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JP2008066114A - Fuel cell system - Google Patents

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JP2008066114A
JP2008066114A JP2006242878A JP2006242878A JP2008066114A JP 2008066114 A JP2008066114 A JP 2008066114A JP 2006242878 A JP2006242878 A JP 2006242878A JP 2006242878 A JP2006242878 A JP 2006242878A JP 2008066114 A JP2008066114 A JP 2008066114A
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JP
Japan
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fuel cell
emission
fuel
carbon dioxide
unit
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Pending
Application number
JP2006242878A
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Japanese (ja)
Inventor
Takahiro Fujii
隆宏 藤井
Yuki Ogawa
祐輝 小川
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Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
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Publication date
Application filed by Nissan Motor Co Ltd filed Critical Nissan Motor Co Ltd
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To estimate the wet state of a fuel cell with favoble precision by detecting an emission amount of a carbon dioxide since a discharged amount of the carbon dioxide has a correlation with a water amount in the fuel cell. <P>SOLUTION: At starting a system, the discharged amount of the carbon dioxide discharged from an oxidizer electrode of the fuel cell is detected, and based on this detected discharged amount, the wet state of the fuel cell is estimated. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特に、燃料電池の湿潤状態を判定する手法に関する。   The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a method for determining a wet state of a fuel cell.

従来より、燃料極に燃料ガス(例えば、水素)を供給し、酸化剤極に酸化剤ガス(例えば、空気)を供給することにより、これらのガスを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池を備える燃料電池システムが知られている。この類の燃料電池は、電解質および電極触媒複合体を挟んで酸化剤極と燃料極とを対設した燃料電池構造体(MEA:membrane-electrode assembly)をセパレータで挟持して構成されている。電解質としては、高エネルギー密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、固体高分子電解質が多く用いられる。固体高分子電解質は、例えば、フッ素樹脂系イオン交換膜といったイオン伝導性の高分子膜で構成されており、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。したがって、このような燃料電池では、電解質膜の湿潤状態が発電性能を左右するため、その湿潤状態を判定することが重要となる。   Conventionally, a fuel gas (for example, hydrogen) is supplied to the fuel electrode, and an oxidant gas (for example, air) is supplied to the oxidant electrode, whereby these gases are reacted electrochemically to generate power. A fuel cell system including a battery is known. This type of fuel cell is configured by sandwiching a fuel cell structure (MEA: membrane-electrode assembly) in which an oxidant electrode and a fuel electrode are opposed to each other with an electrolyte and an electrode catalyst composite in between. As an electrolyte, a solid polymer electrolyte is often used in consideration of high energy density, low cost, light weight, and the like. The solid polymer electrolyte is composed of, for example, an ion conductive polymer membrane such as a fluororesin ion exchange membrane, and functions as an ion conductive electrolyte when saturated with water. Therefore, in such a fuel cell, since the wet state of the electrolyte membrane affects the power generation performance, it is important to determine the wet state.

例えば、特許文献1には、燃料電池の開回路電圧(OCV:Open Circuit Voltage)を閾値と比較することにより、燃料電池の湿潤状態が水分過多状態であるかそれとも乾燥状態であるのかを判定する手法が開示されている。
特開2005−32587号公報
For example, Patent Document 1 determines whether a wet state of a fuel cell is an excessive moisture state or a dry state by comparing an open circuit voltage (OCV) of the fuel cell with a threshold value. A technique is disclosed.
JP 2005-32587 A

しかしながら、特許文献1に開示された手法によれば、電圧が安定するまでに時間を要すること、また、温度条件、圧力条件によって開回路電圧が変化するため、湿潤状態の判定を精度よく行うことが困難となるといった問題がある。   However, according to the method disclosed in Patent Document 1, it takes time for the voltage to stabilize, and the open circuit voltage changes depending on the temperature and pressure conditions, so that the wet state is accurately determined. There is a problem that it becomes difficult.

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池の湿潤状態を精度よく推定することである。   The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to accurately estimate the wet state of the fuel cell.

かかる課題を解決するために、本発明は、燃料電池と、排出量検出手段と、推定手段とを有する燃料電池システムを提供する。ここで、燃料電池は、燃料極に燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤極に酸化剤ガスが供給されることにより、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて電力を発生する。排出量検出手段は、酸化剤極から排出される二酸化炭素の排出量を検出する。推定手段は、システム起動時に、排出量検出手段によって検出される二酸化炭素の排出量に基づいて、燃料電池の湿潤状態を推定する。   In order to solve such a problem, the present invention provides a fuel cell system including a fuel cell, an emission amount detection unit, and an estimation unit. Here, in the fuel cell, fuel gas is supplied to the fuel electrode, and oxidant gas is supplied to the oxidant electrode, whereby the fuel gas and the oxidant gas are reacted electrochemically to generate electric power. To do. The emission amount detection means detects the emission amount of carbon dioxide emitted from the oxidizer electrode. The estimation means estimates the wet state of the fuel cell based on the carbon dioxide emission detected by the emission detection means when the system is activated.

本発明によれば、二酸化炭素の排出量は、燃料電池内の水の量と相関があるため、二酸化炭素の排出量を検出することにより、燃料電池の湿潤状態を精度よく推定することができる。   According to the present invention, since the amount of carbon dioxide emission has a correlation with the amount of water in the fuel cell, the wet state of the fuel cell can be accurately estimated by detecting the amount of carbon dioxide emission. .

図1は、本発明の実施形態にかかる燃料電池システムを概略的に示す構成図である。燃料電池システムは、固体高分子電解質膜を挟んで酸化剤極と燃料極とを対設した燃料電池構造体をセパレータで挟持した燃料電池セルを複数積層して構成される燃料電池スタック1を備える。この燃料電池スタック1は、個々の燃料電池セルにおいて、燃料極に燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤極に酸化剤ガスが供給されることにより、これらのガスを電気化学的に反応させて発電を行う。本実施形態では、燃料ガスとして水素を、酸化剤ガスとして酸素(具体的には、酸素を含んだ空気)を用いるケースについて説明する。   FIG. 1 is a configuration diagram schematically showing a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. The fuel cell system includes a fuel cell stack 1 configured by stacking a plurality of fuel cells each sandwiched by a separator with a fuel cell structure in which an oxidant electrode and a fuel electrode are opposed to each other with a solid polymer electrolyte membrane interposed therebetween. . The fuel cell stack 1 is configured such that in each fuel cell, fuel gas is supplied to the fuel electrode and oxidant gas is supplied to the oxidant electrode to cause these gases to react electrochemically. Generate electricity. In this embodiment, a case will be described in which hydrogen is used as the fuel gas and oxygen (specifically, air containing oxygen) is used as the oxidant gas.

燃料極 : H→2H+2e (1)
酸化剤極 : 2H+2e+(1/2)O→HO (2)
具体的には、個々の発電セルでは、(1),(2)に示すように、燃料極に供給された水素が水素イオンと電子とに分離される反応が起きる。水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通り、酸化剤極側にそれぞれ移動する。酸化剤極では、供給された空気中の酸素と電解質を通って移動した水素イオン及び電子が反応して水が生成される。
Fuel electrode: H 2 → 2H + + 2e (1)
Oxidant electrode: 2H + + 2e + (1/2) O 2 → H 2 O (2)
Specifically, in each power generation cell, as shown in (1) and (2), a reaction occurs in which hydrogen supplied to the fuel electrode is separated into hydrogen ions and electrons. Hydrogen ions pass through the electrolyte and electrons move through the external circuit to the oxidant electrode side. At the oxidizer electrode, the oxygen in the supplied air reacts with the hydrogen ions and electrons that have moved through the electrolyte to produce water.

この燃料電池システムは、例えば、車両を駆動する車両用駆動モータ等の電源として、車両(燃料電池車両)に搭載される。   This fuel cell system is mounted on a vehicle (fuel cell vehicle) as a power source for a vehicle drive motor or the like that drives the vehicle, for example.

燃料電池システムには、燃料電池スタック1に水素を供給するための水素系10と、燃料電池スタック1に空気を供給するための空気系20とが備えられている。   The fuel cell system includes a hydrogen system 10 for supplying hydrogen to the fuel cell stack 1 and an air system 20 for supplying air to the fuel cell stack 1.

水素系10において、燃料ガスである水素は、水素供給部11から水素供給流路10aを介して燃料電池スタック1の燃料極に供給される。この水素供給流路10aには、水素流量制御弁12が設けられている。水素流量制御弁12は、燃料電池スタック1に供給される水素流量が所望の値となるように、後述する制御部30によってその開度が制御される。一方、燃料電池スタック1の燃料極側から排出されるガス(未使用の水素を含む排出ガス)は、水素排出流路10bへと排出される。   In the hydrogen system 10, hydrogen, which is a fuel gas, is supplied from the hydrogen supply unit 11 to the fuel electrode of the fuel cell stack 1 through the hydrogen supply channel 10 a. A hydrogen flow rate control valve 12 is provided in the hydrogen supply channel 10a. The opening degree of the hydrogen flow rate control valve 12 is controlled by the control unit 30 described later so that the hydrogen flow rate supplied to the fuel cell stack 1 becomes a desired value. On the other hand, gas discharged from the fuel electrode side of the fuel cell stack 1 (exhaust gas containing unused hydrogen) is discharged to the hydrogen discharge passage 10b.

空気系20において、酸化剤ガスである空気は、例えば、空気供給部21から空気供給流路20aを介して燃料電池スタック1の酸化剤極に供給される。この空気供給流路20aには、水素流量制御弁22が設けられている。空気流量制御弁22は、燃料電池スタック1に供給される空気流量が所望の値となるように、制御部30によってその開度が制御される。一方、燃料電池スタック1の酸化剤極側から排出されるガス(酸素の一部が消費された排出ガス)は、空気排出流路20bへと排出される。   In the air system 20, for example, air that is an oxidant gas is supplied from the air supply unit 21 to the oxidant electrode of the fuel cell stack 1 via the air supply channel 20a. A hydrogen flow rate control valve 22 is provided in the air supply channel 20a. The opening degree of the air flow rate control valve 22 is controlled by the control unit 30 so that the air flow rate supplied to the fuel cell stack 1 becomes a desired value. On the other hand, the gas discharged from the oxidant electrode side of the fuel cell stack 1 (exhaust gas in which a part of oxygen is consumed) is discharged to the air discharge passage 20b.

また、燃料電池システムにおいて、燃料電池スタック1には出力取出部2が接続されている。出力取出部2は、制御部30によって制御され、要求出力に応じて、燃料電池スタック1から必要な出力(例えば、電力)を取り出して、この取り出した出力を車両用駆動モータ(図示せず)、二次電池(図示せず)、または、燃料電池システムを動作させる種々の補機へと供給する。   In the fuel cell system, an output extraction unit 2 is connected to the fuel cell stack 1. The output take-out unit 2 is controlled by the control unit 30 and takes out a necessary output (for example, electric power) from the fuel cell stack 1 in accordance with the required output, and uses the taken out output as a vehicle drive motor (not shown). , A secondary battery (not shown), or various auxiliary machines for operating the fuel cell system.

制御部30は、燃料電池スタック1の運転状態に基づいて、システムの各部を制御することにより、燃料電池スタック1の発電動作を制御する。制御部30としては、例えば、CPU、ROM、RAM、入出力インターフェースを主体に構成されるマイクロコンピュータを用いることができる。本実施形態において、制御部30は、システム起動時の処理(起動処理)として、燃料電池スタック、具体的には、固体高分子電解質膜の湿潤状態を推定する。そして、この推定結果に応じて、水分過多状態を抑制するように、或いは、乾燥状態を抑制するような回復制御を行う。   The control unit 30 controls the power generation operation of the fuel cell stack 1 by controlling each part of the system based on the operating state of the fuel cell stack 1. As the control unit 30, for example, a microcomputer mainly composed of a CPU, a ROM, a RAM, and an input / output interface can be used. In the present embodiment, the control unit 30 estimates the wet state of the fuel cell stack, specifically, the solid polymer electrolyte membrane, as a process at the time of system startup (startup process). And according to this estimation result, recovery control is performed so as to suppress the excessive water state or suppress the dry state.

燃料極 : H→2H+2e (3)
: 4H+O+4e→2HO (4)
酸化剤極 : C+2HO→CO+4H+4e (5)
: 4H+O+4e→2HO (6)
ここで、燃料電池スタック1が停止状態にあり、水素供給流路に空気が存在している状態においてシステムを起動する場合、燃料極において(3),(4)に示す反応が起こり、酸化剤極において(5),(6)に示す反応が起こる。これは、酸化剤極において固体高分子電解質膜の触媒層に含まれる担持カーボンと水が反応するためであり、これにより、酸化剤極側から二酸化炭素が排出される。この場合、二酸化炭素の排出量は、水が多い程多くなるため、二酸化炭素の排出量を検出することにより、燃料電池スタック1の湿潤状態を推定することができる。
Fuel electrode: H 2 → 2H + + 2e (3)
: 4H + + O 2 + 4e → 2H 2 O (4)
Oxidant electrode: C + 2H 2 O → CO 2 + 4H + + 4e (5)
: 4H + + O 2 + 4e → 2H 2 O (6)
Here, when the system is started in a state where the fuel cell stack 1 is stopped and air is present in the hydrogen supply flow path, the reactions shown in (3) and (4) occur at the fuel electrode, and the oxidant The reactions shown in (5) and (6) occur at the pole. This is because the supported carbon contained in the catalyst layer of the solid polymer electrolyte membrane reacts with water at the oxidant electrode, whereby carbon dioxide is discharged from the oxidant electrode side. In this case, since the amount of carbon dioxide emission increases as the amount of water increases, the wet state of the fuel cell stack 1 can be estimated by detecting the amount of carbon dioxide emission.

制御部30には、燃料電池スタック1の運転状態を検出するために各種の検出手段31〜37からの検出信号が入力されている。出口ガス分析部31は、空気排出流路20bに設けられており、酸化剤極から排出される二酸化炭素量(CO量)を測定する。燃料極入口側電圧計32は、燃料電池スタック1を構成する個々の燃料電池セルにおいて、水素の入口側(供給側)に存在する燃料電池セルの発電電圧(以下「入口側電圧」という)を検出する。燃料極出口側電圧計33は、燃料電池スタック1を構成する個々の燃料電池セルにおいて、水素の出口側(排出側)に存在する燃料電池セルの発電電圧(以下「出口側電圧」という)を検出する。水素供給流量検出部34は、水素供給流路10aに設けられており、燃料電池スタック1の燃料極に供給される水素の流量を検出する。スタック温度検出部35は、燃料電池スタック1の温度を検出する。空気排出流量検出部36は、空気排出流路20bに設けられており、燃料電池スタック1の酸化剤極から排出されるガスの流量を検出する。排出ガス温度検出部37は、空気排出流路20bに設けられており、燃料電池スタック1の酸化剤極から排出されるガスの温度を検出する。 In order to detect the operating state of the fuel cell stack 1, detection signals from various detection units 31 to 37 are input to the control unit 30. The outlet gas analysis unit 31 is provided in the air discharge channel 20b and measures the amount of carbon dioxide (CO 2 amount) discharged from the oxidant electrode. The fuel electrode inlet side voltmeter 32 indicates the generated voltage (hereinafter referred to as “inlet side voltage”) of the fuel cell existing on the hydrogen inlet side (supply side) in each fuel cell constituting the fuel cell stack 1. To detect. The fuel electrode outlet side voltmeter 33 indicates the power generation voltage (hereinafter referred to as “exit side voltage”) of the fuel cell existing on the hydrogen outlet side (discharge side) in each fuel cell constituting the fuel cell stack 1. To detect. The hydrogen supply flow rate detection unit 34 is provided in the hydrogen supply flow path 10 a and detects the flow rate of hydrogen supplied to the fuel electrode of the fuel cell stack 1. The stack temperature detection unit 35 detects the temperature of the fuel cell stack 1. The air discharge flow rate detection unit 36 is provided in the air discharge flow path 20 b and detects the flow rate of the gas discharged from the oxidant electrode of the fuel cell stack 1. The exhaust gas temperature detection unit 37 is provided in the air discharge flow path 20 b and detects the temperature of the gas discharged from the oxidant electrode of the fuel cell stack 1.

図2は、制御部30の構成を示すブロック図である。制御部30は、これを機能的に捉えた場合、排出量検出部30aと、排出量算出部30bと、運転時間記憶部30cと、補正部30dと、推定部30eと、システム制御部30fとを有する。   FIG. 2 is a block diagram illustrating a configuration of the control unit 30. When the control unit 30 grasps this functionally, the discharge amount detection unit 30a, the discharge amount calculation unit 30b, the operation time storage unit 30c, the correction unit 30d, the estimation unit 30e, and the system control unit 30f Have

排出量検出部30aは、出口ガス分析部31によって測定されるCO量の測定値に基づいて、燃料電池スタック1の酸化剤極から実際に排出されるCOの排出量を検出する。排出量算出部30bは、運転時間記憶部30cに記憶されている運転時間を参照し、燃料電池スタック1の酸化剤極から排出されるCOの排出量を算出する。運転時間記憶部30cは、燃料電池スタック1の過去の運転履歴である運転時間が記憶される。補正部30dは、排出量算出部30bによって算出されたCO排出量の算出値を、燃料電池スタック1の温度、水素供給流量および燃料極の酸素濃度(O濃度)に基づいて補正する。推定部30eは、排出量検出部30aによって検出されたCO排出量の検出値と、CO排出量の算出値とを比較することにより、水分過多状態或いは乾燥状態といった燃料電池スタック1の湿潤状態を推定する。システム制御部30fは、推定部30eの推定結果に基づいて、必要に応じて、出力取出部2または空気供給流量調整弁22を制御することにより、湿潤状態を回復させる回復制御を行う。 Emission detector 30a, based on the measured value of the CO 2 amount measured by the exit gas analysis unit 31, detects the emissions of CO 2 actually discharged from the oxidant electrode fuel cell stack 1. The emission amount calculation unit 30 b refers to the operation time stored in the operation time storage unit 30 c and calculates the emission amount of CO 2 discharged from the oxidant electrode of the fuel cell stack 1. The operation time storage unit 30 c stores an operation time that is a past operation history of the fuel cell stack 1. The correction unit 30d corrects the calculated value of the CO 2 emission amount calculated by the emission amount calculation unit 30b based on the temperature of the fuel cell stack 1, the hydrogen supply flow rate, and the oxygen concentration (O 2 concentration) of the fuel electrode. Estimating unit 30e includes a detection value of the detected CO 2 emissions by the discharge amount detector 30a, by comparing the calculated value of the CO 2 emissions, excessive water state or a dry state such as the fuel cell stack 1 wet Estimate the state. The system control unit 30f performs recovery control for recovering the wet state by controlling the output extraction unit 2 or the air supply flow rate adjustment valve 22 as necessary based on the estimation result of the estimation unit 30e.

図3は、本実施形態にかかる起動処理の手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、システムの起動時、例えば、燃料電池自動車であればイグニッションスイッチのオン信号をトリガーとして、制御部30によって実行される。   FIG. 3 is a flowchart showing the procedure of the activation process according to the present embodiment. The processing shown in this flowchart is executed by the control unit 30 when the system is started, for example, in the case of a fuel cell vehicle, triggered by an ignition switch ON signal.

まず、ステップ1(S1)において、CO排出量が算出される。このステップ1では、運転時間に基づいて、CO排出量の算出が行われる。COの排出量は、触媒層の担持カーボン、すなわち、電解質膜の劣化度合いに依存するため、燃料電池スタック1の総稼動時間、アイドル運転時間、負荷運転時間、負荷応答回数、起動停止回数、凍結回数といったパラメータを要素とする運転時間と相関がある。この運転時間は、個々のパラメータの値が長く、或いは、大きくなる程、その値が大きくなる。 First, in step 1 (S1), the CO 2 emission amount is calculated. In Step 1, the CO 2 emission amount is calculated based on the operation time. Since the CO 2 emission amount depends on the degree of deterioration of the carbon supported on the catalyst layer, that is, the electrolyte membrane, the total operation time, idle operation time, load operation time, load response frequency, start / stop frequency of the fuel cell stack 1, There is a correlation with the operation time with parameters such as the number of freezing. This operation time becomes larger as the value of each parameter becomes longer or larger.

図4は、運転時間とCO排出量との対応関係を示す説明図である。同図から分かるように、CO排出量は、運転時間が大きくなる程、その値が減少する傾向を示す。そこで、実験やシミュレーションを通じて、運転時間とCO排出量との対応関係を取得し、例えば、両者の対応関係を計算式として制御部30に格納しておく(数式1参照)。 FIG. 4 is an explanatory diagram showing a correspondence relationship between the operation time and the CO 2 emission amount. As can be seen from the figure, the CO 2 emission amount tends to decrease as the operation time increases. Therefore, a correspondence relationship between the operation time and the CO 2 emission amount is acquired through experiments and simulations, and for example, the correspondence relationship between the two is stored in the control unit 30 as a calculation formula (see Formula 1).

(数式1)
X=f(Ta)
ここで、XはCO排出量であり、Taは現在の起動時までの運転時間であり、fは運転時間TaとCO排出量Xとの対応関係を規定する関数である。また、運転時間記憶部30cには、運転時間の要素となる各パラメータがシステムを運転する度に記憶される。そのため、運転時間記憶部30cを参照し、運手時間Taを特定することにより、CO排出量Xは一義的に算出される。
(Formula 1)
X = f (Ta)
Here, X is the CO 2 emission amount, Ta is the operation time until the current start-up, and f is a function that defines the correspondence between the operation time Ta and the CO 2 emission amount X. The operating time storage unit 30c stores each parameter that is an element of the operating time every time the system is operated. Therefore, the CO 2 emission amount X is uniquely calculated by referring to the operation time storage unit 30c and specifying the handling time Ta.

ステップ2(S2)において、CO排出量Xの補正処理が行われる。ステップ1では、運転時間からCO排出量を算出したが、この値は、燃料電池スタック1の温度、燃料電池スタック1の燃料極の酸素濃度(O濃度)の影響を受ける値であるため、これらの値を考慮して、補正を行う。 In step 2 (S2), the CO 2 emission amount X is corrected. In step 1, the CO 2 emission amount is calculated from the operation time. This value is affected by the temperature of the fuel cell stack 1 and the oxygen concentration (O 2 concentration) of the fuel electrode of the fuel cell stack 1. The correction is performed in consideration of these values.

(1)燃料電池スタック1の温度
図5は、燃料電池スタック1の温度と補正係数との対応関係を示す説明図である。CO排出量は、燃料電池スタック1の温度が高い程、その値が大きくなるという傾向がある。そこで、実験やシミュレーションを通じて、ある基準温度からの温度差に対応付けて、CO排出量(算出値)を補正する補正係数を取得する。そして、例えば、基準温度からの温度差と、補正係数との対応関係を規定する計算式を制御部30に格納しておく(数式2参照)。
(1) Temperature of Fuel Cell Stack 1 FIG. 5 is an explanatory diagram showing the correspondence between the temperature of the fuel cell stack 1 and the correction coefficient. The CO 2 emission amount tends to increase as the temperature of the fuel cell stack 1 increases. Therefore, through an experiment or simulation, a correction coefficient for correcting the CO 2 emission amount (calculated value) is obtained in association with a temperature difference from a certain reference temperature. For example, a calculation formula that defines the correspondence between the temperature difference from the reference temperature and the correction coefficient is stored in the control unit 30 (see Formula 2).

(数式2)
A=g(Tb)=g(Ta−Tp)
ここで、Aは温度補正係数であり、Tbは基準温度との温度差である。また、Taは燃料電池スタック1の温度であり、Tpは基準温度である。そして、gは、基準温度Tpからの温度差Tbと、温度補正係数Aとの対応関係を規定する関数である。そのため、この温度補正係数Aは、スタック温度検出部35によって検出される燃料電池スタック1の温度Taから一義的に算出することができる。なお、この「Ta」には、スタック温度検出部35による検出値を用いるのみならず、例えば、排出ガス温度検出部37による検出値を用いてもよい。
(Formula 2)
A = g (Tb) = g (Ta−Tp)
Here, A is a temperature correction coefficient, and Tb is a temperature difference from the reference temperature. Further, Ta is the temperature of the fuel cell stack 1, and Tp is a reference temperature. G is a function that defines the correspondence between the temperature difference Tb from the reference temperature Tp and the temperature correction coefficient A. Therefore, the temperature correction coefficient A can be uniquely calculated from the temperature Ta of the fuel cell stack 1 detected by the stack temperature detection unit 35. For “Ta”, not only the detection value by the stack temperature detection unit 35 but also the detection value by the exhaust gas temperature detection unit 37 may be used.

(数式3)
X1=A×X=f(Ta)×g(Tb)
すなわち、温度補正が行われたCO排出量X1は、数式3で表すことができる。
(Formula 3)
X1 = A * X = f (Ta) * g (Tb)
That is, the CO 2 emission amount X1 subjected to temperature correction can be expressed by Equation 3.

(2)水素供給流量
図6は、水素供給流量と補正係数との対応関係を示す説明図である。CO排出量は、起動時の水素供給流量の大きさに依存する。そこで、実験やシミュレーションを通じて、種々の水素供給流量に対応付けて、CO排出量(算出値)を補正する補正係数を取得する。そして、例えば、水素供給流量と、補正係数との対応関係を規定する計算式を制御部30に格納しておく(数式4参照)。
(2) Hydrogen Supply Flow Rate FIG. 6 is an explanatory diagram showing the correspondence between the hydrogen supply flow rate and the correction coefficient. The CO 2 emission amount depends on the magnitude of the hydrogen supply flow rate at startup. Therefore, through experiments and simulations, correction coefficients for correcting the CO 2 emission amount (calculated value) are obtained in association with various hydrogen supply flow rates. For example, a calculation formula that defines the correspondence between the hydrogen supply flow rate and the correction coefficient is stored in the control unit 30 (see Formula 4).

(数式4)
B=h(Fr)
ここで、Bは流量補正係数であり、Frは水素供給流量である。また、hは、水素供給流量Frと、流量補正係数Bとの対応関係を規定する関数である。そのため、流量補正係数Bは、水素供給流量検出部34によって検出される水素供給流量Frから一義的に算出することができる。
(Formula 4)
B = h (Fr)
Here, B is a flow rate correction coefficient, and Fr is a hydrogen supply flow rate. H is a function that defines the correspondence between the hydrogen supply flow rate Fr and the flow rate correction coefficient B. Therefore, the flow rate correction coefficient B can be uniquely calculated from the hydrogen supply flow rate Fr detected by the hydrogen supply flow rate detection unit 34.

(数式5)
X2=B×A×X=h(Fr)×f(Ta)×g(Tb)
すなわち、温度補正に加え、流量補正が行われたCO排出量X2は、数式5で表すことができる。
(Formula 5)
X2 = B * A * X = h (Fr) * f (Ta) * g (Tb)
That is, the CO 2 emission amount X2 for which the flow rate correction is performed in addition to the temperature correction can be expressed by Equation 5.

(3)燃料極におけるO濃度
図7は、起動までの経過時間とO濃度との対応関係を示す説明図である。燃料極におけるO濃度は、酸化剤極からの酸素が透過するため、前回の停止から今回の起動までの経過時間が長くなる程、その値が大きくなる傾向を示す。そこで、実験やシミュレーションを通じて、経過時間に応じたO濃度の推移を取得する。そして、例えば、経過時間とO濃度との対応関係を規定する計算式を制御部30に格納しておく(数式6参照)。
(3) O 2 Concentration at Fuel Electrode FIG. 7 is an explanatory diagram showing the correspondence between the elapsed time until startup and the O 2 concentration. Since the oxygen from the oxidant electrode permeates, the O 2 concentration in the fuel electrode tends to increase as the elapsed time from the previous stop to the current start increases. Therefore, the transition of the O 2 concentration according to the elapsed time is acquired through experiments and simulations. For example, a calculation formula that defines the correspondence between the elapsed time and the O 2 concentration is stored in the control unit 30 (see Formula 6).

(数式6)
C=i(Tc)
ここで、CはO濃度であり、Tcは経過時間である。また、iは、経過時間TcとO濃度Cとの対応関係を規定する関数である。また、運転時間記憶部30cには、前回の停止時間がさらに記憶される。そのため、このO濃度Cは、運転時間記憶部30cを参照し、経過時間Tを特定することにより、一義的に算出することができる。
(Formula 6)
C = i (Tc)
Here, C is the O 2 concentration, and Tc is the elapsed time. I is a function that defines the correspondence between the elapsed time Tc and the O 2 concentration C. The previous stop time is further stored in the operation time storage unit 30c. Therefore, the O 2 concentration C can be uniquely calculated by referring to the operation time storage unit 30c and specifying the elapsed time T.

図8は、O濃度と補正係数との対応関係を示す説明図である。CO排出量は、燃料極のO濃度に依存する。そこで、実験やシミュレーションを通じて、種々のO濃度に対応付けて、CO排出量(算出値)を補正する補正係数を取得する。そして、例えば、O濃度と、補正係数との対応関係を規定する計算式を制御部30に格納しておく(数式7参照)。 FIG. 8 is an explanatory diagram showing the correspondence between the O 2 concentration and the correction coefficient. The CO 2 emission amount depends on the O 2 concentration of the fuel electrode. Accordingly, through experiments and simulations, correction coefficients for correcting the CO 2 emission amount (calculated value) are obtained in association with various O 2 concentrations. Then, for example, a calculation formula that defines the correspondence between the O 2 concentration and the correction coefficient is stored in the control unit 30 (see Formula 7).

(数式7)
D=j(C)
ここで、DはO濃度補正係数であり、jはO濃度とO濃度補正係数Dとの対応関係を規定する関数である。そのため、このO濃度補正係数Dは、先に算出されたO濃度Cから一義的に算出することができる。
(Formula 7)
D = j (C)
Here, D is an O 2 concentration correction coefficient, and j is a function that defines the correspondence between the O 2 concentration and the O 2 concentration correction coefficient D. Therefore, the O 2 concentration correction coefficient D can be uniquely calculated from the previously calculated O 2 concentration C.

(数式8)
X3=D×B×A×X=j(C)×h(Fr)×f(Ta)×g(Tb)
すなわち、温度補正および流量補正に加え、O濃度補正が行われたCO排出量X3は、数式8で表すことができる。
(Formula 8)
X3 = D * B * A * X = j (C) * h (Fr) * f (Ta) * g (Tb)
That is, the CO 2 emission amount X3 subjected to the O 2 concentration correction in addition to the temperature correction and the flow rate correction can be expressed by Equation 8.

ステップ3(S3)において、水素および酸素の供給が行われる。そして、ステップ4(S4)において、出口ガス分析部31によって測定されるCO量(CO測定値)を読み込む。 In step 3 (S3), hydrogen and oxygen are supplied. In step 4 (S4), the CO 2 amount (CO 2 measurement value) measured by the outlet gas analyzer 31 is read.

ステップ5(S5)において、CO測定を終了するか否かが判定される。図9は、燃料電池セルの電圧の推移を示す説明図である。起動時に燃料極に水素が供給され、水素が燃料極の入口側に到達すると、燃料極入口側電圧計32によって検出される入口側電圧(すなわち、入口側に存在する燃料電池セルの発電電圧)は、経時的に増加して、開放端電圧(OCV)へと収束する傾向を示す。しかしながら、この場合、燃料極の出口側では、水素が到達していないため、燃料極出口側電圧計33によって検出される出口側電圧(すなわち、出口側に存在する燃料電池セルの発電電圧)に変化はない。そして、水素が燃料極の出口側へと到達すると、燃料極出口側電圧計33の出口側電圧も経時的に増加して、開放端電圧へと収束する傾向を示す。ここで、入口側電圧と出口側電圧が対応するまでに要する時間を「t」とする。 In step 5 (S5), it is determined whether or not to end the CO 2 measurement. FIG. 9 is an explanatory diagram showing the transition of the voltage of the fuel battery cell. When hydrogen is supplied to the fuel electrode at the time of startup and hydrogen reaches the inlet side of the fuel electrode, the inlet side voltage detected by the fuel electrode inlet side voltmeter 32 (that is, the power generation voltage of the fuel cell existing on the inlet side). Indicates a tendency to increase with time and converge to an open circuit voltage (OCV). However, in this case, since hydrogen has not reached on the outlet side of the fuel electrode, the outlet side voltage detected by the fuel electrode outlet side voltmeter 33 (that is, the power generation voltage of the fuel cell existing on the outlet side) is detected. There is no change. When hydrogen reaches the outlet side of the fuel electrode, the outlet side voltage of the fuel electrode outlet side voltmeter 33 also increases with time and tends to converge to the open end voltage. Here, the time required until the inlet side voltage corresponds to the outlet side voltage is “t”.

図10は、ガス供給が開始されてからの経過時間とCO測定値との関係を示す説明図である。同図から分かるように、CO測定値は、経過時間の増加とともにピークを迎え、その後減少する傾向を示す。このような傾向は、燃料電池スタック1へ水素を供給した際に、水素が燃料極の入口側の燃料電池セルへと到達して、その後、個々の燃料電池セルへと供給され、最終的に燃料極の出口側の燃料電池セルへと到達することに起因する。そこで、CO計測は、出口ガス分析部31によってCOが計測されたタイミングより、入口側電圧と出口側電圧とが対応するのに要する時間tが経過したタイミングへ到達したことを条件として終了する。 FIG. 10 is an explanatory diagram showing the relationship between the elapsed time from the start of gas supply and the measured CO 2 value. As can be seen from the figure, the measured value of CO 2 tends to reach a peak as the elapsed time increases and then decrease. Such a tendency is that when hydrogen is supplied to the fuel cell stack 1, the hydrogen reaches the fuel cell on the inlet side of the fuel electrode, and is then supplied to the individual fuel cells. This is caused by reaching the fuel cell on the outlet side of the fuel electrode. Therefore, the CO 2 measurement is terminated on the condition that the time t required for the inlet side voltage and the outlet side voltage to have corresponded has reached from the timing when the CO 2 was measured by the outlet gas analyzer 31. To do.

ステップ5において否定判定された場合、すなわち、CO測定を終了しない場合には、ステップ4に戻り、再度CO計測値を読み込む。一方、ステップ5において肯定判定された場合、すなわち、CO測定を終了する場合には、ステップ6(S6)に進む。 If a negative determination is made in step 5, that is, if the CO 2 measurement is not terminated, the process returns to step 4 and the CO 2 measurement value is read again. On the other hand, if an affirmative determination is made in step 5, that is, if the CO 2 measurement is to be terminated, the process proceeds to step 6 (S6).

ステップ6において、CO測定値に基づいて、CO排出量が特定(検出)される。具体的には、ステップ4において時系列的に読み込まれたCO測定値の総和を算出することにより、実際に検出されたCO測定値ベースのCO排出量が算出される。 In step 6, based on CO 2 measurements, CO 2 emissions are identified (detected). Specifically, by calculating the sum of the time series in the loaded CO 2 measurements in step 4, actually CO 2 emissions of the detected CO 2 measurements base is calculated.

ステップ7(S7)において、湿潤状態が判定される。この湿潤判定では、理論的に算出されたCO排出量(具体的には、ステップ2において補正されたCO排出量X3)と、CO測定値ベースのCO排出量(ステップ6において検出されたCO排出量)とを比較することにより、湿潤状態が推定される。理論的に算出されたCO排出量X3は、燃料電池スタック1の湿潤状態が正常状態であることを念頭に算出される値であるため、この値を基準として、実際のCO排出量がそれよりも多いのかそれとも少ないのかを判定することにより、燃料電池スタック1の湿潤状態を推定することができる。そこで、このステップ7では、CO測定値ベースのCO排出量が、理論的に算出されたCO排出量よりも所定の閾値以上多い場合には、燃料電池スタック1の湿潤状態が水分過多であると推定する。一方、CO測定値ベースのCO排出量が、理論的に算出されたCO排出量よりも所定の閾値以上少ない場合には、燃料電池スタック1の湿潤状態が乾燥状態であると推定する。 In step 7 (S7), the wet state is determined. In this wetness determination, the theoretically calculated CO 2 emission amount (specifically, the CO 2 emission amount X3 corrected in step 2) and the CO 2 measurement value-based CO 2 emission amount (detected in step 6). The CO 2 emission amount), the wet state is estimated. Since the theoretically calculated CO 2 emission amount X3 is a value calculated in consideration that the wet state of the fuel cell stack 1 is a normal state, the actual CO 2 emission amount is based on this value. The wet state of the fuel cell stack 1 can be estimated by determining whether it is more or less than that. Therefore, in this step 7, when the CO 2 emission amount based on the CO 2 measurement value is larger than the theoretically calculated CO 2 emission amount by a predetermined threshold or more, the wet state of the fuel cell stack 1 is excessive. It is estimated that. On the other hand, when the CO 2 emission amount based on the CO 2 measurement value is smaller than the theoretically calculated CO 2 emission by a predetermined threshold or more, it is estimated that the wet state of the fuel cell stack 1 is the dry state. .

ステップ8(S8)において、ステップ7において推定された湿潤状態に基づいて、燃料電池システムの制御が行われる。具体的には、燃料電池スタック1の湿潤状態が、水分過多状態と推定されている場合には、出力取出部2によって燃料電池スタック1から出力の取り出しを開始する。これにより、燃料電池スタック1の発熱が促進されて、水分過多な状態が抑制される傾向となる。一方、燃料電池スタック1の湿潤状態が、乾燥状態と推定されている場合には、酸化剤極側に供給される空気の流量を通常制御時のそれよりも小さくした状態で、出力取出部2によって燃料電池スタック1から、上限出力を定めた上で出力の取り出しを開始する。これにより、燃料電池スタック1内において、発電反応にともなう水の生成が促進されるため、乾燥状態が抑制される傾向となる。この湿潤状態に応じたシステム制御は、例えば、予め設定された所定時間継続したり、また、水分過多な状態(或いは、乾燥状態)から正常な湿潤状態へと復帰したと認められる程度に燃料電池スタック1の発電電圧が回復するまで継続される。なお、燃料電池スタックの湿潤状態が正常状態、すなわち、水分過多状態でも乾燥状態でもない場合には、通常制御へと移行して、要求出力に応じた出力を燃料電池スタック1より取り出す。   In step 8 (S8), the fuel cell system is controlled based on the wet state estimated in step 7. Specifically, when the wet state of the fuel cell stack 1 is estimated to be an excessive moisture state, the output extraction unit 2 starts to extract output from the fuel cell stack 1. Thereby, the heat generation of the fuel cell stack 1 is promoted, and the excessive water state tends to be suppressed. On the other hand, when the wet state of the fuel cell stack 1 is estimated to be a dry state, the output extraction unit 2 is in a state where the flow rate of the air supplied to the oxidant electrode side is smaller than that during normal control. After the upper limit output is determined from the fuel cell stack 1, the output extraction is started. Thereby, in the fuel cell stack 1, since the production | generation of the water accompanying a power generation reaction is accelerated | stimulated, it will become the tendency for a dry state to be suppressed. The system control according to the wet state continues, for example, for a predetermined time set in advance, or to the extent that the fuel cell is recognized to have returned from a state of excessive moisture (or a dry state) to a normal wet state. This is continued until the generated voltage of the stack 1 is restored. When the wet state of the fuel cell stack is in a normal state, that is, when it is neither an excessive moisture state nor a dry state, the control proceeds to normal control, and an output corresponding to the required output is taken out from the fuel cell stack 1.

このように本実施形態において、燃料電池システムは、燃料電池と、排出量検出手段と、推定手段とを有している。ここで、燃料電池は、燃料極に燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤極に酸化剤ガスが供給されることにより、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて電力を発生するものであり、燃料電池スタック1がこれに該当する。排出量検出手段は、酸化剤極から排出される二酸化炭素の排出量を検出する機能を担っており、出口ガス分析部31および排出量検出部30aがこれに該当する。推定手段は、システム起動時に、排出量検出手段によって検出される二酸化炭素の排出量に基づいて、燃料電池の湿潤状態を推定する機能を担っており、推定部30eがこれに該当する。   As described above, in the present embodiment, the fuel cell system includes the fuel cell, the discharge amount detection unit, and the estimation unit. Here, in the fuel cell, fuel gas is supplied to the fuel electrode, and oxidant gas is supplied to the oxidant electrode, whereby the fuel gas and the oxidant gas are reacted electrochemically to generate electric power. The fuel cell stack 1 corresponds to this. The discharge amount detection means has a function of detecting the discharge amount of carbon dioxide discharged from the oxidizer electrode, and the outlet gas analysis unit 31 and the discharge amount detection unit 30a correspond to this function. The estimation means has a function of estimating the wet state of the fuel cell based on the carbon dioxide emission detected by the emission detection means when the system is activated, and the estimation unit 30e corresponds to this.

かかる構成によれば、酸化剤極において固体高分子電解質膜の触媒層に含まれる担持カーボンと水が反応するため、酸化剤極側から二酸化炭素が排出される。この場合、二酸化炭素の排出量は、燃料電池内の水の量と相関があるため、二酸化炭素の排出量を検出することにより、燃料電池の湿潤状態を精度よく推定することができる。   According to such a configuration, since the supported carbon contained in the catalyst layer of the solid polymer electrolyte membrane and water react at the oxidant electrode, carbon dioxide is discharged from the oxidant electrode side. In this case, since the amount of carbon dioxide emission has a correlation with the amount of water in the fuel cell, the wet state of the fuel cell can be accurately estimated by detecting the amount of carbon dioxide emission.

また、本実施形態において、燃料電池システムは、排出量算出手段をさらに有している。ここで、排出量算出手段は、システムの運転履歴に基づいて、システム起動時に、酸化剤極から排出される二酸化炭素の排出量を算出する機能を担っており、排出量算出部30bがこれに該当する。この場合、推定手段は、排出量検出手段によって検出される二酸化炭素の排出量と、排出量算出手段によって算出される二酸化炭素の排出量とを比較し、この比較結果に基づいて、燃料電池の湿潤状態を推定する。ここで、推定手段は、排出量検出手段によって検出される二酸化炭素の排出量が、排出量算出手段によって算出される二酸化炭素の排出量よりも所定の閾値以上多い場合には、燃料電池が水分過多状態であると推定し、排出量検出手段によって検出される二酸化炭素の排出量が、排出量算出手段によって算出される二酸化炭素の排出量よりも所定の閾値以上少ない場合には、燃料電池が乾燥状態であると推定する。   In the present embodiment, the fuel cell system further includes an emission amount calculating means. Here, the emission amount calculation means has a function of calculating the emission amount of carbon dioxide emitted from the oxidizer electrode when the system is started based on the operation history of the system, and the emission amount calculation unit 30b performs this function. Applicable. In this case, the estimation means compares the carbon dioxide emission detected by the emission detection means with the carbon dioxide emission calculated by the emission calculation means, and based on the comparison result, the fuel cell Estimate the wet state. Here, the estimation means is configured such that when the carbon dioxide emission detected by the emission detection means is greater than the carbon dioxide emission calculated by the emission calculation means by a predetermined threshold or more, the fuel cell When it is estimated that there is an excessive state, and the carbon dioxide emission detected by the emission detection means is smaller than the carbon dioxide emission calculated by the emission calculation means by a predetermined threshold or more, the fuel cell Presumed to be dry.

かかる構成によれば、理論的に算出された排出量算出手段によって算出される二酸化炭素の排出量は、燃料電池の湿潤状態が正常状態であることを念頭に算出される値であるため、この値を基準として、排出量検出手段によって検出される二酸化炭素の排出量がそれよりも多いのかそれとも少ないのかを判定することにより、燃料電池の湿潤状態を推定することができる。   According to such a configuration, the carbon dioxide emission calculated by the theoretically calculated emission calculating means is a value calculated in consideration of the wet state of the fuel cell being in a normal state. The wet state of the fuel cell can be estimated by determining whether the emission amount of carbon dioxide detected by the emission amount detection means is greater or less than the reference value.

また、本実施形態において、燃料電池システムは、温度検出手段と、補正手段とをさらに有している。ここで、温度検出手段は、燃料電池の酸化剤極における温度を検出する機能を担っており、スタック温度検出部35および排出ガス温度検出部37がこれに該当する。補正手段は、温度検出手段によって検出される温度に基づいて、排出量算出手段によって算出される二酸化炭素の排出量を補正する機能を担っており、補正部30dがこれに該当する。酸化剤極側からの二酸化炭素の排出量は、燃料電池の酸化剤極における温度と相関があるため、これを用いて補正を行うことにより、精度よく二酸化炭素の排出量を算出することができる。これにより、湿潤状態の判定を精度よく行うことができる。   In the present embodiment, the fuel cell system further includes a temperature detection unit and a correction unit. Here, the temperature detection unit has a function of detecting the temperature at the oxidant electrode of the fuel cell, and the stack temperature detection unit 35 and the exhaust gas temperature detection unit 37 correspond to this. The correcting unit has a function of correcting the carbon dioxide emission calculated by the emission calculating unit based on the temperature detected by the temperature detecting unit, and the correcting unit 30d corresponds to this function. Since the amount of carbon dioxide emitted from the oxidant electrode side has a correlation with the temperature at the oxidant electrode of the fuel cell, the amount of carbon dioxide emitted can be accurately calculated by performing correction using this. . Thereby, the determination of a wet state can be performed accurately.

また、本実施形態において、燃料電池システムは、流量検出手段をさらに有している。ここで、流量検出手段は、燃料電池の燃料極に供給される燃料ガスの流量を検出する機能を担っており、水素供給流量検出部34がこれに該当する。この場合、補正手段は、流量検出手段によって検出される燃料ガスの流量に基づいて、排出量算出手段によって算出される二酸化炭素の排出量を補正する。酸化剤極側からの二酸化炭素の排出量は、燃料極に供給される燃料ガスの流量と相関があるため、これを用いて補正を行うことにより、精度よく二酸化炭素の排出量を算出することができる。これにより、湿潤状態の判定を精度よく行うことができる。なお、補正手段は、燃料ガスの流量のみを用いて補正をおこなってもよいし、酸化剤極における温度と燃料ガスの流量との双方を用いて補正をおこなってもよい。   In the present embodiment, the fuel cell system further includes a flow rate detecting means. Here, the flow rate detection unit has a function of detecting the flow rate of the fuel gas supplied to the fuel electrode of the fuel cell, and the hydrogen supply flow rate detection unit 34 corresponds to this function. In this case, the correction means corrects the carbon dioxide emission amount calculated by the emission amount calculation means based on the flow rate of the fuel gas detected by the flow rate detection means. The amount of carbon dioxide emitted from the oxidizer electrode is correlated with the flow rate of the fuel gas supplied to the fuel electrode. Can do. Thereby, the determination of a wet state can be performed accurately. The correction means may perform correction using only the flow rate of the fuel gas, or may perform correction using both the temperature at the oxidizer electrode and the flow rate of the fuel gas.

また、本実施形態において、補正手段は、燃料電池の酸化剤極における酸素濃度に基づいて、排出量算出手段によって算出される二酸化炭素の排出量を補正してもよい。酸化剤極側からの二酸化炭素の排出量は、酸化剤極における酸素濃度と相関があるため、これを用いて補正を行うことにより、精度よく二酸化炭素の排出量を算出することができる。これにより、湿潤状態の判定を精度よく行うことができる。なお、酸素濃度のみを用いて補正をおこなってもよいし、酸化剤極における温度、燃料ガスの流量および酸素濃度の二つ以上を組み合わせて補正をおこなってもよい。   In the present embodiment, the correcting means may correct the carbon dioxide emission calculated by the emission calculating means based on the oxygen concentration in the oxidant electrode of the fuel cell. Since the discharge amount of carbon dioxide from the oxidant electrode side has a correlation with the oxygen concentration in the oxidant electrode, the discharge amount of carbon dioxide can be accurately calculated by performing correction using this. Thereby, the determination of a wet state can be performed accurately. The correction may be performed using only the oxygen concentration, or may be performed by combining two or more of the temperature at the oxidizer electrode, the flow rate of the fuel gas, and the oxygen concentration.

さらに、本実施形態において、燃料電池システムは、出力取出手段と、制御手段とをさらに有していてもよい。ここで、出力取出手段は、燃料電池から出力を取り出す機能を担っており、出力取出部2がこれに該当する。制御手段は、推定手段によって推定された燃料電池の湿潤状態に基づいて、出力取出手段を制御する機能を担っており、システム制御部30fがこれに該当する。かかる構成によれば、湿潤状態に基づいて、燃料電池から出力を取り出すことにより、水分過多または乾燥といった状態を回復させることができる。   Further, in the present embodiment, the fuel cell system may further include an output extraction unit and a control unit. Here, the output extraction means has a function of extracting the output from the fuel cell, and the output extraction unit 2 corresponds to this. The control unit has a function of controlling the output extraction unit based on the wet state of the fuel cell estimated by the estimation unit, and the system control unit 30f corresponds to this function. According to such a configuration, it is possible to recover the state of excessive moisture or dryness by taking out the output from the fuel cell based on the wet state.

また、本実施形態において、制御手段は、推定手段によって推定された燃料電池の湿潤状態に基づいて、燃料電池への酸化剤ガスおよび燃料ガスの供給量を制御してもよい。かかる構成によれば、湿潤状態に基づいて、ガスの供給量を制御することにより、水分過多または乾燥といった状態を回復させることができる。   In the present embodiment, the control means may control the supply amount of the oxidant gas and the fuel gas to the fuel cell based on the wet state of the fuel cell estimated by the estimation means. According to such a configuration, it is possible to recover a state of excessive moisture or dryness by controlling the gas supply amount based on the wet state.

例えば、制御手段は、推定手段によって燃料電池が水分過多状態であると推定された場合には、出力取出手段によって燃料電池から出力を取り出す。また、制御手段は、推定手段によって燃料電池が乾燥状態であると推定された場合には、出力取出手段によって、燃料電池から上限制限付きで出力を取り出す。また、制御手段は、推定手段によって燃料電池が乾燥状態であると推定された場合には、燃料電池の酸化剤極に供給される酸化剤ガスの供給量を減少させる。かかる構成によれば、水分過多または乾燥といった状態を回復させることができる。   For example, when the estimation unit estimates that the fuel cell is in an excessive water state, the control unit extracts the output from the fuel cell by the output extraction unit. Further, when the estimation unit estimates that the fuel cell is in a dry state, the control unit extracts the output from the fuel cell with an upper limit by the output extraction unit. In addition, when the estimation unit estimates that the fuel cell is in a dry state, the control unit decreases the supply amount of the oxidant gas supplied to the oxidant electrode of the fuel cell. According to such a configuration, it is possible to recover a state of excessive moisture or drying.

燃料電池システムを概略的に示す構成図Configuration diagram schematically showing the fuel cell system 制御部30の構成を示すブロック図The block diagram which shows the structure of the control part 30 起動処理の手順を示すフローチャートFlow chart showing the procedure of startup processing 運転時間とCO排出量との対応関係を示す説明図Explanatory diagram showing the correspondence between operating time and CO 2 emissions 燃料電池スタック1の温度と補正係数との対応関係を示す説明図Explanatory drawing showing the correspondence between the temperature of the fuel cell stack 1 and the correction coefficient 水素供給流量と補正係数との対応関係を示す説明図Explanatory diagram showing the correspondence between hydrogen supply flow rate and correction coefficient 起動までの経過時間とO濃度との対応関係を示す説明図Explanatory diagram showing the correspondence between the elapsed time until startup and the O 2 concentration 濃度と補正係数との対応関係を示す説明図Explanatory view showing a correspondence relationship between the O 2 concentration and the correction factor 燃料電池セルの電圧の推移を示す説明図Explanatory diagram showing the transition of the voltage of the fuel cell ガス供給が開始されてからの経過時間とCO測定値との関係を示す説明図Explanatory view showing a relationship between an elapsed time and CO 2 measurements from a gas supply is started

符号の説明Explanation of symbols

1 燃料電池スタック
2 出力取出部
10 水素系
10a 水素供給流路
10b 水素排出流路
11 水素供給部
12 水素流量制御弁
20 空気系
20a 空気供給流路
20b 空気排出流路
21 空気供給部
22 水素流量制御弁
22 空気供給流量調整弁
22 空気流量制御弁
30 制御部
30a 排出量検出部
30b 排出量算出部
30c 運転時間記憶部
30d 補正部
30e 推定部
30f システム制御部
31 出口ガス分析部
32 燃料極入口側電圧計
33 燃料極出口側電圧計
34 水素供給流量検出部
35 スタック温度検出部
36 空気排出流量検出部
37 排出ガス温度検出部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell stack 2 Output extraction part 10 Hydrogen system 10a Hydrogen supply flow path 10b Hydrogen discharge flow path 11 Hydrogen supply part 12 Hydrogen flow control valve 20 Air system 20a Air supply flow path 20b Air discharge flow path 21 Air supply part 22 Hydrogen flow rate Control valve 22 Air supply flow rate adjustment valve 22 Air flow rate control valve 30 Control unit 30a Emission amount detection unit 30b Emission amount calculation unit 30c Operation time storage unit 30d Correction unit 30e Estimation unit 30f System control unit 31 Outlet gas analysis unit 32 Fuel electrode inlet Side voltmeter 33 Fuel electrode outlet side voltmeter 34 Hydrogen supply flow rate detection unit 35 Stack temperature detection unit 36 Air discharge flow rate detection unit 37 Exhaust gas temperature detection unit

Claims (12)

燃料電池システムにおいて、
燃料極に燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤極に酸化剤ガスが供給されることにより、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて電力を発生する燃料電池と、
前記酸化剤極から排出される二酸化炭素の排出量を検出する排出量検出手段と、
システム起動時に、前記排出量検出手段によって検出される二酸化炭素の排出量に基づいて、前記燃料電池の湿潤状態を推定する推定手段と
を有することを特徴とする燃料電池システム。
In the fuel cell system,
A fuel cell that generates electric power by electrochemically reacting the fuel gas and the oxidant gas by supplying a fuel gas to the fuel electrode and supplying an oxidant gas to the oxidant electrode;
An emission amount detecting means for detecting an emission amount of carbon dioxide discharged from the oxidant electrode;
A fuel cell system comprising: estimation means for estimating a wet state of the fuel cell based on a carbon dioxide emission detected by the emission detection means when the system is activated.
システムの運転履歴に基づいて、システム起動時に、前記酸化剤極から排出される二酸化炭素の排出量を算出する排出量算出手段をさらに有し、
前記推定手段は、前記排出量検出手段によって検出される二酸化炭素の排出量と、前記排出量算出手段によって算出される二酸化炭素の排出量とを比較し、当該比較結果に基づいて、前記燃料電池の湿潤状態を推定することを特徴とする請求項1に記載された燃料電池システム。
Based on the operating history of the system, the system further includes an emission amount calculating means for calculating the amount of carbon dioxide emitted from the oxidant electrode at the time of starting the system,
The estimation means compares the carbon dioxide emission detected by the emission detection means with the carbon dioxide emission calculated by the emission calculation means, and based on the comparison result, the fuel cell The fuel cell system according to claim 1, wherein the wet state is estimated.
前記推定手段は、前記排出量検出手段によって検出される二酸化炭素の排出量が、前記排出量算出手段によって算出される二酸化炭素の排出量よりも所定の閾値以上多い場合には、前記燃料電池が水分過多状態であると推定し、前記排出量検出手段によって検出される二酸化炭素の排出量が、前記排出量算出手段によって算出される二酸化炭素の排出量よりも所定の閾値以上少ない場合には、前記燃料電池が乾燥状態であると推定することを特徴とする請求項2に記載された燃料電池システム。   When the carbon dioxide emission detected by the emission detection means is greater than the carbon dioxide emission calculated by the emission calculation means by a predetermined threshold or more, the estimation means When the amount of carbon dioxide detected by the emission amount detection unit is estimated to be in an excessive water state, and the amount of carbon dioxide emission calculated by the emission amount calculation unit is less than a predetermined threshold, The fuel cell system according to claim 2, wherein the fuel cell is estimated to be in a dry state. 前記燃料電池の酸化剤極における温度を検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段によって検出される温度に基づいて、前記排出量算出手段によって算出される二酸化炭素の排出量を補正する補正手段と
をさらに有することを特徴とする請求項2または3に記載された燃料電池システム。
Temperature detecting means for detecting the temperature at the oxidant electrode of the fuel cell;
4. The correction unit according to claim 2, further comprising a correction unit that corrects the carbon dioxide emission amount calculated by the emission amount calculation unit based on the temperature detected by the temperature detection unit. Fuel cell system.
前記燃料電池の燃料極に供給される燃料ガスの流量を検出する流量検出手段と、
前記流量検出手段によって検出される燃料ガスの流量に基づいて、前記排出量算出手段によって算出される二酸化炭素の排出量を補正する補正手段と
をさらに有することを特徴とする請求項2または3に記載された燃料電池システム。
Flow rate detection means for detecting the flow rate of the fuel gas supplied to the fuel electrode of the fuel cell;
4. The apparatus according to claim 2, further comprising a correction unit that corrects a carbon dioxide emission amount calculated by the emission amount calculation unit based on a flow rate of the fuel gas detected by the flow rate detection unit. The described fuel cell system.
前記燃料電池の酸化剤極における酸素濃度に基づいて、前記排出量算出手段によって算出される二酸化炭素の排出量を補正する補正手段と
をさらに有することを特徴とする請求項2または3に記載された燃料電池システム。
4. The correction device according to claim 2, further comprising a correction unit that corrects the carbon dioxide emission amount calculated by the emission amount calculation unit based on an oxygen concentration in the oxidant electrode of the fuel cell. 5. Fuel cell system.
前記燃料電池の酸化剤極における温度を検出する温度検出手段と、
前記燃料電池の燃料極に供給される燃料ガスの流量を検出する流量検出手段と、
前記温度検出手段によって検出される温度、前記流量検出手段によって検出される燃料ガスの流量、および、前記燃料電池の酸化剤極における酸素濃度のいずれか2つ以上に基づいて、前記排出量算出手段によって算出される二酸化炭素の排出量を補正する補正手段と
をさらに有することを特徴とする請求項2または3に記載された燃料電池システム。
Temperature detecting means for detecting the temperature at the oxidant electrode of the fuel cell;
Flow rate detection means for detecting the flow rate of the fuel gas supplied to the fuel electrode of the fuel cell;
Based on any two or more of the temperature detected by the temperature detection means, the flow rate of the fuel gas detected by the flow rate detection means, and the oxygen concentration in the oxidant electrode of the fuel cell, the emission amount calculation means The fuel cell system according to claim 2, further comprising a correcting unit that corrects the carbon dioxide emission calculated by the formula (1).
前記燃料電池から出力を取り出す出力取出手段と、
前記推定手段によって推定された前記燃料電池の湿潤状態に基づいて、前記出力取出手段を制御する制御手段と
をさらに有することを特徴とする請求項1から7のいずれか一項に記載された燃料電池システム。
Output extraction means for extracting output from the fuel cell;
The fuel according to any one of claims 1 to 7, further comprising a control unit that controls the output extraction unit based on a wet state of the fuel cell estimated by the estimation unit. Battery system.
前記制御手段は、前記推定手段によって推定された前記燃料電池の湿潤状態に基づいて、前記燃料電池への酸化剤ガスおよび燃料ガスの供給量を制御することを特徴する請求項8に記載された燃料電池システム。   9. The control unit according to claim 8, wherein the control unit controls the supply amount of the oxidant gas and the fuel gas to the fuel cell based on the wet state of the fuel cell estimated by the estimation unit. Fuel cell system. 前記制御手段は、前記推定手段によって前記燃料電池が水分過多状態であると推定された場合には、前記出力取出手段によって前記燃料電池から出力を取り出すことを特徴とする請求項8または9に記載された燃料電池システム。   10. The control unit according to claim 8, wherein when the estimation unit estimates that the fuel cell is in an excessive water state, the control unit extracts an output from the fuel cell by the output extraction unit. Fuel cell system. 前記制御手段は、前記推定手段によって前記燃料電池が乾燥状態であると推定された場合には、前記出力取出手段によって、前記燃料電池から上限制限付きで出力を取り出すことを特徴とする請求項8または9に記載された燃料電池システム。   9. The control device according to claim 8, wherein when the estimation unit estimates that the fuel cell is in a dry state, the output extraction unit extracts an output from the fuel cell with an upper limit. Or 9. The fuel cell system according to 9. 前記制御手段は、前記推定手段によって前記燃料電池が乾燥状態であると推定された場合には、前記燃料電池の酸化剤極に供給される酸化剤ガスの供給量を減少させることを特徴とする請求項9に記載された燃料電池システム。   The control means reduces the supply amount of oxidant gas supplied to the oxidant electrode of the fuel cell when the estimation means estimates that the fuel cell is in a dry state. The fuel cell system according to claim 9.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2010021115A (en) * 2008-07-14 2010-01-28 Toyota Motor Corp Gas concentration estimating device, and fuel cell system

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