Therefore, according to the fourth aspect of the present invention, the backflow of the atmosphere while the fuel cell is stopped can be prevented by closing the on-off valve when the fuel cell is stopped. As a result, it is possible to prevent dust from entering the reaction gas channel on the anode side. Further, when the pressure of the anode reaction gas is equal to or higher than a predetermined value, by opening the on-off valve, it is possible to prevent backflow of the atmosphere at the time when the on-off valve is opened and to distribute the reaction gas in a desired flow direction. . Therefore, the absolute humidity measuring means can be measured more accurately and the reliability can be improved.

請求項5に記載した発明によれば、露点計による計測結果に基づいて求めた第1相対湿度や、第2相対湿度、水分保持量を用いて燃料電池を制御することで、燃料電池を常に湿潤な状態に保持できる。これにより、所望の発電性能を維持できる。
特に、本発明の構成によれば、上記本発明の燃料電池システムを用いているため、絶対湿度計測手段の露点計によって反応ガスの露点を正確に計測できる。これにより、第1相対湿度や、第2相対湿度、水分保持量をより高精度に算出することができるので、燃料電池内の状態量を正確に把握して、燃料電池の制御の信頼性を向上できる。
According to the invention described in claim 5, the fuel cell is always controlled by controlling the fuel cell using the first relative humidity, the second relative humidity, and the water retention amount obtained based on the measurement result by the dew point meter. Can be kept moist. Thereby, desired power generation performance can be maintained.
In particular, according to the configuration of the present invention, since the fuel cell system of the present invention is used, the dew point of the reaction gas can be accurately measured by the dew point meter of the absolute humidity measuring means. As a result, the first relative humidity, the second relative humidity, and the moisture retention amount can be calculated with higher accuracy, so that the state quantity in the fuel cell can be accurately grasped and the reliability of control of the fuel cell can be improved. It can be improved.

本発明の実施形態における燃料電池システムの概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system in an embodiment of the present invention. ECUのシステムブロック図である。It is a system block diagram of ECU. 燃料電池システムの制御方法を説明するためのフローチャートである。It is a flowchart for demonstrating the control method of a fuel cell system. 燃料電池システム(カソード側)での水収支を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the water balance in a fuel cell system (cathode side). 第1相対湿度φg(%)と第2相対湿度φw(%)とに基づいて加湿状態を判定するためのグラフである。It is a graph for judging a humidification state based on 1st relative humidity (phi) g (%) and 2nd relative humidity (phi) w (%). 加湿水量Qに基づいて加湿状態を判定するためのグラフである。It is a graph for judging a humidification state based on the amount Q of humidification water. 時間(min)に対する加湿水量Q(g/sec)及び電圧(V)の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the amount of humidification water Q (g / sec) and voltage (V) with respect to time (min).

次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
(燃料電池システム)
図1は、燃料電池システムの概略構成図である。
図1に示すように、燃料電池システム1は、例えば図示しない燃料電池車両に搭載されるものであり、燃料電池スタック2(以下、燃料電池2という)と、燃料電池2にカソードガス(反応ガス)である空気を供給するためのカソードガス供給手段11と、アノードガス(反応ガス)である水素を供給するためのアノードガス供給手段12と、これら各構成品を統括的に制御するECU(Electric Control Unit)6(図2参照)とを主に備えている。
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(Fuel cell system)
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system.
As shown in FIG. 1, a fuel cell system 1 is mounted on a fuel cell vehicle (not shown), for example, and includes a fuel cell stack 2 (hereinafter referred to as a fuel cell 2) and a cathode gas (reactive gas) in the fuel cell 2. ) Cathode gas supply means 11 for supplying air, anode gas supply means 12 for supplying hydrogen as the anode gas (reactive gas), and ECU (Electric) for overall control of these components. Control Unit) 6 (see FIG. 2).

燃料電池2は、アノードガスとカソードガスとの電気化学反応により発電を行うものであって、電解質膜を備えている。そして、この電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで膜電極構造体が形成され、この膜電極構造体の両側に一対のセパレータを配置してセルが構成され、このセルが複数積層されることで燃料電池2が構成されている。そして、燃料電池2のアノードにはアノードガスとして水素ガスが、カソードにはカソードガスとして空気がそれぞれ供給されることで、アノードで触媒反応(H→2H+2e)により発生した水素イオンが電解質を透過してカソードに移動し、カソードで酸素と電気化学反応(H+O/2→HO)して発電するようになっている。 The fuel cell 2 generates electricity by an electrochemical reaction between an anode gas and a cathode gas, and includes an electrolyte membrane. A membrane electrode structure is formed by sandwiching the electrolyte membrane between the anode and the cathode from both sides, and a cell is formed by arranging a pair of separators on both sides of the membrane electrode structure, and a plurality of the cells are stacked. Thus, the fuel cell 2 is configured. Then, hydrogen gas as an anode gas is supplied to the anode of the fuel cell 2 and air as a cathode gas is supplied to the cathode, so that hydrogen ions generated by a catalytic reaction (H 2 → 2H + + 2e ) at the anode are generated. Go to the cathode through the electrolyte, and electrochemically react with oxygen at the cathode (H 2 + O 2/2 → H 2 O) to is adapted to power generation.

カソードガス供給手段11は、カソードガスを燃料電池2に向けて送出するエアポンプ33を備えている。エアポンプ33には、燃料電池2にカソードガスを供給するためのカソードガス供給流路(反応ガス供給流路)24が接続されている。カソードガス供給流路24は、加湿器29を介して燃料電池2の入口側で、カソードに面するカソードガス流路(反応ガス流路)22に接続されている。一方、カソードガス流路22の出口側には、燃料電池2で発電に供されたカソードオフガスや、発電時に燃料電池2で生成された生成水が流通するカソードオフガス排出流路(反応ガス排出流路)38が接続されている。   The cathode gas supply means 11 includes an air pump 33 that sends the cathode gas toward the fuel cell 2. A cathode gas supply channel (reactive gas supply channel) 24 for supplying cathode gas to the fuel cell 2 is connected to the air pump 33. The cathode gas supply channel 24 is connected to a cathode gas channel (reactive gas channel) 22 facing the cathode on the inlet side of the fuel cell 2 via a humidifier 29. On the other hand, on the outlet side of the cathode gas flow path 22, a cathode off gas discharge flow path (reactive gas discharge flow) through which the cathode off gas supplied for power generation by the fuel cell 2 and the generated water generated by the fuel cell 2 during power generation circulates. Road) 38 is connected.

なお、上述したエアポンプ33には、エアポンプ33から送出されるカソードガスの流量(以下、エア量ともいう)を計測する図示しない流量センサが接続されており、燃料電池2のカソードに供給されるエア量を計測できるようになっている。また、カソードガス流路22の入口側及び出口側付近には、それぞれでのカソードガスの温度(カソード入口ガス温度及びカソード出口ガス温度)を計測するための温度センサ(不図示)と、カソードガスの圧力(カソード入口ガス圧力及びカソード出口ガス圧力)を計測するための圧力センサ(不図示)とが接続されている。   The above-described air pump 33 is connected to a flow rate sensor (not shown) for measuring the flow rate of the cathode gas sent from the air pump 33 (hereinafter also referred to as air amount), and the air supplied to the cathode of the fuel cell 2. The amount can be measured. Further, near the inlet side and the outlet side of the cathode gas flow path 22 are a temperature sensor (not shown) for measuring the temperature of the cathode gas (cathode inlet gas temperature and cathode outlet gas temperature), and the cathode gas. Is connected to a pressure sensor (not shown) for measuring the pressure (cathode inlet gas pressure and cathode outlet gas pressure).

カソードオフガス排出流路38は、加湿器29を介して希釈ボックス31に接続されている。加湿器29は、内部に中空糸状の水透過膜(中空糸膜)を多数束ねた状態でハウジング(不図示)に収容されて構成されている。そして、中空糸膜の内部と外部とにそれぞれ水分含量の異なるガスが流通すると、水分含量の多いガス中の水分が中空糸膜を透過して水分含量の少ないガスへと移動する。すなわち、本実施形態では、中空糸膜の内部にエアポンプ33から送出されるカソードガスが流通し、外部に生成水を含んだカソードオフガスが流通することで、燃料電池2で発電に供されて湿潤になったカソードオフガスからカソードガスへと水分が移動するようになっている。これにより、燃料電池2に供給する前段で予めカソードガスを加湿することができる。   The cathode off gas discharge flow path 38 is connected to the dilution box 31 via the humidifier 29. The humidifier 29 is configured to be accommodated in a housing (not shown) in a state where a number of hollow fiber-like water permeable membranes (hollow fiber membranes) are bundled inside. When gases having different moisture contents flow through the hollow fiber membrane, the moisture in the gas having a high moisture content permeates the hollow fiber membrane and moves to a gas having a low moisture content. That is, in the present embodiment, the cathode gas delivered from the air pump 33 circulates inside the hollow fiber membrane, and the cathode offgas containing generated water circulates outside, so that the fuel cell 2 is used for power generation and is moistened. Moisture is transferred from the cathode off-gas thus formed to the cathode gas. As a result, the cathode gas can be humidified in advance before the fuel cell 2 is supplied.

そして、エアポンプ33によって送出されるカソードガスは、カソードガス供給流路24を通過した後、燃料電池2のカソードガス流路22に供給される。そして、カソードガス流路22において、カソードガス中の酸素が酸化剤として発電に供された後、燃料電池2からカソードオフガスとしてカソードオフガス排出流路38に排出される。カソードオフガス排出流路38は希釈ボックス31に接続され、その後、カソードオフガスは車外へと排気される。また、カソードオフガス排出流路38には燃料電池2のカソードガス流路22におけるカソードガスの圧力を調整するための背圧弁34が設けられている。   The cathode gas delivered by the air pump 33 passes through the cathode gas supply channel 24 and is then supplied to the cathode gas channel 22 of the fuel cell 2. In the cathode gas channel 22, oxygen in the cathode gas is supplied to the power generation as an oxidant, and then discharged from the fuel cell 2 to the cathode offgas discharge channel 38 as the cathode offgas. The cathode offgas discharge passage 38 is connected to the dilution box 31, and then the cathode offgas is exhausted outside the vehicle. The cathode offgas discharge channel 38 is provided with a back pressure valve 34 for adjusting the cathode gas pressure in the cathode gas channel 22 of the fuel cell 2.

一方、アノードガス供給手段12は、アノードガスが充填された水素タンク30を備えている。水素タンク30は、アノードガス供給流路(反応ガス供給流路)23を介して燃料電池2の入口側で、アノードに面するアノードガス流路(反応ガス流路)21に接続されている。一方、アノードガス流路21の出口側には、燃料電池2で発電に供されたアノードオフガスが流通するアノードオフガス排出流路(反応ガス供給流路)35が接続されている。また、アノードガス流路21の入口側及び出口側付近には、それぞれでのアノードガスの温度(アノード入口ガス温度及びアノード出口ガス温度)を計測するための温度センサ(不図示)と、アノードガスの圧力(アノード入口ガス圧力Pa1及びアノード出口ガス圧力Pa2)を計測するための圧力センサ(不図示)とが接続されている。   On the other hand, the anode gas supply means 12 includes a hydrogen tank 30 filled with anode gas. The hydrogen tank 30 is connected to an anode gas channel (reactive gas channel) 21 facing the anode on the inlet side of the fuel cell 2 through an anode gas supply channel (reactive gas supply channel) 23. On the other hand, an anode off gas discharge channel (reactive gas supply channel) 35 through which the anode off gas supplied for power generation in the fuel cell 2 flows is connected to the outlet side of the anode gas channel 21. A temperature sensor (not shown) for measuring the temperature of the anode gas (anode inlet gas temperature and anode outlet gas temperature) at each of the inlet side and the outlet side of the anode gas channel 21, and the anode gas Are connected to a pressure sensor (not shown) for measuring the pressure (the anode inlet gas pressure Pa1 and the anode outlet gas pressure Pa2).

アノードガス供給流路23には、上流側から順に、遮断弁25、レギュレータ28、エゼクタ26が接続されている。
遮断弁25は電磁駆動式のものであり、水素タンク30からのアノードガスの供給を遮断可能に構成されている。
A shutoff valve 25, a regulator 28, and an ejector 26 are connected to the anode gas supply channel 23 in order from the upstream side.
The shutoff valve 25 is of an electromagnetic drive type, and is configured to be able to shut off the supply of anode gas from the hydrogen tank 30.

レギュレータ28は、燃料電池2に供給されるカソードガスの圧力(カソード入口ガス圧力)を信号圧として、水素タンク30から供給される高圧のアノードガスを、信号圧に応じた所定範囲の圧力となるように調圧(減圧)するものである。これにより、燃料電池2のカソードとアノードとの間の極間差圧が所定の圧力に保持される。そして、レギュレータ28により調圧されたアノードガスは、エゼクタ26を通り、燃料電池2に供給される。なお、図示しないが、アノードガス供給流路23には、水素タンク30から供給されるアノードガスと熱交換を行う熱交換器が設けられている。これにより、燃料電池2の作動温度付近までアノードガスを加熱した状態で燃料電池2に供給することができる。   The regulator 28 uses the pressure of the cathode gas supplied to the fuel cell 2 (cathode inlet gas pressure) as a signal pressure, and the high-pressure anode gas supplied from the hydrogen tank 30 has a pressure within a predetermined range corresponding to the signal pressure. Thus, the pressure is adjusted (reduced pressure). Thereby, the pressure difference between the cathode and the anode of the fuel cell 2 is maintained at a predetermined pressure. The anode gas adjusted by the regulator 28 passes through the ejector 26 and is supplied to the fuel cell 2. Although not shown, the anode gas supply channel 23 is provided with a heat exchanger that exchanges heat with the anode gas supplied from the hydrogen tank 30. Thereby, the anode gas can be supplied to the fuel cell 2 in a state where the anode gas is heated to near the operating temperature of the fuel cell 2.

また、アノードオフガス排出流路35は、エゼクタ26に接続され、燃料電池2から排出されたアノードオフガスを循環させ、燃料電池2のアノードガスとして再利用できるように構成されている。さらに、アノードオフガス排出流路35は、途中で流路が分岐して構成されたパージガス排出流路37を有している。パージガス排出流路37は希釈ボックス31に接続されている。また、パージガス排出流路37には電磁駆動式のパージ弁27が設けられている。   The anode off gas discharge channel 35 is connected to the ejector 26 and is configured to circulate the anode off gas discharged from the fuel cell 2 so that it can be reused as the anode gas of the fuel cell 2. Further, the anode off-gas discharge channel 35 has a purge gas discharge channel 37 configured such that the channel branches in the middle. The purge gas discharge channel 37 is connected to the dilution box 31. The purge gas discharge passage 37 is provided with an electromagnetically driven purge valve 27.

希釈ボックス31は、パージガス排出流路37から導入されたアノードオフガスを滞留する滞留室が内部に設けられるとともに、この滞留室にカソードオフガス排出流路38が接続されている。すなわち、滞留室内において、アノードオフガスはカソードオフガスにより希釈された後、排出通路36から車外に排出される。なお、希釈ボックス31には、パージガス排出流路37から導入されたアノードオフガスの濃度に基づいて、カソードオフガスが供給されるようになっている。   The dilution box 31 is provided with a retention chamber in which the anode off gas introduced from the purge gas discharge channel 37 is retained, and a cathode off gas discharge channel 38 is connected to the retention chamber. That is, the anode off-gas is diluted with the cathode off-gas in the staying chamber, and then discharged from the discharge passage 36 to the outside of the vehicle. The dilution box 31 is supplied with a cathode off gas based on the concentration of the anode off gas introduced from the purge gas discharge channel 37.

また、燃料電池システム1は、燃料電池2内に冷媒を流通させて燃料電池2を冷却する冷却手段13を備えている。冷却手段13は、燃料電池2内に冷媒を流通させる冷媒通路15と、冷媒を冷却するラジエータ10と、ラジエータ10から排出された冷媒を冷媒通路15に向けて流通させる冷媒供給通路14と、冷媒通路15から排出された冷媒をラジエータ10に向けて流通させる冷媒排出通路17とを備えている。また、冷媒供給通路14には、燃料電池2とラジエータ10との間で冷媒を循環させるウォータポンプ(W/P)18が設けられている。さらに、冷媒供給通路14には燃料電池2内に供給される冷媒の温度(入口冷媒温度Twin)を検出するための冷媒温度センサ19が接続されている。さらに、燃料電池2から取り出される電流値を計測する発電電流計(不図示)が燃料電池2に設けられている。   The fuel cell system 1 also includes a cooling unit 13 that cools the fuel cell 2 by circulating a refrigerant in the fuel cell 2. The cooling means 13 includes a refrigerant passage 15 through which the refrigerant flows in the fuel cell 2, a radiator 10 that cools the refrigerant, a refrigerant supply passage 14 through which the refrigerant discharged from the radiator 10 flows toward the refrigerant passage 15, and a refrigerant A refrigerant discharge passage 17 is provided for allowing the refrigerant discharged from the passage 15 to flow toward the radiator 10. The refrigerant supply passage 14 is provided with a water pump (W / P) 18 for circulating the refrigerant between the fuel cell 2 and the radiator 10. Further, a refrigerant temperature sensor 19 for detecting the temperature of the refrigerant supplied into the fuel cell 2 (inlet refrigerant temperature Twin) is connected to the refrigerant supply passage 14. Further, a generator ammeter (not shown) for measuring the current value taken out from the fuel cell 2 is provided in the fuel cell 2.

ここで、カソードガス供給流路24及びカソードオフガス排出流路38、並びにアノードガス供給流路23及びアノードオフガス排出流路35には、各流路24,38,23,35の分岐部から分岐した分岐流路41〜44が接続されている。
具体的に、まず分岐流路41(以下、カソードガス分岐流路41ともいう)は、カソードガス供給流路24における加湿器29と燃料電池2の間であって、燃料電池2の入口付近を分岐部として分岐している。分岐流路42(以下、カソードオフガス分岐流路42ともいう)は、カソードオフガス排出流路38における燃料電池2と加湿器29との間であって、燃料電池2の出口付近を分岐部として分岐している。
また、分岐流路43(以下、アノードガス分岐流路43ともいう)は、アノードガス供給流路23におけるエゼクタ26と燃料電池2との間であって、燃料電池2の入口付近を分岐部として分岐している。分岐流路44(以下、アノードオフガス分岐流路44ともいう)は、アノードオフガス排出流路35における燃料電池2の出口付近を分岐部として分岐している。
Here, the cathode gas supply flow path 24 and the cathode off gas discharge flow path 38, and the anode gas supply flow path 23 and the anode off gas discharge flow path 35 branch from the branch portions of the flow paths 24, 38, 23, and 35. The branch flow paths 41 to 44 are connected.
Specifically, first, the branch channel 41 (hereinafter also referred to as the cathode gas branch channel 41) is located between the humidifier 29 and the fuel cell 2 in the cathode gas supply channel 24 and near the inlet of the fuel cell 2. Branches as a branching part. The branch flow path 42 (hereinafter also referred to as the cathode offgas branch flow path 42) is between the fuel cell 2 and the humidifier 29 in the cathode offgas discharge flow path 38 and branches near the outlet of the fuel cell 2 as a branch portion. doing.
The branch channel 43 (hereinafter also referred to as the anode gas branch channel 43) is between the ejector 26 and the fuel cell 2 in the anode gas supply channel 23, and the vicinity of the inlet of the fuel cell 2 serves as a branch part. Branched. The branch flow path 44 (hereinafter also referred to as the anode off gas branch flow path 44) branches near the outlet of the fuel cell 2 in the anode off gas discharge flow path 35.

各分岐流路41〜44には、それぞれ露点計(絶対湿度計測手段)51〜54が接続されており、各分岐流路41〜44内を流通する反応ガスの露点を計測できるようになっている。そして、各分岐流路41〜44において、上流端(各流路24,38,23,35と分岐流路41〜44との分岐部)から露点計51〜54までの間にそれぞれヒーター(加熱手段)45〜48が設置されており、各分岐流路41〜44内を流通する反応ガス(カソードガス、カソードオフガス、アノードガス、及びアノードオフガス)を加熱しうるように構成されている。すなわち、各分岐流路41〜44の流通方向において、ヒーター45〜48が設置された領域(分岐部から露点計51〜54までの領域)は、加熱領域となっている。   Dew point meters (absolute humidity measuring means) 51 to 54 are connected to the branch channels 41 to 44, respectively, so that the dew points of the reaction gas flowing through the branch channels 41 to 44 can be measured. Yes. And in each branch flow path 41-44, between an upstream end (branch part of each flow path 24, 38, 23, 35 and branch flow paths 41-44) and dew point meters 51-54, respectively, a heater (heating) Means) 45 to 48 are installed, and the reaction gas (cathode gas, cathode off gas, anode gas, and anode off gas) flowing through the branch channels 41 to 44 can be heated. That is, in the flow direction of each branch flow path 41-44, the area | region (area | region from a branch part to dew point meters 51-54) in which the heaters 45-48 were installed is a heating area | region.

また、各分岐流路41〜44における露点計51〜54よりも下流側は、流路の内径が上流側に比べて小さく形成された細管部(圧力損失形成手段)55〜58を構成している。なお、細管部55〜58に代えて流路内にオリフィスを設ける構成にしても構わない。   Further, the downstream sides of the dew point meters 51 to 54 in the branch channels 41 to 44 constitute narrow tube portions (pressure loss forming means) 55 to 58 in which the inner diameter of the channel is formed smaller than that of the upstream side. Yes. In addition, it may replace with the thin tube parts 55-58, and you may make it the structure which provides an orifice in a flow path.

さらに、各分岐流路41〜44のうち、アノードガス分岐流路43及びアノードオフガス分岐流路44における露点計53,54よりも下流側には、開閉弁59,60が設けられ、分岐流路43,44内を開閉可能に構成されている。
そして、分岐流路41〜44は、その下流側でカソードオフガス排出流路38における背圧弁34と希釈ボックス31との間に接続されている。すなわち、各流路24,38,23,35から分岐流路41〜44に分岐した流体は、分岐流路41〜44内を通ってカソードオフガス排出流路38に流出するように構成されている。
Further, among the branch channels 41 to 44, on-off valves 59 and 60 are provided on the downstream side of the dew point meters 53 and 54 in the anode gas branch channel 43 and the anode off-gas branch channel 44, respectively. 43 and 44 can be opened and closed.
The branch flow paths 41 to 44 are connected between the back pressure valve 34 and the dilution box 31 in the cathode offgas discharge flow path 38 on the downstream side thereof. That is, the fluid branched from the respective flow paths 24, 38, 23, 35 to the branch flow paths 41 to 44 flows through the branch flow paths 41 to 44 to the cathode offgas discharge flow path 38. .

(ECU)
図2はECUのブロック図である。
図2に示すように、ECU6は、燃料電池システム1の各構成品を統括的に制御するものであり、アノードガス圧力判定手段(圧力制御部)61と、湿度算出手段62と、水収支算出手段63と、加湿状態判定手段(制御部)64とを備えている。
(ECU)
FIG. 2 is a block diagram of the ECU.
As shown in FIG. 2, the ECU 6 comprehensively controls each component of the fuel cell system 1, and includes an anode gas pressure determination unit (pressure control unit) 61, a humidity calculation unit 62, and a water balance calculation. Means 63 and humidified state determination means (control unit) 64 are provided.

アノードガス圧力判定手段61は、上述した分岐流路43,44に設けられた開閉弁59,60の開閉制御を行うものである。具体的に、アノードガス圧力判定手段61には、開閉弁59,60の開閉判定を行うためのアノード入口ガス圧力閾値Pal1及びアノード出口ガス圧力閾値Pal2が記憶されており、燃料電池2の圧力センサにより検出されたアノードガス圧力Pa(アノード入口ガス圧力Pa1及びアノード出口ガス圧力Pa2)が、アノードガス圧力閾値Palよりも高い場合に開閉弁59,60を開弁するようになっている。   The anode gas pressure determination means 61 performs opening / closing control of the opening / closing valves 59, 60 provided in the branch flow paths 43, 44 described above. Specifically, the anode gas pressure determination means 61 stores an anode inlet gas pressure threshold value Pal1 and an anode outlet gas pressure threshold value Pal2 for determining opening / closing of the opening / closing valves 59, 60, and the pressure sensor of the fuel cell 2 is stored. When the anode gas pressure Pa (the anode inlet gas pressure Pa1 and the anode outlet gas pressure Pa2) detected by the above is higher than the anode gas pressure threshold value Pal, the on-off valves 59 and 60 are opened.

湿度算出手段62は、露点計51〜54で計測された反応ガスの露点を用いて、分岐流路41〜44を流通する反応ガスの温度に対する第1相対湿度φgを算出するとともに、入口冷媒温度Twinに対する第2相対湿度φwを算出する。これらの算出方法については後述する。
水収支算出手段63は、露点計51〜54で計測された反応ガスの露点を用いて、燃料電池2での発電電流に対する加湿水量Q(燃料電池2での水分保持量)を算出する。
The humidity calculating means 62 calculates the first relative humidity φg with respect to the temperature of the reaction gas flowing through the branch flow paths 41 to 44 using the dew point of the reaction gas measured by the dew point meters 51 to 54, and the inlet refrigerant temperature. The second relative humidity φw with respect to Twin is calculated. These calculation methods will be described later.
The water balance calculation means 63 calculates the humidified water amount Q (water retention amount in the fuel cell 2) with respect to the generated current in the fuel cell 2 using the dew point of the reaction gas measured by the dew point meters 51 to 54.

加湿状態判定手段64は、燃料電池2の加湿状態を判定するものであり、第1相対湿度判定手段65と、第2相対湿度判定手段66と、加湿量判定手段67とを備えている。
第1相対湿度判定手段65には、第1相対湿度閾値φglが記憶されており、この第1相対湿度閾値φglと湿度算出手段62により算出された第1相対湿度φgとを比較して、燃料電池2の加湿状態を判定する。
The humidified state determination unit 64 is for determining the humidified state of the fuel cell 2 and includes a first relative humidity determination unit 65, a second relative humidity determination unit 66, and a humidification amount determination unit 67.
The first relative humidity determination unit 65 stores a first relative humidity threshold φgl, and compares the first relative humidity threshold φgl with the first relative humidity φg calculated by the humidity calculation unit 62 to determine the fuel. The humidified state of the battery 2 is determined.

第2相対湿度判定手段66には、第2相対湿度閾値φwlが記憶されており、この第2相対湿度閾値φwlと湿度算出手段62により算出された第2相対湿度φwとを比較して、燃料電池2の加湿状態を判定する。
加湿量判定手段67には、加湿水量閾値Qlが記憶されており、この加湿水量閾値Qlと水収支算出手段63により算出された加湿水量Qとを比較して、燃料電池2の加湿状態を判定する。
The second relative humidity determination means 66 stores a second relative humidity threshold φwl, and the second relative humidity threshold φwl is compared with the second relative humidity φw calculated by the humidity calculation means 62 to thereby determine the fuel. The humidified state of the battery 2 is determined.
The humidification amount determination means 67 stores a humidification water amount threshold value Ql and compares the humidification water amount threshold value Ql with the humidification water amount Q calculated by the water balance calculation means 63 to determine the humidification state of the fuel cell 2. To do.

そして、加湿状態判定手段64は、上述した各判定手段65〜67での判定結果に基づいて、燃料電池2の加湿状態を最終的に判定する。具体的には、各判定手段65〜67において、算出された第1相対湿度φg、第2相対湿度φw及び加湿水量Qが全て所定閾値以上であると判定された場合に、燃料電池2が湿潤な状態に保たれ、効率的な発電が行われていると判定する。   Then, the humidification state determination unit 64 finally determines the humidification state of the fuel cell 2 based on the determination results of the determination units 65 to 67 described above. Specifically, when each of the determination units 65 to 67 determines that the calculated first relative humidity φg, second relative humidity φw, and humidified water amount Q are all equal to or greater than a predetermined threshold, the fuel cell 2 is wet. It is determined that efficient power generation is performed.

(作用)
次に、上述した燃料電池システム1の作用について説明する。なお、以下の説明では、各分岐流路41〜44のうち、主にカソード側の分岐流路(カソードガス分岐流路41及びカソードオフガス分岐流路42)での作用について説明するが、その他の分岐流路43〜44の作用についてもカソードガス分岐流路41及びカソードオフガス分岐流路42での作用とほぼ同様である。
まず、エアポンプ33からカソードガス供給流路24に向けて送出されたカソードガスは、加湿器29内でカソードオフガスによって加湿された後、燃料電池2のアノードに向かって流通する。なお、加湿器29を流通するカソードオフガスは、燃料電池2で発電に供されたため、比較的高温となっている。そのため、加湿器29内では、カソードガスとカソードオフガスとの間で熱交換も行われ、カソードガスが加熱されるようになっている。
(Function)
Next, the operation of the fuel cell system 1 described above will be described. In the following description, of the branch channels 41 to 44, the operation mainly on the cathode side branch channels (the cathode gas branch channel 41 and the cathode offgas branch channel 42) will be described. The operations of the branch channels 43 to 44 are substantially the same as those of the cathode gas branch channel 41 and the cathode off-gas branch channel 42.
First, the cathode gas sent from the air pump 33 toward the cathode gas supply channel 24 is humidified by the cathode off gas in the humidifier 29 and then flows toward the anode of the fuel cell 2. Note that the cathode off-gas flowing through the humidifier 29 is subjected to power generation by the fuel cell 2 and thus has a relatively high temperature. Therefore, in the humidifier 29, heat exchange is also performed between the cathode gas and the cathode off gas, so that the cathode gas is heated.

その後、カソードガスの一部が、燃料電池2の入口直前でカソードガス分岐流路41内に流入する。この際、カソードガス分岐流路41内に分岐したカソードガスの流量は、燃料電池2での発電効率や、露点計51による測定可能な流量範囲を考慮して、予め決定する。すなわち、バイパスするカソードガスの流量が比較的多いと、露点計51での応答性は向上するが、燃料電池2へ供給されるカソードガスの流量が低下して燃料電池2での発電効率が低下するため好ましくない。一方、カソードガス分岐流路41に分岐するカソードガスの流量が比較的少ないと、燃料電池2での発電効率は維持されるが、露点計51での応答性が悪くなるため好ましくない。
そこで、本実施形態においては、カソードガス分岐流路41に分岐するカソードガスの流量は、燃料電池2の発電出力に依らず、エアポンプ33により送出されるカソードガスの流量に対して、例えば好ましい割合として0.8〜1.5%に設定する。これにより、燃料電池2での発電効率を維持した上で、露点計51による応答性も確保できる。
Thereafter, a part of the cathode gas flows into the cathode gas branch channel 41 immediately before the entrance of the fuel cell 2. At this time, the flow rate of the cathode gas branched into the cathode gas branch channel 41 is determined in advance in consideration of the power generation efficiency in the fuel cell 2 and the flow rate range measurable by the dew point meter 51. That is, if the flow rate of the cathode gas to be bypassed is relatively large, the response of the dew point meter 51 is improved, but the flow rate of the cathode gas supplied to the fuel cell 2 is reduced and the power generation efficiency in the fuel cell 2 is reduced. Therefore, it is not preferable. On the other hand, if the flow rate of the cathode gas branched into the cathode gas branch channel 41 is relatively small, the power generation efficiency in the fuel cell 2 is maintained, but the responsiveness in the dew point meter 51 is deteriorated, which is not preferable.
Therefore, in the present embodiment, the flow rate of the cathode gas branched into the cathode gas branch flow path 41 is, for example, a preferable ratio with respect to the flow rate of the cathode gas sent out by the air pump 33 regardless of the power generation output of the fuel cell 2. As 0.8 to 1.5%. Thereby, while maintaining the power generation efficiency in the fuel cell 2, the responsiveness by the dew point meter 51 is also securable.

そして、カソードガス分岐流路41内に分岐したカソードガスは、加熱領域でヒーター45により加熱された後、露点計51で露点が計測される。この際、加熱領域では、ヒーター45によってカソードガスを燃料電池2の作動温度以上(例えば、約85℃程度)まで加熱する。このように、燃料電池システム1内の最高温度である燃料電池2の動作温度以上にカソードガス分岐流路41内のカソードガスを加熱することで、カソードガス分岐流路41内での水蒸気の結露を確実に抑制できる。
また、加熱領域において、カソードガス分岐流路41を流通するカソードガスを、カソードガス流路22に供給されるカソードガスに比べて10℃以上加熱するようにしても構わない。これによっても、カソードガス分岐流路41内での水蒸気の結露を確実に抑制できる。但し、加熱温度が高すぎると、ヒーター45の消費電力が大きくなるため好ましくない。
The cathode gas branched into the cathode gas branch channel 41 is heated by the heater 45 in the heating region, and then the dew point is measured by the dew point meter 51. At this time, in the heating region, the heater 45 heats the cathode gas to a temperature higher than the operating temperature of the fuel cell 2 (for example, about 85 ° C.). As described above, the cathode gas in the cathode gas branch channel 41 is heated to a temperature higher than the operating temperature of the fuel cell 2 which is the maximum temperature in the fuel cell system 1, thereby condensing water vapor in the cathode gas branch channel 41. Can be reliably suppressed.
In the heating region, the cathode gas flowing through the cathode gas branch channel 41 may be heated by 10 ° C. or more as compared with the cathode gas supplied to the cathode gas channel 22. Also by this, the dew condensation of water vapor in the cathode gas branch channel 41 can be reliably suppressed. However, if the heating temperature is too high, the power consumption of the heater 45 increases, which is not preferable.

また、カソードガス分岐流路41内に分岐したカソードガスは、露点計51の下流側で細管部55を通った後、カソードオフガス排出流路38内へ流入する。この場合、細管部55において、所定の排気圧損を得られるように設定することで、カソードガス分岐流路41内を流通するカソードガスの流量を調整することができ、カソードガス分岐流路41内に常に一定以上の流量でカソードガスを供給できる。これにより、応答遅れの無いリアルタイムでの計測が実現できる。その後、カソードオフガス排出流路38内へ流入したカソードガスは、希釈ボックス31を通って排出通路36から排出される。   Further, the cathode gas branched into the cathode gas branch channel 41 flows into the cathode off-gas discharge channel 38 after passing through the narrow tube portion 55 on the downstream side of the dew point meter 51. In this case, by setting the narrow tube portion 55 so as to obtain a predetermined exhaust pressure loss, the flow rate of the cathode gas flowing through the cathode gas branch flow channel 41 can be adjusted, and the inside of the cathode gas branch flow channel 41 can be adjusted. The cathode gas can always be supplied at a constant flow rate. Thereby, real-time measurement without response delay can be realized. Thereafter, the cathode gas that has flowed into the cathode off-gas discharge flow path 38 is discharged from the discharge passage 36 through the dilution box 31.

一方、カソードガス分岐流路41へ分岐せずに、カソードガス供給流路24を燃料電池2に向けて流通するカソードガスは、燃料電池2の入口側でカソードガス流路22に供給される。そして、カソードガスは、カソードガス流路22において発電に供された後、カソードオフガスとしてカソードオフガス排出流路38に排出される。カソードオフガス排出流路38に排出されたカソードオフガスのうち、一部のカソードオフガスは、燃料電池2の出口付近でカソードオフガス分岐流路42内に分岐する。そして、カソードオフガス分岐流路42内に分岐したカソードガスは、加熱領域でヒーター46により加熱された後、露点計52で露点が計測される。その後、カソードオフガス分岐流路42内に分岐したカソードオフガスは、露点計52の下流側で細管部56を通った後、カソードオフガス排出流路38内へ再び合流する。   On the other hand, the cathode gas that flows through the cathode gas supply channel 24 toward the fuel cell 2 without branching to the cathode gas branch channel 41 is supplied to the cathode gas channel 22 on the inlet side of the fuel cell 2. The cathode gas is supplied for power generation in the cathode gas flow path 22 and then discharged to the cathode off gas discharge flow path 38 as a cathode off gas. Of the cathode offgas discharged to the cathode offgas discharge channel 38, a part of the cathode offgas branches into the cathode offgas branch channel 42 near the outlet of the fuel cell 2. The cathode gas branched into the cathode off-gas branching channel 42 is heated by the heater 46 in the heating region, and then the dew point is measured by the dew point meter 52. Thereafter, the cathode offgas branched into the cathode offgas branching channel 42 passes through the narrow tube portion 56 on the downstream side of the dew point meter 52 and then merges again into the cathode offgas discharge channel 38.

ところで、燃料電池システム1では、システム停止時に、アノードガス分岐流路43及びアノードオフガス分岐流路44が開放状態であると、外部からアノードガス分岐流路43やアノードオフガス分岐流路44内に大気が逆流して、大気中に含まれる塵埃等がアノードガス供給手段12や燃料電池2内に侵入してくる虞がある。   By the way, in the fuel cell system 1, if the anode gas branch flow path 43 and the anode off gas branch flow path 44 are in an open state when the system is stopped, the atmosphere enters the anode gas branch flow path 43 and the anode off gas branch flow path 44 from the outside. May flow backward, and dust or the like contained in the atmosphere may enter the anode gas supply means 12 or the fuel cell 2.

そこで、本実施形態では、アノードガス分岐流路43及びアノードオフガス分岐流路44に開閉弁59,60を設け、燃料電池システム1の停止時に開閉弁59,60を閉弁しておくことで、燃料電池システム1の停止中における大気の逆流を防ぐことができる。これにより、アノードガス供給手段12や燃料電池2内等への塵埃の侵入を防止できる。また、後述するステップS1において、燃料電池システム1の起動後、アノードガス圧力判定手段61により燃料電池2内のアノードガス圧力Pa1,Pa2が、アノードガス圧力閾値Pal1,Pal2以上であると判定された場合に、開閉弁59,60を開弁することで、開閉弁59,60の開弁した時点での大気の逆流を防止し、反応ガス(アノードガス及びアノードオフガス)を所望の流通方向に流通させることができる。   Therefore, in the present embodiment, the on / off valves 59 and 60 are provided in the anode gas branch channel 43 and the anode off gas branch channel 44, and the on / off valves 59 and 60 are closed when the fuel cell system 1 is stopped. It is possible to prevent backflow of the atmosphere while the fuel cell system 1 is stopped. Thereby, it is possible to prevent dust from entering the anode gas supply means 12, the fuel cell 2, and the like. In step S1, which will be described later, after the fuel cell system 1 is started, the anode gas pressure determination means 61 determines that the anode gas pressures Pa1 and Pa2 in the fuel cell 2 are equal to or higher than the anode gas pressure thresholds Pal1 and Pal2. In this case, by opening the on-off valves 59, 60, the backflow of the atmosphere at the time when the on-off valves 59, 60 are opened is prevented, and the reaction gas (anode gas and anode off-gas) is circulated in a desired flow direction. Can be made.

また、メイン流路(アノードガス供給流路23、カソードガス供給流路24、アノードガス排出流路35、及びカソードガス排出流路38)には、燃料電池2から排出される生成水が多く存在している。そのため、メイン流路に露点計51〜54を直接配置する構成では、露点計51〜54への水の付着により計測誤差や、応答性の低下を引き起こす可能性がある。   In addition, the main flow path (the anode gas supply flow path 23, the cathode gas supply flow path 24, the anode gas discharge flow path 35, and the cathode gas discharge flow path 38) has a large amount of generated water discharged from the fuel cell 2. doing. Therefore, in the configuration in which the dew point meters 51 to 54 are directly arranged in the main flow path, there is a possibility that measurement errors and responsiveness may be reduced due to water adhering to the dew point meters 51 to 54.

そこで、本実施形態では、メイン流路の分岐部から分岐する分岐流路41〜44を形成する構成とした。
この構成によれば、分岐流路41〜44を形成することで、メイン流路から分岐流路41〜44内への生成水の流入を抑制できる。これにより、露点計51〜54の計測時において、生成水による影響を可能な限り排除して、分岐流路41〜44内を流通する反応ガスの露点を正確に計測できる。
Therefore, in the present embodiment, the branch flow paths 41 to 44 branched from the branch portion of the main flow path are formed.
According to this configuration, by forming the branch channels 41 to 44, the inflow of generated water from the main channel into the branch channels 41 to 44 can be suppressed. Thereby, the dew point of the reaction gas which distribute | circulates the inside of the branch flow paths 41-44 can be measured correctly, eliminating the influence by generated water as much as possible at the time of the measurement of the dew point meters 51-54.

また、分岐流路41〜44上にヒーター45〜48を介して露点計51〜54を配置することで、分岐流路41〜44内を流通する反応ガス温度を上昇させ、分岐流路41〜44内での反応ガスの相対湿度φg,φwを低減することができるため、反応ガス中に含まれる水蒸気の結露を抑制できるので、分岐流路41〜44内を流通する反応ガスの露点(絶対湿度)を正確に測定できる。そのため、燃料電池システム1の起動時や過渡時等、流体温度が比較的低い場合であっても、水蒸気の結露を抑制して反応ガスの露点を正確に計測できる。なお、上述したように分岐流路41〜44内ではヒーター45〜48によって反応ガスの相対湿度φg,φwの低減が図られているため、仮に分岐流路41〜44内を流通する反応ガス中の水蒸気(露点を計測すべき水分)が結露したとしても、この結露水を速やかに蒸発させることができる。したがって、露点計51〜54でより正確に露点を計測できる。さらに、露点計51〜54よりも上流側で燃料電池2の動作温度以上に高めることで、例えば露点計51〜54を直接加熱するような構成に比べて、露点計51〜54の熱による誤作動等を防止して、反応ガスの露点を正確に計測できる。   Moreover, the reaction gas temperature which distribute | circulates the inside of the branch flow paths 41-44 is raised by arrange | positioning the dew point meters 51-54 on the branch flow paths 41-44 via the heaters 45-48, and the branch flow paths 41-44 are increased. Since the relative humidity φg and φw of the reaction gas in the reaction gas 44 can be reduced, it is possible to suppress the dew condensation of water vapor contained in the reaction gas. Humidity) can be measured accurately. Therefore, even when the fluid temperature is relatively low, such as when the fuel cell system 1 is started up or in a transition, the dew point of the reaction gas can be accurately measured by suppressing the dew condensation of water vapor. As described above, since the relative humidity φg and φw of the reaction gas is reduced by the heaters 45 to 48 in the branch flow paths 41 to 44, the reaction gas flowing in the branch flow paths 41 to 44 is temporarily in the reaction gas. Even if water vapor (water whose dew point is to be measured) is condensed, the condensed water can be quickly evaporated. Therefore, the dew point can be measured more accurately by the dew point meters 51-54. Further, by raising the temperature above the operating temperature of the fuel cell 2 on the upstream side of the dew point meters 51 to 54, for example, compared to a configuration in which the dew point meters 51 to 54 are directly heated, an error caused by the heat of the dew point meters 51 to 54 is caused. The dew point of the reaction gas can be accurately measured by preventing operation and the like.

また、上述したエゼクタ26により循環されるアノードオフガスには、水蒸気が多量に含まれているため、アノードガス供給流路23内で結露し易いという問題がある。さらに、燃料電池システム1の起動時等においては、アノードガスを加熱するための熱交換器が温まっておらず、燃料電池2に供給されるアノード入口ガス温度が比較的低い。そのため、アノードガス供給流路23内で結露が生じやすいという問題がある。
これらの問題に対しても、本実施形態では、アノードガス分岐流路43上にヒーター47を介して露点計53を配置することで、アノードガス分岐流路43内を流通するアノードガス温度を上昇させ、分岐流路43での相対湿度φg,φwを低減することができる。これにより、アノードガス中に含まれる水蒸気の結露を抑制して、露点計53によってアノードガスの露点を正確に計測できる。
Further, since the anode off-gas circulated by the ejector 26 described above contains a large amount of water vapor, there is a problem that condensation is likely to occur in the anode gas supply channel 23. Further, when the fuel cell system 1 is started, the heat exchanger for heating the anode gas is not warmed, and the anode inlet gas temperature supplied to the fuel cell 2 is relatively low. Therefore, there is a problem that dew condensation is likely to occur in the anode gas supply channel 23.
In order to cope with these problems, in the present embodiment, the dew point meter 53 is disposed on the anode gas branch flow path 43 via the heater 47, thereby increasing the temperature of the anode gas flowing through the anode gas branch flow path 43. Thus, the relative humidity φg and φw in the branch channel 43 can be reduced. Thereby, the dew point of the water vapor contained in the anode gas can be suppressed, and the dew point of the anode gas can be accurately measured by the dew point meter 53.

(燃料電池システムの制御方法)
次に、上述した燃料電池システム1の制御方法について説明する。具体的には、燃料電池2の加湿状態制御について説明する。図3は、燃料電池システムの制御方法を説明するためのフローチャートである。
まず、ステップS1において、燃料電池システム1の起動後、圧力センサにより検出されたアノードガス圧力Pa(アノード入口ガス圧力Pa1及びアノード出口ガス圧力Pa2)が、アノードガス圧力判定手段61に記憶されたアノードガス圧力閾値(アノード入口ガス圧力閾値Pa1l及びアノード出口ガス圧力閾値Pa2l)よりも高いか否かを判定する。
(Control method of fuel cell system)
Next, the control method of the fuel cell system 1 described above will be described. Specifically, the humidification state control of the fuel cell 2 will be described. FIG. 3 is a flowchart for explaining a control method of the fuel cell system.
First, in step S1, the anode gas pressure Pa (anode inlet gas pressure Pa1 and anode outlet gas pressure Pa2) detected by the pressure sensor after the start of the fuel cell system 1 is stored in the anode gas pressure determination means 61. It is determined whether or not the gas pressure threshold is higher than the anode inlet gas pressure threshold Pa1l and the anode outlet gas pressure threshold Pa2l.

ステップS1における判定結果が「NO」の場合(Pa1≦Pal、かつPa2≦Palの場合)は、開閉弁59,60を開弁せずに、ステップS1の判定を定期的に繰り返す。
一方、ステップS2における判定結果が「YES」の場合(Pa1>Pal、かつPa2>Palの場合)は、ステップS2に進む。そして、ステップS2において、開閉弁59,60を開弁すると、アノードガス分岐流路43及びアノードオフガス分岐流路44内にアノードガス及びアノードオフガスが流通する。
When the determination result in step S1 is “NO” (when Pa1 ≦ Pal and Pa2 ≦ Pal), the determination in step S1 is periodically repeated without opening the on-off valves 59 and 60.
On the other hand, when the determination result in step S2 is “YES” (when Pa1> Pal and Pa2> Pal), the process proceeds to step S2. In step S 2, when the on-off valves 59 and 60 are opened, the anode gas and the anode off gas flow through the anode gas branch channel 43 and the anode off gas branch channel 44.

次に、ステップS3において、各分岐流路41〜44に接続された露点計51〜54により、分岐流路41〜44での反応ガスの露点温度(アノード入口側でのアノードガスの露点温度Thain及び出口側でのアノードオフガスの露点温度Thaout並びにカソード入口側でのカソードガスの露点温度Thcin及び出口側でのカソードオフガスの露点温度Thcout)を計測する。   Next, in step S3, the dew point meters 51 to 54 connected to the branch channels 41 to 44 are used to determine the dew point temperature of the reaction gas in the branch channels 41 to 44 (the dew point temperature of the anode gas on the anode inlet side Than). And the dew point temperature Thaout of the anode off gas at the outlet side, the dew point temperature Thcin of the cathode gas at the cathode inlet side, and the dew point temperature Thcout of the cathode off gas at the outlet side.

続いて、ステップS4において、ステップS3で計測した露点温度に基づいて、第1相対湿度φg、入口冷媒温度Twinに対する第2相対湿度φw及び加湿水量Qを算出する。   Subsequently, in step S4, based on the dew point temperature measured in step S3, the first relative humidity φg, the second relative humidity φw with respect to the inlet refrigerant temperature Twin, and the amount of humidified water Q are calculated.

(湿度算出方法)
ここで、ステップS4における第1相対湿度φg及び第2相対湿度φwの算出方法について説明する。なお、以下の説明では、カソード入口側での第1相対湿度φg及び第2相対湿度φwの算出方法を例にして説明するが、他の箇所についても同様の方法で計測することができる。
湿度算出手段62は、まず露点計51で計測されたカソード入口側でのカソードガスの露点温度Thcin(以下、ガス露点温度Thcinという)を数式1に示す近似式に代入し、カソード入口側でのガス露点温度Thcinにおける飽和水蒸気圧Pcthin(kPa)を算出する。
(Humidity calculation method)
Here, a method of calculating the first relative humidity φg and the second relative humidity φw in step S4 will be described. In the following description, the calculation method of the first relative humidity φg and the second relative humidity φw on the cathode inlet side will be described as an example, but other portions can be measured by the same method.
The humidity calculating means 62 first substitutes the dew point temperature Thcin of the cathode gas at the cathode inlet side measured by the dew point meter 51 (hereinafter referred to as gas dew point temperature Thcin) into the approximate expression shown in Equation 1, and The saturated water vapor pressure Pcthin (kPa) at the gas dew point temperature Thcin is calculated.

Figure 0005396325
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次に、温度センサにより計測された燃料電池2のカソード入口ガス温度Tcinを、数式2に示す近似式に代入し、燃料電池2のカソード入口ガス温度Tcinにおける飽和水蒸気圧Pct(kPa)を算出する。   Next, the cathode inlet gas temperature Tcin of the fuel cell 2 measured by the temperature sensor is substituted into the approximate expression shown in Equation 2, and the saturated water vapor pressure Pct (kPa) at the cathode inlet gas temperature Tcin of the fuel cell 2 is calculated. .

Figure 0005396325
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そして、数式3に基づいて、カソード入口ガス温度Tcinにおける飽和水蒸気圧Pctに対するカソード入口側でのガス露点温度Thcinにおける飽和水蒸気圧Pcthの割合から、カソード入口ガス温度Tcinに対するカソードガスの第1相対湿度φgを算出する。   Based on Equation 3, the first relative humidity of the cathode gas with respect to the cathode inlet gas temperature Tcin is calculated from the ratio of the saturated water vapor pressure Pcth at the gas dew point temperature Thcin at the cathode inlet side to the saturated water vapor pressure Pct at the cathode inlet gas temperature Tcin. Calculate φg.

Figure 0005396325
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一方、燃料電池2の入口側での第2相対湿度φwを算出するためには、まず燃料電池2における入口冷媒温度Twinにおける飽和水蒸気圧Pcw(kPa)を算出する。具体的には、冷媒温度センサ19により計測された入口冷媒温度Twinを数式4に示す近似式に代入し、入口冷媒温度Twinにおける飽和水蒸気圧Pcw(kPa)を算出する。   On the other hand, in order to calculate the second relative humidity φw at the inlet side of the fuel cell 2, first, the saturated water vapor pressure Pcw (kPa) at the inlet refrigerant temperature Twin in the fuel cell 2 is calculated. More specifically, the saturated refrigerant pressure Pcw (kPa) at the inlet refrigerant temperature Twin is calculated by substituting the inlet refrigerant temperature Twin measured by the refrigerant temperature sensor 19 into the approximate expression shown in Equation 4.

Figure 0005396325
Figure 0005396325

そして、数式5に基づいて、入口冷媒温度Twinにおける飽和水蒸気圧Pctに対するカソード入口ガス露点温度Thcinにおける飽和水蒸気圧Pcwの割合から、入口冷媒温度Twinに対するカソードガスの第2相対湿度φwを算出する。   Then, based on Formula 5, the second relative humidity φw of the cathode gas with respect to the inlet refrigerant temperature Twin is calculated from the ratio of the saturated water vapor pressure Pcw at the cathode inlet gas dew point temperature Thcin to the saturated water vapor pressure Pct at the inlet refrigerant temperature Twin.

Figure 0005396325
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なお、第2相対湿度φwを求める理由としては、燃料電池システム1では、冷媒温度(例えば、入口冷媒温度Twin)と露点温度(例えば、カソード入口側でのガス露点温度Thcin)との関係、すなわち入口冷媒温度Twinに対するカソードガスの第2相対湿度φwによって、燃料電池2内で生成される生成水量QW(燃料電池2の加湿に使われる水量)が異なるためである。例えば、カソード入口ガス温度Tcinが50℃、カソード入口側でのガス露点温度Thcinが30℃、入口冷媒温度Twinが25℃の場合であれば、燃料電池2内でのカソードガスと冷媒との熱交換により、カソードガスの熱は冷媒に向けて放熱される。この場合、燃料電池2内でのカソードガス温度がカソード入口ガス露点温度Thcinに達すると、カソードガス中の水蒸気が燃料電池2内で結露することで、燃料電池2に水分を供給しやすくなる。
このように、入口冷媒温度Twinに対するカソードガスの第2相対湿度φwを求めることで、燃料電池2内でのカソードガスの結露状況を把握でき、燃料電池2への加湿し易さを把握できる。
The reason for obtaining the second relative humidity φw is that, in the fuel cell system 1, the relationship between the refrigerant temperature (for example, the inlet refrigerant temperature Twin) and the dew point temperature (for example, the gas dew point temperature Thcin at the cathode inlet side), that is, This is because the amount of generated water QW (the amount of water used for humidification of the fuel cell 2) generated in the fuel cell 2 varies depending on the second relative humidity φw of the cathode gas with respect to the inlet refrigerant temperature Twin. For example, if the cathode inlet gas temperature Tcin is 50 ° C., the gas dew point temperature Thcin at the cathode inlet side is 30 ° C., and the inlet refrigerant temperature Twin is 25 ° C., the heat of the cathode gas and refrigerant in the fuel cell 2 By the exchange, the heat of the cathode gas is radiated toward the refrigerant. In this case, when the cathode gas temperature in the fuel cell 2 reaches the cathode inlet gas dew point temperature Thcin, water vapor in the cathode gas is condensed in the fuel cell 2, so that it becomes easy to supply moisture to the fuel cell 2.
Thus, by obtaining the second relative humidity φw of the cathode gas with respect to the inlet refrigerant temperature Twin, it is possible to grasp the dew condensation state of the cathode gas in the fuel cell 2 and to grasp the ease of humidification of the fuel cell 2.

(加湿水量算出方法)
次に、燃料電池2での加湿水量Q(燃料電池2の加湿に使われる水の量)を算出する。図4は、燃料電池システム(カソード側)での水収支を説明するための説明図である。
図4に示すように、燃料電池2に供給されるカソードガス中に含まれる水分量を投入水分量Qin(g/sec)、燃料電池2で発電や結露等によって生成される生成水の量を生成水量QW(g/sec)、燃料電池2から排出されるカソードオフガス中に含まれる水分量を排出水分量Qout(g/sec)とすると、燃料電池2内での加湿水量Q(g/sec)は、数式6で表すことができる。
(Method for calculating the amount of humidified water)
Next, the amount of humidified water Q in the fuel cell 2 (the amount of water used for humidifying the fuel cell 2) is calculated. FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining a water balance in the fuel cell system (cathode side).
As shown in FIG. 4, the amount of water contained in the cathode gas supplied to the fuel cell 2 is the amount of input water Qin (g / sec), and the amount of generated water generated by the fuel cell 2 by power generation, condensation, etc. When the amount of generated water QW (g / sec) and the amount of water contained in the cathode off-gas discharged from the fuel cell 2 is the amount of water Qout (g / sec), the amount of humidified water Q (g / sec) in the fuel cell 2 ) Can be expressed by Equation 6.

Figure 0005396325
Figure 0005396325

そこで、本実施形態では、水収支算出手段63により、まず上述した投入水分量Qin、生成水量QW、排出水分量Qoutをそれぞれ算出する。
投入水分量Qin(g/sec)を算出するためには、まずエアポンプ33の流量センサで検出されたカソードに供給されるエア量をGin(NL/sec)、標準状態(1気圧・0℃)の時の1molあたりのエアの体積を22.4(NL)、水の分子量を18としたときに、エアのモル数に対する水のモル数の比は数式7で表される。
Therefore, in the present embodiment, the water balance calculating means 63 first calculates the input water amount Qin, the generated water amount QW, and the discharged water amount Qout, respectively.
In order to calculate the input water amount Qin (g / sec), first, the amount of air supplied to the cathode detected by the flow sensor of the air pump 33 is Gin (NL / sec), standard state (1 atm. 0 ° C.) The ratio of the number of moles of water to the number of moles of air is expressed by Equation 7 where the volume of air per mole at that time is 22.4 (NL) and the molecular weight of water is 18.

Figure 0005396325
Figure 0005396325

一方で、上述した数式1で算出したカソード入口側でのガス露点温度Thcinにおける飽和水蒸気圧をPcthin、圧力センサにより検出されたカソード入口ガス圧力をPcinとし、数式8によりエア分圧に対する水蒸気分圧の比を算出する。   On the other hand, the saturated water vapor pressure at the gas dew point temperature Thcin on the cathode inlet side calculated by Equation 1 above is Pcthin, the cathode inlet gas pressure detected by the pressure sensor is Pcin, and the water vapor partial pressure relative to the air partial pressure is obtained by Equation 8. The ratio is calculated.

Figure 0005396325
Figure 0005396325

数式7のモル比と、数式8の分圧比は等しくなるので、数式9が成り立つ。   Since the molar ratio of Equation 7 is equal to the partial pressure ratio of Equation 8, Equation 9 is established.

Figure 0005396325
Figure 0005396325

数式9をQinについて解くと、数式10を得ることができる。そして、数式10にそれぞれ値を代入することで、投入水分量Qin(g/sec)を算出する。   When Equation 9 is solved for Qin, Equation 10 can be obtained. Then, by substituting the values into Equation 10, the input water amount Qin (g / sec) is calculated.

Figure 0005396325
Figure 0005396325

次に、燃料電池2での生成水量QW(kPa)を算出するために、まず発電電流計を用いて燃料電池2での電流値I(C/sec)を計測し、計測した電流値I(C/sec)を用いて、水素使用量L(mol/sec)を算出する。具体的には、燃料電池2での水素(アノードガス)使用量をL(mol/sec)、発電反応中(H→2H+2e)の1個の水素分子から取り出される電子数を2、ファラデー定数を96500(C/mol)とすると、各セルでの電流値I(C/sec)は数式11で表すことができる。 Next, in order to calculate the generated water amount QW (kPa) in the fuel cell 2, the current value I (C / sec) in the fuel cell 2 is first measured using a power generation ammeter, and the measured current value I ( C / sec) is used to calculate the hydrogen usage L (mol / sec). Specifically, the amount of hydrogen (anode gas) used in the fuel cell 2 is L (mol / sec), and the number of electrons extracted from one hydrogen molecule during the power generation reaction (H 2 → 2H + + 2e ) is 2 When the Faraday constant is 96500 (C / mol), the current value I (C / sec) in each cell can be expressed by Equation 11.

Figure 0005396325
Figure 0005396325

そして、数式11をL(mol/sec)について解くとともに、燃料電池2の積層セル数nを掛けることで、数式12により燃料電池2全体における水素消費量Lz(mol/sec)を算出する。   Then, while solving Equation 11 for L (mol / sec) and multiplying by the number n of stacked cells of the fuel cell 2, the hydrogen consumption Lz (mol / sec) in the entire fuel cell 2 is calculated by Equation 12.

Figure 0005396325
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この場合、水素の消費量Lz(mol/sec)に対して、同じモル数だけ水分が発生するため(H+O/2→HO)、生成水量QW(g/sec)は、水の分子量18を用いて、数式13により表すことができる。
以上により、生成水量QW(g/sec)を算出する。
In this case, the consumption of hydrogen Lz (mol / sec), since water by the same number of moles is generated (H 2 + O 2/2 → H 2 O), water quantity QW (g / sec) is water The molecular weight of 18 can be used to express by Equation 13.
Thus, the generated water amount QW (g / sec) is calculated.

Figure 0005396325
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次に、排出水分量Qout(g/sec)を算出するために、燃料電池2におけるカソード出口でのエア量(カソードオフガス量)Gout(NL/sec)を算出する。カソードオフガス量Gout(NL/sec)は、燃料電池2での酸素消費量(22.4×Lz/2)をGoとすると、数式14により表すことができる。 Next, in order to calculate the discharged water amount Qout (g / sec), the air amount (cathode off-gas amount) Gout (NL / sec) at the cathode outlet in the fuel cell 2 is calculated. The cathode off-gas amount Gout (NL / sec) can be expressed by Equation 14 when the oxygen consumption (22.4 × Lz / 2) in the fuel cell 2 is Go 2 .

Figure 0005396325
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続いて、数式15に示す近似式に露点計52で計測されたカソード出口側でのガス露点温度Thcoutを代入し、ガス露点温度Thcoutにおける飽和水蒸気圧Pcthout(kPa)を算出する。   Subsequently, the gas dew point temperature Thcout on the cathode outlet side measured by the dew point meter 52 is substituted into the approximate expression shown in Formula 15, and the saturated water vapor pressure Pcthout (kPa) at the gas dew point temperature Thcout is calculated.

Figure 0005396325
Figure 0005396325

上述した数式15で算出したガス露点温度Thcoutにおける飽和水蒸気圧をPcthout、圧力センサにより検出されたカソード出口ガス圧力をPcoutとし、上述した数式7〜数式9と同様に計算を行うと、排出水分量Qout(g/sec)は数式16のように算出できる。そして、数式16にそれぞれ値を代入することで、排出水分量Qout(g/sec)を算出できる。   When the saturated water vapor pressure at the gas dew point temperature Thcout calculated by Equation 15 described above is Pcthout, the cathode outlet gas pressure detected by the pressure sensor is Pcout, and calculation is performed in the same manner as Equations 7 to 9, the amount of discharged water Qout (g / sec) can be calculated as in Expression 16. Then, by substituting the values into Equation 16, the discharged water amount Qout (g / sec) can be calculated.

Figure 0005396325
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そして、水収支算出手段63は、上述した数式(6)に投入水分量Qin(g/sec)、生成水量QW(g/sec)、排出水分量Qout(g/sec)をそれぞれ代入して、加湿水量Q(g/sec)を算出する。   Then, the water balance calculation means 63 substitutes the input water amount Qin (g / sec), the generated water amount QW (g / sec), and the discharged water amount Qout (g / sec) into the above-described equation (6), respectively. The amount of humidified water Q (g / sec) is calculated.

次に、図3に戻り、ステップS5において、ステップS4で算出した第1相対湿度φg、第2相対湿度φw、及び加湿水量Qに基づいて、燃料電池2の加湿状態を判定する。具体的には、加湿状態判定手段64の各判定手段65〜67により、ステップS4で算出された値が所定閾値(第1相対湿度閾値φgl、第2相対湿度閾値φwl、及び加湿水量閾値Ql)以上であるか否かで判定する。そして、加湿状態判定手段64は、ステップS4で算出された値が全て所定閾値以上であった場合に加湿状態が良好であると判定する。   Next, returning to FIG. 3, in step S5, the humidification state of the fuel cell 2 is determined based on the first relative humidity φg, the second relative humidity φw, and the humidified water amount Q calculated in step S4. Specifically, the values calculated in step S4 by the determination means 65 to 67 of the humidification state determination means 64 are the predetermined threshold values (first relative humidity threshold value φgl, second relative humidity threshold value φwl, and humidified water amount threshold value Ql). Judgment is made based on whether or not this is the case. And the humidification state determination means 64 determines that a humidification state is favorable, when all the values calculated by step S4 are more than a predetermined threshold value.

図5,図6は、加湿状態判定を説明するためのグラフであり、図5は第1相対湿度φg(%)と第2相対湿度φw(%)とに基づいて加湿状態を判定するためのグラフであり、図6は加湿水量Qに基づいて加湿状態を判定するためのグラフである。
本実施形態では、図5に示すように、第1相対湿度判定手段65及び第2相対湿度判定手段66により、第1相対湿度φg及び第2相対湿度φwが何れも所定閾値以上(φg≧φgl、かつφw≧φwl)であると判定された場合(図5中領域A)であって、図6に示すように、加湿量判定手段67により、加湿水量Qが加湿水量閾値Ql以上(Q≧Ql)であると判定された場合(図6中領域Y)の場合に、加湿状態が良好であると判定する。すなわち、燃料電池2が湿潤な状態に保たれ、効率的な発電が行われていると判定する。この場合は、図3のフローを終了する。
5 and 6 are graphs for explaining the humidification state determination, and FIG. 5 is a graph for determining the humidification state based on the first relative humidity φg (%) and the second relative humidity φw (%). FIG. 6 is a graph for determining the humidified state based on the humidified water amount Q.
In the present embodiment, as shown in FIG. 5, the first relative humidity determination means 65 and the second relative humidity determination means 66 cause both the first relative humidity φg and the second relative humidity φw to be equal to or greater than a predetermined threshold (φg ≧ φgl). And φw ≧ φwl) (region A in FIG. 5), and as shown in FIG. 6, the humidification amount determination means 67 causes the humidification amount Q to be equal to or higher than the humidification amount threshold Ql (Q ≧). Q1) is determined (region Y in FIG. 6), it is determined that the humidified state is good. That is, it is determined that the fuel cell 2 is kept wet and efficient power generation is being performed. In this case, the flow of FIG. 3 ends.

一方で、図5,図6に示すように、第1相対湿度φg、第2相対湿度φw、及び発電電流に対する加湿水量Qのうち、何れかが所定閾値未満の場合には、加湿不良と判定してステップS6に進む。
ステップS6では、加湿状態を回復するために、加湿増制御を行う。図5中領域Bのように、第1相対湿度φgは高いものの、第2相対湿度φwが所定値未満の場合(φg≧φgl、かつφw<φwl)には、入口冷媒温度Twinが高い虞があるため、入口冷媒温度Twinを低下させる制御を行う。具体的に、燃料電池2に供給する冷媒流量を増加させることで入口冷媒温度Twinを低下させ、入口冷媒温度Twinにおける飽和水蒸気圧Pcwを低下させ、入口冷媒温度Twinに対するカソードガスの第2相対湿度φwを高める。
また、第2相対湿度φwが所定値未満であって、カソード入口ガス温度Tcinが低い虞がある場合には、カソード入口ガス温度Tcinを上げるために、燃料電池2に供給するカソード流量(エア量)を低下させる(ストイキを下げる)ことで、加湿器29内でのカソードオフガスとの熱交換による温度上昇を促進させることができる。これにより、カソード入口ガス温度Twinを上昇させ、入口冷媒温度Twinに対するカソードガスの第2相対湿度φwを高める。なお、ストイキとは、燃料電池2でのカソードガスの必要消費量に対する投入量である。
On the other hand, as shown in FIGS. 5 and 6, if any of the first relative humidity φg, the second relative humidity φw, and the amount of humidified water Q with respect to the generated current is less than a predetermined threshold, it is determined that the humidification is defective. Then, the process proceeds to step S6.
In step S6, humidification increase control is performed to recover the humidified state. Although the first relative humidity φg is high as in the region B in FIG. 5, when the second relative humidity φw is less than a predetermined value (φg ≧ φgl and φw <φwl), the inlet refrigerant temperature Twin may be high. Therefore, control is performed to lower the inlet refrigerant temperature Twin. Specifically, the refrigerant flow rate supplied to the fuel cell 2 is increased to lower the inlet refrigerant temperature Twin, the saturated water vapor pressure Pcw at the inlet refrigerant temperature Twin is lowered, and the second relative humidity of the cathode gas with respect to the inlet refrigerant temperature Twin. Increase φw.
When the second relative humidity φw is less than a predetermined value and the cathode inlet gas temperature Tcin is likely to be low, the cathode flow rate (air amount) supplied to the fuel cell 2 in order to increase the cathode inlet gas temperature Tcin. ) (Lowering the stoichiometry) can promote a temperature increase due to heat exchange with the cathode off-gas in the humidifier 29. As a result, the cathode inlet gas temperature Twin is increased, and the second relative humidity φw of the cathode gas with respect to the inlet refrigerant temperature Twin is increased. Note that the stoichiometry is an input amount with respect to a necessary consumption amount of the cathode gas in the fuel cell 2.

一方、図5中領域Cのように、第2相対湿度φwは高いものの、第1相対湿度φgが所定値未満の場合(φw≧φwl、かつφg<φgl)には、第2相対湿度φwを維持したままで、第1相対湿度φgを増加させる必要がある。この場合には、入口冷媒温度Twinを維持した状態でカソード入口ガス温度Tcinを低下させる。カソード入口ガス温度Tcinを低下させるには、例えば、カソード流量(エア量)を増加させる(ストイキを上げる)等の処置が考えられる。これにより、加湿器29内でのカソードオフガスとの熱交換による温度上昇を抑制させ、カソード入口ガス温度Tcinを低下させる。その結果、カソード入口ガス温度Tcinにおける飽和水蒸気圧Pctを低下させ、カソード入口ガス温度Tcinに対するカソードガスの第1相対湿度φgを高めることができる。   On the other hand, when the second relative humidity φw is high but the first relative humidity φg is less than a predetermined value (φw ≧ φwl and φg <φgl) as in the region C in FIG. 5, the second relative humidity φw is set to It is necessary to increase the first relative humidity φg while maintaining it. In this case, the cathode inlet gas temperature Tcin is lowered while maintaining the inlet refrigerant temperature Twin. In order to lower the cathode inlet gas temperature Tcin, for example, a measure such as increasing the cathode flow rate (air amount) (increasing stoichiometry) or the like can be considered. Thereby, the temperature rise by the heat exchange with the cathode off gas in the humidifier 29 is suppressed, and the cathode inlet gas temperature Tcin is lowered. As a result, the saturated water vapor pressure Pct at the cathode inlet gas temperature Tcin can be reduced, and the first relative humidity φg of the cathode gas with respect to the cathode inlet gas temperature Tcin can be increased.

また、図5中領域Dのように、第1相対湿度φg、及び第2相対湿度φwの双方が所定値未満の場合(φg<φgl、かつφw<φwl)には、上述した各方法を適宜採用して、第1相対湿度φg、及び第2相対湿度φwが所定値以上(図5中領域A)になるように制御する。また、カソードガス圧力を増加(カソードガスの流速低下)させて、カソード入口ガス温度Tcinを増加させることも可能である。   Further, when both the first relative humidity φg and the second relative humidity φw are less than a predetermined value (φg <φgl and φw <φwl) as in the region D in FIG. The first relative humidity φg and the second relative humidity φw are controlled to be equal to or higher than a predetermined value (area A in FIG. 5). It is also possible to increase the cathode inlet gas temperature Tcin by increasing the cathode gas pressure (decreasing the cathode gas flow rate).

また、図6中領域Xのように、加湿水量Qが加湿水量閾値Ql未満の場合(Q<Ql)、加湿水量Qを増加させる必要がある。この場合には、例えば、加湿器29での水分交換の効率を上げる等の処置が考えられる。   Further, as shown in the region X in FIG. 6, when the humidified water amount Q is less than the humidified water amount threshold Ql (Q <Ql), it is necessary to increase the humidified water amount Q. In this case, for example, measures such as increasing the efficiency of moisture exchange in the humidifier 29 can be considered.

ここで、図7は時間(min)に対する加湿水量Q(g/sec)及び電圧(V)の関係を示すグラフである。
図7に示すように、加湿水量Qが3(g/sec)以上の場合には、燃料電池2での発電電圧が240〜250(V)程度の高い発電性能を維持していることがわかる。一方、加湿水量Qが3(g/sec)未満になると、加湿水量Qの低下とともに、発電電圧も低下していることがわかる。そのため、本実施形態では、加湿水量閾値Qlを例えば、3(g/sec)程度に設定することが好ましく、算出される加湿水量Qが3(g/sec)以上になるように加湿水量Qを制御する。なお、加湿水量Qが負の値の状態は、投入水分量Qin(g/sec)よりも排出水分量(g/sec)が少ない状態、すなわち燃料電池2内で水分が持ち去られている状態を示している。
Here, FIG. 7 is a graph showing the relationship between the humidified water amount Q (g / sec) and the voltage (V) with respect to time (min).
As shown in FIG. 7, when the humidified water amount Q is 3 (g / sec) or more, it can be seen that the power generation voltage in the fuel cell 2 maintains a high power generation performance of about 240 to 250 (V). . On the other hand, when the amount of humidified water Q is less than 3 (g / sec), it can be seen that the power generation voltage decreases as the amount of humidified water Q decreases. Therefore, in this embodiment, it is preferable to set the humidified water amount threshold Ql to, for example, about 3 (g / sec), and the humidified water amount Q is set so that the calculated humidified water amount Q is 3 (g / sec) or more. Control. Note that the state in which the humidified water amount Q is a negative value is a state in which the discharged water amount (g / sec) is smaller than the input water amount Qin (g / sec), that is, a state in which moisture is carried away in the fuel cell 2. Show.

ところで、第1相対湿度φg、第2相対湿度φw及び加湿水量Qが高すぎると、燃料電池2内でフラッディング現象(生成水が燃料電池2内に局所的に滞留してガス供給を阻害する現象)が生じる虞がある。そこで、図3に示すように、上述した所定閾値(第1相対湿度閾値φgl、相対湿度閾値φw及び加湿水量閾値Ql)に上限値を設定し、ステップS4において第1相対湿度φg、第2相対湿度φw及び加湿水量Qが上限値よりも高いと判定された場合には、ステップS7において、加湿減制御を行う構成とすることが好ましい。加湿減制御については、上述した加湿増制御と逆の方法を行うことで実現できる。
以上により、加湿状態制御のフローを終了する。
By the way, if the first relative humidity φg, the second relative humidity φw, and the amount of humidified water Q are too high, a flooding phenomenon in the fuel cell 2 (a phenomenon in which the generated water locally stays in the fuel cell 2 and inhibits gas supply). ) May occur. Therefore, as shown in FIG. 3, upper limit values are set for the above-described predetermined threshold values (first relative humidity threshold value φgl, relative humidity threshold value φw and humidified water amount threshold value Ql), and in step S4, the first relative humidity φg and the second relative humidity value are set. When it is determined that the humidity φw and the humidified water amount Q are higher than the upper limit values, it is preferable to perform a humidification reduction control in step S7. The humidification reduction control can be realized by performing a method opposite to the humidification increase control described above.
The humidified state control flow is thus completed.

なお、上述した実施形態では、第1相対湿度φg、第2相対湿度φw及び加湿水量Qの判定方法として、所定閾値以上であるか否かを判定する方法に加え、所定閾値に上限値を設ける方法について説明したが、これとは別に第1相対湿度φg、第2相対湿度φw及び加湿水量Qの目標値を設定し、この目標値に近づけるように加湿増制御または加湿減制御を行う構成にしても構わない。
また、本実施形態では、加湿過剰時にはステップS7で加湿減制御を行う場合について説明したが、必ずしも加湿減制御を行う必要はない。
さらに、ステップS5の加湿状態判定において、確定時間を設定し、確定時間内で継続的に算出された第1相対湿度φg、第2相対湿度φw、及び加湿水量Qに基づいて、加湿状態を判定することが好ましい。これにより、過渡的な応答遅れの影響を排除でき、より正確な制御を行うことができるので、燃料電池システム1の信頼性を向上できる。
In the above-described embodiment, as a method for determining the first relative humidity φg, the second relative humidity φw, and the amount of humidified water Q, an upper limit value is provided for the predetermined threshold in addition to the method for determining whether or not the predetermined relative threshold is exceeded. Although the method has been described, the target values of the first relative humidity φg, the second relative humidity φw, and the amount of humidified water Q are set separately, and the humidification increase control or the humidification decrease control is performed so as to approach the target values. It doesn't matter.
In the present embodiment, the case where the humidification reduction control is performed in step S7 when the humidification is excessive has been described. However, the humidification reduction control is not necessarily performed.
Furthermore, in the humidification state determination of step S5, a fixed time is set, and the humidification state is determined based on the first relative humidity φg, the second relative humidity φw, and the humidified water amount Q that are continuously calculated within the fixed time. It is preferable to do. Thereby, the influence of a transient response delay can be eliminated and more accurate control can be performed, so that the reliability of the fuel cell system 1 can be improved.

このように、本実施形態では、露点計51〜54による計測結果に基づいて第2相対湿度φwや、第1相対湿度φg、加湿水量Qのような状態量を算出することで、この算出結果に基づいて燃料電池2の加湿状態を制御できる。これにより、燃料電池2を常に湿潤な状態に保持できるので、所望の発電性能を維持できる。
特に、本実施形態では、上述したように露点計51〜54によって反応ガスの露点を正確に計測できるため、第2相対湿度φwや、第1相対湿度φg、加湿水量Qをより高精度に算出することができ、燃料電池2の加湿状態制御の信頼性を向上できる。
Thus, in the present embodiment, the calculation result is obtained by calculating the state quantities such as the second relative humidity φw, the first relative humidity φg, and the humidified water amount Q based on the measurement results by the dew point meters 51 to 54. Based on the above, the humidified state of the fuel cell 2 can be controlled. Thereby, since the fuel cell 2 can be always kept wet, desired power generation performance can be maintained.
In particular, in this embodiment, since the dew point of the reaction gas can be accurately measured by the dew point meters 51 to 54 as described above, the second relative humidity φw, the first relative humidity φg, and the humidified water amount Q are calculated with higher accuracy. Therefore, the reliability of the humidified state control of the fuel cell 2 can be improved.

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
例えば、上述した実施形態では、燃料電池システム1を燃料電池車両に搭載した場合を例にして説明したが、これに限らず、例えばオートバイやロボット、定置型やポータブル型の燃料電池システムにも適用することができる。
As mentioned above, although embodiment of this invention was explained in full detail with reference to drawings, the concrete structure is not restricted to this embodiment, The design change etc. of the range which does not deviate from the summary of this invention are included.
For example, in the above-described embodiment, the case where the fuel cell system 1 is mounted on a fuel cell vehicle has been described as an example. However, the present invention is not limited thereto, and is applicable to, for example, motorcycles, robots, stationary and portable fuel cell systems. can do.

また、上述した実施形態では、アノード側及びカソード側の各流路(アノードガス供給流路23、カソードガス供給流路24、アノードガス排出流路35、及びカソードガス排出流路38)にそれぞれ分岐流路41〜44を設ける構成について説明したが、これに限らず、アノード側の流路(アノードガス供給流路23、及びアノードガス排出流路35)または、カソード側の流路(カソードガス供給流路24、及びカソードガス排出流路38)のみに設けても構わない。また、アノード側及びカソード側の各流路のうち、何れか1つのみに設ける構成でも構わない。
さらに、上述した実施形態では、第2相対湿度φwや、第1相対湿度φg、加湿水量Qの全ての状態量を用いて燃料電池2の制御を行う構成について説明したが、これに限らず、上述した状態量の少なくとも一つを用いれば構わない。
Further, in the above-described embodiment, each of the anode side and cathode side channels (the anode gas supply channel 23, the cathode gas supply channel 24, the anode gas discharge channel 35, and the cathode gas discharge channel 38) is branched. Although the configuration in which the flow paths 41 to 44 are provided has been described, the present invention is not limited thereto, and the flow path on the anode side (the anode gas supply flow path 23 and the anode gas discharge flow path 35) or the flow path on the cathode side (cathode gas supply) You may provide only in the flow path 24 and the cathode gas discharge flow path 38). Moreover, the structure provided only in any one among each flow path of an anode side and a cathode side may be sufficient.
Furthermore, in the above-described embodiment, the configuration in which the fuel cell 2 is controlled using all the state quantities of the second relative humidity φw, the first relative humidity φg, and the amount of humidified water Q has been described. It suffices to use at least one of the above-described state quantities.

1…燃料電池システム 2…燃料電池スタック(燃料電池) 13…冷却手段 21…アノードガス流路(反応ガス流路、アノード反応ガス流路) 22…カソードガス流路(反応ガス流路) 23…アノードガス供給流路(反応ガス供給流路、アノード反応ガス供給流路) 24…カソードガス供給流路(反応ガス供給流路) 35…アノードガス排出流路(反応ガス排出流路、アノード反応ガス排出流路) 38…カソードガス排出流路(反応ガス排出流路) 41〜44…分岐流路 45〜48…ヒーター(加熱手段) 51〜54…露点計(絶対湿度測定手段) 55〜58…細管部(圧力損失形成手段) 59,60…開閉弁 61…アノードガス圧力判定手段(圧力制御部) 64…加湿状態判定手段(制御部) DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell system 2 ... Fuel cell stack (fuel cell) 13 ... Cooling means 21 ... Anode gas flow path (reaction gas flow path, anode reaction gas flow path) 22 ... Cathode gas flow path (reaction gas flow path) 23 ... Anode gas supply flow path (reaction gas supply flow path, anode reaction gas supply flow path) 24... Cathode gas supply flow path (reaction gas supply flow path) 35... Anode gas discharge flow path (reaction gas discharge flow path, anode reaction gas) Exhaust flow path) 38 ... Cathode gas discharge flow path (reactive gas discharge flow path) 41-44 ... Branch flow path 45-48 ... Heater (heating means) 51-54 ... Dew point meter (absolute humidity measurement means) 55-58 ... Narrow tube section (pressure loss forming means) 59, 60 ... Open / close valve 61 ... Anode gas pressure determining means (pressure control section) 64 ... Humidity state determining means (control section)

Claims (5)

反応ガスが供給され、発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池内の電極に沿って反応ガスを流通させる反応ガス流路と、
前記反応ガス流路に供給される前記反応ガスが流通する反応ガス供給流路と、
前記反応ガス流路から排出されたオフガスが流通するオフガス排出流路と、
前記反応ガス供給流路及び前記オフガス排出流路のうち、少なくとも一つの流路上の分岐部から分岐した分岐流路と、
前記分岐流路上に配置された絶対湿度計測手段と、を備え、
前記分岐部から前記絶対湿度計測手段までの前記分岐流路に、加熱手段が設けられ
前記分岐流路上の前記加熱手段の下流側には、圧力損失形成手段が設けられ、
前記分岐流路の下流端は、前記オフガス排出流路のうち、前記燃料電池から排出されるカソードオフガスが流通するカソードオフガス排出流路に接続されていることを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell that is supplied with reactive gas and generates power;
A reaction gas flow path for allowing a reaction gas to flow along the electrodes in the fuel cell;
A reaction gas supply channel through which the reaction gas supplied to the reaction gas channel flows;
An off-gas discharge channel through which the off-gas discharged from the reaction gas channel flows;
A branching channel branched from a branching portion on at least one of the reaction gas supply channel and the off-gas discharge channel;
An absolute humidity measuring means disposed on the branch flow path,
A heating means is provided in the branch flow path from the branch portion to the absolute humidity measuring means ,
On the downstream side of the heating means on the branch flow path, pressure loss forming means is provided,
The downstream end of the branch channel is connected to a cathode offgas discharge channel through which the cathode offgas discharged from the fuel cell circulates in the offgas discharge channel .
前記加熱手段は、前記分岐流路内を流通する流体を、前記燃料電池の動作温度以上に加熱することを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。 It said heating means, according to claim 1 Symbol mounting the fuel cell system of the fluid flowing through the branch flow path, wherein the heating above the operating temperature of the fuel cell. 前記分岐流路には、前記分岐流路内を開閉可能とする開閉弁が設けられていることを特徴とする請求項1または請求項2記載の燃料電池システム。  The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein the branch flow path is provided with an open / close valve capable of opening and closing the inside of the branch flow path. 前記反応ガス流路として、前記燃料電池内のアノードに沿ってアノード反応ガスを流通させるアノード反応ガス流路を備え、
前記反応ガス供給流路として、前記アノード反応ガス流路に供給される前記アノード反応ガスが流通するアノード反応ガス供給流路を備え、
前記オフガス排出流路として、前記アノード反応ガス流路から排出されたアノードオフガスが流通するアノードオフガス排出流路を備え、
前記分岐流路は、前記アノード反応ガス供給流路及び前記アノードオフガス排出流路のうち、少なくとも一つの流路上の分岐部から分岐し、
前記分岐流路には、前記分岐流路内を開閉可能とする開閉弁が設けられ、
前記燃料電池システムは、前記アノード反応ガスの圧力を計測するアノード反応ガス計測手段と、
前記アノード反応ガス計測手段の計測結果に基づいて、前記開閉弁の開閉制御を行う圧力制御部とを備え、
前記圧力制御部は、
前記燃料電池の起動時において前記アノード反応ガスの圧力が所定以上の場合に、前記開閉弁を開成し、
前記燃料電池を停止する場合に、前記開閉弁を閉成することを特徴とする請求項1ないし請求項3の何れか1項に記載の燃料電池システム。
As the reactive gas flow path, an anode reactive gas flow path for flowing an anode reactive gas along the anode in the fuel cell,
The reaction gas supply channel includes an anode reaction gas supply channel through which the anode reaction gas supplied to the anode reaction gas channel flows.
As the off gas discharge channel, an anode off gas discharge channel through which the anode off gas discharged from the anode reaction gas channel flows,
The branch channel branches from a branch part on at least one of the anode reaction gas supply channel and the anode offgas discharge channel,
The branch flow path is provided with an open / close valve capable of opening and closing the inside of the branch flow path,
The fuel cell system includes anode reaction gas measurement means for measuring the pressure of the anode reaction gas,
A pressure control unit that performs opening / closing control of the on-off valve based on the measurement result of the anode reaction gas measuring means,
The pressure controller is
When the pressure of the anode reaction gas is greater than or equal to a predetermined value when the fuel cell is started, the on-off valve is opened.
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein when the fuel cell is stopped, the on-off valve is closed.
請求項1ないし請求項4の何れか1項に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
前記湿度計測手段は、前記分岐流路を流通する前記反応ガスの露点を計測する露点計であり、
前記燃料電池システムは、前記燃料電池に冷媒を流通させて前記燃料電池を冷却する冷却手段と、
前記露点計により計測された前記反応ガスの露点を用いて、前記燃料電池を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、
計測された前記反応ガスの露点を用いて、前記反応ガスの温度に対する前記反応ガスの第1相対湿度、前記冷媒の温度に対する前記反応ガスの第2相対湿度、及び前記燃料電池の水分保持量のうち、少なくとも一つの状態量を求めるステップと、
求めた前記状態量を用いて、前記燃料電池を制御するステップと、を行うことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
A method for controlling a fuel cell system according to any one of claims 1 to 4,
The humidity measuring means is a dew point meter that measures a dew point of the reaction gas flowing through the branch flow path.
The fuel cell system includes a cooling means for cooling the fuel cell by circulating a refrigerant through the fuel cell;
A controller that controls the fuel cell using a dew point of the reaction gas measured by the dew point meter;
The controller is
Using the measured dew point of the reaction gas, the first relative humidity of the reaction gas with respect to the temperature of the reaction gas, the second relative humidity of the reaction gas with respect to the temperature of the refrigerant, and the water retention amount of the fuel cell A step of obtaining at least one state quantity;
And a step of controlling the fuel cell using the obtained state quantity.
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